CN101656286B - 发光二极管与其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种发光二极管元件及其制造方法。该LED具有一基材，一反射结构形成于基材之上，与一LED结构形成于反射结构之上。此反射结构由非金属材料所组成。在一实施例中，反射结构由交替的、具有不同折射率的非金属材料所阻成。在另一实施例中，反射结构由交替的高孔隙度硅层与低孔隙度硅层所组成。在又一实施例中，反射结构由二氧化硅所组成，其可使用较少层的反射层。反射结构可以直接形成于与LED结构相同的基材上，或者是分别形成反射结构与LED结构，之后再将反射结构接合至LED结构。本发明可以很好的解决现有技术中存在的问题，提高LED结构的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体元件，且特别涉及一种结晶态III-V族的发光二极管。
背景技术
一般而言，发光二极管(LED)结构具有一发光层位于下层与上层之间，其中上层与下层具有相对的导电类型而形成p-n结。电子-空穴对在p-n结的耗尽区(depletion region)再结合而放射出电磁波(例如光)。此电磁波可能在可见光范围，也可能在非可见光范围。使用具有不同能阶差(band gap)的材料可产生不同的LED颜色。此外，若LED发射的电磁波在非可见光范围时，可将非可见光引导至磷光体透镜(phosphor lens)或是类似的材料。当非可见光被磷光体吸收时，磷光体就会放射出可见光。
一般发光层的两侧皆会放射出光。然而，实际的应用经常只需要光从单一侧出来，且因为两侧皆会放光，将导致部分的光能损失。为了增加从LED元件的单侧中放射的光量，因此于基材与LED结构之间形成反射层。此反射层包含一金属反射材料，其能将从LED结构向下方基材发射的光反射，使发射光向上反射回LED元件的发光面，从而增加LED的发光效率。
虽然反射金属层能够胜任某些使用长波长光的应用，但对于短波长光的反射能力(reflectivility)却不够，导致使用金属反射层的LED结构的发光效率低于所需，因此，业界亟需一种具有较高发光效率的LED元件。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供一种发光二极管(LED)元件，包括：一基材；一非金属反射层位于该基材的表面上；以及一发光二极管(LED)结构形成于该非金属反射层之上。
本发明另提供一种发光二极管(LED)元件，包括：一基材；一反射结构位于该基材的第一侧，其中该反射结构包括至少一第一材料与一第二材料，其中该第一材料与该第二材料具有不同的折射率且为非金属；以及一发光二极管(LED)结构形成于该反射结构之上。
本发明又提供一种发光二极管(LED)元件的制造方法，包括：提供一第一基材；形成一反射结构于该第一基材之上，其中该反射结构为一非金属结构；以及形成一发光二极管(LED)结构位于该反射结构之上。
本发明可以很好的解决现有技术中存在的问题，提高LED结构的发光效率。
为让本发明的上述和其他目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。
附图说明
图1～图2为一系列剖面图，用以说明本发明一实施例的发光二极管的工艺步骤。
图3～图5为一系列剖面图，用以说明本发明另一实施例的发光二极管的工艺步骤。
图6～图8为一系列剖面图，用以说明本发明又一实施例的发光二极管的工艺步骤。
上述附图中的附图标记说明如下：
100～LED元件
102～基材
104～非金属反射层
110～第一非金属层
112～第二非金属层
202～LED结构
210～下方LED层
212～发光层
214～上方LED层
300～LED元件
302～基材
404～非金属反射层
406～晶种层
410～高孔隙度硅层
412～低孔隙度硅层
502～LED结构
600～LED元件
602～第一基材
604～第二基材
606～LED结构
608～金属层
610～非金属反射器
612～散热孔
具体实施方式
本发明的较佳实施例详述如下。然而，本领域普通技术人员应可知本发明所提供的许多发明概念，其可以最广的变化据以实施，此外，本文所述的特殊实施例仅用于举例说明，并非用以限定本发明所保护的范围。
本发明提供一种LED元件与其制造方法。本发明显示工艺较佳实施例的中间过程，此处须注意的是，此处显示本发明所需的工艺步骤，也可以进行其他工艺。本发明的各种附图与显示的实施例中，类似的元件使用类似的元件符号。
