TW201511332A - 發光二極體及其製造方法 - Google Patents
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Abstract
本揭示提供發光二極體，包含N型磊晶層，發光層設置於部分N型磊晶層上，且暴露出部分N型磊晶層的表面，P型磊晶層設置於發光層上，且P型磊晶層具有階梯形側壁，P型電極設置於P型磊晶層上，以及N型電極設置於N型磊晶層的表面上。此外，本揭示還提供發光二極體的製造方法，包含施以非等向性蝕刻處理，使P型磊晶層側壁形成具有圓角或直角的階梯形狀。
Description
本發明係有關於發光二極體，特別有關於發光二極體的結構及其製造方法。
發光二極體(light-emitting diode；LED)是一種能發光的半導體電子元件，其包含P型半導體層和N型半導體層，當電流流過發光二極體時，電子與電洞在P型半導體層和N型半導體層的接面處結合而產生光子，此為發光二極體的發光原理。發光二極體因為具有能量耗損低、壽命長、尺寸小、亮度高等優點，已經逐漸取代傳統的白熱燈泡(incandescent light bulb)，並且廣泛地應用在各種電子產品和照明用途上。
一般而言，形成發光二極體的半導體材料之折射率大於發光二極體外部，例如封裝用環氧樹脂(epoxy resin)或空氣的折射率，其使得光線在發光二極體的半導體層與其外部的交界面處產生全反射現象的臨界角度小，而傳統上發光二極體晶粒的製作為標準的矩形外觀，矩形的四個截面互相平行，使得光子在交界面離開半導體層的機率變小，因此發光二極體所產生的光線大部份都被半導
體層與外部的界面全反射而回到半導體層內部，造成發光二極體的發光效果不佳。
本揭示提供發光二極體的結構設計及其製造方法，此發光二極體的P型磊晶層具有階梯形側壁，藉由在P型磊晶層上形成光阻圖案，並且對P型磊晶層施以非等向性蝕刻處理，可使得P型磊晶層形成具有圓角或直角的階梯形側壁，此階梯形側壁可以減少發生在P型磊晶層與發光二極體外部的界面處之全反射現象，因此可增加發光二極體的光萃取率(light extraction efficiency)，進而提高發光二極體的發光效率。
在本揭示的實施例中，提供發光二極體，此發光二極體包含：N型磊晶層，發光層設置於部分的N型磊晶層上，且暴露出部分N型磊晶層的表面，P型磊晶層設置於發光層上，且P型磊晶層具有階梯形側壁，P型電極設置P型磊晶層上，以及N型電極設置於N型磊晶層暴露出來的表面上。
在本揭示的實施例中，還提供發光二極體的製造方法，此方法包含：提供N型磊晶層，形成發光層於N型磊晶層上，形成P型磊晶層在發光層上，形成第一光阻圖案在P型磊晶層上，並裸露出部分P型磊晶層，以及施一非等向性蝕刻處理，使P型磊晶層邊緣形成具有圓角或直角的第一階梯。
100‧‧‧發光二極體
101‧‧‧基板
103‧‧‧N型磊晶層
105‧‧‧發光層
107‧‧‧P型磊晶層
107A‧‧‧圓角式階梯形側壁
107C‧‧‧直角式階梯形側壁
107S1、107S2、107S3‧‧‧階梯
109‧‧‧電流阻擋層
111‧‧‧透明導電膜
113‧‧‧P型電極
115‧‧‧N型電極
201、202、203‧‧‧光阻圖案
201R、202R、203R‧‧‧光阻圖案邊緣的圓角
210、220、230‧‧‧非等向性蝕刻處理
為了讓本揭示之目的、特徵、及優點能更明顯易懂，以下配合所附圖式作詳細說明如下：第1圖顯示依據本揭示的一實施例，發光二極體的概略剖面示意圖；第2圖顯示在第1圖中的框線處A之光線行進方式示意圖；第3圖顯示依據本揭示的一實施例，發光二極體的概略剖面示意圖；第4圖顯示在第3圖中的框線處C之光線行進方式示意圖；以及第5A-5F圖顯示依據本揭示的一實施例，形成第1圖的發光二極體之各中間階段的概略剖面示意圖。
以下詳述本揭示的一些實施例之製造與使用，然而，可以理解的是，本揭示提供的發明概念可以在各種廣泛的背景中實施，在此所討論的特定實施例僅用於說明本揭示的一些實施例之製造與使用的特定方式，並非用於限定本揭示的範圍。
