CN1571178A - 一种发光二极管结构及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种发光二极管结构，至少包括：一基板、一网格层、一第一型态半导体层，以及一第二型态半导体层。其中，网格层具有一网格图案，可使得朝发光二极管组件内部放射的光线能够反射回去而朝外界方向行进，因而不会使所有光线一直在发光二极管组件内部行进，以至于被内部各层所吸收。此外，本发明亦提供一种发光二极管的制造方法，其是在发光二极管组件的外延过程中成长一网格层，而完成本发明的发光二极管结构。

Description

一种发光二极管结构及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种发光二极管(Light-Emitting Diodes，LEDs)的制造技术，特别涉及可以提高发光二极管的发光效率的技术。

背景技术

一般发光二极管所使用的半导体的折射率(折射系数为2.3)大于空气的折射率(折射系数为1)，所以造成发光二极管内的活性层(亦称为发光层)所产生的光线大部份都被半导体与空气间的界面全反射回到半导体内部，而全反射的光线则被内部的活性层、电极及基板吸收。因此，现有的发光二极管普遍具有较低的发光效率的缺点。

为了提高发光二极管的发光效率，目前经研究证实，若将半导体的表面予以粗化，可使得光线自发光层出来后经过粗化的界面，产生散射现象，因而改变原来入射光的路径，再经过全反射后，光线出去的机率便会明显增加，此相关技术已在文献IEEE Transcations on ElectronDevices，47(7)，1492，2000中揭示，而且该文献指出发光二极管经粗化过后，其外在发光效率可明显增加至40％。

现有技术如美国专利5040044、5429954、5898192等，是以蚀刻方式于外延表面达到粗化的目的，即利用化学蚀刻法来粗化发光组件的表面，以达成增加发光效率的效果。然而，上述已有技术现阶段只能应用于红光LED的材料，并不能适用于可产生蓝光、绿光的氮化物材料上，其原因是红光LED的材料加工特性简单，而氮化物材料具有很强的耐酸碱特性所致。虽然干式蚀刻法可以克服湿式蚀刻的问题，但却容易造成外延层的损伤，导致半导体层的电阻值升高。另外，半导体层为一单晶薄膜，若直接对其粗化，则可能破坏内部的活性层，发光面积便因而减少，同时也可能会破坏外部的透明电极，而造成透明电极的不连续，以致于对电流分散造成影响，种种情形将导致整体的发光效率降低。

由上可知，现有技术的适用范围为相当狭隘的，而且其所使用来提高发光二极管的发光效率的工艺技术仍未达到成熟阶段。因此，现有技术无法广泛被业界所使用而不具有产业利用性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种发光二极管结构及其制造方法，以解决现有技术无法有效提高发光二极管的发光效率的问题。

为达到上述目的，本发明的发光二极管结构，至少包括：一基板；一网格层，其位于该基板的上方，且其具有一网格图案；一第一型态半导体层，其位于该网格层的上方；一第二型态半导体层，其位于该第一型态半导体层的上方。另外，本发明还提供一种制造该发光二极管结构的方法。

为使本领域技术人员了解本发明的目的、特征及功效，现通过下述具体实施例，并配合附图，对本发明详加说明如后：

附图说明

图1显示一具有网格层的基本型发光二极管组件的剖面图。

图2是本发明的发光二极管结构的第一具体实施例的剖面图。

图3是本发明的发光二极管结构的第二具体实施例的剖面图。

图4是本发明的发光二极管结构的第三具体实施例的剖面图。

图中

10发光二极管组件           100基板

102网格层                  104n型半导体层

106p-n接面                 108p型半导体层

110光                      200基板        202缓冲层

204氮化镓层                206网格层

208第一型态半导体层        210活性层

212第二型态半导体层        214第一电极

216第二电极                300基板        302缓冲层

304氮化镓层                306粗化层      308  网格层

310第一型态半导体层        312活性层

314第二型态半导体层        316第一电极

318第二电极      400基板              402缓冲层

404氮化镓层      406量子点粗化层

408网格层        410第一型态半导体层

412活性层        414第二型态半导体层

416第一电极      418第二电极

具体实施方式

本发明的精神是在发光二极管组件之外延过程中成长一网格层，该网格层可使得朝发光二极管组件内部放射的光线能够反射回去且朝外界的方向行进，因而不会使所有光线一直在发光二极管组件内部行进，以至于被内部的活性层、电极及基板等所吸收，由此提高发光二极管组件的发光效率。如图1所示，是具有一网格层102的基本型发光二极管组件10。图中p-n接面106所产生的一光束110，在发光二极管组件10与空气间的界面发生全反射而回到发光二极管组件10内部，当光束110达网格层102时，则受到网格层102上的图案的影响而再反射回去，且朝外界的方向行进，因而使得光束110不至于被基板100所吸收。

