201006007 九、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本專利案關係於發光裝置。 【先前技術】 例如發光二極體（LED )及雷射二極體的固態光源可 以提供顯著超過例如白熾燈或螢光燈的其他發光形式的各 φ 項優點。例如，當LED或雷射二極體被排列成紅、綠及 藍原色的陣列時，它們可以作爲白光源或作爲多色顯示器 。在此等架構中，固態光源大致更有效並產生較傳統白熾 燈或螢光燈爲少之熱量。雖然固態發光提供某些優點，但 固態發光所用之傳統半導體結構與裝置係相對地昂貴。有 關於傳統固態發光裝置的成本之一爲傳統固態發光裝置的 相對的低製造產量。 參考圖1，傳統LED結構100包括一基材105，其例 Ο 如由藍寶石、碳化砂或尖晶石所形成。一緩衝層110被形 成在基材105上。緩衝層110主要作爲一濕潤層，以提升 藍寶石基材的平順、均勻覆蓋。緩衝層110典型由GaN、 InGaN、A1N或AlGaN所形成並具有約100至500埃的厚 度。緩衝層130典型使用金屬有機化學氣相沈積（ MOCVD)沈積薄非晶層。 一 P摻雜III-V族化合物層120係被形成緩衝層110 上。該P摻雜III-V族化合物層120典型係由GaN所形成 。一InGaN量子井層130被形成在該p摻雜ni-V族化合 201006007 物層120上。一主動III-V族化合物層140然後形成在該 InGaN量子井層130上。一η摻雜III-V族化合物層150 被形成層140上。該ρ摻雜III-V族化合物120爲η摻雜 。一 Ρ-電極160被形成在該η摻雜III-V族化合物層150 上。一 η電極170係被形成在第一 III-V族化合物層120 上。 傳統LED結構100的缺點爲有關於小基材尺寸的低 φ 製造產量。例如，藍寶石或碳化矽基材典型被供給有直徑 2至4吋。傳統LED結構100的另一缺點爲其分層結構容 易受到破損。例如藍寶石或碳化矽的適當基才典型不能以 單晶方式加以取得。ρ摻雜III-V族化合物層120可能由 於不同熱膨脹及於ρ摻雜III-V族化合物層與基材間之晶 格失配，甚至在緩衝層110出現時，而造成破損或剝離。 不同熱膨脹及晶格失配也可能在LED結構中，產生彎曲 變形（即捲起）。結果，使LED結構1〇〇的發光效能受 ❹ 到損害。 因此，有需要一種發光裝置，其可以克服傳統發光系 統中之部份或所有缺點。 【發明內容】 在一態樣中，本發明關係於發光裝置，其包含：一基 材，其具有第一面與不與第一面平行的第二面；一發光層 ，安置該第二面上，以發光，該發光層具有一不與該第一 面平行的發光面。 -5- 201006007 在另一態樣中’本發明關係於發光裝置，其包括：一 基材；及一發光層’安置在該基材上，以發光，該發光層 具有一佔用面積並具有發光面區域，其係大於佔用面積。 在另一態樣中，本發明有關於發光裝置，其包含：具 有第一面的一基材；一發光層，安置在該基材的至少一部 份上，該發光層具有發光面，其係不平行於該第一面；及 一反射緩衝層’安置在該發光層的至少一部份上，以反射 φ 自該發光層發射的光，及其中該反射緩衝層在爲發光層所 發射光的頻譜範圍中，具有高於3 0 %的反射係數。 在另一態樣中’本發明關係於發光裝置，其包含：具 有第一面及一溝渠形成在該第一面的一基材；及一發光層 ’安置在該溝渠內，用以發光，該具有發光面不平行於第 一面的發光層，其中該溝渠外的第一面可以包括至少一寬 度大小窄於1 000微米。 在另一態樣中，本發明關係於一發光裝置，其包具有 Φ 第一面及一凸部形成在該第一面上基材；及一發光層，安 置在該凸部上，用以發光，該發光層具有不與該第一面平 行的發光面。 在另一態樣中，本發明關係於一發光裝置，其包含： 具有第一面的基材；形成在該基材中之溝渠，其中該溝渠 部份被多數不平行於第一面的第一溝渠面所界定；一反射 緩衝層，在該第一面及該多數第一溝渠面的至少一部份上 :及一發光層，在該反射緩衝層上，其中該發光層可以發 射離開該反射緩衝層的光，其中該被發射的光係被侷限於 -6 - 201006007 窄於150度的角範圍內。 在另一態樣中，本發明關係於一種製造發光裝置的方 法。該方法包含：在一基材上形成發光層，該基材具有第 一面與不平行於該第一面的第二面，其中該發光層具有不 平行於該第一面的發光面，其中該發光層可以發光。 系統的實施包含以下之一或多者。發光層可以包括： 量子井層，當電流被產生於量子井層時，其可以發光。量 φ 子井層可以包含由InN、InGaN、GaN、AlGaN及InGaAIN 所選出之材料所形成之一層。該發光裝置可以更包含在基 材與發光層間之一緩衝層。該緩衝層在爲發光層所發射的 光之頻譜範圍內，有高於3 0%的反射係數。該緩衝層在爲 發光層所發射的光之頻譜範圍內，有高於50 %的反射係數 。緩衝層可以具有範圍200至200,000埃的厚度。緩衝層 可以包含銘、氮化銘、銘合金、或Ag及其合金，作爲反 射緩衝層。緩衝層可以包含由 GaN、ZnO、AIN、HfN、 φ AlAs、SiCN、TaN及SiC所選出之材料。發光裝置可以更 包含在基材與發光層間之一下ΠΙ-V族化合物，以及，在 發光層上的上ιπ-ν族化合物層。基材可以具有一溝渠形 成在第一面中，及其中該發光層係安置於該溝渠內。