CN101378097A - 发光二极管与其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种发光二极管与其制造方法。此发光二极管的制造方法至少包括：依序形成折射介电层、接合层、磊晶结构及第一电极于透明基板上，其中磊晶结构依序形成第一电性半导体层、主动层及第二电性半导体层；形成第二电极于第二电性半导体层的部分表面上，因而完成发光二极管。本实施的发光二极管可借由折射介电层来折射发光二极管内部的光线，因而可提升光取出率，进而增加发光效率。

Description

发光二极管与其制造方法

技术领域

本发明涉及一种发光二极管与其制造方法，特别是涉及一种可提升光取出率的发光二极管与其制造方法。

背景技术

发光二极管由一种具有同质结构(Homostructure)、单异质结构(SingleHeterostructure)、双异质结构(Double Heterostructure；DH)、或是多重量子井(Multiple Quantum Well；MQW)结构所堆叠而成的磊晶结构，其能自然放射出不同波长的光线的p-n接面二极管。由于发光二极管具有低耗电量、低发热量、操作寿命长、耐撞击、体积小、反应速度快、以及可发出稳定波长的色光等良好光电特性，因此常应用于家电、仪表的指示灯、光电产品的应用光源、以及光电通讯领域。

传统的发光二极管是在一个基板(Substrate)，一个n型下包覆层，一个主动层、以及一个p型上包覆层，借由电流通过主动层的磊晶结构而发光，并借由磊晶结构的各种不同组成来改变发光二极管发光波长。

通常，对发光二极管元件而言，发光亮度的高低主要取决于主动层的量子效率(Quantum Efficiency)和光取出效率(Light Extraction Efficiency)。主动层的量子效率愈高，则发光二极管的发光亮度随之提高，主动层的量子效率一般主要由磊晶的品质以及主动层的结构设计来增加其效率。另一方面，光取出效率愈高，发光二极管的发光亮度也会增加，光取出效率的改善主要致力于克服主动层所发出的光子中有大部分在发光二极管元件内部全反射而造成光损失的现象。

当传统的发光二极管的主动层产生的光朝下入射至例如砷化镓基板时，由于砷化镓基板的能隙较小，因而入射至砷化镓基板的光将会被吸收掉，而无法产生高效率的发光二极管。

目前，有些现有LED技术可用以避免基板的吸光问题，然而这些技术都有其缺点以及限制。例如Sugawara等人发表于[Appl.Phys Lett.Vol.61，1775-1777(1992)]便揭示了一种利用加入一层分散布拉格反射层(Distributed Bragg Reflector；DBR)于砷化镓基板上，借以反射入射向砷化镓基板的光，并减少砷化镓基板吸收，然而由于DBR反射层只对于较接近垂直入射于砷化镓基板的光能有效的反射，因此效果并不大。

又，例如Kish等人发表于[Appl.Phys Lett.Vol.64，No.21，2839，(1994)的文献，名称为“Very high-efficiency semiconductor wafer-bondedtransparent-substrate(AlxGal-x)0.5 In 0.5P/GaP”]教示一种粘接晶圆(Waferbonding)的透明式基板(Transparent-Substrate；TS)(AlxGal-x)0.5 In 0.5P/GaP发光二极管。这种TS AlGaInP LED是利用气相磊晶法(VPE)而形成厚度相当厚(约50μm)的P型磷化镓(GaP)窗户(Window)层，然后再以现有的化学蚀刻法选择性地移除N型砷化镓(GaAs)基板。随后将此曝露出的N型(AlxGal-x)0.5 In 0.5P下包覆层粘接至厚度约为8-10mil的n型磷化镓基板上。由于此晶圆粘接(Wafer Bonding)是将二种III-V族化合物半导体直接粘接在一起，因此要在较高温度，加热加压一段时间才能完成。就发光亮度而言，这种方式所获得的TS AlGaInP LED比传统的吸收式基板(Absorbing-Substrate；AS)AlGaInP LED大两倍以上。然而，这种TS AlGaInPLED的缺点就是制造过程太过繁杂，且通常会在接合界面具有一非欧姆接触的高电阻特性，因此，无法获得高生产良率且难以降低制造成本。

