具有提升取光效率的Ⅲ族氮化物基發光裝置及其製造方法
2023-05-01 15:50:01 2
專利名稱：具有提升取光效率的Ⅲ族氮化物基發光裝置及其製造方法
技術領域：
本發明涉及具有提升取光效率的發光裝置，尤其涉及一種在外延生長(印itaxial growth)過程中部分粗化的III族氮化物基發光裝置，如氮化鎵(GaN)發光裝置。
背景技術：
III族氮化物基半導體為直接躍遷(direct-transition)型半導體，當使用於發光二極體(Light emitting Diodes, LEDs)和雷射二極體(Laser-Diodes，LDs)等發光裝置時，具有從UV到紅光廣波段的發射光譜。當發光裝置具有較高外部量子效率時(抽取出的光子數目/注入的載子數)，其功率消耗較少。外部量子效率可通過增加取光效率(抽取出的光子數/發射出的光子數)或內部量子效率(發射出的光子數/注入的載子數)來提升。內部量子效率的增加表示轉換自發光組件電力的熱能減少。因此，內部量子效率的增加不僅降低功率消耗，同時抑制了因加熱而導致可靠性降低的情形。LED的取光效率可通過生成下部局限層或將之打線在透明基板上來加以改善，而不是吸光基板上。LED能帶(energy gap)相當於或小於發光層的任一層，會減低透明基板 LED的取光效率。由於活性層(active layer)，亦稱發光層，發射的部分光線在出光至LED 前穿越吸光層。這些吸光層能縮減穿越差排的數目或發光層的其它缺點，或用來簡化LED 製程。另一個作用是減少異質接口的能帶偏移，而降低施於接點的電壓，以將特定電流導向二極體。由於吸光層吸收波長較短的光的效率比吸收波長較長的光來得好，所以發射波長為590nm的LED所遭受的性能影響大於發射波長640nm的LED，系因這些吸收層存在的緣故。改善LED取光效率的另一途徑為粗化發光二極體。圖1示出了傳統發光二極體。 當電流施於P接點與η接點時，光束自多重量子阱(multiple quantum well, MQff)發射。 如此向上的光束可被利用。為增加發光二極體的取光，在整個發光二極體結構製造後來粗化發光二極體的上表面(其上形成有P接點及η接點)。粗化處理改變發射自發光二極體上表面光束的出光角度，以達到提升取光的效果。然而，向下發射的光束無法被利用，並會由MQW的下的吸收層所吸收。圖2示出了使用圖案化藍寶石基板的另一解決方法。圖案化藍寶石基板可使更多光束自發光二極體釋出。然而，此方法尚有缺點。舉例來說，部分光束在發射至基板前就會被吸收，因此無法有效提升取光效率。除了利用粗化等手段外，通常亦採用發光二極體一側的反射器，如布拉格反射器 (Bragg reflector)。圖3示出了美國第6，643，304號專利，布拉格反射器由不同折射指數的交錯材質層所組成。窗層(window layer)位於發光二極體的頂部，布拉格反射器(Bragg reflector)則形成於底部。實際上，布拉格反射器用以反射光來增加取光效率相當管用。 然布拉格反射器製程繁複，難以降低具有布拉格反射器層的發光二極體的生產成本。無論是使用圖案化藍寶石基板或布拉格反射器層，均可增加有效光束。然而，在光束到達發光二極體頂層或布拉格反射器層之前，部分光束仍會被吸收層所吸收。如上述問題可獲得解決，則可大幅改善取光效率。
發明內容
