專(zhuān)利名稱(chēng)：具粗化界面發(fā)光元件及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于發(fā)光元件及其制造方法，特別是一種具粗化界面發(fā)光元件及其制作方法。
近年來(lái)，各種發(fā)光元件不斷地被開(kāi)發(fā)，并且普遍地使用在各種顯示器上。其中，半導(dǎo)體發(fā)光二極體(Light emitting diode)由于其低耗電量以及技術(shù)成熟，已經(jīng)普遍應(yīng)用于室內(nèi)及戶(hù)外顯示。
如

圖1所示，于一般半導(dǎo)體發(fā)光二極體的基底10上堆疊有包括p-n結(jié)面活化(p-n junction active layer)層24及透光(window layer)層22、26的磊晶層20，其通常由磷化鎵(GaP)或磷化鎵一族材料組成。電極30則形成上下表面，藉以注入電流，使活化層24內(nèi)激發(fā)‘活化’而射出光線L。
根據(jù)光的折射定律，當(dāng)光線從介質(zhì)(I)入射到介質(zhì)(II)時(shí)，必須符合兩介質(zhì)之間界面的上匹配條件(phase match condition)，也就是在兩介質(zhì)中，光線入射角的正弦函數(shù)與介質(zhì)折射率的乘積必須相等，否則將發(fā)生反射而無(wú)法穿透界面，使得光線反射回原介質(zhì)中。當(dāng)介質(zhì)(I)的折射率大于介質(zhì)(II)的折射率，光線要從介質(zhì)(I)穿透界面至介質(zhì)(II)時(shí)，其相對(duì)于法線的入射角度θ須小于臨界角θC＝arcsin(n2/n1)，否則就會(huì)發(fā)生全反射。
對(duì)于半導(dǎo)體發(fā)光二極體，由于半導(dǎo)體材料具有較大的折射率(n約為2.2-3.8)，甚至大于其氛圍材料，如空氣(n約為1)或是封裝樹(shù)脂(n約為1.5)，當(dāng)光線由發(fā)光二極體射向氛圍，且入射角大于其臨界角時(shí)，會(huì)有全反射的現(xiàn)象發(fā)生，因而限制發(fā)光二極體的外部量子效率(external quantum efficiency)。
如圖1所示，活化層24被激發(fā)活化而射出光線L。以光線從磷化鎵(n1約為3.3)入射至封裝樹(shù)脂(n2約為1.5)為例，若入射角度θ小于臨界角θC＝arcsin(n2/n1)＝27度，光線才能穿透磷化鎵和封裝樹(shù)脂的界面，否則因?yàn)榻缑嫫教?，無(wú)任何起伏，光線L就會(huì)發(fā)生全反射而成光線L’，接著再次全反射成光線L”。因此，全反射的光線將在平行的磊晶層中連續(xù)反射，最終將在反射的過(guò)程中被吸收掉，或是勉強(qiáng)由側(cè)邊的界面射入氛圍。
以臨界角θC＝27度計(jì)算，發(fā)光二極體中近似等向發(fā)射的光線，能穿透此界面者僅占(1-cosθC)/2＝5.5％。就算以立方晶粒六面計(jì)算，總汲光效率(lightextraction efficiency)亦僅為6*5.5％＝33％，此效率仍有很大的提升空間。
因此，業(yè)界紛紛提出了各種改善的方法。例如，Carr在Infrared Physics6.1(1966)中提出將發(fā)光二極體設(shè)計(jì)成錐柱形(truncated cone)，如此，發(fā)出的光線在反射時(shí)改變下一次的入射角度，有機(jī)會(huì)以較小的角度入射半導(dǎo)體材料與氛圍的界面，可以提高汲光效率。同樣地，Dierschke等人在AppliedPhysics Letters 19.98中發(fā)表將發(fā)光二極體設(shè)計(jì)成半球形，亦具有同樣的效果。然而，要在微小的晶粒上制作出半球形或錐形體，需耗費(fèi)較多的原料成長(zhǎng)出較厚的的磊晶層以供塑形，并且在塑形制程中技術(shù)上會(huì)有很大困難。