該溝 渠外的第一面可以包含窄於1〇〇〇微米的至少一寬度大小 。基材可以具有一凸部形成在該第一面上’及其中該發光 層係安置於該凸部上。該凸部外的第一面可以包含窄於 1000微米的至少一寬度大小。該基材可以包含砂、氧化砂 、氮化鎵、碳化矽、或藍寶石。該基材可以包含絕緣層上 201006007 覆矽（SOI)基材，或簡單地爲矽黏結至玻璃上，以形成 用於內連線電極的停止層。 上述發光裝置有關的優點爲相較於傳統LED發光裝 置，其顯著地增加發光強度。所揭示之發光裝置及方法提 供較傳統具有相同基材佔用面積的LED發光裝置爲大之 發光面。在所揭示發光裝置下之反射層可以降低吸收有關 的光損失並進一步增加發光效率。形成在所揭示發光裝置 φ 的上III-V族化合物上的透明導電層可以增加於上電極與 上III-V層間之電接觸，並同時，最大化來自所揭示發光 裝置的發光強度。 有關於所揭示之發光裝置的另一優點爲其發光係對焦 於較傳統LED發光裝置爲窄的角度範圍。在所揭示發光 裝置中之更集中角度發光降低了在不想要方向的光損失， 因而，增加了在想要照射方向的亮度增加並降低了功率消 耗。 φ 有關於所揭示之發光裝置的另一優點爲其較傳統發光 系統更容易製造、堅固及更可靠。所揭示之發光裝置及製 程可以克服不同熱膨脹及在下III-V族化合物層與基材間 之晶格失配並防止相關層破裂及剝離、及在傳統LED發 光系統中已知的問題。 所揭示之發光裝置及製程允許發光裝置的更高產量及 大量製造發光裝置。大量的固態LED可以被製造在大基 材，例如矽晶圓或玻璃基材上。相較於傳統發光裝置所用 之小基材，因爲矽晶圓可以設在更大的尺寸（例如6至12 201006007 吋矽晶圓）中，所以，可以大量改良製造生產量。所揭示 發光裝置可以使用商用可得半導體處理設備，例如ALD 及MOCVD系統加以製造，而不必使用客製化製造設備， 這使得所揭示製程容易實施。所揭示之發光裝置可以較傳 統發光裝置在時間及成本上更能有效製造。 再者，所揭示發光裝置可以相較於部份傳統LED裝 置作得更密集、更小型化並更符成本效益。所揭示之發光 裝置可以在矽爲主之基材加以製造，以允許在基材之電子 控制電路的積集。 【實施方式】 以下之圖式係倂入作爲本說明書的一部份，並與說明 一起顯示本發明之實施例，作用以解釋本發明之原理。 參考圖2A至3C，發光裝置2 0 0係被形成在具有上面 207的基材205上（圖3B)。發光裝置200包括在下表面 φ 207下的基材205中的溝渠210。溝渠210具有相對於上 面207傾斜的一或多數溝渠面213 (圖3B )。溝渠210也 可以具有一底面219，其係平行於上面207。底面219的 面積可以保持爲小於溝渠面213的面積的20%。205可以 是矽爲主，上面207可以平行於（100)結晶面。溝渠面 213可以平行於（111)結晶面。（或者，上面207可以平 行於（1 1 1 )結晶面。溝渠面2 1 3可以平行於（1 00 )結晶 面。）溝渠210因此可以具有倒置錐形的形狀，或者，在 205中之截頭倒置錐形狀，這在上面207中形成一正方形 -9- 201006007 開口。一內緣217被形成在兩鄰近溝渠面213的交界處。 205可以是具有外緣2〇8的矩形或正方形。發光裝置200 可以在一半導體晶圓上與一批次的其他發光裝置一起製造 ’並被切片爲分開的晶粒。發光裝置200可以具有爲平行 於上面2 0 7的面之平坦區所界定的矩形或正方形晶粒。 發光裝置200包含：一反射緩衝層215，在上面207 與溝渠面213上；一下πΐ-ν族化合物層220，在反射緩 φ 衝層215上；一或更多量子井層230，在下III-V族化合 物層220上；及一上m-γ族化合物層240。下III-V族化 合物層220及上ΙΠ-ν族化合物層240各包含一 III族元 素及一 V族元素。III族元素典型爲鎵。V族元素典型爲 氮化物。適用於下III-V族化合物層220及上III-V族化 合物層240的III-V族化合物分別可以是η-型摻雜及p-型 摻雜。在溝渠面213上的上III-V族化合物層240部份係 被稱爲斜上III-V族化合物層240Α並朝向相對於205的 Φ 上面207的一角度。發光裝置200也包含：一下電極270 ，在下III-V族化合物層220上，以及，一上電極260在 上III-V族化合物層240上。 在部份實施例中，如圖4Α所示，一半導體晶圓400 包括2x2陣列的發光結構400A-400D形成在基材405上。 各個發光結構400A-400D可以具有類似於上述發光裝置 200的結構。發光結構400A-400D可以在半導體晶圓上， 形成爲2x2矩陣。發光結構400A-400D可以被使用作爲單 一發光裝置，或者’它但可以藉由切割分開，以形成類似 -10- 201006007 於發光裝置200的個別發光裝置。在另一例子中’包含4x 4陣列的發光結構510的半導體晶圓500係如圖4C所示 〇 參考圖3D及4B， 發光結構400A、400B可以形成 在基材405中之溝渠410上。基材405可以由矽、氧化矽 、氮化鎵、藍寶石或玻璃所形成。基材205也琶以例如矽 層在玻璃上的雙層結構所形成，或絕緣層上覆矽（SOI) φ 晶圓所形成。矽層可以具有（1〇〇)上表面。