CN101097975A - 设有光提取点状物阵列的发光二极管及其制造过程 - Google Patents
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Abstract
一种发光二极管，其包括被整合至多层结构的光学层，此光学层形成以阵列排列的基本上等距离的多个光提取点状物。光提取点状物的阵列包括并置的六边形图案的分布，光提取点状物的层厚度小于800，且优选地为约500。
Description
技术领域
本发明涉及半导体发光二极管的制造过程，尤其涉及具有改善光提取效率的发光二极管。
背景技术
已知发光二极管为由多层结构所组成，此多层结构包括夹于n型半导体层与p型半导体层间的发光层。此发光层可以是由活性氮化物半导体化合物所组成的单层或多层结构。施加于发光二极管电极之间的电偏压产生电子和/或空穴的注入，电子和/或空穴流过n型半导体层与p型半导体层，并穿越发光层，在此发光层中电子/或空穴再结合以产生光。自发光层所生成的光在各方向上传播，且经由每一个显露表面而离开此发光二极管。为有效地实现其发光目的，通常需要引导此光自发光二极管沿预定的发射方向射出。
一般而言，发光二极管的发光效率可由多种参数予以表达，其中之一即为光提取效率，也就是射出发光二极管的光量与发光二极管产生的光量的比值。实际上，由于经由组成发光二极管的不同层的各种内部吸收的原因，射出发光二极管的光量少于发光二极管所产生的光量。为了增加光提取效率，已知方法之一是在发光二极管的多层结构内设置反射层，以沿可用的方向再引导光射出。
为解决上述问题，已知方法为在发光二极管的p型层上形成银(Ag)p型电极，此技术已被美国专利No.6,194,743所公开。银的高反射性有益于形成能够再引导光至衬底的反射p型电极，因此能避免p型电极的光吸收。
另一种已知方法为将光学层置入多层结构中，以促使光沿可用光路径传播，此技术已被美国专利No.6,657,236所公开。光学层形成以阵列式排列的光提取元件，以散射自发光层所发出的光。
美国专利No.No.6,870,191还揭露另一种技术，其中发光二极管具有被蚀刻以形成凹部与凸部的蓝宝石衬底。因此，自发光区域产生的光可以通过凹部与凸部被散射或绕射，进而改善光提取率。此衬底的蚀刻一般需要使用金属掩膜，其会形成金属残余物，此金属残余物将污染后续的长晶步骤，故此方法并不经济且产生非预期的污染物。
前述的现有技术公开了各种技术方法，这些技术方法可能需要更进一步的改善以提高发光二极管的光强度。
发明内容
本发明所述的发光二极管及其制造过程可改善发光二极管的光提取效率。
根据实施例，发光二极管包括：以氮化物半导体组成的多层结构，此多层结构堆叠在衬底上且包括发光层；多个电极，其提供驱动电流以点亮发光二极管；以及整合至多层结构的光学层，其形成以阵列排列的基本上等距离的多个光提取点状物。
根据实施例，光提取点状物阵列包括并置的六角形图案。在一些例子中，光学层组成包括SiOx、SiNx、Si3N4、SiC、SiOxNy、ZnSe、TiO2或Ta2O5等材料。在一些实施例中，光学层的厚度为小于800，且优选地为约500。在另一些实施例中，光提取点状物具有六边形的表面区域。在一些变换中，发光二极管具有高于150mcd的光强度。
本案还公开了形成发光二极管的制造工艺。根据实施例，此制造过程包括：形成具有至少一个发光层的多层结构；形成用以提供驱动电流流经多层结构的电极；以及形成整合至多层结构的光学层，且该光学层包括以阵列排列的基本上等距离的多个光提取点状物。
在一些实施例中，该制造过程包括在多层结构的两层之间的界面上形成光学层。在一些应用的例子中，光学层形成在衬底的表面上；接着图案化该光学层以形成基本上等距离的光提取点状物阵列；以及在该光学层上堆叠包括发光层在内的多个层。
在一些变化中，该制造过程还包括形成覆盖该光学层的缓冲层，以及在此缓冲层上形成多个氮化半导体层。
在一些例子中，图案化该光学层以形成基本上等距离的光提取点状物阵列的步骤中，包括执行光刻过程以形成光阻图案，再经由光阻图案进行蚀刻。
上述的描述为本发明的简示，且不应被用来限制权利要求的范围，在此公开的方法与结构可被应用于许多方式中，且在不违背本发明与其广泛观点下，可进行改变与修饰。如同权利要求所定义的，其它的观点、创造性的特征与本发明的优点将在下列的非限制性的详细描述中叙述。
