CN100423303C - 发光二极管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种发光二极管是由基板以及位于基板上的磊晶结构所构成，且磊晶结构的表面具有数个传质化图案，这些传质化图案是通过传质方法使磊晶结构原有的粗糙表面形变而成的，其中传质化图案的表面形态比磊晶结构的原有表面的表面形态拥有更为平缓且圆融的表面，以增加发光二极管的光取出效率，并减少发光二极管表面粗化或图案所造成仪器判别元件位置困难的问题。

Description

发光二极管及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种发光二极管(light emitting diode，LED)及其制造方法，且特别是涉及一种可增加发光二极管的光取出效率的发光二极管及其制造方法。

背景技术

一般发光二极管的效率可分为内部量子效率(internal quantumefficiency)和外部量子效率(external quantum efficiency)，所谓的内部量子效率指的是外界输入载子在元件中转换成光子的比率，其主要与元件材料本身的磊晶和结构有关；外部量子效率则为其内部量子效率和光取出效率(light extraction efficiency)的乘积，其中光取出效率指的是元件内部所产生的光子能散逸到元件外部的比例。一般所谓发光二极管效率指的是其外部量子效率，即为元件外部所测得的光子数和输入载子数之比。

III族氮化物因为本身具有直接且宽的能隙，所以被广泛地使用在发光二极管上。由于氮化镓能与氮化铟(InN)和氮化铝(AlN)形成三元或四元化合物，如此借着改变III族元素的比例，便能使发光二极管波长涵盖红外光到紫外光的范围，使其广泛应用于小型以及大型户外显示板、汽机车仪表板、汽车车灯、手机、警示灯、指示灯、广告板、红绿灯等，改善并丰富了人类的生活品质。

氮化镓发光二极管早期的发展主要在改善磊晶的结构与品质，以提升其内部量子效率，而现今光取出效率增进的研究亦极受重视，使发光二极管的效率能进一步的提升。在改善光取出效率方面，公知的氮化镓发光二极管与空气的折射率分别是2.5与1，因为氮化镓发光二极管的折射率较高，很容易形成内部全反射，所产生的光子由于内部全反射的缘故，不容易释放到氮化镓发光二极管之外。

发明内容

本发明的目的是提供一种发光二极管，可增加其光取出效率。

本发明的再一目的是提供一种发光二极管的制造方法，以获得较高的光取出效率并减少发光二极管表面粗化或图案所造成仪器判别元件位置困难(即n，p pad色差)的问题。

本发明提出一种发光二极管，包括基板以及位于基板上的磊晶结构。磊晶结构的表面具有数个传质化图案(mass transferred pattern)，这些传质化图案是通过传质方法使磊晶结构原有的粗糙表面形变而成，其中传质化图案的表面形态比磊晶结构的原有表面的表面形态拥有更为平缓且圆融的表面。

依照本发明的较佳实施例所述发光二极管，上述各传质化图案之间相隔的距离在0.1μm～5μm之间。此外，各传质化图案的表面类似微透镜的表面。

依照本发明的较佳实施例所述发光二极管，上述基板包括表面图案化基板。

依照本发明的较佳实施例所述发光二极管，还包括再成长屏蔽，设置于磊晶结构中。

依照本发明的较佳实施例所述发光二极管，上述磊晶结构包括位于基板上的缓冲层、位于缓冲层上的第一接触层、位于第一接触层上的主动层、位于主动层上的被覆层以及位于被覆层上的第二接触层。而且，本发明的较佳实施例所述发光二极管还包括位于第一接触层上的第一电极、位于第二接触层的表面和传质化图案上的第二电极及透明导电层，其中透明导电层与第二电极互不重叠。此外，上述透明导电层包括金属导电层或是透明氧化层。

依照本发明的较佳实施例所述发光二极管，上述第一接触层包括n型接触层以及第二接触层包括p型接触层，且被覆层包括p型被覆层。此外，这种发光二极管还包括设置于基板和主动层之间的再成长屏蔽。