矽層的厚度 可以用以界定溝渠的深度。對於矽爲主之基材，基材405 可以具有在（100)結晶面向中有上面405A。溝渠410的 面410A、410B可以沿著（111)結晶面方向。基材405也 可以包含互補金屬氧化物半導體（CMOS )材料，及一 CMOS電路用以驅動及控制發光裝置400。 反射緩衝層415被形成在基材405的面405A上及在 溝渠410中之斜面410A、410B上。反射緩衝層415的作 • 用爲反射自發光裝置400所發射的光離開基材405，以防 止所發射的光爲基材405所吸收。例如，基材405可以爲 砂爲主’其吸收在可見光範圍的光。反射緩衝層415可以 在由發光裝置400所發射光的頻譜中具有高於3〇%、5〇% 、或70%爲反射係數。 反射緩衝層415可以在真空室內，維持於550。(：至 8 50 °C的範圍內之一溫度，例如約70(rC，使用原子層沈積 (ALD)沈積在基材405上。反射緩衝層415可以具有約 200至200, 〇〇〇埃的厚度’例如1〇〇〇至〇〇〇埃。反射 -11 - 201006007 緩衝層415也可以濕潤並在基材405上形成一均勻層。反 射緩衝層4 1 5也可以具有結晶結構，以晶格磊晶匹配至基 材405及下III-V族化合物層420 (如下述）。 反射緩衝層415的ALD形成可以涉及使用TaN或 TiN及10至100埃的層厚度。原子層沈積（ALD)係爲“ 奈米”技術，允許幾奈米的超薄膜被以準確控制的方式加 以沈積。ALD具有自限原子逐層成長的特性，並對基材相 φ 當高地保角。對於在發光裝置中，形成緩衝層，ALD可以 使用例如液體鹵化物或氣相形式之有機金屬的兩或更多前 驅物。ALD可以涉及加熱以將前驅物分解爲反應物種。前 驅物之一也可以是電漿氣體。藉由每一循環沈積一層， ALD經常提供極端準確的超薄膜成長，因爲循環數決定原 子層數，及所沈積膜的準確厚度。因爲在每一循環中， ALD製程準確地沈積一原子層，所以，可以取得奈米規格 的沈積製程上之完整控制。再者，ALD具有能實質等向沈 # 積的優點》因此，ALD有利於沈積緩衝層於V型溝渠中之 斜面410A及410B，及在U型溝渠中之垂直面上。 下III-V族化合物層420係被形成在反射緩衝層415 上。下III-V族化合物層420可以由摻矽的n-GaN形成。 下ΠΙ-V族化合物層420可以具有範圍1至50微米的厚度 ，例如1 〇微米。 用於反射緩衝層415的材料係被選擇，以滿足與基材 405及下III-V族化合物層420的高反射度及晶格匹配的 要求。例如，反射緩衝層415可以由Α1、氮化鋁、Α1氧 -12- 201006007 化物、Ag、Ag氧化物、及A1、Au及Ag的合金加以形成 。反射緩衝層415也可以由例如TaN、TiN、GaN、ZnO、 AIN、HfN、AlAs、或SiC的一或更多材料所形成。反射 緩衝層415可以具有範圍200至200,000埃，例如1，000 至10,000埃的厚度。 量子井層430被形成在下III-V族化合物層420上。 量子井層43 0係由具有厚度範圍由5至200埃，例如50 φ 埃的InN或InGaN所作成。上III-V族化合物層440係被 形成在量子井層430上。上III-V族化合物層440可以藉 由例如AU.iGao.9N的p型摻雜GaN所形成。上III-V族 化合物層可以具有範圍由0.1至10微米，例如1微米的 厚度的鋁摻P-GaN層440。量子井層430在下III-V族化 合物層420與上III-V族化合物層440間形成一量子井。 —導電層450被選擇地形成在上III-V族化合物層440上 。導電層450至少部份透明。適用於導電層450的材料可 φ 以包含ITO或薄層p-型歐姆金屬，例如Ni/Au。上電極 460可以形成在導電層450上（或當沒有導電層450時， 形成在上ΠΙ-V族化合物層440上）。導電層450的包含 可以根據基材405是否被切薄，以允許更多發射光離開發 光裝置400加以決定。如果基材405並未被切薄，使得更 多光可以離開發光裝置400時，則較佳包含導電層450。 下電極470可以被形成在下III-V族化合物層420上。上 電極460及下電極470可以分稱爲ρ_電極及η_電極。在導 電層450中使用透明ΙΤΟ材料可以顯著地增加於上電極 -13- 201006007 460及上III-V族化合物層440間之導電率，同時，最大 化由量子井層430射出的光離開導電層450的上面》 量子井層430可以形成一量子井，用以在下III-V族 化合物層420及上III-V族化合物層440間之電載子。電 壓可以施加至下電極470及上電極460之間，以在量子井 層430中，產生電場以激勵爲量子井層43 0所形成之量子 井中之載子，在下III-V族化合物層420及上III-V族化 φ 合物層440間形成用於電載子的量子井。激勵載子的重組 合可以發出光。發射波長多數係由在量子井層43 0中之材 料的帶隙加以決定。 在本說明書中，名詞“量子井”表示侷限電荷載子或帶 電粒子，例如電子及電洞至大致二維平坦區的電位井。在 半導體發光裝置中，量子井可以捕捉激勵電子及電洞並界 定當電子及電洞重組於量子井時，光發射的波長並產生光 子。 # 在本說明書中，量子井可以包含一均勻層或多數的量 子井。例如，量子井層（例如圖5Ε至51中之量子井層 430 )可以包含由 InN、GaN、InGaN、AlGaN、InAIN 或 AlInGaN作成之大致均勻層。量子井也可以包含界定一或 多量子井的多層結構。一量子井也可以例如藉由包夾在兩 GaN 層間之 InGaN、AlGaN、InAIN、或 InGaAIN 所形成 。量子井可以藉由包夾在GaN或AlGaN層中之InGaN層 所形成。量子井可以包含一或一堆疊此分層結構加以形成 ，各層界定上述量子井。 -14- 201006007
