TW565957B - Light-emitting diode and the manufacturing method thereof - Google Patents

Description

565957 五、發明說明（1) 【發明所屬之技術領域】 本發明是關於一種發光二極體元件及其製造方法，特 別是關於一種可降低製造難度與成本之發光二極體元件及 其製造方法。 【先前技術】 ‘ 發光一極體（Light Emitting Diode，LED)的發光 · 原理是利用半導體固有特性，不同於白熾燈發熱的發光原 ， 理，所以發光二極體被稱為冷光源（c〇1(1 Ught )。發光 二極體具有高耐久性、壽命長、輕巧、耗電量低等優點， _ 且不含水銀等有害物質，因此現今之照明市場對於發光二 極體照明寄予極大厚望。 一般來說’發光二極體常由磷化鎵（GaP)、氮化鎵 (G a N )專Π V無混晶化合物經蠢晶而成。由於發光二極體 的折射率大於外部的折射率，而且習知的發光二極體主要 為西方形對稱之立方體。因此，發光二極體所產生的光線 ” 到達一極體晶粒和空氣的界面時，大於臨界角之光將產生 全反射回到一極體晶粒内部；而此四方形對稱之二極體晶 · 粒之四個界面係互相平行，使得内部大於臨界角之光線只 能一直在内部全反射，導致發光二極體對外部的發光效率 鲁 遠低於内部的量子效率。所以改變發光二極體的晶粒形狀 即成為可有效提昇發光效率的方法。 以現階段的半導體加工技術而言，最先成功使用此法 的為美國第6 2 2 9 1 6 0號專利所提出之倒金字塔型發光二極 體（Truncated Inverted Pyramid LED，TIP LED)，其將

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磷化鋁鎵銦/磷化鎵以16311^/〇3?)發光二極體3曰粉 曰曰J @^| vt*i "^Ττ*7 工為倒金字塔形狀，晶粒的四個界面並非互一 丁仃，可徒 光有效的引出晶粒之外，提昇發光效率達2倍卢士 ^。然而 於其專利中所提出之倒金字塔型發光二極體係 …、 且 加工的方式形成，僅能應用於磷化鋁鎵銦/磷化嫁 俄 (AlGalnP/GaP)紅光一極體上’其利用四元材料機械力 容易之特性以直接切割製成倒金字塔型發光二極體。而 對氮化鎵發光二極體而言，其大部分係磊晶於藍寶石^ (Sapphire)基板上，由於藍寶石非常堅硬，要對其進_機 械加工相當困難，至今商業化生產依然無法突破。 丁 另一個成功使用此法的為美國的CREE公司，利用碳化 石夕加工比藍寶石基板容易的特性，以機械加工方式加工石户 化矽基板，可成功將氮化鎵發光二極體製成倒金字塔型广 並已開始商業化生產，然而，氮化鎵和碳化矽之晶格並不 匹配，而且峻化矽基板會吸收紫外光，會影響到紫外光費 化鎵發光二極體的發光效率，而使用紫外光氮化鎵發光二 極體製成白光發光二極體是被看好的下世代照明用元件。 雖然直接使用市售之氮化鎵基板製作成（氮化銦鎵/氮化 鎵）InGaN/GaN發光二極體，亦可以機械加工方式製造倒金 字塔型氮化鎵發光二極體，但是，使用氮化鎵基板生長 InGaN/GaN發光二極體磊晶後，再以機械加工方式來製造 出具有斜面之發光二極體時，其斜面上會殘留加工應力之 表層，容易吸光又不易去除，對發光二極體元件之發光效 率有害’又由於氮化鎵基板製作良率低，成本很高，市場 565957 五、發明說明（3) _____ 價格遠高於碳化矽基板和藍寳石基板， 一 於商用產品。 U此目前難以使用 【發明内容】 為改進習知的製程缺點，本發明 體元件及其製造方法，係先於一 A ^鍉仏—種發光二極 氮化鎵混成相，利用氮化鎵蟲；“具有斜面之 面，再於氮化鎵混成厚膜上成長二自然形成磊晶斜 其製作形成發光二極體晶粒。如/b，Γ =體結構，進而將 作具有斜面的發光二極體結構。 热須機械加工即可製 經由上述方法所形成之發光— 有氮化鎵厚膜的基板和建立於以：：：：係由表面具 體結構所組成。i中，其士 〃此成厚膜表面的二極 與基板係基於氮化& μ = a ^，的氮化鎵混成厚膜之側面 混成厚膜係混合數種m_v族化合物；=-角度。氮化鎵 (AlYGa(1 ίΓ N)厚 汁形成，如氮化鋁銦鎵 化嫁混成厚膜表心二體結 u 土乳化銥糸列瓜—V族仆人 紙 ^ :合物係各與低電阻歐姆接觸°電極鎵系列m-v族 向偏壓。此二極體結構於ηΎ接，以提供一順 ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ layer)以作為發光區。 匕3 活性層（act ive 另根據本發明之製作方法， -V族化合物層、、、 P 了將η型鼠化鎵系列皿 物層活性層和ρ型氮化嫁系列m_v族化合物層

