專利名稱：一種具有提升光取出率的半導(dǎo)體光電元件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體光電元件的結(jié)構(gòu)及其制造方法，尤其涉及包含突出結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體光電元件的結(jié)構(gòu)及其制造方法。
背景技術(shù)：
發(fā)光二極管(Light Emitting Diode ；簡稱LED)，為一種可將電能轉(zhuǎn)化為光能的電 子元件，并同時(shí)具備二極管的特性。發(fā)光二極管最特別之處在于只有從正極通電才會(huì)發(fā)光， 一般給予直流電時(shí)，發(fā)光二極管會(huì)穩(wěn)定地發(fā)光。但如果接上交流電，發(fā)光二極管會(huì)呈現(xiàn)閃爍 的形態(tài)。閃爍的頻率依據(jù)輸入交流電的頻率而定。發(fā)光二極管的發(fā)光原理是外加電壓，使 得電子與空穴在半導(dǎo)體內(nèi)結(jié)合后，將能量以光的形式釋放。對于發(fā)光二極管而言，壽命長、低發(fā)熱量及低耗電量，并且可以節(jié)約能源及減少污 染是最大的優(yōu)點(diǎn)。發(fā)光二極管的應(yīng)用面很廣，然而發(fā)光效率為其中一個(gè)有待提升的問題，也 始終困擾著發(fā)光二極管照明技術(shù)的推廣普及。發(fā)光效率要提升，有效增加光取出效率就是 其中一個(gè)方法。傳統(tǒng)的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)受限于全反射及橫向波導(dǎo)效應(yīng)，無法將發(fā)光層所產(chǎn)生的光 全部取出，使得發(fā)光二極管整體的取光率偏低。以氮化鎵系(GaN)三族氮化物發(fā)光二極管為例，氮化鎵(GaN)的折射率為2. 5，空 氣折射率為1。假定光的射出是在均勻的光學(xué)表面，可以計(jì)算出來全反射的臨界角為23. 5 度。當(dāng)光從氮化鎵(GaN)發(fā)光二極管發(fā)光層射出，只要入射角度大于23. 5度，就會(huì)全部反 射回材料內(nèi)部。目前發(fā)展出許多技術(shù)試著有效提升光的取出效率，而表面微結(jié)構(gòu)工藝是提 高發(fā)光二極管出光效率的其中一個(gè)有效技術(shù)。"Light Output Improvement of InGaN-Based Light-Emitting Diodes by MicroChannel Structure，，，IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS. VOL. 19, NO. 15, AUSUST1,200 以及"III-Nitride-Based Microarray Light-Emitting Diodes with Enhanced Light Extraction Efficiency", Japanese Journal of Applied Physics Vol. 47, No. 8，2008，pp. 6757-6759兩篇學(xué)術(shù)期刊皆以增加半導(dǎo)體發(fā)光元件的光取出率為目 的。在元件的發(fā)光區(qū)域表面上蝕刻形成圓柱圖形的圖案，其蝕刻的深度也會(huì)影響到光取出 率。請參考圖1，為元件發(fā)光區(qū)域表面上蝕刻刻度的深淺比較。當(dāng)蝕刻圖案的刻度深度到達(dá) η型接觸層比蝕刻圖案刻度深度在ρ型接觸層表面上發(fā)光強(qiáng)度增加約40%，可提高發(fā)光元 件的光取出率。由于其研究主要在發(fā)光區(qū)域進(jìn)行蝕刻，同時(shí)使得原來的發(fā)光面積也減少了。另外，由中國臺灣專利公開號碼200701521、美國專利公告號碼US6953952B2、美 國專利公告號碼US 7358544Β2以及美國專利公開號碼US2007/0228393的發(fā)明所述，該發(fā) 明于發(fā)光區(qū)域外圍形成多個(gè)柱狀結(jié)構(gòu)，并圍繞于前述的發(fā)光區(qū)域。其柱狀結(jié)構(gòu)的高度與發(fā) 光區(qū)域的高度可以相等。柱狀的角度范圍約30 80度，以降低全反射的現(xiàn)象。請參考圖 2，為顯示現(xiàn)有技術(shù)的半導(dǎo)體光電元件同面電極形式俯視圖。發(fā)光區(qū)域121上形成一 ρ型電 極114，發(fā)光區(qū)域旁邊形成一 η型電極113。多個(gè)柱狀結(jié)構(gòu)119位于元件切割平臺118上，以及圍繞于前述發(fā)光區(qū)域121與前述η型電極113周圍。前述多個(gè)柱狀結(jié)構(gòu)119之間包含 多個(gè)隙縫120。