垂直发光二极管的制造方法技术

本发明专利技术公开了半导体垂直发光二极管（Ｖｅｒｔｉｃａｌ　　Ｌｉｇｈｔ　　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　　Ｄｉｏｄｅ，ＶＬＥＤ）器件的制造方法，所述器件在其ｎ型掺杂层与ｐ型掺杂层之间设有活化层；以及在所述ＶＬＥＤ器件的ｎ型掺杂层表面其上固定有多个球体。

【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(Light Emitting Diodes, LED),更确切 地说，涉及用以增强其光提取效率的新型LED结构。
技术介绍
在转换电能成为光能的固态器件中，发光二极管(LED)为重要类 别。典型的LED在两相异掺杂层之间设有半导体材料的活化层。当偏 压横跨施加于该掺杂层时，空穴及电子便注入活化层，它们在那里重 新结合并产生光。由活化层所产生的光朝向四面八方发射，且光线经 由所有外露表面而逸出半导体晶片。随着半导体材料的改进，半导体器件的效率亦随之提升。如今， 新型LED是由例如氮化铟铝镓(InAlGaN)之类的材料所制成，其可在紫外及黄绿光谱上提供更佳的发光效率。较之公知光源，许多新型的 LED在将电能转换成光能方面更有效率且更可靠。而随着LED不断地 改进，它们也被期待在未来能够在许多应用上取代公知光源，例如 交通信号标志，室外及室内显示器，汽车前照灯及后照灯，公知室内 照明等。公知的LED效率主要受限于无法发出其活化层所产生之所有光。 当LED被供给能量后，由其活化层所发射出的光(朝所有方向)以各种 不同角度到达LED的发光表面。较之环境大气(11=1. O)或是封装用的 环氧树脂(n 1.5)，典型的半导体材料具有更高的折射率(n 2.2-3.8)。依照斯涅耳定律，光在低于某一临界角(相对于表面法线 方向)内由高折射率区域到达低折射率区域时，会穿越较低折射率的 区域。然而到达表面的光若其入射角大于临界角，那么它不但无法穿 越还会遭受到内部全反射(total internal reflection, TIR)。在 LED的情况中，其TIR光可持续在LED内部进行反射直到被吸收为止。由于此现象，公知LED所产生的光大部分皆无法发射到外部，因此降 低其效率。减少TIR光比例的一种方法为以随机蚀纹(random texturing) 的形式在LED表面上建立光散射中心。随机蚀纹通过在反应性离子蚀 刻期间在LED表面上使用亚微米直径的聚苯乙烯球体作为掩模而在 表面上加以图案化。由于随机干涉效应之故，该蚀纹表面具有光波长 量级的特征部，其反射以及折射光线皆不按照斯涅耳定律的预测。已 证明此方法能提升9%至30%的发光效率。如美国专利第6， 821， 804号中所论述表面蚀纹的一项缺点在于 其会阻碍有效电流在LED中散布，如此会造成蚀纹电极层(例如p 型氮化镓(GaN))的导电性不佳。在较小型器件或是具有良好导电性 的器件中，来自p型层及n型层接点(面)的电流将遍布各层；但就 较大型器件或是由具有不良导电性的材料所制成的器件而言，电流无 法从接点(面)遍布于各层。因此，部分活化层将不会有电流通过， 因而无法发光。为建立二极管区域各处的均匀电流注入，可将由导电 材料制成的散布层沉积在表面上。然而，此扩散层通常必须为光学透 明，以使光可穿透该层。然而在将随机表面结构设于LED表面上时，并无法轻易地沉积实际上为薄的且光学上为透明的电流散布层。从LED中提升光提取效率的另一方法为包括发光表面或内部介 面的周期性图案化，此举可将光由内部限困角重新导向至由该表面的 形状及周期所决定的定义模式，详见Krames等人的美国专利第 5， 779, 924号。该技术为随机蚀纹表面的一项特例，其中干涉效应不 再是随机毫无规则可循并且其表面可以将光导引至特定模式或方向 上。然而该方法的一项缺点是由于表面形状及图案必须均匀且极微 小，其尺度为LED光源的单一波长的量级，因此不易制造该结构。而 在图案上沉积如上所述的光学透明电流散布层时亦呈现困难。提升光提取效率也已通过将LED的发光表面塑造成在其中心处 具有发光层的半球形来实现。