專利名稱：多波長發(fā)光二極管及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)光二極管及其制造方法，特別涉及一種多波長發(fā)光二極管及其
制造方法。
背景技術(shù)：
目前的發(fā)光二極管技術(shù)，商品化的白光發(fā)光二極管有同時(shí)使用紅色、綠色與藍(lán)色 等三原色的發(fā)光二極管混色成白光。但是這種方式有一缺點(diǎn)，在于三色發(fā)光二極管的混光 不易。應(yīng)用在液晶顯示器的背光源的時(shí)候，還可以使用擴(kuò)散板以及增亮膜等技術(shù)讓各色光 均勻的混色。但是，當(dāng)應(yīng)用在照明的時(shí)候，就不容易提供一均勻混色的白光。同時(shí)，由于三 個(gè)發(fā)光二極管的壽命一般是不相同的，如果其中一個(gè)色光的發(fā)光二極管失效或是損毀的時(shí) 候，對(duì)于使用者而言色彩的不協(xié)調(diào)會(huì)是相當(dāng)明顯而剌眼的。 現(xiàn)今主流的方式是將發(fā)光二極管與熒光粉混色，例如使用氮化物的發(fā)光二極管產(chǎn) 生藍(lán)光，然后使用黃色的熒光粉與藍(lán)光混色成白光。但是，這種方式還是有一些缺點(diǎn)，例如 熒光粉也是有壽命的問題，尤其是熒光粉在高熱的發(fā)光二極管旁，光轉(zhuǎn)換效率的降低是超 乎預(yù)期的。另外，熒光粉的光轉(zhuǎn)換效率不高，尤其是使用壽命較長的無機(jī)熒光粉，光轉(zhuǎn)換效 率更是較有機(jī)熒光粉低。因此，許多的研究投入在無熒光粉的單一白光發(fā)光二極管或是多 波長的發(fā)光二極管。 —種方式是將用氧化硅作為條狀掩模，InGaN/GaN量子阱微結(jié)構(gòu)是在未被 氧化硅掩模覆蓋處外延成長的，請(qǐng)參閱"Monolithic PolychromaticLight-Emitting Diodes Based on InGaN Microfacet Quantum Wells towardTailor—Made Solid—State Lighting", Applied Physics Express 1(2008)011106。由于外延條件與氧化硅掩模的 幾何圖形的改變，因而各種波長的光束可以發(fā)射出來并且混光后可以形成白光。另一種 方式是在有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積的外延過程中對(duì)于富含銦的InGaN層調(diào)整鋁的流量以及 反應(yīng)室的壓力而形成3D結(jié)構(gòu)的島狀結(jié)構(gòu)，請(qǐng)參閱"Structural and Optical Properties of In_RichInAlGaN/InGaN Heterostructures for White Light Emission，，， Japanese Jo證alof Applied Physics, Vol. 47， No. 6， 2008， pp. 4413-4416。由于鋁原子的低表面移 動(dòng)率以及富含銦的相分離，可以觀察到綠光到紅光的寬頻譜。加上藍(lán)光的InGaN有源層可 以混合成白色光源。 另——禾中方式，請(qǐng)參閱"Phosphor—free white light—emitting diode withlaterally distributed multiple quantum wells"， APPLIED PHYSICS LETTERS 92， 091110 (2008)，是將外延完成且可發(fā)藍(lán)光的InGaN多重量子阱結(jié)構(gòu)蝕刻一部分，被蝕刻的 部分重新外延可發(fā)出綠光的InGaN多重量子阱結(jié)構(gòu)。因此，這樣的外延結(jié)構(gòu)可以同時(shí)發(fā)射 藍(lán)光與綠光。另一種方式，是在多重量子阱結(jié)構(gòu)中，不同的單一量子阱結(jié)構(gòu)層可以對(duì)應(yīng)的 發(fā)射出藍(lán)色波長與綠色波長的光束，文獻(xiàn)請(qǐng)參閱"Phosphor-Free GaN-Based Transverse Junction Light EmittingDiodes for the Generation of White Light，，，IEEE PHOTONICS TECHNOLOGYLETTERS， VOL. 18， NO. 24， DECEMBER 15,2006，專利i青參閱US 7279717、 US7042017、US 6163038、US 7361937、US 7294865、US 7279716、US2006/0043385，其中美國專 利US7279716提到需要加入紅光熒光粉混合成白光。 另外不同的幾種方式包含在可發(fā)出藍(lán)光的有源層上外延量子點(diǎn)的光激發(fā)層， 請(qǐng)參閱US 7217959 ;以外延的方式形成孔洞發(fā)光層，可以發(fā)射多波長的光束，請(qǐng)參閱US 7271417以及；以外延的方式分別形成III-V化合物半導(dǎo)體層與II-VI化合物半導(dǎo)體層，請(qǐng) 參閱US 2002/0041148。 