CN101257075A - 一种发光二极管器件及其制造方法 - Google Patents

一种发光二极管器件及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种发光二极管器件及其制造方法。该发光二极管器件包括：基板；设置在基板上的n型半导体层；设置于n型半导体层上的发光层；设置于发光层上的p型半导体层；和设置于p型半导体层上的透明电极层。其中该透明电极层的上表面具有多个凹凸形的微结构。根据本发明，减少或避免了由于全反射造成的光损耗，提高了发光二极管的外部光效率。

Description

一种发光二极管器件及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种发光二极管器件及其制造方法，尤其涉及一种通过表面粗化层提高光提取效率的发光二极管器件及其制造方法。
背景技术
发光二极管(LED)是用半导体材料制作的正向偏置的PN结二极管。其发光机理是当在PN结两端注入正向电流时，注入的非平衡载流子(电子-空穴对)在扩散过程中复合发光，这种发射过程主要对应光的自发发射过程。制作半导体发光二极管的材料是重掺杂的，热平衡状态下的N区有很多迁移率很高的电子，P区有较多的迁移率较低的空穴。由于PN结阻挡层的限制，在常态下，二者不能发生自然复合。而当给PN结加以正向电压时，沟区导带中的电子则可逃过PN结的势垒进入到P区一侧。于是在PN结附近稍偏于P区一边的地方，处于高能态的电子与空穴相遇时，便产生发光复合。这种发光复合所发出的光属于自发辐射。
一般而言，传统的发光二极管(LED)器件的制造方法是在衬底上外延生长包括n型半导体材料层、发光层和p型半导体材料层的层叠结构。随着发光二极管发射的光的波长不同，发光二极管所采用的材料和结构也不同。例如，对于发射蓝光和绿光二极管，通常采用绝缘的蓝宝石作为衬底，而采用氮化镓铟外延结构作为层叠结构。由于蓝宝石衬底为绝缘衬底，所以发光二极管的阴极和阳极均设置在正面。例如，如图1所示，在蓝宝石衬底6上依次形成了n型氮化镓层5、发光层4、p型氮化镓层3、透明电极2。阳极1和阴极7分别形成于透明电极2和n型氮化镓层5上。当由发光层4产生的光向外发射时，光依次经由p形氮化镓层5，透明电极2以及位于透明电极2上方的封装树脂材料(未显示)被发射到外部。由于p型氮化镓层5的折射率通常为2.4，透明电极2的折射率通常为1.85-2.0，而封装树脂材料的折射率通常为1.45-1.55，所以光从高折射率材料向低折射率材料传播。在此过程中，在高折射率材料和低折射率材料界面之间容易发生全反射，导致大量从发光二极管器件发出的光无法被提取到外部，使得蓝绿发光二极管的外部光效率较低。因此提高发光二极管的外部光效率已经成为业界亟待解决的重要课题之一。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种发光二极管器件，该发光二极管包括：基板；设置在基板上的n型半导体层；设置于部分的n型半导体层上的发光层；设置于发光层上的p型半导体层；设置于p型半导体层上的透明电极层；设置于透明电极层上的阳极；以及设置于部分的n型半导体层上的阴极，其中该透明电极层的上表面具有多个凹凸形的微结构。
优选地，该透明电极的下表面也可以具有多个凹凸形的微结构。
优选地，该透明电极的厚度为0.2微米-0.8微米。
根据本发明的另一个方面，提供了一种发光二极管器件，该发光二极管包括：基板；设置在基板上的n型半导体层；设置于部分的n型半导体层上的发光层；设置于发光层上的p型半导体层；设置于p型半导体层上的透明电极层；设置于透明电极层上的阳极；以及设置于部分的n型半导体层上的阴极，其中形成有多个自该透明电极层贯穿至n形半导体层的孔。
优选地，所述孔的间距为2-8微米，孔的深度为1-2微米，且孔的直径为0.2-4微米。
