專利名稱：具有寬視角的發光二極管及其制造方法
技術領域：
本發明涉及ー種發光二極管及其制造方法，且特別涉及ー種具有寬視角的發光二極管及其制造方法。
背景技術：
目前氮鎵類的發光二極管，例如GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN，由于半導體與空氣介面的折射系數差異會造成全反射(total ref lection)現象，因此會限制發光二極管的輻射張角，亦即視角(viewing angle)。因此，如何提高發光二極管的視角即為此領域的技術人員所欲解決的問題。美國專利公開號碼US 2009/0085053,標題為 “light emitting diode packagewith large viewing angle”,揭露ー種具有大視角的發光二極管封裝。該揭露內容是利用封裝技術以提升發光二極管的視角。請參照圖1，其所繪示為現有發光二極管封裝的示意圖。此發光二極管封裝包括基板(substrate) 30、LED芯片(LED chip) 32、透明的殼本體(transparent housing body) 33、憐光劑基質(phosphor matrix) 34、與外部反射裝置(outer reflectorノ36。基板30 具有一上表面(upper surface) 38 與一下表面(lower surface) 40,并具有一第一電極42與一第二電極44。而LED芯片32固定在基板30上表面38,并且具有一正電極321與一負電極322。利用ー導線(wire)46分別將正電極321連接至基板30的第ー電極42，以及將負電極322連接至基板30的第二電極44。透明的殼本體33位于基板30的上表面38并且具有一凹洞(cavity) 39，而LED芯片32位在凹洞39里。再者，磷光劑基質34添加于凹洞39內，因此，LED芯片32所發出的光可以穿過磷光劑基質34并轉換成為白光，而白光可以穿過透明的殼本體33側面。再者，外部反射裝置36可以反射由透明的殼本體33側面所發射的白光，并提高LED芯片32的光強度。由該揭露內容可知，現有的發光二極管封裝其視角可由120度提升至約140度。美國專利號碼US 6570190,標題為 “LED having angled sides for increasedside light extraction”,揭露ー種利用LED的斜邊來增加側光的擷取。請參照圖2,其所繪示為現有發光二極管示意圖。此發光二極管包括P型摻雜(p-type doped)與N摻雜的嘉晶層Epitaxial layer) 10。此P型摻雜與N摻雜的磊晶層10中可提供PN接面的區域或稱作用層(active layer) 11。透明的基板(transparent substrate) 12 以及透光層(windowlayer) 13 位于 P 型摻雜(p-type doped)與 N摻雜的嘉晶層(epitaxial layer) 10 的ニ側。上下歐姆接觸(ohmic contact) 14、15位于透明基板12以及透光層13表面。而上表面17大于作用層11。再者，發光二極管的側邊(sidewall) 16與垂直方向的夾角為β。現有的發光二極管，利用其側壁16的斜邊構造，使得側向傳遞的光束18、19可以經由多次折射而射向發光二極管表面17或者經反射側壁射出。再者，2010年固態電子期刊第 509-515 頁(Solid-State Electronics54(2010)509-515)，揭露ー種制作于透鏡圖樣的藍寶石基板上的增強射出角的藍光二極管芯片 “Enhancement in emission angle οι the blue LED chip fabricated on lenspatterned sapphire (0001) ”。其是利用特殊圖樣的藍寶石基板達成具有寬視角的發光二極管。
發明內容
