专利名称：发光元件的生产方法
技术领域：
本发明涉及一种用于生产光撷取效率予以提高的发光元件的方法。
背景技术：
一般而言，发光元件的活性层所发射的光，由于发光层、透明晶体基板及外部空气的折射率存在差异而在界面处予以反射，因而无法有效地撷取。
有鉴于此，已经开发出的发光元件，通过在发光元件的外表面形成凹凸结构而抑制多重反射所引起的吸收，从而使光撷取效率得到提高。作为形成凹凸结构的方法，有如日本专利公开公报特开平6-291368号所公开的方法，在成长期间使最上层形成凹凸面，以及在成长后通过化学或物理方法使最上层形成凹凸面。
另外，还有日本专利公开公报特开2002-368289号公开的，在覆盖发光元件的发光表面的透明树脂层上形成凹凸结构的方法。通过透明树脂层，使发光元件与透明基板结合在一起，并利用激光束透过透明基板辐射树脂层，从而通过激光切除在树脂层上形成凹凸结构。
另一众所周知的方法，如日本专利公开公报特开2000-232095号所示，使用模具按压形成于基板表面的抗蚀剂(resist)，将凹凸结构转写至抗蚀剂，并将此抗蚀剂作为掩膜，通过选择比较低的干式蚀刻，将该凹凸结构转写至基板。
另外，还有一种众所周知的方法，如日本专利公开公报特开2003-100609号所示，在基板的表面形成SOG膜，使用模具按压该SOG膜而转写凹凸结构，并将此SOG膜作为抗蚀剂掩膜(resist mask)，通过RIE(反应离子蚀刻)而将该凹凸结构转写至基板。
然而，依据日本专利公开公报特开平6-291368号所公开的在成长期间使外表面形成凹凸结构的方法，会因表面粗糙度较低，而使光撷取效率仅提高大约10％。另一方面，依据该公报所公开的在成长之后通过化学或物理方法使外表面形成凹凸结构的方法，也会因该外表面仅通过蚀刻或研磨粗制而成，而使该凹凸结构的形状再现性较差。此外，依据日本专利公开公报特开2003-368289号所公开的方法，因凹凸结构是通过激光切除而形成，故存在微小凹凸结构形状的再现性较差的问题。作为具有良好的形状再现性的处理方法，可在通过光刻(optical lithography)形成图案之后，使用干式蚀刻来形成凹凸结构。然而，仅此仍难以形成锥状、半球状等任意形状的凹凸结构，或尺寸在波长所限制的分辨率或以下的微小凹凸结构。
在日本专利公开公报特开2000-232095号中，作为选择比较低的干式蚀刻，采用了抗蚀剂与半导体层基本上以相同的速度予以蚀刻的离子研磨方法(ion milling method)。该离子研磨方法，因蚀刻的表面的角度依存性较强，故此方法可适用于形成矩形凹凸结构或不计角度的间距在几纳米至几十纳米的凹凸结构，但难以形成锥状凹凸结构等角度不可忽略的间距在几百纳米至几微米的微小凹凸结构。
此外，作为抗蚀剂，可采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等构成的聚合物抗蚀剂。对于采用氯气的干式蚀刻方法，因上述抗蚀剂相对于干式蚀刻具有较低的抵抗力，故难以在此抗蚀剂上加工锥状或半球状的微小凹凸结构，或以大致相同的选择比来进行加工。
在日本专利公开公报特开2003-100609号中，一实施例所示的凹凸结构深度约为100纳米。但转写间距或深度约在几微米的凹凸结构，实际上所要的压力至少为上述实施例中所示压力的十倍，因此难以将几百纳米至几微米的凹凸结构转写至发光层或透明晶体基板(蓝宝石基板)上。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种生产发光元件的方法，以解决上述现有技术中所存在的问题。
本发明的另一目的在于，提供一种通过在透明晶体基板或至少具有n型半导体层及p型半导体层的发光层上，形成防止多重反射的微小凹凸结构，从而提高光撷取效率的发光元件生产方法。
本发明的发光元件生产方法，用于生产在透明晶体基板上层积至少包括n型半导体层及p型半导体层的发光层的发光元件，其包括以下步骤在所述透明晶体基板或所述发光层的至少一部分形成转写层的步骤，该转写层功过所供给的能量软化或固化；将形成有微小凹凸结构的模具按压在所述转写层上，使所述微小凹凸结构被转写至所述转写层的外表面的步骤；以及基于被转写至所述转写层的所述微小凹凸结构，形成防止多重反射的微小凹凸结构的步骤。
根据本发明的发光元件生产方法，在模具的微小凹凸结构被转写至通过供给能量而予以软化或固化的转写层上之后，基于转写至转写层的微小凹凸结构，在透明晶体基板或发光层上形成防止多重反射的微小凹凸结构。由此可减少总反射的损失，从而可提高光撷取效率。
此外，还可形成具有任意形状及尺寸的三维微小凹凸结构，且形成防止多重反射的微小凹凸结构的加工处理限度，与相对于光刻曝光的光的波长的分辨率限度不同，是通过不取决于波长的模具的加工处理限度来决定。因此可进行比光刻更加微小的加工处理。若模具是经过机械处理的模具，则三角锥、四角锥、矩形或任意形状均可形成。此外，若采用硅(Si)模具，可对其进行精确制造使其具有取决于晶体取向的形状。通过上述模具的组合，可形成符合所需的光学特性的任意微小凹凸结构，从而可提高发光元件的光撷取效率。当然，亦可使用通过通常的光刻曝光或电子束而形成图案的主模具。
