CN103378249A - 发光二极管的具有介电材料层的半导体层及其制作方法 - Google Patents

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武良文
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Abstract

本发明提供一种发光二极管的具有介电材料层的半导体层及其制作方法，用以提升外部量子效率，其至少包含有一半导体层，该半导体层内部包含有一具有多个间隔区的粗化层，每一间隔区中具有至少一介电材料层，该至少一介电材料层呈倒金字塔型，该至少一介电材料层的部分须露出于该粗化层之外，透过利用该介电材料层作为光的散射界面，使得自发光层放射的光子能藉由介电材料层的散射效应及间隔区呈斜切的内侧面以帮助提升光子射出于发光二极管之外的机率，如此可降低全反射发生的机率，藉以达成提升外部量子效率的目的。

Description

发光二极管的具有介电材料层的半导体层及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种发光二极管的具有介电材料层的半导体层及其制作方法，尤其是一种能降低全反射并提升外部量子效率的发光二极管。
背景技术
氮化镓(GaN)系发光二极管，由于可以借着控制材料的组成来制作出各种色光的发光二极管，其相关技术因此成为近年来业界与学界积极研发的焦点。学界与业界对氮化镓系发光二极管的研究重点之一在于了解氮化镓系发光二极管的发光特性，进而提出提升其发光效率与亮度的做法。这种高效率与高亮度的氮化镓系发光二极管，未来将可以有效应用于户外显示广告牌、车用照明等领域。
氮化镓系发光二极管的发光效率，主要和氮化镓系发光二极管的内部量子效率以及外部量子效率有关。前者和氮化镓系发光二极管主动层里电子电洞结合进而释放出光子的机率有关。电子电洞愈容易复合，光子愈容易产生，内部量子效率就愈高，氮化镓系发光二极管的发光效率通常也就愈高。后者则和光子不受氮化镓系发光二极管本身的吸收与影响、成功脱离氮化镓系发光二极管的机率有关。愈多光子能释放到氮化镓系发光二极管之外，外部量子效率就愈高，氮化镓系发光二极管的发光效率通常也就愈高。
氮化镓系发光二极管的外部量子效率主要取决于其顶端表层的型态与其折射率。现有技术的氮化镓系发光二极管与空气的折射率分别是2.5与1。因为现有技术的氮化镓系发光二极管的折射率较高，很容易形成内部全反射。所产生出来的光子，由于内部全反射的缘故，很不容易释放到氮化镓系发光二极管之外。氮化镓系发光二极管的外部量子效率因而通常受到相当大的限制，因此需要一种能提升外部量子效率的发光二极管结构。
再者，现今在磊晶基材表面上进行粗化图案的作法，是在蓝宝石基材表面上涂布光阻，并利用微影制程图案化后，再利用干式或湿式的蚀刻方式去除未受光阻覆盖的区域，进而在磊晶基材表面上形成规则化的图案形状。
然而现有技术的缺点在于粗化的方式上受限于需要利用微影制程来进行，这使得粗化图案的形状仅受限于所谓的圆形、方形、长条形等规则化的图案，导致光粹取的效益受到限制，因此必须构思并实现一种不须透过微影制程，即能制作出具有高分布密度并使光子散射效应最大化的一种发光二极管。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种有效提升外部量子效率的发光二极管，其中发光二极管的半导体层内具有介电材料层，利用介电材料层作为光子散射的界面，藉以提升光子射出于发光二极管的机率，藉以达成提升外部量子效率的目的。
为达上述目的，本发明的具体技术手段包含有一半导体层，其中该半导体层内部包含有一具有多个间隔区的粗化层，每一间隔区中具有至少一介电材料层，该至少一介电材料层呈倒金字塔型，且该至少一介电材料层的部分露出于该粗化层之外。
本发明的另一目的在于提供一种发光二极管的具有介电材料层的半导体层，其中在粗化层的间隔区中直接形成高密度散布的介电材料层，如此可省去如微影制程的步骤，节省制造时间及成本，且由于高密度散布的介电材料层，可将光散射效应最大最佳化。
为达上述目的，本发明的具体技术手段包含在一基材上成长一半导体层的一部分，该半导体层的表层为一粗化层，该粗化层具有多个间隔区；在该粗化层上沉积至少一介电材料层；将该介电材料层降减至使部分的该粗化层能够外露的程度；以及在该粗化层与该介电材料层上完成该半导体层的另一部分的长成。
因此本发明可解决现有技术的缺失，减少全反射的发生，并增加外部量子效率。
附图说明
图1为本发明的发光二极管的具有介电材料层的半导体层的结构示意图；
图2为本发明的发光二极管的具有介电材料层的半导体层的较佳实施例示意图；
图3为本发明的发光二极管的具有介电材料层的半导体层的制作方法示意图；
图4为本发明的发光二极管的具有介电材料层的半导体层的制作方法示意图；
图5为本发明的发光二极管的具有介电材料层的半导体层的制作方法示意图；以及
图6为本发明的发光二极管的具有介电材料层的半导体层的制作方法示意图。
主要组件符号说明
