CN104600161B - 发光元件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种发光元件及其制造方法。本发明所公开的发光元件包含︰一发光叠层；以及一半导体层具有一第一表面邻接上述发光叠层、一第二表面相对于上述第一表面，以及一孔洞，上述孔洞包含一底部接近上述第一表面及一开口位于上述第二表面，其中上述孔洞的底部具有一宽度大于上述开口的宽度。
Description
技术领域
本发明涉及一种发光元件及其制造方法；特别是涉及一种具有孔洞的发光元件及其制造方法。
背景技术
发光二极管(Light-Emitting Diode，LED)具有耗能低、低发热、操作寿命长、防震、体积小、以及反应速度快等良好特性，因此适用于各种照明及显示用途。由于发光二极管的发光效率为其内部量子效率(internal quantum efficiency)及光取出效率(extraction efficiency)的乘积，故在提升发光二极管的亮度时，除了可从内部量子效率着手外，改善发光二极管的光取出效率也是另一个提升发光二极管亮度的方向。
发明内容
本发明的目的在于提供一种发光元件及其制造方法，以解决上述问题。
为达上述目的，本发明公开一种发光元件，其包含︰一发光叠层；以及一半导体层具有一第一表面邻接上述发光叠层、一第二表面相对于上述第一表面，以及一孔洞，上述孔洞包含一底部接近上述第一表面及一开口位于上述第二表面，其中上述孔洞的底部具有一宽度大于上述开口的宽度。本发明公开一发光元件的制造方法，包含︰提供一基板；形成一发光叠层于上述基板上；形成一半导体层于上述发光叠层上，上述半导体层具有一第一表面邻接上述发光叠层以及一第二表面相对于上述第一表面；以及形成一孔洞于上述半导体层中，上述孔洞包含一底部接近上述第一表面及一开口位于上述第二表面，其中上述孔洞的底部具有一宽度大于上述开口的宽度。
附图说明
图1a至图1g所示为本发明第一实施例的发光元件及其制造方法；
图2用以说明本发明第二实施例的发光元件及其制造方法；
图3用以说明本发明第三实施例的发光元件及其制造方法。
符号说明
101基板
102发光叠层
102a第一电性半导体层
102b发光层
102c第二电性半导体层
103半导体层
103a第一半导体层
103b第二半导体层
103a1第一含铝层
103a2第二含铝层
103a3第三含铝层
103a1ce底部凹洞
103a2o穿透部
103bo开口孔洞
103boe开口
103v孔洞
103v’孔洞
104透明导电层
105金属层
106接合结构
106a1第一接合层
106a2第二接合层
107永久基板
108保护层
109电极
d1开口孔洞103bo的孔洞直径
d2穿透部103a2o的孔洞直径
d3凹洞103a1ce的孔洞直径
L光线
S1第一表面
S2第二表面
具体实施方式
图1a-g为本发明第一实施例的发光元件及其制造方法，如图1a所示，首先提供一基板101，并于其上形成一发光叠层102，发光叠层102包括一半导体叠层，由下而上依序包括一第一电性半导体层102a；一发光层102b位于第一电性半导体层102a之上；以及一第二电性半导体层102c位于发光层102b之上。第一电性半导体层102a和第二电性半导体层102c电性相异，例如第一电性半导体层102a是n型半导体层，而第二电性半导体层102c是p型半导体层。第一电性半导体层102a、发光层102b、及第二电性半导体层102c为III-V族材料所形成，例如为磷化铝镓铟(AlGaInP)系列材料。
接着，如图1b所示，形成一半导体层103于发光叠层102之上。半导体层103包含一含有铝的半导体层，例如包含砷化铝(AlAs)及/或砷化铝镓(AlGaAs)，其厚度约为1μm至10μm。半导体层103具有两相对的表面，第一表面S1邻接发光叠层102，而第二表面S2则相对于第一表面S1。在本实施例中，半导体层103包含一第一半导体层103a于发光叠层102上及一第二半导体层103b于第一半导体层103a上，且第一半导体层103a的铝含量大于第二半导体层103b的铝含量。例如第一半导体层103a包含砷化铝(AlAs)及/或砷化铝镓(AlxGa1-xAs)，在一实施例中，0.5≦x<1，厚度约为3μm；而第二半导体层103b不含铝，例如包含磷化镓(GaP)，厚度约为50nm。此外，在本实施例中，第一半导体层103a为两层结构，即第一半导体层103a包含第一含铝层103a1及第二含铝层103a2，两层中铝含量不同。在本实施例中，第一含铝层103a1的铝含量高于第二含铝层103a2的铝含量，例如第一含铝层103a1为砷化铝(AlAs)，第二含铝层103a2为砷化铝镓(AlyGa1-yAs，其中0.5≦y<1)。第一含铝层103a1及第二含铝层103a2的厚度各约为1.5μm。
