CN102130220B - 光电半导体装置及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光电半导体装置及其制造方法，光电半导体装置包含载具及光电转换结构，且光电半导体装置的内部形成孔洞结构，使光电转换结构所发射光线的前进方向，在孔洞结构处被改变以致于远离载具，并朝向载具的法线方向。

Description

光电半导体装置及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种光电半导体装置及其制造方法，特别是涉及一种具有孔洞结构以提升正面出光效果的光电半导体装置。

背景技术

随着科技的发展，生活中电子产品的应用愈为广泛，朝向更轻薄的趋势发展。其中，电子产品中若有照明或显示的功能，光源的选用将直接影响产品的尺寸以及亮度与显示的表现。由于发光二极管(light emitting diode，LED)具有体积小、反应速度快、低耗能、可靠度高、色域选择性高、环保无汞等优点，已广泛地应用于照明、看板及显示器的背光源等多种用途。

已知的发光二极管通常包含基板、n型半导体层、p型半导体层、以及位于n型半导体层与p型半导体层间的发光层。其发光原理为，在适当的正向偏压下，电子与空穴分别从n型半导体层与p型半导体层中注入发光层，并在发光层中结合后以光的形式将能量释放出来。如此一来，只要持续地从n型半导体层及p型半导体层中分别提供电子及空穴，使得其电子与空穴的结合而发光的动作持续进行，便可使发光二极管的发光层持续发光。

多数商业化的发光二极管是由三五族半导体所构成，其中，包含氮化物的发光二极管可发出蓝光或绿光，常被称为氮化物发光二极管。氮化物发光二极管所发出的蓝光搭配适当的荧光粉可调制白光。然而，发光层所生的光为各向同性(isotropy)发射，其本质上不易呈现准直(collimation)或各向异性(anisotropy)的光场(light field)。因此，如何提供各式光场已成为现阶段发光二极管元件的发展课题之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光电半导体装置及其制造方法，在工艺中在光电半导体装置内形成孔洞结构，以改变光线前进方向使其趋向载具的法线方向，进而增加正向的出光量。

本发明的另一目的在于提供一种光电半导体装置及其制造方法，光电半导体装置内的孔洞结构形成具有光学散射效果的空气透镜，优选地，例如排列成菲涅耳透镜(Fresnel lens)，以增加正向出光量。本发明的光电半导体装置可依据发光二极管的尺寸，制作不同形状的孔洞结构的搭配，以促使光线尽可能地朝向载具的法线方向行进，减少光线于光电半导体装置及载具间所产生的损失，进而提高光萃取效率(light extraction efficiency)。

为达上述目的，本发明披露一种光电半导体装置，其包含载具、设置于载具之上的光电转换结构、及至少一内部表面，载具朝向光电转换结构的面上可定义法线方向，至少一内部表面形成于光电半导体装置中，以定义至少一孔洞结构，且至少一孔洞结构具有折射率，当光电转换结构可进行光电转换并发射光线投射至至少一孔洞结构时，光线适可因应至少一孔洞结构的折射率而反射，并以远离载具且趋向法线方向行进。

本发明更披露一种制造上述光电半导体装置的方法，包含下列步骤：(a)提供载具，且于载具的外表面上定义法线方向；(b)形成图案化的氮化物层，其具有至少一内部表面，不沿法线方向延伸；(c)形成光电转换结构于载具上；及(d)形成至少一孔洞结构于光电半导体装置内，其中，至少一孔洞结构具有折射率，可反射光电转换结构发射的光线。

本发明更披露另一种制造上述光电半导体装置的方法，包含下列步骤：(a)提供载具；(b)外延形成光电转换结构于载具上；(c)蚀刻光电转换结构以形成至少一贯穿孔；以及(d)于至少一贯穿孔内，局部各向异性蚀刻光电半导体装置。

