发光二极管及其制造方法

1.一种发光二极管，至少包括：
基板；
第一形态半导体层，位于该基板上；
主动发光层，位于该第一形态半导体层上；
第二形态半导体层，位于该主动发光层上；以及
锯齿状多层膜，位于该第一形态半导体层底下相对于该主动发光层配置，其中该锯齿状多层膜是呈周期性堆叠的光子晶体结构，并且由两个或两个以上不同折射率的材料交替堆叠而成。
2.如权利要求1所述的发光二极管，其中该锯齿状多层膜位于该基板底下。
3.如权利要求1所述的发光二极管，其中该锯齿状多层膜位于该基板与该第一形态半导体层之间。
4.如权利要求3所述的发光二极管，其中该锯齿状多层膜具有网格结构。
5.如权利要求4所述的发光二极管，其中该网格结构包括一维、二维或三维结构。
6.如权利要求4所述的发光二极管，其中该网格结构的排列方式包括三角形、六角形、四方形或混合型式的阵列。
7.如权利要求4所述的发光二极管，其中该网格结构的外型包括方形、条型、三角形或半圆形。
8.如权利要求4所述的发光二极管，其中该网格结构适用于该发光二极管的发光波长范围是取决于该网格结构的周期以及/或是高度。
9.如权利要求1所述的发光二极管，其中该锯齿状多层膜适用于该发光二极管的发光波长范围是取决于该锯齿状多层膜的周期、堆叠薄膜厚度、堆叠薄膜层数与堆叠薄膜材料的折射率中至少一者。
10.如权利要求1所述的发光二极管，其中该锯齿状多层膜中的堆叠薄膜的材料是选自TiO2、Ta2O5、Nb2O5、CeO2、ZnS、ZnO、GaN、SiNx、AlN、Al2O3、SiO2与MgF2中的两种材料。
11.如权利要求1所述的发光二极管，其中该基板的材料包括蓝宝石、碳化硅、硅、砷化镓、铝酸锂、镓酸锂或氮化铝。
12.如权利要求1所述的发光二极管，其中该锯齿状多层膜堆叠于该基板上，且该基板的起始外观形状包括三角锥、方块状、半圆形或剖面呈三角形、方形或半圆形的条型。
13.一种发光二极管的制造方法，包括：
利用自我复制式光子晶体制作方法，在基板上制作锯齿状多层膜，其中该锯齿状多层膜是呈周期性堆叠的光子晶体结构，并且由两个或两个以上不同折射率的材料交替堆叠而成；
图案化该锯齿状多层膜，以形成网格结构；
在该基板上形成第一形态半导体层并覆盖该网格结构；
在该第一形态半导体层上形成主动发光层；以及
在该主动发光层上形成第二形态半导体层。
14.如权利要求13所述的发光二极管的制造方法，其中该锯齿状多层膜的堆叠薄膜的材料是选自TiO2、Ta2O5、Nb2O5、CeO2、ZnS、ZnO、GaN、SiNx、AlN、Al2O3、SiO2与MgF2中的两种材料。
15.如权利要求13所述的发光二极管的制造方法，其中该基板的材料包括蓝宝石、碳化硅、硅、砷化镓、铝酸锂、镓酸锂或氮化铝。
16.一种发光二极管的制造方法，包括：
a)在基板上形成第一形态半导体层；
b)在该第一形态半导体层上形成主动发光层；
c)在该主动发光层上形成第二形态半导体层；以及
选择在步骤a之前或在步骤c后，利用自我复制式光子晶体制作方法，在该基板底下形成锯齿状多层膜，其中该锯齿状多层膜是呈周期性堆叠的光子晶体结构，并且由两个或两个以上不同折射率的材料交替堆叠而成。
17.如权利要求16所述的发光二极管的制造方法，其中该锯齿状多层膜的堆叠薄膜的材料是选自TiO2、Ta2O5、Nb2O5、CeO2、ZnS、ZnO、GaN、SiNx、AlN、Al2O3、SiO2与MgF2中的两种材料。
18.如权利要求16所述的发光二极管的制造方法，其中该基板的材料包括蓝宝石、碳化硅、硅、砷化镓、铝酸锂、镓酸锂或氮化铝。

发光二极管及其制造方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种发光二极管(light emitting diode，简称LED)技术，且特别涉及一种可提升光汲取效率(light extraction efficiency)的发光二极管及其制造方法。\n背景技术\n[0002] 发光二极管是一种半导体元件，主要是由III-V族元素化合物半导体材料所构成。因为这种半导体材料具有将电能转换为光的特性，所以对这种半导体材料施加电流时，其内部的电子会与空穴结合，并将过剩的能量以光的形式释出，而达成发光的效果。\n[0003] 图1是已知的一种发光二极管的剖面示意图。请参照图1，已知的发光二极管10通常由一个基板100与其上的一层n型半导体层102、一层主动发光层104以及一层p型半导体层106所构成。而且，在n型半导体层102表面具有n型电极108、在p型半导体层\n106表面具有p型电极110。