CN102683530A - 具有宽视角的发光二极管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种具有宽视角的发光二极管及其制造方法，发光二极管包括：一基板；多个柱状结构，形成于该基板上，每一该柱状结构中均包括一第一型半导体层、一作用层、与一第二型半导体层，其中该第一型半导体层是形成于该基板上，且该些柱状结构是利用该第一型半导体层达成电气的连接关系；一填充结构形成于该些柱状结构之间；一透明导电层，覆盖于该表面钝化层、电气隔离层与该些柱状结构中该第二型半导体层所形成的一表面上；一第一电极接触于该透明导电层；以及一第二电极接触于该第一型半导体层。
Description
技术领域
本发明涉及一种发光二极管及其制造方法，且特别涉及一种具有宽视角的发光二极管及其制造方法。
背景技术
目前氮镓类的发光二极管，例如GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN，由于半导体与空气介面的折射系数差异会造成全反射(total reflection)现象，因此会限制发光二极管的辐射张角，亦即视角(viewing angle)。因此，如何提高发光二极管的视角即为此领域的技术人员所欲解决的问题。
美国专利公开号码US 2009/0085053，标题为“light emitting diode packagewith large viewing angle”，揭露一种具有大视角的发光二极管封装。该揭露内容是利用封装技术以提升发光二极管的视角。请参照图1，其所绘示为现有发光二极管封装的示意图。此发光二极管封装包括基板(substrate)30、LED芯片(LED chip)32、透明的壳本体(transparent housing body)33、磷光剂基质(phosphormatrix)34、与外部反射装置(outer reflector)36。
基板30具有一上表面(upper surface)38与一下表面(lower surface)40，并具有一第一电极42与一第二电极44。而LED芯片32固定在基板30上表面38，并且具有一正电极321与一负电极322。利用一导线(wire)46分别将正电极321连接至基板30的第一电极42，以及将负电极322连接至基板30的第二电极44。
透明的壳本体33位于基板30的上表面38并且具有一凹洞(cavity)39，而LED芯片32位在凹洞39里。再者，磷光剂基质34添加于凹洞39内，因此，LED芯片32所发出的光可以穿过磷光剂基质34并转换成为白光，而白光可以穿过透明的壳本体33侧面。再者，外部反射装置36可以反射由透明的壳本体33侧面所发射的白光，并提高LED芯片32的光强度。
由该揭露内容可知，现有的发光二极管封装其视角可由120度提升至约140度。
美国专利号码US 6570190，标题为“LED having angled sides for increasedside light extraction”，揭露一种利用LED的斜边来增加侧光的撷取。请参照图2，其所绘示为现有发光二极管示意图。此发光二极管包括P型掺杂(p-typedoped)与N掺杂的磊晶层(epitaxial layer)10。此P型掺杂与N掺杂的磊晶层10中可提供PN接面的区域或称作用层(active layer)11。透明的基板(transparentsubstrate)12以及透光层(window layer)13位于P型掺杂(p-type doped)与N掺杂的磊晶层(epitaxial layer)10的二侧。上下欧姆接触(ohmic contact)14、15位于透明基板12以及透光层13表面。而上表面17大于作用层11。再者，发光二极管的侧边(sidewall)16与垂直方向的夹角为β。
现有的发光二极管，利用其侧壁16的斜边构造，使得侧向传递的光束18、19可以经由多次折射而射向发光二极管表面17或者经反射侧壁射出。
再者，2010年固态电子期刊第509-515页(Solid-State Electronics 54(2010)509-515)，揭露一种制作于透镜图样的蓝宝石基板上的增强射出角的蓝光二极管芯片“Enhancement in emission angle of the blue LED chip fabricated on lenspatterned sapphire(0001)”。其是利用特殊图样的蓝宝石基板达成具有宽视角的发光二极管。
发明内容
本发明的目的在于提出一种具有宽视角的发光二极管。利用柱状结构，使得作用层产生的光会被局限在柱状结构中，并且经由具有次微米二维曲面结构的透明导电层，使得发光二极管得出射光具备宽视角。
本发明提出一种发光二极管，包括：一基板；多个柱状结构，形成于该基板上，每一该柱状结构中均包括一第一型半导体层、一作用层、与一第二型半导体层，其中该第一型半导体层是形成于该基板上，且该些柱状结构是利用该第一型半导体层达成电气的连接关系；一填充结构形成于该些柱状结构之间；一透明导电层，覆盖于该填充结构与该些柱状结构中该第二型半导体层所形成的一表面上；一第一电极接触于该透明导电层；以及一第二电极接触于该第一型半导体层。
再者，本发明提出一种发光二极管的制造方法，包括下列步骤：提供一基板；于该基板上依序形成一第一型半导体层、一作用层、与一第二型半导体层；利用微影蚀刻工艺，于该基板上形成多个柱状结构，每一该柱状结构中均包括该第一型半导体层、该作用层、与该第二型半导体层，其中，该些柱状结构是利用该第一型半导体层达成电气的连接关系；形成一填充结构于该些柱状结构之间；形成一透明导电层，覆盖于该填充结构与该些柱状结构中该第二型半导体层所形成的一表面上；形成一第一电极接触于该透明导电层；以及，形成一第二电极接触于该第一型半导体层。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1所绘示为现有发光二极管封装的示意图；