第1圖說明依據本揭示的一實施例，發光二極體100的剖面示意圖，發光二極體100包含基板101，N型磊晶層103形成於基板101上，發光層105形成於部分N型磊晶層103上，並且暴露出N型磊晶層103的部分表面，P型磊晶層107形成於發光層105上，並且P型磊晶
層107具有階梯形側壁107A，在此實施例中，階梯形側壁107A是由三個圓角階梯所組成，雖然在第1圖中顯示階梯形側壁107A具有三個階梯，但是階梯形側壁107A的階梯數目並不限於三個，在其他實施例中，階梯形側壁107A可具有兩個或三個以上的階梯數。
此外，發光二極體100還包含電流阻擋層(current blocking layer)109形成於P型磊晶層107上，以及透明導電膜110形成於電流阻擋層109上，並且覆蓋P型磊晶層107。另外，發光二極體100還包含P型電極113形成於P型磊晶層107上方的透明導電膜110上，以及N型電極115形成於N型磊晶層103暴露出來的部分表面上。如第1圖所示，電流阻擋層109設置於透明導電膜110與P型磊晶層107之間，並且電流阻擋層109對應設置於P型電極113下方，而透明導電膜110則設置於P型磊晶層107與P型電極113之間。
在一實施例中，發光二極體100例如為發藍光的發光二極體，其中基板101可以是藍寶石(sapphire)基板，N型磊晶層103的材料可以是N型氮化鎵(N-GaN)，P型磊晶層107的材料可以是P型氮化鎵(P-GaN)。在其他實施例中，發光二極體100的基板101、N型磊晶層103、P型磊晶層107也可以由其他合適的材料形成，藉此得到發出各種光色的發光二極體。
在一實施例中，電流阻擋層109的材料可以是有機或無機的絕緣材料，例如為二氧化矽，而透明導電膜
110的材料則可以是氧化銦錫(indium tin oxide)或其他合適的透明導電材料。透明導電膜110可作為電流散佈層(current spreading layer)，讓施加在P型電極113上的電流均勻地散佈(spreading)至P型磊晶層107，避免電流擁塞(crowding)而造成電壓偏高。另外，P型電極113和N型電極115則可以由金屬材料製成。此外，發光二極體100還可包含其他元件層，例如介於基板101與N型磊晶層103之間的緩衝層等，第1圖所示之結構是為了簡化說明，發光二極體100的結構並不限定於第1圖所示之結構。
依據本揭示的一實施例，發光二極體100的P型磊晶層107可具有圓角式階梯形側壁107A，如第1圖所示，圓角式階梯形側壁107A可將發光二極體100發出的側向光線導向軸上出光，因此有助於提高發光二極體100的發光效率。參閱第2圖，其係顯示發光二極體100發出的光線經過第1圖中的框線處A之光線行進方式示意圖，如第2圖所示，圓角式階梯形側壁107A的圓角結構可以將光線發生全反射的機率降至最低，藉此增加光線的出光範圍，在第2圖中所示之範圍B內，光線仍然可以射出，因此藉由P型磊晶層107的圓角式階梯形側壁107A之結構設計，可以有效地提升發光二極體100的光萃取率。
第3圖說明依據本揭示的一實施例，發光二極體100的剖面示意圖，第3圖與第1圖的差別在於第3圖的發光二極體100之P型磊晶層107具有直角式階梯形側壁107C。在第3圖中顯示的直角式階梯形側壁107C是由
四個階梯組成，然而，直角式階梯形側壁107C的階梯數目並不限於四個，在其他實施例中，直角式階梯形側壁107C可具有兩個、三個或四個以上的階梯數。
參閱第4圖，其係顯示發光二極體100發出的光線經過第3圖中的框線處C之光線行進方式示意圖。由於光線經過直角式階梯形側壁107C的直角區域，例如第4圖中所示之範圍D時會有全反射現象發生，因此，第3圖所示之直角式階梯形側壁107C的出光範圍相較於第1圖所示之圓角式階梯形側壁107A的出光範圍小，但是相較於一般發光二極體的P型磊晶層之側壁為不具有階梯形狀的矩形結構而言，第3圖所示之直角式階梯形側壁107C仍可以降低光線發生全反射的機率，增加光線的出光範圍，並藉此提高發光二極體100的光萃取率。