本发明再提出一种发光二极管的制造方法，包括于基板上提供磊晶结构，且磊晶结构的表面具有数个第一图案。然后，利用传质(mass transfer)方法，使其表面的第一图案产生形变而形成数个第二图案，其中各个第二图案的表面形态比各个第一图案的表面形态拥有更为平缓且圆融的表面。

依照本发明的较佳实施例所述发光二极管的制造方法，上述传质方法中，传质现象产生的温度介于800℃～1400℃之间。

依照本发明的较佳实施例所述发光二极管的制造方法，上述各个第二图案之间相隔的距离在0.1μm～5μm之间。而各个第一图案的高度在500埃～10000埃之间、宽度在0.1μm～5μm之间。

依照本发明的较佳实施例所述发光二极管的制造方法，上述于基板上提供磊晶结构的步骤包括在基板上依次形成缓冲层、第一接触层、主动层、被覆层以及第二接触层，再以工艺方式于第二接触层的表面制作上述第一图案。

依照本发明的较佳实施例所述发光二极管的制造方法，上述于基板上提供磊晶结构的步骤包括提供表面图案化基板作为基板，其中表面图案化基板的表面具有表面图案。之后，在基板上依次形成缓冲层、第一接触层、主动层、被覆层以及第二接触层。

依照本发明的较佳实施例所述发光二极管的制造方法，上述于基板上提供磊晶结构的步骤包括在基板上依次形成缓冲层、第一接触层、主动层以及被覆层。接着，在被覆层上形成第二接触层，并利用磊晶条件的改变使第二接触层上产生上述第一图案。

依照本发明的较佳实施例所述发光二极管的制造方法，上述于基板上提供磊晶结构的步骤包括于磊晶结构中形成再成长屏蔽，而再成长屏蔽的图案与第一图案的位置呈镜面对称。而且，再成长屏蔽可被制作于基板和主动层之间，再以横向再成长(ELOG)或悬空外延(Pendeo)的磊晶方式制作发光二极管晶体。

依照本发明的较佳实施例所述发光二极管的制造方法，上述步骤后可包括在第一接触层上形成第一电极、于第二接触层表面和第二图案上形成第二电极以及透明导电层，其中透明导电层与第二电极互不重叠。

本发明因采用传质方法，使得发光二极管的磊晶结构原本粗化或具有图案的表面产生形变，因此能够增加发光二极管的光取出效率，同时减少因为发光二极管表面粗化或图案所造成仪器判别元件位置困难的问题。

为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1A至图1D为依据本发明的第一实施例的发光二极管的制作流程剖面示意图。

