CN102931304B

CN102931304B - 高效率发光装置及其制造方法

Info

Publication number: CN102931304B
Application number: CN201210456962.9A
Authority: CN
Inventors: 庄家铭; 张家祯; 杨姿玲; 欧震
Original assignee: Epistar Corp
Current assignee: Epistar Corp
Priority date: 2008-03-04
Filing date: 2009-03-04
Publication date: 2016-06-15
Anticipated expiration: 2029-03-04
Also published as: CN102931304A; CN101533883B; TWI389351B; CN101533883A; TW200939548A

Abstract

本发明提供高效率发光装置及其制造方法。高效率发光装置包含基板、反射层、粘结层、第一半导体层、有源层与第二半导体层形成于有源层之上。其中第一半导体层及第二半导体层中至少其一包含第一表面，第一表面具有非凹陷区域及较非凹陷区下凹的凹陷区域；以及电流阻挡层，形成于凹陷区域之上，电流阻挡层包含绝缘材料或介电材料。

Description

高效率发光装置及其制造方法

本申请是申请号为200910118560.6、申请日为2009年3月4日、发明名称为“高效率发光装置及其制造方法”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种发光装置，特别是涉及一种高效率发光装置。

背景技术

发光二极管(Light-EmittingDiode；LED)的应用颇为广泛，可应用于例如光学显示装置、交通号志、数据储存装置、通讯装置、照明装置以及医疗装置。

在传统LED中，通常用金属层做为电极，例如为钛/金或铬/金。但是金属会吸收光线，导致LED的低发光效率。因此，LED包含反射层位于电极与发光叠层之间，以增进发光效率。然而因为高反射率的金属层与半导体的发光叠层之间的粘结不易，导致上述的结构具有可靠度与剥离的问题。

发明内容

高效率发光装置包含基板；反射层形成于基板之上；粘结层形成于反射层之上；第一半导体层形成于粘结层之上；有源层形成于第一半导体层之上；以及第二半导体层形成于有源层之上。第二半导体层包含第一表面，第一表面具有第一低区域与第一高区域。高效率发光装置还包含导电结构，导电结构包含第一电极形成于第一低区域之上，以及第二电极形成于基板之下。

另一实施例中，高效率发光装置还包含第一电流阻挡层形成于第一低区域之上，以及第一电流扩散层形成于第二半导体层的第一表面与第一电流阻挡层之上，其中第一电流扩散层覆盖第一高区域。第一电极位于第一电流扩散层之上且位于第一电流阻挡层的上方。

又一实施例中，第一高区域还包含自第一表面向下延伸的第一多个六角孔穴，以增进光摘出效率。

另一实施例中，高效率发光装置包含基板；反射层形成于基板之上；粘结层形成于反射层之上；第一半导体层形成于粘结层之上；有源层形成于第一半导体层之上；以及第二半导体层形成于有源层之上。第二半导体层包含第一表面，第一表面包括第一低区域与第一高区域。第一半导体层包含第二表面，第二表面包括第二低区域与第二高区域。高效率发光装置还包含导电结构，导电结构包含第一电极形成于第一低区域之上与第二电极形成于第二低区域之上。

又一实施例中，高效率发光装置还包含第一电流阻挡层形成于第一低区域，以及第一电流扩散层形成于第二半导体层的第一表面与第一电流阻挡层之上，其中第一电流扩散层覆盖第一高区域。此外，高效率发光装置还包含第二电流阻挡成形成于第二低区域之上，以及第二电流扩散层形成于第一半导体层的第二表面与第二电流阻挡层之上，其中第二电流扩散层覆盖第二高区域。第一电极位于第一电流扩散层之上，且位于第一电流阻挡层的上方。第二电极位于第二电流扩散层之上，且位于第二电流阻挡层的上方。

