TWI484671B - 發光二極體及其製造方法 - Google Patents

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Description

發光二極體及其製造方法
本發明是有關於一種發光元件，特別是指一種以金屬網薄膜取代透明導體氧化層的高功率發光二極體元件。
發光二極體(Light emitting diodes；LED)的發光原理是將電流順向流入半導體的p-n時便會發出光線。其中AlGaInP材料應用於高亮度紅、橘、黃及黃綠光LED，AlGaInN材料應用於藍、綠光LED，常以有機金屬氣相磊晶法(metal Organic Vapor Phase Epitaxy；MOVPE)進行量產，元件上亦使用同質結構(homo-junction,HOMO)、單異質結構(single-heterostructure,SH)、雙異質結構(double-heterostructure,DH)、單一量子井結構(single-quantum well,SQW)及多重量子井結構(multiple-quantum well,MQW)…等構造或其他結構方式發光。
傳統的發光二極體其結構如圖1A所示，從上而下分別是上電極11(front electrical contact)、透光層14(capping layer or window layer)增加電流分散、活性層12(active layer)、基板10、背電極13(back contact)。其中活性層12是採用有機金屬氣相磊晶法形成AlGaInP或AlGaInN之化合物發光材料，而透光層14最典型的是使用透明導體氧化層，例如氧化銦錫(ITO)。當電流由上電極11注入時，電流會通過透明導體氧化層14擴散，再經活性層12、基板10、流向背電極13。當電流流經活性層12時，便會發出光線。其中，活性層的AlGaInP或AlGaInN包含一p型包覆層，一本質層(instric layer)及一n型包覆層，不過，活性層整體的載子移動率(carrier mobility)不高及高阻值特性使AlGaInP或AlGaInN導電性不佳。此外，透明導體氧化層14雖然是導體層可提供電流擴散之功能，但相較於金屬而言，它的電傳導能力是弱的。因此，最常見的例子是在透明導體氧化層14內埋入金屬柵16。即金屬柵16先形成於活性層12上，再覆蓋以ITO層14。但即使如此而使得電流散佈性有所改善，但電流仍有集中於電極下方之現象，致使發光的主要區域集中在電極下方與附近。如圖1A所示。
為增加電流的散佈性，進行結構、材料上的改良如美國專利案號：US patent 5,008,718 Fletcher et al.提出在上電極與活性層之間增加一電阻值低且可透光的透光層15(window layer or clapping layer)如GaP、GaAsP和AlGaAs等材質，如圖1b所示。其目的是藉由此透光層增加從上電極流出之電流散佈性。如此專利內文所述，為達到較佳的電流散佈狀態，此透光層厚度需150~200μm，如此才能增加5-10倍的發光強度。但加厚透光層的厚度，均會增加MOVPE磊晶的時間及成本，使磊晶的成本增加許多，另外，該層的電流散佈能力與厚度具有相當的關係，若要電流散佈均勻，則厚度至少要數十μm，否則，仍無法有效解決電流散佈的問題。
另一種解決模式是改變電極設計，將金屬電極本身就改成網狀結構。請參考圖1C，首先在一基板100上形成活性層120(active layer)，活性層結構可為雙異質接面結構或量子井結構以增加二極體的發光效率。接續，形成一GaP、AlGaAs或ITO材質作為透光層140於活性層之上增加電流的分散。其背電極130位於基板100之另一面，而上電極210為金屬網位於透光層140之上方。另外金屬接觸墊110則形成於上電極210上。兩者可合稱為上電極。
基板100隨不同的活性層120選擇不同的材料作為基板。當活性層120的材料AlGaInP時，選用砷化鎵材料作為基板；而當活性層120的材料AlGaInN時，選用藍寶石(sapphire)材料作為基板。活性層厚度為0.3～3μm和透光層140厚度為10~50μm，其活性層120及透光層140皆使用有機金屬氣相磊晶法(MOVPE)或分子束磊晶法(Molecular Beam Epitaxy；MBE)製作而成。
此外，網狀金屬線210之尺寸僅有0.5~5μm且在基板上方均勻分佈。雷同上述計算，若尺寸僅有2μm且透光層厚度依然是15μm時，其發光角度θc為tans2θc=2/15 ---> 2θc≒7.6° ---> θc≒3.8°當發光角度θc減少時，活性層所產生的光線被上電極所被遮住的範圍大大降低，位於電極正下方電流密度強所產生的光便能θ=3.8~18度中透過，如此可提高電流密度進而增加發光效率。
本發明之主要目的在於提供一種改善亮度之發光半導體裝置，一金屬網直接形成於活性層上，以增強發光效率。
本發明之另一目的在於以更低成本的方式提供一種改善亮度之發光半導體裝置。
本發明係使用下列步驟來達到上述之各項目的：首先在一基板上形成活性層。接續，形成一金屬層。隨後，形成一光阻圖案，光阻圖案遮罩的比率約為20至30%，再以光阻圖案為蝕刻罩幕，以離子轟擊式的蝕刻。再去光阻。此時，網目的中心因蝕刻過程而形成粗糙面，正好又形成電流易集中的中心，而達到提高發光效率的效果。
