CN102694097A - 发光二极管及其制造方法 - Google Patents

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陈彰和
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Abstract

本发明揭露一种发光二极管，其结构包含基板、半导体层以及主动层。其中，半导体层配置在基板上，半导体层具有数个起伏状结构。主动层具有另一数个起伏状结构，顺应性配置于该半导体层上。

Description

发光二极管及其制造方法
技术领域
本发明是有关于一种装置，且特别是有关于一种发光二极管的装置。
背景技术
发光二极管(Light emitting diodes；LEDs)为一种半导体组件，因发光二极管使用寿命长且体积小，近年来已经广泛的运用于室内照明、车灯、指示灯、显示器等。
发光二极管的发光效率与传统的灯泡相比，仍然有进步的空间，因此提升发光二极管的发光效率为业界主要的研究目的。发光二极管的发光效率一般称为组件的外部量子效率(External quantum efficiency)，即为组件的内部量子效率(Internalquantum efficiency)及组件的光萃取率(Light extraction efficiency)的乘积。内部量子效率即为组件本身的光电转换效率，主要与组件本身的特性相关，如材料的能带、结晶质量(如缺陷或杂质等)或磊晶组成结构等。组件的光萃取率则为组件内部产生的光子，在经过组件本身的吸收、折射、反射后实际上在组件外部可量测得到的光子数目。然而，多数的研究着重于发光二极管的材料上，只有少数的研究有关于磊晶结构以及光萃取率。
对于发光二极管的外延层结构而言，因已知制备发光二极管的方法为连续式的外延成长，故在多重量子井外延层的结构多为一平整的膜，其可发光的面积仅局限在与基板的同样面积。因此，已知发光二极管的发光效率有所限制。
发明内容
因此，本发明的一方面是在提供一种发光二极管，其结构包含基板、半导体层以及主动层。其中，半导体层配置在基板上，半导体层具有数个起伏状结构；主动层具有另一数个起伏状结构，顺应性配置于半导体层上。
依据本发明一实施方式，上述的半导体层包括非掺杂层及第一型半导体层，其中第一型半导体层配置在该导体缓冲层上。
依据本发明一实施方式，发光二极管更包括第二型半导体层，其配置在主动层上。
依据本发明另一实施方式，第一型半导体层为N型半导体层，第二型半导体层为P型半导体层，N型半导体层为掺杂硅的氮化镓化合物，P型半导体层为掺杂镁的氮化镓化合物。
依据本发明又一实施方式，上述的非掺杂层或第一型半导体层的起伏状结构为数个沟槽。
依据本发明又一实施方式，其中沟槽的开口宽度L小于等于30μm，深度D小于等于10μm，且L/D小于等于100。
依据本发明一实施方式，直接位于该些沟槽上的第一型半导体层或主动层的一厚度T小于等于10μm，厚度T/沟槽的该深度D小于等于10，厚度T/沟槽的开口宽度L小于等于10。
本发明的一另方面是在提供一种发光二极管的制造方法，其方法包括如下。在一基板上形成一半导体层。图案化半导体层，使半导体层的表面具有数个沟槽结构。在该半导体层上顺应性形成主动层，以使主动层具有起伏状结构。
依据本发明一实施方式，上述的半导体层包括一非掺杂层及第一型半导体层，其中第一型半导体层配置在非掺杂层上。
依据本发明一实施方式，上述的方法包括在第一型半导体层之上形成另一非掺杂层。
依据本发明一实施方式，上述的制造方法更包括在主动层上形成第二型半导体层。
依据本发明另一实施例，其中沟槽的开口宽度L小于等于30μm，深度D小于等于10μm，且L/D小于等于100。
依据本发明又一实施例，直接位于该些沟槽上的第一型半导体层或主动层的一厚度T小于等于10μm，该厚度T/该些沟槽的该深度D小于等于10，该厚度T/该些沟槽的该开口宽度L小于等于10。
