CN101859844A - 发光二极管结构及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发光二极管结构，至少包括：一基板、一混合层、一第一导电类型半导体层，以及一第二导电类型半导体层。其中，混合层至少具有一粗化层用以扩散射入的光线，而粗化层是一层氮化硅材料或具有AlInGaN量子点的薄膜。本发明的发光二极管结构能有效地增加发光效率。此外，本发明还提供一种发光二极管的制造方法，其是在发光二极管组件的外延过程中生长至少具有一粗化层的混合层，以使得混合层具有使光线散射的功用。

Description

发光二极管结构及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种发光二极管(Light-Emitting Diode，LED)。本发明还涉及一种发光二极管的制造方法。

背景技术

一般，发光二极管所使用的半导体的折射率(折射系数为2.3)大于空气的折射率(折射系数为1)，所以造成发光二极管内的活性层(也称为发光层)所产生的光线大部分都被半导体与空气间的界面全反射回到半导体内部，而全反射的光线则被内部的活性层、电极及基板吸收。因此，现有的发光二极管普遍具有较低的发光效率的缺点。

为了提高发光二极管的发光效率，目前经研究证实，若将半导体的表面予以粗化，可使得光线自发光层出来后经过粗化的界面，产生散射现象，因而改变原来入射光的路径，再经过全反射后，光线出去的机率便会明显增加，此相关技术已在文献IEEE Transcations on Electron Devices，47(7)，1492，2000中揭示，而且该文献指出发光二极管经粗化过后，其外在发光效率可明显增加至40％。

现有技术如美国专利说明书中(专利号：US5040044、US5429954、US5898192)等，是以刻蚀方式在外延表面达到粗化的目的，即利用化学刻蚀法来粗化发光组件的表面，以达成增加发光效率的效果。然而，上述已有技术现阶段只能应用于红光LED的材料，并不能适用于可产生蓝光、绿光的氮化物材料上，其原因是红光LED的材料加工特性简单，而氮化物材料具有很强的耐酸碱特性所致。虽然干法刻蚀可以克服湿法刻蚀的问题，但却容易造成外延层的损伤，导致半导体层的电阻值升高。另外，半导体层为一单晶薄膜，若直接对其粗化，则可能破坏内部的活性层，发光面积便因而减少，同时也可能会破坏外部的透明电极，而造成透明电极的不连续，以致于对电流分散造成影响，种种情形将导致整体的发光效率降低。

由上可知，现有技术的适用范围很窄，而且无法有效利用粗化技术所带来的功效，并可能造成发光二极管的发光效率降低，因而消弱粗化的功效。因此，现有技术的产业利用性并不高，且仍有待突破。

发明内容

本发明要解决的技术问题为提供一种发光二极管结构，其能解决现有技术无法有效利用粗化技术所带来的功效的问题，且进一步广泛适用于各种材料的发光二极管上。

为解决上述技术问题，本发明的发光二极管结构，至少包括：一基板；一混合层，该混合层位于该基板的上方，至少具有一粗化层用以扩散射入的光线；一第一导电类型半导体层，其位于混合层的上方；以及一第二导电类型半导体层，其位于第一导电类型半导体层的上方。另外，本发明还提供一种制造该发光二极管结构的方法。

本发明的发光二极管结构，在基板上生长一具有粗化层的外延层，用一扩散射入的光线。同时由于本发明的发光二极管在制备过程中是在发光二极管组件外延的过程中生长一混合层以达成粗化的目的，相较于现有技术的在外延完成后再进行后续的粗化处理，在增加可操作性的同时能更好的增加发光效率。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是本发明的发光二极管结构的一个具体实施例的剖面图；

图2是本发明的发光二极管结构的另一具体实施例的剖面图。

附图标记说明：

100为基板，      102为缓冲层，      104为氮化镓层，

106为粗化层，    108为第一导电类型半导体层，

110为活性层，    112为第二导电类型半导体层，

114为第一电极，  116为第二电极，    200为基板，

202为缓冲层，    204为氮化镓层，

206为粗化层，    208为第一导电类型半导体层，

210为活性层，    212为第二导电类型半导体层，

214为第一电极，  216为第二电极。

具体实施方式

本发明的发光二级管结构是在发光二极管组件的外延过程中生长一混合层，该混合层至少具有一层可用以扩散射入光线的材料，亦即粗化层，因而使混合层具有使光线散射的功用，而粗化层的生成则可以通过下列两种方式：第一，利用生长温度与气氛的控制而让界面层(如：SiN、AlN等)具有微细孔洞；第二，通过植入量子点的方式而形成一薄膜。

图1是本发明的发光二极管结构的一具体实施例的剖面图。图1中各层是利用金属有机化学气相外延法(MOCVD)的工艺进行淀积的。形成图1的发光二极管结构的制造方法包含以下步骤：

