專(zhuān)利名稱(chēng)：氮化鎵基ⅲ－ⅴ族化合物半導(dǎo)體led的發(fā)光裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種氮化鎵基III-V族化合物半導(dǎo)體LED的發(fā)光裝置，尤指一種適用于氮化鎵基(GaN-based)III-V族材料的發(fā)光二極管(light-emitting diode，簡(jiǎn)稱(chēng)LED)者，主要是在一基板(substrate)上成長(zhǎng)一多層磊晶結(jié)構(gòu)(multi-layered epitaxial structure)，并以磊晶(epitaxial)的方式成長(zhǎng)一適當(dāng)厚度且透光性較佳的金屬氧化層(metal oxide layer，例如ZnO)在多層磊晶結(jié)構(gòu)上，以作為光取出層(light extraction layer)，而構(gòu)成一氮化鎵基LED的發(fā)光裝置，具有較高的光取出率(light extraction efficiency)及可厚膜化等特性。
背景技術(shù)：
按，傳統(tǒng)的氮化鎵基發(fā)光裝置，系以Ni/Au結(jié)構(gòu)作為透明電極于P型半導(dǎo)體層表面，而藉以改善發(fā)光裝置的發(fā)光效率；惟，Ni/Au結(jié)構(gòu)本身即具有透光性較為不佳的材質(zhì)特性，因此，結(jié)構(gòu)特征上，Ni/Au結(jié)構(gòu)的成形厚度極薄，僅可在0.005至0.2μm間；又，根據(jù)臨界角度θC(CriticalAngle)原則，透明電極應(yīng)最好具有適當(dāng)厚度(即適度的厚膜化)，方可利于光的逃脫放出，則Ni/Au結(jié)構(gòu)在厚度特征的限制下，其對(duì)于透光性的增益，恐仍未盡理想。
再者，傳統(tǒng)以Ni/Au結(jié)構(gòu)作為透明電極的氮化鎵基發(fā)光裝置，因前述的結(jié)構(gòu)特征使然，難以在0.005至0.2μm間的成形厚度上，再施予表面處理而形成更多的側(cè)邊，故無(wú)法進(jìn)一步增加光的逃脫放出，而有所缺憾。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的主要目的，即為提供一種氮化鎵基III-V族化合物半導(dǎo)體LED的發(fā)光裝置，主要是以磊晶的方式，成長(zhǎng)一適當(dāng)厚度且透光性較佳的金屬氧化層在多層磊晶結(jié)構(gòu)上，以作為光取出層，且因光取出層的厚膜化，而可再施予表面處理，而進(jìn)一步達(dá)到較高的光取出率。
本實(shí)用新型所采取的技術(shù)方案為一種氮化鎵基III-V族化合物半導(dǎo)體LED的發(fā)光裝置，包括一基板、一多層磊晶結(jié)構(gòu)、一光取出層、一n型金屬電極及一p型金屬電極等構(gòu)成，該多層磊晶結(jié)構(gòu)又包括緩沖層、第一半導(dǎo)體層、光產(chǎn)生層、及第二半導(dǎo)體層等；其中該基板，系以藍(lán)寶石(sapphire)或碳化硅(SiC)制成，且基板的上表面可成長(zhǎng)一緩沖層；該第一半導(dǎo)體層，系成長(zhǎng)于緩沖層上的n型GaN基III-V族化合物半導(dǎo)體層；該光產(chǎn)生層，系成長(zhǎng)于第一半導(dǎo)體層上的GaN基III-V族化合物半導(dǎo)體層，或稱(chēng)為活性層，可為GaN多量子井(MQW)該第二半導(dǎo)體層，系成長(zhǎng)于光產(chǎn)生層上的p型GaN基III-V族化合物半導(dǎo)體層；該光取出層，系成長(zhǎng)于第二半導(dǎo)體層上可透光的金屬氧化層，可為ZnO材質(zhì)；該n型金屬電極，系設(shè)置在第一半導(dǎo)體層的露出面上該p型金屬電極，系設(shè)置在光取出層上；由此，可構(gòu)成一氮化鎵基LED的發(fā)光裝置，并可經(jīng)由后續(xù)的晶粒加工、設(shè)置、接線、及樹(shù)脂灌膜封裝，而構(gòu)成一氮化鎵基(GaN-based)的發(fā)光二極管。