接下來，請參考圖3，為圖2的A至Α’截面示意圖。一發(fā)光區(qū)域121上方形 成一透明導(dǎo)電層109。一 ρ型電極114位于前述透明導(dǎo)電層109上方。一 η型電極113形 成于η型導(dǎo)通層104上，以及位于前述發(fā)光區(qū)域121旁邊。多個(gè)柱狀結(jié)構(gòu)119位于元件切 割平臺118上，彼此之間間隔著多個(gè)隙縫120。一保護(hù)層115覆蓋于前述發(fā)光區(qū)域121及多 個(gè)柱狀結(jié)構(gòu)119上方。由于光無方向性，且光子的位置分布在發(fā)光層的每一點(diǎn)。其結(jié)構(gòu)可 以使得大部分光線經(jīng)由柱狀結(jié)構(gòu)的角度及高度改變光線折射角度而射出，因此而提高光取 出率。但是，光子也可能遇到柱狀結(jié)構(gòu)之間的縫隙而讓光線無法射出，仍然在發(fā)光區(qū)域的結(jié) 構(gòu)內(nèi)全反射或是折射，最后轉(zhuǎn)換成熱能。因此，本發(fā)明提供一種可增加發(fā)光面積并且達(dá)到提高發(fā)光率的半導(dǎo)體光電結(jié)構(gòu)， 將改善上述的技術(shù)缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一目的為增加半導(dǎo)體光電元件的發(fā)光面積。本發(fā)明的另一目的為提高半導(dǎo)體光電元件的光取出效率。鑒于上述的發(fā)明背景，為了符合產(chǎn)業(yè)利益的需求，本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體光電元 件的結(jié)構(gòu)。在發(fā)光結(jié)構(gòu)上同時(shí)蝕刻第一發(fā)光區(qū)域即為主要發(fā)光區(qū)域及第二發(fā)光區(qū)域即為次 發(fā)光區(qū)域。多個(gè)孔洞位于前述第二發(fā)光區(qū)域，且與前述第二發(fā)光區(qū)域圍繞于前述第一發(fā)光 區(qū)域外圍。一透明導(dǎo)電層覆蓋于前述第一發(fā)光區(qū)域與前述第二發(fā)光區(qū)域。本發(fā)明的半導(dǎo)體光電元件及其制造方法，能夠增加發(fā)光面積并且提高光取出效 率。


圖1，為元件發(fā)光區(qū)域表面上蝕刻刻度的深淺比較；圖2，為顯示現(xiàn)有技術(shù)半導(dǎo)體光電元件同面電極形式俯視圖；圖3，為圖2的A至Α’的截面示意圖；圖4，為本發(fā)明的半導(dǎo)體光電元件的同面電極形式俯視圖；圖5(a)至圖5(g)，為圖4Β到圖4Β’的截面的各步驟結(jié)構(gòu)形成示意圖；圖6，為孔洞示意圖；圖7，為本發(fā)明的半導(dǎo)體光電元件的雙面電極形式俯視圖；圖8，為圖7C到圖7C’的截面的示意圖；以及圖9(a)至圖9(d)，為半導(dǎo)體光電元件分離式雙面電極形式結(jié)構(gòu)形成示意圖。其中，附圖標(biāo)記說明如下101襯底105發(fā)光層102緩沖層106電子阻擋層103GaN 層107P 型導(dǎo)通層104η型導(dǎo)通層108發(fā)光結(jié)構(gòu)109透明導(dǎo)電層118元件切割平臺110第一發(fā)光區(qū)域119柱狀結(jié)構(gòu)
111第二發(fā)光區(qū)域120縫隙112孔洞121發(fā)光區(qū)域113η型電極122孔洞直徑
114P型電極123孔洞高度115保護(hù)層124孔洞側(cè)邊116金屬層125第一表面117導(dǎo)電材料層126第二表面
具體實(shí)施例方式本發(fā)明在此所探討的方向?yàn)橐环N提升光取出率的半導(dǎo)體光電元件結(jié)構(gòu)及其制造 方法。為了能徹底地了解本發(fā)明，將在下列的描述中提出詳盡的步驟及其組成。顯然地，本 發(fā)明的施行并未限定于半導(dǎo)體光電制造工藝領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所熟習(xí)的特殊細(xì)節(jié)。另一 方面，眾所周知的組成或步驟并未描述于細(xì)節(jié)中，以避免造成本發(fā)明不必要的限制。本發(fā)明 的優(yōu)選實(shí)施例會(huì)詳細(xì)描述如下，然而除了這些詳細(xì)描述之外，本發(fā)明還可以廣泛地施行在 其他的實(shí)施例中，且本發(fā)明的范圍不受限定，其以隨附的權(quán)利要求書的范圍為準(zhǔn)。本發(fā)明利用半導(dǎo)體光電元件結(jié)構(gòu)經(jīng)外延后，借由蝕刻形成第一發(fā)光區(qū)域即主要發(fā) 光區(qū)域及第二發(fā)光區(qū)域即次發(fā)光區(qū)域。