本發明的目的在于提出ー種具有寬視角的發光二極管。利用柱狀結構，使得作用層產生的光會被局限在柱狀結構中，并且經由具有次微米ニ維曲面結構的透明導電層，使得發光二極管得出射光具備寬視角。本發明提出ー種發光二極管，包括一基板；多個柱狀結構，形成于該基板上，姆ー該柱狀結構中均包括一第一型半導體層、一作 用層、與一第二型半導體層，其中該第一型半導體層是形成于該基板上，且該些柱狀結構是利用該第一型半導體層達成電氣的連接關系；一填充結構形成于該些柱狀結構之間；一透明導電層，覆蓋于該填充結構與該些柱狀結構中該第二型半導體層所形成的一表面上；一第一電極接觸于該透明導電層；以及一第ニ電極接觸于該第一型半導體層。再者，本發明提出ー種發光二極管的制造方法，包括下列步驟提供一基板；于該基板上依序形成一第一型半導體層、一作用層、與一第二型半導體層；利用微影蝕刻エ藝，于該基板上形成多個柱狀結構，每ー該柱狀結構中均包括該第一型半導體層、該作用層、與該第二型半導體層，其中，該些柱狀結構是利用該第一型半導體層達成電氣的連接關系；形成一填充結構于該些柱狀結構之間；形成一透明導電層，覆蓋于該填充結構與該些柱狀結構中該第二型半導體層所形成的一表面上；形成一第一電極接觸于該透明導電層；以及，形成一第二電極接觸于該第一型半導體層。以下結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細描述，但不作為對本發明的限定。
圖I所繪示為現有發光二極管封裝的示意圖；圖2所繪示為現有發光二極管示意圖；圖3所繪示為本發明具有寬視角的發光二極管；圖4A至圖4G所繪示為本發明具有寬視角的發光二極管的制作方法；圖5所繪示為本發明發光二極管與現有發光體的輻射分布圖。其中，附圖標記10磊晶層11 :作用層12:透明的基板13 :透光層14、15:歐姆接觸 16 :側邊17 :上表面18、19:光束30 :基板32 LED 芯片321 :正電極322:負電極33:透明的殼本體 34 :磷光劑基質36 :外部反射裝置 38 :上表面
39:凹洞40 :下表面42:第一電極44:第二電極46 :導線100 :基板102:N 型層104 :作用層106 P型層108 :表面鈍化層110 :電氣隔離層112 :次微米ニ維曲面結構的透 明導電層114:第一電極116:第二電極
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的結構原理和工作原理作具體的描述請參照圖3，其所繪示為本發明具有寬視角的發光二極管。此發光二極管為發光二極管芯片(LED chip)，也就是說圖3所示的發光二極管尚未經過封裝エ藝的處理。再者，本發明的發光二極管芯片是以氮鎵類的發光二極管為例，但并不以此為限。本發明的發光二極管包括一基板(substrate) 100、多個柱狀結構位于該基板上。姆個柱狀結構均包括一 N型層102、一作用層(active layer) 104、一 P型層106。再者,N型層102形成于基板100上，且與該些柱狀結構中的N型層102之間達成電氣的連接關系。再者,一表面鈍化層(passivation layer) 108形成于該些柱狀結構之間的側壁與N型層102表面，而ー電氣隔離層110填充于該些表面鈍化層108的側壁之間。基本上，表面鈍化層108以及電器隔離層110可視為ー填充結構(filler structure)。而具有次微米ニ維曲面結構(subwavelength surface structure)的透明導電層112,覆蓋于表面鈍化層108、電氣隔離層110 (填充結構)與柱狀結構中P型層106所形成的表面上。第一電極114接觸于次微米ニ維曲面結構的透明導電層112，以及第ニ電極116接觸于N型層102上。請參照圖4A至圖4G，其所繪示為本發明具有寬視角的發光二極管的制作方法。如圖4A所示，基板100上具有一 N型層102、一作用層104、與一 P型層106。而N型層102、作用層104、與P型層106即所謂的p-i-n結構。如圖4B所示，利用微影蝕刻エ藝，于基板100上形成多個柱狀結構。該些柱狀結構可為圓形柱狀結構、三角形柱狀結構、方形柱狀結構、六角形柱狀結構、或多邊形柱狀結構。再者，每個柱狀結構均具有P-i-n結構，且該些柱狀結構的底部是利用N型層102達成電氣的連接關系。根據本發明的實施例，柱狀結構的寬度D介于λ/2 20μπι之間，亦即λ/2<D<20ym;柱狀結構的高度H介于O 2μπι之間，亦即0<Η<2μπι。其中，λ為發光二極管的光波長。