CN101320766A - 电流扩散层、发光二极管装置及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发光二极管装置，其包括外延叠层以及电流扩散层。外延叠层依序具有第一半导体层、发光层及第二半导体层。电流扩散层设置于外延叠层的第一半导体层上，且电流扩散层具有微纳米粗化结构层及透明导电层，其中微纳米粗化结构层具有多个镂空部，而透明导电层覆盖微纳米粗化结构层的表面及这些镂空部中。另外，本发明亦披露一种发光二极管装置的制造方法以及一种具有微纳米结构的电流扩散层。

Description

电流扩散层、发光二极管装置及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种发光二极管装置及其制造方法，特别涉及一种具有微纳米结构的电流扩散层、发光二极管装置及其制造方法。

背景技术

发光二极管(light-emitting diode，LED)装置是一种由半导体材料制作而成的发光元件。由于发光二极管装置属冷发光，具有耗电量低、元件寿命长、反应速度快等优点，再加上体积小容易制成极小或阵列式的元件，因此，近年来随着技术不断地进步，其应用范围涵盖了电脑或家电产品的指示灯、液晶显示装置的背光源乃至交通号志或是车用指示灯。

然而，发光二极管装置仍存在有电流无法均匀扩散、全反射降低出光效率等等问题，而使得发光二极管装置的发光效率尚无法有效地提升。

一般而言，发光二极管装置可为倒装片式、垂直式或正面式等不同的态样。为了解决因为全反射而降低出光效率的问题，请参照图1，以垂直式发光二极管装置为例，发光二极管装置1在基板11的表面上依序形成n型半导体掺杂层121、发光层(active layer)122及p型半导体掺杂层123，接着，再于p型半导体掺杂层123上形成透明导电层13，并分别于透明导电层13上以及基板11的另一表面设置第一电极14及第二电极15。

如图1所示，透明导电层13的出光表面131可形成粗化表面，由此减少出光表面将光线全反射的情形发生，并可增加光取出效率。

请参照图2A，另一种解决出光效率问题的方式，在透明导电层13的出光表面131上设置粗化结构16，并由此减少出光表面将光线全反射的情形发生，并可增加光取出效率。

另外，亦可直接在n型半导体掺杂层121或p型半导体掺杂层123(如图2B所示)的表面上直接形成粗化表面，并由此减少出光表面将光线全反射的情形发生，并可增加光取出效率。

承上所述，已知的解决方法虽然能够解决全反射的问题，然而其结构仍然存在着因电流在传递上仍走最短路径，而导致无法均匀扩散的问题。因此当增大发光二极管装置的发光面积时，仍会造成电流无法均匀分布。

援因于此，如何提供一种能够解决电流无法均匀扩散以及因全反射降低出光效率的具有微纳米结构的电流扩散层、发光二极管装置及其制造方法，实属当前重要课题之一。

发明内容

有鉴于上述课题，本发明的目的为提供一种能够降低光线全反射且可使电流均匀分布的具有微纳米结构的电流扩散层、发光二极管装置及其制造方法。

因此，为达上述目的，本发明提供一种具有微纳米结构的电流扩散层，其包括微纳米粗化结构层以及透明导电层。电流扩散层与半导体结构连接。微纳米粗化结构层具有多个镂空部。透明导电层覆盖于微纳米粗化结构层的表面及这些镂空部中。

为达上述目的，本发明提供一种发光二极管装置，其包括外延叠层以及电流扩散层。外延叠层依序具有第一半导体层、发光层及第二半导体层。电流扩散层设置于外延叠层的第一半导体层上，且具有微纳米粗化结构层及透明导电层。其中，微纳米粗化结构层具有多个镂空部，而透明导电层覆盖于微纳米粗化结构层的表面及这些镂空部中。

