TWI482262B - 發光裝置及其製造方法 - Google Patents

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Chia Lin Yu
Chen Hua Yu
Wen Chih Chiou
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Description

發光裝置及其製造方法
本發明有關於一種發光二極體(light-emitting diode,LED)系統及其製造方法，特別是有關於一種具有反射層的發光二極體系統及其製造方法。
一般而言，發光二極體(LED)係使用位於一基底上且具有一第一接觸層、一主動層(active layer)、以及一第二接觸層的二極體所形成的。當對這些膜層施加順向偏壓時，可產生不同波長的光線沿多重方向向外發射。然而有一些方向是不適合的，例如沿特定方向的光線，或是影響光吸收材料(例如矽基底)的光線，其降低LED整體光度(luminosity)。
上述光度及定向性(directionality)的問題已透過在LED的主動層下方放置分佈式布拉格反射器(distributed Bragg reflector,DBR)來反射離開基底的光線的方法進行處理。然而，以垂直DBR表面為基準，DBR在高入射角時，為低效率的反射器。另外，某些光線離開LED而朝基底發射時，光線被吸收並阻止其反射，因而DBR不起作用。
另一解決方法在於使用一光穿透式基底，例如藍寶石，且在基底上相對於LED的一側形成一反射層。然而，使用光穿透式基底的作法，例如藍寶石，將侷限LED基底的可用材料，而無法使用較佳選擇的基材，例如矽。導致製造過程更為繁複且昂貴。
因此，有必要尋求一種新的結構，其能使基底具有更多材料選擇且光線不會被吸收。
根據本發明一較佳實施例，發光裝置包括：一基底，位於基底上且具有一第一主動層的一第一發光二極體、以及位於基底上且具有一第二主動層的一第二發光二極體。一反射層位於第一發光二極體與第二發光二極體之間的基底上。第一反射層包括一上表面，其比第一主動層接近基底。
根據本發明又一較佳實施例，發光裝置包括：一基底以及位於部分的基底上的一反射層。反射層具有一第一厚度。複數發光二極體延伸穿過反射層至基底，每一發光二極體包括一主動層，主動層與基底相距一第一距離，且第一距離大於第一厚度。
根據本發明又一較佳實施例，發光裝置的製造方法包括：提供一基底以及在基底上形成複數發光二極體，每一發光二極體包括一主動層。在基底上形成一反射層，其中反射層位於發光二極體中相鄰的發光二極體之間，且位於主動層下方。
本發明實施例的優點在於加強具有反射器的裝置的光輸出。本發明實施例亦容許使用光吸收材料作為LED的基底。
以下說明本發明較佳實施例製作與使用。然而，必須了解的是本發明提供許多適當的實施例的發明概念，可實施於不同的特定背景。述及的特定實施例僅用於說明以特定的方法來製作及使用本發明，而並非用以侷限本發明的範圍。
以下配合特定背景的較佳實施例說明本發明，亦即，用於多重LED的反射層。然而，本發明亦可應用於其他反射層。
請參照第1圖，其繪示出一基底101、一第一接觸層103、一主動層105、以及一第二接觸107。基底101較佳為藍寶石或半導體基底。須注意的是本發明實施例雖以矽塊材(bulk)基底作為說明，然而也可使用其他基底。舉例而言，可使用絕緣層上覆矽(silicon on insulator,SOI)基底、SiC基底、MgAl2 O4 基底、及其他同等基底。然而，本發明特別適合使用矽基底的原因在於除了可降低其上方LED結構中的應力之外，成本也低。再者，雖然基底較佳為具有(111)表面取向(surface orientation)，還是可使用具有不同表面取向的基底，例如(100)表面取向及(110)表面取向。矽基底也可改善光汲取效率(extraction efficiency)且可使用選擇性III-N族磊晶成長製程。
第一接觸層103較佳為形成於基底101上。第一接觸層103較佳為構成用於發光的二極體的一部分，且包括III-V族化合物。如其名稱，III-V族化合物包括III族元素及一V族元素，且化合物包含，例如，GaN、InN、AlN、Alx Ga(1-x) N、Alx In(1-x) N、Alx Iny Ga(1-x-y) N、其組合或同等的化合物。在一實施例中，形成的是p向上(p-up)型LED，第一接觸層103較佳為摻雜具有n型導電型的摻雜物(例如，n-GaN)。然而，也可使用p型摻雜物，取決於第一接觸層103所需的導電型，以形成n向上(n-up)型LED。
