專利名稱：一種發(fā)光二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可改善亮度的發(fā)光二極管。
背景技術(shù)：
發(fā)光二極管(Light emitting diodes；LED)的發(fā)光原理是將電流順向流入半導(dǎo)體的p-n節(jié)時便會發(fā)出光線。其中AlGaInP材料應(yīng)用于高亮度紅、橘、黃及黃綠光LED，AlGaInN材料應(yīng)用于藍、綠光LED，常以有機金屬氣相磊晶法(metal Organic Vapor PhaseEpitaxy；MOVPE)進行量產(chǎn)，組件上亦使用同質(zhì)結(jié)構(gòu)(homo-junction，HOMO)、單異質(zhì)結(jié)構(gòu)(single-heterostructure，SH)、雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)(double-heterostructure，DH)、單一量子井結(jié)構(gòu)(single-quantum well，SQW)及多重量子井結(jié)構(gòu)(multiple-quantum well，MQW)等構(gòu)造或其它結(jié)構(gòu)方式發(fā)光。
傳統(tǒng)的發(fā)光二極管其結(jié)構(gòu)如圖1A所示。從上而下分別是上電極11(front electricalcontact)、活性層12(active layer)、基板10、背電極13(back contact)。其中活性層12是采用有機金屬氣相磊晶法形成AlGaInP或AlGaInN的化合物發(fā)光材料。當(dāng)電流由上電極11注入時，電流會通過活性層12、基板10、流向背電極13。當(dāng)電流流經(jīng)活性層12時，便會發(fā)出光線。但由于活性層的AlGaInP或AlGaInN載子移動率(carrier mobility)不高及高阻值特性使AlGaInP或AlGaInN導(dǎo)電性不佳。當(dāng)位于活性層12上方的上電極供給電流時，即使增加一透光層14(capping layer or window layer)增加電流分散，但其電流散布性雖有改善，但電流仍集中于電極下方，致使發(fā)光的主要區(qū)域集中在電極下方與附近，如圖1B所示。
一般半導(dǎo)體LED材料的折射率(n＝3.4~3.5)大于外部的折射率(n＝1~1.5，n＝1.5 forepoxy)，換句話說，半導(dǎo)體LED所產(chǎn)生的光線大部份都被半導(dǎo)體與外部(環(huán)氧樹脂epoxy)的接口全反射回到半導(dǎo)體內(nèi)部，全反射的光線則被活性層本身與電極、基板吸收，降低LED的實際發(fā)光效益，如圖1C所示。
為增加電流的散布性，進行結(jié)構(gòu)、材料上的改良如美國專利案號US patent5,008,718 Fletcher et al.提出在上電極與活性層之間增加一電阻值低且可透光的透光層15(window layer or clapping layer)如GaP、GaAsP和AlGaAs等材質(zhì)，如圖1D所示。其目的是藉由此透光層增加從上電極流出之電流散布性。如此專利內(nèi)文所述，為達到較佳的電流散布狀態(tài)，此透光層厚度需150~200μm，如此才能增加5-10倍的發(fā)光強度。但加厚透光層的厚度，均會增加MOVPE磊晶的時間及成本，使磊晶的成本增加許多，另外，該層的電流散布能力與厚度具有相當(dāng)?shù)年P(guān)系，若要電流散布均勻，則厚度至少要數(shù)十μm，否則，仍無法有效解決電流散布的問題。
