TWI474504B - 發光二極體結構及其製作方法 - Google Patents

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Description

發光二極體結構及其製作方法
本發明係為一種發光二極體結構及其製作方法，尤指一種藉由磊晶成長方式以形成其堆疊層且其各層的折射係數相互匹配，而能實現出減少結構內的全反射情形以提升發光效能的發光二極體結構及其製作方法。
發光二極體(Light Emitting Diode，簡稱LED)係為一種以半導體材料所製成的固態發光元件，具有體積小、發熱度低、高照明、耗電量小、適合量產與壽命長等性能，故目前業界於各種照明裝置或背光模組上，普遍多已採用發光二極體作為其發光光源之應用。也由於發光二極體的應用越來越廣泛，如何能夠提升發光二極體的發光效率或增加其出光的亮度或均勻度，便成為當今的重要議題與研發目標。而藉由對於發光二極體結構的設計變化，係能使得發光二極體的發光效率、亮度或均勻度等得到有效且明顯地增進。
在發光二極體的結構中，目前技術多將P型半導體與N型半導體間的PN接面以一發光層或主動層作設置；而此種發光層或主動層係可為一多層量子井(Multi-Quantum Well，簡稱MQW)結構層。當於發光二極體結構的正極(或p型)、負極(或n型)兩極端子之間施加電壓以通入電流而使P型半導體與N型半導體間的PN接面能發光時，所設置之該發光層或主動層的材料特性係能增加電流流經時 的發光效能。
此外，目前技術亦多利用諸如其材料具有為透明特性之銦錫氧化物(Indium-Tin Oxide，簡稱ITO)作為導電與電流分散層之用，並可設置於P型半導體之上。然而，由於發光層或主動層所產生的光線會以各種不同的角度從結構內射出，使得當光線進入到外部時(例如所述之電流分散層或是結構表面外的空氣)，便容易因其介面折射係數之不同以及光線射出時所具有的不同入射角度而產生折射，甚至會出現全反射而將所產生的光線又反射回結構中之影響發光效能的情形。
詳細來說，在本國發明專利第I258226號「具透明導電層之發光二極體」的揭示內容中係提出了一種具有透明導電層之發光二極體結構設計，便可為改善其光線全反射情形以增加發光亮度之其中一例；請參閱第一圖，係為該專利之氮化鎵發光元件的結構示意圖。如圖所示，所述之氮化鎵發光元件100的結構主要包含了有：基板102、n型氮化鎵半導體層104、主動層106、p型氮化鎵半導體層108、高折射率接觸層109、透明導電層110、陽極電極112和陰極電極114等元件，而其各層元件的堆疊方式係呈現如圖中所示。
承上所述，其高折射率接觸層109係選用諸如銦鈰氧化物(Indium-Cerium Oxide，簡稱ICO)或銦鋅氧化物(Indium-Zinc Oxide，簡稱IZO)之折射係數大於2.0的透明導電材料，且其折射係數係小於下方堆疊層之氮化鎵的2.4~2.5，但卻大於上方銦錫氧化物之透明導電層110的 1.8，也就是高折射率接觸層109的折射係數係介於透明導電層110和氮化鎵兩者之間。而藉由此一設計，將可有效減少結構內的全反射情形，並引導結構內所產生之光線向結構的外部加以射出。
雖然，此一發光二極體的結構設計能因此改善其整體元件的發光效率，但其高折射率接觸層109之形成範圍係僅對應於該透明導電層110，如此，將可能會影響電流分散之效果與發光效能；且高折射率接觸層109所選用的材料將使其形成方式與下方的氮化鎵堆疊層為不同的製程與特性，從而可能會增加製程之時間和成本。
本發明之目的在於提供一種發光二極體結構及其製作方法，使得藉由磊晶成長方式以形成其結構之堆疊層且其堆疊層內之各層的折射係數亦相互匹配，從而能實現出減少結構內的全反射情形以提升發光效能，進而能改善製程上所需耗費之時間和成本。
本發明係為一種發光二極體結構，包含有：一半導體基板；一第一型半導體層，形成於該半導體基板上；一發光層，形成於該第一型半導體層之部份表面上；一第二型半導體層，對應該發光層之頂面的範圍而形成於該發光層上；一第二型導光層，對應該第二型半導體層之頂面的範圍而形成於該第二型半導體層上，且該第二型導光層係與該第二型半導體層具有相同之極性；以及一透明導電層，對應該第二型導光層之上表面範圍而形成於該第二型導 光層上；其中，該第二型導光層之折射係數介於該透明導電層之折射係數和該第二型半導體層之折射係數之間。