图1与图2显示本发明的一实施例，其显示形成具有非金属反射层的发光二极管(LED)的各种中间工艺步骤。请参见图1，LED元件100具有基材102与形成于其上的非金属反射层104。基材102较佳为块状半导体基材，可掺杂或未掺杂，且较佳具有(111)的表面晶向。此处须注意的是，虽然本发明的实施例使用块状的硅基材，但也可以使用其他基材。例如，绝缘层上覆硅(SOI)基材、蓝宝石基材(sapphire)、碳化硅(SiC)基材或其他类似的基材。此外，虽然基材较佳具有(111)的表面晶向，但也可以使用其他晶向的基材，例如(100)和(110)表面晶向。
非金属反射层104包括多对彼此交替排列且具有不同的折射率(refractive indice)的非金属材料层。举例而言，图1显示第一非金属层110形成于基材102之上，以及第二非金属层112形成于第一金属层110之上，其中第一金属层110与第二金属层112由具有不同折射率(refractive indices)的不同材料所组成。非金属反射层104较佳具有至少三对第一非金属层110与第二非金属层112，但更佳为约5对至20对。
每一层的较佳厚度取决于欲反射光的波长与材料的折射率(refractiveindex)。在一实施例中，各层的厚度遵守下列式子。
n1d1＝n2d2＝λ/4
其中n1为第一非金属层110的折射率；
d1为第一非金属层110的厚度；
n2为第二非金属层112的折射率；
d2为第二非金属层112的厚度；以及
λ为欲反射的光的波长。
在一实施例中，交替的第一非金属层110和第二非金属层112由交替的硅(Si)和碳化硅(SiC)组成。对于波长460nm～480nm的光，硅层的折射率(refractive index)为约4.1，而碳化硅层的折射率(refractive index)约2.7。由交替的高折射率材料与低折射率材料组成的非金属反射层104提供一高度反射结构。硅层与碳化硅层可以利用任何合适的方法制备而得，包括外延工艺，例如分子束外延法(molecular-beam epitaxy，MBE)、化学气相沉积法(chemicalvapor deposition，CVD)、氢化物气相外延法(hydride vapor phase epitaxy，HVPE)、液相外延法(liquid phase epitaxy，LPE)或其他类似的方法。
第一非金属层110与第二非金属层112可视需要地掺杂掺质，以提供导电的非金属反射层。当制备垂直式LED元件时，需要能够导电的非金属反射层，以沿着基材102的底部形成与LED结构底层的电性接触。在一实施例中，其中第一非金属层110和第二非金属层112包括交替的硅和碳化硅。且假设LED结构上方为p型(p-up)，其中硅层可以掺杂n型掺质，例如磷或砷，通过注入或原位掺杂(in situ)进行掺杂，掺杂后的浓度为约1016～1021atoms/cm3，且碳化硅层可以掺杂n型掺杂物，例如磷或砷，通过注入或原位掺杂(in situ)进行掺杂，掺杂后的浓度为约1016～1021atoms/cm3。
在另一实施例中，第一非金属层110与第二非金属层112可以由交替的硅和硅化锗(SixGe1-x)所组成，其中x大于约0.5。在此实施例中，对于波长460nm～480nm的光，硅层的折射率为约4.1，而硅化锗(SixGe1-x)层的折射率为约4.2。在此实施例中，硅层与硅化锗(SixGe1-x)层可由任何适合的方法制备而得，包括外延成长工艺，例如分子束外延法(molecular-beam epitaxy，MBE)、化学气相沉积法(chemical vapor deposition，CVD)、氢化物气相外延法(hydride vapor phase epitaxy，HVPE)、液相外延法(liquid phase epitaxy，LPE)或其他类似的方法。假设LED结构上方为p型，其中硅层可以掺杂n型掺杂物，例如磷或砷，通过注入或原位掺杂(in situ)进行掺杂，掺杂后的浓度为约1016～1021atoms/cm3，且碳化硅层可以掺杂n型掺杂物，例如磷或砷，通过注入或原位掺杂(in situ)进行掺杂，掺杂后的为约1016～1021atoms/cm3。
在另一实施例中，第一非金属层110与第二非金属层112可以由交替的硅-硅化锗(Si(SixGe1-x))和碳化硅(SixC1-x)所组成，其中x大于约0.95。在此实施例中，对于波长460nm～480nm的光，硅层的折射率为约4.1，而碳化硅(SixC1-x)层的折射率约小于硅层的值。在此实施例中，硅-硅化锗(Si(SixGe1-x))层和碳化硅(SixC1-x)层可由任何适合的方法制备而得，包括外延成长工艺，例如分子束外延法(molecular-beam epitaxy，MBE)、化学气相沉积法(chemicalvapor deposition，CVD)、氢化物气相外延法(hydride vapor phase epitaxy，HVPE)、液相外延法(liquid phase epitaxy，LPE)或其他类似的方法。假设LED结构上方为p型，其中硅-硅化锗(Si(SixGe1-x))层可以掺杂n型掺杂物，例如磷或砷，通过注入或原位掺杂(in situ)进行掺杂，掺杂后的浓度为约1016～1021atoms/cm3，且碳化硅(SixC1-x)层可以掺杂n型掺杂物，例如磷或砷，通过注入或原位掺杂(in situ)进行掺杂，掺杂后的浓度为约1016～1021atoms/cm3。