以上所有列舉的現(xiàn)有技術(shù)均將第二波長的發(fā)光材料放置于n型導(dǎo)電層與p型導(dǎo)電 層的間，這種技術(shù)容易改變p-n結(jié)(junction)的分布，進(jìn)而有損元件的發(fā)光特性或電氣特 性。而部分前案仍需在封裝時(shí)添加熒光粉，然而此紅色熒光粉目前的轉(zhuǎn)換效率仍差。再者， 部分前案需在兩次外延工藝中加入一黃光光刻工藝，步驟繁瑣且有工藝良率的疑慮。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述發(fā)明背景，為了符合產(chǎn)業(yè)利益的需求，本發(fā)明提供一種多波長的固態(tài)發(fā) 光元件，主要是在固態(tài)發(fā)光元件上至少放置一個(gè)波長轉(zhuǎn)換材料，其中波長轉(zhuǎn)換材料是半導(dǎo) 體材料。 本發(fā)明的一 目的是提供一種任何所需CIE坐標(biāo)的固態(tài)發(fā)光元件。
本發(fā)明的另一目的是得到演色性(Ra)佳的白光光源。 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種多波長發(fā)光二極管，其包含一基板；一化 合物半導(dǎo)體復(fù)合層位于該基板上，其中該化合物半導(dǎo)體復(fù)合層包含一N型導(dǎo)電的半導(dǎo)體 層，一 P型導(dǎo)電的半導(dǎo)體層，以及一有源層位于該N型導(dǎo)電的半導(dǎo)體層與該P(yáng)型導(dǎo)電的半導(dǎo) 體層之間，該有源層可激發(fā)出一第一波長的激發(fā)光；以及一第一波長轉(zhuǎn)換層位于該化合物 半導(dǎo)體復(fù)合層上，其中該第一波長轉(zhuǎn)換層吸收部分該有源層的第一波長的激發(fā)光而放射出 一第二波長的激發(fā)光，該第二波長大于該第一波長。 本發(fā)明還提供了一種上述多波長發(fā)光二極管的制造方法，其包含以下步驟提供 一外延基板；形成一化合物半導(dǎo)體復(fù)合層位于該外延基板上，其中該化合物半導(dǎo)體復(fù)合層 包含一 N型導(dǎo)電的半導(dǎo)體層，一 P型導(dǎo)電的半導(dǎo)體層，以及一有源層位于該N型導(dǎo)電的半導(dǎo) 體層與該P(yáng)型導(dǎo)電的半導(dǎo)體層之間，該有源層可激發(fā)出一第一波長的激發(fā)光；以及形成一 第一波長轉(zhuǎn)換層位于該化合物半導(dǎo)體復(fù)合層上，其中該第一半導(dǎo)體波長轉(zhuǎn)換層吸收部分該 有源層的第一波長的激發(fā)光而放射出一第二波長的激發(fā)光，該第二波長大于該第一波長。
從本發(fā)明手段與具有的功效中，可以得到本發(fā)明具有諸多的優(yōu)點(diǎn)。首先，形成的波 長轉(zhuǎn)換材料層的全工藝可以于外延反應(yīng)器內(nèi)完成，不需額外的黃光光刻工藝，減少外延片 受污染的機(jī)會(huì)。另外，相較于諸多的現(xiàn)有技術(shù)中，發(fā)光元件的P_n結(jié)位置不會(huì)改變，可保留 原發(fā)光元件的發(fā)光效率。再者，波長轉(zhuǎn)換材料為化合物半導(dǎo)體，可根據(jù)材料的能階任意改變 所需要的波長。同時(shí)，可對(duì)波長轉(zhuǎn)換材料層形成具有粗化的表面，因而增加元件的光取出效 率。


圖1顯示利用本發(fā)明的方式在發(fā)光元件上形成波長轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2顯示在波長轉(zhuǎn)換層上形成粗化表面的結(jié)構(gòu)示意5
圖3A顯示在晶粒切割工藝中形成透明導(dǎo)電層的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3B顯示在晶粒切割工藝中蝕刻出一凹陷區(qū)域的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3C顯示在晶粒切割工藝中形成n電極與p電極的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4顯示，當(dāng)外延基板可導(dǎo)電時(shí)，n電極可以形成在外延基板的底部的結(jié)構(gòu)示意
圖； 圖5A顯示在進(jìn)行外延基板移除過程中形成金屬基板的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5B顯示在進(jìn)行外延基板移除過程中移除外延基板與緩沖層的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5C顯示在進(jìn)行外延基板移除過程中形成n電極與p電極的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖6顯示本發(fā)明也可以應(yīng)用到倒裝芯片封裝工藝的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖7顯示本發(fā)明的紫外光元件以及三層波長轉(zhuǎn)換層的混光光譜圖； 圖8顯示本發(fā)明的藍(lán)光元件以及二層波長轉(zhuǎn)換層的混光光譜圖；以及 圖9顯示本發(fā)明的藍(lán)光元件以及一層波長轉(zhuǎn)換層的混光光譜圖。 主要附圖標(biāo)記說明 10外延基板 ll金屬基板 12緩沖層 14n型導(dǎo)通的包覆層 16有源層 18p型導(dǎo)通的電子阻擋層 20p型導(dǎo)通的包覆層 40、42波長轉(zhuǎn)換材料層 60透明導(dǎo)電層 70凹陷區(qū)域 80、82、84n電極 90、92、94p電極 100封裝基板
