專(zhuān)利名稱(chēng)：提高光萃取效率的半導(dǎo)體光電結(jié)構(gòu)及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的結(jié)構(gòu)及其制造方法，特別涉及一 種提高光萃取率的結(jié)構(gòu)及其制造方法。
背景技術(shù)：
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(wú)法將發(fā)光層所產(chǎn)生的光 全部取出，有一部分會(huì)被活性層、緩沖層、材料缺陷以及金屬電極等內(nèi)部元件吸收，使得發(fā) 光二極管整體的取光率偏低。以藍(lán)白光的氮化鎵(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(lái)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 部反射回發(fā)光層，并且繼續(xù)在發(fā)光層反射直到光被吸收為止。一種可以減少發(fā)光層內(nèi)部光反射比例的方法是產(chǎn)生一些散射中心在不規(guī)則或粗 糙結(jié)構(gòu)的發(fā)光表面上，然而在發(fā)光層最上方的P型GaN層的厚度很薄，因此在操作過(guò)程中并 不容易控制干蝕刻的深度和等離子體的損害。其他方法則有在發(fā)光二極管的表面或是切割 平臺(tái)側(cè)壁粗糙化，以提高光萃取效率。圖IA至圖IB為美國(guó)第US 6，441，403號(hào)專(zhuān)利的發(fā)光二極管表面粗糙化結(jié)構(gòu)。請(qǐng) 參考圖1A，其方法以形成一外延層117于藍(lán)寶石基板101上，在成長(zhǎng)p-GaN層109過(guò)程中 利用降低溫度、調(diào)整成長(zhǎng)速率及III/V族比例而得到一粗糙化表面。接下來(lái)蝕刻形成切割 平臺(tái)以暴露出n-GaN層105，在p-GaN層109及n-GaN層105上單個(gè)形成η型電極113與ρ 型電極115，最后切割成芯片。再者，請(qǐng)參考圖1Β，外延層117的形成過(guò)程中，P-GaN層109 與n-GaN層105也可相反，在n_GaN層105上更區(qū)分出一含有粗糙化表面的n_GaN層111。 本方法為單面表面粗糙化，雖然可達(dá)到提升光萃取率，但是仍然無(wú)法避免部分光線進(jìn)入藍(lán) 寶石基板而局限在晶體內(nèi)部。而且，電極直接形成于粗糙化表面上容易造成元件驅(qū)動(dòng)電壓 升高的問(wèn)題。圖2A及圖2B為美國(guó)第7，053，420號(hào)專(zhuān)利的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)。請(qǐng)參考圖2A，先在 藍(lán)寶石基板201上形成凹面和凸面203a，形成一含有不同折射系數(shù)的緩沖層205于前述凹 面和凸面203a上，在前述緩沖層205上形成一半導(dǎo)體層213，包含一 η型導(dǎo)通層207、一發(fā) 光層209及一 ρ型導(dǎo)通層211。另外，圖2Β與圖2Α的差異在于藍(lán)寶石基板上形成凹凸面 的三角波形203b。本方法在藍(lán)寶石基板上加工形成圖案化表面，由于藍(lán)寶石基板具有硬度 高、熱穩(wěn)定性佳及化學(xué)性質(zhì)高等特性，因此工藝?yán)щy較高。此外，由于氮化物半導(dǎo)體的折射 系數(shù)為2. 3與藍(lán)寶石基板的折射系數(shù)1. 8相差0. 5，仍有部分光線會(huì)進(jìn)入藍(lán)寶石基板而無(wú)法 有效的被利用。圖 3A 至圖 3C 以及圖 3A’ 至圖 3C’ 說(shuō)明學(xué)術(shù)期刊“Improved Iuminanceintensity of InGaN-GaN light-emitting diode by roughening both the p-GaNsurface and the undoped-GaN surface", APPLIED PHYSICS LETTERS 89,041116(2006)的一種雙面表面粗
4糙化的發(fā)光二極管工藝的結(jié)構(gòu)圖。前述期刊結(jié)合表面粗糙化(surface-roughening)、芯片 接合工藝(wafer-bonding)以及激光分離(laser lift-off (三種技術(shù)，提出一種雙面表 面粗糙化的發(fā)光二極管工藝。請(qǐng)參考圖3C，其方法為在藍(lán)寶石基板301上形成一外延層 311，并且利用感應(yīng)耦合等離子體儀(Inductively Coupled Plasma ； I CP)進(jìn)行干式蝕刻，在 P-GaN層307形成一粗糙表面。接著沉積一透明導(dǎo)電層309于前述ρ-GaN層307粗糙表面 上，以及形成一 P型電極313于前述透明導(dǎo)電層309上，一 η型電極315于未摻雜-GaN層 305上。之后，以激光將藍(lán)寶石基板301及外延層311分離，于未摻雜-GaN層305進(jìn)行濕式 蝕刻后涂布一層膠層303，將外延層311與藍(lán)寶石基板301再一次黏合，達(dá)到雙面粗糙化。 圖3Α即為一般發(fā)光二極管，并未在任何的出光表面進(jìn)行加工。圖3Β即為單面表面粗造化 發(fā)光二極管，在正向發(fā)光表面(P-GaN)進(jìn)行表面粗造化加工。圖3C即為雙面表面粗造化發(fā) 光二極管，在正向出光表面(P-GaN)以及相對(duì)于正向出光表面的未摻雜的GaN層表面進(jìn)行 表面粗造化加工。利用前述三個(gè)不同結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管比較其發(fā)光效益。圖3Α’對(duì)應(yīng)圖3Α，即為一 般發(fā)光二極管光子的路徑。由于發(fā)光面為平面，若光子的射出角度大于23. 5°則會(huì)被全部 反射回發(fā)光層，使得發(fā)光效益低。圖3Β’對(duì)應(yīng)圖3Β，即為單面表面粗造化發(fā)光二極管光子的 路徑。可以看出出光表面的粗糙化使得光子的射出的角度不再被限制于23. 5°以下，因此 增加出光效率。圖3C’對(duì)應(yīng)圖3C，即為雙面表面粗造化發(fā)光二極管光子的路徑。利用雙面 表面粗造化其未摻雜的GaN表面粗糙化可反射光子，再提高正向出光表面表面粗糙化的出 光效率，比圖3Β更增加出光效率。雖然上述方法可達(dá)到提高光萃取效率，但是對(duì)于芯片實(shí) 施二次芯片接合的工藝有其工藝穩(wěn)定性及良率問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