另外，如圖2所示，在美國(guó)第3739217號(hào)專(zhuān)利中，Arpad等人揭露了將發(fā)光二極體界面以化學(xué)或機(jī)械方式制作出不規(guī)則紋理(texture)予以粗化，使得發(fā)生全反射的光線L可藉由此散亂的界面而改變下次入射半導(dǎo)體材料與氛圍界面的角度，在反射的過(guò)程中，入射角將有機(jī)會(huì)落于臨界角內(nèi)而穿透界面。但是，不規(guī)則的紋理使得每個(gè)發(fā)光二極體界面的粗化程度不同，而無(wú)法有效精確地控制每個(gè)二極體的汲光效率，造成品質(zhì)管理的難度。
本發(fā)明的目的是提供一種提高發(fā)光元件汲光效率、便于發(fā)光元件品質(zhì)管理的具粗化界面發(fā)光元件及其制作方法。
本發(fā)明的制作方法包括制作基體、形成電極、曝光、顯影及圖案轉(zhuǎn)移；制作基體包括提供基底、于基底上堆疊磊晶層及于磊晶層表面形成光阻層；曝光為以?xún)傻劳{(diào)光束重疊形成干涉條紋投射于光阻層，得到周期性條紋；顯影為在光阻層上得到周期性表面粗化的光阻圖案圖案轉(zhuǎn)移為進(jìn)行蝕刻，將光阻圖案轉(zhuǎn)移到基底。
本發(fā)明的發(fā)光元件包括基底、電極與設(shè)置于基底與電極之間的透光層、活化層及下透光層；于透光層上具有粗化表面；粗化表面的輪廓系以少一次同調(diào)光束重疊的干涉條紋投射而形成。
其中制作基體的基底為半導(dǎo)體基底。
半導(dǎo)體基底上層為由上、下透光層及夾在上、下透光層之間的p-n結(jié)面活化層構(gòu)成的磊晶層。
曝光步驟中的光束為激光(Laser)。
曝光步驟中兩道同調(diào)光束皆為直接照射光束。
曝光步驟中兩道同調(diào)光束分別為直接照射光束及由反射裝置反射形成的射照光束。
曝光步驟中包括兩次曝光在第一次曝光后，得到一維的周期性條紋；然后將基底整個(gè)旋轉(zhuǎn)90°，再進(jìn)行第二次曝光，得到二維的周期性條紋。
曝光步驟中進(jìn)行三次曝光在第一次曝光后，將基底旋轉(zhuǎn)60°，進(jìn)行第二次曝光，然后再旋轉(zhuǎn)60°進(jìn)行第三次曝光。
圖案轉(zhuǎn)移步驟中以濕式蝕刻將光阻圖案轉(zhuǎn)移到基底。
圖案轉(zhuǎn)移步驟中以干式蝕刻將光阻圖案轉(zhuǎn)移到基底。
圖案轉(zhuǎn)移步驟中將光阻圖案轉(zhuǎn)移到基底形成粗化界面后，于基底的粗化界面上覆蓋封裝樹(shù)脂層。
覆蓋的封裝樹(shù)脂層為環(huán)氧基樹(shù)脂(Epoxy)層。
發(fā)光元件上透光層上具有粗化表面。
發(fā)光元件基底與下透光層之間具有粗化界面。
上、下透光層的材質(zhì)為含有摻雜的磷化鎵。
在上透光層上形成封裝樹(shù)脂層。
由于本發(fā)明的制作方法包括堆疊磊晶層及形成光阻層的制作基體、形成電極、以?xún)傻劳{(diào)光束重疊形成干涉條紋投射于光阻層的曝光、在光阻層上得到光阻圖案的顯影及于基底上蝕刻光阻圖案的圖案轉(zhuǎn)移；發(fā)光元件包括基底、電極與設(shè)置于基底與電極之間的透光層、活化層及下透光層；于透光層上具有粗化表面。本發(fā)明以同調(diào)光波重疊形成周期性的干涉條紋，進(jìn)行一次以上的曝光，在光阻層上得到粗化表面的光阻圖案；然后再將粗化的光阻圖案轉(zhuǎn)移到基透光層得到所需的粗化界面。本發(fā)明發(fā)光元件形成的粗化界面，可以使得發(fā)生全反射的光線于下次以不同的角度射向界面，增加光穿透發(fā)光元件及氛圍材料之間界面的機(jī)率，提高汲光效率，使發(fā)光元件的亮度更高，增加其使用價(jià)值。不僅提高發(fā)光元件汲光效率，而且生產(chǎn)中便于發(fā)光元件品質(zhì)管理，從而達(dá)到本發(fā)明的目的。
圖1、為習(xí)知的半導(dǎo)體發(fā)光二極體結(jié)構(gòu)示意剖視圖。
圖2、為習(xí)知的具有不規(guī)則紋理粗化界面的發(fā)光二極體結(jié)構(gòu)示意剖視圖。
圖3、為本發(fā)明制程示意圖(以?xún)傻劳{(diào)激光(Laser)以一定角度重疊而形成干涉條紋，投射在涂布光阻的基體(晶圓)上)。
圖4、為發(fā)明制程示意圖(以一道激光(Laser)以θ角度直接射向基體(晶圓)，并以垂直于基體(晶圓)的鏡面將部分激光反射，使反射激光亦以θ角度射向基體(晶圓))。
圖5、為本發(fā)明粗化表面制程剖視圖(制作基體)。
