专利名称：纳米级侧向成长磊晶的薄膜发光二极体及其制作方法
技术领域：
本发明有关一种薄膜发光二极体及其制作方法，特别是指一种纳米级侧向成长磊晶的薄膜发光二极体及其制作方法。
背景技术：
利用镭射剥离法所制作的氮化镓发光二极体(Thin-GaN LED)有效增加了发光二极体在晶片阶段的散热，也减缓了 LED热效应所产生的效率下降(droop)，另一方面也提升了发光面积，成为目前高功率LED的趋势。但在kwchung Sermonffu, Ji-Hao Cheng, and Wei Chih Peng 所发表白勺"Effects of laser sourceson the reverse-bias leakages of laser lift-off GaN-based light-emittingdiodes, "APPLIED PHYSICS LETTERS 90， 251110(2007)文献中中提到，经由实验发现，经过镭射剥离法后所造成的应力释放将会增加错位缺陷现象，而不仅使发光效率变差，也影响元件在长时间的操作下的寿命时间。此专利虽然教示增加氮化镓的磊晶品质与增加光萃取效率的方式，但其所教示的制程繁杂不易实现。在 D. S. Wuu, W. K. Wang, W. C. Shih, R. H. Horng, C. Ε. Lee, W. Y. Lin, and J. S. Fang 所发表的 “Enhanced Output Power ofNear-Ultraviolet, " IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 17，NO. 2，FEBRUARY 2005 文献与 Y. J. Lee, J. M. Hwang, T. C. Hsu, M. H. Hsieh, M. J. Jou, B. J. Lee, T. C. Lu, H. C. Kuo, Member, IEEE, and S. C. Wang, Senior Member, IEEE 所发表的“Enhancing the Output Power of GaN-Based LEDsGrown on Wet-Etched Patterned Sapphire Substrates，” IEEE PH0T0NICSTECHN0L0GY LETTERS,VOL. 18，NO. 10， MAY 15，2006文献中提到图形化蓝宝石基板制作发光二极体，除了能增加光萃取效率外，也能减少磊晶时的错位缺陷密度。在 Haiyong Gao, a_Fawang Yan，Yang Zhang, Jinmin Li, Yiping Zeng, and Guohong Wang 所发表的 Enhancement of the light output power of InGaNGaN light emitting diodes grown on pyramidal patterned sapphiresubstrates in the micro and nanoscale, "JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 103，014314_2008_ 文献中提到利用纳米图形化蓝宝石基板级制作发光二极体更能增加磊晶时氮化镓的品质，但制程中必须使用黄光微影制作蚀刻图形，不仅增加制程复杂度也提高制作成本。有鉴于此，本发明遂针对上述公知技术的缺失，提出一种纳米级侧向成长磊晶的薄膜发光二极体及其制作方法，以有效克服上述的该等问题。
发明内容
