TWI473269B - 具有不平整主動層之發光裝置及其形成方法 - Google Patents

Description

具有不平整主動層之發光裝置及其形成方法

本發明係關於發光裝置(light-emitting device，LED)，且特別是關於具有不平整主動層(textured active layers)之發光裝置之製造方法及其形成結構。

如發光二極體(light-emitting diode)或雷射二極體(laser diode)之發光裝置(light-emitting device，LED)已廣泛地於許多應用中使用。如熟悉此技藝者所知悉，發光裝置可包括具有形成於一基板上之複數個半導體層之一半導體發光元件。上述基板可由如砷化鎵(gallium arsenide)、磷化鎵(gallium phosphide)、上述材料之合金、碳化矽(silicon carbide)及/或藍寶石(sapphire)等材料所形成。發光裝置的持續發展中已產生了涵蓋可見光譜及可見光譜以外之高效率且堅固耐用之光源。如此，伴隨著其可能之長效壽命之固態裝置的使用，將有助於其於多種新穎顯示應用中的使用，且可使得發光裝置處於媲美於傳統白熾燈泡(incandescent lamp)與螢光(fluorescent lamp)燈泡之地位。

發光裝置由主動層發出光線。如此，光線可由主動層之相對側而汲出。然而，於某些情況下，如當發光裝置係用於照明用途時，則可較佳地使光線僅導向至朝向發光裝置之一側，以使得光線經過散射而達到較均勻之光分佈情形。一般來說，圖案化之封裝基板係連結於發光裝置晶片以重新導引光線朝向所期望之方向。然而上述方法造成了了封裝基板及用於連結發光裝置晶片至封裝基板的連結製程之成本與複雜性的增加。此外，採用上述封裝基板之解決方案並無法改善其光汲出效率(light-extraction efficiency)。

有鑑於此，本發明提供了一種裝置及其形成方法，以解決上述習知問題。

依據一實施例，本發明提供了一種裝置，包括：一不平整基板，包括自該不平整基板之一頂面延伸進入該不平整基板內之一第一溝槽，其中該溝槽包括一第一側壁與一底部；以及一發光裝置，位於該不平整基板上且包括一主動層，其中該主動層包括平行於該第一側壁之一第一部以及平行於該溝槽之該底部之一第二部。

依據另一實施例，本發明提供了一種裝置，包括：一不平整基板，包括具有一頂部、平行且低於該頂部之一底部及連結該頂部與該底部且於該頂部與該底部之間形成一傾斜角之一傾斜部之一不平整頂面；以及一發光裝置。該發光裝置包括：一第一覆蓋層，具有一第一導電特性且位於該不平整頂面之上；一主動層，位於該第一覆蓋層之上；以及一第二覆蓋層，具有相反於該第一導電特性之一第二導電特性且位於該主動層之上，其中該第一覆蓋層、該主動層與該第二覆蓋層分別為包括複數個第一部、第二部與第三傾斜部之複數個順應之不平整膜層，且其中該些第二部係平行且高於該些第一部。

依據又一實施例，本發明提供了一種裝置，包括：一不平整基板，包括自該不平整基板之一頂面延伸進入該不平整基板內之一溝槽，其中該溝槽包括一第一側壁與一底部；以及一發光裝置。該發光裝置包括：一第一覆蓋層，具有一第一導電特性且位於該不平整基板之該頂面之上；一主動層，位於該第一覆蓋層之上；以及一第二覆蓋層，具有相反於該第一導電特性之一第二導電特性且位於該主動層之上，其中該第一覆蓋層、該主動層與該第二覆蓋層具有一非平坦頂面。

依據另一實施例，本發明提供了一種裝置之形成方法，包括：提供一基板；形成沿著該基板之一底面延伸進入該基板之一第一溝槽，其中該第一溝槽包括一第一側壁與一底部；以及形成包括一主動層之一發光裝置，其中該主動層包括平行於該第一溝槽之該第一側壁之一第一部以及平行於該第一溝槽之該底部之一第二部。

為讓本發明之上述目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附的圖式，作詳細說明如下：

於下文中將描述本發明之實施例之新穎發光裝置及其形成方法。並將圖示於實施例中之製造過程中的中間階段。並接著討論本發明之實施例之變化與操作。於此些不同圖式與解說之實施例中，係採用相同標號以代表相同之元件。

請參照第1圖，首先提供包括基板20之晶片100。晶片100可為包括複數個相同晶片之一未經分割晶圓(un-diced wafer)之一部。於一實施例中，基板20可由藍寶石(sapphire，Al₂ O₃ )所形成。於其他實施例中，基板20係為一含矽基板(silicon-containing substrate)，例如碳化矽基板(silicon carbide substrate)或矽基板。於其他實施例中，基板20包括III族及/或V族元素之化合物半導體材料，或包括習知之III-V族化合物半導體材料。

