发光二极管装置及其制造方法

专利名称：发光二极管装置及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种发光二极管装置及其制造方法，尤其涉及一种具有平坦 表面的发光二极管装置。
背景技术：
发光二极管(LED)是借由在基板上形成活性区域以及在基板上沉积各种 导电层及半导体层来制造。借由p-n结的电流，空穴对的辐射重组可用来产 生电磁辐射。由例如GaAs或GaN的直接能隙材料制造的顺向偏压p-n结中， 注入耗尽区的空穴对重组，造成电磁辐射的发射。此电磁辐射可能落在可见 光区或是非可见光区的范围。LED的不同颜色可使用不同能隙材料来形成。 再者，在非可见光区发射电磁辐射的LED，可使非可见光导向磷光透镜或类 似的材料。当非可见光被透镜吸收时，此磷光会发出可见光。LED通常在蓝宝石基板(A1203)上制造，形成III族-N化合物的LED结 构，因为蓝宝石基板的结晶方位使III族-N化合物可以外延成长于此蓝宝石 基板上。然而，蓝宝石基板较硅基板贵，而且蓝宝石的低热导性，使得蓝宝 石基板典型特征为热累积。再者，LED通常在平坦的基板上形成，因此会形成平坦的LED结构。 平坦的LED结构会限制设置于既定尺寸的基板上的发光材料的量。而且平 坦表面能够使光线被导向及捕捉于装置中，导致取出效率(extracticm efficiency)降低(Journal of The Electrochemical Society, 153 2 G105-G107 2006)。因此，既定尺寸的LED的发光效率会受到限制。有人已尝试制造非平坦表面的LED以增加既定尺寸基板上的发光区域 量，并破坏波导(waveguide)现象。这样会造成LED结构的顶部基板也成为 非平坦结构。因此，如果在顶部III族-N层上形成电性接触，则不能形成具 有平坦表面的LED装置。 4LED装置。 发明内容本发明的实施例提供具有平坦表面的发光二极管(LED)，可减少、解决 或避免上述的问题，并达到技术上的优势。本发明的一发明方面，提供一发光二极管(LED)装置。此LED装置包括 一半导体基板；凸起区域，形成于上述半导体基板上，上述凸起区域包括一 半导体材料； 一第一接触层，位于上述凸起区域上，上述第一接触层具有一 非平坦表面； 一非平坦的活性层，位于上述第一接触层上；以及一第二接触 层，位于上述非平坦的活性层上，上述第二接触层具有一平坦表面。本发明的另一发明方面，提供一制造发光二极管(LED)装置的方法。此 方法包括提供一基板；在上述基板上形成凸起区域；在上述凸起区域上形成 一第一接触层；在上述第一接触层上形成一活性层，上述活性层具有一非平 坦表面；以及在上述活性层上形成一第二接触层，上述第二接触层具有一平 坦表面。本发明的另一发明方面，提供一制造发光二极管(LED)装置的方法。此 方法包括提供一基板，在上述基板上形成介电层。上述介电层经过图案化形 成图案掩模，此图案掩模定义开口，在此开口内暴露出上述基板。之后，在 上述开口内的上述暴露基板上，形成凸起区域的步骤，以及在上述凸起区域 上形成LED结构的步骤，因此上述LED结构的顶接触层为一平坦表面，而 底接触层为一非平坦表面。本发明第一接触层与活性层的非平坦表面外形会增加暴露表面的面积， 以此增加发光二极管装置的发光效率。


图la-图5b显示本发明实施例的制造发光二极管装置的多个中间工艺步并且，上述附图中的附图标记说明如下-100 晶片102~基板104~掩模层
206 图案化掩模
208~开口
302-凸起区域
402~第一接触层
404 活性层
502~第二接触层
具体实施例方式
本发明的优选实施例的制造与使用皆详细说明于下。但本发明提供多种 应用本发明概念而具体实施于大范围的特定内容。此讨论的特定实施例仅用 于说明制造及使用本发明的特定方法，不限制本发明范围。