本實(shí)用新型所具有的有益效果為1、本實(shí)用新型因系以磊晶的方式成長(zhǎng)一適當(dāng)厚度且透光性較佳的金屬氧化層在多層磊晶結(jié)構(gòu)上，以作為光取出層，而構(gòu)成一發(fā)光裝置，故可省略傳統(tǒng)Ni/Au結(jié)構(gòu)，而具有較高的光取出率；2、本實(shí)用新型因不再具有傳統(tǒng)Ni/Au結(jié)構(gòu)，故該光取出層將可適度加以厚膜化，以進(jìn)一步提升發(fā)光裝置的光取出率；3、本實(shí)用新型因光取出層系可厚膜化，故可在光取出層上進(jìn)一步施予表面處理，以形成更多的側(cè)邊，而大幅增進(jìn)光的逃脫放出；本實(shí)用新型的特征、技術(shù)手段、具體功能、以及具體的實(shí)施例，繼以圖式、圖號(hào)詳細(xì)說(shuō)明如后。


以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說(shuō)明。
圖1為本實(shí)用新型較佳實(shí)施例的立體示意圖；圖2為本實(shí)用新型較佳實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為ZnO與p-GaN的能帶示意圖；圖4為發(fā)光裝置內(nèi)光的逃脫放出示意圖；圖5為本實(shí)用新型第二實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本實(shí)用新型第三實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為本實(shí)用新型第四實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖8至圖9為光取出層的表面處理示意圖；圖10為壓花紋路內(nèi)光的逃脫放出示意圖；圖11至圖12為壓花紋路的另一實(shí)施例示意圖。
具體實(shí)施方式
請(qǐng)參閱圖1至圖3所示，在較佳實(shí)施例中，本實(shí)用新型系利用透光性較佳的ZnO材料，以磊晶的方式成長(zhǎng)一適當(dāng)厚度的金屬氧化層于多層磊晶結(jié)構(gòu)上，而形成一較佳的光取出層；該發(fā)光裝置，包括一基板10、一多層磊晶結(jié)構(gòu)20、一光取出層30、一n型金屬電極40及一p型金屬電極50等構(gòu)成，該多層磊晶結(jié)構(gòu)20又包括緩沖層22、第一半導(dǎo)體層24、光產(chǎn)生層26、及第二半導(dǎo)體層28等；其中該基板10，系以藍(lán)寶石(sapphire)或碳化硅(SiC)制成，基板厚度可在300至450μm；該緩沖層22，系于基板10的上表面11所形成的LT-GaN/HT-GaN的緩沖層，LT-GaN系為先成長(zhǎng)在基板10上的低溫緩沖層，厚度可在30至500，HT-GaN系為成長(zhǎng)在LT-GaN上的高溫緩沖層，厚度可在0.5至6μm；該第一半導(dǎo)體層24，系成長(zhǎng)于緩沖層22上的n型GaN基III-V族化合物半導(dǎo)體層(n-type gallium nitride-based III-V group compoundsemiconductor)，厚度可在2至6μm，成長(zhǎng)溫度Tg約在980至1080℃間；該光產(chǎn)生層26，系成長(zhǎng)于第一半導(dǎo)體層24上的GaN基III-V族化合物半導(dǎo)體層(galliumnitride-based III-Vgroup compound semiconductor)，或稱(chēng)為活性層，可為GaN多量子井(Multi-Quantum Well，簡(jiǎn)稱(chēng)MQW)或InGaN多量子井(MQW)；該第二半導(dǎo)體層28，系成長(zhǎng)于光產(chǎn)生層26上的p型GaN基III-V族化合物半導(dǎo)體層(p-type gallium nitride-based III-V group compoundsemiconductor)，例如p-GaN、p-InGaN、p-AlInGaN的磊晶沉積層厚度可在0.2至0.5μm，成長(zhǎng)溫度Tg約在950至1000℃間；該光取出層30，系成長(zhǎng)于第二半導(dǎo)體層28上可透光的金屬氧化層(light-transmitting oxide-metallic material)，可為ZnO材質(zhì)；該n型金屬電極40，系設(shè)置在第一半導(dǎo)體層24的露出面24a上；該p型金屬電極50，系設(shè)置在光取出層30上；由此，可構(gòu)成一具有光取出層30的發(fā)光裝置，且光取出層30所具有的適當(dāng)厚度，可使得從活性區(qū)(active region)所散發(fā)的光更易于穿透光取出層30的側(cè)邊及表面，而增加光(emitted light)的逃脫量，以提升發(fā)光裝置的光取出率。