在又另一实施例中，第一非金属层110与第二非金属层112可以由交替的碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)所组成。在此实施例中，对于波长460nm～480nm的光，碳化硅层的折射率为约2.7，而氮化镓层的折射率为约2.4-2.5。在此实施例中，碳化硅层(SiC)可由任何外延成长工艺制备而得，且通过注入或原位掺杂(in situ)进行掺杂，掺杂后的浓度为约1016～1021atoms/cm3。而氮化镓层可由任何外延成长工艺制备而得，且通过注入或原位掺杂(in situ)进行掺杂，掺杂后的浓度为约1016～1021atoms/cm3。
2为LED元件100，其中LED结构202形成于非金属反射层104之上。LED结构202可包括适用于特定应用的LED结构。一般而言，LED结构202包括一形成于基材102表面的下方LED层210。下方LED层210较佳由III-V族化合物掺杂第一导电类型的掺质所组成。举例来说，可使用具有n型导电性的III-氮族化合物，如n-氮化镓(GaN)。由n-氮化镓(GaN)组成的下方LED层210可由任何选择性外延成长工艺制备而得，例如分子束外延法(molecular-beam epitaxy，MBE)、金属有机化学气相沉积法(metal organicchemical vapor deposition，MOCVD)、氢化物气相外延法(hydride vapor phaseepitaxy，HVPE)、液相外延法(liquid phase epitaxy，LPE)或其他类似的方法。也可使用其他III-氮族化合物，例如氮化镓(GaN)、氮化铟(InN)、氮化铝(AlN)、氮化铟镓(InxGa(1-x)N)、氮化铝镓(AlxGa(1-x)N)、氮化铝铟镓(AlxInyGa(1-x-y)N)或类似之化合物。另外，也可使用其他类型的III-V化合物。
发光层(light-emitting layer)212(有时候也称为有源层(active layer))形成于下方LED层210之上。发光层212可包括同质结(homojunction)、异质结(heterojunction)、单量子阱(single-quantum well，SQW)、多重量子阱(multiple-quantum well，MQW)或类似的结构。在一示范实施例中，发光层212包括未掺杂的n型氮化镓铟(GaxInyN(1-x-y))。在另一实施例中，发光层212包括其他常用的材料，例如氮化铝铟镓(AlxInyGa(1-x-y)N)。在另一实施例中，发光层212可为多重量子阱，其包括多重量子阱(例如氮化铟镓(InGaN))和阻挡层(例如氮化镓)以交替的形式配置。其形成方法包括前述的金属有机化学气相沉积法(metal organic chemical vapor deposition，MOCVD)、分子束外延法(molecular-beam epitaxy，MBE)、氢化物气相外延法(hydride vapor phaseepitaxy，HVPE)、液相外延法(liquid phase epitaxy，LPE)或其他合适的CVD方法。
上方LED层214配置于发光层212之上。上方LED层214较佳由III-氮族化合物掺杂第二导电类型(相对于第一导电类型)的掺质所组成，例如p-氮化镓(GaN)，其形成方法类似于下方LED层210。
此处应注意的是，为了举例说明，上述提供的是一般LED结构的概要图。但为了其他特定应用的需求，也可存在其他层，例如缓冲层/成核层(buffer/nucleation layer)、被覆层/接触层(cladding/contact layer)或其他类似的层。再者，此处需注意的是，上述的层状构造虽然被称为单一层，但也可以是由相同或不同材料组成的多层构造。例如，下方LED层和上方LED层可各自包括一层或多层接触层及被覆层，这些层状构造可能由相同或不同材料所组成。LED结构也可能随着使用材料的类型与应用的目的而改变其结构。故可预期许多LED结构种类皆能够应用于本发明的含有非金属反射层的实施例中。