为达上述目的，本发明更提供一种发光二极管装置的制造方法，其包括以下步骤：形成第一半导体层于外延基板上；形成发光层于第一半导体层上；形成第二半导体层于发光层上；移除部分的发光层及部分的第二半导体层，以暴露部分的第一半导体层；形成微纳米粗化结构层于第二半导体层上，其中微纳米粗化结构层具有多个镂空部；以及形成透明导电层于微纳米粗化结构层上及这些镂空部中。

另外，为达上述目的，本发明更提供一种发光二极管装置的制造方法，其包括以下步骤：形成第一半导体层于外延基板上；形成发光层于第一半导体层上；形成第二半导体层于发光层上；形成微纳米粗化结构层于第二半导体层上，其中，微纳米粗化结构层具有多个镂空部；以及形成一透明导电层于微纳米粗化结构层上及这些镂空部中。

承上所述，因依据本发明的具微纳米结构的电流扩散层、发光二极管装置及其制造方法利用具有微纳米结构的电流扩散层与反射层、导热绝缘层或导热粘贴层的配合应用，而在倒装片式、垂直式或正面发光二极管装置上形成具备良好的欧姆接面的电流扩散层，并据以达到使电流均匀扩散、减少全反射并增加光取出效率等特性。

附图说明

图1为已知一种发光二极管装置的示意图。

图2A、2B为已知另两种发光二极管装置的示意图。

图3为依据本发明第一实施例的发光二极管装置的制造方法的流程图。

图4A至图4E为与图3的流程配合的示意图。

图5为依据本发明第二实施例的发光二极管装置的制造方法的流程图。

图6A至图6E为与图5的流程配合的示意图。

图7为依据本发明第三实施例的发光二极管装置的制造方法的流程图。

图8A至图8E为与图7的流程配合的示意图。

图9为依据本发明第四实施例的发光二极管装置的制造方法的流程图。

图10A至图10F为与图9的流程配合的示意图。

图11为另一种电流扩散层的示意图。

附图标记说明

1、20、30、40、50：发光二极管装置

11：基板

121：N型掺杂层

122、213、313、413、513：发光层

123：P型掺杂层

13、222、322、422、522、622：透明导电层

14、24、33、46、54：第一电极

15、25、34、47、55：第二电极

16：粗化结构

21、31、41、51：外延叠层

211、311、411、511：外延基板

212、312、412、512：第一半导体层

214、314、414、514：第二半导体层

22、32、42、52：电流扩散层

221、321、421、521、621：微纳米粗化结构层

23、37：导热绝缘层

35、45、56：导热基板

36、44、57：导热粘贴层

38、43、53：反射层

5：发光二极管结构

58：透光基板

H21、H31、H41、H51：镂空部

具体实施方式

以下将参照相关图示，说明依据本发明优选实施例的具有微纳米结构的电流扩散层、发光二极管装置及其制造方法。

[第一实施例]

请参照图3，依据本发明第一实施例的一种发光二极管装置20的制造方法包括步骤S11至步骤S15。以下请同时参照图4A至图4E所示。

如图4A所示，步骤S11为形成外延叠层21于外延基板211上，其中，外延叠层21包括第一半导体层212、发光层213以及第二半导体层214。第一半导体层212形成于外延基板211上，接着在第一半导体层212上形成发光层213；而后在发光层213上形成第二半导体层214。接着，如图4B所示，步骤S12为移除部分的发光层213及部分的第二半导体层214。

如图4C所示，步骤S13为将电流扩散层22与外延叠层21连接。在本实施例中，电流扩散层22在第二半导体层214上以例如但不限于堆叠工艺、烧结工艺、阳极氧化铝工艺(AAO)、纳米压印工艺、热压工艺、蚀刻工艺或电子束曝光工艺(E-beam writer)形成微纳米粗化结构层221，且微纳米粗化结构层221具有多个镂空部H21。其中，在微纳米粗化结构层221上及这些镂空部H21中形成有透明导电层222。