本发明提供一种制造发光二极管(LED)的新颖方法及所获得的LED结 构。也显示本发明的制造方法的优选实施例的中间步骤。本发明虽然显示必 要说明的步骤，但也可以进行其他步骤。本发明全文中的实施例说明与多种 观点，相关代号为元件符号。
图la-图5b显示本发明一实施例中部分晶片100的多个中间工艺步骤， 图lb、图2b、图3b、图4b、及图5b分别显示晶片100的俯视图，图la、 图2a、图3a、图4a、及图5a分别显示图lb的A-A，虚线下、图2b的B-B， 虚线下、图3b的C-C，虚线下、图4b的D-D，虚线下、以及图5b的E-E， 虚线下的晶片IOO剖面图。
首先请参阅图la与图lb，晶片100包括一基板102，与位于上述基板 102上方的一掩模层104。上述基板102优选为掺有第一导电型掺质的块状 半导体基板，优选具有(100)表面方位。应注意虽然本发明实施例叙述使用块 状硅基板，但也可以使用其他基板。例如绝缘层上覆硅(SOI)基板、蓝宝石基 板、SiC基板，或类似的基板。然而本发明实施例特别适合硅基板，因为硅 基板的成本低且可减少硅基板上的LED结构的残留的应力。而且，虽然优 选具有(100)表面方位的基板，也可以使用具有不同表面方位的基板，例如 (1 IO)表面方位。硅基板还可以改善取出效率并可使用选择性III族-N外延成 长步骤。上述掩模层104优选为硬掩模，其包括一个或多个介电层。本发明的一 实施例中，例如使用四乙氧基硅垸(tetra-ethyl-ortho-silicate; TEOS)及氧作为 前驱物，以高温氧化或化学气相沉积法(chemical vapor deposition; CVD)技术 形成二氧化硅层。或者，上述掩模层104可由其他介电材料形成。例如氮化 硅、氧氮化硅或类似化合物，经由例如化学气相沉积法(CVD)步骤形成。也 可以使用例如二氧化硅层及氮化硅层的多层硬掩模。上述掩模层104优选具 有约100A至约50，000A厚度。
图2a与图2b显示，本发明的一实施例中，上述掩模层104(参照图la 与图lb)随后被图案化，形成图案化掩模206。此实施例中，使用公知的光刻 技术图案化上述掩模层104。通常，光刻技术包括涂布光致抗蚀剂材料以及 根据图案照射上述光致抗蚀剂材料。之后使上述光致抗蚀剂材料显影，以移 除部分的光致抗蚀剂材料。之后在例如蚀刻的工艺步骤中，留下的光致抗蚀 剂材料会保护其下方的材料。
本实施例中，使用上述光致抗蚀剂材料形成图案化掩模206，此图案化 掩模206定义开口 208矩阵，此开口 208暴露出下方基板102。每一开口优 选的高度h为约100A至约50，000A，宽度w为约0.02um至约lO"m。应 注意图2b的方形开口仅用于说明而已，也可以使用任何适当的形状，例如 长方形、圆形、卵圆形、三角形、及/或类似形状。而且其他实施例在矩阵中 不一定排列成行列的矩阵，可以是图案化、交错的、或类似的排列的开口。
图3a与图3b显示，本发明的一实施例中，在凸起区域302形成于开口 208内之后的上述晶片100。上述凸起区域302优选由硅(Si)或硅化锗(SiGe) 选择性外延成长(selective epitaxial growth; SEG)而形成。在此情形下，上述凸 起区域302的外延成长将受限于由开口 208定义的基板102上的暴露区域， 因为外延成长不会发生在例如Si02的介电材料所形成的上述图案化掩模 206上。
优选可调整此工艺参数，使上述凸起区域302形成金字塔形或梯形。在 外延成长时使用工艺温度约600°C，更佳为高于约700°C，可促使形成金字 塔形或梯形。已经发现这些形状导致在上述凸起区域302上形成(l 1 l)表面方 位，而(111)表面方位提供LED结构一较适当的表面以外延成长GaN接触层， 以下将更详细说明。应注意由选择性外延成长形成的上述凸起区域302，优选沿伸到上述开口 208内的整个暴露的基板102的表面，而具有不同表面方 位的上述基板102，不在上述开口 208内暴露出来。
