TW201308666A - 發光二極體陣列及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

一種發光二極體陣列，其包括基板及形成於基板一側的多個發光二極體，所述多個發光二極體之間電連接，所述每個發光二極體包括依次形成於所述基板上的n型氮化鎵層、發光層及p型氮化鎵層，該基板與n型氮化鎵層之間設置有連接層，該基板鄰近連接層的表面上形成有複數凸狀結構，該連接層覆蓋部分該複數凸狀結構。本發明還涉及該種發光二極體陣列的製造方法。

Description

發光二極體陣列及其製造方法
本發明涉及一種半導體元件及其製造方法，尤其涉及一種發光二極體陣列及其製造方法。
現在，發光二極體(Light Emitting Diode, LED)已經被廣泛應用到照明等領域中，為了提高照明亮度，人們往往在燈具等中採用由多個發光二極體組成的發光二極體陣列。然而，發光二極體產生的光只有在小於臨界角的情況下才能射出至外界，否則由於內部全反射的原因，大量的光將在發光二極體內部損失掉，無法射出至外界，導致整個發光二極體陣列的出光率低下，亮度不高。目前，利用蝕刻使得發光二極體表面粗化來增加發光二極體亮度的技術已為公眾熟知，現有的技術大致分為兩種：1. 利用高溫的酸性液體(如硫酸，磷酸等)來對發光二極體進行蝕刻，其缺點為液體中易因溫度不均而產生蝕刻速率不穩定的現象，且使用槽體需經良好的設計，使在高溫操作的液體不具危險，因此槽體的製作成本也會較高；2. 利用紫外光照射加電壓的方式，使半導體元件易和氫氧化鉀產生反應，進而達成蝕刻的目的，但操作上需製作絕緣物保護，在晶片上布下電極線，再進行通電照光蝕刻，由於電極導電性的問題使製作上只能在小片晶片上製作，而整片晶圓的製作上受限於電力的分佈，而很難有良好的蝕刻均勻性，且製作流程較複雜。
有鑒於此，有必要提供一種便於蝕刻且出光效率高的發光二極體陣列及其製造方法。
一種發光二極體陣列，其包括基板及形成於基板一側的多個發光二極體，所述多個發光二極體之間電連接，所述每個發光二極體包括依次形成於所述基板上的n型氮化鎵層、發光層及p型氮化鎵層，該基板與n型氮化鎵層之間設置有連接層，該基板鄰近連接層的表面上形成有複數凸狀結構，該連接層覆蓋部分該複數凸狀結構。
一種發光二極體陣列的製造方法，包括以下步驟：提供一基板；圖案化蝕刻該基板，以在該基板表面形成複數凸狀結構；在所述基板上依次成長形成連接層、n型氮化鎵層、發光層和p型氮化鎵層，所述連接層、n型氮化鎵層、發光層和p型氮化鎵層構成一半導體層，所述n型氮化鎵層面向連接層的底面為反向極化氮化鎵；在所述半導體層上形成多個溝槽，該多個溝槽將半導體層分割成多個發光二極體，所述溝槽依次貫穿p型氮化鎵層、發光層及n型氮化鎵層以裸露出連接層；蝕刻掉所述每個發光二極體的部分連接層，裸露出n型氮化鎵層的部分底面，並對裸露出的n型氮化鎵層的底面進行蝕刻以形成粗化表面；電連接所述多個發光二極體及蝕刻該發光二極體陣列未被電連接區域覆蓋的部分，使該複數凸狀結構外露於相鄰發光二極體之間。
本發明提供的發光二極體陣列中，該基板用於承載發光二極體的表面形成複數凸狀結構，針對發光二極體產生的光只有在小於臨界角的情況下才能射出至外界的情況，該複數凸狀結構改變局限於基板內的光的傳導路徑，從而提升該發光二極體陣列的光萃取率。
下面參照附圖，結合具體實施例對本發明作進一步的描述。
以下將結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。
請參閱圖1和圖2，本發明實施方式提供的一種發光二極體陣列100包括基板10、形成於基板10一側的多個發光二極體20、位於所述多個發光二極體20之間的電絕緣層30、用於實現所述多個發光二極體20之間電連接的電連接線40，以及形成於基板10上並位於所述多個發光二極體之間的複數凸狀結構50。