图2所绘示为现有发光二极管示意图；
图3所绘示为本发明具有宽视角的发光二极管；
图4A至图4G所绘示为本发明具有宽视角的发光二极管的制作方法；
图5所绘示为本发明发光二极管与现有发光体的辐射分布图。
其中，附图标记
10磊晶层 11：作用层
12：透明的基板 13：透光层
14、15：欧姆接触 16：侧边
17：上表面 18、19：光束
30：基板 32：LED芯片
321：正电极 322：负电极
33：透明的壳本体 34：磷光剂基质
36：外部反射装置 38：上表面
39：凹洞 40：下表面
42：第一电极 44：第二电极
46：导线
100：基板 102：N型层
104：作用层 106：P型层
108：表面钝化层 110：电气隔离层
112：次微米二维曲面结构的透明导电层
114：第一电极 116：第二电极
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：
请参照图3，其所绘示为本发明具有宽视角的发光二极管。此发光二极管为发光二极管芯片(LED chip)，也就是说图3所示的发光二极管尚未经过封装工艺的处理。再者，本发明的发光二极管芯片是以氮镓类的发光二极管为例，但并不以此为限。
本发明的发光二极管包括一基板(substrate)100、多个柱状结构位于该基板上。每个柱状结构均包括：一N型层102、一作用层(active layer)104、一P型层106。再者，N型层102形成于基板100上，且与该些柱状结构中的N型层102之间达成电气的连接关系。
再者，一表面钝化层(passivation layer)108形成于该些柱状结构之间的侧壁与N型层102表面，而一电气隔离层110填充于该些表面钝化层108的侧壁之间。基本上，表面钝化层108以及电器隔离层110可视为一填充结构(fillerstructure)。而具有次微米二维曲面结构(subwavelength surface structure)的透明导电层112，覆盖于表面钝化层108、电气隔离层110(填充结构)与柱状结构中P型层106所形成的表面上。第一电极114接触于次微米二维曲面结构的透明导电层112，以及第二电极116接触于N型层102上。
请参照图4A至图4G，其所绘示为本发明具有宽视角的发光二极管的制作方法。如图4A所示，基板100上具有一N型层102、一作用层104、与一P型层106。而N型层102、作用层104、与P型层106即所谓的p-i-n结构。
如图4B所示，利用微影蚀刻工艺，于基板100上形成多个柱状结构。该些柱状结构可为圆形柱状结构、三角形柱状结构、方形柱状结构、六角形柱状结构、或多边形柱状结构。再者，每个柱状结构均具有p-i-n结构，且该些柱状结构的底部是利用N型层102达成电气的连接关系。根据本发明的实施例，柱状结构的宽度D介于λ/2～20μm之间，亦即λ/2＜D≤20μm；柱状结构的高度H介于0～2μm之间，亦即0＜H≤2μm。其中，λ为发光二极管的光波长。
接着，如图4C所示，利用光致氧化工艺(photo-enhanced wet oxidationprocess)、高温氧化工艺、原子层沈积工艺(atomic layer deposition process)、或者化学气相沉积工艺(chemical vapor deposition process)，于该些柱状结构之间的侧壁与N型层102表面形成表面钝化层108。根据本发明的实施例，表面钝化层108是为(AlxInyGaz)2-δO3的一第一介电材质。其中，x+y+z＝1，且0≤δ＜1。
接着，如图4D所示，利用SiO2、HfO2、Al2O3、Si3N4、或者Ta2O5作为第二介电材质填充于上述表面钝化层108的侧壁之间，并且作为电气隔离层110。因此，完成包括表面钝化层108以及电器隔离层110所形成的填充结构。
接着，如图4E所示，利用ITO、In2O3、Sn2O3、ZnO、或者NiOx(其中，0＜x≤1)作为第三介电材质，覆盖于表面钝化层108、电气隔离层110与柱状结构中P型层106所形成的表面上，并且作为透明导电层111。其中，透明导电层111的折射系数n介于1～2之间，亦即1＜n＜2。
接着，如图4F所示，利用微影蚀刻技术于透明导电层上形成次微米二维曲面结构的透明导电层112。其中，次微米二维曲面结构的高度h介于0～1μm之间，亦即0＜h≤1μm；宽度d介于0～300nm之间，亦即0＜d≤300nm。
最后，如图4G所示，形成第一电极114接触于次微米二维曲面结构的透明导电层112上，以及形成第二电极116接触于N型层102上。
根据本发明的实施例，柱状结构分布的面积大约为基板100面积的20％～30％。柱状结构可视为光纤(fiber)的核心(core)部分，而表面钝化层108可视为光纤的包覆层(cladding layer)。因此，作用层104产生的光会被局限在柱状结构中，并且经由次微米二维曲面结构的透明导电层112的绕射与散射作用，进而使得发光二极管的出射光具有宽视角。再者，本发明的电气隔离层110可有效的降低发光二极管的漏电流(leakage current)至10-9A。
请参照图5，其所绘示为本发明发光二极管与现有发光体的辐射分布图(LED radiation diagram)。本发明的发光二极管是以InGaN发光二极管为例，曲线I为现有平面型发光二极管(planar LED)的辐射分布图；曲线II为本发明柱状结构宽度D为1μm的辐射分布图；曲线III为本发明柱状结构宽度D为2μm的辐射分布图。根据本发明的最佳实施例，本发明具有宽视角的发光二极管的视角最大可超过160度。
