TW201010050A - Light-generating device and method for forming the same - Google Patents

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TW201010050A TW098107980A TW98107980A TW201010050A TW 201010050 A TW201010050 A TW 201010050A TW 098107980 A TW098107980 A TW 098107980A TW 98107980 A TW98107980 A TW 98107980A TW 201010050 A TW201010050 A TW 201010050A
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Chia-Lin Yu
Chen-Hua Yu
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Description

201010050 六、發明說明： 【發明所屬之技頜域】 本發明有關於一種發光二極體（light-emitting diode, LED )系統及其製造方法，特別是有關於一種具有反射 層的發光二極體系統及其製造方法。 【先前技術】 一般而言，發光二極體（LED )係使用位於一基底 鲁上且具有一第一接觸層、一主動層（active layer )、以及 一第二接觸層的二極體所形成的。當對這些膜層施加順 向偏廢時，可產生不同波長的光線沿多重方向向外發 .射。然而有一些方向是不適合的，例如沿特定方向的光 線，或是影響光吸收材料（例如矽基底）的光線，其降 低 LED 整體光度（luminosity)。 上述光度及定向性（directionality )的問題已透過在 & LED的主動層下方放置分佈式布拉格反射器（distributed Bragg reflector，DBR )來反射離開基底的光線的方法進行 處理。然而’以垂直DBR表面為基準，DBR在高入射角 時，為低效率的反射器。另外，某些光線離開LED而朝 基底發射時’光線被吸收並阻止其反射，因而不起 作用。 另一解決方法在於使用一光穿透式基底，例如藍寶 石，且在基底上相對於LED的一側形成一反射層。然而， 使用光穿透式基底的作法’例如藍寶石，將侷限LED基 底的可用材料，而無法使用較佳選擇的基材，例如矽。 0503-A33951TWF/spin 3 .201010050 導致製造過程更為繁複且昂貴。 因此，有必要尋求一種新的結構，其能使基底具有 更多材料選擇且光線不會被吸收。 【發明内容】 根據本發明一較佳實施例，發光裝置包括：一基底， 位於基底上且具有一第一主動層的一第一發光二極體、 以及位於基底上且具有一第二主動層的一第二發光二極 馨體。一反射層位於第一發先二極體與第二發光二極體之 間的基底上。第一反射層包括一上表面，其比第一主動 層接近基底。 . 根據本發明又一較佳實施例，發光裝置包括：一基 底以及位於部分的基底上的一反射層。反射層具有一第 一厚度。複數發光二極體延伸穿過反射層至基底，每一 發光二極體包括一主動層，主動層與基底相距一第一距 0 離，且第一距離大於第一厚度。 根據本發明又一較佳實施例，發光裝置的製造方法 包括：提供一基底以及在基底上形成複數發光二極體， 每一發光二極體包括一主動層。在基底上形成一反射 層，其中反射層位於發光二極體中相鄰的發光二極體之 間，且位於主動層下方。 本發明實施例的優點在於加強具有反射器的裝置的 光輸出。本發明實施例亦容許使用光吸收材料作為LED 的基底。 0503-A33951TWF/spin 4 201010050 【實施方式】 以下說明本發明較佳實施例製作與使用―。然.而.