1半导体层
3粗化层
5介电薄膜层
6基材
7发光层
8第一半导体层
31间隔区
具体实施方式
以下配合图式及组件符号对本发明的实施方式做更详细的说明，以使本领域技术人员在研读本说明书后能据以实施。
参考图1，图1为本发明的发光二极管的具有介电材料层的半导体层的结构示意图。本发明涉及一种发光二极管的具有介电材料层的半导体层，其至少包含有一半导体层1，该半导体层1的材料可以是一元素半导体、一化合物半导体或其它适当半导体材料。该化合物半导体可使用二元、三元或四元的三-五(III-IV)族化合物半导体材料，比如砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)及其它化合物半导体。
该半导体层1内具有一粗化层3，该粗化层3为一粗化表面，其中该粗化层3具有多个间隔区31，每一间隔区31中形成有一介电材料层5，且该介电材料层5不得覆盖该粗化层3，亦即部分该粗化层3须外露于该介电材料层5之外。
该介电材料层5概呈倒金字塔型，该介电材料层也可以呈球型状，该介电材料层5作为光的散射中心，使得从发光层(图未显示)射出的光线能藉由该介电材料层5的散射效应进而减少全反射的产生，藉以达成提升发光效率的目的，再搭配该间隔区31呈斜切的内侧面，更有助于将光子导往外部空间的方向，藉以有效提升外部量子效率，其中该介电材料层5的较佳的材料可以是二氧化硅(SiO2)、硅氮化物(SiNx)、五氧化二钽(Ta2O5)、二氧化钛(TiO2)、氧化锌(ZnO)、二氧化铪(HfO2)、过氧化镁(MgO2)、氮化镁(MgNx)或具有能隙高、耐高温及与氮化镓材料的折射系数不同的材料。
参考图2，图2为本发明的发光二极管的具有介电材料层的半导体层的较佳实施例示意图。其中该半导体层1位于一基材6之上，而该半导体层1上则依序具有一发光层7及一第一半导体层8，要注意的是，图式中只显示出与本发明特征有关的组件，并不显示出其它众所周知的组件，以方便说明本发明内容，亦即，该发光二极管虽然还包括许多组件，但不影响以下的说明。
当电流通过发光层7时，发光层7的内电子和电洞会相互结合，并因电子与电洞结合所释放的能量而放射光子，在该发光层7上半部的光子有机会向外射出，但在该发光层7下半部的光子则会往基材6方向行进，但透过本发明的半导体层1中的介电材料层5，使光子得以透过该介电材料层5作为光散射界面，以产生散射效应使光子得以反射至该间隔区31的呈斜切的内侧面，如此有助于光子朝外部射出，藉以降低全反射效应，进而有效提高外部量子效率。
其中若该半导体层1为N型氮化镓系半导体，第一半导体层8则为P型氮化镓系半导体，亦即若该半导体层1为P型氮化镓系半导体，则第一半导体层8为N型氮化镓系的半导体，要注意的是本发明的介电材料层5并不限定于设置于该半导体层1或第一半导体层8，其配置方式视实际需求而定，只要是半导体层1内具有能将光线间接或直接导向至外部环境中的介电材料层5皆落在本发明的范围之内。
参考图3-图6，分别为本发明的发光二极管的具有介电材料层的半导体层的制作方法示意图。首先在一基材6成长一半导体层1的一部分，如图3所示，其中部分先成长的该半导体层1的表层部分为一粗化层3，该粗化层3具有多个间隔区31，该粗化层3为一粗化表面，该等间隔区31则散布于该粗化表面之中，其中该基材6包含一基板、一磊晶层、一金属层、一发光层或其它适当的组件。该半导体层1的材料可以是一元素半导体、一化合物半导体或其它适当半导体材料。该化合物半导体可使用二元、三元或四元的三-五(III-IV)族化合物半导体材料，比如砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)及其它化合物半导体。
其中该粗化层3经由对半导体层1进行一表面处理而形成，比如，利用研磨方式而使半导体层1上形成不规则性的粗糙表面，或是以反应式离子蚀刻(RIE)的方式使该半导体层1表面形成具规则性或周期性变化的粗糙表面，关于粗化层3的形成方式属现有技术的范畴，在此不加以详述，本发明的并不限定粗化层3的结构变化。
接着，在该粗化层3上沉积一介电材料层5，如图4所示，该介电材料层5的材料可以是二氧化硅(SiO2)、硅氮化物(SiNx)、五氧化二钽(Ta2O5)、二氧化钛(TiO2)、氧化锌(ZnO)、二氧化铪(HfO2)、过氧化镁(MgO2)、氮化镁(MgNx)或具有能隙高、耐高温及与氮化镓材料的折射系数不同的材料。
接着，利用感应耦合电浆离子蚀刻技术(ICP-RIE)将该介电材料层5蚀刻至使部分的该粗化层3能够外露的程度，如图5所示，较佳地，每一间隔区3内的介电材料层5呈现为倒金字塔的型态。
最后，在该粗化层3与该介电材料层5上完成该半导体层1的另一部分的长成，如图6所示。依本发明制作方法所产生的完成品，可与发光二极管的其余制程相衔接或整合，使发光二极管的发光效率有效提升。
以上所述者仅为用以解释本发明的较佳实施例，并非企图据以对本发明做任何形式上的限制，因此，凡有在相同的发明精神下所作有关本发明的任何修饰或变更，皆仍应包括在本发明意图保护的范畴。

