通过粗糙化而改善光取出的发光二极管制造技术

本发明专利技术披露一种半导体发光二极管（ＬＥＤ）装置的制造系统与方法，其通过在ＬＥＤ装置上形成一ｎ型氮化镓（ｎ－ＧａＮ）层制造而成；以及使ｎ－ＧａＮ层的表面粗糙化以自ＬＥＤ装置内部取出光。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及发光二极管，并且尤其涉及增强光取出的新LED结构。
技术介绍
发光二极管(LED)是一转换电能为光波的重要固态装置的类别。 LED通常提供夹于两对向掺杂层(doped layers)之间的半导体材料活 性层。当施加偏压通过掺杂层，空穴及电子即被射入该活性层，于此 处其再结合以产生光波。由活性区域所产生的光波沿全部方向放射并 且经由所有暴露表面而自半导体晶片逸出(escape)。由于半导体材料已加以改良，故半导体装置的效能亦已改善。新 的LED由InAlGaN这一类的材料来制成，其允许在紫外光至黄褐光 光谱中的有效发光。相较于现有光源，许多新LED在将电能转换成 光波时更有效率且更加稳定可靠。因为LED的改善，故预期其于甚 多应用中将取代现有光源，如交通信号灯、室外与室内显示器、汽车 头灯与尾灯、及传统室内照明等等。现有LED的效率受限于无法发射由其活性层所产生的所有光 线。当供给LED能量时，自其活性层发射的光线(沿所有方向)将以许 多不同角度到达发射表面。典型的半导体材料比周围空气(n-1.0)或封 装树酯(n^ 1.5)有较高的折射率(n 2.2-3.8)。根据斯涅耳定律 (Snell'slaw)，光线自具有高折射率的区域行进到在某一临界角度内 的具有低折射率的区域，将穿越较低折射率的区域；以超过临界角度 到达表面的光线将不会穿出表面，但是会经历内部全反射(TIR)。于 LED案例中，TIR光线可持续于LED内反射，直到被吸收为止。由 于该反射现象，多数由现有LED所产生的光线并未发射出去，降低 了本身的效率。一种降低TIR光线比例的方法为于LED表面上以随机蚀纹 (random texturing)的形式建立光散射中心。该随机蚀纹通过在反应性 离子蚀刻期间以在LED表面上的次微米直径聚苯乙烯球体作为遮罩 而经图案化于表面。已蚀纹表面具有光波长阶次(order)的特征部， 该特征部因随机干涉效应(random interference effects)而以斯涅耳定律 无法预测的方式折射或反射光线。此方法已经证明可改善发光效率9 至30%。如同美国专利第6， 821， 804号中所讨论的，表面蚀纹的一项缺 点为其会阻碍在已蚀纹电极层的导电性不良的LED中的有效电流散 布，如p型GaN。在较小装置或者具有良好导电性的装置中，来自p 型及n型层接点(面)的电流将散布遍及各层。在较大装置或者由具 有不良导电性的材料所制成的装置中，电流无法从接点(面)散布遍 及各层。因此，部份活性层将不会有电流流过且将不会发光。为了在 整个二极管区域产生均匀电流注入，可将导电材料的散布层 (spreadinglayer)沉积于表面上。然而，此散布层通常必须具有透光 性，以使光可经传送通过该层。当LED表面上引进一随机表面结构 时，实际上细薄且透光的电流散布层即无法轻易地沉积于其上。增加来自LED的光取出的另一方法包含发光表面或者内部介面 的周期性图案化，其将光线方向由内部捕获角(intemally trapped angle) 再改变至通过表面形状与周期所决定的定义模式，请参考Krames等 人的美国专利第5， 779， 924号。此技术为随机蚀纹表面的特殊案例， 其中干涉效应不再为随机，且该表面将光线耦合成特别模式或方向。 此方案的一项缺点为此一结构可能不易制造，因为该表面的形状与图 案必须均匀且极微小，为LED光的单一波长的阶次。将如上所述的 光学透明电流散布层沉积于此图案上亦存在着困难。增加光取出已通过使LED的发光表面形成为在其中心处具有一 发光层的半球体而实现。