另一種解決模式是改變電極設(shè)計，F(xiàn).A.Kish and R.M.Fletcher提到將電極設(shè)計成增加finger(指狀或指狀結(jié)構(gòu))16，如圖1E所示，或延伸出Mesh(網(wǎng)狀)線17的樣式，如圖1F所示，以解決LED的電流散布的問題，但實際上仍不夠理想。主要原因在于這些延伸出去的Mesh線仍有一定的寬度，為了生產(chǎn)方便，通常寬度大為5～25μm，且這種寬度的finger或Mesh的數(shù)量不能太多，否則遮光的面積會太大，位于電極下的發(fā)光均會被電極所遮住。位于電極下的電流強度最強，發(fā)光亦最大，也就是說發(fā)光最大的部分均被自身的金屬線所遮??；但金屬線若太少，仍會使某些發(fā)光區(qū)域E的電流散布不佳，而影響了發(fā)光效率，如圖1G～1H所示。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于提供一種改善亮度之發(fā)光半導(dǎo)體裝置，使作為上電極的金屬圖案可為網(wǎng)狀、點狀、棋盤狀或其它幾何圖形均勻分布于所有活性層之上方，且金屬圖案的線寬介于0.1～5μm，不會有遮住由活性層發(fā)光之狀況存在，進而增強了發(fā)光效率。
本發(fā)明是使用下列步驟來達到上述各項目的首先在一個基板上形成活性層。接著，形成一個透光層于活性層之上用以增加電流的分散。其背電極位于基板的另一面，而上電極位于透光層的上方。本發(fā)明的重點在于改變上電極的設(shè)計，將Finger或Mesh的金屬圖案的線寬變細(xì)，同時配合數(shù)量增多的方式，如此可以改善電流散布方式的問題。當(dāng)金屬尺寸為2μm時，即使位于金屬線正下方的活性層所產(chǎn)生的光亦能在發(fā)光角度3.8～18度中透過透光層發(fā)光，如此可提高電流密度進而增加發(fā)光效率。


下面結(jié)合附圖和實施方式對本發(fā)明作進一步的詳細(xì)說明
圖1A是已知技術(shù)的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)剖面圖；圖1B是已知技術(shù)中，于發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)中電流分散狀況的剖面圖；圖1C是已知技術(shù)中，于發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)中發(fā)光狀況的剖面圖；圖1D是已知技術(shù)中，增加透光層之發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)剖面圖；圖1E是已知技術(shù)中，上電極形成finger的二極管結(jié)構(gòu)俯視圖；圖1F是已知技術(shù)中，上電極形成Mesh線的二極管結(jié)構(gòu)俯視圖；圖1G是已知技術(shù)中，上電極形成finger或mesh線，其發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)中電流分散狀況的剖面圖；圖1H是已知技術(shù)中，上電極形成finger或mesh線，于發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)中發(fā)光狀況的剖面圖；圖2A是實施例一中，發(fā)光二極管中電流分散狀況的結(jié)構(gòu)剖面圖；圖2B是實施例一中，上電極形成金屬網(wǎng)線的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)俯視圖；圖2C是已知技術(shù)中，位于電極正下方的活性層發(fā)光的結(jié)構(gòu)剖面圖；圖2D是實施例二中發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)剖面圖；圖2E是實施例二中，上電極形成金屬點的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)俯視圖。
具體實施例方式
本發(fā)明可運用在增加發(fā)光二極管的電流散布，通過改變上電極的設(shè)計增加電流散布，進而增強發(fā)光效率。其中活性層和基板可隨組件發(fā)光波長設(shè)計而改變，但此并非本發(fā)明之重點，本發(fā)明實施例中僅使用活性層來代表LED組件的各種主要結(jié)構(gòu)如同質(zhì)結(jié)構(gòu)、單異質(zhì)結(jié)構(gòu)、雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)、單一量子井結(jié)構(gòu)及多重量子井結(jié)構(gòu)來說明。
