CN103107257A - Led磊晶结构及制程 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种LED磊晶结构及制程，包括一个基板、一个缓冲层、一个结构层以及一个磊晶层。所述缓冲层成长在所述基板的顶面，所述结构层位于所述缓冲层与所述磊晶层之间。所述结构层具有复数个高、低温掺杂或无掺杂磊晶层，其中所述高、低温掺杂或无掺杂磊晶层之间具有一个粗糙面，所述粗糙面上设置一个二氧化硅层，所述二氧化硅层的顶面具有多数个以数组排列的凸块。本发明并提供制造所述LED磊晶结构的制程。
Description
技术领域
本发明涉及一种LED磊晶结构及制程，尤其涉及一种具有较佳出光效率的LED磊晶结构及制程。
背景技术
LED产业是近几年最受瞩目的产业之一，发展至今，LED产品已具有节能、省电、高效率、反应时间快、寿命周期时间长、且不含汞、具有环保效益等优点。然而由于LED的结构是以磊晶方式生长在蓝宝石基板上，磊晶与蓝宝石基板的晶格常数以及热膨胀系数差异极大，所以会产生高密度线差排(Thread Dislocation)，此种高密度线差排会限制LED的发光效率。此外，在LED的结构中，除了发光层(Active Layer)及其它磊晶层会吸收光以外，其半导体的高折射系数也会使得LED产生的光受到局限，且常产生全内反射使大部分从发光层发出的光线，被局限在半导体内部，这种被局限的光有可能被较厚的基板吸收。所以如何从半导体的发光层萃取光源，进而增加光萃取效率，是目前LED产业努力的课题。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种出光角度集中的LED磊晶结构及制程。
一种LED磊晶结构，包括一个基板、一个缓冲层、一个结构层以及一个磊晶层。所述缓冲层成长在所述基板的顶面，所述结构层位于所述缓冲层与所述磊晶层之间。所述结构层具有复数个高、低温掺杂或无掺杂磊晶层，其中所述高、低温掺杂或无掺杂磊晶层之间具有一个粗糙面，所述粗糙面上设置一个二氧化硅层，所述二氧化硅层的顶面具有多数个以数组排列的凸块。
一种LED磊晶制程，其包括以下的步骤，
提供一个基板，在所述基板的顶面上生长一个缓冲层；
成长一个结构层，以高、低温掺杂或无掺杂磊晶层堆栈成长在所述缓冲层的表面；
形成一个粗糙面，在所述结构层中的一个磊晶层表面上进行；
沉积一个二氧化硅层，在所述结构层内的所述粗糙面上沉积，并在所述二氧化硅层的顶面蚀刻形成多数个以数组排列的凸块；及
成长一个磊晶层，依序在所述结构层的表面成长一个N型磊晶层、一个发光层以及一个P型磊晶层。
上述的LED磊晶结构及制程中，由于所述结构层中一个磊晶层的表面为粗糙面,并且沉积具有所述二氧化硅层，所述二氧化硅层的顶面以蚀刻方式形成多数个以数组排列的凸块，因此藉由所述粗糙面以及数组所述凸块对光的反射、阻挡作用,从而使所述LED磊晶结构的出光角度较狭窄，出光角度狭窄可具有集中光线的作用,有效提高所述LED磊晶结构的发光强度。
附图说明
图1是本发明LED磊晶结构第一实施方式的剖视图。
图2是本发明LED磊晶结构第二实施方式的剖视图。
图3是本发明LED磊晶结构第三实施方式的剖视图。
图4是本发明LED磊晶结构第四实施方式的剖视图。
图5是本发明LED磊晶结构制程的步骤流程图。
图6是对应本发明LED磊晶结构制程成长一个结构层步骤的剖视图。
图7是对应本发明LED磊晶结构制程沉积一个二氧化硅层步骤的剖视图。
主要元件符号说明
| 磊晶结构 | 10、20、30、40 |
| 基板 | 12、22、32、42 |
| 图案化构型 | 320、420 |
| 顶面 | 122、322、422 |
| 底面 | 124 |
| 缓冲层 | 14、24 |
| 结构层 | 16、26、36、46 |
