CN102157652A - 增益发光二极管出光效率的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种增益发光二极管出光效率的方法。本方法步骤包括提供发光二极管,依序包含基板、第一传导型的第一层、活性层、以及相对于第一传导型的第二传导型的第二层;在发光二极管的第一层、活性层、以及第二层中至少选定一层,于其上生长多个凸部,以形成图型化氧化层来保护发光二极管免于蚀刻;控制凸部的高度以达到发光二极管预定蚀刻深度;干蚀刻穿透未受图型化氧化层保护的部分发光二极管,以在发光二极管上形成多个凹陷;以及将氧化层自选定层移除。经图型化的发光二极管可发射出更多光束,因而提升出光效率。

Description

增益发光二极管出光效率的方法
技术领域
本发明涉及增益发光二极管出光效率的方法,尤其涉及一种借由粗化发光二极管表面来增益发光二极管出光效率的方法。
背景技术
发光二极管的发光效率受内部量子效率和出光效率所主导。内部量子效率和产生自活性层的光有关。出光效率是将活性层的光发射到周围介质(medium)的能力。随着磊晶技术的发展,内部量子效率可达80%。然而,出光效率仍低。举例来说,GaN系列材料的折射率约2.5。其周围的空气折射率为1。由于全反射的影响,接口的出光效率仅10~12%。
为了增益出光效率,在透明传导层的表面形成不规则蚀刻的空腔。如此一来,来自活性层的大部分光束可自发光二极管射出而免受反射影响。粗化p型层亦可达到相同的效果。
一般来说,产生红或黄光束的GaN或AlGaInP串联发光二极管的上部磊晶结构的厚度大于5μm。因此,可施以电浆蚀刻或化学蚀刻来产生空腔或二维图型。然而,产生蓝、绿或UV光束的发光二极管的上部磊晶结构相当薄(约0.2μm)。如需改善外部量子效率来增益出光效率,空腔的深度应至少有0.2μm。因此,传统的表面粗化方法并不适用。
此外,传统蚀刻粗化方法常利用光阻来做为光罩。因为蚀刻选择比不高,以致于无法有效蚀刻出所要的深度,尤其蚀刻更深的深度更是困难。因此,要有效图型化或粗化发光二极管有其难度。此外,当诸如镍等金属材料作为热光罩时,在设置热光罩前预先将光阻涂布于发光二极管上,如此将使制作过程更为繁琐,亦增加生产成本。
传统的表面粗化方法所产生的图型化效果,其凸部的间距大于2~3μm,由于图型化程度低,故改善出光效率效果有限。而且,传统蚀刻方法仅能粗化发光二极管的上表面,无法粗化侧边的部份。
美国第6,551,936号专利公开一种方法以解决上述现有技艺的问题。敬请参照图1,其表示在半导体材料蚀刻图型取决于形成在半导体材料上的InP光栅光罩。InP光栅光罩的形成与半导体材料的多层结构以及InP层间的蚀刻中止(etch-stop)层有关。对应于半导体材料蚀刻图型的光阻光栅光罩形成于上InP层之上。随后使用非选择性蚀刻来穿透上InP层、蚀刻中止层、以及下InP层。接着使用适当的剥离溶剂来移除光阻,然后利用选择性蚀刻来清除剩余露出的InP材料,移除受污染的材料,根据要蚀刻的图型来露出下面的半导体材料。因此,除InP光罩之外不需要额外的光罩。露出的半导体材料经蚀刻后,以致图型转移至半导体材料。
前述发明虽解决了大部分的现有问题,但图型的形成仍受到限制,无法有效控制并蚀刻预定的图型来增益出光效率。
发明内容
有鉴于现有技术受限于上述问题,本发明的目的在于提供一种利用图型化发光二极管来增益出光效率的方法。蚀刻制作过程改用氧化层,屏除已有技术常使用的光阻。由于氧化层的厚度较好控制,较易蚀刻出发光二二极达预期的深度,因而可制作任何形状的凸部。因此本发明比传统制作过程更为节省生产成本与时间。
为了达到上述目的,本发明采用如下技术方案:
本发明提供一种增益发光二极管出光效率的方法,包括以下步骤:
a)提供发光二极管,依序包含基板、第一传导型的第一层、活性层、以及相对于第一传导型的第二传导型的第二层;b)在发光二极管的第一层、活性层、以及第二层中至少选定一层,于其上生长多个凸部,以形成图型化氧化层来保护发光二极管免于蚀刻;c)控制凸部的高度以达到发光二极管预定蚀刻深度;d)干蚀刻穿透未受图型化氧化层保护的部分发光二极管,以在发光二极管上形成多个凹陷;以及e)将氧化层自选定层移除。
根据本发明构想,所述第一传导型为p型,所述第二传导型为n型。
根据本发明构想,所述活性层具有量子井结构、同质接面结构、或异质接面结构。
根据本发明构想,所述图型化氧化层由水热处理、电镀、热蒸镀法、化学气相沉积法(CVD)、或分子束磊晶法(MBE)所形成。
根据本发明构想,所述图型化氧化层由ITO、AZO、SiO2、ZnO、MgO、MoO、Al2O3、TiO2、NiO、CaO、BaO、MnO、CuO、SnO2、或其混合所制成。
根据本发明构想,所述凸部的形状为六角锥状、截头的六角锥状、或六角圆柱状。
根据本发明构想,所述图型化氧化层至少部份形成于发光二极管的上表面或侧面。
根据本发明构想,所述干蚀刻步骤借由电浆蚀刻、电感式耦合电浆(ICP)蚀刻、离子光束蚀刻法、或反应性离子蚀刻来施行。
根据本发明构想,所述凸部的直径介于1nm(纳米)与10μm(微米)之间。
根据本发明构想,所述预定蚀刻深度借由控制干蚀刻步骤的反应时间来达成。
根据本发明构想,本发明进一步包括干蚀刻部分氧化层的步骤d1)。
根据本发明构想,所述发光二极管的剖面形状为楔形、矩形或阶梯形。
根据本发明构想,两个相邻的所述凸部距离小于1微米。
根据本发明构想,所述移除步骤借由氢氯酸、硝酸或过氧化氢来施行。
附图说明
图1为现有的发光二极管;
图2为本发明实施例1图型化发光二极管的流程图;
图3A至图3D为本发明实施例1图型化发光二极管的制程;
图4A至图4D为发光二极管上不同形状凸部的扫描电子显微镜(SEM)影像;
图5为本发明实施例1的蚀刻发光二极管的俯视图;
图6A至图6D为本发明实施例2图型化发光二极管的制程;
图7A至图7D为本发明实施例3图型化发光二极管的制程;
图8为本发明实施例4的图型化发光二极管;
图9A至图9D为本发明实施例5图型化发光二极管的制程;
图10为本发明实施例6的图型化发光二极管;
图11为本发明实施例7的图型化发光二极管;
图12A至图12C为本发明实施例8图型化发光二极管的制程;
图13A至图13B为具有凸部形成于其上的发光二极管的扫描电子显微镜(SEM)影像。
附图标记说明:S101~S105-步骤;20-发光二极管;202-p型层;2022-图型化表面;204-活性层;206-n型层;208-基板;210-氧化层;2102-凸部;30-发光二极管;302-p型层;3022-图型化表面;304-活性层;306-n型层;308-基板;310-氧化层;3102-凸部;40-发光二极管;402-p型层;404-活性层;406-n型层;4062-n型层图型;408-基板;410-氧化层;4102-凸部;50-发光二极管;502-p型层;5022-p型层图型;504-活性层;506-n型层;5062-n型层图型;508-基板;60-发光二极管;602-p型层;6022-蚀刻较深的p型层图型化表面;6024-蚀刻较浅的p型层图型化表面;604-活性层;606-n型层;6062-n型层图型化表面;608-基板;610-氧化层;6102-凸部;70-发光二极管;702-p型层;7022-p型层图型化表面;704-活性层;7042-活性层图型化表面;706-n型层;7062-n型层图型化表面;708-基板;80-发光二极管;802-p型层;8022-p型层图型化表面;804-活性层;8042-活性层图型化表面;806-n型层;8062-n型层图型化表面;808-基板;90-发光二极管;902-p型层;9022-图型化表面;904-活性层;906-n型层;908-基板;910-氧化层。