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)明提供一種提高光萃取效 率的半導(dǎo)體光電元件結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)包含一基板，一緩沖層位于前述基板上，其中前述緩 沖層具有一連續(xù)性的孔洞圖案于前述緩沖層與前述基板之間，一半導(dǎo)體層位于前述緩沖層 上，其中前述半導(dǎo)體層包含一 η型導(dǎo)通層位于前述緩沖層上，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)電層位于前述半導(dǎo)體層上，一 P型電極位 于前述透明導(dǎo)電層上，以及一 η型電極位于前述η型導(dǎo)通層上。本發(fā)明進(jìn)一步提出一種提高光萃取效率的半導(dǎo)體光電元件結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)包含一 基板，一緩沖層位于前述基板上，其中前述緩沖層中間具有一連續(xù)性的孔洞圖案，一半導(dǎo)體 層位于前述緩沖層上，其中前述半導(dǎo)體層包含一 η型導(dǎo)通層位于前述緩沖層上，一發(fā)光層 位于前述η型導(dǎo)通層上，一 ρ型導(dǎo)通層位于前述發(fā)光層上，一透明導(dǎo)電層位于前述半導(dǎo)體層 上，一 P型電極位于前述透明導(dǎo)電層上，以及一 η型電極位于前述η型導(dǎo)通層上。另外，本發(fā)明提供一種提高光萃取效率的半導(dǎo)體光電元件的制造方法，其方法包 含下列步驟提供一基板，形成一圖案化二氧化硅層位于前述基板上，形成一填補(bǔ)層位于前 述圖案化二氧化硅層上，形成一半導(dǎo)體層位于前述填補(bǔ)層上，移除該圖案化二氧化硅層后 形成連續(xù)性的孔洞位于前述基板與前述填補(bǔ)層之間，蝕刻前述半導(dǎo)體層形成一切割平臺(tái)， 形成一透明導(dǎo)電層于前述半導(dǎo)體層上。本發(fā)明更進(jìn)一步提供一種提高光萃取效率的半導(dǎo)體光電元件的制造方法，其方法
5包含下列步驟提供一基板，形成一緩沖層位于前述基板上，形成一圖案化二氧化硅層位 于前述緩沖層上，形成一填補(bǔ)層位于前述圖案化二氧化硅層上，形成一半導(dǎo)體層位于前述 填補(bǔ)層上，移除前述圖案化二氧化硅層后形成連續(xù)性的孔洞位于前述基板與前述填補(bǔ)層之 間，蝕刻前述半導(dǎo)體層形成一切割平臺(tái)，以及形成一透明導(dǎo)電層于前述半導(dǎo)體層上。本發(fā)明的半導(dǎo)體層更包含一電子阻擋層位于該發(fā)光層與上述ρ型導(dǎo)通層之間。本發(fā)明更包含一絕緣層覆蓋于上述ρ型導(dǎo)通層及上述η型導(dǎo)通層上并且暴露出P 型電極以及η型電極。本發(fā)明的絕緣層可為二氧化硅(Si02)、環(huán)氧樹(shù)脂(Epoxy)、氮化硅(Si3N4)、二氧 化鈦(Ti02)或是氮化鋁(AlN)。本發(fā)明的連續(xù)性的孔洞表面可為一平面或是一粗糙化表面。本發(fā)明的ρ型導(dǎo)通層表面可為一平面或是一粗糙化表面。本發(fā)明的透明導(dǎo)電層為鎳金合金(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 嫁(Indium Gallium Oxide ；IG0)o本發(fā)明的基板可為藍(lán)寶石(Al2O3)基板、碳化硅(SiC)基板、鋁酸鋰基板(AlLiO2)、 鎵酸鋰基板(LiGaO2)、硅(Si)基板、氮化鎵(GaN)基板，氧化鋅(ZnO)基板、氧化鋁鋅基板 (AlZnO)、砷化鎵(GaAs)基板、磷化鎵(GaP)基板、銻化鎵基板(GaSb)、磷化銦(InP)基板、 砷化銦(InAs)基板或硒化鋅(ZnSe)基板。本發(fā)明的緩沖層可為氮化鎵(GaN)、氮化鋁鎵(AlGaN)、氮化鋁(AlN)、或是InGaN/ InGaN超晶格結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的發(fā)光層為單異質(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)。本發(fā)明的半導(dǎo)體層為AlxInyGai_x_yN，其中0彡χ彡1及0彡y彡1。本發(fā)明的圖案為連續(xù)或是部分連續(xù)。本發(fā)明的圖案為圓柱狀孔洞、多角柱狀孔洞或是長(zhǎng)條狀孔洞。本發(fā)明的連續(xù)性的孔洞的高度介于0. 05 2. 0 μ m。本發(fā)明的連續(xù)性的孔洞的寬度介于0. 1 10. 0 μ m。本發(fā)明的發(fā)光層與該連續(xù)性的孔洞的距離介于3. 0 4. 0 μ m。本發(fā)明的發(fā)光層與該ρ型導(dǎo)通層表面距離介于0. 15 0. 3 μ m。本發(fā)明更包含以Κ0Η、H2SO4或是H3PO4化學(xué)蝕刻液蝕刻上述連續(xù)性的孔洞表面形 成粗糙表面。本發(fā)明移除上述圖案化二氧化硅層的方法是使用BOE化學(xué)蝕刻液。因此，本發(fā)明除了可改善現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述缺點(diǎn)以外，也可提升發(fā)光二極管 結(jié)構(gòu)的光萃取效率。另外，本發(fā)明可減少外延的缺陷密度，提高外延品質(zhì)。


圖IA至圖IB為美國(guó)第US 6，441，403號(hào)專(zhuān)利的發(fā)光二極管表面粗糙化結(jié)構(gòu)；圖2A及圖2B為美國(guó)第7，053，420號(hào)專(zhuān)利的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)；圖3A至圖3C以及圖3A，至圖3C，是說(shuō)明學(xué)術(shù)期刊“Improved Iuminanceintensity of InGaN-GaN light-emitting diode by roughening both the p-GaNsurface and theundoped-GaN surface", APPLIED PHYSICS LETTERS 89,041116(2006)的一種雙面表面粗 糙化的發(fā)光二極管工藝的結(jié)構(gòu)圖；圖4為本發(fā)明的第一種制造方法的方法流程圖；圖5為本發(fā)明的第二種制造方法的方法流程圖；圖6A至圖6F及圖6F'、圖6G、圖6G'為本發(fā)明第一種制造方法的結(jié)構(gòu)與各步驟 的形成方式；圖7A至圖7B及圖7A'至圖7B'為本發(fā)明第一種制造方法的另一結(jié)構(gòu)與各步驟 的形成方式；圖8A至圖8F及圖8F'、圖8G、圖8G'為本發(fā)明第二種制造方法的結(jié)構(gòu)與各步驟 的形成方式；圖9A至圖9C及圖9A'至圖9B'為本發(fā)明第二種制造方法的另一結(jié)構(gòu)與各步驟 的形成方式；以及


圖IOA 圖IOD為二氧化硅層的各式圖案示意圖。 上述附圖中的附圖標(biāo)記說(shuō)明如下 101藍(lán)寶石基板 103未摻雜GaN層 105n-GaN層107發(fā)光層
109含有不規(guī)則表面的P-GaN層 111含有不規(guī)則表面的n_GaN層
113η型電極 117外延層 203a凹面與凸面 205緩沖層 209發(fā)光層 213半導(dǎo)體層 303膠層 307p-GaN層 311外延層 315η型電極 603氧化硅層 607η型導(dǎo)通層 611電子阻擋層 615半導(dǎo)體層 619透明導(dǎo)電層 623η型電極 627凹洞 631切割平臺(tái) 803緩沖層 807孔洞填補(bǔ)層 811η型導(dǎo)通層 815電子阻擋層
115ρ型電極 201藍(lán)寶石基板 203b凹凸面三角波形 207η型導(dǎo)通層 211ρ型導(dǎo)通層 301藍(lán)寶石基板 305未摻雜-GaN層 309透明導(dǎo)電層 313ρ型電極 601基板 605孔洞填補(bǔ)層 609發(fā)光層 613ρ型導(dǎo)通層 617 一連續(xù)孔洞 62 Ip型電極 625絕緣層 801基板 805 二氧化硅層 813發(fā)光層 817ρ型導(dǎo)通層 821連續(xù)性的孔洞 825切割平臺(tái)