在本实施例中，第一半导体层212及第二半导体层214可分别为P型外延层及N型外延层，当然其亦可互换，在此并不加以限制。微纳米粗化结构层221的折射率大于空气的折射率且小于外延叠层的折射率。而依据其外观的不同，微纳米粗化结构层221可至少包括纳米球、纳米柱、纳米孔洞、纳米点、纳米线或纳米凹凸结构，在此以纳米球为例，且其材料可选自三氧化二铝(Al₂O₃)、氮化硅(Si₃N₄)、二氧化锡(SnO₂)、二氧化硅(SiO₂)、树脂、聚碳酸酯(polycarbonate)及其组合所构成的组。透明导电层222的材料可包括铟锡氧化物(Indium tin oxide，ITO)、掺铝氧化锌(aluminum doped zinc oxide，AZO)、或铟锌氧化物(indium zinc oxide，IZO)。

如图4D所示，步骤S14为分别形成与第一半导体层212电性连接的第一电极24，并形成与第二半导体层214电性连接的第二电极25。

如图4E所示，步骤S15为形成导热绝缘层23于部分的电流扩散层22上，用以提供发光二极管装置更佳的抗静电能力。甚至，导热绝缘层亦可覆盖部分的第二半导体层214、发光层213及第一半导体层212，以完成一种正面式元件的具有微纳米结构的发光二极管装置20。

在本实施例中，其步骤并不仅限于此顺序，其可依据工艺的需要而进行步骤的调换。

[第二实施例]

请参照图5，依据本发明第二实施例的一种发光二极管装置30的制造方法包括步骤S21至步骤S27。以下请同时参照图6A至图6F。

如图6A所示，步骤S21与第一实施例的步骤S11相同，其形成外延叠层31于外延基板311上。其中，外延叠层31包括第一半导体层312、发光层313以及第二半导体层314。第一半导体层312形成于外延基板311上，接着在第一半导体层312上形成发光层313；而后在发光层313上形成第二半导体层314。

步骤S22将电流扩散层32与外延叠层31连接。在本实施例中，电流扩散层32在第二半导体层314上以例如但不限于堆叠工艺、烧结工艺、阳极氧化铝工艺(AAO)、纳米压印工艺、热压工艺、蚀刻工艺或电子束曝光工艺(E-beam writer)形成微纳米粗化结构层321，且微纳米粗化结构层321具有多个镂空部H31。其中，在微纳米粗化结构层321上及这些镂空部H31中形成有透明导电层322。

如图6B所示，步骤S23为依序形成导热粘贴层36于导热基板35上、形成导热绝缘层37于导热粘贴层36上以及形成反射层38于导热绝缘层37上。

在本实施例中，导热基板35的材料可选自硅、砷化镓、磷化镓、碳化硅、氮化硼、铝、氮化铝、铜及其组合所构成的组。导热粘贴层36结合导热绝缘层37及导热基板35之用，其材料可选自金、锡膏、锡银膏、银膏及其组合所构成的组。

导热绝缘层37可避免外延叠层31透过导热基板35而与外界电性导通，且导热绝缘层37的材料为热传导系数大于或等于150W/mK(瓦特/米·凯氏温度)的绝缘材料，例如是氮化铝或碳化硅等。另外，导热绝缘层37的折射率介于外延叠层31的折射率(约为2.5)以及空气的折射率(约为1)之间。

反射层38可为由具有高低折射率的介电质薄膜所组成的光学反射元件、金属反射层、金属介电反射层或由微纳米球所组成的光学反射元件，换言之，反射层38可由多种材料组合或堆叠而成。而反射层38的材料可选自铂、金、银、钯、镍、铬、钛及其组合所构成的组。

如图6C所示，步骤S24为结合反射层38与电流扩散层32的透明导电层322。再如图6D所示，步骤S25为翻转在步骤S21所形成的发光二极管装置30，并移除外延基板311。

