CN101222008A - 发光二极管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种发光二极管(LED)及其制造方法。发光二极管至少包括一基板、一反射结构、一缓冲层以及一发光磊晶结构。反射结构设于基板的一表面上，其中反射结构中设有多个开口，而将反射结构形成为具有规则图形的结构，并暴露出基板的表面的一部分。缓冲层设于反射结构与基板的表面的暴露部分上，并填满这些开口。发光磊晶结构则设于缓冲层上。

Description

发光二极管及其制造方法

技术领域

本发明有关一种发光元件，且特别是有关一种发光二极管(Light-EmittingDiode；LED)及其制造方法。

背景技术

半导体发光元件，例如发光二极管，是利用半导体材料所制作而成的元件，为一种可将电能转换为光能的微细固态光源。由于，此类半导体发光元件不但体积小，更具有驱动电压低、反应速率快、耐震、寿命长等特性，且又可配合各式应用设备轻、薄、短、小的需求，因而已成为日常生活中相当普及的光电元件。

目前，在制作发光二极管元件时，是直接在基板上成长低温的氮化铝铟镓来作为缓冲层。如此一来，会使得缓冲层的差排缺陷(Dislocation Defects)密度大幅提升，进而导致发光元件的寿命缩减，并导致发光元件的性能下降。

因此，目前亟需一种发光二极管元件，不仅具有高轴向光取出率以及高发光效率，还具有高操作性能与更长久的使用寿命，以期符合市场上日趋严格的产品要求。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种发光二极管，其基板与发光磊晶结构之间设置有具有规则图形的反射结构，故可大幅增加发光二极管元件的轴向光取出率，进而可提升元件的发光效率与发光亮度。

本发明的另一目的是提供一种发光二极管，其基板与发光磊晶结构之间的反射结构中设有许多开口而呈周期性结构，因此可使光产生散射效果，进一步增加发光二极管元件的光取出率。

本发明的又一目的是提供一种发光二极管的制造方法，其是利用磊晶横向成长法(Epitaxial Lateral Overgrowth；ELO)于基板及反射结构上成长缓冲层与发光磊晶结构，如此一来，可降低缓冲层与发光磊晶结构的差排缺陷密度，因此可获得高品质的磊晶结构，进而可提升发光二极管元件的操作稳定度，延长元件的使用寿命。

根据本发明的上述目的，提出一种发光二极管，至少包括：一基板；一反射结构设于基板的一表面上，其中此反射结构中设有多个开口，而将反射结构形成为具有规则图形的结构，并暴露出基板的表面的一部分；一缓冲层设于反射结构与基板的表面的暴露部分上，并填满这些开口；以及一发光磊晶结构设于缓冲层上。

依照本发明一较佳实施例，上述的反射结构是分散式布拉格反射(Distributed Bragg Reflector；DBR)结构。

依照本发明的另一较佳实施例，上述的反射结构是一维光子晶体反射(Photonic Crystal Reflector；PCR)结构。

根据本发明的目的，提出一种发光二极管的制造方法，至少包括：提供一基板；形成一反射结构于基板的一表面上，其中此反射结构中设有多个开口，而使此反射结构成为具有规则图形的结构，并暴露出基板的表面的一部分；形成一缓冲层设于反射结构与基板的表面的暴露部分上，并填满这些开口；以及形成一发光磊晶结构于缓冲层上。

依照本发明一较佳实施例，形成上述缓冲层的步骤是利用磊晶横向成长法。

依照本发明的另一较佳实施例，形成上述发光磊晶结构的步骤是利用磊晶横向成长法。

根据本发明的目的，另提出一种发光二极管，至少包括：一基板，其中基板的一表面的一部分设有多个凹槽，而使基板的一表面结构具有规则图案；一反射结构设于基板的表面的另一部分上；一缓冲层设于反射结构与基板的凹槽上，并填满这些凹槽；以及一发光磊晶结构设于缓冲层上。

根据本发明的目的，另提出一种发光二极管的制造方法，至少包括：提供一基板；形成一反射层覆盖在基板的一表面上；进行一图案形成步骤，以在反射层与基板中形成多个凹槽，而将反射层形成为具有规则图形的一反射结构；形成一缓冲层覆盖在反射结构与基板的凹槽上，并填满这些凹槽；以及形成一发光磊晶结构于缓冲层上。

根据本发明的目的，还提出一种发光二极管，至少包括：一基板，其中基板的一表面的一部分设有多个凹槽，而使基板的一表面结构具有规则图案；一反射结构设于这些凹槽的底面上；一缓冲层设于反射结构与基板的凹槽上，并填满这些凹槽；以及一发光磊晶结构设于缓冲层上。

