TWI463697B - 發光二極體及其製作方法 - Google Patents

Description

發光二極體及其製作方法

本發明涉及一種發光二極體，尤其涉及一種電流擴散均勻性較佳之發光二極體以及該發光二極體之製作方法。

發光二極體(Light Emitting Diode，LED)為一種可將電流轉換成特定波長範圍光之半導體元件。發光二極體以其亮度高、工作電壓低、功耗小、易與積體電路匹配、驅動簡單、壽命長等優點，從而可作為光源而廣泛應用於照明領域。

LED通常包括p型半導體層、活性層及n型半導體層。在LED兩端施加電壓，空穴與電子將會在活性層複合，輻射出光子。LED在應用過程中所面臨之一個問題係其出光效率問題。由於在活性層中有電流流過才能產生光子，因此LED之出光效率與電流在LED器件表面之分佈均勻性有很大關係。在實際應用過程中，為防止發光二極體所發出之光線被電極所阻擋，電極之面積通常設置成比較小，此時將會出現在電極下方之位置電流密度較大，而遠離電極位置之電流密度較小之情況，從而使到在發光二極體表面之電流分佈不均勻。其在遠離電極之邊緣部位之活性層沒有電流流過，從而使其發光效率較低。

有鑒於此，有必要提供一種電流擴散均勻性較佳之發光二極體。

一種發光二極體，其包括一基板及在基板上依次形成之P-GaN層、活性層及n-GaN層。該發光二極體進一步包括一電極層，該電極層設置n-GaN層之表面。該n-GaN層包括第一擴散部及第二擴散部。該第一擴散部臨近該電極層，該第二擴散部設置於該第一擴散部之遠離該電極層一側，且該第一擴散部之摻雜濃度小於該第二擴散部之摻雜濃度。

一種發光二極體之製作方法，其包括以下步驟：

提供一個基板；

在基板上依次形成P-GaN層、活性層及n-GaN層；

在n-GaN層表面設置第一擴散部及第二擴散部，在製作過程中，使第一擴散部之摻雜濃度小於第二擴散部之摻雜濃度；

在n-GaN層表面製作電極層。

與先前技術相比，本發明藉由設置沿遠離電極方向排列之第一擴散部及第二擴散部，由於第一擴散部之摻雜濃度小於第二擴散部之摻雜濃度，即第一擴散部之電阻率大於第二擴散部之電阻率。由於電流會朝電阻率小之地方流動。因此，設置摻雜率不同之第一擴散部及第二擴散部能夠使電流在發光二極體之表面分佈均勻，從而提高發光二極體之發光效率。

下面以具體之實施例對本發明作進一步地說明。

請參見圖1，本發明第一實施例之發光二極體100包括一個基板11及依次在基板11上層疊設置之p-GaN層12、活性層13、n-GaN層14、鏡面反射層15及電極層16。同時，該發光二極體100還進一步包括一第一擴散部17與一第二擴散部18。

基板11由具有高導熱率之材料製成，其可以採用銅、鋁、鎳、銀、金等金屬材料或者任意兩種以上金屬所形成之合金所製成之基板，或者採用導熱性能好之陶瓷基板如矽基板、鍺基板。在本實施例中，基板11為具有高導熱效率之金屬鎳層。藉由MOCVD之方法在藍寶石基板上生長p-GaN層12、活性層13、n-GaN層14及鏡面反射層15後，採用鐳射切割之方法使藍寶石基板基板剝離，然後再藉由粘合或者電鍍之方法使p-GaN層12、活性層13、n-GaN層14及鏡面反射層15與導熱基板11結合。

p-GaN層12、活性層13及n-GaN層14依次層疊設置於基板11之表面上。當在p-GaN層12表面施加正電壓，在n-GaN層14表面施加負電壓時，p-GaN層12中之空穴與n-GaN層14電子將會在活性層複合，能量以光子之形式發出，從而使發光二極體發光。在本實施例中，發光層由GaN材料製作。根據需要，發光層之製作材料還可包括AlGaN、InGaN等。