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明在此所探討的方向?yàn)橐环N發(fā)光二極管及其工藝。為了能徹底地了解本發(fā) 明，將在下列的描述中提出詳盡的步驟及其組成。顯然，本發(fā)明的施行并未限定于發(fā)光二極 管及其工藝的技術(shù)人員所熟悉的特殊細(xì)節(jié)。另一方面，眾所周知的組成或步驟并未描述于 細(xì)節(jié)中，以避免造成本發(fā)明不必要的限制。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例會(huì)詳細(xì)描述如下，然而除了 這些詳細(xì)描述的外，本發(fā)明還可以廣泛地施行在其他的實(shí)施例中，且本發(fā)明的范圍不受限 定，其以隨附的權(quán)利要求為準(zhǔn)。 本發(fā)明利用成長至少一個(gè)波長轉(zhuǎn)換材料于發(fā)光元件表面，將部分來自發(fā)光元件的 光轉(zhuǎn)換為至少一種不同波長的光，再與來自發(fā)光元件但未經(jīng)轉(zhuǎn)換的光進(jìn)行混光的過程，最 終得到所需的CIE坐標(biāo)的光源。 本發(fā)明提供一種多波長發(fā)光二極管，包含一基板、一化合物半導(dǎo)體復(fù)合層位于該 基板上以及一第一波長轉(zhuǎn)換層位于該化合物半導(dǎo)體復(fù)合層上。前述的化合物半導(dǎo)體復(fù)合層包含一 N型導(dǎo)電的半導(dǎo)體層、一 P型導(dǎo)電的半導(dǎo)體層以及一有源層位于N型導(dǎo)電的半導(dǎo)體層與P型導(dǎo)電的半導(dǎo)體層的間，且有源層可激發(fā)出一第一波長的激發(fā)光。前述的第一半導(dǎo)體波長轉(zhuǎn)換層吸收部分的有源層的第一波長的激發(fā)光而放射出一第二波長的激發(fā)光，而第二波長大于第一波長。 本發(fā)明同時(shí)提供一種制造多波長發(fā)光二極管的方法，包含先提供一外延基板，隨后形成一化合物半導(dǎo)體復(fù)合層位于外延基板上，然后形成一第一波長轉(zhuǎn)換層位于該化合物半導(dǎo)體復(fù)合層上。其中的化合物半導(dǎo)體復(fù)合層包含一 N型導(dǎo)電的半導(dǎo)體層、一 P型導(dǎo)電的半導(dǎo)體層以及一有源層位于N型導(dǎo)電的半導(dǎo)體層與P型導(dǎo)電的半導(dǎo)體層的間，且有源層可激發(fā)出一第一波長的激發(fā)光。其中的第一半導(dǎo)體波長轉(zhuǎn)換層吸收部分的有源層的第一波長的激發(fā)光而放射出一第二波長的激發(fā)光，而第二波長大于第一波長。 其中上述的第一波長轉(zhuǎn)換層的材料可為III-V族化合物半導(dǎo)體材料或是II-VI族
化合物半導(dǎo)體材料，上述的ni-v族化合物半導(dǎo)體材料可為in族氮化合物、ni族磷化合
物或是III族砷化合物。并且，上述的第一波長轉(zhuǎn)換層的表面可為粗化表面。 本發(fā)明同時(shí)包含一第二波長轉(zhuǎn)換層位于第一波長轉(zhuǎn)換層上，其中的可導(dǎo)電的半導(dǎo)
體波長轉(zhuǎn)換層吸收部分有源層的第一波長的激發(fā)光及第一波長轉(zhuǎn)換材料的第二波長的激
發(fā)光而放射出一第三波長的激發(fā)光，而第三波長大于第二波長。上述的第二波長轉(zhuǎn)換層可
為III族氮化合物、III族磷化合物或是III族砷化合物。 上述的II-VI族化合物半導(dǎo)體材料可為II族氧化合物、II族硫化合物或是II族硒化合物。 上述的基板可為藍(lán)寶石(A1203)基板、碳化硅(SiC)基板、鋁酸鋰基板(AlLi02)、鎵酸鋰基板(LiGa02)、硅(Si)基板、氮化鎵(GaN)基板，氧化鋅(Zn0)基板、氧化鋁鋅基板(AlZnO)、砷化鎵(GaAs)基板、磷化鎵(GaP)基板、銻化鎵基板(GaSb)、磷化銦(InP)基板、砷化銦(InAs)基板、硒化鋅(ZnSe)基板或是金屬基板。本發(fā)明同時(shí)包含一緩沖層位于上述基板與化合物半導(dǎo)體復(fù)合層之間。本發(fā)明同時(shí)包含一P型導(dǎo)電的電子阻擋層位于有源層與P型導(dǎo)電的半導(dǎo)體層之間。再者，本發(fā)明同時(shí)包含一透明導(dǎo)電層位于上述第一或第二波長轉(zhuǎn)換層上，且與第一或第二波長轉(zhuǎn)換層歐姆接觸。 上述的外延基板可為藍(lán)寶石基板、碳化硅基板、鋁酸鋰基板、鎵酸鋰基板、硅基板、氮化鎵基板、氧化鋅基板、氧化鋁鋅基板、砷化鎵基板、磷化鎵基板、銻化鎵基板、磷化銦基板、砷化銦基板或是硒化鋅基板。本發(fā)明同時(shí)包含形成一緩沖層位于外延基板與化合物半導(dǎo)體復(fù)合層之間。本發(fā)明同時(shí)包含形成一P型導(dǎo)電的電子阻擋層位于有源層與P型導(dǎo)電的半導(dǎo)體層之間。