| 覆盖层 | 260、460 |
| 第一高温无掺杂磊晶层 | 162、262 |
| 第二低温无掺杂磊晶层 | 164、264 |
| 粗糙面 | 1642、4642 |
| 第三高温无掺杂磊晶 | 166、266 |
| 二氧化硅层 | 168、268 |
| 凸块 | 1682、2682、4682 |
| 磊晶层 | 18、28 |
| N型磊晶层 | 182 |
| 发光层 | 184 |
| P型磊晶层 | 186 |
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作一具体介绍。
请参阅图1，所示为本发明LED磊晶结构第一实施方式的剖视图，所述磊晶结构10，包括一个基板12、一个缓冲层14、一个结构层16以及一个磊晶层18。所述基板12包含有一个顶面122以及一个底面124。所述顶面122为一个平坦的表面，所述顶面122上成长所述缓冲层14。所述基板12为蓝宝石基板(Sapphire Substrate)。所述缓冲层14的表面成长所述结构层16。所述结构层16具有复数个高、低温掺杂或无掺杂磊晶层堆栈。第一实施方式中，所述结构层16包括一个第一高温无掺杂磊晶层(或是第一高温N型掺杂磊晶层)162、一个第二低温无掺杂磊晶层(或是第二低温N型掺杂磊晶层)164以及一个第三高温无掺杂磊晶层(或是第三高温N型掺杂磊晶层) 166。所述第一、二、三高、低温掺杂或无掺杂磊晶层162、164、166依序堆栈在所述缓冲层14的表面上，其中所述第二低温无掺杂磊晶层164的顶面为一个粗糙面1642，所述粗糙面1642上具有多数不规则孔洞。所述粗糙面1642上设置一个二氧化硅(SiO2)层168，所述二氧化硅层168填满所述粗糙面1642的不规则孔洞，并在所述二氧化硅层168顶面设置具有多数个以数组排列的凸块1682。所述凸块1682的形状并无限制，可以是圆形、矩形或是多边形，所述凸块1682的排列，依据所述凸块1682的直径与间距配合设置，并以所述凸块1682直径大于所述凸块1682间距的方式配置。例如，所述凸块1682直径为3奈米(μm)可配合2奈米(μm) 的间距排列设置，或是所述凸块1682直径为2奈米(μm) 以1奈米(μm) 的间距配合排列设置。所述二氧化硅层168再由所述第三高温无掺杂磊晶层166完全覆盖，使所述第一、二高、低温掺杂或无掺杂磊晶层162、164与所述二氧化硅层168和所述第三高温掺杂或无掺杂磊晶层166构成所述结构层16。所述结构层16的表面成长所述磊晶层18，所述磊晶层18依序包括一个N型磊晶层182、一个发光层184及一个P型磊晶层186。所述发光层184除了对外部发射光线外，对所述磊晶结构10的内部也会发射光线。所述发光层184对内部发射的光线会因为所述结构层16内部包含所述粗糙面1642以及数组排列的所述凸块1682，对所述发光层184发出的光线具有反射、集光的作用，从而使所述LED磊晶结构10的出光角度较狭窄，而可有效提高所述LED磊晶结构10的发光强度。
请再参阅图2，本发明LED磊晶结构第二实施方式的剖视图。所述磊晶结构20，包括一个基板22、一个缓冲层24、一个结构层26以及一个磊晶层28。相较于第一实施方式的所述磊晶结构10基本上相同，不同在于所述结构层26内部增加具有一个覆盖层260，所述覆盖层260为高温氮化铝(AlN)薄膜层。所述覆盖层260设置于所述结构层26中的所述二氧化硅层268顶面上，并覆盖多数个以数组排列的所述凸块2682。因此，第二实施方式的所述结构层26包括所述第一、二高、低温掺杂或无掺杂磊晶层262、264、所述二氧化硅层268、所述覆盖层260和所述第三高温掺杂或无掺杂磊晶层266。所述覆盖层260位于所述二氧化硅层268顶面上，主要使后续沉积的所述第三磊晶层266及所述磊晶层28容易且快速形成。