与蚀刻及研磨不同，该微小凹凸结构的加工处理可予以控制，使其具有良好的再现性，且该微小凹凸结构设计的自由度亦可予以扩大，形状精确度可予以提高，可以较低成本加工处理较大面积的区域。
此外，可简化生产步骤，以低成本来提高光撷取效率。因此，与CD等生产相似，可在较大面积的区域(每张晶片)廉价且大量地生产在透明晶体基板(或发光层)上形成有防止多重反射的微小凹凸结构的发光元件。
上述在所述发光层上形成微小凹凸结构的步骤，还可包括在所述发光层的形成有电极的表面上形成基板支持层之后，分离所述透明晶体基板和所述发光层的步骤。
上述形成转写层的步骤，可包括将硅类有机溶剂涂敷于所述透明晶体基板或所述发光层的至少一部分而形成所述转写层的涂敷步骤，上述形成防止多重反射的微小凹凸结构的步骤，可包括将所述转写层作为抗蚀剂掩膜，并通过氯气干式蚀刻所述转写层，在所述透明晶体基板或所述发光层上形成防止多重反射的微小凹凸结构的步骤。
上述在所述发光层上形成防止多重反射的微小凹凸结构的步骤，可包括将一模具按压在所述转写层上，其中所述模具具有位于防止多重反射的微小凹凸结构的底部附近的上平坦部，以及位于从此上平坦部向下约有所述发光层的上半导体层厚度的位置的下平坦部，将上平坦部与下平坦部连同所述微小凹凸结构一起转写至所述转写层，当使用所述转写层作为抗蚀剂掩膜进行干式蚀刻时，通过蚀刻所述发光层的上部半导体层及下部半导体层而形成电极形成部的步骤。
上述蚀刻步骤，包括将选择比(发光层的蚀刻速度与抗蚀剂的蚀刻速度的比)调整到二倍至四倍的步骤。
上述涂敷硅类有机溶剂而形成转写层的涂敷步骤，可包括通过灌注或喷涂来涂敷硅类有机溶剂的步骤。
上述模具，为热塑性材料时，其按压压力在5Mpa或5Mpa以上，150Mpa或150Mpa以下。而采用热固化或光固化材料时，其按压压力可大致为0.1MPa。
上述发光元件的生产方法，还可包括在所述发光层形成防止多重反射的微小凹凸结构之后，在此发光层的所述微小凹凸结构上形成大于该微小凹凸结构的凹凸结构的步骤。
上述凹凸结构，可具有棱镜或显微透镜的形状。然而，亦可使该凹凸结构具有剖面呈矩形的形状。
图1是使用本发明的第一实施例的生产方法所生产的发光元件的剖视图；图2是使用本发明的第二实施例的生产方法所生产的发光元件的剖视图；图3是使用本发明的第二实施例的生产方法所生产的发光元件的变形例的剖视图；图4A至4F是本发明的第一实施例的生产方法中在透明晶体基板上形成微小凹凸结构的操作步骤的示意图；图5是本发明的发光元件生产方法的大致操作步骤的流程图；图6A至6C是表示本发明的一个实施例所涉及的使用模具的发光元件生产步骤的立体图，其中图6B1是图6B的剖视图，图6C1是图6C的剖视图；
图7A至7C是表示本发明的另一实施例所涉及的使用模具的发光元件生产步骤的立体图，其中图7B1是图7B的剖视图，图7C1是图7C的剖视图；图8A与8B是表示本发明的一个实施例所涉及的发光元件生产步骤的立体图，其中图8C是图8B的剖视图；图9A与9B是表示本发明的另一实施例所涉及的发光元件生产步骤的立体图，其中图9C是图9B的剖视图；图10A至10E是本发明的第一实施例的生产方法中在半导体层形成微小凹凸结构的操作步骤的示意图；图11A至11I是本发明的第二实施例的发光元件的生产方法的流程图；图12A至12D是本发明的第二实施例的发光元件的生产方法中，蚀刻步骤包括选择比率调整步骤的流程图；图13A至13F是本发明的第二实施例的发光元件的生产方法中，通过涂敷硅类有机溶剂而形成转写层的步骤包括通过灌注或喷涂来涂敷硅类有机溶剂的步骤的流程图；图14A与14B是本发明的第二实施例的发光元件的生产方法中，包括在将模具的微小凹凸结构转写至转写层之后，且在进行干式蚀刻前，执行后烘焙的步骤的流程图；图15A至15D是本发明的生产方法包括在发光层上所形成的防止多重反射的微小凹凸结构上进一步形成大于该微小凹凸结构的凹凸结构的步骤的流程图；图16A与16B是图15A至15D所示的凹凸结构分别呈棱镜及显微透镜形状的发光元件的剖视图。
具体实施例方式
下面参照附图详细说明本发明的最佳实施例。
图1是使用本发明的第一实施例的生产方法所生产的发光元件1的剖视图，图2是使用本发明的第二实施例的生产方法所生产的发光元件11的剖视图，图3是使用本发明的第二实施例的生产方法所生产的发光元件的变形例11a的剖视图。
图1所示的发光元件1，在由蓝宝石(Al2O3)等构成的透明晶体基板2的一个表面(图1的下表面)，层积有具有n型GaN半导体层3和p型GaN半导体层4的发光层。上述n型GaN半导体层3与p型GaN半导体层4分别形成有电极31、41，上述透明晶体基板2的另一表面(图1的上表面)形成有防止多重反射的微小凹凸结构21。