为让上述目的、技术特征、和优点能更明显易懂，下文以优选实施例配合附图进行详细说明。

附图说明

图1A为本发明第一实施例的光电半导体装置的俯视图；

图1B为本发明第一实施例的光电半导体装置沿图1A的沿B-B’剖面线的剖面示意图；

图1C及图1D为本发明第一实施例的光电半导体装置沿图1A的沿C-C’剖面线的剖面示意图；

图2A为本发明第二实施例的光电半导体装置的剖面示意图；

图2B～2E为本发明第二实施例的光电半导体装置内的孔洞结构的示意图；

图3A～3H为本发明第四实施例中，光电半导体装置的工艺示意图；及

图4A～4G为本发明第五实施例中，光电半导体装置的工艺示意图。

附图标记说明

1：光电半导体装置                          11：载具

13：光电转换结构                           130：二氧化硅层

131：n型氮化物层                           132：光致抗蚀剂层

133：多重量子阱                            134：抗蚀刻层

135：p型氮化物层                           15：孔洞结构

151：贯穿                                  17：缓冲层

19：透明电极层                             21：p型电极

211：p型延伸电极                           23：n型电极

具体实施方式

以下将透过数个实施例来解释本发明的光电半导体装置，然而，关于实施例的说明仅为阐释本发明，而非用以限制本发明。

请参考图1A～1D，本发明的第一实施例披露一种光电半导体装置，其中，图1A为光电半导体装置1的俯视平面图，图1B为图1A的光电半导体装置1沿B-B’剖面线的剖面示意图，而图1C及图1D为图1A的光电半导体装置1沿C-C’剖面线的剖面示意图。

本实施例的光电半导体装置1包含载具11及光电转换结构13。优选地，载具11为蓝宝石(Sapphire)基板，其面向光电转换结构13的一侧可定义法线方向N。光电转换结构13为发光二极管，设置于载具11上。详言之，光电转换结构13包含n型氮化物层(n-nitride layer)131、多重量子阱(multiplequantum well，MQW)133及p型氮化物层(p-nitride layer)135，优选地，n型氮化物层131接近载具11配置，多重量子阱133形成于n型氮化物层131与p型氮化物层135之间，当电子与空穴分别从n型氮化物层131与p型氮化物层135注入多重量子阱133，在多重量子阱133中结合后以光的形式将能量释放出来，由此，光电转换结构13可进行光电转换以发射光线。

此外，光电半导体装置1的内部还形成有孔洞结构15，其可分别由光电半导体装置1中的内部表面所定义。优选地，孔洞结构15为于工艺中所定义出的中空结构。孔洞结构15具有折射率，当光线于光电半导体装置1中行进至孔洞结构15时，由于孔洞结构15内外部材料折射率的差异(例如，氮化镓的折射率约介于2～3之间，空气的折射率为1)，光线将会在孔洞结构15处改变方向，由此，可控制光线以远离载具11且趋向的法线方向N行进。

于本实施例中，孔洞结构15沿法线方向N，以贯穿光电转换结构13的方式，蚀刻形成于光电转换结构13内。孔洞结构15沿法线方向N的投影，呈现为圆形、环形、矩形、菱形、或前述选择的任意组合。多个的孔洞结构15沿法线方向N的投影所呈现的分布型态可以为规则分布(例如，以矩型阵列分布或环形阵列分布，如图1A所示)、或不规则分布。于具体实施例中，相邻二个孔洞结构15的间隔为约3微米(μm)。应用上，孔洞结构15的间隔可依照光电转换结构13内的光路需求设计，在此不作限制。

孔洞结构15可形成于光电半导体装置1中的任何位置，如n型氮化物层131与载具11之间、或n型氮化物层131中。此外，光电半导体装置1可还包含缓冲层17，设置于光电转换结构13与载具11之间。光电半导体装置1内可还包含反射层(图未示)，设置于多重量子阱133与载具11之间，以将多重量子阱133所产生的光线反射远离载具11再利用。

请再次参阅图1A，光电半导体装置还包含p型电极21、与p型电极连接的p型延伸电极211、及n型电极23，随着面积的增加，单靠电极将无法把电流均匀地分布于表层。因此光电半导体装置1可还设有透明电极层19，形成于光电转换结构13上，透明电极层19可增加侧向电流，以提升发光效率。其中，p型电极21与p型延伸电极211形成于透明电极层19上。

