CN100461471C

CN100461471C - 高亮度的发光元件及其制造方法

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Publication number: CN100461471C
Application number: CNB2004100948053A
Authority: CN
Inventors: 蔡宗良; 温伟值; 江昌翰; 张智松
Original assignee: Epistar Corp
Current assignee: Epistar Corp
Priority date: 2004-11-11
Filing date: 2004-11-11
Publication date: 2009-02-11
Anticipated expiration: 2024-11-11
Also published as: CN1606178A

Abstract

本发明公开了一种高亮度的发光元件，该发光元件包含一导电性基板、一位于该导电性基板上的第二包覆层、一位于该第二包覆层上的活性层、一第一包覆层，位于该活性层上，且此第一包覆层具有一特定形状的构形化表面，以及位于该构形化表面上的一透明层。该发光元件能有效增加发光效益。本发明还公开了一种制造该发光元件的方法，它包含以下步骤：a.提供一基板；b.构形化该基板，形成具有一特定形状的构形化表面的构形化基板；c.形成一发光结构，该发光结构具有一包覆层于该构形化基板的该构形化表面上，以使该包覆层具有该特定形状；d.接合一导电性基板与该发光结构；以及e.移除该构形化基板。

Description

高亮度的发光元件及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种高亮度发光元件及其制造方法，尤其是III-V族发光元件及其制造方法。

背景技术

目前半导体发光元件，例如发光二极管(LED)的应用领域已甚为广泛。如在照明以及遥控等领域中，半导体发光元件已广泛应用。为了让半导体发光元件尽可能地确保较高的功能可靠性，以及较低的能源消耗，因此对于半导体发光元件都要求其本身的外部量子效率(external quantum efficiency)。

原则上，一半导体发光元件的外部量子效率取决于其本身的内部量子效率(internal quantum efficiency)以及释放效率(extractionefficiency)。所谓内部量子效率，是由半导体发光元件的材料性质所决定。释放效率，意味着从半导体发光组件内部发出光至周围空气的比例。释放效率取决于当光离开半导体发光组件内部时所发生的损耗，造成损耗的主要原因之一，是由于形成组件的表面层的半导体材料具有高光折射系数(refraction coefficient)，例如砷化镓(GaAs)的光折射系数约为3.6。高的光折射系数会导致光在该材料表面产生全反射(total reflection)，而使半导体发光组件内部发出的光无法发射出去。

目前已有一些发光元件的相关研究揭露了利用表面粗糙化的方式，来改善前文提及的半导体发光元件的释放效率，用以提高半导体发光元件的外部量子效率。例如美国专利号US5,898,192、5,429,954以及5,040,044均对此有所披露。

上述专利文献中都以磊晶长成，形成半导体发光元件的表面层之后，再利用制作表面加工的方式，以达到粗糙化表面的效果。然而，此等方法仅适用于特定的材料，且由于其以破坏性的方式处理半导体发光元件的表面，影响发光元件的品质。

美国专利号US6,411,403，公开了一种以磊晶长成的技术，直接形成半导体发光元件的粗糙化表面，解决了美国专利号US5,898,192、5,429,954，以及5,040,044中，以破坏性的方式处理半导体发光元件的表面，影响发光元件品质的问题，且形成的发光元件的发光效益有明显提高，然而，此技术仅适用于特定的材料，如铝铟镓氮化物(AlInGaN)，因此使得此技术的应用受到限制。此外，其粗糙化表面分布不均匀，因此无法均匀有效地提升外部量子效率，进而增加发光元件的效率。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服上述现有技术中的不足，提供一种发光效率高的发光元件。

本发明采用的技术方案为：该高亮度发光元件包含一导电性基板、一位于该导电性基板上的第二包覆层、一位于该第二包覆层上的活性层、一第一包覆层，位于该活性层上，且此第一包覆层具有一特定形状的构形化表面，以及位于该构形化表面上的一透明层。

