CN1255880C - 发光二极管结构及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种发光二极管的结构及其制造方法，运用高反射率的布拉格反射层来增加发光二极管的亮度，以避免发出的光被基板吸收掉。是在垂直堆叠的发光二极管晶粒结构中的基板上方提供高铝含量砷化铝镓/磷化铝镓铟层，或高铝含量砷化铝镓/铝含量低于高铝含量砷化铝镓的低铝含量砷化铝镓层来形成高反射率布拉格反射结构，用以反射发光二极管所产生的光，且反射的波长可以涵盖很宽波长范围。其所制造的发光二极管，其发光的亮度可以很显著的被提升。
Description
技术领域
本发明是关于一种发光二极管(Light Emitting Diode；LED)晶粒结构及其制造方法，特别是一种有关利用高反射性的布拉格反射层来增加发光二极管的亮度的发光二极管的结构及其制造方法。
背景技术
常用的磷化铝镓铟发光二极管具有一双各向异性结构(DoublHeterostructure；DH)，其构造如图1所示，是在一n型砷化镓(GaAs)基板(Substrate)上成长一铝摩尔含量在0.7≤x≤1.0的n型(AlxGa1-x)0.5In0.5P下包覆层4、一(AlxGa1-x)0.5In0.5P活性层5、一铝摩尔含量为0.7≤x≤1.0的P型(AlxGa1-x)0.5In0.5P上包覆层6及一P型高能隙高载流子(Carrier)浓度的磷化铝镓铟、磷砷化镓或砷化铝镓电流分散层(Current SpreadingLayer)7，利用改变活性层的组成，便可以改变发光二极管发光波长，使其产生从650nm红色至555nm纯绿色的波长。但此一常用的发光二极管有一缺点，就是活性层产生的光，往下入射至砷化镓基板时，由于砷化镓基板的能隙较小，因此入射至砷化镓基板的光将会被吸收掉，而无法产生高效率的发光二极管。
为了避免基板的吸光，有一些文献揭露出提升发光二极管亮度的技术，然而这些技术都有其缺点以及限制。例如Sugawara等人发表于《Appl，Phys Lett，Vol，61，1775-1777.(1992)》更揭示了一种利用加入布拉格反射结构(Distributed Bragg Reflector；DBR)于砷化镓基板上，借以反射入射向砷化镓基板的光，并减少砷化镓基板吸收，然而此种DBR反射结构只对于较接近垂直入射于砷化镓基板的光能有效的反射，且反射率只有80％，并且反射光的波长范围很小，因此效果并不大。
Kish等人发表于《Appl，Phys Lett.Vol，64，No.21，2839，(1994)》的文献，名称为<Verv high-efficiencysemiconductor wafer-bondedtransparent-substrate(AlxGa1-x)0.5In0.5P/GaP>》揭示一种粘接晶片(Waferbonding)的透明式基板(Transparent一Substrate；TS)(AlxGa1-x)0.5In0.5P/GaP发光二极管。这种TS AlGalnP LED是利用气相外延法(VPE)而形成厚度相当厚(约50μm)的p型磷化镓(GaP)窗户(Window)层，然后再以传统的化学蚀刻法选择性地移除n型砷化镓(GaAs)基板。随后将此暴露出的n型下包覆层粘接至厚度约为8-10mil的n型磷化镓基板上。由于此种晶片粘接的技术是将二种III-V族化合物半导体直接接合在一起，因此，要在高温加热加压一段时间才能完成。就发光亮度而言，这种方式所获得的TS AlGalnP LED比常用的吸收式基板(Absorbing，Substrate i AS)AlGalnP LED大两倍以上。然而，这种TS AlGalnP LED的缺点就是制造过程太过繁杂。因此，无法获得高生产优良率，且难以降低制造成本。
