專利名稱：發(fā)光二極管及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明關(guān)于一種發(fā)光二極管芯片及其制造方法。
背景技術(shù)：
發(fā)光二極管(LED)可廣泛地應(yīng)用于不同的產(chǎn)品中，例如可應(yīng)用于平面顯示裝置、 交通信號(hào)、照明設(shè)備等等。發(fā)光二極管芯片中活性層所發(fā)出的光線，可能因?yàn)榘l(fā)光二極管芯片中的光學(xué)路徑不佳，導(dǎo)致所產(chǎn)生的光線無法有效地傳遞至外界，因此而降低光的取出率及發(fā)光效率。所以，如何提高發(fā)光二極管芯片中光線的取出率或發(fā)光效率，一直是發(fā)光二極管領(lǐng)域的重要技術(shù)議題。M. Hao等人曾揭露一種利用高溫蝕刻氮化鎵(GaN)及藍(lán)寶石基材(phys. stat. sol. (c)l，No. 10，pp.2397-M0(K2004))，以形成一粗糙面的技術(shù)。其中使用的技術(shù)是先形成一氮化鎵(GaN)層于藍(lán)寶石基材上，然后在高溫(1180°C )下導(dǎo)入氫氣使GaN受熱分解， 并同時(shí)誘發(fā)GaN蝕刻藍(lán)寶石基材，而在藍(lán)寶石基材表面上形成高密度的納米等級(jí)的隕石坑 (nano-craters)。但上述方法必需額外成長(zhǎng)一 GaN層，且進(jìn)行蝕刻藍(lán)寶石基材所需的時(shí)間較長(zhǎng)，并不經(jīng)濟(jì)。Ru-Chin Tu等人曾揭露使用一層薄的SiN中間層(interlayer)于n_GaN中的技術(shù)(Applied Physics Express l，pp. 101101-1-3 Q003))，以提升磊晶質(zhì)量與光取出率。但此一中間層厚度僅約為50nm至lOOnm，相較于近微米尺度的粗糙表面而言，其光散射效果并不顯著。Yasuo Ohba等人公開一種使用高質(zhì)量氮化鋁(AlN)為底材，以制造高效能紫外光 LED 的技術(shù)(Appl. Phys. Lett.，Vol. 83，No. 17，pp. 3608-3610 (2008)) 但平滑的 GaN/AIN 接口無法有效提高LED芯片的光取出率。另一先前技術(shù)揭露一種發(fā)光組件，其包含一具有漫射面的半導(dǎo)體發(fā)光迭層以及一透明粘結(jié)層。在此，漫射面是利用磊晶制程成長(zhǎng)或以蝕刻方式形成，且透明粘結(jié)層的主要成分是由高分子材料所組成，用以將發(fā)光迭層與透光基板粘結(jié)在一起。在上述制程方式中，因?yàn)楸仨氄辰Y(jié)兩片基材，所以制造過程繁鎖。此外，透明粘結(jié)層的主要成分為高分子材料，容易受熱而劣化，所以發(fā)光組件的可靠度不易控制。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明提供一種發(fā)光二極管，俾能增加光取出率以及改善磊晶質(zhì)量，而提升發(fā)光二極管的光學(xué)及電性效能。本發(fā)明之另一目的是提供一種制造上述發(fā)光二極管的方法，其至少具有制程方式簡(jiǎn)單之優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明之另一態(tài)樣是提供一種發(fā)光二極管，此發(fā)光二極管包括一基材、一氮化鎵層、一粗化層、一磊晶層。其中該磊晶層包含一第一半導(dǎo)體層、一發(fā)光層以及一第二半導(dǎo)體層。前述粗化層配置于前述氮化鎵層上，且前述粗化表面上具有不規(guī)則粗糙面。前述磊晶層配置于粗化層上，且前述磊晶層材料的折射率大于粗化層材料的折射率。本發(fā)明之一態(tài)樣是提供一種制造發(fā)光二極管的方法，此方法包括以下步驟。提供一基材；形成一緩沖層于此基材上；形成一氮化鎵層于前述緩沖層上；低溫形成一粗化層于前述氮化鎵層上；形成一磊晶層于前述粗化層上，其中磊晶層材料之折射率大于粗化層材料之折射率。下面參照附圖，結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。