尽管这种构造可以增加发光量，但却不 易制造。Scifres及Burnham等人的美国专利第3, 954， 534号公开了 一种LED阵列的形成方法，其在每一 LED上方形成一个半球。这种半球形成于衬底中，而二极管阵列就生长于其上。接着将二极管以及透 镜结构由衬底以蚀刻方式去除。此方法的一项缺点在于衬底介面处 的结构的形成受到限制，且将该结构自衬底剥除会提高制造成本。此 外，每一半球上方还设有发光层，这需运用到精确制造技术。美国专利第5， 793， 062号公开了一种增强LED光提取量的结构， 其通过包括光学非吸收层而使光改向离开例如接点(面) 一类的吸收 区，并且将光重新导向LED表面。此结构其中一项缺点是该非吸收 层需要形成底切峡角(strait angle)层，其在许多材料系统中均难 以制造。美国专利第6, 821， 804号也讨论到另一种增强光提取的方法。该 方法为在LED发光表面上的薄膜金属层内将光子耦合成表面等离子 体(surface plasmon)模式，光子再发射回辐射模式。这种结构依 赖于在该金属层中将由半导体发射出的光子耦合成表面等离子体，该 表面等离子体更进一步耦合成最后被提取的光子。该器件其中一项缺 点是由于周期性结构具有浅沟槽深度(〈0.1 ^m)的一维刻线光栅， 因此其不易制造。再者，可能是由于光子转换成表面等离子体以及表 面等离子体转换至周围光子的转换机制缺乏效率，总的内部量子效率 非常地低(1.4-1.5%)。此结构也在沉积上述电流层时，面临到相同的 难题。如美国专利第6, 821, 804号更进一步提到的那样可通过使LED 侧面形成斜角以产生倒截形金字塔的方式来改良其光提取效率。该斜 角表面为陷困在衬底材料内部的TIR光提供发光面，且已显示利用该 方法可使磷化铟镓铝(InGaAlP)材料系统的外部量子效率提升达35% 至50%。此方法对于其中有非常大量的光陷困于衬底中的器件极为有 效。对于生长在蓝宝石衬底上的氮化镓(GaN)器件而言，许多光陷困 在氮化镓膜中，以至于使LED晶粒的侧面形成斜角的方式并无法提供 所期望的效率增加。另外还有一种提升光提取效率的方法称为光子循 环。此方法依赖于具有高效率活化层的LED，其极容易将电子与空穴 转换成光，反之亦然。TIR光反射离开LED表面并撞击活化层，在该 处其转换成电子空穴对。由于活化层的效率非常高，所以电子空穴对几乎立刻再转换成光，且光再度以任意方向发射。 一部份的循环光线会在低于临界角内撞击LED发光面其中之一，接着逸出，而反射回活 化层的光则再次地经历相同过程。美国专利第6， 821, 804号公开了一种LED，其在该LED上或内部 设有可增进其发光效率的光提取结构。该新型光提取结构提供了用以 将光反射并折射进入更有利于光逃逸后进入封装的方向的表面，该结 构可以是光提取元件阵列或是具有比LED封装材料更高折射率的色 散层。光提取元件以及光色散层两者可以具有多种不同的形状，并且 设置在电流散布层上、磊晶层内或导电衬底下方，以增加LED的效率， 使其优于公知LED。
技术实现思路
在一个方面中，我们公开了半导体发光二极管(LED)器件的制 造系统及方法，其通过形成n型氮化镓(n-GaN)层；在该氮化镓(GaN) 层的表面上形成多个球体；以及将这种球体固定在该氮化镓(GaN)层 的该表面上。实施例可包括下列其中之一以上。球体7位于LED的氧化铟锡 (IT0)层及p型氮化镓(p-GaN)层之间。球体本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体垂直发光二极管（ＶｅｒｔｉｃａｌＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ，ＶＬＥＤ）器件的制造方法，包括步骤：形成所述ＶＬＥＤ器件的多重层磊晶结构，其包括ｎ型氮化镓（ｎ－ＧａＮ）层、活化层、及ｐ型氮化镓（ｐ－ＧａＮ）层；以及在所述ＶＬＥＤ器件的所述ｎ型氮化镓层的表面上设置多个球体。