另一种常用技术，例如Horng等人发表于(Appl phys.Lett.Vol，75，No.20，3054(1999)文献，名称为<AlGalnP light-e mitting diodes with mirrorsubstrates fabricated by wafer bonding>。Horng等人揭示一种利用晶片融合技术以形成镜面基板(Mirror-Substrate；MS)磷化铝镓铟/金属/二氧化硅/硅发光二极管。其使用AuBe/Au作为粘着材料，借以接合硅基板与发光二极管外延层。然而，在20mA操作电流下，这种MS AlGalnP发光二极管的发光强度仅约为90mcd，仍然比TS AlGalnP发光二极的发光强度少至少百分的四十，所以其发光强度无法令人满意。
此外，因为p型电极与n型电极都是形成在同一侧，因此尺寸无法缩减，所以会造成这种晶粒比常用p型电极与n型电极位在不同侧的发光二极管晶粒的尺寸还要大。因此，这种类型的发光二极管晶粒无法满足封装尺寸越趋微小的趋势。
发明内容
本发明的目的在于提供一种发光二极管的结构及其制造方法，本发明运用了一种高反射率的布拉格反射结构来增加发光二极管的亮度，以避免发出的光被基板吸收掉。
本发明的第二目的在于提供一种发光二极管的结构及其制造方法，是在垂直堆叠的发光二极管晶粒结构中的基板上方提供高铝含量砷化铝镓/磷化铝镓铟层，或高铝含量砷化铝镓/铝含量低于高铝含量砷化铝镓的低铝含量砷化铝镓层来形成高反射率布拉格反射结构，用以反射发光二极管所产生的光，且由于高铝含量砷化铝镓层容易氧化的特性，并且氧化后的高铝含量砷化铝镓层其折射率变小，所形成的布拉格反射层不只反射率提升，且反射的波长可以涵盖很宽波长范围。
本发明的第三目的在于提供一种发光二极管的结构及其制造方法，由于氧化后的砷化铝镓层为绝缘体，所以电流会流经未被氧化的砷化铝镓层区域，亦即，电流会被局限在特定的区域中。
本发明的第四目的在于提供一种发光二极管的结构及其制造方法，其所制造的发光二极管，相较于传统的发光二极管，其发光的亮度可以很显著的被提升。
本发明的目的是这样实现的：一种发光二极管的结构，至少包括基板二侧具有第一与第二表面，其特征在于：该第一表面上具有第一电极；发光二极管外延结构形成于基板的第二表面上，该发光二极管外延结构是由多层III-V族化合物半导体外延层所组成，其中包含一发光的活性层及一布拉格反射层位于基板与发光的活性层之间，且该布拉格反射层有部分区域被氧化；第二电极形成于该发光二极管外延结构上。
该布拉格反射层是由多对可氧化的半导体层与不容易氧化的半导体层堆叠所形成。该布拉格反射层的不容易氧化半导体层是磷化铝镓铟层。该布拉格反射层的不容易氧化半导体层是砷化铝镓层。该布拉格反射层的可氧化半导体层是高铝含量砷化铝镓层。该可氧化半导体层部分区域被氧化而形成电流无法通过的绝缘层。该高铝含量的砷化铝镓层(AlxGa1-xAs)，其铝摩尔含量为0.8≤x＜1。该高铝含量的砷化铝镓层是在300～800℃的温度范围氧化成绝缘层。
另一种发光二极管的制造方法，其特征在于：它包括下列步骤：提供一基板；成长发光二极管外延层结构于该基板上，该发光二极管结构由多层III-V族化合物半导体外延层所组成，其中包含一发光的活性层及一布拉格反射层，该布拉格反射层位于基板与活性层之间；接着进行氧化处理，将部分布拉格反射层区域氧化，使其具有高的反射率，并且无法导通电流；然后形成第一电极于该基板的第一表面；形成第二电极于该发光二极管外延结构上。