819半導(dǎo)體層829η型電極
823透明導(dǎo)電層833凹洞
827ρ型電極903孔洞寬度
831絕緣層907發(fā)光層與ρ型導(dǎo)通層表面的距離
901孔洞高度905發(fā)光層與孔洞的距離
具體實(shí)施例方式本發(fā)明在此所探討的方向?yàn)橐环N提高光萃取效率的半導(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)體光電工藝的技術(shù)人員所公知的特殊細(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)明的較佳實(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，其以之后的權(quán)利要求為準(zhǔn)。本發(fā)明的一目的是提高發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)的光萃取效率，進(jìn)而增加發(fā)光二極管的發(fā) 光亮度。本發(fā)明的另一目的是減少外延過(guò)程的缺陷密度并提高外延品質(zhì)。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種提高光萃取效率的半導(dǎo)體光電元件結(jié)構(gòu)。其結(jié) 構(gòu)包含一基板，一緩沖層位于前述基板上，其中前述緩沖層具有連續(xù)性的孔洞圖案于前述 緩沖層與前述基板之間，一半導(dǎo)體層位于前述緩沖層上，其中前述半導(dǎo)體層包含一 η型導(dǎo) 通層位于前述緩沖層上，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)電層位于前述半導(dǎo)體層上，一 P型電極位于前述透明導(dǎo)電層上，以及一 η型電 極位于前述η型導(dǎo)通層上。本發(fā)明進(jìn)一步提出一種提高光萃取效率的半導(dǎo)體光電元件結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)包含一 基板，一緩沖層位于前述基板上，其中前述緩沖層中間具有連續(xù)性的孔洞圖案，一半導(dǎo)體層 位于前述緩沖層上，其中前述半導(dǎo)體層包含一 η型導(dǎo)通層位于前述緩沖層上，一發(fā)光層位 于前述η型導(dǎo)通層上，一 ρ型導(dǎo)通層位于前述發(fā)光層上，一透明導(dǎo)電層位于前述半導(dǎo)體層 上，一 P型電極位于前述透明導(dǎo)電層上，以及一 η型電極位于前述η型導(dǎo)通層上。另外，本發(fā)明提供一種提高光萃取效率的半導(dǎo)體光電元件的制造方法，其方法包 含下列步驟提供一基板，形成一圖案化二氧化硅層位于前述基板上，形成一填補(bǔ)層位于前 述圖案化二氧化硅層上，形成一半導(dǎo)體層位于前述填補(bǔ)層上，移除該圖案化二氧化硅層后 形成連續(xù)性的孔洞位于前述基板與前述填補(bǔ)層之間，蝕刻前述半導(dǎo)體層形成一切割平臺(tái)， 形成一透明導(dǎo)電層于前述半導(dǎo)體層上。本發(fā)明更進(jìn)一步提供一種提高光萃取效率的半導(dǎo)體光電元件的制造方法，其方法 包含下列步驟提供一基板，形成一緩沖層位于前述基板上，形成一圖案化二氧化硅層位 于前述緩沖層上，形成一填補(bǔ)層位于前述圖案化二氧化硅層上，形成一半導(dǎo)體層位于前述 填補(bǔ)層上，移除前述圖案化二氧化硅層后形成連續(xù)性的孔洞位于前述基板與前述填補(bǔ)層之 間，蝕刻前述半導(dǎo)體層形成一切割平臺(tái)，以及形成一透明導(dǎo)電層于前述半導(dǎo)體層上。本發(fā)明的半導(dǎo)體層更包含一電子阻擋層位于該發(fā)光層與上述ρ型導(dǎo)通層之間。本發(fā)明更包含一絕緣層覆蓋于上述ρ型導(dǎo)通層及上述η型導(dǎo)通層上并且暴露出ρ型電極以及η型電極。本發(fā)明的絕緣層可為二氧化硅(SiO2)、環(huán)氧樹(shù)脂(Epoxy)、氮化硅(Si3N4)、二氧化 鈦(TiO2)或是氮化鋁(AlN)。本發(fā)明的連續(xù)性的孔洞表面可為一平面或是一粗糙化表面。本發(fā)明的ρ型導(dǎo)通層表面可為一平面或是一粗糙化表面。本發(fā)明的透明導(dǎo)電層為鎳金合金(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 嫁(Indium Gallium Oxide ；IG0)o本發(fā)明的基板可為藍(lán)寶石(Al2O3)基板、碳化硅(SiC)基板、鋁酸鋰基板(AlLiO2)、 鎵酸鋰基板(LiGaO2)、硅(Si)基板、氮化鎵(GaN)基板，氧化鋅(ZnO)基板、氧化鋁鋅基板 (AlZnO)、砷化鎵(GaAs)基板、磷化鎵(GaP)基板、銻化鎵基板(GaSb)、磷化銦(InP)基板、 砷化銦(InAs)基板或硒化鋅(ZnSe)基板。本發(fā)明的緩沖層可為氮化鎵(GaN)、氮化鋁鎵(AlGaN)、氮化鋁(AlN)、或是InGaN/ InGaN超晶格結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的發(fā)光層為單異質(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)。本發(fā)明的半導(dǎo)體層為AlxInyGai_x_yN，其中0彡χ彡1及0彡y彡1。本發(fā)明的圖案為連續(xù)或是部分連續(xù)。 本發(fā)明的圖案為圓柱狀孔洞、多角柱狀孔洞或是長(zhǎng)條狀孔洞。本發(fā)明的連續(xù)性的孔洞的高度介于0. 05 2. 0 μ m。本發(fā)明的連續(xù)性的孔洞的寬度介于0. 1 10. 0 μ m。本發(fā)明的發(fā)光層與該連續(xù)性的孔洞的距離介于3. 0 4. 0 μ m。本發(fā)明的發(fā)光層與該ρ型導(dǎo)通層表面距離介于0. 15 0. 3 μ m。本發(fā)明更包含以Κ0Η、H2SO4或是H3PO4化學(xué)蝕刻液蝕刻上述連續(xù)性的孔洞表面形 成粗糙表面。本發(fā)明移除上述圖案化二氧化硅層的方法是使用BOE化學(xué)蝕刻液。請(qǐng)參考圖4，為本發(fā)明的第一種制造方法的方法流程圖。步驟4-1，提供一基板。 前述基板可為藍(lán)寶石(Al2O3)基板、碳化硅(SiC)基板、鋁酸鋰基板(AlLiO2)、鎵酸鋰基板 (LiGaO2)、硅(Si)基板、氮化鎵(GaN)基板，氧化鋅(ZnO)基板、氧化鋁鋅基板(AlZnO)、 砷化鎵(GaAs)基板、磷化鎵(GaP)基板、銻化鎵基板(GaSb)、磷化銦(InP)基板、砷化銦 (InAs)基板或硒化鋅(ZnSe)基板，一般多使用藍(lán)寶石(Al2O3)基板。步驟4_2，形成一圖 案化二氧化硅層于上述基板上。以化學(xué)氣相沉積法(Chemical Vapor Deposition ；CVD) 或是低溫濺鍍(Sputtering)的方法將二氧化硅材料沉積在上述基板上形成一薄層。然后 在前述二氧化硅層的表面上方形成光致抗蝕劑膜，再以光刻法(Photolithography)將光 致抗蝕劑膜圖案化使得預(yù)計(jì)蝕刻部分顯露。最后以濕式蝕刻、干式蝕刻或是電感式等離子 體蝕刻系統(tǒng)(Inductively coupledplasma etcher ；ICP)進(jìn)行圖案化工藝以得到一圖案化 二氧化硅層。步驟4-3，形成一填補(bǔ)層位于上述圖案化二氧化硅層上。先形成一 III族氮 化物填補(bǔ)層于圖案化的二氧化硅層上。由于二氧化硅層屬于多晶系，使得單晶系的III族 氮化物層無(wú)法直接外延于多晶系表面上，因而產(chǎn)生一種側(cè)向外延(Epitaxially Lateral Overgrowth ；EL0G)的現(xiàn)象。在外延過(guò)程中，III族氮化物層與二氧化硅層會(huì)產(chǎn)生不連續(xù)的