依据实施方式，本案提出发光二极管的半导体层的表面具有数个起伏状结构，以使随后的主动层也具有具起伏状结构。可改善已知发光二极管的发光效率不足的问题，增加主动层的发光面积，以提升发光二极管的发光效率。
上述发明内容旨在提供本揭示内容的简化摘要，以使阅读者对本揭示内容具备基本的理解。此发明内容并非本揭示内容的完整概述，且其用意并非在指出本发明实施例的重要/关键组件或界定本发明的范围。在参阅下文实施方式后，本发明所属技术领域中具有通常知识者当可轻易了解本发明的基本精神及其它发明目的，以及本发明所采用的技术手段与实施方面。
附图说明
为让本发明的上述和其它目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附图式的说明如下：
图1是绘示依照本发明一实施方式的一种发光二极管结构的剖面示意图。
图2A及图2B绘示依照本发明另一实施方式的一种发光二极管结构的剖面示意图。
图3A-3C绘示依照本发明一实施方式的一种发光二极管的制造流程剖面示意图。
图4A-4C绘示依照本发明另一实施方式的一种发光二极管的制造流程剖面示意图。
主要组件符号说明：
100、200：发光二极管
110、210：基板
120、220：非掺杂层
140、240：第一型半导体层
250：另一非掺杂层
160、260：主动层
170、270：沟槽
180、280：第二型半导体层
190、290：光阻层
195、295：开口
具体实施方式
下面将更详细地讨论本发明的实施方式。然而，此实施方式可为各种发明概念的应用，可被具体实行在各种不同特定的范围内。特定的实施方式是仅以说明为目的，且不受限于揭露的范围。
请参照图1，其绘示依照本发明一实施方式的一种发光二极管结构的剖面示意图。图1的发光二极管100，包含基板110、非掺杂层(undoped layer)120、第一型半导体层140、主动层160以及第二型半导体层180。其中，非掺杂层120具有数个起伏状的结构，使随后的第一型半导体层140和主动层160也顺应具有数个起伏状的结构。
基板110的材料可为玻璃、石英、蓝宝石、碳化硅、氮化镓、氮化铝、其它合适材料或上述的组合。
非掺杂层120可做为缓冲层，其材料可为任一III-V族半导体化合物或II-VI族半导体化合物，例如是一未掺杂的氮化镓化合物层或磷化铝镓铟化合物等，但不限于此。根据一实施方式，上述非掺杂层120的起伏状结构例如可为数个沟槽。其中，沟槽开口宽度L小于等于30μm，沟槽深度D小于等于10μm，或L/D小于等于100。
第一型半导体层140可以是以外延、分子束沉积等不限定的方式所形成的N型半导体层，其材料可为任一III-V族半导体化合物或II-VI族半导体化合物，例如是掺杂硅的氮化镓化合物或掺杂硅的磷化铝镓铟化合物等，但不限于此。因上述的非掺杂层120具有起伏状结构，使得第一型半导体层140也顺应着具有起伏状结构。根据一实施方式，沟槽上的第一型半导体层140具有厚度T小于等于10μm，厚度T/沟槽深度D小于等于100，厚度T/沟槽开口宽度L小于等于100。厚度T可以依情况设置，可以是均匀或非均匀的厚度。
主动层160，可以是多重量子井外延层，其材料可为氮化铟镓/氮化镓多重量子井(Multiquantum Well；MQW)结构。因上述的第一型半导体层140具有数个起伏状结构，而主动层160的结构也应顺着具有数个起伏状结构。
第二型半导体层180为P型半导体层，其材料可为任一III-V族半导体化合物或II-VI族半导体化合物，例如可为掺杂镁的氮化镓化合物或掺杂镁的磷化铝镓铟化合物等，但不限于此。第二型半导体层180的结构可为起状或平坦的结构。
请参照图2A，其绘示依照本发明另一实施方式的一种发光二极管结构的剖面示意图。图2A的发光二极管200a，包含基板210、非掺杂层220、第一型半导体层240、主动层260以及第二型半导体层280。其中，因第一型半导体层240具有数个起伏状的结构，使随后的主动层260也顺应具有数个起伏状的结构。且基板210与第二型半导体层280与图1的基板110与第二型半导体层180相同，为了让文字简洁故，故不再详细叙述之。