圖IA至圖IC和圖IE為本發(fā)明之發(fā)光二極管在不同制造步驟時(shí)的剖面示意圖。圖ID是圖IC的頂視圖。圖2是為本發(fā)明之光路徑示意圖。圖3是為低溫下成長(zhǎng)之氮化鋁層表面的顯微圖片。主要元件符號(hào)說明發(fā)光二極管 100基材102緩沖層104氮化鎵層106粗化層108第一半導(dǎo)體層 110發(fā)光層112第二半導(dǎo)體層 114磊晶層11具體實(shí)施例方式圖IA至圖IC和圖IE是本發(fā)明之發(fā)光二極管在不同制造步驟時(shí)的剖面示意圖。請(qǐng)參照?qǐng)D1A，其為一剖面示意圖。首先提供一基材102，基材102的材料可為藍(lán)寶石(Al2O3)基板、碳化硅(SiC)基板、鋁酸鋰基板(LiAlO2)、鎵酸鋰基板(LiGaO2)、硅(Si) 基板、氮化鎵(GaN)基板、氧化鋅(SiO)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(feSb)、磷化銦αηΡ)基板、砷化銦(InAs)基板或硒化鋅 (ZnSe)基板，但可適用于本發(fā)明之基材102不限于上述材料。如圖IB所示，于基材102上方形成一緩沖層104。由于晶格結(jié)構(gòu)與晶格常數(shù)是另一項(xiàng)選擇磊晶基板的重要依據(jù)。若基板與磊晶層之間晶格常數(shù)差異過大，往往需要先形成一緩沖層才可以得到較佳的磊晶質(zhì)量。前述緩沖層104形成的方式是以化學(xué)氣相沈積法(Chemical Vapor Deposition ；CVD) 例如在有機(jī)金屬化學(xué)氣相沈積(MOCVD ； Metal Organic Chemical Vapor Deposition)機(jī)臺(tái)或是分子束幕晶(MBE ;Molecular Beam Epitaxy)機(jī)臺(tái)中，以相對(duì)于后續(xù)正常磊晶溫度較低的環(huán)境長(zhǎng)晶。例如氮化鎵的一般長(zhǎng)晶溫度約在800-1400°C之間，而緩沖層的長(zhǎng)晶溫度約在250-700°C之間。當(dāng)使用有機(jī)金屬化學(xué)氣相沈積法時(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 (trimethylgallium ；TMGa)或是三乙基鎵(triethylgallium ；TEGa)。反應(yīng)室的壓力可以是低壓或是常壓。接下來于前述緩沖層104上將反應(yīng)溫度升高至1000-140(TC之間高溫形成一磊晶質(zhì)量較佳的無摻雜氮化鎵層106。進(jìn)一步參考圖1C，粗化層108可為一無機(jī)材料所制成，例如金屬氮化物。在一實(shí)施例中，粗化層108為單晶氮化鋁(AlN)。粗化層108的厚度并無特殊限制，在一實(shí)施例中，粗化層108的厚度為約0. 5μπι至約2μπι，可依材料種類以及后續(xù)制程的需要調(diào)整粗化層108的厚度。在另一實(shí)施例中，使用有機(jī)金屬化學(xué)氣相沈積(Metal Organic Chemical Vapor Deposition,MOCVD)技術(shù)，溫度約800°C下形成粗化層108。在使用MOCVD形成氮化鋁層(AlN) 108的實(shí)施例中，可使用三甲基鋁(TMAI，trimethylaluminum)為有機(jī)金屬反應(yīng)源(precursor)和NH3氣體反應(yīng)而得到氮化鋁(AlN)。在粗化層108為氮化鋁的實(shí)施例中， 氮化鋁的折射率為約為2.1。在溫度約800°C下形成氮化鋁層，由于晶格排列較混亂，使得氮化鋁層108產(chǎn)生不規(guī)則表面亦即為粗化層，如圖IC及圖ID所示。圖IC為剖面示意圖，圖ID為圖IC的頂視圖。此粗化表面可造成光學(xué)散射效果，并能改變發(fā)光二極管芯片中的光學(xué)路徑，而達(dá)成提升光取出率的效果。前述形成粗化層108可以在同一反應(yīng)腔室中完成，無須更換腔室或移動(dòng)基材。圖3為低溫下成長(zhǎng)之氮化鋁層表面的顯微圖片。由于低溫下成長(zhǎng)之氮化鋁層的晶格排列不整齊，因此容易產(chǎn)生一粗化表面。從顯微圖片中可以觀察得到。