通过电极31、41向半导体层3、4施加电压，由此从半导体层3、4的界面部分的发光层所发射出的光，其中朝向上方的光，可用作照明、显示或其他用途。生产此发光元件1的方法在后予以说明。
在发光元件1中，由于形成了防止多重反射的微小凹凸结构21，故层积在透明晶体基板2上的半导体层3、4的发光层所发射的光，可透过半导体层3、4的发光层及透明晶体基板2，从而可有效地撷取至发光元件1的外部透明晶体基板2及半导体层3、4的发光层的折射率n，其中上述透明晶体基板2(Al2O3)的折射率n＝1.768，半导体层(GaN)3、4的折射率n＝2.5，由GaAS构成的半导体层的折射率n＝3.3至3.8，由GaP构成的半导体层的折射率n＝3.31，由SiC构成的基板的折射率n＝2.7至2.8。上述折射率均大于上述发射光被撷取的部位，即发光元件外部的大气的折射率(n＝1)，且在半导体层3、4的发光层及透明晶体基板2的内部有可能发生全反射。因此，若不存在上述防止多重反射的微小凹凸结构21，则向外部的光撷取效率会因全反射的重复所引起的多重反射而予以下降。
因此，通过在透明晶体基板与空气的界面处形成微小凹凸结构21，以引起不规则反射或衍射，从而可提高发光元件1的光撷取效率。
作为在发光元件1的内部界面、或发光元件1的外表面(即与空气的界面)，尤其在与发光元件1的发光层平行的发光元件1的表面上形成微小凹凸结构21的方法，本发明采用了转写模具的微小凹凸结构(转写模具)的压纹加工、刻印加工。压纹加工和刻印加工，是压缩成型技术在微加工处理领域中的应用，因此所形成的微小凹凸结构在尺寸及精度上有较大的自由度。所以，通过压纹加工和刻印加工可提高生产率，减少生产成本。
作为上述刻印加工技术的微加工处理限度，由普林斯顿大学的Chou先生及其他科学家于1995年所提出的超微刻印技术，作为一种即廉价且具有大约10nm的分辨率的加工技术而为公众所知。
此种刻印技未被应用在本发明的具有防止多重反射的微小凹凸结构21的发光元件1的生产方法中。
在图2所示的发光元件11中，防止多重反射的微小凹凸结构34形成在半导体层3、4的外表面上，该半导体层3、4，可通过去除图1所示的发光元件1的透明晶体基板2而被显现。在此发光元件11中，可将光直接且有效地从半导体层3、4的外表面撷取至外部，而无需经过透明晶体基板2等介质。
为得到上述发光元件11的结构，必需形成基板支持层7。基板支持层7，包括固定半导体层3、4的树脂层71、安装面电极32、42、以及电极连接路径33、43，其中所述电极连接路径33、43可电连接半导体层3、4外表面上的电极31、41和安装面电极32、42，从而将电流从安装面电极32、42引导至电极31、41。下面说明用于生产发光元件11的方法。
图3所示的发光元件11a形成有间距为1000nm至3000nm的衍射光栅形状的微小凹凸结构34，以此作为图2所示的发光元件11的防止多重反射的微小凹凸结构，并在微小凹凸结构34的外表面进一步形成有间距为10μm至50μm(最好为10μm至20μm)的棱镜状凹凸结构52a。
在此发光元件11a中，通过在形成于发光面的防止多重反射的微小凹凸结构34上所形成的棱镜状凹凸结构52a，可使发射光的分布向光发射方向(图3中的上方)聚集，从而提高前面的亮度。此外，如下所述，还在发光元件11a的棱镜状凹凸结构52a的外表面形成另一纳米结构(具有对象波长的大致1/4的周期和高度的结构，例如，周期大致为100nm，高度大致为100至400nm)，从而可减小此表面的菲涅尔损失。
首先参照图4A至4F，说明通过第一实施例的生产方法来生产发光元件1的步骤。
如图4A所示，将具有半导体层3、4的发光层层积在由蓝宝石(Al2O3)等构成的透明晶体基板2的一个表面(图4A中的下表面)上，形成一个或多个发光元件。为使透明晶体基板2起到具有在安装发光元件时可进行操作的厚度的支持层的作用，以及及光学作用，可在透明晶体基板2的另一表面(图4A中的上表面)形成防止多重反射的微小凹凸结构21。
如图4B所示，在透明晶体基板2的另一表面，旋涂作为转写层5的材料的抗蚀剂(例如PMMA甲基丙酸烯树脂，酚醛清漆树脂抗蚀剂)大约至1μm厚，且通过加热到PMMA的玻璃转化温度Tg或Tg以上而使其软化(转写层形成步骤)。
之后，如图4B与4C所示，以4Mpa的压力P按压具有间距约为1μm的微小凹凸结构61的模具6，从而将模具6的微小凹凸结构61转写至由PMMA构成的转写层5(转写步骤)上。
然后，如图4D所示，将模具6和PMMA已经冷却、固化的转写层5分离，并进行反应离子蚀刻(RIE)，对转写层5进行蚀刻直至到达转写层5的基层(透明晶体基板2)。然后，如图4E所示，基于转写至转写层5的微小凹凸结构51，在发光元件1的透明晶体基板2上形成防止多重反射的微小凹凸结构21(多重反射防止结构形成步骤)。然后，通过切割此基板而将形成一体的多个发光元件1分割成单个的发光元件，从而获得如图4F所示的单个发光元件1。