图2A至图2C为依据本发明的第二实施例的发光二极管的制作流程剖面示意图。

图3A至图3C为依据本发明的第三实施例的发光二极管的制作流程剖面示意图。

图4A至图4C为依据本发明的第四实施例的发光二极管的制作流程剖面示意图。

图5为本发明的实施例的传质化图案的放大剖面图。

主要元件标记说明

110、210、310、410：基板

120、220、320、420：缓冲层

130、230、330、430：第一接触层

140、240、340、440：主动层

142、242、342、442、172、272、372、472：电极

150、250、350、450：被覆层

160、260、360、460：第二接触层

162、262、362、462：第一图案

164、264、364、464：第二图案

170、270、370、470：透明导电层

212：表面图案

412：再成长屏蔽

500：磊晶结构

502：宽度

504：高度

506：距离

510：传质化图案

520：原有表面

具体实施方式

本发明的概念是通过传质方法，使已经过表面粗化或图案化的发光二极管表面产生形变，以达到本发明的目的。以下举出数个实施例作为举例用，但本发明的应用并非局限于此。

图1A至图1D为依据本发明的第一实施例的发光二极管的制作流程剖面示意图，其中图1D即为发光二极管的完成结构图。

请参照图1A，先于基板110上提供磊晶结构120-160。于此实施例中，基板110的材质是C-Plane或R-Plane或A-Plane的氧化铝单晶(Sapphire)或碳化硅(6H-SiC或4H-SiC)，其它可用于基板110的材质还包括Si、ZnO、GaAs或尖晶石(MgAl₂O₄)，或是晶格常数接近于氮化物半导体的单晶化合物。而提供磊晶结构的方法则是在基板110上依次形成缓冲层120、第一接触层130、主动层140、被覆层150以及第二接触层160，其中缓冲层120例如是由有特定组成的氮化铝镓铟(Al_aGa_bIn_1-a-bN，0≤a，b＜1，a+b≤1)所构成的、第一接触层130例如是由氮化镓(GaN)材质构成的n型接触层、主动层140是由氮化铟镓所构成、被覆层150例如是由氮化镓材质所构成的p型被覆层。而第二接触层160则是例如由氮化镓材质所构成的p型接触层。

接着，请参照图1B，以工艺方式于第二接触层160的表面制作数个第一图案162。

然后，请参照图1C，利用传质(mass transfer)方法，使第一图案162产生形变而形成数个第二图案164，其中各第二图案164的表面形态比各第一图案162的表面形态拥有更为平缓且圆融的表面，而这种第二图案164因为是通过传质方法获得的，所以又可称为传质化图案(masstransferred pattern)。在此实施例中，传质现象产生的温度介于800℃～1400℃之间，其中较佳的条件为1000℃～1200℃。

之后，请参照图1D，在第一接触层130上形成电极142，其为负电极且可以是由Al、Pt、Pd、Co、Mo、Be、Au、Ti、Cr、Sn、Ta、TiN、TiWN_x(x≥0)、WSi_y(y≥0)和其它类似材料以单层、多层的金属或合金形态所构成。而于第二接触层160和第二图案164的表面上，形成互不重叠的另一电极172与透明导电层170。此电极172为正电极且可以是由Ni、Pt、Pd、Co、Be、Au、Ti、Cr、Sn、Ta、TiN、TiWN_x(x≥0)、WSi_y(y≥0)和其它类似材料以单层、多层的金属或合金形态所构成。此外，透明导电层170可以是金属导电层或是透明氧化层，其中金属导电层是由Ni、Pt、Pd、Co、Be、Au、Ti、Cr、Sn、Ta和其它类似材料以单层、多层的金属或合金形态所构成；而透明氧化层是由ITO、CTO、ZnO:Al、ZnGa₂O₄、SnO₂:Sb、Ga₂O₃:Sn、AgInO₂:Sn、In₂O₃:Zn、CuAlO₂、LaCuOS、NiO、CuGaO₂、SrCu₂O₂中之一个以单层或多层的形态所构成。

而经过前述图1C的步骤后所形成的传质化图案的放大剖面图如图5所示。在磊晶结构500的表面所形成的传质化图案510(亦即图1C中的164)的表面形态比磊晶结构500的原有表面520(亦即图1B中第一图案162的表面)的表面形态拥有更为平缓且圆融的表面。而且，传质化图案510的表面类似微透镜(Micro-Lens)的表面，有助于发光二极管的光取出，而且其较平缓的表面可减少一般发光二极管表面粗化常造成元件电极n，p pad色差的问题。此外，以此实施例来说，第一图案520的宽度502例如是在0.1μm～5μm之间，较佳则在0.1μm～2μm之间。而第一图案520的高度504例如在500埃～10000埃之间，较佳则在1000埃～5000埃之间。再者，各传质化图案510之间相隔的距离506约在0.1μm～5μm之间，较佳则在0.1μm～2μm之间。

图2A至图2C为依据本发明的第二实施例的发光二极管的制作流程剖面示意图，其中图2C即为发光二极管的完成结构图。

请参照图2A，此实施例是先提供表面图案化基板210作为基板，其中表面图案化基板210的表面具有表面图案212，而缓冲层220、第一接触层230、主动层240、被覆层250与第二接触层260被依次形成于基板210上。由于前述各层(包括缓冲层220、第一接触层230、主动层240、被覆层250与第二接触层260)均受表面图案化基板210的表面图案212影响，所以在第二接触层260上产生许多第一图案262。而上述基板210与磊晶结构220-260的材质可参考第一实施例所述。

