TW200810161A - GaN based LED with improved light extraction efficiency and method for making the same - Google Patents

Description

200810161 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種發光元件及其製造方法；特別是有 關於一種可提尚光萃取率的發光元件及其製造方法。 【先前技術】 發光元件係一可將電能轉換成光的重要固態元件。這 些70件的改良已使它們在發光裝置的使用上可取代傳統的

白熾燈及螢光光源。這些發光元件明顯有較長的生命期， 在一些例子中，有明顯較高的電光轉換效率。 發光元件的價格及轉換效率係決定此一新技術取代傳 統光源及利用在高功率應用上的比率的重要因素。許多高 功率應用需要多個|光元件，卩達騎需要的功率強度。 單獨的發光元件僅限於幾瓦。此外，發光元件產生的光係 位士相當窄的光譜帶。對於應用上需要特定顏色光的光源 =δ，係結合不同光發射譜帶的若干發光元件的光。因此， 总合多個發光元件的許多光源的價格係單獨發光元件價格 的好幾倍。 ^在決定高功率發光元件的價格上單獨發光元件的轉換 f率係一重㈣素。在發光元件中未轉換成光的電能係轉 ，成熱，而升高該發光元件的溫度。散熱使得發光元件的 =作功率衫’m制。此外，發光元件必須安置在散熱結構 &，進一步增加光源的價格。因此，若可提高一發光元件 门轉換效率，單顆發光元件可提供的最大光量亦可提高， —而γ減y該光源所需要的發光元件數目。此外，該發光 作，袼亦反比於該轉換效率。故對於提高發光元 件轉換效率而言，有極大的進步空間。 5 200810161 發光70件產生的光譜帶通常與該發光元件的材質有 關。發光元件通常包括一半導體材質主動層介於其它層之 間。一發光1件可看做具有三層，其中主動層係介於其它 兩層之，。這些層係沈積在一基底例如藍寶石基底上。這 二層之母f通系包括若干副層（sub_layers)。最後的發光 兀件晶片係常以透明材質例如環氧樹脂(ep〇xy)包膠。為簡 化下，if論’係假定經由外層離開該發光元件的光係離該 基底最遠。此一外層於下述說明中係指頂層。 材料的改良已帶來該主動層產生的光效率的提高。然 而’該主動層產生的大部份光會被損失掉。該主動層產生 的光在離開該發光元件之前必須通過該頂層。因為該主動 層係朝各個方向發光’該主動層的發光係以相對於該頂層 及^巧材料之界面的法線方向為〇度至卯度之間的各個角 度技擊在該界面上。當光以大於一臨界角的角度撞擊在該 界面上，其係在該界面完全反射，而朝向該基底且同樣地 反射回到該發光元件内部，而被侷限在該發光元件内 4 ’直至撞擊在該發光元件端部或被該發光元件中的材料 吸收。就傳統在藍寶石基底上的氮化鎵發光元件而言，該 ，動層接近百分之七十的發光係被侷限在該藍寶石基底與 士化鎵外表面之間。大部份的光損失，而使得發光元件的 轉換效率變差。 古^已經有一些技術用來提高發光元件的光萃取率，以提 些元件的光轉換效率，其中該發光元件的頂面係從一 平滑^面轉變為一粗糙表面。該頂面的部份反射光將會以 ^於臨界角的角度回到該頂面而逃離該發光元件，而非再 一 射此一技術係將散射特徵結構（scattering feature structure)導入該發光元件頂面，係藉由蝕刻該頂面或沈積 6 200810161 該射散特徵結構於該頂面上或者成長非平坦(n〇n_planar) 的頂面來達成。但是成長非平坦頂面難以控制及重覆製 造。因此，若蝕刻製程在未使用微影光罩製程或其它昂貴 製造步驟下可以執行的話，蝕刻該頂面具有明顯優點。 為提供適當的粗糙表面，該蝕刻技術需要能夠製造出 與該發光元件產生的光波長相差不多的尺寸大小的特徵結 構。若該特徵結構相較於該光波長為小，則光將不會被該 特徵結構散射。因為該頂層厚度至多僅是該光波長的數波 長厚，該蝕刻技術必須移除該頂層的大部份。以氮化鎵製 • 造發光元件的例子而言，此種現象造成嚴重問題，因為該 谓層的外表面非常難以蝕刻。因此，將該表面曝露在一蝕 刻劑的蝕刻技術並無法以可以接受的製造費用提供所需要 的表面結構特徵。 【發明内容】 本發明包括一發光元件及其製造方法。該元件包括一 基底、一發光結構及一光散射層。該發光結構包括一主動 廣(active layer)位於一 P型氮化鎵層與一 n型氮化鎵層之 間，當分別來自該N型氮化鎵層及該p型氮化鎵層的電子 及電洞於該主動層結合時，該主動層會發出一預定波長之 光。一光散射層包含一氮化鎵結晶層，其特徵係具有一氮 晶格面(N-face)表面，該氮晶格面表面具有特徵結構係可散 射該預定波長之光，其中該發光結構係介於該氮晶格面表 面與該基底之間。本發明之一方面，該發光結構中之該N 梨氮化鎵層係介於該發光結構之該P型氮化鎵層與該基底 之間。本發明之另一方面，該光散射層包含一第一氮化鎵 層係捧雜有》辰度原子/母立方公分或更南之鎮原子。該 200810161 光散射層亦包括一第二氮化鎵層鄰接該第一氮化鎵層，該 第二氮化鎵層摻雜有濃度小於10如原子/每立方公分的鎂 原子。 【實施方式】 ，發明之優點參照第一圖可更易於瞭解。第一圖係習 知二氮化鎵發光元件簡化的截面示意圖。該發光元件2〇 係經由成長二層於一藍寶石基底24而製造出來。第一層 21係-N型氮化鎵材料。第二層係—p型氮化鎵層]。 第二層22係一主動層，當來自該等層21及23的電子與電 洞在，主動層結合時，該主動層發出光。承如上述，這些 層之母一層可包含複數層副層（sub—iayer)。這些副層的功能 係為業界熟知，非本發明核心技術，因此這些副層已從圖 式及下述說明中省略。 如上述，該層22產生的光係從各個角度發射出去。有 些光朝該層23的頂面25發射並以小於一臨界角的角度撞 擊該頂面25而經由該頂面25離開，如光線26所示。同樣 • 地，有些光係朝基底24發射並在反射至該頂面25之前先 經該基底底面反射。若此一光線以小於該臨界角的角度撞 擊該頂面25，此一光線亦可經由該頂面25離開，如光線 28所示。不幸地，該層22產生的大部份光係以大於該臨 界角的角度撞擊該頂面25，如光線27所示，而被侷限在 該頂面25與該表面29之間。此一光線不是在其行進過程 被吸收，就是經由該發光元件端部離開。實際上，大部份 被侷限的光係被吸收而損失掉。該發光元件2〇的發光致^ 因此變差〇 > ' 如上述’為提南該發光元件的光萃取率，一種已知 200810161

