TWI513030B - 發光二極體及其製造方法 - Google Patents

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發光二極體及其製造方法
本發明涉及一種發光二極體，尤其涉及一種發光二極體的製造方法。
近年來，隨著人們對半導體發光材料研究的不斷深入以及發光二極體(LED)製造工藝的不斷改進，發光二極體的發光效率以及色彩方面均取得了相當大的突破，使發光二極體應用領域跨越至高效率照明光源市場成為可能。然而，發光二極體產生的光只有在小於臨界角的情況下才能射出至外界，否則由於內部反射等原因，大量的光將在發光二極體內部損失掉，無法射出至外界，導致發光二極體的出光率低下，亮度不高。因而有必要尋求一種能有效提升發光二極體的出光率的製造方法及由此得到的高亮度的發光二極體。
有鑒於此，有必要提供一種高亮度的發光二極體及其製造方法。
一種發光二極體，包括基板、位於該基板上的發光結構、及設置於該發光結構上的電極，其中該發光結構的外表面為發光二極體的出光面，所述出光面與電極相連接的部分為平滑面，出光面位於電極外圍的部分至少一部分為粗糙面。
一種發光二極體的製造方法，包括以下步驟：提供一晶片，該晶片包括基板及形成於基板上的發光結構；在發光結構上形成電極；在該發光結構的外表面及電極上塗布光阻；蝕刻以去除光阻，使發光結構的外表面及電極的外表面粗化。
與習知技術相比，本發明通過使發光二極體的出光面粗化，改變與外界界面的幾何形狀，提升發光二極體的出光率，從而提升發光二極體的亮度。
10、710‧‧‧基板
100‧‧‧晶片
20‧‧‧N型半導體層
200‧‧‧光阻
22、52、62、72‧‧‧上表面
24‧‧‧漫反射面
30‧‧‧發光層
40‧‧‧P型半導體層
400、500、600、700‧‧‧發光二極體
422、452、462、472、590‧‧‧粗糙面
50‧‧‧電流擴散層
60、70‧‧‧電極
90‧‧‧發光結構
圖1為本發明一較佳實施例發光二極體的製造方法流程圖。
圖2為用於製造本發明發光二極體的晶片的結構示意圖。
圖3為圖2所示晶片塗布光阻後的示意圖。
圖4為圖3所示晶片蝕刻後形成的發光二極體的結構示意圖。
圖5為通過本發明製造方法形成的另一發光二極體的結構示意圖。
圖6為通過本發明製造方法形成的又一發光二極體的結構示意圖。
圖7為通過本發明製造方法形成的再一發光二極體的結構示意圖。
下面參照附圖結合實施例對本發明作進一步說明。
圖1所示為本發明發光二極體製造方法的流程圖，該製造方法主要包括以下步驟：首先提供一晶片，該晶片包括基板及形成於基 板上的發光結構；然後在發光結構上形成電極；之後即在該發光結構的外表面及電極上塗布光阻；進而蝕刻以去除光阻，使發光結構的外表面及電極的外表面粗化，使晶片所產生的光能在多次反射後經由粗化後的出光面射出，提高晶片的出光率，從而得到高亮度的發光二極體。下面結合具體的實施例說明本發明發光二極體製造方法及由本發明發光二極體製造方法所得到的優異的發光二極體。
如圖2所示，用於製造本發明發光二極體的晶片100可為一普通半導體晶片，包括基板10及形成於該基板10上的發光結構90。本實施例中，基板10為藍寶石(Sapphire)，發光結構90依序包含N型半導體層20、發光層30、P型半導體層40、及電流擴散層50，其中N型半導體層20、發光層30、P型半導體層40的材料為氮化鋁銦鎵(AlxInyGa1-x-yN，其中0≦x≦1；0≦y≦1；且x+y≦1)。本實施例中，電流擴散層50上形成有P型電極60，而N型半導體層20上形成有N型電極70。在其他實施例中，晶片也可為垂直結構，即其P型電極與N型電極分別置於晶片的相對兩側。
N型半導體層20是通過化學氣相沉積法(Chemical Vapor Deposition，CVD)，例如有機金屬化學氣相沉積法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)，或是分子束磊晶(Molecular Beam Epitaxy，MBE)直接生長於基板10上，發光層30形成於N型半導體層20與P型半導體層40之間，然後通過蝕刻裸露出部分N型半導體層20，再利用蒸鍍、濺鍍等物理沉積方法將N型電極70設置於N型半導體層20的裸露部分之上。
