專(zhuān)利名稱(chēng)：一種發(fā)光二極管器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)光二極管器件及其制造方法，尤其涉及一種通過(guò)表面 粗化層提高光提取效率的發(fā)光二極管器件及其制造方法。
背景技術(shù)：
發(fā)光二極管(LED)是用半導(dǎo)體材料制作的正向偏置的PN結(jié)二極管。 其發(fā)光機(jī)理是當(dāng)在PN結(jié)兩端注入正向電流時(shí)，注入的非平衡載流子(電子 -空穴對(duì))在擴(kuò)散過(guò)程中復(fù)合發(fā)光，這種發(fā)射過(guò)程主要對(duì)應(yīng)光的自發(fā)發(fā)射過(guò) 程。制作半導(dǎo)體發(fā)光二極管的材料是重?fù)诫s的，熱平衡狀態(tài)下的N區(qū)有很多 遷移率很高的電子，P區(qū)有較多的遷移率較低的空穴。由于PN結(jié)阻擋層的 限制，在常態(tài)下，二者不能發(fā)生自然復(fù)合。而當(dāng)給PN結(jié)加以正向電壓時(shí)， 溝區(qū)導(dǎo)帶中的電子則可逃過(guò)PN結(jié)的勢(shì)壘進(jìn)入到P區(qū)一側(cè)。于是在PN結(jié)附 近稍偏于P區(qū)一邊的地方，處于高能態(tài)的電子與空穴相遇時(shí)，便產(chǎn)生發(fā)光復(fù) 合。這種發(fā)光復(fù)合所發(fā)出的光屬于自發(fā)輻射。一般而言，傳統(tǒng)的發(fā)光二極管(LED)器件的制造方法是在襯底上外延 生長(zhǎng)包括n型半導(dǎo)體材料層、發(fā)光層和p型半導(dǎo)體材料層的層疊結(jié)構(gòu)。隨著 發(fā)光二極管發(fā)射的光的波長(zhǎng)不同，發(fā)光二極管所采用的材料和結(jié)構(gòu)也不同。 例如，對(duì)于發(fā)射藍(lán)光和綠光二極管，通常采用絕緣的藍(lán)寶石作為襯底，而采 用氮化鎵銦外延結(jié)構(gòu)作為層疊結(jié)構(gòu)。由于藍(lán)寶石襯底為絕緣襯底，所以發(fā)光 二極管的陰極和陽(yáng)極均設(shè)置在正面。例如，如圖l所示，在藍(lán)寶石村底6上 依次形成了 n型氮化鎵層5、發(fā)光層4、 p型氮化鎵層3、透明電極2。陽(yáng)極 1和陰極7分別形成于透明電極2和n型氮化鎵層5上。當(dāng)由發(fā)光層4產(chǎn)生 的光向外發(fā)射時(shí)，光依次經(jīng)由p形氮化鎵層5，透明電極2以及位于透明電 極2上方的封裝樹(shù)脂材料(未顯示)被發(fā)射到外部。由于p型氮化鎵層5的 折射率通常為2.4,透明電極2的折射率通常為1.85-2.0,而封裝樹(shù)脂材料 的折射率通常為1.45 - 1.55,所以光從高折射率材料向低折射率材料傳播。 在此過(guò)程中，在高折射率材料和低折射率材料界面之間容易發(fā)生全反射，導(dǎo)致大量從發(fā)光二極管器件發(fā)出的光無(wú)法被提取到外部，使得藍(lán)綠發(fā)光二極管 的外部光效率較低。因此提高發(fā)光二極管的外部光效率已經(jīng)成為業(yè)界亟待解 泱的重要課題之一。發(fā)明內(nèi)容根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種發(fā)光二極管器件，該發(fā)光二極管包括基板；設(shè)置在基板上的n型半導(dǎo)體層；設(shè)置于部分的n型半導(dǎo)體層上的 發(fā)光層；設(shè)置于發(fā)光層上的p型半導(dǎo)體層；設(shè)置于p型半導(dǎo)體層上的透明電 極層；設(shè)置于透明電極層上的陽(yáng)極；以及設(shè)置于部分的n型半導(dǎo)體層上的陰 極，其中該透明電極層的上表面具有多個(gè)凹凸形的微結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，該透明電極的下表面也可以具有多個(gè)凹凸形的樣t結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，該透明電極的厚度為0.2微米-0.8微米。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種發(fā)光二極管器件，該發(fā)光二極管 包括基板；設(shè)置在基板上的n型半導(dǎo)體層；設(shè)置于部分的n型半導(dǎo)體層上 的發(fā)光層；設(shè)置于發(fā)光層上的p型半導(dǎo)體層；設(shè)置于p型半導(dǎo)體層上的透明 電極層；設(shè)置于透明電極層上的陽(yáng)極；以及設(shè)置于部分的n型半導(dǎo)體層上的 陰極，其中形成有多個(gè)自該透明電極層貫穿至n形半導(dǎo)體層的孔。