更包括蚀刻该发光二极管外延结构至该布拉格反射层，并暴露可氧化的高铝含量砷化铝镓层。该布拉格反射层是由多对可氧化的半导体层与不容易氧化的半导体层堆叠所形成。该布拉格反射层的不容易氧化半导体层为磷化铝镓铟层或砷化铝镓层。该布拉格反射层的可氧化层为高铝含量的砷化铝镓层。该可氧化半导体层部分区域被氧化而形成电流无法通过的绝缘层。该高铝含量砷化铝镓层(AlxGa1-xAs)，其铝摩尔含量为0.8≤x＜1。该高铝含量的砷化铝镓层是在300～800℃的温度范围氧化成绝缘层。
本发明的主要优点是本发明运用了一种高反射率的布拉格反射层来增加发光二极管的亮度，以避免发出的光被基板吸收掉。是在垂直堆叠的发光二极管晶粒结构中的基板上方提供氧化的高铝含量砷化铝镓/磷化铝镓铟层，或氧化的高铝含量砷化铝镓/铝含量低于高铝含量砷化铝镓的低铝含量砷化铝镓层来形成高反射率布拉格反射层，用以反射发光二极管所产生的光，且由于高铝含量砷化铝镓层容易氧化的特性，并且氧化后形成的氧化铝层其折射率小，所形成的布拉格反射层其反射的波长几乎可以涵盖所有可见光波长。其所制造的发光二极管，其发光的亮度可以很显著的被提升。
下面结合较佳实施例和附图进一步说明。
附图说明
图1是常用的发光二极管结构示意图；
图2是本发明的发光二极管的外延结构；
图3是本发明发光二极管结构的俯视图；
图4是本发明发光二极管结构的剖面图；
图5是本发明实施例2的俯视图；
图6是图5的V-V剖面示意图；
图7是本发明布拉格反射层以及常用布拉格反射层的反射率与波长关系示意图；
图8是本发明布拉格反射层内的对数以及常用布拉格反射层内的对数与反射率的关系示意图；
具体实施方式
实施例1
参阅图2-图4，本发明揭露一种发光二极管结构及其制造方法。
本发明的高亮度发光二极管的外延结构包括依序堆叠的n型砷化镓(GaAs)基板20、布拉格反射层19、n型磷化铝镓铟(AlxGa1-x)0.5In0.5P下包覆层16及磷化铝镓铟(AlxGa1-x)0.5In0.5P活性层14，其铝含量约为0≤x≤0.45、p型磷化铝镓铟(AlxGa1-x)0.5In0.5P上包覆层12以及P型欧姆接触层10。此欧姆接触层10可为能隙大于活性层14能隙的材料，如磷化铝镓铟、砷化铝镓或磷砷化镓，或为能隙小于活性层14但厚度薄的材料，如厚度小于1000埃的砷化镓材料以减少吸光。由于活性层产生的光，部分经由欧姆接触层射出，因此，欧姆接触层的能隙要大于活性层的能隙才能避免吸光，但能隙大的半导体材料通常不容易掺杂高浓度杂质(Dopant)，因而不容易形成欧姆接触，采用低能隙的材料，当欧姆接触层具有可容易掺杂高浓度杂质的优点，但由于能隙较小，会吸收活性层发出的光，因此，厚度不能太厚。
上述的化合物组成比，例如(AlxGa1-x)0.5In0.5P活性层，仅是举出一较佳例子，并非用以限制本发明，在(AlGa)xInYp中，其中X，Y的值不必等于0.5，仅需0＜X，Y＜1。本发明同样通用于其他的材料。此外在本发明中，AlGalnP活性层14的结构可以是采用双各向异性结构(DH)或是多重量子阱(MultipleQuantum Well；MQW)。所谓的双各向异性结构(DH)即包括n型磷化铝镓铟下包覆层16与一磷化铝镓铟活性层14及一p型磷化铝镓铟上包覆层12，上、下包覆层12与16的铝摩尔含量均约为0.5≤x＜1，其中上，下包覆层的厚度约为0.5-3μm，活性层14的厚度约为0.5-1.5μm。
