TW201440250A - 發光二極體晶粒及其製造方法 - Google Patents

Abstract

一種發光二極體晶粒，包括：基板；形成在基板上的未摻雜GaN層，所述未摻雜GaN層中形成有空氣間隙，所述空氣間隙與覆蓋於其上的未摻雜GaN層共同組成布拉格反射層；以及依次形成在未摻雜GaN層之上的N型GaN層、活性層以及P型GaN層。由於空氣間隙與未摻雜GaN層的折射率的差值較大，使到所形成的布拉格反射層的反射率較高，進而提高了發光二極體晶粒的出光效率。本發明還提供了一種發光二極體的製造方法。

Description

發光二極體晶粒及其製造方法

本發明涉及一種發光元件，尤其涉及一種具有較高出光效率的發光二極體晶粒以及相應的發光二極體晶粒的製造方法。

發光二極體(Light Emitting Diode，LED)是一種可將電流轉換成特定波長範圍的光電半導體元件。發光二極體以其亮度高、工作電壓低、功耗小、易與積體電路匹配、驅動簡單、壽命長等優點，從而可作為光源而廣泛應用於照明領域。

發光二極體晶粒通常包括基板，依次形成在基板之上的緩衝層、N型半導體層、活性層、P型半導體層。然而，活性層發出的朝向基板的光線容易被緩衝層以及基板所吸收，從而降低發光二極體晶粒的整體出光效率。為解決光線被基板以及緩衝層吸收的問題，通常在緩衝層與N型半導體層之間設置一層布拉格反射層，用以將活性層發出的朝向基板的光線反射向上，以增加出光效率。所述布拉格反射層通常由兩層折射率不同的半導體層交疊而成。由於半導體層之間的折射率差別較小，使得該種結構的布拉格反射層對光線的反射率較低，導致發光二極體晶粒的出光效率提升效果不佳。

有鑒於此，有必要提供一種可有效提高出光效率的發光二極體及相應的發光二極體的製造方法。

一種發光二極體晶粒，包括：

基板；

形成在基板上的未摻雜GaN層，所述未摻雜GaN層中形成有空氣間隙，所述空氣間隙與覆蓋於其上的未摻雜GaN層共同組成多層布拉格反射層；以及依次形成在未摻雜GaN層之上的N型GaN層、活性層以及P型GaN層。

一種發光二極體晶粒的製造方法，包括：

提供一個基板；

在基板上成長未摻雜GaN層，所述未摻雜GaN層的表面包括相鄰設置的第一區域和第二區域；

蝕刻未摻雜GaN層的表面的第一區域以形成多個凹部；

在未摻雜GaN層的凹部底面以及第二區域表面生長半導體疊層，所述半導體疊層包括交替層疊的AlN層與未摻雜GaN層，AlN層位於半導體疊層底部，未摻雜GaN層位於半導體疊層頂部；

蝕刻位於第二區域表面的AlN層以去除AlN層及位於其上的未摻雜GaN層；

在未摻雜GaN層的表面依次成長N型GaN層、活性層以及P型GaN層；

去除位於第一區域的AlN層以在未摻雜GaN層內部形成空氣間隙，所述空氣間隙與位於其上的未摻雜GaN層形成布拉格反射層；以及

切割所述基板以及形成於其上的半導體層以形成多個發光二極體晶粒。

在上述發光二極體晶粒及發光二極體晶粒的製造方法中，由於空氣間隙與未摻雜GaN層之間的折射率差別較大，所形成的布拉格反射層將具有較高的反射率，以將活性層所發出的朝向基板的光線反射向上，從而有效提高發光二極體晶粒的出光效率。

