CN102194944A

CN102194944A - 发光二极管及其制造方法

Info

Publication number: CN102194944A
Application number: CN2010101233443A
Authority: CN
Inventors: 黄世晟; 凃博闵; 吴芃逸
Original assignee: Rongchuang Energy Technology Co ltd; Zhanjing Technology Shenzhen Co Ltd
Current assignee: Rongchuang Energy Technology Co ltd; Zhanjing Technology Shenzhen Co Ltd
Priority date: 2010-03-15
Filing date: 2010-03-15
Publication date: 2011-09-21

Abstract

本发明揭示一发光二极管及其制造方法。该方法包含提供一基材；形成一缓冲层于此基材上；形成一氮化镓层于前述缓冲层上；低温形成一粗化层于前述氮化镓层上；形成一磊晶层于前述粗化层上，其中磊晶层材料之折射率大于粗化层材料之折射率。其方法主要为提高发光二极管之出光率及改善磊晶质量，且在同一个MOCVD反应器中即可完成。

Description

发光二极管及其制造方法

技术领域

本发明关于一种发光二极管芯片及其制造方法。

背景技术

发光二极管(LED)可广泛地应用于不同的产品中，例如可应用于平面显示装置、交通信号、照明设备等等。发光二极管芯片中活性层所发出的光线，可能因为发光二极管芯片中的光学路径不佳，导致所产生的光线无法有效地传递至外界，因此而降低光的取出率及发光效率。所以，如何提高发光二极管芯片中光线的取出率或发光效率，一直是发光二极管领域的重要技术议题。

M.Hao等人曾揭露一种利用高温蚀刻氮化镓(GaN)及蓝宝石基材(phys.stat.sol.(c)1，No.10，pp.2397-2400(2004))，以形成一粗糙面的技术。其中使用的技术是先形成一氮化镓(GaN)层于蓝宝石基材上，然后在高温(1180℃)下导入氢气使GaN受热分解，并同时诱发GaN蚀刻蓝宝石基材，而在蓝宝石基材表面上形成高密度的纳米等级的陨石坑(nano-craters)。但上述方法必需额外成长一GaN层，且进行蚀刻蓝宝石基材所需的时间较长，并不经济。

Ru-Chin Tu等人曾揭露使用一层薄的SiN中间层(interlayer)于n-GaN中的技术(Applied Physics Express 1，pp.101101-1-3(2003))，以提升磊晶质量与光取出率。但此一中间层厚度仅约为50nm至100nm，相较于近微米尺度的粗糙表面而言，其光散射效果并不显著。

Yasuo Ohba等人公开一种使用高质量氮化铝(AlN)为底材，以制造高效能紫外光LED的技术(Appl.Phys.Lett.，Vol.83，No.17，pp.3608-3610(2008))。但平滑的GaN/AlN接口无法有效提高LED芯片的光取出率。

另一先前技术揭露一种发光组件，其包含一具有漫射面的半导体发光迭层以及一透明粘结层。在此，漫射面是利用磊晶制程成长或以蚀刻方式形成，且透明粘结层的主要成分是由高分子材料所组成，用以将发光迭层与透光基板粘结在一起。在上述制程方式中，因为必须粘结两片基材，所以制造过程繁锁。此外，透明粘结层的主要成分为高分子材料，容易受热而劣化，所以发光组件的可靠度不易控制。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种发光二极管，俾能增加光取出率以及改善磊晶质量，而提升发光二极管的光学及电性效能。

本发明之另一目的是提供一种制造上述发光二极管的方法，其至少具有制程方式简单之优点。

本发明之另一态样是提供一种发光二极管，此发光二极管包括一基材、一氮化镓层、一粗化层、一磊晶层。其中该磊晶层包含一第一半导体层、一发光层以及一第二半导体层。前述粗化层配置于前述氮化镓层上，且前述粗化表面上具有不规则粗糙面。前述磊晶层配置于粗化层上，且前述磊晶层材料的折射率大于粗化层材料的折射率。

本发明之一态样是提供一种制造发光二极管的方法，此方法包括以下步骤。提供一基材；形成一缓冲层于此基材上；形成一氮化镓层于前述缓冲层上；低温形成一粗化层于前述氮化镓层上；形成一磊晶层于前述粗化层上，其中磊晶层材料之折射率大于粗化层材料之折射率。