565957 五、發明說明（4) --- 之低電阻歐姆接觸電極分別製作於發光二極體元件之上下 率側如此，可鈿小所需元件之體積，增加發光效率和良 為使對本發明的目的、構造特徵及其功能有進一步的 了解，茲配合圖示詳細說明如下： 【實施方式】 本發明所揭露之發光二極體元件及其製造方法，係應 匕：生長特性來製作發光二極體元件，依此可 丄^出〇種夕达斜面與不同結構的發光二極體元件，警作 了有較佳發光效率的發光二極體元件。 月的製作流程，請參考第1圖，其為本 ^土月之衣作程圖。其步驟包含有：首先，提供一美板 (V驟410);然後，於基板表面形成用土 生長之圖樣（Pattern)，1圖，之面护辎士 ^ ^擇陡猫曰日 大小（I妒· 、j /、圖松之面知稍大於所須元件之 右料/ώ υ 7u职晶生長法於基板表面之圖樣形成呈 特I!自嫁鋼厚膜(步驟430 ) ’利用氮化鎵蠢晶的 …化鎵ΛΓ:;然後’於氮化銘鎵銦厚膜上形成具有 八二之Λ 化合物層和p型氮化鎵系列皿-v族化 極體結構(步驟440 );最後，使p型低電 =姆接觸笔極形成於?型氮化鎵系列m_v族化合物層之 ;化二阻歐姆接觸電極形成於n型氮化鎵系列：-v 二:ΐ之表面，完成發光二極體的晶粒製姆驟 45〇)，、中，發光二極體結構更包含一活性層以 區；峨化鎵系列[V族化合物層和ρ型氮：鎵系歹"—ν 565957 五 發明說明（5) 方矢化合物層之表面係各與低電阻歐 :提供-順向偏壓。㈣，本發明更 驟，化晶粒切割的步驟，心= 本發明之發光二極體元件可包含多種結&夂 2圖，其為本發明之第—實施例的示意圖；其包：二考一弟 基板100 ; -具有斜面之氮化鋁鎵銦厚膜110 3石 於基板100表面；一發光二極體結構，係由n型氣‘ 瓜-v族化合物層130、活性層

化合物層組成140 ’於p型氮化鎵系列m_v族化合 之表面係具有透明接觸層丨20(transparent contact曰 layer，TCL)和p型低電阻歐姆接觸電極141之組合，η型氮 化鎵系列Π-V族化合物層之表面係具有η型低電卩1歐姆接 觸電極131， η型氮化鎵系列瓜—ν族化合物層13〇、活性層 1 5 0和Ρ型氮化鎵系列m — V族化合物層1 4 〇係依序形成於具 有斜面之氮化銘嫁铜厚膜110表面。

本务明亦可使用透明導電基板來製作發光二極體元 件，即可將η型氮化鎵系列皿-V族化合物層、活性層和p型 氮化鎵系列Π - V族化合物層之低電阻歐姆接觸電極分別製 作於發光二極體元件之上下兩側，如此，可縮小所需元件 之體積，增加發光效率和良率。請參考第3圖，其為本發 明之第二實施例的示意圖；其包含有：一 η型透明導電基 板200，其表面具有透明接觸層220(transparent contact layer，TCL)和η型低電阻歐姆接觸電極231之組合；一具