，必 須了解的是本發明提供許多適當的實施例的發明概念， 可實施於不同的特定背景。述及的特定實施例僅用於說 明以特定的方法來製作及使用本發明，而並非用以侷限 本發明的範圍。 以下配合特定背景的較佳實施例說明本發明，亦 即，用於多重[ED的反射層。然而，本發明亦可應用於 ®其他反射層。 請參照第1圖’其繪示出一基底1〇1、一第一接觸層 103、一主動層1〇5、以及一第二接觸1〇7。基底ι〇1較 佳為藍賃石或半導體基底。須注意的是本發明實施例雖 以矽塊材（bulk)基底作為說明，然而也可使用其他基底。 舉例而έ ’可使用絕緣層上覆石夕（siHc〇n insulator, SOI)基底、SiC基底、MgAl204基底、及其他同等基底。 _ 然而’本發明特別適合使用矽基底的原因在於除了可降 低其上方LED結構中的應力之外，成本也低。再者，雖 然基底較佳為具有（1Π)表面取向（surface orientation )， 還是可使用具有不同表面取向的基底，例如（100)表面 取向及（110)表面取向。矽基底也可改善光汲取效率 (extraction efficiency )且可使用選擇性ιπ_ν族磊晶成 長製程。 第一接觸層103較佳為形成於基底101上。第一接 觸層103較佳為構成用於發光的二極體的一部分，且包 括III-V族化合物。如其名稱，ΠΙ_ν族化合物包括III族 0503-A33951TWF/spin 5 .201010050 元素及一 V族元素，且化合物包含，例如，GaN、InN、 AIN、AlxGa(]_x)N、AlxIn(1-x)N、AlxInyGa(1.x_y)N、其組合 或同等的化合物。在一實施例中，形成的是p向上（p-up ) 型LED，第一接觸層103較佳為摻雜具有η型導電型的 推雜物（例如，n-GaN)。然而，也可使用ρ型播雜物， 取決於第一接觸層103所需的導電型，以形成η向上 (n-up )型 LED 〇 第一接觸層103較佳為藉由磊晶成長製程所形成 的，例如分子束蟲晶（molecular beam epitaxy, MBE )， 另外也可使用其他製程諸如氫化物氣相蠢晶（hydride vapor phase epitaxy，HVPE)、液相磊晶（liquid phase epitaxy，LPE )、或其他等同製程。第一接觸層l〇3厚度 在1微米（μιη )至6微米的範圍，而較佳厚度約為2微 米。第一接觸層103最好是在製作期間進行原位（in situ) 摻雜，其濃度在lxlO16 cm·3至lxlO19 cm'3的範圍，而較 參 佳的摻雜濃度約為lxlO18 cnT3，另外也可使用其他製 程，諸如離子佈值（ion implantation )或是擴散法。 主動層105較佳為形成於第一接觸層1〇3上。主動 層105用於控制發出的光線至所需波長。另外，藉由調 整及控制主動層105中元素的組成比例，可調整主動層 105中材料的能隙（bandgap )，進而調整LED所發出的 光線的波長。 主動層105較佳為包括多重量子井（multiple quantum well，MQW)。主動層105中MQW結構包括 InGaN、GaN、AlxInyGa(i-x_y)N (其中 0<=χ<=1 )膜層或 0503-A33951TWF/spin 6 201010050 其他等同膜層。主動層105可包括任何數量的量子井， 諸如5至20個量子井，每一個較佳為具有約30埃（A) 至1〇〇埃的厚度。量子井較佳為利用第一接觸層103作 為成核（nucleation )層並使用金屬有機化學氣相沉積 (metal organic chemical vapor deposition, MOCVD )來進 行蠢晶成長，另外也可使用其他製程，諸如MBE、HVPE、 LPE或其他等同製程。 第二接觸層107較佳為形成於主動層105上。第二
