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TW201946294A - 發光二極體、其製作方法及發光裝置 - Google Patents

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Abstract

一種發光二極體、其製作方法及發光裝置，該製作方法包含（1）提供一襯底，在該襯底上形成一外延結構，該外延結構依次包含一第一半導體層、一個AlGaInP的有源層、一第二半導體層，以及一第三半導體層，該第三半導體層比所述第一半導體層更靠近所述襯底，該第三半導體層為AlGaAs，厚度為30μm以上；（2）在所述外延結構之遠離所述襯底的一側表面上製作一第一電極和一第二電極，該第一電極電連接該第一半導體層，該第二電極電連接該第二半導體層；（3）移除該襯底，其中該第三半導體層支撐該外延結構，確保該外延結構的物理穩定性。

Description

發光二極體、其製作方法及發光裝置
本發明是有關於一種半導體元件與製法，特別是指一種發光二極體、其製作方法及發光裝置。
倒裝發光二極體(LED)由於其免打線、無電極遮光問題、優良的散熱等優點，是進一步提高發光二極體發光效率的有效技術手段。圖1為一種已知的倒裝AlGaInP系發光二極體，其製作過程是採用鍵合(bonding)技術將一半導體結構80通過一結合層82轉移至一透明的襯底81上。該半導體結構80通常包括一n型半導體層83、一發光層84，以及一p型半導體層85。一p型歐姆接觸電極86與一n型歐姆接觸電極87分別連接該p型半導體層85與該n型半導體層83。該兩電極86、87分別連接一倒裝焊接電極(圖未示)，實現倒裝封裝。
中國專利文獻CN101897048A公開了一種薄的倒裝AlGaInP晶片元件及其製作方法，具體為在半導體結構的同側製作n電極和P電極，再將該半導體結構通過金屬鍵合或者焊接的方式連接到一載具上，最後移除一生長襯底。
中國專利文獻CN107681034A公開了一種微型發光二極體及其製作方法，具體為在半導體結構的下表面製作n電極和p電極，將一外延結構鍵合至一承載基板上，然後去除一生長襯底。
前述各種倒裝發光二極體元件在製作過程中均需要將半導體結構鍵合連接到一襯底(基板)上，然後去除一生長襯底。然而鍵合過程中容易造成元件損壞，從而降低良率。
因此，本發明之一目的，即在提供一種能克服先前技術的至少一個缺點，且不用進行鍵合製程的倒裝AlGaInP系發光二極體的製作方法。
於是，本發明發光二極體的製作方法，包含：（1）提供一襯底，在該襯底上形成一外延結構，該外延結構依次包含一第一半導體層、一個AlGaInP的有源層、一第二半導體層，以及一第三半導體層，該第三半導體層比所述第一半導體層更靠近所述襯底，該第三半導體層為AlGaAs，厚度為30μm以上；（2）在所述外延結構之遠離所述襯底的一側表面上製作一第一電極和一第二電極，該第一電極電連接該第一半導體層，該第二電極電連接該第二半導體層；（3）移除該襯底，其中該第三半導體層支撐該外延結構，確保該外延結構的物理穩定性。
其中，所述步驟(1) 依次包含以下步驟：（11）提供該襯底；（12）採用液相外延技術在該襯底上形成所述第三半導體層；（13）採用MOCVD外延技術，在該第三半導體層上依次形成該第二半導體層、該有源層和該第一半導體層。
其中，在步驟（1）中形成的該第三半導體層的鋁的莫耳百分比為20%~95%。
其中，在步驟（1）中形成的該第三半導體層的厚度為30~300μm。
其中，所述第一半導體層與第二半導體層為p型導電或者n型導電，且第一半導體層與第二半導體層的導電性不同，其中一者為p型時，另一者為n型。
其中，所述第三半導體層可為p型導電或者n型導電。
其中，所述步驟（1）中形成的第二半導體層包含第二類型的一覆蓋層和一窗口層，該窗口層為AlGaAs或AlGaInP；所述步驟（2）中形成的第二電極與所述窗口層形成歐姆接觸。與所述第二類型相對的，為第一類型(該第一類型下文會提到)，所述第一類型與第二類型是指導電類型，其中一個為n型，另一個為p型。
其中，所述步驟（2）中，先在所述第二類型的窗口層的表面上形成該第二電極，然後進行加熱處理使得所述第二電極的金屬原子擴散至所述第二類型的窗口層內，以使該第二電極與第二類型的窗口層形成歐姆接觸。
其中，所述第二電極為單層或者多層結構，所述第二電極中與該窗口層直接接觸的材料層為Au或者含Au合金。
其中，所述第二電極中與該窗口層直接接觸的材料層的厚度為5~20nm。
其中，所述步驟（1）中形成的外延結構依次包含一第一類型的覆蓋層、該有源層、一第二類型的覆蓋層、一歐姆接觸層，及該第三半導體層，所述步驟（2）形成的第二電極與所述歐姆接觸層接觸。
其中，所述步驟（1）中形成的外延結構依次包含一第一類型的覆蓋層、該有源層、一第二類型的覆蓋層，及該第三半導體層，所述步驟（2）中形成的第二電極與該第三半導體層接觸。
其中，所述步驟（2）中，先在所述第三半導體層的表面上形成該第二電極，然後進行加熱處理使得所述第二電極的金屬原子擴散至第三半導體層內，以使該第二電極與第三半導體層形成歐姆接觸。