100．．．發光二極體晶粒

110．．．基板

120．．．未摻雜GaN層

121．．．空氣間隙

122．．．第一區域

123．．．第二區域

124．．．凹部

125．．．半導體疊層

1251．．．AlN層

1252．．．第二未摻雜GaN層

126．．．SiO₂保護層

130．．．N型GaN層

131．．．N型電極

140．．．活性層

150．．．P型GaN層

151．．．P型電極

160．．．切割道

圖1係本發明實施例提供的發光二極體的結構示意圖。

圖2係本發明實施例所提供的發光二極體的製造方法的第一個步驟。

圖3係本發明實施例所提供的發光二極體的製造方法的第二個步驟。

圖4係圖3所製備的半導體結構的俯視圖。

圖5係本發明實施例所提供的發光二極體的製造方法的第三個步驟。

圖6係本發明實施例所提供的發光二極體的製造方法的第四個步驟。

圖7係本發明實施例所提供的發光二極體的製造方法的第五個步驟。

圖8係圖7所製備的半導體結構的俯視圖。

圖9係本發明實施例所提供的發光二極體的製造方法的第六個步驟。

圖10係本發明實施例所提供的發光二極體的製造方法的第七個步驟。

圖11係本發明實施例所提供的發光二極體的製造方法的第八個步驟。

圖12係本發明實施例所提供的發光二極體的製造方法的第九個步驟。

圖13係本發明實施例所提供的發光二極體的製造方法的第十個步驟。

圖14係本發明另一實施例所提供的基板以及未摻雜GaN層。

以下參照圖示，對本發明的發光二極體晶粒及發光二極體晶粒的製造方法進行進一步的說明。

請參見圖1，本發明實施例提供的發光二極體晶粒100包括基板110，形成在基板110之上的未摻雜GaN層120，依次形成在未摻雜GaN層120之上的N型GaN層130、活性層140以及P型GaN層150。一P型電極151及一N型電極131分別與P型GaN層150及N型GaN層130電連接。

所述基板110可以是藍寶石基板、矽基板或者是碳化矽基板。在本實施例中，基板110為藍寶石基板。所述活性層140可以是多量子阱層。

所述未摻雜GaN層120中形成有空氣間隙121，所述空氣間隙121與覆蓋於其上的未摻雜GaN層120共同組成布拉格反射層。在本實施例中，所述空氣間隙121的厚度D1滿足以下關係：D1=λ/(4n₁)，覆蓋在空氣間隙121之上的未摻雜GaN層120的厚度D2滿足以下關係：D2=λ/(4n₂)，其中，λ為活性層140所發出光線的峰值波長，n₁為空氣的折射率，n₂為未摻雜GaN層120的折射率。可見，若活性層發出的光線的峰值波長λ為365nm的話，由於空氣的折射率n₁=1，未摻雜GaN層120的折射率n₂=2.48，此時，空氣間隙121的厚度D1為91.2nm，覆蓋在空氣間隙121之上的未摻雜GaN層120的厚度D2為36.7nm。根據需要，所述未摻雜GaN層120中亦可形成多個空氣間隙121，所述多個空氣間隙121與間隔於其中的多個未摻雜GaN層120共同組成布拉格反射層。

對於布拉格反射器來說，其對光線的反射率R可藉由下式計算：

R = [n₀(n₂)^2N- n_s(n₁)^2N]²/[n₀(n₂)^2N+ n_s(n₁)^2N]²

其中n₀為起始介質的折射率，n_s為終點介質的折射率，n₁、n₂分別為交替設置於起始介質與終點介質之間的兩層不同介質的折射率，N為兩層不同介質所重複的對數。

可見，在起始介質的折射率n₀與終點介質n_s的折射率固定的情況下，n₁與n₂之間的差別越大，布拉格反射器對光線的反射率就越高。

而在本發明所提供的發光二極體晶粒100中，由於空氣的折射率（n₁=1）要小於半導體材料的折射率，採用未摻雜GaN層120與空氣間隙121所製成布拉格反射器，其對活性層140所發出的光線將具有較高的反射率，從而將活性層140所發出的朝向基板110的光線反射向上，從而提高發光二極體晶粒100的出光效率。同時，從上述反射率計算公式可看出，如果要達到相同的反射率，兩層不同介質的折射率n₁、n₂差別越大，兩層不同介質重複的對數N就越小。一般的布拉格反射層需要15到30對折射率不同的材料組合才能達到高反射率。而在本發明的發光二極體晶粒中，由於布拉格反射層由未摻雜GaN層120與空氣間隙121製成，其折射率差異很大。因此，只需2-3對即可達到高反射率。可見，在實現布拉格反射層具有相同的反射率的情況下，本發明的發光二極體晶粒100具有疊層數量少，生產更為容易，製造成本更低的優點。