參閱第5A-5F圖，其係說明依據本揭示的一實施例，形成第1圖的發光二極體100之各中間階段的概略剖面示意圖。參閱第5A圖，首先，在基板101上依序磊晶成長N型磊晶層103、發光層105和P型磊晶層107，然後在P型磊晶層107上形成第一光阻圖案201，並暴露出部分P型磊晶層107。
在一實施例中，第一光阻圖案201為邊緣具有圓角201R的光阻圖案，可藉由光阻熱融(PR reflow)方式讓第一光阻圖案201的邊緣形成圓角形狀201R。此外，可使用製作P型磊晶層之平台(mesa)結構的光罩來形成第一光阻圖案201，藉此可節省一道光罩的成本。
接著，在P型磊晶層107上方施以第一次的非等向性蝕刻處理210，例如為感應耦合電漿離子蝕刻(inductively coupled plasma(ICP)reactive ion etch)製程，如第5B圖所示，藉由非等向性蝕刻處理210的實施，可將第一光阻圖案201邊緣的圓角形狀201R蝕刻轉印至P型磊晶層107，使得蝕刻後的P型磊晶層107邊緣形成具有圓角的第一階梯107S1，同時，發光層105也被蝕刻而暴露出部分N型磊晶層103的表面。
在一實施例中，於非等向性蝕刻處理210完成之後，邊緣具有圓角形狀201R的第一光阻圖案201可以被完全蝕刻除去，藉此將第一光阻圖案201邊緣的圓角形狀201R蝕刻轉印至P型磊晶層107，以形成具有圓角的第一階梯107S1。在另一實施例中，於非等向性蝕刻處理210完成之後，邊緣具有圓角形狀的第一光阻圖案201也可以殘留在P型磊晶層107上，使得蝕刻後的P型磊晶層107邊緣形成具有直角的第一階梯。於非等向性蝕刻處理210完成之後，第一光阻圖案201完全蝕刻除去或殘留在P型磊晶層107上可由第一光阻圖案201的原始厚度決定。
另外，在其他實施例中，第一光阻圖案201也可以是邊緣為直角的光阻圖案(未繪出)，在光阻經過曝光及顯影製程之後，不進行光阻熱融處理，即可形成邊緣具有直角的光阻圖案。接著，可在P型磊晶層107上方施以非等向性蝕刻處理210，使得蝕刻後的P型磊晶層107邊緣形成具有直角的第一階梯。
參閱第5C圖，在邊緣已具有圓角的第一階梯107S1之P型磊晶層107上形成第二光阻圖案202，並且暴露出第一階梯107S1的側面及上表面。在一實施例中，第二光阻圖案201可為邊緣具有圓角202R的光阻圖案。
接著，在P型磊晶層107上方施以第二次的非等向性蝕刻處理220，例如為感應耦合電漿離子蝕刻製程，如第5D圖所示，藉由非等向性蝕刻處理220的實施，可將第二光阻圖案202邊緣的圓角形狀202R蝕刻轉印至P型磊晶層107，使得第二次蝕刻後的P型磊晶層107邊緣形成圓角的第二階梯107S2鄰接第一階梯107S1，此時，P型磊晶層107的側壁具有兩個圓角的階梯形狀107S1和107S2。
在一實施例中，可使用製作電流阻擋層的光罩來形成第二光阻圖案202，藉此可更節省一道光罩的成本。若使用製作電流阻擋層的光罩來形成第二光阻圖案202，則第二光阻圖案202在對應至電流阻擋層的位置處會具有開口(未繪出)暴露出P型磊晶層107，因此在進行第二次的非等向性蝕刻處理220後，於P型磊晶層107的上表面會形成一凹陷處(未繪出)對應至電流阻擋層的位置。
在P型磊晶層107上方重複進行光阻圖案的形成步驟，以及施以非等向性蝕刻處理的步驟，可在P型磊晶層107的側壁形成多個圓角或直角的階梯形狀。每一道光阻圖案的厚度可依據P型磊晶層107的厚度以及預定形成的階梯數目而決定，一般而言，若每一道光阻圖案的厚度皆相同，則每一道光阻圖案的厚度約等於P型磊晶層107
的厚度除以階梯數目。
如第5E圖所示，在側壁已具有第一階梯107S1和第二階梯107S2的P型磊晶層107之上表面形成電流阻擋層109，然後再形成透明導電膜111覆蓋在電流阻擋層109和P型磊晶層107上。接著，在透明導電膜111上形成邊緣具有圓角形狀203R的第三光阻圖案203，暴露出第二階梯107S2的側面及上表面，在一實施例中，可使用製作透明導電層111的光罩來形成第三光阻圖案203，藉此可更節省一道光罩的成本。
