專利名稱：高亮度氮化物微發(fā)光二極管及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高亮度的氮化物微發(fā)光二極管(LED)及其制造方法，具體地是涉及通過微調(diào)微米級氮化物發(fā)光元件并允許元件陣列同時驅(qū)動的方法使發(fā)光效率最大化的一種高亮度的氮化物微發(fā)光二極管(LED)及其制造方法。
背景技術(shù)：
最近，因為氮化鎵(GaN)半導(dǎo)體的極優(yōu)特性，氮化物半導(dǎo)體LED正被廣泛地研究。
具體地，為了將氮化物L(fēng)ED用于照明以及用于顯示，需要克服商業(yè)化LED的亮度限制。
氮化物L(fēng)ED通常在直徑為300μm或更大的元件面積(element area)中發(fā)光。從發(fā)光層散發(fā)的光可能不能從元件中發(fā)出而被鎖在元件之中，故而氮化物L(fēng)ED具有一極限，即其外部發(fā)光效率不超過30％。
為了解決這個問題，內(nèi)部發(fā)光效率和外部發(fā)光效率應(yīng)該分別最優(yōu)化。因為大部分GaN都用異質(zhì)外延(heterogeneous epitaxy)技術(shù)生長，其中必定存在眾多的晶格缺陷，因而導(dǎo)致內(nèi)部發(fā)光效率的降低。
盡管如此，最近的GaN生長技術(shù)具有基于異質(zhì)外延技術(shù)的趨勢，因而期望提高內(nèi)部發(fā)光效率存在困難。因此，通過具有先前優(yōu)化并生長進薄膜中的元件結(jié)構(gòu)的、提高光集中度的諸如電極高效形成的技術(shù)和封裝技術(shù)，人們進行了提高發(fā)光效率的嘗試。


圖1是示例依據(jù)本發(fā)明一個實施方案的微發(fā)光二極管(LED)的視圖。
圖2A至2E是示例制造圖1所示的微LED的方法的視圖。
圖3和圖4是示例依據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的微LED的變體的視圖。
圖5是示例依據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的微LED的另一變體的視圖。
圖6A至6D是示例制造微LED的方法的視圖，其中在制造圖1所示的微LED中采用選擇性重新生長法(selective re-growth method)代替干燥蝕刻(dry etching)法。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)主題為了解決上述問題，本發(fā)明意圖提供一種用具有先前優(yōu)化和生長進薄膜(grown-into-thin-film)結(jié)構(gòu)的氮化物半導(dǎo)體提高的高亮度的氮化物微LED。因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種高亮度的氮化物微LED及其制造方法，其中，通過把發(fā)光元件控制在微米尺寸中而最大可能地增加發(fā)光面積，從而允許從活性層發(fā)出的光能夠從元件中發(fā)出。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種高亮度氮化物微LED及其制造方法，該高亮度氮化物微LED和常規(guī)的大面積LED相比消耗相等的電能且其發(fā)光效率更優(yōu)。