图2是本发明的发光二极管结构的第二具体实施例的剖面图。图2中各层是利用有机金属气相外延法(MOCVD)的工艺进行沉积。形成图2的发光二极管结构的制造方法包含以下步骤：

首先，提供一基板200，而基板200的材料可以是蓝宝石、碳化硅、硅、砷化镓、偏铝酸锂、镓酸锂以及氮化铝的其中之一。

接着于500～600(℃)下成长一层厚度为20～50nm的氮化镓材料的缓冲层202。

随后再于1000～1200℃成长一层厚度为1～2μm且掺杂Si的氮化镓层204；接着形成一网格层206于氮化镓层204上，其中之一做法可利用黄光微影工艺于氮化镓层204的表面制作出具有多个网格的网状图形，然后再以干式蚀刻或湿式蚀刻制作网格的形状，而另一做法是直接以刀具或雷射进行切割所需的网格，以上做法皆可使得网格层206具有一网格图案，且该网格图案可以至少是由条状、矩形、圆形以及三角形所组成的组中的任何一种所构成。

接着再成长一第一型态半导体层208于网格层206上，第一型态半导体层208是一层厚度为1～2μm且掺杂Si的氮化镓层，所以第一型态半导体层208是一n型氮化镓半导体层。

接着降低温度至700～900℃，以成长一活性层210于第一型态半导体层208上，活性层210可为下列任一种结构：p-n接面、双异质接面(DH)、单层量子井(SQW)以及InGaN/GaN多层量子井(MQW)。

之后再升高温度至1000～1200℃，以成长一第二型态半导体层212于活性层210上，第二型态半导体层212是一层厚度为0.1～0.2μm且掺杂Mg的氮化镓层，所以第二型态半导体层212是一p型氮化镓半导体层，如此便制作完成发光二极管外延芯片。

最后，蚀刻第二型态半导体层212及活性层210，以暴露出第一型态半导体层208的部分表面；再将Ti/Al金属制作于第一型态半导体层208所暴露的部分表面而形成一第一电极214，因此第一电极214是为一n型电极；将Ni/Au金属制作于第二型态半导体层212的表面而形成一第二电极216，因此第二电极216则为一p型电极。经由实施以上步骤，可得到如第2图所示的发光二极管结构。

上述实施例中的氮化镓层204除了可直接利用有机金属气相外延法(MOCVD)进行沉积，亦可通过氢化物气相沉积法(HVPE)、化学气相沉积法(chemical vapor deposition，CVD)或溅镀法(sputter)等方式成长。

本发明除了通过成长一网格层来提高发光二极管组件的发光效率外，还可以再加入一混合层来进一步增进发光二极管组件的发光效率，其中该混合层至少具有一层可用以扩散射入光线的材料，亦即粗化层，因而使混合层具有让光线散射的功用，而粗化层的生成则可以通过下列二种方式：其一，利用成长温度与气氛的控制而让一界面层(如：SiN、AlN等)具有微细孔洞；其二，通过植入量子点的方式而形成一薄膜。上述二种方式将分别实施于图3及图4的实施例中。

图3是本发明的发光二极管结构的第二具体实施例的剖面图。图3中各层是利用有机金属气相外延法(MOCVD)的工艺进行沉积，而形成第3图的发光二极管结构的制造方法包含以下步骤：

首先，提供一基板300，而基板300的材料可以是蓝宝石、碳化硅、硅、砷化镓、偏铝酸锂、镓酸锂以及氮化铝的其中之一。

接着于500～600℃下成长一层厚度为20～50nm的氮化镓材料的缓冲层302。

随后再于1000～1200℃成长一层厚度为1～2μm且掺杂Si的氮化镓层304，紧接着来成长一层厚度为1～100nm的粗化层306，其中粗化层306的材料至少含有选自于氮化硅、氮化铝及氮化钛所组成的组中的一种材料，因此氮化镓层304与粗化层306便形成一混合层；接着形成一网格层308于粗化层306上，其中之一的做法可利用黄光微影工艺于粗化层306的表面制作出具有多个网格的网状图形，然后再以干式蚀刻或湿式蚀刻制作网格的形状，而另一做法是直接以刀具或雷射进行切割所需的网格，以上做法皆可使得网格层308具有一网格图案，且该网格图案可以至少由条状、矩形、圆形以及三角形所组成的组中的任何一个所构成。