根据本发明的目的，还提出一种发光二极管的制造方法，至少包括：提供一基板；进行一图案形成步骤，以在基板的一表面中形成多个凹槽，而使基板的一表面结构具有规则图案；形成一反射结构于这些凹槽的底面上；形成一缓冲层覆盖在反射结构与基板的凹槽上，并填满这些凹槽；以及形成一发光磊晶结构于缓冲层上。

附图说明

图1至图3是显示依照本发明一较佳实施例的一种发光二极管的制作工序的剖面图。

图4至图6是显示依照本发明另一较佳实施例的一种发光二极管的制作工序的剖面图。

图7与图8是显示依照本发明又一较佳实施例的一种发光二极管的制作工序的剖面图。

具体实施方式

本发明揭示一种发光二极管及其制造方法，其基板与磊晶结构之间设有周期性反射结构，且具有高品质的磊晶结构，因此可提高发光二极管元件的光取出率，并可有效延长元件的寿命，还可提升元件的操作品质。为了使本发明的叙述更加详尽与完备，可参照下列描述并配合图1至图8的图示。

请参照图1至图3，其是显示依照本发明一较佳实施例的一种发光二极管的制作工序的剖面图。制作发光二极管时，先提供基板100，以供后续材料层磊晶成长于其上。接下来，利用沉积方式形成反射层104完全覆盖在基板100的表面102上，如图1所示。在本示范实施例中，反射层104可至少包括数层氧化薄膜，其中这些氧化薄膜相互堆叠在基板100的表面102上。反射层104较佳可例如为分散式布拉格反射结构或一维光子晶体反射结构等高反射功能的多层薄膜堆叠结构。

接下来，利用例如微影与蚀刻方式，对反射层104进行图案形成步骤，而移除部分的反射层104，借以形成具有数个开106的反射结构108，其中这些开口106暴露出部分的基板100表面102，如图2所示。在本发明中，进行图案形成步骤可采用干式蚀刻法或湿式蚀刻法。借助此图案形成步骤，可将反射层104图案化成为具有周期性规则图形的反射结构108。

待完成具有规则图形的反射结构108后，先利用例如磊晶方式成长缓冲层110，覆盖在反射结构108与基板100的表面102的暴露部分，并填满所有的开口106。在本示范实施例中，可使用磊晶横向成长法来成长缓冲层110。由于利用磊晶横向成长法可使得缓冲层110顺着基材100的晶格方向生长，如此一来可有效降低缓冲层110的差排缺陷密度，而获得具高品质的磊晶横向成长结构的缓冲层110。

接着，利用例如磊晶方式于缓冲层110上成长发光磊晶结构112。发光磊晶结构112至少包括第一电性半导体层114、主动层116以及第二电性半导体层118。制作发光磊晶结构112时，先于基板100上方的缓冲层110上磊晶成长第一电性半导体层114，再于第一电性半导体层114上磊晶成长主动层116，然后于主动层116上磊晶成长第二电性半导体层118。至此，已完成发光二极管120的主要结构，如图3所示。第一电性半导体层114与第二电性半导体层118具有不同电性。举例而言，当第一电性为N型时，第二电性为P型；而当第一电性为P型时，第二电性为N型。在本示范实施例中，第一电性为N型，且第二电性为P型。在本示范实施例中，同样可使用磊晶横向成长法来成长发光磊晶结构112。如此一来，同样可降低发光磊晶结构112的差排缺陷密度，而获得高品质的磊晶横向成长的发光磊晶结构112。

请参照图3，由于发光磊晶结构112与基板100之间设有反射结构108，且反射结构108中设有开口106而具有规则图形，因此反射结构108可将主动层116朝基板100方向所发出的光122予以有效反射，而可增加发光二极管120的轴向光取出。此外，由于反射结构108呈周期性规则图形结构，因此受到非全面性平整的反射结构108的影响，可使朝基板100方向的光122产生散射效果，可进一步增加发光二极管120的光取出效果，而可提升元件的发光效率与发光亮度。再者，利用磊晶横向成长方式成长缓冲层110与发光磊晶结构112，可大幅降低缓冲层110与发光磊晶结构112的差排缺陷密度，而获得高品质的缓冲层110与发光磊晶结构112，因此可提升发光二极管120操作稳定度，并可延长发光二极管120元件的使用寿命。