Claims (9)

1.一种发光二极管的具有介电材料层的半导体层，用以提升外部量子效率，其特征在于，该发光二极管的具有介电材料层的半导体层至少包含有一半导体层，其中该半导体层内部包含有一具有多个间隔区的粗化层，每一间隔区中具有至少一介电材料层，该至少一介电材料层呈倒金字塔型，且该至少一介电材料层的部分露出于该粗化层之外。
2.如权利要求1所述的发光二极管的具有介电材料层的半导体层，其特征在于，该半导体层的材料包含一元素半导体或一化合物半导体的至少其中之一。
3.如权利要求1所述的发光二极管的具有介电材料层的半导体层，其特征在于，该至少一介电材料层的材料包含二氧化硅、硅氮化物、五氧化二钽、二氧化钛、氧化锌、二氧化铪、过氧化镁或氮化镁的至少其中之一。
4.如权利要求1所述的发光二极管的具有介电材料层的半导体层，其特征在于，该至少一介电材料层呈球型状。
5.一种发光二极管的具有介电材料层的半导体层的制作方法，其特征在于，包含：
在一基材上成长一半导体层的一部分，该半导体层的表层为一粗化层，该粗化层具有多个间隔区；
在该粗化层上沉积至少一介电材料层；
将该至少一介电材料层降减至使部分的该粗化层能够外露的厚度；以及
在该粗化层与该至少一介电材料层上完成该半导体层的另一部分的长成。
6.如权利要求5所述的发光二极管的具有介电材料层的半导体层的制作方法，其特征在于，该基材包含一基板、一磊晶层、一金属层或一发光层的至少其中之一。
7.如权利要求5所述的发光二极管的具有介电材料层的半导体层的制作方法，其特征在于，该半导体层是一元素半导体或一化合物半导体的至少其中之一。
8.如权利要求5所述的发光二极管的具有介电材料层的半导体层的制作方法，其特征在于，该至少一介电材料层的材料包含二氧化硅、硅氮化物、五氧化二钽、二氧化钛、氧化锌、二氧化铪、过氧化镁或氮化镁的至少其中之一。
9.如权利要求5所述的发光二极管的具有介电材料层的半导体层的制作方法，其特征在于，该至少一介电材料层的蚀刻透过感应耦合电浆离子蚀刻技术而达成。
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