图4a与图4b显示，本发明的一实施例，在上述开口 208内的凸起区域 302上，形成第一接触层402与活性层404之后的晶片100。上述第一接触 层402优选由III族-N化合物掺入第一导电型的掺质(例如n-GaN)而形成， 而且可由例如分子束外延技术(molecular-beam epitaxy; MBE)、金属有机化学 气相沉积法(metal organic chemical vapor deposition; MOCVD)、氢化物气相外 延技术(hydrid vapor phase epitaxy; HVPE)、液相夕卜延技术(liquid phase epitaxy; LPE)、或类似的选择性外延成长工艺沉积。III族-N材料包括例如GaN、 InN、 A1N、 InxGa(l-x)N、 AlxGa(l-x)N、 AlxInyGa(l-x-y)N、或类似化合物。
上述活性层404沉积在上述第一接触层402上。上述活性层404可包括 多量子井(multiplequatum wells; MQW)，作为用以发光的活性层。活性层404 内的多量子井(MQW)结构可为例如InGaN层及GaN层。活性层404内的多 量子井(MQW)结构可以在外延反应物之中沉积。
由于图案化掩模206由例如Si02的介电材料形成，因此第一接触层402 与活性层404的成长受限在上述凸起区域302的表面。由于第一接触层402 与活性层404实质均匀地成长在上述凸起区域302上，因此第一接触层402 与活性层404具有一非平坦表面的外形。在此技术领域中本领域普通技术人 员将了解，相较于图la的基板102所具有的平坦表面，第一接触层402与 活性层404的非平坦表面外形会增加暴露表面的面积。此情形会增加LED 装置的发光效率。
图5a与图5b显示，本发明的一实施例，形成第二接触层502后的晶片 100。如图显示，上述第二接触层502延伸覆盖上述凸起区域302上(包括上 方的第一接触层402与活性层404)以及上述图案化掩模206上，且具有一实 质平坦表面。上述第二接触层502优选由掺入第二导电型掺质(如p-GaN)的 III族-N化合物所形成，并且可由类似于第一接触层402工艺步骤而形成， 例如选择性外延成长步骤。
上述第二接触层502延伸覆盖上述图案化掩模206上。上述第二接触层 502的厚度为约1，000A至约5，000A。要形成第二接触层502的平坦表面， 可将上述第二接触层502形成较所希望的厚度更厚，然后进行平坦化步骤，例如化学机械研磨(chemical mechanical polishing; CMP)步骤。在另一实施例 中，上述第二接触层502可经由例如金属有机气相外延(metal organic vapor phase epitaxy; MOVPE)形成实质上平坦的表面。
之后，进行完成LED装置的步骤。例如分别在上述第一及第二接触层 402及502上形成电性接触(前面及/或背面接触)，也可以形成钝性层，并且 也可以将LED装置裸片化及封装。
应注意上述说明是假设第一接触层402使用背面接触，其通常使用已掺 杂的基板102。当使用前面接触作为上述第一接触层402的电性接触时，也 可以使用未掺杂的基板102。
应注意上述说明为在粗糙基板上形成LED装置的方法。也可视需要使 用例如分布布拉格反射器(distributed Bragg reflector)或缓冲层的其他层。根据 基板的型态及第一与第二接触层402与502的连接关系，也可视需要在第一 接触层402与基板102间形成缓冲层。例如，在例如SiC与Si基板的基板上， 可视需要在SiC基板上的III族-N化合物外延成长中，加入例如AIN或AlGaN 的缓冲层。分布布拉格反射器通常包括具有多层不同反射系数，使LED发 射的光反射，因而增加由LED装置顶部发射的光。反射缓冲层也可以与分 布布拉格反射器一同使用或取代分布布拉格反射器。