其中，所述第二電極為單層或者多層結構，所述第二電極中與該第三半導體層直接接觸的材料層為Au或者含Au合金。
其中，在步驟（2）中包括：蝕刻部分所述外延結構的第一半導體、有源層和第二半導體層，形成一台面或者一凹陷，該台面或者凹陷蝕刻至該第二半導體層或該第三半導體層，裸露出該第二半導體層或者第三半導體層的表面；在該台面或者凹陷上製作該第二電極。
其中，在步驟（3）中，以第三半導體層作為支撐，去除所述襯底。
本發明之另一目的，提供一種能克服先前技術的至少一個缺點的發光二極體。
於是，本發明發光二極體，包含一外延結構，及一第一電極和一第二電極。該外延結構依次包含一第一半導體層、一個AlGaInP的有源層、一第二半導體層，以及一第三半導體層，所述第三半導體層的材料為AlGaAs，厚度為30μm以上，並用於支撐所述外延結構，以確保該外延結構的物理穩定性。該第一電極和第二電極形成於所述外延結構的同一側，該第一電極電連接該第一半導體層，該第二電極電連接該第二半導體層。
其中，在一些實施例中，該第一電極為p電極，該第二電極為n電極；在一些實施例中，該第一電極為n電極，該第二電極為p電極。
其中，所述外延結構的部分第一半導體層、有源層被蝕刻形成台面，裸露出第二半導體層，所述第二電極形成在該台面上。
優選地，所述第三半導體層的厚度為30~300μm。在一些實施例中，該第三半導體層的厚度為30~50μm。在一些實施例中，該第三半導體層的厚度為50~100μm。在一些實施例中，該第三半導體層的厚度為100~150μm。在一些實施例中，該第三半導體層的厚度為150~300μm。
較佳地，所述第三半導體層為AlGaAs，其中鋁的莫耳百分比為20%~95%；在一些實施例中，為30%~70%。
其中，所述第一半導體層的材料為砷化鋁鎵、磷化鋁鎵銦、磷化鋁銦、磷化鎵或前述任意組合。
其中，所述第二半導體層的材料為砷化鋁鎵、磷化鋁鎵銦、磷化鋁銦、磷化鎵或前述任意組合。
較佳地，所述外延結構的尺寸為1mm以下（例如，該外延結構的橫截面為多邊形，其邊長通常為1mm以下，或者該外延結構的橫截面為圓形，其直徑為1mm以下）。在一些實施例中，所述外延結構的尺寸(此處所述的尺寸為面積)為300μm×300μm以下，所述第二半導體層包含第二類型的一覆蓋層和一窗口層，所述第二電極與所述窗口層接觸。
較佳地，所述外延結構的尺寸為1mm以下（例如，該外延結構的橫截面為多邊形，其邊長通常為1mm以下，或者該外延結構的橫截面為圓形，其直徑為1mm以下）。在一些實施例中，所述外延結構的尺寸為300μm×300μm以下，所述第二半導體層包含第二類型的一覆蓋層和一歐姆接觸層，所述第二電極與所述歐姆接觸層接觸。
在一些實施例中，所述外延結構的尺寸為100μm×100μm以上，所述第二半導體層包含第二類型的一間隔層、一覆蓋層、一窗口層和一歐姆接觸層，所述第二電極與所述歐姆接觸層接觸。
其中，該發光二極管還包含分別與該第一電極和第二電極接觸的一第一金屬層和一第二金屬層，該第一金屬層、該第二金屬層的面積分別大於該第一電極、該第二電極的面積。
其中，所述第一金屬層和第二金屬層作為反射層。
本發明之再一目的，提供一種能克服先前技術的至少一個缺點的發光裝置。
於是，本發明發光裝置，包含數個發光二極體，所述發光二極體的其中至少一個包括一外延結構，及一第一電極和一第二電極。該外延結構依次包含一第一半導體層、一個AlGaInP的有源層、一第二半導體層，以及一第三半導體層，所述第三半導體層的材料為AlGaAs，厚度為30μm以上，並用於支撐所述外延結構，以確保該外延結構的物理穩定性。該第一電極和第二電極形成於所述外延結構的同一側，該第一電極電連接該第一半導體層，該第二電極電連接該第二半導體層。
本發明之功效在於：上述發光二極體利用外延生長一層厚度為30μm以上的AlGaAs第三半導體層，以該第三半導體層作為支撐以去除生長用的該襯底，並以該AlGaAs第三半導體層作為出光面，省去鍵合製程，有效提高倒裝發光二極體良率，並降低成本。
本發明之又一目的，提供一種改善一電流擴展層材料的倒裝四元系發光二極體外延結構及其製作方法。
因此，本發明倒裝四元系發光二極體外延結構的製作方法，藉由MOCVD在一外延生長用的襯底上生長一外延結構，該外延結構包括一電流擴展層、一N型層、一發光層及一P型層。所述電流擴展層為Alx Ga1-x As，0＜x＜1。本發明藉由提出採用Alx Ga1-x As作為電流擴展層，代替傳統的AlGaInP電流擴展層，達到製程時間縮短（降低成本）及長晶品質提升的技術效果。
優選地，所述襯底為砷化鎵、磷化鎵，或磷化銦，更優選地為砷化鎵。
優選地，為了確保電流擴展層的功能，電流擴展層的厚度為3μm以上。根據晶體生長品質以及出光效率，更優選地所述電流擴展層厚度為3~5μm。
優選地，為了獲得電流擴展層良好的出光效率，x≥0.45，更優選地，0.45≤x≤0.65，若x高於0.65將導致發光二極體的電壓過高。
優選地，所述緩衝層為GaAs，所述腐蝕截止層為AlInP，所述接觸層為GaAs，所述P型層為 AlIn1P，所述N型層為AlInP，所述發光層為(Aly Ga1-y )z In1-z P，0＜y＜1, 0＜z＜1，所述窗口層為p型GaP。藉由調整y、z值可以調整該外延結構的發光波段由綠光到紅光，發射波長從560nm到650nm的範圍。
