TW201340390A - 發光二極體之具有介電材料層的半導體層及其製作方法 - Google Patents
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Abstract
一種發光二極體之具有介電材料層的半導體層及其製作方法，其係用以提升外部量子效率，其至少包含有一半導體層，該半導體層內部包含有一具有複數個間隔區的粗化層，每一間隔區之中具有至少一介電材料層，該至少一介電材料層呈倒金字塔型，該至少一介電材料層之部份須露出於該粗化層之外，透過利用該介電材料層係作為光之散射介面，使得自發光層放射之光子能藉由介電材料層之散射效應及間隔區呈斜切的內側面以幫助提升光子射出於發光二極體之外的機率，如此可降低全反射發生之機率，藉以達成提升外部量子效率的目的。
Description
一種發光二極體之具有介電材料層的半導體層及其製作方法，尤其是一種能降低全反射並提升外部量子效率的發光二極體。
氮化鎵(GaN)系發光二極體，由於可以藉著控制材料的組成來製作出各種色光的發光二極體，其相關技術因此成為近年來業界與學界積極研發的焦點。學界與業界對氮化鎵系發光二極體的研究重點之一，係在了解氮化鎵系發光二極體的發光特性，進而提出提升其發光效率與亮度的做法。這種高效率與高亮度的氮化鎵系發光二極體，未來將可以有效應用於戶外顯示看板、車用照明等領域。
氮化鎵系發光二極體的發光效率，主要和氮化鎵系發光二極體的內部量子效率(Internal Quantum Efficiency)以及外部量子效率(External Quantum Efficiency)有關。前者和氮化鎵系發光二極體主動層裡電子電洞結合進而釋放出光子的機率有關。電子電洞愈容易複合，光子愈容易產生，內部量子效率就愈高，氮化鎵系發光二極體的發光效率通常也就愈高。後者則和光子不受氮化鎵系發光二極體本身的吸收與影響、成功脫離氮化鎵系發光二極體的機率有關。愈多光子能釋放到氮化鎵系發光二極體之外，外部量子效率就愈高，氮化鎵系發光二極體的發光效率通常也就愈高。
氮化鎵系發光二極體的外部量子效率主要取決於其頂端表層的型態與其折射率。習知的氮化鎵系發光二極體與空氣的折射率分別是2.5與1。因為習知的氮化鎵系發光二極體的折射率較高，很容易形成內部全反射。所產生出來的光子，由於內部全反射的緣故，很不容易釋放到氮化鎵系發光二極體之外。氮化鎵系發光二極體的外部量子效率因而通常受到相當大的限制，因此需要一種能提升外部量子效率的發光二極體結構。
再者，現今在磊晶基材表面上進行粗化(texture)圖案之作法，係在藍寶石基材表面上塗佈光阻(photo resistance)，並利用微影製程(photolithography)圖案化後，再利用乾式或溼式之蝕刻方式去除未受光阻覆蓋的區域，進而在磊晶基材表面上形成規則化的圖案形狀(pattern sapphire substrate)。
然而習知技術之缺點在於粗化的方式上受限於需要利用微影製程來進行，這使得粗化圖案的形狀僅受限於所謂的圓形、方形、長條形等規則化的圖案，導致光粹取的效益受到限制，因此必須構思並實現一種不須透過微影製程，即能製作出具有高分佈密度並使光子散射效應最大化之一種發光二極體。
本發明的主要目的在於提供一種有效提升外部量子效率之發光二極體，其中發光二極體之半導體層內具有介電材料層，利用介電材料層作為光子散射之介面，藉以提升光子射出於發光二極體之機率，藉以達成提升外部量子效率的目的。
為達上述目的，本發明之具體技術手段包含有一半導體層，其中該半導體層內部包含有一具有複數個間隔區的粗化層，每一間隔區之中具有至少一介電材料層，該至少一介電材料層呈倒金字塔型，且該至少一介電材料層之部份係露出於該粗化層之外。
本發明的另一目的在於提供一種發光二極體之具有介電材料層的半導體層，其中在粗化層之間隔區之中直接形成高密度散佈之介電材料層，如此可省去如微影製程的步驟，節省製造時間及成本，且由於高密度散佈之介電材料層，可將光散射效應最大最佳化。
為達上述目的，本發明之具體技術手段包含在一基材上成長一半導體層的一部份，該半導體層之表層為一粗化層，該粗化層係具有複數個間隔區；在該粗化層之上沉積至少一介電材料層；將該介電材料層降減至使部分的該粗化層能夠外露的程度；以及在該粗化層與該介電材料層之上完成該半導體層的另一部份的長成。
