TW201006009A - Light emitting diodes and manufacture thereof - Google Patents

Description

201006009 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域1 本發明係有關於一種發光二極體(led)，且特別有關 於設置在圖案化基底上的垂直式ΠΙ族-氮化物LED，且 此圖案化基底含有鑲嵌的底部電極。 【先前技術】 發光二極體（LED)的製造主要係藉由在基底上形成 ❿ 活性區、複數種導體及半導體於基底上所形成，其利用 電子及電洞的放射結合在p-n接面處產生電流並發射電 磁輻射。藉由直接能帶間隙材料，例如，GaAs或GaN ’ 產生ρ-η接面的順向偏壓，以及導入電子及電洞結合至空 乏區可產生電磁輻射。電磁輻射可為可見光或不可見 光。不同的能帶間隙材料可產生不同色彩的LED。此外， LED所激發的不可見光可直接射向磷光劑或其類似物， 當磷光劑接受此不可見光後可激發出可見光。 9 LED可形成於一絕緣的未圖案化基底，並將η型金 屬接觸LED的頂部或光激發部的表面。但若將兩個電極 (η型及p型金屬）設置於相同的一邊，會減少活性區面積 及發光效率。此外，利用乾蝕刻程序以曝露η型III族-氮化物層會損壞侧壁並進一步降低發光效率。 其他傳統的方法包括在Ρ型ΙΠ族-氮化物層及導電 層之間***一 ρ型金屬層。此方法必須進行晶圓接合LED 程序以及移除絕緣基底，然而若導體層及LED晶片之間 的接面不均一同樣會影響LED的效能。再者，絕緣基底 0503-A33844TWF/kai 4 201006009 的移除會增加成本，因此傳統的方法既複雜且昂貴。 【發明内容】 為解決上述問題，本發明係提供一種發光二極體元 件及其形成方法，特別是形成於圖案化基底上之垂直式 族-氮化物發光二極體。 一在本發明之一實施樣態中，本發明係提供一種發光 、極虹元件’包括一基底，一堆疊的發光二極體結構， 以及-鑲嵌的底部電極。此發光二極體結構包括一緩衝/ 成，層形成於基底之上，一活性層，以及一頂部接觸層。 一接觸111無-氮化物層設置於緩衝/成核層與活性層 之間。一第二接觸111族•氮化物層設置於活性層與頂部 ί觸層之間。—底部電極延伸過基底及緩衝/成核層至該 弟一接觸III族-氮化物層之中。 ❹ 本發明之發光二極體及其形成方法可減少製程並降 :成本。此外，本發明因不需進行會損害發光 頂箱刻程序’因此可減少製程缺陷及增加產量。 更明：本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能 :重，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖示， 作砰細說明如下： 【實施方式】 ^本發明有關於半導體LED，且在實際應用時，中杜 藝人士可依不同的堂书描 、-、Ά 技 第1圖顯示本發明LEDn_，包括 ^ 门的而未增加其他半導體結構 & 1 国此一I 一 圖案 〇503-A33844TWF/kai 5 201006009 化基底，其含有一鑲嵌的底部電極。LED 100包括基底 102及LED結構120，LED結構120形成於基底102之 上。基底102可包括一導體基底或非導體基底。非導體 基底可為藍寶石（sapphire)、MgAl2〇4、單晶氧化物或其 類似物。半導體基底可為GaN、Si、Ge、SiC、SiGe、 ZnO、ZnS、ZnSe、GaP、GaAs 或其類似物。基底 102 的 厚度可為約200 μπι至約600 μπι。磊晶膜所形成的LED 結構120成長於基底102上，其包括缓衝/成核層104、 ❹第一接觸III族-氮化物層106、活性層108、第二接觸III 族-氮化物層110，以及頂部接觸層Π2。 