9空隙。從孔洞中開(kāi)始成長(zhǎng)的III族氮化物材料在到達(dá)二氧化硅層表面后，會(huì)以側(cè)向成長(zhǎng)的 方式直到銜接另一端的III族氮化物材料而形成一平面填補(bǔ)層。前述填補(bǔ)層又可作為一 緩沖層，以提高半導(dǎo)體層的外延品質(zhì)。步驟4-4，形成一半導(dǎo)體層位于上述填補(bǔ)層上?？?利用有機(jī)金屬氣相沉積法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition ；MOCVD)或是分 子束外延法(Molecular Beam Epitaxy ；MBE)等技術(shù)將半導(dǎo)體發(fā)光結(jié)構(gòu)沉積于前述填補(bǔ)層 上。前述半導(dǎo)體層包含一 η型導(dǎo)通層、一發(fā)光層、一電子阻擋層以及一 ρ型導(dǎo)通層。步驟 4-5，移除上述圖案化二氧化硅層后形成一連續(xù)性的孔洞位于上述基板與上述填補(bǔ)層之間。 本發(fā)明以化學(xué)濕式蝕刻的方法去除二氧化硅層。選擇可與氧化物反應(yīng)的化學(xué)溶液并調(diào)配 至適當(dāng)比例，將二氧化硅層浸泡在化學(xué)溶液中，利用化學(xué)溶液與二氧化硅材料產(chǎn)生化學(xué)反 應(yīng)除去二氧化硅層。在完成二氧化硅層的移除后會(huì)留下 柱狀I(lǐng)II族氮化物與前述基板連 接。若進(jìn)一步用第二種蝕刻液蝕刻III族氮化物表面以增加表面的不規(guī)則，更可提升半導(dǎo) 體層的發(fā)光效率。步驟4-6，蝕刻上述半導(dǎo)體層形成一切割平臺(tái)。通過(guò)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P型導(dǎo)通層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。再以濕式蝕刻、干式蝕刻或是電感式等離子體蝕刻系統(tǒng)(Inductivelycoupled plasma etcher ；ICP)形成一切割平臺(tái)。步驟4_7，形成一透明導(dǎo)電層于上述半導(dǎo)體層上。一般以蒸 鍍，濺鍍等物理氣相沉積法形成透明導(dǎo)電層于半導(dǎo)體層上。其材料可為鎳/金(Ni/Au)、氧 化銦錫(Indium Tin Oxide ；IT0)、氧化銦鋅(Indium Zinc Oxide ；IZO)、氧化銦鎢(Indium Tungsten Oxide ；IffO)或是氧化銦鎵(Indium Gallium Oxide ；IGO)。
圖5為本發(fā)明的第二種制造方法的方法流程圖。步驟5-1，提供一基板。前述基板 可為藍(lán)寶石(Al2O3)基板、碳化硅(SiC)基板、鋁酸鋰基板(AlLiO2)、鎵酸鋰基板(LiGaO2)、 硅(Si)基板、氮化鎵(GaN)基板，氧化鋅(ZnO)基板、氧化鋁鋅基板(AlZnO)、砷化鎵(GaAs) 基板、磷化鎵(GaP)基板、銻化鎵基板(GaSb)、磷化銦(InP)基板、砷化銦(InAs)基板或硒 化鋅(ZnSe)基板，一般多使用藍(lán)寶石(Al2O3)基板。步驟5_2，形成一緩沖層位于上述基 板上。利用有機(jī)金屬氣相沉積法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition ；MOCVD) 或是分子束外延法(Molecular Beam Epitaxy ；MBE)等技術(shù)形成一緩沖層于上述基板上。 步驟5-3，形成一圖案化二氧化硅層位于上述緩沖層上。以化學(xué)氣相沉積法(Chemical Vapor Deposition ；CVD)或是低溫濺鍍(Sputtering)的方法將二氧化硅材料沉積在上述 基板上形成一薄層。然后在前述二氧化硅層的表面上方形成光致抗蝕劑膜，再以光刻法 (Photolithography)將光致抗蝕劑膜圖案化使得預(yù)計(jì)蝕刻部分顯露。最后以濕式蝕刻、干 式蝕刻或是電感式等離子體蝕刻系統(tǒng)(Inductively coupled plasma etcher ;ICP)進(jìn)行圖 案化工藝以得到一圖案化二氧化硅層。步驟5-4，形成一填補(bǔ)層位于上述圖案化二氧化硅 層上。先形成一 III族氮化物填補(bǔ)層于圖案化的二氧化硅層上。由于二氧化硅層屬于多晶 系，使得單晶系的III族氮化物層無(wú)法直接外延于多晶系表面上，因而產(chǎn)生一種側(cè)向外延 (Epitaxially Lateral Overgrowth ；EL0G)的現(xiàn)象。從孔洞中開(kāi)始成長(zhǎng)的III族氮化物材 料在到達(dá)二氧化硅層表面后，會(huì)以側(cè)向成長(zhǎng)的方式直到銜接另一端的III族氮化物材料而 形成一平面填補(bǔ)層。前述填補(bǔ)層又可作為一緩沖層，以提高半導(dǎo)體層的外延品質(zhì)。步驟5-5， 形成一半導(dǎo)體層位于上述填補(bǔ)層上。可利用有機(jī)金屬氣相沉積法(Metal OrganicChemical Vapor Deposition ；MOCVD)或是分子束外延法(Molecular BeamEpitaxy ；MBE)等技術(shù)將半導(dǎo)體發(fā)光結(jié)構(gòu)沉積于前述填補(bǔ)層上。前述半導(dǎo)體層包含一η型導(dǎo)通層、一發(fā)光層、一電子阻 擋層以及一 P型導(dǎo)通層。步驟5-6，移除上述圖案化二氧化硅層后形成連續(xù)性的孔洞位于 上述緩沖層與上述填補(bǔ)層之間。本發(fā)明以化學(xué)濕式蝕刻的方法去除二氧化硅層。選擇可 與氧化物反應(yīng)的化學(xué)溶液并調(diào)配至適當(dāng)比例，將二氧化硅層浸泡在化學(xué)溶液中，利用化學(xué) 溶液與二氧化硅材料產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)除去二氧化硅層。在完成二氧化硅層的移除后會(huì)留下 柱狀I(lǐng)II族氮化物位于前述緩沖層和填補(bǔ)層之間。若進(jìn)一步用第二種蝕刻液蝕刻III族 氮化物表面以增加表面的不規(guī)則，更可提升半導(dǎo)體層的發(fā)光效率。步驟5-7，蝕刻上述半導(dǎo) 體層形成一切割平臺(tái)。通過(guò)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P 型導(dǎo)通層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。再以濕式蝕刻、干式蝕刻或是電感式等離 子體蝕刻系統(tǒng)(Inductively coupled plasma etcher ；ICP)形成一切割平臺(tái)。步驟5-8， 形成一透明導(dǎo)電層于上述半導(dǎo)體層上。一般以蒸鍍，濺鍍等物理氣相沉積法形成透明導(dǎo)電 層于半導(dǎo)體層上。其材料可為鎳/金(Ni/Au)、氧化銦錫(Indium Tin Oxide ;IT0)、氧化 銦鋅(Indium Zinc Oxide ；IZO)、氧化銦鎢(Indium Tungsten Oxide ；IffO)或是氧化銦鎵 (Indium Gallium Oxide ；IG0)o經(jīng)由上述步驟4-7和步驟5-8之后，按照一般發(fā)光二極管的制造過(guò)程，形成一 ρ型 電極于前述透明導(dǎo)電層上及一 η型電極于η型導(dǎo)通層上。