因此本發明可解決習用技術之缺失，減少全反射之發生，並增加外部量子效率。
以下配合圖式及元件符號對本發明之實施方式做更詳細的說明，俾使熟習該項技藝者在研讀本說明書後能據以實施。
參閱第一圖，本發明之發光二極體之具有介電材料層的半導體層的結構示意圖。本發明係有關一種發光二極體之具有介電材料層的半導體層，其至少包含有一半導體層1，該半導體層1的材料可以是一元素半導體(element semiconductor)、一化合物半導體(compound semiconductor)或其他適當半導體材料。該化合物半導體可使用二元、三元或四元的三-五(Ⅲ-Ⅳ)族化合物半導體材料，比如砷化鎵(GaAs)、氮化鎵(GaN)及其他化合物半導體。
該半導體層1之內具有一粗化層3，該粗化層3係為一粗化表面，其中該粗化層3具有複數個間隔區31，每一間隔區31之中係形成有一介電材料層5，且該介電材料層5不得覆蓋該粗化層3，亦即部份的該粗化層3須外露於該介電材料層5之外。
該介電材料層5概呈倒金字塔型(Inverted pyramid)，該介電材料層也可以呈球型狀，該介電材料層5係作為光之散射中心，使得從發光層(圖面未顯示)射出之光線能藉由該介電材料層5之散射效應進而減少全反射之產生，藉以達成提升發光效率的目的，再搭配該間隔區31呈斜切的內側面，更有助於將光子導往外部空間的方向，藉以有效提升外部量子效率，其中該介電材料層5的較佳的材料可以是二氧化矽(SiO2)、矽氮化物(SiNx)、五氧化二鉭(Ta2O5)、二氧化鈦(TiO2)、氧化鋅(ZnO)、二氧化鉿(HfO2)、過氧化鎂(MgO2)、氮化鎂(MgNx)或具有能隙高、耐高溫及與氮化鎵材料之折射係數不同之材料。
參閱第二圖，本發明之發光二極體之具有介電材料層的半導體層的較佳實施例示意圖。其中該半導體層1係位於一基材6之上，而該半導體層1之上則依序具有一發光層7及一第一半導體層8，要注意的是，圖式中只顯示出與本發明特徵有關的組件，並不顯示出其它眾所周知的組件，以方便說明本發明內容，亦即，該發光二極體雖然還包括許多元件，但不影響以下的說明。
當電流通過發光層7時，發光層7之內電子和電洞會相互結合，並因電子與電洞結合所釋放之能量而放射光子，於該發光層7上半部的光子有機會向外射出，但在該發光層7下半部的光子則會往基材6方向行進，但透過本發明的半導體層1中的介電材料層5，使光子得以透過該介電材料層5作為光散射介面，以產生散射效應使光子得以反射至該間隔區31之呈斜切的內側面，如此有助於光子朝外部射出，藉以降低全反射效應，進而有效提高外部量子效率。
其中若該半導體層1為N型氮化鎵系之半導體，第一半導體層8則為P型氮化鎵系之半導體，亦即若該半導體層1為P型氮化鎵系之半導體，則第一半導體層8為N型氮化鎵系之半導體，要注意的是本發明之介電材料層5並不限定於設置於該半導體層1或第一半導體層8，其配置方式視實際需求而定，只要是半導體層1內具有能將光線間接或直接導向至外部環境中的介電材料層5皆落在本發明的範圍之內。
參閱第三~六圖，本發明之發光二極體之具有介電材料層的半導體層之製作方法示意圖，首先在一基材6成長一半導體層1的一部份，如第三圖所示，其中部份先成長的該半導體層1的表層部分為一粗化層3，該粗化層3具有複數個間隔區31，該粗化層3係為一粗化表面，該等間隔區31則散佈於該粗化表面之中，其中該基材6包含一基板、一磊晶層、一金屬層、一發光層或其他適當的元件。該半導體層1的材料可以是一元素半導體(element semiconductor)、一化合物半導體(compound semiconductor)或其他適當半導體材料。該化合物半導體可使用二元、三元或四元的三-五(Ⅲ-Ⅳ)族化合物半導體材料，比如砷化鎵(GaAs)、氮化鎵(GaN)及其他化合物半導體。
其中該粗化層3係經由對半導體層1進行一表面處理而形成之，比如，利用研磨方式而使半導體層1上形成不規則性的粗糙表面，或是以反應式離子蝕刻(Reactive Ion Etching,RIE)的方式使該半導體層1表面形成具規則性或週期性變化之粗糙表面，關於粗化層3的形成方式係屬習知技術之範疇，在此不加以詳述，本發明的並不限定粗化層3的結構變化。