優選地，所述電流擴展層為n摻雜，n摻雜的濃度為1E18~2E18，藉此能降低該電流擴展層與該N型層、該發光層的接觸電阻。
此外，本發明還提供一種倒裝四元系發光二極體外延結構，其包括：一外延生長用的襯底、一腐蝕截止層、一電流擴展層、一N型層、一發光層，及一P型層。所述電流擴展層為Alx Ga1-x As，0＜x＜1。
藉由本發明倒裝四元系發光二極體外延結構獲得的該倒裝發光二極體，在一永久襯底上由下至上包括該P型層、該發光層、該N型層、該電流擴展層。
所述的電流擴展層優選為表面粗糙化處理，以增加出光面的出光效果。
藉由本發明上述倒裝四元系發光二極體外延結構，及其製作方法，具有以下有益效果：
（1）對於倒裝四元系LED結構，Alx Ga1-x As材料作為電流擴展層時，相對於傳統的AlGaInP生長速率極限由7 Å/S提高到40Å/S，生長速率可以提升3倍以上，外延結構生長時間可縮短30%以上，製作時間大幅度縮短，生產成本降低，有利於大規模量產。
（2）相較於AlGaInP，Alx Ga1-x As作為電流擴展層的生長溫度範圍為680℃±30℃，生長溫度範圍增加。
（3）該生長用的襯底優選為GaAs，Alx Ga1-x As本身與襯底GaAs晶體幾乎完全匹配，易於生長出高品質的Alx Ga1-x As。
（4）生產製程的生長溫度範圍擴大的情況下，外延生長品質更容易控制，最終ESD（抗靜電性能）測試的4000V性能提升了至少20%以上。所述ESD 4000V測試，利用4000V的瞬間電壓正向衝擊LED晶片；所述提升了至少20%以上，是指本發明能通過測試的LED晶片比例，相較於以往能通過測試的比例，提升了至少20%，例如以往約有60%能通過測試，經由本發明的改良後提升至85%，如此為提升25%。
（5）藉由本發明的倒裝四元系發光二極體外延結構可提供一種全新的倒裝四元系發光二極體。
在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。需要說明的是，只要不構成衝突，本發明中的各個實施例以及各實施例中的各個特徵可以相互結合，所形成的技術方案均在本發明的保護範圍之內。
實施例1
基於AlGaInP 材料體系的LED的發光效率的提升，有多種方法，其中採用倒裝結構可以極大地提高 LED亮度。但是，倒裝外延結構中n面和p面的電流擴展能力的優劣會極大影響LED外延結構的發光效率及良率。如圖2所示，一種倒裝AlGaInP系發光二極體的外延結構，包含依序設置的一外延生長用的襯底90、一緩衝層91、一腐蝕截止層92、一接觸層93、一電流擴展層94、一N型層95、一發光層96、一P型層97，以及一窗口層98。其中，該電流擴展層94通常採用AlGaInP材料體系，但是AlGaInP體系在外延過程中，可容許的生長溫度範圍小，為±10℃；此外，由於In併入效率(也就是In在電流擴展層94中融入其他材料的效率)的限制，加上當溫度越高、In越不容易併入，AlGaInP中In會變少，使材料組成比例不對；加上材料特性限制，生長速率7Å/s時已經到達生長極限，上述種種原因導致長晶速度慢且品質難以控制。
鑒於以上所述缺點，參閱圖3，本發明的實施例1提供一種發光二極體(LED)外延結構，具體為倒裝AlGaInP系(四元系)紅光發光二極體外延結構，包含依序設置的一外延生長用的襯底100、一緩衝層101、一腐蝕截止層102、一接觸層103、一電流擴展層104、一N型層105、一發光層106、一P型層107，以及一窗口層108。
上述各層的具體材料、厚度、功能與製法說明如下。該發光二極體(LED)外延結構的製作方法，採用金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）在n型GaAs襯底100上，由下至上外延生長所述各層101~108。其中，n型GaAs緩衝層101厚度為0.2μm，GaInP腐蝕截止層102厚度為0.2μm，n型GaAs接觸層103厚度為70nm，Al0.45 Ga0.45 As電流擴展層104厚度為3μm，n型AlInP的N型層105厚度為0.3μm，（Alz Ga1-z ）0.5 In0.5 P發光層106厚度為0.2μm，p型AlInP的P型層107厚度為0.3μm，p型GaP窗口層108厚度為1.2μm。
設置該緩衝層101有利於所述各層101~108在襯底100表面的生長。該腐蝕截止層102位於緩衝層101上，用於後續倒裝發光二極體製備過程中，去除該襯底100時作為腐蝕截止的一層。接觸層103位於腐蝕截止層102上，作為電極的歐姆接觸。該發光層106為多重量子井(MQW)結構，包含交錯層疊的數個井層與數個壘層，井層和壘層的材料為(Aly Ga1-y )z In1-z P，0＜y＜1，0＜z＜1，根據調整y/z值以獲得綠光到紅光發光波長為560~650nm的發光二極體結構。具體來說，本實施例的井層為（Al0.1 Ga0.9 ）0.5 In0.5 P，壘層為（Al0.65 Ga0.35 ）0.5 In0.5 P，該發光層106發射波長介於620~624nm之間。n型AlInP的N型層105用於提供電子，p型AlInP的P型層107用於提供空穴。窗口層108設置於P型層107上，用於P型層107側的電流擴展。該Al0.45 Ga0.45 As電流擴展層104的生長溫度介於650~710℃之間(也就是680±30℃)，生長時間為25分鐘，進行MOCVD時使用的生長氣體包含TMAl、TMGa及AsH3，生長厚度為3μm。所述TMAl、TMGa、AsH3分別為Al、Ga、As的前驅物。