再者，本發(fā)明同時(shí)包含形成一透明導(dǎo)電層位于該第一波長轉(zhuǎn)換層上，且與可導(dǎo)電的波長轉(zhuǎn)換層歐姆接觸。 本發(fā)明同時(shí)包含形成一歐姆導(dǎo)電層位于該第一波長轉(zhuǎn)換層上，且與可導(dǎo)電的波長轉(zhuǎn)換層歐姆接觸。本發(fā)明同時(shí)包含形成一金屬基板于歐姆導(dǎo)電層上。本發(fā)明同時(shí)包含移除該外延基板的步驟。 上述的實(shí)施內(nèi)容，將會(huì)搭配圖示與各步驟的結(jié)構(gòu)示意圖以詳細(xì)介紹本發(fā)明的結(jié)構(gòu)與形成方式的各步驟。 請(qǐng)參照?qǐng)D1，首先提供一外延基板10，其中外延基板10可以使用下列幾種，藍(lán)寶石基板、碳化硅基板、鋁酸鋰基板、鎵酸鋰基板、硅基板、氮化鎵基板、氧化鋅基板、氧化鋁鋅基板、砷化鎵基板、磷化鎵基板、銻化鎵基板、磷化銦基板、砷化銦基板或是硒化鋅基板等。外延基板的選擇，主要在于外延的材料的選擇。舉例來說，一般ii-vi半導(dǎo)體化合物會(huì)使用硒化鋅基板或是氧化鋅基板做為外延基材；III-砷化物或是磷化物通常是使用砷化鎵基板、磷化鎵基板、磷化銦基板或是砷化銦基板；而III-氮化物在商業(yè)上通常會(huì)使用藍(lán)寶石基板或是碳化硅基板，目前實(shí)驗(yàn)階段有使用鋁酸鋰基板、鎵酸鋰基板、硅基板或是氧化鋁鋅基板等。另外，晶格結(jié)構(gòu)與晶格常數(shù)是另一項(xiàng)選擇外延基板的重要依據(jù)。晶格常數(shù)差異過大，往往需要先形成一緩沖層才可以得到優(yōu)選的外延品質(zhì)。在本實(shí)施例中，使用的外延材料為III-氮化物，特別是使用氮化鎵，而搭配使用的外延基板是目前商業(yè)上常見的藍(lán)寶石基板或是碳化硅基板。然而，任何本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)能理解，本發(fā)明的外延材料的選擇并不限定于ni-氮化物，或甚至是氮化鎵等的材料。任何III-V半導(dǎo)體化合物或是II-VI半導(dǎo)體化合物皆可應(yīng)用在本發(fā)明中。 —種改善后續(xù)外延品質(zhì)的方式，是在外延基板10上先形成圖案，使得之后外延的過程中，缺陷密度不會(huì)順著外延的方向向上成長，最后通過有源層。不同的圖案設(shè)計(jì)，會(huì)對(duì)應(yīng)到各種不同的外延條件與外延品質(zhì)。涉及具有圖案的外延基板的外延技術(shù)，可以參閱先進(jìn)開發(fā)光電之前的專利申請(qǐng)?zhí)岚?，中國臺(tái)灣專利申請(qǐng)?zhí)?96150701。 由于使用藍(lán)寶石基板或是碳化硅基板，在外延III-氮化物之前需要先形成一緩沖層12，這是因?yàn)樗{(lán)寶石基板與氮化鎵之間的晶格常數(shù)的不匹配高達(dá)14%，而使用碳化硅基板也有達(dá)到3.5%的晶格常數(shù)的不匹配。 一般的緩沖層12的材料可以是氮化鎵、氮化鋁鎵(AlGaN)、氮化鋁(A1N)、或是InGaN/InGaN超晶格結(jié)構(gòu)。涉及形成InGaN/InGaN超晶格結(jié)構(gòu)的技術(shù)，可以參閱先進(jìn)開發(fā)光電之前的專利申請(qǐng)?zhí)岚?，中國臺(tái)灣專利申請(qǐng)?zhí)?96104378。形成緩沖層12的方式是在外延機(jī)臺(tái)，例如有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積(M0CVD ;Metal OrganicChemical Vapor Deposition)機(jī)臺(tái)或是分子束夕卜延(MBE ;MolecularBeamEpitaxy)機(jī)臺(tái)中，以相對(duì)于后續(xù)正常外延溫度較低的環(huán)境長晶。例如氮化鋁鎵銦的一般長晶溫度約在800-140(TC之間，而緩沖層的長晶溫度約在250-70(TC之間。當(dāng)使用有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積機(jī)臺(tái)時(shí)，氮的先驅(qū)物可以是NH3或是N2，鎵的先驅(qū)物可以是三甲基鎵或是三乙基鎵，而鋁的先驅(qū)物可以是三甲基鋁或是三乙基鋁。反應(yīng)室的壓力可以是低壓或是常壓。 隨后形成n型導(dǎo)通的氮化鎵層或是氮化鋁鎵層，而這一層的作用是提供發(fā)光二極管的n型導(dǎo)通的包覆層(cladding layer) 14。 n型導(dǎo)通的氮化鎵層或是氮化鋁鎵層的形成方式，是在有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積機(jī)臺(tái)或是分子束外延機(jī)臺(tái)中，在形成氮化物層時(shí)，同時(shí)摻雜四族的原子，在本實(shí)施例中是硅原子，而硅的先驅(qū)物在有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積機(jī)臺(tái)中可以是硅甲烷或是硅乙烷。在這一層的下方可以在緩沖層上先行依續(xù)形成未參雜的氮化鎵層(未在圖示中顯示)以及n型導(dǎo)通的接觸層(未在圖示中顯示)，而這兩層的形成步驟是非必需的(optional)。