專利名稱：發(fā)光二極管及其形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)光二極管(LED)，且特別涉及設(shè)置在圖案化基底上的垂直式III族-氮化物L(fēng)ED，且此圖案化基底含有鑲嵌的底部電極。
背景技術(shù)：
發(fā)光二極管(LED)的制造主要是通過在基底上形成活性區(qū)、多種導(dǎo)體及半導(dǎo)體于基底上所形成，其利用電子及空穴的放射結(jié)合在p-n結(jié)處產(chǎn)生電流并發(fā)射電磁輻射。通過直接能帶間隙材料，例如，GaAs或GaN，產(chǎn)生p-n結(jié)的順向偏壓，以及導(dǎo)入電子及空穴結(jié)合至耗盡區(qū)可產(chǎn)生電磁輻射。電磁輻射可為可見光或不可見光。不同的能帶間隙材料可產(chǎn)生不同色彩的LED。此外，LED所激發(fā)的不可見光可直接射向磷光劑或其類似物，當(dāng)磷光劑接受此不可見光后可激發(fā)出可見光。
LED可形成于一絕緣的未圖案化基底，并將n型金屬接觸LED的頂部或光激發(fā)部的表面。但若將兩個電極(n型及p型金屬)設(shè)置于相同的一邊，會減少活性區(qū)面積及發(fā)光效率。此外，利用干蝕刻程序以暴露n型m族-氮化物層會損壞側(cè)壁并進一步降低發(fā)光效率。
其他傳統(tǒng)的方法包括在p型III族-氮化物層及導(dǎo)電層之間插入一 p型金屬層。此方法必須進行晶片接合LED程序以及移除絕緣基底，然而若導(dǎo)體層及LED芯片之間的結(jié)不均一同樣會影響LED的效能。再者，絕緣基底的移除會增加成本，因此傳統(tǒng)的方法既復(fù)雜且昂貴。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述問題，本發(fā)明提供一種發(fā)光二極管元件及其形成方法，特別是形成于圖案化基底上的垂直式III族-氮化物發(fā)光二極管。
在本發(fā)明的一實施方式中，本發(fā)明提供一種發(fā)光二極管元件，包括一基底， 一堆疊的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，以及一鑲嵌的底部電極。此發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)包括一緩沖/成核層形成于基底之上， 一活性層，以及一頂部接觸層。 一第一接觸III族-氮化物層設(shè)置于緩沖/成核層與活性層之間。 一第二接觸III族-氮化物層設(shè)置于活性層與頂部接觸層之間。 一底部電極延伸過基底及緩沖/成核層至該第一接觸III族-氮化物層之中。
在本發(fā)明的另一實施方式中，還提供一種發(fā)光二極管的形成方法，包括
提供一基底；形成多個外延層于該基底之上，以形成多個LED結(jié)構(gòu)，該LED結(jié)構(gòu)的形成方法包括形成一緩沖/成核層于該基底之上；形成一活性層；以及形成一頂部接觸層，其中一第一接觸III族-氮化物層形成于該緩沖/成核層與活性層之間，且一第二接觸III族-氮化物層形成于該活性層與頂部接觸層之
間；以及移除該基底、緩沖/成核層與第接觸m族-氮化物層的一部分以形成
多個開口區(qū)；以及形成一導(dǎo)體于該開口區(qū)中，以形成一底部電極，其中該底部電極延伸過該基底及緩沖/成核層至該第一接觸III族-氮化物層之中。本發(fā)明的發(fā)光二極管及其形成方法可減少工藝并降低成本。此外，本發(fā)明因不需進行會損害發(fā)光二極管的頂部蝕刻程序，因此可減少工藝缺陷及增加產(chǎn)量。
為了讓本發(fā)明的上述和其他目的、特征、和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，并配合附圖，作詳細(xì)說明如下。


圖1顯示本發(fā)明LED的第一實施例，其包括一圖案化基底，且基底含有一鑲嵌的底部電極。
圖2顯示本發(fā)明LED的圖案化基底。圖3顯示形成本發(fā)明LED的實施步驟。