此处须注意的是，上述工艺是假设LED结构上方为p型。在此实施例中，下方LED层210掺杂n型掺质。因此，在此实施例中，非金属反射层104经掺杂后变成n型导电层。本发明其他实施例中，使用LED结构上方为n型，而下方LED层210、非金属反射层104，和/或基材102可掺杂成为p型导电层，而上方LED层104掺杂成为n型导电层。
由此可知，上述实施例的特征在于使用非金属反射层。已知利用非金属反射层能降低被基材吸收的光，进而增加LED元件的发光效率(efficiency)。使用的材料，例如此处所揭示的材料，也改善低波长的反射率，特别是波长小于500nm的光。
图3至图5显示本发明的另一实施例，说明形成具有非金属反射层的LED元件300的各个中间工艺步骤。在此实施例中，基材302，类似于图1所述的基材102，其厚度至少大于最终需要的基材厚度加上非金属反射层的厚度。在某些需要导电基材的实施例中，例如垂直式LED元件，可对基材进行掺杂。
请参见图4，非金属反射层404由交替的高孔隙度(high-porosity)硅层410与低孔隙度(low-porosity)硅层412所组成。高孔隙度硅层与低孔隙度硅层可由例如电化学阳极法(electro-chemical anodization process)形成，其利用氢氟酸(重量百分比约20％)与乙醇(ethylic alcohol)作为电解质，设定于1mA/cm2至200mA/cm2之间的交替阳极电流密度而制得。此工艺可得到30％孔隙度与95％孔隙度相互交替的硅层。
对于波长460nm至480nm的光，30％孔隙度的硅层的折射率为约2.69，而95％孔隙度的硅层的折射率为约1.06。如上所述，高折射率材料与低折射率材料交替的层状构造，导致撞击到层状构造交界面的光被反射。
图4显示本发明实施例的另一可供选择的步骤，其为形成晶种层406于非金属反射层404之上。晶种层406可提供一较佳的表面，以利于后续利用外延工艺于其表面上形成LED结构。晶种层406较佳的形成方式为外延成长硅，也可使用其他化合物，例如硅化锗(SiGe)、碳化硅(SiC)或其他类似的化合物。
在一实施例中，硅的晶种层406利用化学气相沉积法(CVD)制得，其于温度600℃～1100℃，压力为1torr～760torr的氢气环境下进行。如果形成晶种层406时，晶种层406较佳的厚度小于约反射光波长的1/4乘以晶种层406的折射率(refractive index)。因为硅会吸收一些光，因此硅的晶种层较佳保持后续形成LED结构的外延成长工艺所需的最小厚度。也可使用其他的工艺，例如远距等离子体辅助化学气相沉积(remote plasma-enhanced chemical vapordeposition，RPCVD)、分子束外延法(molecular-beam epitaxy，MBE)、金属有机物气相外延法(metal organic phase epitaxy，MOPE)、氢化物气相外延法(hydride vapor phase epitaxy，HVPE)、液相外延法(liquid phase epitaxy，LPE)或其他类似的方法。
之后，如图5所示，形成LED结构502。LED结构502类似于LED结构202，其中类似的元件使用类似之标号。
图6与图7显示本发明另一实施例，为形成具有非金属反射层的LED元件600的各个中间工艺步骤。如上所述，非金属反射层，例如非金属反射层104和404，其包括多对的反射层，且最佳大于10对。当交替材料之间具有较大的折射率差异时，对的数目也可以减少，例如硅/二氧化硅(SiO2)、二氧化硅/二氧化铪(SiO2/HfO2)或二氧化硅/二氧化钛(SiO2/TiO2)。对于波长为460nm至480nm的光，硅的折射率为约4，而二氧化硅、二氧化铪(HfO2)、二氧化钛(TiO2)的折射率各自为约1.46、1.94和3.0。折射率的差异越大时，能降低对的数目，较佳可降低至4对。然而，于非外延层之上外延成长LED结构是有困难的，因此较佳的方法是将含有非外延层的非金属反射层与LED结构分别形成，此形成方法在下文中将会有更详细的探讨。
首先请参见图6，图中所示为第一基材602之上形成LED结构606。LED结构606也可以为任何适合的LED结构，例如LED结构202，其中类似的元件使用类似的符号。图6也显示选择性(optional)形成的金属层608。选择性形成的金属层608较佳具有与LED结构606上层相同的导电类型。例如，在一实施例中，上方LED层214为p型时，则选择性的金属层608较佳由p型金属组成，例如镍/金(Ni/Au)、氧化铟锡(ITO)或类似的金属。在另一实施例中，上方LED层214为n型时，而选择性的金属层608较佳由n型金属组成，例如钛/金(Ti/Au)、钛/铝(Ti/Al)或类似的金属。