另一实施例中，第一高区域与第二高区域分别包含自第一表面向下延伸的第一多个六角孔穴与自第二表面向下延伸的第二多个六角孔穴，以增进光摘出效率。

另一实施例中，制造高效率发光装置的方法包含提供基板；形成反射层于基板上；形成粘结层于反射层上；形成第一半导体层于粘结层上；形成有源层于第一半导体层上；形成第二半导体层于有源层上；移除部分的第二半导体层、有源层与第一半导体层以裸露第一半导体层的第二表面；粗化第二半导体层的第一表面与第二表面；形成第一低区域于第一表面之上，与第二低区域于第二表面之上；形成第一电流阻挡层于第一低区域之上，与第二电流阻挡层于第二低区域之上；形成第一电流扩散层于第二半导体层与第一电流阻挡层之上，与第二电流扩散层于第一半导体层与第二电流阻挡层之上；形成第一电极于第一电流扩散层之上；以及形成第二电极于第二电流扩散层之上。

附图说明

图1A为依据本发明的实施例的剖面图。

图1B为依据本发明的另一实施例的剖面图。

图1C为依据本发明的又一实施例的剖面图。

图2A为依据本发明的另一实施例的剖面图。

图2B为依据本发明的又一实施例的剖面图。

图2C为依据本发明的又一实施例的剖面图。

图3为依据本发明的又一实施例的高效率发光元件的制造方法的制造流程图。

附图标记说明

基板：10、20

反射层：11、21

粘结层：12、22

第一半导体层：13、23

有源层：14、24

第二半导体层：15、25

第一表面：151、251

第一低区域：152、252

第一高区域：153、253

第一多个六角孔穴：154

第一电流阻挡层：16、26

第一电流扩散层：17、27

第二表面：231

第二低区域：232

第二高区域：233

第二多个六角孔穴：234

第二电流扩散层：29

第一电极：A

第二电极：B

具体实施方式

如图1A所示，高效率发光装置1包含基板10；反射层11形成于基板10之上；粘结层12形成于反射层11之上；第一半导体层13形成于粘结层12之上；有源层14形成于第一半导体层13之上；以及第二半导体层15形成于有源层14之上。第二半导体层15具有远离有源层14的第一表面151，其中第一表面151具有第一低区域152与第一高区域153。上述第一表面151为移除部分第二半导体层15后形成较靠近有源层14的第一低区域152，以及较远离有源层14的第一高区域153。

形成第一低区域152的方法例如为湿蚀刻、干蚀刻、化学机械抛光法或感应耦合式等离子体蚀刻，第一低区域152的反射率至少为一般铝镜反射率的70％。为了获得更佳的反射率，第一低区域152的表面粗糙度低于第一高区域153的表面粗糙度，最佳为平整表面。因为第一低区域152的表面具有较小的表面粗糙度，导致介于第一电极A与第一低区域152间的介面的临界角减小，增加有源层14射向第一低区域152的光线被全反射的机率。被第一低区域152反射的光线可在被反射层11反射后射向第一高区域153，光摘出的机率较高。此外，自第一高区域153到第一低区域152的高度差约为100纳米~1微米，更佳为200纳米~300纳米。第一低区域152占第二半导体层15的第一表面151表面积的比例低于30%。

在外延工艺中通过调整与控制工艺的参数，例如气体流率、气室压力或温度等，可使第一高区域153形成非平整表面。也可经由湿蚀刻、干蚀刻或光刻等方式移除部分第二半导体层15，使第一高区域153形成周期性、类周期性或任意的图案。因为第一高区域153的非平整表面，射向第一高区域153的光线的光摘出效率因而提高。第一高区域153也可为多个凸部与/或多个凹部。