作法係改變頂面25以提供散射中心點（seatter centers)可使 撞擊該頂面25並反射回到該發光元件内部的光線任意改變 行進方向。現參照第二圖，係一具有粗糙表面以提高光萃 取率的發光元件簡化的截面示意圖。該發光元件2〇係以相 同於上述發光元件20製造方式，經由沈積層21_23於一基 底24上而製造出來。該層23的頂面31係經修飾以導入& 射中心點（scatter centers)於其上，散射中心點如32及33所 示。然而須了解的是該頂面31係由該等散射中心點覆蓋。 當光離開該層22撞擊該頂面31時，部份的光會以小=該 臨界角的角度撞擊該頂面31並且離開。其餘的光將會以= 干不同角度散射回到該層23並且從界面29朝向該頂面 反射回去，如光線34所示。當光線34撞擊在該頂面31的 散射中心點33時，該光線會被再次散射，而使得部份的光 經該頂面31離開，而部份的光被散射回來朝向該界面29。

若在光被吸收之前該等層21-23可部份反射光，即可明顯 馬光萃取率。 ' 如上述，理想上，在該層23以一般製程沈積之後，可 藉由餘刻該層23導入散射特徵。不幸地，當氮化鎵成長在 一藍寶石基底上以獲致該層23時，該層23的表面對於製 造粗糙表面採用的蝕刻製程有高抗性。因此，簡單的餘= 製程係不具經濟效益。 x 本發明的觀點係基於當該等氮化鎵層以傳統方法成長 在一藍寶石基底上時，曝露在該表面25的氮化録晶體表面 係該sa體的錄晶格面（Ga face)。在傳統製造方法中，氮晶寺夂 面(N-face)係鄰接該藍寶石基底及該鎵晶格面係曝露在 面25上。該鎵晶格面對於蝕刻有高抗性。若該氮晶格面^ 露在該表面25上，將可使用傳統蝕刻技術蝕刻該表面，^ 9 200810161 提供提#光萃取率所需要的粗糙表面。本發明之觀 於在該層23成長期間藉由改變沈積製程，以 ·等曰、: =而使得該頂*25曝露出該氮化鎵晶體 =刻該層以提供—粗糙表面，以提高該發光二: 第：Ξ ’係根據本發明一實施例之—發光元件的部 伤截面不思圖。一發光元件40藉由沈積層42-44於一該食 ，基底41而製造出來。層42係-N型氮化鎵層，ϋ 層44係一ρ型氮化鎵層’其中鎵晶;各面 L/ace姆路於界面47。氮晶格面被曝露的—P型礼化 ^糖層45細彡成錢層44上，射魏化鎵粗 的氮化鎵層而製造出來。高濃ΐ鎂摻:;導: =該f晶格面倒轉成該氮晶格面 斤示的粗糙表面。最後，-透明電極46 二'二' δΛ 面上，以提供電流擴散效果。該透明電 =較佳是一氧化銦錫_)層。實際上，一金屬= 明電極/6頂部，及一部份的前述堆疊層係被蝕 ==¾ ’以提供其它電極，以點亮該元件。 知技術L已從圖式中省略以簡化圖式。 相對:ϊίΐ::4中的氣化嫁’該高摻雜p型氮化鎵係 相對地為較差的導電體，相較於該層42的Ν型材料，亦 為Ϊ差的導ί體。因此’該高摻雜Ρ型氮化鎵材料 二二二地薄。第二圖所示之實施例中，經餘刻的該層 你ί鎂原子。在此例子中，該層厚度係基於考量 使該厚度敢薄化以降低跨越該層的壓降(v〇ltagedr〇p)與考 200810161 罝提供該層一足夠厚度以製造可有效散射主動層43產生 的餘刻特徵結構的一折衷結果。該散射特‘姓 具有—尺寸大小餘於社減43產生之光的波° 的:光波長在空氣中係在200至500;i米 1 )乾圍内。然而，該氮化鎵具有一非常高的拼 該散射特徵結構僅需在100至300毫微米範圍内，、#满栋 用於該發光元件的特定材料而定。據此，該層45 土、古 一最大厚度小於L5微米（/zm)。 