本發明的發光二極體外延結構及其製作方法，具有以下有益效果：相對於傳統的AlGaInP電流擴展層，本發明的Al0.45 Ga0.45 As電流擴展層104的生長溫度範圍為680±30℃，同樣厚度的生長時間相對於傳統常規使用的電流擴展層(Al0.6 Ga0.4 )0.5 In0.5 P的生長時間縮短到了25分鐘，外延結構的製作時間縮短30%左右。在MOCVD外延生長過程中PH3 耗量大幅減少，生產成本明顯下降。
實施例2
參閱圖3，本發明的實施例2，提供一種藉由實施例1的倒裝紅光發光二極體外延結構獲得倒裝紅光發光二極體的方法，其具體包括以下步驟：在上述外延結構的窗口層108上設置一層透明的介電層；在該介電層表面沉積一鏡面層，該介電層與該鏡面層組合形成一全鏡面反射層；該鏡面層上沉積一金屬鍵合層用於鍵合(bonding)；選擇一永久襯底，在其表面沉積一金屬鍵合層，並藉由高溫高壓鍵合方法將該永久襯底與該外延結構進行鍵合；接著將外延生長用的該襯底100、該緩衝層101以及該腐蝕截止層102去除，露出該接觸層103；在接觸層103上方製作一第一電極，對該第一電極以外的接觸層103進行腐蝕以露出該電流擴展層104；在該永久襯底背面製作一背面電極，即可獲得本發明的倒裝紅光發光二極體。進一步地，可以對該電流擴展層104進行粗糙化處理以形成一出光面，粗糙化處理可提高該出光面的出光效率。
所述的鏡面層優選為含金或金合金的單層或多層鏡面材料，所述的永久襯底為常規的襯底材料，例如矽、氮化矽等，所述的第一電極以及背面電極為常規的金屬電極，例如金、鉑、鎳、鉻、鍺或其合金等。
藉由本實施例2獲得的倒裝紅光發光二極體，由上至下至少包括：接觸層103，電流擴展層104，N型層105，發光層106，P型層107，鏡面層，永久襯底，背面電極，其中電流擴展層104被粗糙化處理以提高出光效率。
藉由ESD（抗靜電性能）測試，LED晶片ESD 4000V性能提升25%，可滿足高壓LED產品的性能需求。
實施例3
參閱圖3，本發明實施例3與該實施例1大致相同，不同處在於，本實施例3的該電流擴展層104為Alx Ga1-x As，其中0＜x＜1，x較佳地為0.45≤x≤0.65，若x高於0.65，所述電流擴展層104會引起電壓升高，超出常規的LED晶片的電壓範圍，為0.23V以上。x更佳地為0.55，以本實施例3的LED外延結構搭配實施例2的製法所獲得的LED晶片，ESD性能提升23%。
實施例4
參閱圖3，本發明實施例4與該實施例1大致相同，不同處在於，本實施例4的所述電流擴展層104為n型摻雜，其摻雜濃度可為1E18~2E18，本實施例4具體為1.5E18。在外延生長電流擴展層104的過程中，使用矽源對其進行摻雜，控制矽源流量能產生不同的摻雜濃度，藉由n型摻雜能夠進一步降低該電流擴展層104與N型層105、發光層106的接觸電阻，降低外延結構的發熱並節省電流，達到節能效果。
實施例5
參閱圖4、5，本發明實施例5的倒裝AlGaInP系發光二極體的製作方法，包括步驟S100~S300，其中步驟S100包括三個子步驟S110~S130，下面結合附圖6~11進行詳細說明。
（一）外延生長
參閱圖4~6，進行步驟S100：首先提供一外延生長用的襯底100，在該襯底100上形成一外延結構，該外延結構依序包含一第一半導體層111、一有源層112、一第二半導體層113，以及一第三半導體層114，該第三半導體層114比該第一半導體層111更靠近該襯底100。具體包含下面步驟S110~S130：提供該襯底100，該襯底100例如但不限於GaAs襯底，當然，該襯底100也可採用其他材料；接著採用液相外延 (Liquid Phase Epitaxy,簡稱LPE)技術在該襯底100表面形成一AlGaAs材料層作為該第三半導體層114，該第三半導體層114的厚度為30μm以上，較佳地為30~300μm，更佳地為50~220μm，其中Al的莫耳百分比為20%~95%，優選為30%~70%，可以根據發光二極體的發光波長確認所需的Al含量。接著，在AlGaAs第三半導體層114上採用MOCVD技術依次生長該第二半導體層113、有源層112和第一半導體層111。
本發明實施時，該第一半導體層111可以包含一p型覆蓋層、一p型窗口層，第二半導體層113可以包含一n型歐姆接觸層、一n型窗口層、一n型覆蓋層等。值得注意的是，上述只是簡單列舉了一些結構層，並非每層都是必須，例如可根據實際需要而省略該n型窗口層，也可增加一n型間隔層、一p型間隔層、一個AlGaInP的過渡層等等。關於各層的功能及參數可參照下表1，但表1所列層體、材料與厚度僅為舉例，不以表1內容為限制。另外，可將表1所列層體配合圖13來理解。
表1
