CN101655191A - 发光装置及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种发光装置及其制造方法，该发光装置包括形成于一基底上的多个发光二极管(light－emitting diode，LED)。每一LED的侧壁上具有间隙壁，且LED之间的基底上具有一反射面。反射面低于各个LED的有源层。本发明的优点在于加强具有反射器的装置的光输出。本发明也允许使用光吸收材料作为LED的基底。

Description

发光装置及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种发光二极管(light-emitting diode，LED)系统及其制造方法，尤其涉及一种具有反射层的发光二极管系统及其制造方法。
背景技术
一般而言，发光二极管(LED)使用位于一基底上且具有一第一接触层、一有源层(active layer)、以及一第二接触层的二极管所形成的。当对这些膜层施加顺向偏压时，可产生不同波长的光线沿多重方向向外发射。然而有一些方向是不适合的，例如沿特定方向的光线，或是影响光吸收材料(例如硅基底)的光线，其降低LED整体光度(luminosity)。
上述光度及定向性(directionality)的问题已通过在LED的有源层下方放置分布式布拉格反射器(distributed Bragg reflector，DBR)来反射离开基底的光线的方法进行处理。然而，以垂直DBR表面为基准，DBR在高入射角时，为低效率的反射器。另外，某些光线离开LED而朝基底发射时，光线被吸收并阻止其反射，因而DBR不起作用。
另一解决方法在于使用一光穿透式基底，例如蓝宝石，且在基底上相对于LED的一侧形成一反射层。然而，使用光穿透式基底的作法，例如蓝宝石，将局限LED基底的可用材料，而无法使用优选的基材，例如硅。导致制造过程更为繁复且昂贵。
因此，有必要寻求一种新的结构，其能使基底具有更多材料选择且光线不会被吸收。
发明内容
为克服上述缺陷，根据本发明一优选实施例，发光装置包括：一基底，位于基底上且具有一第一有源层的一第一发光二极管、以及位于基底上且具有一第二有源层的一第二发光二极管。一反射层位于第一发光二极管与第二发光二极管之间的基底上。第一反射层包括一上表面，其比第一有源层接近基底。
根据本发明又一优选实施例，发光装置包括：一基底以及位于部分的基底上的一反射层。反射层具有一第一厚度。多个发光二极管延伸穿过反射层至基底，每一发光二极管包括一有源层，有源层与基底相距一第一距离，且第一距离大于第一厚度。
根据本发明又一优选实施例，发光装置的制造方法包括：提供一基底以及在基底上形成多个发光二极管，每一发光二极管包括一有源层。在基底上形成一反射层，其中反射层位于发光二极管中相邻的发光二极管之间，且位于有源层下方。
本发明实施例的优点在于加强具有反射器的装置的光输出。本发明实施例也允许使用光吸收材料作为LED的基底。
附图说明
图1示出根据本发明实施例在一基底上形成一第一接触层、一有源层、以及一第二接触层的剖面示意图。
图2示出根据本发明实施例图案化第一接触层、有源层、以及第二接触层以形成各个LED的剖面示意图。
图3示出根据本发明实施例在LED的侧壁上形成间隙壁的剖面示意图。
图4示出根据本发明实施例在LED之间的基底上形成反射薄膜的剖面示意图。
图5A至图5E示出根据本发明实施例各个LED外型的平面示意图。
图6示出根据本发明实施例在LED上形成上电极的剖面示意图。
并且，上述附图中的附图标记说明如下：
101～基底；103～第一接触层；105～有源层；107～第二接触层；201～发光二极管(LED)；301～间隙壁；401～反射层；601～填充材料；603～上电极；ω～宽度
具体实施方式
以下说明本发明优选实施例制作与使用。然而，必须了解的是本发明提供许多适当的实施例的发明概念，可实施于不同的特定背景。述及的特定实施例仅用于说明以特定的方法来制作及使用本发明，而并非用以局限本发明的范围。