上述的發光二極體晶粒100的製造方法包括以下步驟。

請參見圖2，首先提供一個基板110。所述基板110可以是藍寶石基板、矽基板或者是碳化矽基板。

請參見圖3，在基板110上成長未摻雜GaN層120，所述未摻雜GaN層120的表面包括在水平面內交替排布的第一區域122和第二區域123。請一併參見圖4，在本實施例中，所述第一區域122和第二區域123為相鄰設置的條形區域且佈滿整個未摻雜GaN層120。

請參見圖5，蝕刻未摻雜GaN層120表面的第一區域122以在對應第一區域122的部分形成多個凹部124。在本實施例中，所述凹部124藉由等離子蝕刻方法製成。根據需要，所述凹部124的深度由後續所容納的AlN層1251與第二未摻雜GaN層1252的對數所決定，其應該可以至少容納一對AlN層1251與第二未摻雜GaN層1252。

請參見圖6，在具有凹部124的未摻雜GaN層120的表面生長半導體疊層125，所述半導體疊層125除覆蓋在第一區域122的凹部124外，還覆蓋在未摻雜GaN層120表面的第二區域123。在本實施例中，所述半導體疊層125包括交替層疊的AlN層1251和第二未摻雜GaN層1252。所述半導體疊層125的底部為AlN層1251，所述半導體疊層125的頂部為第二未摻雜GaN層1252。在本實施例中，所述半導體疊層125包括兩對AlN層1251和第二未摻雜GaN層1252。根據需要，所述半導體疊層125亦可包括一對或者多對AlN層1251和第二未摻雜GaN層1252。在包括一對AlN層1251和第二未摻雜GaN層1252的情況下，可先在具有凹部124的未摻雜GaN層120表面生長AlN層1251，然後再在AlN層1251的表面生長第二未摻雜GaN層1252。在包括兩對或者多對AlN層1251和第二未摻雜GaN層1252的情況下，可依以上順序多次重複生長形成多層交替的結構。

請參見圖7-8，在未摻雜GaN層120以及位於第一區域122的半導體疊層125的側面形成一層SiO₂保護層126。所述SiO₂保護層126環繞未摻雜GaN層120以設置於GaN層120的周緣側面。在本實施例中，所述SiO₂保護層126的厚度為300nm。

請參見圖9，蝕刻去除位於第二區域123的AlN層1251以及位於其上的第二未摻雜GaN層1252。在本實施例中，去除位於第二區域的AlN層1251的方式為將上述晶片浸泡至加熱的KOH溶液之中。由於KOH溶液對AlN層1251的蝕刻速度遠大於對第二未摻雜GaN層1252的蝕刻速度，因此未被SiO₂保護層126覆蓋的、位於第二區域123上的AlN層1251將首先被蝕刻而去除。相應地，附著在第二區域123的AlN層1251上的第二未摻雜GaN層1252也相應從晶片上脫離。而對於形成在第一區域122的凹部124內的半導體疊層125，其中頂部覆蓋有第二未摻雜GaN層1252，其側面暴露的AlN層1251又覆蓋有SiO2保護層126，因而當位於第二區域123上的AlN層1251被蝕刻而去除時，所述位於第一區域122的AlN層1251將不會被KOH溶液所蝕刻，也就是說，位於第一區域122的凹部124內的半導體疊層125保存完好。根據需要，所述KOH溶液加熱到70攝氏度到90攝氏度的範圍內。