接著，在該粗化層3之上沉積一介電材料層5，如第四圖所示，該介電材料層5的材料可以是二氧化矽(SiO2)、矽氮化物(SiNx)、五氧化二鉭(Ta2O5)、二氧化鈦(TiO2)、氧化鋅(ZnO)、二氧化鉿(HfO2)、過氧化鎂(MgO2)、氮化鎂(MgNx)或具有能隙高、耐高溫及與氮化鎵材料之折射係數不同之材料。
接著，利用感應耦合電漿離子蝕刻技術(Inductively Coupled Plasma Reactive Ion Etching,ICP-RIE將該介電材料層5蝕刻至使部分的該粗化層3能夠外露的程度，如第五圖所示，較佳地，每一間隔區3之內的介電材料層5呈現為倒金字塔的型態。
最後，在該粗化層3與該介電材料層5之上完成該半導體層1的另一部份的長成，如第六圖所示。依本發明製作方法所產生的完成品，可與發光二極體的其餘製程相銜接或整合，使發光二極體的發光效率有效提升。
以上所述者僅為用以解釋本發明之較佳實施例，並非企圖據以對本發明做任何形式上之限制，是以，凡有在相同之發明精神下所作有關本發明之任何修飾或變更，皆仍應包括在本發明意圖保護之範疇。
1．．．半導體層
3．．．粗化層
5．．．介電薄膜層
6．．．基材
7．．．發光層
8．．．第一半導體層
31．．．間隔區
第一圖為本發明之發光二極體之具有介電材料層的半導體層的結構示意圖。
第二圖為本發明之發光二極體之具有介電材料層的半導體層的較佳實施例示意圖。
第三圖為本發明之發光二極體之具有介電材料層的半導體層之製作方法示意圖。
第四圖為本發明之發光二極體之具有介電材料層的半導體層之製作方法示意圖。
第五圖為本發明之發光二極體之具有介電材料層的半導體層之製作方法示意圖。
第六圖為本發明之發光二極體之具有介電材料層的半導體層之製作方法示意圖。
1．．．半導體層
3．．．粗化層
5．．．介電薄膜層
31．．．間隔區
Claims (9)
- 一種發光二極體之具有介電材料層的半導體層，其係用以提升外部量子效率，該發光二極體之具有介電材料層的半導體層係至少包含有一半導體層，其中該半導體層內部包含有一具有複數個間隔區的粗化層，每一間隔區之中具有至少一介電材料層，該至少一介電材料層呈倒金字塔型，且該至少一介電材料層之部份係露出於該粗化層之外。
- 依據申請專利範圍第1項所述之發光二極體之具有介電材料層的半導體層，其中該半導體層的材料包含一元素半導體或一化合物半導體的至少其中之一。
- 依據申請專利範圍第1項所述之發光二極體之具有介電材料層的半導體層，其中該至少一介電材料層之材料包含二氧化矽、矽氮化物、五氧化二鉭、二氧化鈦、氧化鋅、二氧化鉿、過氧化鎂或氮化鎂的至少其中之一。
- 依據申請專利範圍第1項所述之發光二極體之具有介電材料層的半導體層，其中該至少一介電材料層可以呈球型狀。
- 一種發光二極體之具有介電材料層的半導體層之製作方法，包含：在一基材上成長一半導體層的一部份，該半導體層之表層為一粗化層，該粗化層係具有複數個間隔區；在該粗化層之上沉積至少一介電材料層；將該至少一介電材料層降減至使部分的該粗化層能夠外露的厚度；以及在該粗化層與該至少一介電材料層之上完成該半導體層的另一部份的長成。
- 依據申請專利範圍第5項所述之發光二極體之具有介電材料層的半導體層之製作方法，其中該基材包含一基板、一磊晶層、一金屬層或一發光層的至少其中之一。
- 依據申請專利範圍第5項所述之發光二極體之具有介電材料層的半導體層之製作方法，其中該半導體層可以是一元素半導體或一化合物半導體的至少其中之一。
- 依據申請專利範圍第5項所述之發光二極體之具有介電材料層的半導體層之製作方法，其中該至少一介電材料層之材料包含二氧化矽、矽氮化物、五氧化二鉭、二氧化鈦、氧化鋅、二氧化鉿、過氧化鎂或氮化鎂的至少其中之一。
- 依據申請專利範圍第5項所述之發光二極體之具有介電材料層的半導體層之製作方法，其中該至少一介電材料層的蝕刻可透過感應耦合電漿離子蝕刻技術而達成。
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