本发明的第二实施例如图2A所示，其为第二实施例的光电半导体装置1的剖面示意图。于本实施例中，孔洞结构15于光电半导体装置1的外延工艺中形成于n型氮化物层131中，而无需施以蚀刻加工。图2A所示的孔洞结构15，垂直法线方向N的剖面呈现为三角形，或者，亦可设计孔洞结构15的剖面为半圆形、矩形、梯形或其它形状，或者各种形状的组合；此外，本实施例的孔洞结构15沿法线方向N的投影，亦可为各种形状，如图2B～2D所示，可为圆形、矩形、或菱形等等，可依照实际上将光线反射至趋向法线方向N的需要加以设计与选择。

本实施例的孔洞结构15沿法线方向N的投影亦呈现分布型态，例如图1A所示的矩型阵列分布或图2E所示的环形阵列分布。图2E所示的孔洞结构15沿法线方向N的同心圆分布，使孔洞结构15排列成菲涅耳透镜(Fresnellens)。

请再次参阅图1C，本发明的第三实施例披露一种用以制造前述第一实施例的光电半导体装置的方法。首先，外延形成光电转换结构13于载具11上，包含依序形成n型氮化物层131、多重量子阱133及p型氮化物层135；然后，对光电转换结构13进行干蚀刻，以打穿光电转换结构13而形成贯穿孔151。

接着，蚀刻液(例如草酸(Oxalic acid))引入贯穿孔151内，以局部且各向异性地蚀刻光电半导体装置13，以形成孔洞结构15。一种优选实施方式为，在载具11与n型氮化物层131之间形成缓冲层17，而贯穿孔151贯穿光电转换结构13及缓冲层17。故于贯穿孔151内施加草酸时，恰可对缓冲层17进行侧向的湿蚀刻，利用高蚀刻选择比的蚀刻方式，将n型氮化物层131的底层及缓冲层17掏空，以形成孔洞结构15。如图1D所示，若采用各向异性蚀刻，则孔洞结构15可形成为斜面，易言之，利用蚀刻液对不同材料、结晶结构、或结晶品质的蚀刻速率，可定义出孔洞结构15的顶端角度及其相对应的尺寸。

本发明的第四实施例如图3A～3H所示，其制造上述第二实施例的光电半导体装置1的方法。首先，如图3A所示，提供载具11，并于载具11上形成氮化物层(例如n型氮化物层131)，载具11优选为蓝宝石(Sapphire)基板，载具11的外表面适以定义法线方向N。然后，如图3B～3F所示，针对n型氮化物层131进行图案化。详言之，如图3B所示，先于n型氮化物层131上形成光致抗蚀剂层132，进一步参阅图3C，以黄光工艺定义光致抗蚀剂层132以形成图案。接下来，如图3D所示，形成抗蚀刻层134，例如二氧化硅(SiO₂)层，然后如图3E所示，去除部分光致抗蚀剂层132及其上的抗蚀刻层134，仅保留部分抗蚀刻层134。如图3F，续针对n型氮化物层131未受到抗蚀刻层134覆盖的部分，进行各向异性蚀刻，例如进行感应耦合等离子体(inductive coupling plasma，ICP)蚀刻。

然后，施加草酸、氢氧化钾、或磷酸硫酸溶液等蚀刻液，对n型氮化物层131进行局部且各向异性的湿蚀刻。通过上述步骤，可形成图案化的n型氮化物层131，其具有至少一内部表面，其偏离法线方向N延伸。接下来，即可选择将抗蚀刻层134移除。

接着，可继续其他工艺以形成光电转换结构13于载具11上，并保留孔洞结构15于光电半导体装置1内。其中，孔洞结构15具有折射率，适可作为空气透镜，以反射/折射光电转换结构13所发射的光线。

本发明的第五实施例如图4A～4G所示，其为制造上述第二实施例的光电半导体装置1的另一种方法，首先，如图4A所示，先提供载具11(如蓝宝石基板)，然后于载具11上形成二氧化硅(SiO₂)层130；接着，如图4B所示，形成图案化的光致抗蚀剂层132于二氧化硅层130上，优选地，如图4B所示的步骤是针对图案化的光致抗蚀剂层132进行热回熔(thermalreflow)工艺，以形成圆顶状或近似圆顶状的结构；如图4C所示，对于图案化的光致抗蚀剂层132及二氧化硅层130进行各向异性蚀刻，使得去除光致抗蚀剂层13的同时，圆顶状结构可以移转至二氧化硅层130。由此，形成图案化的二氧化硅层130。