本发明的主要目的在提供一种纳米级侧向成长磊晶的薄膜发光二极体及其制作方法，其在具有纳米级图形化氧化硅层的磊晶基板上使用侧向磊晶成长技术制作出半导体结构，以有效抑止磊晶成长半导体结构时的叠层缺陷，降低线差排密度，提高发光半导体层的结晶品质。本发明的另一目的在提供一种纳米级侧向成长磊晶的薄膜发光二极体及其制作方法，其半导体结构的出光面无须再次表面粗化，即可提升外部量子效率。
本发明的再一目的在提供一种纳米级侧向成长磊晶的薄膜发光二极体及其制作方法，其制作过程无须使用黄光微影蚀刻图形，可大幅度降低制程复杂度并降低制作成本。为达上述的目的，本发明提供一种纳米级侧向成长磊晶的薄膜发光二极体，其包含有一基板；一位于基板上的接合金属层；一位于接合金属层上的第一电极；一第一电极上的半导体结构，其侧向磊晶形成；以及一位于半导体结构上的第二电极，上述的半导体结构未被第二电极所附盖的上表面形成有一纳米级粗糙化结构。上述的半导体结构包含有一 ρ型三五族半导体层；一 η型三五族半导体层；以及一发光半导体层，其位于P型三五族半导体层与Π型三五族半导体层间，发光半导体层具有多重量子井结构。上述的纳米级粗糙化结构为规则或不规则的纳米尺寸几何图形。上述的纳米级粗糙化结构可以为规则的纳米尺寸圆形、椭圆形或者多边形。上述的纳米级粗糙化结构为规则的纳米尺寸几何图形，纳米级粗糙化结构的结构周期或结构大小为0. 01 0. 9纳米。上述的半导体结构是于一具纳米级粗糙化结构的磊晶基板上侧向磊晶成长后剥离所形成，纳米级粗糙化结构与磊晶基板上的纳米级图形对应。本发明尚提出一种纳米级侧向成长磊晶的薄膜发光二极体的制作方法，其步骤包含有提供一磊晶基板，其上形成有一纳米级图形化氧化硅层；于纳米级图形化氧化硅层上侧向磊晶形成一半导体结构，半导体结构底表面形成有一纳米级粗糙化结构，其对应于纳米级图形化氧化硅层的图案；于半导体结构上形成一第一电极；提供一第二基板，第二基板上形成有一接合金属层；将第一电极接合于接合金属层上，随后移除磊晶基板，显露出半导体结构的纳米级粗糙化结构；以及于半导体结构上形成一第二电极。上述的纳米级图形化氧化硅层的制作步骤包含有于磊晶基板上依序形成一氧化硅层与一纳米级金属层；对磊晶基板进行一热退火制程，以使纳米级金属层的金属粒子自聚集形成一纳米级遮罩；以及以纳米级遮罩为罩幕对氧化硅层进行蚀刻，随后移除纳米级遮罩，以形成纳米级图形化氧化硅层。上述的沉积形成半导体结构的步骤包含有沉积一 η型三五族半导体层；沉积一发光半导体层，发光半导体层具有多重量子井结构；以及沉积一 P型三五族半导体层。上述的移除磊晶基板的步骤是利用一镭射剥离法所达成。上述的纳米级粗糙化结构为规则或不规则的纳米尺寸几何图形。上述的纳米级粗糙化结构为规则的纳米尺寸圆形、椭圆形或者多边形。上述的纳米级粗糙化结构为规则的纳米尺寸几何图形，纳米级粗糙化结构的结构周期或结构大小为0. 01 0. 9纳米。本发明提供一种纳米级侧向成长磊晶的薄膜发光二极体及其制作方法，其在具有纳米级图形化氧化硅层的磊晶基板上使用侧向磊晶成长技术制作出半导体结构，以有效抑止磊晶成长半导体结构时的叠层缺陷，降低线差排密度，提高发光半导体层的结晶品质。再者，在本发明的制程下半导体结构的出光面无须再次表面粗化，即可提升外部量子效率。本发明的整体结构也有利于使用镭射剥离的薄膜发光二极体，提高制程的良率。底下由具体实施例详加说明，当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。