另外，请参阅图3及图4本发明LED磊晶结构第三、四实施方式的剖视图。所述磊晶结构30、40分别对应第一、二实施方式的所述磊晶结构10、20，其中所述磊晶结构30相较于第一实施方式的所述磊晶结构10基本上相同，所述磊晶结构40则相较于第二实施方式的所述磊晶结构20基本上相同。所述磊晶结构30与所述磊晶结构10的所述结构层36、16均不包括有所述覆盖层260，其不同在于所述磊晶结构30的所述基板32顶面322具有一个图案化构型320。所述图案化构型320在所述顶面322上，能起到与所述粗糙面1642以及数组排列的所述凸块1682的相同作用，更加提高所述LED磊晶结构30的发光强度。所述磊晶结构40则与所述磊晶结构20的所述结构层46、26均包括有所述覆盖层260、460，其不同在于所述磊晶结构40的所述基板42顶面422具有一个图案化构型420。所述图案化构型420搭配所述结构层46内的所述粗糙面4642以及数组排列的所述凸块4682，可以再提高所述LED磊晶结构40的发光强度。
请再参阅图5，所示为本发明LED磊晶结构制程的步骤流程图，其包括以下的步骤：
S11提供一个基板，在所述基板的顶面上生长一个缓冲层；
S12成长一个结构层，以高、低温掺杂或无掺杂磊晶层堆栈成长在所述缓冲层的表面；
S13形成一个粗糙面，在所述结构层中的一个磊晶层表面上进行；
S14沉积一个二氧化硅层，在所述结构层内的所述粗糙面上沉积，并在所述二氧化硅层的顶面蚀刻形成多数个以数组排列的凸块；及
S15成长一个磊晶层，依序在所述结构层的表面成长一个N型磊晶层、一个发光层以及一个P型磊晶层。
所述步骤S11提供一个基板12，在所述基板12的顶面122上生长一个缓冲层14 ，所述基板12为蓝宝石基板，所述顶面122为一个平坦的表面。所述缓冲层14形成在所述顶面122的平坦的表面上。所述顶面122也可以为一个图案化构型320(如图3所示) 的表面 ，所述缓冲层14形成在所述顶面122的所述图案化构型320的表面上。
所述步骤S12成长一个结构层16，以高、低温掺杂或无掺杂磊晶层堆栈成长在所述缓冲层14的表面，将一个第一高温掺杂或无掺杂磊晶层162、一个第二低温掺杂或无掺杂磊晶层164与一个第三高温掺杂或无掺杂磊晶层166堆栈在所述缓冲层14的表面。所述第二低温掺杂或无掺杂磊晶层164的低温温度，是指相对于所述第一高温掺杂或无掺杂磊晶层162的生长温度。所述步骤S12进行中将一并进行所述步骤S13形成一个粗糙面1642，在所述结构层16中的一个磊晶层164表面上进行，以所述第二低温掺杂或无掺杂磊晶层164的表面，使用感应耦合电浆离子蚀刻(Inductively Coupled Plasma, ICP)或离子轰击方式，使所述第二低温掺杂或无掺杂磊晶层164的表面上具有多数不规则孔洞(如图6所示)，形成所述粗糙面1642。
接着进行所述步骤S14沉积一个二氧化硅层168，在所述结构层16内的所述粗糙面1642上沉积，并在所述二氧化硅层168的顶面蚀刻形成多数个以数组排列的凸块1682，所述二氧化硅层168在所述粗糙面1642上沉积，将填满所述粗糙面1642上多数不规则孔洞，使所述二氧化硅层168的顶面形成复数的颗粒状。所述颗粒状的二氧化硅层168顶面，再以蚀刻方式使所述二氧化硅层168的顶面形成多数个以数组排列的凸块1682(如图7所示)。所述步骤S14完成后接着进行所述步骤S12的完成程序，在所述凸块1682的所述二氧化硅层168表面上，再成长所述第三高温掺杂或无掺杂磊晶层166，就可以完成所述步骤S12的所述结构层16。最后，所述步骤S15成长一个磊晶层18，依序在所述结构层16的表面成长一个N型磊晶层182、一个发光层184以及一个P型磊晶层186，所述磊晶层18在所述结构层16的表面成长后完成所述磊晶结构10制程。