請(qǐng)參見圖1E，形成一磊晶層116于粗化層108上，其中前述磊晶層116包含一第一半導(dǎo)體層110、一發(fā)光層112以及一第二半導(dǎo)體層114。前述磊晶層116材料的折射率大于粗化層108材料的折射率。第一半導(dǎo)體層可為η型半導(dǎo)體層，利用摻雜四族的原子以形成η型半導(dǎo)體層110。在本實(shí)施例中是硅原子(Si)，而硅的先驅(qū)物在有機(jī)金屬化學(xué)氣相沈積機(jī)臺(tái)中可以是硅甲烷(SiH4)或是硅乙烷(Si2H6)。η型半導(dǎo)體層110的形成方式依序由高濃度參雜硅原子(Si)的氮化鎵層(GaN)至低濃度摻雜硅原子(Si)的氮化鎵層。高濃度參雜硅原子(Si)的氮化鎵層(GaN)可以提供η型半導(dǎo)體之奧姆接觸(Ohmic Contact)。接著形成一發(fā)光層112在η型半導(dǎo)體層110上。其中發(fā)光層112可以是單異質(zhì)結(jié)構(gòu)、雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)、單量子井層或是多重量子井層結(jié)構(gòu)。目前多采用多重量子井層結(jié)構(gòu)，也就是多重量子井層/阻障層的結(jié)構(gòu)。量子井層可以使用氮化銦鎵anfeN)，而阻障層可以使用氮化鋁鎵(AWaN)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 (AlxInyGa1^yN)同時(shí)作為量子井層以及阻障層。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井層。發(fā)光層112可以摻雜η型或是P型的摻雜子(dopant)，可以是同時(shí)摻雜η型與ρ型的摻雜子，也可以完全不摻雜。并且，可以是量子井層摻雜而阻障層不摻雜、量子井層不摻雜而阻障層摻雜、量子井層與阻障層都摻雜或是量子井層與阻障層都不摻雜。再者，亦可以在量子井層的部份區(qū)域進(jìn)行高濃度的摻雜(delta doping)。之后，在發(fā)光層112上形成一 ρ型半導(dǎo)體電子阻擋層(未圖標(biāo))。ρ型半導(dǎo)體電子阻擋層包括第一種III-V族半導(dǎo)體層，以及第二種III-V族半導(dǎo)體層。這兩種III-V族半導(dǎo)體層之能隙不同，且是具有周期性地重復(fù)沈積在上述發(fā)光層112上，前述周期性地重復(fù)沈積動(dòng)作可形成能障較高的電子阻擋層(能障高于主動(dòng)發(fā)光層的能障)，用以阻擋過多電子 (e-)溢流發(fā)光層112。前述第一種III-V族半導(dǎo)體層可為氮化鋁銦鎵(AlxInyGai_x_yN)層， 前述第二種III-V族半導(dǎo)體層可為氮化鋁銦鎵(AluInyGhtyN)層。其中，0< 1，x+y彡1，0彡u < 1，0彡ν彡1以及u+v 1。當(dāng)χ = u時(shí)，y乒ν。另外，前述III-V 族半導(dǎo)體層亦可為氮化鎵(GaN)、氮化鋁(AlN)、氮化銦QnN)、氮化鋁鎵(AWaN)、氮化銦鎵 (InGaN)、氮化鋁銦(AlInN)。最后，摻雜二族的原子以形成ρ型半導(dǎo)體層114于ρ型半導(dǎo)體電子阻擋層上。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)氣相沈積機(jī)臺(tái)中可以是CP2Mg。ρ型半導(dǎo)體層114的形成方式依序由低濃度參雜鎂原子(Mg)的氮化鎵層(GaN)至高濃度參雜鎂原子(Mg)的氮化鎵層。高濃度參雜鎂原子(Mg)的氮化鎵層(GaN)可以提供ρ型半導(dǎo)體之奧姆接觸(Ohmic Contact)。另外，請(qǐng)參考圖2所示，活性層112所產(chǎn)生的光線除了向上發(fā)射外，也向下發(fā)射。向下發(fā)射的光線可藉由粗化層108上的不規(guī)則粗糙面發(fā)生散射(scattering)及/或漫反射 (diffused reflection)，改變?cè)镜墓鈱W(xué)路徑。使原本向下發(fā)射的光線能夠經(jīng)由其它的光學(xué)路徑而被導(dǎo)向上方，從而提高光的取出率或利用率。因此，粗化層108所使用材料必須考慮粗化層108與磊晶層116之間的晶格匹配， 因?yàn)榇只瘜?08的晶格特性會(huì)直接影響磊晶層116的性質(zhì)。