如图4D所示，形成氮化物层(如包含氮化镓层)以覆盖图案化的二氧化硅层130；接着如图4E及图4F所示，进行感应耦合等离子体(inductivecoupling plasma，ICP)蚀刻，以蚀刻N型氮化物层131至图案化的二氧化硅层130得以局部暴露，然后对图案化的二氧化硅层130进行缓冲氧化物蚀刻(buffered oxide etch，BOE)，以掏空并去除图案化的二氧化硅层130而形成孔洞结构15。惟对二氧化硅层130的蚀刻，并不限定由顶端开始，亦可由侧边进行。

最后，如图4G所示，继续外延以形成光电转换结构13，并保留孔洞结构15于光电半导体装置1内。

在前述第三～五实施例中，皆可先形成缓冲层17或反射层(图未示)于载具11上。且在外延形成光电转换结构13之后，最后在形成透明电极层19于光电转换结构13上，以及形成p型电极21及与p型电极21连接的p型延伸电极211于透明电极层19上，并于适当位置形成n型电极23。

综上所述，本发明所提供的光电半导体装置及其制造方法，可在光电半导体装置中形成孔洞结构，作为反射光线的空气透镜，由此，光电半导体结构所发射的光线，得以导向载具的法线方向，进而提升光电半导体装置的正向出光效率。

上述的实施例仅用以例举本发明的实施态样、及阐释本发明的技术特征，并非用来限制本发明的范畴。任何本领域的技术人员可轻易完成的改变或等同性的安排均属于本发明所主张的范围，本发明的权利范围应以权利要求为准。

Claims (35)