具体实施方式
以下结合实施例和附图,对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。应该理解的是,这些实施例仅用于例证的目的,决不限制本发明的保护范围。
实施例1
敬请参照图2、图3A至图3D。图2是用以增益出光效率的图型化发光二极管的流程图。首先提供发光二极管20,如图2的步骤S101所示。如图3A,发光二极管20由上至下包含p型层202、活性层204、n型层206、以及基板208。在本实施例中,p型层202形成于活性层204之上,n型层206形成于活性层204之下,其中p型层202和n型层206可互换。活性层204具有量子井结构。实际上,活性层204还可具有同质接面结构或异质接面结构。
本实施例中,多个凸部2102生长在选定的p型层202,以形成图型化氧化层210(S102)。氧化层210借由溶胶凝胶(sol-gel)法所形成,然而不限于此,亦可由水热处理、电镀、热蒸镀法、化学气相沉积法(CVD)、或分子束磊晶法(MBE)来形成。
氧化层210所使用的材料为CaO,实际上还可为ITO、AZO、SiO2、ZnO、MgO、MoO、Al2O3、TiO2、NiO、SnO2、BaO、MnO、CuO、或上述材料的混合物。
至于氧化层210,凸部2102为微米柱或纳米柱。请参照图4A至图4D。利用不同的方法来生长氧化层210,凸部2102的形状可呈现为六角锥状、截头的六角锥状、或六角圆柱状。如图5所示,凸部2102的俯视图呈现一六角形的图案。
凸部2102的高度可受控制,以达到发光二极管20的预设蚀刻深度(S103)。接下来,在发光二极管20上施以干蚀刻制程,穿透部分不受图型化氧化层210保护的发光二极管20,以在发光二极管20上形成多个凹陷(S104)。当开始进行蚀刻时,凸部2102未覆盖的部份将受蚀刻,同时也会蚀刻凸部2102。当施行蚀刻制程来移除凸部2102时,未覆盖的部份蚀刻达预定深度。凸部2102高度愈高,蚀刻深度则愈深。根据本发明的构想,两个相邻凸部2102的间距小于1微米。
本实施例使用电浆蚀刻,亦可由电感式耦合电浆(ICP)蚀刻、离子光束蚀刻法、或反应性离子蚀刻来取代,依据氧化层210使用的材料来使用适当的蚀刻方式。当电浆持续碰撞凸部2102时,凸部2102逐渐崩解,亦蚀刻发光二极管20。请参照图3C。干蚀刻制程完成后,电浆碰撞消除氧化层210的部分柱体。干蚀刻制程在氧化层210的表面产生凹陷。
最后,氧化层210自发光二极管20移除(S105)。氢氯酸、硝酸或过氧化氢可用来移除氧化层210。在本发明中,硝酸用来清洗n型层206表面上的氧化钙。图型化表面2022形成于发光二极管20上。由于凸部2102的直径介于1nm至10μm,图型化发光二极管20可对应形成多个凸面,其直径介于1nm至10μm。图型化表面2022可使产生自活性层204的光束更容易透过凹陷来发射,因而改善发光二极管20的出光效率。
实施例2
请参照图6A至图6D。发光二极管30具有p型层302、活性层304、n型层306、以及基板308。本实施例中,活性层304具有量子井结构。