形成未參雜的氮化鎵層是提升n型導(dǎo)通的包覆層的外延品質(zhì)，而n型導(dǎo)通的接觸層是高摻雜的氮化鎵層或是氮化鋁鎵層，可以提供與n型電極之間優(yōu)選的導(dǎo)電效果。 接著是形成一有源層16在n型導(dǎo)通的包覆層14上，其中有源層16是發(fā)光二極管元件的發(fā)光層，可以是單異質(zhì)結(jié)構(gòu)、雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)、單量子阱層或是多重量子阱層結(jié)構(gòu)。目前多采用多重量子阱層結(jié)構(gòu)，也就是多重量子阱層/阻障層的結(jié)構(gòu)。量子阱層可以使用氮化銦鎵，而阻障層可以使用氮化鋁鎵等的三元結(jié)構(gòu)。另外，也可以采用四元結(jié)構(gòu)，也就是使用氮化鋁鎵銦(AlxInyGal-x-yN)同時(shí)作為量子阱層以及阻障層，其中調(diào)整鋁與銦的比例使得氮化鋁鎵銦晶格的能階可以分別成為高能階的阻障層與低能階的量子阱層。有源層的形成方式，基本上接近前述的形成n型導(dǎo)通的包覆層的方式，其中銦的先驅(qū)物可以是三甲基銦或是三乙基銦。有源層可以摻雜n型或是p型的摻雜子(dopant)，可以是同時(shí)摻雜n型與P型的摻雜子，也可以完全不摻雜。并且，可以是量子阱層摻雜而阻障層不摻雜、量子阱層不摻雜而阻障層摻雜、量子阱層與阻障層都摻雜或是量子阱層與阻障層都不摻雜。再者，亦可以在量子阱層的部分區(qū)域進(jìn)行高濃度的摻雜(delta doping)。 之后，在有源層上可以形成一p型導(dǎo)通的電子阻擋層18，這個(gè)步驟可以是非必需的(optional) 。 p型導(dǎo)通的電子阻擋層18可包括第一種三五族半導(dǎo)體層，以及第二種三五族半導(dǎo)體層。這兩種三五族半導(dǎo)體層，能隙不同，且具有周期性地重復(fù)沉積在上述有源發(fā)光層上，以作為一勢(shì)壘較高的電子阻擋層(勢(shì)壘高于有源發(fā)光層的勢(shì)壘)，用以阻擋過多電子(e-)溢流有源發(fā)光層。關(guān)于P型導(dǎo)通的電子阻擋層18詳細(xì)的內(nèi)容與形成方式，可以參閱先進(jìn)開發(fā)光電之前的專利申請(qǐng)?zhí)岚福袊_(tái)灣專利申請(qǐng)?zhí)?97128065。 接著，形成一 p型導(dǎo)通的氮化鎵層或是氮化鋁鎵層，而這一層的作用是提供發(fā)光二極管的P型導(dǎo)通的包覆層(cladding layer) 20。 p型導(dǎo)通的氮化鎵層或是氮化鋁鎵層的形成方式，是在有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積機(jī)臺(tái)或是分子束外延機(jī)臺(tái)中，在形成氮化物層時(shí)，同時(shí)摻雜二族的原子，在本實(shí)施例中是鎂原子，而鎂的先驅(qū)物在有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積機(jī)臺(tái)中可以是CP2Mg。在這一層的上方可以形成p型導(dǎo)通的接觸層(未在圖示中顯示)，而這層的形成步驟是非必需的(optional) 。 p型導(dǎo)通的接觸層是高摻雜的氮化鎵層或是氮化鋁鎵層，可以提供與P型電極之間優(yōu)選的導(dǎo)電效果。 然后，形成一波長轉(zhuǎn)換材料層40在p型導(dǎo)通的包覆層20或是p型導(dǎo)通的接觸層上。波長轉(zhuǎn)換材料層40可以是III-V族化合物半導(dǎo)體材料或是II-VI族化合物半導(dǎo)體材料，例如AlInGaAs、 GaAs、 InAs、 AlAs、 InGaAs、 AlGaAs、 InAlAs， AlInGaP、 GaP、 InP、A1P、 InGaP、AlGaP、 InAlP、 AlInGaN、 GaN、 InN、AlN、 InGaN、AlGaN、 InAlN、 ZnSe、 ZnMgBeSSe、ZnCdSe、 ZnMgSe、 ZnSSe、 ZrAgSSe、 ZnMgSSe、 ZnCdSe/ZnMgSSe或是ZnMgBeSe/ZnCdSe/ZnMgBeSe。波長轉(zhuǎn)換材料的形成方式，無論是III-V族化合物半導(dǎo)體材料或是II-VI族化合物半導(dǎo)體材料，都可以使用有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積法，分子束外延法，或是使用晶片接合(wafer bonding)法，其中晶片接合的方式可以將已經(jīng)形成好的波長轉(zhuǎn)換材料層直接黏接在P型導(dǎo)通的包覆層或是P型導(dǎo)通的接觸層。在本發(fā)明中，波長轉(zhuǎn)換材料層可以經(jīng)由摻雜而具有P型導(dǎo)通。這樣可以降低波長轉(zhuǎn)換材料層在電性上的阻抗。 由于發(fā)光元件中的有源層會(huì)由電子空穴的結(jié)合而激發(fā)第一激發(fā)輻射光，而一部分的第一激發(fā)輻射光會(huì)激發(fā)光轉(zhuǎn)換材料層而得到第二激發(fā)輻射光。調(diào)整有源層的能階與光轉(zhuǎn)換材料層的能階可以得到任何所需CIE坐標(biāo)的固態(tài)發(fā)光元件或是可以得到演色性(Ra)佳的白光光源。 在本發(fā)明中，波長轉(zhuǎn)換材料可以是一層或是一層以上。并且可以根據(jù)材料的不同進(jìn)行不同的組合與搭配。例如，一層波長轉(zhuǎn)換材料是ni-v族化合物半導(dǎo)體材料而另一層是II-VI族化合物半導(dǎo)體材料，或是兩層都是III-V族化合物半導(dǎo)體材料或是II-VI族化合物半導(dǎo)體材料。另外，波長轉(zhuǎn)換層的表面可為粗化表面。
