TW201306310A - 發光二極體結構及其製造方法 - Google Patents

Abstract

本發明提出一種發光二極體結構，所述發光二極體結構包括基板、介質反射鏡層、第一導電層、發光層以及第二導電層。所述基板具有多數個溝槽，而介質反射鏡層設置於所述多個溝槽中，且介質反射鏡層分別於每一個溝槽中形成一個介質反射鏡區塊。第一導電層設置於基板上，使得介質反射鏡層位於基板與第一導電層之間，發光層設置於第一導電層上，且第二導電層設置於發光層上。當電流通過第一導電層、發光層與第二導電層時，發光層產生光線。藉此，發光層所產生的光線可集中地朝向發光二極體結構之同一側面射出。

Description

發光二極體結構及其製造方法

本發明有關於一種發光二極體結構及其製造方法，且特別是有關於一種具有介質反射鏡層之發光二極體結構及其製造方法。

發光二極體(light emitting diode，LED)具有低耗電、體積小、使用壽命長與光電特性穩定等優點，於現今產業之應用已相當廣泛。舉例來說，家用電器、電腦螢幕、手機、照明設備、醫療器材或交通號誌，無不以發光二極體取代傳統的燈泡、燈管做為主要的光源。

圖1係繪示習知技藝中之發光二極體的剖面示意圖。如圖1所示，傳統的發光二極體結構9通常依序將一n型半導體層90、一發光層92以及一p型半導體層94設置在一基板96上，所述n型半導體層90更可連接一電極902，而所述p型半導體層94更可連接另一電極942。當兩電極之間具有特定的電壓差時，發光層92則會受所述電壓差驅動而產生光線。一般來說，使用者通常會選定所述發光二極體結構9之一面為出光面，並以此出光面對準欲照射之物體，例如p型半導體層94可為發光二極體的出光面，而基板96表示發光二極體的背面。

然而，發光層92實際上不僅會朝向發光二極體結構9的出光面發光(如圖1中從發光層92往p型半導體層94的箭頭)，也同時會朝向發光二極體結構9的背面發光(如圖1中從發光層92往基板96的箭頭)，使得發光層92產生的光線無法集中利用而形成耗損。此外，若是光線被發光二極體結構9內部各層吸收而蓄熱時，將很可能會降低發光二極體的出光亮度與效率。因此，如何使發光層92所產生的光線能夠集中地朝向出光面射出，以提高發光二極體結構9的發光亮度，實為目前最重要的課題。

本發明實施例在於提供一種發光二極體結構，具有介質反射鏡層以反射射向發光二極體背面之光線，使發光二極體之發光層所產生的光線能夠集中地朝向出光面射出，以提高發光二極體的發光亮度。

本發明實施例提供一種發光二極體結構，包括基板、介質反射鏡層、第一導電層、發光層以及第二導電層。所述基板具有多數個溝槽，而介質反射鏡層設置於所述多個溝槽中，且介質反射鏡層分別於每一個溝槽中形成一個介質反射鏡區塊。第一導電層設置於基板上，使得介質反射鏡層位於基板與第一導電層之間，發光層設置於第一導電層上，且第二導電層設置於發光層上。當電流通過第一導電層、發光層與第二導電層時，發光層產生一光線。

在本發明一示範實施例中，每一個溝槽中之介質反射鏡區塊與第一導電層可包圍出一空氣間隙。此外，所述空氣間隙具有一深寬比例，所述深寬比例係依據磊晶程序中第一導電層之三族半導體材料與五族半導體材料之比例調變。另外，所述多個溝槽可形成於基板之一上表面，且設置於所述多個溝槽中的介質反射鏡層與上表面共平面。

本發明實施例在於提供一種發光二極體製造方法，此方法所製造之發光二極體結構，具有介質反射鏡層以反射射向發光二極體背面之光線，使發光二極體之發光層所產生的光線能夠集中地朝向出光面射出，以提高發光二極體的發光亮度。