此間應(yīng)予以說(shuō)明者，乃在于在較佳實(shí)施例中，該發(fā)光裝置的制成方式如下先在藍(lán)寶石(sapphire)或碳化硅(SiC)基板10的上表面11形成一緩沖層后，再成長(zhǎng)一n-GaN系的磊晶沉積層21；再于n-GaN系的磊晶沉積層21上形成一MQW的活性層23；再于MQW活性層23上形成一層p-GaN系(p-GaN-based，例如p-GaN、p-InGaN、p-AlInGaN)的磊晶沉積層25，且以蝕刻法(Etching)將部份n-GaN層21表面、部份MQW活性層23、及部份p-GaN層25移除，使n-GaN層21具有一露出面21a，且可在蝕刻后剩余的p-GaN層25上，以磊晶的方式成長(zhǎng)一適當(dāng)厚度的ZnO系窗口層31，而形成一較佳的光取出層；再于n-GaN層21的露出面21a上設(shè)置一n型金屬電極40，并在ZnO系窗口層31上設(shè)置一p型金屬電極50，而構(gòu)成一LED的發(fā)光裝置者。
此間應(yīng)再予以說(shuō)明者，乃在于該光產(chǎn)生層26(即活性層)，亦可僅包括一磊晶層(epitaxial layer)，且該磊晶層，系由AlGaInN基III-V族化合物半導(dǎo)體層(aluminum-gallium-indium-nitride-based III-Vgroup compound semiconductor)所構(gòu)成。
此間擬再予提出說(shuō)明者，乃在于前述的發(fā)光裝置，經(jīng)由晶粒加工后可設(shè)置在腳架(圖未出示)上，且接線后可由樹(shù)脂灌膜封裝，即可制成一完整的LED。
請(qǐng)參閱圖3所示，由于ZnO的能隙B1(Bandgap energy)約在3.4eV，亦即Eg(ZnO)3.4eV，而p-GaN的能隙B2亦約在3.4eV，亦即Eg(p-GaN)3.4eV；因此，兩者的能隙偏移量B3(Bandgap energy offset)較小，具有較佳的晶格匹配，使得在p-GaN層上磊晶沉積ZnO系窗口層成為可行，且成長(zhǎng)為一適當(dāng)厚度的光取出層；一般而言，GaN的晶格常數(shù)a3.189，ZnO的晶格常數(shù)a3.24，而藍(lán)寶石(sapphire)的晶格常數(shù)a4.758(10＝1nm，1000nm＝1μm)。
請(qǐng)參閱圖4所示，由于LED的發(fā)光裝置內(nèi)，只有在臨界角度θC(Critical Angle)以內(nèi)的光才能逃脫放出，所以，具有適當(dāng)厚度的光取出層，可提升發(fā)光裝置的光取出率；如圖所示，本實(shí)用新型的光取出層30，厚度實(shí)施的范圍可在50至50μm(厚膜化)，因此，從活性區(qū)所散發(fā)的光更易于穿透光取出層30的表面301及側(cè)邊302，而具有較佳光取出率請(qǐng)參閱圖5所示，在第二實(shí)施例中，該光取出層30，進(jìn)一步亦可為InxZn1-xO系窗口層32(0≤X≤1)，且當(dāng)該光取出層30厚度在1μm以上時(shí)，可在InxZn1-xO系窗口層32的裸露表面(即InxZn1-xO系窗口層32表面不含與p型金屬電極50接觸的部份)，進(jìn)一步施予表面處理，而具有粗糙表面或壓花紋路，使得光取出層30具有更多的側(cè)邊，以大幅增加光的逃脫放出。
請(qǐng)參閱圖6所示，在第三實(shí)施例中，該光取出層30，進(jìn)一步亦可為SnxZn1-xO系窗口層33(0≤X≤1)，且當(dāng)該光取出層30厚度在1μm以上時(shí)，可在SnxZn1-xO系窗口層33的裸露表面(即SnxZn1-xO系窗口層33表面不含與p型金屬電極50接觸的部份)，進(jìn)一步施予表面處理，而具有粗糙表面或壓花紋路，使得光取出層30具有更多的側(cè)邊，以大幅增加光的逃脫放出。
請(qǐng)參閱圖7所示，在第四實(shí)施例中，該光取出層30，進(jìn)一步亦可為InxSnyZn1-x-yO系窗口層34(0≤X≤1，且0≤Y≤1，且0≤X+Y≤1)，并當(dāng)該光取出層30厚度在1μm以上時(shí)，可在InxSnyZn1-x-yO系窗口層34的裸露表面(即InxSnxZn1-x-yO系窗口層34表面不含與p型金屬電極50接觸的部份)，進(jìn)一步施予表面處理，而具有粗糙表面或壓花紋路，使得光取出層30具有更多的側(cè)邊，以大幅增加光的逃脫放出。