根据本实施例，布拉格反射层19形成于n型砷化镓(GaAs)基板20以及活性层14之间。此布拉格反射层19是由多对容易氧化的高铝含量半导体层/不易氧化的半导体层所组成，例如高铝含量砷化铝镓(AlGaAs)/磷化铝镓铟(AlGalnP)或高铝含量砷化铝镓/低铝含量砷化铝镓(AlGaAs)层堆叠所组成。而经过氧化处理后，部分高铝含量砷化铝镓会氧化形成低折射率的绝缘体，并利用此一特性所形成的高反射率布拉格反射层19来反射活性层14所发出的光。上述的高反射率布拉格反射层每一层的厚度可以设计成等于λ/4n，其中λ是指发光二极管的发光波长，n是指折射系数。
参阅图3、4，为本发明发光二极管结构的俯视图以及剖面图。本实施例是以三对高铝含量砷化铝镓层或磷化铝镓铟层19c所形成的布拉格反射层19来做说明，此对数无任何限制。
由于高铝含量砷化铝镓的特性易于氧化，故在制程阶段将水气通入此发光二极管，在高温300～800℃下，高铝含量砷化铝镓层会由外而内地开始氧化，形成氧化铝(AlxOy)层19a，以及未氧化的砷化铝镓层19b。高铝含量砷化铝镓层19c的氧化速率随着温度越高越快，也随着铝含量越高越快，本发明的高铝含量砷化铝镓(AlxGa1-xAs)，其铝摩尔含量为0.8≤x＜1，而氧化的温度是在300℃以上，使得氧化的制程可以在一合理的时间范围内完成。最后，n型电极40以及p型电极30分别形成于n型砷化镓(GaAs)基板20以及P型欧姆接触层10，完成此发光二极管。
参阅图7，本发明的布拉格反射层经过氧化的制程，氧化铝的折射系数变为1.6，与不容易氧化的半导体层，如前所述，低铝含量砷化铝镓层或磷化铝镓铟层，其折射系数大于3，二者折射系数差异很大，因而所形成的布拉格反射层19的反射波长范围很广在500～800纳米(nm)之间，几乎大部分的可见光波长都可以被布拉格反射层19所反射，且反射率几乎达到接近100％。因此在发光二极管中具有反射作用的布拉格反射层19可以有效的反射活性层14所发出的光。
再者，由于氧化铝层19a为绝缘体，所以在发光二极管中电流的流向会集中于未被氧化的高铝含量砷化铝镓层19b区域，亦即，电流会被局限在未氧化的高铝含量砷化铝镓层19b区域中，虽然经过下包覆层16时电流会往外扩散一点，但大部分的电流仍通过对应于未氧化的高铝含量砷化铝镓的活性层19b区域，而此区域活性层产生的光将不会被电极所挡住。因此基于以上的因素，发光二极管的亮度可以很显著的被提升。虽然在本实施例，布拉格反射层19是位于基板20与下包覆层16之间，但并非用以限制本发明，本发明的布拉格反射层19也可以放置于下包覆层16内，同样也可以达到本发明的效果。
实施例2
参阅图5、6，其为本发明发光二极管结构的实施例2的俯视图以及沿着V-V线的剖面图。本实施例2是以二对的高铝含量砷化铝镓层或磷化铝镓铟层19c所形成的布拉格反射层19来做说明。为了要缩短氧化的时间，本发明更由发光二极管的上表面蚀刻至n型砷化镓(GaAs)基板20，形成一十字形凹缝25，使得布拉格反射层19分成四个区域可以同时进行氧化。因此经由控制，高铝含量砷化铝镓层会由每一区域是由外而内开始氧化，形成四个氧化铝层19a，以及部分未氧化的高铝含量砷化铝镓层19b形成的发光区域。因此活性层14的发光的区域即被分开成四个区域。最后，n型电极40及p型电极30分别形成在基板20以及p型欧姆接触层10上完成此发光二极管。
再者，上述的磷化铝镓铟19c亦可以用铝含量低于高铝含量砷化铝镓的低铝含量砷化铝镓来取代，来形成布拉格反射层19，本实施例2的好处是每一发光二极管晶粒都分成四个区域来进行氧化，氧化距离缩短一半，因此氧化的时间只有实施例1的二分之一。
参阅图7，其为本发明的布拉格反射层与常用布拉格反射层的反射率比较。由于常用的布拉格反射层材料为磷化铝镓铟(AlGaInP)/磷化铝铟(AlInP)，其反射率在波长为550-600纳米时，仅可达到80％的反射率。而本发明其反射波长在500～800纳米之间都可以接近100％完全被反射，因此本发明的布拉格反射层具有非常高的反射率。