基板10可为金属基复合材料(MetalMatrixComposite；MMC)、陶瓷基复合材料(CeramicMatrixComposite；CMC)、硅(Si)、磷化碘(IP)、硒化锌(ZnSe)、氮化铝(AlN)、砷化镓(GaAs)、碳化硅(SiC)、磷化镓(GaP)、磷砷化镓(GaAsP)、氧化锌(ZnO)、磷化铟(InP)、镓酸锂(LiGaO₂)、铝酸锂(LiAlO₂)或上述材料的组合。反射层11可为铟(In)、锡(Sn)、铝(Al)、金(Au)、铂(Pt)、锌(Zn)、银(Ag)、钛(Ti)、铅(Pb)、锗(Ge)、铜(Cu)、镍(Ni)、铍化金(AuBe)、锗化金(AuGe)、锌化金(AuZn)、锡化铅(PbSn)、上述材料的组合或布拉格反射层(DBR)。粘结层12可为Su8、苯并环丁烯（BCB）、过氟环丁烷（PFCB）、环氧树脂（Epoxy）、聚亚酰胺（PI）、氧化硅(SiO₂)、氧化钛(TiO₂)、氮化硅(SiN_x)、旋涂玻璃(SOG)、氧化铟锡(ITO)、氧化镁(MgO)、铟(In)、锡(Sn)、铝(Al)、金(Au)、铂(Pt)、锌(Zn)、银(Ag)、钛(Ti)、铅(Pb)、钯(Pd)、锗(Ge)、铜(Cu)、镍(Ni)、锡化金(AuSn)、银化铟(InAg)、金化铟(InAu)、铍化金(AuBe)、锗化金(AuGe)、锌化金(AuZn)、锡化铅(PbSn)、铟化钯(PdIn)、有机粘结材料或上述材料的组合。第一半导体层13的电性与第二半导体层15相异，有源层14可为II-VI族或III-V族材料，例如为磷化铝镓铟(AlGaInP)、氮化铝(AlN)、氮化镓(GaN)、氮化铝镓(AlGaN)、氮化铟镓(InGaN)、氮化铝铟镓(AlInGaN)或硒化镉锌(CdZnSe)。高效率发光装置1还包含导电结构，导电结构包含第一电极A形成于第一低区域152之上，以及第二电极B形成于基板10之下。基板10、反射层11与粘结层12的材料以可导电为佳。第一电极A与第二电极B位于基板10的相异侧，并分别与第二半导体层15与基板10形成欧姆接触。第一低区域152也可形成图形，例如具有多个向外延伸的突出部的圆形或其他形状。第一电极A可形成于第一低区域152之上，并与第一低区域152具有相同的图形。

如图1B所示，另一实施例中，导电结构还包含第一电流阻挡层16形成于第一低区域152之上并位于第一电极A的下方，以阻挡电流通过，降低有源层所发出的光线为第一电极A反射或吸收的机率，以及第一电流扩散层17形成于第二半导体层15与第一电流阻挡层16之上，并覆盖第一高区域153，第一电极A位于第一电流扩散层17之上。第一电流阻挡层16可为介电材料，例如Su8、苯并环丁烯（BCB）、过氟环丁烷（PFCB）、环氧树脂（Epoxy）、丙烯酸树脂（AcrylicResin）、环烯烃聚合物（COC）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚对苯二甲酸乙二酯（PET）、聚碳酸酯（PC）、聚醚酰亚胺（Polyetherimide）、氟碳聚合物（FluorocarbonPolymer）、硅胶（Silicone）、玻璃(Glass)、氧化铝(Al₂O₃)、氮化硅(SiN_x)、氧化硅(SiO₂)、氧化钛(TiO₂)、绝缘材料或上述材料的组合。因为第一电流阻挡层16的电阻较高，电流被第一电流扩散层17导向第一高区域153，然后流经有源层14以产生光线。然而电流没有通过有源层14位于第一电流阻挡层16下方的区域，所以有源层14位于第一电流阻挡层16下方的区域没有产生光线。因此，有源层14位于第一电流阻挡层16正下方的部分所产生的光被第一电极A吸收的机率下降。第一电流扩散层17可将电流均匀地扩散向第二半导体层15，可为透明导电材料，例如氧化铟锡(ITO)、氧化铟(InO)、氧化锡(SnO)、氧化镉锡(CTO)、氧化锑锡(ATO)、氧化锌(ZnO)、磷化镓(GaP)或上述材料的组合。