InN的帶隙約1.9eV，低於約3.4eV的GaN的帶隙。 較低帶隙的InN或InGaN層可以界定一電位井，用以捕捉 例如電子及電洞的電荷載子。被捕獲的電子及電洞可以重 組，以產生光子（發光）。在InN或InGaN中之帶隙因此 可以決定發光的顏色。換句話說，發光的顏色可以藉由調 整在InGaN中之In及Ga的組成物加以調整。例如，一量 子井可以由InN層發出紅光、由In(〇.5)Ga(0.5)N層發出 φ 綠光、及在量子井中，由In(0.3)Ga(0.7)N中發出藍光。 在一態樣中，所掲示之發光裝置可以包含一具有第一 面及不平行第一面的第二面之基材；及一發光層，安置在 該第二面上，以發光，該發光層具有一不平行於該第一面 的發光面。藉由描述一層安置在另一層“之上方”或“上”， 這不必然表示兩層必須彼此直接接觸；事實上，其間可能 有一或更多其他層，這將如同此說明之其他部份所述。在 一態樣中，所揭示的發光裝置可以包含一基材；及一發光 φ 層，安置在該基材之上方以發出，該發光層具有一佔用面 積並具有較佔用面積爲大之發光面區域。在另一態樣中， 所揭示之發光裝置可以包含：具有一第一面及有一凸部形 成在該第一面上的基材；及一發光層，安置在該凸部上， 用以發光，該發光層具有不平行於該第一面的發光面。 圖3E及3F分別顯示用於發光結構的其他層結構及材 料組成物例子，其可以包含溝渠、例如錐體的凸部 '及其 他包含不平行於基材頂面之斜面的結構。只爲了顯示目的 ，該等層係被顯示於水平方向。描述了在溝渠之斜面上或 -15- 201006007 在凸部及基材上面的層之順序、厚度及組成物。在緩衝 下的Ah 03層可以提供反射由基材發出的光所需之反射 。量子井層可以藉由二至十週期的GaN : Mg及InxGai. 層所形成。GaN : Mg層可以例如約5nm厚。InxGa^N 可以例如約2nm厚。下III-V族化合物層可以由被摻雜 Mg或Si的GaN作成，其厚度大約2微米。上III-V族 合物層可以由被摻以Mg或Si的GaN、被摻以Mg或 φ 的AlGaN所作成，其厚度大約lOOnm。上電極可以由大 厚2〇Onm的ITO層所形成，或分別由Ni及Au作成之 層所作成。 在部份實施例中，一反射緩衝層可以被形成在基 405上。第一緩衝層及第二緩衝層可以被依序形成在基 405上。至少第二緩衝層爲反射性的。所組合用於第一 衝層及第二緩衝層的反射係數係高於由發光裝置發射的 之頻譜範圍中的30%、50%或70%。下III-V族化合物 然後被形成在第二反射緩衝層上。量子井層、上III-V 化合物層、導電層、上電極、及下電極可以然後被連續 成，以形成該發光裝置。 應注意的是，在晶圓400、500中之發光結構可以 由切片及切除加以分離，以形成個別發光裝置，各個發 裝置被供電以在個別應用中發光。在晶圓400、500中 發光結構各可以被使用作爲積體發光裝置。在晶圓400 500中之發光結構的下電極可以被電連接，以允許它們 接至一共同外部電極。在晶圓400或500中的發光結構 層 度 χΝ 層 以 化 Si 約 雙 材 材 緩 光 層 族 形 藉 光 之 或 連 的 -16- 201006007 上電極可以連接至不同外部電極，這允許在晶圓400或 500中之發光結構被個別定址以導通及關閉。在晶圓400 或500中之發光結構的上電極可以被連接至一共同外部電 極，以允許在晶圓400或500中之發光結構被成群地導通 或關閉，以提供大面積之發光裝置。 上述發光裝置的另一優點爲所揭示發光裝置及製程可 以克服不同熱膨脹及於下III-V族化合物層與基材間之晶 φ 格失配，並防止相關層破裂及剝離。已知晶格失配及不同 熱膨脹的嚴重性隨著於下III-V族化合物與基材（或緩衝 層）間之橫向接觸尺寸的函數。傳統LED發光裝置經常 製造於2吋及4吋基材上，並可能在該下III-V族化合物 層與基材（或緩衝層）的接觸區域受到大應力。在矽爲基 的基材中，對於（1〇〇)面的晶格失配及不同熱膨脹係遠 大於對於（111)面者。 所揭示之發光裝置藉由分割（111)溝渠面及在溝渠 〇 間之（100)上面，而分解大（100)表面積。溝渠的開口 (在圖3A-3C中之210)可以在100微米至10 0mm的範圍 間，例如1至20mm。（ 1 00 )上面207的寬度“D”（圖4B )可以被保持例如窄於1 〇〇〇微米，這是遠小於用以製造 傳統LED發光裝置的晶圓基材的寬度。同樣地，底面215 的寬度“W”（圖3C)也可以保持例如窄於200微米。藉由 保持這些尺寸很小’有關於不同熱膨脹及晶格失配的應力 可以被顯著地降低。 上述發光裝置可以產生遠較傳統LED裝置爲高之發 -17- 201006007 光強度。