CN103367578A - 发光二极管 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种发光二极管，此发光二极管包括：一金属反射层、一载板、一分散布拉格反射层、一缓冲层以及一发光二极管外延结构。上述载板位于金属反射层之下。上述分散布拉格反射层位在该金属反射层上。上述缓冲层位于分散布拉格反射层之上。上述发光二极管外延结构位于缓冲层之上。本发明可以增加发光二极管的出光效率，并避免产生薄膜裂痕的问题。

Description

发光二极管
技术领域
本发明涉及一种发光二极管的技术，且特别涉及一种用以改善发光二极管制造的良率的制造程序以及用此制造程序所产生不同结构的发光二极管。
背景技术
由于人类生活文明的进步，照明装置已成为日常生活中不可或缺的用品。在早先，照明装置一般是白炽灯泡（钨丝灯泡），因此，以往若要对照明装置进行调光，只需要额外在插头与灯具之间设置一可变电阻旋扭，通过调整可变电阻即可进行调光。然而，白炽灯泡具有发热、寿命短、发光效率低、以及功率消耗大的缺点，目前几乎已经全然淘汰。
发光二极管（Light Emitting Diode,简称LED）是一种固态发光元件，主要由P型与N型的半导体材料组成，它能产生在紫外线、可见光以及红外线区域内的自幅射光。一般可见光的发光二极管大部分应用在电子仪器设备的指示器或是照明，而红外线的发光二极管则应用于光纤通信方面。
由于LED（发光二极管）具有发光效率高、使用寿命长、不易损坏、耗电量少、环保及体积小等优点，近来在环保与节能低碳的趋势下，LED的应用愈来愈广泛，例如交通信号、路灯、手电筒、液晶显示的背光模块或是譬如LED灯泡的各式照明装置等。
分散式布拉格层（Distributed Bragg Reflector；DBR）常用于氮化物基LED（Nitride base LED）的结构中，用来提高发光二极管的出光效率。氮化镓(GaN)与氮化镓铝(AlGaN)因为具有很大的折射率差异，因此很常见用于制作氮化镓元件的分散式布拉格反射层。不过，这两种材料的结合也会带来很大的晶格不匹配与热膨胀系数等差异，如此一来很容易会导致外延层产生裂痕或缺陷。
利用外延制作DBR所产生的应力问题会影响整体LED的晶格品质，造成结构缺陷。特别的是，成长DBR结构会伴随较大的拉伸应力(tensile strain)，因此常会使后续的外延层无法有效释放应力，而形成裂痕。另外，在硅基板成长LED结构一直有晶圆应力(wafer strain)的问题存在，使得裂痕产生，因此要利用外延的方式来成长DBR结构，晶圆势必要承受更大的拉伸应变，容易形成裂痕。
发明内容
本发明的目的是提供一种发光二极管的结构，在制作DBR之前加入氮化镓铟铝(AlInGaN)作为应力释放层，以避免制作DBR时产生薄膜裂痕(filmcrack)。另外，本发明调整外延工艺的顺序，最后才成长DBR，可以在不影响其他外延层的情况下，调变DBR的成长条件以提升DBR的外延品质。
为了达成本发明的上述目的及其他目的，本发明提出一种发光二极管。此发光二极管包括：一金属反射层、一载板、一分散布拉格反射层、一缓冲层以及一发光二极管外延结构。上述载板位于金属反射层之下。上述分散布拉格反射层位在该金属反射层上。上述缓冲层位于分散布拉格反射层之上。上述发光二极管外延结构位于缓冲层之上。
依照本发明较佳实施例所述的发光二极管，此发光二极管还包括一接合层，位在载板与金属反射层之间。又，进一步的实施例中，此接合层的材料选自由银胶、自发性导电高分子或高分子中掺杂导电材质所形成的粘合材料。另外，此分散布拉格反射层直接形成在金属反射层与缓冲层之间。进一步的实施例中，分散布拉格反射层由氮化铝与氮化镓以堆叠方式形成。另外，上述发光二极管外延结构包括一第一型半导体层、一有源层、一第二型半导体层、一第一电极以及、一第二电极。第一型半导体层位于缓冲层之上。有源层位于第一型半导体层之上。第二型半导体层位于有源层之上。第一电极位于第一型半导体层之上。第二电极位于第二型半导体层之上。
依照本发明较佳实施例所述的发光二极管，上述第一型半导体层为N型半导体层而第二型半导体层为P型半导体层。另一实施例中，第一型半导体层为P型半导体层而第二型半导体层为N型半导体层。又，进一步实施例中，上述缓冲层的晶格常数介于氮化镓（GaN）的晶格常数与氮化铝（AlN）的晶格常数之间。在更进一步实施例中，上述缓冲层的材质包括氮化镓铟铝（AlInGaN）。
