TWI447950B - 發光二極體與其形成方法 - Google Patents

Description

發光二極體與其形成方法

本發明係關於發光二極體，更特別關於其側壁結構。

如第1圖所示，常見的LED晶片係由基板10、半導體層11、主動層13、與半導體層15堆疊而成，且具有平整的側壁表面。上述半導體層11與15之電性相反。在半導體層11及15上分別具有焊墊17以電性連接至外部電路。平整的側壁表面會讓主動層13發出的光產生全反射現象，進而降低LED晶片的光取出效率。為解決上述問題，可採用乾蝕刻或濕蝕刻法形成底切形狀的LED晶片，如第2圖所示。上寬下窄的底切結構雖可增加LED晶片的光取出效率，但會破壞部份主動層13而劣化元件效能。

綜上所述，目前亟需新的LED晶片結構與對應的形成方法，解決平整的側壁表面造成的全反射問題。

本發明一實施例提供一種發光二極體的形成方法，包括：依序形成第一半導體層、主動層、與第二半導體層於基板上，且第一半導體層與第二半導體層之電性相反；形成溝槽穿過第二半導體層、主動層、與部份第一半導體層，以定義堆疊結構於溝槽之間；形成平坦化層於第一半導體層與第二半導體層上並填滿溝槽；形成硬遮罩圖案於平坦化層上，硬遮罩圖案具有遮罩區與開口區，且開口區對應溝槽；進行斜向離子佈植穿過開口區，使第一半導體層之側壁具有掺雜區；移除硬遮罩圖案與平坦化層；以及移除掺雜區，以形成凹洞。

本發明一實施例提供一種發光二極體，包括：基板；第一半導體層位於基板上，第一半導體層具有第一區域與第二區域，且第一區域之厚度大於第二區域之厚度；凹洞，位於第一半導體層之第一區域的側壁；發光層，位於該第一半導體層之第一區域上；以及第二半導體層，位於發光層上，且第一半導體層與第二半導體層之電性相反。

如第3A圖所示，先提供基板10。基板10可為藍寶石基板、矽基板、或碳化矽基板。接著依序形成半導體層11、主動層13、及半導體層15於基板10上，形成方式可為磊晶法。半導體層11與15之電性相反，當半導體層11為n型時，半導體層15為p型，反之亦然。在本發明一實施例中，半導體層11為n型的氮化鎵層，半導體層15為p型的氮化鎵層，且主動層13為氮化銦鎵/氮化鎵組成的多重量子井(MQW)。在其他實施例中，半導體層11與15及主動層13可為其他已知組成，並不限於上述組成。半導體層11之厚度可大於、等於、或小於半導體層15之厚度。在本發明一實施例中，n型的半導體層11其厚度小於p型的半導體層15之厚度。第3A圖所示之結構其上視圖如第3B圖所示。

接著如第4A圖所示，形成溝槽41穿過半導體層15、主動層13、及部份的半導體層11，以定義堆疊結構於溝槽41之間。形成溝槽41的方法可為常見的微影製程搭配蝕刻製程。舉例來說，可先形成遮罩層(未圖示)於半導體層15上，再以微影製程形成光阻圖案於遮罩層上。接著移除未被光阻圖案保護的遮罩層，再移除未被遮罩層保護的半導體層15、主動層13、與部份的半導體層11。上述蝕刻製程較佳為非等向蝕刻製程，比如採用電漿的乾蝕刻。如此一來，堆疊結構將具有平整側壁，並避免底切損傷主動層13。第4A圖所示之結構其上視圖如第4B圖所示。如第4A及4B圖所示，半導體層11分為堆疊結構中的第一部份11A，與被溝槽41露出的第二部份11B。可以理解的是，雖然圖示中的第一部份11A其上視圖為矩形，但可為其他圖形如方形、菱形、或其他形狀，端視需要而定。

接著如第5A圖所示，坦覆性地形成平坦化層51於第4A圖之結構上。平坦化層51，並具有平整的上表面。在本發明一實施例中，平坦化層51可為苯并環丁烯(BCB)如非光敏BCB樹脂，其形成方法可為旋轉塗佈法。第5A圖所示之結構其上視圖如第5B圖所示。

接著如第6A圖所示，形成硬遮罩圖案61於平坦化層51上。硬遮罩圖案61分為遮罩區61A與開口區61B，且開口區61B對應溝槽41。硬遮罩圖案61之形成方法可為先形成整層的硬遮罩層(未圖示)如金屬遮罩、光阻、氧化物如氧化矽或氧化鋅、或氮化物如氮化矽後，再以微影製程形成光阻圖案於硬遮罩層上。之後移除未被光阻圖案覆蓋的硬遮罩層，即完成硬遮罩圖案61。第6A圖所示之結構其上視圖如第6B圖所示。

接著如第7A圖所示，進行斜向離子佈植。斜向離子佈植將穿過開口區61B，使溝槽41底部附近的半導體層11形成第8A圖所示之掺雜區81。為避免斜向離子佈植影響主動層13，開口區61A之寬度較佳小於溝槽41之寬度。在本發明一實施例中，斜向離子佈植製程採用的掺質可為氬離子或氧離子等，斜向角度可介於5°至40°之間。若佈植的斜向角度過大，則可能會使主動區13具有掺雜區。若佈植的斜向角度過小，掺雜區81將形成於半導體層11之第二部份11B的上表面，而非形成於半導體層11之第一部份11A靠近溝槽41的側壁部份。第7A圖所示之結構其上視圖如第7B圖所示。

