专利名称：氮化物发光元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种氮化物发光元件，本发明特别涉及一种高功率氮化物发光元件。
背景技术：
传统技术的发光元件的发光效率因半导体材料与外界材质两者之间有折射率差 异，使得大部分的光线无法穿透射出而使其发光效率大打折扣。以氮化物发光元件为例，在 基板上所生长氮化物的折射率为2. 0-2. 5，而氧化铝(Al2O3)基板的折射率为1. 77，一般封 装所采用环氧树脂的折射率为1. 5，因此，使得大量光线无法从外延层内部穿透射出而被其 吸收，造成元件的发光效率远低于20%。Steigerwald等人在美国专利申请公开说明书中(公开号US2002/0125485A1，公 开日期2002年9月12日)中揭示一种将基板背面与侧面粗化以增加光线输出的方法，但 此制程不易实现且无法获得高优良率。Kuo等人在美国专利说明书中(专利号US 6515306B1，授权日期2003年2月4 日)揭示一种利用透明导电电极取代传统半透明欧姆接触金属层的方法，由于其可大幅降 低光线吸收效应，因此可大幅提升其发光效率。但在实际应用中，此种元件的使用寿命年限 却仍无法令人满意。此外，通常在传统技术中的氮化物发光元件乃是以氧化铝(Al2O3)为外延生长基 板，由于基板本身为绝缘体，因而将P型和N型电极置于同一侧，但亦减少了晶粒有效发光 区域。再者，由于生长基板为具有低热导系数的材质，因而无法于高电流下应用该元件。Cheung等人在美国专利说明书(专利号US6420242B1，授权日期2002年7月16 日)中揭示一种利用准分子激光(excimer laser)将氧化铝基板与氮化物外延层分离的方 法，但此制程不易实现且无法获得高优良率。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种氮化物发光元件，其提供一种具有光线撷 取层的基板，能提高发光元件的发光效率。为解决上述技术问题，本发明提供的氮化物发光元件，包括一生长基板；一生长于此基板上的光线撷取层；一生长于此光线撷取层上的氮化物外延层；通过此光线撷取层改变光线原来的行进路径，因而避免光线的大部分被外延层吸 收，而可从此发光元件射出，因此可提高发光效率。此外，通过光线撷取层与生长基板之间折射率的匹配，亦可大幅提升此元件的发 光效率。此外，本发明亦可利用此光线撷取层，大幅降低氮化物外延层的缺陷，因而提高此 元件内部的量子效率。
本发明要解决的另一技术问题在于提供一种高功率氮化物发光元件，其提供具有 牺牲层(sacrificial layer)的基板，能于高电流下操作以提升此元件的发光效率。为解决上述技术问题，本发明提供一种高功率氮化物发光元件，包括一外延生长基板； 一牺牲层生长于此基板上；一氮化物外延层生长于此牺牲层上；一高热导系数基板，通过结合层与以上元件所构成的氮化物发光结构互相结合；一结合层，用于结合以上元件所构成的氮化物发光结构与具有高热导系数的基 板；将以上所形成的氮化物发光结构经由化学刻蚀法以化学溶液，将此牺牲层与生长基板 完全去除，然后将如此制成的氮化物外延结构置于具有高热导系数的基板上，则可于高电 流下操作此元件，以大幅提升其发光效率。此外，亦可利用本发明的牺牲层，以大幅降低氮化物外延层的缺陷，因而提高元件 内部的量子效率。本发明于外延制程前提供一种简易结构，以制成高功率氮化物发光元件。本发明的氮化物发光元件，利用先于外延生长前在基板上生长一光线撷取层，该 光线撷取层可改变光线原来的行进路径，因而可避免光线的大部分被外延层吸收，而可从 此发光元件射出，提高发光效率；并且通过此光线撷取层与生长基板折射率的匹配，亦大幅 增加发光效率。而本发明所提供的高功率氮化物发光元件，可利用生长基板上的牺牲层，以 大幅降低氮化物外延层的缺陷，因而提高元件内部的量子效率。另通过刻蚀将生长基板和 牺牲层去除，而后将先前制备的氮化物外延结构置于高热导系数基板上，使得可于高电流 下操作此元件，以大幅提升其发光效率。