在图4的步骤中所使用的发光元件1，为简单起见，仅在一个晶片上生产两个发光元件1，但亦可在晶片上设置更多的发光元件1。此种简化在以下说明的各步骤中也相同。
如上所述，通过使用模具6进行按压以及随后的蚀刻，可类似于CD(光盘)的生产，廉价地对大面积区域(整个基板)进行加工，从而可大量生产具有防止多重反射的微小凹凸结构21的发光元件1。此外，还可形成具有金字塔形状或其他任意形状的三维微小凹凸结构21，从而可有效地减少全反射损失，提高发光元件1的光撷取效率。
下面参照图5，简要地说明具有防止多重反射的微小凹凸结构的发光元件1的生产步骤。
上述生产步骤，如上所述，首先通过层积具有半导体层3、4的发光层而在透明晶体基板2上形成多个发光元件1(步骤S1)。随后，在转写层形成步骤(步骤S2)中，设置(#10)并软化(#20)转写层材料。在转写步骤(步骤S3)中，将具有微小凹凸结构61的模具6设置在转写层材料上(#30)，并使模具6按压该软化层以转写微小凹凸结构61(#40)，固化该软化层而使微小凹凸结构51予以固定(#50)，然后将模具6与转写层材料分离(#60)。
进一步，在多重反射防止结构形成步骤(步骤S4)中，如#70的情形1，从转写有微小凹凸结构51的转写层材料的上表面至基层(透明晶体基板2)进行蚀刻，从而在基层(透明晶体基板2)上形成防止多重反射的微小凹凸结构21。而在某些情况下，多重反射防止结构形成步骤(S4)是在转写步骤(S3)中完成。在此情况下，如#70的情形2，转写有微小凹凸结构51并予以固定的转写层5可以防止多重反射。
最后，切割形成有多个发光元件1的透明晶体基板2，从而获得单个的发光元件1(步骤S5)。
在上述各操作步骤中，如图5所示，关于防止多重反射的微小凹凸结构的形成位置、软化层材料的选择、软化层的形成方法等，可有各种选择。另外，也可使用图5所示以外的操作步骤的组合及生产方法，其中的一部分将在后文予以说明。
接下来对图5进行更详细的说明。在“设置转写层(#10)”中，“情形1在透明晶体基板上设置转写层(#11)”的例子，为图1及图4所示的发光元件1，“情形2在半导体层上设置转写层(#12)”的例子，是图10所示的发光元件1，其生产步骤将在后文给以说明。此外，“情形3分离透明晶体基板，在半导体层上设置转写层(#13)”的例子，为图2及3所示的发光元件11、11a其生产步骤将在后文参照图11及其他附图给以说明。
在“软化转写层(#20)”中，对于“热塑性材料(#21)”，可相对于固体材料，供给激光束所产生的热能及光能而使其软化，而对于“软质材料(#22)”，则可通过设置该材料来完成软化。由于树脂会因所使用的转写层材料而发生变异等，故软化方法并不局限于以上两种。
在转写步骤(S3)的“固化软化层且固定微小凹凸结构(#50)”中，对于“热塑性材料(#51)”可通过冷却而使软化层固化，对于“热固性材料(#52)”可通过加热，例如利用红外线范围内的激光束加热而使其固化，而对于“光固性材料(#53)”则可通过辐射，例如利用紫外线范围内的激光束辐射而使其固化。
接下来参照图4A至4B，说明通过第一实施例的变形例的生产方法来生产发光元件1的步骤。
在图4B的操作步骤中，使用旋涂器(spin coater)将硅(SiO2)有机溶剂涂敷于透明晶体基板2的上表面，使其厚度达到约2μm，从而形成转写层(抗蚀剂)5。此转写层5，可在透明晶体基板2的整个表面上予以形成，此外也可在局部予以形成。
此处，该硅类有机溶剂，是以酒精、酯、酮或其中2种或2种以上的混合物为主要成分，并包含硅醇盐成分[RnSi(OH)4-n](其中R为H或烷基，n为0至3的整数)的溶剂，具体而言，该硅类有机溶剂可为含有TEOS、TMOS等的溶液。除此之外，还可采用通常称为SOG的中间层绝缘膜材料。
随后，将形成有微小凹凸结构61的模具设置在透明晶体基板2的转写层5上。该模具6，通过湿式蚀刻形成行与列的间距约为3.5μm的四角锥状凸部(或凹部)，以此构成微小凹凸结构61。作为微小凹凸结构61，除四角锥状外，也可采用三角锥状、六角锥状或其他多角锥状、柱状、圆锥状或半球状等凹部或凸部。
然后，如图4C所示，使模具6以90Mpa的压力按压转写层。此时，因转写层5未被固化而在室温下处于液态(软化状态)，故转写层5的硅类有机溶剂可进入模具6的微小凹凸结构61中。
然后，模具6与处于半固化状态的转写层5分离，此时具有逆向四角锥状的微小凹凸结构51被转写至转写层5。
在图4D的操作步骤中，将转写有微小凹凸结构51且未完全变成SiO2之前的转写层5作为抗蚀剂掩膜，利用氯气进行干式蚀刻(dry etching)直至转写层(抗蚀剂)5消失，由此具有逆向四角锥状的微小凹凸结构21被转写至透明晶体基板2。
然后，将该晶片切割成单个的发光元件1，供应给安装步骤。
