TW201340391A - 發光二極體之具有堆疊型散射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堆疊型散射層的半導體層及其製作方法,其係用以提升外部量子效率,半導體層之內包含有粗化面及兩層散射層,兩層散射層係以堆疊方式而形成於粗化面之上,兩層散射層之表面亦為不平坦且呈現高低起伏狀之表面,且兩層散射層所使用材料之折射係數係相異於彼此,利用散射層係作為光之散射介面,使得自發光層放射之光子能藉由散射層之散射效應而轉向,藉以提升光子逃逸出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堆疊型散射層的半導體層及其製作方法,尤其是一種能降低全反射、降低缺陷密度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。
請參考發明專利公告號I327380之固態發光元件的製造方法及其應用。參閱第一圖,固態發光元件的結構剖面圖,其包含有一發光元件100,其包含有磊晶基板100,磊晶基板100之上具有圖案化罩幕層102a,圖案化罩幕層102a之形成係為先於磊晶基板100上沉積形成介電材料層,再利用例如微影與蝕刻方式,對多層薄膜堆疊結構進行圖案定義步驟,而移除部分之介電材料層藉以形成具有複數個開口104之立體圖案結構106,該等開口104暴露出部分之磊晶基板100表面100a,其中介電材料層102較佳係利用方式在該磊晶基板100上所形成的分散式布拉格反射結構(distributed Bragg reflector,DBR)或一維光子晶體反射結構(Photonic crystals Reflector;PCR)等高反射功能之多層薄膜堆疊結構,其餘詳細實施內容請參閱原文。
習知技術之缺點在於磊晶基板上所形成的分散式布拉格反射結構,其中反射區域皆為平坦界面,將導致減少光子散射的情形,且以長晶的方式成長布拉格分佈式反射鏡,必須解決應力問題,否則隨後之LED磊晶膜將容易產生裂痕,因此必須提出一種可提供全面性的散射界面以增加光取出率並有效減少缺陷密度發生之發光二極體。
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至少兩層散射層,利用至少兩層散射層作為光子散射之界面,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。
本發明的另一目的在於提供一種減少缺陷密度之發光二極體,其中發光二極體之半導體層內具有至少兩層散射層,散射層係呈現高低起伏狀之不平坦的態樣,有助於橫向磊晶成長模式,導致貫穿式差排(threading dislocation)轉向,或形成差排環(dislocation loop),藉以達成減少缺陷密度的目的。
為達上述目的,本發明之具體技術手段包含有一半導體層,其中該半導體層之內進一步包含有一粗化面及至少兩層散射層,該粗化面為不平整表面,該至少兩層散射層係以堆疊方式而形成於該粗化面之上,該至少兩層散射層之表面亦為不平坦且呈現高低起伏狀之表面,並且該至少兩層散射層所使用材料之折射係數係相異於彼此。
本發明的另一目的在於提供一種發光二極體之具有堆疊型散射層的半導體層之製作方法,首先在一基材上成長一半導體層的一部份,該半導體層之該部份的表面為一粗化面;在該粗化面之上分層沉積堆疊至少兩層散射層;以及在該至少兩層散射層之上完成該半導體層的另一部份的長成;其中,該至少兩層散射層之所使用材料的折射係數須相異於彼此。
因此本發明可解決習用技術之缺失,幫助光子轉向以減少全反射之發生,以增加外部量子效率並降低缺陷密度之發生。
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。
參閱第二圖,本發明之發光二極體之具有堆疊型散射層的半導體層的剖面示意圖。本發明係有關一種發光二極體之具有堆疊型散射層的半導體層,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之內係包含有一粗化面11,該粗化面11係為不平整表面並呈高低起伏狀,其中該粗化面11之上形成有至少兩層散射層3、5,兩層散射層3、5係以堆疊方式形成於該粗化面11之上,堆疊於該粗化面11之上的兩散射層3、5亦會隨著該粗化面11呈現高低起伏狀之不平坦的態樣,如此有助於提供橫向磊晶成長模式,導致貫穿式差排(threading dislocation)轉向,或形成差排環(dislocation loop),進而減少缺陷密度。
另外,至少兩層散射層3、5所使用材料的折射係數係須相異於彼此,較佳地兩層散射層3、5彼此間的折射係數的相異值越大越好。
該兩層散射層3、5係作為光子之散射介面,其中利用兩種不同折射系數材料之層疊且呈高低起伏狀之兩層散射層3、5,使得從發光層(圖面未顯示)射出之光線將在兩散射層3、5轉向,而產生散射效應,藉以大幅提升光子散射出發光二極體的機率。藉以達成提升發光效率的目的。
該兩層散射層3、5的材料須選用屬高能隙及晶格常數(lattice constant)較匹配於氮化物基材之材料,其中要注意的是,兩層散射層3、5須選用兩種不同折射係數之材料,同樣地,當設置了兩層以上的散射層,只要將彼此相鄰之散射層的材料折射係數安排成不同即可,較佳地可以讓彼此之間的材料折射係數差異越大越好,如此更有助於光線轉向,其中該兩層散射層3、5較佳地的材料可以是氮化鋁(AlN)、氮化銦(InN)、氮化鎵(GaN)、氮化鉻(CrN)、氮化鈦(TiN)或其他適當的氮化物基材。
