TWI385821B - 表面紋理化之發光二極體及其製造方法 - Google Patents

Description

表面紋理化之發光二極體及其製造方法

通常藉由在一基板上生長一p-i-n二極體來構造發光二極體。藉由在該基板上生長一n摻雜材料層，在該n摻雜層上生長一光產生區域，且接著在該n摻雜材料頂部上生長一p摻雜材料層來構造該二極體。隨後在該p摻雜層之頂部表面上沈積一電極，使其與n摻雜層相接觸。可透過該基板或透過該p摻雜材料頂部上之電極來擷取光。若將透過該頂部電極移除光，則該電極由一透明材料，例如氧化銦錫或極薄金層來構造。

發光二極體效率是兩個效率的乘積：將施加在電極上之電力轉換成光之效率與光在裝置外耦合之效率。對於在藍寶石基板上製造的基於GaN之發光二極體而言，由於不良的耦合效率，在該二極體中產生的大部分光遺失。GaN具有之折射率遠高於空氣或環氧樹脂囊封物之折射率。因此，僅以一小的錐角度照射在該二極體表面上之光將自該表面逃逸。大部分剩餘光被反射回至GaN層內，且捕獲在由藍寶石基板底部表面與GaN頂部表面所界定之波導中。此大部分捕獲之光最終在裝置內被吸收。因此，GaN二極體之效率並不理想。

已提出改良發光二極體之擷取效率之一方法，其需要調整發光二極體之形狀使得在該裝置中產生之光以臨界角度或更大角度撞擊表面，從而防止上述內部反射之問題。在此等發光二極體中，晶片經成形為半球形或截角錐。此類 晶片成形非常繁瑣，且相當昂貴。此外，表面形狀改變光發射輪廓。例如，若頂部表面為半球形，其足以遠離發光二極體以確保所有光以所需錐角撞擊該表面，則該表面將成為一透鏡。若該透鏡之特性不符合其中使用該發光二極體之產品，則在該產品中必須併入額外的透鏡，此既提高成本亦增加產品之設計複雜性。

改良該擷取效率之第二種先前技術方法利用藉由蝕刻對該發光二極體表面之上或側表面之一粗糙化，以破壞該表面之平坦性質，從而提供多種非平坦刻面，透過該等刻面，撞擊該表面之光可離開。雖然任何特定刻面仍會允許僅一部分撞擊其之光逃逸，但反射回至發光二極體內之光將被再次反射至該粗糙化表面且撞擊方位與第一刻面之方位不相關之另一刻面。因此，此部分光亦將逃逸。被再次反射之光經再循環返回至該表面，且再次獲得另一逃逸之機會，以此類推。結果，在發光二極體中產生之相當大部分之光在發光二極體外部耦合。

粗糙化該表面之先前技術方法涉及發光二極體之最外層結晶層之頂部表面之隨機蝕刻。例如，可藉由在發光二極體之表面上沈積微粒且接著使用該等微粒界定一隨機蝕刻遮罩產生一無規則蝕刻圖案。所得圖案存在至少兩個問題。首先，該圖案會在該頂部電極中留下島狀件，該頂部電極係在蝕刻操作完成後於該蝕刻表面上沈積而成。此等島狀件不與用於電力連接該電極之該頂部電極接點相連。因此，在此等島狀件下方之發光二極體之部分不產生光。 導致發光二極體之有效區域以及因此產生之總光量減少。

其次，在基於GaN之發光二極體中，包含光產生區域之p-n接面係非常接近上表面放置以最小化p摻雜材料之厚度。該p摻雜材料具有極高的電阻率與高吸收性，因此若層太厚會遺失大量功率。若使用並接著蝕刻薄p層，則該蝕刻經常破壞該接面之一實質部分。被破壞之部分不產生光。此導致有效光產生區域之進一步減少。若使用厚層，則與高電阻率及吸收性相關聯之問題降低該裝置之性能。

本發明包括一種包括一發光二極體與一光擷取層之發光裝置及其製造方法。該發光二極體包括一基板，在該基板上，一主動層夾在一p型層與一n型層之間，當電洞與電子在該主動層中再結合時，該主動層產生在一波長頻帶約一中心波長之光。該n型層、主動層與p型層均在該基板上形成。在該發光二極體中包括第一及第二電極，其用於在p型層與n型層之間提供一電位差。該光擷取層包括一透明材料層，其具有與該發光二極體之一表面接觸之一第一表面以及具有光散射特徵之一第二表面，該第二表面具有比該中心波長大0.5倍之尺寸。透明層之材料可為多晶或非晶性。該材料具有大於1.4，且較佳大於2之折射率。該光擷取層可與該基板之外表面或該等電極之一接觸。