下面参照附图，结合具体实施例对本发明作进一步的描述。

附图说明

图1A至图1C和图1E为本发明之发光二极管在不同制造步骤时的剖面示意图。

图1D是图1C的顶视图。

图2是为本发明之光路径示意图。

图3是为低温下成长之氮化铝层表面的显微图片。

主要元件符号说明

发光二极管 100

基材 102

缓冲层 104

氮化镓层 106

粗化层 108

第一半导体层 110

发光层 112

第二半导体层 114

磊晶层 116

具体实施方式

图1A至图1C和图1E是本发明之发光二极管在不同制造步骤时的剖面示意图。

请参照图1A，其为一剖面示意图。首先提供一基材102，基材102的材料可为蓝宝石(Al₂O₃)基板、碳化硅(SiC)基板、铝酸锂基板(LiAlO₂)、镓酸锂基板(LiGaO₂)、硅(Si)基板、氮化镓(GaN)基板、氧化锌(ZnO)基板、氧化铝锌基板(AlZnO)、砷化镓(GaAs)基板、磷化镓(GaP)基板、锑化镓基板(GaSb)、磷化铟(InP)基板、砷化铟(InAs)基板或硒化锌(ZnSe)基板，但可适用于本发明之基材102不限于上述材料。

如图1B所示，于基材102上方形成一缓冲层104。由于晶格结构与晶格常数是另一项选择磊晶基板的重要依据。若基板与磊晶层之间晶格常数差异过大，往往需要先形成一缓冲层才可以得到较佳的磊晶质量。前述缓冲层104形成的方式是以化学气相沈积法(Chemical Vapor Deposition；CVD)。例如在有机金属化学气相沈积(MOCVD；Metal Organic Chemical Vapor Deposition)机台或是分子束磊晶(MBE；Molecular Beam Epitaxy)机台中，以相对于后续正常磊晶温度较低的环境长晶。例如氮化镓的一般长晶温度约在800-1400℃之间，而缓冲层的长晶温度约在250-700℃之间。当使用有机金属化学气相沈积法时，氮的先驱物可以是NH3或是N2。镓的先驱物可以是三甲基镓(trimethylgallium；TMGa)或是三乙基镓(triethylgallium；TEGa)。反应室的压力可以是低压或是常压。接下来于前述缓冲层104上将反应温度升高至1000-1400℃之间高温形成一磊晶质量较佳的无掺杂氮化镓层106。

进一步参考图1C，粗化层108可为一无机材料所制成，例如金属氮化物。在一实施例中，粗化层108为单晶氮化铝(AlN)。粗化层108的厚度并无特殊限制，在一实施例中，粗化层108的厚度为约0.5μm至约2μm，可依材料种类以及后续制程的需要调整粗化层108的厚度。在另一实施例中，使用有机金属化学气相沈积(Metal Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)技术，温度约800℃下形成粗化层108。在使用MOCVD形成氮化铝层(AlN)108的实施例中，可使用三甲基铝(TMAI，trimethylaluminum)为有机金属反应源(precursor)和NH₃气体反应而得到氮化铝(AlN)。在粗化层108为氮化铝的实施例中，氮化铝的折射率为约为2.1。

在温度约800℃下形成氮化铝层，由于晶格排列较混乱，使得氮化铝层108产生不规则表面亦即为粗化层，如图1C及图1D所示。图1C为剖面示意图，图1D为图1C的顶视图。此粗化表面可造成光学散射效果，并能改变发光二极管芯片中的光学路径，而达成提升光取出率的效果。前述形成粗化层108可以在同一反应腔室中完成，无须更换腔室或移动基材。图3为低温下成长之氮化铝层表面的显微图片。由于低温下成长之氮化铝层的晶格排列不整齐，因此容易产生一粗化表面。从显微图片中可以观察得到。

请参见图1E，形成一磊晶层116于粗化层108上，其中前述磊晶层116包含一第一半导体层110、一发光层112以及一第二半导体层114。前述磊晶层116材料的折射率大于粗化层108材料的折射率。第一半导体层可为n型半导体层，利用掺杂四族的原子以形成n型半导体层110。在本实施例中是硅原子(Si)，而硅的先驱物在有机金属化学气相沈积机台中可以是硅甲烷(SiH₄)或是硅乙烷(Si₂H₆)。n型半导体层110的形成方式依序由高浓度参杂硅原子(Si)的氮化镓层(GaN)至低浓度掺杂硅原子(Si)的氮化镓层。高浓度参杂硅原子(Si)的氮化镓层(GaN)可以提供n型半导体之奥姆接触(Ohmic Contact)。

接着形成一发光层112在n型半导体层110上。其中发光层112可以是单异质结构、双异质结构、单量子井层或是多重量子井层结构。目前多采用多重量子井层结构，也就是多重量子井层/阻障层的结构。量子井层可以使用氮化铟镓(InGaN)，而阻障层可以使用氮化铝镓(AlGaN)等的三元结构。另外，也可以采用四元结构，也就是使用氮化铝镓铟(Al_xIn_yGa_1-x-yN)同时作为量子井层以及阻障层。其中调整铝与铟的比例使得氮化铝镓铟晶格的能阶可以分别成为高能阶的阻障层与低能阶的量子井层。发光层112可以掺杂n型或是p型的掺杂子(dopant)，可以是同时掺杂n型与p型的掺杂子，也可以完全不掺杂。并且，可以是量子井层掺杂而阻障层不掺杂、量子井层不掺杂而阻障层掺杂、量子井层与阻障层都掺杂或是量子井层与阻障层都不掺杂。再者，亦可以在量子井层的部份区域进行高浓度的掺杂(delta doping)。