所述基板10的材質可選自矽、碳化矽、藍寶石等。該複數凸狀結構50設置基板10鄰近多個發光二極體的表面上。在此，可藉由光微影及蝕刻技術對所述基板10進行圖案化處理，以在基板10表面形成複數凸狀結構50。本實施例中該複數凸狀結構50上表面呈球面狀。
該發光二極體20的數量至少為兩個。然而，可以理解，所述發光二極體陣列100中發光二極體20的數量並不限於兩個，其具體數量可根據實際需要的亮度而定。所述每個發光二極體20包括連接層21、n型氮化鎵層22、發光層23、p型氮化鎵層24、透明導電層25、p型電極26及n型電極27。所述連接層21、n型氮化鎵層22、發光層23、p型氮化鎵層24和透明導電層25依次形成於基板10上。
所述連接層21易於被鹼性溶液在低於100℃情況下蝕刻。所述連接層21的面積小於形成在其上的n型氮化鎵層22的面積，使得n型氮化鎵層22面向所述連接層21的底面周緣裸露出。所述連接層21的材質可選自氮化鋁、二氧化矽、氮化矽等。本實施方式中，所述連接層21為氮化鋁。優選地，所述連接層21的厚度範圍為5奈米-1000奈米。連接層21的厚度大於5奈米時，蝕刻液才會有效的側蝕滲透，所述連接層21的厚度大於1000奈米則容易因為應力太大而導致其上形成的結構出現碎裂。所述連接層21的電阻值遠大於發光二極體20的電阻值，例如，氮化鋁形成的連接層21的電阻值往往在2000歐姆左右，而發光二極體20的電阻值一般僅有10-20歐姆。
所述n型氮化鎵層22的底面為反向極化(N-face)氮化鎵。反向極化(N-face)氮化鎵為晶格成長堆疊時，氮原子形成在表面的結構；正常極化(Ga-face)氮化鎵為晶格成長堆疊時，鎵原子形成在表面的結構。反向極化(N-face)氮化鎵易被鹼性溶液在低於100℃情況下蝕刻成六角錐的形態；但正常極化(Ga-face)氮化鎵則與鹼性溶液在低於100℃情況下完全不反應。所述n型氮化鎵層22的底面裸露的部分被粗化，以提高發光二極體20的光萃取率。所述n型氮化鎵層22遠離連接層21的頂面包括一個第一區域221及一個第二區域222。
所述發光層23、p型氮化鎵層24、透明導電層25及p型電極26依次形成在所述第一區域221上。所述透明導電層25可選自鎳金雙金屬薄層、氧化銦錫(ITO)等。本實施例中，所述透明導電層25為氧化銦錫。
所述n型電極27形成在所述第二區域222上。
所述多個發光二極體20之間形成有溝槽101，以將多個發光二極體20相互隔開。該溝槽101貫穿過連接層21、n型氮化鎵層22、發光層23、p型氮化鎵層24及透明導電層25，以暴露出基板10上的凸狀結構50。
所述電絕緣層30形成於發光二極體20之間的溝槽101中，並覆蓋溝槽101底部暴露出的部分凸狀結構50。該電絕緣層30用於避免相鄰兩發光二極體20出現短路現象。所述電絕緣層30的材質可選自二氧化矽。當然，所述電絕緣層30也可設置成包覆發光二極體20除電極以外的所有表面。
所述電連接線40形成於所述電絕緣層30上，以根據實際的產品需求將所述多個發光二極體20串聯、並聯或混聯。本實施方式中，所述電連接線40將所述多個發光二極體20串聯。具體的，該電連接線橫貫溝槽101並設置在電絕緣層30上，其一端連接於一個發光二極體20的p型電極，另一端連接於另一個發光二極體20的n型電極。該種設置可以使得電連接線40受到電絕緣層30的良好支撐，而避免電連接線40產生斷裂現象。可以理解，該溝槽101中也可以沒有該電絕緣層30，只需採取強度較高的材料製作電連接線40即可，參照圖3。
優選的，為提高後續成長在其上的半導體層的品質，所述基板10可先形成一緩衝層11。本實施方式中，為便於成長所述連接層21，所述基板10的緩衝層11上還進一步形成有一氮化鎵層12。優選地，該氮化鎵層12為n型氮化鎵層，其遠離基板10的表面為正常極化(Ga-face)氮化鎵。