若通过第一实施例的变形例的生产方法来生产发光元件1，则在模具6的微小凹凸结构61被转写至由硅类有机溶剂构成的转写层5(热压纹/压写)之后，将未完全固化的转写层5作为抗蚀剂掩膜，利用氯气进行干式蚀刻，从而可在透明晶体基板2上形成微小凹凸结构21。因此可减少全反射损失，提高光撷取效率。由于转写层5在完全变成SiO2之前亦被蚀刻，故不需要移除剩余的转写层5的操作步骤。
如上所述，第一实施例的生产方法(生产步骤)，或第一实施例的变形例的生产方法(生产步骤)，均可以类似于生产CD等，在大面积区域廉价地大量生产在透明晶体基板2上形成微小凹凸结构21的发光元件1。
接下来说明用于转写微小凹凸结构的模具6。在图6A至6C中，模具6为硅(Si)类模具6(A)，其微小凹凸结构61为具有四角锥状的凹部，通过蚀刻而予以形成；而在图7A至7C中，该模具为金属模具6(B)，其微小凹凸结构61为具有四角锥状的凸部，通过切割而予以形成。另外，硅类模具6(A)也可形成具有凸部的微小凹凸结构61，而金属模具6(B)也可形成具有凹部的微小凹凸结构61。图6与图7中省略了半导体层3、4。
若使用图6A的硅类模具6(A)，则如图6B所示，在转写层5形成具有四角锥状的凸部的微小凹凸结构51，又如图6C所示，在透明晶体基板2的发光表面形成具有四角锥状的凸部的微小凹凸结构21。
将硅类模具6(A)按压在透明晶体基板2的表面上所形成的转写层5上，然后使转写层5固化并移除该模具，由此如图6B所示可获得被转写至固化的转写层5的外表面的微小凹凸结构51。
随后，如图6B1所示，进行了与转写层5的厚度d相应的蚀刻后，如图6C与6C1所示，可在透明晶体基板2上形成有防止多重反射的微小凹凸结构21。上述蚀刻，是利用氧气(O2)等离子来对转写层5进行的蚀刻，直至作为基层的透明晶体基板2予以显现为只止。然后，进行反应离子蚀刻(RIE)，以相同速度蚀刻转写层5及透明晶体基板2，从而使加工处理得以高速执行，而在转写微小凹凸结构时可保持较高的真忠实度(透明晶体基板2的微小凹凸结构21可精确地反映模具6的微小凹凸结构61)。
若使用图7A的金属模具6(B)，与上述硅类模具6(A)相似，即如图7B及7B1所示，在转写层5形成具有四角锥状凹部的微小凹凸结构51，并如图7C及7C1所示，在透明晶体基板2形成具有四角锥状凹部的微小凹凸结构21。
若模具6的微小凹凸结构61的间距最大为1μm，则可通过机械切割金属材料来制造金属模具6(B)。在采用机械加工处理时，如图7A所示，可通过加工钻头的切割端形状来制造形成具有锥状凸部的微小凹凸结构的金属模具6(B)，其中所述锥状凸部的顶角可任意设定。使用上述具有凸部的模具6形成透明晶体基板2的微小凹凸结构21，可使用相同于图6所述的方法。此外，也可通过电铸方法，制造凹凸图案形状与上述硅模具6(A)相反的复制模具，由此获得具有凸部的硅类模具6(A)。
采用硅类模具6(A)，可精确地形成取决于晶体取向的形状。而采用金属模具6(B)，可形成三角锥状、四角锥状、矩形等任意形状的凹部或凸部。因此，通过选择上述方法，可在透明晶体基板2上形成具有符合所需光学特性的任意形状的微小凹凸结构21。
以上所述的是在透明晶体基板2形成微小凹凸结构21，下述的在半导体层3、4形成微小凹凸结构34的步骤大致与上述内容相同。
接下来参照图8及9来说明步骤予以简化的生产步骤。此处所述的生产步骤对应于图5的步骤S4的“情形2(#70)”。如图8A所示，使用蓝宝石(折射率n＝1.77)作为透明晶体基板2，在其外表面涂敷折射率n约为1.7的聚合物、例如由三井化学(Mitsui Chemicals)公司生产的Anterior(n＝1.74)，或者涂敷无机/有机混合材料，以形成转写层5。通过刻印加工将模具6的微小凹凸结构61转写至转写层5，并进行固化，由此如图8B及8C所示，转写层5可形成微小凹凸结构51。
图9所示的模具6不同于图8的形成具有凹部的微小凹凸结构61的模具6，其形成具有凸部的微小凹凸结构61，详细说明予以省略。
因透明晶体基板2与转写层5的折射率设定为大致相等，故通过微小凹凸结构51直接防止多重反射。用此方法可简化生产步骤，从而可以较低的成本提高发光元件1的光撷取效率。
图10，为图5中“情形2在半导体层上设置转写层(#12)”的例子，所示生产方法，是在发光元件1的半导体层3、4形成微小凹凸结构34的同时，在转写层5上形成上平坦表面5c与下平坦表面5d，且通过蚀刻而在上半导体层(p型GaN半导体层)4与下半导体层(n型GaN半导体层)3上形成电极形成部。
如图10A所示，设置半导体层3、4上未形成电极31与电极41的发光元件1。该半导体层3、4的上部为p型GaN半导体层(上半导体层)4，下部为n型半导体层(下半导体层)3。
在图10B的操作步骤中，将发光元件1的半导体层3、4设置为朝上，通过旋涂器将硅类有机溶剂涂敷在p型GaN半导体层4上以形成转写层(抗蚀剂)5。此转写层5，可在p型GaN半导体层(上半导体层)4的整个表面上予以形成，此外也可在局部予以形成。