图1为本发明的纳米级侧向成长磊晶的薄膜发光二极体的结构示意图。图2(a) 2(f)为制作本发明的纳米级侧向成长磊晶的薄膜发光二极体的各步骤剖面示意图。图3为本发明所形成的纳米级图形化氧化硅层的扫瞄式电子显微镜剖面影像图。图4(a)为传统薄膜发光二极体的穿透式电子显微镜剖面影像图。图4(b)为本发明的薄膜发光二极体的穿透式电子显微镜剖面影像图。图5(a)为本发明的薄膜发光二极体的接触模式的导电原子力显微镜影像图。图5(b)传统薄膜发光二极体的接触模式的导电原子力显微镜影像图。图6为本发明的薄膜发光二极体与传统薄膜发光二极体的电流与光输出强度的图表。附图标记说明10纳米级侧向成长磊晶的薄膜发光二极体；12基板；14接合金属层；16第一电极；18半导体结构；20第二电极；22纳米级粗糙化结构；24p型三五族半导体层；26η型三五族半导体层；观发光半导体层；30磊晶基板；32 二氧化硅层；34镍层；36纳米级图形
化氧化硅层。
具体实施例方式请参阅图1，其为本发明的纳米级侧向成长磊晶的薄膜发光二极体的结构示意图。 如图所示，本发明的纳米级侧向成长磊晶的薄膜发光二极体10包含有一基板12; —位于基板12上的接合金属层14 ；一位于接合金属层14上的第一电极16 ；—位于第一电极16上的半导体结构18 ；以及一位于半导体结构18上的第二电极20，其中半导体结构18未被第二电极20所附盖的上表面形成有一纳米级粗糙化结构22。上述的接合金属层14为二层结构，其由下而上依序可以为一钛层与一金层。上述的第一电极16可以为三层结构，其由下而上依序为一金层、一钼层以及一铬层。因此，接合金属层14的金层接触于第一电极16的金层。上述的第二电极20可以为二层结构，其由下而上依序为一金层与一铬层。基板12则是采用散热性较佳的硅基板或金属基板。上述的半导体结构18可受电激发而发出光线，半导体结构18包含有一 ρ型三五族半导体层M ；— η型三五族半导体层沈，其表面形成有上述的纳米级粗糙化结构22 ；以及一发光半导体层观，其位于P型三五族半导体层M与η型三五族半导体层沈间，该发光半导体层观具有多重量子井(multi-quantum well)结构。此外，此处所述的三五族半导体层的材料可以为氮化镓或者磷化镓。上述的纳米级粗糙化结构22为规则或不规则的纳米尺寸几何图形。当纳米级粗糙化结构22为规则时，其几何图形可以是纳米尺寸圆形、椭圆形或者多边形，且结构周期或结构大小为0. 01 0. 9纳米。由于本发明的纳米级侧向成长磊晶的薄膜发光二极体10在η型三五族半导体层沈的表面形成有纳米级粗糙化结构22，使得整体发光二极体的光引出效率(light extraction efficiency)更为加强，所发出的光线也可大致位于一设定的峰值波长范围。
接续，请参阅图2 (a) 2 (f)，其为制作上述本发明的纳米级侧向成长磊晶的薄膜发光二极体的各步骤剖面示意图。首先，提供一磊晶基板30，于磊晶基板表面蒸镀上厚度为200纳米的二氧化硅层32，然后在二氧化硅层32上又蒸镀上厚度为50纳米的镍层34， 如图2(a)所示。随后，经过一分钟850°C热退火制程使镍层的镍粒子自聚集形成一纳米级遮罩 (mask)。以此纳米级遮罩为罩幕对氧化硅层进行蚀刻，举例来说，以反应离子蚀刻系统蚀刻 3分钟，随后使用硝酸洗除此纳米级遮罩，以形成一纳米级图形化氧化硅层36，如图2 (b)所示，其中纳米级图形化氧化硅层36的图形部分的直径约为100纳米 150纳米。利用有机金属化学气相沉积法于纳米级图形化氧化硅层36上依序磊晶成长一 η 型三五族半导体层沈；沉积一具有多重量子井结构的发光半导体层观；以及沉积一 P型三五族半导体层Μ，以形成上述的半导体结构18，如图2 (C)所示。而此η型三五族半导体层沈的底表面将形成有上述的纳米级粗糙化结构22，其对应于纳米级图形化氧化硅层36 的图案。磊晶基板30的材质为蓝宝石等晶格常数与半导体结构的晶格常数相近似的基板材质。此外，更为顺利磊晶成长上述的半导体结构18，于半导体结构18形成前，可先于磊晶基板30上形成一厚度约50纳米的氮化镓缓冲层(图中未示)。