專利名稱：具有提升取光效率的Ⅲ族氮化物基發(fā)光裝置及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有提升取光效率的發(fā)光裝置，尤其涉及一種在外延生長(zhǎng)(印itaxial growth)過(guò)程中部分粗化的III族氮化物基發(fā)光裝置，如氮化鎵(GaN)發(fā)光裝置。
背景技術(shù)：
III族氮化物基半導(dǎo)體為直接躍遷(direct-transition)型半導(dǎo)體，當(dāng)使用于發(fā)光二極管(Light emitting Diodes, LEDs)和激光二極管(Laser-Diodes，LDs)等發(fā)光裝置時(shí)，具有從UV到紅光廣波段的發(fā)射光譜。當(dāng)發(fā)光裝置具有較高外部量子效率時(shí)(抽取出的光子數(shù)目/注入的載子數(shù))，其功率消耗較少。外部量子效率可通過(guò)增加取光效率(抽取出的光子數(shù)/發(fā)射出的光子數(shù))或內(nèi)部量子效率(發(fā)射出的光子數(shù)/注入的載子數(shù))來(lái)提升。內(nèi)部量子效率的增加表示轉(zhuǎn)換自發(fā)光組件電力的熱能減少。因此，內(nèi)部量子效率的增加不僅降低功率消耗，同時(shí)抑制了因加熱而導(dǎo)致可靠性降低的情形。LED的取光效率可通過(guò)生成下部局限層或?qū)⒅蚓€在透明基板上來(lái)加以改善，而不是吸光基板上。LED能帶(energy gap)相當(dāng)于或小于發(fā)光層的任一層，會(huì)減低透明基板 LED的取光效率。由于活性層(active layer)，亦稱發(fā)光層，發(fā)射的部分光線在出光至LED 前穿越吸光層。這些吸光層能縮減穿越差排的數(shù)目或發(fā)光層的其它缺點(diǎn)，或用來(lái)簡(jiǎn)化LED 制程。另一個(gè)作用是減少異質(zhì)接口的能帶偏移，而降低施于接點(diǎn)的電壓，以將特定電流導(dǎo)向二極管。由于吸光層吸收波長(zhǎng)較短的光的效率比吸收波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光來(lái)得好，所以發(fā)射波長(zhǎng)為590nm的LED所遭受的性能影響大于發(fā)射波長(zhǎng)640nm的LED，系因這些吸收層存在的緣故。改善LED取光效率的另一途徑為粗化發(fā)光二極管。圖1示出了傳統(tǒng)發(fā)光二極管。 當(dāng)電流施于P接點(diǎn)與η接點(diǎn)時(shí)，光束自多重量子阱(multiple quantum well, MQff)發(fā)射。 如此向上的光束可被利用。為增加發(fā)光二極管的取光，在整個(gè)發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)制造后來(lái)粗化發(fā)光二極管的上表面(其上形成有P接點(diǎn)及η接點(diǎn))。粗化處理改變發(fā)射自發(fā)光二極管上表面光束的出光角度，以達(dá)到提升取光的效果。然而，向下發(fā)射的光束無(wú)法被利用，并會(huì)由MQW的下的吸收層所吸收。圖2示出了使用圖案化藍(lán)寶石基板的另一解決方法。圖案化藍(lán)寶石基板可使更多光束自發(fā)光二極管釋出。然而，此方法尚有缺點(diǎn)。舉例來(lái)說(shuō)，部分光束在發(fā)射至基板前就會(huì)被吸收，因此無(wú)法有效提升取光效率。