第一接觸層103較佳為藉由磊晶成長製程所形成的，例如分子束磊晶(molecular beam epitaxy,MBE)，另外也可使用其他製程諸如氫化物氣相磊晶(hydride vapor phase epitaxy,HVPE)、液相磊晶(liquid phase epitaxy,LPE)、或其他等同製程。第一接觸層103厚度在1微米(μm)至6微米的範圍，而較佳厚度約為2微米。第一接觸層103最好是在製作期間進行原位(in situ)摻雜，其濃度在1×1016 cm-3 至1×1019 cm-3 的範圍，而較佳的摻雜濃度約為1×1018 cm-3 ，另外也可使用其他製程，諸如離子佈值(ion implantation)或是擴散法。
主動層105較佳為形成於第一接觸層103上。主動層105用於控制發出的光線至所需波長。另外，藉由調整及控制主動層105中元素的組成比例，可調整主動層105中材料的能隙(bandgap)，進而調整LED所發出的光線的波長。
主動層105較佳為包括多重量子井(multiple quantum well,MQW)。主動層105中MQW結構包括InGaN、GaN、Alx Iny Ga(1-x-y) N(其中0<=x<=1)膜層或其他等同膜層。主動層105可包括任何數量的量子井，諸如5至20個量子井，每一個較佳為具有約30埃()至100埃的厚度。量子井較佳為利用第一接觸層103作為成核(nucleation)層並使用金屬有機化學氣相沉積(metal organic chemical vapor deposition,MOCVD)來進行磊晶成長，另外也可使用其他製程，諸如MBE、HVPE、LPE或其他等同製程。
第二接觸層107較佳為形成於主動層105上。第二接觸層107較佳為構成用於發光且具有第一接觸層103的二極體的第二部分。第二接觸層107較佳為包括III-V族化合物，諸如GaN、InN、AlN、Alx Ga(1-x )N、Alx In(1-x )N、Alx Iny Ga(1-x-y) N、其組合或同等的化合物，且摻雜相反於第一接觸層103中第一導電型的第二導電型摻雜物(例如，p-GaN)
第二接觸層107較佳為藉由磊晶成長製程所形成的，例如MOCVD，另外也可使用其他製程，諸如HVPE、LPE、MBE或其他等同製程。第二接觸層107厚度在0.1微米至2微米的範圍，而較佳厚度約為0.3微米，且最好是在製作期間進行原位摻雜，其濃度在1×1017 cm-3 至1×1021 cm-3 的範圍，而較佳的摻雜濃度約為1×1019 cm-3 ，另外也可使用其他製程，諸如離子佈值或是擴散法。
第2圖係繪示出圖案化第一接觸層103、主動層105、以及第二接觸層107以形成複數發光二極體(LED)201。這些LED 201較佳為微米級(micro-sized)及奈米級(nano-sized)LED 201，且其寬度ω與所發出光線的波長成比例關係。舉例而言，儘管LED 201的寬度ω在10奈米(nm)至10微米的範圍，且寬度ω較佳為250奈米，但LED 201的寬度ω最好是LED 201所發出光線的波長的0.3至3倍。例如，寬度ω為250奈米而波長為480奈米。在本實施例中，奈米級LED 201與光線波長成比例關係，而向下的光線實質上不會侷限於奈米級LED 201內，因而有更多的光線自LED 201發出。
可藉由在第二接觸層107上形成硬式罩幕(hard mask)203進行第一接觸層103、主動層105、以及第二接觸層107圖案化，硬式罩幕203的材質可為氮化矽、氧化矽、或金屬，例如鎳，或是其組合等等。可藉由在第二接觸層107上毯覆式(blanket)沉積一硬式罩幕層(未繪示)來製作硬式罩幕203。接著使用適當的微影製程以圖案化硬式罩幕層而形成硬式罩幕203，並露出需要去除的第二接觸層107部分，以製作LED 201，如第2圖所示。然而，也可使用其他製程，諸如微影罩幕或是奈米壓印(nanoimprint)，用以保護及圖案化第一接觸層103、主動層105、以及第二接觸層107。
