專利名稱：設有光提取點狀物陣列的發光二極管及其制造過程的制作方法
技術領域：
本發明涉及半導體發光二極管的制造過程，尤其涉及具有改善光 提取效率的發光二極管。
背景技術：
己知發光二極管為由多層結構所組成，此多層結構包括夾于n型 半導體層與p型半導體層間的發光層。此發光層可以是由活性氮化物 半導體化合物所組成的單層或多層結構。施加于發光二極管電極之間 的電偏壓產生電子和/或空穴的注入，電子和/或空穴流過n型半導體 層與p型半導體層，并穿越發光層，在此發光層中電子/或空穴再結 合以產生光。自發光層所生成的光在各方向上傳播，且經由每一個顯 露表面而離開此發光二極管。為有效地實現其發光目的，通常需要引 導此光自發光二極管沿預定的發射方向射出。
一般而言，發光二極管的發光效率可由多種參數予以表達，其中 之一即為光提取效率，也就是射出發光二極管的光量與發光二極管產 生的光量的比值。實際上，由于經由組成發光二極管的不同層的各種 內部吸收的原因，射出發光二極管的光量少于發光二極管所產生的光 量。為了增加光提取效率，已知方法之一是在發光二極管的多層結構 內設置反射層，以沿可用的方向再引導光射出。
為解決上述問題，已知方法為在發光二極管的p型層上形成銀 (Ag)p型電極，此技術已被美國專利No.6,194，743所公開。銀的高反
射性有益于形成能夠再引導光至襯底的反射P型電極，因此能避免p 型電極的光吸收。
另一種已知方法為將光學層置入多層結構中，以促使光沿可用光 路徑傳播，此技術已被美國專利No.6,657,236所公開。光學層形成以
陣列式排列的光提取元件，以散射自發光層所發出的光。美國專利No.No.6，870，191還揭露另一種技術，其中發光二極管 具有被蝕刻以形成凹部與凸部的藍寶石襯底。因此，自發光區域產生 的光可以通過凹部與凸部被散射或繞射，進而改善光提取率。此襯底 的蝕刻一般需要使用金屬掩膜，其會形成金屬殘余物，此金屬殘余物 將污染后續的長晶步驟，故此方法并不經濟且產生非預期的污染物。
前述的現有技術公開了各種技術方法，這些技術方法可能需要更 進一步的改善以提高發光二極管的光強度。
發明內容
本發明所述的發光二極管及其制造過程可改善發光二極管的光 提取效率。
根據實施例，發光二極管包括以氮化物半導體組成的多層結構， 此多層結構堆疊在襯底上且包括發光層；多個電極，其提供驅動電流 以點亮發光二極管；以及整合至多層結構的光學層，其形成以陣列排 列的基本上等距離的多個光提取點狀物。
根據實施例，光提取點狀物陣列包括并置的六角形圖案。在一些 例子中，光學層組成包括SiOx、 SiNx、 Si3N4、 SiC、 SiOxNy、 ZnSe、 Ti02或Ta20s等材料。在一些實施例中，光學層的厚度為小于800A， 且優選地為約500A。在另一些實施例中，光提取點狀物具有六邊形 的表面區域。在一些變換中，發光二極管具有高于150mcd的光強度。
本案還公開了形成發光二極管的制造工藝。根據實施例，此制造 過程包括形成具有至少一個發光層的多層結構；形成用以提供驅動 電流流經多層結構的電極；以及形成整合至多層結構的光學層，且該 光學層包括以陣列排列的基本上等距離的多個光提取點狀物。
在一些實施例中，該制造過程包括在多層結構的兩層之間的界面 上形成光學層。在一些應用的例子中，光學層形成在襯底的表面上； 接著圖案化該光學層以形成基本上等距離的光提取點狀物陣列；以及 在該光學層上堆疊包括發光層在內的多個層。
在一些變化中，該制造過程還包括形成覆蓋該光學層的緩沖層， 以及在此緩沖層上形成多個氮化半導體層。 在一些例子中，圖案化該光學層以形成基本上等距離的光提取點 狀物陣列的步驟中，包括執行光刻過程以形成光阻圖案，再經由光阻 圖案進行蝕刻。
上述的描述為本發明的簡示，且不應被用來限制權利要求的范 圍，在此公開的方法與結構可被應用于許多方式中，且在不違背本發 明與其廣泛觀點下，可進行改變與修飾。如同權利要求所定義的，其 它的觀點、創造性的特征與本發明的優點將在下列的非限制性的詳細 描述中敘述。
圖1A至圖1H為根據本發明的實施例，形成發光二極管的制造 過程的示意圖2為根據本發明的實施例，以陣列圖案所設置的光提取點狀物 的示意圖3為顯示發光二極管的特性參數根據本發明而分布的光提取 點狀物陣列圖案的厚度而變化的數據圖表；以及