由氧化钙凸部3102制成的氧化层310形成于p型层302之上。本实施例中,氧化层310的厚度大于第一实施例中的氧化层210。因此,当在氧化层310施以干蚀刻制程(如电感式耦合电浆蚀刻)时,会导致凹陷形成。与第一实施例相比,凹陷的深度可借由p型层302和活性层304延伸至n型层306。
利用硝酸进行移除制程后,图型化表面3022形成于发光二极管30上。由于本实施例的发光二极管30蚀刻至n型层306,因此出光效率比第一实施例更好。
本实施例产生更深凹陷所需的时间会比第一实施例更为费时。因为ICP蚀刻的蚀刻氧化层310的能力差,在氧化层310蚀刻达一预定程度前,已形成更深的凹陷。简言之,凹陷的深度可借由干蚀刻的反应时间和氧化层310的厚度来加以控制。此外,当蚀刻反应过后,凸部3102的间距扩大。也就是说,图型化的程度可由干蚀刻时间或氧化层310的厚度所控制。
实施例3
为了更容易在特定的发光二极管上形成一对接点,部分的发光二极管将受蚀刻。此情形仍适用本发明。
请参照图7A至图7D。发光二极管40具有p型层402、活性层404、n型层406、以及基板408。由于上述两个实施例已充分公开各个组件的材料、蚀刻方法和移除步骤,故不再赘述。
在部分露出的n型层406上,形成具有数个氧化凸部4102的氧化层410。发光二极管40的p型层402的上表面未设有氧化层410。在蚀刻和移除步骤后,氧化层410随之移除。n型层图型4062因而成形。实施例3表示可在发光二极管上表面任一特定区域进行图型化,来增益出光效率(如蚀刻制程可施行于该区域)。
实施例4
请参照图8。发光二极管50具有p型层502、活性层504、n型层506和基板508。与实施例3的发光二极管40相比,发光二极管50具有露出的n型层506。在生长氧化层之后,干蚀刻发光二极管50,并移除残余的氧化层,分别在n型层506和P型层502的表面形成n型层图型5062和p型层图型5022。最后,不管水平高度的差异,在整个发光二极管50的上表面做图型化。
实施例5
在某些情况下,可施行第二次蚀刻制程来加深发光二极管的凹陷,以达成不同的出光效率。
请参照图9A至图9D。发光二极管60具有p型层602、活性层604、n型层606、以及基板608。与实施例3的发光二极管40相比,发光二极管60具有露出的n型层606。具有凸部6102的氧化层610形成于发光二极管60上表面的上方。如图9B,第一次干蚀刻制程完成后,氧化层610的厚度减少。凸部6102的间距增加。第一次干蚀刻产生一致的凹陷深度。
除了中央部分以外,发光二极管60为遮蔽层(未图示)所覆盖。接着施行第二次干蚀刻制程。如图9C,发光二极管60的中央部份蚀刻较深入。移除制程之后,形成了n型层图型化表面6062、蚀刻较深的p型层图型化表面6022、以及蚀刻较浅的p型层图型化表面6024,如图9D所示。蚀刻较深的p型层图型化表面6022的出光效率显然较佳。
实施例6
本发明的氧化层生长于发光二极管的上表面和侧边。因此,完成蚀刻和移除制程后,图型于此处形成。如发光二极管的表面并非平坦的倾斜表面,本发明仍适用。
请参照图10。发光二极管70具有p型层702、活性层704、n型层706、以及基板708。发光二极管70的两侧边有坡度,其剖面为楔形。实际上,发光二极管的剖面形状可为矩形或上述的阶梯状。
在蚀刻和移除制程后,形成p型层图型化表面7022、活性层图型化表面7042以及n型层图型化表面7062。图型可形成于倾斜的表面。即使图型形成于倾斜的表面,干蚀刻所蚀刻的凹陷仍会向下形成。
实施例7
图11表示实施例5和实施例6的组合。发光二极管80具有p型层802、活性层804、n型层806、以及基板808。发光二极管80的两侧边有坡度。
借由在发光二极管80上方形成氧化层(未图示),蚀刻发光二极管80的两侧边,蚀刻发光二极管80的中央部份并移除氧化层来形成。在第二次蚀刻制程后,显然更加深了p型层图型化表面8022的凹陷深度。