實施例一圖2A為發(fā)光二極管的剖面圖，首先在一基板100上形成活性層120(active layer)，活性層120結(jié)構(gòu)可為雙異質(zhì)接面結(jié)構(gòu)或量子井結(jié)構(gòu)以增加二極管的發(fā)光效率。接著，形成一個GaP、AlGaAs或ITO材質(zhì)的透光層140于活性層120之上增加電流的分散。其背電極130位于基板100的另一面，而上電極210位于透光層140的上方。
根據(jù)不同的活性層120選擇不同的材料作為基板100。當(dāng)活性層120的材料為AlGaInP時，選用砷化鎵材料作為基板100；而當(dāng)活性層120的材料為AlGaInN時，選用藍寶石(sapphire)材料作為基板100?；钚詫?20厚度為0.3～3μm和透光層140厚度為10~50μm，活性層120及透光層140皆使用有機金屬氣相磊晶法(MOVPE)或分子束磊晶法(Molecular Beam Epitaxy；MBE)制作而成。
本發(fā)明所提的一種有效解決電流散布方式，也就是改變上電極的設(shè)計，將Finger或Mesh的金屬圖案的線寬變細(xì)，同時配合數(shù)量增多的方式，如此可以改善電流散布方式的問題，并增加發(fā)光二極管的發(fā)光效率，本實施例僅舉出一種金屬圖案，但本發(fā)明之精神并不局限于此種金屬圖案。其二極管元件的俯視圖如圖2B所示，本實施例的電極設(shè)計能保留有電極與外界接觸的金屬墊電極110，但在電極110旁，活性層120上方接布滿金屬網(wǎng)線210，此金屬網(wǎng)線210與電極110彼此間接觸，金屬網(wǎng)線210與電極110都屬于本實施例的上電極。
在傳統(tǒng)的發(fā)光二極管上電極設(shè)計的Mesh線寬度大多為5～25μm。其電流僅能分散至遠離mesh線40μm處，而mesh線間會有大于80μm的發(fā)光空乏區(qū)。而活性層12中感應(yīng)到最強的電流是在電極正下方，如圖2C所示，倘若透光層15厚度為15μm和上電極mesh線11寬度為15μm，而mesh線11之間的距離為60μm。當(dāng)電流散布至上電極mesh線11底下正中心的活性層12之A點使之發(fā)光時，其發(fā)光角度需大于上電極的一半寬度，否則其活性層12所產(chǎn)生的光線會被上電極mesh線11所被遮住。其發(fā)光角度θc計算如下透光層15厚度l*cos2θc＝15μm電極mesh線11一半寬度l*sin2θc＝7.5μm(ιA點不被電極遮住之最短距離)tans2θc＝1/2--->2θc53°--->θc26.5°一般而言，發(fā)光二極管材質(zhì)的critical angle θa(臨界角)約為18度，也就是說當(dāng)光線之折射角大于18度以上時，其光線被半導(dǎo)體與外部的接口全反射回到半導(dǎo)體內(nèi)部，降低LED的實際發(fā)光效益。在發(fā)光層所產(chǎn)生的光，以輻射效狀發(fā)散時，在大于θa的范圍，均會產(chǎn)生全反射現(xiàn)象，但在θa以內(nèi)，光均會從透光層15穿透過去，而金屬Mesh線寬為10μm時，位于電極正下方電流密度最高處所產(chǎn)生的光無法透過，如此嚴(yán)重影響光穿透的效率。
而我們將原先寬的Mesh線及線與線間距做等分形成網(wǎng)狀金屬線210，可如同圖2B所示，可使電流散布的密度更加均勻一致，更讓發(fā)光效率提高。本發(fā)明的實施例一所形成的網(wǎng)狀金屬線210的尺寸僅有0.5~5μm在基板上方均勻分布。如同上述計算，若尺寸僅有2μm且透光層15厚度依然是15μm時，其發(fā)光角度θc為tans2θc＝2/15--->2θc7.6°--->θc3.8°當(dāng)發(fā)光角度θc減少時，活性層12所產(chǎn)生的光線被上電極11所遮住的范圍大大降低，位于上電極11正下方電流密度強所產(chǎn)生的光便能θc＝3.8～18度中透過，如此可提高電流密度進而增加發(fā)光效率。