技術(shù)方案為了實現(xiàn)上述目的，依據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案，提供了一種消耗和常規(guī)的大面積LED相等的電能但具有更優(yōu)的發(fā)光效率的高亮度氮化物微LED，及其制造方法。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種具有多個發(fā)光柱(luminouspillar)的高亮度氮化物微LED(發(fā)光二極管)，該LED包括具有在基質(zhì)上形成的n型GaN層的多個微米級(micro-sized)發(fā)光柱，在該n型GaN層上形成的活性層，以及在該活性層上形成的p型GaN層；填充在發(fā)光柱之間的、具有和該發(fā)光柱基本相同高度的間隙填充材料(gap fillingmaterial)；在間隙填充材料和發(fā)光柱頂部表面形成的p型透明電極；在該p型透明電極上形成的p型電極；以及與該n型GaN層電連接的n型電極，其中發(fā)光柱陣列被同時驅(qū)動。
在本發(fā)明中，該間隙填充材料優(yōu)選包括至少一種選自SiO2、Si3N4或其組合物、聚酰胺、以及ZrO2/SiO2或HfO2/SiO2的材料。
在本發(fā)明中，該間隙填充材料通過一個CMP(化學(xué)機械研磨)過程形成至具有和發(fā)光柱基本上相同的高度。
在本發(fā)明中，發(fā)光柱的p型GaN層的頂部表面可具有通過CMP過程形成的凸起表面。在這種情況下，該凸起表面用作鏡頭。
在本發(fā)明中，該透明電極優(yōu)選包括氧化的Ni/Au(NiO/Au)的組合物或ITO(銦錫氧化物)。
在本發(fā)明中，該氮化物微LED優(yōu)選還包括一對分別在透明電極的頂部表面和基質(zhì)的底部表面形成的DBR(分布布拉格反射器)層。
在本發(fā)明中，該氮化物微LED還可包括涂覆在透明電極的頂部表面或基質(zhì)的底部表面的AR(防反射)層。
在本發(fā)明中，該發(fā)光柱可具有傾斜的側(cè)表面。在這種情況下，氮化物微LED優(yōu)選還包括一層由ZrO2/SiO2或HfO2/SiO2制成并在發(fā)光柱之間的間隙中的間隙填充材料下面形成的DBR層。
此外，本發(fā)明提供了一種通過倒裝芯片(flip-chip)法裝配(mount)的高亮度氮化物微LED，該氮化物微LED包括藍寶石基質(zhì)；多個微米級發(fā)光柱，該微米級發(fā)光柱具有生長在該藍寶石基質(zhì)上的n型GaN層，在該n型GaN層上形成的活性層和在該活性層上形成的p型GaN層；填充在發(fā)光柱之間的、具有和該發(fā)光柱基本相同的高度的間隙填充材料；在間隙填充材料和發(fā)光柱的頂部表面形成的金屬電極；在金屬電極上形成的p型電極；以及和n型GaN層電連接的n型電極，其中發(fā)光柱陣列被同時驅(qū)動。
此外，本發(fā)明提供了一種制造具有多個微發(fā)光柱的高亮度氮化物微LED的方法，該方法包括(a)在一晶圓(wafer)或基質(zhì)上依次生長n型GaN層、活性層，以及p型GaN層的步驟；(b)為在基質(zhì)上形成具有n型GaN層、活性層以及p型GaN層的發(fā)光柱而干燥蝕刻加工過的晶圓的步驟；(c)在發(fā)光柱之間的間隙中沉積間隙填充材料的步驟；(d)用CMP過程將發(fā)光柱陣列的頂部表面和間隙填充材料的頂部表面平坦化的步驟；以及(e)在發(fā)光柱陣列和間隙填充材料的所有頂部表面沉積一透明電極、在預(yù)定位置分別沉積一p型電極和一n型電極，以及加熱所得結(jié)構(gòu)的步驟。
在本發(fā)明中，步驟(c)優(yōu)選以發(fā)光柱之間的間隙被完全用間隙填充材料填充的方式進行，步驟(d)優(yōu)選以發(fā)光柱頂部表面和間隙填充材料的頂部表面相互具有相同高度的方式進行。
在本發(fā)明中，步驟(c)可以以發(fā)光柱之間的間隙被完全用間隙填充材料填充的方式進行，步驟(d)可以以發(fā)光柱中的p型GaN層的頂部表面形成具有凸出表面的方式進行。
在本發(fā)明中，該間隙填充材料優(yōu)選包括至少一種選自SiO2、Si3N4或其組合物、聚酰胺、以及ZrO2/SiO2或HfO2/SiO2的材料。
在本發(fā)明中，該透明電極優(yōu)選包括氧化的Ni/Au(NiO/Au)的組合物或ITO(銦錫氧化物)。