圖4為根據本發明的實施例，用以評估發光二極管的光強度的系 統的示意圖。
主要組件符號說明
102:藍寶石襯底
104:光學層
106:光提取圖案
107:光提取點狀物
跳緩沖層
110:n型接觸層
112:發光層
114:p型接觸層
116:透明導電層
118、119:電極
120:鈍化層
D:樣品 S:感光器 P:測試平臺
具體實施例方式
本申請案描述一種發光二極管及其制造過程，其能改善發光二極 管的光提取效率及光亮度。發光二極管以多層結構組成，其中包括多 層氮化物半導體化合物。此多層結構含有被圖案化為多個光提取點狀 物組成的陣列的光學層，用以有效地折射與散射光改善光提取。本發
明敘述中的"氮化物半導體化合物"是指GaN、 AlGaN、 InGaN、 AlInGaN或以至少Al、 In、 Ga與N等元素所組成的類似化合物。
圖1A至圖1H為根據本發明的實施例制造發光二極管的方法的 示意圖。在圖1A中，藍寶石襯底102起初經過溫度清理過程。根據 實施例，此溫度清理過程包括加熱襯底102至高于1000。C的溫度， 同時于保持在1000毫帕(mbar)壓力環境中，以每分鐘約5標準公升 (standard liter per min， slm)導入氫氣(H2)及/或氮氣(N2)。對本領域技 術人員而言顯而易知的是，襯底可以由其它合適透明材料組成，例如 硅、碳化硅(SiC)或其類似者。
參考圖1B，光學層104形成在襯底102上，在本發明的實施例 中，光學層104由二氧化硅(Si02)所制成。更一般地說，其它化合物 材料也可能適用，包括SiOx、 SixNy(例如Si3N4)、 SiC、 SiOxNy、 ZnSe、 1102或1^05，其中x與y是指在每一化合物中適合的元素數比。參 考附圖中的實施例，二氧化硅是通過化學氣相沉積形成在襯底102的 表面上的，其中濺鍍或氣相技術亦可能用以形成二氧化硅。
參考圖1C，光學層104透過合適圖案層被蝕刻，以在襯底102 表面上形成陣列形式光提取圖案106。圖案層可為光阻層，其依據光 刻技術沉積、曝光與顯影形成光阻圖案。光提取圖案106優選地包括 多個光提取點狀物107，其以陣列形式排列在襯底102表面上，其中 光提取點狀物的優選分布圖案將參照圖2在以下進一步描述。
參考圖1D，緩沖層108形成在光提取圖案106上。在實施例中，
緩沖層108以非摻雜GaN組成，其由足以覆蓋光提取點狀圖案106 的厚度形成于襯底102的表面上。其它的材料，例如AlGaN、 InGaN、 AlInGaN或其類似氮化物半導體化合物亦適于作為緩沖層108，此緩 沖層108是用以降低襯底102與具有后續形成于其上的氮化物半導體 層的光提取圖案106之間的晶格不匹配。緩沖層108可由有機金屬化 學氣相沉禾只(metalorganic chemical vapor deposition, MOCVD)、氣相 夕卜延(vapor phase epitaxy, VPE)或分子束夕卜延(molecular beam epitaxy, MBE)技術進行沉積。
接下來參考圖1E，在緩沖層108上堆疊多層結構。在此實施例 中，多層結構包括n型接觸層110、發光層112、 p型接觸層114與透 明導電層116。 n型接觸層110、發光層112、 p型接觸層114可通過 使用有機金屬化學氣相沉積、氣相外延或分子束外延技術形成。透明 導電層116可為透明導電氧化物，例如由濺鍍所形成的氧化銦錫。
本說明的實施例中，n型接觸層110例如為通過使用三甲基鎵 (TMG)、氨氣(NH3)及硅甲烷(SiH4)的有機金屬化學氣相沉積(MOCVD) 技術所形成的摻雜硅的n型摻雜元素的GaN。發光層112可包括由阻 擋層與阱層交叉堆疊(未顯示)形成多重量子井結構，此阻擋層與阱層 包括通過有機金屬化學氣相沉積技術沉積的氮(N)、銦(In)與鎵(Ga)的 氮化物半導體化合物。此p型接觸層114可包括通過有機金屬化學氣 相沉積技術所形成的鎂(Mg)摻雜雜質的GaN。沉積條件可被調整以 使得p型接觸層114被沉積時具備活性摻雜雜質，因此無需后續進行 退火過程。
參考圖1F，將包括透明導電層116、p型接觸層114與發光層112 的部分區域蝕刻，直至顯露部份的n型接觸層110。
參考圖1G，在n型接觸層110的顯露區域上形成n型電極118， 且在p型接觸層116上形成p型電極119。