在本實施例5中，該第三半導體層114設置於襯底100與第二半導體層113之間，用於後續LED晶片製作的過程中移除襯底100時，支撐外延結構，同時作為出光面，因此該有源層112發射的光線從所述第三半導體層114的一表面射出。該第三半導體層114較佳地採用AlGaAs，原因為：首先，AlGaAs與GaAs襯底100的晶格幾乎完全匹配，可以採用液相外延進行快速生長；其次，AlGaAs材料較不會吸光，適用於作為取光窗口。該n型歐姆接觸層用於後續製作元件後與n型電極形成歐姆接觸，材料常採用GaAs，為減少吸光，其較佳厚度控制在50nm以內，例如5~20nm。在一些實施例中，該n型歐姆接觸層也可以採用其他的材料，例如AlGaAs或者AlGaInP等。
n型窗口層設置在n型歐姆接觸層上，主要功能為電流擴展，其擴展能力與厚度相關，因此在本實施例中可根據具體的LED元件尺寸選擇其厚度，所述厚度較佳地為5000nm以下。一般LED元件的尺寸可為1~5000μm，對於小尺寸的元件（例如100μm以下）通常不存在電流擴展的問題，此時該n型窗口層的厚度可為0，即，不需要設置n型窗口層，對於300μm以上的元件，此時可選擇500nm~5000nm的厚度。該有源層112為外延結構的發光層，決定發光波長及亮度。在本實施例5中，該有源層112的材料包含AlGaInP，較佳地採用多重量子井結構，具有數個壘層以及與所述壘層交錯層疊的井層，具體的壘層為Ala1 Ga1-a1 InP，井層為Ala2 Ga1-a2 InP，其中0＜a1＜1，0≤a2＜1，a1＞a2。
n型覆蓋層和p型覆蓋層的材料根據有源層112的能隙進行選擇，對於發光波長為670nm以上的有源層112，其能隙較低，覆蓋層可以直接選用AlGaAs或AlGaInP，對於發光波長為670nm以下，特別是640nm以下的有源層112，可以選用Alb In1-b P材料(0＜b≤0.5)。。較佳地，可在有源層112的兩側分別形成未摻雜的AlInP或AlGaInP材料層，藉由不通入摻雜源，抑制p/n摻雜源向該有源層112擴散而影響有源層112的性能。
p型窗口層形成於p型覆蓋層之上，具有電流擴展功能。在本實施例，p型窗口層可採用GaP材料，其厚度可取1.2μm。由於GaP材料的晶格常數與p型覆蓋層AlInP的晶格常數差異較大，較佳地，在p型覆蓋層AlInP與該p型窗口層之間可插入一AlGaInP過渡層，其組成含量漸變，由靠近AlInP的一側往GaP的一側，Al含量逐漸變少、Ga含量逐漸變多，達到銜接AlInP和GaP的作用，從而提高GaP之p型窗口層的晶格品質。
表1所述的外延結構較適用於外延結構的尺寸為100μm×100μm以上的發光二極體，特別是外延結構的尺寸為300μm×300μm以上的發光二極體。其較佳地形成一定厚度的n型窗口層，可以有效提升電流擴展能力。
（二）製作電極
進行步驟S200：首先，在圖6所示的外延結構的表面上定義n電極區和p電極區。
參閱圖7，接著，蝕刻n電極區的第一半導體層111、有源層112及部分的第二半導體層113，形成一台面A。具體來說，以表1記載的外延結構為例，蝕刻n電極區的第一半導體層111的p型窗口層、過渡層與p型覆蓋層、蝕刻該有源層112，以及蝕刻該第二半導體層113的n型覆蓋層、n型窗口層，直至裸露出n型歐姆接觸層。在本步驟中，優選先採用乾式蝕刻至n型窗口層，接著採用濕蝕刻的方法將殘留的n型窗口層去除，確保表面露出n型歐姆接觸層，以便與後續型成的一個第二電極122 (n電極122)形成歐姆接觸。
參閱圖8，接著，在所述外延結構之遠離所述襯底100的一側表面上，製作一第一電極121和該第二電極122，因此該第一電極121和該第二電極122形成於該外延結構的同一側表面上。該第一電極121電連接該第一半導體層111，該第二電極122電連接該第二半導體層113。具體而言，在第一半導體層111的p型窗口層表面的p電極區製作該第一電極121(本實施例的第一電極121為一個p電極121)，以及在第二半導體層113之裸露出的n型歐姆接觸層上製作該第二電極122(本實施例的第二電極122為一個n電極122)。p、n電極121、122的材料例如但不限於Au/AuZn/Au，在本步驟中可對p、n電極121、122進行加熱處理以形成高溫熔合，使p、n電極121、122與外延結構形成歐姆接觸。
參閱圖9，較佳地，在外延結構的表面上覆蓋一層絕緣保護層140以覆該第一半導體層111與第二半導體層113露出的表面，只裸露出p電極121和n電極122。優選的，絕緣保護層140採用氧化矽、氮化矽、氧化鋁等材料，厚度為1μm以上。
參閱圖10，較佳地，分別在p電極121和n電極122上製作一第一金屬層131與一第二金屬層132，所述第一、二金屬層131、132延伸至絕緣保護層140的部分表面上，而且可以作為反射鏡面，其材料可以為鈦、鉑、鋁、金、銀及銅等金屬材料。總結來說，本發明的方法製出的該發光二極體，進一步可包含分別與該第一電極121(p電極121)和第二電極122(n電極122)接觸的該第一金屬層131和該第二金屬層132。所述第一金屬層131和第二金屬層132進一步地可作為用於將光線反射的反射層。該第一金屬層131、該第二金屬層132的面積分別大於該第一電極121、該第二電極122的面積。