請參見圖10，在第二區域123上的半導體疊層125（即AlN層1251以及位於其上的第二未摻雜GaN層1252）被去除之後，去除所述SiO2保護層126以暴露出位於第一區域122的AlN層1251和第二未摻雜GaN層1252的側面。

請參見圖11，在未摻雜GaN層120以及第二未摻雜GaN層1252的表面依次成長N型GaN層130、活性層140以及P型GaN層150。其中，所述活性層140可以是多量子阱層。

請參見圖12，在以上所形成的半導體結構上形成多個縱橫交錯的切割道160，所述切割道160從P型GaN層150延伸至未摻雜GaN層120。圖12中僅示出沿第二區域123的延伸方向形成的切割道160。為方便描述，可將該方向的切割道160定義為縱向切割道。可以理解地，橫向切割道，也即延伸穿過第一區域122和第二區域123的切割道160會暴露出位於第一區域122的AlN層1251的側面。

請參見圖13，去除位於第一區域122的AlN層1251以在未摻雜GaN層120的內部形成空氣間隙121。所述空氣間隙121與位於其上的第二未摻雜GaN層1252共同形成布拉格反射層。在本實施例中，利用加熱的KOH溶液蝕刻去除位於第一區域122的AlN層1251。所述KOH溶液加熱到70攝氏度到90攝氏度的範圍內。根據需要，所述空氣間隙121的厚度D1滿足以下關係：D1=λ/(4n₁)，覆蓋在空氣間隙121之上的未摻雜GaN層120的厚度D2滿足以下關係：D2=λ/(4n₂)，其中，λ為活性層140所發出光線的峰值波長，n₁為空氣的折射率，n₂為未摻雜GaN層120的折射率。

沿所述切割道160切割以上所形成的半導體結構以形成多個發光二極體晶粒100，然後分別在N型GaN層130及P型GaN層150之上製作N型電極131與P型電極151。

可以理解的是，在上述方法中，亦可不設置切割道160而直接將圖11所形成的半導體結構直接放入KOH溶液裏面而對AlN層1251進行蝕刻，此時，KOH溶液將從整個晶圓的側面開始對AlN層1251進行蝕刻。

可以理解的是，在上述方法中，亦可不設置SiO₂保護層126。此時，在定義第一區域122時，可將第一區域122設置成不延伸出未摻雜GaN層120的側面，如圖14所示。此時，後續形成的凹部124完全位於未摻雜GaN層120之中。在第一區域122形成凹部124以及在未摻雜GaN層120表面形成半導體疊層125後，位於第一區域122的AlN層1251的表面將完全被第二未摻雜GaN層1252所覆蓋。因此，在蝕刻去除位於第二區域123的AlN層1251時，無需利用SiO₂保護層126對位於第一區域122的AlN層1251進行保護。在蝕刻去除位於第二區域123的AlN層1251後，可以繼續進行後續過程。

在上述製造方法中，所述半導體疊層125並不限於包括AlN層1251和第二未摻雜GaN層1252。根據需要，可用N型GaN層取代所述AlN層1251。所述N型GaN層的摻雜濃度在8×10¹⁸cm^-3到1×10²⁰cm^-3之間。在蝕刻去除N型GaN層時，可以使用KOH溶液並搭配光化學蝕刻法（PEC）去除所述N型GaN層而形成空氣間隙121。

綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施方式，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。

100．．．發光二極體晶粒

110．．．基板

120．．．未摻雜GaN層

121．．．空氣間隙

130．．．N型GaN層

131．．．N型電極

140．．．活性層

150．．．P型GaN層

151．．．P型電極

Claims (13)