下面结合附图与具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明图1为传统技术的氮化物发光元件的截面图；图2为传统技术的氮化物发光元件的俯视图；图3为根据本发明较佳实施例一的基板上所设光线撷取层的俯视图；图4为根据本发明较佳实施例二的基板上所设光线撷取层的俯视图；图5为根据本发明较佳实施例三的基板上所设光线撷取层的俯视图；图6为根据本发明较佳实施例四的基板上所设光线撷取层的俯视图；图7为根据本发明较佳实施例五的基板上所设光线撷取层的俯视图；图8为根据本发明较佳实施例六的基板上所设光线撷取层的俯视图；图9为根据本发明较佳实施例七的基板上所设光线撷取层的俯视图；图10为根据本发明较佳实施例八的基板上所设光线撷取层的俯视图；图11为根据本发明较佳实施例九的基板上所设光线撷取层的俯视图；图12为根据本发明较佳实施例十的基板上所设光线撷取层的俯视图；图13为根据本发明的氮化物发光元件结构的侧视图，其显示光线撷取层的尺寸；图14为根据本发明的氮化物发光元件较佳结构(1)的截面图；图15为根据本发明的氮化物发光元件较佳结构(2)的截面图16为根据传统技术的氮化物发光元件的截面图；图17为根据传统技术的另一种氮化物发光元件的截面图； 图18为根据本发明较佳实施例十一的基板上所设牺牲层的俯视图；图19为根据本发明较佳实施例十二的基板上所设牺牲层的俯视图；图20为根据本发明较佳实施例十三的基板上所设牺牲层的俯视图；图21为根据本发明较佳实施例十四的基板上所设牺牲层的俯视图；图22为根据本发明较佳实施例十五的基板上所设牺牲层的俯视图；图23为根据本发明较佳实施例十六的基板上所设牺牲层的俯视图；图24为根据本发明较佳实施例十七的基板上所设牺牲层的俯视图；图25为根据本发明较佳实施例十八的基板上所设牺牲层的俯视图；图26为根据本发明较佳实施例十九的基板上所设牺牲层的俯视图；图27为根据本发明较佳实施例二十的基板上所设牺牲层的俯视图；图28为根据本发明的高功率氮化物发光元件的制作流程图；图29为根据本发明的高功率氮化物发光元件的较佳结构(3)的截面图；图30为本发明高功率氮化物发光元件的较佳结构(4)的截面图。附图标记说明10为传统技术氮化物发光元件，11为P型氮化物外延层，12为活性层，13为N型氮化物外延层，14为氧化铝基板，15A为P电极，15B为N电极，16为光线撷取层图案1，17为光线撷取层图案2，18为光线撷取层图案3，19为光线撷取层图案4，20为光线撷取层图案5，21为光线撷取层图案6，22为光线撷取层图案7，23为光线撷取层图案8，24为光线撷取层图案9，25为光线撷取层图案10，26为牺牲层图案1，27为牺牲层图案2，28为牺牲层图案3，29为牺牲层图案4，30为牺牲层图案5，31为牺牲层图案6，32为牺牲层图案7，33为牺牲层图案8，34为牺牲层图案9，35为牺牲层图案10，36为氮化物发光元件截面图，37为氮化物发光元件较佳结构(1)，38为氮化物发光元件较佳结构(2)，39为氮化物发光元件较佳结构(3)，40为氮化物发光元件较佳结构(4)，41为氧化铝基板，42为粗化表面，43 为 N-GaN，44 为活性层，45 为 P-GaN，46 为 P 电极，47为N电极，50为P氮化物外延层，
51为活性层，52为N氮化物外延层，53为光线撷取层，54为氧化铝基板，