參考圖1之基於GaN之發光二極體之簡化的斷面圖，更易理解本發明取得其優勢之方式。藉由以磊晶方式在藍寶 石基板12上生長兩層GaN，在該基板上構造發光二極體20。將第一層13摻雜成n型，並將第二層14摻雜成p型。光產生區域18夾在此等兩層之間。該光產生區域一般由若干層組成，其包括其中電洞與電子再結合產生光之層以及在此層每一側上之包覆層。藉由再結合自p-n二極體層注入之電洞與電子，在光產生層產生光。由於熟悉此項技術者熟知此等層之細節，且此等細節與本發明取得其優勢之方式無關，因此此等層在圖中僅以一單線表示。為簡化以下討論，將光產生區域稱為p-n接面區域。

在該p型層之表面上沈積一透明電極15。在該GaN層之一部分上沈積一第二電極16，該GaN層之一部分已經蝕刻返回至層13以提供n-接點。

如上所提，在光產生區域產生之相當部分的光捕獲在GaN層內，此係由於GaN與藍寶石層相對於空氣或用於發光二極體外表面上之囊封物具有高的折射率。高折射率導致更小之臨界角度，此係由於該臨界角度取決於在邊界處之兩種材料的折射率之比。以大於相對於表面法線之臨界角度的角度撞擊該表面之光全部被GaN表面反射。如17所示，此光在電極15與藍寶石/GaN層之表面之間來回跳動。大部分此光最終被吸收，且因此不能提供一有用輸出。

現參考圖2，其係根據本發明之一具體實施例之一發光二極體的斷面圖。已為執行類似於上述發光二極體20元件所執行的功能之功能的該等發光二極體30之元件提供相同數字指示，且此處不再作進一步討論，除非需要此類說明 來理解發光二極體30。發光二極體30包括具有一粗糙底部表面32之非晶性或多晶光擷取層31。在基板12之底部表面上沈積層31。該底部表面散射被引導至該表面之光，此係由於該光以朝表面32之一方向離開作用區域18，或由於該光自電極15與層14之間的介面邊界反射。如34所示，若干散射光將被重新引導回朝電極15，且若干光將透過表面32離開發光二極體30，如35所示。若電極15係透明，則34所示之若干光將以大於臨界角度之角度撞擊層14之表面，並自發光二極體30之頂部表面逃逸。剩餘光將被反射回朝表面32，並將以類似於射線33之方式被再次散射。若電極15係反射型，則所有到達該電極之光將被反射回至表面32並將被散射或透射。

撞擊表面32之光的散射輪廓取決於在特定光線與該表面交叉點處之粗糙表面之細節。若表面32之細節特徵約為在作用區域18中產生之光的波長之等級，則該光將在若干不同方向上散射。此係圖2中所示的情形。對於隨機粗糙表面，散射光將呈現一朗伯(lambertian)輪廓。

若該等特徵顯著大於光之波長，則該表面可近似在相對於層14之表面的法線之隨機角處之若干個平坦刻面。在此情形下，根據刻面上之入射角度，每一射線或在一特定角度散射或藉由該表面透射。設想一射線，其在一角度下被反射回朝層14之表面，使其再次被反射回表面32。當反射射線撞擊表面32上之一新刻面時，其將在由該刻面之方位所決定之一角度被再次反射回來或透射過該表面。由於該 等刻面係隨機定向，因此反射回至發光二極體內之機率取決於該射線先前所經受之反射，且因此在每次自表面32反射時，平均來說，某一部分之光會逃逸。

特徵大小與方位一般經選擇，使得產生於該主動層中且朝粗糙表面反射之一射線平均來說將在撞擊該粗糙表面時或自該粗糙表面被反射且以大於零之機率撞擊該發光二極體之相對表面時，離開該發光二極體之該等表面之一。該機率較佳將大於1/6。在本發明之一具體實施例中，層31具有至少3倍光波長的厚度。

理想的情形是，層31之折射率與基板12之折射率相同。高折射率材料，例如AlN、TiO₂ 、BaTiO₃ 及SiC，可用於層31，此係由於此等材料具有之折射率接近於藍寶石之折射率。例如，AlN具有大約2.1之折射率。

應注意，具有比基板12更高之折射率之層有某些額外益處。若層31之折射率小於基板12之折射率，則由於內部反射，撞擊該基板之若干光將被反射回至基板12內，且將被捕獲在邊界38與層14之頂部表面之間。由於重新吸收，將遺失此光。