另一种传统技术，例如Horng等人发表于[Appl.Phys.Lett.Vol.75，No.20，3054(1999)文献，名称为“AlGaInP light-emitting diodes with mirror substratesfabricated by wafer bonding”]。Horng等人教示一种利用晶片融合技术以形成镜面基板(Mirror-Substrate；MS)磷化铝镓铟/金属/二氧化硅/硅LED。其使用AuBe/Au作为粘着材料借以接合硅基板与LED磊晶层。然而，在20mA操作电流下，这种MS AlGaInP LED的发光强度仅约为90mcd，仍然比TSAlGaInP LED的发光强度少至少百分的四十，所以其发光强度无法令人满意。

由此可见，上述现有的发光二极管与其制造方法在结构与使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。为了解决上述存在的问题，相关厂商莫不费尽心思来谋求解决之道，但长久以来一直未见适用的设计被发展完成，而一般产品又没有适切的结构能够解决上述问题，此显然是相关业者急欲解决的问题。因此如何能创设一种新的发光二极管与其制造方法，实属当前重要研发课题之一，亦成为当前业界极需改进的目标。

有鉴于上述现有的发光二极管与其制造方法存在的缺陷，本发明人基于从事此类产品设计制造多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以期创设一种新的发光二极管与其制造方法，能够改进一般现有的发光二极管与其制造方法，使其更具有实用性。经过不断的研究、设计，并经过反复试作样品及改进后，终于创设出确具实用价值的本发明。

发明内容

本发明的主要目的在于，克服现有的发光二极管与其制造方法存在的缺陷，而提供一种新的发光二极管与其制造方法，所要解决的技术问题是使其提升发光二极管的光取出率，增进发光效率，从而更加适于实用。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。本发明提出的一种发光二极管，其至少包括:一透明基板；一折射介电层，设于该透明基板上；一接合层，设于该折射介电层上；一磊晶结构，设于该接合层上，其中该磊晶结构至少包括:一第二电性半导体层，设于该接合层上，并暴露出一部分表面；一主动层，设于该第二电性半导体层上；及一第一电性半导体层，设于该主动层上，其中该第二电性半导体层的电性相反于该第一电性半导体层；一第二电极，设于该第二电性半导体层的该部分表面上；以及一第一电极，设于该第一电性半导体层上。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的发光二极管，其中所述的折射介电层具有一图案化结构。

前述的发光二极管，其中所述的折射介电层由多个介电层所堆叠组成，且这些介电层的折射率相同。

前述的发光二极管，其中所述的折射介电层由多个介电层所堆叠组成，且这些介电层的折射率不相同。

前述的发光二极管，其中所述的折射介电层的折射率介于1至3之间。

本发明的目的及解决其技术问题还采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的一种发光二极管的制造方法，其至少包括:提供一成长基板；形成一磊晶结构于该成长基材上，其中该磊晶结构依序形成一第一电性半导体层、一主动层及一第二电性半导体层，且该第二电性半导体层的电性相反于该第一电性半导体层；提供一透明基板；形成一折射介电层于该透明基板上；形成一接合层于该折射介电层上；贴合该磊晶结构于该接合层上；移除该成长基材；移除部分该第一电性半导体层和部分该主动层，以暴露出该第二电性半导体层的部分表面；形成一第二电极于该第二电性半导体层的部分表面上；以及形成一第一电极于该第一电性半导体层的表面上。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的发光二极管的制造方法，其中所述的形成折射介电层的步骤还至少包括:

图案化该折射介电层，借以使该折射介电层具有一图案化结构。

前述的发光二极管的制造方法，其中所述的图案化折射介电层的步骤中该折射介电层借由一蚀刻步骤来进行图案化。

前述的发光二极管的制造方法，其中所述的图案化该折射介电层的步骤中折射介电层借由一图案化光罩来进行沉积步骤，以形成该图案化结构。

前述的发光二极管的制造方法，其中所述的形成折射介电层的步骤还至少包括:

堆叠形成多个介电层，借以形成该折射介电层。

借由上述技术方案，本发明发光二极管与其制造方法至少具有下列优点:本发明相较于现有发光二极管的透明基板的透光率不足，以及金属反射材料在长时间或大功率操作后的反射率降低问题，本实施的发光二极管可借由折射介电层来折射发光二极管内部的光线，因而可提升光取出率，进而增加发光效率。