圖4顯示本發(fā)明LED另一實施例，其具有硅上絕緣層(SOI)基底。上述附圖中的附圖標(biāo)記說明如下
100 LED; 102 基底；104 緩沖/成核層；106 第一接觸III族-氮化物層；108 活性區(qū)；110 第二接觸III族-氮化物層；112 頂部接觸層；114 底部電極；120 LED結(jié)構(gòu)；A 圓形底部電極；B 正方形底部電極；C 矩形底部電極；D 環(huán)狀底部電極；E 條-環(huán)形電極；F 多邊形底部電極；G 格子狀底部電極；H 同心圓狀的底部電極；200 含底部電極A的LED;202 含底部電極B的LED; 204 含底部電極C的LED; 206 含底部電極D的LED; 208 含底部電極E的LED; 210 含底部電極F的LED; 212 含底部電極G的LED; 216 含底部電極H的LED; 302-322 發(fā)光二極管的形成步驟；400 LED; 402 SOI基底；404 LED結(jié)構(gòu)；406 底部電極；408 底部硅層；410 二氧化硅層；412 空氣通道；414 頂部硅層。
具體實施例方式
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體LED，且在實際應(yīng)用時，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可依不同的需求增加其他半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。
圖1顯示本發(fā)明LED的第一實施例，包括一圖案化基底，其含有一鑲嵌的底部電極。LED 100包括基底102及LED結(jié)構(gòu)120， LED結(jié)構(gòu)120形成于基底102之上?；?02可包括一導(dǎo)體基底或非導(dǎo)體基底。非導(dǎo)體基底可為藍(lán)寶石(sapphire)、 MgAl2CU、單晶氧化物或其類似物。半導(dǎo)體基底可為GaN、 Si、 Ge、 SiC、 SiGe、 ZnO、 ZnS、 ZnSe、 GaP、 GaAs或其類似物?；?02的厚度可為約200 pm至約600 |im。外延膜所形成的LED結(jié)構(gòu)120成長于基底102上，其包括緩沖/成核層104、第一接觸III族-氮化物層106、活性層108、第二接觸III族-氮化物層110，以及頂部接觸層112。
緩沖/成核層104可為一低溫或高溫成長的III族-氮化物層、III族-氮化超晶格層、金屬碳-氮層、多晶硅層或其類似物，其厚度可為約20 nm至約100 nm。超晶格層為一種多層堆疊結(jié)構(gòu)，且包括兩種具有不同能帶間隙的氮化物材料。例如，超晶格層的厚度可為約lnm至lpm，其中每個氮化物材料層的厚度為約0.1 nm至約50 nm。 III族-氮化物層可包括GaN、 InN、 A1N、AlxGa(-x)N、 AlxIn(i-x)N、 AklnyGa(i-x-y)N，或上述的組合，或其類似物。緩沖/成核層104可為一絕緣層。
在本發(fā)明一實施例中，緩沖/成核層104可具有反射性。例如，緩沖/成核層本身材料具有反射性，或可另增加一分布布拉格反射鏡(DBR)至緩沖/成核層104中。DBR可包括具不同折射率的堆疊層。當(dāng)緩沖/成核層104具反射特性時，LED100為上發(fā)光型LED，且由頂部所輸出的能量比不具反射特性的緩沖/成核層104大。
第一接觸III族-氮化物層106設(shè)置于緩沖/成核層104上。第一接觸III族-氮化物層106的厚度可為約1 pm至約4 nm。第一接觸m族-氮化物層106的材料可為GaN: Si或GaN: Mg，其可以有機金屬化學(xué)氣相沉積法(MOCVD)、分子線外延法(MBE)、氫化物氣相外延法(HVPE)或液相外延法(LPE)或類似程序來形成。
