TWI419355B - 高光取出率的發光二極體晶片及其製造方法 - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種晶片，特別是指一種高光取出率的發光二極體晶片。
參閱第一圖，目前的發光二極體晶片1包含一塊基材11、一層連接在該基材11上的磊晶膜12，及一組包括相配合提供電能的n型電極131、p型電極132的電極單元13。
該層磊晶膜12以氮化鎵系列半導體材料為例，具有一層與該基材11連接並經過摻雜呈n型(n－type)的第一披覆層121、一層形成在該第一披覆層121上的活性層122(active layer)，及一層形成在該活性層122上並經過摻雜呈p型(p－type)的第二披覆層123，該第一、二披覆層121、123相對該活性層122形成載子能障而可在對該磊晶膜12提供電能時以電子－電洞複合，釋放能量進而轉換成光能。
該電極單元13的n型電極131、p型電極132是以例如金、鎳、白金、銀、鋁等金屬及/或其合金構成，其中，n型電極131設置在該磊晶膜12的第一披覆層121上並與其形成歐姆接觸；p型電極132則設置於第二披覆層123頂面上並與第二披覆層123相歐姆接觸，而可相配合地對該磊晶膜12提供電能。
當自該n型電極131、p型電極132施加電能時，電流分散流通過該磊晶膜12，分別注入電子、電洞於活性層122，而使該磊晶膜12以電子－電洞複合，釋放能量轉換成光能，而向外發光。
由於氮化鎵系半導體材料的折射率大約是2.6，外界，一般是指空氣(折射率是1)，或是封裝用的透明膠體(折射率是1.4)，且此等發光二極體晶片1的磊晶膜12的頂面124(即第二披覆層123的上表面)是一平面，因此，磊晶膜12通電後所產生的光，部分因為在磊晶膜12中的行進角度關係而欲穿經此頂面124向外射出時，會受限於司乃耳定律(Snell’s Law)的物理條件限制而無法離開磊晶膜12進入外界中，所以光取出效率並不理想。
參閱第二圖，因此，有極多的文獻、專利技術，提出將發光二極體晶片1’的頂面124’予以粗化，將原本的平面形成對光的行進而言是具有各種不同的法線夾角的粗糙面，藉此提高磊晶膜12’產生的光可進入外界的量，進而提昇光取出效率。
此等方式確實可以因為改善光行進的限制而大幅提昇光取出率，進而改善發光二極體晶片1’的發光亮度；但是由於磊晶膜12’產生的光並不全然是向頂面124’方向行進，對於朝向基材11’方向行進的光，則類似地同樣無法離開磊晶膜12’進入外界，而使得出光效率下降。
雖然，也有文獻提出將基材11’形成一層與該磊晶膜12’連接並可以反射光的反射鏡的結構，希望能將朝向基材11’方向行進的光反射後再朝向頂面124’射出，進而有效提昇磊晶膜12’產生的光可進入外界的量；但是由於磊晶膜12’產生並朝向基材11’行進的光會受限在該磊晶膜12’中，是因為行進時的角度而再度被全反射回磊晶膜，甚至再度被活性層吸收，所以即便基材11’形成有反射鏡的結構態樣，也並無實質提昇光取出效率的功效。
所以，目前的發光二極體晶片1、1’仍需研發改善，以提昇光取出效率，進而提昇發光亮度。
因此，本發明之一目的，即在提供一種高光取出率的發光二極體晶片。
此外，本發明之另一目的，即在提供一種高光取出率的發光二極體晶片的製造方法。
於是，本發明一種高光取出率的發光二極體晶片，包含一層基材、一層具有預定厚度的透明折射層、一層磊晶膜，及一組電極單元。
該層透明折射層具有預定厚度且折射係數大於空氣並小於該層磊晶膜。
該層磊晶膜可以電子－電洞複合，釋放能量轉換成光能，並具有一與該透明折射層連接的底面，及一相反於該底面的頂面，且該底面與頂面是經過粗化而具有100nm以上的粗糙度。