由於先前技藝受限於上述問題。本發明的目的為提供一種具有提升取光效率的III 族氮化物基發光裝置及其製造方法。根據本發明的一觀點，提升III族氮化物基發光裝置的取光效率的方法，包括以下步驟a)提供基板；b)在基板上形成未摻雜的III族氮化物基層；c)粗化未摻雜的III族氮化物基層；d)在未摻雜的III族氮化物基層上依序生成η型III族氮化物基披覆層、活性區、P型 III族氮化物基披覆層；以及e)分別在P型III族氮化物基披覆層和η型III族氮化物基披覆層上提供P接點和η接點。其中數個間隙(gap)形成於未摻雜的III族氮化物基層與η型III族氮化物基披覆層之間。根據本發明的另一構想，提升III族氮化物基發光裝置取光效率的方法步驟如下 a)提供基板；b)在基板上形成第一未摻雜的III族氮化物基層；c)粗化第一未摻雜的III族氮化物基層；d)在第一未摻雜的III族氮化物基層上依序生成第二未摻雜的III族氮化物基層、 η型III族氮化物基披覆層、活性區、和ρ型III族氮化物基披覆層；以及e)分別在ρ型III族氮化物基披覆層和η型III族氮化物基披覆層上提供ρ接點和η接點。數個間隙形成於第一未摻雜的III族氮化物基層與第二未摻雜的III族氮化物基披覆層之間。根據本發明又一觀點，提升III族氮化物基發光裝置的取光效率的方法，包括以下步驟a)提供基板；b)在基板上形成未摻雜的III族氮化物基層；c)在未摻雜的III族氮化物基層形成第一 η型III族氮化物基披覆層；d)粗化第一 η型III族氮化物基披覆層；e)在第一 η型III族氮化物基披覆層上依序生成第二 η型III族氮化物基披覆層、活性區、ρ型III族氮化物基披覆層；以及e)分別在ρ型III族氮化物基披覆層和第二 η型III族氮化物基披覆層上提供P接點與η接點。數個間隙形成於第一 η型III族氮化物基披覆層與第二 η型III族氮化物基披覆層之間。根據本發明構想，基板為藍寶石基板、碳化矽(silicon carbide)基板、氮化鎵 (GaN)基板、氧化鋅(SiO)基板或砷化鎵(GaAs)基板。根據本發明構想，粗化處理通過幹法蝕刻或溼法蝕刻來實現。根據本發明構想，幹蝕刻為反應離子蝕刻(reactive ion etching)、感應耦合等離子體蝕刻(inductively coupled plasma etching)或高密度等離子體蝕刻(high density plasma etching)。本發明的目的是為提出一種具有提升取光效率的III族氮化物基發光裝置，包括基板；具有粗化表面的未摻雜的III族氮化物基層，形成於基板上；11型111族氮化物基披覆層、 活性區、與P型III族氮化物基披覆層，依序生成於未摻雜的III族氮化物基層上；以及ρ接點和η接點，分別設置於ρ型III族氮化物基披覆層和η型III族氮化物基披覆層上。數個間隙形成於未摻雜的III族氮化物基層和η型III族氮化物基披覆層之間。本發明的另一目的為提出一種具有提升取光效率的III族氮化物基發光裝置，包括基板；具有粗化表面的第一未摻雜的III族氮化物基層，形成於基板上；第二未摻雜的III 族氮化物基層、η型III族氮化物基披覆層、活性區、和P型III族氮化物基披覆層，依序生成於第一未摻雜的III族氮化物基層上；以及ρ接點和η接點，分別設置於ρ型III族氮化物基披覆層和η型III族氮化物基披覆層上。數個間隙形成於第一未摻雜的III族氮化物基層和第二未摻雜的III族氮化物基披覆層之間。本發明的又一目的為提出一種具有提升取光效率的III族氮化物基發光裝置，包括基板；形成於基板上的未摻雜的III族氮化物基層；具有粗化表面的第一η型III族氮化物基披覆層，形成於未摻雜的III族氮化物基層上；第二 η型III族氮化物基披覆層、活性區、ρ型 III族氮化物基披覆層，依序生成於第一 η型III族氮化物基披覆層上；以及ρ接點和η接點， 分別設置於P型III族氮化物基披覆層和第二 η型III族氮化物基披覆層上。數個間隙形成於第一 η型III族氮化物基披覆層和第二 η型III族氮化物基披覆層之間。根據本發明構想，基板為藍寶石基板、碳化矽基板、氮化鎵基板、氧化鋅基板、或砷化鎵基板。