在本發(fā)明中，該方法優(yōu)選地還包括，在步驟(e)以后，在透明電極的頂部表面和基質(zhì)的底部表面沉積一對DBR(分布布拉格反射器)層的步驟。
在本發(fā)明中，該方法優(yōu)選地還包括，在步驟(e)以后，在透明電極的頂部表面或基質(zhì)的底部表面涂覆一層AR(防反射)層的步驟。
在本發(fā)明中，在步驟(b)中，可以控制過程的變量以使發(fā)光柱的側(cè)表面形成傾斜部分。在這種情況下，該方法優(yōu)選地還包括，在步驟(b)和步驟(c)之間，在發(fā)光柱之間的間隙中沉積DBR層的步驟。
此外，本發(fā)明提供了一種制造具有多個微發(fā)光柱的高亮度氮化物微LED的方法，該方法包括(a)在藍寶石晶圓或基質(zhì)上依次生長n型GaN層、活性層，以及p型GaN層的步驟；(b)為在基質(zhì)上形成具有n型GaN層、活性層以及p型GaN層的發(fā)光柱而干燥蝕刻加工過的晶圓的步驟；(c)在發(fā)光柱之間的間隙中沉積間隙填充材料的步驟；(d)用CMP過程將發(fā)光柱陣列的頂部表面和間隙填充材料的頂部表面平坦化的步驟；以及(e)在發(fā)光柱陣列的全部頂部表面沉積一金屬電極、在其上分別沉積一p型電極和一n型電極，以及加熱所得結(jié)構(gòu)的步驟。
此外，本發(fā)明提供了一種制造具有多個微發(fā)光柱的高亮度氮化物微LED的方法，該方法包括(a)在一晶圓或基質(zhì)上生長n型GaN緩沖層的步驟；(b)在該n型GaN緩沖層上沉積一氧化物膜的步驟；(c)濕蝕刻和圖案化(patterning)該氧化物膜以使該氧化物膜具有其間的多個柱和間隙的步驟；(d)用暴露在間隙的底部表面中的n型GaN緩沖層依次重新生長n型GaN層、活性層以及p型GaN層直到達氧化物膜柱的高度的步驟；以及(e)在重新生長的發(fā)光柱陣列的全部頂部表面上沉積一透明電極、在預(yù)定位置沉積一p型電極，在n型GaN層上沉積一n型電極，以及加熱所得結(jié)構(gòu)的步驟。
在本發(fā)明中，該方法優(yōu)選地還包括，在步驟(e)后，在透明電極的頂部表面和基質(zhì)的底部表面沉積一對DBR(分布布拉格反射器)層的步驟。
在本發(fā)明中，該方法還可包括，在步驟(e)以后，在透明電極的頂部表面或基質(zhì)的底部表面涂覆一層AR(防反射)層的步驟。
特殊效果根據(jù)如上描述的本發(fā)明，通過用間隙填充材料填充氮化物微發(fā)光柱中的發(fā)光柱之間的間隙、用CMP過程平坦化所得結(jié)構(gòu)，以及在其表面上形成透明電極，有可能最大化發(fā)光面積，從而高效率地外部利用活性層發(fā)出的光。
另外，有可能提供和常規(guī)的大面積LED相比消耗相等的電能且其發(fā)光效率更優(yōu)的高亮度氮化物微LED。
此外，依據(jù)本發(fā)明，通過使用具有改進結(jié)構(gòu)的高亮度氮化物微LED，可望增加用于顯示和照明的LED的需求。另外，本發(fā)明能應(yīng)用于一種制造用于微顯示的微LED的方法。
盡管本發(fā)明連同參照附圖的優(yōu)選實施方案進行了描述，但該優(yōu)選實施方案并不意在限制本發(fā)明，而在于示例本發(fā)明的最佳實施方法。本領(lǐng)域技術(shù)人員將能理解，可以進行不同的改變或修改而沒有偏離本發(fā)明的精神和范圍。因此，本發(fā)明僅被所附的、應(yīng)被解釋為涵蓋該改變或修改的權(quán)利要求限定。
具體實施例方式
本發(fā)明的優(yōu)選實施方案現(xiàn)將結(jié)合附圖詳細描述。
第一實施方案圖1是示例根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的微LED的視圖，圖2A至2E是說明制造圖1所示的微LED的方法的視圖。
如圖1所示，依據(jù)本發(fā)明的高亮度氮化物微LED包括基質(zhì)1、n型GaN層2、活性層3、p型GaN層4、間隙填充材料5、透明電極6、p型電極7、n型電極、以及DBR(分布布拉格反射器)層9。圖1中的標記數(shù)字10表示微米級發(fā)光柱。