另外，可再形成一絕緣層用以保 護(hù)半導(dǎo)體元件。 上述的本發(fā)明方法流程圖其實(shí)施內(nèi)容，將搭配附圖與各步驟的結(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。本發(fā)明先提出第一種制造方法。請(qǐng)參考圖6Α所示，進(jìn)行基板表面凈化處理及形成 一圖案化二氧化硅層于前述基板上。提供一基板601，前述基板可為藍(lán)寶石(Al2O3)基板、碳 化硅(SiC)基板、鋁酸鋰基板(AlLiO2)、鎵酸鋰基板(LiGaO2)、硅(Si)基板、氮化鎵(GaN)基 板，氧化鋅(ZnO)基板、氧化鋁鋅基板(AlZnO)、砷化鎵(GaAs)基板、磷化鎵(GaP)基板、銻 化鎵基板(GaSb)、磷化銦(InP)基板、砷化銦(InAs)基板或硒化鋅(ZnSe)基板。將基板表 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)。 再利用化學(xué)氣相沉積法(Chemical Vapor Deposition ；CVD)或是低溫濺鍍(Sputtering) 的方法將二氧化硅材料沉積在前述基板601上形成一薄層603。接下來(lái)在前述二氧化硅 層603的表面上方形成光致抗蝕劑膜，再以光刻法(Photolithography)將光致抗蝕劑膜 圖案化使得預(yù)計(jì)蝕刻部分顯露。最后以濕式蝕刻、干式蝕刻或是電感式等離子體蝕刻系統(tǒng) (Inductively coupledplasma etcher ；ICP)進(jìn)行圖案化工藝以得到一圖案化二氧化硅層 603。前述圖案化二氧化硅層603可為連續(xù)或部分連續(xù)的圖案。請(qǐng)參考圖10A 10D，即為 二氧化硅層的各式圖案示意圖。如圖10A為圓柱型凹槽圖案，圖10B為六角柱型凹槽圖案， 圖10C為四角柱型凹槽圖案，圖10D為長(zhǎng)條狀凹槽圖案。除了前述的圖案外，也不限制其他 各式圖案。前述圖10A 圖10C屬于連續(xù)的圖案，而前述圖10D為部分連續(xù)的圖案。接著，請(qǐng)參考圖6B所示，形成一 III族氮化物孔洞填補(bǔ)層605于圖案化二氧化硅 層603上。前述孔洞填補(bǔ)層又可視為緩沖層。二氧化硅層屬于多晶系，由于晶格不匹配度太 高，使得單晶系的III族氮化物層無(wú)法直接外延于多晶系表面上，因而產(chǎn)生一種側(cè)向外延 (Epitaxially Lateral Overgrowth ；EL0G)的現(xiàn)象。本發(fā)明利用化學(xué)氣相沉積法(ChemicalVapor Deposition ；CVD)的方法從凹洞627中開(kāi)始成長(zhǎng)III族氮化物材料，當(dāng)?shù)竭_(dá)二氧化 硅層603表面后，前述III族氮化物材料會(huì)以側(cè)向成長(zhǎng)的方式直到銜接至另一端的III族 氮化物而形成一緩沖層平面。前述III族氮化物孔洞填補(bǔ)層605可為AlxInyGai_x_yN，其中 0彡χ彡1及0彡y彡1。再者，請(qǐng)參考圖6C所示，形成一半導(dǎo)體層615于前述III族氮化物孔洞填補(bǔ)層605 上。前述半導(dǎo)體層615包含一 η型導(dǎo)通層607、一發(fā)光層609、一電子阻擋層611以及一 ρ 型導(dǎo)通層613?？衫糜袡C(jī)金屬氣相沉積法(MetalOrganic Chemical Vapor Deposition ； M0CVD)或是分子束外延(MolecularBeam Epitaxy ；MBE)等技術(shù)，將上述半導(dǎo)體層615沉積 于前述III族氮化物孔洞填補(bǔ)層605上。首先摻雜四族的原子以形成η型導(dǎo)通層607在 III族氮化物孔洞填補(bǔ)層605上。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(tái)中可以是硅甲烷(SiH4)或是硅乙烷(Si2H6)。η型導(dǎo)通層605的形成方 式依序由高濃度參雜硅原子(Si)的氮化鎵層(GaN)或是氮化鋁鎵層(AlGaN)至低濃度參 雜硅原子(Si)的氮化鎵層或是氮化鋁鎵層(AlGaN)。高濃度參雜硅原子(Si)的氮化鎵層 (GaN)或是氮化鋁鎵層(AlGaN)可以提供η型電極之間較佳的導(dǎo)電效果。
接著是形成一發(fā)光層609在η型導(dǎo)通層607上。其中發(fā)光層609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/阻擋層的結(jié)構(gòu)。量子阱層可以使用氮化銦鎵(InGaN)，而阻擋層可以 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擋層。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擋層與低能階的量子阱層。發(fā)光層609可以摻雜η型或 是P型的摻雜子(dopant)，可以是同時(shí)摻雜η型與ρ型的摻雜子，也可以完全不摻雜。并 且，可以是量子阱層摻雜而阻擋層不摻雜、量子阱層不摻雜而阻擋層摻雜、量子阱層與阻擋 層都摻雜或是量子阱層與阻擋層都不摻雜。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609上形成一 ρ型導(dǎo)通的電子阻擋層611。ρ型導(dǎo)通的電子阻擋層 611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609上，前周期性地重復(fù)沉積動(dòng)作 可形成能障較高的電子阻擋層(能障高于有源發(fā)光層的能障)，用以阻擋過(guò)多電子(e_)溢 流發(fā)光層609。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彡1，0彡y<l， x+y彡1，0彡u < 1，0彡ν彡1以及u+v彡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613于電子阻擋層611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(tái)中可以是CP2Mg。ρ型導(dǎo)通層613 的形成方式依序由低濃度參雜鎂原子(Mg)的氮化鎵層(GaN)或是氮化鋁鎵層(AlGaN)至 高濃度參雜鎂原子(Mg)的氮化鎵層或是氮化鋁鎵層(AlGaN)。高濃度參雜鎂原子(Mg)的 氮化鎵層(GaN)或是氮化鋁鎵層可以提供ρ型電極之間較佳的導(dǎo)電效果。由圖6D所示，利用濕式蝕刻的方式移除前述二氧化硅層以形成連續(xù)性的孔洞617。通過(guò)化學(xué)溶液的選取與調(diào)配，將二氧化硅層603浸入前述化學(xué)溶液，以超音波震蕩加 上UV照射提高溶液溫度的方式加速前述化學(xué)溶液與前述二氧化硅層之間的化學(xué)反應(yīng)。前 述化學(xué)溶液的溫度大約高至150°C左右。前述的化學(xué)溶液可選擇緩沖氧化蝕刻液(Buffer Oxide Etcher ；BOE)，其主要蝕刻二氧化硅(Silicon Dioxide ；Si02)或是氮化硅(Silicon Nitride ；Si3N4)。