接着再成长一第一型态半导体层310于网格层308上，第一型态半导体层310是一层厚度为1～2μm且掺杂Si的氮化镓层，所以第一型态半导体层310是一n型氮化镓半导体层。

接着降低温度至700～900℃，以成长一活性层312于第一型态半导体层310上，活性层312可为下列任一种结构：p-n接面、双异质接面(DH)、单层量子井(SQW)以及InGaN/GaN多层量子井(MQW)。

之后再升高温度至1000～1200℃，以成长一第二型态半导体层314于活性层312上，第二型态半导体层314系一层厚度为0.1～0.2μm且掺杂Mg的氮化镓层，所以第二型态半导体层314是一p型氮化镓半导体层，如此便制作完成发光二极管外延芯片。

最后，蚀刻第二型态半导体层314及活性层312，以暴露出第一型态半导体层310的部分表面；再将Ti/Al金属制作于第一型态半导体层310所暴露的部分表面而形成一第一电极316，因此第一电极316为一n型电极；将Ni/Au金属制作于第二型态半导体层314的表面而形成一第二电极318，因此第二电极318则为一p型电极。经由实施以上步骤，可得到如图3所示的发光二极管结构。

上述实施例中的粗化层306除了可直接利用有机金属气相外延法(MOCVD)进行沉积，亦可通过多层膜蒸镀法(如：E-gun多层膜蒸镀法等)、化学气相沉积法(chemical vapor deposition，CVD)或溅镀法(sputter)等方式成长。

图4是本发明的发光二极管结构的第三具体实施例的剖面图。图4中各层同样是利用有机金属气相外延法(MOCVD)的工艺进行沉积，而形成图4的发光二极管结构的制造方法包含以下步骤：

首先，提供一基板400，而基板400的材料可以是蓝宝石、碳化硅、硅、砷化镓、偏铝酸锂、镓酸锂以及氮化铝其中之一。

接着于500～600℃下成长一层厚度为1～100nm的氮化镓材料的缓冲层402。

随后于1000～1200℃成长一层厚度为1～2μm且掺杂Si的氮化镓层404，紧接着成长一层厚度为1～100nm且具有Al_uGa_(1-u-v)In_vN量子点的粗化层406，其中u、v参数之范围：0≤u、v＜1且0≤u+v＜1，因此氮化镓层404与粗化层406便形成一混合层；接着形成一网格层408于粗化层406上，其中之一做法可利用黄光微影工艺于粗化层406的表面制作出具有多个网格的网状图形，然后再以干式蚀刻或湿式蚀刻制作网格的形状，而另一做法是直接以刀具或雷射进行切割所需的网格，以上做法皆可使得网格层408具有一网格图案，且该网格图案可以至少由条状、矩形、圆形以及三角形所组成的组中的任何一种所构成。

接着再成长一第一型态半导体层410于网格层408上，第一型态半导体层410是一层厚度为3μm且掺杂Si的氮化镓层，所以第一型态半导体层410是一n型氮化镓半导体层。

接着降低温度至700～900℃，以成长一活性层412于第一型态半导体层410上，活性层412可为下列任一种结构：p-n接面、双异质接面(DH)、单层量子井(SQW)以及InGaN/GaN多层量子井(MQW)；然后再升高温度至1000～1200℃，以成长一第二型态半导体层414于活性层412上，第二型态半导体层414是一层厚度为0.1～0.2μm且掺杂Mg的氮化镓层，所以第二型态半导体层414是一p型氮化镓(GaN)半导体层，如此便制作完成发光二极管磊芯片。最后，蚀刻第二型态半导体层414及活性层412，以暴露出第一型态半导体层410的部分表面；再将Ti/Al金属制作于第一型态半导体层410所暴露的部分表面而形成一第一电极416，因此第一电极416为一n型电极；将Ni/Au金属制作于第二型态半导体层414的表面而形成一第二电极418，因此第二电极418则为一p型电极。经由实施以上步骤，可得到如图4所示的发光二极管结构。

由以上之诸实施例可理解，由于本发明主要是在发光二极管组件外延的过程中成长一网格层，另外亦可进一步成长一具有粗化层的混合层，而相较于现有技术是在外延完成后再进行后续的粗化处理，可理解本发明所使用的工艺较为方便且能够有效简化工艺步骤，因此具有进步性及产业利用性。

虽然本发明已以至少一具体实施例揭露如上，然而其并非用以限定本发明，在不脱离本发明之精神和范围内所作的各种变化与修改，均应包含在本发明的权利要求范围内。

Claims (55)

1.一种发光二极管结构，至少包括：

一基板；

一网格层，其位于该基板的上方，且具有一网格图案；

一第一型态半导体层，其位于该网格层的上方；

一第二型态半导体层，其位于该第一型态半导体层的上方。

2.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其特征在于，所述网格图案至少由条状、矩形、圆形以及三角形所组成的组中的任一者构成。