上述的半导体结构18是于纳米级图形化氧化硅层36上经侧向磊晶成长所形成， 因此能有效抑止在磊晶成长过程时所产生的叠层缺陷(stacking fault)，以降低线差排密度(threading dislocation density)，提升发光半导体层观的结晶品质而降低漏电流。 再者，本发明的半导体结构18的η型三五族半导体层沈的出光面已有表面粗化结构，因此无须再次粗化也能提升外部量子效率。接续，如图2(d)所示，于半导体结构18上形成上述的第一电极16，其形成方法可以以物理或化学气相沉积法为之。随后，提供一表面上形成有上述的接合金属层14的基板12。将第一电极16经过高温高压一段时间接合于接合金属层14上，形成如图2(e)所示。利用镭射剥离法(laser lift-off)将磊晶基板30与其上的纳米级图形化氧化硅层36自半导体结构18上移除。举例来说，此镭射剥离法是使用准分子镭射，其波长为M8 纳米，脉冲宽度为25ns，此准分子镭射是照射并破坏缓冲层，以将磊晶基板与其上的纳米级图形化氧化硅层和半导体结构分离，达到移除的目的。然后，可依序以硫酸等酸液以及电浆对半导体结构18表面上所残留的氮化镓缓冲层进行蚀刻清除。移除部分纳米级粗糙化结构22，并于其上形成一第二电极20，如图 2(f)所示，即完成本发明的发光二极体。再者，半导体结构上形成第二电极的步骤前更可包含有利用一电感耦合式电浆 (inductive coupled plasma)自半导体结构表面向下蚀刻至第一电极，以区隔形成数个发光二极体晶粒。请参阅图3，其为本发明所形成的纳米级图形化氧化硅层的扫瞄式电子显微镜剖面影像图。如图所示，纳米级图形化氧化硅层是呈现直径约为100纳米 150纳米的纳米柱图形。请一并参阅图4(a)与图4(b)，图4(a)是传统薄膜发光二极体的穿透式电子显微镜剖面影像图，图4(b)是本发明的薄膜发光二极体的穿透式电子显微镜剖面影像图，将两者比较可发现传统薄膜发光二极体具有比较高的线差排密度(threading dislocation density)0请一并参阅图5(a)与图5(b)，图5 (a)是本发明的薄膜发光二极体的扫瞄电流显微镜影像图，图5(b)传统薄膜发光二极体的扫瞄电流显微镜影像图，将两者比较可发现传统薄膜发光二极体的漏电流范围比本发明多很多。请参阅图6，其为本发明的薄膜发光二极体与传统薄膜发光二极体的电流与光输出强度的图表。由此图可发现，在施加任何电流值的情况下，在光输出功率方面可看出本发明的纳米级侧像成长磊晶的薄膜发光二极体优于传统薄膜的发光二极体。综上所述，本发明提供一种纳米级侧向成长磊晶的薄膜发光二极体及其制作方法，其在具有纳米级图形化氧化硅层的磊晶基板上使用侧向磊晶成长技术制作出半导体结构，以有效抑止磊晶成长半导体结构时的叠层缺陷，降低线差排密度，提高发光半导体层的结晶品质。再者，在本发明的制程下半导体结构的出光面无须再次表面粗化，即可提升外部量子效率。本发明的整体结构也有利于使用镭射剥离的薄膜发光二极体，提高制程的良率。此外，本发明整个制作过程无须使用黄光微影蚀刻图形，可大幅度降低制程复杂度并降低制作成本。以上对本发明的描述是说明性的，而非限制性的，本专业技术人员理解，在权利要求限定的精神与范围的内可对其进行许多修改、变化或等效，但是它们都将落入本发明的保护范围内。
权利要求
1.一种纳米级侧向成长磊晶的薄膜发光二极体，其特征在于，包含有 一基板；一接合金属层，其位于该基板上； 一第一电极，其位于该接合金属层上；一半导体结构，其位于该第一电极上，该半导体结构是侧向磊晶形成；以及一第二电极，其位于该半导体结构上，该半导体结构未被该第二电极所附盖的上表面形成有一纳米级粗糙化结构。