本发明具有上述诸多优点及实用价值，其不论在产品或功能上皆有较大的改进，在技术上有显著的进步，并产生了好用及实用的效果，且较现有的发光二极管与其制造方法具有增进的突出功效，从而更加适于实用，并具有产业的广泛利用价值，诚为一新颖、进步、实用的新设计。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1A至图1F是本发明的第一实施例的发光二极管的制造过程的剖面图。

图2是本发明的第二实施例的发光二极管的剖面图。

图3是本发明的第三实施例的发光二极管的剖面图。

图4是本发明的第四实施例的发光二极管的剖面图。

图5A和图5B是本发明的第五实施例的发光二极管的制造过程的剖面图。

100:发光二极管               110:成长基材

120:磊晶结构                 121:第一电性半导体层

122:主动层                   123:第二电性半导体层

123a:部分表面                124:第二电性接触层

125:第一电性接触层           130:接合层

140、140a、140b、140c:折射介电层

141:介电层                   150:透明基板

160:第一电极                 170:第二电极

180:绝缘保护层               190:蚀刻终止层

具体实施方式

为了更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的发光二极管与其制造方法其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

请参照图1A至图1F，其是本发明第一实施例的发光二极管的制造过程的剖面图。本实施例的发光二极管100至少包括有磊晶结构120、接合层130、折射介电层140、透明基板150、第一电极160、第二电极170及绝缘保护层180。上述折射介电层140、接合层130及磊晶结构120依序地堆叠于透明基板150上，其中上述磊晶结构120具有第一电性半导体层121、主动层122、第二电性半导体层123、第二电性接触层124及第一电性接触层125，且第二电性半导体层123暴露出一部分表面123a。第一电极160形成第一电性接触层125上，而第二电极170形成于第二电性半导体层123的部分表面123a，因而形成横向导通型结构。

请参照图1A，首先，提供成长基材110。此成长基材110例如为:砷化镓(GaAs)、硅、碳化硅(SiC)、氮化铝(AlN)基板、蓝宝石、磷化铟或磷化镓。

接着，形成磊晶结构120于成长基材110之上，磊晶结构120借由一磊晶工艺所形成，例如有机金属气相沉积磊晶法(MOCVD)、液相磊晶法(LPE)或分子束磊晶法(MBE)等磊晶工艺。此磊晶结构120具有第一电性半导体层121、主动层122、第二电性半导体层123及第二电性接触层124，来依序沉积于成长基材110之上，其中第一电性半导体层121的电性不同于第二电性半导体层123。本实施例的第一电性和第二电性为不同电性。当第一电性为N型时，第二电性为P型；而当第一电性为P型时，第二电性则为N型。在本实施例中，第一电性半导体层121的材料例如为N型磷化铝镓铟(AlGaInP)，主动层122例如由磷化铝镓铟材质所形成的多重量子井结构，第二电性半导体层123的材料例如为P型磷化铝镓铟(AlGaInP)，第二电性接触层124的材料可例如为氧化铟锡(Indium Tin Oxide)、氧化铟(IndiumOxide)、氧化锡(Tin Oxide)、氧化镉锡(Cadmium Tin Oxide)、氧化锌(Zincoxide)、氧化镁(Magnesium oxide)或氮化钛(Titanium Nitride)等具有导电性及透光性的材料。另外，本实施例的磊晶结构120可例如是由:同质结构、单异质结构、双异质结构、多重量子井结构或上述任意组合所堆叠而成。

请参照图1B，接着，提供透明基板150。本实施例的透明基板150以透明材料所制成，例如可为:氧化铝(Al₂O₃)、硒化锌(ZnSe)、氧化锌(ZeO)、磷化镓(GaP)或玻璃等。

请参照图1C，接着，形成折射介电层140于透明基板150之上。折射介电层140以具有高折射率的介电材料所形成，例如:氧化硅(SiO_x)、氮化硅(SiN_x)、氧化钛(TiO_x)或氧化铝(AlO_x)，用以折射发光二极管100内部的光线，借以增加光取出率，而提升发光效率。其中，折射介电层140的折射率例如实质介于1至3之间。