參閱圖7、8，雖然上述實施例中，先形成該台面A再製作該n電極122。但實施時，也可以形成一個或者多個貫穿第一半導體層111、有源層112的凹陷，在該等凹陷內製作圖未示且底部接觸該第二半導體層113的導電柱，然後將n電極122引至第一半導體層111的表面之上且連接該導電柱，可以方便製作等高的p電極121與n電極122，或者將n電極122引至外延結構的外側區域。
（三）移除襯底100
參閱圖4、10、11，進行步驟S300：以第三半導體層114作為支撐，移除該襯底100，裸露出第三半導體層114的表面(如圖11)。可藉由多種方法來實現移除，包括雷射剝離(LLO)、磨削或者蝕刻，具體取決於該襯底100的材料選擇，在該襯底100為GaAs的情況下，可藉由蝕刻或磨削及選擇性蝕刻的組合。
在本實施例中，通過採用液相外延生長厚度達30μm以上的AlGaAs第三半導體層114作為支撐層來支撐該外延結構，確保該外延結構的物理穩定性，省去傳統倒裝結構之鍵合製程，提高製作倒裝AlGaInP系發光二極體的良率。
實施例6
參閱圖8、表2，本發明實施例6不同於實施例5的是，本實施例6的外延結構的第二半導體層113不設置表1所列的該GaAs的n型歐姆接觸層，直接採用該n型窗口層作為歐姆接觸層來與該n電極122接觸。表2列出了適用於本實施例的一種外延結構。
表2
在本實施例6中，該第一半導體層111直接採用Alx Ga1-x InP的n型窗口層作為歐姆接觸層，如此在製作供該n電極122設置的該台面A時，只需採用乾式蝕刻至n型窗口層的表面，提升了製作電極的良率。在本實施例中，在n型窗口層上形成n電極122，然後進行加熱處理來高溫熔合（例如300℃以上），使得n電極122中的金屬原子擴散至n型窗口層內，使得該n電極122與n型窗口層形成歐姆接觸。該n電極122的材料可以為金、鍺、鎳或上述金屬任意組合的合金，例如AuGe、AuGeNi、Au/AuGe/Ni/Au、Au/AuGeNi/Au等。優選的，該n電極122為多層結構，其中與n型窗口層直接接觸的材料層為Au或者含Au合金，厚度介於1nm~50nm之間，例如可以為 5~20nm。
優選的，Alx Ga1-x InP的n型窗口層的Al 含量x介於0.5~1，可有效降低該n型窗口層對輻射的吸光效應；更優選的，為了鋁鎵銦磷與GaAs襯底100的晶格良好匹配，獲得良好生長品質的鋁鎵銦磷，其中所述x介於0.6~0.8；較佳地，為保證電流的橫向擴展，該n型窗口層的厚度為0.02~6.0μm，更優選的厚度為2.5~3.5μm；根據歐姆接觸和橫向電流擴展效果，該n型窗口層優選摻雜濃度為1×E18以上，更優選的為1~2E18，更低的摻雜濃度會導致所述歐姆接觸阻值過高，更高的摻雜濃度則導致吸光現象，降低出光效率。該n型窗口層的摻雜濃度在厚度方向上為均勻或不均勻，摻雜濃度不均勻的情況是窗口層的摻雜濃度變化可以沿著窗口層厚度方向變化，即，靠近n電極122的接觸區域，摻雜濃度可以更高以促進歐姆接觸。
本實施例適用於小尺寸的發光二極體，例如外延結構的尺寸為300μm×300μm以下mini型發光二極體或者Micro型發光二極體。綜上所述，本實施例以第三半導體層114為出光面，並且省略較易吸光的GaAs之n型歐姆接觸層(表1)，直接採用該n型窗口層作為歐姆接觸層來與該n電極122接觸，可以進一步提升發光效率。
實施例7
本發明實施例7不同於該實施例5的是，該n型窗口層採用Alx Ga1-x As，其中Al含量x優選為0.45~0.65，例如可以為0.5。相對於AlGaInP窗口層，本實施例7的n型窗口層的好處與實施例1、3的電流擴展層104(圖3)的好處類似，生長速率極限可由7 Å/S提高到40 Å/S，生長速率可以提升3倍以上，外延結構生長時間可縮短30%以上，製程時間大幅度縮短，生產成本降低，有利於大規模量產；同時AlGaAs的生長溫度範圍為680℃±30℃，生長溫度範圍增加，使得外延生長品質更容易控制。
實施例8
參閱圖8，本發明實施例8不同於實施例5的是，外延結構的該第二半導體層113不設置n型窗口層(記載於表1)，本實施例適用於小尺寸的發光二極體，例如外延結構的尺寸為300μm×300μm以下mini型發光二極體或者Micro型發光二極體。
實施例9
參閱圖12、表3，本發明實施例9不同於實施例5的是，第三半導體層114具有n型摻雜，其厚度為30~100μm，n電極122直接與第三半導體層114接觸。表3列出了適用於本實施例的一種外延結構。
表3
本實施例9直接採用第三半導體層114作為歐姆接觸層，省略了n型窗口層(表1)和GaAs之n型歐姆接觸層(表1)，比較適用於小尺寸的發光二極體，例如外延結構的尺寸為300μm×300μm以下mini型發光二極體或者Micro型發光二極體。
實施例10
參閱圖8、表4，本發明實施例10不同於實施例5的是，外延結構的第一半導體層111為n型導電類型，第二半導體層113為p型導電類型，因此本實施例的第一電極121為n電極，第二電極122為p電極。具體來說，第一半導體層111可以包含但不限於n型覆蓋層、n型窗口層，第二半導體層113可以包含但不限於p型覆蓋層、p型窗口層。
表4
表4列出了適用於本實施例10的一種外延結構。其中n電極與n型窗口層連接，p電極與p型窗口層連接。