* 接觸層107較佳為構成用於發光且具有第一接觸層103 的二極體的第二部分。第二接觸層107較佳為包括III-V • 族化合物’諸如 GaN、InN、AIN、AlxGa(1-x)N、AlxIn(1_x)N、 ' AlxInyGa0_x_y)N、其組合或同等的化合物，且掺雜相反於 第一接觸層103中第一導電型的第二導電型摻雜物（例 如，p-GaN ) 第二接觸層107較佳為藉由磊晶成長製程所形成 φ 的，例如MOCVD，另外也可使用其他製程，諸如HVPE、 LPE、MBE或其他等同製程。第二接觸層107厚度在0.1 微米至2微米的範圍，而較佳厚度約為0.3微米，且最好 是在製作期間進行原位摻雜，其濃度在lxlO17 cm_3至 lxlO21 cnT3的範圍，而較佳的摻雜濃度約為lxl〇19 cm·3， 另外也可使用其他製程，諸如離子佈值或是擴散法。 第2圖係繪示出圖案化第一接觸層103、主動層 105、以及第二接觸層1〇7以形成複數發光二極體（LED) 201。這些LED 201較佳為微米級（micro-sized)及奈米 級（nano-sized) LED 201，且其寬度ω與所發出光線的波 0503-A33951TWF/spin 7 •201010050 =匕例關係。舉例而言，儘管LED 的寬 …麵）至10微米的範圍，且寬度ω較佳為250夺米， 的寬度ω最好是LED201所發出光線的波長 m例如’寬度_ 250奈米而波長為彻夺 闕得二奈求級LED 201與光線波長成比例 關係而向下的光線實質上不會偈限於奈米級LED201 内，因而有更多的光線自LED 201發出。 ❹ 二猎/在第二接觸層107上形成硬式罩幕（hard mas ) 203進行第一接觸層1〇3、主動層1〇5、以及 接觸層1〇7圖案化，硬式罩幕2〇3的材質可錢化石夕了 二Ϊ金屬，例如鎳，或是其組合等等。可藉由在 =觸層：上毯覆式(崎)沉積一硬式罩幕層 =來㈣硬式罩幕2〇3。接著使用適當 ，案化硬式罩幕層而形成硬式罩幕2〇3,並 ： 去除的第二接觸層1〇7部分，以製作⑽2〇ι，要 參 ，而’也可使用其他製程，諸如微影罩幕或是 ^ °imPdnt)，用以保護及圖案化苐—接觸 曰、主動層105、以及第二接觸層1〇7。 在形成及圖案化硬式罩幕203後，進行餘刻製程以 Z07LED 201柱型物。自硬式罩幕加露出的第二接觸 主動層1〇5、及第一接㈣1〇3可利用儀刻夢程 除去二例如乾蝕刻。去除第—接觸層1〇3、主動層⑽、
:及第二接_ 1G7所進行程較佳為單s 步驟’另外也可使用多重㈣步驟以形成L£D 2〇】。J 第3圖係緣示出形成間隙壁3〇1及去除硬式罩幕 〇^〇3-A33951TWF/spin 0 8 201010050 203。間隙壁301用於防止第一接觸層l〇3與第二接觸層 107發生短路且通常藉由在先前的結構上毯覆式沉積一 間隙壁層（未繪示）來製作。間隙壁層的材料較佳為SiN、 SiC、SiON、或氧化物等等。可藉由一般使用的方法來製 作間隙壁層，諸如化學氣相沉積（CVD)、電將輔助化 學氣相沉積（plasma enhanced CVD)、賤鍵（sputter)、 或其他習用方法，接著較佳為利用非等向性 (anisotropically)蝕刻去除LED 201平面與基底1〇1平 ❿面上的間隙壁層，以進行圖案化並形成間隙壁301。 在形成間隙壁301之後，自第二接觸層1〇7的上表 . 面去除硬式罩幕203。硬式罩幕203最好使用濕蝕刻除 . 去，其對於硬式罩幕材料（例如，氮化石夕或鎳）具有選 擇性而實質上不會去除LED 201與基底101的材料。另 外’也可使用研磨製程，例如化學機械研磨（chemical mechanical polishing, CMP)，或是結合蝕刻與研磨，以 ^ 去除硬式罩幕203。 第4圖繪示出在各個LED 201之間的基底101上形 成低於主動層105層位的反射層401。反射層401較佳為 包括南反射金屬’諸如紹、銀、或等同的金屬，另外也 可使用任何適當的反射材料。