鏡面反射層15設置於p-GaN層12與基板11之間，鏡面反射層15由銀、鎳、鋁、銅、金等金屬所製成。該鏡面反射層15之目的在於將活性層13所發出之，朝向p-GaN層12之光線反射，使其從n-GaN層14表面發出，提高整個發光二極體100之出光效率。在本實施例中，鏡面反射層15可以藉由真空蒸鍍，濺射等方法形成。

電極層16設置於n-GaN層14之表面，該電極層16之作用在於使外界電源與發光二極體100相接觸從而為發光二極體100提供電流使其發光。在本實施例中，電極層16位於n-GaN層14之中心位置。該電極層16由銀材料製成，其藉由熱蒸鍍或化學蒸鍍之方法形成於n-GaN層14之表面上。

第一擴散部17與第二擴散部18設置於n-GaN層14表面。該第一擴散部17與第二擴散部18沿遠離電極層16之方向排列。即第二擴散部18與電極層16之間之距離比第一擴散部17與電極層16之間之距離要短。該第一擴散部17與第二擴散部18採用B、P、As等氣態原子摻雜。其中，第一擴散部17之摻雜濃度小於第二擴散部18之摻雜濃度。即第一擴散部17之電阻率要大於第二擴散部18之電阻率。在這種情況下，由於電流會傾向於朝電阻率小之地方流動，從而使電流朝遠離電極層16之第二擴散部18流動，使電流在發光二極體100之表面充分分佈均勻，從而提高了發光二極體100之出光效率。在本實施例中，第一擴散部17與第二擴散部18為設置於電極層16周圍之兩個圓環，其中，第一擴散部17之圓環之半徑要小於第二擴散部18之圓環之半徑。在本實施例中，第一擴散部17與第二擴散部18之摻雜濃度可在1×10¹⁸ cm^-3 至9×10¹⁸ cm^-3 範圍內變化。

請一併參閱圖2A-圖2F，在本實施例中，該第一擴散部17與第二擴散部18藉由以下方式製作。

首先為第二擴散部18之製作。如圖2A所示，在n-GaN層14表面製作具有第二擴散部18圖案之SiO₂ 阻擋層19，即SiO₂ 阻擋層19覆蓋在除第二擴散部18所處區域以外之區域。該SiO₂ 阻擋層19圖案之製作步驟包括：在n-GaN層14表面沈積一層SiO₂ 阻擋層19，其沈積方法可以為等離子體增強化學氣相沈積法（PECVD）或者感應耦合等離子體增強化學氣相沈積法（ICPECVD）。然後在SiO₂ 阻擋層19之表面塗覆塗覆感光層。感光層可以採用正光阻或者負光阻，其塗布方法可以為旋轉式、噴塗式、浸粘式或者滾筒式等。利用曝光顯影之方法在感光層上定義出需要進行擴散之第二擴散部18之區域。然後將第二擴散部18區域上感光層去除，露出SiO₂ 阻擋層19之表面。採用感應耦合等離子體蝕刻技術（ICP）對未被感光層覆蓋之SiO₂ 阻擋層19進行蝕刻，顯露出n-GaN層14表面。然後將剩餘之感光層去除。此時，未被SiO₂ 阻擋層19覆蓋之區域即為需要進行擴散之第二擴散部18之區域。如圖2B所示，將具有SiO₂ 阻擋層19圖案之發光二極體100放置於通有B、P、As等氣體或者蒸氣源之高溫爐中，由於溫度之作用，B、P、As等氣體原子將會擴散到n-GaN層14中，形成具有特定摻雜濃度之第二擴散部18。一般地，擴散溫度選擇在500度至750度之溫度範圍內。其中，第二擴散部18之摻雜濃度與深度可以藉由高溫爐中之氣體濃度及發光二極體100在高溫爐中之擴散時間來確定。高溫爐中B、P、As等氣體原子之濃度越大，第二擴散部18之摻雜濃度就越大。發光二極體100在高溫爐中之擴散時間越長，第二擴散部18在n-GaN層14中之擴散深度就越深，即第二擴散部18之厚度越高。因此，第二擴散部18之摻雜濃度與厚度就可以藉由高溫爐中B、P、As等氣體原子之濃度與擴散時間確定。優選地，藉由選擇合適之氣體原子濃度與擴散時間，使第二擴散部18之擴散深度不超過n-GaN層14之厚度，以避免B、P、As等氣體原子擴散到活性層13中，從而對活性層13之發光性能造成影響。在擴散完成後，去除SiO₂ 阻擋層19，如圖2C所示。去除之方法可採用鹽酸或者硫酸等酸性溶液腐蝕。