缓衝/成核層104可為一低溫或高溫成長之III族-氮 化物層、III族-氮化超晶格層、金屬碳-氮層、多晶石夕層 或其類似物，其厚度可為約20 nm至約1〇〇 nm。超晶格 層為一種多層堆疊結構，且包括二種具有不同能帶間隙 的氮化物材料。例如’超晶格層的厚度可為約1 nm至1 μιη，其中每個氮化物材料層的厚度為約0.1 nm至約50 ® nm。III 族-氣化物層可包括 GaN、InN、AIN、AlxGan_x^sf、 AlxIn(1_x)N、AlxInyGa(1_x_y)lSl·’或上述之組合，或其類似物。 缓衝/成核層104可為一絕緣層。 在本發明一實施例中’緩衝/成核層104可具有反射 性。例如，緩衝/成核層本身材料具有反射性，或可另增 加一分佈布拉格反射鏡(DBR)至緩衝/成核層1〇4中。 可包括具不同折射率的堆疊層。當緩衝/成核層1〇4具反 射特性時’ LED 100為上發光型LED，且由頂部所輪出 的能量比不具反射特性的缓衝/成核層1 〇4大。 0503-A33844TWF/kai 6 201006009 第一接觸III族-氮化物層106設置於缓衝/成核層104 上。第一接觸III族-氮化物層106的厚度可為约1 μπι至 約4 μπι。第一接觸III族-氮化物層106的材料可為GaN:Si 或 GaN:Mg，其可以有機金屬化學氣相沉積法 (MOCVD)、分子線磊晶法（MBE)、氳化物氣相磊晶法 (HVPE)或液相磊晶法（LPE)或類似程序來形成。 活性層108設置於第一接觸III族-氮化物層106之 上。活性層108可包括多量子井（MQW)或異質結構。活 參 性層108可為InGaN或GaN層。活性層108可具有1量 子井（QW)或任何數目的量子井，如3-5QWS。量子井層的 厚度可為約30 A至約100 A。此外，活性層108可為一 異質結構，其可較多量子井厚，且其可僅具有一對量子 井。活性層108可於磊晶反應爐中形成。 第二接觸III族-氮化物層110設置於活性層108之 上。第二接觸III族-氮化物層110於磊晶反應爐中成長 形成，厚度可為約1〇〇 nm至500 nm ’且其可包括 ❹ GaN:Mg、GaN:Si、或其類似物。 頂部接觸層112設置於第二接觸ΠΙ族-氮化物層110 的頂部。接觸LED激發面的方法可包括使用透明導電 層，例如，銦錫氧化物（ITO)。此外，可在ITO層上貼附 一金屬墊。頂部接觸層112可包括]Sii、Au、ITO或上述 之之組合，或其類似物，且其厚度可為約1 〇 nm至約50 nm。頂部接觸層112可利用藏鍍、電子束(E-beam)等程 序形成於頂部接觸層112上。 底部電極114延伸過基底102及缓衝/成核層104至 0503-A33844TWF/kai 7 201006009 第一接觸III族-氮化物層106中。底部電極114可延伸 至第一接觸III族-氮化物層106—距離“t” 。距離“t” 可為約0.02 μιη至約0.8 μηι，較佳為約0.5 μπι。 第2圖為本發明各種LED底部電極的下視圖。在 LED 202至216各實施例中，淺色部部分代表底部電極， 例如，第1圖之底部電極114，而深色部分代表基底，例 如，第1圖之基底102。由本發明之實施例可知，底部電 極的外形可如第2圖之A-Η所示。LED 202包括一圓形 • 底部電極A。LED 204及206包括正方形底部電極B或 矩形底部電極OLED 208包括環狀底部電極D。LED 210 包括條-環形電極E。LED 212包括多邊形底部電極F。 LED 214包括格子狀底部電極G，且LED 216包括同心 圓狀之底部電極Η。本發明之實施例A-Η僅為本發明底 部電極一小部分之例子。