然后，请参照图2B，利用传质方法使第一图案262产生形变而形成数个第二图案264，其中第二图案264的表面形态比第一图案262的表面形态拥有更为平缓且圆融的表面，而这种第二图案264可称为传质化图案。在此实施例中，传质现象产生的温度介于800℃～1400℃之间，其中较佳的条件为1000℃～1200℃。

之后，请参照图2C，在第一接触层230上形成电极242。而于第二接触层260和第二图案264的表面上形成互不重叠的另一电极272与透明导电层270。于本实施例中，电极242是负电极、电极272是正电极，且上述电极242、272与透明导电层270的材质可参考第一实施例所述。

而且，经过前述图2B的步骤后所形成的传质化图案的放大剖面图也如图5所示。

图3A至图3C为依据本发明的第三实施例的发光二极管的制作流程剖面示意图，其中图3C即为发光二极管的完成结构图。

请参照图3A，此实施例是在基板310上提供缓冲层320、第一接触层330、主动层340以及被覆层350之后，在被覆层350上形成第二接触层360，并利用磊晶条件的改变使第二接触层360上产生许多第一图案362。

然后，请参照图3B，利用传质方法使第一图案362产生形变而形成数个第二图案364，其中第二图案364的表面形态比第一图案362的表面形态拥有更为平缓且圆融的表面，而这种第二图案364即为传质化图案。在此实施例中，传质现象产生的温度介于800℃～1400℃之间，其中较佳的条件为1000℃～1200℃。

随后，请参照图3C，与第一实施例的图1D相同，在第一接触层330上形成电极342。而于第二接触层360和第二图案364的表面上形成互不重叠的另一电极372与透明导电层370。

而经过前述图3B的步骤后所形成的传质化图案的放大剖面图也如图5所示，故不再赘述。

图4A至图4C为依据本发明的第四实施例的发光二极管的制作流程剖面示意图，其中图4C即为发光二极管的完成结构图。

请参照图4A，此实施例是在基板410上制作再成长屏蔽(mask)412，而这个再成长屏蔽412的图案与第一图案462的位置呈镜面对称。其中，再成长屏蔽412的材质例如是SiO₂或SiN_x。虽然本图所示的再成长屏蔽412是位于基板410上，但是再成长屏蔽412的位置并不限于此；举例来说，在基板410上依次形成缓冲层420、第一接触层430、主动层440、被覆层450以及第二接触层460的过程中，再成长屏蔽412也可选择于缓冲层420中或第一接触层430中制作，或者制作于基板410和主动层440之间，再以横向再成长(ELOG)或悬空外延(Pendeo)的磊晶方式制作发光二极管的晶体。

接着，请参照图4B，利用传质方法使第一图案462产生形变而形成数个第二图案464，其中第二图案464的表面形态比第一图案462的表面形态拥有更为平缓且圆融的表面，而这种第二图案464即为传质化图案。在此实施例中，传质现象产生的温度介于800℃～1400℃之间，其中较佳的条件为1000℃～1200℃。

请参照图4C，与第二实施例的图2C相同，在第一接触层430上形成电极442。而于第二接触层460和第二图案464的表面上形成互不重叠的另一电极472与透明导电层470。

而通过第四实施例的步骤后所形成的传质化图案的放大剖面图也如图5所示。

综上所述，本发明的要点是将传质方法应用于发光二极管的工艺，使得磊晶结构原本粗化或具有图案的表面产生形变，进而增加发光二极管的光取出效率，同时减少因为发光二极管表面粗化或图案所造成仪器判别元件位置困难的问题。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与改进，因此本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims (30)