前述第二發(fā)光區(qū)域包含多個(gè)孔洞及圍繞于該第一發(fā) 光區(qū)域。因?yàn)楣饩€是無方向性的，當(dāng)發(fā)光區(qū)域的發(fā)光層產(chǎn)生光線后，光線除了從P型導(dǎo)通層 方向射出外，同時(shí)也會(huì)朝內(nèi)部方向或側(cè)邊方向射出。隨著光線從內(nèi)部經(jīng)由反射或折射后而 自孔洞向外射出，增加發(fā)光面積及提高亮度外，也達(dá)到半導(dǎo)體光電元件的光取出效益。從本發(fā)明的技術(shù)手段中，本發(fā)明提供一種高效率光取出的光電半導(dǎo)體元件的結(jié) 構(gòu)，包含一襯底，一第一發(fā)光區(qū)域，以及一第二發(fā)光區(qū)域。前述第二發(fā)光區(qū)域包含多個(gè)孔洞 并且圍繞于前述第一發(fā)光區(qū)域外圍。前述第一發(fā)光區(qū)域以及前述第二發(fā)光區(qū)域包含一 η型導(dǎo)通層，位于前述襯底上。 一發(fā)光層，位于前述η型導(dǎo)通層上。一 P型導(dǎo)通層，位于前述發(fā)光層上。一透明導(dǎo)電層，位 于前述P型導(dǎo)通層上。一緩沖層，位于前述襯底與前述η型導(dǎo)通層之間。一保護(hù)層，覆蓋于前述第一發(fā)光 區(qū)域及前述第二發(fā)光區(qū)域，并暴露出前述P型電極，或是覆蓋于前述第一發(fā)光區(qū)域及前述 第二發(fā)光區(qū)域，并暴露出前述P型電極及前述η型電極。 前述η型導(dǎo)通層包含摻質(zhì)為硅(Si)，前述ρ型導(dǎo)通層包含摻質(zhì)為鎂(Mg)。η型電極電性連接前述η型導(dǎo)通層，ρ型電極電性連接前述P型導(dǎo)通層。前述孔洞的直徑介于0. 1 μ m至10 μ m之間，前述孔洞的高度介于ρ型導(dǎo)通層及η 型導(dǎo)通層之間以及前述孔洞的側(cè)壁為粗化表面。前述襯底可為藍(lán)寶石(Al2O3)襯底、碳化硅(SiC)襯底、鋁酸鋰襯底(LiAlO2)、鎵 酸鋰襯底(LiGaO2)、硅(Si)襯底、氮化鎵(GaN)襯底，氧化鋅(ZnO)襯底、氧化鋁鋅襯底 (AlZnO)、砷化鎵(GaAs)襯底、磷化鎵(GaP)襯底、銻化鎵襯底(GaSb)、磷化銦(InP)襯底、 砷化銦(InAs)襯底或硒化鋅(ZnSe)襯底。前述緩沖層可為氮化鎵、氮化鋁鎵(AlGaN)、氮化鋁(AlN)、或是InxGai_xN/InyGai_yN 超晶格結(jié)構(gòu)；X ^ y。
前述透明導(dǎo)電層可為鎳金合金(Ni/Au)、氧化銦錫(Indium Tin Oxide ； I TO)、氧化 銦鋅(Indium Zinc Oxide ;IZ0)、氧化銦鎢(Indium Tungsten Oxide ; I WO)或是氧化銦鎵 (Indium Gallium Oxide ；IG0)o另外，本發(fā)明也提供一種高效率光取出的光電半導(dǎo)體元件的制造方法，包含提供 一襯底，形成一發(fā)光結(jié)構(gòu)在前述襯底上。蝕刻前述發(fā)光結(jié)構(gòu)以形成一第一發(fā)光區(qū)域以及一 第二發(fā)光區(qū)域。前述第二發(fā)光區(qū)域包含多個(gè)孔洞及圍繞于前述第一發(fā)光區(qū)域。前述發(fā)光結(jié)構(gòu)依序包含一 η型導(dǎo)通層，位于前述襯底上。一發(fā)光層，位于前述η型 導(dǎo)通層上。一 P型導(dǎo)通層，位于前述發(fā)光層上。一透明導(dǎo)通層，位于前述P型導(dǎo)通層。一緩沖層，位于前述襯底與前述η型導(dǎo)通層之間。一保護(hù)層覆蓋于前述第一發(fā)光 區(qū)域及前述第二發(fā)光區(qū)域，并暴露出前述P型電極，或是覆蓋于前述第一發(fā)光區(qū)域及前述 第二發(fā)光區(qū)域，并暴露出前述P型電極及前述η型電極。上述的實(shí)施內(nèi)容，將搭配圖示與各步驟的結(jié)構(gòu)示意圖詳細(xì)介紹本發(fā)明的結(jié)構(gòu)與各 步驟的形成方式。請參考圖4，為本發(fā)明的半導(dǎo)體光電元件的同面電極形式俯視圖。其第一發(fā)光區(qū) 域110上形成一 P型電極114。在前述發(fā)光區(qū)域110旁邊形成一 η型電極113。一第二發(fā) 光區(qū)域111圍繞于前述第一發(fā)光區(qū)域110與前述η型電極113周圍，并且包含多個(gè)孔洞 112。接下來，請參考圖5(a)至圖5(g)，為圖4Β到圖4Β’的截面的各步驟結(jié)構(gòu)形成示意 圖。圖5(a)所示，進(jìn)行襯底101表面的凈化處理。提供一襯底101。