專利名稱：極性反置紅外發(fā)光二極管的功率發(fā)射效能提升元件及制法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種極性反置紅外發(fā)光二極管(Infrared light EmittingDiode，IrED)的功率發(fā)射效能提升的元件及其制造方法。本發(fā)明尤其關(guān)于一種經(jīng)結(jié)構(gòu)處理的極性反置IrED元件，其結(jié)構(gòu)處理可以提升IrED的功率發(fā)射效能，以及此種發(fā)光二極管元件的制造方法。
就光學而言，發(fā)光效率是指光源每消耗一瓦功率所發(fā)射出的流明數(shù)。所謂最高量子效率(highest quantum efficiency)是指在一定的電流輸入，能有最大的光輻射輸出?？紤]光子輻射產(chǎn)生后，在元件內(nèi)部行進路徑的輻射損失，則以外部量子效率ηext值作為實際接收端所受量子效率的指針。具體而言，該外部量子效率ηext為元件依其本質(zhì)的內(nèi)部量子效率，向外輻射光子。而輻射過程中，歷經(jīng)元件本身必然的吸收、折射等光學耗損后，所測量到的輻射效能。也就是內(nèi)部量子效率經(jīng)元件散發(fā)出來并出現(xiàn)在接收端或觀察者眼中的發(fā)光效能，可以量化為如下列數(shù)學式所述(式1)外部量子效率ηext＝內(nèi)部量子效率ηint×耦合量子效率ηcoupling
其中，內(nèi)部量子效率是指單位時間在正向偏壓下電子空穴輻射復合數(shù)與總復合數(shù)(含輻射復合和非輻射復合)的比例，而耦合量子效率ηcoupling是指通過元件時影響光傳輸機制的效率值，包括芯片材料吸收效率ηabsorption、全反射臨界效率ηcritical、Fresnel折射效率ηFresnel(式2)ηcoupling＝ηabsorption×ηcritical×ηFresnel輻射過程中，歷經(jīng)元件本身必然的吸收、折射等光學耗損，光輻射行進路徑越長，被吸收的比例越多。而且，光輻射穿越兩種不同材質(zhì)材料的界面時，有臨界角(θc)的限制θc＝sin-1(n2/n1)。也就是說，在光穿越折射率n1材料時，當光輻射入射角小于θc者，才可射出界面。
依據(jù)Fresnel的學說，光射出界面兩側(cè)材料的折射率會影響光輻射效率，如下列式3，進而影響耦合量子效率，其中，n1是指芯片材料的折射率，n2是指光射出界面的外界材料的折射率。
(式3)ηFresnel＝4·n1·n2/(n1+n2)2；從上述數(shù)學方程式得知，IrED的功率發(fā)射效能隨著芯片材料的吸收效率、全反射臨界效率、以及光射出界面折射率等因素而變動。
現(xiàn)有技術(shù)中，對于IrED功率發(fā)射效能的處理及效果說明如下(一)直接切割，不做任何額外處理對元件功率發(fā)射效能并無幫助。
(二)極性反置目前制作方式僅將板面朝上，壘晶面朝下。
由于基板厚度大，光線向上放射途徑中，大多被基板材料吸收，所以極性反置元件會造成發(fā)射率低的效果。
(三)在元件發(fā)射面及四周側(cè)面進行粗糙化處理表面粗糙化處理的半導體發(fā)光元件。對光學效應而言，雖然能提升元件功率發(fā)射效能，但是會造成不良的電熱效應。由于其表面粗糙化形成許多尖端突起的表面，這些突起表面因而成為電位小且電流易行的路徑，導致元件因熱效應而嚴重退化。
參照

圖1以更具體了解前述現(xiàn)有的極性反置IrED結(jié)構(gòu)，一種現(xiàn)有的極性反置IrED在電極105及電極106之間依序包含一基板101、一N型半導體層102、以及一P型半導體層104。該現(xiàn)有的IrED因電路配置需求的考慮，使基板反置于N型半導體層上，由于光通過基板時會被基板材料吸收，必須進行薄化或粗糙化處理，以提升光輻射射出元件的機率。然而其不論化學蝕刻或機械拋光，均會伴隨良率下降、臨界角受限制、以及負面光電效應、成本提高等問題。
本發(fā)明的又一目的在于提供一種極性反置紅外發(fā)光二極管的功率發(fā)射效能提升元件及制法，其具有一可以提升功率發(fā)射效能的光射出界面，能避免負面電流效應。
本發(fā)明的又一目的在于提供一種極性反置紅外發(fā)光二極管的功率發(fā)射效能提升元件及制法，其可以具有一極性反置的電極元件，能提升外部量子效率。
為了達到上述目的，本發(fā)明提供了一種IrED的功率發(fā)射效能提升元件，該IrED的功率發(fā)射效能提升元件具有第一電極與第二電極，在該第一電極與第二電極之間依序包含一基板；一成長于該基板頂層的第一壘晶層；一成長于該第一壘晶層上的第二壘晶層；其中，該基板具有與發(fā)光路徑成正交的凹下曲面，在該凹下曲面上涂布旋涂玻璃(Spin-on-glass，SOG)。