接着，利用例如涂布(Coating)、沉积、或蒸镀(Evaporation)等方式来形成接合层130于折射介电层140上。接合层130的材料可例如为:银胶、自发性导电高分子或高分子中掺杂导电材质、铝、金、铂、锌、银、镍、锗、铟、锡、钛、铅、铜、钯或其合金，用以接合磊晶结构120和折射介电层140，以进行一基板转移(Substrate Transferring)动作。

请参照图1D，接着，贴合磊晶结构120于接合层130上。透明基板150例如可利用晶片接合技术(Wafer Bonding)来进行贴合。

请参照图1E，接着，移除成长基材110，因而裸露出磊晶结构120的第一电性半导体层121的表面。成长基材110例如借由激光剥离技术、蚀刻工艺或化学机械研磨工艺来被移除。

请参照图1F，接着，形成第一电性接触层125于磊晶结构120的第一电性半导体层121上。第一电性接触层125的材料可例如为:氧化铟锡(Indium Tin Oxide)、氧化铟(Indium Oxide)、氧化锡(Tin Oxide)、氧化镉锡(Cadmium Tin Oxide)、氧化锌(Zinc oxide)、氧化镁(Magnesium oxide)或氮化钛(Titanium Nitride)等具有导电性及透光性的材料。

接着，利用干式蚀刻、湿式蚀刻或机械切割研磨来移除部分第一电性半导体层121和部分主动层122，以暴露出第二电性半导体层123的部分表面123a。接着，利用热蒸镀(Thermal Evaporation)、电子束蒸镀(E-beam)或离子溅镀(Sputtering)等方法来形成第一电极160于第一电性接触层125上，并形成第二电极170于第二电性半导体层123的部分表面123a上，以形成横向导通型结构。接着，形成绝缘保护层180于第一电性接触层125和第二电性半导体层123所未覆盖的表面上，以封装保护元件，绝缘保护层180的材料例如可为:含硅的氧化物、氮化物或高介电有机材料，因而完成本实施例的发光二极管100。其中第一电极160的材料可例如为:In、Al、Ti、Au、W、InSn、TiN、WSi、PtIn₂、Nd/Al、Ni/Si、Pd/Al、Ta/Al、Ti/Ag、Ta/Ag、Ti/Al、Ti/Au、Ti/TiN、Zr/ZrN、Au/Ge/Ni、Cr/Ni/Au、Ni/Cr/Au、Ti/Pd/Au、Ti/Pt/Au、Ti/Al/Ni/Au、Au/Si/Ti/Au/Si、Au/Ni/Ti/Si/Ti或其合金材料。而第二电极170的材料可例如为:Ni/Au、NiO/Au、Pd/Ag/Au/Ti/Au、Pt/Ru、Ti/Pt/Au、Pd/Ni、Ni/Pd/Au、Pt/Ni/Au、Ru/Au、Nb/Au、Co/Au、Pt/Ni/Au、Ni/Pt、NiIn、Pt₃In₇或其合金材料。

由光学模拟后可得知，本实施例的发光二极管100相较于现有的发光二极管，在轴向(0度)或侧向(0度～90度)上的光取出率均有大幅地提升。因此，本实施例的发光二极管100可借由具有高折射率的折射介电层140来折射发光二极管100内部的光线，因而提升发光二极管100的光取出率，以增加发光二极管100的发光效率。

请参照图2，其是本发明的第二实施例的发光二极管的剖面示意图。以下仅就本实施例与第一实施例的相异处进行说明，关于相似处在此不再赘述。相较于第一实施例，第二实施例的发光二极管100的折射介电层140a具有图案化结构，借以进一步提升折射介电层140a的折射效果。折射介电层140a的图案化结构例如为多个锥形结构，并暴露出部分透明基板150的表面。折射介电层140a的图案化结构例如可在形成折射介电层140a后，进行蚀刻步骤(干蚀刻或湿蚀刻)，以图案化折射介电层140a，或者为直接借由图案化光罩(未绘示)来沉积具有图案化结构的折射介电层140a。因此，第二实施例的发光二极管100可借由折射介电层140a的图案化结构来进一步提升光取出率，增加发光效率。