在第二擴散部18之擴散過程完成之後，就可以採用相同之過程製作第一擴散部17。即首先製作具有第一擴散部17圖案之SiO₂ 阻擋層110，如圖2D所示，未被SiO₂ 阻擋層110所覆蓋之區域即為需進行擴散之第一擴散部17。參見圖2E，將具有SiO₂ 阻擋層110之發光二極體100放置於通有B、P、As等氣體或者蒸氣源之高溫爐中，由於溫度之作用，B、P、As等氣體原子將會擴散到n-GaN層14中，形成具有特定摻雜濃度之第一擴散部17。需要注意，在第一擴散部17之製作過程中，可以藉由降低高溫爐中B、P、As等氣體原子之濃度來降低第一擴散部17之摻雜濃度。使第一擴散部17之摻雜濃度小於第二擴散部18之摻雜濃度。在擴散完成之後，去除SiO₂ 阻擋層110，參見圖2F。

在第一擴散部17與第二擴散部18都製作好之後，在n-GaN層14之中心位置製作電極層16。該電極層16與第一擴散部17之間之距離小於與第二擴散部18之間之距離。

可以理解地，亦可先在n-GaN層表面沈積一層感光層，然後對感光層進行曝光顯影，定義出需進行擴散之區域。將不需要進行擴散之區域上之感光層去除，然後沈積SiO₂ 阻擋層，從而形成具有需擴散區域圖案之SiO₂ 阻擋層。

可以理解地，在該第一擴散部17與第二擴散部18之製作過程中並不限於首先製作第二擴散部18，然後製作第一擴散部17。其亦可以首先製作第一擴散部17，後製作第二擴散部18。

可以理解地，本實施例之擴散部並不限於兩個，其亦可以為三個或者三個以上。該三個或者三個以上之擴散部沿著遠離電極層之方向上分佈，其摻雜濃度亦沿著遠離電極層之方向上逐漸增大。從而形成一個摻雜濃度從n-GaN層之中心位置朝邊緣逐漸變化之摻雜區域，使電流從發光二極體之中心區域朝邊緣流動，從而提高了發光二極體電流分佈之均勻性，提高了其發光效率。

另，該第一擴散部及第二擴散部並不限於以上製作方法，請參見圖3，為本發明第二實施例之發光二極體200。

本發明第二實施例之發光二極體200包括一個基板21及依次在基板21上層疊之p-GaN層22、活性層23、n-GaN層24、鏡面反射層25及電極層26。同時，該發光二極體200還進一步包括一第一擴散部27與一第二擴散部28。該第一擴散部27與第二擴散部28沿遠離電極層26之方向上順序分佈。