除了利用粗化等手段外，通常亦采用發(fā)光二極管一側(cè)的反射器，如布拉格反射器 (Bragg reflector)。圖3示出了美國(guó)第6，643，304號(hào)專利，布拉格反射器由不同折射指數(shù)的交錯(cuò)材質(zhì)層所組成。窗層(window layer)位于發(fā)光二極管的頂部，布拉格反射器(Bragg reflector)則形成于底部。實(shí)際上，布拉格反射器用以反射光來(lái)增加取光效率相當(dāng)管用。 然布拉格反射器制程繁復(fù)，難以降低具有布拉格反射器層的發(fā)光二極管的生產(chǎn)成本。無(wú)論是使用圖案化藍(lán)寶石基板或布拉格反射器層，均可增加有效光束。然而，在光束到達(dá)發(fā)光二極管頂層或布拉格反射器層之前，部分光束仍會(huì)被吸收層所吸收。如上述問(wèn)題可獲得解決，則可大幅改善取光效率。

發(fā)明內(nèi)容
由于先前技藝受限于上述問(wèn)題。本發(fā)明的目的為提供一種具有提升取光效率的III 族氮化物基發(fā)光裝置及其制造方法。根據(jù)本發(fā)明的一觀點(diǎn)，提升III族氮化物基發(fā)光裝置的取光效率的方法，包括以下步驟a)提供基板；b)在基板上形成未摻雜的III族氮化物基層；c)粗化未摻雜的III族氮化物基層；d)在未摻雜的III族氮化物基層上依序生成η型III族氮化物基披覆層、活性區(qū)、P型 III族氮化物基披覆層；以及e)分別在P型III族氮化物基披覆層和η型III族氮化物基披覆層上提供P接點(diǎn)和η接點(diǎn)。其中數(shù)個(gè)間隙(gap)形成于未摻雜的III族氮化物基層與η型III族氮化物基披覆層之間。根據(jù)本發(fā)明的另一構(gòu)想，提升III族氮化物基發(fā)光裝置取光效率的方法步驟如下 a)提供基板；b)在基板上形成第一未摻雜的III族氮化物基層；c)粗化第一未摻雜的III族氮化物基層；d)在第一未摻雜的III族氮化物基層上依序生成第二未摻雜的III族氮化物基層、 η型III族氮化物基披覆層、活性區(qū)、和ρ型III族氮化物基披覆層；以及e)分別在ρ型III族氮化物基披覆層和η型III族氮化物基披覆層上提供ρ接點(diǎn)和η接點(diǎn)。數(shù)個(gè)間隙形成于第一未摻雜的III族氮化物基層與第二未摻雜的III族氮化物基披覆層之間。根據(jù)本發(fā)明又一觀點(diǎn)，提升III族氮化物基發(fā)光裝置的取光效率的方法，包括以下步驟a)提供基板；b)在基板上形成未摻雜的III族氮化物基層；c)在未摻雜的III族氮化物基層形成第一 η型III族氮化物基披覆層；d)粗化第一 η型III族氮化物基披覆層；e)在第一 η型III族氮化物基披覆層上依序生成第二 η型III族氮化物基披覆層、活性區(qū)、ρ型III族氮化物基披覆層；以及e)分別在ρ型III族氮化物基披覆層和第二 η型III族氮化物基披覆層上提供P接點(diǎn)與η接點(diǎn)。數(shù)個(gè)間隙形成于第一 η型III族氮化物基披覆層與第二 η型III族氮化物基披覆層之間。根據(jù)本發(fā)明構(gòu)想，基板為藍(lán)寶石基板、碳化硅(silicon carbide)基板、氮化鎵 (GaN)基板、氧化鋅(SiO)基板或砷化鎵(GaAs)基板。根據(jù)本發(fā)明構(gòu)想，粗化處理通過(guò)干法蝕刻或濕法蝕刻來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明構(gòu)想，干蝕刻為反應(yīng)離子蝕刻(reactive ion etching)、感應(yīng)耦合等離子體蝕刻(inductively coupled plasma etching)或高密度等離子體蝕刻(high density plasma etching)。