本發明實施例提供一種發光二極體製造方法，於所述發光二極體製造方法中，首先於基板上設置圖案化光阻層。接著，執行一蝕刻程序，用以蝕刻基板上未被圖案化光阻層覆蓋之多數個區域，使得基板形成多數個溝槽，所述多個溝槽所形成的位置對應所述多個區域。接著，形成介質反射鏡層於圖案化光阻層上以及所述多個溝槽中，且介質反射鏡層分別於每一個溝槽中形成一個介質反射鏡區塊。接著，除去圖案化光阻層。接著，於基板上形成第一導電層，使得介質反射鏡層位於基板與第一導電層之間。接著，於第一導電層上形成一發光層，以及於發光層上形成一第二導電層。當電流通過第一導電層、發光層與第二導電層時，發光層產生光線。

綜上所述，本發明實施例所提供的發光二極體結構及其製造方法由於將介質反射鏡層形成在基板的溝槽中，使得每個溝槽中的介質反射鏡區塊與基板大致上可以是共平面。藉此，當其他膜層(例如導電層)形成在基板上時，不會因為介質反射鏡區塊凸出或凹陷於基板而產生封合不易的問題。同時，本發明更可藉由介質反射鏡層，以反射射向發光二極體背面之光線，使發光二極體之發光層所產生的光線能夠集中地朝向出光面射出，以提高發光二極體的發光亮度。

為使能更進一步瞭解本發明之特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。

[發光二極體結構實施例]

請參見圖2A，圖2A係繪示依據本發明一示範實施例之發光二極體結構之剖面圖。如圖2A所示，本發明之發光二極體結構1具有基板10、介質反射鏡層(未繪示於圖2A)、第一導電層14、發光層16以及第二導電層18。所述介質反射鏡層、第一導電層14、發光層16以及第二導電層18分別依序設置在基板10之上，使得第一導電層14位於基板10與發光層16之間，而發光層16位於第一導電層14與第二導電層18之間。本實施例於圖2A中，第二導電層18之上表面可為發光二極體結構1之出光面，基板10之下表面可為發光二極體結構1之背面。請注意，在圖式中為了能夠更清楚表示各層或各結構的特徵，可能未按照比例繪製各層或各結構的相對尺寸，以下分別說明本發明之發光二極體結構1的各部元件。

基板10所使用的材料可以是矽、氮化鎵、氮化鋁、藍寶石、尖晶石、碳化矽、砷化鎵、三氧化二鋁、二氧化鋰鎵、二氧化鋰鋁、四氧化鎂二鋁或者其他適當的材料。本實施例以藍寶石材料的基板10為例，基板10之一表面上可具有多數個溝槽102。在此，本發明不限制所述多個溝槽102的形狀，也不限制所述多個溝槽102是如何排列的。舉例來說，溝槽102於基板10之表面上可以呈現圓柱形、長方形或半圓形的凹陷，當然，溝槽102於基板10之表面上也可以是剖面成三角形的條型凹陷、剖面成長方形的條型凹陷或剖面成半圓形的條型凹陷，於所屬技術領域具有通常知識者可以自由設計所述溝槽102。

若以圓柱形的溝槽102為例，請一併參見圖2B與圖2C，圖2B係繪示依據本發明一示範實施例之溝槽之剖面圖，圖2C係繪示依據本發明另一示範實施例之溝槽之剖面圖。如圖所示，本發明中的溝槽102可以有規則地、陣列式排列地設置在基板10之表面上(如圖2B)，或者溝槽102也可以隨機地設置在基板10之表面上(如圖2C)。舉例來說，為了增加光線反射的效率，溝槽102的排列可以是三角形的陣列、六角形的陣列或者四方形的陣列，本發明在此不加以限制，溝槽102的排列規則可由所屬技術領域具有通常知識者視實際需要而設計。

請繼續參見圖2A，介質反射鏡層設置於所述多個溝槽102中，而介質反射鏡層分別於每一個溝槽102中形成一個介質反射鏡區塊122。於實務上，介質反射鏡層以及介質反射鏡區塊122的材料可以是二氧化矽、二氧化鈦、五氧化二鉭、四氮化三矽或者其他適當的材料。在此，溝槽102形成於基板10之一上表面，而設置於溝槽102中的介質反射鏡區塊122的厚度應大致上與溝槽102的深度相近，使得填入介質反射鏡區塊122的溝槽102可以與所述基板10之上表面大致上共平面。換句話說，本發明之介質反射鏡區塊122嵌入基板10之中，而使得基板10能有較平整的表面。當於基板10上進一步製作其他膜層時，具有較平整的表面之基板10可以有較佳的長晶效率。