參考圖6A及6B，傳統LED發光裝置600包含 一在基材600上之平坦發光面610。依據本發明之發光裝 置650包含具有上面660及具有斜發光面670的溝渠的基 材65 5。對於矽爲主之基材，上面可以沿著（1〇〇 )結晶面 及平行於（1 1 1 )結晶面的斜發光面670A、670B。斜發光 面670A、670B相對於上面660具有54.7度角。對於在上 面6 6 0上相同的佔用面積，沿著各個這些面量測的斜發光 φ 面670A、670B的面積總和爲在傳統LED裝置600中之平 坦發光面610的面積的l/(cos(54.7°))(即約1.73倍）。 所揭示之發光裝置係相容於其他物質材料及斜面溝渠面的 相對取向。應了解的是，所揭示之發光裝置係相容於其他 基材材料及斜溝渠面的相對取向。斜溝渠面可以在20度 及8 0度間之一角度，或者更特定的例子，即於相對於基 材的上面，於約50度至60度間。 在所揭示發光裝置中溝渠的發光面可以大於溝渠開口 暴 面積的1倍、或1.2倍、或1.4倍、或1.6倍。在上述發 光裝置的大發光表面積允許產生較傳統LED裝置所能產 生之更高光發射強度。對於形成在個別晶粒上之發光裝置 (例如圖2A中之200 )，爲總和斜溝渠面所提供的發光 面可以具有較發光裝置的平坦區（例如圖2A中之發光裝 置2 00的佔用面積）爲大的面積。 所述發光裝置的另一優點爲它們可以發出較傳統LED 裝置更集中角度範圍的光。參考圖6A及6B，平坦發光面 610發出180度角範圍的光。相對於基材法線方向，角度 -18- 201006007 發射分佈620具有3 60度旋轉對稱。發光裝置65〇包含分 別依據角度分佈680A及680B發光的斜發光面670A及 6 7 0B，這些係組合以完成一發光角分佈68 0。發光角分佈 680具有相對於基材法線方向的90度旋轉對稱及70.6°的 角寬，這係少於爲在傳統LED發光裝置600中之角發光 分佈620的角度範圍的一半。因此，發光裝置65 0的發光 較集中及較傳統LED發光裝置有效。所揭示之發光裝置 0 係相容於其他基材材料及斜溝渠面的相對取向。由斜溝渠 面發出之光可以侷限於小於150度、120度、100度或80 度的角度範圍內，以提供不同度數的角度集中光發射。 參考圖 5A-5I及圖 8，發光裝置400 (200、300或 600 )的製程可以包含以下步驟。應注意的是，所述使用 溝渠的製程係爲用於發光結構的例子。該製程也可以應用 至例如凸部（例如錐體）的其他發光結構及其他包含不平 行於基材的相對上面的斜面的不同結構。一遮罩層401係 Φ 被形成在基材405(圖5A)上。基材405具有一上面 405A。在遮罩層401的開口 402係被界定予以形成之溝渠 的位置與開口。一或更多溝渠410係形成在基材405中（ 圖5B1及5B2的步驟810)。溝渠410可以藉由化學蝕刻 基材4 0 5加以形成。濕式蝕刻係被沿著所有方向作等向蝕 刻。例如’一蝕刻劑可以對於（1 1 1 )矽結晶面比較其他 結晶面方向有較慢的鈾刻率。因此，蝕刻劑（例如Κ Ο Η ) 可以在基材405中建立溝渠410，其中，溝渠面41〇α、 410Β係沿著（111)矽結晶面。蝕刻可以底切在硬遮罩層 -19- 201006007 401下之矽，以在Si ( 100 )晶圓的頂部形成（硬）遮罩 層401懸突（圖5B1)。硬遮罩層401被隨後移除（如圖 5B2所示）。 一或多數緩衝層可以使用原子層沈積（ALD)或 MOCVD，下一個被形成在基材405上（步驟820 )。例如 ，使用原子層沈積（ALD )，一緩衝層213(或210)係 被下一個形成在基材205上（步驟820)。基材205可以 Φ 具有上面朝向（100)結晶面。緩衝層213或210可以由 GaN、ZnO、AIN、HfN、AlAs或SiC所形成。緩衝材料的 原子層沈積可以使用例如由應用材料公司所購得之 IPRINT Centura之商用設備加以執行。原子層沈積可以涉 及真空室的去氣、施加前驅材料、及單層單層地沈積緩衝 材料。基材（或室）溫度可以控制於約600°C。在ALD製 程中，形成成核層的層厚可以薄至12埃，這遠較用於在 傳統LED結構（例如圖1所繪之LED結構1 00 )中形成 Φ 緩衝層的MOCVD所需之300埃的厚度爲薄。步驟820也 可以稱爲低溫緩衝層的ALD。 反射緩衝層係在真空室中使用原子層沈積（ALD )加 以沈積在基材205上，真空室被維持在範圍由550。(：至 8 5 0°C，例如670°C的相對低溫。第二緩衝層可以在真空室 中使用原子層沈積（ALD )沈積在第一緩衝層上，該真空 室被維持在範圍由8 5 0°C至1 250°C間之例如100CTC的相對 闻溫。反射緩衝層可以由Al、A1氧化物、Ag、Ag氧化物 、Au、Au氧化物、及包含Al、Ag或Au的合金所形成。 -20- 201006007 反射緩衝層也可以包含GaN、ZnO、AIN、HfN、AlAs或 SiC。反射緩衝層可以具有約20至300埃的厚度。反射緩 衝層的結晶結構可以具有磊晶匹配至基材及下III-V族化 合物層的晶格，以降低由基材至下III-V族化合物層的晶 格結構轉移，這可以降低在多層結構中之破裂及剝離的機 會。 