接著如第8A圖所示，移除硬遮罩圖案61與平坦化層51。移除硬遮罩圖案61的方法可為使用酸或鹼溶液溼蝕刻。移除平坦化層51的方法可為使用酸或鹼溶液溼蝕刻。第8A圖所示之結構其上視圖如第8B圖所示。

接著如第9A圖所示，形成保護層91於半導體層15的上表面上。保護層91之組成可為氧化矽(SiO₂ )、氮化矽(Si₃ N₄ )、或氧化鋁(Al₂ O₃ )等，其形成方法可為電漿輔助化學氣相沉積、濺鍍如電子槍濺鍍(E-Gun/Sputter)、或蒸鍍。第9A圖所示之結構其上視圖如第9B圖所示。

接著如第10A圖所示，移除掺雜區81。在本發明一實施例中，移除掺雜區81之方法可為感應耦合電漿、反應性離子蝕刻、濕蝕刻、或上述之組合。由於半導體層15上覆蓋有保護層91，因此移除掺雜區81之步驟不會影響到半導體層15的上表面。值得注意的是，前述斜向離子佈植會劣化掺雜區81之晶格，因此相同的移除條件在不大幅影響半導體層15與主動層13之側壁的情況下，可完全移除掺雜區81以形成凹洞100。可以理解的是，雖然第10A圖中的凹洞100具有弧形邊緣，但亦可具有平直邊緣，端視斜向離子佈植的參數。第10A圖所示之結構其上視圖如第10B圖所示。如前所述，半導體層11之第一部份11A的上視圖可為矩形，如第10B圖所示。在本發明一實施例中，上述凹洞100係形成於矩形的第一部份11A之四個邊上。在本發明另一實施例中，上述凹洞100只形成於矩形的第一部份11A之長邊上，而不形成矩形的第一部份11A之短邊上，以節省在矩形短邊上形成凹洞100的成本。當矩形的第一部份11A其長邊與短邊的比值越大時，上述只形成凹洞於矩形長邊的技術越節省成本，且越不會損失光取出效率。

接著如第11圖所示，移除保護層91後分別形成焊墊17於半導體層15與半導體層11之第二部份11B的表面上。接著進行切割製程，形成個別的發光二極體110。移除保護層91的方法可為使用酸或鹼溶液溼蝕刻。焊墊17的組成可為金、銀、銅、鈦、鋁、鎳、或上述之組合，其形成方法可為使用電子槍濺鍍。至此已完成所謂的發光二極體，其半導體層11的側壁具有凹洞100以避免全反射現象，進而增加光取出效率。另一方面，形成凹洞100的步驟並不會破壞主動層13，因此比習知的底切結構具有更佳的元件效能。

雖然本發明已以數個較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作任意之更動與潤飾，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。

10．．．基板

11、15．．．半導體層

11A．．．半導體層11的第一區域

11B．．．半導體層11的第二區域

13．．．主動層

17．．．焊墊

41．．．溝槽

51．．．平坦化層

61．．．硬遮罩圖案

61A．．．遮罩區

61B．．．開口區

81．．．掺雜區

91．．．保護層

100．．．凹洞

110．．．發光二極體

第1-2圖係習知技藝中，發光二極體的剖視圖；

第3A-10A與11圖係本發明之實施例中，發光二極體的製程剖視圖；以及

第3B-10B圖係第3A-10A圖之結構的上視圖。

10．．．基板

11、15．．．半導體層

11A．．．半導體層11的第一區域

11B．．．半導體層11的第二區域

13．．．主動層

17．．．焊墊

100．．．凹洞

110．．．發光二極體

Claims (7)

1. 一種發光二極體的形成方法，包括：依序形成一第一半導體層、一主動層、與一第二半導體層於一基板上，且該第一半導體層與該第二半導體層之電性相反；形成一溝槽穿過該第二半導體層、該主動層、與部份該第一半導體層，以定義一堆疊結構於該溝槽之間；形成一平坦化層於該第一半導體層與該第二半導體層上並填滿該溝槽；形成一硬遮罩圖案於該平坦化層上，該硬遮罩圖案具有一遮罩區與一開口區，且該開口區對應該溝槽；進行一斜向離子佈植穿過該開口區，使該第一半導體層之側壁具有一掺雜區；移除該硬遮罩圖案與該平坦化層；以及移除該掺雜區，以形成一凹洞。
2. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體的形成方法，其中該開口區的寬度小於該溝槽的寬度。
3. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體的形成方法，其中移除該摻雜區的方法包括感應耦合電漿、反應性離子蝕刻、濕蝕刻、或上述之組合。
4. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體的形成方法，更包括在移除該硬遮罩圖案與該平坦化層之步驟後，且在移除該掺雜區之步驟前，形成一保護層於該第二半導體層上。
5. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體的形成方法，其中該堆疊結構之上視圖係一矩形，該矩形具有一長邊與一短邊，且該凹洞只位於該長邊。
6. 一種發光二極體，包括：一基板；一第一半導體層位於該基板上，該第一半導體層具有一第一區域與一第二區域，且該第一區域之厚度大於該第二區域之厚度；一凹洞，位於該第一半導體層之該第一區域的側壁；一發光層，位於該第一半導體層之該第一區域上；以及一第二半導體層，位於該發光層上，且該第一半導體層與該第二半導體層之電性相反。
7. 如申請專利範圍第6項所述之發光二極體，其中該第一半導體層之該第一區域的上視圖係一矩形，該矩形具有一長邊與一短邊，且該凹洞只位於該長邊。