其中，在本實施例中，基板21、 p-GaN層22、活性層23、n-GaN層24、鏡面反射層25及電極層26在發光二極體200中之作用與第一實施例之相同。

與第一實施例不同，該第一擴散部27包括擴散區域271與非擴散區域272。第二擴散部28同樣包括擴散區域281與非擴散區域282。在本實施例中，擴散區域271與擴散區域281之摻雜濃度相同。但，在第一擴散部27中，擴散區域271與非擴散區域272寬度之間之比值要小於第二擴散部28中擴散區域281與非擴散區域282寬度之間之比值。因此，從整體上講，第一擴散部27之摻雜濃度要小於第二擴散部28之摻雜濃度。即第二擴散部28之電阻率小於第一擴散部27之電阻率，從而使電流從電極層26朝遠離電極層26之第二擴散部28流動。使電流在發光二極體100之表面分佈均勻，從而提高其出光效率。

藉由將第一擴散部27分成擴散區域271及非擴散區域272與將第二擴散部28同樣分成擴散區域281與非擴散區域282，使到第一擴散部27與第二擴散部28之製作在一次擴散過程中完成，從而提高了效率。請一併參閱圖4A-圖4C，本實施例之發光二極體200之第一擴散部27與第二擴散部28之製作過程如下：

請參見圖4A，在n-GaN層24表面製作具有擴散區域271與擴散區域281圖案之SiO₂ 阻擋層29，即SiO₂ 阻擋層29覆蓋除擴散區域271與擴散區域281外之其他區域。該SiO₂ 阻擋層29圖案之製作步驟包括：在n-GaN層24表面沈積一層SiO₂ 阻擋層29，其沈積方法可以為等離子體增強化學氣相沈積法（PECVD）或者感應耦合等離子體增強化學氣相沈積法（ICPECVD）。然後在SiO₂ 阻擋層29之表面塗覆塗覆感光層。感光層可以採用正光阻或者負光阻，其塗布方法可以為旋轉式、噴塗式、浸粘式或者滾筒式等。利用曝光顯影之方法在感光層上定義出需要進行擴散之擴散區域271與擴散區域281。然後將擴散區域271與擴散區域281上感光層去除，露出SiO₂ 阻擋層29之表面。採用感應耦合等離子體蝕刻技術（ICP）對未被感光層覆蓋之SiO₂ 阻擋層29進行蝕刻，顯露出n-GaN層24表面，然後將剩餘之感光層去除。此時，未被SiO₂ 阻擋層29覆蓋之區域即為需要進行擴散之擴散區域271與擴散區域281。需要注意，在第一擴散部27中，擴散區域271與與非擴散區域272之間寬度之比值要小於第二擴散部28中擴散區域281與非擴散區域282之間之比值。請參見圖4B，將製作好之具有SiO₂ 阻擋層29圖案之發光二極體200放置於通有B、P、As等氣體或者蒸氣源之高溫爐中，由於溫度之作用，B、P、As等氣體原子將會擴散到n-GaN層24中，從而在擴散區域271與擴散區域281摻雜B、P、As等原子。同樣，擴散溫度選擇在500度至750度之溫度範圍內。擴散區域271與擴散區域281摻雜濃度與深度可以藉由高溫爐中之氣體濃度及發光二極體200在高溫爐中之擴散時間來確定。高溫爐中B、P、As等氣體原子之濃度越大，擴散區域271與擴散區域281之摻雜濃度就越大。發光二極體200在高溫爐中之擴散時間越長，B、P、As等氣體原子在n-GaN層24中之擴散深度就越深，即擴散區域271與擴散區域281之厚度越大。一般來講，B、P、As等氣體原子之擴散區域271與擴散區域281之擴散深度不超過n-GaN層24之厚度，以避免B、P、As等氣體原子擴散到活性層23中，從而對活性層23之發光性能造成影響。擴散過程完成後，去除SiO₂ 阻擋層29，如圖4C所示。

可以理解地，本發明還可以有其他之實施方式，請參見圖5，本發明之第三實施例之發光二極體300。

本發明第二實施例之發光二極體300包括一個基板31及依次在基板31上層疊之p-GaN層32、活性層33、n-GaN層34、鏡面反射層35及電極層36。同時，該發光二極體300還進一步包括一第一擴散部37與一第二擴散部38。

