CN101651181A - 发光二极管 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种包含形成于基板凹陷区的发光二极管的半导体元件。图案化及蚀刻一基板，以形成凹陷区。形成一分离层于该凹陷区底部。形成一发光二极管结构于该凹陷区侧壁，并选择性地形成于相邻凹陷区间的该基板上表面。在一实施例中，发光二极管结构的表面积大于平面型发光二极管。在一实施例中，发光二极管结构形成于凹陷区内，以使下接合层非坦覆性地形成于该凹陷区。在一实施例中，一硅基板的凹陷区致形成一具有非平面立方体结构的下接合层，例如一氮化镓层，具有较高外部量子效率。

Description

发光二极管
技术领域
本发明涉及一种发光二极管，特别是涉及一种形成于基板凹陷区的发光二极管。
背景技术
发光二极管的制作包括形成有源区于一基板上与沉积不同导电层及半导体层于基板上。电子-空穴对的辐射性再结合可通过pn结的电流产生电磁辐射(光)。在一由直接能隙材料例如砷化镓或氮化镓制作的正偏压pn结中，射入耗尽区的电子-空穴对再结合致放射出电磁辐射。电磁辐射可在可见光区或非可见光区。利用不同能隙的材料可制作出不同颜色的发光二极管。此外，放射非可见光区电磁辐射的发光二极管可使非可见光朝向磷光镜或类似材料。当磷光粉吸收非可见光后，即放射出可见光。
由于蓝宝石基板的晶格方向允许氮化第三族化合物外延成长于蓝宝石基板上，遂发光二极管通常制作在蓝宝石基板上作为氮化第三族化合物发光二极管结构。然而，蓝宝石基板较硅基板昂贵，且由于蓝宝石的低热导度，致蓝宝石基板经常产生热累积的现象。
此外，发光二极管通常形成于一平面基板上，即一平面型发光二极管结构。平面型发光二极管结构限制了可置于特定尺寸基板上发光材料的量，结果限制了特定尺寸大小发光二极管的发光效率。
因此，开发一种低成本同时增加特定尺寸发光二极管发光效率的发光二极管元件结构及其制造方法是必要的。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种形成于基板凹陷区的发光二极管。
本发明提供的发光二极管元件，包括：一基板，该基板为一硅基板；凹陷区，形成于该基板中；发光二极管结构，形成于该凹陷区内，该发光二极管结构延伸覆盖该凹陷区侧壁；以及一分离区，形成于该凹陷区底部。
本发明提供的另一发光二极管元件，包括：一基板；凹陷区，形成于该基板中；一分离层，形成于该凹陷区底部；一第一接合层，覆盖该凹陷区侧壁，该第一接合层具有一平面，且该第一接合层于相邻凹陷区间为一连续层；一有源层，覆盖该第一接合层；以及一第二接合层，覆盖该有源层。
本发明的一实施例，提供一种发光二极管的制造方法，包括形成凹陷区于一基板中以及形成发光二极管结构于该凹陷区内。该发光二极管结构具有一覆盖该凹陷区侧壁的下接合层。该发光二极管结构包括该下接合层、一有源层(多重量子阱)与一上接合层。在一实施例中，选择性地形成一缓冲层，以利该下接合层成长于该基板上。再者，形成该发光二极管结构于邻近该凹陷区的该基板上表面。
本发明的一实施例，提供一种发光二极管元件。该发光二极管元件包括发光二极管结构，形成于一基板的凹陷区内，并覆盖该凹陷区侧壁。该发光二极管结构坦覆性地形成于该凹陷区侧壁，并选择性地形成于邻近该凹陷区的该基板上表面。
本发明的一实施例，提供一种发光二极管元件。该发光二极管元件包括发光二极管结构。该发光二极管结构具有一非坦覆性的下接合层，较佳为一平面。于该下接合层上，坦覆性地形成一有源层与一上接合层。
本发明允许集成具有发光二极管结构的硅半导体元件的能力同时通过使用例如一主体硅基板以降低成本。使用的硅基板进一步允许对发光二极管元件进行选择性外延成长及降低发光二极管元件的残余应力。使用的凹陷基板也允许增加发光二极管结构的表面积，以借此增加发光面积与发光效率。使用非坦覆性或平面接合与有源层的实施例允许一立方体结构的氮化第三族层，其表现出较高的外部量子效率。