本發(fā)明的目的是為提出一種具有提升取光效率的III族氮化物基發(fā)光裝置，包括基板；具有粗化表面的未摻雜的III族氮化物基層，形成于基板上；11型111族氮化物基披覆層、 活性區(qū)、與P型III族氮化物基披覆層，依序生成于未摻雜的III族氮化物基層上；以及ρ接點(diǎn)和η接點(diǎn)，分別設(shè)置于ρ型III族氮化物基披覆層和η型III族氮化物基披覆層上。數(shù)個(gè)間隙形成于未摻雜的III族氮化物基層和η型III族氮化物基披覆層之間。本發(fā)明的另一目的為提出一種具有提升取光效率的III族氮化物基發(fā)光裝置，包括基板；具有粗化表面的第一未摻雜的III族氮化物基層，形成于基板上；第二未摻雜的III 族氮化物基層、η型III族氮化物基披覆層、活性區(qū)、和P型III族氮化物基披覆層，依序生成于第一未摻雜的III族氮化物基層上；以及ρ接點(diǎn)和η接點(diǎn)，分別設(shè)置于ρ型III族氮化物基披覆層和η型III族氮化物基披覆層上。數(shù)個(gè)間隙形成于第一未摻雜的III族氮化物基層和第二未摻雜的III族氮化物基披覆層之間。本發(fā)明的又一目的為提出一種具有提升取光效率的III族氮化物基發(fā)光裝置，包括基板；形成于基板上的未摻雜的III族氮化物基層；具有粗化表面的第一η型III族氮化物基披覆層，形成于未摻雜的III族氮化物基層上；第二 η型III族氮化物基披覆層、活性區(qū)、ρ型 III族氮化物基披覆層，依序生成于第一 η型III族氮化物基披覆層上；以及ρ接點(diǎn)和η接點(diǎn)， 分別設(shè)置于P型III族氮化物基披覆層和第二 η型III族氮化物基披覆層上。數(shù)個(gè)間隙形成于第一 η型III族氮化物基披覆層和第二 η型III族氮化物基披覆層之間。根據(jù)本發(fā)明構(gòu)想，基板為藍(lán)寶石基板、碳化硅基板、氮化鎵基板、氧化鋅基板、或砷化鎵基板。


圖1示出了習(xí)知技藝的具有粗化上表面的發(fā)光裝置。圖2示出了習(xí)知技藝的具有粗化基板的發(fā)光裝置。圖3示出了習(xí)知技藝的具有布拉格反射器(Bragg reflector)層來(lái)反射光束的發(fā)光裝置。圖4示出了本發(fā)明的發(fā)光裝置的第一實(shí)施例。圖5示出了第一實(shí)施例的光束如何反射。圖6示出了本發(fā)明第二實(shí)施例的發(fā)光裝置。附圖標(biāo)記說(shuō)明_發(fā)光二極管10 ；基板101 ；U-GaN層102 ；間隙103 ；n-GaN層104 ； 活性區(qū)105 ；p-GaN層106 ；ρ接點(diǎn)107 ；η接點(diǎn)108 ；發(fā)光二極管20 ；基板201 ；第一 U-GaN層 202 ；間隙 203 ；第二 U-GaN 層 204 ；η-GaN 層 205 ；活性區(qū) 206 ；ρ-GaN 層 207 ；ρ 接點(diǎn) 208 ；η 接點(diǎn) 209。
具體實(shí)施例方式體現(xiàn)本發(fā)明特征與優(yōu)點(diǎn)的兩個(gè)實(shí)施例將在后段的說(shuō)明中詳細(xì)敘述。本發(fā)明能夠在不同的態(tài)樣上具有各種的變化，皆不脫離本發(fā)明的范圍，且其中的說(shuō)明及圖式在本質(zhì)上當(dāng)作說(shuō)明之用，而非用以限制本發(fā)明。第一實(shí)施例圖4示出了本發(fā)明的第一實(shí)施例。發(fā)光二極管10基于本發(fā)明所制造。