接著，如圖4C所示，利用光致氧化工藝(photo-enhanced wet oxidationprocess)、高溫氧化工藝、原子層沈積エ藝(atomic layer deposition process)、或者化學氣相沉積エ藝(chemical vapor deposition process),于該些柱狀結構之間的側壁與N型層102表面形成表面鈍化層108。根據本發明的實施例，表面鈍化層108是為(AlxInyGaz)2_s03 的一第一介電材質。其中，x+y+z = I,且 O 彡 δ < I。接著，如圖4D所示，利用Si02、HfO2, A1203、Si3N4、或者Ta2O5作為第二介電材質填充于上述表面鈍化層108的側壁之間，并且作為電氣隔離層110。因此，完成包括表面鈍化層108以及電器隔離層110所形成的填充結構。接著，如圖4E所示，利用11'0、111203、511203、2110、或者附0!￡(其中，0<叉< I)作為第三介電材質，覆蓋于表面鈍化層108、電氣隔離層110與柱狀結構中P型層106所形成的表面上，并且作為透明導電層111。其中，透明導電層111的折射系數η介于I 2之間，亦即 I < η < 2。接著，如圖4F所示，利用微影蝕刻技術于透明導電層上形成次微米ニ維曲面結構的透明導電層112。其中，次微米ニ維曲面結構的高度h介于O Ιμπι之間，亦即O
<h ^ Iym ;寬度d介于O 300nm之間，亦即O < d く 300nm。最后，如圖4G所示，形成第一電極114接觸于次微米ニ維曲面結構的透明導電層112上，以及形成第二電極116接觸于N型層102上。 根據本發明的實施例，柱狀結構分布的面積大約為基板100面積的20% 30%。柱狀結構可視為光纖(fiber)的核心(core)部分，而表面鈍化層108可視為光纖的包覆層(cladding layer)。因此，作用層104產生的光會被局限在柱狀結構中，并且經由次微米ニ維曲面結構的透明導電層112的繞射與散射作用，進而使得發光二極管的出射光具有寬視角。再者，本發明的電氣隔離層110可有效的降低發光二極管的漏電流(leakage current)至 1(Γ9Α。請參照圖5，其所繪示為本發明發光二極管與現有發光體的輻射分布圖(LEDradiation diagram)。本發明的發光二極管是以InGaN發光二極管為例，曲線I為現有平面型發光二極管(planar LED)的輻射分布圖；曲線II為本發明柱狀結構寬度D為Ιμπι的輻射分布圖；曲線III為本發明柱狀結構寬度D為2μπι的輻射分布圖。根據本發明的最佳實施例，本發明具有寬視角的發光二極管的視角最大可超過160度。本發明的優點在于提出ー種具有寬視角的發光二極管及其制造方法。利用柱狀結構，使得作用層產生的光會被局限在柱狀結構中，并且由透明導電層出射的光具備寬視角。再者，本發明也可以不需要次微米ニ維曲面結構的透明導電層112。也就是說，本發明可以省略圖4F的步驟，直接將第一電極114形成于透明導電層即可。再者，本發明亦未限定第一電極114與第二電極116的圖樣，及其制作流程。也就是說，第一電極114僅接觸于透明導電層以及第ニ電極116接觸于N型層102上即可。當然，在此領域的技術人員也可以將N型層102以及P型層106的位置互換，同樣也可以形成發光二極管。當然，本發明還可有其它多種實施例，在不背離本發明精神及其實質的情況下，熟悉本領域的技術人員當可根據本發明作出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬于本發明所附的權利要求的保護范圍。
權利要求
1.ー種發光二極管，其特征在于，包括 一基板； 多個柱狀結構，形成于該基板上，每ー該柱狀結構中均包括一第一型半導體層、一作用層、與一第二型半導體層，其中該第一型半導體層形成于該基板上，且該些柱狀結構利用該第一型半導體層達成電氣的連接關系； 一填充結構，形成于該些柱狀結構之間； 一透明導電層，覆蓋于該填充結構與該些柱狀結構中該第二型半導體層所形成的一表面上； 一第一電極接觸于該透明導電層；以及 一第二電極接觸于該第一型半導體層。
2.根據權利要求I所述的發光二極管，其特征在于，該第一型半導體層與該第二型半導體層為ー N型層與ー P型層。