55A为P-电极，55B为N-电极50，为P-氮化物外延层，51，为活性层，52’为N-氮化物外延层，53’为光线撷取层，54’为氧化铝基板，55A，为P-电极，55B，为N-电极，50〃为P-氮化物外延层，51〃为活性层，52〃为N-氮化物外延层，53〃为光线撷取层， 54〃为氧化铝基板，55A"为 P-电极，55B"为 N-电极，70为氮化物发光元件截面图，71为P-氮化物外延层，72为活性层，73为N-氮化物外延层，74为氧化铝基板， 76A为P-电极，76B为N-电极，77为透明导电层(TCL)，81为准分子激光， 82为蓝宝石，83为牺牲层，84为GaN，85为结合层，86为Si层，90为P-氮化物外延层，91为活性层，92为N-氮化物外延层，93为牺牲层，94为氧化铝基板， 90’为P-氮化物外延层，91，为活性层， 92，为N-氮化物外延层，93’为牺牲层， 94’为氧化铝基板，100为方法，120、130为步骤，140、150 为步骤， 160、170 为步骤。
具体实施例方式本发明的特点与优点将由以下关于实施例的详细说明，并参考所附图式而获得详 细的了解。本发明的氮化物发光元件在外延生长制程之前，首先于基板上制作光线撷取层， 然后在其上生长氮化物外延层，随后经由光刻、蒸镀、刻蚀、研磨、切割等制程完成制作此氮 化物发光元件。当将电流通入此元件而在光线从发光层射出后进入到基板前，因遭遇本发 明所设置的光线撷取层而改变此光线原来的行进路线，使得原先在传统技术中会被外延层 吸收的光线，凭这种设计可大量穿透外延层而从此发光元件射出；此外，通过光线撷取层与 生长基板之间折射率的匹配，亦可再大幅提升其发光效率。首先请见图1，其为根据传统技术的氮化物发光结构10，该氮化物发光结构10包 含一氧化铝基板14以及生长于其上的一 P型氮化物外延层11与N型氮化物外延层13上， P型氮化物外延层13和N型氮化物外延层之间的活性层12，P型氮化物外延层13上的P电 极15A，以及N型氮化物外延层11上的N电极15B。外延层11和13则是利用现有传统外延技术所形成的外延结构层。该氮化物发光元件结构因氮化物与氧化铝基板两者有折射率 差异，使得大量的光线无法从此发光结构内部穿透射出而被外延层吸收，造成此元件的发 光效率远低于20%。为了避免上述情况，Steigerwald等人在美国专利申请公开说明书中(公开号 US2002/0125485A1，
公开日期2002年9月12日)揭示一种方法将基板背面与侧面粗化以 增加光线输出(具体结构见图2)，但此种制程不易实现且无法获得高优良率。 因此，为改善上述传统技术的缺陷，本发明的氮化物发光元件在氧化铝基板上先 制作一光线撷取层，该光线撷取层的图案可设计为图3-图12中所示的16至25中的任 一种；此光线撷取层可以由外延沉积、溅镀法、等离子沉积、化学气相沉积或电子束蒸镀 等方法中的任一种制成；而此光线撷取层的尺寸如图13所示，其中t = 0-99% T，T为 0.01-3 μ m，w = 0-100% W，W为0. 1-10000 μ m。在完成此光线撷取层的制作后，再将氧化 铝基板置入外延机台上，进行氮化物外延层的生长，随后经过配合光刻、蒸镀、刻蚀、研磨、 切割等制程完成此氮化物发光元件的制作，通过不同尺寸的光线撷取层并配合适当的外延 生长条件，可生长出例如结构37与38的发光元件(见图14与图15)。此光线撷取层所选用的材料可为氧化铟锡(ΙΤ0)、氧化铟(Ιη203)、二氧化钛 (TiO2)、氧化锆(&02)、硫化锌(ZnS)、氧化锌(ZnO)、硒化锌(ZnSe)及氧化镁(MgO)中的一 种。本发明的氮化物发光元件，可大幅减少被内部外延层所吸收的光线，致使其发光 效率被提升至近30%。此外，本发明亦可利用此光线撷取层，大幅减少氮化物外延层的缺陷，因而提高元 件内部的量子效率。