依照本发明较佳实施例所述的发光二极管，上述金属反射层的材料选自由In、Al、Ti、Au、W、InSn、TiN、WSi、PtIn2、Nd/Al、Ni/Si、Pd/Al、Ta/Al、Ti/Ag、Ta/Ag、Ti/Al、Ti/Au、Ti/TiN、Zr/ZrN、Au/Ge/Ni、Cr/Ni/Au、Ni/Cr/Au、Ti/Pd/Au、Ti/Pt/Au、Ti/Al/Ni/Au、Au/Si/Ti/Au/Si、Au/Ni/Ti/Si/Ti或其合金所组成的一族群。
本发明的有益效果在于，本发明的发光二极管是使用载板承载，其外延结构的底层具有分散布拉格反射层与金属反射层，可以增加发光二极管的出光效率。分散布拉格反射层形成在发光二极管外延结构的顶部，所以没有应力堆叠与累积的问题，可以避免产生薄膜裂痕的问题。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。
附图说明
图1绘示为本发明实施例所述的发光二极管的结构示意图。
图2A~图2H为根据本发明实施例的发光二极管的工艺示意图。
其中，附图标记说明如下：
101：载板
102：金属反射层
103：分散布拉格反射层
104：缓冲层
105：第一半导体层
106：有源层
107：第二半导体层
110：发光二极管外延结构
201：基板
202：载板
203、204：导电电极
具体实施方式
在下文中，将通过附图说明本发明的实施例来详细描述本发明，而附图中的相同参考数字可用以表示类似的元件。
图1绘示为本发明实施例所述的发光二极管的结构示意图。请参考图1，发光二极管的结构包括载板(bonding substrate)101、金属反射层(metalmirror)102、分散式布拉格反射层（Distributed Bragg Reflector；DBR）103、缓冲层104以及发光二极管外延结构110。上述载板101位于金属反射层102之下。上述分散布拉格反射层103位在金属反射层102上。上述缓冲层104位于分散式布拉格反射层103之上。上述发光二极管外延结构110位于缓冲层104之上。
特别的是，此实施例中，用来外延成长发光二极管外延结构110的基板可以被去除，上述基板例如是硅基板(Si substrate)、蓝宝石基板（SapphireSubstrate）或碳化硅基板(SiC substrate))。发光二极管外延结构110会被倒置并且直接粘贴在载板（bounding substrate）101上。换言之，最终成品的发光二极管元件主要是由发光二极管外延结构110与载板101构成，而不具有原先用来成长发光二极管外延结构110的基板。这是因为倒置后的发光二极管外延结构110，其发光面是原先基板的底面，所以底部基板需要经由研磨或蚀刻去除大部分的厚度，以增加发光效率。
分散式布拉格反射层103是形成在缓冲层104与金属反射层102之间，而非直接形成于蓝宝石基板或硅基板上。值得住意的是，上述缓冲层104是位于发光二极管外延结构110与分散式布拉格反射层103之间，而非如传统技术中直接形成在蓝宝石基板与硅基板上。也就是说，本实施例中的分散式布拉格反射层103的工艺是在形成发光二极管外延结构110后进行，所以分散式布拉格反射层103是位于发光二极管外延结构110与金属反射层102之间。
值得注意的是，上述载板101例如是IC载板，其材质例如是印刷电路板(printed circuit board,简称PCB)或陶瓷或塑料或玻璃纤维，本实施例不受限制。上述金属反射层102的材料可以由In、Al、Ti、Au、W、InSn、TiN、WSi、PtIn2、Nd/Al、Ni/Si、Pd/Al、Ta/Al、Ti/Ag、Ta/Ag、Ti/Al、Ti/Au、Ti/TiN、Zr/ZrN、Au/Ge/Ni、Cr/Ni/Au、Ni/Cr/Au、Ti/Pd/Au、Ti/Pt/Au、Ti/Al/Ni/Au、Au/Si/Ti/Au/Si、Au/Ni/Ti/Si/Ti或其合金所组成。载板101与金属反射层102之间具有一结合层(图中未绘示)以粘合载板101与金属反射层102。上述接合层的材料例如是银胶、自发性导电高分子或高分子中掺杂导电材质所形成的粘合材料，但本实施例不限制于此。