發(fā)光二極管10主要由III族氮化物成分所組成。首先形成基板101?；?01為藍(lán)寶石基板。未摻雜的(undoped)氮化鎵(U-GaN)層102形成于基板上101。U-GaN層102的粗化可由干蝕刻或濕蝕刻來(lái)處理。干蝕刻處理最好是反應(yīng)離子蝕刻(reactive ion etching)。實(shí)際上亦可采用感應(yīng)耦合等離子體蝕刻(inductively coupled plasma etching)或高密度等離子體蝕刻。U-GaN層102具有粗化上表面。一般來(lái)說(shuō)，粗化U-GaN層10的表面并控制其表面粗化程度是很容易的。粗化表面上相鄰兩峰(peaks)的間距可小于10 μ m。接下來(lái)，n_GaN層104外延生長(zhǎng)于U-GaN層102 上。由于間距小致使間隙(gap) 103形成于U-GaN層102與n-GaN層104之間。n-GaN層104完成后，活性區(qū)105和p_GaN層106依序形成于n_GaN層104上。活性區(qū)105為產(chǎn)生光束的多重量子阱(Multiple Quantum Well，MQW)。ρ-GaN層106可自發(fā)光二極管10發(fā)射光束。最后，ρ接點(diǎn)107和η接點(diǎn)108分別連接至ρ-GaN層106與U-GaN 層102以供電。粗化表面位于U-GaN層102和n_GaN層104之間。換言之，粗化處理是在U-GaN 層102形成后執(zhí)行?；?01不限為藍(lán)寶石基板，亦可為碳化硅(silicon carbide)基板、 氮化鎵(GaN)基板、氧化鋅(SiO)基板、或砷化鎵(GaAs)基板。由于間距相當(dāng)小，以致不平表面上任一層的外延生長(zhǎng)處理無(wú)法完全填滿間距，因而形成間隙103。請(qǐng)參照?qǐng)D5。實(shí)線箭頭表示光穿透U-GaN層102及n-GaN層104，未遭折射。虛線箭頭示出了光束經(jīng)全反射，這是因?yàn)殚g隙103中的空氣折射指數(shù)約為1，n-GaN層 104的折射指數(shù)約為2 4。光束會(huì)反射至n-GaN層104。因此，發(fā)射自發(fā)光二極管10的有效光束數(shù)目會(huì)增加，因而提升取光效率。第二實(shí)施例根據(jù)本發(fā)明，粗化表面不限于兩異質(zhì)層之間的接口。粗化處理亦可施于相同材質(zhì)的兩層。圖6示出了本發(fā)明第二實(shí)施例。發(fā)光二極管20系依本發(fā)明所制造。如同第一實(shí)施例，發(fā)光二極管20主要由III族氮化物成分所組成。首先形成藍(lán)寶石基板201，接著在基板 201上形成第一 U-GaN層202。第一 U-GaN層202以反應(yīng)離子蝕刻(reactive ion etching) 來(lái)進(jìn)行粗化處理。相同的外延處理形成第二 U-GaN層204。在實(shí)施例中，第一 U-GaN層202 與第二 U-GaN層204實(shí)質(zhì)上是相同的。粗化處理的目的是在其間形成數(shù)個(gè)間隙203。第二 U-GaN層204完成后，n-GaN層20、活性區(qū)206以及p_GaN層207依序形成于 U-GaN層204上?；钚詤^(qū)206亦為用以產(chǎn)生光子的多重量子阱(Multiple Quantum Well， MQW)。最后，ρ接點(diǎn)208和η接點(diǎn)209分別連接至p-GaN層207和n-GaN層205以供電。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明而言僅僅是說(shuō)明性的，而非限制性的。