圖1示出了習知技藝的具有粗化上表面的發光裝置。圖2示出了習知技藝的具有粗化基板的發光裝置。圖3示出了習知技藝的具有布拉格反射器(Bragg reflector)層來反射光束的發光裝置。圖4示出了本發明的發光裝置的第一實施例。圖5示出了第一實施例的光束如何反射。圖6示出了本發明第二實施例的發光裝置。附圖標記說明_發光二極體10 ；基板101 ；U-GaN層102 ；間隙103 ；n-GaN層104 ； 活性區105 ；p-GaN層106 ；ρ接點107 ；η接點108 ；發光二極體20 ；基板201 ；第一 U-GaN層 202 ；間隙 203 ；第二 U-GaN 層 204 ；η-GaN 層 205 ；活性區 206 ；ρ-GaN 層 207 ；ρ 接點 208 ；η 接點 209。
具體實施例方式體現本發明特徵與優點的兩個實施例將在後段的說明中詳細敘述。本發明能夠在不同的態樣上具有各種的變化，皆不脫離本發明的範圍，且其中的說明及圖式在本質上當作說明之用，而非用以限制本發明。第一實施例圖4示出了本發明的第一實施例。發光二極體10基於本發明所製造。發光二極體10主要由III族氮化物成分所組成。首先形成基板101。基板101為藍寶石基板。未摻雜的(undoped)氮化鎵(U-GaN)層102形成於基板上101。U-GaN層102的粗化可由幹蝕刻或溼蝕刻來處理。幹蝕刻處理最好是反應離子蝕刻(reactive ion etching)。實際上亦可採用感應耦合等離子體蝕刻(inductively coupled plasma etching)或高密度等離子體蝕刻。U-GaN層102具有粗化上表面。一般來說，粗化U-GaN層10的表面並控制其表面粗化程度是很容易的。粗化表面上相鄰兩峰(peaks)的間距可小於10 μ m。接下來，n_GaN層104外延生長於U-GaN層102 上。由於間距小致使間隙(gap) 103形成於U-GaN層102與n-GaN層104之間。n-GaN層104完成後，活性區105和p_GaN層106依序形成於n_GaN層104上。活性區105為產生光束的多重量子阱(Multiple Quantum Well，MQW)。ρ-GaN層106可自發光二極體10發射光束。最後，ρ接點107和η接點108分別連接至ρ-GaN層106與U-GaN 層102以供電。粗化表面位於U-GaN層102和n_GaN層104之間。換言之，粗化處理是在U-GaN 層102形成後執行。基板101不限為藍寶石基板，亦可為碳化矽(silicon carbide)基板、 氮化鎵(GaN)基板、氧化鋅(SiO)基板、或砷化鎵(GaAs)基板。由於間距相當小，以致不平表面上任一層的外延生長處理無法完全填滿間距，因而形成間隙103。請參照圖5。實線箭頭表示光穿透U-GaN層102及n-GaN層104，未遭折射。虛線箭頭示出了光束經全反射，這是因為間隙103中的空氣折射指數約為1，n-GaN層 104的折射指數約為2 4。光束會反射至n-GaN層104。因此，發射自發光二極體10的有效光束數目會增加，因而提升取光效率。第二實施例根據本發明，粗化表面不限於兩異質層之間的接口。粗化處理亦可施於相同材質的兩層。圖6示出了本發明第二實施例。