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2005-1-11 11/032,8811、一种半导体垂直发光二极管(Vertical Light Emitting Diode，VLED)器件的制造方法，包括步骤形成所述VLED器件的多重层磊晶结构，其包括n型氮化镓(n-GaN)层、活化层、及p型氮化镓(p-GaN)层；以及在所述VLED器件的所述n型氮化镓层的表面上设置多个球体。2、 如权利要求1所述的半导体垂直发光二极管器件的制造方法， 还包括利用旋转涂布或是喷涂其中一种方法，将所述球体设置在所述 VLED器件的所述n型氮化镓层上。3、 如权利要求1所述的半导体垂直发光二极管器件的制造方法， 还包括通过调整所施用的含球体溶液的粘度来控制所述球体的密度。4、 如权利要求3所述的半导体垂直发光二极管器件的制造方法， 其中所述粘度通过改变所施用的所述含球体溶液中的球体数量与密 度来进行调整。5、 如权利要求3所述的半导体垂直发光二极管器件的制造方法， 其中所述所施用的含球体溶液包括下列一项或多项酒精成分、介面 活性剂以及粘着材料。6、 如权利要求1所述的半导体垂直发光二极管器件的制造方法， 还包括将所述球体固定在所述VLED器件的所述氮化镓层的所述表面 上。7、 如权利要求2所述的半导体垂直发光二极管器件的制造方法， 还包括步骤在所述球体上施用半透明镀膜。8、 如权利要求1所述的半导体垂直发光二极管器件的制造方法，还包括步骤在所述球体上形成导电半透明镀膜。9、 如权利要求1所述的半导体垂直发光二极管器件的制造方法，其中所述球体平铺于所述VLED器件的所述n型氮化镓层上。10、 如权利要求8所述的半导体垂直发光二极管器件的制造方 法，其中所述镀膜对于所述VLED器件所发射的波长具有大于80%的 透明度。11、 如权利要求6所述的半导体垂直发光二极管器件的制造方 法，其中固定所述球体的所述步骤包括施用透明镀膜固定所述球体。12、 如权利要求6所述的半导体垂直发光二极管器件的制造方 法，其中固定所述球体的所述步骤包括-施用导电性镀膜固定所述球体。13、 如权利要求6所述的半导体垂直发光二极管器件的制造方 法，其中固定所述球体的所述步骤包括施用溶胶-凝胶固定所述球体。14、 如权利要求6所述的半导体垂直发光二极管器件的制造方法，其中固定所述球体的所述步骤包括对所述球体进行喷涂镀膜或是旋转涂布镀膜处理。15、 如权利要求1所述的半导体垂直发光二极管器件的制造方 法，其中所述球体散布在有机溶液中。16、 如权利要求6所述的半导体垂直发光二极管器件的制造方法，其中固定所述球体的所述步骤包括 施用干粉镀膜。17、 如权利要求16所述的半导体垂直发光二极管器件的制造方法，还包括步骤施用静电镀膜以固定所述球体。18、 如权利要求8所述的半导体垂直发光二极管器件的制造方 法，其中所述镀膜包括下列之一氧化铟锡(Indium Tin Oxide, ITO)、 镍、金。19、 如权利要求1所述的半导体垂直发光二极管器件的制造方 法，还包括将所述VLED器件的所述n型氮化镓层的所述表面粗糙化， 以散射并提取来自内部的光，而使光由所述n型氮化镓层放射出来。20、 如权利要求1所述的半导体垂直发光二极管器件的制造方 法，其中所述球体包括亚微米球体。21、 如权利要求1所述的半导体垂直发光二极管器件的制造方 法，其中所述球体的半径介于约lOnm与约2微米之间。22、 如权利要求1所述的半导体垂直发光二极管器件的制造方 法，其中须选择所述球体的尺寸，以期在约1/2X下进行最优光散射。23、 如权利要求1所述的半导体垂直发光二极管器件的制造方 法，其中所述球体的折射率约介于约2.0与3.0之间。24、 如权利要求1所述的半导体垂直发光二极管器件的制造方 法，其中所述球体的折射率大于约2.3。25、 如权利要求1所述的半导体垂直发光二极管器件的制造方 法，其中所述球体的折射率约等于所述n型氮化镓层的折射率。26、 如权利要求1所述的半导体垂直发光二极管器件的制造方 法，其中所述球体包括下列之一二氧化钛(Ti02)，五氧化二钽 (TaA)，氧化锆(ZrO)，氧化锌(ZnO) ， 二氧化铪(Hf02)，...

【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]