本发明提供在外延制程前的一种简易结构，以提升此种发光元件的发 光效率。本发明的高功率氮化物发光元件，在外延制程前，首先于基板上制作牺牲层，然后 在其上生长氮化物外延层，随后配合芯片结合技术将此氮化物发光元件结构与具有高热导 系数的基板经由结合层相互结合后，即可通过化学刻蚀法以化学溶液将此牺牲层蚀刻完全 去除，然后将氮化物外延层置换于具有高热导系数的基板上。随后经由光刻、蒸镀、蚀刻、研 磨、切割等制程完成此发光元件的制作。最后将外延层设置于此具有高导电性的基板上，因 而达成只需单一导线的垂直结构。此外，由于承载基板具有高热导系数，亦可于高电流下操 作此发光元件，以大幅提升此发光元件的发光效率。上述的高热导系数基板的材质可选自 半导体、金属或合金材料中的一种，请参考以下描述与图16至图30，以获得有关本发明更 详尽与完备的说明与了解。首先请参考图16，其为传统技术的氮化物发光结构70，此氮化物发光结构70包含 一氧化铝基板74以及生长其上的一 P型氮化物外延层71与N型氮化物外延层73。外延层 71和73则是利用现有传统外延技术所形成的外延结构层。由于生长基板本身为绝缘体，因 而将P型和N型电极置于基板同一侧，除了减少元件有效发光区域外，由于氧化铝为具有低 热导系数的材质，因而无法在高电流下操作与应用此元件。为了避免上述情况，Cheung等人在美国专利说明书(专利号US6420242B1，授权 日期2002年7月16日)中揭示一种利用准分子激光(excimer laser)将氧化铝基板与 氮化物外延层分离的方法(具体结构见图17)，但这种制程不易实现且无法获得高优良率。
为了克服上述传统技术的缺点，本发明的高功率氮化物发光元件，首先在氧化铝 基板上制作一牺牲层，该牺牲层的图案可为图18-图27所示的任一种。请参考图28(方 法100)此牺牲层可以使用外延沉积、溅镀法、电浆沉积、溶胶_凝胶法、烧结法、化学气 相沉积或电子束蒸镀中的一种制成(步骤110)，而牺牲层的厚度为0. 01-3 μ m，宽度为 0. 1-1000 μ m。在制作完成牺牲层之后，再将氧化铝基板置入于外延机台上，以包括金属有 机化学气相沉积、诱导电藕极等离子体化学气相沉积法、溅镀法、氢化物气相沉积法(HVPE) 或溶胶-凝胶法(sol-gel)等方法进行氮化物外延层的生长(步骤120)，随后配合经由芯 片结合技术将此氮化物发光结构与具有高热导系数基板(可选用热导系数大于150W/m-K 的基板)的通过结合层相互结合(步骤130)后，再通过化学刻蚀法(步骤140)以化学溶 液将此牺牲层与氧化铝基板刻蚀完全去除，即可将氮化物外延层以大面积更换设置于具有 高热导系数的基板上，随后配合光刻、蒸镀、蚀刻(步骤150)、研磨、切割(步骤160)以及封 装(步骤170)等制程步骤完成此发光元件的制作。本发明通过不同尺寸的牺牲层并配合 适当的外延生长条件，可生长制成如结构39与40的发光元件(见图29和图30)。 该牺牲层所选用的材料可为氧化铟锡(ITO)、氧化铟(In2O3)、二氧化钛(TiO2)、 氧化锆(&02)、硫化锌(ZnS)、氧化锌(ZnO)、硒化锌(ZnSe)或氧化镁(MgO)中的任一种。使用本发明技术所制成的高功率氮化物发光元件，其操作电流可较传统式氮化物 所制成发光元件的操作电流高出五倍之多。此外，亦可使用本发明所制的牺牲层，以大幅减少传统式氮化物外延层的缺陷，因 而提高此发光元件内部的量子效率。以上通过实施例，对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。 在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视 为本发明的保护范围。
权利要求