發光二極體20系依本發明所製造。如同第一實施例，發光二極體20主要由III族氮化物成分所組成。首先形成藍寶石基板201，接著在基板 201上形成第一 U-GaN層202。第一 U-GaN層202以反應離子蝕刻(reactive ion etching) 來進行粗化處理。相同的外延處理形成第二 U-GaN層204。在實施例中，第一 U-GaN層202 與第二 U-GaN層204實質上是相同的。粗化處理的目的是在其間形成數個間隙203。第二 U-GaN層204完成後，n-GaN層20、活性區206以及p_GaN層207依序形成於 U-GaN層204上。活性區206亦為用以產生光子的多重量子阱(Multiple Quantum Well， MQW)。最後，ρ接點208和η接點209分別連接至p-GaN層207和n-GaN層205以供電。以上所述僅為本發明的較佳實施例，對本發明而言僅僅是說明性的，而非限制性的。本專業技術人員理解，在本發明權利要求所限定的精神和範圍內可對其進行許多改變， 修改，甚至等效，但都將落入本發明的保護範圍內。
權利要求
1.一種提升III族氮化物基發光裝置的取光效率的方法，包括以下步驟a)提供基板；b)在基板上形成未摻雜的III族氮化物基層； C)粗化未摻雜的III族氮化物基層；d)在未摻雜的III族氮化物基層上依序生成η型III族氮化物基披覆層、活性區、P型III族氮化物基披覆層；以及e)分別在ρ型III族氮化物基披覆層和η型III族氮化物基披覆層上提供ρ接點和η接佔.其特徵在於，多個間隙(gap)形成於未摻雜的III族氮化物基層與η型III族氮化物基披覆層之間。
2.如權利要求1所述的提升III族氮化物基發光裝置的取光效率的方法，其特徵在於， 基板為藍寶石基板、碳化矽基板、氮化鎵基板、氧化鋅基板或砷化鎵基板。
3.如權利要求1所述的提升III族氮化物基發光裝置的取光效率的方法，其特徵在於， 粗化處理通過幹法蝕刻或溼法蝕刻來實現。
4.如權利要求3所述的提升III族氮化物基發光裝置的取光效率的方法，其特徵在於， 幹蝕刻為反應離子蝕刻、感應耦合等離子體蝕刻或高密度等離子體蝕刻。
5.一種提升III族氮化物基發光裝置的取光效率的方法，包括以下步驟a)提供基板；b)在基板上形成第一未摻雜的III族氮化物基層； C)粗化第一未摻雜的III族氮化物基層；d)在第一未摻雜的III族氮化物基層上依序生成第二未摻雜的III族氮化物基層、η型III 族氮化物基披覆層、活性區、和P型III族氮化物基披覆層；以及e)分別在ρ型III族氮化物基披覆層和η型III族氮化物基披覆層上提供ρ接點和η接佔.其特徵在於，多個間隙形成於第一未摻雜的III族氮化物基層與第二未摻雜的III族氮化物基披覆層之間。
6.如權利要求5所述的提升III族氮化物基發光裝置的取光效率的方法，其特徵在於， 基板為藍寶石基板、碳化矽基板、氮化鎵基板、氧化鋅基板、或砷化鎵基板。
7.如權利要求5所述的提升III族氮化物基發光裝置的取光效率的方法，其特徵在於， 粗化處理通過幹法蝕刻或溼法蝕刻來實現。
8.如權利要求7所述的提升III族氮化物基發光裝置的取光效率的方法，其特徵在於， 幹蝕刻為反應離子蝕刻、感應耦合等離子體蝕刻或高密度等離子體蝕刻。