一非金属反射器(non-metallic reflector)610形成于第二基材604上，其较佳使用具有较大折射率(refractive index)差异的材料，例如硅和二氧化硅。非金属反射器610可由任何适合的反射结构所组成，例如分散式布拉格反射器(distributed Bragg reflector，DBR)、全方位反射器(omni-directional reflector，ODR)或类似的结构。适合的非金属反射器包括如图1至图5所述的结构，且包括交替的硅层和二氧化硅层。
第二基材604较佳为导热基材，例如硅基材、金属基材、陶瓷基材或类似的基材。在某些实施例中，应注意的是，需要设置散热孔(thermal vias)612穿过非金属反射器610。在某些实施例中，特别是使用较低导热性质的二氧化硅层时，散热孔612提供一散热机制，当基材于后续步骤被接合之后，可使热从LED结构606中散出。散热孔612可利用本领域普通技术人员所熟知的光刻工艺(photolithography techniques)制得。
图7显示本发明的一实施例，其显示将第二基材604接合至LED结构606上。第二基材604可通过导热材料，例如金(Au)、镍(Ni)、铜(Cu)或类似的材料接合至LED结构606。
之后，如图8所示，LED结构606附着至第二基材604之后，即可将第一基材602(请参见图7)与之分离。第一基材602较佳具有一由不同材料组成的单层，例如埋藏氧化层(buried oxide，BOX)或多孔隙度层(porous)。可以使用机械分离工艺(mechanical detach process)，例如水刀工艺(water jet process)或化学蚀刻工艺，将基材602从LED结构606中除去或分离。此不同材料组成的单层将有助于以机械和/或化学工艺分离第一基材602。
接着，进行后续工艺以完成LED元件。举例而言，分别形成电性接触(前侧和/或后侧接触)至第一接触与第二接触层、也可形成保护层，并进行LED元件切割(dice)与封装(package)。
虽然本发明已以数个较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作任意的更动与润饰，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 (15)
1.一种发光二极管元件，包括：
一基材；
一非金属反射层位于该基材的表面上，其中所述非金属反射层为导电的非金属反射层；以及
一发光二极管结构形成于该非金属反射层之上。
2.如权利要求1所述的发光二极管元件，其中该非金属反射层包括交替的一第一材料与一第二材料，其中该第一材料与该第二材料各自为一非金属材料。
3.如权利要求1所述的发光二极管元件，其中该非金属反射层包括交替的硅与硅化锗、硅与碳化硅、硅化锗与碳化硅或碳化硅与氮化镓。
4.如权利要求1所述的发光二极管元件，其中该非金属反射层包括二氧化硅。
5.如权利要求1所述的发光二极管元件，其中该非金属反射层包括交替的高孔隙度硅层与低孔隙度硅层。
6.如权利要求1所述的发光二极管元件，其中该非金属反射层包括全方位反射器。
7.如权利要求1所述的发光二极管元件，其中该发光二极管结构为垂直式LED。
8.如权利要求1所述的发光二极管元件，还包括散热孔延伸穿过该反射结构。
9.一种发光二极管元件的制造方法，包括：
提供一第一基材；
形成一反射结构于该第一基材之上，其中该反射结构为一非金属结构且为导电的非金属反射层；以及
形成一发光二极管结构位于该反射结构之上。
10.如权利要求9所述的发光二极管元件的制造方法，其中形成该发光二极管结构包括：
形成该发光二极管于一第二基材之上；
接合该发光二极管结构至该反射结构；以及
移除该第二基材。
11.如权利要求10所述的发光二极管元件的制造方法，其中该反射结构包括二氧化硅。
12.如权利要求9所述的发光二极管元件的制造方法，其中形成该反射结构包括形成交替的一第一非金属层与一第二非金属层。
13.如权利要求9所述的发光二极管元件的制造方法，其中形成该反射结构包括形成交替的高孔隙度硅层与低孔隙度硅层。
14.如权利要求9所述的发光二极管元件的制造方法，其中该反射结构包括一全方位反射器。
15.如权利要求9所述的发光二极管元件的制造方法，其中该反射结构包括交替的硅与硅化锗、硅与碳化硅、硅化锗与碳化硅或碳化硅与氮化镓。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
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