在图10C的操作步骤中，将形成有微小凹凸结构61的模具6设置在p型GaN半导体层4上的转写层5一侧。此模具6包括位于微小凹凸结构61的底部附近的上平坦部6b，以及位于从上平坦部6b向下约为p型GaN半导体层4厚度的位置的下平坦部6c。
通过模具6按压转写层5，然后使在模具6与半固化状态的转写层5分离，由此微小凹凸结构51被转写至转写层5，同时形成上平坦面5b、下平坦面5c。
在图10D的操作步骤中，将转写层5作为抗蚀剂掩膜，利用氯气进行干式蚀刻，直到转写层(抗蚀剂)5消失为止。由此，微小凹凸结构34被转写至p型GaN半导体层4。
此处，由于p型GaN半导体层4一般具有几百纳米的厚度，若氯气的选择比大约为1，则微小凹凸结构34的深度约为p型GaN半导体层4的厚度的一半。若利用选择比约为1的氯气来进行干式蚀刻，则在上平坦面5b的部分，p型GaN半导体层4的上表面作为电极形成部4g而予以暴露，而在下平坦面5c的部分，p型GaN半导体层4亦被蚀刻，从而使得n型GaN半导体层3的上表面作为电极形成部3g而予以暴露。
在图10E的操作步骤中，在各电极形成部4g、3g上形成电极31、41之后，将晶片切割成单个的发光元件1，并供给至安装步骤。
此发光元件1，因在其半导体层3、4可形成微小凹凸结构34，故与在透明晶体基板2形成微小凹凸结构21的情形相同，可减少全反射损失，从而提高光撷取效率。
此外，因可在同一操作步骤中，形成半导体层3、4的微小凹凸结构34和电极形成部分3g、4g，故可简化生产步骤，使生产成本降低。
以下参照图11A至11I，说明使用第二实施例的生产方法来生产发光元件11的步骤。
图11所示的发光元件11，在由蓝宝石(Al2O3)构成的透明晶体基板2的一个表面(图11中的下表面)，层积有具有n型GaN半导体层3与p型GaN半导体层4的发光层。如图11B所示，在半导体层3、4的外表面，粘贴有由树脂层71及铜箔72构成的贴铜层积板(RCC)70。然后，相对于贴铜层积板70，进行作为通常的印刷电路板处理步骤的VIA形成、图案制作、电镀等，由此如图11C所示，形成具有基板支持层7的发光元件。
基板支持层7，包括支持半导体层3、4的树脂层71、安装面电极32、42、以及电极连接路径33、43，其中电极连接路径33、43可电连接安装面电极32、42和半导体层外表面上的电极31、41，从而将电流从安装面电极32、42引导至电极31、41。基板支持层7适用于面安装。另外，基板支持层7，可在绝缘部通过厚膜电镀硅、金或其他金属而予以形成。
随后，如图11D所示，使用准分子激光束LB，透过透明晶体基板2来辐射半导体层3，从而分解GaN以分离透明晶体基板2，而使半导体层3的外表面S予以暴露。与透明晶体基板2分离的GaN层，厚度仅为几微米。因此，使用基板支持层7，可以防止GaN层在分离处理及分离后安装处理的操作过程中发生断裂。
在透明晶体基板2被分离、移除的GaN层的外表面S上存在Ga。该Ga，可通过酸、碱等予以清洗，从而使GaN层暴露。然后，如图11E至11I所示，将诸如PMMA或SOG(旋涂玻璃)等抗蚀剂涂敷于暴露在外的GaN层的外表面以形成转写层5，并执行相同于图4A至4F所述的操作步骤，从而获得发光元件11。
在上述操作步骤中所使用的模具6，是能够转写间隔为1000至2000μm的锥状微小凹凸结构61的模具。此模具可采用通过机械切割加工制成的金属模具，也可采用通过蚀刻加工制成的硅类模具。或者，可使用通过电铸制成的上述模具的复制模具。
在上述发光元件11中，通过在半导体层3、4上安装基板支持层7，可将透明晶体基板2从半导体层3、4剥离，且在剥离透明晶体基板2的半导体层3、4上形成微小凹凸结构34，由此可减少全反射损失，从而可提高光撷取效率。尤其是半导体层3、4的厚度仅有几微米，因而在剥离透明晶体基板2以及剥离后的安装操作过程中容易断裂，但通过在剥离之前安装基板支持层7，则可解决上述问题。
另一方面，在发光元件11的生产步骤中，若抗蚀剂掩膜是通过涂敷硅类有机溶剂而获得的转写层5，且被加工表面是半导体层3、4时，将BCl3、Ar等作为添加气体而添加在氯气(C12)中，根据混合比，可将选择比(半导体层3、4的蚀刻速度与抗蚀剂(转写层5)的蚀刻速度的比)调整在0.5至4的范围内，且可获得模具6的微小凹凸结构61，或者转写层5的微小凹凸结构51的0.5至4倍的纵横比(aspect ratio)。
如图12A与12B所示，若选择比为1，则模具6的微小凹凸结构61的深度T1、转写层(抗蚀剂掩膜)5的微小凹凸结构51的深度T2、以及半导体层3、4的微小凹凸结构34的深度T3全部相同(T1＝T2＝T3)。若该形状是通过利用硅(Si)的晶体取向的湿式蚀刻而制成的模具为原型，基于要求光学特征，选择比以设定为1较为理想。