電流擴散層50為透明結構，形成於P型半導體層40之上，以提高 電流的分佈，增強晶片100的發光效率。所述電流擴散層50的材料可為鎳金合金(Ni-Au Alloy)、氧化銦錫(Indium Tin Oxide，ITO)、氧化銦鋅(Indium Zinc Oxide，IZO)、氧化銦鎢(Indium Tungsten Oxide，IWO)、氧化銦鎵(Indium Gallium Oxide，IGO)等。類似地，P型電極60亦可通過蒸鍍、濺鍍等物理沉積方法形成於於電流擴散層50之上。
然後在晶片100的外表面塗布光阻200，該光阻200可為丙二醇甲醚醋酸酯(Propylene Glycol Mono-methyl Ether Acetate，PGMEA)或聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylmethacrylate，PMMA)等材料。如圖3所示，本實施例中，光阻200是塗布於晶片100的出光面上，即塗布於電流擴散層50的上表面52(如圖2所示)以及N型半導體層20的裸露部分的上表面22上(如圖2所示)，並完全覆蓋P型電極60與N型電極70。優選地，光阻200的厚度為0.4微米左右。
然後即可將帶有光阻200的晶片100置入感應耦合等離子體蝕刻機(Inductively Coupled Plasma Etcher，ICP Etcher)中進行蝕刻，由於光阻200的主成分為有機化合物，置放於高功率，如300w下會產生碳化及聚集的現象，因此可得到不規則的圖案，從而通過感應耦合等離子體蝕刻，當光阻200消失時，晶片100塗布有光阻200的外表面會被粗化，改變晶片100與外界的界面形狀，使晶片100所產生的光能在多次反射後經由粗化後的外表面的合適的位置射出，提高出光率，得到高亮度的發光二極體。
圖4所示即為圖3中晶片100蝕刻後所形成的發光二極體400的結構示意圖，由於是將光阻200塗布於電流擴散層50的上表面52以及N 型半導體層20的裸露部分的上表面22(如圖2所示)上，並完全覆蓋P型電極60與N型電極70，蝕刻後，透明電流擴散層50的上表面52(如圖2所示)形成粗糙面452、N型半導體層20裸露部分的上表面22形成粗糙面422、P型電極60的上表面62(如圖2所示)形成粗糙面462、N型電極70的上表面72則(如圖2所示)形成粗糙面472，所述粗糙面452、422、462、472的高度範圍為0.1~1微米，大小為0.1~10微米。
由於P型電極60、N型電極70是在蝕刻之前形成的，因此在蝕刻完成之後，P型半導體層40與P型電極60連接的位置以及N型半導體層20與N型電極70連接的位置並未被粗化，仍然為平滑面，保持P型電極60、N型電極70與P型半導體層40及N型半導體層20之間的電性接觸，有效避免電極直接形成於粗糙面上可能出現的漏電或電壓上升等問題。而出光面位於P型電極60與N型電極70外圍的部分，即電流擴散層50上的粗糙面452、N型半導體層20上的粗糙面422改變了發光二極體400與外界的界面形狀，改變了光射向出光面的入射角，從而發光層30所產生的光更容易經由粗糙面452、422出至外界照明，提升發光二極體400的亮度。
通過對1000顆以上的發光二極體400進行測試，在使用350mA電流的條件下，未經粗化處理的發光二極體的平均電壓為3.92V、平均波長為398.26nm、平均亮度為137.487mW，而經過粗化處理的發光二極體400的平均電壓為3.94V，平均波長為398.84nm，平均亮度為164.551mW，其資料如表1及表2所示：表1 未經粗化處理的發光二極體
由此驗證，本發明的發光二極體製造方法包含下列優點：(一)大幅提高發光二極體的發光效益(發光二極體粗化前後的亮度差異近30mW)；(二)不會影響發光二極體的電性(發光二極體粗化前後的平均電壓未有顯著差異)；及(三)不會破壞發光二極體之結構(發光二極體粗化前後的波長未有顯著的位移)。