前述襯底101可為藍(lán) 寶石(Al2O3)襯底、碳化硅(SiC)襯底、鋁酸鋰襯底(LiAlO2)、鎵酸鋰襯底(LiGaO2)、硅(Si) 襯底、氮化鎵(GaN)襯底、氧化鋅(ZnO)襯底、氧化鋁鋅襯底(AlZnO)、砷化鎵(GaAs)襯底、 磷化鎵(GaP)襯底、銻化鎵襯底(GaSb)、磷化銦(InP)襯底、砷化銦(InAs)襯底或硒化鋅 (ZnSe)襯底。將基材表面進(jìn)行清洗。例如于充滿氫氣的環(huán)境中以1200°C溫度進(jìn)行熱清洗 (thermal cleaning)。再通入氨氣與三族元素的有機(jī)金屬先驅(qū)物(precursor)?？梢圆捎?鎵或銦的有機(jī)金屬化合物作為該有機(jī)金屬先驅(qū)物。例如三甲基鋁(trimethylaluminum ； TMA1)或是三乙基鋁(triethylaluminum ;TEA1)、三甲基鎵(trimethylgallium ；TMGa), 三乙基鎵(triethylgallium ;TEGa)、及三甲基銦(trimethyIindium ；TMIn)及三乙基銦 (triethylindium ；TEIn)等。圖5(b)所示，為形成一緩沖層102于上述的襯底101上。由于晶格結(jié)構(gòu)與晶格 常數(shù)是另一項(xiàng)選擇外延襯底的重要依據(jù)。若襯底與外延層之間晶格常數(shù)差異過大，往往需 要先形成一緩沖層才可以得到較佳的外延品質(zhì)。前述緩沖層102形成的方式是以化學(xué)氣 相沉積法(Chemical Vapor Deposition ；CVD)。例如在有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積(M0CVD ； Metal Orga nic Chemical Vapor Deposition)機(jī)臺或是分子束夕卜延(MBE ;Molecular Beam Epitaxy)機(jī)臺中，以相對于后續(xù)正常外延溫度較低的環(huán)境長晶。例如氮化鋁鎵銦的 一般長晶溫度約在800-1400°C之間，而緩沖層的長晶溫度約在250-700°C之間。當(dāng)使用 有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積法時(shí)，氮的先驅(qū)物可以是NH3或是N2。鎵的先驅(qū)物可以是三甲基鎵 (trimethylgallium ；TMGa)或是三乙基鎵(triethylgallium ；TEGa)。而鋁的先驅(qū)物可以是 三甲基鋁(trimethylaluminum ；TMA1)或是三乙基鋁(triethylaluminum ；TEA1)，而銦的先 驅(qū)物可以是三甲基銦(trimethyIindium ；TMIn)或是三乙基銦(triethylindium ；TEIn)。反 應(yīng)室的壓力可以是低壓或是常壓。前述緩沖層102可為氮化鎵(GaN)、氮化鋁鎵(AlGaN)、氮化鋁(AlN)、或是InxGai_xN/InyGai_yN超晶格結(jié)構(gòu)；χ Φ y。有關(guān)于形成InGaN/InGaN超晶 格結(jié)構(gòu)的技術(shù)，可以參閱先進(jìn)開發(fā)光電股份有限公司的專利申請?zhí)岚?，中國臺灣專利申請 號 096104378。圖5(c)所示，完成緩沖層102后，于緩沖層102上外延形成一發(fā)光結(jié)構(gòu)108。為提 升發(fā)光結(jié)構(gòu)的外延晶格的成長品質(zhì)，可先形成一無摻雜的氮化鎵層(GaN) 103或是氮化鋁 鎵層(AlGaN)在緩沖層102上。形成一無摻雜氮化物層103后，摻雜四族的原子以形成η 型導(dǎo)通層104。在本實(shí)施例中是硅原子(Si)，而硅的先驅(qū)物在有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積機(jī)臺 中可以是硅甲烷(SiH4)或是硅乙烷(Si2H6)。η型導(dǎo)通層104的形成方式依序由高濃度摻 雜硅原子(Si)的氮化鎵層(GaN)或是氮化鋁鎵層(AlGaN)至低濃度摻雜硅原子(Si)的氮 化鎵層或是氮化鋁鎵層(AlGaN)。高濃度摻雜硅原子(Si)的氮化鎵層(GaN)或是氮化鋁鎵 層(AlGaN)可以提供η型半導(dǎo)體的歐姆接觸(Ohmic Contact)。接著是形成一發(fā)光層105在η型導(dǎo)通層104上。其中發(fā)光層105可以是單異質(zhì) 結(jié)構(gòu)、雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)、單量子阱層或是多重量子阱層結(jié)構(gòu)。目前多采用多重量子阱層結(jié)構(gòu)，也 就是多重量子阱層/阻障層的結(jié)構(gòu)。量子阱層可以使用氮化銦鎵(InGaN)，而阻障層可以 使用氮化鋁鎵(AlGaN)等的三元結(jié)構(gòu)。