請參照第2圖，於基板20上形成光阻22並圖案化之以於其內形成數個開口24。於一實施例中，此些開口24內不同開口之水平尺寸(即寬度或長度，例如為W1、W2與W3)可能相異，雖然於晶片100上之此些開口24的水平尺寸亦可能相同。再者，介於相鄰之開口24之間的間距(例如S1與S2)可能彼此為相同或為相異。如此，於晶片100之不同區域內之開口24的圖案密度可具有變化，其中位於一區域內之開口24的圖案密度等於區域內之開口24之整個區域除以上述區域之整個區域。於上述實施例中，其中於晶片100上之開口24的水平尺寸與間距可為相同的，於整個晶片100上之開口24的圖案密度大體相同。

請參照第3A圖，穿透開口24蝕刻基板20以形成數個分隔之溝槽26，其自基板20之頂面20a延伸進入基板20內。於下文中，經蝕刻後的之基板20較佳地稱之為不平整基板(textured substrate)。包括了溝槽26之經蝕刻後之基板20的表面係稱之為不平整頂面(textured top surface)，其包括了部分之原先頂面20a、溝槽26之側壁(sidewall)26_1、以及溝槽26之底部(bottom)26_2。於一實施例中，於剖面圖中之側壁26_1與底部26_2大體為直線的，雖然其亦可為彎曲。上述蝕刻可為一乾蝕刻(dry etching)，雖然其亦可採用其他之蝕刻方法。透過調整蝕刻程序中之製程條件，可調整側壁26_1之傾斜角(slant angles)α(繪示為α1、α2、α3等)至距水平線為少於45度並大於約1度(或大於10度或15度)，或調整至相對於水平線為介於約10度至45度，或調整至甚至是相對於水平線為介於15-35度。接著移除光阻22。

請參照第3B圖，顯示了第3A圖內結構之上視情形，其中第3A圖內所示之剖面結構係由沿第3B圖內之剖線3A-3A之一平面而得到。於一實施例中，從上視觀之，此些溝槽26為具有彼此相近之個別寬度與長度之長方形形狀(而因此溝槽26具有正方形之形狀)。於其他實施例中，如第3C圖所示(為一上視圖)，此些溝槽26可為長條狀(long strips)。於其他實施例中，如第3D圖所示(亦為一上視圖)，溝槽26形成了封閉迴圈(closed loop)，其可環繞晶片100之中心100_1，或環繞位於晶片100內除了中心100_1以外的之其他選擇點。不同溝槽26之尺寸(例如於第3B圖內之長度L1-L3以及寬度W1-W3)以及間距S(例如於第3B圖內之間距S1與S2)可為相同或相異。再者，溝槽26亦可依照一週期圖案(periodic pattern)或一隨機圖案(random pattern)而設置。

於形成溝槽26之蝕刻步驟中，於晶片100之不同區域內的溝槽輪廓藉由不同之習知蝕刻技術與效應而得到調整。舉例來說，習知之微負載效應(micro-loading effect)可影響具有位於一既定範圍之一寬度之溝槽的輪廓。如使用電漿轟炸(plasma bombardment)或保護性添加物(protective additives)之其他習知蝕刻技術亦可影響溝槽的輪廓。請參照先前之第3A圖，可以觀察到傾斜角α1可不同於α2，而傾斜角α1可大於(或小於)傾斜角α2約2度、5度或甚至10度。此外，傾斜角α2亦可大於(或小於)傾斜角α3約2度、5度或甚至10度。上述情形可依照所使用之蝕刻技術而調整相對之寬度W1、W2與W3。所期望之圖案負載效應可藉由相對地調整間距S1與間距S2與S3而達成。如此，於晶片100上便可存在有彼此之間並不相同之數個傾斜角α。

第4圖繪示了形成具有較佳傾斜角之溝槽26(未顯示於第4圖中，請參照第3A-3D圖)之一特定實施例。首先，於基板20之上形成包括一聚合物(polymer)之罩幕28。於罩幕28內採用如雷射微加工程序(laser micro-machining)之方法以形成數個溝槽30。此些溝槽30之圖案可相似於溝槽26之圖案。然而，溝槽30之深寬比可相同或不同於溝槽26之各別之深寬比。接著使用可同時蝕刻基板20與罩幕28之具有如介於0.5~2的較佳蝕刻選擇比之蝕刻化學品以蝕刻罩幕28與其下方之基板20。於上述蝕刻程序中，基板20與罩幕28之露出部當其暴露於蝕刻化學品中時皆受到蝕刻。然而，於罩幕28較厚的位置處，於基板20暴露於蝕刻化學品之前便需要較多時間以蝕刻罩幕28。如此，罩幕28內之圖案可轉移至基板20內。於一實施例中，當基板20與28具有相同蝕刻率時(即具有接近1之蝕刻選擇比時)，罩幕28內之圖案可大體正確地轉移至其下方之基板20內。於一實施例中，當基板20具有高於罩幕28之蝕刻率時，所形成之溝槽26(未顯示於第4圖內，請參照第3A圖)可較位於其上之各別溝槽30具有較高之深寬比(aspect ratio)。相反地，於一實施例中，當基板20具有較罩幕28為低之蝕刻率時，所形成之溝槽26可較位於其上之各別溝槽30具有較低之深寬比。所得到之不平整基板20則相似於第3A圖內所示之不平整基板20。於其他實施例中，則可採用雷射微加工程序直接於基板20上形成具有較佳輪廓之溝槽26，藉以取代採用蝕刻以形成不平整基板20。