在形成及圖案化硬式罩幕203後，進行蝕刻製程以形成LED 201柱型物。自硬式罩幕203露出的第二接觸層107、主動層105、及第一接觸層103可利用蝕刻製程除去，例如乾蝕刻。去除第一接觸層103、主動層105、以及第二接觸層107所進行的蝕刻製程較佳為單一蝕刻步驟，另外也可使用多重蝕刻步驟以形成LED 201。
第3圖係繪示出形成間隙壁301及去除硬式罩幕203。間隙壁301用於防止第一接觸層103與第二接觸層107發生短路且通常藉由在先前的結構上毯覆式沉積一間隙壁層(未繪示)來製作。間隙壁層的材料較佳為SiN、SiC、SiON、或氧化物等等。可藉由一般使用的方法來製作間隙壁層，諸如化學氣相沉積(CVD)、電將輔助化學氣相沉積(plasma enhanced CVD)、濺鍍(sputter)、或其他習用方法，接著較佳為利用非等向性(anisotropically)蝕刻去除LED 201平面與基底101平面上的間隙壁層，以進行圖案化並形成間隙壁301。
在形成間隙壁301之後，自第二接觸層107的上表面去除硬式罩幕203。硬式罩幕203最好使用濕蝕刻除去，其對於硬式罩幕材料(例如，氮化矽或鎳)具有選擇性而實質上不會去除LED 201與基底101的材料。另外，也可使用研磨製程，例如化學機械研磨(chemical mechanical polishing,CMP)，或是結合蝕刻與研磨，以去除硬式罩幕203。
第4圖繪示出在各個LED 201之間的基底101上形成低於主動層105層位的反射層401。反射層401較佳為包括高反射金屬，諸如鋁、銀、或等同的金屬，另外也可使用任何適當的反射材料。可藉由一製程，例如物理氣相沉積(physical vapor deposition,PVD)來形成一高反射金屬毯覆層，用以製作反射層401，另外也可使用其他製程，諸如CVD或濺鍍。接著利用適當的微影製程去除不需要的毯覆層部分，以形成反射層401。反射層401的厚度較佳為至少10奈米，但最好低於LED 201的主動層105，因此較佳的厚度不大於基底101與主動層105底部之間的距離。
藉由在各個LED 201之間的基底101上形成低於主動層105的反射層401，任何自各個LED 201離開且朝向基底101的光線可在抵達基底101之前被反射。若基底101為光吸收基底，例如矽基底，由於光線被反射而不是被吸收，反射層401將會增加LED 201整體光度。另外，反射層401可用於將光線導向某一方向(例如，離開基底101)，並且導離不適當的方向。
第5A至5E圖係繪示出多重LED 201的平面示意圖，其具有間隙壁301及反射層401。儘管LED 201外型可為任意形狀，第5A圖繪示出LED 201外型為圓型的實施例。在本實施例中，圓型LED 201的直徑約在10奈米至5000奈米之間，而較佳為250奈米。各個LED 201較佳為排列成格狀圖案，間距在10奈米至10微米之間，而較佳的間距為250奈米，另外也可採用其他佈局，例如交錯(staggered)排列佈局。
第5B圖繪示出LED 201外型為矩型的另一實施例。在本實施例中，各個LED 201同樣較佳為排列成格狀圖案，且反射層401位於各個LED 201之間。矩型LED 201的長度同樣約在10奈米至5000奈米之間，而較佳為10微米。寬度約在10奈米至5000奈米之間，而較佳為250奈米。LED 201之間的間隔約在10奈米至5000奈米之間，而較佳的間隔為250奈米。
第5C圖繪示出LED 201外型為橢圓型的另一實施例。在本實施例中，橢圓型的LED 201較佳為排列成格狀圖案，但不一定要排列成格狀圖案，而各個LED 201之間的間隔約在10奈米至10微米之間，而較佳的間隔為250奈米。
第5D圖繪示出LED 201外型為三角型的另一實施例。在本實施例中，三角型的LED 201較佳為依行列排列，另外也可採用交錯排列。在本實施例中，各個LED 201之間的間距約在10奈米至10微米之間，而較佳的間距為250奈米。三角型的LED 201的邊長約在10奈米至5000奈米之間，而較佳為250奈米。
第5E圖繪示出LED 201外型為六邊型的另一實施例。在本實施例中，六邊型的LED 201較佳為依行列排列，另外也可採用交錯排列而沒有彼此對準。在本實施例中，各個LED 201之間的間距約在10奈米至10微米之間，而較佳的間距為250奈米。