所述构形化表面具有复数个凹槽。

所述透明层可作为保护层，或增加发光效益。所述透明层具有一粗糙化表面。

本发明要解决的另一个技术问题是提供一种制造发光效率高的发光元件的方法。

对于本发明的制造发光效率高的发光元件的方法，它包含以下的步骤：

a.提供一基板；

b.构形化该基板，形成具有一特定形状的构形化表面的构形化基板；

c.形成一发光结构，该发光结构具有一包覆层于该构形化基板的该构形化表面上，以使该包覆层具有该特定形状；

d.接合一导电性基板与该发光结构；以及

e.移除该构形化基板。

由于该发光元件具有构形化表面，可降低光反射回发光元件，有效增加发光效益。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明发光元件的制造方法示意图；

图2为本发明发光元件的一个实施例的结构示意图；

图3为本发明发光元件的第二个实施例的结构示意图；

图4为本发明发光元件的第三个实施例的结构示意图；

图5为本发明发光元件的第四个实施例的结构示意图；

图6为本发明发光元件的第五个实施例的结构示意图；

图7为本发明发光元件的第六个实施例的结构示意图。

附图标记说明

发光元件10、20、30、40、50、60 导电性基板11

发光结构13、14 第一半导体层15、16

构形化表面152、332 构形化且粗糙化表面162、352

活性层17 第二半导体层19

反射层21 粘着层23

透明层31、33、35 金属层42、44

基板2 构形化基板4

具体实施方式

如图1所示，本发明发光元件的制造方法如下：首先提供一构形化基板4，是将一基板2进行化学或物理方法而达到构形化的目的。化学方法如湿蚀刻或干蚀刻等蚀刻技术，而物理方法是以刀具钻、切等，都可达到将基板2构形化以获得构形化基板4的目的。此构形化基板4具有一特定形状的表面，具体来说，构形化基板4的表面具有分布均匀的特定凹凸形状，即具有复数个凹槽。此构形化基板4的表面可为六角凹槽、圆形凹槽、方形凹槽、条状凹槽，或任何具有特定凹凸形状的表面，此特定凹凸形状的表面深度约为

，较好约为0.05μm～3μm，最好约为0.5μm～2.0μm。

然后采用公知技术，如有机金属化学气相磊晶法(MOCVD)、分子束磊晶法(MBE)、氢化物气相磊晶法(HVPE)、液相磊晶法(LPE)等依次成长多层的磊晶，形成一第一半导体层15、一活性层17及一第二半导体层19于构形化基板4上，以形成用来产生光的发光结构13。

移除此构形化基板4，由于第一半导体层15形成于构形化基板4上，因此，第一半导体层15表面暴露出分布均匀的特定凹凸形状，即构形化表面152。

移除此构形化基板4将视其材料而定，此为普通技术人员能轻易了解的，不同材料的发光结构13相对应于不同材料的构形化基板。举例来说，当第一半导体层15与第二半导体层19的材料为铝镓铟磷化物(AlGaInP)，构形化基板4选自砷化镓(GaAs)、锗(Ge)、铟化磷(InP)、硅及其组合物。而此时欲移除此构形化基板，首先以化学机械研磨(CMP)研磨构形化基板至约5-20μm，之后再经如湿蚀刻或干蚀刻等蚀刻技术，将构形化基板移除。当第一半导体层15与第二半导体层19的材料为铝铟镓氮化物(AlInGaN)，构形化基板4选自蓝宝石(Sapphire)、砷化镓、硅、铝酸锂(LiAlO₂)、镓酸锂(LiGaO₂)、氧化锌(ZnO)及其组合物时，要移除此构形化基板4，可以使用如248nm准分子(excimer)雷射，以实施雷射剥离技术，或者以化学机械研磨(CMP)研磨至约小于50μm，较好为5-10μm，最后再以湿蚀刻或干蚀刻技术，如反应式离子蚀刻(RIE)技术，进行蚀刻，将此构形化基板4移除。

构形化表面152对比常见的平坦表面，具有分布均匀的特定凹凸形状，将增加从发光元件发射光的散射，并大幅降低光反射回发光元件内部的机会，显著增加发光效益，与常见的发光元件相比，本发明的发光元件10，因具有构形化表面152，其亮度增加约30～50％。