附图说明
图1A至图1H为根据本发明的实施例，形成发光二极管的制造过程的示意图；
图2为根据本发明的实施例，以阵列图案所设置的光提取点状物的示意图；
图3为显示发光二极管的特性参数根据本发明而分布的光提取点状物阵列图案的厚度而变化的数据图表；以及
图4为根据本发明的实施例，用以评估发光二极管的光强度的系统的示意图。
【主要组件符号说明】
102：蓝宝石衬底
104：光学层
106：光提取图案
107：光提取点状物
108：缓冲层
110：n型接触层
112：发光层
114：p型接触层
116：透明导电层
118、119：电极
120：钝化层
D：样品
S：感光器
P：测试平台
具体实施方式
本申请案描述一种发光二极管及其制造过程，其能改善发光二极管的光提取效率及光亮度。发光二极管以多层结构组成，其中包括多层氮化物半导体化合物。此多层结构含有被图案化为多个光提取点状物组成的阵列的光学层，用以有效地折射与散射光改善光提取。本发明叙述中的“氮化物半导体化合物”是指GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN或以至少Al、In、Ga与N等元素所组成的类似化合物。
图1A至图1H为根据本发明的实施例制造发光二极管的方法的示意图。在图1A中，蓝宝石衬底102起初经过温度清理过程。根据实施例，此温度清理过程包括加热衬底102至高于1000℃的温度，同时于保持在1000毫帕(mbar)压力环境中，以每分钟约5标准公升(standard liter per min，slm)导入氢气(H2)及/或氮气(N2)。对本领域技术人员而言显而易知的是，衬底可以由其它合适透明材料组成，例如硅、碳化硅(SiC)或其类似者。
参考图1B，光学层104形成在衬底102上，在本发明的实施例中，光学层104由二氧化硅(SiO2)所制成。更一般地说，其它化合物材料也可能适用，包括SiOx、SixNy(例如Si3N4)、SiC、SiOxNy、ZnSe、TiO2或Ta2O5，其中x与y是指在每一化合物中适合的元素数比。参考附图中的实施例，二氧化硅是通过化学气相沉积形成在衬底102的表面上的，其中溅镀或气相技术亦可能用以形成二氧化硅。
参考图1C，光学层104透过合适图案层被蚀刻，以在衬底102表面上形成阵列形式光提取图案106。图案层可为光阻层，其依据光刻技术沉积、曝光与显影形成光阻图案。光提取图案106优选地包括多个光提取点状物107，其以阵列形式排列在衬底102表面上，其中光提取点状物的优选分布图案将参照图2在以下进一步描述。
参考图1D，缓冲层108形成在光提取图案106上。在实施例中，缓冲层108以非掺杂GaN组成，其由足以覆盖光提取点状图案106的厚度形成于衬底102的表面上。其它的材料，例如：A1GaN、InGaN、AlInGaN或其类似氮化物半导体化合物亦适于作为缓冲层108，此缓冲层108是用以降低衬底102与具有后续形成于其上的氮化物半导体层的光提取图案106之间的晶格不匹配。缓冲层108可由有机金属化学气相沉积(metalorganic chemical vapor deposition，MOCVD)、气相外延(vapor phase epitaxy，VPE)或分子束外延(molecular beam epitaxy，MBE)技术进行沉积。
接下来参考图1E，在缓冲层108上堆叠多层结构。在此实施例中，多层结构包括n型接触层110、发光层112、p型接触层114与透明导电层116。n型接触层110、发光层112、p型接触层114可通过使用有机金属化学气相沉积、气相外延或分子束外延技术形成。透明导电层116可为透明导电氧化物，例如由溅镀所形成的氧化铟锡。
本说明的实施例中，n型接触层110例如为通过使用三甲基镓(TMG)、氨气(NH3)及硅甲烷(SiH4)的有机金属化学气相沉积(MOCVD)技术所形成的掺杂硅的n型掺杂元素的GaN。发光层112可包括由阻挡层与阱层交叉堆叠(未显示)形成多重量子井结构，此阻挡层与阱层包括通过有机金属化学气相沉积技术沉积的氮(N)、铟(In)与镓(Ga)的氮化物半导体化合物。此p型接触层114可包括通过有机金属化学气相沉积技术所形成的镁(Mg)掺杂杂质的GaN。沉积条件可被调整以使得p型接触层114被沉积时具备活性掺杂杂质，因此无需后续进行退火过程。