参阅图8，其为本发明的布拉格反射层中氧化的高铝含量砷化铝镓/磷化铝镓铟层，或氧化的高铝含量砷化铝镓/铝含量低于高铝含量砷化铝镓的低铝含量砷化铝镓层的对数，与常用布拉格反射层中的磷化铝镓铟/磷化铝铟的对数所达成的反射率示意图。很明显地，本发明的布拉格反射在氧化的高铝含量砷化铝镓/磷化铝镓铟层，或氧化的高铝含量砷化铝镓/铝含量低于高铝含量砷化铝镓的低铝含量砷化铝镓层到达4对时，即可达成反射率约100％的情况。而相较于常用磷化铝镓铟/磷化铝铟到达20对时，反射率仅能够到达80％，因此本发明的布拉格反射率其结构相较于常用更为简单，并且能够达成更高的反射率。
由于以含有氧化铝层所形成的布拉格反射层可以反射几乎涵盖所有可见光的波长，因此本发明的高反射率布拉格反射层可以适用于所有的发光二极管。
本发明的主要优点为，本发明运用了一种高反射率的布拉格反射层来增加发光二极管的亮度，以避免发出的光被基板吸收掉。
本发明的另一项优点为，本发明是在垂直堆叠的发光二极管晶粒结构中的基板上方提供氧化的高铝含量砷化铝镓/磷化铝镓铟层，或氧化的高铝含量砷化铝镓/铝含量低于高铝含量砷化铝镓的低铝含量砷化铝镓层来形成高反射率布拉格反射层，用以反射发光二极管所产生的光，且由于高铝含量砷化铝镓层容易氧化的特性，并且氧化后形成的氧化铝层其折射率小，所形成的布拉格反射层其反射的波长几乎可以涵盖所有可见光波长。
本发明的再一项优点为本发明提供一种发光二极管的结构及其制造方法，由于氧化后的砷化铝镓层为绝缘体，所以电流会流经未被氧化的砷化铝镓层区域，亦即，电流会被控制在特定的区域中。
本发明的另一项优点为，其所制造的发光二极管，相较于常用的发光二极管，其发光的亮度可以很显著的被提升。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用以限定本发明的保护范围，凡其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1、一种发光二极管的结构，其特征在于：它至少包括基板二侧具有第一表面及第二表面，该第一表面上具有第一电极；发光二极管外延结构形成于该基板的第二表面上，该发光二极管外延结构是由多层III-V族化合物半导体外延层所组成，其中包含一发光的活性层及一布拉格反射层位于该基板与该发光的活性层之间，且该布拉格反射层有部分区域被氧化；该布拉格反射层至少包括一可氧化的半导体层及一半导体层，该可氧化的半导体层是一AlxGa1-xAs层，其中该x为0.8≤x＜1，该可氧化的半导体层的部分区域被氧化成电流无法通过的绝缘层；该可氧化的半导体层与该半导体层交叉堆叠在一起，该可氧化的半导体层比该半导体层较容易被氧化；一第二电极形成于该发光二极管外延结构上。
2、如权利要求1所述的发光二极管结构，其特征在于：该布拉格反射层里的半导体层是一磷化铝镓铟层。
3、如权利要求1所述的发光二极管结构，其特征在于：该布拉格反射层里的半导体层是一砷化铝镓层。
4、一种发光二极管的制造方法，其特征在于，它包括下列步骤：
提供一基板；
成长一发光二极管外延层结构于该基板上，该发光二极管结构由多层III-V族化合物半导体外延层所组成，其中包含一发光的活性层及一布拉格反射层，该布拉格反射层位于该基板与该发光的活性层之间，该布拉格反射层至少包括一可氧化的半导体层及一半导体层，该可氧化的半导体层与该半导体层交叉堆叠在一起，该可氧化的半导体层比该半导体层较容易被氧化；
蚀刻该发光二极管外延结构的上表面至该基板，并暴露出该可氧化的半导体层的侧面；
接着进行一氧化处理，将部分该布拉格反射层区域氧化，使其具有高的反射率，并且无法导通电流，该可氧化的半导体层的部分区域被氧化成电流无法通过的绝缘层；