當然，本發明並不限制所述介質反射鏡區塊122與溝槽102必須形成平整的平面，介質反射鏡區塊122也可以略凸於基板10之上表面或者略凹於基板10之上表面。只要介質反射鏡區塊122不妨礙於基板10上製作其他膜層，於所屬技術領域具有通常知識者可自由設計介質反射鏡區塊122的厚度與溝槽102的深度。

值得注意的是，雖然在基板10上設置越大面積的溝槽102以及介質反射鏡區塊122，可以反射越多的光線(如射向介質反射鏡區塊122的箭頭所示)，使得發光二極體結構1之發光層16所產生的光線能夠集中地朝向出光面射出(如射向第二導電層18的箭頭所示)。然而，溝槽102以及介質反射鏡區塊122的面積過大會使其他膜層不易固設於基板10上，而於發光二極體結構1的耐用度上會產生問題。因此，為了使其他膜層能夠容易地設置在基板10上，溝槽102以及介質反射鏡區塊122應以適當的面積比例設置在基板10之表面上。於所屬技術領域具有通常知識者在不損害發光二極體結構1的耐用度之前提下，可視實際需要而調整溝槽102以及介質反射鏡區塊122在基板10之表面上的面積比例。

請繼續參見圖2A，第一導電層14設置於基板10上，使得介質反射鏡層以及介質反射鏡區塊122位於基板10與第一導電層14之間，而發光層16設置於第一導電層14上，第二導電層18設置於發光層16上。在此，第一導電層14可為一種n型半導體層，而第二導電層18可為一種p型半導體層，且第一導電層14與第二導電層18更可分別連接電極142與電極182。當電極142與電極182間具有一電壓差，而使得第一導電層14、發光層16與第二導電層18有一電流通過時，發光層16可受驅動而產生光線。

於實務上，每一溝槽102中之介質反射鏡區塊122與第一導電層14可包圍出一空氣間隙。請一併參見圖2D與圖2E，圖2D係繪示依據本發明一示範實施例之空氣間隙之示意圖，圖2E係繪示圖2D中A區域的局部放大圖。如圖所示，空氣間隙144位於介質反射鏡區塊122與第一導電層14之間，其中空氣間隙144的寬度R1與深度R2具有一可調變的深寬比例，所述深寬比例係依據一磊晶程序中第一導電層14之五族半導體材料與三族半導體材料之比例(又稱為五三比)而對應改變。

舉例來說，若五三比在0到2000的範圍內，則空氣間隙144的寬度R1與深度R2極小，而介質反射鏡區塊122與第一導電層14之間可視為幾乎沒有包圍出空氣間隙144。若五三比大於2000，則介質反射鏡區塊122與第一導電層14之間便能夠包圍出空氣間隙144，較佳的是，若五三比在2000到3000的範圍內，則可以產生適當大小的空氣間隙144。於實務上，介質反射鏡區塊122可搭配適當大小的空氣間隙144，有助於提高基板10的光線反射效率。當然，沒有空氣間隙144而僅有介質反射鏡區塊122時，本發明之發光二極體結構1同樣也可以達成反射光線的目的，故本發明不限制介質反射鏡區塊122與第一導電層14之間一定要有空氣間隙144。

[發光二極體製造方法實施例]

以下搭配本發明之發光二極體製造方法做進一步地說明。請一併參見圖3、圖4A、圖4B、圖4C、圖4D以及圖4E，圖3係繪示依據本發明一示範實施例之發光二極體製造方法之流程圖，圖4A至圖4E係繪示依據本發明一示範實施例之發光二極體結構於製造過程之剖面圖。於步驟S30與圖4A中，首先在基板10上設置圖案化光阻層20，所述圖案化光阻層20可為具有規則地、陣列式排列地的光阻圖樣，或者圖案化光阻層20可為隨機設置的光阻圖樣。上述被光阻圖樣覆蓋的區域可對應基板10上不具溝槽102的表面，而未被所述光阻圖樣覆蓋的基板10之區域，即為選定產生溝槽102的表面。