其中，本實施例中之基板31、p-GaN層32、活性層33、n-GaN層34、鏡面反射層35與第一實施例中之相同。

請一併參見圖6，與第一實施例不同，本實施例之電極層36為網狀電極，該網狀之電極層36將n-GaN層34之表面分割成複數個正方形之區域。第二擴散部38設置於由電極層36所分割而成之正方形區域之內部，第一擴散部37設置於電極層36與第二擴散部38之間。且第一擴散部37之摻雜濃度小於第二擴散部38之摻雜濃度。在本實施例中，不對第一擴散部37實施擴散過程而只對第二擴散部38進行擴散過程，同樣可實現第一擴散部37之摻雜濃度小於第二擴散部38之摻雜濃度。

第二擴散部38之製作過程可參照第一實施例及第二實施例。即利用SiO₂ 阻擋層將除第二擴散部38以外之其他區域覆蓋。然後將具有SiO₂ 阻擋層之發光二極體300放置於通有B、P、As等氣體或者蒸氣源之高溫爐中進行擴散，從而形成具有特定摻雜濃度之第二擴散部38。

在應用過程中，由於第二擴散部38之摻雜濃度比第一擴散部37之摻雜濃度高，因此電流將會從電極層36往其圍成之正方形區域之中心之第二擴散部38上流動，從而使電流分佈均勻。

同樣，在本實施例中，擴散部並不限於兩個，其亦可以為三個或者三個以上，其摻雜濃度亦隨著遠離電極層之方向上逐漸增大。這需要根據實際應用來確定。

綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施方式，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。

100、200、300‧‧‧發光二極體

11、21、31‧‧‧基板

12、22、32‧‧‧p-GaN層

13、23、33‧‧‧活性層

14、24、34‧‧‧n-GaN層

15、25、35‧‧‧鏡面反射層

16、26、36‧‧‧電極層

17、27、37‧‧‧第一擴散部

18、28、38‧‧‧第二擴散部

19、29、110‧‧‧SiO₂ 阻擋層

271、281‧‧‧擴散區域

272、282‧‧‧非擴散區域

圖1為本發明第一實施例之發光二極體之結構示意圖。

圖2A-2F為第一實施例中第一擴散部與第二擴散部之製作過程。

圖3為本發明第二實施例之發光二極體之結構示意圖。

圖4A-4C為第二實施例中第一擴散部與第二擴散部之製作過程。

圖5為本發明第三實施例之發光二極體之結構示意圖。

圖6為圖5中之發光二極體之n-GaN層表面示意圖。

100‧‧‧發光二極體

11‧‧‧基板

12‧‧‧p-GaN層

13‧‧‧活性層

14‧‧‧n-GaN層

15‧‧‧鏡面反射層

16‧‧‧電極層

17‧‧‧第一擴散部

18‧‧‧第二擴散部

Claims (10)