具體地，在預(yù)定的方向上生長的藍寶石(Al2O3)基質(zhì)1上依次生長和沉積的n型GaN層2、InGaN/GaN活性層3、p型GaN層4構(gòu)成了多個微米級發(fā)光柱或發(fā)光元件柱10。
為了使發(fā)光面積最大化，發(fā)光元件柱10形成圓柱體形狀。當然，本發(fā)明的發(fā)光元件柱10可以形成不同于圓柱體形狀的多角形柱的形狀。此外，發(fā)光元件柱10的直徑可以在接近發(fā)射光波長的0.5μm至幾十μm之間調(diào)整。另外，柱10的高度可以調(diào)整，以便活性層、n型摻雜層(dopedlayer)和p型摻雜層全包括在柱中。該元件用干燥蝕刻法或選擇性重新生長法形成。在本實施方案中，將首先描述一種使用干燥蝕刻法的制造方法，然后將在參照圖6A至6D的一個實施方案中詳細描述使用選擇性重新生長法的制造方法。
間隙填充材料5是一種用于填充在發(fā)光元件柱10之間形成的間隙的材料，并通過平坦化過程協(xié)助各個柱10的電極形成?？捎糜陂g隙填充的材料包括SiO2、Si3N4、SiO2和Si3N4的組合物、聚酰胺、ZrO2/SiO2、HfO2/SiO2等等。諸如等離子體增強的化學(xué)氣相沉積(PECVD)、蒸鍍(evaporation)和濺鍍(sputtering)的方法用于沉積間隙填充材料。
氧化的Ni/Au(NiO/Au)的組合物或ITO(銦錫氧化物)被用于透明電極6。透明電極6在發(fā)光元件柱10的上部p型GaN層4的表面和間隙填充材料5的頂部表面11上形成，以在各個發(fā)光元件柱10的電激發(fā)(electrical pumping)的同時驅(qū)動所有柱10。在此，發(fā)光元件柱10的上部p型GaN層4的表面和間隙填充材料5的頂部表面11應(yīng)預(yù)先通過預(yù)定的方法平坦化。
該p型電極7和n型電極8由選自金(Au)、鋁(Al)、銅(Cu)或其合金的至少一種導(dǎo)電材料制成。
DBR層9在透明電極6上和基質(zhì)1的后表面上形成，以作為一用于形成具有共振腔的微LED的、具有高反射率的層。
如上所述，本發(fā)明的微米級的氮化物發(fā)光元件主要包括微米級發(fā)光柱、填充在柱間的間隙中的間隙填充材料、用于形成共振腔LED(RCLED)的DBR層，以及用于電激發(fā)的電極。
換句話說，與商業(yè)化的大面積LED的一個最大的不同點在于通過用微米級發(fā)光元件陣列取代作為平面的大面積而提高了發(fā)光面積。此外，為了允許發(fā)光元件陣列同時驅(qū)動，在柱間填充一種諸如硅的材料，通過一個平坦化過程有效地形成具有透明電極的一種結(jié)構(gòu)。
更加具體地，一種制造氮化物微LED的方法將參照圖2A至2E描述。
首先，如圖2A所示，一種內(nèi)部發(fā)光效率優(yōu)良的發(fā)光層用金屬有機化學(xué)氣相沉積(MOCVD)法生長。即，該n型GaN層2在一具有預(yù)定結(jié)晶方向的藍寶石晶圓或基質(zhì)1上形成，InGaN/GaN量子阱(QW)活性層3在其上形成，然后p型GaN層4在其上形成。
下一步，如圖2B所示，用干燥蝕刻法將其上具有如上方法形成的半導(dǎo)體發(fā)光元件結(jié)構(gòu)的晶圓制成的柱形。該蝕刻通過使用諸如Cl2、BCl2或其類似物的反應(yīng)氣體的ICP(感應(yīng)耦合等離子體)法進行。對于發(fā)光柱10的形狀，除了預(yù)期具有優(yōu)良的發(fā)光效率的圓形外，還可選擇多角形。
此時，發(fā)光柱10的高度大約為1μm左右，以便該QW結(jié)構(gòu)、n型GaN層和p型GaN層都包括在柱中，發(fā)光柱10的直徑為大約0.4μm至幾十μm以用于形成光子晶體(photonic crystals)。