根据本发明的又一个方面，还提供了一种发光二极管器件的制造方法，所述方法包括在基板上依次沉积n型半导体层、发光层、p型半导体层。然后在p型半导体层形成透明电极层。然后，采用光刻暨蚀刻工艺构图透明电极层、p型半导体层、发光层和n型半导体层，使得透明电极层、p型半导体层、发光层形成于部分的n型半导体层上。接着，采用粗化蚀刻剂，通过湿法蚀刻在透明电极层上形成多个凹凸形的微结构。
优选地，所述粗化蚀刻剂为包括硫酸、抑制剂、表面活性剂和去离子水的混合酸性溶液。
优选地，在p型半导体层上形成透明电极层之前，可以采用干法或湿法蚀刻工艺粗糙化p型半导体层的上表面。
根据本发明的又一个方面，还提供了一种发光二极管器件的制造方法，所述方法包括在基板上依次沉积n型半导体层、发光层、p型半导体层。然后在p型半导体层形成透明电极层。然后，在透明电极层上涂布光刻胶，采用光刻工艺构图光刻胶以在部分的透明电极层上形成具有多个孔的光刻胶图案。接着，利用该光刻胶图案作为蚀刻掩模，利用干法蚀刻来蚀刻透明电极层、p型半导体层、发光层和n型半导体层，从而使得透明电极层、p型半导体层、发光层形成于部分的n型半导体层上，并形成多个自透明电极层贯穿至n型半导体层的孔。最后，去除光刻胶掩模。
优选地，该干法蚀刻工艺为电感耦合式反应离子蚀刻(ICP-RIE)。
根据本发明，由于在透明电极层的上表面或上下两个表面上形成了凹凸形的微结构，所以改变了入射到透明电极层或透明电极层上方的封装材料的光线的角度，使得大部分光的入射角小于全反射的临界角，大幅度提高了发光二极管器件的外部光效率。另外，多个自透明电极层贯穿至n型半导体层的孔减少或避免了由于全反射造成的光损耗，提高了发光二极管的外部光效率。与常规的倒装片芯片相比，根据本发明的半导体发光器件的光效率增加了20％-30％。
附图说明
图1为传统的发射蓝光和绿光的发光二极管器件的平面示意图；
图2为沿图1的II-II线所截取的发光二极管器件的剖面示意图；
图3为根据本发明的发光二极管器件的平面示意图；
图4为沿图3的IV-IV线所截取的根据本发明的第一实施例的发光二极管器件的剖面示意图；
图5A-5C为描述根据本发明的第一实施例的发光二极管器件的制造方法的剖面示意图；
图6为沿图3的IV-IV线所截取的根据本发明的第二实施例的发光二极管器件的剖面示意图；
图7为显示图6中所示的微结构的放大示意图；
图8A-8C为描述根据本发明的第二实施例的发光二极管器件的制造方法的剖面示意图；以及
图9为沿图3的IV-IV线所截取的根据本发明的第三实施例的发光二极管器件的剖面示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。为了清晰显示的目的，附图中的层和特征并未按照比例绘制。
第一实施例
图3为根据本发明的发光二极管器件的平面示意图。图4为沿图3的IV-IV线所截取的根据本发明的第一实施例的发光二极管器件的剖面示意图。如图4所示，该发光二极管器件包括：基板16、设置在基板16上的n型半导体层15；设置于n型半导体层15上的发光层14；设置于发光层14上的p型半导体层13和设置于p型半导体层13上的透明电极层12，设置于透明电极层12上的阳极11；以及设置于部分的n型半导体层15上的阴极17。该透明电极层12的上表面具有多个凹凸形的微结构。
n型半导体层15、发光层14以及p型半导体层13可以由氮化镓材料构成。透明电极层12的材料可以选自氧化铟锡(ITO)或氧化锌(ZnO)或其他透明导电材料。该透明电极层12的厚度为0.2微米-0.8微米。