如图1C所示，第一高区域153可为自第一表面151向下延伸的第一多个六角孔穴154，用以增进光摘出效率。第一高区域153与第一低区域152之间的高度差约为100纳米~1微米，优选为200纳米~300纳米。第一低区域152的表面粗糙度小于第一高区域153的表面粗糙度，更佳为接近平滑表面的表面粗糙度。此外，第二半导体层15可为氮化物半导体，基板10可为蓝宝石基板。详细说明可参考美国专利申请案「发光装置」，案号11/160,354，申请日为6/21/2005，作为本申请的参考文献。

如图2A所示，另一实施例中，高效率发光装置2包含基板20；反射层21形成于基板20之上；粘结层22形成于反射层21之上；第一半导体层23形成于粘结层22之上；有源层24形成于第一半导体层23之上；以及第二半导体层25形成于有源层24之上。第二半导体层25具有远离有源层24的第一表面251，其中第一表面251具有第一低区域252与第一高区域253。第一半导体层23具有靠近有源层24的第二表面231，其中第二表面231具有第二低区域232与第二高区域233。上述第一表面251为移除部分第二半导体层25后形成较靠近有源层24的第一低区域252，以及较远离有源层24的第一高区域253。上述第二表面231为移除部分第二半导体层23后形成较远离有源层24的第一低区域232，以及较靠近有源层24的第一高区域233。

形成第一低区域252与第二低区域232的方法例如为湿蚀刻、干蚀刻、化学机械抛光法或感应耦合式等离子体蚀刻，第一低区域252与第二低区域232的反射率至少为一般铝镜反射率的70%。为了获得更佳的反射率，第一低区域252与第二低区域232的表面粗糙度分别低于第一高区域253与第二高区域233的表面粗糙度，最佳为接近平整表面的表面粗糙度。因为第一低区域252与第二低区域232的表面具有较小的表面粗糙度，导致介于第一电极A与第一低区域252间的介面，以及介于第二电极B与第二低区域232间的介面的临界角减小，增加有源层24射向第一低区域252与第二低区域232的光线被全反射的机率。被第一低区域252与第二低区域232反射的光线可在被反射层21反射后射向第一高区域253与第二高区域233，光摘出的机率较高。此外，自第一高区域253到第一低区域252的高度差与自第二高区域233到第二低区域232的高度差分别约为100纳米~1微米，更佳为200纳米~300纳米。第一低区域252占第二半导体层25的第一表面251表面积的比例低于30%，第二低区域232占第一半导体层23的第二表面231表面积的比例低于30%。

在外延工艺中通过调整与控制工艺的参数，例如气体流率、气室压力或温度等，可使第一高区域253与第二高区域233形成非平整表面。也可经由湿蚀刻、干蚀刻或光刻等方式移除部分第二半导体层25与第一半导体层23，使第一高区域253与第二高区域233形成周期性、类周期性或任意的图案。因为第一高区域253与第二高区域233的非平整表面，射向第一高区域253与第二高区域233的光线的光摘出效率因此提高。第一高区域253与第二高区域233也可为多个凸部与/或多个凹部。

高效率发光装置2还包含导电结构，导电结构包含第一电极A与第二电极B。移除部分第一半导体层23、有源层24与第二半导体层25以裸露第二表面231，第一电极A与第二电极B分别位于第一低区域252与第二低区域232之上，并与第二半导体层25与第一半导体层23形成欧姆接触。基板20、反射层21与粘结层22的材料以可电绝缘为佳。第一低区域252与第二低区域232可形成图形，例如具有多个向外延伸的突出部的圆形或其他形状。第一低区域252之上的第一电极A可与第一低区域252具有相同的图形，第二低区域232之上的第二电极B可与第二低区域232具有相同的图形。第一电极A与第二电极B可分别依据第一低区域252与第二低区域232定义的图案形成不同的图案。