请参照图4至图6，其是显示依照本发明另一较佳实施例的一种发光二极管的制作工序的剖面图。制作发光二极管时，先提供基板200，以供后续材料层磊晶成长于其上。接下来，利用沉积方式形成反射层204完全覆盖在基板200的表面202上，如图4所示。在本示范实施例中，反射层204可至少包括数层氧化薄膜，其中这些氧化薄膜相互堆叠在基板200的表面202上。反射层204较佳可例如为分散式布拉格反射结构或一维光子晶体反射结构等高反射功能的多层薄膜堆叠结构。

接下来，利用例如微影与蚀刻方式，对反射层204与基板200进行图案形成步骤，而移除部分的反射层204与部分的基板200，借以形成数个凹槽206延伸在反射层204与基材200中，使基板200的表面结构具有规则图案，并将反射层204形成为具有规则图形的反射结构208，如图5所示。因此，在本示范实施例中，这些凹槽206是位于基板200的表面202的一部分，而反射结构208则是位于基板200的表面202的另一部分上。在本发明中，进行图案形成步骤可采用干式蚀刻法或湿式蚀刻法。借助此图案形成步骤，可将反射层204图案化成为具有周期性规则图形的反射结构208。

然后，利用例如磊晶方式成长缓冲层210，覆盖在反射结构208与基板200的凹槽206，并填满所有的凹槽206。在本示范实施例中，可使用磊晶横向成长法来成长缓冲层210。由于利用磊晶横向成长法可使得缓冲层210顺着基材200的晶格方向生长，如此一来可有效降低缓冲层210的差排缺陷密度，而获得具高品质的磊晶横向成长结构的缓冲层210。

接着，利用例如磊晶方式于缓冲层210上成长发光磊晶结构212。发光磊晶结构212至少包括第一电性半导体层214、主动层216以及第二电性半导体层218。制作发光磊晶结构212时，先于基板200上方的缓冲层210上磊晶成长第一电性半导体层214，再于第一电性半导体层214上磊晶成长主动层216，然后于主动层216上磊晶成长第二电性半导体层218。至此，已完成发光二极管220的主要结构，如图6所示。第一电性半导体层214与第二电性半导体层218具有不同电性。举例而言，当第一电性为N型时，第二电性为P型；而当第一电性为P型时，第二电性为N型。在本示范实施例中，第一电性为N型，且第二电性为P型。在本示范实施例中，同样可使用磊晶横向成长法来成长发光磊晶结构212。如此一来，同样可降低发光磊晶结构212的差排缺陷密度，而获得高品质的磊晶横向成长的发光磊晶结构212。

由于发光磊晶结构212与基板200之间设有反射结构208，且反射结构208具有规则图形，因此反射结构208可将主动层216朝基板200方向所发出的光予以有效反射，而可增加发光二极管220的轴向光取出。此外，由于反射结构208与基板200的表面202呈周期性规则图形结构，因此受到非全面性平整的反射结构208与基板200表面结构的影响，可使朝基板200方向的光产生散射效果，可进一步增加发光二极管220的光取出效果，而可提升元件的发光效率与发光亮度。再者，利用磊晶横向成长方式成长缓冲层210与发光磊晶结构212，可大幅降低缓冲层210与发光磊晶结构212的差排缺陷密度，而获得高品质的缓冲层210与发光磊晶结构212，因此可提升发光二极管220操作稳定度，并可延长发光二极管220元件的使用寿命。

请参照图7与图8，其是显示依照本发明又一较佳实施例的一种发光二极管的制作工序的剖面图。制作发光二极管时，先提供基板300，以供后续材料层磊晶成长于其上。接下来，利用例如微影与蚀刻方式，对基板300的表面302进行图案形成步骤，而移除部分的基板300，借以在基板300的表面302中形成数个凹槽304。在本发明中，进行图案形成步骤可采用干式蚀刻法或湿式蚀刻法。借助此图案形成步骤，可将基板300的表面302图案化成为具有周期性规则图形的表面结构，进而使得设于凹槽304的底面306上的反射结构308具有规则图案。接着，利用沉积方式形成反射结构308于基板300的凹槽304的底面306上，如图7所示。在本示范实施例中，反射结构308可至少包括数层氧化薄膜，其中这些氧化薄膜相互堆叠在基板300的凹槽304的底面306上。反射结构308较佳可例如为分散式布拉格反射结构或一维光子晶体反射结构等高反射功能的多层薄膜堆叠结构。