接著，如第5圖所示，形成發光裝置40於不平整基板20之不平整頂面上。於一實施例中，於基板20上形成一緩衝層44，且其可接觸基板20之不平整頂面。緩衝層44可包括一未摻雜之氮化鎵(un-doped gallium nitride)。接著於緩衝層44上形成發光裝置40之數個膜層。發光裝置可包括位於緩衝層44上之具有第一導電特性之覆蓋層(cladding layer)46、位於覆蓋層46之上作為發射光線之主動層之用的至少一多重量子井(multiple quantum well，MQW)48以及位於多重量子井48上之具有相反於第一導電特性之第二導電特性之覆蓋層50。於一實施例中，覆蓋層46係為一n-GaN膜層(摻雜有n型摻質之GaN膜層)，多重量子井48由InGaN所形成，而覆蓋層50係為一p-GaN膜層(摻雜有p型摻質之GaN膜層)。形成數個頂電極(亦作為由金屬所形成之銲墊)52與54，以分別電性連結覆蓋層46與50。如此，藉由施加一電壓於電極52與54時，可激發發光裝置40以發射光線。可以理解的是，發光裝置40可具有多種設計，且此些其他設計亦屬本發明之範疇。當溝槽26之深度夠深時，此些膜層44、46、48、50、52與54可具有部份延伸至溝槽26內。或者，當溝槽26係相對淺時，僅此些膜層44、46、48、50、52與54其中之一之部份可延伸進入溝槽26之內，而其他之上方膜層則將位於基板20之頂面20a之上，如此意味著此些膜層44、46、48、50、52與54分別包括部份平行於側壁26_1之一部、平行於底部26_2之一部以及平行於頂面20a之一部。

上述膜層46、48與50之形成方法包括磊晶成長。而頂電極52與54可採用如濺鍍(sputtering)之物理氣相沈積(PVD)形成，雖然其亦可採用其他方法所形成。熟悉此技藝者可理解上述製程之細節，故在此不再細述其製造細節。

此些膜層44、46、48、50、52與54係為非平坦膜層(non-flat layers)，且可為順應之不平整膜層，其意味著位於溝槽26之側壁26_1上此些膜層的部分將具有大體相同於其位於溝槽26之底部26_2之此些膜層的部分之厚度，以及具有大體相同其膜層位於基板20之頂面20a之未經蝕刻部上部份之厚度。如此，此些膜層44、46、48、50、52與54可順著基板20之不平整頂面之輪廓而設置。

於如第5圖所示之剖面圖可以觀察到基於側壁26_1之不同傾斜角α(標示為α1、α2、α3)，主動層48可包括具有不同傾斜角之部份。因此，由具有不同傾斜角α之主動層48之不同部份所發出光線係導向至不同方向。舉例來說，第5圖示意地繪示了五個不同的光方向(雖然光亦朝向其他方向發射)，其方向係垂直於主動層48之各部份。隨著具有不同傾斜角之更多溝槽26的形成，光方向的數量可更增加。如此，可更均勻地散射由發光裝置40所發出之光。

可以觀察到的是主動層48具有一非平坦輪廓，因此主動層48的區域可較主動層為平行於基板20之頂面20a之一平坦膜層之實施例中得到增加。如此，可增加光輸出區域並可增加單一晶片之出射光總量。再者，由本實施例所發出之光線係經過散射更為均勻地，因而使得其可適用於照明應用，例如做為燈泡之應用。光線的散射可藉由於發光裝置形成處之基板內而不是於封裝基板內直接形成溝槽而達成。如此，本發明之實施例提供了關於較低成本與較不複雜之一製造方法。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

20．．．基板

20a．．．基板之頂面

22．．．光阻

24．．．開口

26．．．溝槽

26_1．．．溝槽之側壁

26_2．．．溝槽之底部

28．．．罩幕

30．．．溝槽

40．．．發光裝置

44．．．緩衝層

46．．．覆蓋層

48．．．多重量子井

50．．．覆蓋層

52、54．．．頂電極

100．．．晶片

100_1．．．晶片之中心點

S1、S2．．．間距

W1、W2、W3．．．開口之水平尺寸/開口之寬度

α1、α2、α3．．．側壁之傾斜角

L1、L2、L3．．．開口之長度

第1、2、3A~3D、4及第5圖為一系列剖面圖與上視圖，分別顯示了依據本發明之一實施例之發光裝置之製造方法之中間階段，其中發光裝置係形成於一不平整基板(textured substrate)之上。