9.一種提升III族氮化物基發光裝置的取光效率的方法，包括以下步驟a)提供基板；b)在基板上形成未摻雜的III族氮化物基層；C)在未摻雜的III族氮化物基層形成第一 η型III族氮化物基披覆層；d)粗化第一η型III族氮化物基披覆層；e)在第一η型III族氮化物基披覆層上依序生成第二 η型III族氮化物基披覆層、活性區、 P型III族氮化物基披覆層；以及e)分別在ρ型III族氮化物基披覆層和第二 η型III族氮化物基披覆層上提供ρ接點與η 接點；其特徵在於，多個間隙形成於第一 η型III族氮化物基披覆層與第二 η型III族氮化物基披覆層之間。
10.如權利要求9所述的提升III族氮化物基發光裝置的取光效率的方法，其特徵在於， 基板為藍寶石基板、碳化矽基板、氮化鎵基板、氧化鋅基板、或砷化鎵基板。
11.如權利要求9所述的提升III族氮化物基發光裝置的取光效率的方法，其特徵在於， 粗化處理通過幹法蝕刻或溼法蝕刻來實現。
12.如權利要求11所述的提升III族氮化物基發光裝置的取光效率的方法，其特徵在於，幹蝕刻為反應離子蝕刻、感應耦合等離子體蝕刻或高密度等離子體蝕刻。
13.一種具有提升取光效率的III族氮化物基發光裝置，包括 基板；具有粗化表面的未摻雜的III族氮化物基層，形成於基板上；η型III族氮化物基披覆層、活性區、與ρ型III族氮化物基披覆層，依序生成於未摻雜的 III族氮化物基層上；以及P接點和η接點分別設置於ρ型III族氮化物基披覆層和η型III族氮化物基披覆層上； 其特徵在於，多個間隙形成於未摻雜的III族氮化物基層和η型III族氮化物基披覆層之間。
14.如權利要求13所述的具有提升取光效率的III族氮化物基發光裝置，其特徵在於， 基板為藍寶石基板、碳化矽基板、氮化鎵基板、氧化鋅基板、或砷化鎵基板。
15.一種具有提升取光效率的III族氮化物基發光裝置，包括 基板；具有粗化表面的第一未摻雜的III族氮化物基層，形成於基板上； 第二未摻雜的III族氮化物基層、η型III族氮化物基披覆層、活性區、和P型III族氮化物基披覆層，依序生成於第一未摻雜的III族氮化物基層上；以及P接點和η接點，分別設置於ρ型III族氮化物基披覆層和η型III族氮化物基披覆層上； 其特徵在於，多個間隙形成於第一未摻雜的III族氮化物基層和第二未摻雜的III族氮化物基披覆層之間。
16.如權利要求15所述的具有提升取光效率的III族氮化物基發光裝置，其特徵在於， 基板為藍寶石基板、碳化矽(基板、氮化鎵基板、氧化鋅基板、或砷化鎵基板。
17.一種具有提升取光效率的III族氮化物基發光裝置，包括 基板；形成於基板上的未摻雜的III族氮化物基層；具有粗化表面的第一 η型III族氮化物基披覆層，形成於未摻雜的III族氮化物基層上； 第二 η型III族氮化物基披覆層、活性區、ρ型III族氮化物基披覆層，依序生成於第一 η型 III族氮化物基披覆層上；以及P接點和η接點，分別設置於ρ型III族氮化物基披覆層和第二 η型III族氮化物基披覆層上；其特徵在於，多個間隙形成於第一 η型III族氮化物基披覆層和第二 η型III族氮化物基披覆層之間。
18.如權利要求17所述的具有提升取光效率的III族氮化物基發光裝置，其特徵在於， 基板為藍寶石基板、碳化矽基板、氮化鎵基板、氧化鋅基板、或砷化鎵基板。
全文摘要
本發明公開了一種提升Ⅲ族氮化物基發光裝置的取光效率的方法。通過粗化n型Ⅲ族氮化物基披覆層或未摻雜的Ⅲ族氮化物基層，以形成反射層。由於粗化表面上的間隙致使全內反射的發生，光束可反射至發光裝置的上表面，如此可增加取光效率，並在所需方向來收集更多光束。
文檔編號H01L33/32GK102386292SQ201010272990
公開日2012年3月21日 申請日期2010年9月6日 優先權日2010年9月6日
發明者張簡慶華, 郭明騰, 陳彰和 申請人:華新麗華股份有限公司