然后，利用例如磊晶方式成长缓冲层310，覆盖在反射结构308与基板300的凹槽304上，并填满所有的凹槽304。在本示范实施例中，可使用磊晶横向成长法来成长缓冲层310。由于利用磊晶横向成长法可使得缓冲层310顺着基材300的晶格方向生长，因此可有效降低缓冲层310的差排缺陷密度，而获得具高品质的磊晶横向成长结构的缓冲层310。接着，利用例如磊晶方式于缓冲层310上成长发光磊晶结构312。发光磊晶结构312至少包括第一电性半导体层314、主动层316以及第二电性半导体层318。制作发光磊晶结构312时，先于缓冲层310上磊晶成长第一电性半导体层314，再于第一电性半导体层314上磊晶成长主动层316，然后于主动层316上磊晶成长第二电性半导体层318。至此，已完成发光二极管320的主要结构，如图7所示。第一电性半导体层314与第二电性半导体层318具有不同电性。举例而言，当第一电性为N型时，第二电性为P型；而当第一电性为P型时，第二电性为N型。在本示范实施例中，第一电性为N型，且第二电性为P型。在本示范实施例中，同样可使用磊晶横向成长法来成长发光磊晶结构312。如此一来，同样可降低发光磊晶结构312的差排缺陷密度，而获得高品质的磊晶横向成长的发光磊晶结构312。

由于发光磊晶结构312与基板300之间设有反射结构308，且反射结构308因设于基板300的凹槽304中而具有规则图形，因此反射结构308可将主动层316朝基板300方向所发出的光予以有效反射，而可增加发光二极管320的轴向光取出。此外，由于反射结构308与基板300的表面302呈周期性规则图形结构，因此受到非全面性平整的反射结构308与基板300表面结构的影响，可使朝基板300方向的光产生散射效果，可进一步增加发光二极管320的光取出效果，而可提升元件的发光效率与发光亮度。再者，利用磊晶横向成长方式成长缓冲层310与发光磊晶结构312，可大幅降低缓冲层310与发光磊晶结构312的差排缺陷密度，而获得高品质的缓冲层310与发光磊晶结构312，因此可提升发光二极管320操作稳定度，并可延长发光二极管320元件的使用寿命。

由上述本发明较佳实施例可知，本发明的一优点就是因为本发明的发光二极管的基板与发光磊晶结构之间设置有反射结构，因此可大幅增加发光二极管元件的轴向光取出率，进而可提升元件的发光效率与发光亮度。

由上述本发明较佳实施例可知，本发明的另一优点就是因为本发明的发光二极管的基板与发光磊晶结构之间的反射结构中设有许多开口而呈周期性结构，因此可使光产生散射效果，进一步增加发光二极管元件的光取出率。

由上述本发明较佳实施例可知，本发明的又一优点就是因为本发明的发光二极管的制造方法是利用磊晶横向成长法成长缓冲层与发光磊晶结构，如此一来，可降低缓冲层与发光磊晶结构的差排缺陷密度，因此可获得高品质的磊晶结构，进而可提升发光二极管元件的操作稳定度，延长元件的使用寿命。

虽然本发明已以一较佳实施例揭示如上，然而其并非用以限定本发明，任何在此技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种等同的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的本申请权利要求范围所界定的为准。

Claims (30)

1.一种发光二极管，至少包括：

一基板；

一反射结构，设于该基板的一表面上，其中该反射结构中设有多个开口，而将该反射结构形成为具有规则图形的结构，并暴露出该基板的该表面的一部分；

一缓冲层，设于该反射结构与该基板的该表面的该暴露部分上，并填满这些开口；以及

一发光磊晶结构，设于该缓冲层上。

2.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于该反射结构至少包括互相堆叠的多个氧化薄膜。

3.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于该反射结构是一分散式布拉格反射结构或一一维光子晶体反射结构。

4.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于该发光磊晶结构至少包括依序堆叠在该缓冲层的一第一电性半导体层、一主动层以及一第二电性半导体层，且该第一电性半导体层与该第二电性半导体层具有不同电性。

5.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于该发光磊晶结构是一磊晶横向成长结构，且该缓冲层是一磊晶横向成长层。