3.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其特征在于，进一步包括：一活性层，其位于该第一型态半导体层及该第二型态半导体层之间。

4.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其特征在于，所述基板的材料可为下列任一：蓝宝石、碳化硅、硅、砷化镓、偏铝酸锂、镓酸锂以及氮化铝。

5.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其特征在于，所述第一型态半导体层是一n型氮化镓半导体层。

6.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其特征在于，所述第二型态半导体层是一p型氮化镓半导体层。

7.根据权利要求3所述的发光二极管结构，其特征在于，所述活性层系可为下列任一种结构：p-n接面、双异质接面(DH)、单层量子井(SQW)以及多层量子井(MQW)。

8.一种发光二极管结构，至少包括：

一基板；

一混合层，其位于该基板之上方，该混合层至少具有一粗化层用以扩散射入光线；

一网格层，其位于该混合层的上方，且具有一网格图案；

一第一型态半导体层，其位于该网格层的上方；一第二型态半导体层，其位于该第一型态半导体层的上方。

9.根据权利要求8所述的发光二极管结构，其特征在于，所述网格图案至少由条状、矩形、圆形以及三角形所组成的组中的任一者所构成。

10.根据权利要求8所述的发光二极管结构，其特征在于，进一步包括：一活性层，其位于该第一型态半导体层及该第二型态半导体层之间。

11.根据权利要求8所述的发光二极管结构，其特征在于，所述基板的材料可为下列任一：蓝宝石、碳化硅、硅、砷化镓、偏铝酸锂、镓酸锂以及氮化铝。

12.根据权利要求8所述的发光二极管结构，其特征在于，所述粗化层的材料至少含有选自于氮化硅、氮化铝及氮化钛所组成的组中的一种材料。

13.根据权利要求8所述的发光二极管结构，其特征在于，所述粗化层具有Al_uGa_(1-u-v)In_vN量子点，而u、v参数的范围为0≤u、v＜1，且0≤u+v＜1。

14.根据权利要求8所述的发光二极管结构，其特征在于，所述第一型态半导体层是一n型氮化镓(GaN)半导体层。

15.根据权利要求8所述的发光二极管结构，其特征在于，所述第二型态半导体层是一p型氮化镓(GaN)半导体层。

16.根据权利要求10所述的发光二极管结构，其特征在于，所述活性层可为下列任一种结构：p-n接面、双异质接面(DH)、单层量子井(SQW)以及多层量子井(MQW)。

17.一种发光二极管结构，至少包括：

一基板；

一缓冲层，其形成于该基板上；

一混合层，其形成于该缓冲层上，该混合层至少具有一粗化层用以扩散射入之光线；

一网格层，其形成于该混合层上，且具有一网格图案；

一第一型态半导体层，其形成于该网格层上；

一活性层，其形成于该第一型态半导体层上；

一第二型态半导体层，其形成于该活性层上。

18.根据权利要求17所述的发光二极管结构，其特征在于，所述网格图案至少由条状、矩形、圆形以及三角形所组成的组中的任一者所构成。

19.根据权利要求17所述的发光二极管结构，其特征在于，所述基板的材料可为下列任一：蓝宝石、碳化硅、硅、砷化镓、偏铝酸锂、镓酸锂以及氮化铝。

20.根据权利要求17所述的发光二极管结构，其特征在于，所述缓冲层的材料为氮化镓。

21.根据权利要求17所述的发光二极管结构，其特征在于，所述粗化层的材料至少含有选自于氮化硅、氮化铝及氮化钛所组成的组中的任一材料。

22.根据权利要求17所述的发光二极管结构，其特征在于，所述粗化层具有Al_uGa_(1-u-v)In_vN量子点，而u、v参数的范围为0≤u、v＜1且0≤u+v＜1。

23.根据权利要求17所述的发光二极管结构，其特征在于，所述第一型态半导体层是一n型氮化镓半导体层。

24.根据权利要求17所述的发光二极管结构，其特征在于，所述第二型态半导体层是一p型氮化镓半导体层。

25.根据权利要求17所述的发光二极管结构，其特征在于，所述活性层可为下列任一种结构：p-n接面、双异质接面(DH)、单层量子井(SQW)以及多层量子井(MQW)。