第10頁 565957 五、發明說明' ~ — _____ 面nn之氮化銘録姻厚膜210，係蟲晶形成於n型透明導電 系列ΤΓΤ之另一表面；一發光二極體結構，係由η型氮化# 族彳卜=族化合物層2 3 0、活性層2 50和？型氮化鎵系 240之/物層240組成，P型氮化鎵系列m-v族化合物層 屬電極Μ面低電阻歐姆接觸電極241和反射層: 朵一另外，本發明的另一種結構是將基板去除，以簡化發 ， 夂二，體晶粒切割的步驟，增加良率並降低生產成本。請 ^ ·乐4圖，其為本發明之第三實施例的示意圖；其包含 馨 媸·:具有斜面之氮化鋁鎵銦厚膜310 ; —發光二極體結 係由η型氮化鎵系列皿—ν族化合物層3 3 〇、活性；3 5 〇 和Ρ型氮化鎵系列Π-V族化合物層34〇組成，η型氮化曰鎵系 列m-v族化合物層330表面具有11型低電阻歐姆接觸電極 = p型氮化鎵系列瓜—V族化合物層340之表面係具有p槊 m电阻歐姆接觸電極341和透明接觸層3 2 0 ( transpareTiit · ⑶ntact layer，TCL)之組合。去除基板的方法可為^雷射 : 剝離、乾式钱刻或濕式钱刻等方法。 如上所述本奄明用以磊晶成長具有斜面之氮化|呂鎵 銦厚膜的基板，可為藍寶石（Sapphire)、碳化矽（Sic)、 石夕（Si)、砷化鎵（GaAs)、氮化鋁（A1N)、偏鋁酸鋰 (LiA102)和鎵酸鋰（LiGa02)基板其中之一。而且，用 以；&&日日成長具有斜面之氮化銘録錮厚膜的n型透明導電基 板可選自η型氮化鎵（n-GaN)、η型氧化鋅（11_Ζη〇) ^型碳 化矽（n-SiC)其中之一。而磊晶成長具有斜面之氮化鋁鎵

565957 五、發明說明（7) :厚膜的方法係為氫化物氣相蟲晶成長（_

Phase EPltaxy, HVPE) ^ ^ ^ ^ ^

曰曰成長之圖樣的内徑尺寸係大於丨5 〇微 M 圓形等，以決定㈣長所^ 朕之自然斜面形狀；具有斜面之氮化鋁鎵銦厚膜 = 2〇微”上，而由於氮化録蠢晶的特性’其具有 化鎵此成厚膜的底面與其侧邊之斜面會形成一底角“> 的角度則介於43度至62度（43。S α $62。）。以及’ 低電阻歐姆接觸電極和11型低電阻歐姆接觸電極可為透 之低電阻歐姆接觸電極；ρ型低電阻歐姆接觸電極可η 過渡性氧化物半導體（p-type transiti⑽metai semi counduct or)或p型過渡性氧化物半導體— transition metal oxide seffiicounduct〇r)和貴金屬的混 合材料。上述之發光二極體結構係於11型氮化鎵系列瓜 族化合物和p型氮化鎵系列ffi—v族化合物之間更包含一活 性層（active layer)以作為發光區；此活性層可為"雙異^質 接面構造（double-heterostructure，DH)、單量子井結構 (single-quantum well，SQW)或多量子井結構 (mu 11 i ρ1 e-quantum well, MQW) 〇 雖然本發明之較佳實施例揭露如上所述，然其並非用 以限定本發明，任何熟習相關技藝者，在不脫離本發明之 精神和範圍内，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之 專利保護範圍須視本說明書所附之申請專.利範圍所&定 為準 〇 565957 圖式簡單說明 第1圖為本發明之製作流程圖； 第2圖為本發明之第一實施例的示意圖； 第3圖為本發明之第二實施例的示意圖；及 第4圖為本發明之第三實施例的示意圖。 【圖式符號說明】 100 基板 110 具有斜面之氮化鋁鎵銦厚膜 120 透明接觸層 130 η型氮化鎵系列Π -V族化合物層 131 η型低電阻歐姆接觸電極 1 40 ρ型氮化鎵系列Π -V族化合物層 141 ρ型低電阻歐姆接觸電極 150 活性層 2 0 0 η型透明導電基板 210 具有斜面之ML化銘蘇麵厚族 22 0 透明接觸層 2 3 0 η型氮化鎵系列m - V族化合物層 231 η型低電阻歐姆接觸電極 240 ρ型氮化鎵系列Π -V族化合物層 241 ρ型低電阻歐姆接觸電極 2 5 0 活性層 2 6 0 反射層金屬電極 310 具有斜面之氮化鋁鎵銦厚膜 3 2 0 透明接觸層

第13頁 565957 圖式簡單說明 330 η型氮化鎵系列皿-V族化合物層 331 η型低電阻歐姆接觸電極 340 Ρ型氮化鎵系列Π -V族化合物層 341 Ρ型低電阻歐姆接觸電極 350 活性層

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Claims (1)