因此，本發明事實上已達到了低成本。另外，也不需要額外的透明導體層的製程及材料成本。
請參考圖2A。首先在一基板100上形成活性層120(active layer)，活性層結構可為雙異質接面結構或量子井結構以增加二極體的發光效率。接續，形成一金屬網210於活性層120上。其背電極130位於基板100之另一面，而上電極110位於金屬網210之上方。
更詳細的說，基板100隨不同的活性層120選擇不同的材料作為基板。當活性層120的材料AlGaInP時，選用砷化鎵材料作為基板；而當活性層120的材料AlGaInN時，選用藍寶石(sapphire) 材料作為基板。活性層厚度為0.3~3μm是以有機金屬氣相磊晶法(MOVPE)或分子束磊晶法(Molecular Beam Epitaxy；MBE)製作而成。
本發明與先前技術最大的不同點是直接以金屬網210取代GaP、AlGaAs或ITO材質之透明層140，直接形成於活性層120上，在一較佳實施例中，一金屬層厚度約為數十奈米(nm)至數個微米直接形成於活性層120上，再形成一光阻圖案活性層120上。請參考圖2B及圖2C，光阻圖案分別為圖孔形200A或網狀形200B。光阻圖案200A及200B覆蓋率約為20%至30%，再進行蝕刻程序。蝕刻技術是採用離子轟擊(物理性)大面積的乾式蝕刻法蝕刻。再去光阻。當蝕刻結束後整個活性層120表面猶如被施以噴砂處理的表面，即活性層120是個粗糙化的表面，請參考圖2D裸露於金屬網210之活性層120呈現無數個奈米級或微米級凹坑125。
受離子蝕刻而受損的活性層粗糙化的表面正好形成無數個電流中心。而電流中心又正好是在網洞的中心點，因此，光線可以更順利出光，而不會被金屬網所遮住。
在另一實施例中，以具有網狀圖案的光罩為蝕刻遮罩，進行離子蝕刻以避免特定之位置例如，晶圓上每一LED晶片之周邊不被蝕刻，而LED晶片除周邊外，金屬層是網狀的，即呈金屬網。金屬網的幾何形狀可以是圓形孔徑或者方格網。孔徑大小，或網格大小可以在數個μm至數百個μm，與網線(Mesh line)寬度則以金屬網的總覆蓋面積為20-26%而計算。即約為數百個nm至數個μm之間。
金屬網的材質可以選用銅或銀。銀的導電率約為6.3x107 s/m，而銅，導電率約為5.85x107 s/m。比較ITO已知導電率約為104 s/m．因此，即使以上述的金屬網覆蓋面積為25%計算，金屬網210的透光率為75%(未覆蓋率)。而ITO雖然是均勻透光，但其透光率對紅光或藍光LED也僅80%而已。因此，本發明金屬網儘管透光率不如ITO等透光材料，但因導電率遠超過透明導體層。經由金屬網出去的光為正向光，因此，總體之出光功率將勝出。
本發明之優點：
1)本發明不需使用ITO透明導體氧化層，也不需使用GaP、GaAsP和AlGaAs等作為透光窗口層，因此，相較之下可以省去磊晶生長時間。
2)金屬網是以惰性氣體之電漿正向轟擊，金屬網蝕刻更為均勻。電流由金屬網直接均勻注入活性層，而不是藉由透明導體氧化層將電流擴散出去。因此，可以更均勻發光。
3)網目中心是粗糙面，而形成電流集中處，因此發光效率更佳。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，不應用於侷限本發明之可實施範圍，凡熟知此類技藝人士皆能明瞭，適當而作些微的改變及調整，仍將不失本發明之要義所在，亦不脫離本發明之精神和範圍，皆應屬本發明之範者。
10、100．．．基板
12．．．活性層
13、130．．．背電極
14、140．．．透明導體氧化層
15．．．透光層
16．．．金屬柵
210．．．上電極
120．．．活性層
200A、200B．．．光阻圖案
210．．．金屬網
125．．．凹坑
圖1A顯示習知發光二體結構，具有ITO透明導體氧化層。
圖1B顯示另一習知發光二體結構，具有GaP、GaAsP和AlGaAs等材質所做之透光層。
圖1C顯示再一習知發光二體結構，具有網狀電極形成於透光層上。
圖2A顯示，本發明金屬網作為上電極但不需要透光層之結構示意圖。
圖2B及圖2C分別顯示，本發明金屬網以圓形及格式幾何形狀光阻為罩幕的示意圖。
圖2D顯示金屬網格中心具有無數凹坑的示意圖。
100．．．基板
120．．．活性層
130．．．背電極
200A、200B．．．光阻圖案
210．．．上電極
210．．．金屬網

Claims (4)

  1. 一種發光二極體，至少包含：一基板；一活性層，形成於該基板之上表面，該活性層包含上包覆層、本質層及下包覆層；及一金屬網形成於該活性層上，其中該金屬網之覆蓋率約為20-25%，裸露之活性層設有被離子轟擊之凹坑於其中；一電極直接形成於該金屬網上。
  2. 如申請專利範圍第1項之發光二極體，其中上述之基板之另一表面設有一電極。
  3. 一種製造發光二極體元件之方法，至少包含以下步驟：提供一發光二極體之初型，該初型由下而上至少已包含一基板，一活性層，該活性層已包含下包覆層，中性層及上包覆層；形成一金屬層於該上包覆層上；形成一光阻圖案於該活性層上，其中，該光阻圖案之覆蓋率約為20-25%；進行惰性氣體離子電漿蝕刻，以該光阻圖案為罩幕，以形成一金屬網於該活性層上並且使裸露之活性層表面成粗糙面；及去除該光阻圖案。
  4. 如申請專利範圍第3項之方法，其中上述之離子蝕刻是以氬氣電漿物理轟擊。
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