之后，在发光层112上形成一p型半导体电子阻挡层(未图标)。p型半导体电子阻挡层包括第一种III-V族半导体层，以及第二种III-V族半导体层。这两种III-V族半导体层之能隙不同，且是具有周期性地重复沈积在上述发光层112上，前述周期性地重复沈积动作可形成能障较高的电子阻挡层(能障高于主动发光层的能障)，用以阻挡过多电子(e-)溢流发光层112。前述第一种III-V族半导体层可为氮化铝铟镓(Al_xIn_yGa_1-x-yN)层，前述第二种III-V族半导体层可为氮化铝铟镓(Al_uIn_vGa_1-u-vN)层。其中，0＜x≤1，0≤y＜1，x+y≤1，0≤u＜1，0≤v≤1以及u+v 1。当x＝u时，y≠v。另外，前述III-V族半导体层亦可为氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)、氮化铟(InN)、氮化铝镓(AlGaN)、氮化铟镓(InGaN)、氮化铝铟(AlInN)。

最后，掺杂二族的原子以形成p型半导体层114于p型半导体电子阻挡层上。在本实施例中是镁原子。而镁的先驱物在有机金属化学气相沈积机台中可以是CP2Mg。p型半导体层114的形成方式依序由低浓度参杂镁原子(Mg)的氮化镓层(GaN)至高浓度参杂镁原子(Mg)的氮化镓层。高浓度参杂镁原子(Mg)的氮化镓层(GaN)可以提供p型半导体之奥姆接触(Ohmic Contact)。

另外，请参考图2所示，活性层112所产生的光线除了向上发射外，也向下发射。向下发射的光线可藉由粗化层108上的不规则粗糙面发生散射(scattering)及/或漫反射(diffused reflection)，改变原本的光学路径。使原本向下发射的光线能够经由其它的光学路径而被导向上方，从而提高光的取出率或利用率。

因此，粗化层108所使用材料必须考虑粗化层108与磊晶层116之间的晶格匹配，因为粗化层108的晶格特性会直接影响磊晶层116的性质。若粗化层108材料与磊晶层116的晶格不匹配，将增加磊晶层116中的错位密度(dislocationdensity)，而使最终组件的性能劣化。再者，粗化层116所使用材料必须与磊晶层116的材料有折射率的差异，且折射率差异越大时，光学散射的效果越明显。在本发明中，粗化层的折射率必需小于磊晶层，使得光经由粗化层散射而达到增加出光面之出光效率。例如，氮化镓磊晶层材料(折射率为约2.5)，而粗化层108为氮化铝(折射率为约2.1)。若粗化层108与磊晶层116的材料折射率相同，大部分的光线将直接通过粗化层108与磊晶层116间的接口，使得光学散射表面难以发挥光学散射效果。满足上述要求的无机材料都可作为本发明之粗化层108的材料。

虽然本发明已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，当可作各种之更动与润饰，因此本发明之保护范围当视后附之申请专利范围所界定者为准。

Claims

1.一种发光二极管组件之制造方法，包含：

提供一基材；

形成一缓冲层于该基板上；

形成一粗化层于该缓冲层上；

形成一磊晶层于该粗化层上；

其特征在于上述步骤皆在一反应炉中完成。

2.根据权利要求项1所述的发光二极管组件之制造方法，其特征在于：形成一氮化镓层介于该缓冲层及粗化层之间。

3.根据权利要求项1所述的发光二极管组件之制造方法，其特征在于：所述粗化层的材料为氮化铝(AlN)。

4.根据权利要求项1所述的发光二极管组件之制造方法，其特征在于：所述磊晶层的折射率大于该粗化层的折射率。

5.根据权利要求项1所述的发光二极管组件之制造方法，其特征在于：所述粗化层形成的温度低于磊晶层形成的温度。

6.一种发光二极管组件之结构，包含：

一基材；

一缓冲层位于该基板上；

一磊晶层位于该粗化层上；其特征在于一粗化层位于该缓冲层上。

7.根据权利要求项6所述的发光二极管组件之结构，其特征在于：一氮化镓层位于该缓冲层及该粗化层之间。

8.根据权利要求项6所述的发光二极管组件之结构，其特征在于：所述粗化层的材料为氮化铝(AlN)。

9.根据权利要求项6所述的发光二极管组件之结构，其特征在于：所述磊晶层的折射率大于该粗化层的折射率。

10.根据权利要求项6所述的发光二极管组件之结构，其特征在于：所述粗化层之不规则表面厚度为0.2-0.8μm。