专利名称：发光二极管的制作方法
技术领域：
本发明是有关于一种发光二极管(Light Emitting Diode；LED)结构，特别是有关于可提升亮度的发光二极管结构。
图1所示为已知磷化铝镓铟(AlGaInP)发光二极管的结构剖面图。请参照图1，一般磷化铝镓铟发光二极管是以有机金属化学气相沉积(MOCVDMetal Organic Chemical Vapor Deposition)的方式于以n型砷化镓所构成的基板10上形成一磊晶结构，此磊晶结构可依序包括以n型磷化铝镓铟所构成的局限层(Confining Layer)14、以磷化铝镓铟所构成的活性层(Active Layer)16(又称中心发光层层)、以及以p型磷化铝镓铟所构成的局限层18。随后，再利用蒸镀法于基板10背面形成电极30，并在局限层18上形成电极32，即完成一般磷化铝镓铟发光二极管元件的制作。另外，为了提高正面整体的发光强度，通常会在局限层14下方加上布拉格反射镜(Distributed Bragg Reflector)12，如此可使原本遭基板10吸收的光子反射回正面再输出。
磷化铝镓铟为一直接能隙材料，适当调整铟与铝镓(In/(Al+Ga))的比例，可使其与砷化镓(GaAs)基板的晶格常数匹配。再经过铝与镓的比例调整，可使发光波长介于550nm(绿光)与680nm(红光)之间。由于磷化铝镓铟材料在元件磊晶上的调整相当简易，可轻易以线性的方式得到欲发光的波长，故非常适用于制造可见光区的发光元件。由于加大铝的含量可以增大材料的能隙，故一般会以铝含量高的磷化铝镓铟做为局限层14与局限层18的材料，来局限掉落到活性层16的载子，以提高载子的注入效率与幅射复合效率，而此即已知具高发光效率的双异质结构(Double Hetero structure)的发光二极管。其中，上方的局限层18由于能隙较发出光子能量大，不会吸收活性层16发出的光。
在成长局限层18的p型磷化铝镓铟材料时，往往不容易获得高移动率特性，其载子浓度又不易提高，这使得材料的电阻是数偏高(至约0.5Ω-cm)，以至于横向电流无法有效地分散到整个晶粒上。并且，由于载子大部份仅注入于电极32的正下方，所以其他位置的活性层16便无法获得足够载子进行复合发光。此外，此种电流拥挤现象(CurrentCrowding)会造成大部分产生的光被不透光的电极32遮蔽，而使得大部分的光子反射回半导体本体(Bulk)或被吸光的基板10吸收。为了解决此种缺点，已知技术发展出几种方法，来改善发光二极管的发光效率。
图2所绘示为另一已知磷化铝镓铟发光二极管的结构剖面图。请参照图2，此结构是在图1结构中的p型磷化铝镓铟之局限层18与电极32间，多加入一电流分散层(Current-Spreading Layer)20。此电流分散层20除了对活性层16发出的光具极佳的穿透性外，更重要的是它比磷化铝镓铟可掺杂较高的浓度，且具较高的移动率。因此，电流分散层20具有较低的电阻是数，可使整个晶粒获得较均匀的电流。目前一般电流分散层20所采用的材料以砷化铝镓(AlGaAs)与磷化镓(GaP)为主。但以上述材料所构成的电流分散层20为了能使电流均匀扩散，一般的厚度需求为数十微米。对于低成长速率的有机金属化学气相沉积法而言，不但极耗原料，时间成本的支出亦相当可观。