圖6、為本發(fā)明粗化表面制程剖視圖(制作光阻圖案)。
圖7、為本發(fā)明粗化表面制程剖視圖(圖案轉(zhuǎn)移至上透光層)。
圖8、為本發(fā)明制程示意圖(于粗化表面涂布一層封裝樹(shù)脂)。
圖9、為本發(fā)明制程示意圖(將粗化界面形成在磊晶層與基底之間。)。
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)闡述。
本發(fā)明系使用多相微影技術(shù)，用于發(fā)光元件的粗化界面。其系以?xún)傻劳{(diào)的光波重疊形成干涉條紋，并且將此干涉條紋投射在已涂布光阻層的基體(晶圓)上，進(jìn)行一次以上的曝光。接著，再經(jīng)過(guò)顯影步驟，在基體(晶圓)上得到周期性表面粗化的光阻圖案。然后使用蝕刻制程將粗化的光阻圖案轉(zhuǎn)移到基體(晶圓)上，而得到所需的粗化界面，而所形成的粗化界面可以大大提高汲光效率。
如圖3所示，本發(fā)明粗化界面的形成原理為根據(jù)光的干涉原理，若兩道光140’與140”為同調(diào)(coherent)，即彼此具有固定的相位差時(shí)，當(dāng)兩道光重疊，會(huì)加強(qiáng)與減弱的現(xiàn)象，而造成建設(shè)性及破壞性的干涉，因而形成了重復(fù)周期性的亮紋及暗紋的分布，以形成干涉條紋，若兩道光的波長(zhǎng)皆為λ，入射光線與目標(biāo)平面法線的夾角為θ，所形成干涉條紋的周期∧＝λ/2nsinθ。這樣形成干涉的區(qū)域，其對(duì)焦景深理論上是無(wú)限大，只要光束重疊且光程差在同調(diào)范圍內(nèi)，就會(huì)形成高解析的干涉，如此即可得到一維周期性的干涉條紋。
將此光的干涉條紋投射在已涂布光阻層120的基體(晶圓)10上，進(jìn)行曝光步驟，則光阻層120的曝光程度會(huì)因?yàn)楣鈴?qiáng)度的周期性分布而會(huì)有不同的曝光深度。在經(jīng)過(guò)顯影步驟之后，光阻層120表面因而形成周期性的波浪條紋，其周期與光干涉條紋相同。此即本發(fā)明粗化表面的形成原理。
如圖4所示，設(shè)有垂直于基體(晶圓)10的鏡面130。以光束，通常以激光(Laser)最佳，照射在光阻層120及鏡面130上。照射在光阻層120上的部分光束140’以入射角度θ直接照射在光阻層120上；照射于鏡面130的部分光束140”經(jīng)過(guò)鏡面130反射，亦以入射角度θ射照在光阻層120上。直接照射及射照的兩道光束140’、14”重疊即可形成干涉條紋投射在光阻層120，完成所需的曝光步驟。即藉由鏡面130僅以一道光束140達(dá)到形成干涉條紋，可達(dá)到節(jié)省一道光源的優(yōu)點(diǎn)。但并非僅限定于使用鏡面，只要能達(dá)到形成干涉條紋的裝置與方法皆在本發(fā)明精神范圍內(nèi)。
本發(fā)明發(fā)光元件粗化界面制作方法可應(yīng)用于為半導(dǎo)體發(fā)光二體體的發(fā)光元件，亦可亦應(yīng)用于為有機(jī)發(fā)光二體體(O-LED)。
下面以為半導(dǎo)體發(fā)光二極體的發(fā)光元件為例對(duì)發(fā)光元件粗化界面的制程進(jìn)行描述。
制作發(fā)光元件基體如圖5所示，首先制作為半導(dǎo)體基體(晶圓)10；提供半導(dǎo)體基底100，在基底100上堆疊一層為磊晶層110的發(fā)光層。磊晶層110由上、下透光層116、112及夾在上、下透光層116、112之間的p-n結(jié)面活化層114構(gòu)成。磊晶層110通常由磷化鎵(GaP)，或磷化鎵一族的材料，例如砷化鎵(GaAs)所組成。亦可在上、下透光層116、112中摻雜部分摻質(zhì)，例如鋁(Al)，藉以提高兩透光層的導(dǎo)電性。
在磊晶層110上涂布一般為光活性化合物(PAC)的阻光層120。光阻層120的厚度不需太厚，只要足夠形成粗表面即可，若太厚則不利于后續(xù)的蝕刻步驟。