另外，也可以采用四元結(jié)構(gòu)，也就是使用氮化鋁鎵銦 (AlxInyGa1^yN)同時(shí)作為量子阱層以及阻障層。其中調(diào)整鋁與銦的比例使得氮化鋁鎵銦晶 格的能階可以分別成為高能階的阻障層與低能階的量子阱層。發(fā)光層105可以摻雜η型或 是P型的摻雜物(dopant)，可以是同時(shí)摻雜η型與ρ型的摻雜物，也可以完全不摻雜。并 且，可以是量子阱層摻雜而阻障層不摻雜、量子阱層不摻雜而阻障層摻雜、量子阱層與阻障 層都摻雜或是量子阱層與阻障層都不摻雜。再者，也可以在量子阱層的部分區(qū)域進(jìn)行高濃 度的摻雜(delta doping)。之后，在發(fā)光層105上形成一 ρ型導(dǎo)通的電子阻擋層106。ρ型導(dǎo)通的電子阻擋 層106包括第一種III-V族半導(dǎo)體層，以及第二種III-V族半導(dǎo)體層。這兩種III-V族半 導(dǎo)體層的能隙不同，且具有周期性地重復(fù)沉積在上述發(fā)光層105上，前述周期性地重復(fù)沉 積動(dòng)作可形成能障較高的電子阻擋層(能障高于主動(dòng)發(fā)光層的能障)，用以阻擋過多電子 (e-)溢流發(fā)光層105。前述第一種III-V族半導(dǎo)體層可為氮化鋁銦鎵(AlxInyGai_x_yN)層， 前述第二種III-V族半導(dǎo)體層可為氮化鋁銦鎵(AluInvGai_u_vN)層。其中，0<x≤l，x+y≤1，0≤u < 1，0≤ν≤1以及u+v≤1。當(dāng)χ = U時(shí)，y乒ν。另外，前述III-V 族半導(dǎo)體層也可為氮化鎵(GaN)、氮化鋁(AlN)、氮化銦(InN)、氮化鋁鎵(AlGaN)、氮化銦鎵 (InGaN)、氮化鋁銦(AlInN)。最后，摻雜二族的原子以形成ρ型導(dǎo)通層107于電子阻擋層106上。在本實(shí)施例 中是鎂原子。而鎂的先驅(qū)物在有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積機(jī)臺中可以是CP2Mg。ρ型導(dǎo)通層107 的形成方式依序由低濃度摻雜鎂原子(Mg)的氮化鎵層(GaN)或是氮化鋁鎵層(AlGaN)至 高濃度摻雜鎂原子(Mg)的氮化鎵層或是氮化鋁鎵層(AlGaN)。高濃度摻雜鎂原子(Mg)的 氮化鎵層(GaN)或是氮化鋁鎵層可以提供η型半導(dǎo)體的歐姆接觸(Ohmic Contact)。圖5(d)所示，接著形成一透明導(dǎo)電層109于前述的發(fā)光結(jié)構(gòu)108上方。前述透明 導(dǎo)電層109必須要有高穿透率和高導(dǎo)電特性，可以透光且使電流均勻分散。一般以蒸鍍，濺 鍍等物理氣相沉積法形成透明導(dǎo)電層109于發(fā)光結(jié)構(gòu)108上。其材料可為鎳金合金(Ni/ Au)、氧化銦錫(Indium Tin Oxide ;ΙΤ0)、氧化銦鋅(Indium Zinc Oxide ;IZ0)、氧化銦鎢(Indium Tungsten Oxide ；IffO)或是氧化銦鎵(Indium Gallium Oxide ；IGO)。圖5(e)所示，在覆蓋透明導(dǎo)電層109后，借由光致抗蝕劑自旋涂布機(jī)以離心力將 光致抗蝕劑劑全面涂布于透明導(dǎo)電層109的表面上方以形成光致抗蝕劑膜。再以光刻法 (Photolithography)將光致抗蝕劑膜圖案化而形成掩模，使得預(yù)計(jì)蝕刻部分顯露。再以電 感式等離子體蝕刻系統(tǒng)(Inductively coupled plasma etcher ;ICP)蝕刻出第一發(fā)光區(qū) 域110、第二發(fā)光區(qū)域111、多個(gè)孔洞112位于前述第二發(fā)光區(qū)域111及暴露出η型導(dǎo)通層 104。其中前述第二發(fā)光區(qū)域111與多個(gè)孔洞112圍繞于前述第一發(fā)光區(qū)域110周圍。最 后再去除光致抗蝕劑。
圖5 (f)所示，形成一 ρ型電極114于第一發(fā)光區(qū)域110上與ρ型導(dǎo)通層107電性 連接。以及，形成一 η型電極113與η型導(dǎo)通層104電性連接。前述ρ型電極114的材料 可為鎳金合金(Ni/Au)、鉬金合金(Pt/Au)、鎢(W)或鈀(Pd)。前述η型電極114的材料可 為鈦/鋁/鈦/金(Ti/Al/Ti/Au)或是鉛金合金(Pd/Au)。最后，如圖5(g)所示，形成一保護(hù)層115覆蓋于前述第一發(fā)光區(qū)域111以及第二 發(fā)光區(qū)域111上方，并暴露出ρ型電極114及η型電極113以保持電性連接。保護(hù)層115主 要是保護(hù)第一發(fā)光區(qū)域110以及第二發(fā)光區(qū)域111不易受到外界污染或受潮而導(dǎo)致受損。 其材料可為二氧化硅(SiO2)或氮化硅(Si3N4)。