首先，提供一基板100，基板100的材料可以是蓝宝石、碳化硅、硅、砷化镓、偏铝酸锂、镓酸锂以及氮化铝中的任一种；接着，在500-600℃下生长一层厚度为20-50nm的氮化镓材料的缓冲层102；再于1000-1200℃下生长一层厚度为1-2μm且掺杂Si的氮化镓层104，紧接着生长一层厚度为1-100nm的粗化层106，其中粗化层106的材料至少含有选自于氮化硅、氮化铝及氮化钛所组成的组中的一种材料，因此氮化镓层104与粗化层106便形成一混合层；当粗化层形成后，再生长一第一导电类型半导体层108于混合层上，第一导电类型半导体层108是一层厚度为1-2μm且掺杂Si的氮化镓层，所以第一导电类型半导体层108是一n型氮化镓半导体层；随后，降低温度至700-900℃，以生长一活性层110于第一导电类型半导体层108上，活性层110可为下列任一种结构：p-n结、双异质结(DH)、单层量子阱(SQW)以及InGaN/GaN多层量子阱(MQW)；然后再升高温度至1000-1200℃，以生长一第二导电类型半导体层112于活性层110上，第二导电类型半导体层112是一层厚度为0.1-0.2μm且掺杂Mg的氮化镓层，所以第二导电类型半导体层112是一p型氮化镓半导体层，如此便制作完成发光二极管外延片。最后，刻蚀第二导电类型半导体层112及活性层110，以暴露出第一导电类型半导体层108的部分表面；再将Ti/Al金属在第一导电类型半导体层108所暴露的部分表面制成一第一电极114，因此第一电极114为一n型电极；将Ni/Au金属在第二导电类型半导体层112的表面制成一第二电极116，因此第二电极116则为一p型电极。通过实施以上步骤，可得到如图1所示的发光二极管结构。

上述实施例中的粗化层106除了可直接利用金属有机化学气相外延法(MOCVD)进行沉积外，也可通过多层膜蒸镀法(如：E-gun多层膜蒸镀法等)、化学气相沉积法(chemical vapor deposition，CVD)或溅镀法(sputter)等方式生长。

图2是本发明的发光二极管结构的另一具体实施例的剖面图。

图2中各层同样是利用金属有机化学气相外延法(MOCVD)的工艺进行沉积，形成图2所示的发光二极管结构的制造方法包含以下步骤：

首先，提供一基板200，基板200的材料可以是蓝宝石、碳化硅、硅、砷化镓、偏铝酸锂、镓酸锂以及氮化铝中的任一种；接着，于500-600℃下生长一层厚度为1-100nm的氮化镓材料的缓冲层202；再于1000-1200℃下生长一层厚度为1-2μm且掺杂Si的氮化镓层204，紧接着生长一层厚度为1-100nm且具有Al_uGa_(1-u-v)In_vN量子点的粗化层206，其中u、v参数的范围是：0≤u、v＜1且0≤u+v＜1，因此氮化镓层204与粗化层206便形成一混合层；当粗化层206形成后，再生长一第一导电类型半导体层208于混合层上，第一导电类型半导体层208是一层厚度为3μm且掺杂Si的氮化镓层，所以第一导电类型半导体层208是一n型氮化镓半导体层；随后，降低温度至700-900℃，以生长一活性层210于第一导电类型半导体层208上，活性层210可为下列任一种结构：p-n结、双异质结(DH)、单层量子阱(SQW)以及InGaN/GaN多层量子阱(MQW)；然后再升高温度至1000-1200℃，以生长一第二导电类型半导体层212于活性层210上，第二导电类型半导体层212是一层厚度为0.1-0.2μm且掺杂Mg的氮化镓层，所以第二导电类型半导体层212是一p型氮化镓半导体层，如此便制作完成发光二极管外延芯片。最后，刻蚀第二导电类型半导体层212及活性层210，以暴露出第一导电类型半导体层208的部分表面；再将Ti/Al金属在第一导电类型半导体层208所暴露的部分表面制成一第一电极214，因此第一电极214为一n型电极；将Ni/Au金属制作于第二导电类型半导体层212的表面而形成一第二电极216，因此第二电极216为一p型电极。通过实施以上步骤，可得到如第2图所示的发光二极管结构。

由以上的两个实施例可知，通常生长混合层的厚度大于或等于0.01μm，而生长粗化层106、206的厚度大于1nm。另外，由于本发明是在发光二极管组件外延的过程中生长一混合层以达成粗化的目的，相较于现有技术的在外延完成后再进行后续的粗化处理，可了解到本发明有效地简化了粗化的制程，而具有进步性及产业利用性。

以上通过实施例，对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (35)

1.一种发光二极管结构，其特征在于，至少包括：

一基板；

一混合层，其位于所述基板的上方，所述混合层至少具有一粗化层用以扩散射入的光线；

一第一导电类型半导体层，其位于所述混合层的上方；

一第二导电类型半导体层，其位于所述第一导电类型半导体层的上方。

2.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其特征在于，进一步包括：一活性层，其位于所述第一导电类型半导体层及所述第二导电类型半导体层之间。

3.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其特征在于，所述基板的材料选自蓝宝石、碳化硅、硅、砷化镓、偏铝酸锂、镓酸锂和氮化铝中的任一种。