本專業(yè)技術(shù)人員理解，在本發(fā)明權(quán)利要求所限定的精神和范圍內(nèi)可對(duì)其進(jìn)行許多改變， 修改，甚至等效，但都將落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種提升III族氮化物基發(fā)光裝置的取光效率的方法，包括以下步驟a)提供基板；b)在基板上形成未摻雜的III族氮化物基層； C)粗化未摻雜的III族氮化物基層；d)在未摻雜的III族氮化物基層上依序生成η型III族氮化物基披覆層、活性區(qū)、P型III族氮化物基披覆層；以及e)分別在ρ型III族氮化物基披覆層和η型III族氮化物基披覆層上提供ρ接點(diǎn)和η接占.其特征在于，多個(gè)間隙(gap)形成于未摻雜的III族氮化物基層與η型III族氮化物基披覆層之間。
2.如權(quán)利要求1所述的提升III族氮化物基發(fā)光裝置的取光效率的方法，其特征在于， 基板為藍(lán)寶石基板、碳化硅基板、氮化鎵基板、氧化鋅基板或砷化鎵基板。
3.如權(quán)利要求1所述的提升III族氮化物基發(fā)光裝置的取光效率的方法，其特征在于， 粗化處理通過(guò)干法蝕刻或濕法蝕刻來(lái)實(shí)現(xiàn)。
4.如權(quán)利要求3所述的提升III族氮化物基發(fā)光裝置的取光效率的方法，其特征在于， 干蝕刻為反應(yīng)離子蝕刻、感應(yīng)耦合等離子體蝕刻或高密度等離子體蝕刻。
5.一種提升III族氮化物基發(fā)光裝置的取光效率的方法，包括以下步驟a)提供基板；b)在基板上形成第一未摻雜的III族氮化物基層； C)粗化第一未摻雜的III族氮化物基層；d)在第一未摻雜的III族氮化物基層上依序生成第二未摻雜的III族氮化物基層、η型III 族氮化物基披覆層、活性區(qū)、和P型III族氮化物基披覆層；以及e)分別在ρ型III族氮化物基披覆層和η型III族氮化物基披覆層上提供ρ接點(diǎn)和η接占.其特征在于，多個(gè)間隙形成于第一未摻雜的III族氮化物基層與第二未摻雜的III族氮化物基披覆層之間。
6.如權(quán)利要求5所述的提升III族氮化物基發(fā)光裝置的取光效率的方法，其特征在于， 基板為藍(lán)寶石基板、碳化硅基板、氮化鎵基板、氧化鋅基板、或砷化鎵基板。
7.如權(quán)利要求5所述的提升III族氮化物基發(fā)光裝置的取光效率的方法，其特征在于， 粗化處理通過(guò)干法蝕刻或濕法蝕刻來(lái)實(shí)現(xiàn)。
8.如權(quán)利要求7所述的提升III族氮化物基發(fā)光裝置的取光效率的方法，其特征在于， 干蝕刻為反應(yīng)離子蝕刻、感應(yīng)耦合等離子體蝕刻或高密度等離子體蝕刻。
9.一種提升III族氮化物基發(fā)光裝置的取光效率的方法，包括以下步驟a)提供基板；b)在基板上形成未摻雜的III族氮化物基層；C)在未摻雜的III族氮化物基層形成第一 η型III族氮化物基披覆層；d)粗化第一η型III族氮化物基披覆層；e)在第一η型III族氮化物基披覆層上依序生成第二 η型III族氮化物基披覆層、活性區(qū)、 P型III族氮化物基披覆層；以及e)分別在ρ型III族氮化物基披覆層和第二 η型III族氮化物基披覆層上提供ρ接點(diǎn)與η 接點(diǎn)；其特征在于，多個(gè)間隙形成于第一 η型III族氮化物基披覆層與第二 η型III族氮化物基披覆層之間。
10.如權(quán)利要求9所述的提升III族氮化物基發(fā)光裝置的取光效率的方法，其特征在于， 基板為藍(lán)寶石基板、碳化硅基板、氮化鎵基板、氧化鋅基板、或砷化鎵基板。