乂土，、 參照第四圖，係根據本發明另一實施例的一發光元 其了】面之前的截面圖。發光元件50初始的“係相 门於弟二圖所示的該發光元件40的結構。在該ρ型層44 成長之後，一高濃度鎂原子摻雜的ρ型氮化鎵薄過^層 (transition iayer)51係使用上述之有機金屬化學氣相沈^ 方法成長於該P型層44上。該層厚度係僅足以使該晶^ 向位(crystal orientation)被倒轉’以使得該氮化鎵的 面被曝露出來。一具有傳統摻雜密度（即小於1〇2〇原子/每 立方公分)較厚的第二P型氮化鎵層52接著成長在該過渡 層51上。該層52之氮晶格面與該層51 一樣有相同向位 (orientation)。由於該層52有較低的鎂原子摻雜，因該層 52被蝕刻使得電阻增加導致的問題可被降低。參照第^ 圖，係該氮晶格面以氫氧化鉀(K0H)溶液蝕刻後及一透明 電極53已經沈積於該被蝕刻層的該發光元件5〇的一截面 圖。 在上述實施例中，具有一曝露的氮晶格面的p型氮化 叙層係經#刻，以提供該粗缝表面，以利於光從該發光元 件萃取出來。然而，一N型氮化鎵層被蝕刻以提供^種功 能的實施例亦可被製造出來。本發明上述實施例中，該發 11 200810161 光元件為三層元件，其中該主動層係介於一 p型層與一 N 型層之間。最終結構可看做是一 P小η二極體。如上述，該 Ρ型層引起諸如電流擴散、擴散及電阻抗的問題。該Ν型 層及Ρ型層可看做是消耗功率的電阻，並且此一被消耗的 功率無法產生光。高電阻抗層造成較低效率及高操作溫度。 一較複雜的發光元件設計係藉由使該Ρ型層最薄化以降 低=些問題。在此種元件中，外層皆為1^型層以提供較隹 的私流擴散效果。此種發光元件為已知，在此不再詳述。 一穿隧二極體接面(tu_l diode junction)係導入該發光元 件本體以&供一 P型層之一過渡層（atransiti〇n layer)。也就是，該發先元件具有一結構，其中該 接面係一反向偏壓穿隧二極體，及該p型層係相對地 薄。由於電流擴散功能係在該等^^型層達成，該p型層可 相當地薄，並且P型材料高阻抗伴隨的問題可明顯降低。 對於^確選？材料及摻f而言，該穿隧接面引人的損失係 大於，由提鬲電流擴散及降低元件電阻所帶來的補償。 麥照第六圖，係根據本發明另一實施例的一發光元件 的部份截面示意圖。發光元件6〇係使用如上述的一反向偏 ，穿隨接面，以提供該n.p+n結構。該發光元件6〇係藉 由如上述方法成長一 N型氮化鎵層62、一主動層幻及一 P型氮化鎵層64於-藍寶石基底61上而製造出來 成長-P型氮化鎵層65及-N型氮化鎵層66以形成二穿 随接面(tunnd junction)。該p型層係使用有機金屬化學氣 相沈積方法摻人濃㈣於或大於1()20原子/每立方公 鎂原子。該層係成長至一足夠厚度以倒轉 (^stal 〇=ntatlon)，以使得該氮晶格面在接面67被曝露 出來。之後，成長-N型氮化鎵層66以提供—穿隨接面。 12 200810161 此層係摻雜石夕原子至一密度1019原子/每立方公分或更 高。最後，一較厚的N型層68係成長在該層66上。最後， 一較厚N型層68係成長在層66上。如上述，一旦該晶格 向位(the crystal orientation)被倒轉(flip)，該晶格向位即呈 保持狀態。因此，該等層66及68係以其等N晶格面朝上 成長出來。該層68的上表面可使用氫氧化鈉(Na〇H)蝕刻， 以提供提高光萃取率所需要的粗糙表面。然後，一透明電 極69以上述方法沈積在該粗糙表面上。