在蝕刻過程后，間隙填充材料5被沉積在發(fā)光柱10之間的間隙12中。此時，如圖2C所示，填充材料5通常以相同的形狀沉積。因此，間隙填充材料5的第一沉積厚度應(yīng)該至少為發(fā)光柱10的高度或更大，且需要精確的過程選擇和精確的過程控制以避免由于間隙填充材料的沉積最終在間隙填充層中形成空隙。為了滿足該要求，沉積間隙填充材料5的過程優(yōu)選采用高密度等離子增強沉積法。此外，作為間隙填充材料5，可以使用SiO2、Si3N4、SiO2和Si3N4的組合物、聚酰胺、ZrO2/SiO2、HfO2/SiO2等等。
間隙填充材料5的原材料能安全地提供各個發(fā)光柱10間的絕緣并在后續(xù)的過程的熱處理中保持熱穩(wěn)定，此外其折射率比空氣高，以降低發(fā)射光的菲涅耳損失(fresnel loss)。具體地，當ZrO2或HfO2用于GaN層的側(cè)表面上的第一層時，與僅使用SiO2的情況相比，從GaN的折射率差異進一步降低，因此進一步降低了總折射和菲涅耳損失。
如圖2D所示，為了在發(fā)光柱10陣列的全部頂部表面提供均一的透明電極，對沉積的間隙填充材料5進行平坦化過程。盡管平坦化過程可以包括各種方法，但CMP法在本發(fā)明中為最有效的方法。
具體地，為了使發(fā)光柱10和沉積的間隙填充材料5的高度彼此相等，本發(fā)明進行了平坦化過程。該平坦化過程通過沉積一層厚光阻劑(photoresist，PR)膜、并運用氧化物膜和PR膜以相同速度蝕刻的干燥蝕刻法或CMP(化學(xué)機械研磨)法進行。具體地，當運用CMP時，因為僅可以選擇性蝕刻氧化物膜，并且GaN膜可以用作平坦化的終止層，所以其可控性和重復(fù)性非常好。
換句話說，由于GaN在化學(xué)上和機械上非常穩(wěn)定，用CMP法除去在發(fā)光柱10的頂部表面上沉積的間隙填充層5不會破壞GaN層。即，由于發(fā)光柱10陣列自身可以用作平坦化的終點層，所以平坦化過程的重復(fù)性和可靠性可以大大提高。
對于CMP過程使用的溶液，使用的是軟化氧化物膜的通常的堿性溶液。該堿性溶液的商業(yè)化產(chǎn)品可包括Syton，其中氧化物的軟化程度可以通過調(diào)節(jié)堿性溶液的酸度(pH)控制。精細的SiO2或Al2O3可用作研磨顆粒，為了減少發(fā)光柱的頂部表面和間隙填充材料的頂部表面在完成平坦化過程后的高度差異，更精細的顆粒更有利。
如圖2D所示，為了保護發(fā)光柱10的形狀而無任何損傷，優(yōu)選使用諸如玻璃的硬質(zhì)研磨墊(polishing pad)且給樣品施加小的力。此外，當CMP過程進行時給樣品應(yīng)用了大的力并使用了軟的研磨墊時，GaN層的最上層(p型GaN層的頂部表面)可以被加工成如圖3所示的鏡頭形狀11a。這是CMP方法的另一優(yōu)點，且圖3所示的鏡頭形狀11a提高了發(fā)光效率和光的直線性。
接下來，如圖2E所示，在CMP過程后的最后一步中，形成了透明電極6。即，透明電極6在平坦化過程完成后暴露的發(fā)光柱10的頂部表面的p型GaN上被大面積形成，因此形成一個各個發(fā)光柱被電激發(fā)(electrically pumped)且所有的柱10都被同時驅(qū)動的結(jié)構(gòu)。作為透明電極6的材料，可以使用薄Ni/Au或ITO。然后形成該p型電極7和n型電極8，并隨后加熱所得結(jié)構(gòu)。
另一方面，通過改變上述ICP蝕刻過程的過程變量，可以控制側(cè)表面的傾斜度。通常，優(yōu)選無傾斜面且有優(yōu)良的垂直度的蝕刻過程，但是依據(jù)間隙填充材料的選擇，有可能需要形成一傾斜側(cè)表面。即從加工角度看，當選擇DBR材料作為間隙填充材料時，傾斜側(cè)表面比垂直側(cè)表面更加有利。例如，通過形成發(fā)光柱10的傾斜的側(cè)表面并用DBR材料作為間隙填充材料填充其間的間隙，可獲得圖4所示的形狀。換句話說，使用ZrO2/SiO2或HfO2/SiO2時，DBR層9a在內(nèi)部側(cè)表面10a和間隙12的底部部分首先形成，然后包括其他材料的間隙填充材料可以進一步在其中填充。然后，盡管在圖4中沒有顯示，透明電極6、p型電極7以及n型電極8可以用如上描述的方法形成。