另一方面，若層31具有高於層12之折射率，則自基板12撞擊邊界38之所有光將進入層31。部分此光將藉由該粗糙表面透射，且部分此光將返回至邊界38。藉由內部反射，部分返回光將被反射回朝粗糙表面，且剩餘光將重新進入基板12且被再循環返回至邊界38。因此所有光均經受再循環。

雖然理想狀況係層31之折射率接近匹配基板12之折射率或大於基板12之折射率，但提供折射率介於周圍環境37與基板12之間的任何材料可對所有缺乏層31之具體實施例提供一改良。基於GaN之半導體之折射率係大約2.5。空氣介面之臨界角度係大約24度。折射率為1.5之材料的臨界角度係大約37度。因此，若由具有1.5之折射率的材料構造層31，則以介於24度與37度之間的角度撞擊基板12之邊界的會因內部反射而損失的光將進入層31，並將恢復相當部分之該光。

用於層31之理想材料亦應為一種能以使最終表面為粗糙狀態之方式沈積的材料，使得無需額外蝕刻之步驟。原則上，可蝕刻任何材料，包括藍寶石基板，從而藉由首先在該基板上以微影方式圖案化一遮罩並接著蝕刻未遮蔽區域來提供一粗糙表面。然而，額外之步驟實質上提高發光二極體之成本。此外，藍寶石不易蝕刻。若材料不能以產生最終粗糙表面之方式沈積，則可經蝕刻以形成該粗糙表面而無需利用以微影方式產生之遮罩的材料較佳。

在本發明之一具體實施例中，在完成發光二極體製造後，在該藍寶石表面上沈積一高折射率材料，例如AlN。例如，可在低溫下藉由RF濺鍍技術沈積多晶AlN。可蝕刻多晶層以產生具有一粗糙度之一粗糙表面，該粗糙度藉由控制蝕刻條件加以控制。應注意，由於該多晶層中晶體之隨機方位，需各向異性地蝕刻該AlN。不同晶體方位以不同速率蝕刻。

可使用乾式或濕式蝕刻系統蝕刻該多晶層。可使用一反應性氣體(例如CF₄ 或SF₆ )蝕刻AlN。該蝕刻速率藉由變化蝕刻條件(例如RF功率、壓力、背景氣體等)來加以控制。因此，獲得一粗糙表面並不需要在蝕刻前以微影方式遮蔽該表面。

亦可藉由沈積程序控制該表面之粗糙度。若在沈積程序之初採用高沈積速率，則會增強非均勻性生長。若可在高沈積速率下形成合成層，則最終表面可具有足夠粗糙度以提供該光擷取表面。若合成表面有太多缺陷，則可採用一較緩慢生長速率來提供所需最終厚度。在此情形下，可如上所述蝕刻該表面以提供最終粗糙表面。應注意，該蝕刻不涉及蝕刻該等發光二極體層，因此本發明避免與引入缺陷至發光二極體相關聯之問題。

再參考圖2，雖然上述用於光擷取層之較佳材料具有之折射率大於或等於基板12之折射率，然而如上所述，若該光擷取層具有之折射率介於周圍介質37與基板12之間的一折射率，則仍可實現一顯著改良。因此，可沈積有一粗糙表面或在沈積後蝕刻之透明非晶性材料(例如玻璃與聚合物)仍可提供一實質改良。在許多情形下，在基板12上沈積此等材料之低成本可補償其較差的光擷取性能。

應注意，此等材料在沈積後可藉由研磨拋光以及化學蝕刻進行粗糙化。例如，可使用高溫下之磷酸以各向異性之方式蝕刻AlN。對於以RF濺鍍AlN而言，沿不同結晶方向之一的蝕刻速率可實質上更高。採用塑膠或其他可模製聚 合物之具體實施例可利用一鑄模上之一粗糙表面以提供該粗糙表面。

本發明之上述具體實施例利用一發光二極體設計，其中利用位於基板曝露表面上之一光擷取層透過該基板擷取光。雖然此組態相對於其中透過電極擷取光之設計具有若干優勢，然而本發明之光擷取方案仍可應用於此類頂部發射設計。

現在參考圖3，其係本發明之另一具體實施例的斷面圖。發光二極體50類似於上述發光二極體30，其中該發光二極體30包括夾在兩個層13與14之間的一發光層18，以形成一二極體結構。該等各種層係在一基板12上生長。基板12之底部表面包括一反射層以將採用其他方式會透過該底部表面離開之光引導回朝發光二極體之頂部表面。藉由在電極55與56之間提供一電位差為發光二極體50供電。由於光係透過發光二極體50之頂部表面擷取，因此電極55係一透明電極，例如ITO電極。或者，可使用交叉電極組態以接觸發光二極體50之頂部表面。