虽然此结构可增加发光量，但其制造却不容 易。Scifres及Burnham的美国专利第3, 954， 534号披露了一种LED 阵列的形成方法，其中在每一LED上方均具有各自的半球体。该半球体形成于基板上，且二极管阵列生长于该半球体上。该二极管与透镜结构(lens structure)接着即自基板上蚀刻去除。此方法的一项缺点 为基板介面处形成该结构将受到限制，且自基板上剥离(lift off)该 结构将导致制造成本增加。又，每一半球体正上方皆有一发光层，故 需要精准的制造技术。美国专利第5， 431， 766号披露了硅在无水份及氧气下的光电化 学氧化与分解。于无水HF-乙腈(MeCN)溶液中的蚀刻速率与光电流 直接正比于至少高达600mW/cm2的光强度，产生了大于4微米/min 的空间选择蚀刻速率。由于电子自高能量反应中间体射入，故产生每 一硅分子有4个电子转移反应，具有大于3.3的量子产率(quantum yield )。美国专利第5， 793， 062号披露一种用以增强来自LED的光取 出的结构，其通过包含光学非吸收层以将光线导离吸收区域(如接点 (面))，且亦将光线导向LED表面。此结构的一项缺点为非吸收 层需要形成底切狭角层(undercut strait angle layers),其不易于许多材 料系统中制造。美国专利第6， 744， 071号披露一种具有相对端子结构的氮化物 半导体元件，其端子彼此相对。该氮化物半导体元件包含依序位于支 撑基板上的一导电层、 一第一端子、 一具有发光层的氮化物半导体、 以及第二端子。该第一端子及一第一绝缘保护层介于该导电层与该氮 化物半导体的第一导电型氮化物半导体层之间。美国专利第6， 821， 804号披露一种LED，该LED上或其内部具有光取出结构以增强其效能。该新型光取出结构提供用以将光线反 射、折射或散射至有利于光线逃逸进入封装内的方向的表面，该结构 可为光取出元件或色散层的阵列。该光取出元件可具有许多不同形状 且可设置于许多位置中，以增强LED的效率而优于现有LED。该色 散层提供光线的散射中心并且同样地可设置于许多位置中。如同在美国专利第6， 821， 804号中所更进一步讨论的，另一种 增强光取出的方法是于LED发光表面上的薄膜金属层内将光子耦合 成表面等离子模式，其中光子经发射返回成辐射模式。这些结构依靠自半导体上发出的光子耦合成金属层中的表面等离子，该表面等离子 则再耦合成最后被取出的光子。此装置的一项缺点为难以制造，因为该周期性结构是一具有浅凹槽深度(O.lpm)的一维刻线光栅 (one-dimensional ruled grating);此外，整体量子效率低落(1.4~1.5%)， 极可能是因为光子至表面等离子以及表面等离子至周围空气的光子 转换机制效率低下所致。该结构亦存在与上述电流散布层相同的难 处。光取出亦可通过使LED晶粒的侧表面倾斜以产生一倒转截形金 字塔而改善，该斜向表面为陷落于基板材料中的TIR光线提供一发光 表面。利用此方法可使InGaAlP材料系统增加35%~50%的外部量子 效率。此方法对于其中有大量光波陷落于基板的装置而言是可行的， 然就生长于蓝宝石基板上的GaN元件而言，多数光波陷落于GaN薄 膜中，以致于使LED晶粒的侧表面倾斜将无法提供所期望的增强作 用。用以增强光取出的另一方案为光子再循环，此方法依靠LED具 有高效率活性层，其可轻易地将电子与空穴转换成光波，且反之亦然。 TIR光线反射离开LED表面并撞击活性层，其于此处转变本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体垂直发光二极管（ＶＬＥＤ）装置的制造方法，包含：形成该ＶＬＥＤ装置的多层磊晶结构，其包含一ｎ型氮化镓（ｎ－ＧａＮ）层、一活性层、及一ｐ型氮化镓（ｐ－ＧａＮ）层；以及使该ＶＬＥＤ装置的该ｎ－ＧａＮ层的表面于水溶液中粗 糙化。