图3所绘示为再一已知磷化铝镓铟发光二极管的结构剖面图。请参照图3，为减少图2结构的电流分散层20的厚度且又能维持足够的电流分散能力，已知技术中引入透光导电氧化电极层24以取代既有的图2的电流分散层20。构成此透光导电氧化电极层24的氧化物不但具有极低的电阻是数(至约3×10-4Ω-cm)，可有效的将电流分散于整个晶粒，进而提高发光二极管的发光效率，并且更具有良好的光穿透性。一般构成此透光导电氧化电极层24的适当材料有氧化铟(Indium Oxide)、氧化锡(Tin Oxide)及氧化铟锡(Indium Tin Oxide)。为了使此透光导电氧化电极层24与构成磊晶结构的半导体材料间形成良好的欧姆接触，并且增加此透光导电氧化电极层24于半导体材料上的附著力，一般会在形成此透光导电氧化电极层24之前，先成长一层高掺杂的p型欧姆接触层22。此p型欧姆接触层22的厚度需大于500，浓度需大于1018cm-3，一般可构成此p型欧姆接触层22的材料有砷化镓(GaAs)、磷化镓(GaP)，或是磷砷化镓(GaAsP)等晶格常数相差不大且窄能隙的材料。上述透光导电氧化电极层24不但大大改善电流拥挤的现象，亦使发光二极管的串连电阻减小，有效的改善元件的可靠度。
图4所绘示为各种不同半导体材料的光学特性曲线图。请参照图4，若采用砷化镓做为图3结构中p型欧姆接触层22的材料，则当主动区的发光波长比870nm短时，砷化镓材料的光吸收是数遽增，会使磷化铝镓铟二极管(波长介于550nm至680nm之间)的光输出强度大幅衰减。另外，若采用磷化镓或是磷砷化镓做为图3结构中p型欧姆接触层22的材料时，虽然此二项材料的能隙较砷化镓大，主动区被吸收的光子量较少，但其杂质活化不易，p型浓度往往不高，会使得透光导电氧化电极层24与p型欧姆接触层22不易形成良好的欧姆接触，而使得元件的顺向电压大大提高，元件应用因而受限。
根据以上所述的目的，本发明发光二极管包括一基板，此基板之一侧具有一第一电极，另一侧具有一布拉格反射镜；一第一型局限层位于布拉格反射镜上；一活性层位于第一型局限层上；一第二型局限层位于活性层上；一电流分散层位于第二型局限层上；一III-V族氧化电极接触层位于电流分散层上；一透光导电氧化电极层位于III-V族氧化电极接触层上；以及，一第二电极位于透光导电氧化电极层上。本发明高亮度发光二极管中，上述之III-V族氧化电极接触层可为由磷化镓铟(InxGa1-xP)材料所构成之一欧姆接触层，或者，III-V族氧化电极接触层可为具一高掺杂浓度之一短周期超晶格薄层所构成。另外，若要再增加发光二极管的光输出强度，则可对上述之III-V族氧化电极接触层进行蚀刻步骤，使III-V族氧化电极接触层具有例如网状或柱状的图形，以暴露出电流分散层的部份表面。
本发明高亮度发光二极管，利用磷化铟镓之欧姆接触层或短周期超晶格结构，经适当调整其中铟成分的组成，甚至可达完全透光的状态，另外，更可利用选择性蚀刻，减少吸光面积，使发光二极管的亮度再一次提升。利用本发明高亮度发光二极管，具有应用范围广泛与更符合市场需求的优点。
本发明就发光二极管的制造流程来说明其结构，请参照图5，图5所绘示为本发明发光二极管的结构剖面图。首先，提供例如以n型砷化镓所构成的基板50，再以例如有机金属化学气相沉积的方式于基板50上形成发光二极管所需的磊晶结构。举例来说，可依序于基板50上形成一布拉格反射镜52、例如以n型磷化铝镓铟所构成的局限层54、例如以磷化铝镓铟所构成之活性层56、例如以p型磷化铝镓铟所构成的局限层58、与例如以磷化镓或砷化铝镓所构成的电流分散层60。其中，上述的活性层56的材质可以是比局限层54及局限层58能隙小，并形成双异质的单层结构、或单一量子井(Quantum Well)结构、与多重量子井结构。