移除构形化基板4之后，可采用公知技术将第二半导体层19与一导电性基板11接合，则可形成图2中所示的发光元件10。于另一实施例中，可将图2中所示的构形化表面152进一步进行一粗糙化步骤，以得到图3中所示的发光元件20，此粗糙化步骤可通过干蚀刻或湿蚀刻等蚀刻方法，或以喷砂法等物理或化学方式达到粗糙化的目的，形成一构形化且粗糙化表面162，以增加发光元件20的发光效益。与常见的发光元件相比，本发明的发光元件20，因具有此构形化且粗糙化表面162，其亮度增加约75％。

于另一实施例中，在接合导电性基板11前，依次形成一反射层21与一粘着层23于第二半导体层19上，以形成图4中所示的发光元件30。这样的设计是因为希望发光结构13产生的光，经过构形化表面152发射至周围环境，因此，与其相对边形成此反射层21，使将朝向反射层21方向的光反射，光将朝向一致的方向发射，增加发光亮度，这里可采用形成反射层21的任何公知技术。形成一粘着层23可以接合导电性基板11，这里也可以采用接合发光结构13与导电性基板11的任何公知技术。

如图5所示，可将图2所示的发光元件10进一步形成一透明层31于构形化表面152上，以获得发光元件40。透明层31可用于保护发光结构，或增加发光效益，视透明层31所选用的材料而定。举例来说，当透明材料选用高介电常数材料，如二氧化硅(SiO₂)或氮化硅(Si₃N₄)，可当作发光结构的保护层。当透明材料选用金属氧化物、金属氮化物与半导体材料，一方面可以当作发光结构13的保护层，供增加发光元件40的寿命及避免漏电问题，另一方面可增加电流扩散效应，进而增进发光元件40的发光效益。金属氧化物举例来说为氧化铟(In₂O₃)、氧化锡(SnO₂)、氧化镉(CdO)、氧化锌(ZnO)、氧化铟锡(ITO)、氧化镉锡(CTO)、氧化锑锌(AZO)、氧化锑锡(ATO)、氧化锑等，金属氮化物举例来说为氮化钛(TiN)、氧化钛钨(TiWN)等，此金属氧化物或金属氮化物可通过电子束沉积(E-beam deposition)或溅镀(sputter)的方式形成，而半导体材料如碳化硅(SiC)、氮化铝(AlN)，可采用电浆增强式化学气相沉积(PECVD)或分子束磊晶法(MBE)的方式形成。

于另一实施例中，图5的发光元件40可进一步进行一构形化步骤，如图6所示，使透明层33的表面为一构形化表面332。

在一较好的实施例中，是将图3的发光元件，以前述的方法依次形成一透明层、构形化此透明层，以及粗糙化此透明层，并采用公知技术于透明层33及导电性基板11，形成不同掺杂型，包含P型与N型的金属层42、44，以作为欧姆接点(ohmic contacts)，则可获得图7所示的发光元件60，使发光效益显著增加。

本发明还提供一种高亮度的发光元件，包含一导电性基板与一发光结构，此发光结构可为同质结构(Homostructure)、单异质结构(SingleHeterostructure，SH)、双异质结构(Double Heterostructure，DH)，或多重量子井结构(multi quantum wells，MQWs)。

实施例1

如图2所示，发光元件10包含一导电性基板11与一发光结构13，发光结构13具有一第一半导体层15、一活性层17及一第二半导体层19。导电性基板11的材料为任何可供导电的材料，最好为对于发光结构所发出的光不会有很大吸收的材料，举例来说为硅、碳化硅(SiC)、砷化镓(GaAs)等半导体材料，或Cu、Mo、W等金属材料。第二半导体层19位于导电性基板11上，做为一包覆层；活性层17位于第二半导体层19上，做为一发光层；第一半导体层15位于活性层17上；做为一包覆层。第一半导体层15与第二半导体层19可为不同掺杂型。在此实施例中，第一半导体层15为一N型半导体，而第二半导体层19为一P型半导体。此外，第一半导体层15、活性层17及第二半导体层19包含任何公知的材料，第一半导体层15及第二半导体层19的材料举例来说可为III-V族半导体材料，如AlInGaPAs、AlInGaN，而活性层17的材料可为InGaN。

