發(fā)光二極管裝置及其形成方法
【專利說(shuō)明】發(fā)光二極管裝置及其形成方法
[0001]本申請(qǐng)是2009年11月02日提交的優(yōu)先權(quán)日為2009年08月25日的申請(qǐng)?zhí)枮?00910209233.1的名稱為“發(fā)光二極管裝置及其形成方法”的發(fā)明專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體裝置，特別涉及結(jié)晶II1-V族發(fā)光二極管。
【背景技術(shù)】
[0003]—般而言，發(fā)光二極管(light-emitting d1de ;LED)是由第一導(dǎo)電型的第一導(dǎo)電層、有源層與第二導(dǎo)電型的第二導(dǎo)電層所構(gòu)成，并且在正偏壓(forward-biased)下會(huì)產(chǎn)生光線。不同顏色的發(fā)光二極管可使用不同能隙(bandgap)的材料形成。典型的有源層會(huì)從發(fā)光層的兩側(cè)射出光線，且光線會(huì)往所有的方向傳播。然而，由于從兩側(cè)并往所有方向射出的光線中，會(huì)有部分的光能被損失掉，因此在實(shí)際的應(yīng)用上，常僅需要光線從單一側(cè)并沿著特定的方向射出。
[0004]在一種提升光線從發(fā)光二極管裝置單一側(cè)的射出量的方法中，是在基板與發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)之間形成反射層。反射層包括金屬反射材料，其會(huì)使從基板側(cè)上的發(fā)光二極管裝置射出的光線反射回向發(fā)光二極管的發(fā)光面，借此提升發(fā)光二極管裝置的光效率(lightefficiency)。
[0005]雖然反射金屬層能幫助光線從發(fā)光二極管裝置的單一側(cè)射出，然而射出的光線一般仍會(huì)朝向超過(guò)180°的范圍的所有方向傳播。往所有方向傳播的光線在某些需要光線沿著特定方向射出的應(yīng)用中，例如透鏡組或類似的裝置，是不期望的。
[0006]在另一種強(qiáng)化發(fā)光二極管裝置的光線輸出量的方法中，是將發(fā)光表面粗糙化。具有平滑表面的發(fā)光二極管裝置會(huì)有較高程度的全內(nèi)反射(totalinternal ref lect1n)，其中光線會(huì)傾向反射回有源層，而不是被射出。為了降低全內(nèi)反射的程度，可將發(fā)光二極管裝置的表面粗糙化。表面粗糙度一般是在形成發(fā)光二極管裝置時(shí)，通過(guò)金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積工藝控制，或者是在形成發(fā)光二極管裝置之后，通過(guò)蝕刻工藝控制。雖然表面粗糙化會(huì)提升光線的輸出量，然而要在粗糙表面上形成良好的歐姆接觸有困難度。
[0007]又另一種強(qiáng)化發(fā)光二極管裝置的光線輸出量的方法包括形成納米柱。在此方法中，發(fā)光二極管裝置包括許多個(gè)從基板垂直地向上延伸的納米級(jí)發(fā)光柱。然而，由于納米柱產(chǎn)生的大部分光線，會(huì)以大于臨界角度的角度入射于納米柱的側(cè)壁上，因此從納米柱結(jié)構(gòu)輸出的光線仍會(huì)由于全內(nèi)反射的因素而減少。
[0008]根據(jù)上述，因此有需要光效率提升的發(fā)光二極管裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種發(fā)光二極管裝置，包括:一基板；一發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，形成在該基板上，該發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)具有一下方發(fā)光二極管層、一有源層與一第一上方發(fā)光二極管層；以及多個(gè)嵌入元件，至少延伸穿過(guò)部分該發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)的該第一上方發(fā)光二極管層，所述多個(gè)嵌入元件由上方觀看是被該發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)所圍繞，所述多個(gè)嵌入元件的折射系數(shù)不同于該第一上方發(fā)光二極管層。
[0010]本發(fā)明也提供一種發(fā)光二極管裝置，包括:一基板；以及一發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，位于該基板上，該發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)具有至少位于一第一導(dǎo)電層中的多個(gè)嵌入元件，所述多個(gè)嵌入元件的折射系數(shù)不同于嵌入所述多個(gè)嵌入元件的該發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)的一薄膜。
[0011]本發(fā)明還提供一種形成發(fā)光二極管裝置的方法，該方法包括:提供一基板；在該基板上形成一發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，該發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)包括一下方發(fā)光二極管層、一有源層與一第一上方發(fā)光二極管層；以及形成多個(gè)嵌入元件，其由上方觀看是被該發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)圍繞，所述多個(gè)嵌入元件的折射系數(shù)不同于該發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)。
[0012]本發(fā)明可有效提升發(fā)光二極管的光效率。
【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1至圖4顯示本發(fā)明一實(shí)施例形成發(fā)光二極管裝置的各種工藝步驟。
[0014]圖5及圖6顯示本發(fā)明另一實(shí)施例形成發(fā)光二極管裝置的各種工藝步驟。