本發(fā)明還提供上述的IrED的功率發(fā)射效能提升元件的制造方法，是在一半導體基板上執(zhí)行下列步驟在該基板上形成一第一壘晶層；形成一第二壘晶層于該第一壘晶層上；制作一第一電極于該基板底面；制作一第二電極于該第二壘晶層頂面；將該IrED的功率發(fā)射效能提升元件反置使該基板底層朝上；利用掩膜蝕刻技術(shù)在該基板的表面形成一與發(fā)光路徑成正交的凹下曲面；并涂上SOG于該凹下曲面表層。
本發(fā)明通過該涂布SOG與發(fā)光路徑成正交的凹下曲面，可以避免耦合量子損失(包括吸收損失、Fresnel及臨界角限制)，提升IrED的功率發(fā)射效能。
圖1是顯示現(xiàn)有的IrED的剖面圖；圖2A是顯示依據(jù)本發(fā)明第一實施例的IrED元件20的俯視圖；圖2B是顯示依據(jù)本發(fā)明第一實施例的IrED元件20的剖面圖；圖2C是顯示依據(jù)本發(fā)明第一實施例的IrED元件20的底視圖。
圖中符號說明10IrED101 基板102 N型半導體層104 P型半導體層105 電極106 電極20IrED元件200 基板201 第一壘晶層202 第二壘晶層203 發(fā)光區(qū)210 第一電極配置211 第一電極212 第二電極213 第二電極配置221 凹下曲面222 第二壘晶層配置225 SOG分布層226 凹下曲面227 凹下曲面具體實施方式
圖2B是顯示依據(jù)本發(fā)明第一實施例的IrED元件20的縱向剖面圖，是以砷化鎵(GaAs)芯片作為一基板200。以壘晶技術(shù)在此基板200上成長一砷化鎵(GaAs)或砷化鋁鎵(AlGaAs)的N型半導體層201(第一壘晶層)，再于該N型半導體層201上成長一砷化鎵(GaAs)或砷化鋁鎵(A1GaAs)的P型半導體層202(第二壘晶層)。該第一壘晶層201與該第二壘晶層202界面附近形成發(fā)光區(qū)203，該元件可為同質(zhì)結(jié)構(gòu)(Homostructure)，或單異質(zhì)結(jié)構(gòu)(Single hetero structure)。之后，制作連接于該基板底層的第一電極211及一連接于該第二壘晶層頂層的第二電極212，其中該第一電極211及第二電極212為歐姆接觸的金屬電極，且該金屬電極可以為點狀，包括圓形、方形，或任何期望的形狀，其點狀間更可以包含聯(lián)機。如此，可以減少光被完全吸收，并且使電壓維持于固定值。
接下來，根據(jù)本實施例，人們將IrED元件20反置而使基板200朝上，并通過精確的半導體工藝，利用光刻與蝕刻相關(guān)工藝，在基板200作一結(jié)構(gòu)處理，形成一與發(fā)光路徑成正交的凹下曲面221，作為IrED元件20的透光面，使得射出光可以避免臨界角限制效應。由于此透光面為平滑曲面，對于電流效應無負面影響，因此可維持元件應有的可靠度。并且縮短發(fā)光層至透光面距離，可以減低光被吸收效應。再者，涂布一SOG于該凹下曲面221頂層，形成一SOG分布層225，于此，光射出界面的外界材料乃由空氣變?yōu)镾OG，而且該SOG分布層225，利用精確的光刻與蝕刻相關(guān)技術(shù)在該凹下曲面表層形成一弧面，該弧面使射出光輻射免去臨界角限制效應。依據(jù)現(xiàn)有的Fresnel學說，光射出界面的外界材料的折射率n2會影響耦合量子效率如式3，(式3)ηFresnel＝4·n1·n2/(n1+n2)2當SOG的折射率nSOG＝1.45，也就是n2由1提升為1.45時，可以使ηFresnel自0.702提升至0.838。
圖2A是顯示依據(jù)本發(fā)明第一實施例的IrED元件20的俯視圖，其中第一電極配置210是第一電極211的俯視圖，而凹下曲面226以及凹下曲面227是SOG分布層225的俯視圖。
圖2C是顯示依據(jù)本發(fā)明第一實施例的IrED元件20的后視圖，其中第二電極配置213是第二電極212的多個導體分布后視圖，第二壘晶層配置222是第二壘晶層202的后視圖。
雖然本發(fā)明業(yè)已通過較佳實施例作為例示加以說明，應了解者為本發(fā)明不限于此被揭露的實施例。相反地，本發(fā)明意欲涵蓋對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是明顯的各種修改與相似配置。因此，權(quán)利要求書的范圍應根據(jù)最廣的解釋，以包容所有此類修改與相似配置。
權(quán)利要求
1.一種極性反置紅外發(fā)光二極管的功率發(fā)射效能提升元件，該IrED的功率發(fā)射效能提升元件具有第一電極與第二電極，在該第一電極與第二電極之間依序包含一基板；一成長于該基板頂層的第一壘晶層；一成長于該第一壘晶層上的第二壘晶層；其中，該基板具有與發(fā)光路徑成正交的凹下曲面，在該凹下曲面上涂布有旋涂玻璃。