該組電極單元具有相分離地設置在該磊晶膜上並與該磊晶膜相歐姆接觸而可對該磊晶膜提供電能的電極。
再者，本發明一種高光取出率的發光二極體晶片的製造方法，包含一個磊晶步驟、一個第一粗化步驟、一個電極形成步驟、一個磊晶基板移除步驟、一個第二粗化步驟、一個基材黏著步驟，及一個暫時基板移除步驟。
該磊晶步驟是在一塊可磊晶成長氮化鎵系列半導體材料的磊晶基板上，向上磊晶成長一層包括有呈n型的第一披覆層、活性層與呈p型的第二披覆層的磊晶膜。
該第一粗化步驟是粗化該磊晶膜的第二披覆層的上表面至100 nm以上的粗糙度。
該電極形成步驟是在該第二披覆層粗化後的上表面上形成一塊與該第二披覆層歐姆接觸的電極。
該磊晶基板移除步驟是將一塊暫時基板可分離地相對固定在該形成有該電極的第二披覆層上，並移除該塊磊晶基板而使該磊晶膜的第一披覆層的下表面裸露。
該第二粗化步驟是粗化該裸露的第一披覆層下表面至100 nm以上的粗糙度。
該基材黏著步驟使用一具有預定折射率且相對該磊晶膜所發出的光為透明的黏膠將一塊基材與該粗化後的第一披覆層下表面相黏結。
該暫時基板移除步驟是將該暫時基板移除，並製得該高光取出率的發光二極體晶片。
另外，本發明一種高光取出率的發光二極體晶片的製造方法，包含一個磊晶步驟、一個第一粗化步驟、一個電極形成步驟、一個磊晶基板移除步驟、一個第二粗化步驟、一個透明折射層形成步驟、一個基材形成步驟，及一個暫時基板移除步驟。
該磊晶步驟在一塊可磊晶成長氮化鎵系列半導體材料的磊晶基板上，向上磊晶成長一層以光電效應產生光並包括有呈n型的第一披覆層、活性層與呈p型的第二披覆層的磊晶膜。
該第一粗化步驟粗化該磊晶膜的第二披覆層的上表面至100 nm以上的粗糙度。
該電極形成步驟在該第二披覆層粗化後的上表面上形成一塊與該第二披覆層歐姆接觸的電極。
該磊晶基板移除步驟將一塊暫時基板可分離地相對固定在該形成有該電極的第二披覆層上，並移除該塊磊晶基板而使該磊晶膜的第一披覆層的下表面裸露。
該第二粗化步驟粗化該裸露的第一披覆層下表面至100 nm以上粗糙度。
該透明折射層形成步驟使用相對該磊晶膜所發出的光為透明且折射率大於空氣但小於該磊晶膜的材料，形成一層厚度不大於5μm並與該第一披覆層連接的透明折射層。
該基材形成步驟，使用具有高熱傳導係數的材料形成一塊與該透明折射層連接的基材。
該暫時基板移除步驟將該暫時基板移除，並於該第一披覆層上形成一塊與第一披覆層相歐姆接觸的電極，製得該高光取出率的發光二極體晶片。
本發明的功效在於提供完整的製程製作磊晶膜頂、底面均具有預定的粗糙度的發光二極體晶片，進而可以藉著粗化後的頂、底面而有效的將磊晶膜產生的光被提出，並藉著形成預定厚度的透明折射層成為磊晶膜與基材間的介質，而可更有效地將光反射後向頂面方向行進，進而可提昇整體的光取出率、增強發光亮度。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之三個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。
在本發明被詳細描述之前，要注意的是，在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。
參閱第三圖，本發明一種高光取出率的發光二極體晶片2的一第一較佳實施例，是包含一層基材21、一層透明折射層22、一層磊晶膜23，及一組電極單元24。