非掺杂层220的材料可为一未掺杂的氮化镓化合物的外延层。第一型半导体层240为N型半导体层，其材料可为任一III-V族半导体化合物或II-VI族半导体化合物，例如是掺杂硅的氮化镓化合物或掺杂硅的磷化铝镓铟化合物，但不限于此。
第一型半导体层240的结构为具有起伏状结构。根据一实施方式，第一型半导体层240的起伏状结构为数个沟槽。其中，沟槽的开口宽度L小于等于30μm，开口深度D小于等于10μm，或L/D小于等于100。
主动层260，其材料可为氮化铟镓/氮化镓多重量子井(Multiquantum Well；MQW)结构。因上述的第一型半导体层140具有数个起伏状结构，而主动层260的结构也应顺着具有数个起伏状结构。若主动层260直接配置在第一型半导体层240上，重量子井外延层160具有厚度T小于等于10μm，厚度T/沟槽深度D小于等于10，厚度T/沟槽宽度L小于等于10。
请参考图2B，其绘示依照本发明又一实施方式的一种发光二极管结构的剖面示意图。图2B的发光二极管200b，其包含基板210、非掺杂层220、第一型半导体层240、另一非掺杂层250、主动层260以及第二型半导体层280。除了另一非掺杂层250之外，其余皆与图2A相同，故不再详细叙述之。
另一非掺杂层250材料可与非掺杂层220相同材料。在此实施方式中，另一非掺杂层250也顺应着具有起伏状结构。根据一实施方式，另一非掺杂层250亦可与上述的厚度T相同。
参照图3A-3C，绘示依据本发明一实施方式的制备发光二极管100的制造流程剖面示意图。首先，如图3A所示，依序在基板110上形成非掺杂层120以及光阻(photo resistant)层190。形成非掺杂层120的方法可为有机金属化学气相沉积法(MOCVD)。形成光阻层190的方法可为旋转涂布(spin coating)法。接着，让光阻层190进行微影工艺，在光阻层190中形成数个开口195，且开口195的宽度L。
参考图3B，蚀刻非掺杂层120，使非掺杂层120具有数个沟槽170。蚀刻的方法可为干式蚀刻(dry etching)或湿式蚀刻(wet etching)。其中，干式蚀刻可为非等向性(anisotropic)蚀刻。根据一实施方式，沟槽170具有一深度D，且深度D小于等于10μm。
参考图3C，除去非掺杂层120上的光阻层190，以及依序在非掺杂层120上形成第一型半导体层140、主动层160以及第二型半导体层180，以得到图1所示的发光二极管100。形成第一型半导体层140、主动层160以及第二型半导体层180的方法可为有机金属化学气相沉积法(MOCVD)。根据一实施方式，直接位于非掺杂层120上的第一型半导体层140，其具有厚度T小于等于10μm。根据一实施方式，厚度T/沟槽深度D小于等于100，厚度T/沟槽开口宽度L小于等于100。
参照图4A-4C，其依序绘示依据本发明一实施方式的制备发光二极管200a/200b的制造流程剖面示意图。首先，如图4A所示，依序在基板210上形成非掺杂层220、第一型半导体层240以及光阻(photo resistant)层290。形成非掺杂层220和第一型半导体层240的方法可为化学气相沉积或有机金属化学气相沉积。形成光阻层290层的方法可为旋转涂布法。接着，微影光阻层290，使其光阻层的表面有数个开口295，且开口295的具有一宽度L。
参考图4B，蚀刻第一型半导体层240，使第一型半导体层240具有数个沟槽270。蚀刻的方法可为干式蚀刻(dry etching)或湿式蚀刻(wet etching)。其中，干式蚀刻可为非等向性(anisotriic)蚀刻。根据一实施方式，沟槽270具有一深度D。其中，且深度D小于等于10μm。