在上述實施例中，光係從該發光元件頂部粗縫表面萃 取出來。然而，光經由藍寶石基底萃取出來的實施例亦可 製造出來。在此種實施例中，如上述在該發光元件頂面的 透明電極係以一反射材料代替，其可供做一電極及一鏡面 使用。 在本發明上述實施例中，該發光元件之該1^型層係首 先成長在該基底上。此種結構優於該p型層首先成長接著 成長該主動層及該N型層所得到的結構。較佳的結構提供 較佳的電流擴散及避免因P型摻質擴散伴隨的問題。缺 而，在這些問題被克服或不重要情況下，該p型層首先成 長的實施例亦可被製造出來。參照第七圖，係根據本發明 另一實施例的一發光元件部份截面圖。發光元件7〇係使用 如上述p型首先成長的結構(P_typeflrstc〇nfigurati㈣。因 為引起該晶格向位㈣stal GdentatiGn)顺(flip)的該氮化 鎵層具有高濃度鎂原子摻雜，其本質上為？型，該層係首 光元件7G上°特別地，在任何緩衝^如層 ^長在基底71上後…高濃度鎂原子摻雜氮化錄層78 曰：i二ί夠厚度’以引起該晶格向位倒轉，而使得該氮 曰曰格面(N-face)係在該層78的表面81上。然後，成長傳統 13 200810161 的P型層72、主動層73及N型層74。如上述，一旦晶格 向位已經被倒轉，即維持新的晶格向位。因此，該層74 的頂面具有被曝露出來的氮化鎵氮晶格面。此一表面係以 上述方法被蝕刻以產生該散射特徵結構(scattering features) 76。之後，一電極79係沈積在該蝕刻表面上。該電極79 可以是不透光或透光，係視光萃取的表面而定。 上述圖式僅顯示本發明各種實施例的發光元件的一部 份，以簡化圖式與討論。在實際上，上述圖式中所示的多 _ 層結構係被蝕刻，以曝露該主動層下方的該N型層（或第 七圖所示的P型層）。然後，一電極係製作在經由蝕刻製 程形成的平臺(mesa)上，如第八圖所示，其係第三圖所示 的該發光元件的平臺被蝕刻出來及已經沈積電極85的該 發光元件截面圖。 本發明上述實施例使用氮化鎵層。然而，本發明亦可 應用至以氮化鎵銦銘（InAlGaN)系統中任何合金製造的元 件。”氮化鎵(GaN)，，此一用語係指包含在一此系統中的任何 合金。 • 上述實施例係仰賴於蝕刻該氮化鎵被曝露的氮晶格 面。因此，此一表面係具反應性，可使用傳統酸蝕刻方法， 例如麟酸(phosphoric acid)。該表面亦可使用氫氧化鉀 (ΚΌΙί)以光電化學餘亥ij 方法(photoelectrochemical etching) 餘刻。 根據上述說明及所附圖式，熟悉該項技藝人士可易於 明瞭本發明的各種修飾。據此，本發明僅受限於下述申請 專利範圍涵蓋的範圍。 200810161 【圈式簡單說明】 第一圖係一習知氮化鎵發光元件簡化的截面圖。 第二圖係使用一粗糙表面以提高光萃取率的一發光 元件簡化的截面圖。 第三圖係根據本發明一實施例的一發光元件的部份 截面圖。 第四圖係根據本發明另一實施例的一發光元件在蝕 刻其頂面之前的截面圖。 第五圖係一氮晶格面已經被蝕刻及一透明電極53已 經沈積於該被蝕刻層的一發光元件的截面圖。 第六圖係根據本發明另一實施例的一發光元件的部 份截面圖。 第七圖係根據本發明另一實施例的一發光元件的部 份截面圖。 第八圖係第三圖所示的該發光元件的一平臺被蝕刻 出來及已經沈積電極85的該發光元件截面圖。 【主要元件符號對照說明】 2〇-_-_發光元件 22…_第三層 24—藍寶石基底 26、27、28-…光線 30…-發光元件 32、33散射中心點 40…-發光元件 42…-N型氮化鎵層 44…-P型氮化鎵層 21——第一層 23——P型氮化鎵層 25-—頂面 29—表面 31----頂面 34—光線 41 —藍寶石基底 43-…主動層 45…-P型氮化鎵粗糙層 15 47--—邊界 51…-過渡層 53----透明電極 61 —監寶石基底 63—^主動層 65—P型氣化錄層 67—接面 69—透明電極 71----基底 73—主動層 76—散射特徵結構 79—電極 85—^電極