此外，雖然第2圖所示之LED皆 具有相同外形之底部電極，但本發明並不限於此，任何 尺寸及形狀之底部電極皆可形成於單一的LED中。 0 第3圖顯示本發明之實施步驟。參照步驟302，提供 及製備一基底。此基底可為藍寶石（sapphire)、MgAl204、 單晶氧化物、GaN、Si、Ge、SiC、SiGe、ZnO、ZnS、ZnSe、 GaP、GaAs，或其類似物。基底可利用一高溫回火程序 來形成，此程序可為一吸附程序，用以移除基底中的雜 質。 參照步驟304,利用一磊晶成長程序設置或形成一缓 衝/成核層於基底上。磊晶層為一形成於單晶基板上之單 晶成長層。磊晶層可由氣態或液態前驅物所形成。基底（或 0503-A33844TWF/kai 8 .201006009 前驅層）可作為一晶種層，使蠢晶成長層呈現與基底相同 之晶格結構及取向性。相對地，也可以其他薄膜的形成 方法來形成多晶或無晶層於單晶基底之上。此外，可利 用異質磊晶程序於基底上形成磊晶層，且磊晶層與基底 之組成不同。另外，可提供一前驅物以在多晶結構上進 行羞晶成長。 在一實施例中，缓衝/成核層104可包括低溫成長之 A1N層。A1N具有六方晶體結構及較大的能帶間隙，其 ❹ 形成方法包括分子線磊晶法（MBE)，有機金屬化學氣相磊 晶法（MOCVD)、氫化物氣相磊晶法（HVPE)或液相磊晶法 (LPE)等。 在MBE法，對一物質加熱以產生粒子蒸氣束。此粒 子束可在一高度真空環境（1〇'8 Pa)下沉積，使粒子束凝聚 至一層結構之中。在MOCVD法，磊晶層的形成發生於 基底表面之化學組成之終裂解。相較於MBE法，MOCVD 法的磊晶成長係利用化學反應而非物理反應。HVPE法為 @ 一磊晶成長方法，其可利用前驅氣體，例如，氨、氫、 及各種氯化物。LPE法為一種利用熔融態液體材料在基 板表面上沉積晶層的方法。缓衝/成核層可包括複數個磊 晶層。 參照步驟306，形成第一接觸III族-氮化物層106於 缓衝/成核層之上。在N-DOWN LED結構中，第一接觸 * III族-氮化物層可包括掺雜S i之η型III族-氮化物GaN。 在N-UP LED結構中，第一接觸III族-氮化物層可包括摻 雜Mg之p型III族-氮化物GaN。 0503-A33844TWF/kai 9 201006009 參照步驟308，形成一多量子井活性層於第一接觸出 族-氮化物層之上。多量子井活性層可包括複數層，其可 形成複數個量子井。 ~ 參照步驟310’形成一第二接觸ΙΠ族_氮化物層於活 性層之上。在N-DOWN LED結構中，第二接觸^族一 氮化物層可包括摻雜Mg之p型in族-氮化物GaKu在 N-UPLED結構中，第二接觸m族-氮化物層可包括摻雜 Si之η型III族-氮化物GaN。 〆’

參照步驟312,形成一頂部金屬接觸層於第二接觸冚 族-氮化物層之上。 參照步驟314,在形成頂部金屬層之後，倒置基底。 參照步驟316,圖案化基底之底部。圖案化基底底部的方 法包括可形成一光阻層於基底的底部之上，利用—具有 透明區及不透明區之罩幕(如第2圖之底部電極圖案 案化光阻層。 ' 參照步驟M8,可利用一乾钱刻程序，如Ar，_ 基底。則轉可穿過基底及緩衝/成㈣至第—接觸见 族·氛化物層中—距離丫。第—接觸m族·氮化物層中 之距離“t”可為約〇.〇2μιη至約〇·8μιη。飯刻程序較佳 可在一姓刻反應槽中進行。 參照步驟32〇，形成底邮贵枕狄甘产 〜風低诨電極於基底之上。在 N-DOWN LED結構中，底曾拉1 a t 泜口P電極可包括一 n型金屬。在 N-UP LED結構中，启邱番士^ a , 原邛電極可包括P型金屬。參照步驟 322 ’完成後續程序以形成齿古 /烕芏直式LED。一般的標準程序 可包括ICP-RIE蝕刻、渴十為古丨, J屬式钱刻、光化學蝕刻或其類似 0503-A33844TWF/kai 201006009 方法。 