前述緩沖氧化蝕刻液為氟化胺(NH4F)溶液及氫氟酸(HF)的混合液，其配 制方法可為配制約40%重量百分比的氟化胺(NH4F)溶液，再與濃度約49%的氫氟酸(HF) 溶液配制成約10%體積百分比的緩沖氧化蝕刻液。更仔細(xì)的說(shuō)明，取出透明顆粒狀的氟化 胺(NH4F)固體約90公克倒入約135ml的去離子水中攪拌溶化。以量瓶取 出約180ml的氟 化胺(NH4F)溶液倒至一容器中，另外再取約49%的氫氟酸(HF)溶液約20ml倒入前述容 器中一起混合至均勻即完成緩沖氧化蝕刻液的配制。將二氧化硅層603短暫浸泡于蝕刻液 中，最后二氧化硅層603被侵蝕完成后剩下連續(xù)性的孔洞617，介于前述基板601與前述孔 洞填補(bǔ)層605之間。請(qǐng)參考圖6E所示，在半導(dǎo)體層上先形成一透明導(dǎo)電層，然后蝕刻切割平臺(tái)并暴露 出η型導(dǎo)通層。一般以蒸鍍，濺鍍等物理氣相沉積法形成透明導(dǎo)電層619于半導(dǎo)體層615 上。其材料可為鎳/金(Ni/Au)、氧化銦錫(IndiumTin Oxide ;ΙΤ0)、氧化銦鋅(Indium Zinc Oxide ；IZ0)、氧化銦鎢(IndiumTungsten Oxide ；IffO)或是氧化銦鎵(Indium Gallium Oxide ；IG0)。接著通過(guò)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619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。再以濕式蝕刻、干式蝕刻或是電感式等離 子體燭亥丨J系統(tǒng)(Inductively coupled plasma etcher ； ICP)進(jìn)行 mesa 工藝。前述 mesa 工 藝為蝕刻半導(dǎo)體層615，以形成切割平臺(tái)631，同時(shí)暴露出η型導(dǎo)通層607。請(qǐng)參考圖6F所示，形成一 η型電極于η型導(dǎo)通層上，一 ρ型電極于透明導(dǎo)電層上。 上述η型電極623及ρ型電極621可利用濺鍍、蒸鍍等物理氣相層積的方法將金屬沉積于上 述η型導(dǎo)通層607及上述透明導(dǎo)電層619上。上述η型電極623可為鈦/鋁/鈦/金(Ti/ Al/Ti/Au)、鉻金合金(Cr/Au)或是鉛金合金(Pd/Au)，p型電極621可為鎳金合金(Ni/Au)、 鉬金合金(Pt/Au)、鎢(W)、鉻金合金(Cr/Au)或鈀(Pd)。最后，如圖6G所示，可形成一絕緣層625包覆于半導(dǎo)體元件的外層并露出η型 電極623與ρ型電極621。前述絕緣層可為二氧化硅(SiO2)、環(huán)氧樹(shù)脂(Epoxy)、氮化硅 (Si3N4)、二氧化鈦(TiO2)或是氮化鋁(AlN)。另外，圖6F與圖6F，以及圖6G與圖6G，的差異在于ρ型導(dǎo)通層613的粗糙化表 面。當(dāng)圖6D完成去圖案化二氧化硅層之后，于ρ型導(dǎo)通層613的表面先以濕式蝕刻、干式 蝕刻或是電感式等離子體蝕刻系統(tǒng)(Inductivelycoupled plasma etcher ；ICP)蝕刻出不 規(guī)則表面，再進(jìn)行圖6E和圖6F的制造程序。本發(fā)明的第一種制造方法除了有圖6F、圖6F’、圖6G及圖6G’四種結(jié)構(gòu)以外，更可 再衍生出另外幾種結(jié)構(gòu)，如圖7A、圖7A’、圖7B以及圖7B’。其制造方法的差異在于圖6D 完成去二氧化硅層形成連續(xù)性的孔洞617視為第一次蝕刻，則將已形成的多個(gè)孔洞617再 增加一次濕式蝕刻并視為第二次蝕刻。第二次蝕刻主要是在孔洞填補(bǔ)層表面形成粗糙表 面，借以增加出半導(dǎo)體光電元件的出光效率。第二次蝕刻是將化學(xué)溶液通過(guò)連續(xù)性的孔洞 617滲入結(jié)構(gòu)中，以侵蝕III族氮化物孔洞填補(bǔ)層605表面，使表面形成步粗糙表面?；瘜W(xué)溶液可為氫氧化鉀(Potassium Hydroxide ；KOH)、硫酸(SulfuricAcid ；H2SO4)或是磷酸 (Phosphoric Acid;H3P04)。在第二次蝕刻的過(guò)程中還是以超音波震蕩加上UV照射提高溶 液溫度的方式增加前述化學(xué)溶液與前述III族氮化物之間的化學(xué)反應(yīng)速率，注意蝕刻時(shí)間 約在幾秒之內(nèi)完成。后續(xù)的工藝步驟與圖6E及圖6F相同，故不在此贅述。
本發(fā)明再進(jìn)一步提供第二種制造方法，其與第一種方法的主要差異在于將連續(xù)性 的孔洞形成于緩沖層之間。請(qǐng)參考圖8A，在一基板上先形成一緩沖層，再進(jìn)行圖案化二氧 化硅層。提供一基板801，前述基板可為藍(lán)寶石(Al2O3)基板、碳化硅(SiC)基板、鋁酸鋰基 板(AlLiO2)、鎵酸鋰基板(LiGaO2)、硅(Si)基板、氮化鎵(GaN)基板，氧化鋅(ZnO)基板、氧 化鋁鋅基板(AlZnO)、砷化鎵(GaAs)基板、磷化鎵(GaP)基板、銻化鎵基板(GaSb)、磷化銦 (InP)基板、砷化銦(InAs)基板或硒化鋅(ZnSe)基板。將基板表面進(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)。再利用有機(jī)金屬氣相沉積法 (Metal Organic Chemical Vapor Deposition ；M0CVD)或是分子束夕卜延(Molecular Beam Epitaxy ；MBE)等技術(shù)形成一緩沖層803于前述基板801上。前述緩沖層可為AlxInyGai_x_yN， 其中0彡χ彡1及0彡y彡1。接著再利用化學(xué)氣相沉積法(Chemical Vapor D印osition ;CVD)或是低溫濺鍍 (Sputtering)的方法將二氧化硅材料沉積在前述緩沖層803上形成一薄層。雖然III族 氮化物與二氧化硅的晶格不匹配數(shù)很高，由于III族氮化物的晶格排列比二氧化硅整齊， 所以二氧化硅可以形成一薄膜層于III族氮化物上而不遭到排斥。接下來(lái)在前述二氧化 硅層805的表面上方形成光致抗蝕劑膜，再以光刻法(Photolithography)將光致抗蝕劑 膜圖案化使得預(yù)計(jì)蝕刻部分顯露。最后以濕式蝕刻、干式蝕刻或是電感式等離子體蝕刻系 統(tǒng)(Inductively coupled plasma etcher ;ICP)進(jìn)行圖案化工藝以得到一圖案化二氧化硅 層。前述圖案化二氧化硅層805可為連續(xù)或部分連續(xù)的圖案。請(qǐng)參考圖10A 圖10D，即為 二氧化硅層的各式圖案示意圖。如圖10A為圓柱型凹槽圖案，圖10B為六角柱型凹槽圖案， 圖10C為四角柱型凹槽圖案，圖10D為長(zhǎng)條狀凹槽圖案。除了前述的圖案外，也不限制其他 各式圖案。前述圖10A 圖10C屬于連續(xù)的圖案，而前述圖10D圖為部分連續(xù)的圖案。接著，請(qǐng)參考圖8B所示，形成一 III族氮化物孔洞填補(bǔ)層于圖案化二氧化硅層上。 前述孔洞填補(bǔ)層807又可視為緩沖層。二氧化硅層805屬于多晶系，由于晶格不配數(shù)太 高，使得單晶系的III族氮化物層無(wú)法直接外延于多晶系表面上，因而產(chǎn)生一種側(cè)向外延 (Epitaxially Lateral Overgrowth ；EL0G)的現(xiàn)象。本發(fā)明利用化學(xué)氣相沉積法(Chemical Vapor Deposition ；CVD)的方法從凹洞833中開(kāi)始成長(zhǎng)III族氮化物材料，當(dāng)?shù)竭_(dá)二氧化 硅層805表面后，前述III族氮化物材料會(huì)以側(cè)向成長(zhǎng)的方式直到銜接至另一端的III族 氮化物而形成一緩沖層807平面。