请参照图3，其绘示依照本发明的第三实施例的发光二极管的剖面示意图。以下仅就本实施例与第一实施例的相异处进行说明，关于相似处在此不再赘述。相较于第一实施例，第三实施例的发光二极管100的折射介电层140b由多个介电层141所堆叠组成，借以进一步提升折射介电层140b的折射效果。其中此些介电层141的折射率可实质相同或实质不相同。因此，第三实施例的发光二极管100可借由折射介电层140b来进一步提升光取出率，增加发光效率。

请参照图4，其绘示依照本发明的第四实施例的发光二极管的剖面示意图。以下仅就本实施例与第一实施例和第二实施例的相异处进行说明，关于相似处在此不再赘述。相较于第一实施例和第二实施例，第四实施例的发光二极管100的折射介电层140c由多个介电层141c所堆叠组成，且具有图案化结构，借以进一步提升折射介电层140c的折射效果。折射介电层140c的图案化结构例如为多个平台形(Mesa)结构，并可暴露出部分透明基板150的表面。因此，第四实施例的发光二极管100可借由折射介电层140c的多层图案化结构来进一步提升光取出率，增加发光效率。

请参照图5A和图5B，其绘示依照本发明第五实施例的发光二极管的制造过程的剖面图。相较于第一实施例，第五实施例是先形成一蚀刻终止层190于成长基材180之上，蚀刻终止层190可采用蚀刻速率与成长基材180的蚀刻速率不同的材料，例如:n型磷化铝镓铟。接着，再形成磊晶结构120于此蚀刻终止层190之上。然后，进行一蚀刻步骤来依序移除成长基材180和蚀刻终止层190，由于蚀刻终止层190形成于成长基材180和磊晶结构120之间，因而可避免过度蚀刻(Over Etch)而对磊晶结构120造成影响。

由上述本发明的实施例可知，相较于现有发光二极管的透明基板的透光率不足，以及金属反射材料在长时间或大功率操作后的反射率降低问题，本实施的发光二极管可借由折射介电层来折射发光二极管内部的光线，因而可提升光取出率，进而增加发光效率。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种发光二极管，其特征在于至少包括:

一透明基板；

一折射介电层，设于该透明基板上；

一接合层，设于该折射介电层上；

一磊晶结构，设于该接合层上，其中该磊晶结构至少包括:

一第二电性半导体层，设于该接合层上，并暴露出一部分表面；

一主动层，设于该第二电性半导体层上；及

一第一电性半导体层，设于该主动层上，其中该第二电性半导体层的电性相反于该第一电性半导体层；

一第二电极，设于该第二电性半导体层的该部分表面上；以及

一第一电极，设于该第一电性半导体层上。

2.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于其中所述的折射介电层具有一图案化结构。

3.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于其中所述的折射介电层由多个介电层所堆叠组成，且这些介电层的折射率相同。

4.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于其中所述的折射介电层由多个介电层所堆叠组成，且这些介电层的折射率不相同。

5.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于其中所述的折射介电层的折射率介于1至3之间。

6.一种发光二极管的制造方法，其特征在于至少包括:

提供一成长基板；

形成一磊晶结构于该成长基材上，其中该磊晶结构依序形成一第一电性半导体层、一主动层及一第二电性半导体层，且该第二电性半导体层的电性相反于该第一电性半导体层；

提供一透明基板；

形成一折射介电层于该透明基板上；

形成一接合层于该折射介电层上；

贴合该磊晶结构于该接合层上；

移除该成长基材；

移除部分该第一电性半导体层和部分该主动层，以暴露出该第二电性半导体层的部分表面；

形成一第二电极于该第二电性半导体层的部分表面上；以及

形成一第一电极于该第一电性半导体层的表面上。

7.根据权利要求6所述的发光二极管的制造方法，其特征在于其中所述的形成折射介电层的步骤还至少包括:

图案化该折射介电层，借以使该折射介电层具有一图案化结构。

8.根据权利要求7所述的发光二极管的制造方法，其特征在于其中所述的图案化折射介电层的步骤中该折射介电层借由一蚀刻步骤来进行图案化。

9.根据权利要求7所述的发光二极管的制造方法，其特征在于其中所述的图案化该折射介电层的步骤中折射介电层借由一图案化光罩来进行沉积步骤，以形成该图案化结构。

10.根据权利要求6所述的发光二极管的制造方法，其特征在于其中所述的形成折射介电层的步骤还至少包括:

堆叠形成多个介电层，借以形成该折射介电层。

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