有關(guān)孔洞112特性的進(jìn)一步說明。請參考圖6，為孔洞示意圖。其孔洞的直徑122 介于0. Ιμπι至ΙΟμπι之間。孔洞的高度123介于ρ型導(dǎo)通層及η型導(dǎo)通層之間。孔洞的 側(cè)邊124為粗糙表面，可利于光的折射。一般商業(yè)上以使用藍(lán)寶石(Al2O3)襯底為主，但因藍(lán)寶石襯底有導(dǎo)電性不佳及不 易散熱等缺點(diǎn)，可能降低半導(dǎo)體光電元件的信賴度(Reliability)。為減少前述的因素影響 半導(dǎo)體光電元件的信賴度，本發(fā)明人也采用碳化硅(SiC)襯底、硅(Si)襯底、氮化鎵(GaN) 襯底、砷化鎵(GaAs)襯底、磷化鎵(GaP)襯底、銻化鎵襯底(GaSb)、磷化銦(InP)襯底、砷化 銦(InAs)襯底或硒化鋅(ZnSe)襯底等具有導(dǎo)電性以及散熱性較佳等特性的襯底，形成雙 面電極形式的半導(dǎo)體光電元件結(jié)構(gòu)。請參考圖7，為本發(fā)明的半導(dǎo)體光電元件的雙面電極型式俯視圖所示。一第一發(fā)光 區(qū)域110上形成一 P型電極114。一第二發(fā)光區(qū)域111圍繞于前述第一發(fā)光區(qū)域110周圍 并包含多個(gè)孔洞112。接下來，請參考圖8，為圖7C到圖7C’的截面的示意圖。一第一發(fā)光 區(qū)域110以及一第二發(fā)光區(qū)域111上形成一透明導(dǎo)電層109。前述第二發(fā)光區(qū)域111包含 多個(gè)孔洞112并圍繞在前述第一發(fā)光區(qū)域110外圍。一 ρ型電極114位于前述透明導(dǎo)電層 109上。一 η型電極113位于襯底101下方。最后一保護(hù)層115覆蓋于前述第一發(fā)光區(qū)域 110及前述第二發(fā)光區(qū)域111上方，以及暴露出ρ型電極114保持電性連接。另外，在半導(dǎo)體的外延制造過程中，由于半導(dǎo)體層與異質(zhì)襯底之間的晶格常數(shù)與 熱膨脹系數(shù)的差異，容易造成半導(dǎo)體于外延過程中產(chǎn)生穿透錯(cuò)位與熱應(yīng)力的問題。因此本 發(fā)明的另一種制造方法即以半導(dǎo)體分離的技術(shù)降低前述的問題，并增加本發(fā)明的光電元件 的穩(wěn)定性。下述幾種半導(dǎo)體分離的技術(shù)為先進(jìn)開發(fā)光電股份有限公司的專利申請?zhí)岚浮Ｏ冉?jīng) 由襯底與發(fā)光結(jié)構(gòu)分離后，再以蝕刻工藝形成發(fā)光區(qū)域與突出結(jié)構(gòu)。(本部分的圖示步驟即 為圖9(a) 圖9(e)，將由蝕刻步驟開始說明，而半導(dǎo)體分離的技術(shù)將不在本說明書贅述。)
第一種半導(dǎo)體分離的方法為成長一第一三族氮化合物半導(dǎo)體層于一暫時(shí)襯底的 表面。以光刻蝕刻工藝圖案化該第一三族氮化合物半導(dǎo)體層。形成一第二三族氮化合物半 導(dǎo)體層于該已圖案化的第一三族氮化合物半導(dǎo)體層上。形成一導(dǎo)電材料層于該第二三族氮 化合物半導(dǎo)體層。以及自該第一三族氮化合物半導(dǎo)體層分離以得到第二三族氮化合物半導(dǎo) 體層及導(dǎo)電材料層的組合體。關(guān)于本第一種半導(dǎo)體分離的步驟的詳細(xì)的內(nèi)容與形成方式， 可以參閱先進(jìn)開發(fā)光電股份有限公司的專利申請?zhí)岚?，中國臺灣專利申請?zhí)?97107609。 第二種半導(dǎo)體分離的方法為成長一第一三族氮化合物半導(dǎo)體層于一原始襯底的 表面。形成一外延阻斷層于該第一三族氮化合物半導(dǎo)體層。成長一第二三族氮化合物半 導(dǎo)體層于該外延阻斷層及無覆蓋的該第一三族氮化合物半導(dǎo)體層上。移除該外延阻斷 層。成長一第三三族氮化合物半導(dǎo)體層于該第二三族氮化合物半導(dǎo)體層上。沉積一導(dǎo)電 材料層于該第三三族氮化合物半導(dǎo)體層上，以及將該第三三族氮化合物半導(dǎo)體層及其上結(jié) 構(gòu)自該第二三族氮化合物半導(dǎo)體層分離。關(guān)于本第二種半導(dǎo)體分離的方法的詳細(xì)的內(nèi)容 與形成方式，可以參閱先進(jìn)開發(fā)光電股份有限公司的專利申請?zhí)岚福袊_灣專利申請?zhí)?097115512。第三種半導(dǎo)體分離的方法為首先，配置一掩模于一襯底上。并退火此一掩模以形 成多個(gè)掩模部。再通過多個(gè)掩模部間的空隙將襯底蝕刻出多個(gè)柱體。最后再分離掩模與襯 底。即可形成一具有柱陣列的襯底。其中上述的多個(gè)柱體即構(gòu)成上述的柱陣列。隨后借 由此一柱陣列進(jìn)行外延生長一半導(dǎo)體層，并對柱陣列進(jìn)行濕蝕刻以分離此一半導(dǎo)體層與襯 底，借此以取得一獨(dú)立式(free-standing)的塊材或薄膜。