對於發光裝置發光裝置400，反射緩衝層415可以藉 _ 由MOCVD、PVD、ALD或分子束幕晶（MBE )，而形成 在基材405的表面405A及溝渠410中之斜面410A、410B 上。反射緩衝層415可以由ALD TaN或TiN材料加以形 成。在其他例子中，反射緩衝層415的形成琶以包含以下 之一程序：使用MOCVD，以1000°C沈積A1N及以l〇〇〇°C 沈積GaN ;使用MOCVD，以700°C沈積GaN，其後，以 MOCVD 以 l〇〇〇°C 沈積 GaN ;使用 PVD 以 5 0(TC 沈積 HfN ，其後’使用MBE，以700°C沈積GaN ;及使用MOCVD φ ’以1000 °c沈積Si CN，其後使用MOCVD，以1000 r沈 積 GaN。 在V型溝渠410中的面410A及410B中形成反射緩 衝層415的優點爲面410A及410B的（111)結晶方向可 以允許在矽基材、反射緩衝層415、及下III-V族化合物 層420間之較佳晶格匹配。較佳晶格匹配可以顯著地降低 由部份傳統發光裝置之晶格失配所造成之破裂問題。 下III-V族化合物層420被下一個形成在反射緩衝層 415上（圖5D的步驟83 0 )。下III-V族化合物層420可 -21 - 201006007 以由η-型摻雜GdN材料所形成。GaN可以在矽被摻雜的 同時，使用MOCVD被成長在反射緩衝層415上。矽摻雜 可以加強拉伸應力，以使壓縮及拉伸強度可以平衡。結果 ，可以顯著地防止在形成下III-V族化合物層420時的破 裂。 一量子井層43 0被下一個形成在下Πΐ-ν族化合物層 420上（圖5E的步驟840)。量子井層430可以包含由 0 InN、GaN、InGaN、AlGaN、InAIN、或 AlInGaN 所作成 之實質均勻層。量子井層430也可以包含界定一或更多量 子井的多層結構。量子井可以例如藉由包夾在兩GaN或 AlGaN 層間之 InGaN、AlGaN、InAIN、或 InGaAIN 層所 形成。量子井層43 0可以包含一堆疊此等分層結構，各個 界定一量子井。 上III-V族化合物層440係被形成在量子井層430上 (圖5F之步驟850)。不同於下III-V族化合物層42 0爲 φ η-型摻雜及上III-V族化合物層440爲p-型摻雜，下III-V 族化合物層420可以爲ρ-型摻雜及上III-V族化合物層 440可以爲η-型摻雜（如圖9之流程圖所示）。 透明導電層450可以隨後被選用地形成在上III-V族 化合物層440上（圖5G的步驟860)。量子井層的形成 可以包含多MOCVD步驟。該多步驟的各步驟可以包含沈 積一層厚5 0埃。 量子井層430、上III-V族化合物層44 0及導電層450 也可以由MOCVD形成。下III-V族化合物層420、量子井 -22- 201006007 層430、上III-V族化合物層440的MOCVD形成及反射緩 衝層415的ALD形成也可以在同一 ALD/CVD室系統中形 成，以最小化基材移動進出真空室的次數。該製程產量可 以進一步改良。在處理時的雜訊也可以降低。 量子井層430、上III-V族化合物層440、及導電層 450可以藉由以光阻塗覆並以光微影加以作出圖案。量子 井層43 0、上III-V族化合物層440、及導電層450的部份 0 可以藉由濕式蝕刻移除’以曝露出下III-V族化合物層 420的上面的一部份（圖5H的步驟870)。 上電極4 60被隨後形成在導電層450上（圖5H的步 驟8 80 )。上電極460可以包含Ni/Au雙層，其分別具有 12nm及lOOnm的厚度。導電層450的製造可以涉及塗覆 光阻層在4501上及下III-V族化合物層420的曝露的上表 面上。光阻層然後使用光微影加以圖案化並選擇地移除以 形成一遮罩。電極材料係被隨後沈積在遮罩的開口中。不 φ 想要之電極材料及光阻層被隨後移除。 下電極470被隨後形成在下III-V族化合物層420上 (圖5H)。下電極470可以包含AuSb/Au雙層。AuSu層 的厚度爲18nm，而Au層的厚度爲lOOnm。下電極470的 形成也可以藉由形成在下ΠΙ-V族化合物層420上具有開 口的光阻遮罩、沈積電極材料並隨後移除不想要的電極材 料及光阻層，而完成下電極470。最後，形成發光裝置 400 〇 或者，參考圖51，一保護層48 0可以被引在發光裝置 -23- 201006007 400上，用以保護使之免於濕氣、氧及在環境中之其他有 害物質。保護層480可以由例如氧化矽、氮化矽或環氧等 之介電材料作成。保護層可以被作出圖案，以曝露出上電 極460及下電極470，以允許它們可以接收外部電壓。在 部份實施例中，保護層可以包含導熱材料，例如A1及Cu ，以提供適當對發光裝置400的冷卻。 應注意的是，下III-V族化合物層及上III-V族化合 φ 物層可以具有不同摻雜配置，只要它們摻雜含量係彼此相 對即可。下III-V族化合物層可以爲P-型摻雜及上III-V 族化合物層可以爲η-型摻雜。或者，下III-V族化合物層 可以爲η-型摻雜及上III-V族化合物層可以爲ρ-型摻雜。 圖7爲依據本發明的另一發光裝置700的透視圖。不 同於在遮罩層中之正方開口（圖5Α及以下之步驟800 ) ，一矩形開口被形成在遮罩層410中，以產生蝕刻後的長 溝渠。