1. 一種發光二極體，其包括一基板及在基板上依次形成之P-GaN層、活性層及n-GaN層，該發光二極體進一步包括一電極層，該電極層設置n-GaN層之表面，其特徵在於，該n-GaN層包括第一擴散部及第二擴散部，該第一擴散部臨近該電極層，該第二擴散部設置於該第一擴散部之遠離該電極層一側，且該第一擴散部之摻雜濃度小於該第二擴散部之摻雜濃度。
2. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體，其中，該電極層設置於n-GaN層之中心位置且位於該第一擴散部上，該第二擴散部圍繞第一擴散部排布。
3. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體，其中，該第一擴散部與第二擴散部分別包括間隔排布之擴散區域及非擴散區域，擴散區域之摻雜濃度相同，第一擴散部中之擴散區域與非擴散區域寬度之間之比值小於第二擴散部中之擴散區域與非擴散區域寬度之間之比值。
4. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體，其中，該電極層為網狀電極，該網狀電極將n-GaN層分割複數個區域，該第二擴散部設置於每個區域之中心部位，第一擴散部設置於電極層與第二擴散部之間。
5. 如申請專利範圍第1項至第4項之中任意一項所述之發光二極體，其中，該第一擴散部與第二擴散部之擴散深度小於n-GaN層之厚度。
6. 如申請專利範圍第1項至第4項之中任意一項所述之發光二極體，其特徵在於，該第一擴散部與第二擴散部之摻雜離子包括B、P、As三種元素中之一種或者幾種。
7. 如申請專利範圍第1項至第4項之中任意一項所述之發光二極體，其特徵在於，該發光二極體進一步包括一鏡面反射層，該鏡面反射層設置於P-GaN層與基板之間。
8. 一種發光二極體之製作方法，其包括以下步驟：
   提供一個基板；
   在基板上依次形成P-GaN層、活性層及n-GaN層；
   在n-GaN層表面形成第一擴散部及第二擴散部，在製作過程中，使第一擴散部之摻雜濃度小於第二擴散部之摻雜濃度；
   在n-GaN層表面製作電極層。
9. 如申請專利範圍第8項所述之發光二極體之製作方法，其中，該第一擴散部與該第二擴散部之製作過程包括以下步驟：
   首先製作第二擴散部：
   a.在n-GaN層表面沈積一層SiO₂ 阻擋層；
   b.在SiO₂ 阻擋層表面塗覆一層感光層，對感光層進行曝光顯影，將第二擴散部區域之感光層去除；
   c.對未被感光層覆蓋之SiO₂ 阻擋層之區域進行蝕刻，顯露出n-GaN層之表面，然後去除感光層，從而在SiO₂ 阻擋層形成第二擴散部之圖案；
   d.將形成有SiO₂ 阻擋層圖案之發光二極體放至含有B、P、As之中一種或任意幾種原子之氣體或者蒸氣源之高溫爐中，藉由熱擴散之方法使上述原子擴散至第二擴散部中；
   e.去除SiO₂ 阻擋層；
   然後在製作好第二擴散部之發光二極體上製作第一擴散部：
   f.在n-GaN層表面沈積一層SiO₂ 阻擋層；
   g.在SiO₂ 阻擋層表面塗覆一層感光層，對感光層進行曝光顯影，將第一擴散部區域之感光層去除；
   h.對未被感光層覆蓋之SiO₂ 阻擋層之區域進行蝕刻，顯露出n-GaN層之表面，然後去除感光層，從而在SiO₂ 阻擋層形成第一擴散部之圖案；
   i.將形成有SiO₂ 阻擋層圖案之發光二極體放至含有B、P、As之中一種或任意幾種原子之氣體或者蒸氣源之高溫爐中，藉由熱擴散之方法使上述原子擴散至第一擴散部中；
   j.去除SiO₂ 阻擋層。
10. 如申請專利範圍第8項所述之發光二極體之製作方法，其中，該第一擴散部與該第二擴散部之製作過程包括以下步驟：
    a.在n-GaN層表面沈積一層SiO₂ 阻擋層；
    b.在SiO₂ 阻擋層表面塗覆一層感光層，對感光層進行曝光顯影，定義出第一擴散部與第二擴散部之位置，其中，該第一擴散部與第二擴散部分別包括擴散區域與非擴散區域，在第一擴散部中之擴散區域與非擴散區域寬度之間之比值小於在第二擴散部中之擴散區域與非擴散區域寬度之間之比值，然後將擴散區域之感光層去除；
    c.對未被感光層覆蓋之SiO₂ 阻擋層之區域進行蝕刻，顯露出n-GaN層之表面，然後去除感光層，從而在SiO₂ 阻擋層形成擴散區域之圖案；
    d.將具有SiO₂ 阻擋層圖案之發光二極體放至含有B、P、As之中一種或任意幾種原子之氣體或者蒸氣源之高溫爐中，藉由熱擴散之方法使上述原子擴散至擴散區域中；
    e.去除SiO₂ 阻擋層。