參考圖1H，形成密封鈍化層120以覆蓋透明導電層116與n型 GaN層110的顯露區域并外露電極118與119。鈍化層120可由例如 Si02所組成，外露電極118與119可經由導電線或覆晶設置連接至電 源，以驅動發光二極管的發光。驅動電流生成電子與空穴穿過n型接
觸層llO與p型接觸層114而移動并于發光層112中再結合以產生光。
圖2為根據本發明實施例的陣列式光提取點狀圖案的平面圖。光 提取圖案106包括多個光提取點狀物107，其一致地以陣列式設置于 襯底102的表面上。光提取點狀物107優選地以等距離設置，其中每 一光提取點狀物與其鄰近光提取點狀物為等距。換句話說，在陣列圖 案中，每一對臨近的光提取點狀物107具有相同的點間距離"g"。
在說明的實施例中，光提取點狀物107例如以六邊形圖案并列設 置，其中光提取點狀物107分別置于每一六邊形的角落與中心，兩鄰 近的光提取點之間的距離"g"為約0.5微米到10微米之間。如同圖2 所示，投影于平行于襯底的平面的光提取點狀物107可為環形(a)、矩 形(b)、六邊形(c)或八邊形(d)。每一光提取點狀物107的大小可通過 外接于每一光提取點狀物且具有約3微米直徑的外接圓所近似。由此 設置的光提取點狀物107的圖案分布可有效地反射與散射光，以改善 光提取效率。初期的測試顯示，將光提取點狀物107的陣列圖案設為 約2微米點間的距離及六邊形(c)的圖案時可改善光提取率。
本發明的發明人所進行的研究顯示，光提取圖案的另一因素決定 發光二極管的光提取效率。
現參考圖3與圖4，以根據本發明的實施例描述進行的實驗，其 根據光提取圖案的不同厚度測量光提取效率。發光二極管的樣品以相 同的制造工藝形成，此制造過程例如為圖1A至圖1H所示的實施例。 每一樣品因光提取圖案的厚度而有差異，光提取圖案例如由Si02所 組成，且根據上述的光提取點狀的等距設置分布。為測量每一樣品的 發光，20毫安(mA)的固定電流被施加到發光二極管的每一樣品上。 圖4示出了測試系統應用的實施例，其中平臺P上用以設置每一樣品 D，感光器S則用以測量樣品D因接收固定電流所發出的光強度。
圖3的圖表集結了測試實驗的結果，其中光強度以及其它代表性 的發光二極管的電參數已被測量。圖表中第一行"晶片編號"指的是 樣品編號，第二行指的是在每一樣品中，光提取圖案以埃(A)所表示 的厚度。在圖表中所測試的電特性之間，以伏特表示的"Vfm"指的是 發光二極管的初始傳導電壓，"Vf"是用于點亮發光二極管的前向偏
壓，"Vr"是發光二極管崩潰狀態的反向偏壓，"V'是以微安培表示的
泄漏電流，"Iv"是以毫燭光(mimcandela， mcd)表示的發光二極管的光 強度，"V'是主波長而"、"是尖峰波長，這兩者的特性是以納米 (nanometer, nm)表示，且用以指出發光二極管的色發射。在此實驗中， 樣品例如為發射于藍光范圍的發光二極管。
在圖3的圖表中，就約500A的光提取圖案的厚度(樣品3)而言， 可觀察到約150.2毫燭光的最大光強度，主波長、則約458納米。相 較下，無光提取圖案的參考樣品(樣品l)所發出的光強度約126mcd， 設有厚度約800 A的光提取圖案(樣品4)的光強度則約135.5mcd。隨 光提取圖案的厚度增加至分別為1100A(樣品5)、 1500A(樣品6)與 2500A(樣品7)，觀察到的光強度對厚度約800A的光提取圖案并無大 幅地改變，尤其如果考慮到測試及/或測量誤差。設有厚度約3500A 的光提取圖案(樣品8)，其發光二極管的光強度值反而降低至 124.9mcd。
圖3的圖表也顯示電特性Vfm、 Vf、 ^與L具有微小變化，其指
出發光二極管的電特性不受光提取圖案的厚度改變所影響。 根據本發明進行的測試而顯示，光提取圖案的層厚度可改變發光
二極管的光強度。因此，根據圖3的結果，改善的發光二極管需應用 光提取圖案的特定厚度范圍，此特定厚度范圍為小于800A且優選地 為約500A。根據實施例，生產時，以500A為參考值，可能設定的 厚度范圍例如約400A至600A間，此范圍可視需要而增寬，以配合 制造過程或設計的需求。