26.一种发光二极管的制造方法，包括下列步骤：

(a)提供一基板；

(b)于该基板上形成一缓冲层；

(c)于该缓冲层上形成一氮化镓层；

(d)于该氮化镓层上形成一网格层；

(e)于该网格层上形成一第一型态半导体层；

(f)于该第一型态半导体层上形成一活性层；

(g)于该活性层上形成一第二型态半导体层。

27.根据权利要求26所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，进一步包含下列步骤：

(h)蚀刻该第二型态半导体层及该活性层，以暴露出该第一型态半导体层的部分表面；

(i)于该第一型态半导体层所暴露的部分表面形成一第一电极；

(j)于该第二型态半导体层的表面形成一第二电极。

28.根据权利要求27所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，所述第一电极是一n型电极。

29.根据权利要求27所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，所述第二电极是一p型电极。

30.根据权利要求26所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，所述步骤(b)是于500～600℃下成长一层厚度为20～50nm的氮化镓材料的缓冲层。

31.根据权利要求30所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，所述步骤(c)是于1000～1200℃成长一层厚度为1～2μm且掺杂Si的氮化镓层。

32.根据权利要求31所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，所述步骤(d)是利用黄光微影工艺于该氮化镓层的表面制作出具有多个网格的网状图形，然后再以干式蚀刻或湿式蚀刻制作网格的形状。

33.根据权利要求31所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，所述步骤(d)是直接以刀具或雷射对该氮化镓层进行切割所需的网格。

34.根据权利要求32或33所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，所述步骤(e)是于1000～1200℃成长一层厚度为1～2μm且掺杂Si的氮化镓层。

35.根据权利要求34所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，所述步骤(f)是于700～900℃下成长该活性层。

36.根据权利要求35所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，所述步骤(g)是于1000～1200℃成长一层厚度为0.1～0.2μm且掺杂Mg的氮化镓层。

37.根据权利要求26所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，所述氮化镓层的成长可以利用下列任一方式：氢化物气相沉积法(HVPE)、化学气相沉积法(CVD)、溅镀法(sputter)。

38.根据权利要求37所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，所述化学气相沉积法是有机金属气相外延法(MOCVD)。

39.一种发光二极管的制造方法，包括下列步骤：

(a)提供一基板；

(b)于该基板上形成一缓冲层；

(c)于该缓冲层上形成一混合层；

(d)于该混合层上形成一网格层；

(e)于该混合层上形成一第一型态半导体层；

(f)于该第一型态半导体层上形成一活性层；

(g)于该活性层上形成一第二型态半导体层。

40.根据权利要求39所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，进一步包含下列步骤：

(h)蚀刻该第二型态半导体层及该活性层，以暴露出该第一型态半导体层的部分表面；

(i)于该第一型态半导体层所暴露的部分表面形成一第一电极；

(j)于该第二型态半导体层之表面形成一第二电极。

41.根据权利要求40所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，所述第一电极是一n型电极。

42.根据权利要求40所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，所述第二电极是一p型电极。

43.根据权利要求39所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，所述步骤(b)是于500～600℃下成长一层厚度为20～50nm的氮化镓材料的缓冲层。

44.根据权利要求43所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，所述步骤(c)至少包含：于1000～1200℃成长一层厚度为1～100nm的粗化层的步骤。

45.根据权利要求44所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，所述步骤(d)s于1000～1200℃成长一层厚度为1～2μm且掺杂Si的氮化镓层。

46.根据权利要求45所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，所述步骤(e)是于700～900℃下成长该活性层。

47.根据权利要求46所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，所述步骤(f)是于1000～1200℃成长一层厚度为0.1～0.2μm且掺杂Mg的氮化镓层。

48.根据权利要求39所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，所述步骤(b)是于500～600℃下成长一层厚度为1～100nm的氮化镓材料的缓冲层。

49.根据权利要求48所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，所述步骤(c)至少包含：于1000～1200℃成长一层厚度为1～100nm且具有Al_uGa_(1-u-v)In_vN量子点的粗化层之步骤，其中u、v参数是范围为0≤u、v＜1且0≤u+v＜1。

50.根据权利要求49所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，所述步骤(d)是于1000～1200℃成长一层厚度为1～2μm且掺杂Si的氮化镓层。

51.根据权利要求50所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，所述步骤(e)是于700～900℃下成长该活性层。

52.根据权利要求51所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，所述步骤(f)是于1000～1200℃成长一层厚度为0.1～0.2μm且掺杂Mg的氮化镓层。

53.根据权利要求44或49所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，所述粗化层的成长可以利用下列任一方式：多层膜蒸镀法、化学气相沉积法(CVD)和溅镀法。

54.根据权利要求53所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，所述多层膜蒸镀法是E-gun多层膜蒸镀法。

55.根据权利要求53所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，所述化学气相沉积法系有机金属气相外延法(MOCVD)。

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