可藉由一製程，例如物理 氣相沉積（physical vapor deposition, PVD)來形成〜^ 反射金屬毯覆層，用以製作反射層401，另外也可使用龙 他製程，諸如CVD或濺鍍。接著利用適當的微影製程去 除不需要的毯覆層部分，以形成反射層401。反射層4〇1 的厚度較佳為至少10奈米，但最好低於LED 201的主動 0503-A33951TWF/spin 9 .201010050 層105 ’因此較佳的厚度不大於基底101與主動層105底 部之間的距離。 藉由在各個LED 201之間的基底1〇1上形成低於主 動層105的反射層401，任何自各個led 201離開且朝 向基底101的光線可在抵達基底1〇1之前被反射。若基 底101為光吸收基底，例如矽基底，由於光線被反射而 不是被吸收，反射層401將會增加LED 201整體光度。 另外，反射層401可用於將光線導向某一方向（例如， 離開基底101)，並且導離不適當的方向。 第5A至5E圖係繪示出多重LED 2〇1的平面示意 圖，其具有間隙壁301及反射層401。儘管LED 2〇1外 型可為任意形狀，第5A圖繪示出LED 2〇1外型為圓型的 實施例。在本實施例中’圓型LED201的直徑約在10奈 米至5000奈米之間，而較佳為250奈米。各個led 201 較佳為排列成格狀圖案，間距在1〇奈米至1〇微米之間， φ 而較佳的間距為25〇奈米，另外也可採用其他佈局，例 如交錯（staggered)排列佈局。 第5B圖繪示出led 201外型為矩型的另一實施例。 在本實施例中，各個LED 2〇1同樣較佳為排列成格狀圖 案’且反射層401位於各個led 201之間。矩型LED 201 的長度同樣約在1〇奈米至5〇〇〇奈米之間，而較佳為1〇 微米。寬度約在10奈米至5〇〇〇奈米之間，而較佳為25〇 奈米。LED 201之間的間隔約在1〇奈米至5〇〇〇奈米之 間’而較佳的間隔為250奈米。 第5C圖繪示出led 201外型為橢圓型的另一實施 0503-A33951TWF/spin 10 201010050 例。在本實施例中，橢圓型的LED 201較佳為排列成格 狀圖案’但不一定要排列成格狀圖案，而各個LED 201 之間的間隔約在1 〇奈米至1 〇微米之間，而較佳的間隔 為250奈米。 第5D圖續·示出LED 201外型為三角型的另一實施 例。在本實施例中，三角型的LED 201較佳為依行列排 列’另外也可採用交錯排列。在本實施例中，各個LED 201 之間的間距約在10奈米至10微米之間，而較佳的間距 ® 為250奈米。三角型的led 201的邊長約在10奈米至 5000奈米之間，而較佳為250奈米。 第5E圖繪示出LED 201外型為六邊型的另一實施 例。在本貪施例中，六邊型的LED 201較佳為依行列排 列，另外也可採用交錯排列而沒有彼此對準。在本實施 例中，各個LED 201之間的間距約在10奈米至1〇微米 之間，而較佳的間距為250奈米。 • 第6圖繪示出在反射層401上且位於各個LED 201 之間的區域填入一填充材料601. ’以及形成上電極603。 填充材料601的材料較佳為對於LED所發的光（例如， 可見光）而言是透明的，例如二氧化矽，且較佳由CVD 技術並使用四乙基石夕酸鹽（tetra-ethyl-ortho-silicate， TE0S )以及氧作為前驅物（precursor )所形成。然而， 也可使用其他材料，諸如氮化石夕、氮氧化石夕、或其他等 同材料，且可使用其他製程，例如電將輔助化學氣相沉 積。 形成的填充材料601係用以填滿各個LED 201之間 0503-A33951TWF/spin 11 201010050 且位於反射層401上方的區域。接著藉由研磨製程，例 如化學機械研磨（CMP)，去除過多填充材料601，以露 出第二接觸層107。然而，也可使用其他移除製程來去除 過多填充材料6 01，諸如钱刻或是結合钱刻與研磨。 