上述分散式布拉格反射层103由氮化铝(AlN)与氮化镓(GaN)以交互堆叠结构形成，例如一层氮化铝，一层氮化镓依序形成DBR外延结构。氮化铝与氮化镓形成的方式可利用金属有机化学气相沉积系统(MOCVD)。特别说明的是，本实施例不限制分散式布拉格反射层103的外延结构、氮化铝与氮化镓的堆叠层数、各层厚度以及其形成方式。
上述缓冲层104的晶格常数介于氮化镓(GaN)的晶格常数与氮化铝(AlN)的晶格常数之间，例如是氮化镓铟铝(AlInGaN)，但本实施例不受限制。缓冲层104是作为应力释放层，可以降低在发光二极管外延结构110上成长分散式布拉格反射层103所造成的应力问题，藉此降低发生裂痕的机会。
上述发光二极管外延结构110包括第一型半导体层105、有源层106与第二型半导体层107。在本实施例中，第一型半导体层105为P型半导体层，例如为镁掺杂的磷化铝镓铟材料或镁掺杂的氮化镓材料(pGaN)；第二型半导体层107为N型半导体层，例如为硅掺杂的磷化铝镓铟材料或硅掺杂的氮化镓材料(nGaN)；有源层106可为多重量子阱(Multiquantum Well,MQW)结构，例如为氮化铟镓/氮化镓(In0.3Ga0.7N/GaN)量子阱结构。值得注意的是，在本发明另一实施例中，第一型半导体层105可以是N型半导体层，第二型半导体层107可以是P型半导体层。
发光二极管外延结构110可以利用有机金属化学气相沉积法(metalorganic chemical-vapor deposition,MOCVD)、液相外延法(Liquid Phase Epitaxy,LPE)或分子束外延法(Molecular Beam epitaxy,MBE)来形成，本实施例不受限制。
另外，值得一提的是，第一型半导体层105与第二型半导体层107上可以形成导电电极(conductive electrode)(图中未绘示)，其材质例如为Ni/Au(镍/金)或Ti/Al/Pt/Au(钛/铝/铂/金)，但本实施例不限制于此。导电电极可利用蒸镀方式形成的低电阻接口，可做为金属与半导体之间的双向沟通，形成欧姆接触(ohmic contact)。
接下来，以工艺方式说明上述发光二极管的结构形成方式，请参照图2A~图2H，图2A~图2H为根据本发明实施例的发光二极管的工艺示意图。本实施例的发光二极管的工艺至少包括下列步骤：
步骤一：请参照图2A，在基板（例如蓝宝石基板、硅基板或是碳化硅基板）201上形成发光二极管外延结构110(至少包括第一型半导体层105、有源层106与第二型半导体层107)。值得注意的是，外延的较佳顺序是nGaN→MQW→pGaN，但本实施例不受限制。
步骤二：请参照图2B，在发光二极管外延结构110上形成缓冲层104，其材质例如为氮化镓铟铝(AlInGaN)，缓冲层104可以释放因成长DBR结构所造成的应力，避免产生薄膜裂痕(film crack)。
步骤三：请参照图2C，在形成缓冲层104后，以外延方式制作分散式布拉格反射层103于缓冲层104上，并且通过缓冲层104，降低成长分散式布拉格反射层103所产生的应力。由于分散式布拉格反射层103是形成在发光二极管外延结构110的顶部，因此没有应力堆叠与累积的问题，可以降低成长分散式布拉格反射层103的难度与产生薄膜裂痕的问题。
步骤四：请参照图2D，在分散式布拉格反射层103上形成金属反射层102，其金属反射层102可以利用溅镀方式(sputter)制作。
步骤五：请参照图2E，倒置已形成的发光二极管结构(晶片)，并且利用结合材料将金属反射层102粘贴于载板202上，其接合材料选自由银胶、自发性导电高分子或高分子中掺杂导电材质所形成的粘合材料。换言之，金属反射层102与载板202之间会形成一层接合层。
步骤五：请参照图2F，以激光剥离技术（Laser lift off，LLO）或研磨方式移除基板201。
步骤六：请参照图2G，以干蚀刻(dry etching)的方式在外延表面上蚀刻出粗糙表面(rough surface)。
步骤七：请参照图2H，在发光二极管外延结构110形成后，可以经由光刻、蚀刻等工艺定义发光二极管外延结构110的结构，以形成发光二极管结构平台（Mesa），并且在第一半导体层105与第二半导体层107上分别形成导电电极203、204以作为发光二极管的正、负电极使用。