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在本發(fā)明的一實(shí)施例中，有源層是InGaN/AlGaN多重量子阱層，并且可以發(fā)射出紫外光或是近紫外光，其波長約在365-420納米之間，請(qǐng)參閱圖7。波長轉(zhuǎn)換材料可以有三層，第一波長轉(zhuǎn)換材料層是InGaN，可以發(fā)射出藍(lán)光，波長約在440-480納米之間；第二波長轉(zhuǎn)換材料層是InGaN，可以發(fā)射出綠光或是黃綠光，波長約在480-570納米之間；第三波長轉(zhuǎn)換材料層是可以GaP、 GaAs、或是InN，可以發(fā)射出黃光或是紅光，波長約在580-650納米之間。 在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，有源層是InGaN/AlGaN多重量子阱層，并且可以發(fā)射出藍(lán)光，其波長約在440-460納米之間，請(qǐng)參閱圖8 。波長轉(zhuǎn)換材料可以有兩層，第一波長轉(zhuǎn)換材料層是InGaN，可以發(fā)射出綠光或是黃綠光，波長約在480-570納米之間；第二波長轉(zhuǎn)換材料層可以是GaP、 GaAs或是InN，可以發(fā)射出黃光或是紅光，波長約在580-650納米之間。 在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，有源層是InGaN/AlGaN多重量子阱層，并且可以發(fā)射出藍(lán)光，其波長約在440-460納米之間，請(qǐng)參閱圖9。波長轉(zhuǎn)換材料有一層，波長轉(zhuǎn)換材料層可以是GaP、 GaAs或是InN，可以發(fā)射出黃光或是紅光，波長約在520-650納米之間。在這個(gè)實(shí)施例中，在最后的封裝階段可以混合黃色光或是綠色光的熒光粉，使得封裝完成的發(fā)光二極管元件可以發(fā)射出高演色性的白光。 請(qǐng)參閱圖2，當(dāng)波長轉(zhuǎn)換材料層42為不導(dǎo)電時(shí)，必須將透明導(dǎo)電層60與p型導(dǎo)通的包覆層20或是p型導(dǎo)通的接觸層直接接觸，產(chǎn)生電性連接。最簡單的方式，是以蝕刻的方式移除一部分的波長轉(zhuǎn)換材料層42，或是在有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積中利用外延的條件直接形成未完全覆蓋的波長轉(zhuǎn)換材料層42。其中，蝕刻可以采用濕式蝕刻或是干式蝕刻。
接下來的工藝是屬于發(fā)光二極管的晶粒切割工藝。首先，請(qǐng)參閱圖3A，形成一透明導(dǎo)電層60在波長轉(zhuǎn)換材料層上，其中透明導(dǎo)電層60必須與波長轉(zhuǎn)換材料層40之間形成歐姆接觸。透明導(dǎo)電層60的材質(zhì)可以是Ni/Au、ITO、IZO、IWO或是IGO等可以跟p型導(dǎo)通的III-氮化物之間歐姆接觸的材料。透明導(dǎo)電層60的形成方式，可以是蒸鍍，濺鍍等物理氣相沉積法。 接著，當(dāng)外延基板是藍(lán)寶石基板或是不導(dǎo)電的基板時(shí)，會(huì)在同一面形成n電極與p電極的同面電極的結(jié)構(gòu)，如圖3C所示。在這個(gè)工藝步驟中，首先需要將一部分的透明導(dǎo)電層60、波長轉(zhuǎn)換材料層40、p型導(dǎo)通的接觸層(如果有形成)、p型導(dǎo)通的包覆層20、有源層16、 n型導(dǎo)通的包覆層14以及n型導(dǎo)通的接觸層(如果有形成)移除，以形成一凹陷區(qū)域70，請(qǐng)參閱圖3B。移除的方式可以使用干式蝕刻或是濕式蝕刻的方式。然后，請(qǐng)參閱圖3C，分別在透明導(dǎo)電層60上形成p電極90，在露出的n型導(dǎo)通的包覆層14或是n型導(dǎo)通的接觸層(如果有形成)上形成n電極80。 n電極80與p電極90的形成的方式可以使用蒸鍍或是濺鍍等的物理氣相沉積法。上述n電極80與p電極90的工藝可以透過光刻或是剝離(lift-off)方式形成圖案。 形成電極之后，會(huì)對(duì)外延基板進(jìn)行研磨的步驟，將藍(lán)寶石基板的厚度降低?；旧线@個(gè)步驟是非必需的(optional)，主要的目的是可以提升元件的發(fā)光亮度。
當(dāng)外延基板是碳化硅或是其他的導(dǎo)電基板時(shí)，可以不用對(duì)一部分的透明導(dǎo)電層、波長轉(zhuǎn)換材料層、P型導(dǎo)通的接觸層(如果有形成)、P型導(dǎo)通的包覆層、有源層、n型導(dǎo)通的包覆層以及n型導(dǎo)通的接觸層(如果有形成)移除以露出n型導(dǎo)通的包覆層或是n型導(dǎo)