参考图1F，将包括透明导电层116、p型接触层114与发光层112的部分区域蚀刻，直至显露部份的n型接触层110。
参考图1G，在n型接触层110的显露区域上形成n型电极118，且在p型接触层116上形成p型电极119。
参考图1H，形成密封钝化层120以覆盖透明导电层116与n型GaN层110的显露区域并外露电极118与119。钝化层120可由例如SiO2所组成，外露电极118与119可经由导电线或覆晶设置连接至电源，以驱动发光二极管的发光。驱动电流生成电子与空穴穿过n型接触层110与p型接触层114而移动并于发光层112中再结合以产生光。
图2为根据本发明实施例的阵列式光提取点状图案的平面图。光提取图案106包括多个光提取点状物107，其一致地以阵列式设置于衬底102的表面上。光提取点状物107优选地以等距离设置，其中每一光提取点状物与其邻近光提取点状物为等距。换句话说，在阵列图案中，每一对临近的光提取点状物107具有相同的点间距离“g”。
在说明的实施例中，光提取点状物107例如以六边形图案并列设置，其中光提取点状物107分别置于每一六边形的角落与中心，两邻近的光提取点之间的距离“g”为约0.5微米到10微米之间。如同图2所示，投影于平行于衬底的平面的光提取点状物107可为环形(a)、矩形(b)、六边形(c)或八边形(d)。每一光提取点状物107的大小可通过外接于每一光提取点状物且具有约3微米直径的外接圆所近似。由此设置的光提取点状物107的图案分布可有效地反射与散射光，以改善光提取效率。初期的测试显示，将光提取点状物107的阵列图案设为约2微米点间的距离及六边形(c)的图案时可改善光提取率。
本发明的发明人所进行的研究显示，光提取图案的另一因素决定发光二极管的光提取效率。
现参考图3与图4，以根据本发明的实施例描述进行的实验，其根据光提取图案的不同厚度测量光提取效率。发光二极管的样品以相同的制造工艺形成，此制造过程例如为图1A至图1H所示的实施例。每一样品因光提取图案的厚度而有差异，光提取图案例如由SiO2所组成，且根据上述的光提取点状的等距设置分布。为测量每一样品的发光，20毫安(mA)的固定电流被施加到发光二极管的每一样品上。图4示出了测试系统应用的实施例，其中平台P上用以设置每一样品D，感光器S则用以测量样品D因接收固定电流所发出的光强度。
图3的图表集结了测试实验的结果，其中光强度以及其它代表性的发光二极管的电参数已被测量。图表中第一行“晶片编号”指的是样品编号，第二行指的是在每一样品中，光提取图案以埃()所表示的厚度。在图表中所测试的电特性之间，以伏特表示的“Vfin”指的是发光二极管的初始传导电压，“Vf”是用于点亮发光二极管的前向偏压，“Vr”是发光二极管崩溃状态的反向偏压，“Ir”是以微安培表示的泄漏电流，“Iv”是以毫烛光(millicandela，mcd)表示的发光二极管的光强度，“λd”是主波长而“λp”是尖峰波长，这两者的特性是以纳米(nanometer，nm)表示，且用以指出发光二极管的色发射。在此实验中，样品例如为发射于蓝光范围的发光二极管。
在图3的图表中，就约500的光提取图案的厚度(样品3)而言，可观察到约150.2毫烛光的最大光强度，主波长λd则约458纳米。相较下，无光提取图案的参考样品(样品1)所发出的光强度约126mcd，设有厚度约800的光提取图案(样品4)的光强度则约135.5mcd。随光提取图案的厚度增加至分别为1100(样品5)、1500(样品6)与2500(样品7)，观察到的光强度对厚度约800的光提取图案并无大幅地改变，尤其如果考虑到测试及/或测量误差。设有厚度约3500的光提取图案(样品8)，其发光二极管的光强度值反而降低至124.9mcd。
图3的图表也显示电特性Vfin、Vf、Vr与Ir具有微小变化，其指出发光二极管的电特性不受光提取图案的厚度改变所影响。