若粗化層108材料與磊晶層116 的晶格不匹配，將增加磊晶層116中的錯(cuò)位密度(dislocationdensity)，而使最終組件的性能劣化。再者，粗化層116所使用材料必須與磊晶層116的材料有折射率的差異，且折射率差異越大時(shí)，光學(xué)散射的效果越明顯。在本發(fā)明中，粗化層的折射率必需小于磊晶層，使得光經(jīng)由粗化層散射而達(dá)到增加出光面之出光效率。例如，氮化鎵磊晶層材料(折射率為約2. 5)，而粗化層108為氮化鋁(折射率為約2. 1)。若粗化層108與磊晶層116的材料折射率相同，大部分的光線將直接通過粗化層108與磊晶層116間的接口，使得光學(xué)散射表面難以發(fā)揮光學(xué)散射效果。滿足上述要求的無機(jī)材料都可作為本發(fā)明之粗化層108的材料。雖然本發(fā)明已以實(shí)施方式揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何熟習(xí)此技藝者，在不脫離本發(fā)明之精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作各種之更動(dòng)與潤(rùn)飾，因此本發(fā)明之保護(hù)范圍當(dāng)視后附之申請(qǐng)專利范圍所界定者為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)光二極管組件之制造方法，包含提供一基材；形成一緩沖層于該基板上；形成一粗化層于該緩沖層上；形成一磊晶層于該粗化層上；其特征在于上述步驟皆在一反應(yīng)爐中完成。
2.根據(jù)權(quán)利要求項(xiàng)1所述的發(fā)光二極管組件之制造方法，其特征在于形成一氮化鎵層介于該緩沖層及粗化層之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求項(xiàng)1所述的發(fā)光二極管組件之制造方法，其特征在于所述粗化層的材料為氮化鋁(AlN)。
4.根據(jù)權(quán)利要求項(xiàng)1所述的發(fā)光二極管組件之制造方法，其特征在于所述磊晶層的折射率大于該粗化層的折射率。
5.根據(jù)權(quán)利要求項(xiàng)1所述的發(fā)光二極管組件之制造方法，其特征在于所述粗化層形成的溫度低于磊晶層形成的溫度。
6.一種發(fā)光二極管組件之結(jié)構(gòu)，包含一基材；一緩沖層位于該基板上；一磊晶層位于該粗化層上；其特征在于一粗化層位于該緩沖層上。
7.根據(jù)權(quán)利要求項(xiàng)6所述的發(fā)光二極管組件之結(jié)構(gòu)，其特征在于一氮化鎵層位于該緩沖層及該粗化層之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求項(xiàng)6所述的發(fā)光二極管組件之結(jié)構(gòu)，其特征在于所述粗化層的材料為氮化鋁(AlN)。
9.根據(jù)權(quán)利要求項(xiàng)6所述的發(fā)光二極管組件之結(jié)構(gòu)，其特征在于所述磊晶層的折射率大于該粗化層的折射率。
10.根據(jù)權(quán)利要求項(xiàng)6所述的發(fā)光二極管組件之結(jié)構(gòu)，其特征在于所述粗化層之不規(guī)則表面厚度為0. 2-0. 8 μ m。
全文摘要
本發(fā)明揭示一發(fā)光二極管及其制造方法。該方法包含提供一基材；形成一緩沖層于此基材上；形成一氮化鎵層于前述緩沖層上；低溫形成一粗化層于前述氮化鎵層上；形成一磊晶層于前述粗化層上，其中磊晶層材料之折射率大于粗化層材料之折射率。其方法主要為提高發(fā)光二極管之出光率及改善磊晶質(zhì)量，且在同一個(gè)MOCVD反應(yīng)器中即可完成。
文檔編號(hào)H01L33/20GK102194944SQ20101012334
公開日2011年9月21日 申請(qǐng)日期2010年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月15日
發(fā)明者凃博閔, 吳芃逸, 黃世晟 申請(qǐng)人:展晶科技(深圳)有限公司, 榮創(chuàng)能源科技股份有限公司