以下配合特定背景的优选实施例说明本发明，也即，用于多重LED的反射层。然而，本发明也可应用于其他反射层。
请参照图1，其示出一基底101、一第一接触层103、一有源层105、以及一第二接触107。基底101优选为蓝宝石或半导体基底。需注意的是本发明实施例虽以硅块材(bulk)基底作为说明，然而也可使用其他基底。举例而言，可使用绝缘层上覆硅(silicon on insulator，SOI)基底、SiC基底、MgAl2O4基底、及其他同等基底。然而，本发明特别适合使用硅基底的原因在于除了可降低其上方LED结构中的应力之外，成本也低。再者，虽然基底优选为具有(111)表面取向(surface orientation)，还是可使用具有不同表面取向的基底，例如(100)表面取向及(110)表面取向。硅基底也可改善光汲取效率(extraction efficiency)且可使用选择性III-N族外延成长工艺。
第一接触层103优选为形成于基底101上。第一接触层103优选为构成用于发光的二极管的一部分，且包括III-V族化合物。如其名称，III-V族化合物包括III族元素及一V族元素，且化合物包含，例如，GaN、InN、AlN、AlxGa(1-x)N、AlxIn(1-x)N、AlxInyGa(1-x-y)N、其组合或同等的化合物。在一实施例中，形成的是p向上(p-up)型LED，第一接触层103优选为掺杂具有n型导电型的掺杂物(例如，n-GaN)。然而，也可使用p型掺杂物，取决于第一接触层103所需的导电型，以形成n向上(n-up)型LED。
第一接触层103优选为借由外延成长工艺所形成的，例如分子束外延(molecular beam epitaxy，MBE)，另外也可使用其他工艺诸如氢化物气相外延(hydride vapor phase epitaxy，HVPE)、液相外延(liquid phase epitaxy，LPE)、或其他等同工艺。第一接触层103厚度在1微米(μm)至6微米的范围，而优选厚度约为2微米。第一接触层103最好是在制作期间进行原位(in situ)掺杂，其浓度在1×1016cm-3至1×1019cm-3的范围，而优选的掺杂浓度约为1×1018cm-3，另外也可使用其他工艺，诸如离子注入(ion implantation)或是扩散法。
有源层105优选为形成于第一接触层103上。有源层105用于控制发出的光线至所需波长。另外，借由调整及控制有源层105中元素的组成比例，可调整有源层105中材料的能隙(bandgap)，进而调整LED所发出的光线的波长。
有源层105优选为包括多重量子阱(multiple quantum well，MQW)。有源层105中MQW结构包括InGaN、GaN、AlxInyGa(1-x-y)N(其中0＜＝x＜＝1)膜层或其他等同膜层。有源层105可包括任何数量的量子阱，诸如5至20个量子阱，每一个优选为具有约30埃
Figure G2009101391054D00041
至100埃的厚度。量子阱优选为利用第一接触层103作为成核(nucleation)层并使用金属有机化学气相沉积(metal organic chemical vapor deposition，MOCVD)来进行外延成长，另外也可使用其他工艺，诸如MBE、HVPE、LPE或其他等同工艺。
第二接触层107优选为形成于有源层105上。第二接触层107优选为构成用于发光且具有第一接触层103的二极管的第二部分。第二接触层107优选为包括III-V族化合物，诸如GaN、InN、AlN、AlxGa(1-x)N、AlxIn(1-x)N、AlxInyGa(1-x-y)N、其组合或同等的化合物，且掺杂相反于第一接触层103中第一导电型的第二导电型掺杂物(例如，p-GaN)