根据本发明进行的测试而显示，光提取图案的层厚度可改变发光二极管的光强度。因此，根据图3的结果，改善的发光二极管需应用光提取图案的特定厚度范围，此特定厚度范围为小于800且优选地为约500。根据实施例，生产时，以500为参考值，可能设定的厚度范围例如约400至600间，此范围可视需要而增宽，以配合制造过程或设计的需求。
根据此发明，通过形成阵列式的光提取点状物，增进了光提取，进而改善了发光二极管的光强度。对本领域技术人员而言，可轻易地明了根据本发明的光提取图案所提供的改善特性可应用于任何发光二极管。尤其本发明的光提取图案可应用于具有不同多层结构的发光二极管。除此外，该层光提取点状物可设置于发光二极管的不同层次(level)，以配合光发射的不同方向。
因此对应于本发明的实现已经在特定实施例的内容中进行了描述，这些实施例是用作示例性的而非限制性的。许多变化、修饰、加添与改善是可能存在的，由此，在此多个例子可被部分地提供以作为单一例子，在示例性的架构中，以分立元件呈现的结构与功能可被以组合结构或元件应用。这些与其它变化、修饰、添加与改善可以落入附带的权利要求所定义的本发明的保护范围内。
Claims (19)
1、一种发光二极管，其包括：
多层结构，其包括堆叠在衬底表面上的多个氮化物半导体层，其中，所述多层结构包括发光层；
多个电极，其用于提供流经所述多层结构的驱动电流；以及
光学层，其被整合至所述多层结构，其中，所述光学层形成以阵列排列的基本上等距离的多个光提取点状物。
2、如权利要求1所述的发光二极管，其中，所述多个光提取点状物具有小于约800的厚度。
3、如权利要求1所述的发光二极管，其中，所述光学层由包括SiOx、SixNy、SiC、SiOxNy、ZnSe、TiO2或Ta2O5等材料所组成的化合物，其中x与y为化学元素比率。
4、如权利要求1所述的发光二极管，其中，在所述多层结构的两个材料层之间的界面配置有所述光提取点状物的阵列。
5、如权利要求1所述的发光二极管，其中，所述光提取点状物的阵列包括以并置的六边形图案分布所述光提取点状物。
6、如权利要求5所述的发光二极管，其中，所述多个光提取点状物设置于每一个六边形图案的角落与中间。
7、如权利要求1所述的发光二极管，其中，所述光提取节点具有六边形的形状。
8、如权利要求1所述的发光二极管，其中，所述发光二极管的光强度大于约150mcd。
9、一种形成发光二极管的制造过程，其包括：
形成包括至少一个发光层的多层结构；
形成用以提供流经所述多层结构的驱动电流的电极；以及
形成整合至所述多层结构的光学层，其中所述光学层包括以阵列排列的基本上等距离的多个光提取点状物。
10、如权利要求9所述的制造过程，其中，所述多个光提取点状物具有小于约800的厚度。
11、如权利要求9所述的制造过程，其中，在形成整合至所述多层结构的光学层的步骤中，包括在多层结构中的两层之间的界面形成所述光学层。
12、如权利要求11所述的制造过程，其中，形成整合至所述多层结构的光学层的步骤包括：
在衬底的表面上形成光学层；
图案化所述光学层，以形成基本上等距离的光提取点状物的阵列；以及
在所述光学层上堆叠包括所述发光层的多层材料层。
13、如权利要求12所述的制造过程，其中，在所述光学层上堆叠包括所述发光层的多层材料层的步骤中，包括：
形成覆盖所述光学层的缓冲层；以及
在所述缓冲层上形成多个氮化物半导体层。
14、如权利要求12所述的制造过程，其中，图案化所述光学层以形成基本上等距离的光提取点状物的阵列的步骤中，包括执行光刻过程以形成光阻图案，再经由所述光阻图案进行蚀刻。
15、如权利要求9所述的制造过程，其中，所述光学层组成包括SiOx、SixNy、SiC、SiOxNy、ZnSe、TiO2或Ta2O5等材料组成，其中x与y为化学元素比率。
16、如权利要求9所述的制造过程，其中，所述光提取点状物的阵列包括以并置的六边形图案分布所述光提取点状物。
17、如权利要求16所述的制造过程，其中，所述多个光提取点状物设置在每一个六边形图案的角落与中间。
18、如权利要求9所述的制造过程，其中，至少一个光提取点状物具有六边形的形状。
19、如权利要求9所述的制造过程，其中，所述发光二极管的光强度大于约150mcd。
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