4.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其特征在于，所述粗化层的材料至少含有选自氮化硅、氮化铝和氮化钛中的任一种。

5.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其特征在于，所述粗化层具有Al_uGa_(1-u-v)In_vN量子点，而u、v参数的范围为0≤u、v＜1且0≤u+v＜1。

6.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其特征在于，所述第一导电类型半导体层是一n型氮化镓半导体层。

7.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其特征在于，所述第二导电类型半导体层是一p型氮化镓半导体层。

8.根据权利要求2所述的发光二极管结构，其特征在于，所述活性层为下列任何一种结构：p-n结、双异质结、单层量子阱或多层量子阱。

9.一种发光二极管结构，其特征在于，至少包括：

一基板；

一缓冲层，其形成于所述基板上；

一混合层，其形成于所述缓冲层上，所述混合层至少具有一粗化层用以扩散射入的光线；

一第一导电类型半导体层，其形成于所述混合层上；

一活性层，其形成于所述第一导电类型半导体层上；

一第二导电类型半导体层，其形成于所述活性层上。

10.根据权利要求9所述的发光二极管结构，其特征在于，所述基板的材料选自蓝宝石、碳化硅、硅、砷化镓、偏铝酸锂、镓酸锂和氮化铝中的任一种。

11.根据权利要求9所述的发光二极管结构，其特征在于，所述缓冲层的材料是氮化镓。

12.根据权利要求9所述的发光二极管结构，其特征在于，所述粗化层的材料至少含有选自于氮化硅、氮化铝和氮化钛中的任一种。

13.根据权利要求9所述的发光二极管结构，其特征在于，所述粗化层具有Al_uGa_(1-u-v)In_vN量子点，其中u、v参数的范围为0≤u、v＜1，且0≤u+v＜1。

14.根据权利要求9所述的发光二极管结构，其特征在于，所述第一导电类型半导体层是一n型氮化镓半导体层。

15.根据权利要求9所述的发光二极管结构，其特征在于，所述第二导电类型半导体层是一p型氮化镓半导体层。

16.根据权利要求9所述的发光二极管结构，其特征在于，所述活性层为下列任何一种结构：p-n结、双异质结、单层量子阱或多层量子阱。

17.一种发光二极管的制造方法，其特征在于，包括下列步骤：

(a)提供一基板；

(b)于所述基板上形成一缓冲层；

(c)于所述缓冲层上形成一混合层；

(d)于所述混合层上形成一第一导电类型半导体层；

(e)于所述第一导电类型半导体层上形成一活性层；

(f)于所述活性层上形成一第二导电类型半导体层。

18.根据权利要求17所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，进一步包含下列步骤：

(g)刻蚀所述第二导电类型半导体层及所述活性层，以暴露出第一导电类型半导体层的部分表面；

(h)形成一第一电极于所述第一导电类型半导体层所暴露的部分表面；

(i)形成一第二电极于所述第二导电类型半导体层的表面。

19.根据权利要求18所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，所述第一电极是一n型电极。

20.根据权利要求18所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，所述第二电极是一p型电极。

21.根据权利要求17所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，所述混合层的厚度大于或等于0.01μm。

22.根据权利要求17所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，所述粗化层的厚度大于1nm。

23.根据权利要求17所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，步骤(b)是于500-600℃下生长一层厚度为20-50nm的氮化镓材料的缓冲层。

24.根据权利要求23所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，步骤(c)至少包含：于1000-1200℃下生长一层厚度为1-100nm的粗化层的步骤。

25.根据权利要求24所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，步骤(d)是于1000-1200℃下生长一层厚度为1-2μm且掺杂Si的氮化镓层。

26.根据权利要求25所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，步骤(e)是于700-900℃下生长活性层。

27.根据权利要求26所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，步骤(f)是在1000-1200℃下生长一层厚度为0.1-0.2μm且掺杂Mg的氮化镓层。

28.根据权利要求17的发光二极管的制造方法，其特征在于，步骤(b)是于500-600℃下生长一层厚度为1-100nm的氮化镓材料的缓冲层。

29.根据权利要求28所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，步骤(c)至少包含：于1000-1200℃下生长一层厚度为1-100nm且具有Al_uGa_(1-u-v)In_vN量子点的粗化层的步骤，其中u、v参数的范围为0≤u、v＜1且0≤u+v＜1。

30.根据权利要求29所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，步骤(d)是于1000-1200℃生长一层厚度为1-2μm且掺杂Si的氮化镓层。

31.根据权利要求30所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，步骤(e)是于700-900℃下生长所述的活性层。

32.根据权利要求31所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，步骤(f)是于1000-1200℃生长一层厚度为0.1-0.2μm且掺杂Mg的氮化镓层。

33.根据权利要求24或29所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，粗化层的生长采用下列任一种方式：多层膜蒸镀法、化学气相沉积法或溅镀法。

34.根据权利要求33所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，多层膜蒸镀法是E-gun多层膜蒸镀法。

35.根据权利要求33所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，化学气相沉积法是金属有机化学气相外延法。

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