參閱第三圖,本發明之發光二極體之具有堆疊型散射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之上則依序形成有一發光層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中的兩層散射層3、5,使光子得以透過由兩散射層3、5所形成的光散射介面,而產生全面性散射效應使光子得以轉向,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層疊式之兩層散射層3、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兩層散射層3、5皆落在本發明的範圍之內。
參閱第四~六圖,本發明之發光二極體之具有堆疊型散射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,如第四圖所示,其中部份先成長的該半導體層1的表層部分為一粗化面11,該粗化面11為係為不平整表面並呈高低起伏狀,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。
其中該粗化面11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,關於粗化面11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面11的結構變化。
接著,在該粗化面11之上分層沉積堆疊至少兩層散射層3、5,如第五圖所示,其中,該至少兩層散射層3、5所使用材料之折射係數係相異於彼此,該兩層散射層3、5的材料須選用屬高能隙及晶格常數較匹配於氮化物基材之材料,兩層散射層3、5須選用兩種不同折射係數之材料,同樣地,當設置了兩層以上的散射層,只要將彼此相鄰之散射層的材料折射係數安排成不同即可,較佳地可以讓彼此之間的材料折射係數差異越大越好,如此更有助於光線轉向,其中該兩層散射層3、5較佳地的材料可以是氮化鋁(AlN)、氮化銦(InN)、氮化鎵(GaN)、氮化鉻(CrN)、氮化鈦(TiN)或其他適當的氮化物基材。
最後,在該兩散射層3、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、5...散射層
6...基材
7...發光層
8...第一半導體層
11...粗化面
100...磊晶基板
102a...圖案化罩幕層
104...開口
106...立體圖案結構
100a...表面
第一圖為習知技術之固態發光元件的結構剖面圖。
第二圖為本發明之發光二極體之具有堆疊型散射層的半導體層的剖面示意圖。
第三圖為本發明之發光二極體之具有堆疊型散射層的半導體層的較佳實施例示意圖。
第四圖為本發明之發光二極體之具有堆疊型散射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堆疊型散射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堆疊型散射層的半導體層之製作方法示意圖。
1...半導體層
3、5...散射層
11...粗化面
Claims (7)
- 一種發光二極體之具有堆疊型散射層的半導體層,其係用以提升外部量子效率,該發光二極體之具有堆疊型散射層的半導體層係包含有一半導體層,其中本發明的特徵在於:該半導體層之內進一步包含有一粗化面及至少兩層散射層,該粗化面為不平整表面,該至少兩層散射層係以堆疊方式而形成於該粗化面之上,該至少兩層散射層之表面亦為不平坦且呈現高低起伏狀之表面,該至少兩散射層之材料係為一氮化物系基材,但該至少兩層散射層之材料折射係數須為不同,亦即任兩相鄰之散射層的材料折射係數須為不同。
- 依據申請專利範圍第1項所述之發光二極體之具有堆疊型散射層的半導體層,其中該半導體層的材料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1項所述之發光二極體之具有堆疊型散射層的半導體層,其中該氮化物系基材係包含氮化鋁、氮化銦、氮化鎵、氮化鉻或氮化鈦之至少其中之一。
- 一種發光二極體之具有堆疊型散射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,該半導體層之該部份的表面為一粗化面;在該粗化面之上分層沉積堆疊至少兩層散射層;以及在該至少兩層散射層之上完成該半導體層的另一部份的長成;其中該至少兩散射層之材料係為一氮化物系基材,但該至少兩層散射層之材料折射係數須為不同,亦即任兩相鄰之散射層的材料折射係數須為不同。
- 依據申請專利範圍第4項所述之發光二極體之具有堆疊型散射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4項所述之發光二極體之具有堆疊型散射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4項所述之發光二極體之具有堆疊型散射層的半導體層之製作方法,其中該氮化物系基材係包含氮化鋁、氮化銦、氮化鎵、氮化鉻或氮化鈦之至少其中之一。
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