现将参考图5A-5C描述根据本发明的第一实施例的发光二极管器件的制造方法。首先，在基板16上依次沉积n型半导体层15、发光层14和p型半导体层13。然后，在p型半导体层13的上表面上形成透明电极层12，如图5A所示。例如，可以在p型半导体层13的上表面上贴附厚度为0.2-0.8微米的透明电极层12。然后利用光刻暨蚀刻工艺构图透明电极层12、p型半导体层13、发光层14和n型半导体层15，使得透明电极层12、p型半导体层13、发光层14形成于部分的n型半导体层15上，如图5B所示。所述蚀刻工艺可以例如为采用氯气、三氯化硼、或甲烷的电感耦合式反应离子蚀刻。接下来，采用粗化蚀刻剂，通过湿法蚀刻在透明电极层12上形成多个凹凸形的微结构，如图5C所示。例如，用水浴将粗化蚀刻剂加热到70-80℃，然后上述步骤所形成的发光二极管结构浸泡到粗化蚀刻剂2到3分钟。该粗化蚀刻剂为包括硫酸、抑制剂、表面活性剂和去离子水的混合酸性溶液。然后将发光二极管结构取出清洗并烘干，从而在透明电极层12的上表面形成多个凹凸的微结构。最后，在透明电极层12和暴露的部分的n型半导体层15上分别形成阳极11和阴极17，形成如图4所示的半导体发光器件。
根据本发明的该实施例，由于在透明电极层12的上表面上形成了凹凸形的微结构，所以改变了由透明电极层12入射到封装材料(未显示)的光线的角度，使得大部分光的入射角小于全反射的临界角，提高了发光二极管器件的外部光效率。在350毫安的驱动电流下，根据本发明的该实施例的发光器件的光效率与常规的倒装片芯片相比增加了20％-30％。
第二实施例
图6为沿图3的IV-IV线所截取的根据本发明的第二实施例的发光二极管器件的剖面示意图。图7为显示图6中所示的微结构的放大示意图。如图6所示，该发光二极管器件包括：基板26、设置在基板26上的n型半导体层25；设置于n型半导体层25上的发光层24；设置于发光层24上的p型半导体层23和设置于p型半导体层23上的透明电极层22，设置于透明电极层22上的阳极21；以及设置于部分的n型半导体层25上的阴极27。如图6所示，自该透明电极层贯穿至部分的n形半导体层形成有多个孔。孔的分布可以为规则的，如图3所示，也可以是不规则的。孔的形状可以为圆形、椭圆形、方形、三角形等等。图3显示了圆形的孔，其中例如孔的间距f可以为2-8微米，孔的深度e可以为1-2微米，且孔的直径d可以为0.2-4微米，如图7所示。
n型半导体层25、发光层24以及p型半导体层23可以由氮化镓材料构成。透明电极层23的材料可以选自氧化铟锡(ITO)或氧化锌(ZnO)或其他透明导电材料。该透明电极层23的厚度为0.2微米-0.8微米。
现将参考图8A-8C描述根据本发明的第二实施例的发光二极管器件的制造方法。首先，在基板26上依次沉积n型半导体层25、发光层24和p型半导体层23。然后，在p型半导体层23的上表面上形成透明电极层22，如图8A所示。例如，可以在p型半导体层23的上表面上贴附厚度为0.2-0.8微米的透明电极层22。在透明电极层22上涂布光刻胶，采用光刻工艺，例如采用激光曝光机(Nano-Engineering Optical System)的曝光和显影工艺构图光刻胶以在部分的透明电极层22上形成具有多个孔的光刻胶图案，如图8B所示。然后，利用该光刻胶图案作为蚀刻掩模，利用干法蚀刻来蚀刻透明电极层22、p型半导体层23、发光层24和n型半导体层25，从而使得透明电极层22、p型半导体层23、发光层24形成于部分的n型半导体层25上，并形成多个自透明电极层22贯穿至n型半导体层25的孔。然后，去除光刻胶掩模，形成如图8C所示的结构。最后，在透明电极层22和暴露的部分的n型半导体层25上分别形成阳极21和阴极27，形成如图6所示的半导体发光器件。干法蚀刻工艺例如为电感耦合式反应离子蚀刻。
根据本发明的该实施例，由于形成有多个自该透明电极层22贯穿至n形半导体层25的孔，形成了在透明电极层22的上表面上形成了凹凸形的微结构，所以改变了光的入射角度，使得大部分光的入射角小于全反射的临界角，提高了发光二极管器件的外部光效率。
第三实施例
图9为沿图3的IV-IV线所截取的根据本发明的第三实施例的发光二极管器件的剖面示意图。如图9所示，该发光二极管器件包括：基板36、设置在基板36上的n型半导体层35；设置于n型半导体层35上的发光层34；设置于发光层34上的p型半导体层33和设置于p型半导体层33上的透明电极层32，设置于透明电极层32上的阳极31；以及设置于部分的n型半导体层35上的阴极37。该透明电极层32的上下表面均具有多个凹凸形的微结构。