参考图4C，除去第一型半导体层240上的光阻层290，以及依序在第一型半导体层240上形成主动层260和第二型半导体层280，以得到图2A所示的发光二极管200。形成主动层260和第二型半导体层280的方法可为有机金属化学气相沉积(MOCVD)。若主动层260直接位在第一型半导体层240上，且主动层260具有厚度T小于等于10μm，厚度T/沟槽深度D小于等于10，或厚度T/沟槽开口宽度L小于等于10。
此外，因第一型半导体层240经蚀刻后，其晶格部分被改变，其可影响随后主动层260的晶格。根据一实施方式，发光二极管200c可选择性的在第一型半导体层240与主动层260之间形成另一非掺杂层250，以得到图2B所示的发光二极管200b，使其随后的主动层260具有良好结晶性。在此实施方式中，另一非掺杂层250也顺应着具有起伏状结构。若另一非掺杂层250直接位在第一型半导体层240上，另一非掺杂层也应具有厚度T，其与上述的厚度T相同。
依据上述所揭露的实施方式，本案提出发光二极管的半导体层的表面具有数个起伏状结构，以使随后的主动层也具有具起伏状结构。可改善已知发光二极管的发光效率不足的问题，经由增加主动层的发光面积，以提升发光二极管的发光效率。
虽然本发明已以实施方式揭露如上，并用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。鉴于依附项所定义，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，各种的改变、取代或交替方式，皆不偏离本实施方式的精神与范围。

Claims (13)

1.一种发光二极管，包含：
一基板；
一半导体层，配置在该基板上，该半导体层具有数个起伏状结构；以及
一主动层，具有另一数个起伏状结构，顺应性配置于该半导体层上。
2.如权利要求1所述的发光二极管，该半导体层包括一非掺杂层及一第一型半导体层，其中该第一型半导体层配置在该非掺杂层上。
3.如权利要求2所述的发光二极管，更包括一第二型半导体层，配置在该主动层上。
4.如权利要求3所述的发光二极管，其中该第一型半导体层为N型半导体层，该第二型半导体层为P型半导体层，该N型半导体层为掺杂硅的氮化镓化合物或掺杂硅的磷化铝镓铟化合物，P型半导体层为掺杂镁的氮化镓化合物或掺杂镁的磷化铝镓铟化合物。
5.如权利要求2所述的发光二极管，其中该非掺杂层或该第一型半导体层的起伏状结构为数个沟槽。
6.如权利要求5所述的发光二极管，其中该些沟槽的一开口宽度L小于等于30μm，一深度D小于等于10μm，且L/D小于等于100。
7.如权利要求5所述的发光二极管，其中直接位于该些沟槽上的该第一型半导体层或该主动层的一厚度T小于等于10μm，该厚度T/该些沟槽的该深度D小于等于10，该厚度T/该些沟槽的该开口宽度L小于等于10。
8.一种发光二极管的制造方法，包括：
在一基板上形成一半导体层；
图案化该半导体层，使该半导体层的表面具有数个沟槽结构；以及
顺应性形成一主动层在该半导体层上，以使该主动层具有起伏状结构。
9.如权利要求8所述的发光二极管的制造方法，其中该半导体层包括一非掺杂层及一第一型半导体层，其中该第一型半导体层配置在该非掺杂层上。
10.如权利要求9所述的发光二极管的制造方法，更包括形成另一非掺杂层于该第一型半导体层之上。
11.如权利要求8所述的发光二极管的制造方法，更包括形成一第二型半导体层于该主动层上。
12.如权利要求8所述的发光二极管的制造方法，其中该些沟槽的一开口宽度L小于等于30μm，一深度D小于等于10μm，且L/D小于等于100。
13.如权利要求8所述的发光二极管的制造方法，其中直接位于该些沟槽上的该第一型半导体层或该主动层的一厚度T小于等于10μm，该厚度T/该些沟槽的该深度D小于等于10，该厚度T/该些沟槽的该开口宽度L小于等于10。
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