之後，施以第三次非等向性蝕刻處理230，例如為感應耦合電漿離子蝕刻製程，如第5F圖所示，藉由非等向性蝕刻處理230的實施，使得第三次蝕刻後的P型磊晶層107邊緣形成圓角的第三階梯107S3鄰接第二階梯107S2，如此即可在P型磊晶層107的側壁形成三個圓角的階梯形狀107S1、107S2和107S3，完成第1圖的P型磊晶層107之階梯形側壁107A的製作。
之後，在透明導電膜111上形成P型電極113，並且在N型磊晶層103暴露出來的表面上形成N型電極115，以完成第1圖的發光二極體100的製作。
在其他實施例中，也可以在P型磊晶層107的階梯形側壁製作完成之後，再形成電流阻擋層109和透明導電膜111。
依據本揭示之實施例，利用多次的形成邊緣具圓角或直角的光阻圖案之步驟，以及施以非等向性蝕刻處理之步驟，可以在發光二極體的P型磊晶層之側壁上形成多個具有圓角或直角的階梯，此階梯形側壁可以降低光線
在P型磊晶層與發光二極體的外部之界面上發生全反射的機率，因此可增加發光二極體的光萃取率，進而提高發光二極體的發光效率。
雖然本發明已揭露較佳實施例如上，然其並非用以限定本發明，在此技術領域中具有通常知識者當可瞭解，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定為準。
100‧‧‧發光二極體
101‧‧‧基板
103‧‧‧N型磊晶層
105‧‧‧發光層
107‧‧‧P型磊晶層
107A‧‧‧圓角式階梯形側壁
109‧‧‧電流阻擋層
111‧‧‧透明導電膜
113‧‧‧P型電極
115‧‧‧N型電極
Claims (10)
- 一種發光二極體，包括：一N型磊晶層；一發光層，設置於部分該N型磊晶層上，且暴露出部分該N型磊晶層的表面；一P型磊晶層，設置於該發光層上，且該P型磊晶層具有一階梯形側壁；一P型電極，設置於該P型磊晶層上；以及一N型電極，設置於該N型磊晶層的該表面上。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體，其中該階梯形側壁包含複數個直角階梯。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體，其中該階梯形側壁包含複數個圓角階梯。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體，更包括一透明導電膜設置於該P型磊晶層與該P型電極之間。
- 如申請專利範圍第4項所述之發光二極體，更包括一電流阻擋層，位於該透明導電膜與該P型磊晶層之間，且設置於該P型電極下方之該P型磊晶層上。
- 一種發光二極體的製造方法，包括：提供一N型磊晶層；形成一發光層於該N型磊晶層上；形成一P型磊晶層在該發光層上；形成一第一光阻圖案在該P型磊晶層上，並裸露出部分該P型磊晶層；以及 施一非等向性蝕刻處理，使該P型磊晶層邊緣形成一具有圓角或直角的第一階梯。
- 如申請專利範圍第6項所述之發光二極體的製造方法，更包括在該P型磊晶層表面形成一邊緣具有圓角的第二光阻圖案，並裸露出該第一階梯之側面及上表面，並再施一非等向性蝕刻處理，在鄰接該第一階梯處形成一具有圓角的第二階梯。
- 如申請專利範圍第7項所述之發光二極體的製造方法，更包括：形成一透明導電膜於該具有第一、第二階梯之P型磊晶層上；以及分別形成一P型電極在該透明導電膜上及形成一N型電極在該N型磊晶層。
- 如申請專利範圍第6或7項所述之發光二極體的製造方法，其中該非等向性蝕刻包括感應耦合電漿離子蝕刻。
- 如申請專利範圍第8項所述之發光二極體的製造方法，更包括在該透明導電膜與該P型磊晶層之間，設置一電
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