第6圖繪示出在反射層401上且位於各個LED 201之間的區域填入一填充材料601，以及形成上電極603。填充材料601的材料較佳為對於LED所發的光(例如，可見光)而言是透明的，例如二氧化矽，且較佳由CVD技術並使用四乙基矽酸鹽(tetra-ethyl-ortho-silicate,TEOS)以及氧作為前驅物(precursor)所形成。然而，也可使用其他材料，諸如氮化矽、氮氧化矽、或其他等同材料，且可使用其他製程，例如電將輔助化學氣相沉積。
形成的填充材料601係用以填滿各個LED 201之間且位於反射層401上方的區域。接著藉由研磨製程，例如化學機械研磨(CMP)，去除過多填充材料601，以露出第二接觸層107。然而，也可使用其他移除製程來去除過多填充材料601，諸如蝕刻或是結合蝕刻與研磨。
在去除過多填充材料601以及大體露出第二接觸層107之後，形成上電極603，用以與一個或多個LED 201的第二接觸層107電性接觸。上電極603較佳由透明且導電的材料所構成，諸如鎳薄膜、金薄膜、透明導電氧化物；或其組合或等同的材料，且可藉由一製程來製作，諸如PVD、濺鍍、CVD或是其他等同製程。上電極603的厚度較佳在10埃至1000埃之間，而較佳的厚度為100埃。
之後，可進行後續製程以完成LED 201的製作。舉例而言，可經由導電基底101或是當基底為非導電時經由形成的另一接觸點，在每一LED 201的第一接觸層103形成電性接觸點。最後，可對LED裝置進行切割及封裝。
需注意的是上述說明在於陳述各個LED之間具有反射表面的LED製造方法。其他膜層，諸如分佈式布拉格反射器或是緩衝層可成為各個LED 201的一部分。緩衝層也可位於第一接觸層103與基底101之間，取決於基底101的類型及分別與第一接觸層103及第二接觸層107的連接。舉例而言，在某些類型的基底中，諸如SiC及Si基底，緩衝層，例如AlN或AlGaN，可幫助SiC基底上方III-N族化合物的磊晶成長。分佈式布拉格反射器通常包括具有不同折射率的多重膜層，可使LED所發出的光線產生反射，因而增加LED 201頂部所發出的光線。分佈式布拉格反射器也可搭配使用反射緩衝層，或以反射緩衝層代替分佈式布拉格反射器。
LED 201的結構可根據使用的材料類型及應用而有所改變。可以預期的是有許多類型的LED結構可使用本發明實施例，即，在各個LED 201之間提供反射表面。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作更動與潤飾。舉例而言，緩衝層或是分佈式布拉格反射器可與LED結合使用。在另一範例中，任何所屬技術領域中具有通常知識者可以理解在本發明之範圍內可使用不同的材料及製程。
再者，本發明之保護範圍並未侷限於說明書內所述特定實施例中的製程、機器、製造、物質組成、裝置、方法及步驟，任何所屬技術領域中具有通常知識者可從本發明揭示內容中理解現行或未來所發展出的製程、機器、製造、物質組成、裝置、方法及步驟，只要可以在此處所述實施例中實施大體相同功能或獲得大體相同結果皆可使用於本發明中。因此，本發明之保護範圍包括上述製程、機器、製造、物質組成、裝置、方法及步驟。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
101．．．基底
103．．．第一接觸層
105．．．主動層
107．．．第二接觸層
201．．．發光二極體(LED)
301．．．間隙壁
401．．．反射層
601．．．填充材料
603．．．上電極
ω．．．寬度
第1圖係繪示出根據本發明實施例在一基底上形成一第一接觸層、一主動層、以及一第二接觸層的剖面示意圖。
第2圖係繪示出根據本發明實施例圖案化第一接觸層、主動層、以及第二接觸層以形成各個LED的剖面示意圖。
第3圖係繪示出根據本發明實施例在LED的側壁上形成間隙壁的剖面示意圖。
第4圖係繪示出根據本發明實施例在LED之間的基底上形成反射薄膜的剖面示意圖。
第5A至5E圖係繪示出根據本發明實施例各個LED外型的平面示意圖。
第6圖係繪示出根據本發明實施例在LED上形成上電極的剖面示意圖。
101．．．基底
103．．．第一接觸層
105．．．主動層
107．．．第二接觸層
201．．．發光二極體(LED)
301．．．間隙壁