曝光如圖6所示，進(jìn)行全像曝光步驟，如圖3、圖4所示，將兩道同調(diào)光束重疊形成干涉條紋，投射在光阻層120上，對(duì)光阻層120進(jìn)行第一次曝光，如此將得到一維的周期性條紋。接著，將基底100整個(gè)旋轉(zhuǎn)90°，再進(jìn)行第二次曝光，即可得到二維的周期性條紋，以提高粗化效果。倘若有需要，可以在第一次曝光后，將基底100旋轉(zhuǎn)60°，進(jìn)行第二次曝光，然后再旋轉(zhuǎn)60°進(jìn)行第三次曝光，使粗化效果更完整。
顯影去除部分光阻層120，形成具有周期性粗化表面圖案122的光粗層120’。
圖案轉(zhuǎn)移如圖7所示，以濕式或干式蝕刻，將光阻層120’上的粗化表面圖案122轉(zhuǎn)移至其底下的上透光層116。如此，即可在上透光層116形成粗化表面117，以提高發(fā)光二極體的汲光效率。在此實(shí)施例中，發(fā)光二極體的透光層116、112為半導(dǎo)體材料，而其氛圍材料為空氣，因此，本發(fā)明的化粗界面即為粗化表面117。
另外，電極部分可先直接形成在上透光層116上與基底100下表面，然后再進(jìn)行粗化表面117的制作。或是在形成粗化表面117后再分別于上透光層表面116與基底100下表面形成電極。
如圖8所示，亦可在基底200上堆疊有包括上、下透光層216、212及夾在上、下透光層216、212之間的p-n結(jié)面活化層214。上透光層216具有粗化界面217。在上透光層216上形成封裝樹(shù)脂層218，樹(shù)脂層218可為環(huán)氧基樹(shù)脂(Epoxy)。從活化層214射出的光線經(jīng)過(guò)粗化界面217進(jìn)入封裝樹(shù)脂218，再透過(guò)封裝樹(shù)脂218射到空氣中。藉由粗化界面217可大大提高光線射入封裝樹(shù)脂218的比率。
如圖9所示，亦可在基底300上堆疊有包括上、下透光層316、312及夾在上、下透光層316、312之間的p-n結(jié)面活化層314。在基底300與下透光層312之間具有粗化界面317。從活化層314射出的光線，部分因?yàn)榇只缑?17的反射而改變光線下次射向上透光層312的入射角度，即增加光線穿過(guò)上透光層312的機(jī)率，而提高汲光效率。
本發(fā)明僅以上述實(shí)施例說(shuō)明本發(fā)明粗化界面的使用，然其未僅限于磊晶層的上下表面，例如，若有需要亦可形成于磊晶層的側(cè)面，以提高汲光效率。
綜上所述，本發(fā)明揭露了一種用于具粗化界面發(fā)光元件的制作方法使用同調(diào)光波重疊形成周期性的干涉條紋，進(jìn)行一次以上的曝光，在光阻層上得到粗化表面的光阻圖案。然后再將粗化的光阻圖案轉(zhuǎn)移到基體(晶圓)上，從而在基體(晶圓)上得到所需的粗化界面。本發(fā)明形成的粗化界面，可以使得發(fā)生全反射的光線于下次以不同的角度射向界面，增加光穿透發(fā)光元件及氛圍材料之間界面的機(jī)率，提高汲光效率，使發(fā)光元件的亮度更高，增加其使用價(jià)值。
權(quán)利要求
1.一種具粗化界面發(fā)光元件的制作方法，它包括制作基體及形成電極；制作基體包括提供基底及于基底上堆疊磊晶層；其特征在于所述的制作基體還包括于磊晶層表面形成光阻層；在制作基體后還包括曝光、顯影及圖案轉(zhuǎn)移曝光為以?xún)傻劳{(diào)光束重疊形成干涉條紋投射于光阻層，得到周期性條紋；顯影為在光阻層上得到周期性表面粗化的光阻圖案；圖案轉(zhuǎn)移為進(jìn)行蝕刻，將光阻圖案轉(zhuǎn)移到基底。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具粗化界面發(fā)光元件的制作方法，其特征在于所述的制作基體的基底為半導(dǎo)體基底。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具粗化界面發(fā)光元件的制作方法，其特征在于所述的半導(dǎo)體基底上層為由上、下透光層及夾在上、下透光層之間的p-n結(jié)面活化層構(gòu)成的磊晶層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具粗化界面發(fā)光元件的制作方法，其特征在于所述的曝光步驟中的光束為激光(Laser)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具粗化界面發(fā)光元件的制作方法，其特征在于所述的曝光步驟中兩道同調(diào)光束皆為直接照射光束。