如图2B所示，另一实施例中，导电结构还包含第一电流阻挡层26形成于第一低区域252之上并位于第一电极A的下方，以阻挡电流通过，降低有源层所发出的光线为第一电极A反射或吸收的机率，以及第一电流扩散层27形成于第二半导体层25与第一电流阻挡层26之上，其中第一电流扩散层27覆盖第一高区域253，第一电极A位于第一电流扩散层27之上。此外，导电结构还包含第二电流阻挡层28形成于第二低区域232之上并位于第二电极B的下方，以阻挡电流通过，降低有源层所发出的光线为第二电极B反射或吸收的机率，以及第二电流扩散层29形成于第一半导体层23与第二电流阻挡层28之上，其中第二电流扩散层29覆盖第二高区域233，第二电极B位于第二电流扩散层29之上。第一电流阻挡层26与第二电流阻挡层28可为介电材料，例如Su8、苯并环丁烯（BCB）、过氟环丁烷（PFCB）、环氧树脂（Epoxy）、丙烯酸树脂（AcrylicResin）、环烯烃聚合物（COC）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚对苯二甲酸乙二酯（PET）、聚碳酸酯（PC）、聚醚酰亚胺（Polyetherimide）、氟碳聚合物（FluorocarbonPolymer）、硅胶（Silicone）、玻璃(Glass)、氧化铝(Al₂O₃)、氮化硅(SiN_x)、氧化硅(SiO₂)、氧化钛(TiO₂)、绝缘材料或上述材料的组合。因为第一电流阻挡层26与第二电流阻挡层28的电阻较高，电流被第一电流扩散层27与第二电流扩散层29导向第一高区域253与第二高区域233，然后流经有源层24以产生光线。然而电流没有通过有源层24位于第一电流阻挡层26下方的区域，所以有源层24位于第一电流阻挡层26下方的区域没有产生光线。因此，有源层24位于第一电流阻挡层26正下方的部分所产生的光被第一电极A吸收的机率下降。第一电流扩散层27与第二电流扩散层29可将电流均匀地扩散向第二半导体层25与第一半导体层23，可为透明导电材料，例如氧化铟锡(ITO)、氧化铟(InO)、氧化锡(SnO)、氧化镉锡(CTO)、氧化锑锡(ATO)、氧化锌(ZnO)、磷化镓(GaP)或上述材料的组合。

如图2C所示，第一高区域253与第二高区域233可分别为自第一表面251向下延伸的第一多个六角孔穴254与自第二表面231向下延伸的第二多个六角孔穴234，用以增进光摘出效率。第一高区域253与第一低区域252之间的高度差与第二高区域233与第二低区域232之间的高度差约为100纳米~1微米，优选为200纳米~300纳米。第一低区域252与第二低区域232的表面粗糙度分别小于第一高区域253与第二高区域233的表面粗糙度，更佳为两者皆接近平滑表面的表面粗糙度。此外，第二半导体层25与第一半导体层23可为氮化物半导体，基板20可为蓝宝石基板。详细说明可参考美国专利申请案「发光装置」，案号11/160,354，申请日为6/21/2005，作为本申请的参考文献。

如图3所示，另一实施例中，制造高效率发光装置2的方法包含提供基板20；形成反射层21于基板20上；形成粘结层22于反射层21上；形成第一半导体层23于粘结层22上；形成有源层24于第一半导体层23上；形成第二半导体层25于有源层24上，其中第二半导体层25具有远离有源层24的第一表面；移除部分的第二半导体层25、有源层24与第一半导体层23以裸露第一半导体层23的第二表面231；粗化第一表面251与第二表面231；形成第一低区域252于第一表面251之上，与第二低区域232于第二表面231之上，其中第一表面251包含邻接第一低区域252的第一高区域253，第二表面231包含邻接第二低区域232的第二高区域233；形成第一电流阻挡层26于第一低区域252之上，与第二电流阻挡层28于第二低区域232之上；形成第一电流扩散层27于第二半导体层25与第一电流阻挡层26之上，与第二电流扩散层29于第一半导体层23与第二电流阻挡层28之上；形成第一电极A于第一电流扩散层27之上，其中第一电极A位于第一低区域252的上方；以及形成第二电极B于第二电流扩散层29之上，其中第二电极B位于第二低区域232的上方。第一低区域252的表面粗糙度小于第一高区域253的表面粗糙度，第二低区域232的表面粗糙度小于第二高区域233的表面粗糙度。第一高区域253与第一低区域252之间的高度差与第二高区域233与第二低区域232之间的高度差约为100纳米~1微米，优选为200纳米~300纳米。