在表4的一個變形實施例中，第二半導體層113可以包含GaAs歐姆接觸層，第二電極122(p電極)與GaAs歐姆接觸層連接。在另一個變形實施例中，該第二半導體層113不包含窗口層及歐姆接觸層，該第三半導體層114具有p型導電，並兼具歐姆接觸層的功能，且與第二電極122(p電極)連接。形成第二電極122時，可進行加熱處理使得第二電極122中的金屬原子擴散至第三半導體層114內，以使該第二電極122與第三半導體層114形成歐姆接觸。
惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾、改進等，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
11‧‧‧p型窗口層
12‧‧‧過渡層
13‧‧‧p型覆蓋層
14‧‧‧p型間隔層
15‧‧‧n型間隔層
16‧‧‧n型覆蓋層
17‧‧‧n型窗口層
18‧‧‧n型歐姆接觸層
100、90‧‧‧襯底
101、91‧‧‧緩衝層
102、92‧‧‧腐蝕截止層
103、93‧‧‧接觸層
104、94‧‧‧電流擴展層
105、95‧‧‧N型層
106、96‧‧‧發光層
107、97‧‧‧P型層
108、98‧‧‧窗口層
111‧‧‧第一半導體層
112‧‧‧有源層
113‧‧‧第二半導體層
114‧‧‧第三半導體層
121‧‧‧第一電極、p電極
122‧‧‧第二電極、n電極
131‧‧‧第一金屬層
132‧‧‧第二金屬層
140‧‧‧絕緣保護層
A‧‧‧台面
S100~S300‧‧‧步驟
S110~S130‧‧‧步驟
本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：
圖1是一示意圖，說明一種已知倒裝AlGaInP系發光二極體；
圖2是一示意圖，說明一種已知倒裝AlGaInP系發光二極體的外延結構；
圖3是一示意圖，說明本發明實施例1、實施例3、實施例4的發光二極體(LED)外延結構；
圖4是一流程圖，說明本發明實施例5的發光二極體的製作方法的步驟；
圖5是一流程圖，說明該實施例5的的製作方法的部分步驟；
圖6至11是利用該實施例5的製作方法製作該發光二極體的過程示意圖，其中，圖11相對於圖10，已移除一襯底並且上下顛倒設置；
圖12是一示意圖，說明本發明實施例9的發光二極體；及
圖13是一類似圖8的示意圖，說明該發光二極體的一第一半導體層和一第二半導體層所包含的疊層結構。

Claims (36)

  1. 一種發光二極體的製作方法，包含： （1）提供一襯底，在該襯底上形成一外延結構，該外延結構依次包含一第一半導體層、一個AlGaInP的有源層、一第二半導體層，以及一第三半導體層，該第三半導體層比所述第一半導體層更靠近所述襯底，該第三半導體層為AlGaAs，厚度為30μm以上； （2）在所述外延結構之遠離所述襯底的一側表面上製作一第一電極和一第二電極，該第一電極電連接該第一半導體層，該第二電極電連接該第二半導體層； （3）移除該襯底，其中該第三半導體層支撐該外延結構，確保該外延結構的物理穩定性。
  2. 如請求項1所述的發光二極體的製作方法，其中，所述步驟(1) 依次包含以下步驟：（11）提供該襯底；（12）採用液相外延技術在該襯底上形成所述第三半導體層；（13）採用MOCVD外延技術，在該第三半導體層上依次形成該第二半導體層、該有源層和該第一半導體層。
  3. 如請求項1所述的發光二極體的製作方法，其中，在步驟（1）中形成的該第三半導體層的鋁的莫耳百分比為20%~95%。
  4. 如請求項1所述的發光二極體的製作方法，其中，在步驟（1）中形成的該第三半導體層的厚度為30~300μm。
  5. 如請求項1所述的發光二極體的製作方法，其中，所述步驟（1）中形成的第二半導體層包含第二類型的一覆蓋層和一窗口層，該窗口層為AlGaAs或AlGaInP；所述步驟（2）中形成的第二電極與所述窗口層形成歐姆接觸。
  6. 如請求項5所述的發光二極體的製作方法，其中，所述步驟（2）中，先在所述第二類型的窗口層的表面上形成該第二電極，然後進行加熱處理使得所述第二電極的金屬原子擴散至所述第二類型的窗口層內，以使該第二電極與第二類型的窗口層形成歐姆接觸。
  7. 如請求項6所述的發光二極體的製作方法，其中，所述第二電極為單層或者多層結構，所述第二電極中與該窗口層直接接觸的材料層為Au或者含Au合金。
  8. 如請求項1所述的發光二極體的製作方法，其中，所述步驟（1）中形成的外延結構依次包含一第一類型的覆蓋層、該有源層、一第二類型的覆蓋層、一歐姆接觸層，及該第三半導體層，所述步驟（2）形成的第二電極與所述歐姆接觸層接觸。
  9. 如請求項1所述的發光二極體的製作方法，其中，所述步驟（1）中形成的外延結構依次包含一第一類型的覆蓋層、該有源層、一第二類型的覆蓋層，及該第三半導體層，所述步驟（2）中形成的第二電極與該第三半導體層接觸。
  10. 如請求項9所述的發光二極體的製作方法，其中，所述步驟（2）中，先在所述第三半導體層的表面上形成該第二電極，然後進行加熱處理使得所述第二電極的金屬原子擴散至第三半導體層內，以使該第二電極與第三半導體層形成歐姆接觸。