本发明的优点在于提出一种具有宽视角的发光二极管及其制造方法。利用柱状结构，使得作用层产生的光会被局限在柱状结构中，并且由透明导电层出射的光具备宽视角。
再者，本发明也可以不需要次微米二维曲面结构的透明导电层112。也就是说，本发明可以省略图4F的步骤，直接将第一电极114形成于透明导电层即可。
再者，本发明亦未限定第一电极114与第二电极116的图样，及其制作流程。也就是说，第一电极114仅接触于透明导电层以及第二电极116接触于N型层102上即可。当然，在此领域的技术人员也可以将N型层102以及P型层106的位置互换，同样也可以形成发光二极管。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (18)
1.一种发光二极管，其特征在于，包括：
一基板；
多个柱状结构，形成于该基板上，每一该柱状结构中均包括一第一型半导体层、一作用层、与一第二型半导体层，其中该第一型半导体层形成于该基板上，且该些柱状结构利用该第一型半导体层达成电气的连接关系；
一填充结构，形成于该些柱状结构之间；
一透明导电层，覆盖于该填充结构与该些柱状结构中该第二型半导体层所形成的一表面上；
一第一电极接触于该透明导电层；以及
一第二电极接触于该第一型半导体层。
2.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，该第一型半导体层与该第二型半导体层为一N型层与一P型层。
3.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，该些柱状结构的宽度介于λ/2与20μm之间，该些柱状结构的高度介于0与2μm之间，其中λ为该发光二极管的一光波长。
4.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，该填充结构包括：
一表面钝化层，形成于该些柱状结构之间的侧壁与该第一型半导体层的一表面上；以及
一电气隔离层，形成于该表面钝化层之间。
5.根据权利要求4所述的发光二极管，其特征在于，该表面钝化层为(AlxInyGaz)2-δO3的一第一介电材质，且x+y+z＝1，0≤δ＜1。
6.根据权利要求4所述的发光二极管，其特征在于，该电气隔离层为SiO2、HfO2、Al2O3、Si3N4、或者Ta2O5的一第二介电材质。
7.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，该透明导电层为ITO、In2O3、Sn2O3、ZnO、或者NiOx的一第三介电材质，其中0＜x≤1。
8.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，该透明导电层为具有一次微米二维曲面结构的透明导电层。
9.根据权利要求8所述的发光二极管，其特征在于，该次微米二维曲面结构的高度介于0至1μm之间，宽度介于0至300nm之间。
10.一种发光二极管的制造方法，其特征在于，包括下列步骤：
提供一基板；
于该基板上依序形成一第一型半导体层、一作用层、与一第二型半导体层；
利用微影蚀刻工艺，于该基板上形成多个柱状结构，每一该柱状结构中均包括该第一型半导体层、该作用层、与该第二型半导体层，其中，该些柱状结构是利用该第一型半导体层达成电气的连接关系；
形成一填充结构于该些柱状结构之间；
形成一透明导电层，覆盖于该填充结构与该些柱状结构中该第二型半导体层所形成的一表面上；
形成一第一电极接触于该透明导电层；以及
形成一第二电极接触于该第一型半导体层。
11.根据权利要求10所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，该第一型半导体层与该第二型半导体层为一N型层与一P型层。
12.根据权利要求10所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，该些柱状结构的宽度介于λ/2与20μm之间，该些柱状结构的高度介于0与2μm之间，其中λ为该发光二极管的一光波长。
13.根据权利要求10所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，形成该填充结构还包括：
形成一表面钝化层于该些柱状结构之间的侧壁与该第一型半导体层的一表面上；以及
填充一电气隔离层于该些表面钝化层之间。
14.根据权利要求13所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，利用一光致氧化工艺、一高温氧化工艺、一原子层沈积工艺、或者一化学气相沉积工艺形成该表面钝化层，且该表面钝化层为(AlxInyGaz)2-δO3的一第一介电材质，其中x+y+z＝1，0≤δ＜1。
15.根据权利要求13所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，该电气隔离层为SiO2、HfO2、Al2O3、Si3N4、或者Ta2O5的一第二介电材质。
16.根据权利要求10所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，该透明导电层为ITO、In2O3、Sn2O3、ZnO、或者NiOx的一第三介电材质，其中0＜x≤1。
17.根据权利要求10所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，该透明导电层为具有一次微米二维曲面结构的透明导电层。
18.根据权利要求10所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，该次微米二维曲面结构的高度介于0至1μm之间，宽度介于0至300nm之间。
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