第4圖顯示本發明LED另一實施例。LED 400具有 矽上絕緣層（SOI)基底402。矽上絕緣層為一層狀之矽-絕 緣層矽基底。在一實施例中，絕緣層可包括二氧化矽。 然而，此絕緣層也可包括藍寶石或其類似物。 SOI、圖案化電極、LED 400可包括一 LED結構， 如第1圖之LED 104，包括，緩衝/成核層、第一接觸III 族_氮化物層、活性層、第二接觸ΙΠ族-氮化物層、以及 • 頂部金屬接觸層。底部電極406可包括電鍍鎳或其類似 物。底部矽層408為SOI基底之底部電極的一部分，其 未蝕刻。二氧化矽層410為SOI基底402之絕緣部分。 空氣通道412可利用蝕刻圖化案底部電極來形成，詳細 說明如下。 在將頂部金屬接觸層設置至第二接觸III族-氮化物 層上之後，將基底倒置，並進行圖案化及蝕刻程序。此 蝕刻程序穿過SOI基底402之矽層408至絕緣層410,蝕 ® 刻速率依不同的材料而異，且二氧化矽層410的蝕刻開 口可大於底部砍層408的餘刻開口。餘刻程序會停止於 SOI基底402之頂部矽層414。可對頂部矽層進行摻雜以 導入電荷。在N-DOWN LED結構中可使用η型摻雜物 質，而在N-UP LED結構中可使用ρ型摻雜物質。接著 可對蝕刻開口電鍍鎳層。此電鍍程序可形成實質上垂直 的鎳柱結構，使空氣通道412形成於底部電極406及二 氧化矽層410之間。 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用 0503-A33844TWF/kai 11 201006009 以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之 精神和範圍内，當可作些許之更動與潤飾，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。

0503-A33844TWF/kai 12 201006009 【圖式簡單說明】 第1圖顯示顯示本發明LED之第一實施例’其包括 一圖案化基底，且基底含有一鑲嵌的底部電極。 第2圖顯示本發明LED之圖案化基底。 第3圖顯示形成本發明LED之實施步驟。 第4圖顯示本發明LED另一實施例’其具有矽上絕 緣層（SOI)基底。 φ 【主要元件符號說明】 100〜LED ; 102〜基底； 104〜緩衝/成核層； 106〜第一接觸III族-氮化物層； 10 8〜活性區， 110〜第二接觸III族-氮化物層； 112〜頂部接觸層； 114〜底部電極； 120〜LED結構； A〜圓形底部電極； φ B〜正方形底部電極； C〜矩形底部電極； D〜環狀底部電極； E〜條-環形電極； F〜多邊形底部電極； G〜格子狀底部電極； Η〜同心圓狀之底部電極； 200〜含底部電極Α之LED ; 202〜含底部電極B之LED ; 204〜含底部電極C之LED ; 206〜含底部電極D之；LED ; 208〜含底部電極E之LED ; 0503-A33844TWF/kai 13 201006009 210〜含底部電極F之LED ; 212〜含底部電極G之LED ; 216〜含底部電極Η之LED ; 302-322〜發光二極體之形成步驟； 400〜LED ; 404〜LED結構； 408〜底部矽層； 412〜空氣通道； 402〜SOI基底； 406〜底部電極； 410〜二氧化石夕層 414〜頂部梦層。 0 0503-A33844TWF/kai 14

Claims (1)