粗化第一表面251与第二表面231的方式包含湿蚀刻、干蚀刻或光刻等方式，使第一高区域253与第二高区域233形成周期性、类周期性或任意的图案。此外，可经由在外延工艺中调整与控制工艺的参数，例如气体流率、气室压力或温度等，以粗化第一表面251与第二表面231，包含分别形成自第一表面251向下延伸的第一多个六角孔穴254与自第二表面231向下延伸的第二多个六角孔穴234。详细说明可参考美国专利申请案「发光装置」，案号11/160,354，申请日为6/21/2005，作为本申请的参考文献。

涂布电感或光感薄膜于第一表面251与第二表面231之上，再将电感测或光感测薄膜暴露在电子束光刻、激光光绕射或紫外线辐射等之下，形成预设的图案。形成预设图案之后，形成第一低区域252于第一表面251与形成第二低区域232于第二表面231的方法包含干蚀刻、湿蚀刻、化学机械抛光(CMP)或感应耦合式等离子体蚀刻(ICP)，蚀刻液包含但不限于磷酸(H₃PO₄)或氢氧化钾(KOH)。工艺中优选的环境温度约为120℃，以稳定和控制时刻速率。第一高区域253与第一低区域252之间的高度差与第二高区域233与第二低区域232之间的高度差约为100纳米~1微米，优选为200纳米~300纳米。第一低区域252与第二低区域232的表面粗糙度分别小于第一高区域253与第二高区域233的表面粗糙度

上述实施例仅为例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域一般技术人员均可在不违背本发明的技术原理及精神的情况下，对上述实施例进行修改及变化。因此本发明的权利保护范围如后附的权利要求所列。

Claims

1.发光装置，包含:

半导体叠层，其包含第一半导体层；有源层形成于该第一半导体层之上；以及第二半导体层形成于该有源层之上，其中该第一半导体层及该第二半导体层中至少其一包含一表面，该表面具有非凹陷区域及较该非凹陷区下凹的凹陷区域；以及

电流阻挡层，形成于该凹陷区域之上，该电流阻挡层包含介电材料。

2.如权利要求1所述的发光装置，其中该非凹陷区域包含一非平整表面，该非平整表面由多个凸部及多个凹部所构成。

3.如权利要求2所述的发光装置，其中该非凹陷区域还包含自该非平整表面向下延伸的多个六角孔穴。

4.如权利要求1所述的发光装置，其中该凹陷区域的表面粗糙度小于该非凹陷区域的表面粗糙度。

5.如权利要求1所述的发光装置，还包含基板及位于该半导体叠层及该基板间的黏结层。

6.如权利要求5所述的发光装置，还包含反射层位于该半导体叠层及该基板之间。

7.如权利要求1所述的发光装置，其中该非凹陷区域与该凹陷区域间的高度差是100纳米～1微米。

8.如权利要求1所述的发光装置，其中该凹陷区域包含平整表面。

9.如权利要求1所述的发光装置，还包含电流扩散层，形成于该电流阻挡层之上。

10.如权利要求9所述的发光装置，还包含电极，形成于该电流扩散层之上，且位于该凹陷区域的上方。

11.如权利要求1所述的发光装置，其中该凹陷区域具有一反射率，该反射率至少为铝反射镜的反射率的70％。