該層基材21包括一層底層211，及一層形成在該底層211上並與該透明折射層22連接的反射鏡層212，該底層211是選自於例如矽、高散熱陶瓷材料，或高散熱金屬等材料所構成，用以支撐透明折射層22、磊晶膜23等結構，該反射鏡層212可以例如鋁、銀、金、白金、鈀、銣，或此等金屬的組合為材料形成，或是以分別具有高、低折射率的介電材料交錯堆疊成複數膜體所構成，用以反射自該磊晶膜23發出並向該基材21方向行進的光。
該透明折射層22的厚度在5 μm以下，且是選自於高散熱(熱導係數為0.2 W/m.K以上)、折射係數在1~2之間的高分子材料，或介電材料作為黏膠形成，使光在行進時折射，增加光取出率。
該層磊晶膜23是以氮化鎵系列半導體材料先在一塊磊晶基板磊晶形成後，再利用黏膠形成的透明折射層22與該基材21相黏結成一體，該磊晶膜23依序具有一層與該透明折射層22連接並經過摻雜呈n型的第一披覆層231、一層與該第一披覆層231連接的活性層232，及一層與該活性層232連接並經過摻雜呈p型的第二披覆層233，該第一、二披覆層231、233相對該活性層232形成載子位障而以電子/電洞複合產生光，該磊晶膜23的底面235(即與該透明折射層22連接的第一披覆層231下表面)與頂面234(即第二披覆層233上表面)分別是由例如磊晶成長、濕蝕刻、感應耦合電漿蝕刻，或光輔助電化學蝕刻方式刻意粗化的粗糙不連續面，且粗糙度為100nm以上。
該組電極單元24具有以例如金、鎳、白金、銀、鋁等金屬及/或其合金為材料構成的n型電極241、p型電極242，其中n型電極241設置在該磊晶膜23之第一披覆層上並與第一披覆層231相歐姆接觸，p型電極242則與設置在磊晶膜23之第二披覆層233上並與其歐姆接觸，而相配合地對該磊晶膜23提供電能進而產生光。
當自n型電極241、p型電極242施加電能時，電流流通過該磊晶膜23而使該磊晶膜23以電子/電洞複合產生光，其中，向上行進的光在穿經該磊晶膜23頂面234(即第二披覆層233的上表面)時，因為頂面234經過粗化而具有100 nm以上粗糙度，所以相對光的行進而言具有各種不同的法線夾角，而可有效改善光行進的限制而大幅提昇光進入外界的量；同時，向下(向基材21方向)行進的光類似地在穿經該磊晶膜23底面235(即第一披覆層231的下表面)時，因為底面235也經過粗化而具有100 nm以上粗糙度，所以相對光的行進而言具有各種不同的法線夾角，而可有效改善光行進的限制而大幅提昇光穿過並繼續在該透明折射層22中行進，而此時，由於透明折射層22的厚度5 μm以下且折射率是1~2，所以對光的行進而言，透明折射層22是介於磊晶膜23與基材21的反射鏡層212之間的另一介質，所以光可以產生全方位角之反射，而使得光可以被基材21的反射鏡層212反射再穿經透明折射層22、磊晶膜23進入外界，而有效提昇發光亮度。
另外，對本發明的高光取出率的發光二極體晶片2而言，電流的傳導路徑是以電極單元24、磊晶膜23成通路；而磊晶膜23作動發光所產生的內廢熱，則是經過透明折射層22、基材21導離，所以是熱、電分別以不同的路徑作傳導，而可避免內廢熱的排離方式造成電阻的提高，而影響電流供應傳導的穩定性，以保持元件作動的穩定度，進而延長元件的工作壽命。
上述本發明的高光取出率的發光二極體晶片2在經過以下的製造方法的說明，當可更加清楚明白。
參閱第四圖，上述高光取出率的發光二極體晶片2的製造方法，是包含一個磊晶步驟41、一個第一粗化步驟42、、一個電極形成步驟43、一個磊晶基板移除步驟44、一個第二粗化步驟45、一個基材黏著步驟46，及一個暫時基板移除步驟47。
配合參閱第五圖，磊晶步驟41在一塊可磊晶成長氮化鎵系列半導體材料的磊晶基板51上，向上磊晶成長包括有第一披覆層231、活性層232與第二披覆層233的磊晶膜23，由於此過程已為業界所周知，故在此不再詳加贅述。