1. 201006009 七、申請專利範圍： 1. 一種發光二極體，包括 一基底； 一發光二極體結構，包括 一缓衝/成核層，形成於該基底之上； 一活性層；以及 一頂部接觸層，其中—第一垃 φ ^ . 接觸HI族-氮化物層設 = 與活性層之間，且-第二接觸m族_ 氮化物U於前性層與頂部接卿之間；以及 …電極，其中該底部電極延伸過該基底及緩衝/ 成核層至該第—接觸ΠΙ族-氮化物層之中。 兮装2广如申明專利範圍第1項所述之發光二極體，其中 该基底係擇於下列所組成之族群：藍寶石、MgAi204、單 晶氧化物、GaN、Si、Ge、sic、SiGe、Zn〇、ZnS、ZnSe、 GaP 及 GaAs。

   ▲ 3.如申請專利範圍第！項所述之發光二極體，其中 該基底包括一矽上絕緣基底。 ;4·、如申請專利範圍第1項所述之發光二極體，其中 該基底為一非導體或半導體。 上如申請專利範圍第i項所述之發光二極體，其中 肩緩衝/成核層包括一 m族_氮化物層、m族氮化物超 晶格層 '金屬碳-氮層或多晶矽層。 ^ 6·^如申請專利範圍第5項所述之發光二極體，其中 °玄 ΙΠ 無-氮化物層可包括 GaN、InN、AIN、AlxGan_x；)N、 x (1 X)N、AWnyGa(1-x-y)N，或上述之組合。 0503-A33844TWF/kai 15 201006009 .如申請專利範圍第1項所述之發光二極體，其中 該基底的厚度為約200 μιη至约μιη。 8. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體，其中 該活性層包括多量子井或異質結構。 “ 9. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體，其中 該底部電極包括鎳。 _ 0.如申請專利範圍第1項所述之發光二極體，其中

   該底部電極穿過該第一接觸III族-氮化物層一距離 “t” ，其中該距離“t”為約0.02μΐη至約0.8μπι。 11. 如申請專利範圍第丨項所述之發光二極體，复 該底部電極包括η型金屬。 12. 如申請專利範圍第丨項所述之發光二 =電極包括圓形、正方形、矩形、擴圓形、線形中 螺紋形、其他形狀或上述之組合。 13. 一種發光二極體的形成方法，包括 提供一基底； 以形成一複數個 形成複數個蟲晶層於該基底之上， LED結構，該LED結構㈣成方法包括 形成一緩衝/成核層於該基底之上； 形成一活性層；以及 形成-頂部接觸層，其中—第—接觸 層形成於該緩衝/成核層與活性層之 ⑼:物層形成於該活性層與頂部接觸層之::了 移除該基底、緩衝/成核層盥第 的一部分以形成複數個開口區；以及打族-氮化物層 〇503-A33844TWF/kai 16 201006009 形成一導體於該開口區中，以形成一底部電極，其 中該底部電極延伸過該基底及缓衝/成核層至該第一接觸 III族-氮化物層之中。 14.如申請專利範圍第13項所述之發光二極體的形 成方法，其中該基底、缓衝/成核層與第一接觸III族-氮 化物層一部分的移除係利用一蝕刻方法完成，該蝕刻方 法包括電感耦合電漿式矽蝕刻法（ICP)、反應式離子蝕刻 法（RIE)、化學蝕刻法、光化學蝕刻法或上述之組合。 ❿ 15.如申請專利範圍第13項所述之發光二極體的形 成方法，其中該基底的移除係利用磨除該基底約50 μιη 至約100 μπι的厚度所完成。 16. 如申請專利範圍第13項所述之發光二極體的形 成方法，其中該開口區包括圓形、正方形、矩形、橢圓 形、線形、螺旋形、其他形狀或上述之組合。 17. 如申請專利範圍第13項所述之發光二極體的形 成方法，其中該基底係擇自於下列所組成之族群：藍寶 ❹ 石、MgAl204、單晶氧化物、GaN、Si、Ge、SiC、SiGe、 ZnO、ZnS、ZnSe、GaP 及 GaAs。 18. 如申請專利範圍第13項所述之發光二極體的形 成方法，其中該第一接觸III族-氮化物層係利用一有機 金屬化學氣相沉積法（MOCVD)、分子線磊晶法（MBE)、 氫化物氣相磊晶法（HVPE)或液相磊晶法(LPE)來形成。 0503-A33S44TWF/kai 17