  11. 如請求項1所述的發光二極體的製作方法，其中，在步驟（2）中包括：蝕刻部分所述外延結構的第一半導體、有源層和第二半導體層，形成一台面或者一凹陷，該台面或者凹陷蝕刻至該第二半導體層或該第三半導體層，裸露出該第二半導體層或者第三半導體層的表面；在該台面或者凹陷上製作該第二電極。
  12. 如請求項1所述的發光二極體的製作方法，其中，在步驟（3）中，以第三半導體層作為支撐，去除所述襯底。
  13. 一種發光二極體，採用如請求項1至12中任一項所述的發光二極體的製作方法製得。
  14. 一種發光二極體，包含： 一外延結構，依次包含一第一半導體層、一個AlGaInP的有源層、一第二半導體層，以及一第三半導體層，所述第三半導體層的材料為AlGaAs，厚度為30μm以上，並用於支撐所述外延結構，以確保該外延結構的物理穩定性；及 一第一電極和一第二電極，形成於所述外延結構的同一側，該第一電極電連接該第一半導體層，該第二電極電連接該第二半導體層。
  15. 如請求項14所述的發光二極體，其中，所述第三半導體層的厚度為30~300μm。
  16. 如請求項14所述的發光二極體，其中，所述第三半導體層的鋁的莫耳百分比為20%~95%。
  17. 如請求項14所述的發光二極體，其中，所述有源層發射的光線從所述第三半導體層的一表面射出。
  18. 如請求項14所述的發光二極體，其中，所述第一半導體層的材料為砷化鋁鎵、磷化鋁鎵銦、磷化鋁銦、磷化鎵或前述任意組合。
  19. 如請求項14所述的發光二極體，其中，所述第二半導體層的材料為砷化鋁鎵、磷化鋁鎵銦、磷化鋁銦、磷化鎵或前述任意組合。
  20. 如請求項14所述的發光二極體，其中，所述第二半導體層包含第二類型的一覆蓋層和一窗口層，該窗口層為AlGaAs或AlGaInP，所述第二電極與所述窗口層形成歐姆接觸。
  21. 如請求項20所述的發光二極體，其中，所述第二電極為單層或者多層結構，所述第二電極中與該窗口層直接接觸的材料層為Au或者含Au合金。
  22. 如請求項21所述的發光二極體，其中，所述第二電極中與該窗口層直接接觸的材料層的厚度為5~20nm。
  23. 如請求項14所述的發光二極體，其中，所述第二電極與所述第三半導體層形成歐姆接觸。
  24. 如請求項23所述的發光二極體，其中，所述第二電極為單層或者多層結構，所述第二電極中與該第三半導體層直接接觸的材料層為Au或者含Au合金。
  25. 如請求項14所述的發光二極體，其中，所述外延結構的尺寸為300μm×300μm以下，所述第二半導體層包含第二類型的一覆蓋層和一窗口層，所述第二電極與所述窗口層接觸。
  26. 如請求項14所述的發光二極體，其中，所述外延結構的尺寸為300μm×300μm以下，所述第二半導體層包含第二類型的一覆蓋層和一歐姆接觸層，所述第二電極與所述歐姆接觸層接觸。
  27. 如請求項14所述的發光二極體，其中，所述外延結構依次包含一第一類型的窗口層、一第一類型的覆蓋層、該有源層、一第二類型的覆蓋層、一第二類型的窗口層，及該第三半導體層，所述第二電極接觸所述第二類型的窗口層。
  28. 如請求項14所述的發光二極體，其中，所述外延結構依次包含一第一類型的窗口層、一第一類型的覆蓋層、該有源層、一第二類型的覆蓋層、一第二類型的窗口層、一歐姆接觸層，及該第三半導體層，所述第二電極與歐姆接觸層接觸。
  29. 如請求項14所述的發光二極體，還包含分別與該第一電極和第二電極接觸的一第一金屬層和一第二金屬層，該第一金屬層、該第二金屬層的面積分別大於該第一電極、該第二電極的面積。
  30. 如請求項29所述的發光二極體，其中，所述第一金屬層和第二金屬層作為反射層。
  31. 一種發光裝置，包含數個發光二極體，所述發光二極體的其中至少一個包括： 一外延結構，依次包含一第一半導體層、一個AlGaInP的有源層、一第二半導體層，以及一第三半導體層，所述第三半導體層的材料為AlGaAs，厚度為30μm以上，並用於支撐所述外延結構，以確保該外延結構的物理穩定性；及 一第一電極和一第二電極，形成於所述外延結構的同一側，該第一電極電連接該第一半導體層，該第二電極電連接該第二半導體層。
  32. 如請求項31所述的發光裝置，其中，所述第三半導體層的鋁的莫耳百分比為20%~95%。
  33. 如請求項31所述的發光裝置，其中，所述第三半導體層的厚度為30~300μm。
  34. 如請求項31所述的發光裝置，其中，所述外延結構的尺寸為300μm×300μm以下，所述第二半導體層包含第二類型的一覆蓋層和一窗口層，所述第二電極與所述窗口層接觸。
  35. 如請求項31所述的發光裝置，其中，所述外延結構的尺寸為300μm×300μm以下，所述第二半導體層包含第二類型的一覆蓋層和一歐姆接觸層，所述第二電極與所述歐姆接觸層接觸。
  36. 如請求項31所述的發光裝置，其中，所述外延結構的尺寸為100μm×100μm以上，所述第二半導體層包含第二類型的一間隔層、一覆蓋層、一窗口層和一歐姆接觸層，所述第二電極與所述歐姆接觸層接觸。
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