值得注意的是，发光二极管的工艺尚包括光刻、蚀刻、清洗、切割等细部工艺，本技术领域的技术人员经由本实施例的揭示应可轻易推知，在此不加赘述。
较为特别的是，由于本实施例的工艺会将晶片“倒置”，所以发光二极管外延结构110由靠近分散式布拉格反射层103的一侧至出光面的排列顺序(nGaN→MQW→pGaN)与其外延成长顺序(pGaN→MQW→nGaN)是相反的。分散式布拉格反射层103的工艺位于发光二极管外延结构110之后，且在形成分散式布拉格反射层103之前，会在发光二极管外延结构110之上形成缓冲层104，因此可以降低裂痕的产生。另外，由于分散式布拉格反射层103是最后一层外延结构，所以可以在不影响其他外延层的情况下，调变分散式布拉格反射层103的成长条件，来提升分散式布拉格反射层103的外延品质。
另外，相较于以溅镀（Sputter）制作分散布拉格反射层（DBR）（例如SiO2/TiO2）结构，利用外延成长分散布拉格反射层（DBR）（例如AlN/GaN），其材料的串联阻值远小于介电材料，所以有助于垂直式元件上的应用
综上所述，本发明的发光二极管具有分散布拉格反射层与金属反射层，可以有效增加发光二极管的出光效率，且在发光二极管外延结构顶部形成缓冲层与分散式布拉格反射层的工艺方式可以有效降低分散式布拉格反射层所产生的应力问题，避免产生薄膜裂痕。
虽然本发明的较佳实施例已揭示如上，然本发明并不受限于上述实施例，任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明所揭示的范围内，当可作些许的更动与调整，因此本发明的保护范围应当以权利要求所界定者为准。

Claims (10)

1.一种发光二极管，其特征在于，包括：
一金属反射层；
一载板，位于该金属反射层之下；
一分散式布拉格反射层，位在该金属反射层上；
一缓冲层，位于该分散式布拉格反射层之上；以及
一发光二极管外延结构，位于该缓冲层之上。
2.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，该发光二极管还包括：
一接合层，位在该载板与该金属反射层之间。
3.如权利要求2所述的发光二极管，其特征在于该接合层的材料为银胶、自发性导电高分子或高分子中掺杂导电材质所形成的粘合材料。
4.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于该分散式布拉格反射层直接形成在该金属反射层与该缓冲层之间。
5.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于该分散式布拉格反射层由氮化铝与氮化镓以堆叠方式形成。
6.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于该发光二极管外延结构包括：
一第一型半导体层，位于该缓冲层之上；
一有源层，位于该第一型半导体层之上；
一第二型半导体层，位于该有源层之上；
一第一电极，位于该第一型半导体层之上；以及
一第二电极，位于该第二型半导体层之上。
7.如权利要求6所述的发光二极管，其特征在于该第一型半导体层为N型半导体层而该第二型半导体层为P型半导体层，或该第一型半导体层为P型半导体层而该第二型半导体层为N型半导体层。
8.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于该缓冲层的晶格常数介于氮化镓的晶格常数与氮化铝的晶格常数之间。
9.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于该缓冲层的材质包括氮化镓铟铝。
10.如权利要求1~9其中任一所述的发光二极管，其特征在于该金属反射层的材料为In、Al、Ti、Au、W、InSn、TiN、WSi、PtIn2、Nd/Al、Ni/Si、Pd/Al、Ta/Al、Ti/Ag、Ta/Ag、Ti/Al、Ti/Au、Ti/TiN、Zr/ZrN、Au/Ge/Ni、Cr/Ni/Au、Ni/Cr/Au、Ti/Pd/Au、Ti/Pt/Au、Ti/Al/Ni/Au、Au/Si/Ti/Au/Si、Au/Ni/Ti/Si/Ti或其合金。
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