200810161 46-…透明電極 50--發光元件 52——第二P型氮化鎵層 60-…發光元件 62——N型氮化鎵層 64—--P型氮化鎵層 66-—- N型氮化鎵層 68— N型層 7〇…-發光元件 72…-P型層 74——1S[型層 78 —南濃度鎮原子推雜氣化嫁層 81—表面

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Claims (1)

1. 200810161 十、申請專利範圍： 1. 一種元件，其包括： 一基底； 一發光結構’包含一主動層係介於一P型氮化蘇層與 一N型氮化鎵層之間，當分別來自該N型氮化鎵層及該P 型氮化鎵層的電子及電洞於該主動層結合時，該主動層會 發出一預定波長之光；及 一光散射層，包含一氮化鎵結晶層其特徵係具有一氮 晶格面(N-face)表面’該氮晶格面表面具有特徵結構係可散 ® 射該預定波長之光，其中該發光結構係介於該氮晶格面表 面與該基底之間。 2. 如申請專利範圍第1項所述之元件，其中該氮晶格 面表面的前述特徵結構大小係大於該散射層中該預定波 長。 3. 如申請專利範圍第1項所述之元件，其中在該發光 結構中的該N型氮化鎵層係介於該發光結構中的該P型氮 化鎵層與該基底之間。 4. 如申請專利範圍第1項所述之元件，其中該光散射 層包含一第一氮化鎵層係摻雜有濃度l〇2G原子/每立方公 分或更高之鎂原子。 5. 如申請專利範圍第4項所述之元件，其中該光散射 層包含一第二氮化鎵層鄰接該第一氮化鎵層，該第二氮化 鎵層摻雜有濃度小於l〇2G原子/每立方公分的鎂原子。 17 200810161 面表===:=:元件，_格 層包項職之轉，其巾該光散射 層包r/lt圍第3項所述之元件，其中該光散射 9.一種發光元件之製造方法，其包括· 製造-發光結構於-基板上，該發光結構包含一主動 層介於- P型氮化鎵層與-N型氮化鎵層之間，當分別來 自該N型氮化鎵層及該P魏化鎵層的電子及電洞於該主 動層結合時’該主動層會發出-預定波長之光，該發光結 構曝露出位於其-被曝露表面上的該氮化鎵的—嫁晶格面 (Ga-face); ⑩ 沈積一氣化鎵過渡結構於該被曝露表面上，該過渡結 構具有一被曝露的氮晶格面(N-surface)於其一被曝露表面 上；及 餘刻該被曝露的氣晶格面’以形成特徵結構係可散射 該預定波長之光。 10·如申請專利範圍第9項所述之發光元件之製造方 法，其中該過渡結構之該被曝i备的氮晶格面係以氫氧化鈉 (NaOH)蝕刻。 18 200810161 11·如申請專利範圍第9項所述之發光元件之製造方 法’其中該過渡結構包含一氮化鎵層係摻雜濃度大於或相 等於102G原子/每立方公分的鎂原子。 、12·如申請專利範圍第9項所述之發光元件之製造方 法，其中該過渡結構之該被曝露的氮晶格面包含氮化錄， 係摻雜濃度小於102G原子/每立方公分的鎂原子。

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