實施例二圖2D為發(fā)光二極管的剖面圖，其基板110、透光層140、活性層120、背電極130結(jié)構(gòu)與實施例一相同。
本實施例的特點在于上電極的設(shè)計，其上電極細(xì)分成兩層，如圖2E所示，金屬墊上電極第一層110與傳統(tǒng)的發(fā)光二極管的組件相同，電極位于組件的中央部分，作為外界供給導(dǎo)通、接觸之媒介，上電極第二層220位于第一層110之下，并鑲嵌于ITO(氧化鈦銦，Indium Tin Oxide)層230中。上電極第二層220亦是將金屬線寬變細(xì)，但以點(dot)之形式呈現(xiàn)并配合數(shù)量增多的方式，如此可以改善電流散布方式的問題，并增加發(fā)光二極管的發(fā)光效率。制作出的金屬點的尺寸僅有0.1~5μm，且在基板上方均勻分布。除了使活性層120所產(chǎn)生的光線被上電極遮住的范圍大大降低外，亦能使電流均勻散布增加發(fā)光效率。本實施例中的金屬點亦可使用如實施例一中的金屬網(wǎng)線或其它的金屬圖案。
本發(fā)明僅用兩個實施例說明改變上電極設(shè)計來增加電流散布情形在實施例一中其上電極包含有金屬墊與金屬尺寸變小的金屬圖案，實施例二中上電極由兩層導(dǎo)電層所組成，其金屬圖案鑲嵌在透明的導(dǎo)電層中，且變化較無限制，其圖案彼此間可不連續(xù)。但本發(fā)明的精神在于將上電極的金屬圖案分布于活性層上方，其金屬圖案的線寬僅有0.1~5μm，不論金屬圖案是何種幾何圖形。只要金屬尺寸夠小，便不會遮住大部分由活性層產(chǎn)生的發(fā)光。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)光二極管，其特征在于包含半導(dǎo)體基板；誘發(fā)光線產(chǎn)生的活性層(activelayer)位于所述半導(dǎo)體基板上方；導(dǎo)電背電極位于該半導(dǎo)體基板下方；透明導(dǎo)電層位于活性層上方；金屬圖案層形成于所述透明導(dǎo)電層上，該金屬圖案層線寬約為0.5μm至5μm之間；及上電極層形成于金屬圖案層上。
2.如權(quán)利要求1所述的一種發(fā)光二極管，其特征在于所述金屬圖案層為網(wǎng)狀，并且所述該上電極與該金屬圖案層的網(wǎng)狀接觸。
3.如權(quán)利要求1所述的一種發(fā)光二極管，其特征在于所述透明導(dǎo)電層是選自GaP、AlGaAs或ITO其中的一種。
4.一種發(fā)光二極管，其特征在于包含半導(dǎo)體基板；誘發(fā)光線產(chǎn)生的活性層(activelayer)位于所述半導(dǎo)體基板上方；導(dǎo)電背電極位于該半導(dǎo)體基板下方；復(fù)數(shù)個點狀金屬顆粒形成于活性層上，其中該復(fù)數(shù)個點狀金屬顆粒的每一個直徑約為0.1μm至5μm之間，透明導(dǎo)電層位于活性層上方，且覆蓋該復(fù)數(shù)個點狀金屬顆粒，上電極第一層形成于透明導(dǎo)電層上。
5.如權(quán)利要求4所述的一種發(fā)光二極管，其特征在于其中透明導(dǎo)電層是選自GaP、AlGaAs或ITO其中之一種。
全文摘要
本發(fā)明是提供一種改善亮度的發(fā)光二極管，使發(fā)光二極管的上電極所產(chǎn)生的電流分布均勻進而增加活性層發(fā)光效率。首先在一個基板上形成活性層，接著，形成一個透光層于活性層之上增加電流的分散。其背電極位于基板的另一面，而上電極位于它的上方。本發(fā)明的重點在于改變上電極的設(shè)計，將上電極所包含的金屬線寬變細(xì)，同時配合數(shù)量增多的方式，從而改善電流散布方式的問題。通過提高電流密度進而增加了發(fā)光效率，改善了發(fā)光亮度。
文檔編號H01L33/00GK1601776SQ200410085839
公開日2005年3月30日 申請日期2004年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月20日
發(fā)明者王百祥, 簡偉恩, 張智松, 陳澤澎 申請人:國聯(lián)光電科技股份有限公司