对第一半导体层15作如下详细说明。第一半导体层15具有一构形化(shaped surface)表面152，所谓“构形化”是指具有特定形状，具体来说，为分布均匀的特定凹凸形状，即具有复数个凹槽。如图2所示，此构形化表面152为一条状(striped)凹槽。本发明的构形化表面152为六角凹槽、圆形凹槽、方形凹槽、条状凹槽，或任何具有特定凹凸形状的表面，此特定凹凸形状的表面深度约为

，较佳约为0.05μm～3μm，更佳约为0.5μm～2.0μm。此构形化表面152可有效提高发光元件10的外部量子效率，这是因为第一半导体层15的折射率与发光元件10外部环境的折射率差别大，使得发光元件10产生的光若直接发散到外部环境，会大部分反射回发光元件10中，但若第一半导体层15的表面为构形化表面，将增加从发光元件10发射光的散射，并大幅降低光反射回发光元件10内部的机会。与常见的发光元件相比，本发明的发光元件10，因具有此构形化表面152，亮度增加约30～50％。

实施例2

如图3所示，第一半导体层16的表面是将图2的构形化表面152进一步经粗糙化，形成一构形化且粗糙化表面162，由于第一半导体层16表面为构形化且粗糙化表面162，其对于发光元件20的外部量子效率的增加将更为显著，即使得发光效益显著增加。与常见的发光元件相比，本发明的发光元件20，因具有此构形化且粗糙化表面162，亮度增加约75％。

实施例3

如图4所示，本发明的发光元件还可包含一反射层21及一粘着层23，反射层21及粘着层23位于发光结构13与导电性基板11之间。反射层21可用于将朝向导电性基板11的光反射，而朝发光元件12外部发射。而粘着层23可用于将导电性基板11与反射层21紧密接合。例如，反射层21选自Ag、Al、Rh、Pd、Au等金属或其组合中，这些金属的反射率依次为89％、84％、55％、50％及24％。粘着层23的材料包含金属或粘着材料，金属材料可为Au、Sn、Au-Ge、Pd-In、Au-In等，粘着材料可为苯环丁烯(BCB)、聚亚醯胺(Polyimide)、旋涂式玻璃(SOG)、环氧树脂(Epoxy)等有机、无机或二者混合的具有粘着特性的材料。在另一实施例中，构形化表面152也可用构形化且粗糙化表面代替(未显示)。图4中其它组件与图2中组件相仿。

实施例4

如图5所示，发光元件40包含一导电性基板11、一发光结构13与一透明层31，发光结构13具有一第一半导体层15、一活性层17及一第二半导体层19，透明层31位于第一半导体层15上，其界面为特定形状的构形化表面152。

该透明层31所选用材料为透明材料，因其折射率介于发光元件40的内部与外部环境之间，因此光不会因反射折回发光元件40内部，这样将大幅增加发散到外部环境的亮度，即增加发光效益。该透明层厚度约大于5nm，较佳约大于2μm。透明材料包含高介电常数材料，或是导电性材料。高介电常数材料可为二氧化硅(SiO₂)或氮化硅(Si₃N₄)，可以当作发光结构13的保护层，供增加发光元件40的寿命及避免漏电问题。导电性材料包含金属氧化物、金属氮化物与半导体材料，金属氧化物如氧化铟(In₂O₃)、氧化锡(SnO₂)、氧化镉(CdO)、氧化锌(ZnO)、氧化铟锡(ITO)、氧化镉锡(CTO)、氧化锑锌(AZO)、氧化锑锡(ATO)、氧化锑等，金属氮化物如氮化钛(TiN)、氧化钛钨(TiWN)等，而半导体材料如碳化硅(SiC)、氮化铝(AlN)。此类导电性材料一方面可以当作发光结构13的保护层，供增加发光元件40的寿命及避免漏电问题，另一方面因其具有高导电率，可使电流均匀且横向分散于发光结构13，亦即增加电流扩散效应(currant spreading)，进而增进发光元件40的效益。于另一实施例中，构形化表面152亦可用构形化且粗糙化表面(未显示)来代替。