在去除過多填充材料601以及大體露出第二接觸層 107之後，形成上電極603，用以與一個或多個LED 201 的第二接觸層107電性接觸。上電極603較佳由透明且 導電的材料所構成，諸如鎳薄膜、金薄膜、透明導電氧 ® 化物；或其組合或等同的材料，且可藉由一製程來製作， 諸如PVD、濺鍍、CVD或是其他等同製程。上電極603 的厚度較佳在10埃至1000埃之間，而較佳的厚度為100 埃。 之後，可進行後續製程以完成LED 201的製作。舉 例而言5可經由導電基底101或是當基底為非導電時經 由形成的另一接觸點，在每一 LED 201的第一接觸層103 _ 形成電性接觸點。最後，可對LED裝置進行切割及封裝。 參 需注意的是上述說明在於陳述各個LED之間具有反 射表面的LED製造方法。其他膜層，諸如分佈式布拉格 反射器或是缓衝層可成為各個LED 201的一部分。緩衝 層也可位於第一接觸層103與基底101之間，取決於基 底101的類型及分別與第一接觸層103及第二接觸層107 的連接。舉例而言，在某些類型的基底中，諸如SiC及 Si基底，缓衝層，例如A1N或AlGaN，可幫助SiC基底 上方III-N族化合物的磊晶成長。分佈式布拉格反射器通 常包括具有不同折射率的多重膜層，可使LED所發出的 0503-A33951TWF/spin 12 .201010050 光線產生反射，因而增加LED 201頂部所發出的光線。 分佈式布拉格反射器也可搭配使用反射緩衝層，或以反 射緩衝層代替分佈式布拉格反射器。 LED 201的結構可根據使用的材料類型及應用而有 所改變。可以預期的是有許多類型的LED結構可使用本 發明實施例，即，在各個LED 201之間提供反射表面。 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用 以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者， ® 在不脫離本發明之精神和範圍内，當可作更動與潤飾。 舉例而言，缓衝層或是分佈式布拉格反射器可與LED結 合使用。在另一範例中，任何所屬技術領域中具有通常 知識者可以理解在本發明之範圍内可使用不同的材料及 製程。 再者，本發明之保護範圍並未侷限於說明書内所述 特定實施例中的製程、機器、製造、物質組成、裝置、 Λ 方法及步驟，任何所屬技術領域中具有通常知識者可從 馨 本發明揭示内容中理解現行或未來所發展出的製程、機 器、製造、物質組成、裝置、方法及步驟，只要可以在 此處所述實施例中實施大體相同功能或獲得大體相同結 果皆可使用於本發明中。因此，本發明之保護範圍包括 上述製程、機器、製造、物質組成、裝置、方法及步驟。 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用 以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者， 在不脫離本發明之精神和範圍内，當可作更動與潤飾， 因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定 0503-A33951TWF/spin 13 201010050 者為準。
0503-A33951TWF/spin 14 201010050 【圖式簡單說明】 第1圖係繪示出根據本發明實施例在一基底上形成 一第一接觸層、一主動層、以及一第二接觸層的剖面示 意圖。 第2圖係繪示出根據本發明實施例圖案化第一接觸 層、主動層、以及第二接觸層以形成各個LED的剖面示 意圖。 第3圖係繪示出根據本發明實施例在LED的側壁上 ®形成間隙壁的剖面示意圖。 第4圖係繪示出根據本發明實施例在LED之間的基 底上形成反射薄膜的剖面示意圖。 第5A至5E圖係繪示出根據本發明實施例各個LED 外型的平面示意圖。 第6圖係繪示出根據本發明實施例在LED上形成上 電極的剖面示意圖。 ® 【主要元件符號說明】 101〜基底； 103〜第一接觸層； 105〜主動層； 107〜第二接觸層； 201〜發光二極體（LED); 301〜間隙壁； 401〜反射層； 601〜填充材料； 603〜上電極； ω〜寬度。 0503-A33951TWF/spin 15