第二接触层107优选为借由外延成长工艺所形成的，例如MOCVD，另外也可使用其他工艺，诸如HVPE、LPE、MBE或其他等同工艺。第二接触层107厚度在0.1微米至2微米的范围，而优选厚度约为0.3微米，且最好是在制作期间进行原位掺杂，其浓度在1×1017cm-3至1×1021cm-3的范围，而优选的掺杂浓度约为1×1019cm-3，另外也可使用其他工艺，诸如离子注入或是扩散法。
图2示出图案化第一接触层103、有源层105、以及第二接触层107以形成多个发光二极管(LED)201。这些LED 201优选为微米级(micro-sized)及纳米级(nano-sized)LED 201，且其宽度ω与所发出光线的波长成比例关系。举例而言，尽管LED 201的宽度ω在10纳米(nm)至10微米的范围，且宽度ω优选为250纳米，但LED 201的宽度ω最好是LED 201所发出光线的波长的0.3至3倍。例如，宽度ω为250纳米而波长为480纳米。在本实施例中，纳米级LED 201与光线波长成比例关系，而向下的光线实质上不会局限于纳米级LED 201内，因而有更多的光线自LED 201发出。
可借由在第二接触层107上形成硬式掩模(hard mask)203进行第一接触层103、有源层105、以及第二接触层107图案化，硬式掩模203的材质可为氮化硅、氧化硅、或金属，例如镍，或是其组合等等。可借由在第二接触层107上毯覆式(blanket)沉积一硬式掩模层(示出)来制作硬式掩模203。接着使用适当的光刻工艺以图案化硬式掩模层而形成硬式掩模203，并露出需要去除的第二接触层107部分，以制作LED 201，如图2所示。然而，也可使用其他工艺，诸如光刻掩模或是纳米压印(nanoimprint)，用以保护及图案化第一接触层103、有源层105、以及第二接触层107。
在形成及图案化硬式掩模203后，进行蚀刻工艺以形成LED 201柱型物。自硬式掩模203露出的第二接触层107、有源层105、及第一接触层103可利用蚀刻工艺除去，例如干蚀刻。去除第一接触层103、有源层105、以及第二接触层107所进行的蚀刻工艺优选为单一蚀刻步骤，另外也可使用多重蚀刻步骤以形成LED 201。
图3示出形成间隙壁301及去除硬式掩模203。间隙壁301用于防止第一接触层103与第二接触层107发生短路且通常借由在先前的结构上毯覆式沉积一间隙壁层(未示出)来制作。间隙壁层的材料优选为SiN、SiC、SiON、或氧化物等等。可借由一般使用的方法来制作间隙壁层，诸如化学气相沉积(CVD)、等离子体辅助化学气相沉积(plasma enhanced CVD)、溅镀(sputter)、或其他习用方法，接着优选为利用非等向性(anisotropically)蚀刻去除LED 201平面与基底101平面上的间隙壁层，以进行图案化并形成间隙壁301。
在形成间隙壁301之后，自第二接触层107的上表面去除硬式掩模203。硬式掩模203最好使用湿蚀刻除去，其对于硬式掩模材料(例如，氮化硅或镍)具有选择性而实质上不会去除LED 201与基底101的材料。另外，也可使用研磨工艺，例如化学机械研磨(chemical mechanical polishing，CMP)，或是结合蚀刻与研磨，以去除硬式掩模203。
图4示出在各个LED 201之间的基底101上形成低于有源层105层位的反射层401。反射层401优选为包括高反射金属，诸如铝、银、或等同的金属，另外也可使用任何适当的反射材料。可借由一工艺，例如物理气相沉积(physical vapor deposition，PVD)来形成一高反射金属毯覆层，用以制作反射层401，另外也可使用其他工艺，诸如CVD或溅镀。接着利用适当的光刻工艺去除不需要的毯覆层部分，以形成反射层401。反射层401的厚度优选为至少10纳米，但最好低于LED 201的有源层105，因此优选的厚度不大于基底101与有源层105底部之间的距离。
借由在各个LED 201之间的基底101上形成低于有源层105的反射层401，任何自各个LED 201离开且朝向基底101的光线可在抵达基底101之前被反射。若基底101为光吸收基底，例如硅基底，由于光线被反射而不是被吸收，反射层401将会增加LED 201整体光度。另外，反射层401可用于将光线导向某一方向(例如，离开基底101)，并且导离不适当的方向。