11.如權(quán)利要求9所述的提升III族氮化物基發(fā)光裝置的取光效率的方法，其特征在于， 粗化處理通過(guò)干法蝕刻或濕法蝕刻來(lái)實(shí)現(xiàn)。
12.如權(quán)利要求11所述的提升III族氮化物基發(fā)光裝置的取光效率的方法，其特征在于，干蝕刻為反應(yīng)離子蝕刻、感應(yīng)耦合等離子體蝕刻或高密度等離子體蝕刻。
13.一種具有提升取光效率的III族氮化物基發(fā)光裝置，包括 基板；具有粗化表面的未摻雜的III族氮化物基層，形成于基板上；η型III族氮化物基披覆層、活性區(qū)、與ρ型III族氮化物基披覆層，依序生成于未摻雜的 III族氮化物基層上；以及P接點(diǎn)和η接點(diǎn)分別設(shè)置于ρ型III族氮化物基披覆層和η型III族氮化物基披覆層上； 其特征在于，多個(gè)間隙形成于未摻雜的III族氮化物基層和η型III族氮化物基披覆層之間。
14.如權(quán)利要求13所述的具有提升取光效率的III族氮化物基發(fā)光裝置，其特征在于， 基板為藍(lán)寶石基板、碳化硅基板、氮化鎵基板、氧化鋅基板、或砷化鎵基板。
15.一種具有提升取光效率的III族氮化物基發(fā)光裝置，包括 基板；具有粗化表面的第一未摻雜的III族氮化物基層，形成于基板上； 第二未摻雜的III族氮化物基層、η型III族氮化物基披覆層、活性區(qū)、和P型III族氮化物基披覆層，依序生成于第一未摻雜的III族氮化物基層上；以及P接點(diǎn)和η接點(diǎn)，分別設(shè)置于ρ型III族氮化物基披覆層和η型III族氮化物基披覆層上； 其特征在于，多個(gè)間隙形成于第一未摻雜的III族氮化物基層和第二未摻雜的III族氮化物基披覆層之間。
16.如權(quán)利要求15所述的具有提升取光效率的III族氮化物基發(fā)光裝置，其特征在于， 基板為藍(lán)寶石基板、碳化硅(基板、氮化鎵基板、氧化鋅基板、或砷化鎵基板。
17.一種具有提升取光效率的III族氮化物基發(fā)光裝置，包括 基板；形成于基板上的未摻雜的III族氮化物基層；具有粗化表面的第一 η型III族氮化物基披覆層，形成于未摻雜的III族氮化物基層上； 第二 η型III族氮化物基披覆層、活性區(qū)、ρ型III族氮化物基披覆層，依序生成于第一 η型 III族氮化物基披覆層上；以及P接點(diǎn)和η接點(diǎn)，分別設(shè)置于ρ型III族氮化物基披覆層和第二 η型III族氮化物基披覆層上；其特征在于，多個(gè)間隙形成于第一 η型III族氮化物基披覆層和第二 η型III族氮化物基披覆層之間。
18.如權(quán)利要求17所述的具有提升取光效率的III族氮化物基發(fā)光裝置，其特征在于， 基板為藍(lán)寶石基板、碳化硅基板、氮化鎵基板、氧化鋅基板、或砷化鎵基板。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種提升Ⅲ族氮化物基發(fā)光裝置的取光效率的方法。通過(guò)粗化n型Ⅲ族氮化物基披覆層或未摻雜的Ⅲ族氮化物基層，以形成反射層。由于粗化表面上的間隙致使全內(nèi)反射的發(fā)生，光束可反射至發(fā)光裝置的上表面，如此可增加取光效率，并在所需方向來(lái)收集更多光束。
文檔編號(hào)H01L33/32GK102386292SQ201010272990
公開(kāi)日2012年3月21日 申請(qǐng)日期2010年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月6日
發(fā)明者張簡(jiǎn)慶華, 郭明騰, 陳彰和 申請(qǐng)人:華新麗華股份有限公司