如图6E所示，步骤S26为移除部分的第一半导体层312、部分的发光层313及部分的第二半导体层314，以暴露部分的微纳米粗化结构层321。在本实施例中，部分的第一半导体层312、部分的发光层313及部分的第二半导体层314是以例如但不限于干蚀刻的方式来进行移除。

接着，步骤S27为分别形成与微纳米粗化结构层321电性连接的第一电极33，及形成与第二半导体层314电性连接的第二电极34，以构成另一种正面式元件的具有微纳米结构的发光二极管装置30。在本实施例中，其步骤并不仅限于此顺序，其可依据工艺的需要而进行步骤的调换。

[第三实施例]

请参照图7，依据本发明第三实施例的一种发光二极管装置的制造方法包括步骤S31至步骤S36。以下请同时参照图8A至图8E。

如图8A所示，步骤S31与第一实施例的步骤S11相同，其形成外延叠层41于外延基板111上。其中，外延叠层41包括第一半导体层412、发光层413以及第二半导体层414。第一半导体层412形成于外延基板411上，接着在第一半导体层412上形成发光层413；而后在发光层413上形成第二半导体层414。

步骤S32为将电流扩散层42与外延叠层41连接。在本实施例中，电流扩散层42在第二半导体层414上以例如但不限于堆叠工艺、烧结工艺、阳极氧化铝工艺(AAO)、纳米压印工艺、热压工艺、蚀刻工艺或电子束曝光工艺(E-beam writer)形成微纳米粗化结构层421，且微纳米粗化结构层421具有多个镂空部H41。其中，在微纳米粗化结构层421上及这些镂空部H41中形成有透明导电层422。

如图8B所示，步骤S33为形成反射层43于电流扩散层42的透明导电层422上。如图8C所示，步骤S34为通过导热粘贴层44结合反射层43与导热基板45。

如图8D所示，步骤S35为翻转在步骤S34所形成的发光二极管装置40，并移除外延基板411。再如图8E所示，步骤S35为分别形成第一电极46于第一半导体层412上，以及形成第二电极47于导热基板45相对于导热粘贴层44的表面，以构成一种垂直式元件的具微纳米结构的发光二极管装置40。

在本实施例中，其中各层的材料皆与上述实施例所述的材料相同，故在此不再加以赘述。另外，本实施例的步骤并不仅限于此顺序，其可依据工艺的需要而进行步骤间的调换。

[第四实施例]

请参照图9，依据本发明第四实施例的一种发光二极管装置50的制造方法包括步骤S41至步骤S47。以下请同时参照图10A至图10F。

如图10A所示，步骤S41与第一实施例的步骤S11相同，其形成外延叠层51于外延基板511上。其中，外延叠层51包括第一半导体层512、发光层513以及第二半导体层514。第一半导体层512形成于外延基板511上，接着在第一半导体层512上形成发光层513；而后在发光层513上形成第二半导体层514。

在本实施例中，电流扩散层52在第二半导体层514上以例如但不限于堆叠工艺、烧结工艺、阳极氧化铝工艺(AAO)、纳米压印工艺、热压工艺、蚀刻工艺或电子束曝光工艺(E-beam writer)形成微纳米粗化结构层521，且微纳米粗化结构层521具有多个镂空部H51。其中，在微纳米粗化结构层521上及这些镂空部H51中形成有透明导电层522。

如图10B所示，步骤S43为移除部分的透明导电层522、部分的微纳米粗化结构层521、部分的第二半导体层514及部分的发光层513，以暴露部分的第一半导体层512。