本發明另一方面係為一種發光二極體結構製作方法，該方法包含下列步驟：提供一半導體基板；於該半導體基板上依序形成一個由一第一型半導體層、一發光層、一第二型半導體層及一第二型導光層所構成之第一半導體堆疊層；圖形化該第一半導體堆疊層，去除部份該第一型半導體層、該發光層、該第二型半導體層及該第二型導光層，在發光區定義出一由該第一型半導體層、該發光層、該第二型半導體層及該第二型導光層所構成之第二半導體堆疊層，並在非發光區留下裸露出表面之該第一型半導體層；以及形成一透明導電層於該第二半導體堆疊層之該第二型導光層表面；其中該第二型導光層之折射係數是介於該第二型半導體層之折射係數與該透明導電層之折射係數之間。
根據上述構想，其中該第二型導光層係為一p型氮化鋁銦鎵(AlInGaN)，且該第二型導光層係以磊晶方式加以形成。
現以一較佳實施例進行本發明之實施說明。請參閱第二圖(a)至(d)，係為本發明所提出之發光二極體結構製作方法其較佳實施例的製作流程示意圖。如第二圖(a)所示，首先係先提供一半導體基板20，並於該半導體基板20上依序形成一第一型半導體層21、一發光層22、一第二型半 導體層23及一第二型導光層24；而該第一型半導體層21、該發光層22、該第二型半導體層23及該第二型導光層24係相互堆疊而構成一第一半導體堆疊層201。
於此實施例中，該第一型半導體層21係為一n型氮化鎵(GaN)結構，該第二型半導體層23係為一p型氮化鎵(GaN)結構，而該第二型導光層24係為一p型氮化鋁銦鎵(AlInGaN)結構；且其特徵在於，該第二型導光層24係除了和形成於其下並相互接觸之該第二型半導體層23具有相同的極性外，藉由所選用的材料特性下，該第二型導光層24之形成係能直接以磊晶(epitaxy)成長的方式形成於該第二型半導體層23之上。此外，該發光層22則可為一多層量子井(MQW)結構層，以增加電流流經PN接面之間的發光效能。再者，於所選用的材料特性下，氮化鋁銦鎵(AlInGaN)之該第二型導光層24的折射係數係小於氮化鎵(GaN)之該第二型半導體層23的折射係數。
其次，如第二圖(b)所示，去除部份之該第一型半導體層21、該發光層22、該第二型半導體層23及該第二型導光層24，而呈現出如圖所示之樣式，也就是將該第一半導體堆疊層201的部份堆疊構造加以去除。於此實施例中，此一去除方式係利用了光微影(photolithography)技術。詳細來說，係對第一型半導體層21、發光層22、第二型半導體層23和第二型導光層24相互堆疊所形成之第一半導體堆疊層201加以圖形化，進而再利用相關之蝕刻方式對其堆疊層201進行蝕刻，以將光微影技術中所使用之光罩或光阻上的圖形轉移至其堆疊層201上。於此實施例中， 對該第一型半導體層21進行蝕刻所需之厚度則可依製程需求加以設定，並由蝕刻之時間作控制。
承上所述，完成蝕刻後所留下的凸出部份，即成為一第二半導體堆疊層202。該第二半導體堆疊層202便亦由第一型半導體層21、發光層22、第二型半導體層23及第二型導光層24相互堆疊所構成；或為該第一半導體堆疊層201於蝕刻後所餘之凸出部份。是以，仍保留有發光層22所在之發光區係為該第二半導體堆疊層202；而於蝕刻後所留下的該第一型半導體層21其所裸露出之部分表面則成為非發光區，能提供後續負極電極的設置，並用以和n型之該第一型半導體層21相接觸而導通電流。
接著，如第二圖(c)所示，形成一透明導電層25於該第二半導體堆疊層202之該第二型導光層24之表面上。於此實施例中，該透明導電層25的作用係亦可類似先前技術而作為導電與電流分散層(current spreading layer)之用。而在考量減少整體發光二極體結構的內部全反射情形以及提供光線穿透射出之目的下，該透明導電層25所選用的材料除了可為透明之銦錫氧化物(ITO)外，還可為一含銦及/或錫及/或鋅之氧化物結構，或是可為氧化銦(InO)、氧化錫(SnO或SnO2 )、氧化鋅(ZnO)、銦鋅氧化物(IZO)或其混合物等，使其使用了上述材料之該透明導電層25的折射係數係小於氮化鋁銦鎵(AlInGaN)之該第二型導光層24的折射係數。
承上所述，由此可知，該第二型導光層24之折射係數係介於該透明導電層25之折射係數和該第二型半導體 層23之折射係數之間。因此，和先前技術所提之設計概念相同，本發明同樣可有效減少發光二極體結構內的全反射情形，並能引導發光二極體結構內所產生之光線向結構的外部加以射出。