实施例5

如图6所示，透明层33具有一构形化表面332，透明层33的构形化表面332与第一半导体层15的构形化表面152，可具有相同或不相同的特定凹凸形状，都可以达到增加发光元件50光的散射，并大幅降低光反射回发光元件50内部的机会。

实施例6

如图7所示，透明层35仅具有一粗糙化表面(未显示)，透明层35的表面较佳为构形化且粗糙化表面352，，第一半导体层16具有一构形化且粗糙化表面162，透明层35具有一构形化且粗糙化表面352，其可具有相同或不相同的特定凹凸形状，显著地增加发光元件60的外部量子效率，即使得显著增加发光元件60的发光效益。此外，发光元件60还包含一反射层21及一粘着层23，于导电性基板11于与发光结构14之间。不同该掺杂型，包含P型与N型的金属层42、44，作为欧姆接点(ohmic contacts)，分别相邻于透明层33及导电性基板11。

下面是高亮度发光元件制造方法的一个具体实施例。

在一以蓝宝石为材料的基板上，以黄光制程在基板表面制作直径3μm，中心间距6μm的饼图形，再以RIE干蚀刻的方式，从基板表面向下蚀刻1.5μm深，形成构形化基板，然后将此构形化基板放入MOCVD反应炉中，此构形化基板先在氢气中以1150℃加热10min，然后降温至约500-600℃，在520℃成长25nm厚的GaN缓冲层(buffer layer)，再次升温至1100℃，成长4～6μm厚的未掺杂GaN层，然后在此未掺杂GaN层上成长2μm Si-掺杂GaN层，形成N型掺杂GaN层。降温至820℃，成长5对InGaN/GaN多重量子井结构的发光层，然后再升温至1050℃成长Mg-掺杂GaN层(P型掺杂)。在Mg-掺杂GaN层(P型掺杂)上，依次镀上反射层3000

Ag、4000

ITO保护层(passivation layer)、Ni/Au各8000

。另外在一导电性硅基板上蒸镀In 25000

厚，然后将导电性硅基板In面与构形化基板的Au面，以3Kgw的重力在200℃、2h互相接合，之后冷却至常温，再以能量密度400mJ/cm²波长248nm准分子雷射，均匀照射在构形化基板的表面，可去除构形化基板，然后以干蚀刻方式去除未掺杂GaN层。之后，在N型掺杂GaN层在50～80℃，以KOH水溶液蚀刻，形成一构形化及粗糙化表面。N型掺杂GaN层镀上Ti/Ai(600

/2000

)，在导电性基板上镀上Ti/Au(600

/2000

)为欧姆接点。

Claims

1.一种高亮度的发光组件，其特征在于：它包含：

一导电性基板；

一第二包覆层，位于该导电性基板上；

一活性层，位于该第二包覆层上；

一第一包覆层，位于该活性层上，该第一包覆层具有一特定形状的构形化

表面；以及

一透明层，位于该构形化表面上。

2.根据权利要求1所述的发光组件，其特征在于：所述构形化表面具有复数个凹槽。

3.根据权利要求1所述的发光组件，其特征在于：所述透明层具有一粗糙化表面。

4.根据权利要求1所述的发光组件，其特征在于：所述透明层的材料为一金属氮化物或一金属氧化物或一半导体材料或它们的组合。

5.根据权利要求1所述的发光组件，其特征在于：所述透明层为一保护层，材料为二氧化硅或氮化硅或它们的组合。

6.一种制造如权利要求1所述的发光组件的方法，其特征在于：它包含以下步骤：

a.提供一基板；

d.接合一导电性基板与该发光结构；以及

e.移除该构形化基板；

f.形成一透明层于该包覆层的构形化表面上。

7.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于：所述b步骤为湿蚀刻或干蚀刻技术蚀刻。

8.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于：在步骤f之后，还包含以下步骤：g.粗糙化该透明层。

9.一种发光组件，其特征在于：它包含：

一导电性基板；

一黏着层；

一发光结构，该发光结构透过该粘着层与该导电性基板连结，该发光结构包含一包覆层，该包覆层具有一特定形状的构形化表面，该构形化表面上包含一透明层。

10.根据权利要求9所述的发光组件，其特征在于：所述构形化表面具有复数个凹槽。