然后形成第一电极于该基板的一第一表面；形成第二电极于该发光二极管外延结构上。
5、如权利要求4所述的发光二极管的制造方法，其特征在于：蚀刻该基板的步骤，形成一十字形凹缝。
6、如权利要求4所述的发光二极管的制造方法，其特征在于：该布拉格反射层里的半导体层为一磷化铝镓铟层。
7、如权利要求4所述的发光二极管的制造方法，其特征在于：该布拉格反射层里的半导体层为一砷化铝镓层。
8、如权利要求4所述的发光二极管的制造方法，其特征在于：该布拉格反射层里的可氧化半导体层是一AlxGa1-xAs层，其中，该x为0.8≤x＜1。
9、如权利要求8所述的发光二极管的制造方法，其特征在于：该AlxGa1-xAs层是在300～800℃的温度范围氧化成绝缘层。
10、一种发光二极管的制造方法，其特征是，它至少包括下列步骤：
提供一基板；
成长一发光二极管外延结构于该基板上，该发光二极管外延结构是由多层III-V族化合物半导体外延层所组成，其中包含一发光的活性层及一布拉格反射层，该布拉格反射层位于该基板与该发光的活性层之间，该布拉格反射层至少包括一可氧化半导体层及一半导体层，该可氧化半导体层为AlxGa1-xAs层，其中该x为0.8≤x＜1；该可氧化半导体层是与该半导体层交叉堆叠在一起，该可氧化半导体层比该半导体层较易被氧化，该半导体层选自磷化铝镓铟层或砷化铝镓层；
蚀刻该发光二极管外延结构的上表面至该基板，并暴露出该可氧化半导体层的侧面，且形成一十字形凹缝；
使用该十字形凹缝来进行一氧化处理，将部分该布拉格反射层区域氧化，使其具有高的反射率，并且无法导通电流，该可氧化半导体层的部分区域被氧化成电流无法通过的绝缘层；
然后形成一第一电极于该基板的一第一表面；及形成一第二电极于该发光二极管外延结构上。
11、如权利要求10所述的发光二极管的制造方法，其特征是：该AlxGa1-xAs层是在300℃-800℃的温度范围氧化成绝缘层。
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Legal Events
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: JINGYUAN PHOTOELECTRIC CO., LTD. Free format text: FORMER OWNER: GUOLIAN PHOTOELECTRIC SCIENCE AND TECHNOLOGY CO LTD Effective date: 20061103 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20061103 Address after: Hsinchu Science Industrial Park, Taiwan Patentee after: Jingyuan Optoelectronics Co., Ltd. Address before: Hsinchu Science Industrial Park, Taiwan Patentee before: Guolian Photoelectric Science and Technology Co., Ltd. |
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| CX01 | Expiry of patent term | ||
| CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20060510 |