CN1490885A - 一种发光二极管及其制法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发光二极管及其制法，它主要是利用湿氧化法技术，将发光二极管结构中的布拉格反射器(Distributed Bragg Reflectors，简称DBR)氧化，以限制发光二极管中的电流传导，进而将电流限制于某一个特定范围，使发光二极管的发光区域集中，再通过正面电极位置以及形状的设计，使得射出晶粒的光不会被正面电极所阻挡，进而使得发光二极管的亮度得以提升，且所投射出的光线更具有良好的聚光效果。

Description

一种发光二极管及其制法

技术领域

本发明涉及一种发光二极管及其制法，尤指一种主要是利用湿氧化技术制造及设计一种发光二极管。

背景技术

发光二极管(Light-Emitting Diodes，简称LED)从1960年开始，研究发展至今已经超过了四十年，从传统的LED到现在的高亮度LED，LED在生活上的应用已经和我们有着非常密切的关是。例如：交通指示灯、汽车指示灯、户外大型全彩显示板，以及将来应用在照明上的显示灯等。然而，在目前磊晶技术已经可以将内部量子效率(internalquantum efficiency)提升至90％甚至更高的同时，高亮度LED的外部量子效率(external quantumefficiency)却只有10％或者更低；因此，如何将LED内部产生的光，通过各种元件结构及制程的研发将它们引导出来，对于提高LED的亮度而言，是一个非常重要的课题。

针对如何将LED的亮度提高的问题，请参考台湾第474033号公告，它公开了一种发光二极管结构及其制造方法。它是在一具有一第一电极的基板上形成一磊晶结构，该磊晶结构包含有发光的活性层及一布拉格反射层，该布拉格反射层有部分区域被氧化，以及，该磊晶结构上另外形成一第二电极。

虽然，这种传统的发光二极管制法可提高发光二极管的发光亮度，但是其所发亮的区域极为分散，所投射出的光线并无法达到聚光效果，所以其为了达到聚光效果需另外进行封装作业，如此一来，便增大了成本的支出。

另外，请参阅台湾第479378号公告，它公开了一种发光二极管晶片的封装及其聚光透镜，它是在印刷电路板基材上具有一导体层及一电极，该导体层上设置有一发光二极管晶片，该发光二极管晶片以一导线与该电极连接，而相对于该发光二极管晶片位置射出成型出一聚光透镜，通过该聚光透镜的设置，将发光二极管所投射出的光源稍作聚光。

然，这种发光二极管并无增加亮度的效果，且其为了达到聚光效果，必须经过封装处理作业，并在发光二极管顶面成型一球面状的聚光透镜，不仅耗费作业流程时间，且提高制作成本的支出，更甚者，其所可达到的聚光效果也极为有限。

发明内容

鉴于上述原因，本发明的目的是提供一种整体亮度高，且可以得到较透镜更好的聚光功能的发光二极管及其制法。

为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：一种发光二极管该发光二极管具有一基底层，该基底层上具有一活性层，该活性层上具有一透明层，该透明层与该活性层之间具有一布拉格反射层，该透明层顶面设置一第一电极，且相对于该第一电极的基底层底面设置一第二电极，该布拉格反射层的周缘有部分区域被氧化，并形成阻止电流流通的绝缘层。

在所述活性层与所述基底层之间另具有一布拉格反射层。

所述基底层为一N型砷化镓层。

所述活性层为一磷化铝镓铟层。

所述布拉格反射层为砷化铝镓层。

所述透明层为一磷化铝镓铟层。

所述第一电极为一正面金-铍环型电极。

所述第二电极为背面金-锗电极。

本发明提供了一种发光二极管的制法，其包括以下步骤：

设置一基底层；

于该基底层上成形出一活性层，该活性层上成形出一透明层，该透明层与该活性层之间成形出一布拉格反射层；

将该透明层顶面经过光阻之后，并于该透明层顶面蒸镀一第一电极，且相对于该第一电极的基底层底面蒸镀一第二电极；

进行微切割处理；

接着执行湿氧化制程，通过控制湿氧化制程的时间，使该布拉格反射层的周缘有部分区域被氧化，形成阻止电流流通的绝缘层；

待湿氧化制程结束之后，再进行切割作业。

特别的是，所述湿氧化制程是将切割后的磊晶结构定位于炉管内的晶舟上，将氮气通入一纯水筒中，且控制氮气的流量约为3L/min，而纯水筒是受到加热器的温度控制，使水气温度在控制在80℃左右，而以氮气、氮气及水的混合气体同时汇流进入炉管的入口，该炉管顶、底面分别以一加热器控制炉管内的温度约在440℃，且炉管的出口是进行抽气作业，藉由控制湿氧化制程的时间，使该布拉格反射层周缘有部分区域被氧化，藉以形成阻止电流流通的绝缘层。