2.如权利要求1所述的纳米级侧向成长磊晶的薄膜发光二极体，其特征在于，该半导体结构包含有一P型三五族半导体层； 一 η型三五族半导体层；以及一发光半导体层，其位于该P型三五族半导体层与该η型三五族半导体层间，该发光半导体层具有多重量子井结构。
3.如权利要求1所述的纳米级侧向成长磊晶的薄膜发光二极体，其特征在于，该纳米级粗糙化结构为规则或不规则的纳米尺寸几何图形。
4.如权利要求1所述的纳米级侧向成长磊晶的薄膜发光二极体，其特征在于，该纳米级粗糙化结构为规则的纳米尺寸圆形、椭圆形或者多边形。
5.如权利要求1所述的纳米级侧向成长磊晶的薄膜发光二极体，其特征在于，该纳米级粗糙化结构为规则的纳米尺寸几何图形，该纳米级粗糙化结构的结构周期或结构大小为 0. 01 0. 9纳米。
6.如权利要求1所述的纳米级侧向成长磊晶的薄膜发光二极体，其特征在于，该半导体结构是于一具纳米级粗糙化结构的磊晶基板上侧向磊晶成长后剥离所形成，该纳米级粗糙化结构与该磊晶基板上的纳米级图形对应。
7.—种纳米级侧向成长磊晶的薄膜发光二极体的制作方法，其特征在于，包含有下列步骤提供一磊晶基板，其上形成有一纳米级图形化氧化硅层；于该纳米级图形化氧化硅层上侧向磊晶形成一半导体结构，该半导体结构底表面形成有一纳米级粗糙化结构，其对应于该纳米级图形化氧化硅层的图案； 于该半导体结构上形成一第一电极； 提供一第二基板，该第二基板上形成有一接合金属层；将该第一电极接合于该接合金属层上，随后移除该磊晶基板，显露出该半导体结构的该纳米级粗糙化结构；以及于该半导体结构上形成一第二电极。
8.如权利要求7所述的纳米级侧向成长磊晶的薄膜发光二极体的制作方法，其特征在于，该纳米级图形化氧化硅层的制作步骤包含有于该磊晶基板上依序形成一氧化硅层与一纳米级金属层；对该磊晶基板进行一热退火制程，以使该纳米级金属层的金属粒子自聚集形成一纳米级遮罩；以及以该纳米级遮罩为罩幕对该氧化硅层进行蚀刻，随后移除该纳米级遮罩，以形成该纳米级图形化氧化硅层。
9.如权利要求7所述的纳米级侧向成长磊晶的薄膜发光二极体的制作方法，其特征在于，沉积形成该半导体结构的步骤包含有沉积一 η型三五族半导体层；沉积一发光半导体层，该发光半导体层具有多重量子井结构；以及沉积一 P型三五族半导体层。
10.如权利要求7所述的纳米级侧向成长磊晶的薄膜发光二极体的制作方法，其特征在于，该移除该磊晶基板的步骤是利用一镭射剥离法所达成。
11.如权利要求7所述的纳米级侧向成长磊晶的薄膜发光二极体的制作方法，其特征在于，该纳米级粗糙化结构为规则或不规则的纳米尺寸几何图形。
12.如权利要求7所述的纳米级侧向成长磊晶的薄膜发光二极体的制作方法，其特征在于，该纳米级粗糙化结构为规则的纳米尺寸圆形、椭圆形或者多边形。
13.如权利要求7所述的纳米级侧向成长磊晶的薄膜发光二极体的制作方法，其特征在于，该纳米级粗糙化结构为规则的纳米尺寸几何图形，该纳米级粗糙化结构的结构周期或结构大小为0. 01 0. 9纳米。
全文摘要
本发明提供一种纳米级侧向成长磊晶的薄膜发光二极体及其制作方法。本发明的纳米级侧向成长磊晶的薄膜发光二极体包含有一基板；一位于基板上的接合金属层；一位于接合金属层上的第一电极；一位于第一电极上的半导体结构，其为侧向磊晶所形成；以及一位于半导体结构上的第二电极，上述的半导体结构未被第二电极所附盖的上表面形成有一纳米级粗糙化结构。本发明由侧向磊晶成长方式有效抑制半导体结构内的叠层缺陷与降低差排密度，提升发光层结晶品质，降低漏电流，同时半导体结构表面形成有粗化结构，以提升外部量子效率。
文档编号H01L33/24GK102214750SQ201110153259
公开日2011年10月12日 申请日期2011年6月7日 优先权日2011年4月26日
发明者李佳佑, 王朝勋, 邱镜学, 郭浩中 申请人:财团法人交大思源基金会