接着，进行一孔洞(void)形成步骤，如图1c所示，以一黄光及蚀刻制作工艺在第二半导体层103b中蚀刻出开口孔洞103bo，此开口孔洞103bo作为后续形成的整个孔洞的开口端并提供一开口103boe于第二表面S2上。接着，如图1d所示，以一湿蚀刻制作工艺蚀刻第一半导体层103a。在本实施例中，采用一酸性溶液进行湿蚀刻制作工艺，例如采用柠檬酸(Citric Acid)或氢氟酸(HF)。此酸性溶液蚀刻并穿透第二含铝层103a2，形成穿透部103a2o，此穿透部103a2o为最后形成的整个孔洞103v的中间部分。酸性溶液继续蚀刻第一含铝层103a1，并在第一含铝层103a1中蚀刻出底部凹洞103a1ce，此凹洞103a1ce为整个孔洞103v的底部。
值得注意的是，如前所述，因为第一含铝层103a1和第二含铝层103a2的铝含量不同，故酸性溶液对两层的蚀刻速率不同，铝含量较高则蚀刻速率较高，故铝含量较低的第二含铝层103a2的穿透部103a2o的孔洞直径d2小于铝含量较高的第一含铝层103a1的凹洞103a1ce的孔洞直径d3。此外，穿透部103a2o酸性溶液经由其上方的第二半导体层103b的开口孔洞103bo渗入并蚀刻，故穿透部103a2o的孔洞直径d2大致等于或略大于第二半导体层103b的开口孔洞103bo的孔洞直径d1。在本实施例中，开口孔洞103bo的孔洞直径d1及穿透部103a2o的孔洞直径d2大小约为0.1μm≦d1(或d2)≦20μm，而底部凹洞103a1ce的孔洞直径d3大小约为1.2*d1≦d3≦10*d1。因而，在孔洞(void)形成步骤完成后，孔洞103v形成于半导体层103中，孔洞103v包含一底部(例如底部凹洞103a1ce)接近第一表面S1及一开口(例如开口103boe)位于第二表面S2，且孔洞103v的底部具有一宽度(d3)大于开口的宽度(d1)。
由上述实施例的教示，熟悉本领域技术的人士应当了解，通过控制半导体层103在其形成方向上的铝含量不同，可以调整孔洞的剖面形状，例如上例中通过第一含铝层103a1的铝含量高于第二含铝层103a2的铝含量，而蚀刻出底部宽度大于开口宽度的孔洞。故在一变化的实施例中，可以不形成第二含铝层103a2，而其余则和上述实施例方法相同。而在另一变化的实施例中，也可以不形成第二半导体层103b，而在第一半导体层103a(的第二含铝层103a2)上覆盖光致抗蚀剂及曝光显影形成具圆形开孔的图案于光致抗蚀剂上，并以酸性溶液蚀刻第二含铝层103a2及第一含铝层103a1以形成孔洞。这些形成的孔洞可以有效改善发光二极管的光取出效率，提升发光二极管的亮度。
接着，如图1e所示，形成一透明导电层104位于第二表面S2上并封闭开口103boe。透明导电层104例如是透明导电氧化层，例如包含一材料选自氧化铟锡(Indium TinOxide,ITO)、氧化铝锌(Aluminum Zinc Oxide,AZO)、氧化镉锡、氧化锑锡、氧化锌(ZnO)、及氧化锌锡所构成的材料群组。
接着，将图1e上下旋转180度显示，如图1f所示，在透明导电层104上形成一金属层105与透明导电层104相接，并形成一第一接合层106a1与金属层105相接。金属层105为具高反射率的金属，例如金(Au)，银(Ag)，或铝(Al)，以作为反射镜。然后，提供一永久基板107，永久基板107为一导电基板，例如硅(Si)基板或碳化硅(SiC)基板，接着形成一第二接合层106a2于永久基板107上。第一接合层106a1与第二接合层106a2例如是金(Au)，铟(In)或二者的合金，使第一接合层106a1与第二接合层106a2相接后，形成接合结构106。之后移除基板101，并形成电极109于第一电性半导体层102a上并与其欧姆接触，如图1g所示。此外，可选择性地对第一电性半导体层102a实施一粗化步骤，以使第一电性半导体层102a具有一粗化表面以增加出光。最后，形成保护层108于第一电性半导体层102a上以保护发光元件。由于半导体层103含有铝，容易与空气中的水气反应，故为提高元件可靠度，可于发光元件形成保护层108时一并覆盖半导体层103的侧壁。具体实施方式如图1g所示，即对发光元件施以一光刻及蚀刻制作工艺，以移除发光叠层102及半导体层103的部分侧壁，以使保护层108形成时一并覆盖半导体层103的侧壁。而由于本实施例中第二半导体层103b不含铝，故上述蚀刻制作工艺可仅蚀刻至第一半导体层103a，曝露出不含铝的第二半导体层103b。如图1g中所示，发光叠层102所发出的光线L行进至孔洞103v时，将产生反射及散射的效果，可以有效改善发光二极管的光取出效率，提升发光二极管的亮度及在正向出光面的均匀性。