图5A至图5E示出多重LED 201的平面示意图，其具有间隙壁301及反射层401。尽管LED 201外型可为任意形状，图5A示出LED 201外型为圆型的实施例。在本实施例中，圆型LED 201的直径约在10纳米至5000纳米之间，而优选为250纳米。各个LED 201优选为排列成格状图案，间距在10纳米至10微米之间，而优选的间距为250纳米，另外也可采用其他布局，例如交错(staggered)排列布局。
图5B示出LED 201外型为矩型的另一实施例。在本实施例中，各个LED 201同样优选为排列成格状图案，且反射层401位于各个LED 201之间。矩型LED 201的长度同样约在10纳米至5000纳米之间，而优选为10微米。宽度约在10纳米至5000纳米之间，而优选为250纳米。LED 201之间的间隔约在10纳米至5000纳米之间，而优选的间隔为250纳米。
图5C示出LED 201外型为椭圆型的另一实施例。在本实施例中，椭圆型的LED 201优选为排列成格状图案，但不一定要排列成格状图案，而各个LED 201之间的间隔约在10纳米至10微米之间，而优选的间隔为250纳米。
图5D示出LED 201外型为三角型的另一实施例。在本实施例中，三角型的LED 201优选为依行列排列，另外也可采用交错排列。在本实施例中，各个LED 201之间的间距约在10纳米至10微米之间，而优选的间距为250纳米。三角型的LED 201的边长约在10纳米至5000纳米之间，而优选为250纳米。
图5E示出LED 201外型为六边型的另一实施例。在本实施例中，六边型的LED 201优选为依行列排列，另外也可采用交错排列而没有彼此对准。在本实施例中，各个LED 201之间的间距约在10纳米至10微米之间，而优选的间距为250纳米。
图6示出在反射层401上且位于各个LED 201之间的区域填入一填充材料601，以及形成上电极603。填充材料601的材料优选为对于LED所发的光(例如，可见光)而言是透明的，例如二氧化硅，且优选由CVD技术并使用四乙基硅酸盐(tetra-ethyl-ortho-silicate，TEOS)以及氧作为前驱物(precursor)所形成。然而，也可使用其他材料，诸如氮化硅、氮氧化硅、或其他等同材料，且可使用其他工艺，例如等离子体辅助化学气相沉积。
形成的填充材料601用以填满各个LED 201之间且位于反射层401上方的区域。接着借由研磨工艺，例如化学机械研磨(CMP)，去除过多填充材料601，以露出第二接触层107。然而，也可使用其他移除工艺来去除过多填充材料601，诸如蚀刻或是结合蚀刻与研磨。
在去除过多填充材料601以及大体露出第二接触层107之后，形成上电极603，用以与一个或多个LED 201的第二接触层107电性接触。上电极603优选由透明且导电的材料所构成，诸如镍薄膜、金薄膜、透明导电氧化物；或其组合或等同的材料，且可借由一工艺来制作，诸如PVD、溅镀、CVD或是其他等同工艺。上电极603的厚度优选在10埃至1000埃之间，而优选的厚度为100埃。
之后，可进行后续工艺以完成LED 201的制作。举例而言，可经由导电基底101或是当基底为非导电时经由形成的另一接触点，在每一LED 201的第一接触层103形成电性接触点。最后，可对LED装置进行切割及封装。
需注意的是上述说明在于陈述各个LED之间具有反射表面的LED制造方法。其他膜层，诸如分布式布拉格反射器或是缓冲层可成为各个LED 201的一部分。缓冲层也可位于第一接触层103与基底101之间，取决于基底101的类型及分别与第一接触层103及第二接触层107的连接。举例而言，在某些类型的基底中，诸如SiC及Si基底，缓冲层，例如AlN或AlGaN，可帮助SiC基底上方III-N族化合物的外延成长。分布式布拉格反射器通常包括具有不同折射率的多重膜层，可使LED所发出的光线产生反射，因而增加LED 201顶部所发出的光线。分布式布拉格反射器也可搭配使用反射缓冲层，或以反射缓冲层代替分布式布拉格反射器。