根據此發明，通過形成陣列式的光提取點狀物，增進了光提取， 進而改善了發光二極管的光強度。對本領域技術人員而言，可輕易地 明了根據本發明的光提取圖案所提供的改善特性可應用于任何發光 二極管。尤其本發明的光提取圖案可應用于具有不同多層結構的發光 二極管。除此外，該層光提取點狀物可設置于發光二極管的不同層次 (levd)，以配合光發射的不同方向。
因此對應于本發明的實現已經在特定實施例的內容中進行了描 述，這些實施例是用作示例性的而非限制性的。許多變化、修飾、加
添與改善是可能存在的，由此，在此多個例子可被部分地提供以作為 單一例子，在示例性的架構中，以分立元件呈現的結構與功能可被以 組合結構或元件應用。這些與其它變化、修飾、添加與改善可以落入 附帶的權利要求所定義的本發明的保護范圍內。
權利要求
1、一種發光二極管，其包括多層結構，其包括堆疊在襯底表面上的多個氮化物半導體層，其中，所述多層結構包括發光層；多個電極，其用于提供流經所述多層結構的驅動電流；以及光學層，其被整合至所述多層結構，其中，所述光學層形成以陣列排列的基本上等距離的多個光提取點狀物。
2、 如權利要求1所述的發光二極管，其中，所述多個光提取點 狀物具有小于約800A的厚度。
3、 如權利要求1所述的發光二極管，其中，所述光學層由包括 SiOx、 SixNy、 SiC、 SiOxNy、 ZnSe、 Ti02或Ta205等材料所組成的化 合物，其中x與y為化學元素比率。
4、 如權利要求1所述的發光二極管，其中，在所述多層結構的 兩個材料層之間的界面配置有所述光提取點狀物的陣列。
5、 如權利要求1所述的發光二極管，其中，所述光提取點狀物 的陣列包括以并置的六邊形圖案分布所述光提取點狀物。
6、 如權利要求5所述的發光二極管，其中，所述多個光提取點 狀物設置于每一個六邊形圖案的角落與中間。
7、 如權利要求1所述的發光二極管，其中，所述光提取節點具 有六邊形的形狀。
8、 如權利要求1所述的發光二極管，其中，所述發光二極管的 光強度大于約150mcd。
9、 一種形成發光二極管的制造過程，其包括 形成包括至少一個發光層的多層結構；形成用以提供流經所述多層結構的驅動電流的電極；以及 形成整合至所述多層結構的光學層，其中所述光學層包括以陣列 排列的基本上等距離的多個光提取點狀物。
10、 如權利要求9所述的制造過程，其中，所述多個光提取點狀 物具有小于約800A的厚度。
11、 如權利要求9所述的制造過程，其中，在形成整合至所述多 層結構的光學層的步驟中，包括在多層結構中的兩層之間的界面形成 所述光學層。
12、 如權利要求11所述的制造過程，其中，形成整合至所述多層結構的光學層的步驟包括-在襯底的表面上形成光學層；圖案化所述光學層，以形成基本上等距離的光提取點狀物的陣 列；以及在所述光學層上堆疊包括所述發光層的多層材料層。
13、 如權利要求12所述的制造過程，其中，在所述光學層上堆 疊包括所述發光層的多層材料層的步驟中，包括形成覆蓋所述光學層的緩沖層；以及 在所述緩沖層上形成多個氮化物半導體層。
14、 如權利要求12所述的制造過程，其中，圖案化所述光學層 以形成基本上等距離的光提取點狀物的陣列的步驟中，包括執行光刻 過程以形成光阻圖案，再經由所述光阻圖案進行蝕刻。
15、 如權利要求9所述的制造過程，其中，所述光學層組成包括 SiOx、 SixNy、 SiC、 SiOxNy、 ZnSe、 Ti02或Ta205等材料組成，其中 x與y為化學元素比率。
16、 如權利要求9所述的制造過程，其中，所述光提取點狀物的 陣列包括以并置的六邊形圖案分布所述光提取點狀物。
17、 如權利要求16所述的制造過程，其中，所述多個光提取點 狀物設置在每一個六邊形圖案的角落與中間。
18、 如權利要求9所述的制造過程，其中，至少一個光提取點狀 物具有六邊形的形狀。
19、 如權利要求9所述的制造過程，其中，所述發光二極管的光 強度大于約150mcd。
全文摘要
一種發光二極管，其包括被整合至多層結構的光學層，此光學層形成以陣列排列的基本上等距離的多個光提取點狀物。光提取點狀物的陣列包括并置的六邊形圖案的分布，光提取點狀物的層厚度小于800，且優選地為約500。
文檔編號H01L33/20GK101097975SQ20061016591
公開日2008年1月2日 申請日期2006年12月11日 優先權日2006年6月26日
發明者張瑞正, 李家銘, 綦振瀛, 陳世玲, 陳宗良 申請人:泰谷光電科技股份有限公司