为让本发明的上述目的、特征及优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。
附图说明
图1a～图1f为根据本发明的一实施例，一种发光二极管结构制造方法的剖面示意图。
图2a～图2c为根据本发明的一实施例，一种发光二极管结构制造方法的剖面示意图。
图3为根据本发明的一实施例，一种发光二极管结构制造方法的剖面示意图。
图4～图5为本发明实施例所使用图案的平面图。
上述附图中的附图标记说明如下：
102～基板；
104～第一掩模；
105～开口；
106～图案化第一掩模；
108～凹陷区；
110、202～分离层；
112、204～分离区；
114、206～发光二极管结构；
120、312～第一接合层；
122、314～有源层；
124、316～第二接合层；
310～平面型发光二极管结构。
具体实施方式
本发明提供一种新的发光二极管结构及其制造方法。
图1a～图1f为本发明的一实施例，在不同工艺步骤的剖面示意图。请参阅图1a，提供一其上形成有一第一掩模104的基板102。基板102较佳为一掺杂第一导电型掺质的主体半导体结构，较佳具有(100)或(111)晶格方向。第一掩模104较佳形成于基板102上，以在后续蚀刻工艺中保护基板102区域免于形成凹陷结构。
在一实施例中，本发明使用一主体硅基板，而其他基板也可使用，例如绝缘层上覆硅(silicon-on-insulator，SOI)基板、蓝宝石基板、碳化硅基板或其类似材料的基板均可使用。由于低成本且可降低形成于发光二极管结构上的残余应力，遂本发明特别适合使用硅基板。硅基板也可提高萃取效率且允许使用一选择性氮化第三族外延成长工艺。
第一掩模104较佳为一包含一层或多层介电层的硬掩模。在一实施例中，第一掩模104包括一通过例如热氧化或使用四乙基硅氧烷(TEOS)与氧作为前躯物的化学气相沉积(CVD)技术所形成的二氧化硅层或一通过使用硅烷与氨作为前躯气体的化学气相沉积(CVD)技术所形成的氮化硅层。第一掩模104也可由其他介电材料所构成，例如氮氧化硅或其类似材料。此外，例如由二氧化硅层与氮化硅层构成的多层硬掩模也可使用。再者，其他材料例如金属、金属氮化物、金属氧化物或其类似材料也可使用，例如第一掩模104可为钨。
请参阅图1b，根据本发明的一实施例，对第一掩模104进行一图案化步骤，以形成一图案化第一掩模106。在一实施例中，第一掩模104通过公知的光刻技术进行图案化。一般来说，光刻技术包括沉积一光致抗蚀剂材料以及根据一图案照射光致抗蚀剂材料。之后，对光致抗蚀剂材料进行显影，以移除部分光致抗蚀剂材料。留下的光致抗蚀剂材料在后续例如蚀刻的工艺中作为下层材料的保护。此实施例中，光致抗蚀剂材料用以制作一图案化掩模，以定义开口105(将成为基板102的凹陷区)。
请参阅图1c，根据本发明的一实施例，进行一蚀刻步骤，以形成凹陷区108。在蚀刻过程中，图案化第一掩模106保护下层基板102，而未受保护的部分基板102，即被移除，形成凹陷区108。在一实施例中，蚀刻工艺至少一部分通过湿式浸入稀释的氢氧化钾溶液而完成。凹陷区108的宽度较佳介于0.1～100微米，其深度较佳介于0.1～10微米。其他蚀刻工艺，例如干蚀刻(感应耦合等离子体蚀刻(inductively-coupled plasma，ICP)、反应离子蚀刻(RIE)及其类似工艺)和/或湿蚀刻(化学蚀刻、光辅助(photo-enhance)化学蚀刻及其类似工艺)也可使用。凹陷区108可为任意形状，例如金字塔形、锥形、圆柱形、半球体形、矩形或其类似形状。