優(yōu)選地，所述孔的間距為2-8微米，孑L的深度為l-2微米，且孔的直 徑為0.2-4微米。根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)方面，還提供了 一種發(fā)光二極管器件的制造方法， 所述方法包括在基板上依次沉積n型半導(dǎo)體層、發(fā)光層、p型半導(dǎo)體層。然 后在p型半導(dǎo)體層形成透明電極層。然后，采用光刻暨蝕刻工藝構(gòu)圖透明電 極層、p型半導(dǎo)體層、發(fā)光層和n型半導(dǎo)體層，使得透明電極層、p型半導(dǎo) 體層、發(fā)光層形成于部分的n型半導(dǎo)體層上。接著，采用粗化蝕刻劑，通過(guò) 濕法蝕刻在透明電極層上形成多個(gè)凹凸形的微結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，所述粗化蝕刻劑為包括硫酸、抑制劑、表面活性劑和去離子水 的混合酸性'溶液。優(yōu)選地，在p型半導(dǎo)體層上形成透明電極層之前，可以采用干法或濕法 蝕刻工藝粗糙化p型半導(dǎo)體層的上表面。根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)方面，還提供了一種發(fā)光二極管器件的制造方法， 所述方法包括在基板上依次沉積n型半導(dǎo)體層、發(fā)光層、p型半導(dǎo)體層。然后在p型半導(dǎo)體層形成透明電極層。然后，在透明電極層上涂布光刻膠，釆 用光刻工藝構(gòu)圖光刻膠以在部分的透明電極層上形成具有多個(gè)孔的光刻膠 圖案。接著，利用該光刻膠圖案作為蝕刻掩模，利用干法蝕刻來(lái)蝕刻透明電極層、p型半導(dǎo)體層、發(fā)光層和n型半導(dǎo)體層，從而〗吏得透明電極層、p型 半導(dǎo)體層、發(fā)光層形成于部分的n型半導(dǎo)體層上，并形成多個(gè)自透明電極層 貫穿至n型半導(dǎo)體層的孔。最后，去除光刻膠掩^f莫。優(yōu)選地，該干法蝕刻工藝為電感耦合式反應(yīng)離子蝕刻(ICP-RIE)。' 才艮據(jù)本發(fā)明，由于在透明電極層的上表面或上下兩個(gè)表面上形成了凹凸 形的微結(jié)構(gòu)，所以改變了入射到透明電極層或透明電極層上方的封裝材料的 光線的角度，使得大部分光的入射角小于全反射的臨界角，大幅度提高了發(fā) 光二極管器件的外部光效率。另外，多個(gè)自透明電極層貫穿至n型半導(dǎo)體層 的孔減少或避免了由于全反射造成的光損耗，提高了發(fā)光二極管的外部光效 率。與常規(guī)的倒裝片芯片相比，根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光器件的光效率增加 了 20% -30%。


圖1為傳統(tǒng)的發(fā)射藍(lán)光和綠光的發(fā)光二極管器件的平面示意圖；圖2為沿圖1的II -II線所截取的發(fā)光二極管器件的剖面示意圖；圖3為根據(jù)本發(fā)明的發(fā)光二極管器件的平面示意圖；圖4為沿圖3的IV-IV線所截取的根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的發(fā)光二 極管器件的剖面示意圖；圖5A-5C為描述根據(jù)本發(fā)明的第 一 實(shí)施例的發(fā)光二極管器件的制造方 法的剖面示意圖；圖6為沿圖3的IV-IV線所截取的才艮據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的發(fā)光二 極管器件的剖面示意圖；圖7為顯示圖6中所示的微結(jié)構(gòu)的放大示意圖；圖8A - 8C為描述根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的發(fā)光二極管器件的制造方 法的剖面示意圖；以及圖9為沿圖3的IV-IV線所截取的根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的發(fā)光二 極管器件的剖面示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。為了清晰顯示的目 的，附圖中的層和特征并未按照比例繪制。 第一實(shí)施例圖3為根據(jù)本發(fā)明的發(fā)光二極管器件的平面示意圖。圖4為沿圖3的IV -IV線所截取的根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的發(fā)光二極管器件的剖面示意圖。 