接著進行第一粗化步驟42，是以感應耦合電漿反應式蝕刻法(Inductive Coupling Plasma RIE，ICPRIE)蝕刻粗化磊晶膜23的第二披覆層233的表面(即磊晶膜23頂面234)至100nm以上的粗糙度。此一步驟亦可採用磊晶成長方式直接成長具有粗糙頂面234的磊晶膜23，或採用濕式蝕刻、光輔助化學蝕刻方式進行。
參閱第四圖、第六圖，然後進行電極形成步驟43－移除部分磊晶膜23的結構、形成業界習稱的mesa平台後，分別形成與第一、二披覆層231、233歐姆接觸的n、p型電極241、242。
參閱第四圖、第七圖、第八圖，接著進行磊晶基板移除步驟44－先如第七圖所示的利用蠟，或可移除的膠材等材料將一塊暫時基板52可分離地相對固定在形成有p型電極242的第二披覆層233上，之後，再利用例如雷射剝離(Lift Off)、蝕刻、或自動分離(Smart Cut)等技術移除該塊磊晶基板51而使磊晶膜23的第一披覆層231的下表面裸露，如圖8所示。
參閱第四圖、第九圖，第二粗化步驟45濕蝕刻該裸露的第一披覆層231裸露的表面至100 nm粗糙度(即形成磊晶膜23的底面235)。類似地，此一步驟亦可採用濕式蝕刻或光輔助化學蝕刻方式進行。
參閱第四圖、第十圖，接著進行基材黏著步驟46－使用具有預定折射率且相對磊晶膜23所發出的光為透明的黏膠，將基材21與粗化後的第一披覆層231表面(即磊晶膜23的底面235)相黏結，並在黏結的同時控制保持黏膠固化後形成透明折射層22的厚度在5μm以下，以得到最佳的光學效果。在此要補充說明的是，基材21可以事先，或同步製作－先利用矽基板作為底層211，再於其上鍍覆形成該反射鏡層212而完成製作，再於此步驟中使用。
參閱第四圖、第三圖，最後，進行暫時基板移除步驟47，將暫時基板52移除，並清除用於固定暫時基板52的例如蠟的殘留物，即製得高光取出率的發光二極體晶片2。
參閱第十一圖，本發明一種高光取出率的發光二極體晶片2的一第二較佳實施例，是與上例相似，其不同處僅在於該基材21截面成U字型態樣而包覆透明折射層22側周面，藉著基材21與透明折射層22的接觸面積實質地增加，所以可更有效地將內廢熱導離元件，進而保持元件作動的穩定度，延長元件的工作壽命。
而本第二較佳實施例所說明的發光二極體晶片2，除了可事先製作截面成U字型態樣的基材21，再以黏膠固化形成透明折射層22並同時固著基材21與磊晶膜23的方式製作之外，也可以利用如第十二圖所示的製造方法進行，以下將詳細說明。
參閱第十二圖，類似地，依序進行磊晶步驟61、第一粗化步驟62、電極形成步驟63、磊晶基板移除步驟64，與第二粗化步驟65，先在磊晶基板磊晶成長出磊晶膜23，再粗化磊晶膜23的第二披覆層233表面至100 nm以上的粗糙度，接著形成mesa平台、形成n、p型電極241、242，然後用蠟將暫時基板相對固定在此形成有p型電極242的粗化頂面234上，再將磊晶基板移除，最後濕蝕刻移除磊晶基板後的第一披覆層231表面至100nm粗糙度，製得類似如第九圖所示的發光二極體晶片半成品。
接著進行透明折射層形成步驟66，選用相對磊晶膜產生的光為透明且折射率介於空氣與磊晶膜之間，利用薄膜沉積方式自粗化後的磊晶膜底面沉積形成厚度不大於5μm的透明折射層22。
再進行基材形成步驟67，先以薄膜沉積方式在透明折射層22上形成一層極薄的材料當作晶種，再電鍍增厚形成該塊基材21－此時，當只對應於透明折射層21表面成形時，所成的晶片即成如第三圖所示的態樣；而當形成在透明折射層22表面與側周面時，所成的元件即成如第十一圖所示的態樣；且當形成的基材21必須包括有反射鏡層212與底層211的結構時，只是先選用預定的材料沉積形成薄的種晶層，再增厚形成反射鏡層212，而後更換材料重複此等過程再形成底層211，由於此等細節以為業界所周知，在此不再詳加敘述。