活性層108設(shè)置于第一接觸III族-氮化物層106之上。活性層108可包括多量子阱(MQW)或異質(zhì)結(jié)構(gòu)。活性層108可為InGaN或GaN層?；钚詫?08可具有1量子阱(QW)或任何數(shù)目的量子阱，如3-5QWs。量子阱層的厚度可為約30A至約100A。此外，活性層108可為一異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其可較多量子阱厚，且其可僅具有一對量子阱?；钚詫?08可于外延反應(yīng)爐中形成。
第二接觸III族-氮化物層110設(shè)置于活性層108之上。第二接觸III族-氮化物層IIO于外延反應(yīng)爐中成長形成，厚度可為約100nm至500nm，且其可包括GaN: Mg、 GaN: Si、或其類似物。
頂部接觸層112設(shè)置于第二接觸III族-氮化物層110的頂部。接觸LED激發(fā)面的方法可包括使用透明導(dǎo)電層，例如，銦錫氧化物(ITO)。此外，可在ITO層上貼附一金屬墊。頂部接觸層112可包括Ni、 Au、 ITO或上述的組合，或其類似物，且其厚度可為約10 nm至約50 nm。頂部接觸層112可利用濺鍍、電子束(E-beam)等程序形成于頂部接觸層112上。
底部電極114延伸過基底102及緩沖/成核層104至第一接觸III族-氮化物層106中。底部電極114可延伸至第一接觸in族-氮化物層106—距離"t"。距離"t"可為約0.02 pm至約0.8 )nm，較佳為約0.5 jnm。
圖2為本發(fā)明各種LED底部電極的仰視圖。在LED 202至216各實施例中，淺色部部分代表底部電極，例如，圖1的底部電極114,而深色部分代表基底，例如，圖1的基底102。由本發(fā)明的實施例可知，底部電極的外形可如圖2的A-H所示。LED202包括一圓形底部電極A。 LED 204及206包括正方形底部電極B或矩形底部電極C。 LED 208包括環(huán)狀底部電極D。LED210包括條-環(huán)形電極E。 LED212包括多邊形底部電極F。 LED 214包括格子狀底部電極G，且LED216包括同心圓狀的底部電極H。本發(fā)明的實施例A-H僅為本發(fā)明底部電極一小部分的例子。此外，雖然圖2所示的LED皆具有相同外形的底部電極，但本發(fā)明并不限于此，任何尺寸及形狀的底部電極皆可形成于單一的LED中。
圖3顯示本發(fā)明的實施步驟。參照步驟302，提供及制備一基底。此基底可為藍(lán)寶石(sapphire)、 MgAl204、單晶氧化物、GaN、 Si、 Ge、 SiC、 SiGe、 ZnO、 ZnS、 ZnSe、 GaP、 GaAs，或其類似物?；卓衫靡桓邷鼗鼗鸪绦?來形成，此程序可為一吸附程序，用以移除基底中的雜質(zhì)。
參照步驟304，利用一外延成長程序設(shè)置或形成一緩沖/成核層于基底上。 外延層為一形成于單晶基板上的單晶成長層。外延層可由氣態(tài)或液態(tài)前驅(qū)物 所形成。基底(或前驅(qū)層)可作為一晶種層，使外延成長層呈現(xiàn)與基底相同的 晶格結(jié)構(gòu)及取向性。相對地，也可以其他薄膜的形成方法來形成多晶或無晶 層于單晶基底之上。此外，可利用異質(zhì)外延程序于基底上形成外延層，且外 延層與基底的組成不同。另外，可提供一前驅(qū)物以在多晶結(jié)構(gòu)上進行外延成 長。
在一實施例中，緩沖/成核層104可包括低溫成長的A1N層。A1N具有 六方晶體結(jié)構(gòu)及較大的能帶間隙，其形成方法包括分子線外延法(MBE)，有 機金屬化學(xué)氣相外延法(MOCVD)、氫化物氣相外延法(HVPE)或液相外延法 (LPE)等。
在MBE法，對一物質(zhì)加熱以產(chǎn)生粒子蒸氣束。此粒子束可在一高度真 空環(huán)境(10-8Pa)下沉積，使粒子束凝聚至一層結(jié)構(gòu)之中。在MOCVD法，外 延層的形成發(fā)生于基底表面的化學(xué)組成的終裂解。相較于MBE法，MOCVD 法的外延成長是利用化學(xué)反應(yīng)而非物理反應(yīng)。HVPE法為一外延成長方法， 其可利用前驅(qū)氣體，例如，氨、氫、及各種氯化物。LPE法為一種利用熔融 態(tài)液體材料在基板表面上沉積晶層的方法。緩沖/成核層可包括多個外延層。
