TWI495147B - 發光二極體及其製造方法 - Google Patents

Description

發光二極體及其製造方法

本發明涉及一種發光二極體及其製造方法。

在習知技術中，發光二極體一般包括基板、成長在所述基板上的氮化鎵(GaN)緩衝層、成長在所述氮化鎵(GaN)緩衝層上的的半導體發光結構。上述發光二極體的結構容易產生以下問題：所述發光結構朝向基板一側發出的光線進入基板後，被限制在基板內直到能量消耗殆盡，從而造成光損失，影響發光二極體的光取出效率。

有鑒於此，有必要提供一種具有較高光取出效率的發光二極體及其製造方法。

一種發光二極體，包括基板、緩衝層、半導體層及半導體發光結構，緩衝層位於基板之上，半導體層位於緩衝層之上，半導體發光結構位於半導體層上，所述半導體層內掩埋複數空隙。

與習知技術相比，本發明的發光二極體的半導體層內部掩埋空隙，空隙可以反射半導體發光結構朝向基板一側發出的光線，從而提高光取出效率。

一種發光二極體製造方法，其包括以下步驟：提供基板；於基板 上形成陣列分佈的複數柱體；高溫下重新生長所述陣列分佈的複數柱體以形成內部掩埋複數空隙的半導體層；於所述半導體層上形成一半導體發光結構。

下面參照附圖，結合具體實施例對本發明作進一步的描述。

10‧‧‧發光二極體

100‧‧‧基板

200‧‧‧緩衝層

201‧‧‧露出部分

202‧‧‧沒有露出部分

300、400‧‧‧半導體層

301‧‧‧柱體

302‧‧‧間隙

411‧‧‧介面

413、4130、4131‧‧‧空隙

500‧‧‧半導體發光結構

510‧‧‧n型半導體層

520‧‧‧發光層

530‧‧‧p型半導體層

601‧‧‧露出部分

602‧‧‧沒有露出部分

700‧‧‧金屬層

701‧‧‧金屬光罩

702‧‧‧孔洞

703‧‧‧金屬顆粒

圖1為本發明實施方式中的發光二極體的剖面示意圖。

圖2為本發明的一較佳實施方式中在基板上形成緩衝層、半導體層及金屬層後的剖面示意圖。

圖3為圖2中形成金屬光罩後的剖面示意圖。

圖4為圖3中蝕刻半導體層後的剖面示意圖。

圖5為圖4中去除金屬光罩後的剖面示意圖。

圖6為圖5的半導體層在電子顯微鏡下的俯視圖。

圖7為圖5的半導體層在電子顯微鏡下的縱向剖視立體圖。

下面將結合附圖，對本發明作進一步的詳細說明。

請參閱圖1，本發明實施方式提供的發光二極體10包括一基板100、一成長在所述基板100上的緩衝層200、一成長在所述緩衝層200上的具有複數空隙(air-void)413的半導體層400、一成長在所述半導體層400上的半導體發光結構500。

所述基板100的材料可以為藍寶石、碳化矽、矽等材料構成。在本實施方式中所述基板100的材料為藍寶石。

緩衝層200的材料可以為氮化物，例如GaN、AlN、InN、MgxNy/GaN、SixNy/GaN、InxGal-xN/InyGal-yN及InxAlyGal-x-yN的任意一項組合，緩衝層200的厚度優選為20nm-30nm。

半導體層400沒有摻雜雜質，半導體層400的材料可以為GaN、AlN、InN及InxAlyGal-x-yN的任意一項組合。半導體層400朝向發光結構500具有一介面411。複數空隙413呈彌散狀掩埋於半導體層400內。該複數空隙413中至少一部分在基板100上的投影重疊。進一步而言，該複數空隙413中的一部分空隙4130比其他空隙4131靠近於所述半導體發光結構500，該一部分空隙4130與其他空隙4131錯落分佈。所述半導體發光結構500射向基板100的部分光線被空隙4130反射，然，相鄰空隙4130之間不存在全反射結構，其他光線射過相鄰空隙4130之間且繼續射向基板100該複數4131起到補充反射的作用，空隙4131進一步反射射過相鄰空隙4130之間的光線。

所述半導體發光結構500包括形成在所述半導體層400的介面411上的n型半導體層510、形成在所述n型半導體層510上的發光層520以及形成在所述發光層520上的p型半導體層530。n型半導體層510、發光層520及p型半導體層530的材料為氮化物，所述發光層520可以為單異質結構、雙異質結構、單量子阱結構或是多重量子阱結構。

請一併參閱圖2-圖7，本發明實施方式提供的一種發光二極體的製造方法包括以下幾個步驟：提供一基板100。

於基板100上形成一緩衝層200，緩衝層200的生長溫度大約為450攝氏度-800攝氏度，緩衝層200的厚度優選為20nm-30nm。

於緩衝層200上形成一半導體層300，該半導體層300的生長溫度為450攝氏度-1000攝氏度，其生長優選溫度為700攝氏度-800攝氏度，半導體層300的厚度優選為150nm-250nm。