矩形開口有時較佳爲溝渠開口的長縱深比。例如， ❹ 部份發光裝置需要長形發光面。對於矽爲主之基材，上面 可以平行於（1 〇〇 )結晶面。類似於前述說明，斜溝渠面 係平行於（111)結晶面。長斜溝渠面可以至少50%大於 斜第一溝渠面的面積，在長溝渠的末端。 所揭示之發光裝置及製程可以包含一或更多之以下優 點。所揭示之發光裝置及製程可以克服有關於下III-V族 化合物層與基材間之晶格失配並防止在傳統發光裝置中之 相關層的破裂。所揭示之發光裝置及製程可以防止由於ρ-摻雜III-V族化合物層與基材間之不同熱膨脹造成之ρ-摻 -24- 201006007 雜或η-摻雜III-V族化合物層的破裂或剝離。有關於所揭 示之發光裝置的優點爲發光裝置可以藉由增加發光裝置的 密度及藉由來自溝渠中之斜面或垂直面的額外發光而顯著 地增加發光效率。 在所揭示之發光裝置中的發光層可以被形成在上述溝 渠以外之其他結構類型中。參考圖9A至10C，例如，一 發光裝置900係被形成在具有上面907的基材905上。發 ❹ 光裝置900包含一凸部910在上面907之上。凸部910具 有一或更多凸出面 913(圖10A-10C)，並相對於上面 907有一斜率。凸部910也可以具有一頂面919，其係實 質平行於上面907。頂面919的面積可以保持小於凸出面 913之一的20%。凸部910也可以具有錐體或截頭錐體的 形狀，在上面907之上。 基材905可以爲矽爲主：上面907可以平行於（100 )結晶面。凸出面913可以平行於（1 1 1 )結晶面。（或 Φ 者’上面907可以平行於（111)結晶面。凸出面913可 以平行於（1〇〇)結晶面。）基材905也可以包含多層之 絕緣層上覆政（SOI)結構。 一緣917被形成在兩鄰接凸出面913的交界。基材 905可以具有外緣908的矩形或正方形。發光裝置900可 以與其他發光裝置一起製造在一半導體晶圓上，並切片以 形成分開之晶粒。發光裝置900可以具有爲平行於上面 907的面中之平坦區所界定之矩形或正方形晶粒形狀。 發光裝置900包含：一反射緩衝層915在上面9〇7上 -25- 201006007 及凸出面913上；下III-V族化合物層920在一反射緩衝 層915上；一或更多量子井層93 0在下ΙΙΙ·ν族化合物層 920上；及一上III-V族化合物層940。在凸出面913上的 上III-V族化合物層940之部份係被朝向相對於基材905 的上面907的一角度。發光裝置900也包含一下電極970 在下III-V族化合物層920上及一上電極960在上III-V 族化合物層940上。 φ 在部份實施例中，如圖11Α、11Β所示，一半導體晶 圓1000包含2x2陣列的發光結構1000A-1000D形成在基 材905上。各個發光結構1000A-1000D可以具有類似於上 述發光裝置900的結構。發光結構1000A-1000D可以形成 在半導體晶圓上呈2x2陣列。發光結構1 000A-100D可以 使用爲單一發光裝置，或者它們可以藉由切割與切片加以 分離，以形成類似於發光裝置200的個別發光裝置。在另 一實施例中，如圖11C所示，半導體晶圓1 1〇〇可以包含 〇 4χ4陣列的發光結構1 1 10。 如上所述，基材905可以爲矽爲主。上面907可以平 行於（1〇〇)結晶面。凸出面913可以平行於（111)結晶 面。（100 )上面207的寬度“D1”（圖1 1Β )可以例如保 持爲低於1〇〇〇微米，這係遠低於製造傳統LED發光裝置 的晶圓基材的寬度。藉由使此尺寸保持小，有關於不同熱 膨脹的應力及晶格失配可以被顯著降低。 圖9A-1 1C所示之發光裝置可以產生與傳統LED裝置 不同的角度分佈。參考圖12，發光裝置900包含形成在基 -26- 201006007 材905上之凸部910。具有發光面1270A及1270B的發光 層係被形成在凸部9 1 0的斜面上。對於矽爲主之基材，上 面907可以沿著（1〇〇 )結晶面及斜面發光面1270A、 1270B平行於（1 1 1 )結晶面。相對於上面907，發光面 1 270八、1 2708係有54.7°角。對於在上面的相同佔用面積 ，在發光面1 270A、1270B的發光面積總和大約爲在傳統 LED裝置600(圖6A)的面積的1.73倍。所揭示之發光 〇 裝置係相容於其他基材材料及斜凸出面的相對取向。斜凸 出面可以在20度至80度間之一角度，或者，更特定例爲 相對於基材的上面爲50度至60度間。 在所揭示之發光裝置的凸部上的發光面可以多於凸部 的基礎面積的一倍、或1.2、或1.4或1.6倍。在所述發光 裝置中之大發光面積允許所揭示之發光裝置產生較傳統 LED裝置爲高的發光強度。來自發光面1270A、1270B的 光可以假設如圖12所示之寬分佈1 280。 實施例可以包含一或更多之以下優點。所揭示之發光 裝置及相關製程可以提供較高產量的發光裝置，因此，較 傳統發光裝置有較低之製造成本。所揭示之發光裝置及相 關製程他可以提供更密集之發光裝置，並例如可以包含一 發光元件、一驅動器、電源及光調變單元，整合在單一半 導體基材上。 前述說明及附圖應被認爲本發明之原理的說明。本發 明可以以各種形狀及大小加以架構，並且，並不限於所述 較佳實施例的尺寸。