一种氮化物发光元件，其特征在于，包括一生长基板；一生长于所述生长基板上的光线撷取层；一生长于所述光线撷取层上的氮化物外延层；通过所述光线撷取层改变光线原来的行进路径，因而避免光线的大部分被外延层吸收，而从此发光元件射出，提高发光效率；并且通过所述光线撷取层与生长基板折射率的匹配，增加发光效率。
2.根据权利要求1所述的氮化物发光元件，其特征在于，所述生长基板的材质为氧化铝。
3.根据权利要求1所述的氮化物发光元件，其特征在于，所述生长基板的材质为碳化硅。
4.根据权利要求1所述的氮化物发光元件，其特征在于，所述光线撷取层是选自氧化 铟锡、氧化铟、二氧化钛、氧化锆、硫化锌、氧化锌、硒化锌和氧化镁中的任一种。
5.根据权利要求1所述的氮化物发光元件，其特征在于，所述光线撷取层的厚度(T)为 0. 01-3 μ Hio
6.根据权利要求1所述的氮化物发光元件，其特征在于，所述光线撷取层的宽度(W)为 0.1-10000 μ m。
7.一种高功率氮化物发光元件，其特征在于，包括 一外延生长基板；一牺牲层生长于所述生长基板上； 一氮化物外延层生长于所述牺牲层上；一高热导系数基板，通过结合层与以上材料所构成的氮化物发光结构互相结合； 所述结合层，用于结合以上材料所构成的氮化物发光结构与具有高热导系数的基板； 将上述所形成的氮化物发光结构经由化学刻蚀法以化学溶液，将所述牺牲层与所述生长基 板刻蚀完全去除，然后将如此制成的氮化物外延结构置于具有高热导系数的基板上，则可 于高电流下操作此元件，以大幅提升其发光效率。
8.根据权利要求7所述的高功率氮化物发光元件，其特征在于，所述生长基板材质为 氧化铝。
9.根据权利要求7所述的高功率氮化物发光元件，其特征在于，所述牺牲层是选自氧 化铟锡、氧化铟、二氧化钛、氧化锆、硫化锌、氧化锌、硒化锌和氧化镁中的任一种。
10.根据权利要求7所述的高功率氮化物发光元件，其特征在于，所述牺牲层的厚度为 0. 01-3 μ Hio
11.根据权利要求7所述的高功率氮化物发光元件，其特征在于，所述牺牲层的宽度为 0.1-1000 μ m。
12.根据权利要求7所述的高功率氮化物发光元件，其特征在于，所述高热导系数基板 的热导系数大于150W/m-K。
13.根据权利要求7所述的高功率氮化物发光元件，其特征在于，所述高热导系数基板 的材质是选自半导体、金属或合金材料中的一种。
14.根据权利要求7所述的高功率氮化物发光元件，其特征在于，所述结合层的组成至少包括铝、银、金、镍、铜、钼、钛和钯中的任一种材质。
15.根据权利要求7所述的高功率氮化物发光元件，其特征在于，所述结合层的生长方 式是选自沉积、溅镀或电镀中的一种。
16.根据权利要求7所述的高功率氮化物发光元件，其特征在于，所述氧化铝基板剥除 方式为化学刻蚀法。
全文摘要
本发明公开了一种氮化物发光元件，其提供具有光线撷取层的基板，将氮化物发光结构生长于此基板上，通过改变光线路径而提高发光效率。同时通过光线撷取层与生长基板折射率的匹配，可再大幅提升发光效率。此外，本发明还公开了一种高功率氮化物发光元件，其提供一种牺牲层基板，在将氮化物发光结构生长于此基板上后，通过两种以上的金属或合金所构成的结合层，将生长基板上的氮化物发光结构与具有高热导系数的基板相结合；再通过化学溶液将此牺牲层完全刻蚀去除，使此所生长的结构与原基板剥离。最后，使得能将此氮化物发光结构替换设置于具有高热导系数的基板上。因承载基板具有高热导系数，因此，此元件可在高电流操作下，大幅提升其发光效率。
文档编号H01L33/00GK101866993SQ200910057070
公开日2010年10月20日 申请日期2009年4月14日 优先权日2009年4月14日
发明者杨光能, 简奉任, 陈隆建 申请人:山东璨圆光电科技有限公司