与此相反，如图12C与12D所示，若选择比为2，则模具6的微小凹凸结构61的深度为T1’(约为T1的1/2)、转写层(抗蚀剂掩膜)5的微小凹凸结构51的深度为T2’(约为T2的1/2)，而干式蚀刻后的半导体层3、4的微小凹凸结构34的深度T3约为深度T1’及T2’的两倍(T1’＝T2’＜T3)因此，若选择比为2，则模具6的微小凹凸结构61的深度T1’仅为选择比为1时的深度T1的大约1/2，而转写层(抗蚀剂掩膜)5的微小凹凸结构51的深度T2’也仅为选择比为1时的深度T2(即转写层5的厚度)的大约1/2。因此，由于毛口(burrs)较少，可使模具6更容易制造，且可节约转写层5所使用的硅类有机溶剂。此外，若选择比为2，蚀刻速度快于选择比为1时的蚀刻速度，因此可在较短时间内完成蚀刻。
如图13A所示，通过在透明晶体基板2或半导体层3、4上涂敷硅类有机溶剂来形成转写层5时，若该硅类有机溶剂为氢化倍半硅氧烷聚合物(例如，由Dow Corning公司所生产的HSQ，产品名FOX)，则通过旋涂将难以涂敷1μm或1μm以上厚度的硅类有机溶剂。
因此，如图13B与13C所示，模具6的微小凹凸结构61具有约2μm的深度，当需要涂敷约2μm的厚度时，通过旋涂仅能获得约1μm的涂敷厚度，所以模具6的微小凹凸结构61无法精确地转写至转写层5。
因此，如图13D所示，若通过灌注或喷涂将硅类有机溶剂涂敷于透明晶体基板2或半导体层3、4而形成转写层5，则如图13E及13F所示，可将模具6的微小凹凸结构61精确地转写至转写层5，这是因为通过灌注或喷涂可获得2μm或2μm以上的涂敷厚度。
具体而言，通过灌注或喷涂所涂敷的转写层5，在室温下因未进行固化处理而处于液体(软化)状态。因此，当模具6被按压在转写层5上时，转写层5的硅类有机溶剂可进入模具6的微小凹凸结构61。
模具6，可通过较低的压力来按压，同时按压动作(stroke)可予以控制，另外也可使用控制模具6与转写层5之间的间隔S的装置来进行按压。
在发光元件11的生产方法中，按压模具的压力以5Mpa或5Mpa以上，150Mpa或105Mpa以下较为理想。
具体而言，若仅使用模具6来转写形状，则可以150Mpa或以上的压力按压模具6。然而，对于半导体而言，尤其为发光元件11(以及发光元件1、11a)的半导体层3、4，若按压压力超过150MPa，可能会使半导体受损，致使发光特性恶化。
因此，将按压模具6的压力设定在5Mpa或5Mpa以上，150Mpa或150Mpa以下，可减少发光元件11的半导体层3、4受到损害。
在发光元件11的生产方法中，将模具6的微小凹凸结构转写至转写层5后，并在干式蚀刻之前，如图14A所示，可在120°或120°以下的温度进行后烘焙(postbaking)处理。
具体而言，若以120°或120°以下的温度来烘焙转写层5，则转写层5将以更快的速度变成SiO2，从而选择比可设定在10或10以上。此时的转移层5，虽可用作仅加工矩形凹凸结构的抗蚀剂掩膜，但同此抗蚀剂一起予以蚀刻，而在透明晶体基板2中形成微小凹凸结构21，或者在半导体层3、4形成微小凹凸结构34，则非常困难。
因此，通过以120°或120°以下的温度来后烘焙转写层5，可使转写层5固化但不会完全变成SiO2，由此可在5至10之间调整选择比。
因此，若需要以高纵横比来形成透明晶体基板2的微小凹凸结构21，以及半导体层3、4的微小凹凸结构34时，若转写层5无法形成较大的厚度，可先以低纵横比将模具6的微小凹凸结构61转写至转写层5，并在120°或120°以下的温度对转写层5进行后烘焙，然后再进行蚀刻。由此，如图14B所示，透明晶体基板2的微小凹凸结构21，以及半导体层3、4的微小凹凸结构34，可以高纵横比予以形成。
例如，模具6的微小凹凸结构61的间距为100至300nm时，通过以大约为1的纵横比将微小凹凸结构51转写至由SOG材料构成的转写层5，并在转写后以大约100°对转写层5后烘焙5分钟，由此可提高其对蚀刻的抵抗力。因此，选择比可设定在约为10的较大值。
由此，透明晶体基板2的微小凹凸结构21，以及半导体层3、4的微小凹凸结构34可以较高的纵横比而予以形成，故可增强反射防止效果，从而提高发光元件11的光撷取效率。
另一方面，在图11F所示的操作步骤中，通过模具6而在转写层5形成微小凹凸结构51之后，如图15A所示，将转写层5作为抗蚀剂掩膜，利用氯气进行干式蚀刻，直到转写层(抗蚀剂)5消失为止，则微小凹凸结构34被转写至半导体层3、4。
然后，如图15B所示，通过LIGA、热压纹或刻印，在半导体层3、4的微小凹凸结构34上形成大于微小凹凸结构34的凹凸结构9a，并将晶片切割成单个的发光元件1，并供给至安装步骤。
此处，若半导体层3、4的微小凹凸结构34，是间距为1000至3000nm的棱镜状衍射光栅时，则其上所形成的凹凸结构9a，可以是间距为10至50μm的棱镜状衍射光栅，其中以10至20μm的间距较为理想。