1.一种光电半导体装置，包含：

载具，定义一法线方向；

光电转换结构，设置于该载具之上，该光电转换结构可进行光电转换以发射光线；以及

至少一内部表面，形成于该光电半导体装置中，以定义至少一孔洞结构于该载具与该光电转换结构之间；

其中，该至少一孔洞结构具有折射率，使该光线行进至该至少一孔洞结构时改变方向，并远离该载具朝该法线方向行进，

其中该至少一孔洞结构位于该光电转换结构中且位于该光电转换结构的下表面。

2.如权利要求1所述的光电半导体装置，其中该至少一孔洞结构沿该法线方向的投影，呈现为圆形、环形、矩形及菱形的其中之一。

3.如权利要求2所述的光电半导体装置，其中该至少一孔洞结构垂直该法线方向的剖面，呈现为三角形、半圆形、矩形、及梯形的其中之一。

4.如权利要求1所述的光电半导体装置包含多个孔洞结构，这些孔洞结构沿该法线方向的投影呈现一分布型态。

5.如权利要求4所述的光电半导体装置，其中该分布型态为矩型阵列分布及环形阵列分布的其中之一。

6.如权利要求5所述的光电半导体装置，其中该环形阵列分布为同心分布，使这些孔洞结构排列成菲涅耳透镜。

7.如权利要求1所述的光电半导体装置，其中该至少一孔洞结构沿该法线方向，贯穿该光电转换结构。

8.如权利要求1所述的光电半导体装置，其中该光电转换结构包含n型氮化物层、p型氮化物层、及位于该n型氮化物层与该p型氮化物层间的多重量子阱。

9.如权利要求8所述的光电半导体装置，其中该光电转换结构的该n型氮化物层接近该载具。

10.如权利要求9所述的光电半导体装置，还包含缓冲层，设置于该光电转换结构与该载具之间。

11.如权利要求8所述的光电半导体装置，其中，该至少一孔洞结构形成于该n型氮化物层中。

12.如权利要求8所述的光电半导体装置，其中，该至少一孔洞结构形成于该n型氮化物层与该载具之间。

13.如权利要求8所述的光电半导体装置，还包含反射层，设置于该多重量子阱与该载具之间。

14.如权利要求1所述的光电半导体装置，还包含透明电极层，形成于该光电转换结构上。

15.如权利要求14所述的光电半导体装置，还包含p型电极及与该p型电极连接的p型延伸电极，形成于该透明电极层上。

16.如权利要求1所述的光电半导体装置，其中该载具为蓝宝石基板，且该光电转换结构为发光二极管。

17.一种制造光电半导体装置的方法，包含下列步骤：

提供载具，定义一法线方向；

形成图案化的氮化物层，其具有至少一内部表面，偏离该法线方向延伸；

形成光电转换结构于该载具上；及

形成至少一孔洞结构于该载具与该光电转换结构之间，其中，该至少一孔洞结构具有折射率，可反射该光电转换结构发射的光线，

其中该至少一孔洞结构位于该光电转换结构中且位于该光电转换结构的下表面。

18.如权利要求17所述的方法，其中该形成图案化的氮化物层的步骤，包含：

形成氮化物层；

图案化该氮化物层；及

局部地各向异性蚀刻该氮化物层。

19.如权利要求18所述的方法，其中该图案化该氮化物层的步骤包含：

形成光致抗蚀剂层于该氮化物层上；

定义该光致抗蚀剂层以形成图案；

形成抗蚀刻层；

去除该光致抗蚀剂层及其上的该抗蚀刻层；及

各向异性蚀刻该氮化物层。

20.如权利要求19所述的方法，其中该各向异性蚀刻该氮化物层的步骤，为进行感应耦合等离子体蚀刻。

21.如权利要求19所述的方法，其中该载具为蓝宝石基板、该光电转换结构为发光二极管、该氮化物层包含氮化镓层、且该抗蚀刻层为二氧化硅层。

22.如权利要求18所述的方法，其中该局部地各向异性蚀刻该氮化物层的步骤，为施加草酸、氢氧化钾、或磷酸硫酸溶液，对该氮化物层进行湿蚀刻。

23.如权利要求19所述的方法，其中该局部地各向异性蚀刻该氮化物层的步骤后，还包含移除该抗蚀刻层的步骤。

24.如权利要求17所述的方法，其中该形成图案化的氮化物层的步骤，包含：

形成图案化的二氧化硅层；

形成氮化物层以覆盖该图案化的二氧化硅层；及

去除该图案化的二氧化硅层。

25.如权利要求24所述的方法，其中去除该图案化的二氧化硅层的步骤，包含下列步骤：

蚀刻该氮化物层至该图案化的二氧化硅层局部暴露；及

对该图案化的二氧化硅层进行缓冲氧化物蚀刻。

26.如权利要求24所述的方法，其中该形成图案化的二氧化硅层的步骤，包含：

形成二氧化硅层于该载具上；

形成图案化的光致抗蚀剂层于该二氧化硅层上；

热回熔该图案化的光致抗蚀剂层；及

各向异性蚀刻该图案化的光致抗蚀剂层及该二氧化硅层。

27.如权利要求26所述的方法，其中该各向异性蚀刻该图案化的光致抗蚀剂层及该二氧化硅层的步骤，为进行感应耦合等离子体蚀刻。

28.如权利要求24所述的方法，其中该载具为蓝宝石基板、该光电转换结构为发光二极管、及该氮化物层包含氮化镓层。

29.如权利要求17所述的方法，其中该形成图案化的氮化物层的步骤前，还包含：

形成缓冲层于该载具上。

30.如权利要求17所述的方法，还包含下列步骤：

形成透明电极层于该光电转换结构上；及

形成p型电极及与该p型电极连接的p型延伸电极于该透明电极层上。

31.一种制造光电半导体装置的方法，包含下列步骤：

提供载具；

外延形成光电转换结构于该载具上；

蚀刻该光电转换结构以形成至少一贯穿孔；及

于该至少一贯穿孔内，局部各向异性蚀刻该光电半导体装置，以在该光电半导体装置中形成至少一孔洞结构于该载具与该光电转换结构之间，

其中该至少一孔洞结构位于该光电转换结构中且位于该光电转换结构的下表面。

32.如权利要求31所述的方法，其中该外延形成光电转换结构的步骤前，还包含：

形成缓冲层于该载具上。

33.如权利要求32所述的方法，其中该局部各向异性蚀刻的步骤，是于该至少一贯穿孔内施加草酸以对该缓冲层进行湿蚀刻。

34.如权利要求31所述的方法，其中该外延形成光电转换结构于该载具上的步骤，包含：

形成n型氮化物层、P型氮化物层、及位于该n型氮化物层及该p型氮化物层间的多重量子阱；及

形成透明电极层于光电转换结构上。

35.如权利要求34所述的方法，还包含：

形成p型电极及与该p型电极连接的p型延伸电极于该透明电极层上。