1. 一种发光二极管，包括基板以及磊晶结构，且该磊晶结构位于该基板上，其特征是：

该磊晶结构的表面具有多个传质化图案，上述传质化图案是通过传质方法使该磊晶结构原有的粗糙表面形变而成，其中上述传质化图案的表面形态比该磊晶结构的原有表面的表面形态拥有更为平缓且圆融的表面，其中该基板为表面图案化的基板，且该基板表面的图案与上述传质化图案的位置对齐。

2. 根据权利要求1所述的发光二极管，其特征是各该传质化图案之间相隔的距离在0.1μm～5μm之间。

3. 根据权利要求1所述的发光二极管，其特征是各该传质化图案的表面类似微透镜的表面。

4. 根据权利要求1所述的发光二极管，其特征是该基板包括以C-Plane或R-Plane或A-Plane的氧化铝单晶或碳化硅、Si、ZnO、GaAs、尖晶石或是晶格常数接近于氮化物半导体的单晶化合物。

5. 根据权利要求1所述的发光二极管，其特征是该磊晶结构包括：

缓冲层，位于该基板上；

第一接触层，位于该缓冲层上；

主动层，位于该第一接触层上；

被覆层，位于该主动层上；以及

第二接触层，位于该被覆层上。

6. 根据权利要求5所述的发光二极管，其特征是：

该缓冲层的材质包括氮化铝镓铟，其化学式为Al_aGa_bIn_1-a-bN，其中0≤a，b＜1，a+b≤1；

该第一接触层的材质包括氮化镓材质；

该主动层的材质包括氮化铟镓；

该被覆层的材质包括氮化镓材质；以及

该第二接触层的材质包括氮化镓材质。

7. 根据权利要求5所述的发光二极管，其特征是还包括：

第一电极，位于该第一接触层上；

第二电极，位于该第二接触层和上述传质化图案的该表面上；以及

透明导电层，位于该第二接触层及上述传质化图案上，其中该透明导电层与该第二电极互不重叠。

8. 根据权利要求7所述的发光二极管，其特征是该第一电极为负电极，且该第一电极是由Al、Pt、Pd、Co、Mo、Be、Au、Ti、Cr、Sn、Ta、TiN、TiWN_x和WSi_y以单层、多层的金属或合金形态所构成。

9. 根据权利要求7所述的发光二极管，其特征是该第二电极为正电极，且该第二电极是由Ni、Pt、Pd、Co、Be、Au、Ti、Cr、Sn、Ta、TiN、TiWN_x和WSi_y以单层、多层的金属或合金形态所构成。

10. 根据权利要求7所述的发光二极管，其特征是该透明导电层包括金属导电层或是透明氧化层。

11. 根据权利要求10所述的发光二极管，其特征是该金属导电层是由Ni、Pt、Pd、Co、Be、Au、Ti、Cr、Sn和Ta以单层、多层的金属或合金形态所构成。

12. 根据权利要求10所述的发光二极管，其特征是该透明氧化层是由ITO、CTO、ZnO:Al、ZnGa₂O₄、SnO₂:Sb、Ga₂O₃:Sn、AgInO₂:Sn、In₂O₃:Zn、CuAlO₂、LaCuOS、NiO、CuGaO₂、SrCu₂O₂中的至少一种材质以单层或多层的形态所构成。

13. 根据权利要求5所述的发光二极管，其特征是该第一接触层包括n型接触层以及该第二接触层包括p型接触层。

14. 根据权利要求5所述的发光二极管，其特征是该被覆层包括p型被覆层。

15. 一种发光二极管，包括基板以及磊晶结构，且该磊晶结构位于该基板上，其特征是：该磊晶结构的表面具有多个传质化图案，上述传质化图案是通过传质方法使该磊晶结构原有的粗糙表面形变而成，其中上述传质化图案的表面形态比该磊晶结构的原有表面的表面形态拥有更为平缓且圆融的表面，且于该磊晶结构中还包括有再成长屏蔽，且所述再成长屏蔽的图案与传质化图案的位置呈镜面对称。