此外，在本發(fā)明中，當發(fā)光元件用做具有半導(dǎo)體元件的基質(zhì)1方向朝上的倒裝芯片結(jié)構(gòu)時，可以取代透明電極而沉積一允許倒裝芯片裝配的金屬電極6a。
盡管上述的實施例的結(jié)構(gòu)中光朝向元件的頂部發(fā)出，但本發(fā)明并不限于該結(jié)構(gòu)，而是可包括光朝向基質(zhì)方向發(fā)出的倒裝芯片結(jié)構(gòu)。換句話說，通過制造含具有如圖5所示的倒裝芯片結(jié)構(gòu)的透明電極6或金屬電極6a的元件，朝向基質(zhì)1發(fā)出的光就能被高效率地利用。
此外，倒裝芯片結(jié)構(gòu)防止了薄的透明電極的局部不均勻性，該局部不均勻性可由間隙填充材料(在圖5中是間隙填充材料的底部表面)和發(fā)光柱10的頂部表面的高度的細微差異產(chǎn)生。即，防止了發(fā)光柱由于布局不均勻性而不能同時被驅(qū)動。
正如這樣，當本發(fā)明采用倒裝芯片結(jié)構(gòu)時，上述的問題可以得到完全解決，從而獲得了高光效率。另外，考慮到在發(fā)光層及其相鄰介質(zhì)間的折射率差異更小的情況下，發(fā)光效率得到了提高，發(fā)出的光必定要通過倒裝芯片結(jié)構(gòu)中的基質(zhì)，因而有可能獲得與具有發(fā)出的光直接釋放到空氣中的結(jié)構(gòu)相比更高的發(fā)光效率。
此外，除了本發(fā)明的上述實施例的最終元件結(jié)構(gòu)外，可涂覆一AR(防反射)層，或者可以在元件的頂部或底部表面沉積DBR層，從而獲得一RCLED(共振腔LED)結(jié)構(gòu)。在此情況下，即使其反射率不如VCSEL(垂直腔面發(fā)射二極管)中形成的DBR層高，具有合適的反射率的DBR層能提高發(fā)射光的可再利用性(re-cyclability)，因而有效地提高了發(fā)射光的質(zhì)量。
第二實施方案圖6A至6D是示例用選擇性重新生長法取代第一實施方案中制造微LED的干燥蝕刻法制造微LED的方法的視圖。
與第一實施方案中采用干燥蝕刻法形成發(fā)光柱10不同，第二實施方案采用了選擇性重新生長法。在此情況下，第二實施方案不需要CMP過程。
如圖6A所示，首先，用于重新生長發(fā)光柱10的GaN緩沖層2a(見圖6D)在基質(zhì)1上生長，然后氧化物膜5以需要獲得的發(fā)光柱的厚度在其上沉積。通過用濕蝕刻圖案化氧化物膜5，可獲得圖B所示的形狀，且用暴露的GaN緩沖層2a(見圖6C)進行重新生長。作為重新生長層，n型GaN層2、InGaN/GaN QW活性層3和p型GaN層4被生長在n型GaN緩沖層2a上(見圖6D)。如圖6D所示，構(gòu)成發(fā)光柱10的重新生長層的厚度優(yōu)選與氧化膜的厚度相同。盡管在圖中未顯示，如同在第一實施方案中一樣，最終形成透明、p型電極和n型電極以完成該元件。
當然，在本實施方案中，可在基質(zhì)和完成元件的最上層上形成一對DBR層以形成一共振腔LED，或者可在基質(zhì)和最上層涂覆AR層以進一步提高光效率。
盡管該微米級氮化物半導(dǎo)體LED是在上述實施方案中描述的，但本發(fā)明可容易地應(yīng)用于所有類型的微米級發(fā)光二極管。
權(quán)利要求
1.一種高亮度氮化物微LED(發(fā)光二極管)，包括多個微米級發(fā)光柱(10)，該微米級發(fā)光柱(10)具有在基質(zhì)(1)上形成的n型GaN層(2)、在該n型GaN層(2)上形成的活性層3，以及在該活性層(3)上形成的p型GaN層(4)；填充在發(fā)光柱(10)之間的、至具有與發(fā)光柱(10)基本相同高度的間隙填充材料(5)；在間隙填充材料(5)和發(fā)光柱(10)的頂部表面(11)上形成的p型透明電極(6)；在該p型透明電極(6)上形成的p型電極(7)；以及與該n型GaN層(2)電連接的n型電極(8)，其中發(fā)光柱陣列被同時驅(qū)動。