接著，於步驟S32與圖4B中，執行一蝕刻程序，用以蝕刻基板10上未被圖案化光阻層20覆蓋之多數個區域，使得基板10形成多數個溝槽102，所述多個溝槽102所形成的位置對應未被圖案化光阻層20覆蓋之區域。於實務上，溝槽102受光蝕刻而凹陷於基板10，但本發明不以此為限，溝槽102更可受其他物理性或化學性蝕刻而凹陷於基板10，而所述溝槽102也可以是預先蝕刻在基板10表面上的。

接著，於步驟S34與圖4C中，形成介質反射鏡層12於圖案化光阻層20上以及所述多個溝槽102中，且介質反射鏡層12分別於每一個溝槽102中形成介質反射鏡區塊122。接著，於步驟S36與圖4D中，除去圖案化光阻層20以及覆蓋在圖案化光阻層20上的介質反射鏡層12，而只留下基板10中的結構。在此，介質反射鏡層12的膜層厚度約莫是溝槽102的蝕刻深度，使得介質反射鏡層12填入溝槽102且除去圖案化光阻層20後，基板10的上表面可具有多個嵌入的介質反射鏡區塊122，且基板10的上表面大致上為一個平整的表面。

接著，於步驟S38與圖4E中，於基板10上形成第一導電層14，使得介質反射鏡層12以及介質反射鏡區塊122位於基板10與第一導電層14之間。接著，於步驟S40與步驟S42中，分別說明了於第一導電層14上形成發光層16，以及於發光層16上形成第二導電層18。

綜上所述，本發明實施例所提供的發光二極體結構及其製造方法可將介質反射鏡層形成在基板的溝槽中，使得每個溝槽中的介質反射鏡區塊與基板大致上可以是共平面，以維持基板上表面的平整性。藉此，當其他膜層(例如導電層)形成在基板上時，不會因為介質反射鏡區塊凸出或凹陷於基板而產生封合不易的問題。同時，本發明更可藉由介質反射鏡層以及分散於基板上的介質反射鏡區塊，以反射射向發光二極體背面之光線，使發光二極體之發光層所產生的光線能夠集中地朝向出光面射出，以提高發光二極體的發光亮度。

以上所述僅為本發明之較佳可行實施例，非因此侷限本發明之專利範圍，故舉凡運用本發明說明書及圖式內容所為之等效技術變化，均包含於本發明之範圍內。

1．．．發光二極體結構

10．．．基板

12．．．介質反射鏡層

14．．．第一導電層

16．．．發光層

18．．．第二導電層

20．．．圖案化光阻層

102．．．溝槽

122．．．介質反射鏡區塊

142．．．電極

182．．．電極

9．．．發光二極體結構

90．．．n型半導體層

92．．．發光層

94．．．p型半導體層

96．．．基板

902．．．電極

942．．．電極

R1、R2．．．長度

S30~S42．．．步驟流程

圖1係繪示習知技藝中之發光二極體的剖面示意圖。

圖2A係繪示依據本發明一示範實施例之發光二極體結構之剖面圖。

圖2B係繪示依據本發明一示範實施例之溝槽之剖面圖。

圖2C係繪示依據本發明另一示範實施例之溝槽之剖面圖。

圖2D係繪示依據本發明一示範實施例之空氣間隙之示意圖。

圖2E係繪示圖2D中A區域的局部放大圖。

圖3係繪示依據本發明一示範實施例之發光二極體製造方法之流程圖。

圖4A係繪示依據本發明一示範實施例之發光二極體結構於製造過程之剖面圖。

圖4B係繪示依據本發明一示範實施例之發光二極體結構於製造過程之剖面圖。

圖4C係繪示依據本發明一示範實施例之發光二極體結構於製造過程之剖面圖。

圖4D係繪示依據本發明一示範實施例之發光二極體結構於製造過程之剖面圖。

圖4E係繪示依據本發明一示範實施例之發光二極體結構於製造過程之剖面圖。

1．．．發光二極體結構

10．．．基板

14．．．第一導電層

16．．．發光層

18．．．第二導電層

102．．．溝槽

122．．．介質反射鏡區塊

142．．．電極

182．．．電極

Claims (16)