如圖4所示，該發(fā)光二極管器件包括基板16、設(shè)置在基板16上的n型半 導(dǎo)體層15;設(shè)置于n型半導(dǎo)體層15上的發(fā)光層14;設(shè)置于發(fā)光層14上的p 型半導(dǎo)體層13和設(shè)置于p型半導(dǎo)體層13上的透明電極層12，設(shè)置于透明電 極層12上的陽(yáng)極11;以及設(shè)置于部分的n型半導(dǎo)體層15上的陰極17。該 透明電極層12的上表面具有多個(gè)凹凸形的微結(jié)構(gòu)。 、n型半導(dǎo)體層15、發(fā)光層14以及p型半導(dǎo)體層13可以由氮化鎵材料構(gòu) 成。透明電極層12的材料可以選自氧化銦錫(ITO)或氧化鋅(ZnO)或其 他透明導(dǎo)電材料。該透明電極層12的厚度為0.2微米-0.8微米。現(xiàn)將參考圖5A- 5C描述根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的發(fā)光二極管器件的 制造方法。首先，在基板16上依次沉積n型半導(dǎo)體層15、發(fā)光層14和p 型半導(dǎo)體層13。然后，在p型半導(dǎo)體層13的上表面上形成透明電極層12， 如圖5A所示。例如，可以在p型半導(dǎo)體層13的上表面上貼附厚度為0.2-0.8微米的透明電極層12。然后利用光刻暨蝕刻工藝構(gòu)圖透明電極層12、 p 型半導(dǎo)體層13、發(fā)光層14和n型半導(dǎo)體層15，使得透明電極層12、 p型半 導(dǎo)體層13、發(fā)光層14形成于部分的n型半導(dǎo)體層15上，如圖5B所示。所 述蝕刻工藝可以例如為采用氯氣、三氯化硼、或曱烷的電感耦合式反應(yīng)離子 蝕刻。接下來(lái)，采用粗化蝕刻劑，通過(guò)濕法蝕刻在透明電極層12上形成多 個(gè)凹凸形的微結(jié)構(gòu)，如圖5C所示。例如，用水浴將粗化蝕刻劑加熱到70-80°C,然后上述步驟所形成的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)浸泡到粗化蝕刻劑2到3分鐘。 該粗化蝕刻劑為包括疏酸、抑制劑、表面活性劑和去離子水的混合酸性溶液。 然后將發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)取出清洗并烘千，從而在透明電極層12的上表面形 成多個(gè)凹凸的微結(jié)構(gòu)。最后，在透明電極層12和暴露的部分的n型半導(dǎo)體 層15上分別形成陽(yáng)極11和陰極17，形成如圖4所示的半導(dǎo)體發(fā)光器件。根據(jù)本發(fā)明的該實(shí)施例，由于在透明電極層12的上表面上形成了凹凸 形的微結(jié)構(gòu)，所以改變了由透明電極層12入射到封裝材料(未顯示)的光線的角度，使得大部分光的入射角小于全反射的臨界角，提高了發(fā)光二極管器件的外部光效率。在350毫安的驅(qū)動(dòng)電流下，根據(jù)本發(fā)明的該實(shí)施例的發(fā) 光器件的光效率與常規(guī)的倒裝片芯片相比增加了 20% -30%。 第二實(shí)施例圖6為沿圖3的IV-IV線所截取的根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的發(fā)光二 極管器件的剖面示意圖。圖7為顯示圖6中所示的微結(jié)構(gòu)的放大示意圖。如 圖6所示，該發(fā)光二極管器件包括基板26、設(shè)置在基板26上的n型半導(dǎo) 體層25;設(shè)置于n型半導(dǎo)體層25上的發(fā)光層24;設(shè)置于發(fā)光層24上的p 型半導(dǎo)體層23和設(shè)置于p型半導(dǎo)體層23上的透明電極層22，設(shè)置于透明電 極層22上的陽(yáng)極21;以及設(shè)置于部分的n型半導(dǎo)體層25上的陰極27。如 圖6所示，自該透明電極層貫穿至部分的n形半導(dǎo)體層形成有多個(gè)孔?？椎?分布可以為規(guī)則的，如圖3所示，也可以是不規(guī)則的。孔的形狀可以為圓形、 橢圓形、方形、三角形等等。圖3顯示了圓形的孔，其中例如孔的間距f可 以為2-8孩i米，孔的深度e可以為1-2微米，且孔的直徑d可以為0.2-4 微米，如圖7所示。n型半導(dǎo)體層25、發(fā)光層24以及p型半導(dǎo)體層23可以由氮化鎵材料構(gòu) 成。透明電極層23的材料可以選自氧化銦竭(ITO)或氧化鋅(ZnO)或其 他透明導(dǎo)電材料。該透明電極層23的厚度為0.2微米-0.8微米。