请参阅图1d，根据本发明的一实施例，形成一分离层110。分离层110较佳包括一沉积于基板102上的介电材料坦覆层。金属氮化物或其他具有高电阻的材料也可作为分离层110，例如电阻大于1014ohm-cm的氮化铝。第一掩模104与分离层110的材料选择较佳为使两者不同层材料之间于后续工艺中具有良好蚀刻选择率，例如在一实施例中，第一掩模104为二氧化硅，分离层110为氮化硅。在一实施例中，可使用热磷酸于120℃温度下对分离层110进行蚀刻，热磷酸于氮化硅与二氧化硅之间的蚀刻选择率大于100。分离层110的厚度较佳介于5～3,000纳米。
请参阅图1e，对分离层110进行一图案化步骤，以移除沿凹陷区108底部以外的分离层110，形成分离区112。分离层110可通过上述公知的光刻技术进行图案化。此实施例中，一光致抗蚀剂材料经沉积、曝光及显影后，留下部分光致抗蚀剂材料于沿凹陷区108底部的分离层110上。在一蚀刻工艺中，例如各向异性干蚀刻，可移除未受保护的分离层110，而留下部分分离层110，形成如图1e所示的分离区112。
请参阅图1f，根据本发明的一实施例，形成发光二极管结构114。发光二极管结构114形成于凹陷区108侧壁，较佳通过凹陷区108底部的分离区112加以分离，此时，分离区112可降低发光二极管结构114于外延成长过程中的残余应力。发光二极管结构114可延伸覆盖分离区112上，以削减发光二极管结构114的残余应力。
发光二极管结构114可包括任何适合特定用途的发光二极管结构。一般来说，发光二极管结构114包括一第一接合层120，形成于基板102凹陷区108的侧壁。第一接合层120较佳由掺杂第一导电型掺质(n-氮化镓)的氮化第三族化合物所构成，并通过例如一选择性外延成长工艺所形成，例如分子束外延(molecular-beam epitaxy，MBE)、金属有机化学气相沉积(metal organicchemical vapor deposition，MOCVD)、氢化物气相外延(hydride vapor phaseepitaxy，HVPE)、液相外延(liquid phase epitaxy，LPE)或其他类似方法。氮化第三族材料可包括例如氮化镓、氮化铟、氮化铝、氮化镓铟(InxGa(1-x)N)、氮化镓铝(AlxGa(1-x)N)、氮化镓铟铝(AlxInyGa(1-x-y)N)或其类似物。
一有源层122设置于第一接合层120上。有源层122可包括多重量子阱(MQW)，作为发射光的有源层。有源层122的多重量子阱(MQW)结构可例如为氮化镓铟层与氮化镓层。有源层122的多重量子阱(MQW)可于外延反应槽中形成。
一第二接合层124设置于有源层122上。第二接合层124较佳由掺杂第二导电型掺质(p-氮化镓)的氮化第三族化合物所构成，并通过例如一选择性外延成长工艺所形成，例如分子束外延(molecular-beam epitaxy，MBE)、金属有机化学气相沉积(metal organic chemical vapor deposition，MOCVD)、氢化物气相外延(hydride vapor phase epitaxy，HVPE)、液相外延(liquid phase epitaxy，LPE)或其他类似方法。
之后，进行例如第一接合层120与第二接合层124的电接合(前接合和/或背接合)，钝化层的形成以及发光二极管元件的切割与封装，以完成发光二极管元件的制作。
前述内容为基板中形成凹陷区的方法，并于凹陷区形成发光二极管元件。其他例如布拉格反射镜(distributed Bragg reflector，DBR)或缓冲层也可形成。根据基板种类及第一接合层120与第二接合层124的连接，缓冲层可形成于第一接合层120与基板102之间。举例来说，对于碳化硅基板，例如氮化铝或氮化镓铝的缓冲层将有助于氮化第三族化合物选择性外延成长于碳化硅基板上。布拉格反射镜(DBR)通常包括具有不同折射率的多个层，以反射自发光二极管结构发射的光，借此增加发光二极管元件的上部发光。一反射式缓冲层也可使用或以布拉格反射镜(DBR)代替。