1. 一種發光二極體結構，包括：一基板，具有多數個溝槽；一介質反射鏡層，設置於該些溝槽中，該介質反射鏡層分別於每一該溝槽中形成一介質反射鏡區塊；一第一導電層，設置於該基板上，使得該介質反射鏡層位於該基板與該第一導電層之間；一發光層，設置於該第一導電層上；以及一第二導電層，設置於該發光層上；其中當一電流通過該第一導電層、該發光層與該第二導電層時，該發光層產生一光線。
2. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體結構，其中每一該溝槽中之該介質反射鏡區塊與該第一導電層包圍出一空氣間隙。
3. 如申請專利範圍第2項所述之發光二極體結構，其中該空氣間隙具有一深寬比例，該深寬比例係依據一磊晶程序中該第一導電層之五族半導體材料與三族半導體材料之比例調變。
4. 如申請專利範圍第2項所述之發光二極體結構，其中該第一導電層之五族半導體材料與三族半導體材料之比例超過2000。
5. 如申請專利範圍第4項所述之發光二極體結構，其中該第一導電層之五族半導體材料與三族半導體材料之比例在2000至3000的範圍內。
6. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體結構，其中當該第一導電層之五族半導體材料與三族半導體材料之比例在0至2000的範圍內時，每一該溝槽中之該介質反射鏡區塊與該第一導電層之間不具有一空氣間隙。
7. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體結構，其中該些溝槽形成於該基板之一上表面，且設置於該些溝槽中的該介質反射鏡層與該上表面共平面。
8. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體結構，其中該基板係選自矽、氮化鎵、氮化鋁、藍寶石、尖晶石、碳化矽、砷化鎵、三氧化二鋁、二氧化鋰鎵、二氧化鋰鋁以及四氧化鎂二鋁所構成之群組中的材料所形成。
9. 一種發光二極體製造方法，包括下列步驟：於一基板上設置一圖案化光阻層；執行一蝕刻程序，用以蝕刻該基板上未被該圖案化光阻層覆蓋之多數個區域，使得該基板形成多數個溝槽，該些溝槽所形成的位置對應該些區域；形成一介質反射鏡層於該圖案化光阻層上以及該些溝槽中，且該介質反射鏡層分別於每一該溝槽中形成一介質反射鏡區塊；除去該圖案化光阻層；於該基板上形成一第一導電層，使得該介質反射鏡層位於該基板與該第一導電層之間；於該第一導電層上形成一發光層；以及於該發光層上形成一第二導電層；其中當一電流通過該第一導電層、該發光層與該第二導電層時，該發光層產生一光線。
10. 如申請專利範圍第9項所述之發光二極體製造方法，其中每一該溝槽中之該介質反射鏡區塊與該第一導電層包圍出一空氣間隙。
11. 如申請專利範圍第10項所述之發光二極體製造方法，其中該空氣間隙具有一深寬比例，該深寬比例係依據一磊晶程序中該第一導電層之三族半導體材料與五族半導體材料之比例調變。
12. 如申請專利範圍第10項所述之發光二極體製造方法，其中該第一導電層之五族半導體材料與三族半導體材料之比例超過2000。
13. 如申請專利範圍第12項所述之發光二極體製造方法，其中該第一導電層之五族半導體材料與三族半導體材料之比例在2000至3000的範圍內。
14. 如申請專利範圍第9項所述之發光二極體製造方法，其中當該第一導電層之五族半導體材料與三族半導體材料之比例在0至2000的範圍內時，每一該溝槽中之該介質反射鏡區塊與該第一導電層之間不具有一空氣間隙。
15. 如申請專利範圍第9項所述之發光二極體製造方法，其中該些溝槽形成於該基板之一上表面，且設置於該些溝槽中的該介質反射鏡層與該上表面共平面。
16. 如申請專利範圍第9項所述之發光二極體製造方法，其中該基板係選自矽、氮化鎵、氮化鋁、藍寶石、尖晶石、碳化矽、砷化鎵、三氧化二鋁、二氧化鋰鎵、二氧化鋰鋁以及四氧化鎂二鋁所構成之群組中的材料所形成。