如图10C所示，步骤S44为依序形成反射层53覆盖透明导电层522、形成第一电极对54分别与反射层53及第二半导体层514电性连接。

如图10D所示，步骤S45为将外延基板511的厚度减薄，使其形成透光基板58后，形成发光二极管结构5。

如图10E所示，步骤S46为形成第二电极对55于导热基板56上，翻转在步骤S45所形成的发光二极管结构5，并将第一电极对54与第二电极对55相对设置。

如图10F所示，步骤S47为形成导热粘贴层57于第一电极对54与第二电极对55之间，以构成一种倒装片式元件的具有微纳米结构的发光二极管装置50。

在本实施例中，其中各层的材料皆与上述实施例所述的材料相同，故在此不再加以赘述。另外，本实施例的步骤并不仅限于此顺序，其可依据工艺的需要而进行步骤间的调换。

另外，上述实施例的电流扩散层亦可如图11所示的微纳米凹凸结构，其亦由微纳米粗化结构层521及透明导电层522所构成。

综上所述，本发明所披露的具微纳米结构的电流扩散层、发光二极管装置及其制造方法，其利用具有微纳米结构的电流扩散层与反射层、导热绝缘层或导热粘贴层的配合应用，而在倒装片式、垂直式或正面发光二极管装置上形成具备良好的欧姆接面的电流扩散层，且可使光线通过微纳米粗化结构达成良好散射，并据以达到使电流均匀扩散、减少全反射并增加光取出效率等特性。

以上所述仅为举例性，而非为限制性者。任何未脱离本发明的精神与范畴，而对其进行的等同修改或变更，均应包含于所附的权利要求中。

Claims (22)

1、一种具微纳米结构的电流扩散层，其与半导体结构连接，该电流扩散层包括：

微纳米粗化结构层，具有多个镂空部；以及

透明导电层，覆盖该微纳米粗化结构层的表面及这些镂空部。

2、如权利要求1所述的电流扩散层，其中该微纳米粗化结构层的折射率大于空气的折射率，且该微纳米粗化结构层至少包括纳米球、纳米柱、纳米孔洞、纳米点、纳米线或纳米凹凸结构。

3、如权利要求1所述的电流扩散层，其中该微纳米粗化结构层的材料选自三氧化二铝、氮化硅、二氧化锡、二氧化硅、树脂、聚碳酸酯及其组合所构成的组，且该微纳米粗化结构层以堆叠工艺、烧结工艺、阳极氧化铝工艺、纳米压印工艺、热压工艺、蚀刻工艺或电子束曝光工艺而形成。

4、一种发光二极管装置，包括：

外延叠层，依序具有第一半导体层、发光层及第二半导体层；以及

电流扩散层，与该外延叠层连结，该电流扩散层具有微纳米粗化结构层及透明导电层，该微纳米粗化结构层具有多个镂空部，该透明导电层覆盖于该微纳米粗化结构层的表面及这些镂空部。

5、如权利要求4所述的发光二极管装置，其中该第一半导体层为P型外延层或N型外延层，且该第二半导体层为N型外延层或P型外延层。

6、如权利要求5所述的发光二极管装置，其中部分的该第一半导体层暴露于该第二半导体层及该发光层，且该发光二极管装置还包括：

反射层，与该电流扩散层相对于该第二半导体层的表面连接；以及

第一电极对，分别设置于该反射层及该第一半导体层。

7、如权利要求6所述的发光二极管装置，其还包括：

导热基板；

第二电极对，分别设置于该导热基板上，并与该第一电极对相对而设；以及

导热粘贴层，设置于该第一电极对与该第二电极对之间。

8、如权利要求6所述的发光二极管装置，还包括外延基板，其设置于该第一半导体层相对于该发光层的表面上且用以承载该外延叠层，该外延基板的厚度在该反射层形成后减薄，使其形成透光基板。