1. 一種發光二極體晶粒，包括：
   基板；
   形成在基板上的未摻雜GaN層，所述未摻雜GaN層中形成有空氣間隙，所述空氣間隙與覆蓋於其上的未摻雜GaN層共同組成多層布拉格反射層；
   依次形成在未摻雜GaN層之上的N型GaN層、活性層以及P型GaN層；以及
   P型電極及N型電極，分別與P型GaN層及N型GaN層電連接。
2. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體晶粒，其中，所述空氣間隙的厚度D1滿足以下關係：D1=λ/(4n₁)，覆蓋在空氣間隙之上的未摻雜GaN層的厚度D2滿足以下關係：D2=λ/(4n₂)，其中，λ為活性層所發出光線的峰值波長，n₁為空氣的折射率，n₂為未摻雜GaN層的折射率。
3. 一種發光二極體晶粒的製造方法，包括：
   提供一個基板；
   在基板上成長未摻雜GaN層，所述未摻雜GaN層的表面包括相鄰設置的第一區域和第二區域；
   蝕刻未摻雜GaN層的表面的第一區域以形成多個凹部；
   在未摻雜GaN層的表面生長半導體疊層，所述半導體疊層包括交替層疊的AlN層與未摻雜GaN層，AlN層位於半導體疊層底部，未摻雜GaN層位於半導體疊層頂部；
   蝕刻位於第二區域的AlN層以去除AlN層及位於其上的未摻雜GaN層；
   在未摻雜GaN層的凹部底面以及第二區域的表面依次成長N型GaN層、活性層以及P型GaN層；
   去除位於第一區域的AlN層以在未摻雜GaN層內部對應該去除的AlN層位置形成空氣間隙，所述空氣間隙與位於其上的未摻雜GaN層形成布拉格反射層；以及
   切割所述基板以及形成於其上的半導體層以形成多個發光二極體晶粒。
4. 如申請專利範圍第3項所述之發光二極體晶粒的製造方法，其中，在蝕刻第二區域的AlN層之前，在未摻雜GaN層以及位於第一區域的AlN層的側面形成一層SiO₂保護層，在第二區域的AlN層被蝕刻去除之後，所述SiO₂保護層被去除以暴露出未摻雜的GaN層以及位於第一區域的AlN層的側面。
5. 如申請專利範圍第4項所述之發光二極體晶粒的製造方法，其中，所述SiO₂保護層的厚度為300nm。
6. 如申請專利範圍第4項所述之發光二極體晶粒的製造方法，其中，利用KOH溶液蝕刻所述AlN層。
7. 如申請專利範圍第4項所述之發光二極體晶粒的製造方法，其中，在蝕刻位於第一區域的AlN層之前，在形成在基板之上的半導體結構中形成多個縱橫交錯的切割道，所述切割道從P型GaN層延伸至未摻雜GaN層並暴露出位於第一區域的AlN層的側面。
8. 如申請專利範圍第7項所述之發光二極體晶粒的製造方法，其中，沿所述切割道切割所述基板以及形成於其上的半導體層以形成多個發光二極體晶粒。
9. 如申請專利範圍第3項至第8項任意一項所述之發光二極體晶粒的製造方法，其中，所述空氣間隙的厚度D1滿足以下關係：D1=λ/(4n₁),覆蓋在空氣間隙之上的未摻雜GaN層的厚度D2滿足以下關係：D2=λ/(4n₂)，其中，λ為活性層所發出光線的峰值波長，n₁為空氣的折射率，n₂為未摻雜GaN層的折射率。
10. 如申請專利範圍第3項所述之發光二極體晶粒的製造方法，其中，所述第一區域不延伸出未摻雜GaN層的側面，從而使後續形成的凹部位於未摻雜GaN層之中。
11. 如申請專利範圍第3項所述之發光二極體晶粒的製造方法，其中，在生長半導體疊層的過程中，用N型GaN層取代所述AlN層。
12. 如申請專利範圍第11項所述之發光二極體晶粒的製造方法，其中，所述N型GaN層的摻雜濃度在8×10¹⁸cm^-3到1×10²⁰cm^-3之間。
13. 如申請專利範圍第11項所述之發光二極體晶粒的製造方法，其中，利用KOH溶液搭配光化學蝕刻法蝕刻去除半導體疊層中的N型GaN層。