最後，如第二圖(d)所示，於該透明導電層25之部份表面上形成一正極電極261，並於該第一型半導體層21之未被該發光層22所覆蓋的剩餘表面上形成一負極電極262。是以，當電流通入該正極電極261時，電流便會藉由該透明導電層25加以分散，並再透過該第二型導光層24往下進行傳導，進而由該負極電極262導通而出，使得PN接面之發光層22能加以發光。
是故，第二圖(d)所示的最後樣式，便為利用本發明之較佳實施例所提出的發光二極體結構製作方法所完成的一發光二極體結構200。如圖所示可知，其結構包含有：一半導體基板20、一第一型半導體層21、一發光層22、一第二型半導體層23、一第二型導光層24、一透明導電層25、一正極電極261以及一負極電極262。其中，第一型半導體層21係形成於該半導體基板20上；發光層22係形成於該第一型半導體層21之部份表面上；第二型半導體層23係對應該發光層22之頂面的範圍而形成於該發光層22上；第二型導光層24係對應該第二型半導體層23之頂面的範圍而形成於該第二型半導體層23上；透明導電層25係對應該第二型導光層24之上表面範圍而形成於該第二型導光層24上；正極電極261係形成於該透明導電層25上；而負極電極262則形成於該第一型半導體層21 之未被該發光層22所覆蓋的剩餘表面上。
本發明還可根據上述之較佳實施例加以變化，而能完成類似之特徵和功效。舉例來說，於所形成之發光二極體結構中還可包括一層由氮化矽(Si3 N4 )或氧化矽(SiO2 )所構成之緩衝層(buffer layer)，其係設置於該半導體基板20與該第一型半導體層21之間；而所述之緩衝層的設置係能有助於提升整體磊晶結構的品質。
另一方面，由於本發明所提出之概念係以較低折射係數的氮化鋁銦鎵(AlInGaN)運用於氮化鎵(GaN)系列的發光二極體之中，雖可減少光線全反射情形而能提高整體結構的發光效能，但卻也容易因此造成逆向偏壓(VFD)的增加。是以，於其他之實施方式中，係可藉由將其氮化鋁銦鎵之第二型導光層24的厚度加以縮小，並加重其極性的摻雜濃度，以改善其逆向偏壓的增加情形。
綜上所述，本發明所實施之發光二極體結構，除了亦選用了其折射係數能相互匹配(即其第二型導光層24之折射係數係介於透明導電層25和第二型半導體層23之間)的堆疊層之構成，而可有效減少結構內的全反射情形以引導光線向外射出之外，此一堆疊層還可藉由所選用的材料特性而能直接以磊晶(epitaxy)成長的方式加以形成，使得製程上所需耗費之時間和成本都能得到改善。再者，本發明所實施之發光二極體結構，其中第二型導光層24、透明導電層25的形成範圍係分別對應第二型半導體層23、第二型導光層24之頂面或上表面，而正極電極261係僅形成於透明導電層25上，如此，將可有助於提高電流於透 明導電層25內的分散效果與對應之發光效能。是故，本發明能有效解決先前技術中所提出之相關問題，並能成功地達到本案發展之主要目的。
任何熟悉本技術領域的人員，可在運用與本發明相同目的之前提下，使用本發明所揭示的概念和實施例變化來作為設計和改進其他一些方法的基礎。這些變化、替代和改進不能背離申請專利範圍所界定的本發明的保護範圍。是故，本發明得由熟習此技藝之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。
100‧‧‧氮化鎵發光元件
102‧‧‧基板
104‧‧‧n型氮化鎵半導體層
106‧‧‧主動層
108‧‧‧p型氮化鎵半導體層
109‧‧‧高折射率接觸層
110‧‧‧透明導電層
112‧‧‧陽極電極
114‧‧‧陰極電極
200‧‧‧發光二極體結構
20‧‧‧半導體基板
201‧‧‧第一半導體堆疊層
202‧‧‧第二半導體堆疊層
21‧‧‧第一型半導體層
22‧‧‧發光層
23‧‧‧第二型半導體層
24‧‧‧第二型導光層
25‧‧‧透明導電層
261‧‧‧正極電極
262‧‧‧負極電極
第一圖，係為習用之氮化鎵發光元件的結構示意圖。
第二圖(a)至(d)，係為本發明所提出之發光二極體結構製作方法其較佳實施例的製作流程示意圖。
200‧‧‧發光二極體結構
20‧‧‧半導體基板
201‧‧‧第一半導體堆疊層
202‧‧‧第二半導體堆疊層
21‧‧‧第一型半導體層
22‧‧‧發光層
23‧‧‧第二型半導體層
24‧‧‧第二型導光層
25‧‧‧透明導電層
261‧‧‧正極電極
262‧‧‧負極電極

Claims (17)