接着，本发明在电流分散层60上沈积一层III-V族氧化电极接触层62，以做为后续形成的透光导电氧化电极层66的接触层。在本发明一实施例中，上述的III-V族氧化电极接触层62是为以磷化铟镓(InGaP)材料所构成的欧姆接触层，其中较佳的磷化铟镓具有达到1018cm-3以上的P型掺杂浓度，则可与透光导电氧化电极层66形成不错的导电介面，而最佳的p型掺杂浓度则为1019cm-3以上。或者，在本发明另一实施例中，利用短周期超晶格薄层来构成上述的III-V族氧化电极接触层62，而短周期超晶格薄层的材质可选自于具有n型掺杂或p型掺杂的磷化镓、磷化镓铟、磷化铝镓铟、或砷化铝镓等材料，例如n+-InGaP/GaP短周期超晶格或p+-InGaP/AlGaAs短周期超晶格等皆属于本发明的范围，其中以具高掺杂浓度的N型短周期超晶格薄层为较佳结构。但重点是上述短周期超晶格薄层皆须具有达到1E18cm-3以上的高掺杂浓度，使得载子经后续形成的透光导电氧化电极层66后，可以穿透(Tunneling)的方式通过以短周期超晶格薄层构成之III-V族氧化电极接触层62至具有p型掺杂的电流分散层60。
接着，在上述III-V族氧化电极接触层62上形成透光导电氧化电极层66，再蒸镀发光二极管元件正面的电极72、以及背面的电极70后，即完成元件的制作。其中，上述的透光导电氧化电极层66的材质可选自于氧化铟锡、氧化铟、氧化锡、或氧化镉锡等。除此之外，由于氮化钛(TiN)材料亦具不错的导电及透光性，亦适用于本发明的应用中，以取代已知的透光导电氧化电极层。以上两种III-V族氧化电极接触层62的选择，无论磷化镓铟的欧姆接触层、或具高掺杂浓度的短周期超晶格薄层，经适当调整其中铟成分的组成，可使磷化铟镓吸光量减小且p型浓度大幅提高。因此，可提高发光二极管的亮度并减小其顺向电压降。
另外，本发明为了使发光二极管的光输出强度更大，在本发明另一较佳实施例中，是在形成上述III-V族氧化电极接触层62后，更进行选择性的蚀刻步骤，使III-V族氧化电极接触层62具一图案，以暴露出电流分散层60的部分表面。例如图6中，III-V族氧化电极接触层62经蚀刻步骤后形成网状图案，而暴露出部分的电流分散层60；另外，图7中，III-V族氧化电极接触层62经蚀刻步骤后形成数个柱状物，如此可暴露出更多的电流分散层60表面，其中此柱状物例如为圆柱体。因此，本发明此一较佳实施例中，可有效的减少以欧姆接触层或短周期超晶格薄层所构成之III-V族氧化电极接触层62的面积，使吸光的部份变小，进而提高发光二极管的亮度。值得注意的是，上述III-V族氧化电极接触层62经蚀刻步骤后所形成图案仅为举例，其他形状的网状、柱状结构，或任何有利电流分布及透光面积增加的形状皆可使用于本发明中，本发明不限于此。
本发明提出以磷化铟镓(InxGa1-xP)材料取代已知砷化镓材料当作欧姆接触层的方式，适当调整x的比例可大幅减小光吸收是数，甚至对波长介于550nm至680nm之间的发光二极管而言，可达完全透光的状态。此一实施例中，磷化铟镓欧姆接触层的较佳厚度为约500。另外，本发明更揭露以短周期超晶格的薄层构成良好的氧化电极接触层，如n+-InGaP/GaP(10/10)5个周期的超晶格结构等，经材料组成及掺杂浓度的适当调整，此短周期超晶格薄层的总厚度在小于100下，即可有相当良好的光输出效果。再者，本发明对于仍具些微吸光影响的磷化铟镓欧姆接触层或短周期超晶格薄层，在不影响接触电阻及顺向电压的情况下，可对磷化铟镓欧姆接触层或短周期超晶格薄层作适当的移除，使吸光的面积减少，进而提高发光二极管的光输出强度。
本发明所提供的高亮度发光二极管，因较已知发光二极管具有较佳的亮度，因此元件应用范围更加广泛，更适应市场需求。
如熟悉此技术的人员所了解的，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用以限定本发明的申请专利范围；凡其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在下述的申请专利范围内。
权利要求