1. 565957 六、申請專利範圍 1 · 一種發光二極體元件制 提供一基板々造方法，其步驟包含有·· 圖樣 於基板表面形成用以擇 (pattern)； <評丨土猫日日生長之 以蠢晶生長法於兮I 面之氮化鎵混成厚臈= 3圖樣形成-具有斜 成斜面，該具有斜面之蟲晶的特性自然形 且上表面積大小適合元：厚膜之上表面為平面 於該氮化鎵混成厚膜 發光二極體結構係結合7 一 ^光二極體結構，該 層和一P型氮化鎵系列瓜鎵系列m—V族化合物 列】-V族化合物層係鱼^ :物層，該P型氮化鎵系 連接，該η型氮化鎵系列歐姆接觸電極電性 圍第1項所述之發光二極體元件製造方法 ，：：f利範圍第1項所述之發光二極體元件製造方法 、_ 匕5 一去除該基板的步驟。 •如1Ϊ專利範圍第1項所述之發光二極體元件製造方法 胺=I該於該基板表面形成一具有斜面之氮化鎵混成厚 乂驟，形成該具有斜面之氮化鎵混成厚膜的方法係 ;虱匕物氣相磊晶成長（Hydride Vapor Phase Epitaxy) 〇

   第15頁 565957 申請專利範圍 5 ·如申請專利範圍第1項所述之發光二極體元件製造方法 ’其中该基板係為藍寶石（Sapphire)、碳化石夕（siC)、 石夕（Si)、石申化鎵（GaAs)和氮化紹（ain)基板其中之一。 6 ·如申請專利範圍第1項所述之發光二極體元件製造方法 ’其中該基板係為一透明導電基板。 7.如申請專利範圍第1項所述之發光二極體元件製造方法 ’其中該具有斜面之氮化鎵混成厚膜之厚度為2 〇微米以 上。 如申明專利範圍苐1項所述之發光二極體元件製造方法 ’其中該圖樣的内徑尺寸係大於1 5 〇微米。 如申請專利範圍第1項所述之發光二 成的族群其中之_。 10.如申請專利範圍第i頊所述之發光二極體元件製造方法 ，其中該具有斜面之氮化鎵混成厚膜的底面與其側邊 之斜面係形成一底角a，該底角α的角度係介於43度至 62 度（43。$(^$62。）。 11 · 一種發光二極體元件，其包含有： 一基板； 係蠢晶形成於遠

   一具有斜面之氮化鎵混成厚膜 基板表面；及 一發光二極體結構，由一 η型氮化鎵系列羾—ν族化 合物層和一ρ型氮化鎵系列m_v族化合物層組成，該η 型氮化鎵系列Η—ν族化合物層係叠合於該具有斜面之