最後進行暫時基板移除步驟68，將暫時基板移除，並清除用於固定暫時基板的例如蠟的殘留物，即製得發光二極體晶片2。
參閱第十三圖，本發明一種高光取出率的發光二極體晶片2的一第三較佳實施例，是與上二例相似，其不同處僅在於在磊晶膜23頂面234，更以透明且可使電流均勻擴散的材料，例如ITO，形成一層透明導電層25，以提昇晶片的內部量子效應，此透明導電層25的表面可以是平面或是粗化的粗糙面，以實質增加晶片的光取出率，在此以平面作說明。
而本第三較佳實施例所說明的發光二極體晶片2的製作過程，則與上兩例的製造方法相似，其不同處僅在於在進行第一粗化步驟42、62後、尚未進行電極形成步驟43、之前，更進行一透明導電層形成步驟，在磊晶膜22粗化的頂面234(第二披覆層233頂面)上，以銦錫氧化物沉積形成該層透明導電層25，並視需要對形成的透明導電層25上表面進行粗化，由於此過程以為業界所周知，故不再多作說明。
由上述的說明可知，本發明的高光取出率的發光二極體晶片2主要是以完整的製造方法，製作磊晶膜23頂面234、底面235都具有預定粗糙度的發光二極體晶片2，藉著粗化後的頂面234使得磊晶膜23產生並向頂面234方向行進的光可被有效的提取出來，向基材21方向行進的光除了藉著底面235的粗化也可被有效的提取出來之外，同時也藉著形成預定厚度的透明折射層22成為磊晶膜23與基材21間的介質，而可更有效地將光反射重向頂面234方向行進，進而大幅度的提昇整體的光取出率、有效增強晶片的發光亮度。相較於習知的發光二極體晶片1、1’，其向基材11、11’方向行進的光大都無法被取出而浪費而言，本發明提供高光取出率的發光二極體晶片及其製造方法，確實達到本發明的創作目的。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
2．．．發光二極體
21．．．基材
211．．．底層
212．．．反射鏡層
22．．．透明折射層
23．．．磊晶膜
231．．．第一披覆層
232．．．活性層
233．．．第二披覆層
234．．．頂面
235．．．底面
24．．．電極單元
241．．．n型電極
242．．．p型電極
25．．．透明導電層
41．．．磊晶步驟
42．．．第一粗化步驟
43．．．電極形成步驟
44．．．磊晶基板移除步驟
45．．．第二粗化步驟
46．．．基材黏著步驟
47．．．暫時基板移除步驟
51．．．磊晶基板
52．．．暫時基板
61．．．磊晶步驟
62．．．第一粗化步驟
63．．．電極形成步驟
64．．．磊晶基板移除步驟
65．．．第二粗化步驟
66．．．透明折射層形成步驟
67．．．基材形成步驟
68．．．暫時基板移除步驟
第一圖是一剖視示意圖，說明習知發光二極體晶片；第二圖是一剖視示意圖，說明習知發光二極體晶片，並說明其磊晶膜頂面是經過粗化的不連續面；第三圖是一剖視示意圖，說明本發明高光取出率的發光二極體晶片的一第一實施例；第四圖是一流程圖，說明本發明高光取出率的發光二極體晶片的第一較佳實施例的製造方法；第五圖是一剖視示意圖，輔助說明實施第四圖的製造方法的一磊晶步驟；第六圖是一剖視示意圖，輔助說明實施第四圖的製造方法的一第一粗化步驟；第七圖是一剖視示意圖，輔助說明實施第四圖的製造方法的一電極形成步驟；第八圖是一剖視示意圖，輔助說明實施第四圖的製造方法的一磊晶基板移除步驟；第九圖是一剖視示意圖，輔助說明實施第四圖的製造方法的一第二粗化步驟；第十圖是一剖視示意圖，輔助說明實施第四圖的製造方法的一基材黏著步驟；第十一圖是一剖視示意圖，說明本發明高光取出率的發光二極體晶片的一第二較佳實施例；第十二圖是一流程圖，說明製作本發明高光取出率的發光二極體晶片的第二較佳實施例的另一種製造方法；及第十三圖是一剖視示意圖，說明本發明高光取出率的發光二極體晶片的一第三較佳實施例。