LED结构可以根据使用的材料及所希望的应用方面而改变。可预期有多 种LED结构使用本发明实施例，提供在基板内的凹陷处，形成LED结构。
此技术领域中普通技术人员将有利地了解，因为在第二接触层502与活 性层404间形成非平坦界面，相较于占有相同芯片面积的平坦多量子井 (MQW)， LED装置的发光表面积增加。因此结果为，增加发光效率。
而且，上述第二接触层502的表面为实质上平坦。相较于具有粗糙顶部 表面的第二接触层，上述第二接触层502的实质上平坦表面使顶部电性接触 更容易形成。
虽然本发明已以优选实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何 本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许更动与 润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求所界定的范围为准。
权利要求
1.一种发光二极管装置，包括一半导体基板；凸起区域，形成于上述半导体基板上，上述凸起区域包括一半导体材料；一第一接触层，位于上述凸起区域上，上述第一接触层具有一非平坦表面；一非平坦的活性层，位于上述第一接触层上；以及一第二接触层，位于上述非平坦的活性层上，上述第二接触层具有一平坦表面。
2. 如权利要求1所述的发光二极管装置，还包括一介电区域，介于相邻 的凸起区域之间。
3. 如权利要求1所述的发光二极管装置，其中上述第一接触层在相邻的 凸起区域之间为不连续。
4. 如权利要求1所述的发光二极管装置，其中上述半导体基板包括块状 硅基板。
5. 如权利要求4所述的发光二极管装置，其中上述块状硅基板具有 (100)表面方位。
6. 如权利要求1所述的发光二极管装置，其中上述凸起区域包括SiGe。
7. —种发光二极管装置的制造方法，包括 提供一基板；在上述基板上形成凸起区域； 在上述凸起区域上形成一第一接触层；在上述第一接触层上形成一活性层，上述活性层具有一非平坦表面；以及在上述活性层上形成一第二接触层，上述第二接触层具有一平坦表面。
8. 如权利要求7所述的发光二极管装置的制造方法，其中形成上述凸起 区域包括在上述基板上形成一掩模层；图案化上述掩模层，以暴露出上述基板的一部分； 在上述基板暴露的部分上形成凸起区域。
9. 如权利要求7所述的发光二极管装置的制造方法，其中上述第一接触 层在上述凸起区域之间为不连续。
10. 如权利要求7所述的发光二极管装置的制造方法，其中上述活性层 在上述凸起区域之间为不连续。
11. 如权利要求7所述的发光二极管装置的制造方法，其中形成上述第 二接触层包括形成上述第二接触层以达到较所希望的厚度更厚的厚度；以及 平坦化上述第二接触层至所希望的厚度。
12. 如权利要求7所述的发光二极管装置的制造方法，其中上述基板为 块状硅基板。
13. 如权利要求7所述的发光二极管装置的制造方法，其中上述基板为 块状硅基板具有(100)表面方位。
14. 如权利要求7所述的发光二极管装置的制造方法，其中上述凸起区 域包括SiGe。
全文摘要
本发明提供一种发光二极管装置及其制造方法，此发光二极管装置包括一半导体基板；凸起区域，形成在上述半导体基板上，上述凸起区域包括一半导体材料；一第一接触层，位于上述凸起区域上，上述第一接触层具有一非平坦表面；一非平坦的活性层，位于上述第一接触层上；以及一第二接触层，位于上述非平坦的活性层上，上述第二接触层具有一平坦表面。本发明第一接触层与活性层的非平坦表面外形会增加暴露表面的面积，以此增加发光二极管装置的发光效率。
文档编号H01L33/00GK101651179SQ20091012888
公开日2010年2月17日 申请日期2009年3月23日 优先权日2008年8月11日
发明者余佳霖, 余振华, 林宏达, 邱文智, 陈鼎元 申请人:台湾积体电路制造股份有限公司