[0015]圖7及圖8顯示本發(fā)明另一實(shí)施例形成發(fā)光二極管裝置的各種工藝步驟。
[0016]圖9至圖11顯示本發(fā)明另一實(shí)施例形成發(fā)光二極管裝置的各種工藝步驟。
[0017]圖12至圖14顯示各種具有圓形嵌入元件的發(fā)光二極管的平面圖。
[0018]上述附圖中的附圖標(biāo)記說(shuō)明如下:
[0019]100?發(fā)光二極管裝置；
[0020]102 ?基板；
[0021]104?發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)；
[0022]106?下方發(fā)光二極管層；
[0023]108?發(fā)光層(或有源層)；
[0024]110?第一上方發(fā)光二極管層；
[0025]120?圖案化掩模；
[0026]200?發(fā)光二極管裝置；
[0027]202 ?開(kāi)口；
[0028]300?發(fā)光二極管裝置；
[0029]302?嵌入元件；
[0030]400?發(fā)光二極管裝置；
[0031]410?第二上方發(fā)光二極管層；
[0032]502 ?開(kāi)口；
[0033]602?嵌入元件；
[0034]610?第二上方發(fā)光二極管層；
[0035]702 ?開(kāi)口；
[0036]802?嵌入元件；
[0037]810?第二上方發(fā)光二極管層；
[0038]902?介電層；
[0039]1002?發(fā)光二極管；
[0040]1204?嵌入元件。
【具體實(shí)施方式】
[0041]有關(guān)各實(shí)施例的制造和使用方式如以下所詳述。然而，值得注意的是，本發(fā)明所提供的各種可應(yīng)用的發(fā)明概念是依具體內(nèi)文的各種變化據(jù)以實(shí)施，且在此所討論的具體實(shí)施例僅是用來(lái)顯示具體使用和制造本發(fā)明的方法，而不用以限制本發(fā)明的范圍。
[0042]本發(fā)明提供形成發(fā)光二極管的新穎方法。應(yīng)要了解本發(fā)明是顯示說(shuō)明發(fā)明概念的必要步驟，然而也可在范例步驟中進(jìn)行其他的公知工藝。以下是通過(guò)各種附圖及實(shí)施例說(shuō)明本發(fā)明較佳實(shí)施例的制造過(guò)程。在本發(fā)明各種附圖和實(shí)施例中，相同的符號(hào)代表相同的元件。
[0043]圖1至圖4顯示本發(fā)明實(shí)施例，形成具有嵌入元件的發(fā)光二極管裝置100的各種工藝步驟。首先請(qǐng)參考圖1，發(fā)光二極管裝置100具有基板102，與形成在基板102上的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)104。基板102可為任何發(fā)光二極管裝置形成于其上的基板，包括藍(lán)寶石(sapphire)基板、碳化硅(SiC)基板、硅基板及類似的基板。對(duì)于結(jié)晶基板而言，可使用不同的面位向(surface orientat1n)，例如(111)、(110)或(10)0
[0044]發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)104可包括任何用于特定應(yīng)用的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)。一般而言，發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)104包括形成在基板102表面上的下方發(fā)光二極管層(lower LEDlayer) 106。下方發(fā)光二極管層106較佳是以第一導(dǎo)電型的摻雜物摻雜的II1-V族化合物。舉例來(lái)說(shuō)，可使用η型導(dǎo)電型的II1-N族化合物，例如η型氮化鎵(n_GaN)。舉例來(lái)說(shuō)，η型氮化鎵下方發(fā)光二極管層106可使用金屬有機(jī)氣相外延(MOVPE)工藝，通過(guò)將基板設(shè)置在金屬有機(jī)等離子體氣相外延(MOPVE)設(shè)備的反應(yīng)腔室中，加熱至約1，000°C，并供應(yīng)氫氣、氨氣與三甲基鎵(trimethyl gallium ；TMGa)至反應(yīng)腔室中而形成。為了形成η型摻雜的氮化鎵，也將硅烷(silane ;SiH4)引入至反應(yīng)腔室中。反應(yīng)腔室中的壓力可約為40torr。也可使用其他的工藝，例如分子束外延工藝、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積工藝、氫化物氣相外延工藝、液相外延工藝或類似的工藝，并可使用其他的II1-N族材料，舉例來(lái)說(shuō)，包括GaN、InN、AIN、InxGa(l-χ)N、AlxGa(1_χ)N、AlxInyGa(Ι-χ-y)N或類似的物質(zhì)。也可使用其他的 II1-V族材料。
[0045]發(fā)光層108 (有時(shí)也稱為有源層)形成在下方發(fā)光二極管層106上。發(fā)光層108可包括同質(zhì)結(jié)(homojunct1n)、異質(zhì)結(jié)(heterojunct1n)、單量子講(single-quantumwell ;SQW)、多量子講(multiple-quantum well ；MQff)或類似的結(jié)構(gòu)。在一示范實(shí)施例中，發(fā)光層108包括未摻雜的η型氮化鎵銦(galliumindium nitride ；GaxInyN (Ι-χ-y))。在其他實(shí)施例中，發(fā)光層108包括其他一般使用的材料，例如氮化鋁銦鎵(AlxInyGa (1-x-y) N)。又在其他實(shí)施例中，發(fā)光層108可為多量子阱，包括交替排列的多個(gè)阱層(例如InGaN)與阻擋層(例如GaN)。發(fā)光層108的形成方法包括金屬有機(jī)氣相外延工藝、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積工藝、分子束外延工藝、氫化物氣相外延工藝、液相外延工藝或其他適合的化學(xué)氣相沉積法。
[0046]第一上方發(fā)光二極管層110設(shè)