前述III族氮化物孔洞填補(bǔ)層807可為AlxInyGai_x_yN， 其中0彡χ彡1及0彡y彡1。請(qǐng)參考圖8C所示，形成一半導(dǎo)體層于III族氮化物孔洞填補(bǔ)層上。形成一半導(dǎo) 體層819于前述III族氮化物孔洞填補(bǔ)層807上。前述半導(dǎo)體層819包含一 η型導(dǎo)通層 811、一發(fā)光層813、一電子阻擋層815以及一 ρ型導(dǎo)通層817?？衫糜袡C(jī)金屬氣相沉積法 (Metal Organic Chemical VaporDeposition ；M0CVD)或是分子束夕卜延(Molecular Beam Epitaxy ；MBE)等技術(shù)，將上述半導(dǎo)體層819沉積于前述III族氮化物孔洞填補(bǔ)層807上。 首先摻雜四族的原子以形成η型導(dǎo)通層811在III族氮化物孔洞填補(bǔ)層807上。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(tái)中可以是硅甲烷(SiH4) 或是硅乙烷(Si2H6)。η型導(dǎo)通層811的形成方式依序由高濃度參雜硅原子(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 型電極之間較佳的導(dǎo)電效果。接著是形成一發(fā)光層813在η型導(dǎo)通層811上。其中發(fā)光層813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/阻擋層的結(jié)構(gòu)。量子阱層可以使用氮化銦鎵(InGaN)，而阻擋層可以 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擋層。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擋層與低能階的量子阱層。發(fā)光層813可以摻雜η型或 是P型的摻雜子(dopant)，可以是同時(shí)摻雜η型與ρ型的摻雜子，也可以完全不摻雜。并 且，可以是量子阱層摻雜而阻擋層不摻雜、量子阱層不摻雜而阻擋層摻雜、量子阱層與阻擋 層都摻雜或是量子阱層與阻擋層都不摻雜。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813上形成一 ρ型導(dǎo)通的電子阻擋層815。ρ型導(dǎo)通的電子阻擋層 815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813上，前周期性地重復(fù)沉積動(dòng)作 可形成能障較高的電子阻擋層(能障高于有源發(fā)光層的能障)，用以阻擋過(guò)多電子(e_)溢 流發(fā)光層813。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彡1，0彡y<l， x+y彡1，0彡u < 1，0彡ν彡1以及u+v彡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817于電子阻擋層815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(tái)中可以是CP2Mg。ρ型導(dǎo)通層817 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 高濃度參雜鎂原子(Mg)的氮化鎵層或是氮化鋁鎵層(AlGaN)。高濃度參雜鎂原子(Mg)的 氮化鎵層(GaN)或是氮化鋁鎵層可以提供ρ型電極之間較佳的導(dǎo)電效果。接著，請(qǐng)參考圖8D所示，利用濕式蝕刻的方式移除前述二氧化硅層以形成連續(xù)性 的孔洞。通過(guò)化學(xué)溶液的選取與調(diào)配，將二氧化硅層805浸入前述化學(xué)溶液，以超音波震蕩 加上UV照射提高溶液溫度的方式加速前述化學(xué)溶液與前述二氧化硅層之間的化學(xué)反應(yīng)。 前述化學(xué)溶液的溫度大約高至150°C左右。前述的化學(xué)溶液可選擇緩沖氧化蝕刻液(Buffer Oxide Etcher ；B0E)，其主要蝕刻二氧化硅(Silicon Dioxide ；SiO2)或是氮化硅(Silicon Nitride ；Si3N4)。前述緩沖氧化蝕刻液為氟化胺(NH4F)溶液及氫氟酸(HF)的混合液，其配 制方法可為配制約40%重量百分比的氟化胺(NH4F)溶液，再與濃度約49%的氫氟酸(HF) 溶液配制成約10%體積百分比的緩沖氧化蝕刻液。更仔細(xì)的說(shuō)明，取出透明顆粒狀的氟化 胺(NH4F)固體約90公克倒入約135ml的去離子水中攪拌溶化。以量瓶取出約180ml的氟 化胺(NH4F)溶液倒至一容器中，另外再取約49%的氫氟酸(HF)溶液約20ml倒入前述容器中一起混合至均勻即完成緩沖氧化蝕刻液的配制。將二氧化硅805短暫浸泡于前述蝕刻液 中，最后二氧化硅層805被侵蝕完成后剩下連續(xù)性的孔洞821介于前述緩沖層803與前述 孔洞填補(bǔ)層807之間。請(qǐng)參考圖8E所示，在半導(dǎo)體層上先形成一透明導(dǎo)電層，然后蝕刻切割平臺(tái)并暴露 出η型導(dǎo)通層。一般以蒸鍍，濺鍍等物理氣相沉積法形成透明導(dǎo)電層823于半導(dǎo)體層819 上。其材料可為鎳/金(Ni/Au)、氧化銦錫(IndiumTin Oxide ;ΙΤ0)、氧化銦鋅(Indium Zinc Oxide ；IZO)、氧化銦鎢(IndiumTungsten Oxide ；IffO)或是氧化銦鎵(Indium Gallium Oxide ；IGO)。接著通過(guò)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823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。再以濕式蝕刻、干式蝕刻或是電感式等離 子體燭亥Ij系統(tǒng)(Inductively coupled plasma etcher ； ICP)進(jìn)行 mesa 工藝。前述 mesa 工 藝為蝕刻半導(dǎo)體層819，以形成切割平臺(tái)825，同時(shí)暴露出η型導(dǎo)通層811。請(qǐng)參考圖8F所示，形成一 η型電極于η型導(dǎo)通層上，一 ρ型電極于透明導(dǎo)電層上。 上述η型電極829及ρ型電極827可利用濺鍍、蒸鍍等物理氣相層積的方法將金屬沉積于上 述η型導(dǎo)通層811及上述透明導(dǎo)電層823上。上述η型電極829可為鈦/鋁/鈦/金(Ti/ Al/Ti/Au)、鉻金合金(Cr/Au)或是鉛金合金(Pd/Au)，ρ型電極827可為鎳金合金(Ni/Au)、 鉬金合金(Pt/Au)、鎢(W)、鉻金合金(Cr/Au)或鈀(Pd)。最后，如圖8G所示，可形成一絕緣層831包覆于半導(dǎo)體元件的外層露出η型電極 829與ρ型電極827。前述絕緣層可為二氧化硅(SiO2)、環(huán)氧樹(shù)脂(Epoxy)、氮化硅(Si3N4)、 二氧化鈦(TiO2)或是氮化鋁(AlN)。另外，圖8F與圖8F，以及圖8G與圖8G，的差異在于ρ型導(dǎo)通層817的粗糙化表 面。當(dāng)圖8D完成去圖案化二氧化硅層之后，于ρ型導(dǎo)通層817的表面先以濕式蝕刻、干式 蝕刻或是電感式等離子體蝕刻系統(tǒng)(Inductivelycoupled plasma etcher ；ICP)蝕刻出不 規(guī)則表面，再進(jìn)行圖8E和圖8F的制造程序。