關(guān)于本第三種半導(dǎo)體分離的方 法的詳細(xì)的內(nèi)容與形成方式，可以參閱先進(jìn)開發(fā)光電股份有限公司的專利申請?zhí)岚?，中?臺灣專利申請?zhí)?97117099。本發(fā)明以第二種半導(dǎo)體分離的方法后續(xù)工藝為例繼而說明。圖9(a)所示，以電鍍 或復(fù)合電鍍方式形成于一導(dǎo)電材料層117于前述發(fā)光結(jié)構(gòu)108的第一表面125上。前述發(fā) 光結(jié)構(gòu)108與前述導(dǎo)電材料117之間可包含一層金屬層116。前述導(dǎo)電材料可為銅(Cu)、 鎳(Ni)或是鎢銅合金(CuW)。前述發(fā)光結(jié)構(gòu)包含η型導(dǎo)通層104、發(fā)光層105、電子阻擋層 106、ρ型導(dǎo)通層107。其中ρ型導(dǎo)通層107為前述發(fā)光結(jié)構(gòu)108的第一表面125，相對于前 述發(fā)光結(jié)構(gòu)108第一表面的第二表面126為η型導(dǎo)通層104。圖9 (b)所示，分離前述襯底101與前述發(fā)光結(jié)構(gòu)108后，借由光致抗蝕劑自旋涂 布機(jī)以離心力將光致抗蝕劑劑全面涂布于發(fā)光結(jié)構(gòu)的表面上方以形成光致抗蝕劑膜。再以 光刻法(Photolithography)將光致抗蝕劑膜圖案化而形成光掩模，使得預(yù)計(jì)蝕刻部分顯 露。再以電感式等離子體蝕刻系統(tǒng)(Inductively coupled plasma etcher ； I CP)蝕刻出一 第一發(fā)光區(qū)域110、一第二發(fā)光區(qū)域111、多個(gè)孔洞112并暴露出ρ型導(dǎo)通層107。其中前述 第二發(fā)光區(qū)域111以及多個(gè)孔洞112圍繞于前述第一發(fā)光區(qū)域110周圍。同時(shí)也分隔出每 個(gè)單位裸片，以利后續(xù)的切割。最后再去除光致抗蝕劑。圖9(c)所示，形成一 η型電極113于前述第一發(fā)光區(qū)域110上與η型導(dǎo)通層104 電性連接。P型導(dǎo)通層107的電性連接則經(jīng)由金屬層116及導(dǎo)電材料層117。前述η型電 極113的材料可為鈦/鋁/鈦/金(Ti/Al/Ti/Au)或鉛/金(Pd/Au)。請參照圖9(d)所示，最后形成一保護(hù)層115可覆蓋于前述第一發(fā)光區(qū)域110以及 第二發(fā)光區(qū)域111，并暴露出η型電極113，以保護(hù)第一發(fā)光區(qū)域110以及第二發(fā)光區(qū)域111不易受到外界污染或干擾而導(dǎo)致受損。前述保護(hù)層115的材料可為二氧化硅(Si02)或氮 化硅(Si3N4)。關(guān)于孔洞112的要求仍與前述同面電極形式相同。請參考圖6，為孔洞示意圖。孔 洞的直徑122介于0. 1 μ m至10 μ m之間。孔洞的高度123介于ρ型導(dǎo)通層及η型導(dǎo)通層 之間。孔洞的側(cè)邊124為粗糙表面，可利于光的折射。顯然地，依照上面實(shí)施例中的描述，本發(fā)明可能有許多的修正與差異。因此需要在 其附加的權(quán)利要求的范圍內(nèi)加以理解，除了上述詳細(xì)的描述外，本發(fā)明還可以廣泛地在其 他的實(shí)施例中施行。上述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并非用以限定本發(fā)明的權(quán)利要求 的范圍；凡其它未脫離本發(fā)明所揭示的精神下所完成的等效改變或修飾，均應(yīng)包含在隨附 的權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種具有提升光取出率的半導(dǎo)體光電元件，包含一襯底；一第一發(fā)光區(qū)域；以及一第二發(fā)光區(qū)域；其中該第一發(fā)光區(qū)域以及該第二發(fā)光區(qū)域包含一n型導(dǎo)通層，位于該襯底上；一發(fā)光層，位于該n型導(dǎo)通層上；一p型導(dǎo)通層，位于該發(fā)光層上；一透明導(dǎo)通層，位于該p型導(dǎo)通層上；以及該第二發(fā)光區(qū)域包含多個(gè)孔洞并且圍繞于該第一發(fā)光區(qū)域外圍。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有提升光取出率的半導(dǎo)體光電元件，其中還包含一緩 沖層位于該襯底與該η型導(dǎo)通層之間，且前述緩沖層可為氮化鎵、氮化鋁鎵、氮化鋁、或是 InxGai_xN/InyGai_yN超晶格結(jié)構(gòu)，其中χ乒y。