9、如权利要求5所述的发光二极管装置，其还包括：

导热基板；

导热粘贴层，设置于该导热基板上；

导热绝缘层，设置于该粘贴层上；以及

反射层，设置于该导热绝缘层上，并与该电流扩散层相对于该第二半导体层的表面连接。

10、如权利要求9所述的发光二极管装置，其中该导热绝缘层的材料为热传导系数大于或等于150W/mK(瓦特/米·凯氏温度)的绝缘材料，如氮化铝或碳化硅。

11、如权利要求9所述的发光二极管装置，其中该外延叠层的折射率＞该导热绝缘层的折射率＞空气的折射率。

12、如权利要求9所述的发光二极管装置，其还包括第一电极及第二电极，其分别设置于第一半导体层及该电流扩散层上，且其中部分的该电流扩散层暴露于该外延叠层。

13、如权利要求5所述的发光二极管装置，还包括外延基板、第一电极及第二电极，且该外延叠层的该第一半导体层、该发光层及该第二半导体层依序形成于该外延基板上，该第一电极与该第二电极分别与部分的该第一半导体层以及部分的该透明导电层电性连接。

14、如权利要求5所述的发光二极管装置，还包括：

导热基板；

导热粘贴层，设置于该导热基板；

反射层，设置于该导热粘贴层，并与该电流扩散层相对于该第一半导体的表面连接；

第一电极，设置于该第一半导体层；以及

第二电极，设置于该导热基板相对于该导热粘贴层的表面。

15、如权利要求7、9或14所述的发光二极管装置，其中该导热基板的材料选自硅、砷化镓、磷化镓、碳化硅、氮化硼、铝、氮化铝、铜及其组合所构成的组，且该导热粘贴层的材料选自金、锡膏、锡银膏、银膏及其组合所构成的组。

16、如权利要求6、9或14所述的发光二极管装置，其中该反射层的材料选自铂、金、银、钯、镍、铬、钛及其组合所构成的组，且该反射层为由具有高低折射率的介电质薄膜所组成的光学反射元件、金属反射层、金属介电反射层或由微纳米球所组成的光学反射元件。

17、如权利要求5所述的发光二极管装置，其中该电流扩散层的该透明导电层的材料包括铟锡氧化物、掺铝氧化锌或铟锌氧化物。

18、一种发光二极管装置的制造方法，包括以下步骤：

形成第一半导体层于外延基板上；

形成发光层于该第一半导体层上；

形成第二半导体层于该发光层上；

形成微纳米粗化结构层于该第二半导体层上，其中该微纳米粗化结构层具有多个镂空部；以及

形成透明导电层于该微纳米粗化结构层上及这些镂空部中。

19、如权利要求18所述的制造方法，在形成该微纳米粗化结构层前还包括一步骤：

移除部分的该发光层及部分的该第二半导体层，以暴露部分的该第一半导体层；

形成导热绝缘层于该透明导电层上；

形成与该第一半导体层电性连接的第一电极；以及

形成与该第二半导体层电性连接的第二电极。

20、如权利要求18所述的制造方法，还包括：

形成导热粘贴层于导热基板上；

形成导热绝缘层于该导热粘贴层上；

形成反射层于该导热绝缘层上；

结合该透明导电层与该反射层；

翻转该发光二极管装置；

移除该外延基板；

移除部分的该第一半导体层、部分的该发光层及部分的该第二半导体层，以暴露部分的该微纳米粗化结构层；

形成与该微纳米粗化结构层电性连接的第一电极；以及

形成与该第二半导体层电性连接的第二电极。

21、如权利要求18所述的制造方法，还包括以下步骤：

形成反射层于该透明导电层上；

通过导热粘贴层结合该反射层与导热基板；

翻转该发光二极管装置；

形成第一电极于该第一半导体层上；以及

形成第二电极于该导热基板相对于该导热粘贴层的表面。

22、如权利要求18所述的制造方法，还包括以下步骤：

移除部分的该透明导电层、部分的该微纳米粗化结构层、部分的该第二半导体层及部分的该发光层，以暴露部分的该第一半导体层；

形成反射层以覆盖该透明导电层；

将该外延基板的厚度减薄，使其形成发光二极管结构；

翻转该发光二极管装置；

形成分别与该反射层及该第二半导体层电性连接的第一电极对；

形成第二电极对于导热基板上；

将该第一电极对与该第二电极对相对设置；以及

形成导热粘贴层于该第一电极对与该第二电极对之间。

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