所述结构层16的所述二氧化硅层168表面上后续沉积生长的所述磊晶层166、18，为使所述磊晶层166、18沉积生长容易快速，所述步骤S14沉积一个二氧化硅层168后，更进一步包括形成一个覆盖层260(如图2所示) 步骤 ，在所述二氧化硅层168表面覆盖一个高温氮化铝(AlN)薄膜层，所述氮化铝薄膜层有助于后续所述磊晶层166、18的沉积生长。
综上，本发明LED磊晶结构及制程，使所述结构层16的内部具有所述粗糙面1624以及数组排列的所述凸块1682存在，所述基板12可以使用具有所述图案化构型320顶面的蓝宝石基板。所述发光层184发射的光线通过这些粗化的表面的作用，可增加所述磊晶结构的发光强度。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其它变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。
Claims (13)
1.一种LED磊晶结构，包括一个基板、一个缓冲层、一个结构层以及一个磊晶层，所述缓冲层成长在所述基板的顶面，所述结构层位于所述缓冲层与所述磊晶层之间，其特征在于：所述结构层具有复数个高、低温掺杂或无掺杂磊晶层，其中所述高、低温掺杂或无掺杂磊晶层之间具有一个粗糙面，所述粗糙面上设置一个二氧化硅层，所述二氧化硅层的顶面具有多数个以数组排列的凸块。
2.如权利要求1所述的LED磊晶结构，其特征在于：所述基板为蓝宝石基板，所述基板的顶面为一个平坦表面。
3.如权利要求1所述的LED磊晶结构，其特征在于：所述基板的顶面具有一个图案化构型。
4.如权利要求1所述的LED磊晶结构，其特征在于：所述复数个高、低温掺杂或无掺杂磊晶层，包括一个第一高温无掺杂磊晶层、一个第二低温无掺杂磊晶层以及一个第三高温无掺杂磊晶层。
5.如权利要求4所述的LED磊晶结构，其特征在于：所述复数个高、低温掺杂或无掺杂磊晶层，包括一个第一高温N型掺杂磊晶层、一个第二低温N型掺杂磊晶层及一个第三高温N型掺杂磊晶层。
6.如权利要求4所述的LED磊晶结构，其特征在于：所述第二低温无掺杂磊晶层的顶面为所述粗糙面，所述粗糙面上具有多数不规则孔洞，所述不规则孔洞被所述二氧化硅层填满。
7.如权利要求1所述的LED磊晶结构，其特征在于：所述凸块的数组排列，依据所述凸块的直径与间距配合设置，并以所述凸块直径大于所述凸块间距的方式配置。
8.如权利要求1所述的LED磊晶结构，其特征在于：所述二氧化硅层的顶面具有一个覆盖层，所述覆盖层为高温氮化铝薄膜层。
9.如权利要求1所述的LED磊晶结构，其特征在于：所述磊晶层依序包括一个N型磊晶层、一个发光层及一个P型磊晶层。
10.一种LED磊晶制程，其包括以下的步骤：
提供一个基板，在所述基板的顶面上生长一个缓冲层；
成长一个结构层，以高、低温掺杂或无掺杂磊晶层堆栈成长在所述缓冲层的表面；
形成一个粗糙面，在所述结构层中的一个磊晶层表面上进行；
沉积一个二氧化硅层，在所述结构层内的所述粗糙面上沉积，并在所述二氧化硅层的顶面蚀刻形成多数个以数组排列的凸块；及
成长一个磊晶层，依序在所述结构层的表面成长一个N型磊晶层、一个发光层以及一个P型磊晶层。
11.如权利要求10所述的LED磊晶制程，其特征在于：所述成长一个结构层步骤中，所述低温掺杂或无掺杂磊晶层的低温温度，是指相对于所述高温掺杂或无掺杂磊晶层的生长温度。
12.如权利要求10所述的LED磊晶制程，其特征在于：所述形成一个粗糙面步骤中，是以感应耦合电浆离子蚀刻或离子轰击方式进行。
13.如权利要求10所述的LED磊晶制程，其特征在于：所述沉积一个二氧化硅层步骤后，更进一步包括形成一个覆盖层步骤，在所述二氧化硅层表面覆盖一个高温氮化铝薄膜层。
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