現(xiàn)將參考圖8A- 8C描述根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的發(fā)光二極管器件的 制造方法。首先，在基板26上依次沉積n型半導(dǎo)體層25、發(fā)光層24和p 型半導(dǎo)體層23。然后，在p型半導(dǎo)體層23的上表面上形成透明電極層22, 如圖8A所示。例如，可以在p型半導(dǎo)體層23的上表面上貼附厚度為0.2 -0.8微米的透明電極層22。在透明電極層22上涂布光刻膠，采用光刻工藝， 例如采用激光曝光4幾(Nano-Engineering Optical System )的曝光和顯影工藝 構(gòu)圖光刻膠以在部分的透明電極層22上形成具有多個(gè)孔的光刻膠圖案，如 圖8B所示。然后，利用該光刻膠圖案作為蝕刻掩^t,利用干法蝕刻來(lái)蝕刻 透明電極層22、 p型半導(dǎo)體層23、發(fā)光層24和n型半導(dǎo)體層25,從而使得 透明電極層22、 p型半導(dǎo)體層23、發(fā)光層24形成于部分的n型半導(dǎo)體層25 上，并形成多個(gè)自透明電極層22貫穿至n型半導(dǎo)體層25的孔。然后，去除 光刻膠掩模，形成如圖8C所示的結(jié)構(gòu)。最后，在透明電極層22和暴露的部 分的n型半導(dǎo)體層25上分別形成陽(yáng)極21和陰極27，形成如圖6所示的半導(dǎo)體發(fā)光器件。干法蝕刻工藝?yán)鐬殡姼旭詈鲜椒磻?yīng)離子蝕刻。根據(jù)本發(fā)明的該實(shí)施例，由于形成有多個(gè)自該透明電極層22貫穿至n 形半導(dǎo)體層25的孔，形成了在透明電極層22的上表面上形成了凹凸形的微 結(jié)構(gòu)，所以改變了光的入射角度，使得大部分光的入射角小于全反射的臨界 角，提高了發(fā)光二極管器件的外部光效率。第三實(shí)施例圖9為沿圖3的IV-IV線所截取的根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的發(fā)光二 極管器件的剖面示意圖。如圖9所示，該發(fā)光二極管器件包括基板36、設(shè) 置在基板36上的n型半導(dǎo)體層35;設(shè)置于n型半導(dǎo)體層35上的發(fā)光層34; 設(shè)置于發(fā)光層34上的p型半導(dǎo)體層33和設(shè)置于p型半導(dǎo)體層33上的透明 電極層32，設(shè)置于透明電極層32上的陽(yáng)極31;以及設(shè)置于部分的n型半導(dǎo) 體層35上的陰極37。該透明電極層32的上下表面均具有多個(gè)凹凸形的微結(jié) 構(gòu)。n型半導(dǎo)體層35、發(fā)光層34以及p型半導(dǎo)體層33可以由氮化鎵材料構(gòu) 成。透明電極層32的材料可以選自氧化銦錫(ITO)或氧化鋅(ZnO)或其 他透明導(dǎo)電材料。該透明電極層32的厚度為0.2微米-0.8微米。根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的發(fā)光二極管器件的制造方法與第 一 實(shí)施例 的發(fā)光二極管的制造方法基本相同，除了在p型半導(dǎo)體層33上形成透明電 極層32之前，可以采用干法或濕法蝕刻工藝粗糙化p型半導(dǎo)體層33的上表 面，從而在p型半導(dǎo)體層33的上表面形成多個(gè)凹凸的微結(jié)構(gòu)。因此在p型 半導(dǎo)體層33的上表面上形成透明電極層32時(shí)，透明電極層32的下表面也 具有多個(gè)凹凸的樣t結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明的該實(shí)施例，由于在透明電極層32的上和下表面上形成了 凹凸形的微結(jié)構(gòu)，所以改變了由透明電極層32入射到封裝材料(未顯示) 以及由p型半導(dǎo)體層33入射到透明電極層32的光線的角度，使得大部分光 的入射角'J、于全反射的臨界角，提高了發(fā)光二極管器件的外部光效率。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，凡依本發(fā)明權(quán)利要求所做的等同變 化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。
權(quán)利要求