本发明主要是利用湿氧化法技术，将发光二极管结构中的布拉格反射层周缘氧化，形成阻止电流流通的绝缘层，限制发光二极管中的电流传导，进而将电流限制于某一个特定范围，使发光二极管的发光区域集中，再通过正面电极位置以及形状的设计，使得射出晶粒的光不会被正面电极所阻挡，进而使得发光二极管的整体亮度得以提升，且所投射出的光线更具有良好的聚光效果，得到较透镜更好的聚光功能。另外，本发明提供的制造二极管的方法制造过程简单，制造成本低。

附图说明

图1为本发明湿氧化制程的方块图

图2为本发明湿氧化制程的流程图

图3为本发明湿氧化设备示意图

图4为本发明湿氧化后的发光二极管外观示意图

图5为本发明湿氧化后的发光二极管侧面示意图

图6为本发明发光二极管氧化后光线投射示意图

图7为红光、黄绿光氧化后的相对亮度图表

图8为红光的电流I-电压V图表

图9为黄绿光的电流I-电压V图表

图10为红光氧化前后的可靠度测量图表

图11为黄绿光氧化前后的可靠度测量图表

图12为湿氧化后的电流分布状态图

具体实施方式

首先，请参看图1所示的湿氧化制程方块图，它先将施行湿氧化处理的晶片进行清洗，将晶片进行P型电极(以下简称正面电极)的蒸镀，且使正面电极产生曝光、显影，剥离与正面电极热回火，将晶片施以研磨，且使正面电极蒸镀与热回火，之后再进行晶片微切割，待施以湿氧化作业，形成阻止电流流通的绝缘层后，最后再作晶片切割处理。

而详细的湿氧化制程方式，请参看图2所示的湿氧化制程的流程图。本发明发光二极管的制法，主要是在磊晶结构10的基底层11上具有一活性层12，该活性层12与该基底层11之间具有一第一布拉格反射层13，且该活性层12上具有一透明层14，该透明层14与该活性层12之间具有一第二布拉格反射层15，在本实施例中，该基底层11是一N型砷化镓层，而该活性层12是一磷化铝镓铟层，该第一、二布拉格反射层13、15是砷化铝镓层，该透明层14是一磷化铝镓铟层。

该磊晶结构的透明层14顶面经过光阻之后，在该透明层14的顶面蒸镀设置一第一电极16，且相对于该第一电极16的基底层11底面蒸镀设置一第二电极17，其中，该第一电极16是一正面金-铍环型电极，该第二电极17是背面金-锗电极，之后将磊晶结构作微切割处理，将其微切割成多数个未氧化前的LED结构。

将微切割后的磊晶结构进行湿氧化处理，同时，参阅图3所示，将该切割后的磊晶结构10放置定位于炉管20内的晶舟21上，此时，将氮气A通入一纯水筒30中，且控制氮气A的流量约为3L/min，而纯水筒30受到加热器31的温度控制，使水气温度控制在80℃左右，而以氮气A、氮气A及水的混合气体，同时汇流并通入炉管20的入口201，此时该炉管20的顶、底面分别以一加热器22、23控制炉管20内的温度约在440℃，而炉管20的出口202进行抽气作业，即得以进行湿氧化处理，通过控制湿氧化制程的时间，即可控制第一、二布拉格反射层13、15的氧化程度，待湿氧化制程结束之后，再进行LED结构的切割作业处理。

如图4、图5所示，本发明经过湿氧化处理后的发光二极管具有一基底层11，该基底层11上具有一活性层12，该活性层12与该基底层11之间具有一第一布拉格反射层13，且该活性层12上具有一透明层14，该透明层14与该活性层12之间具有一第二布拉格反射层15，该透明层14顶面设置一第一电极16，且相对于该第一电极16的基底层11底面设置一第二电极17，而该第一、二布拉格反射层13、15的周缘有部分区域被氧化，形成阻止电流流通的绝缘层130、150。

本发明提供一种发光二极管结构及其制法，它主要是利用湿氧化法(wetoxidation)技术，将发光二极管结构的第一、二布拉格反射层13、15的周缘部分区域氧化，形成阻止电流流通的绝缘层130、150，限制发光二极管中的电流传导，进而将电流限制于某一个特定范围，让发光二极管的发光区域集中，其中第一布拉格反射层13的绝缘层130可达到提高发光二极管亮度的功能，再利用第二布拉格反射层15的绝缘槽将发光二极管所投射出的光源再行聚光，使发光二极管的亮度不仅可大大提升，且所投射出的光线具有良好的聚光效果；另外，通过第一电极16位置及形状的设计，使得投射出的光源不会被第一电极16所阻挡。