1.一种发光二极管，其特征在于，至少包括一基板，该基板的一侧具有一第一电极，且该基板的另一侧具有一布拉格反射镜；一第一局限层位于该布拉格反射镜上；一活性层位于该第一局限层上；一第二局限层位于该活性层上；一电流分散层位于该第二局限层上；一欧姆接触层位于该电流分散层上，其中，该欧姆接触层实质上是由一磷化镓铟材料所构成；一透光导电氧化电极层位于该欧姆接触层上；以及一第二电极位于该透光导电氧化电极层上。
2.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，其中上述的欧姆接触层是具有大于约1018cm-3以上的一p型掺杂浓度。
3.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，其中上述的欧姆接触层具有一图案，以暴露出该电流分散层的一部份表面。
4.如权利要求3所述的发光二极管，其特征在于，其中上述的图案是可选自于网状、与柱状等可减少该欧姆接触层的面积的形状所组成的一族群。
5.一种发光二极管，其特征在于，至少包括一基板，该基板的一侧具有一第一电极，且该基板的另一侧具有一布拉格反射镜；一第一局限层位于该布拉格反射镜上；一活性层位于该第一局限层上；一第二局限层位于该活性层上；一电流分散层位于该第二局限层上；一短周期超晶格薄层位于该电流分散层上，其中该短周期超晶格薄层具有一高掺杂浓度；一透光导电氧化电极层位于该短周期超晶格薄层上；以及一第二电极位于该透光导电氧化电极层上。
6.如权利要求5所述的发光二极管，其特征在于，其中上述的短周期超晶格薄层之材质是可选自于由磷化铝镓铟材料与砷化铝镓材料所组成的一族群，且该短周期超晶格薄层是可由n型掺杂或p型掺杂二者择一，其中该短周期超晶格薄层的该高掺杂浓度大于约1018cm-3以上。
7.如权利要求5所述的发光二极管，其特征在于，其中上述的短周期超晶格薄层具有一图案，以暴露出该电流分散层的一部份表面。
8.如权利要求7所述的发光二极管，其特征在于，其中上述的图案是可选自于一网状与复数个柱状物所组成的一族群。
9.一种发光二极管，其特征在于，至少包括一基板，该基板的一侧具有一第一电极，且该基板之另一侧具有一布拉格反射镜；一第一局限层位于该布拉格反射镜上；一活性层位于该第一局限层上；一第二局限层位于该活性层上；一电流分散层位于该第二局限层上；一III-V族氧化电极接触层位于该电流分散层上，且该III-V族氧化电极接触层是由复数个柱状物所构成，其中，该III-V族氧化电极接触层并暴露出该电流分散层的一部份表面；一透光导电氧化电极层位于该III-V族氧化电极接触层上；以及一第二电极位于该透光导电氧化电极层上。
10.如权利要求9所述的发光二极管，其特征在于，其中上述的III-V族氧化电极接触层是为一欧姆接触层，且该欧姆接触层实质上是由一磷化镓铟材料所构成，并具有大于约1018cm-3以上的一p型掺杂浓度。
11.如权利要求9所述的发光二极管，其特征在于，其中上述的III-V族氧化电极接触层是为具有一高掺杂浓度的一短周期超晶格薄层，该短周期超晶格薄层的材质是可选自于由磷化铝镓铟材料与砷化铝镓材料所组成的一族群，且该短周期超晶格薄层是可由n型掺杂或p型掺杂二者择一，其中该高掺杂浓度大于约1018cm-3以上。
12.如权利要求9所述的发光二极管，其特征在于，其中上述的柱状物是为圆柱体。
全文摘要
一种高亮度发光二极管，本发明是揭露利用p型磷化镓铟欧姆接触层，或具有10
文档编号H01L33/00GK1437271SQ0210319
公开日2003年8月20日 申请日期2002年2月4日 优先权日2002年2月4日
发明者陈锡铭, 汪信全 申请人:联铨科技股份有限公司, 陈锡铭