參照步驟306，形成第一接觸III族-氮化物層106于緩沖/成核層之上。 在N-DOWN LED結(jié)構(gòu)中，第一接觸III族-氮化物層可包括摻雜Si的n型III 族-氮化物GaN。在N-UPLED結(jié)構(gòu)中，第一接觸III族-氮化物層可包括摻雜 Mg的p型III族-氮化物GaN。
參照步驟308，形成一多量子阱活性層于第一接觸III族-氮化物層之上。 多量子阱活性層可包括多層，其可形成多個量子阱。
參照步驟310，形成一第二接觸III族-氮化物層于活性層之上。在 N-DOWN LED結(jié)構(gòu)中，第二接觸III族-氮化物層可包括摻雜Mg的p型III 族-氮化物GaN。在N-UPLED結(jié)構(gòu)中，第二接觸III族-氮化物層可包括摻雜 Si的n型III族-氮化物GaN。參照步驟312，形成一頂部金屬接觸層于第二接觸III族-氮化物層之上。 參照步驟314，在形成頂部金屬層之后，倒置基底。參照步驟316，圖 案化基底的底部。圖案化基底底部的方法包括可形成一光阻層于基底的底部 之上，利用一具有透明區(qū)及不透明區(qū)的掩模(如圖2的底部電極圖案)圖案化
光阻層。
參照步驟318，可利用一干蝕刻程序，如Ar，蝕刻基底。蝕刻程序可穿 過基底及緩沖/成核層至第一接觸III族-氮化物層中一距離"t"。第一接觸 III族-氮化物層中的距離"t"可為約0.02 pm至約0.8 pm。蝕刻程序較佳可 在一蝕刻反應(yīng)槽中進行。
參照步驟320，形成底部電極于基底之上。在N-DOWN LED結(jié)構(gòu)中， 底部電極可包括一n型金屬。在N-UPLED結(jié)構(gòu)中，底部電極可包括p型金 屬。參照歩驟322，完成后續(xù)程序以形成垂直式LED。 一般的標(biāo)準(zhǔn)程序可包 括ICP-RIE蝕刻、濕式蝕刻、光化學(xué)蝕刻或其類似方法。
圖4顯示本發(fā)明LED另一實施例。LED 400具有硅上絕緣層(SOI)基底 402。硅上絕緣層為一層狀的硅-絕緣層硅基底。在一實施例中，絕緣層可包 括二氧化硅。然而，此絕緣層也可包括藍(lán)寶石或其類似物。
SOI、圖案化電極、LED400可包括一LED結(jié)構(gòu)，如圖1的LED104， 包括，緩沖/成核層、第一接觸ni族-氮化物層、活性層、第二接觸III族-氮 化物層、以及頂部金屬接觸層。底部電極406可包括電鍍鎳或其類似物。底 部硅層408為SOI基底的底部電極的一部分，其未蝕刻。二氧化硅層410為 SOI基底402的絕緣部分?？諝馔ǖ?12可利用蝕刻圖化案底部電極來形成， 詳細(xì)說明如下。
在將頂部金屬接觸層設(shè)置至第二接觸III族-氮化物層上之后，將基底倒 置，并進行圖案化及蝕刻程序。此蝕刻程序穿過SOI基底402的硅層408至 絕緣層410，蝕刻速率依不同的材料而異，且二氧化硅層410的蝕刻開口可 大于底部硅層408的蝕刻開口 。蝕刻程序會停止于SOI基底402的頂部硅層 414?？蓪敳抗鑼舆M行摻雜以導(dǎo)入電荷。在N-DOWNLED結(jié)構(gòu)中可使用n 型摻雜物質(zhì)，而在N-UP LED結(jié)構(gòu)中可使用p型摻雜物質(zhì)。接著可對蝕刻開 口電鍍鎳層。此電鍍程序可形成實質(zhì)上垂直的鎳柱結(jié)構(gòu)，使空氣通道412形 成于底部電極406及二氧化硅層410之間。
9雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭示如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何 本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作些許的更 動與潤飾，因此本發(fā)明的保護范圍當(dāng)視所附的權(quán)利要求所界定的范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)光二極管，包括一基底；一發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，包括一緩沖/成核層，形成于該基底之上；一活性層；以及一頂部接觸層，其中一第一接觸III族-氮化物層設(shè)置于該緩沖/成核層與活性層之間，且一第二接觸III族-氮化物層設(shè)置于該活性層與頂部接觸層之間；以及一底部電極，其中該底部電極延伸過該基底及緩沖/成核層至該第一接觸III族-氮化物層之中。
2. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管，其中該基底包括一硅上絕緣基底。
3. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管，其中該緩沖/成核層包括一 III族-氮化物層、III族-氮化物超晶格層、金屬碳-氮層或多晶硅層。
4. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管，其中該基底的厚度為約200 pm至 約600拜。
5. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管，其中該活性層包括多量子阱或異質(zhì) 結(jié)構(gòu)。
6. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管，其中該底部電極包括鎳。
7. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管，其中該底部電極穿過該第一接觸III 族-氮化物層一距離"t"，其中該距離"t"為約0.02 pm至約0.8 pm。
8. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管，其中該底部電極包括圓形、正方形、 矩形、橢圓形、線形、螺旋形、其他形狀或上述的組合。
9. 一種發(fā)光二極管的形成方法，包括 提供一基底；形成多個外延層于該基底之上，以形成多個LED結(jié)構(gòu)，該LED結(jié)構(gòu)的形成方法包括形成一緩沖/成核層于該基底之上； 形成一活性層；以及形成一頂部接觸層，其中一第一接觸III族-氮化物層形成于該緩沖/成核層與活性層之間，且一第二接觸III族-氮化物層形成于該活性層與頂部接觸層之間；以及移除該基底、緩沖/成核層與第接觸III族-氮化物層的一部分以形成多個 開口區(qū)；以及形成一導(dǎo)體于該開口區(qū)中，以形成一底部電極，其中該底部電極延伸過 該基底及緩沖/成核層至該第一接觸III族-氮化物層之中。
10.如權(quán)利要求9所述的發(fā)光二極管的形成方法，其中該基底的移除是 利用磨除該基底約50 nm至約100 pm的厚度所完成。
全文摘要
本發(fā)明提供一種發(fā)光二極管(LED)及其形成方法。本發(fā)明的LED包括一基底、一堆疊的LED結(jié)構(gòu)以及一鑲嵌的底部電極。LED結(jié)構(gòu)包括一緩沖/成核層形成于基底之上，一活性層，以及一頂部接觸層。一第一接觸III族-氮化物層設(shè)置于緩沖/成核層與活性層之間。一第二接觸III族-氮化物層設(shè)置于活性層與頂部接觸層之間。一底部電極延伸過基底及緩沖/成核層至第一接觸III族-氮化物層之中。本發(fā)明的發(fā)光二極管及其形成方法可減少工藝并降低成本。本發(fā)明因不需進行會損害發(fā)光二極管的頂部蝕刻程序，因此可減少工藝缺陷及增加產(chǎn)量。
文檔編號H01L33/00GK101635328SQ20091013227
公開日2010年1月27日 申請日期2009年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月21日
發(fā)明者余佳霖, 余振華, 林宏達, 邱文智, 陳鼎元 申請人:臺灣積體電路制造股份有限公司