LED 201的结构可根据使用的材料类型及应用而有所改变。可以预期的是有许多类型的LED结构可使用本发明实施例，即，在各个LED 201之间提供反射表面。
虽然本发明已以优选实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的之精神和范围内，当可作更动与润饰。举例而言，缓冲层或是分布式布拉格反射器可与LED结合使用。在另一范例中，任何本领域普通技术人员可以理解在本发明的范围内可使用不同的材料及工艺。
再者，本发明的保护范围并未局限于说明书内所述特定实施例中的工艺、机器、制造、物质组成、装置、方法及步骤，任何本领域普通技术人员可从本发明揭示内容中理解现行或未来所发展出的工艺、机器、制造、物质组成、装置、方法及步骤，只要可以在此处所述实施例中实施大体相同功能或获得大体相同结果皆可使用于本发明中。因此，本发明的保护范围包括上述工艺、机器、制造、物质组成、装置、方法及步骤。
虽然本发明已以优选实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求所界定的范围为准。

Claims (13)

1.一种发光装置，包括：
一基底；
一第一发光二极管，位于该基底上，其中该第一发光二极管包括一第一有源层；
一第二发光二极管，位于该基底上，其中该第二发光二极管包括一第二有源层；以及
一反射层，位于该第一发光二极管与该第二发光二极管之间的该基底上，其中该第一反射层包括一上表面比该第一有源层接近该基底。
2.如权利要求1所述的发光装置，其中该第一发光二极管用于发出具有一第一波长的光线，且该第一发光二极管的宽度与该第一波长成比例关系。
3.如权利要求1所述的发光装置，还包括一光穿透材料，位于该第一发光二极管与该第二发光二极管之间的该反射层上。
4.一种发光装置，包括：
一基底；
一反射层，位于部分的该基底上，该反射层具有一第一厚度；以及
多个发光二极管，延伸穿过该反射层至该基底，每一发光二极管包括一有源层，该有源层与该基底相距一第一距离，且该第一距离大于该第一厚度。
5.如权利要求4所述的发光装置，其中所述多个发光二极管中至少一个的宽度与该发光装置所发出的光线的一波长成比例关系。
6.如权利要求4所述的发光装置，其中该基底为一光吸收基底。
7.如权利要求4所述的发光装置，还包括一光穿透材料，位于所述多个发光二极管中相邻的发光二极管之间的该反射层上。
8.一种发光装置的制造方法，包括：
提供一基底；
在该基底上形成多个发光二极管，每一发光二极管包括一有源层；以及
在该基底上形成一反射层；
其中该反射层位于所述多个发光二极管中相邻的发光二极管之间，且位于所述多个有源层下方。
9.如权利要求8所述的发光装置的制造方法，其中所述多个发光二极管中至少一个用于发出具有一第一波长的光线，且该发光二极管的宽度与该第一波长成比例关系。
10.如权利要求8所述的发光装置的制造方法，其中形成该反射层包括在所述多个发光二极管的侧壁上分别形成间隙壁。
11.如权利要求10所述的发光装置的制造方法，还包括在所述多个间隙壁之间及该反射层上的一区域填入一光穿透材料。
12.如权利要求11所述的发光装置的制造方法，还包括对该光穿透材料进行平坦化，且该平坦化步骤大体露出所述多个发光二极管的上表面。
13.如权利要求8所述的发光装置的制造方法，其中形成多个发光二极管，包括：
形成一第一接触层；
在该第一接触层上形成一有源层；
在该有源层上形成一第二接触层；
在该第二接触层上形成一硬式掩模，该硬式掩模露出部分的该第二接触层；以及
蚀刻该第二接触层露出的部分及下方的该有源层与该第一接触层，以形成所述多个发光二极管。
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