請(qǐng)參閱圖8至圖9示，承前所述，該光取出層30的表面，進(jìn)一步亦可施予壓花處理，而形成壓花紋路，同樣地，該壓花紋路亦可使光取出層30具有更多的側(cè)邊，而大幅增加光的逃脫放出；如第7圖所示，該壓花紋路303，可為圓錐體或三角錐體者；如圖9示，該壓花紋路305，可為四角錐體(金字塔體)等；且其它幾何錐體的變化者亦為本實(shí)用新型壓花紋路的可行方式。
請(qǐng)參閱圖10，該光取出層30表面所形成的壓花紋路303，305或粗糙表面(Rough Surface)，可由一剖面示意圖進(jìn)一步說(shuō)明壓花紋路303，305內(nèi)或粗糙表面內(nèi)光的逃脫放出狀況；亦即，原本在光取出層30表面上，將有一部份光被水平狀的表面反射而無(wú)法逃脫放出，現(xiàn)如圖所示，有些光可在兩側(cè)邊302的間藉由多數(shù)次反射，而至終逃脫放出。
請(qǐng)參閱圖11至圖12所示，系為壓花紋路的另一實(shí)施例平面示意圖及部份立體示意圖；其中，該壓花紋路，進(jìn)一步亦可由多數(shù)個(gè)凹槽307所布設(shè)而成，且凹槽307的布設(shè)方式可排列呈三角形、矩形、菱形、及多邊形等，凹槽307間并具有適當(dāng)間隔距離，以供電流導(dǎo)通，且其它幾何形狀的排列變化者亦為本實(shí)用新型可行的方式。
此間應(yīng)再予以說(shuō)明者，乃在于該光取出層30，亦可為折射率(refractive index)至少在1.5的金屬氧化層者；或可為n型傳導(dǎo)(n-typeconduction)或p型傳導(dǎo)(p-type conduction)的金屬氧化層者；或可為摻雜有稀土元素(rare earth-doped)的金屬氧化層者；或可為具有較佳的可見(jiàn)光透光性范圍(transparency in visible range)的金屬氧化層者，例如范圍約在400至700nm者；且以上所述，皆為本實(shí)用新型發(fā)光裝置的可行方式。
此間擬提出說(shuō)明者，乃在于本實(shí)用新型發(fā)光裝置的磊晶結(jié)構(gòu)，系可由濺鍍自我組織(self-texturing by sputtering)法所形成，或可由物理氣相沉積(physical vapor deposition)法所形成，或可由離子電鍍(ion plating)法所形成，或可由脈沖雷射蒸鍍(pulsed laserevaporation)法所形成，或可由化學(xué)氣相沉積(chemical vapordeposition)法所形成，或可由分子束磊晶成長(zhǎng)(molecular beam epitaxy)法所形成。
權(quán)利要求1.一種氮化鎵基III-V族化合物半導(dǎo)體LED的發(fā)光裝置，包括一基板、一多層磊晶結(jié)構(gòu)、一光取出層、一n型金屬電極及一p型金屬電極等構(gòu)成，該多層磊晶結(jié)構(gòu)又包括緩沖層、第一半導(dǎo)體層、光產(chǎn)生層、及第二半導(dǎo)體層等；其特征在于該基板，系可為藍(lán)寶石(sapphire)材質(zhì)，且基板的上表面可成長(zhǎng)一緩沖層；該第一半導(dǎo)體層，系成長(zhǎng)于緩沖層上的n型GaN基III-V族化合物半導(dǎo)體層；該光產(chǎn)生層，系成長(zhǎng)于第一半導(dǎo)體層上的GaN基III-V族化合物半導(dǎo)體層，或稱(chēng)為活性層，可為GaN多量子井(MQW)；該第二半導(dǎo)體層，系成長(zhǎng)于光產(chǎn)生層上的p型GaN基III-V族化合物半導(dǎo)體層；該光取出層，系成長(zhǎng)于第二半導(dǎo)體層上可透光的金屬氧化層；該n型金屬電極，系設(shè)置在第一半導(dǎo)體層的露出面上；該p型金屬電極，系設(shè)置在光取出層上；由此，可構(gòu)成一氮化鎵基LED的發(fā)光裝置，并可經(jīng)由后續(xù)的晶粒加工、設(shè)置、接線、及樹(shù)脂灌膜封裝，而構(gòu)成一氮化鎵基LED。