  1. 一種發光二極體結構，包含有：一半導體基板；一第一型半導體層，形成於該半導體基板上；一發光層，形成於該第一型半導體層之部份表面上；一第二型半導體層，對應該發光層之頂面的範圍而形成於該發光層上；一第二型導光層，對應該第二型半導體層之頂面的範圍而形成於該第二型半導體層上，且該第二型導光層係與該第二型半導體層具有相同之極性；以及一透明導電層，對應該第二型導光層之上表面範圍而形成於該第二型導光層上；其中，該第二型導光層之折射係數介於該透明導電層之折射係數和該第二型半導體層之折射係數之間。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體結構，其中該第二型導光層係為一p型氮化鋁銦鎵(AlInGaN)。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之發光二極體結構，其中該第二型導光層係以磊晶方式加以形成。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體結構，其中該第一型半導體層係為一n型氮化鎵(GaN)結構，該第二型半導體層係為一p型氮化鎵(GaN)結構。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體結構，其中該發光層係為一多層量子井(MQW)結構。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體結構，其中該透明導電層係為一含銦及/或錫及/或鋅之氧化物。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之發光二極體結構，其中該透明導電層係為氧化銦、氧化錫、氧化鋅、銦錫氧化物、銦鋅氧化物或其混合物。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體結構，係進一步包含有一正極電極和一負極電極，該正極電極係形成於該透明導電層上，該負極電極係形成於該第一型半導體層之未被該發光層所覆蓋的剩餘表面上。
  9. 如申請專利範圍第1~8項中任一項所述之發光二極體結構，其中更包括一層由氮化矽或氧化矽所構成之緩衝層設置於該半導體基板與該第一型半導體層之間。
  10. 一種發光二極體結構製作方法，該方法包含下列步驟：提供一半導體基板；於該半導體基板上依序形成一個由一第一型半導體層、一發光層、一第二型半導體層及一第二型導光層所構成之第一半導體堆疊層；圖形化該第一半導體堆疊層，去除部份該第一型半導體層、該發光層、該第二型半導體層及該第二型導光層，在發光區定義出一由該第一型半導體層、該發光層、該第二型半導體層及該第二型導光層所構成之第二半導體堆疊層，並在非發光區留下裸露出表面之該第一型半導體層；以及形成一透明導電層於該第二半導體堆疊層之該第二型導光層表面；其中該第二型導光層之折射係數是介於該第二型半導體層之折射係數與該透明導電層之折射係數之間。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之發光二極體結構製作方法，其中該方法包含下列步驟：於該透明導電層之部份表面上形成一正極電極；以及於該第一型半導體層之未被該發光層所覆蓋的剩餘表面上形成一負極電極。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之發光二極體結構製作方法，其中該第二型導光層係以磊晶方式加以形成，且該第二型導光層係為一p型氮化鋁銦鎵(AlInGaN)結構。
  13. 如申請專利範圍第10項所述之發光二極體結構製作方法，其中該第一型半導體層係為一n型氮化鎵(GaN)結構，該第二型半導體層係為一p型氮化鎵(GaN)結構。
  14. 如申請專利範圍第10項所述之發光二極體結構製作方法，其中該發光層係為一多層量子井(MQW)結構。
  15. 如申請專利範圍第10項所述之發光二極體結構製作方法，其中該透明導電層係為一含銦及/或錫及/或鋅之氧化物。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之發光二極體結構製作方法，其中該透明導電層係為氧化銦、氧化錫、氧化鋅、銦錫氧化物、銦鋅氧化物或其混合物。
  17. 如申請專利範圍第10~16項中任一項所述之發光二極體結構製作方法，其中更包括一層由氮化矽或氧化矽所構成之緩衝層設置於該半導體基板與該第一型半導體層之間。
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