2．．．發光二極體
21．．．基材
211．．．底層
212．．．反射鏡層
22．．．透明折射層
23．．．磊晶膜
231．．．第一披覆層
232．．．活性層
233．．．第二披覆層
234．．．頂面
235．．．底面
24．．．電極單元
241．．．n型電極
242．．．p型電極
Claims (11)
- 一種高光取出率的發光二極體晶片的製造方法，包含：一個磊晶步驟，在一塊基板上向上磊晶成長一層以光電效應產生光並包括有一具第一導電型的第一層、一活性層與一具第二導電型的第二層的磊晶膜；一個第一粗化步驟，粗化該磊晶膜的第二層的上表面；一個電極形成步驟，形成分別與該第一、二層相歐姆接觸的電極；一個基板移除步驟，將一塊暫時基板可分離地相對固定在該形成有該電極的第二層上，並移除該塊基板而使該磊晶膜的第一層的下表面裸露；一個第二粗化步驟，粗化該裸露的第一層下表面；一個透明折射層形成步驟，使用相對該磊晶膜所發出的光為透明且折射率大於空氣但小於該磊晶膜的材料，形成一層與該第一層連接的透明折射層；一個基材形成步驟，使用具有高熱傳導係數的材料形成一塊與該透明折射層連接的基材；及一個暫時基板移除步驟，將該暫時基板移除，製得該高光取出率的發光二極體晶片；其中該基材形成步驟進一步包含形成一反射鏡層於該透明折射層上，且該基材形成步驟還包含在該透明折射層之一側周面及一下表面上形成種晶層，再進行電鍍而由該種晶層形成該基材，以使該反射鏡層在該透明折射層之側周面及下表面具有一U字型表面。
- 依據申請專利範圍第1項所述高光取出率的發光二極體 晶片的製造方法，還包含一透明導電層形成步驟，選擇一透明且可導電的材料在該粗化後的第二層上表面形成一層透明導電層。
- 依據申請專利範圍第2項所述高光取出率的發光二極體晶片的製造方法，其中，該透明導電層形成步驟還粗化該層透明導電層的上表面。
- 依據申請專利範圍第1項所述高光取出率的發光二極體晶片的製造方法，其中，該第一、二粗化步驟選擇由磊晶成長、濕蝕刻、感應耦合電漿蝕刻，或光輔助電化學蝕刻方式進行。
- 依據申請專利範圍第1項所述高光取出率的發光二極體晶片的製造方法，其中，該基板移除步驟選自於蠟，或可移除的膠將該暫時基板固定在該第二層上，並選擇由化學蝕刻、雷射剝離，或自動分離移除該塊基板。
- 依據申請專利範圍第1項所述高光取出率的發光二極體晶片的製造方法，其中，該透明折射層形成步驟是以薄膜沉積方式形成該透明折射層。
- 依據申請專利範圍第1項所述高光取出率的發光二極體晶片的製造方法，其中該磊晶步驟係將該磊晶膜形成在一塊可磊晶成長氮化鎵系列半導體材料的磊晶基板上。
- 依據申請專利範圍第1項所述高光取出率的發光二極體晶片的製造方法，其中該第一導電型係為n型導電性或p型導電性任一者。
- 依據申請專利範圍第1項所述高光取出率的發光二極體晶片的製造方法，其中該透明折射層的厚度不大於5μm。
- 依據申請專利範圍第1項所述高光取出率的發光二極體 晶片的製造方法，其中粗化該磊晶層結構的該第二層的該上表面至100nm以上的粗糙度。
- 依據申請專利範圍第1項所述高光取出率的發光二極體晶片的製造方法，其中粗化該磊晶層結構的該第一層的該下表面至100nm以上的粗糙度。
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