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種具有提升光取出率的半導(dǎo)體光電元件，其中還包含一η 型電極電性連接該η型導(dǎo)電層，一 P型電極電性連接該P(yáng)型導(dǎo)電層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有提升光取出率的半導(dǎo)體光電元件，其中還包含一保 護(hù)層覆蓋于該第一發(fā)光區(qū)域及該第二發(fā)光區(qū)域并暴露出該P(yáng)型電極，或是覆蓋于該第一發(fā) 光區(qū)域及該第二發(fā)光區(qū)域并暴露出該P(yáng)型電極及該η型電極，前述保護(hù)層可為二氧化硅或 氧化氮。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有提升光取出率的半導(dǎo)體光電元件，其中該孔洞的直 徑介于0. 1 μ m至10 μ m之間，前述孔洞的高度介于ρ型導(dǎo)通層及η型導(dǎo)通層之間，且前述 孔洞的側(cè)壁為粗化表面。
6.一種具有提升光取出率的半導(dǎo)體光電元件的制造方法，包含 提供一襯底；形成一發(fā)光結(jié)構(gòu)在該襯底上，該發(fā)光結(jié)構(gòu)依序包含 一 η型導(dǎo)通層，位于該襯底上； 一發(fā)光層，位于該η型導(dǎo)通層上； 一 P型導(dǎo)通層，位于該發(fā)光層上； 一透明導(dǎo)通層，位于該P(yáng)型導(dǎo)通層；蝕刻該發(fā)光結(jié)構(gòu)以形成一第一發(fā)光區(qū)域以及一第二發(fā)光區(qū)域，該第二發(fā)光區(qū)域包含多 個(gè)孔洞及圍繞于該第一發(fā)光區(qū)域。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種具有提升光取出率的半導(dǎo)體光電元件的制造方法，其中 還包含一緩沖層位于該襯底與該η型導(dǎo)通層之間，且前述緩沖層可為氮化鎵、氮化鋁鎵、氮 化鋁、或是InxGai_xN/InyGai_yN超晶格結(jié)構(gòu)，其中χ興y。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種具有提升光取出率的半導(dǎo)體光電元件的制造方法，其中 還包含一 η型電極電性連接該η型導(dǎo)電層，一 ρ型電極電性連接該ρ型導(dǎo)電層。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種具有提升光取出率的半導(dǎo)體光電元件的制造方法，其中 還包含一保護(hù)層覆蓋于該第一發(fā)光區(qū)域及該第二發(fā)光區(qū)域并暴露出該P(yáng)型電極，或是覆蓋 于該第一發(fā)光區(qū)域及該第二發(fā)光區(qū)域并暴露出該P(yáng)型電極及該η型電極，前述保護(hù)層可為二氧化硅或氧化氮。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種具有提升光取出率的半導(dǎo)體光電元件的制造方法，其 中該孔洞的直徑介于0. 1 μ m至10 μ m之間，前述孔洞的高度介于ρ型導(dǎo)通層及η型導(dǎo)通層 之間，且前述孔洞的側(cè)壁為粗化表面。
全文摘要
本發(fā)明提供一種具有提升光取出率的半導(dǎo)體光電元件，該半導(dǎo)體光電元件包含襯底、第一發(fā)光區(qū)域以及第二發(fā)光區(qū)域。其中該第一發(fā)光區(qū)域以及該第二發(fā)光區(qū)域包含一n型導(dǎo)通層，位于該襯底上；一發(fā)光層，位于該n型導(dǎo)通層上；一p型導(dǎo)通層，位于該發(fā)光層上；一透明導(dǎo)通層，位于該p型導(dǎo)通層上；以及該第二發(fā)光區(qū)域包含多個(gè)孔洞并且圍繞于該第一發(fā)光區(qū)域外圍。在發(fā)光二極管的主要發(fā)光區(qū)域(第一發(fā)光區(qū)域)周圍提供一次發(fā)光區(qū)域(第二發(fā)光區(qū)域)。次發(fā)光區(qū)域除了增加主發(fā)光區(qū)域的光取出率之外，本身同時(shí)可發(fā)光。再者，本發(fā)明同時(shí)提供形成次發(fā)光區(qū)域的方法。本發(fā)明可增加半導(dǎo)體光電元件的發(fā)光面積并且提高光取出效率。
文檔編號H01L33/00GK101840969SQ20091011956
公開日2010年9月22日 申請日期2009年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月16日
發(fā)明者葉穎超, 吳芃逸, 林文禹, 涂博閔, 詹世雄, 馬志邦, 黃世晟 申請人:先進(jìn)開發(fā)光電股份有限公司