图6为本发明发光二极管氧化后光线投射示意图，由于该发光二极管是通过湿氧化技术制成的，使得电流被限制在中央位置，如此一来，光便由正中央投射出来；此外，由于第一电极16设计成环型(Ring)，因此所射出的光便不会因为第一电极16的阻挡而反射回发光二极管内，甚至被吸收。而由发光二极管正面观察，由于第一、二布拉格反射层13、15以上的磊晶材料并非完全不透明，因此我们可以明显的观察到第一、二布拉格反射层13、15氧化的区域和未氧化区域的颜色深浅变化，所以第一、二布拉格反射层13、15氧化深度的多少，可直接由显微镜观察得知，或直接点亮由发光区域来判断。

请配合参阅图7所示，即红光、黄绿光氧化后的相对亮度，以氧化前的晶粒为基准，即相对亮度为1，然后，再依照氧化后的亮度大小，经计算出各个氧化时间的相对亮度。由图中可以得知，氧化2.5小时，得到红光的相对亮度为最大，也就是亮度提升最多，提高约40％；而黄绿光相对亮度最大值是在氧化2小时的时候，提高约90％。此实验结果证明了原本的实验设计，确实可以让发光二极管亮度提升。而氧化3.5小时的黄绿光发光二极管，亮度并没有增加而且还减少了，原因可能是氧化时间较长，中间发光的区域变得很小，串联电阻增加，因而产生较严重的热效应所致。

另外，红光与黄绿光的电流I-电压V；由测量结果得知，漏电流(leakage current)和打开电压(turn-on voltage)并没有明显的改变，而发光二极管的串联电阻因为第一、二布拉格反射层13、15部分区域被氧化，而增加了电阻值(该电阻值请参阅图8及图9)，这与原先预期的相符合。红光、黄绿光LED的反向崩溃电压约为-30V。

请参阅图10及图11，红光、黄绿光氧化前后的可靠度测量。由测量结果可知，随着氧化时间的增长，因为发光区域的缩小使得电流密度增加，因此使得元件的可靠度变差。而黄绿光发光二极管和红光发光二极管相比较，黄绿光发光二极管的可靠度变得更差，原因可能是黄绿光发光二极管的含铝Al成分较高，而铝Al的活性很大，因此在湿氧化制程中会率先氧化，因此我们在氧化第一、二布拉格反射层13、15的同时，黄绿光发光二极管的活性层12可能有某种程度的氧化，且相对于红光发光二极管而言氧化程度应该比较多，因此可靠度(reliability)变化程度较大。

综上所述，传统发光二极管是直接以磊晶成长的方式设计的，而本发明是利用布拉格反射层周缘被氧化，形成阻止电流流通的绝缘层的原理设计的，除了使发光二极管整体的亮度提高，且可以得到较透镜更好的聚光功能，请参阅图12所示。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，本发明的保护范围并不局限于此。任何基于本发明技术方案上的等效变换均属于本发明保护范围的内。

Claims (10)

1、一种发光二极管，其特征在于：该发光二极管具有一基底层，该基底层上具有一活性层，该活性层上具有一透明层，该透明层与该活性层之间具有一布拉格反射层，该透明层顶面设置一第一电极，且相对于该第一电极的基底层底面设置一第二电极，该布拉格反射层的周缘有部分区域被氧化，并形成阻止电流流通的绝缘层。

2、根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：在所述活性层与所述基底层之间另具有一布拉格反射层。

3、根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述基底层为一N型砷化镓层。

4、根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述活性层为一磷化铝镓铟层。

5、根据权利要求1或2所述的发光二极管，其特征在于：所述布拉格反射层为砷化铝镓层。

6、根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述透明层为一磷化铝镓铟层。

7、根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述第一电极为一正面金-铍环型电极。

8、根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述第二电极为背面金-锗电极。

9、一种发光二极管的制法，其包括以下步骤：

设置一基底层；

于该基底层上成形出一活性层，该活性层上成形出一透明层，该透明层与该活性层之间成形出一布拉格反射层；

将该透明层顶面经过光阻之后，并于该透明层顶面蒸镀一第一电极，且相对于该第一电极的基底层底面蒸镀一第二电极；

进行微切割处理；

接着执行湿氧化制程，通过控制湿氧化制程的时间，使该布拉格反射层的周缘有部分区域被氧化，形成阻止电流流通的绝缘层；

待湿氧化制程结束之后，再进行切割作业。

10、根据权利要求9所述的发光二极管的制法，其特征在于：所述湿氧化制程是将切割后的磊晶结构定位于炉管内的晶舟上，将氮气通入一纯水筒中，且控制氮气的流量约为3L/min，而纯水筒是受到加热器的温度控制，使水气温度控制在80℃左右，并以氮气、氮气及水的混合气体同时汇流进入炉管的入口，该炉管顶、底面分别以一加热器控制炉管内的温度约在440℃，且炉管的出口进行抽气作业，控制湿氧化制程的时间，使该布拉格反射层周缘有部分区域被氧化，形成阻止电流流通的绝缘层。

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