本發明之各種應用將爲熟習於本技藝 -27- 201006007 者所了解。因此，本發明並不被限於所述之例子及特定結 構與操作。相反地，所有適當修改及等效可以落在本發明 之範圍內。例如，η-摻雜及p-摻雜III-V族化合物層可以 在位置上交換，即，Ρ-摻雜ΠΙ-V族化合物層可以位在量 子井層下，及η-摻雜III-V族化合物層可以位在量子井層 上。所示發光裝置可以適用以發出綠、藍，及其他顏色的 光。 ❹ 應了解的是，所揭示之系統與方法係適用於大範圍的 應用中，例如雷射二極體、藍/uv LED、霍爾效應感應器 、開關、UV檢測器、微電機系統（MEMS )、及RF功率 電晶體中。所揭示之裝置可以包含其他各種應用的元件。 例如，根據本案裝置的雷射二極體可以包含用以產生雷射 光的反射面或鏡面。對於發光應用，本案之系統可以包含 其他反射器及擴散器。 應了解的是，本案所揭示之發光裝置並不限於所述之 〇 溝渠及凸部。基材可以包含具有第一取向的第一面及第二 取向的第二面。該第一及第二面可以可不形成一溝渠或凸 部。多數III-V族化合物層可以被形成在該基材上。當電 流產生於該III-V族化合物層時，III-V族化合物層可以發 光。 【圖式簡單說明】 圖1爲傳統LED結構的剖面圖； 圖2A爲依據本發明實施例之發光裝置的透視圖； -28- 201006007 圖2B爲在圖2A中之發光裝置的前角落部的詳細透視 rm · 圖， 圖3A爲沿著在圖2A中之線A-A的發光裝置的剖面 圖； 圖3B爲在圖3 A的發光裝置的一側部的詳細剖面圖； 圖3C爲在圖3A的發光裝置的底部的詳細剖面圖； 圖3D爲在圖2A中之線B_B的發光結構剖面圖； φ 圖3E及3F圖爲用於發光結構的層結構及材料組成物 的例子； 圖4A爲依據本發明之在基材上製造的發光結構的2x 2陣列的透視圖； 圖4B爲沿圖4A之線B-B的發光結構的一部份剖面 圖； 圖4C爲依據本發明之基材上製造的4x4陣列的發光 結構的透視圖； # 圖5A爲具有用以形成圖4B的發光裝置的圖案遮罩的 基材的剖面圖； 圖5B1爲在蝕刻經圖5A所示之遮罩後，在圖5A中 之發光裝置的透視圖； 圖5B2及5C-5I爲形成圖4B的發光裝置的不同步驟 的剖面圖； 圖6A爲傳統LED發光裝置的發光角度分佈例的示意 Ιαΐ · 圖， 圖6Β爲由圖2Α所示之發光裝置所發射的光的角度分 -29- 201006007 佈的示意圖； 圖7爲依據本發明的另一發光裝置的透視圖； 圖8爲用於圖2至圖7的矽爲主的發光裝置的製程的 流程圖； 圖9A爲依據本發明另一實施例之發光裝置的透視圖 » 圖9B爲圖9A之發光裝置的前角落部份的詳細透視圖 ❹ 圖10A爲沿著圖9A線A-A所取之發光裝置的剖面圖
I 圖10B爲在圖10A之發光裝置的側部份的詳細剖面圖 圖10C爲在圖10A之發光裝置的上部份的詳細剖面圖 » 圖11A爲依據本發明之製造於基材上之2x2陣列發光 Ο 結構的透視圖； 圖1 1 B爲沿著圖1 1 A的線B - B的發光結構的部份剖 面圖； 圖11C爲依據本發明之製造在基材上的4x4陣列的發 光結構的透視圖；及 圖12爲示於圖9A之發光裝置所發射的光的角度分佈 示意圖。 【主要元件符號說明】 -30- 201006007 100 ： LED 結構 1 05 :基材~ 1 1 〇 :緩衝層 120: p-摻雜III-V族化合物層 130 · InGaN量子井層 140 :主動III-V族化合物層 150: η-摻雜III-V族化合物層 1 6 0 : Ρ 電極 1 7 0 : Ν電極 200 :發光裝置 20 5 :基材 2 0 8 :外緣 217 :內緣 240 :上III-V族化合物層 240Α:斜上III-V族化合物層 φ 260 :上電極 2 7 0 :下電極 220 :下III-V族化合物層 2 1 0 :溝渠 2 1 3 :溝渠面 2 3 0 :量子井層 2 1 5 :反射緩衝層 207 :上面 2 1 9 :底面 -31 - 201006007 400 :半導體晶圓 400A-D : #光結構 405 :基材 405A :上面 4 1 0 :溝渠 410A, B :面 4 1 5 :反射緩衝層 _ 4 3 0 :量子井層 700 :發光裝置 440:鋁摻雜p-GaN層 4 6 0:上電極 470 :下電極 420:下III-V族化合物層 5 00 :半導體晶圓 5 1 0 :發光結構 . 40 1 :遮罩層 402 :開口 405A :上面 450 :導電層 480 :保護層 600 :發光裝置 605 :基材 6 1 0 :平坦發光面 650 :發光裝置 -32- 201006007 65 5 :基材 670A，B :斜發光面 900 :發光裝置 905 :基材 9 0 8 :外緣 910 :凸部 9 1 5 :反射緩衝層 參 917 :緣 920 :下III-V族化合物層 913 :凸部面 907 :上面 940 :上III-V族化合物層 9 6 0:上電極 970 :下電極 9 3 0 :量子井層 Φ 9 1 9 :頂面 1000·半導體晶圓 100A-D :發光結構 1 1 10 :發光結構 1270A, B :斜發光面 1 2 8 0 :寬分佈 6 2 0 :角發射分佈 670A，B :斜發光面 680:發光角分佈 -33-