1、一種發(fā)光二極管器件，包括基板；設(shè)置在基板上的n型半導(dǎo)體層；設(shè)置于部分的n型半導(dǎo)體層上的發(fā)光層；設(shè)置于發(fā)光層上的p型半導(dǎo)體層；設(shè)置于p型半導(dǎo)體層上的透明電極層；設(shè)置于透明電極層上的陽(yáng)極；以及設(shè)置于部分的n型半導(dǎo)體層上的陰極；其中該透明電極層的上表面具有多個(gè)凹凸形的微結(jié)構(gòu)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管器件，其中該透明電極的下表面 具有多個(gè)凹凸形的微結(jié)構(gòu)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管器件，其中該透明電極的厚度為 0.2微米至0.8微米。
4、 一種發(fā)光二極管器件，包括 基板；設(shè)置在基板上的n型半導(dǎo)體層；設(shè)置于部分的n型半導(dǎo)體層上的發(fā)光層；設(shè)置于發(fā)光層上的p型半導(dǎo)體層；設(shè)置于p型半導(dǎo)體層上的透明電極層；設(shè)置于透明電極層上的陽(yáng)極；以及設(shè)置于部分的n型半導(dǎo)體層上的陰極；其中形成有多個(gè)自該透明電極層貫穿至n形半導(dǎo)體層的孔。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的發(fā)光二極管器件，其中所述孔的間距為2至8 微米，孔的深度為1至2微米，且孔的直徑為0.2至4孩i米。
6、 一種發(fā)光二極管器件的制造方法，包括 在基板上依次沉積n型半導(dǎo)體層、發(fā)光層、p型半導(dǎo)體層； 在p型半導(dǎo)體層形成透明電極層；采用光刻暨蝕刻工藝構(gòu)圖透明電極層、p型半導(dǎo)體層、發(fā)光層和n型半 導(dǎo)體層，使得透明電極層、p型半導(dǎo)體層、發(fā)光層形成于部分的n型半導(dǎo)體層上；采用粗化蝕刻劑，通過(guò)濕法蝕刻在透明電極層上形成多個(gè)凹凸形的微結(jié)構(gòu)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述粗化蝕刻劑為包括硫酸、抑 制劑、表面活性劑和去離子水的混合酸性溶液。
8、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中在p型半導(dǎo)體層上形成透明電極 層之前，可以采用干法或濕法蝕刻工藝粗糙化p型半導(dǎo)體層的上表面，從而 在p型半導(dǎo)體層的上表面形成多個(gè)凹凸的微結(jié)構(gòu)。
9、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中該透明電極的厚度為0.2微米至 0.8孩沐。
10、 一種發(fā)光二極管器件的制造方法，包括 在基板上依次沉積n型半導(dǎo)體層、發(fā)光層、p型半導(dǎo)體層； 在p型半導(dǎo)體層上形成透明電極層；在透明電極層上涂布光刻膠，采用光刻工藝構(gòu)圖光刻膠，以在部分的透明 電極層上形成具有多個(gè)孔的光刻膠圖案；利用該光刻膠圖案作為蝕刻掩模，利用干法蝕刻來(lái)蝕刻透明電極層、p 型半導(dǎo)體層、發(fā)光層和n型半導(dǎo)體層，從而使得透明電極層、p型半導(dǎo)體層、 發(fā)光層形成于部分的n型半導(dǎo)體層上，并形成多個(gè)自透明電極層貫穿至n型 半導(dǎo)體層的孔；以及去除光刻膠掩模。
11、 根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中該干法蝕刻工藝為電感耦合式反應(yīng) 離子蝕刻。
12、 根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中所述孔的間距為2至8微米，孔的 深度為1至2微米，且孔的直徑為0.2至4微米。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種發(fā)光二極管器件及其制造方法。該發(fā)光二極管器件包括基板；設(shè)置在基板上的n型半導(dǎo)體層；設(shè)置于n型半導(dǎo)體層上的發(fā)光層；設(shè)置于發(fā)光層上的p型半導(dǎo)體層；和設(shè)置于p型半導(dǎo)體層上的透明電極層。其中該透明電極層的上表面具有多個(gè)凹凸形的微結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明，減少或避免了由于全反射造成的光損耗，提高了發(fā)光二極管的外部光效率。
文檔編號(hào)H01L33/22GK101257075SQ20081002679
公開(kāi)日2008年9月3日 申請(qǐng)日期2008年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月13日
發(fā)明者樊邦弘, 翁新川 申請(qǐng)人:鶴山麗得電子實(shí)業(yè)有限公司