一旦已透過沈積電極55與56製造所有發光二極體，則沈積且處理一光擷取層52來提供一粗糙表面57。可使用上述任何材料及/或粗糙化技術沈積該層。該粗糙化層與上述該等粗糙化層不同，其中必須提供53及54所示之兩開口，以便可存取電極55與56。可使用習知微影蝕刻技術在粗糙化該層前或在執行粗糙化後切割該等開口。或者，可在沈積且粗糙化層52之前遮蔽該等開口之位置。然後移除遮罩 材料以提供所討論之開口。

應注意，在已透過頂部電極完成發光二極體後，但在切割晶圓前，可在晶圓級下提供本發明之擷取層。因此，可實現晶圓處理之規模經濟。亦應注意，本發明之光擷取層不干涉各種發光二極體層之功能，此係由於此等層並未經粗糙化或未另外以可能損害所討論層之方式處理。

本發明尤其有利於由GaN族系材料及具有高折射率之其他材料系統(例如藍寶石或碳化矽)構造之發光二極體。基於本說明之目的，將GaN族系材料定義為AlGaN、InGaN及GaN。然而，本發明亦可應用於由其他族系材料構造之發光二極體。

根據前述說明與附圖，本發明之各種修改對熟習此項技術者將變得顯而易見。據此，本發明係僅欲由下列申請專利範圍之範疇來限制。

12‧‧‧基板/層

13‧‧‧第一層

14‧‧‧第二層

15‧‧‧透明電極

16‧‧‧第二電極

18‧‧‧光產生區域/作用區域/發光層

20‧‧‧發光二極體

30‧‧‧發光二極體

31‧‧‧光擷取層

32‧‧‧底部表面

37‧‧‧周圍環境(介質)

38‧‧‧邊界

50‧‧‧發光二極體

52‧‧‧光擷取層

53‧‧‧開口

54‧‧‧開口

55‧‧‧電極

56‧‧‧電極

57‧‧‧粗糙表面

圖1係一基於GaN之發光二極體之簡化斷面圖。

圖2係根據本發明之一具體實施例的一發光二極體之斷面圖。

圖3係本發明之另一具體實施例之斷面圖。

12‧‧‧基板/層

13‧‧‧第一層

14‧‧‧第二層

15‧‧‧透明電極

16‧‧‧第二電極

18‧‧‧光產生區域/作用區域/發光層

30‧‧‧發光二極體

31‧‧‧光擷取層

32‧‧‧底部表面

37‧‧‧周圍環境(介質)

38‧‧‧邊界

Claims (8)

1. 一種包括一發光二極體與一光擷取層之發光裝置，該發光二極體包括：一基板，其具有一第一表面及一與其相對之第二表面；一主動層，其夾在一具有第一型態摻雜之第一層及一具有第二型態摻雜之第二層之間，當電洞與電子在該主動層中再結合時，該主動層產生光，該第一層、該主動層及該第二層均在該基板上之該第一表面形成，該第一層及該第二層實質上為平坦的；一第一電極，其連接至該第一層，該第一電極實質上為透明的及平坦的；一第二電極，其連接至該第二層，該第一電極及該第二電極經配置以在該第一層及該第二層之間提供一電位差；及該光擷取層係位於該基板之該第二表面，該光擷取層包括：一透明材料層，其具有一上表面與一下表面；及隨機光線散射特徵，其位於該透明材料層之該下表面；其中該透明材料層之該上表面實質上係為平坦的，並連接至該基板之該第二表面，且其中該光擷取層之折射率大於或等於該基板之折射率且小於或等於該基板周圍介質之折射率，其中在未發生全內反射之情況下，自該 光擷取層進入該周圍介質之光線，經由該周圍介質離開該光擷取層。
2. 如請求項1之發光裝置，其中該透明材料層係為一選自由玻璃及聚合物所組成之群組之一非晶性材料。
3. 如請求項1之發光裝置，其中該透明材料層具有大於2之一折射率。
4. 如請求項1之發光裝置，其中該基板包括藍寶石或SiC。
5. 如請求項1之發光裝置，其中該光擷取層係位於該發光裝置之第一側，且該第一電極與該第二電極係位於該發光裝置相對於該第一側處之一第二側。
6. 如請求項1之發光裝置，其中該光擷取層係由可塑造之塑膠及聚合物所形成。
7. 如請求項1之發光裝置，其中該光擷取層具有至少3倍光線波長之厚度。
8. 如請求項1之發光裝置，其中自該發光裝置發射的光線係約為波長頻帶中的一中心波長，且其中隨機光線散射特徵具有大於0.5倍該中心波長之範圍。