发光二极管结构114可根据使用材料种类及设定用途作改变。本发明实施例包括各种类型的发光二极管结构，其于基板中提供凹陷区并形成发光二极管结构。
以优点来说，本领域普通技术人员均了解由于发光二极管结构114为非平面，因此，有源层122的总面积大于占据相同芯片面积的平面多重量子阱(MQW)的面积，致增加发光效率。
前述内容为对第一接合层120提供一背接合，通常配合使用掺杂基板。本发明也可对第一接合层120提供一前接合，此时，则配合使用未掺杂基板。
图2a～图2c为本发明的一实施例，在不同工艺步骤的剖面示意图。图2a～图2c所示内容在工艺步骤、材料及结构上皆类似图1a～图1f。
请参阅图2a，此为图1c的后续步骤，根据本发明的一实施例，待移除图案化第一掩模106(如图1c所示)后，形成一分离层202。图案化第一掩模106可通过例如湿式浸入稀释的氢氟酸溶液加以移除。
分离层202坦覆性地形成于基板102表面。分离层202较佳为一介电层，例如二氧化硅，其形成方法类似前述图1d所揭示的分离层110。
请参阅图2b，图案化分离层202，以形成分离区204。分离层202经图案化步骤，以形成沿凹陷区108底部的分离区204。分离区204可通过光刻技术与例如各向异性干蚀刻的蚀刻步骤而形成，如图1e图所示。
请参阅图2c，以与形成发光二极管结构114的相同方法形成发光二极管结构206，发光二极管结构206也形成覆盖于相邻凹陷区108之间的基板102上表面。由于已移除图案化第一掩模106(如图1c所示)露出下层基板，遂发光二极管结构206会通过选择性外延成长形成于相邻凹陷区108之间的基板102上表面与露出的凹陷区108侧壁。此时，已创造出更大面积的发光二极管结构206，其发光效率大于平面型发光二极管或如图1f所示的发光二极管。
图3为本发明的一实施例，在不同工艺步骤的剖面示意图。图3所示内容在工艺步骤、材料及结构上皆类似图1a～图1f。
请参阅图3，此为图1e的后续步骤，形成一平面型发光二极管结构310于凹陷区108内，实质性填满凹陷区。在一实施例中，形成发光二极管结构310的方法较佳使一第一接合层312相对于下层基板102具有一非坦覆性表面。在一较佳实施例中，第一接合层312的上表面为平面。在一更佳实施例中，第一接合层312的上表面与基板102的上表面为共平面。在一实施例中，例如使用一n-氮化镓/多重量子阱/p-氮化镓的发光二极管结构，n-氮化镓的第一接合层312可通过例如一金属有机气相外延工艺而形成，将基板置于金属有机化学气相沉积(MOCVD)设备的反应腔室内并加热至大约1,000度，期间导入氢、氨及三甲基镓(TMGa)至反应腔室。为形成n-型掺杂的氮化镓，也导入硅烷至反应腔室。反应腔室的压力大约为40托。以与前述形成有源层122与第二接合层124类似的方法形成有源层314与第二接合层316(p-氮化镓层)，将双(环戊二烯)镁(bis(cyclopentadienyl)magnesium，CP2Mg)置于反应腔室内，以取代硅烷形成p-氮化镓。
在一实施例中，可选择性地移除图案化第一掩模106。此外，若保留包含金属或其他导电材料的图案化第一掩模，则第一接合层312较佳延伸覆盖于图案化第一掩模106上，以避免第一接合层312与第二接合层316的间产生短路的问题。
根据本发明实施例，本领域普通技术人员应可了解当第一接合层与有源层的表面积小于前述图1a～图1f与图2a～图2c所示的表面积时，可使用凹陷基板，以形成一具有非平面立方体结构的外延氮化镓层。此种设置方式与沿基板表面形成氮化镓平面层相比可允许较高的外部量子效率。