於該半導體層300上形成一金屬層700，該金屬層700的材料可以為鎳、鉑、金或者鉻，金屬層700的厚度為10nm-500nm，優選為50nm-100nm。

將該金屬層700高溫熱處理以形成金屬光罩701(metal hard mask)，金屬光罩701上具有使得部分半導體層300露出的複數孔洞702。具體而言，將上述步驟的產物在氮氣環境下高溫熱處理，溫度為500攝氏度-1000攝氏度，熱處理時間為2-10分鐘。進一步而言，高溫熱處理的溫度優選為800攝氏度-1000攝氏度，高溫處理的時間優選為7-10分鐘。金屬層700在高溫熱處理過程中由於內聚效應形成金屬光罩701，該金屬光罩701包括複數陣列排布的金屬顆粒703(self-assembled nanocluster)，相鄰金屬顆粒703間隔形成孔洞702，金屬顆粒703的直徑可以為50nm-100nm，孔洞702的直徑可以為50nm-100nm，半導體層300的露出部分601藉由孔洞702與外界接觸，半導體層300的沒有露出部分602被金屬顆粒703覆蓋。

蝕刻半導體層300。金屬光罩701的金屬顆粒703覆蓋半導體層300的沒有露出部分602，故半導體層300的沒有露出部分602不被蝕刻；半導體層300的露出部分601沿金屬光罩701的孔洞702方向被蝕刻，從而半導體層300僅留下被金屬顆粒703覆蓋的沒有露出部 分602以形成分佈於緩衝層200上的柱體301，即半導體層300被有選擇性蝕刻成陣列分佈的複數柱體301，相鄰柱體301相互間隔形成間隙302(請一併參閱圖6-圖7)，間隙302的密度與金屬顆粒703分佈在半導體層300上的密度相關。柱體301的頂端被金屬光罩701披覆。在本實施方式中，半導體層300的露出部分601被蝕刻至緩衝層200，使得部分的緩衝層200露出，緩衝層200的露出部分201藉由該複數間隙302與外界接觸，緩衝層200的沒有露出部分202被柱體301披覆。在其他實施方式中，半導體層300的露出部分601沿孔洞702方向亦可僅被部分蝕刻，而不被蝕刻至緩衝層200。上述實施方式均使得半導體層300被有選擇性蝕刻成陣列分佈的複數柱體301。蝕刻的方法可以採用濕式蝕刻或者幹式蝕刻。

去除金屬光罩701，使得半導體層300的柱體301的頂端與外界接觸。

高溫下重新生長半導體層300從而得到掩埋空隙413的半導體層400，重新生長的溫度優選為1000攝氏度以上。具體而言，將半導體層300放入金屬有機化學氣相沉積反應器中，在高溫環境下半導體層300再次生長並再結晶(recrystalizing)，半導體層300的外側相對其內部較早接觸反應氣體，半導體層300的外側的反應速度相對較快，在間隙302內的空氣被完全排出之前，半導體層300的外側已經閉合使得半導體層300內部與外界隔離，且半導體層300的頂端閉合形成介面411，從而間隙302內的空氣不能被完全排出，最終殘留在半導體層半導體的空氣即為空隙413，空隙413最終呈彌漫狀(不規則地)分佈於半導體層400中。

於半導體層400的介面411上形成一半導體發光結構500，其採用金屬有機化合物化學氣相沉積(MOCVD)或者分子束外延生長(MBE)制程工藝。

半導體層400內部掩埋空隙413，基於全反射原理，所述發光層520朝向緩衝層200發出的一部分光線在半導體層400被空隙413反射至所述發光二極體10的出光側，減少射向緩衝層200以及基板100的光線，從而提升了所述發光二極體10的光取出效率。進一步而言，本發明採用金屬熱處理工藝形成金屬光罩701，完全不同於習知的半導體黃光微影制程，並且本發明的金屬光罩701的孔洞702相對較小，使得最終形成的空隙413相對較密，進一步提高光取出效率。

更進一步而言，空隙413呈三維立體態分佈於半導體層400內，即使半導體發光結構500射向基板100的部分光線射過相鄰空隙4130之間，位於空隙4130下方的空隙4131進一步反射射過相鄰空隙4130之間的光線，起到補充反射作用，更進一步提高光取出效率。

另，由於半導體層400經過高溫重新生長，所以半導體層400具有較佳的晶格品質，從而生長在介面411上的半導體發光結構500亦具有較佳的晶格品質。

上述發光二極體的製造方法中採用有機化學氣相沉積(MOCVD)和蝕刻的方法獲得陣列分佈的複數柱體301，亦可以採用分子束磊晶(MBE)的方法直接在基板100上形成陣列分佈的複數柱體301，而無需形成金屬光罩701、蝕刻半導體層300和去除金屬光罩701的步驟，具體可參閱E.Calleja等人在文獻Physical Review B, Vol.62,Np.24(2000年12月)中發表的“Luminescence Properties and Defects in GaN Nanocolumns Grown by Molecular Beam Epitaxy”一文。後續的高溫下重新生長及形成半導體發光結構500的步驟如前所述，在此不予贅述。