实施例8
上个实施例揭示在不同方向生长氧化层。不单是发光二极管的上表面,氧化层还可形成于发光二极管的侧面。
请参照图12A至图12C。发光二极管90具有p型层902、活性层904、n型层906、以及基板908。不同于其它实施例所述的发光二极管,发光二极管90是利用干蚀刻来移除其两侧边。p型层902、活性层904以及n型层906的形状为倒楔形。为增益出光效率,发光二极管90的上表面及侧面也需进行图型化。
请参照图12B。氧化层910覆盖上述的表面。如图13A所示,应注意的是侧面上的氧化层可同时沿着上表面的氧化层形成,如图13B。当施行干蚀刻时,蚀刻粒子应与上表面与侧面的氧化层910相互碰撞。在移除制程后,图型化表面9022在整个发光二极管90上露出,基板908除外。
在上述实施例中,p型层形成于活性层之上,n型层形成于活性层之下,然而p型层和n型层可互换。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,对本发明而言仅仅是说明性的,而非限制性的。本专业技术人员理解,在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变,修改,甚至等效,但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (14)

1.一种增益发光二极管出光效率的方法,其特征在于包括以下步骤:
提供发光二极管,依序包含基板、第一传导型的第一层、活性层、以及相对于第一传导型的第二传导型的第二层;
在发光二极管的第一层、活性层、以及第二层中至少选定一层,于其上生长复数个凸部,以形成图型化氧化层来保护发光二极管免于蚀刻;
控制凸部的高度以达到发光二极管预定蚀刻深度;
干蚀刻穿透部分的发光二极管,该部分未受图型化氧化层的保护,以在发光二极管上形成复数个凹陷;以及
将氧化层自选定层移除。
2.如权利要求1的方法,其特征在于所述第一传导型为p型,第二传导型为n型。
3.如权利要求1的方法,其特征在于所述活性层具有量子井结构、同质接面结构、或异质接面结构。
4.如权利要求1的方法,其特征在于所述图型化氧化层由水热处理、电镀、热蒸镀法、化学气相沉积法(CVD)、或分子束磊晶法(MBE)所形成。
5.如权利要求1的方法,其特征在于所述图型化氧化层由ITO、AZO、SiO2、ZnO、MgO、MoO、Al2O3、TiO2、NiO、CaO、BaO、MnO、CuO、SnO2、或其混合所制成。
6.如权利要求1的方法,其特征在于所述凸部的形状为六角锥状、截头的六角锥状、或六角圆柱状。
7.如权利要求1的方法,其特征在于所述图型化氧化层至少部份形成于发光二极管的上表面或侧面。
8.如权利要求1的方法,其特征在于所述干蚀刻步骤借由电浆蚀刻、电感式耦合电浆(ICP)蚀刻、离子光束蚀刻法、或反应性离子蚀刻来施行。
9.如权利要求1的方法,其特征在于所述凸部的直径介于1nm(纳米)与10μm(微米)之间。
10.如权利要求1的方法,其特征在于所述预定蚀刻深度借由控制干蚀刻步骤的反应时间来达成。
11.如权利要求1的方法,其特征在于进一步包括干蚀刻部分氧化层的步骤d1)。
12.如权利要求1的方法,其特征在于所述发光二极管的剖面形状为楔形、矩形或阶梯形。
13.如权利要求1的方法,其特征在于两个相邻的所述凸部距离小于1微米。
14.如权利要求1的方法,其特征在于所述移除步骤借由氢氯酸、硝酸或过氧化氢来施行。
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