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具粗化界面發(fā)光元件的制作方法，其特征在于所述的曝光步驟中兩道同調(diào)光束分別為直接照射光束及由反射裝置反射形成的射照光束。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具粗化界面發(fā)光元件的制作方法，其特征在于所述的曝光步驟中包括兩次曝光在第一次曝光后，得到一維的周期性條紋；然后將基底整個(gè)旋轉(zhuǎn)90°，再進(jìn)行第二次曝光，得到二維的周期性條紋。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具粗化界面發(fā)光元件的制作方法，其特征在于所述的曝光步驟中進(jìn)行三次曝光在第一次曝光后，將基底旋轉(zhuǎn)60°，進(jìn)行第二次曝光，然后再旋轉(zhuǎn)60°進(jìn)行第三次曝光。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具粗化界面發(fā)光元件的制作方法，其特征在于所述的圖案轉(zhuǎn)移步驟中以濕式蝕刻將光阻圖案轉(zhuǎn)移到基底。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具粗化界面發(fā)光元件的制作方法，其特征在于所述的圖案轉(zhuǎn)移步驟中以干式蝕刻將光阻圖案轉(zhuǎn)移到基底。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具粗化界面發(fā)光元件的制作方法，其特征在于所述的圖案轉(zhuǎn)移步驟中將光阻圖案轉(zhuǎn)移到基底形成粗化界面后，于基底的粗化界面上覆蓋封裝樹(shù)脂層。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的具粗化界面發(fā)光元件的制作方法，其特征在于所述的覆蓋的封裝樹(shù)脂層為環(huán)氧基樹(shù)脂(Epoxy)層。
13.一種具粗化界面發(fā)光元件，它包括基底、電極與設(shè)置于基底與電極之間的透光層、活化層及下透光層；其特征在于所述的上透光層上具有粗化表面；粗化表面的輪廓系以少一次同調(diào)光束重疊的干涉條紋投射而形成。
14.一種具粗化界面發(fā)光元件，它包括基底、電極與設(shè)置于基底與電極之間的透光層、活化層及下透光層；其特征在于所述的基底與下透光層之間具有粗化界面；粗化表面的輪廓系以少一次同調(diào)光束重疊的干涉條紋投射而形成。
15.根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的具粗化界面發(fā)光元件，其特征在于所述的上、下透光層的材質(zhì)為含有摻雜的磷化鎵。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的具粗化界面發(fā)光元件，其特征在于所述的在上透光層上形成封裝樹(shù)脂層。
全文摘要
一種具粗化界面發(fā)光元件及其制作方法。為提供一種提高發(fā)光元件汲光效率、便于發(fā)光元件品質(zhì)管理的發(fā)光元件及其制造方法,提出本發(fā)明,其制作方法包括堆疊磊晶層及形成光阻層的制作基體、形成電極、以?xún)傻劳{(diào)光束重疊形成干涉條紋投射于光阻層的曝光、在光阻層上得到光阻圖案的顯影及于基底上蝕刻光阻圖案的圖案轉(zhuǎn)移;發(fā)光元件包括基底、電極與設(shè)置于基底與電極之間的透光層、活化層及下透光層;于透光層上具有粗化表面。
文檔編號(hào)H01L33/00GK1339828SQ00123550
公開(kāi)日2002年3月13日 申請(qǐng)日期2000年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2000年8月17日
發(fā)明者陳澤澎, 張智松, 張豪麟 申請(qǐng)人:國(guó)聯(lián)光電科技股份有限公司