10通的接觸層(如果有形成)。請(qǐng)參閱圖4， n電極82可以直接形成在外延基板10的底部，而P電極92會(huì)形成在透明導(dǎo)電層60上接近中央的區(qū)域。 另外，當(dāng)外延基板是藍(lán)寶石基板時(shí)，也可以使用基板剝離(substrate lift-off)技術(shù)，將藍(lán)寶石基板給完全移除，請(qǐng)參閱圖5。這時(shí)，需要在另一面形成另一個(gè)可支撐晶片應(yīng)力的金屬基板11，才能將藍(lán)寶石基板移除，如圖5A所示。當(dāng)使用基板剝離技術(shù)時(shí)，在波長轉(zhuǎn)換材料層之后形成的歐姆接觸層60，可以不需要是透明的。基板剝離技術(shù)可以使用激光熱分離的技術(shù)，或是使用化學(xué)蝕刻的技術(shù)將外延基板10與緩沖層12移除，如圖5B所示。隨后，如圖5C所示，整個(gè)晶片會(huì)反置使得n型導(dǎo)通的包覆層14會(huì)朝上。在金屬基板11下形成P電極94，在n型導(dǎo)通的包覆層14上形成n電極84。不論是使用導(dǎo)電的外延基板或是使用基板剝離技術(shù)，都可形成雙面的n電極與-p電極。 隨后，就會(huì)對(duì)整片的晶片進(jìn)行切割形成晶粒。晶片切割的方式可以使用切割刀或是使用激光將整個(gè)晶片切割成一個(gè)個(gè)小塊的晶粒(chip)或是晶方(die)。切割下來的晶?；蚴蔷Х蕉紩?huì)黏在藍(lán)膜上供下一階段的封裝工藝用。 本發(fā)明亦可以應(yīng)用到倒裝芯片(flip-chip)封裝的型態(tài)，請(qǐng)參閱圖6。在晶粒切割的工藝中，就只能形成同面電極的結(jié)構(gòu)。然后在封裝的工藝中，直接將同面電極結(jié)構(gòu)的晶?；蚴蔷Х降膎電極與p電極直接黏著到封裝基板100上。 本發(fā)明利用成長至少一個(gè)波長轉(zhuǎn)換材料層于發(fā)光元件表面的手段，達(dá)成可以直接發(fā)出白光或是多波長激發(fā)光的功效，其中波長轉(zhuǎn)換材料為半導(dǎo)體，可任意改變所需要的波長。而且，在封裝工藝的階段可以不需要添加熒光粉就可以發(fā)射出白光，或是可以提供高演色性的白光。 從本發(fā)明手段與具有的功效中，可以得到本發(fā)明具有諸多的優(yōu)點(diǎn)。首先，形成的波長轉(zhuǎn)換材料層的全工藝可以于外延反應(yīng)器內(nèi)完成，不需額外的黃光光刻工藝，減少外延片受污染的機(jī)會(huì)。另外，相較于諸多的現(xiàn)有技術(shù)中，發(fā)光元件的p-n結(jié)位置不會(huì)改變，可保留原發(fā)光元件的發(fā)光效率。再者，波長轉(zhuǎn)換材料為化合物半導(dǎo)體，可根據(jù)材料的能階任意改變所需要的波長。同時(shí)，可對(duì)波長轉(zhuǎn)換材料層形成具有粗化的表面，因而增加元件的光取出效率。 顯然，依照上面實(shí)施例中的描述，本發(fā)明可能有許多的修正與差異。因此需要在其附加的權(quán)利要求的范圍內(nèi)加以理解，除了上述詳細(xì)的描述外，本發(fā)明還可以廣泛地在其他的實(shí)施例中施行。上述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并非用以限定本發(fā)明；凡其它未脫離本發(fā)明所公開的精神下所完成的修改，均應(yīng)包含在所附權(quán)利要求所要求保護(hù)的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種多波長發(fā)光二極管，包含一基板；一化合物半導(dǎo)體復(fù)合層位于該基板上，其中該化合物半導(dǎo)體復(fù)合層包含一N型導(dǎo)電的半導(dǎo)體層，一P型導(dǎo)電的半導(dǎo)體層，以及一有源層位于該N型導(dǎo)電的半導(dǎo)體層與該P(yáng)型導(dǎo)電的半導(dǎo)體層之間，該有源層可激發(fā)出一第一波長的激發(fā)光；以及一第一波長轉(zhuǎn)換層位于該化合物半導(dǎo)體復(fù)合層上，其中該第一波長轉(zhuǎn)換層吸收部分該有源層的第一波長的激發(fā)光而放射出一第二波長的激發(fā)光，該第二波長大于該第一波長。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管，其中所述的第一波長轉(zhuǎn)換層的材料為III-V族 化合物半導(dǎo)體材料或是II-VI族化合物半導(dǎo)體材料，且所述的III-V族化合物半導(dǎo)體材料 為III族氮化合物、III族磷化合物或是III族砷化合物。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的發(fā)光二極管，還包含一第二波長轉(zhuǎn)換層位于該第一波長轉(zhuǎn)換 層上，其中該可導(dǎo)電的半導(dǎo)體波長轉(zhuǎn)換層吸收部分該有源層的第一波長的激發(fā)光而放射出 一第三波長的激發(fā)光及該第一波長轉(zhuǎn)換材料的第二波長的激發(fā)光，該第三波長大于該第二 波長，且所述的第二波長轉(zhuǎn)換層為III族氮化合物、III族磷化合物或是III族砷化合物， 所述的II-VI族化合物半導(dǎo)體材料為II族氧化合物、II族硫化合物或是II族硒化合物。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的發(fā)光二極管，其中所述的基板為藍(lán)寶石基板、碳化硅基板、鋁 酸鋰基板、鎵酸鋰基板、硅基板、氮化鎵基板、氧化鋅基板、氧化鋁鋅基板、砷化鎵基板、磷化 鎵基板、銻化鎵基板、磷化銦基板、砷化銦基板、硒化鋅基板或是金屬基板。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的發(fā)光二極管，還包含一緩沖層位于該基板與該化合物半導(dǎo)體 復(fù)合層之間，一P型導(dǎo)電的電子阻擋層位于該有源層與該P(yáng)型導(dǎo)電的半導(dǎo)體層之間及一透 明導(dǎo)電層位于該第一波長轉(zhuǎn)換層上，且與該第一波長轉(zhuǎn)換層歐姆接觸。