16. 一种发光二极管的制造方法，其特征是包括：

于基板上提供磊晶结构，该磊晶结构的表面具有多个第一图案；以及

利用传质方法，使该表面的上述第一图案产生形变而形成多个第二图案，其中各该第二图案的表面形态比各该第一图案的表面形态拥有更为平缓且圆融的表面，其中该基板为表面图案化的基板，且该基板表面的图案与上述利用传质方法形成的第二图案的位置对齐。

17. 根据权利要求16所述的发光二极管的制造方法，其特征是该传质方法中，传质现象产生的温度介于800℃～1400℃之间。

18. 根据权利要求16所述的发光二极管的制造方法，其特征是各该第二图案之间相隔的距离在0.1μm～5μm之间。

19. 根据权利要求16所述的发光二极管的制造方法，其特征是各该第一图案的高度在500埃～10000埃之间。

20. 根据权利要求16所述的发光二极管的制造方法，其特征是各该第一图案的宽度在0.1μm～5μm之间。

21. 根据权利要求16所述的发光二极管的制造方法，其特征是于该基板上提供该磊晶结构的步骤包括：

在该基板上依次形成缓冲层、第一接触层、主动层、被覆层以及第二接触层；以及

以工艺方式于该第二接触层的表面制作上述第一图案。

22. 根据权利要求21所述的发光二极管的制造方法，其特征是还包括：

在该第一接触层上形成第一电极；

于该第二接触层和上述第二图案上形成第二电极以及透明导电层，其中该透明导电层与该第二电极互不重叠。

23. 根据权利要求16所述的发光二极管的制造方法，其特征是于该基板上提供该磊晶结构的步骤包括：

在表面图案化的该基板上依次形成缓冲层、第一接触层、主动层、被覆层以及第二接触层。

24. 根据权利要求23所述的发光二极管的制造方法，其特征是还包括：

在该第一接触层上形成第一电极；以及

于该第二接触层和上述第二图案上形成第二电极以及透明导电层，其中该透明导电层与该第二电极互不重叠。

25. 根据权利要求16所述的发光二极管的制造方法，其特征是于该基板上提供该磊晶结构的步骤包括：

在该基板上依次形成缓冲层、第一接触层、主动层以及被覆层；以及

在该被覆层上形成第二接触层，并利用磊晶条件的改变使该第二接触层上产生上述第一图案。

26. 根据权利要求25所述的发光二极管的制造方法，其特征是还包括：

在该第一接触层上形成第一电极；以及

于该第二接触层和上述第二图案上形成第二电极以及透明导电层，其中该透明导电层与该第二电极互不重叠。

27. 一种发光二极管的制造方法，其特征是包括：

于基板上提供磊晶结构，该磊晶结构的表面具有多个第一图案；以及

利用传质方法，使该表面的上述第一图案产生形变而形成多个第二图案，其中各该第二图案的表面形态比各该第一图案的表面形态拥有更为平缓且圆融的表面，其中于该磊晶结构中还形成有再成长屏蔽，该再成长屏蔽的图案与上述第一图案的位置呈镜面对称。

28. 根据权利要求27所述的发光二极管的制造方法，其特征是还包括：

在该第一接触层上形成第一电极；以及

于该第二接触层和上述第二图案上形成第二电极以及透明导电层，其中该透明导电层与该第二电极互不重叠。

29. 根据权利要求27所述的发光二极管的制造方法，其特征是于该基板上提供该磊晶结构的步骤包括在该基板上依次形成缓冲层、第一接触层、主动层、被覆层以及第二接触层，其特征在于：

于该基板和该主动层之间制造该再成长屏蔽，再以横向再成长或悬空外延的磊晶方式制作该发光二极管的晶体。

30. 根据权利要求29所述的发光二极管的制造方法，其特征是还包括：

在该第一接触层上形成第一电极；以及

于该第二接触层和上述第二图案上形成第二电极以及透明导电层，其中该透明导电层与该第二电极互不重叠。

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