3.根據權利要求I所述的發光二極管，其特征在于，該些柱狀結構的寬度介于λ/2與20μπι之間，該些柱狀結構的高度介于O與2μπι之間，其中λ為該發光二極管的一光波長。
4.根據權利要求I所述的發光二極管，其特征在于，該填充結構包括 一表面鈍化層，形成于該些柱狀結構之間的側壁與該第一型半導體層的一表面上；以及 ー電氣隔離層，形成于該表面鈍化層之間。
5.根據權利要求4所述的發光二極管，其特征在于，該表面鈍化層為(AlxInyGaz)2_sO3的一第一介電材質，且x+y+z = 1,0 < δ < I。
6.根據權利要求4所述的發光二極管，其特征在于，該電氣隔離層為Si02、Hf02、Al203、Si3N4、或者Ta2O5的一第二介電材質。
7.根據權利要求I所述的發光二極管，其特征在于，該透明導電層為IT0、In203、Sn203、ZnO、或者NiOx的一第三介電材質，其中O < X < I。
8.根據權利要求I所述的發光二極管，其特征在于，該透明導電層為具有一次微米ニ維曲面結構的透明導電層。
9.根據權利要求8所述的發光二極管，其特征在干，該次微米ニ維曲面結構的高度介于O至I μ m之間，寬度介于O至300nm之間。
10.ー種發光二極管的制造方法，其特征在于，包括下列步驟 提供一基板； 于該基板上依序形成一第一型半導體層、一作用層、與一第二型半導體層； 利用微影蝕刻エ藝，于該基板上形成多個柱狀結構，每ー該柱狀結構中均包括該第一型半導體層、該作用層、與該第二型半導體層，其中，該些柱狀結構是利用該第一型半導體層達成電氣的連接關系； 形成一填充結構于該些柱狀結構之間； 形成一透明導電層，覆蓋于該填充結構與該些柱狀結構中該第二型半導體層所形成的一表面上； 形成一第一電極接觸于該透明導電層；以及 形成一第二電極接觸于該第一型半導體層。
11.根據權利要求10所述的發光二極管的制造方法，其特征在于，該第一型半導體層與該第二型半導體層為ー N型層與ー P型層。
12.根據權利要求10所述的發光二極管的制造方法，其特征在于，該些柱狀結構的寬度介于λ/2與20μπι之間，該些柱狀結構的高度介于O與2μπι之間，其中λ為該發光二極管的一光波長。
13.根據權利要求10所述的發光二極管的制造方法，其特征在于，形成該填充結構還包括 形成一表面鈍化層于該些柱狀結構之間的側壁與該第一型半導體層的一表面上；以及 填充ー電氣隔離層于該些表面鈍化層之間。
14.根據權利要求13所述的發光二極管的制造方法，其特征在于，利用一光致氧化工 藝、一高溫氧化工藝、一原子層沈積エ藝、或者一化學氣相沉積エ藝形成該表面鈍化層，且該表面鈍化層為(AlxInyGaz)2_sO3的一第一介電材質,其中x+y+z = 1,0^ δ く I。
15.根據權利要求13所述的發光二極管的制造方法，其特征在于，該電氣隔離層為Si02、Hf02、Al203、Si3N4、或者 Ta2O5 的一第二介電材質。
16.根據權利要求10所述的發光二極管的制造方法，其特征在于，該透明導電層為ITO、In203、Sn203、Zn0、或者NiOx的一第三介電材質，其中O < x彡I。
17.根據權利要求10所述的發光二極管的制造方法，其特征在于，該透明導電層為具有一次微米ニ維曲面結構的透明導電層。
18.根據權利要求10所述的發光二極管的制造方法，其特征在干，該次微米ニ維曲面結構的高度介于O至I μ m之間，寬度介于O至300nm之間。
全文摘要
一種具有寬視角的發光二極管及其制造方法，發光二極管包括一基板；多個柱狀結構，形成于該基板上，每一該柱狀結構中均包括一第一型半導體層、一作用層、與一第二型半導體層，其中該第一型半導體層是形成于該基板上，且該些柱狀結構是利用該第一型半導體層達成電氣的連接關系；一填充結構形成于該些柱狀結構之間；一透明導電層，覆蓋于該表面鈍化層、電氣隔離層與該些柱狀結構中該第二型半導體層所形成的一表面上；一第一電極接觸于該透明導電層；以及一第二電極接觸于該第一型半導體層。
文檔編號H01L33/42GK102683530SQ20111039378
公開日2012年9月19日 申請日期2011年12月1日 優先權日2011年3月8日
發明者葉伯淳, 彭隆瀚, 林均彥, 林永銘, 游政衛, 賴志明 申請人:光磊科技股份有限公司