n型半导体层35、发光层34以及p型半导体层33可以由氮化镓材料构成。透明电极层32的材料可以选自氧化铟锡(ITO)或氧化锌(ZnO)或其他透明导电材料。该透明电极层32的厚度为0.2微米-0.8微米。
根据本发明的第三实施例的发光二极管器件的制造方法与第一实施例的发光二极管的制造方法基本相同，除了在p型半导体层33上形成透明电极层32之前，可以采用干法或湿法蚀刻工艺粗糙化p型半导体层33的上表面，从而在p型半导体层33的上表面形成多个凹凸的微结构。因此在p型半导体层33的上表面上形成透明电极层32时，透明电极层32的下表面也具有多个凹凸的微结构。
根据本发明的该实施例，由于在透明电极层32的上和下表面上形成了凹凸形的微结构，所以改变了由透明电极层32入射到封装材料(未显示)以及由p型半导体层33入射到透明电极层32的光线的角度，使得大部分光的入射角小于全反射的临界角，提高了发光二极管器件的外部光效率。
以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求所做的等同变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (12)

1、一种发光二极管器件，包括：
基板；
设置在基板上的n型半导体层；
设置于部分的n型半导体层上的发光层；
设置于发光层上的p型半导体层；
设置于p型半导体层上的透明电极层；
设置于透明电极层上的阳极；以及
设置于部分的n型半导体层上的阴极；
其中该透明电极层的上表面具有多个凹凸形的微结构。
2、根据权利要求1所述的发光二极管器件，其中该透明电极的下表面具有多个凹凸形的微结构。
3、根据权利要求1所述的发光二极管器件，其中该透明电极的厚度为0.2微米至0.8微米。
4、一种发光二极管器件，包括：
基板；
设置在基板上的n型半导体层；
设置于部分的n型半导体层上的发光层；
设置于发光层上的p型半导体层；
设置于p型半导体层上的透明电极层；
设置于透明电极层上的阳极；以及
设置于部分的n型半导体层上的阴极；
其中形成有多个自该透明电极层贯穿至n形半导体层的孔。
5、根据权利要求4所述的发光二极管器件，其中所述孔的间距为2至8微米，孔的深度为1至2微米，且孔的直径为0.2至4微米。
6、一种发光二极管器件的制造方法，包括：
在基板上依次沉积n型半导体层、发光层、p型半导体层；
在p型半导体层形成透明电极层；
采用光刻暨蚀刻工艺构图透明电极层、p型半导体层、发光层和n型半导体层，使得透明电极层、p型半导体层、发光层形成于部分的n型半导体层上；
采用粗化蚀刻剂，通过湿法蚀刻在透明电极层上形成多个凹凸形的微结构。
7、根据权利要求6所述的方法，其中所述粗化蚀刻剂为包括硫酸、抑制剂、表面活性剂和去离子水的混合酸性溶液。
8、根据权利要求6所述的方法，其中在p型半导体层上形成透明电极层之前，可以采用干法或湿法蚀刻工艺粗糙化p型半导体层的上表面，从而在p型半导体层的上表面形成多个凹凸的微结构。
9、根据权利要求6所述的方法，其中该透明电极的厚度为0.2微米至0.8微米。
10、一种发光二极管器件的制造方法，包括：
在基板上依次沉积n型半导体层、发光层、p型半导体层；
在p型半导体层上形成透明电极层；
在透明电极层上涂布光刻胶，采用光刻工艺构图光刻胶，以在部分的透明电极层上形成具有多个孔的光刻胶图案；
利用该光刻胶图案作为蚀刻掩模，利用干法蚀刻来蚀刻透明电极层、p型半导体层、发光层和n型半导体层，从而使得透明电极层、p型半导体层、发光层形成于部分的n型半导体层上，并形成多个自透明电极层贯穿至n型半导体层的孔；以及
去除光刻胶掩模。
11、根据权利要求10的方法，其中该干法蚀刻工艺为电感耦合式反应离子蚀刻。
12、根据权利要求10的方法，其中所述孔的间距为2至8微米，孔的深度为1至2微米，且孔的直径为0.2至4微米。
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