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2005-1-11 11/032,8801.一种半导体垂直发光二极管(VLED)装置的制造方法，包含形成该VLED装置的多层磊晶结构，其包含一n型氮化镓(n-GaN)层、一活性层、及一p型氮化镓(p-GaN)层；以及使该VLED装置的该n-GaN层的表面于水溶液中粗糙化。2. 如权利要求1所述的半导体垂直发光二极管(VLED)装置的制 造方法，其中该n-GaN层通过湿式蚀刻工艺加以粗糙化。3. 如权利要求1所述的半导体垂直发光二极管(VLED)装置的制 造方法，还包含氧化及蚀刻该LED。4. 如权利要求1所述的半导体垂直发光二极管(VLED)装置的制 造方法，其中该氧化及蚀刻于具有水溶液的系统中实施。5. 如权利要求1所述的半导体垂直发光二极管(VLED)装置的制 造方法，其中该水溶液可为氧化剂及酸性或碱性溶液的组合。6. 如权利要求5所述的半导体垂直发光二极管(VLED)装置的制造方法，其中该氧化剂包含H202、 K2S208其中之一或其组合。7，如权利要求5所述的半导体垂直发光二极管(VLED)装置的制 造方法，其中该酸性溶液包含H2S04、 HF、 HC1、 H3P04、 HN03及 CH3COOH其中之一或更多。8.如权利要求5所述的半导体垂直发光二极管(VLED)装置的制 造方法，其中该碱性溶液包含KOH、 NaOH、及NH4OH其中之一或 其组合。9. 如权利要求1所述的半导体垂直发光二极管(VLED)装置的制 造方法，还包含以波长范围在可见光与紫外光光谱之间的Hg或Xe 弧光灯系统来照亮该LED。10. 如权利要求1所述的半导体垂直发光二极管(VLED)装置的 制造方法，其中该n-GaN层以小于200mW/cm2的光强度曝光。11. 如权利要求1所述的半导体垂直发光二极管(VLED)装置的 制造方法，还包含对该导电基板施以电偏压且将电压控制于-5V与 +5丫之间。12. 如权利要求1所述的半导体垂直发光二极管(VLED)装置的 制造方法，还包含控制氧化支配、蚀刻支配、或两反应，以使该n-GaN 层的该表面的粗糙度最佳化。13. 如权利要求1所述的半导体垂直发光二极管(VLED)装置的 制造方法，还包含改变该水溶液的组成、电偏压、以及照光强度。14. 一种n侧在上(n-sideup) LED晶圆的曝露n-GaN层的粗糙 化方法，其中该LED晶圆具有一金属基板，该方法包含在一承载基板上方沉积一 n-GaN部分； 在该n-GaN部分上方沉积活性层； 在这些活性层上方沉积一 p-GaN部分； 沉积一或更多金属层； 施加一遮罩层；蚀刻该金属层、p-GaN层、活性层、及n-GaN层； 移除该遮罩层； 沉积一钝化层；将位于该p-GaN层顶部上的该钝化层的部分移除，以曝露该金 属层； 沉积一或更多金属层；沉积一金属基板；移除该承载基板以暴露该n-GaN表面； 将该n-GaN表面粗糙化。15. 如权利要求14所述的n侧在上LED晶圆的曝露n-GaN层的 粗糙化方法，其中该n侧在上LED晶圆的该n-GaN层于该粗糙化工 艺之前实质上是光滑且平坦的。16. 如权利要求15所述的n侧在上LED晶圆的曝露n-GaN层的 粗糙化方法，其中该n侧在上LED晶圆的该n-GaN层于该n-GaN层 经粗糙化之前具有小于5000A的表面粗糙度。17. 如权利要求14所述的n侧在上LED晶圆的曝露n-GaN层的 粗糙化方法，其中该承载基板是蓝宝石。18. 如权利要求14所述的n侧在上LED晶圆的曝露n-GaN层的 粗糙化方法，其中该金属基板利用以下其中之一来沉积:电化学电镀、 ...

【专利技术属性】
技术研发人员：段忠，陈长安，
申请(专利权)人：美商旭明国际股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]