在一实施例中，由于第一接合层312完全覆盖分离区112，遂分离区112可由介电材料、金属或金属氮化物所构成。
图4～图5为本发明实施例所使用图案的平面图。图中所揭示图案可为任意形状、大小，并符合各种特定用途。请参阅图4，图案化第一掩模106(如图1b所示)为格子形状，而发光二极管结构(如图1f与图2c所示的发光二极管结构114与206)形成于格子以外区域或格子形状的凹陷区内。图5为本发明另一实施例，发光二极管结构114与206以平行线方式设置。
举例来说，本发明揭示一n-型基板与一由上至下包含n-氮化镓层、有源层与p-氮化镓层的发光二极管结构，本发明也可使用由上至下包含p-氮化镓层、有源层与n-氮化镓层的发光二极管结构。此外，除了氮化镓以外的其他类型材料也可使用。在一实施例中，基板可例如为一p-型基板(背接合)或一未掺杂基板(前接合)。
本领域普通技术人员应可了解本发明实施例允许集成具有发光二极管结构的硅半导体元件的能力同时通过使用例如一主体硅基板以降低成本。使用的硅基板进一步允许对发光二极管元件进行选择性外延成长及降低发光二极管元件的残余应力。使用的凹陷基板也允许增加发光二极管结构的表面积，以借此增加发光面积与发光效率。使用非坦覆性或平面接合与有源层的实施例，例如前述图3所讨论的实施例，允许一立方体结构的氮化第三族层，其表现出较高的外部量子效率。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，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，当可作更动与润饰，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。

Claims (12)

1.一种发光二极管元件，包括：
一基板，该基板为一硅基板；
凹陷区，形成于该基板中；
发光二极管结构，形成于该凹陷区内，该发光二极管结构延伸覆盖该凹陷区侧壁；以及
一分离区，形成于该凹陷区底部。
2.如权利要求1所述的发光二极管元件，其中该发光二极管结构包括一第一接合层，形成于该凹陷区侧壁，一有源层，覆盖该第一接合层，以及一第二接合层，覆盖该有源层。
3.如权利要求2所述的发光二极管元件，其中该第一接合层具有一非坦覆性表面。
4.如权利要求2所述的发光二极管元件，其中该第一接合层具有一实质性平面并填入该凹陷区。
5.如权利要求1所述的发光二极管元件，其中该发光二极管结构延伸覆盖相邻凹陷区间的该基板上表面。
6.一种发光二极管元件，包括：
一基板，包括凹陷区，形成于该基板中；以及
发光二极管结构，形成于该凹陷区内，该发光二极管结构覆盖该凹陷区侧壁。
7.如权利要求6所述的发光二极管元件，还包括一分离区，形成于该凹陷区底部。
8.如权利要求6所述的发光二极管元件，其中每一该发光二极管结构包括一第一接合层，形成于该凹陷区侧壁，一有源层，覆盖该第一接合层，以及一第二接合层，覆盖该有源层。
9.如权利要求6所述的发光二极管元件，其中该发光二极管结构延伸覆盖相邻凹陷区间的该基板上表面。
10.如权利要求6所述的发光二极管元件，其中该发光二极管结构具有一平面。
11.如权利要求6所述的发光二极管元件，其中该发光二极管结构具有一上表面，与该凹陷区一致。
12.一种发光二极管元件，包括：
一基板；
凹陷区，形成于该基板中；
一分离层，形成于该凹陷区底部；
一第一接合层，覆盖该凹陷区侧壁，该第一接合层具有一平面，且该第一接合层于相邻凹陷区间为一连续层；
一有源层，覆盖该第一接合层；以及
一第二接合层，覆盖该有源层。
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