Claims (1)

  1. .201010050 七、申請專利範圍： 1·一種發光裝置，包括： 一基底； 第一發光二極體，位於該基底上，其中該 光二極體包括一第一主動層； 又 第—發光二極體，位於該基底上，其中該第二發 光二極體包括-第二主動層；以及 反射層，位於該第一發光二極體與該第二發光二 極體之間的該基底上，其中該第一反射層包括一上表面 比該第一主動層接近該基底。 2·如申請專利範圍第丨項所述之發光裝置，其中該反 射層包括：鋁、銀、或其他反射材料。 3·如申請專利範圍第1項所述之發光裝置，其中該第 一發光二極體用於發出具有一第一波長的光線，且該第 一發光二極體的寬度舆該第一波長成比例關係。 參 4.如申請專利範圍第1項所述之發光裝置，更包括複 數間隙壁，位於該第一發光二極體的側壁上。 5. 如申請專利範圍第1項所述之發光裝置，其中該基 底為一光吸收基底。 6. 如申請專利範圍第1項所述之發光裝置，更包括— 光穿透材料，位於該第一發光二極體與該第二發光二極 體之間的該反射層上。 7. —種發光裝置，包括： 一基底； 一反射層’位於部分的該基底上，該反射層具有— 〇503-A33951TWF/spin 16 201010050 第一厚度；以及 複數發光二極體，延伸穿過該反射層至該基底，每 么光―極體包括—主動層，該主動層與該基底相距一 弟一距離，且該第一距離大於該第一厚度。 8.如申請專難㈣7項所述之發光裝置，其中該反 射層包括：鋁、銀、或其他反射材料。 ,9·如申明專利範圍第7項所述之發光裝置，1中古
    =二：體中至少一個的寬度與該發光裝置所發出：光 線的一波長成比例關係。 Π.如申請專利範圍第7 基底為一光吸收基底。 項所述之發光裝置，其中該 .如中請專利範圍第7項所述之發光裝置，更包括
    一光穿透材料，位於該等發光二極冑Μ 體之間的該反射層上。 極-中相鄰的發光二極 13.如申請專利範 一發光二極體為圓型 型。 圍第7項所述之發光裝置，其中每 、矩型、橢圓型、三角型、或六邊 14.一種發光裝置的製造方法，包括： 提供一基底； ^ ’每一發光二極體 在该基底上形成複數發光二極 包括一主動層；以及 在該基底上形成一反射層； 其中該反射層位於該等發光二極體中相鄰的發光 〇503-A33951TWF/spin 17 201010050 極體之間，且位於該等主動層下方。 方法專㈣μ項所述之發光裝置的製造 =申請專利範圍第14項所述之發光裝置的製造 第rnt該等發光二極體中至少—個用於發出具有〆 /、、光線，且該發光二極體的寬 成比例關係。 見度/、該弟一波長 方法利範圍第14項所述之發光裝置的製造 射層包括在該等發光二極體的側璧 上分別形成間隙壁。 方牛，專利耗圍第17項所述之發光I置的製造 谐’二上：括在該等間隙壁之間及該反射層上的一區城 填入一光穿透材料。 h中1專利圍第18項所述之發光裝置的製造 跡’更包括㈣光穿透材料進行平坦化，且該平坦化 y驟大體露出該等發光二極體的上表面。 如”專利範圍第14項所述之發錢置的製造 /，其中形成複數發光二極體，包括： 形成一第一接觸層； 在該第一接觸層上形成一主動層； 在該=動層上形成一第二接觸層； 在名第一接觸層上形成—硬式罩幕，該硬式罩幕露 出部分的該第二接觸層；以及 …飯刻㈣二接觸層露出的部分及下方的該主動層與 該第一接觸層，以形成該等發光二極體。 0503-A3395)TWF/spin ^
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