該緩衝層11形成於該複數凸狀結構50上。該發光二極體陣列100上未被發光二極體20及電連接線40佔據的區域均被蝕刻至基板10以裸露出該複數凸狀結構50，也即，相鄰發光二極體20之間未被電絕緣層30、電連接線40覆蓋的溝槽101底部均外露出該複數凸狀結構50。此結構適用於操作電壓大於5V、單晶種串聯的發光二極體陣列100。
本發明提供的發光二極體陣列100中，該基板10用於承載發光二極體20的表面形成複數凸狀結構50，針對發光二極體20產生的光只有在小於臨界角的情況下才能射出至外界的情況，該複數凸狀結構50能夠改變局限於基板10內的光的傳導路徑，從而提升該發光二極體陣列100的光萃取率。
下面將介紹所述發光二極體陣列100的製造方法，本實施方式提供的所述發光二極體陣列100的製造方法包括以下步驟：
請參閱圖4，提供基板10，所述基板10的材質可選自矽、碳化矽、藍寶石等。藉由光微影及蝕刻技術圖案化蝕刻該基板，使基板10表面形成複數凸狀結構50，本實施方式中，該複數凸狀結構50的上表面呈球面狀。
請參閱圖5，在所述基板10形成有凸狀結構50的表面上依次成長形成連接層21、n型氮化鎵層22、發光層23、p型氮化鎵層24、透明導電層25。所述連接層21、n型氮化鎵層22、發光層23、p型氮化鎵層24和透明導電層25一同構成一半導體層102。本實施方式中，在成長所述連接層21前，先在基板10上依次形成了緩衝層11和氮化鎵層12，以提高後續成長的半導體層的品質。所述氮化鎵層12遠離基板10的表面為正常極化(Ga-face)氮化鎵，以避免後續被鹼性溶液蝕刻。所述連接層21的厚度範圍為5奈米-1000奈米。連接層21的厚度大於5奈米時，蝕刻液才會有效的側蝕滲透，所述連接層21的厚度大於1000奈米則容易因為應力太大而導致其上形成的結構出現碎裂。所述n型氮化鎵層22的底面為反向極化(N-face)氮化鎵，以便於被鹼性溶液蝕刻。
請參閱圖6，在所述半導體層102上形成多個溝槽101，該多個溝槽101將半導體層102分割成多個發光二極體20。所述溝槽101依次貫穿透明導電層25、p型氮化鎵層24、發光層23及n型氮化鎵層22以裸露出連接層21。為便於後續對於連接層21的蝕刻，優選地，所述溝槽101進一步貫穿所述連接層21。所述溝槽101可藉由感應耦合電漿蝕刻技術(Inductively Coupled Plasma, ICP)形成。
蝕刻所述每個發光二極體20上的透明導電層25、p型氮化鎵層24和發光層23及n型氮化鎵層22直至連接層21時，所述氮化鎵層12也可有部分被蝕刻。
請參閱圖7，在上述每個發光二極體20的透明導電層25和n型氮化鎵層22裸露區域上分別形成p型電極26及n型電極27。
請參閱圖8，採用鹼性溶液橫向蝕刻掉所述每個發光二極體20的部分連接層21，裸露出n型氮化鎵層22的部分底面，並採用所述鹼性溶液對裸露出的n型氮化鎵層22的底面進行蝕刻以形成粗化表面。為加快對連接層21及n型氮化鎵層22的底面的蝕刻速度，優選地，所述鹼性溶液為強鹼性溶液，如氫氧化鉀、氫氧化鈉等。具體的，可採用85攝氏度的氫氧化鉀溶液對所述連接層21和n型氮化鎵層22蝕刻30-60分鐘。
請參閱圖9，在所述溝槽101中形成電絕緣層30，並在所述電絕緣層30上形成電連接所述多個發光二極體20的電連接線40，所述電連接線40將所述發光二極體陣列100中的該複數發光二極體20串聯。
蝕刻該複數發光二極體20之間除去電連接線40的區域至裸露出部分該複數凸狀結構50，可藉由感應耦合電漿蝕刻技術對該發光二極體陣列100進行蝕刻。
可以理解，在上述發光二極體陣列100的製造方法中，所述發光二極體20也可不包括透明導電層25，即不形成透明導電層25，所述p型電極26可直接形成於p型氮化鎵層24上。另外，所述p型電極26及n型電極27也可在n型氮化鎵層22底面粗化後再形成。
綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施方式，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。