6. —種制造多波長發(fā)光二極管的方法，包含 提供一外延基板；形成一化合物半導(dǎo)體復(fù)合層位于該外延基板上，其中該化合物半導(dǎo)體復(fù)合層包含一N 型導(dǎo)電的半導(dǎo)體層，一P型導(dǎo)電的半導(dǎo)體層，以及一有源層位于該N型導(dǎo)電的半導(dǎo)體層與該 P型導(dǎo)電的半導(dǎo)體層之間，該有源層可激發(fā)出一第一波長的激發(fā)光；以及形成一第一波長轉(zhuǎn)換層位于該化合物半導(dǎo)體復(fù)合層上，其中該第一半導(dǎo)體波長轉(zhuǎn)換層 吸收部分該有源層的第一波長的激發(fā)光而放射出一第二波長的激發(fā)光，該第二波長大于該 第一波長。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的制造多波長發(fā)光二極管的方法，其中所述的第一波長轉(zhuǎn)換層 的材料為ni-v族化合物半導(dǎo)體材料或是II-VI族化合物半導(dǎo)體材料，且所述的III-V族 化合物半導(dǎo)體材料為III族氮化合物、III族磷化合物或是III族砷化合物。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的制造多波長發(fā)光二極管的方法，還包含形成一第二波長轉(zhuǎn)換 層位于該第一波長轉(zhuǎn)換層上，其中該可導(dǎo)電的半導(dǎo)體波長轉(zhuǎn)換層吸收部分該有源層的第一 波長的激發(fā)光而放射出一第三波長的激發(fā)光及該第一波長轉(zhuǎn)換材料的第二波長的激發(fā)光， 該第三波長大于該第二波長，且所述的第二波長轉(zhuǎn)換層為in族氮化合物、ni族磷化合物或是in族砷化合物，ii-vi族化合物半導(dǎo)體材料為ii族氧化合物、n族硫化合物或是ii族硒化合物。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的制造多波長發(fā)光二極管的方法，其中所述的外延基板為藍(lán)寶石基板、碳化硅基板、鋁酸鋰基板、鎵酸鋰基板、硅基板、氮化鎵基板、氧化鋅基板、氧化鋁鋅 基板、砷化鎵基板、磷化鎵基板、銻化鎵基板、磷化銦基板、砷化銦基板或是硒化鋅基板。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的制造多波長發(fā)光二極管的方法，還包含形成一緩沖層位于 該外延基板與該化合物半導(dǎo)體復(fù)合層之間，一 P型導(dǎo)電的電子阻擋層位于該有源層與該P(yáng) 型導(dǎo)電的半導(dǎo)體層之間，形成一透明導(dǎo)電層位于該第一波長轉(zhuǎn)換層上，且與該可導(dǎo)電的波 長轉(zhuǎn)換層歐姆接觸及形成一歐姆導(dǎo)電層位于該第一波長轉(zhuǎn)換層上，且與該可導(dǎo)電的波長轉(zhuǎn)換層歐姆接觸。
11. 根據(jù)權(quán)利要求io所述的制造多波長發(fā)光二極管的方法，還包含形成一金屬基板于該歐姆導(dǎo)電層上，移除該外延基板的步驟及一第二波長轉(zhuǎn)換層位于該第一波長轉(zhuǎn)換層上， 以及一第三可導(dǎo)電的波長轉(zhuǎn)換層位于該第二波長轉(zhuǎn)換層上。
全文摘要
本發(fā)明利用成長至少一個(gè)波長轉(zhuǎn)換材料于發(fā)光元件表面，將部分來自發(fā)光元件的光轉(zhuǎn)換為至少一種不同波長的光，再與來自發(fā)光元件但未經(jīng)轉(zhuǎn)換的光進(jìn)行混光的過程，最終得到所需的CIE坐標(biāo)的光源。本發(fā)明形成的波長轉(zhuǎn)換材料層的全工藝可以于外延反應(yīng)器內(nèi)完成，不需額外的黃光光刻工藝，減少外延片受污染的機(jī)會(huì)。另外，相較于諸多的現(xiàn)有技術(shù)中，發(fā)光元件的p-n結(jié)位置不會(huì)改變，可保留原發(fā)光元件的發(fā)光效率。再者，波長轉(zhuǎn)換材料為化合物半導(dǎo)體，可根據(jù)材料的能階任意改變所需要的波長。同時(shí)，可對(duì)波長轉(zhuǎn)換材料層形成具有粗化的表面，因而增加元件的光取出效率。
文檔編號(hào)H01L33/00GK101728462SQ200810167918
公開日2010年6月9日 申請(qǐng)日期2008年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月17日
發(fā)明者葉穎超, 吳芃逸, 林文禹, 涂博閔, 詹世雄, 黃世晟 申請(qǐng)人:先進(jìn)開發(fā)光電股份有限公司