20．．．基板

20a．．．基板之頂面

26_1．．．溝槽之側壁

26_2．．．溝槽之底部

40．．．發光裝置

44．．．緩衝層

46．．．覆蓋層

48．．．多重量子井

50．．．覆蓋層

52、54．．．頂電極

100．．．晶片

α1、α2、α3．．．側壁之傾斜角

Claims (13)

1. 一種具有不平整主動層之發光裝置，包括：一不平整基板，包括自該不平整基板之一頂面延伸進入該不平整基板內之一第一溝槽，其中該溝槽包括一第一側壁與一底部；以及一發光裝置，位於該不平整基板上且包括一主動層及具相反導電特性之一第一覆蓋層與一第二覆蓋層，其中該主動層包括平行於該第一側壁之一第一部以及平行於該溝槽之該底部之一第二部，而該第一覆蓋層與該第二覆蓋層係位於該主動層之相對側。
2. 如申請專利範圍第1項所述之具有不平整主動層之發光裝置，其中該主動層之該第一部與該第二部係位於第一溝槽之內，且其中該主動層更包括位於該不平整基板之該頂面上之一第三部。
3. 如申請專利範圍第1項所述之具有不平整主動層之發光裝置，更包括一第二溝槽，自該表面延伸進入該不平整基板內，其中該第二溝槽包括不同於該第一側壁之一第一傾斜角之一第二傾斜角之一第二側壁，且其中該主動層包括平行於該第二側壁之一第三部。
4. 如申請專利範圍第3項所述之具有不平整主動層之發光裝置，其中該第一傾斜角與該第二傾斜角之間具有大於2度之差異。
5. 如申請專利範圍第1項所述之具有不平整主動層之發光裝置，其中該第一側壁具有相較於水平面為少於45度之一傾斜角。
6. 一種具有不平整主動層之發光裝置，包括：一不平整基板，包括自該不平整基板之一頂面延伸進入該不平整基板內之一溝槽，其中該溝槽包括一第一側壁與一底部；以及一發光裝置，包括：一第一覆蓋層，具有一第一導電特性且位於該不平整基板之該頂面之上；一主動層，位於該第一覆蓋層之上；以及一第二覆蓋層，具有相反於該第一導電特性之一第二導電特性且位於該主動層之上；其中該第一覆蓋層、該主動層與該第二覆蓋層具有一非平坦頂面。
7. 如申請專利範圍第6項所述之具有不平整主動層之發光裝置，其中該主動層包括位於該不平整基板之該頂面上之一第一部，以及延伸進入該溝槽內之一第二部。
8. 如申請專利範圍第7項所述之具有不平整主動層之發光裝置，更包括一金屬電極位於該第二覆蓋層之上並電性連結之，其中該金屬電極包括平行於該主動層之該非平坦表面之該第二部之一傾斜部。
9. 如申請專利範圍第7項所述之具有不平整主動層之發光裝置，其中該主動層之該非平坦表面之該第二部包括平行於該溝槽之該側壁之一側壁部，以及平行於該溝槽之該底部之一底部。
10. 如申請專利範圍第6項所述之具有不平整主動層之發光裝置，更包括複數個分隔之溝槽，自該不平整 基板之該頂面延伸進入該不平整基板內，而該些分隔之溝槽具有不同之傾斜角，且該些不同之傾斜角之間具有大於約5度之差異。
11. 如申請專利範圍第10項所述之具有不平整主動層之發光裝置，其中該些分隔之溝槽係相互分開，且從該不平整基板之上視觀之為一長方形。
12. 一種具有不平整主動層之發光裝置之形成方法，包括：提供一基板；形成沿著該基板之一底面延伸進入該基板之一第一溝槽，其中該第一溝槽包括一第一側壁與一底部；以及形成包括位於該基板上之具有一第一導電特性之一第一覆蓋層、位於該第一覆蓋層上之一主動層以及位於該主動層上具有相反於該第一導電特性之一第二導電特性之一第二覆蓋層之一發光裝置，其中該主動層包括平行於該第一溝槽之該第一側壁之一第一部以及平行於該第一溝槽之該底部之一第二部，且該第一覆蓋層、該主動層與該第二覆蓋層分別為一非平坦膜層。
13. 如申請專利範圍第12項所述之具有不平整主動層之發光裝置之形成方法，其中形成該第一溝槽之步驟包括蝕刻該基板或施行一雷射微加工程序。