图2说明本发明第二实施例的发光元件及其制造方法，本实施例为上述第一实施例的变化型，如图1d中所提及，通过控制半导体层103在其形成方向上的铝含量不同，可以调整孔洞的剖面形状，本实施例仅改变第一实施例的半导体层103。在本实施例中，将第一实施例的第一含铝层103a1及第二含铝层103a2顺序对调，即先形成第二含铝层103a2，再形成第一含铝层103a1。与第一实施例相同，第一含铝层103a1为砷化铝(AlAs)，第二含铝层103a2为砷化铝镓(AlyGa1-yAs，其中0.5≦y<1)。由于铝含量较高的第一含铝层103a1在第二半导体层103b下方，故以酸性溶液蚀刻时，蚀刻的时间可设定较第一实施例短，仅蚀刻第一含铝层103a1并形成底部凹洞103a1ce，此凹洞103a1ce为整个孔洞103v’的底部。孔洞103v’包含一底部(例如底部凹洞103a1ce)接近第一表面S1及一开口(例如开口103boe)位于第二表面S2，且孔洞103v’的底部具有一宽度(d3)大于开口的宽度(d1)。至于后续步骤，与第一实施例相同，故不再赘述。相较于第一实施例以铝含量较高的第一含铝层103a1与发光叠层102相接，此实施例由于以铝含量较低的第二含铝层103a2与发光叠层102相接，故相较于第一实施例，可以有较低的正向电压(forward voltage,Vf)。
图3说明本发明第三实施例的发光元件及其制造方法，本实施例也为上述第一实施例的变化型，本实施例也仅改变第一实施例的半导体层103。在本实施例中，于第一实施例的半导体层103再增加一第三含铝层103a3，即先形成第三含铝层103a3后，再如同第一实施例依续形成第一半导体层103a的第一含铝层103a1、第二含铝层103a2，及第二半导体层103b。在本实施例中，第三含铝层103a3与第二含铝层103a2相同，为砷化铝镓(AlyGa1-yAs，其中0.5≦y<1)，厚度也约为1.5μm。至于后续步骤，与第一实施例相同，故不再赘述。相较于第一实施例，本实施例以铝含量较高的第三含铝层103a3与发光叠层102相接，故相较于第一实施例，可以有较低的正向电压(forward voltage,Vf)；此外，在孔洞的剖面形状上，相较于第二实施例，本实施例的孔洞103v与第一实施例的孔洞103v相同，具有穿透部103a2o成为孔洞103v的中间部分，可增加光的反射的机率，故本实施例同时具有上述两实施例的优点。
上述实施例仅为例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本发明所属技术领域中具有通常知识者均可在不违背本发明的技术原理及精神的情况下，对上述实施例进行修改及变化。因此本发明的权利保护范围如附上的权利要求所列。
Claims (9)
1.一种发光元件，包含︰
发光叠层；以及
半导体层，具有第一表面，邻接该发光叠层；第二表面，相对于该第一表面，以及孔洞，该孔洞包含底部，接近该第一表面；及开口，位于该第二表面，其中该孔洞的底部具有一最大宽度大于该开口的最大宽度，
其中该半导体层包含一第一半导体层及一第二半导体层，其中该第二半导体层较该第一半导体层接近该第二表面，且该第一半导体层的铝含量大于该第二半导体层的铝含量，
其中该第一半导体层和该第二半导体层包含该孔洞。
2.如权利要求1所述的发光元件，还包含一透明导电层，位于该第二表面上并封闭该开口。
3.如权利要求1所述的发光元件，其中该半导体层包含砷化铝及/或砷化铝镓。
4.如权利要求1所述的发光元件，其中该第一半导体层包含砷化铝及/或砷化铝镓。
5.如权利要求1所述的发光元件，其中该第二半导体层不含铝。
6.如权利要求1所述的发光元件，其中该开口的最大宽度为d，该孔洞底部的最大宽度为D，且1.2*d≦D≦10*d，其中0.1μm≦d≦20μm。
7.如权利要求1所述的发光元件，其中该半导体层包含多层铝含量不同的半导体层。
8.一种发光元件的制造方法，包含︰
提供一基板；
形成一发光叠层于该基板上；
形成一半导体层于该发光叠层上，该半导体层具有第一表面，邻接该发光叠层；以及第二表面，相对于该第一表面；以及
形成一孔洞于该半导体层中，该孔洞包含底部，接近该第一表面；及开口，位于该第二表面，其中该孔洞的底部具有一最大宽度大于该开口的最大宽度，
其中该半导体层包含一第一半导体层于该发光叠层上及一第二半导体层于该第一半导体层上，且该第一半导体层含铝，而该第二半导体层铝含量少于该第一半导体层。
9.如权利要求8所述的发光元件的制造方法，其中该第一半导体层包含砷化铝及/或砷化铝镓，且该第二半导体层不含铝。
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