2.如權(quán)利要求1所述的IrED的功率發(fā)射效能提升元件，其特征在于該第一壘晶層為N型半導體層，該第一電極連接于電路的負極。
3.如權(quán)利要求1所述的IrED的功率發(fā)射效能提升元件，其特征在于該第二壘晶層為P型半導體層，該第二電極連接于電路的正極。
4.如權(quán)利要求1所述的IrED的功率發(fā)射效能提升元件，其特征在于該IrED的第一電極或第二電極是多個歐姆接觸的金屬電極組成，且該金屬電極可以為點狀，包括圓形、方形，其點狀間更可以包含聯(lián)機。
5.如權(quán)利要求1所述的IrED的功率發(fā)射效能提升元件，其特征在于該第一壘晶層與第二壘晶層形成一發(fā)光區(qū)。
6.如權(quán)利要求5所述的IrED的功率發(fā)射效能提升元件，其特征在于該IrED的功率發(fā)射效能提升元件，可為同質(zhì)結(jié)構(gòu)，或單異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
7.如權(quán)利要求1所述的IrED的功率發(fā)射效能提升元件，其特征在于該與發(fā)光路徑成正交的凹下曲面為半球形。
8.如權(quán)利要求7所述的IrED的功率發(fā)射效能提升元件，其特征在于該與發(fā)光路徑成正交的凹下曲面是采用光刻蝕刻技術(shù)作成。
9.如權(quán)利要求1所述的IrED的功率發(fā)射效能提升元件，其特征在于該SOG被均勻的涂布在凹下曲面表層形成一弧面，該弧面使射出光免去臨界角限制效應。
10.如權(quán)利要求1所述的IrED的功率發(fā)射效能提升元件，其特征在于該基板是砷化鎵半導體。
11.一種極性反置紅外發(fā)光二極管的功率發(fā)射效能提升元件的制造方法，是在一半導體基板上執(zhí)行下列步驟；在該基板上形成一第一壘晶層；形成一第二壘晶層于該第一壘晶層上；制作一第一電極于該基板底面；制作一第二電極于該第二壘晶層頂面；將該IrED的功率發(fā)射效能提升元件反置使該基板底層朝上；利用光刻蝕刻技術(shù)于該基板的表面形成一與發(fā)光路徑成正交的凹下曲面；并涂上SOG于該凹下曲面表層。
12.如權(quán)利要求11所述的IrED的功率發(fā)射效能提升元件的制造方法，其特征在于該第一壘晶層為N型半導體層，該第一電極連接于電路的負極。
13.如權(quán)利要求11所述的IrED的功率發(fā)射效能提升元件的制造方法，其特征在于該第二壘晶層為P型半導體層，該第二電極連接于電路的正極。
14.如權(quán)利要求11所述的IrED的功率發(fā)射效能提升元件的制造方法，其特征在于該IrED的第一電極或第二電極是多個歐姆接觸的金屬電極組成，且該金屬電極可以為點狀，包括圓形、方形，其點狀間更可以包含聯(lián)機。
15.如權(quán)利要求11所述的IrED的功率發(fā)射效能提升元件的制造方法，其特征在于該第一壘晶層與第二壘晶層形成一發(fā)光區(qū)。
16.如權(quán)利要求15所述的IrED的功率發(fā)射效能提升元件的制造方法，其特征在于該IrED的功率發(fā)射效能提升元件，作成同質(zhì)結(jié)構(gòu)，或單異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
17.如權(quán)利要求11所述的IrED的功率發(fā)射效能提升元件的制造方法，其特征在于該與發(fā)光路徑成正交的凹下曲面為半球形。
18.如權(quán)利要求17所述的IrED的功率發(fā)射效能提升元件的制造方法，其特征在于該與發(fā)光路徑成正交的凹下曲面是采用光刻技術(shù)作成。
19.如權(quán)利要求11所述的IrED的功率發(fā)射效能提升元件的制造方法，其特征在于將該SOG均勻地涂布在凹下曲面表層且形成一弧面，該弧面使射出光免去臨界角限制效應。
全文摘要
一種極性反置紅外發(fā)光二極管((Infrared light Emitting Diode；IrED)的功率發(fā)射效能提升元件及制法。此具有功率發(fā)射效能提升的的IrED包含一基板、壘晶層以及一與發(fā)光路徑成正交的凹下曲面，而且其極性可以反置。此與發(fā)光路徑成正交的凹下曲面的表面有一旋涂玻璃(Spin－on－glass，SOG)。通過該涂布SOG與發(fā)光路徑成正交的凹下曲面，可以避免耦合量子損失(包括吸收損失、Fresnel及臨界角限制)，提升IrED的功率發(fā)射效能。
文檔編號H01L33/00GK1445867SQ0210753
公開日2003年10月1日 申請日期2002年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月15日
發(fā)明者褚宏深 申請人:連碩科技股份有限公司