而且，如图15D中放大显示的凹凸结构9a的一个棱镜状凸部，在凹凸结构9a的外表面上进一步形成超细微凹凸结构9b(例如，间距为100nm，高度为100至200nm)则较为理想。
为形成此超细微凹凸结构9b，将钨(W)溅射淀积在用来形成凹凸结构9a的模具的内表面上并使用此模具将钨薄膜形状的超细微凹凸结构转写至凹凸结构9a外表面。换言之，在采用Ar(氩)等离子溅射钨的情况下，若在氩气量相对较大(500W，90mTorr)的环境中施行溅射，则可形成大致100nm的柱状结构的钨。因此所形成的超细微凹凸结构9b亦大致在100nm，在图15C中，棱镜状微小凹凸结构34形成于半导体层3、4，而棱镜状凹凸结构9a形成在棱镜状微小凹凸结构34的上方，但亦可如图16A所示，在半导体层3、4的棱镜状微小凹凸结构34的上方形成具有显微透镜状的凹凸结构9a，也可如图16B所示，在半导体层3、4的显微透镜状微小凹凸结构34的上方形成棱镜状凹凸结构9a。
根据此结构，具有棱镜形状或其他形状的凹凸结构9a形成在半导体3、4的棱镜状微小凹凸结构34的上方。因此，可将发射光的分布聚光在上表面(前面)，从而可提高前面的亮度。
此外，通过在凹凸结构9a的外表面上进一步形成无反射纳米结构的超细微凹凸结构9b，可减少超细微凹凸结构9b的外表面的菲涅尔反射损失。因此，与向上表面(前表面)聚集发射光的分布一起使用，可进一步提高前面的亮度。
权利要求
1.一种发光元件的生产方法，用于生产在透明晶体基板上层积有至少包括n型半导体层及p型半导体层的发光层的发光元件，其特征在于包括以下步骤在所述透明晶体基板或所述发光层的至少一部分形成转写层的步骤，该转写层通过所供给的能量软化或固化；将形成有微小凹凸结构的模具按压在所述转写层上，使所述微小凹凸结构被转写至所述转写层的外表面的步骤；以及基于被转写至所述转写层的所述微小凹凸结构，形成防止多重反射的微小凹凸结构的步骤。
2.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于上述在所述发光层上形成所述微小凹凸结构的步骤，还包括在所述发光层的形成有电极的表面上形成基板支持层之后，分离所述透明晶体基板和所述发光层的步骤。
3.根据权利要求1或2所述的生产方法，其特征在于上述形成所述转写层的步骤，包括将硅类有机溶剂涂敷于所述透明晶体基板或所述发光层的至少一部分而形成所述转写层的涂敷步骤；上述形成防止多重反射的微小凹凸结构的步骤，包括将所述转写层作为抗蚀剂掩膜，并通过氯气干式蚀刻所述转写层，在所述透明晶体基板或所述发光层上形成防止多重反射的微小凹凸结构的步骤。
4.根据权利要求3所述的生产方法，其特征在于上述在所述发光层上形成防止多重反射的微小凹凸结构的步骤，包括将一模具按压在所述转写层上，其中所述模具具有位于防止多重反射的微小凹凸结构的底部附近的上平坦部，以及位于从此上平坦部向下约有所述发光层的上半导体层厚度的位置的下平坦部，将上平坦部与下平坦部连同所述微小凹凸结构一起转写至所述转写层，当使用所述转写层作为抗蚀剂掩膜进行干式蚀刻时，通过蚀刻所述发光层的上部半导体层及下部半导体层而形成电极形成部的步骤。
5.根据权利要求3或4所述的生产方法，其特征在于上述蚀刻步骤，包括将发光层的蚀刻速度与抗蚀剂的蚀刻速度的选择比调整到两倍至四倍的步骤。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的生产方法，其特征在于上述涂敷硅类有机溶剂而形成转写层的步骤，包括通过灌注或喷涂来涂敷硅类有机溶剂的步骤。
7.根据权利要求3～6中任一项所述的生产方法，其特征在于所述模具的按压压力在5Mpa或5Mpa以上，150MPa或150Mpa以下。
8.根据权利要求3～7中任一项所述的生产方法，其特征在于还包括在所述发光层形成防止多重反射的微小凹凸结构之后，在此发光层的所述微小凹凸结构上形成大于该微小凹凸结构的凹凸结构的步骤。
9.根据权利要求8所述的生产方法，其特征在于所述凹凸结构具有棱镜或显微透镜的形状。
全文摘要
本发明提供一种发光元件的生产方法，用于生产在透明晶体基板(2)上层积至少包括n型基板支持层(3)及p型基板支持层(4)的发光层的发光元件(1)，该生产方法包括在透明晶体基板(2)或发光层(3)、(4)的至少一部分形成转写层(5)的步骤，该转写层通过所供给的能量软化或固化；将形成有微小凹凸结构(61)的模具(6)按压在转写层(5)上，使该微小凹凸结构(61)转写至转写层(5)的外表面的步骤；基于被转写至转写层(5)的微小凹凸结构，形成防止多重反射的微小凹凸结构的步骤。
文档编号H01L21/308GK1871713SQ200480031178
公开日2006年11月29日 申请日期2004年11月11日 优先权日2003年11月12日
发明者福岛博司, 久保雅男, 井上章, 田中健一郎, 桝井干生, 松井真二 申请人:松下电工株式会社