綜上所述，本發明符合發明專利要件，爰依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，舉凡熟悉本案技藝之人士，在爰依本發明精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下之申請專利範圍內。

10‧‧‧發光二極體

100‧‧‧基板

200‧‧‧緩衝層

400‧‧‧半導體層

411‧‧‧介面

413、4130、4131‧‧‧空隙

500‧‧‧半導體發光結構

510‧‧‧n型半導體層

520‧‧‧發光層

530‧‧‧p型半導體層

Claims (20)

1. 一種發光二極體，包括基板、緩衝層、半導體層及半導體發光結構，緩衝層位於基板之上，半導體層位於緩衝層之上，半導體發光結構位於半導體層上，其改良在於：所述半導體層內掩埋複數空隙，所述複數空隙中的一部分空隙比其他空隙靠近於所述半導體發光結構，所述一部分空隙與所述其他空隙錯落分佈。
2. 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體，其中所述複數空隙呈彌散狀分佈於所述半導體層內。
3. 如申請專利範圍第1至第2項中任意一項所述的發光二極體，其中所述複數空隙中至少一部分在基板上的投影重疊。
4. 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體，其中所述半導體發光結構射向基板的部分光線被所述一部分空隙反射，所述其他空隙反射射過相鄰的所述一部分空隙之間的光線。
5. 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體，其中所述半導體層沒有摻雜雜質。
6. 一種發光二極體製造方法，其包括以下步驟：提供基板；於基板上形成陣列分佈的複數柱體；高溫下重新生長所述陣列分佈的複數柱體以形成內部掩埋複數空隙的半導體層，所述複數空隙中的一部分空隙比其他空隙靠近於所述半導體發光結構，所述一部分空隙與所述其他空隙錯落分佈；於所述半導體層上形成一半導體發光結構。
7. 如申請專利範圍第6所述的發光二極體製造方法，其中於基板上形成陣列 分佈的複數柱體包括以下步驟：於基板上形成一緩衝層；於緩衝層上形成另一半導體層；於所述另一半導體層上形成金屬層；將該金屬層高溫熱處理以形成金屬光罩；蝕刻所述另一半導體層以形成陣列分佈的複數柱體；去除金屬光罩。
8. 如申請專利範圍第6項所述的發光二極體製造方法，其中高溫下重新生長後的所述半導體層的外側閉合使得所述半導體層內部與外界隔離。
9. 如申請專利範圍第8項所述的發光二極體製造方法，其中高溫下重新生長後的所述半導體層的頂端閉合形成一介面。
10. 如申請專利範圍第6項所述的發光二極體製造方法，其中所述複數空隙彌散分佈於高溫下重新生長後的所述半導體層內。
11. 如申請專利範圍第10項中所述的發光二極體製造方法，其中所述複數空隙中至少一部分在基板上的投影重疊。
12. 如申請專利範圍第10項中所述的發光二極體製造方法，其中所述複數空隙中的一部分空隙比其他空隙靠近於所述半導體發光結構，所述一部分空隙與所述其他空隙錯落分佈。
13. 如申請專利範圍第6項所述的發光二極體製造方法，其中高溫下重新生長所述陣列分佈的複數柱體的溫度大於1000攝氏度。
14. 如申請專利範圍第6項所述的發光二極體製造方法，其中於緩衝層上形成所述另一半導體層的溫度為450攝氏度-1000攝氏度。
15. 如申請專利範圍第14項所述的發光二極體製造方法，其中於緩衝層上形成所述另一半導體層的溫度為700攝氏度-800攝氏度。
16. 如申請專利範圍第6項所述的發光二極體製造方法，其中所述半導體層的 厚度為150nm-250nm。
17. 如申請專利範圍第7項所述的發光二極體製造方法，其中所述金屬光罩包括複數陣列排布的金屬顆粒，相鄰金屬顆粒間隔形成孔洞。
18. 如申請專利範圍第17項所述的發光二極體製造方法，其中所述金屬顆粒的直徑介於50nm-100nm之間，所述孔洞的直徑介於50nm-100nm之間。
19. 如申請專利範圍第6項所述的發光二極體製造方法，其中採用分子束磊晶的方法直接於基板上形成陣列分佈的複數柱體。
20. 一種發光二極體，包括基板、緩衝層、半導體層及半導體發光結構，緩衝層位於基板之上，半導體層位於緩衝層之上，半導體發光結構位於半導體層上，其改良在於：所述半導體層內掩埋複數空隙，所述空隙由申請專利範圍第6項至第19項中任意一項所述的方法製成。