2.如權(quán)利要求1所述的高亮度氮化物微LED，其特征在于，該間隙填充材料(5)包括至少一種選自SiO2、Si3N4或其組合物、聚酰胺、以及ZrO2/SiO2或HfO2/SiO2的材料。
3.如權(quán)利要求2所述的高亮度氮化物微LED，其特征在于，該間隙填充材料(5)通過CMP(化學(xué)機械研磨)過程形成至具有和發(fā)光柱(10)基本相同的高度。
4.如權(quán)利要求3所述的高亮度氮化物微LED，其特征在于，該發(fā)光柱(10)的p型GaN層(4)的頂部表面具有CMP過程形成的凸起表面(11a)。
5.如權(quán)利要求1所述的高亮度氮化物微LED，其特征在于，該透明電極(6)包括氧化的Ni/Au(NiO/Au)的組合物或ITO(銦錫氧化物)。
6.如權(quán)利要求1所述的高亮度氮化物微LED，還包括一對分別在透明電極(6)的頂部表面和基質(zhì)(1)的底部表面形成的DBR(分布布拉格反射器)層9。
7.如權(quán)利要求1所述的高亮度氮化物微LED，還包括涂覆在透明電極(6)的頂部表面或基質(zhì)(1)的底部表面的AR(防反射)層。
8.如權(quán)利要求1所述的高亮度氮化物微LED，其特征在于，該發(fā)光柱(10)可具有傾斜的側(cè)表面(10a)。
9.如權(quán)利要求8所述的高亮度氮化物微LED，還包括一層由ZrO2/SiO2或HfO2/SiO2的制成并在發(fā)光柱(10)之間的間隙(12)中的間隙填充材料(5)下面形成的DBR層(9a)。
10.一種通過倒裝芯片法裝配的高亮度氮化物微LED，包括藍寶石基質(zhì)(1)；多個微米級發(fā)光柱(10)，該微米級發(fā)光柱(10)具有生長在該藍寶石基質(zhì)(1)上的n型GaN層(2)、在該n型GaN層(2)上形成的活性層(3)，以及在該活性層(3)上形成的p型GaN層(4)；填充在發(fā)光柱(10)之間的、至具有與發(fā)光柱(10)基本相同高度的間隙填充材料(5)；在間隙填充材料(5)和發(fā)光柱(10)的頂部表面(11)上形成的金屬電極(6a)；在金屬電極(6a)上形成的p型電極；以及與該n型GaN層(2)電連接的n型電極(8)，其中發(fā)光柱陣列被同時驅(qū)動。
11.一種制造具有多個微發(fā)光柱的高亮度氮化物微LED的方法，包括(a)在一晶圓或基質(zhì)(1)上依次生長n型GaN層(2)、活性層(3)，以及p型GaN層(4)的步驟；(b)為在基質(zhì)(1)上形成具有n型GaN層(2)、活性層(3)以及p型GaN層(4)的發(fā)光柱(10)而干燥蝕刻加工過的晶圓的步驟；(c)在發(fā)光柱(10)之間的間隙中沉積間隙填充材料(5)的步驟；(d)用CMP過程將發(fā)光柱(10)陣列的頂部表面和間隙填充材料(5)的頂部表面平坦化的步驟；以及(e)在發(fā)光柱(10)和間隙填充材料(5)的所有頂部表面沉積一透明電極(6)、在預(yù)定位置分別沉積一p型電極(7)和一n型電極(8)，以及加熱所得結(jié)構(gòu)的步驟。
12.如權(quán)利要求11所述的制造高亮度氮化物微LED的方法，其特征在于，步驟(c)以發(fā)光柱(10)之間的間隙(12)被完全用間隙填充材料(5)填充的方式進行，以及步驟(d)以發(fā)光柱(10)的頂部表面和間隙填充材料(5)的頂部表面相互具有相同高度的方式進行。
13.如權(quán)利要求11所述的制造高亮度氮化物微LED的方法，其特征在于，步驟(c)可以以發(fā)光柱(10)之間的間隙(12)被完全用間隙填充材料(5)填充的方式進行，以及步驟(d)可以以發(fā)光柱(10)中的p型GaN層(4)的頂部表面形成具有凸出表面(11a)的方式進行。