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化鎵基III-V族化合物半導(dǎo)體LED的發(fā)光裝置，其特征在于該基板，亦可為碳化硅(SiC)材質(zhì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化鎵基III-V族化合物半導(dǎo)體LED的發(fā)光裝置，其特征在于該基板的厚度，可在300至450μm；該緩沖層，系于基板的上表面所形成的LT-GaN/HT-GaN的緩沖層，LT-GaN系為先成長(zhǎng)在基板上的低溫緩沖層，LT-GaN的厚度可在30至500，HT-GaN系為成長(zhǎng)在LT-GaN上的高溫緩沖層，HT-GaN的厚度可在0.5至6μm；該第一半導(dǎo)體層的厚度，可在2至6μm；該第二半導(dǎo)體層，可為p-GaN、p-InGaN、p-AlInGaN的磊晶沉積層，厚度可在0.2至0.5μm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化鎵基III-V族化合物半導(dǎo)體LED的發(fā)光裝置，其特征在于該光產(chǎn)生層，亦可為InGaN多量子井(MQW)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化鎵基III-V族化合物半導(dǎo)體LED的發(fā)光裝置，其特征在于該光產(chǎn)生層，進(jìn)一步亦可僅包括一磊晶層，且該磊晶層，系由AlGaInN基III-V族化合物半導(dǎo)體層所構(gòu)成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化鎵基III-V族化合物半導(dǎo)體LED的發(fā)光裝置，其特征在于該光取出層，可為ZnO、或InxZn1-xO、或SnxZn1-xO、或InxSnyZn1-x-yO等材質(zhì)，且0≤X≤1，且0≤Y≤1，且0≤X+Y≤1。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化鎵基III-V族化合物半導(dǎo)體LED的發(fā)光裝置，其特征在于該光取出層，可為折射率至少在1.5的金屬氧化層；或可為摻雜有稀土元素的金屬氧化層；或可為具有較佳的可見(jiàn)光透光性范圍(約在400至700nm間)的金屬氧化層或可為n型傳導(dǎo)或p型傳導(dǎo)的金屬氧化層者。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化鎵基III-V族化合物半導(dǎo)體LED的發(fā)光裝置，其特征在于該壓花紋路，系可由圓錐體所構(gòu)成，或可由三角錐體所構(gòu)成，或可由四角錐體所構(gòu)成，或可由任一幾何錐體所構(gòu)成者者。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化鎵基III-V族化合物半導(dǎo)體LED的發(fā)光裝置，其特征在于該壓花紋路，系可由多數(shù)個(gè)凹槽所布設(shè)而成，且凹槽的布設(shè)方式可排列呈三角形，或可排列呈矩形，或可排列呈菱形，或可排列呈多邊形，或可排列呈任一幾何形狀，且凹槽間并具有適當(dāng)間隔距離，以供電流導(dǎo)通。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化鎵基III-V族化合物半導(dǎo)體LED的發(fā)光裝置，其特征在于該發(fā)光裝置的磊晶結(jié)構(gòu)，系可由濺鍍自我組織(self-texturing by sputtering)法所形成，或可由物理氣相沉積(physical vapor deposition)法所形成，或可由離子電鍍(ion plating)法所形成，或可由脈沖雷射蒸鍍(pulsed lasere vaporation)法所形成，或可由化學(xué)氣相沉積(chemical vapor deposition)法所形成，或可由分子束磊晶成長(zhǎng)(molecular beam epitaxy)法所形成。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型涉及一種氮化鎵基III－V族化合物半導(dǎo)體LED的發(fā)光裝置及其制造方法，系以磊晶的方式在多層磊晶結(jié)構(gòu)上，形成一適當(dāng)厚度且透光性較佳的金屬氧化層，以作為光取出層，而構(gòu)成一發(fā)光裝置，具有較高的光取出率及可厚膜化等特性。
文檔編號(hào)H01L33/00GK2591781SQ02292589
公開(kāi)日2003年12月10日 申請(qǐng)日期2002年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月26日
發(fā)明者洪詳竣, 黃振斌, 易乃冠 申請(qǐng)人:炬鑫科技股份有限公司