   1ΙΙΙΙ! 第16頁 565957 六、申請專利範圍 ===混成厚膜的表面並與—n型低電阻歐姆接觸電極 电性連接，該P型氮化鎵系列m—v族化合物層係與— 型低電阻歐姆接觸電極電性連接，以提供一順向偏P 壓。 、 1 2·如，請專利範圍第丨丨項所述之發光二極體元件，其中 該氮化鎵混成厚膜係為氮化鋁銦鎵（AlxGa(m)in ^尸 膜，〇€Χ，Υ<1，〇$χ + γ<1。 y 予 13·如申請專利範圍第u項所述之發光二極體元件，其 該基板係為藍寶石（Sapphire)、碳化矽（Sic)、矽以 、砷化鎵（GaAs)和氮化鋁（aiN)、偏鋁酸鋰（[ 1 鎵酸鐘（LiGa02)基板其中之一。 14.如申請專利範圍第n項所述之發光二極體元件， 該具有斜面之氮化鎵混成厚膜之厚度為^微米以1， 其内徑之尺寸係大於15 0微米。 、 ’ 1 5·如申請專利範圍第11項所述之發光— ^ 〜~極體兀件，复φ 该具有斜面之氮化鎵混成厚膜之底部 ^ ' 、六邊形和圓形等。 1 6.如申請專利範圍第11項所述之發光- ^ 一極體兀件，盆Φ 该具有斜面之氣化録混成厚膜的底面與其側 ς 係形成一底角α ’該底角α的角度係介於43产6、 (43。$ a $62。）。 又主度 1 7.如申請專利範圍第11項所述之發光—& - 〜極體元件，j：击 該η型低電阻歐姆接觸電極和該p型扣+ 〃 τ 土1民電阻歐妞接網 極係設於該基板之同側，該Ρ型低雷阳& ^ ^ -兒阻歐姆接觸電極係 第17頁 565957 申请專利範圍 型氮化鎵系列瓜一V族化合物層之表面，該η -私阻區人姆接觸電極係形成於該η型氮化 μ族化合物層之表面。 糸歹jm—v 如申印專利範圍第11項所述之發光二極體元件，i中 該基板係為—n型透明導電基板。 申請專利範圍第18項所述之發光二極體元件，立 ^琴透明導電基板係選自〇型氮化鎵（η —GW)、n型 :鋅(n-Zn0)、n型碳化石夕(n_SlC)所組成 氧 六 2〇.如申請專利範圍第18項所述之發光二極體 忒η型低電阻歐姆接觸電極和該p型 : 極係設於該η型透明導電基板之異側二㈣ 姆接觸電極係形成於該p型氮化鎵系列]π m广人阻&人 之表面，該n型低電阻歐姆接觸 口物層 導電基板之表靣。 1糸形成於η型透明 21 申請專利範圍第11項所述之發光二極妒元# “ 该Ρ型低電阻歐姆接觸電極和該㈣，其中 9極係為—透明之低電阻歐姆接觸電^阻歐姆接觸電 2.如申請專利範圍第η項所述之發光二極雕 遠發光二極體結構係於η型氮化鎵系列70 ’其中 P型氮化鎵系列瓜_v族化合物之間係—、、矢化合物和 (act 1 ve layer)以作為發光區。 3活性層 23·如申請專利範圍第22項所述之發光二接蝴 該活性層係為雙異質接面構造(DH)、單：：件’其中 早！子井結構 565957 六、申請專利範圍 ---- (SQW)或多量子井結構（MQW)其中之一。 24· —種發光二極體元件，其包含有： 一具有斜面之氮化鎵混成厚膜，其斜 晶特性形成； /、猫 一發光二極體結構，由n型氮化鎵系列冚族化人 物層和P型氮化鎵系列π_ν族化合物層組成，該11型氮^ 化鎵系列Π -V族化合物層係疊合於該具有斜面之氮化 鎵混成厚膜的表面並與一 η型低電阻歐姆接觸電極電性 連接，忒Ρ型氮化鎵系列瓜—γ族化合物層係與一 ρ型低 電阻歐姆接觸電極電性連接，以提供一順向偏壓。一 25·如申請專利範圍第24項所述之發光二極體元件，其中 該氮化鎵混成厚膜係為氮化鋁銦鎵（AliGa(m) ΙηγΝ)厚 膜，Ο €Χ，'Υ < 1，〇 + γ < 1。 2 6 ·如申請專利範圍第2 4項所述之發光二極體元件，其中 | 該基板係為藍寶石（Sapphire)、碳化石夕（Si C)、矽（Si) 、砷化鎵（GaAs)和氮化鋁（A1N)基板其中之一。 27·如申請專利範圍第24項所述之發光二極體元件，其中 該具有斜面之氮化鎵混成厚膜之厚度為2 0微米以上， 其内徑之尺寸係大於150微米。 28·如申請專利範圍第24項所述之發光二極體元件，其中 該具有斜面之氮化鎵混成厚膜之底部形狀可為四邊形 、六邊形和圓形等。 2 9 ·如申請專利範圍第2 4項所述之發光二極體元件，其中 該具有斜面之氮化鎵混成厚膜的底面與其側邊之斜面 565957 ’、申清專利範圍 係形成一底角α，該底角α的角度係介於43度至62度 “3。$ a $62。）。 30·如申請專利範圍第24項所述之發光二極體元件，其中 型低電阻歐姆接觸電極和該ρ型低電阻歐姆接觸電 極係設於該具有斜面之氮化鎵混成厚膜之同側，該0型 低電阻歐姆接觸電極係形成於該ρ型氮化鎵系列^ 化合物層之表面，該n型低電阻歐姆接觸電極係形成於 該η型氮化鎵系列m — v族化合物層之表面。 y 、

   3 1 ·如申請專利範圍第24項所述之發光二極體元件，其中 該P型低電阻歐姆接觸電極係為一透明之低電阻歐姆接 觸電極。 、 3 2 ·如申請專利範圍第2 4項所述之發光二極體元件，其中 該發光二極體結構係於η型氮化鎵系列也—v族化合物和 P型氮化鎵系列ΙΠ -V族化合物之間係包含一活性層 (a c 11 v e 1 a y e r)以作為發光區。 3 3 ·如申請專利範圍第3 2項所述之發光二極體元件，其中 该活性層係為雙異質接面構造（D Η )、單量子井結構 (SQW)或多量子井結構（MQW)其中之一。

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