14.如權(quán)利要求11所述的制造高亮度氮化物微LED的方法，其特征在于，該間隙填充材料(5)包括至少一種選自SiO2、Si3N4或其組合物、聚酰胺、以及ZrO2/SiO2或HfO2/SiO2的材料。
15.如權(quán)利要求11所述的制造高亮度氮化物微LED的方法，其特征在于，該透明電極(6)包括氧化的Ni/Au(NiO/Au)的組合物或ITO(銦錫氧化物)。
16.如權(quán)利要求11所述的制造高亮度氮化物微LED的方法，在步驟(e)以后，還包括在透明電極(6)的頂部表面和基質(zhì)(1)的底部表面沉積一對DBR(分布布拉格反射器)層(9)的步驟。
17.如權(quán)利要求11所述的制造高亮度氮化物微LED的方法，在步驟(e)以后，還包括在透明電極(6)的頂部表面或基質(zhì)(1)的底部表面涂覆一層AR(防反射)層的步驟。
18.如權(quán)利要求11所述的制造高亮度氮化物微LED的方法，其特征在于，在步驟(b)中，可以控制過程變量以使發(fā)光柱(10)的側(cè)表面形成傾斜部分(10a)。
19.如權(quán)利要求18所述的制造高亮度氮化物微LED的方法，在步驟(b)和步驟(c)之間，還包括在發(fā)光柱(10)之間的間隙(12)中沉積DBR層(9a)的步驟。
20.一種制造具有多個微發(fā)光柱的高亮度氮化物微LED的方法，包括(a)在藍寶石晶圓或基質(zhì)(1)上依次生長n型GaN層(2)、活性層(3)，以及p型GaN層(4)的步驟；(b)為在基質(zhì)(1)上形成具有n型GaN層(2)、活性層(3)以及p型GaN層(4)的發(fā)光柱(10)而干燥蝕刻加工過的晶圓的步驟；(c)在發(fā)光柱(10)之間的間隙中沉積間隙填充材料(5)的步驟；(d)用CMP過程將發(fā)光柱(10)陣列的頂部表面和間隙填充材料(5)的頂部表面平坦化的步驟；(e)在發(fā)光柱(10)陣列的所有頂部表面沉積一金屬電極(6a)、在其上分別沉積一p型電極(7)和一n型電極(8)，以及加熱所得結(jié)構(gòu)的步驟。
21.一種制造具有多個微發(fā)光柱的高亮度氮化物微LED的方法，包括(a)在一晶圓或基質(zhì)(1)上生長n型GaN緩沖層(2a)的步驟；(b)在該n型GaN緩沖層(2a)上沉積一氧化物膜(5)的步驟；(c)濕蝕刻和圖案化該氧化物膜(5)以使該氧化物膜(5)具有多個柱(5a)和在該多個柱(5a)之間的間隙(13)的步驟；(d)用暴露在間隙(13)的底部表面中的n型GaN緩沖層(2a)依次重新生長n型GaN層(2)、活性層(3)以及p型GaN層(4)直到達到氧化物膜柱(5a)的高度的步驟；以及(e)在重新生長的發(fā)光柱(10)陣列的全部頂部表面上沉積一透明電極(6)、在預(yù)定位置沉積一p型電極(7)，在n型GaN層(2a)上沉積一n型電極(8)，以及加熱所得結(jié)構(gòu)的步驟。
22.如權(quán)利要求21所述的制造高亮度氮化物微LED的方法，在步驟(e)后，還包括在透明電極(6)的頂部表面和基質(zhì)(1)的底部表面沉積一對DBR(分布布拉格反射器)層(9)的步驟。
23.如權(quán)利要求21所述的制造高亮度氮化物微LED的方法，在步驟(e)后，還包括在透明電極(6)的頂部表面或基質(zhì)(1)的底部表面涂覆一層AR(防反射)層的步驟。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高亮度的氮化物微發(fā)光二極管(LED)及其制造方法。本發(fā)明提供了一種高亮度氮化物微LED及其制造方法，其中多個微米級發(fā)光柱10在基質(zhì)上形成，諸如SiO
文檔編號H01L21/02GK1820376SQ03826889
公開日2006年8月16日 申請日期2003年8月8日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月8日
發(fā)明者姜尚魁 申請人:維切爾公司