100．．．發光二極體陣列
10．．．基板
11．．．緩衝層
12．．．氮化鎵層
20．．．發光二極體
21．．．連接層
22．．．n型氮化鎵層
221．．．第一區域
222．．．第二區域
23．．．發光層
24．．．p型氮化鎵層
25．．．透明導電層
26．．．p型電極
27．．．n型電極
30．．．電絕緣層
40．．．電連接線
101．．．溝槽
102．．．半導體層
50．．．凸狀結構
圖1係本發明實施方式提供的一種發光二極體陣列的示意圖。
圖2係本發明實施例的一種發光二極體陣列的局部俯視圖。
圖3係本發明另一實施例的一種發光二極體陣列的示意圖。
圖4-圖9係圖1中的發光二極體陣列的製造流程示意圖。
10．．．基板
11．．．緩衝層
12．．．氮化鎵層
20．．．發光二極體
21．．．連接層
22．．．n型氮化鎵層
23．．．發光層
24．．．p型氮化鎵層
25．．．透明導電層
26．．．p型電極
27．．．n型電極
30．．．電絕緣層
40．．．電連接線
50．．．凸狀結構
101．．．溝槽
221．．．第一區域
222．．．第二區域

Claims (10)

  1. 一種發光二極體陣列，其包括基板及形成於基板一側的多個發光二極體，所述多個發光二極體之間電連接，所述每個發光二極體包括依次形成於所述基板上的n型氮化鎵層、發光層及p型氮化鎵層，其改進在於，該基板與n型氮化鎵層之間設置有連接層，該基板鄰近連接層的表面上形成有複數凸狀結構，該連接層覆蓋部分該複數凸狀結構。
  2. 如申請專利範圍第1項所述發光二極體陣列，其中，該多個發光二極體之間由溝槽隔開，溝槽貫穿連接層並暴露出基板上的複數凸狀結構。
  3. 如申請專利範圍第1項所述發光二極體陣列，其中，所述發光二極體陣列進一步包括一形成於所述溝槽中的電絕緣層以及形成於該電絕緣層上的電連接線，該電連接線用於電連接所述多個發光二極體，所述基板上的複數凸狀結構外露於未被該電連接線覆蓋的溝槽底部。
  4. 如申請專利範圍第1項所述發光二極體陣列，其中，該發光二極體陣列包括位於基板和n型氮化鎵層之間的一緩衝層，該緩衝層貼設於該複數凸狀結構的上表面。
  5. 如申請專利範圍第1項所述發光二極體陣列，其中，所述電連接線串聯所述多個發光二極體且操作電壓大於5V。
  6. 如申請專利範圍第3項所述發光二極體陣列，其中，所述連接層能夠被鹼性溶液蝕刻，所述n型氮化鎵層面向連接層的底面為反向極化氮化鎵，且該底面有裸露的粗化表面。
  7. 如申請專利範圍第1項所述發光二極體陣列，其中，所述連接層和基板之間形成有另一n型氮化鎵層，該n型氮化鎵層遠離基板的表面為正常極化氮化鎵。
  8. 一種發光二極體陣列的製造方法，包括以下步驟：
    提供一基板；
    圖案化蝕刻該基板，以在該基板表面形成複數凸狀結構；
    在所述基板形成有凸狀結構的表面上依次形成連接層、n型氮化鎵層、發光層和p型氮化鎵層，所述連接層、n型氮化鎵層、發光層和p型氮化鎵層構成一半導體層，所述n型氮化鎵層面向連接層的底面為反向極化氮化鎵；
    在所述半導體層上形成多個溝槽，該多個溝槽將半導體層分割成多個發光二極體，所述溝槽依次貫穿p型氮化鎵層、發光層及n型氮化鎵層以裸露出連接層；
    蝕刻掉所述每個發光二極體的部分連接層，裸露出n型氮化鎵層的部分底面，對裸露出的n型氮化鎵層的底面進行蝕刻以形成粗化表面；
    電連接所述多個發光二極體；及
    蝕刻該發光二極體陣列未被電連接區域覆蓋的部分，使該複數凸狀結構外露於相鄰發光二極體之間。
  9. 如申請專利範圍第8項所述發光二極體陣列的製造方法，其中，所述溝槽貫穿所述連接層。
  10. 如申請專利範圍第8項所述發光二極體陣列的製造方法，其中，在電連接所述多個發光二極體之前，先在所述多個發光二極體之間的溝槽中形成電絕緣層。
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