6.一种发光二极管的制造方法，至少包括：

提供一基板；

形成一反射结构于该基板的一表面上，其中该反射结构中设有多个开口，而使该反射结构成为具有规则图形的结构，并暴露出该基板的该表面的一部分；

形成一缓冲层设于该反射结构与该基板的该表面的该暴露部分上，并填满这些开口；以及

形成一发光磊晶结构于该缓冲层上。

7.如权利要求6所述的发光二极管的制造方法，其特征在于形成该反射结构的步骤至少包括：

形成一反射层完全覆盖在该基板的该表面上；以及

进行一图案形成步骤，以移除部分的该反射层而形成该反射结构。

8.如权利要求7所述的发光二极管的制造方法，其特征在于该反射层至少包括互相堆叠的多个氧化薄膜。

9.如权利要求7所述的发光二极管的制造方法，其特征在于该图案形成步骤包括利用一干式蚀刻法或一湿式蚀刻法。

10.如权利要求6所述的发光二极管的制造方法，其特征在于形成该缓冲层的步骤与形成该发光磊晶结构的步骤是利用一磊晶横向成长法。

11.如权利要求6所述的发光二极管的制造方法，其特征在于该反射结构是一分散式布拉格反射结构或一一维光子晶体反射结构。

12.一种发光二极管的制造方法，至少包括：

提供一基板；

形成一反射层于该基板的一表面上；

进行一图案形成步骤，以在该反射层中形成多个开口，而将该反射层形成为具有规则图形的一反射结构，并暴露出该基板的该表面的一部分；

利用一磊晶横向成长法形成一缓冲层设于该反射结构与该基板的该表面的该暴露部分上，并填满这些开口；以及

利用该磊晶横向成长法形成一发光磊晶结构于该缓冲层上。

13.如权利要求12所述的发光二极管的制造方法，其特征在于该反射层至少包括互相堆叠的多个氧化薄膜。

14.如权利要求12所述的发光二极管的制造方法，其特征在于该反射结构是一分散式布拉格反射结构或一一维光子晶体反射结构。

15.一种发光二极管，至少包括：

一基板，该基板的一表面的一部分设有多个凹槽，而使该基板的一表面结构具有规则图案；

一反射结构，设于该基板的该表面的另一部分上；

一缓冲层，设于该反射结构与该基板的这些凹槽上，并填满这些凹槽；以及

一发光磊晶结构，设于该缓冲层上。

16.如权利要求15所述的发光二极管，其特征在于该反射结构至少包括互相堆叠的多个氧化薄膜。

17.如权利要求15所述的发光二极管，其特征在于该反射结构是一分散式布拉格反射结构或一一维光子晶体反射结构。

18.如权利要求15所述的发光二极管，其特征在于该发光磊晶结构是一磊晶横向成长结构，且该缓冲层是一磊晶横向成长层。

19.一种发光二极管的制造方法，至少包括：

提供一基板；

形成一反射层覆盖在该基板的一表面上；

进行一图案形成步骤，以在该反射层与该基板中形成多个凹槽，而将该反射层形成为具有规则图形的一反射结构；

形成一缓冲层覆盖在该反射结构与该基板的这些凹槽上，并填满这些凹槽；以及

形成一发光磊晶结构于该缓冲层上。

20.如权利要求19所述的发光二极管的制造方法，其特征在于该反射层至少包括互相堆叠的多个氧化薄膜。

21.如权利要求19所述的发光二极管的制造方法，其特征在于形成该缓冲层的步骤与形成该发光磊晶结构的步骤是利用一磊晶横向成长法。

22.如权利要求19所述的发光二极管的制造方法，其特征在于该反射结构是一分散式布拉格反射结构或一一维光子晶体反射结构。

23.一种发光二极管，至少包括：

一基板，该基板的一表面的一部分设有多个凹槽，而使该基板的一表面结构具有规则图案；

一反射结构，设于这些凹槽的底面上；

一缓冲层，设于该反射结构与该基板的这些凹槽上，并填满这些凹槽；以及

一发光磊晶结构，设于该缓冲层上。

24.如权利要求23所述的发光二极管，其特征在于该反射结构至少包括互相堆叠的多个氧化薄膜。

25.如权利要求23所述的发光二极管，其特征在于该反射结构是一分散式布拉格反射结构或一一维光子晶体反射结构。

26.如权利要求23所述的发光二极管，其特征在于该发光磊晶结构是一磊晶横向成长结构，且该缓冲层是一磊晶横向成长层。

27.一种发光二极管的制造方法，至少包括：

提供一基板；

进行一图案形成步骤，以在该基板的一表面中形成多个凹槽，而使该基板的一表面结构具有规则图案；

形成一反射结构于这些凹槽的底面上；

形成一缓冲层覆盖在该反射结构与该基板的这些凹槽上，并填满这些凹槽；以及

形成一发光磊晶结构于该缓冲层上。

28.如权利要求27所述的发光二极管的制造方法，其特征在于该反射结构至少包括互相堆叠的多个氧化薄膜。

29.如权利要求27所述的发光二极管的制造方法，其特征在于形成该缓冲层的步骤与形成该发光磊晶结构的步骤是利用一磊晶横向成长法。

30.如权利要求27所述的发光二极管的制造方法，其特征在于该反射结构是一分散式布拉格反射结构或一一维光子晶体反射结构。

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