401．．．反射層
601．．．填充材料
603．．．上電極

Claims (17)

  1. 一種發光裝置，包括：一基底；一第一發光二極體，位於該基底上，其中該第一發光二極體包括一第一主動層；複數間隙壁，位於該第一發光二極體的側壁上；一第二發光二極體，位於該基底上，其中該第二發光二極體包括一第二主動層；以及一反射層，位於該第一發光二極體與該第二發光二極體之間的該基底上，使該等間隙壁的至少一者位於該反射層及該第一發光二極體之間，其中該反射層包括一上表面比該第一主動層接近該基底。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之發光裝置，其中該反射層包括：鋁、銀、或其他反射材料。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之發光裝置，其中該第一發光二極體用於發出具有一第一波長的光線，且該第一發光二極體的寬度與該第一波長成比例關係。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之發光裝置，其中該基底為一光吸收基底。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之發光裝置，更包括一光穿透材料，位於該第一發光二極體與該第二發光二極體之間的該反射層上。
  6. 一種發光裝置，包括：一基底；一反射層，位於部分的該基底上，該反射層具有一 第一厚度；複數發光二極體，延伸穿過該反射層至該基底，每一發光二極體包括一主動層，該主動層與該基底相距一第一距離，且該第一距離大於該第一厚度；以及複數間隙壁，位於該等發光二極體的側壁上，且位於該反射層及該等發光二極體之間。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之發光裝置，其中該反射層包括：鋁、銀、或其他反射材料。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之發光裝置，其中該等發光二極體中至少一個的寬度與該發光裝置所發出的光線的一波長成比例關係。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之發光裝置，其中該基底為一光吸收基底。
  10. 如申請專利範圍第6項所述之發光裝置，更包括一光穿透材料，位於該等發光二極體中相鄰的發光二極體之間的該反射層上。
  11. 如申請專利範圍第6項所述之發光裝置，其中每一發光二極體為圓型、矩型、橢圓型、三角型、或六邊型。
  12. 一種發光裝置的製造方法，包括：提供一基底；在該基底上形成複數發光二極體，每一發光二極體包括一主動層；在該等發光二極體的側壁上分別形成間隙壁；以及在該基底上形成一反射層； 其中該反射層位於該等發光二極體中相鄰的發光二極體之間，且位於該等主動層下方，使該等間隙壁位於該反射層及該等發光二極體之間。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之發光裝置的製造方法，其中該反射層包括：鋁、銀、或其他反射材料。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之發光裝置的製造方法，其中該等發光二極體中至少一個用於發出具有一第一波長的光線，且該發光二極體的寬度與該第一波長成比例關係。
  15. 如申請專利範圍第12項所述之發光裝置的製造方法，更包括在該等間隙壁之間及該反射層上的一區域填入一光穿透材料。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之發光裝置的製造方法，更包括對該光穿透材料進行平坦化，且該平坦化步驟大體露出該等發光二極體的上表面。
  17. 如申請專利範圍第12項所述之發光裝置的製造方法，其中形成複數發光二極體，包括：形成一第一接觸層；在該第一接觸層上形成一主動層；在該主動層上形成一第二接觸層；在該第二接觸層上形成一硬式罩幕，該硬式罩幕露出部分的該第二接觸層；以及蝕刻該第二接觸層露出的部分及下方的該主動層與該第一接觸層，以形成該等發光二極體。
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