本發(fā)明的第二種制造方法除了有圖8F、圖8F’、圖8G及圖8G’四種結(jié)構(gòu)以外，更可 再衍生出另外幾種結(jié)構(gòu)，如圖9A、圖9A’、圖9B以及圖9B’。其制造方法的差異在于圖8D完 成去二氧化硅層805形成連續(xù)性的孔洞821視為第一次蝕刻，則將已形成的多個(gè)孔洞821 再增加一次濕式蝕刻并視為第二次蝕刻。第二次蝕刻主要是將緩沖層803以及孔洞填補(bǔ)層 807表面形成粗糙表面，借以增加發(fā)光二極管的出光效率。第二次蝕刻是將化學(xué)溶液通過(guò)連 續(xù)性的孔洞821滲入結(jié)構(gòu)中，以侵蝕III族氮化物緩沖層803及孔洞填補(bǔ)層807表面，使表 面形成步粗糙表面?；瘜W(xué)溶液可為氫氧化鉀(PotassiumHydroxide ;Κ0Η)、硫酸(Sulfuric Acid5H2SO4)或是磷酸(Phosphoric Acid ；H3PO4) 0在第二次蝕刻的過(guò)程中還是以超音波震 蕩加上UV照射提高溶液溫度的方式增加前述化學(xué)溶液與前述III族氮化物之間的化學(xué)反 應(yīng)速率，注意蝕刻時(shí)間約在幾秒之內(nèi)完成。后續(xù)的工藝步驟與圖8E及圖8F相同。依上述步驟所形成的連續(xù)性的孔洞，請(qǐng)參考圖9C所示，其孔洞高度901介于 0.05 2. Oym之間，其孔洞寬度903介于0. 1 10. Oym之間。發(fā)光層與連續(xù)性的孔洞之 間的距離905約在3. 0 4. 0 μ m之間有助于發(fā)光層產(chǎn)生的光經(jīng)由連續(xù)性的孔洞表面反射， 增加出光面的光強(qiáng)度。而發(fā)光層與P型導(dǎo)電層表面距離907介于0. 15 0. 3 μ m之間可有 助于從發(fā)光層產(chǎn)生的光向出光面發(fā)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)利要求項(xiàng)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)明的較佳實(shí)施例而已，并非用以限定本發(fā)明的權(quán)利要 求；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)包含在所附權(quán)利 要求內(nèi)。
權(quán)利要求
一種提高光萃取效率的半導(dǎo)體光電元件結(jié)構(gòu)，包含一基板；一緩沖層位于該基板上，其中該緩沖層具有一連續(xù)性孔洞圖案鑲嵌于該緩沖層與該基板之間；一半導(dǎo)體層位于該緩沖層上，其中該半導(dǎo)體層包含一n型導(dǎo)通層位于該緩沖層上；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)電層位于該半導(dǎo)體層上；一p型電極位于該透明導(dǎo)電層上；以及一n型電極位于該n型導(dǎo)通層上。
2.依據(jù)權(quán)利要求1所述的提高光萃取效率的半導(dǎo)體光電元件結(jié)構(gòu)，其中該半導(dǎo)體層更 包含一電子阻擋層位于該發(fā)光層與該P(yáng)型導(dǎo)通層之間。
3.依據(jù)權(quán)利要求2所述的提高光萃取效率的半導(dǎo)體光電元件結(jié)構(gòu)，更包含一絕緣層覆 蓋于該P(yáng)型導(dǎo)通層及η型導(dǎo)通層上并且暴露出P型電極以及η型電極。
4.依據(jù)權(quán)利要求3所述的提高光萃取效率的半導(dǎo)體光電元件結(jié)構(gòu)，其中該絕緣層可為 二氧化硅、環(huán)氧樹(shù)脂、氮化硅、二氧化鈦或是氮化鋁，該連續(xù)性孔洞表面為一平面或是一粗 糙化表面，該P(yáng)型導(dǎo)通層表面為一平面或是一粗糙化表面，該透明導(dǎo)電層為鎳金合金、氧化 銦錫、氧化銦鋅、氧化銦鎢或是氧化銦鎵。
5.一種提高光萃取效率的半導(dǎo)體光電元件結(jié)構(gòu)，包含 一基板；一緩沖層位于該基板上，其中該緩沖層中間具有一連續(xù)性的孔洞圖案； 一半導(dǎo)體層位于該緩沖層上，其中該半導(dǎo)體層包含 一 η型導(dǎo)通層位于該緩沖層上； 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)電層位于該半導(dǎo)體層上； 一 P型電極位于該透明導(dǎo)電層上；以及 一 η型電極位于該η型導(dǎo)通層上。
6.依據(jù)權(quán)利要求5所述的提高光萃取效率的半導(dǎo)體光電元件結(jié)構(gòu)，其中該半導(dǎo)體層更 包含一電子阻擋層位于該發(fā)光層與該P(yáng)型導(dǎo)通層之間。
7.依據(jù)權(quán)利要求6所述的提高光萃取效率的半導(dǎo)體光電元件結(jié)構(gòu)，更包含一絕緣層覆 蓋于該P(yáng)型導(dǎo)通層及η型導(dǎo)通層上并且暴露出P型電極以及η型電極。
8.一種提高光萃取效率的半導(dǎo)體光電元件的制造方法，包含下列步驟 提供一基板；形成一圖案化二氧化硅層位于該基板上； 形成一填補(bǔ)層位于該圖案化二氧化硅層上； 形成一半導(dǎo)體層位于該填補(bǔ)層上；移除該圖案化二氧化硅層后形成連續(xù)性的孔洞位于該基板與該填補(bǔ)層之間；蝕刻該半導(dǎo)體層形成一切割平臺(tái)；以及 形成一透明導(dǎo)電層于該半導(dǎo)體層上。
9.依據(jù)權(quán)利要求8所述的提高光萃取效率的半導(dǎo)體光電元件的制造方法，其中該半導(dǎo) 體層更包含一 η型導(dǎo)通層、一發(fā)光層以及一 ρ型導(dǎo)通層。
10.一種提高光萃取效率的半導(dǎo)體光電元件的制造方法，包含下列步驟 提供一基板；形成一緩沖層位于該基板上； 形成一圖案化二氧化硅層位于該緩沖層上； 形成一填補(bǔ)層位于該圖案化二氧化硅層上； 形成一半導(dǎo)體層位于該填補(bǔ)層上；移除該圖案化二氧化硅層后形成一連續(xù)性孔洞位于該基板與該填補(bǔ)層之間； 蝕刻該半導(dǎo)體層形成一切割平臺(tái)；以及 形成一透明導(dǎo)電層于該半導(dǎo)體層上。
全文摘要
本發(fā)明為一種提高光萃取效率的半導(dǎo)體光電結(jié)構(gòu)及其制造方法，該半導(dǎo)體光電結(jié)構(gòu)包含一基板，一緩沖層位于前述基板上，其中前述緩沖層具有一連續(xù)性的孔洞圖案于前述緩沖層與前述基板之間，一半導(dǎo)體層位于前述緩沖層上，其中前述半導(dǎo)體層包含一n型導(dǎo)通層位于前述緩沖層上，一發(fā)光層位于前述n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)電層位于前述半導(dǎo)體層上，一p型電極位于前述透明導(dǎo)電層上，以及一n型電極位于前述n型導(dǎo)通層上。發(fā)光層下方形成連續(xù)性的孔洞，用以反射發(fā)光層發(fā)射的光，提高出光面的光強(qiáng)度以及亮度。另外，本發(fā)明可減少外延的缺陷密度，提高外延品質(zhì)。
文檔編號(hào)H01L33/00GK101964382SQ200910158208
公開(kāi)日2011年2月2日 申請(qǐng)日期2009年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月21日
發(fā)明者吳芃逸, 林文禹, 沈佳輝, 洪梓健, 涂博閔, 馬志邦, 黃世晟 申請(qǐng)人:展晶科技(深圳)有限公司;榮創(chuàng)能源科技股份有限公司