實際上，光阻200塗布於晶片100上的位置決定了蝕刻之後晶片100被粗化的外表面的位置，如圖5所示為由本發明製造方法所得到的另一發光二極體500的結構示意圖，作為本發明地進一步改進，在製造時將光阻200塗布於發光結構90的整個外表面上，包 括發光結構90頂部的出光面以及側面，從而在蝕刻之後不僅電流擴散層50上與N型半導體層20上形成粗糙面452、422，發光結構90的側面亦被粗化形成粗糙面590。從而發光層30所產生的光線不僅可由發光二極體500頂部的出光面，即粗糙面452、422射出，還可由側面的粗糙面590射出，更進一步能提高發光二極體500之出光率。
圖6所示為由本發明製造方法所得到的又一發光二極體600的結構示意圖，其不同之處在於：在塗布光阻200之前，先在P型電極60與N型電極70上覆蓋一保護層，從而在蝕刻中由於保護層的存在，P型電極60與N型電極70的上表面62、72並未被粗化，仍為平滑面。所述保護層的材料可為二氧化矽(Silicon Dioxide，SiO2)、氮化矽(Silicon Nitride，Si3N4)等。蝕刻完成之後，可將保護層浸入化學溶液中，以超音波震動加上紫外光(UV)照射提高溶液溫度的方式加速保護層與化學溶液之間的化學反應去除保護層。所述化學溶液的溫度大約高至150℃左右，對於二氧化矽、氮化矽保護層，化學溶液可選擇緩衝氧化蝕刻液(Buffer Oxide Etcher，BOE)。
圖7所示為由本發明製造方法所得到的再一發光二極體700的結構示意圖，其不同之處在於：基板710與發光結構90接觸的面被粗化形成漫反射面24，從而可有效地將發光層30射向基板710的光反射向出光面，即粗糙面452、422。該漫反射面24的形成是在成長發光結構90之前，類似於出光面的粗化，也可在基板710上塗布光阻200並置入感應耦合等離子體蝕刻機中蝕刻，從而在基板710上形成粗化的漫反射面24，之後即可在漫反射面24上成長發 光結構90並粗化發光結構90的出光面，形成發光二極體700。發光層30所產生的光部分射向基板710，在漫反射面24處發生漫反射，以不同的角度射向發光二極體700的粗化後的出光面，提高發光二極體700內部的光向外界射出的機會，因而增加發光二極體700的出光率。
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‧‧‧基板
20‧‧‧N型半導體層
30‧‧‧發光層
40‧‧‧P型半導體層
400‧‧‧發光二極體
422、452、462、472‧‧‧粗糙面
50‧‧‧電流擴散層
60、70‧‧‧電極

Claims (7)

  1. 一種發光二極體，包括基板、位於該基板上的發光結構、及設置於該發光結構上的電極，其改良在於：所述發光結構除基板之外的整個外表面為發光二極管的出光面，所述出光面與電極相連接的部分為平滑面，所述電極的外表面為粗糙面，出光面位於電極之外的部分至少一部分為粗糙面。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體，其中所述基板與發光結構連接的面為粗糙面，用於將射向基板的光漫反射向出光面。
  3. 如申請專利範圍第1至2中任意一項所述的發光二極體，其中所述粗糙面粗化的高度範圍為0.1-1微米，粗化大小為0.1-10微米。
  4. 一種發光二極體的製造方法，包括以下步驟：提供一晶片，該晶片包括基板及形成於基板上的發光結構；在發光結構上形成電極；在該發光結構的外表面及電極上塗布光阻，同時所述光阻塗布於發光結構遠離基板的側面上，使側面粗化；蝕刻以去除光阻，使發光結構的外表面及電極的外表面粗化。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的發光二極體的製造方法，其中所述光阻塗布之前，還包括在所述電極上塗布保護層。
  6. 如申請專利範圍第4項所述的發光二極體的製造方法，其中所述發光結構生長於基板上，在生長發光結構之前，還包括蝕刻以粗化基板，所述發光結構由基板被粗化的一側生長。
  7. 如申請專利範圍第4項所述的發光二極體的製造方法，其中所述蝕刻為感應耦合等離子體蝕刻。
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