\n[0004] 不过，以传统的氮化镓(GaN)发光二极管而言，通常是使用蓝宝石(Sapphire)为外延基板。由于蓝宝石为透明材料，使得发光二极管出光光线四散发射，无法集中利用而形成耗损，如图1中从主动发光层104往基板100底下的箭头。同时，四散的光线会被内部各个半导体层吸收而蓄热，所以会降低氮化镓发光二极管的出光亮度与效率。\n[0005] 为了提升发光二极管发光效率，近来有将外延蓝宝石基板制作成周期性结构的方式(如美国专利US 6091085或美国专利US 2003057444A1)，以降低氮化镓的外延缺陷、提升亮度。同时，一维周期性光栅结构可使部分背部光线折射回正面发光再利用，提升整体发光二极管的光汲取效率。\n[0006] 然而，光栅结构对于垂直入射光线的折射效果不佳，须大角度入射光的反射效应方可显现，因此对于垂直射出的光线回收利用的效果明显有限。\n发明内容\n[0007] 本发明提供一种发光二极管，可大幅改善正向垂直光的反射效果，提升发光二极管背面反射率，朝正向发光利用。\n[0008] 本发明另提供一种发光二极管的制造方法，可提升整体发光二极管的发光效率。\n[0009] 本发明又提供一种发光二极管的制造方法，可经较少的步骤，提升整体发光二极管的发光效率。\n[0010] 本发明提出一种发光二极管，至少包括一个基板、一层第一形态半导体层、一层主动发光层、一层第二形态半导体层以及一层锯齿状多层膜。上述第一形态半导体层位于基板上、主动发光层位于第一形态半导体层上、第二形态半导体层位于主动发光层上。至于锯齿状多层膜则位于第一形态半导体层底下并相对于主动发光层配置。\n[0011] 在本发明的一实施例中，上述锯齿状多层膜具有光子晶体结构。\n[0012] 在本发明的一实施例中，上述锯齿状多层膜可位于基板底下或者位于基板与第一形态半导体层之间。\n[0013] 在本发明的一实施例中，上述锯齿状多层膜具有网格结构(latticestructure)。\n[0014] 在本发明的一实施例中，上述网格结构包括一维、二维或三维结构。\n[0015] 在本发明的一实施例中，上述网格结构的排列方式包括三角形、六角形\n(Hexagonal)、四方形或混合型式的阵列。\n[0016] 在本发明的一实施例中，上述网格结构的外型包括方形、条型、三角形或半圆形。\n[0017] 在本发明的一实施例中，上述网格结构的周期以及/或是高度可被用来决定网格结构适用于发光二极管的发光波长范围。\n[0018] 在本发明的一实施例中，上述锯齿状多层膜是呈周期性堆叠，并且由两个或两个以上不同折射率的材料交替堆叠而成。\n[0019] 在本发明的一实施例中，上述锯齿状多层膜适用于发光二极管的发光波长范围是取决于锯齿状多层膜的周期、堆叠薄膜厚度、堆叠薄膜层数与堆叠薄膜材料的折射率中至少一者。\n[0020] 在本发明的一实施例中，上述锯齿状多层膜中的堆叠薄膜的材料是选自TiO2、Ta2O5、Nb2O5、CeO2、ZnS、ZnO、GaN、SiNx、AlN、Al2O3、SiO2与MgF2中的两种材料。\n[0021] 在本发明的一实施例中，上述基板的材料包括蓝宝石(Sapphire)、碳化硅(SiC)、硅(Si)、砷化镓(GaAs)、铝酸锂(LiAlO2)、镓酸锂(LiGaO2)或氮化铝(AlN)。\n[0022] 在本发明的一实施例中，当锯齿状多层膜堆叠于基板上，则上述基板的起始外观形状包括三角锥、方块状、半圆形或剖面呈三角形、方形或半圆形的条型。\n[0023] 本发明另提出一种发光二极管的制造方法，包括利用自我复制式光子晶体(autocloning photonic crystal)制作方法，在一个基板上制作一层锯齿状多层膜。接着，图案化锯齿状多层膜，以形成一个网格结构。之后，在基板上形成一层第一形态半导体层并覆盖网格结构，再在第一形态半导体层上形成一层主动发光层。然后，在主动发光层上形成一层第二形态半导体层。\n[0024] 本发明又提出一种发光二极管的制造方法，包括a)在一个基板上形成一层第一形态半导体层；b)在第一形态半导体层上形成一层主动发光层；c)在主动发光层上形成一层第二形态半导体层。另外，选择在步骤a之前或在步骤c后，利用自我复制式光子晶体制作方法于基板底下形成一层锯齿状多层膜。\n[0025] 在本发明的另一实施例中，上述锯齿状多层膜的堆叠薄膜的材料是选自TiO2、Ta2O5、Nb2O5、CeO2、ZnS、ZnO、GaN、SiNx、AlN、Al2O3、SiO2与MgF2中的两种材料。\n[0026] 在本发明的另一实施例中，上述基板的材料包括蓝宝石(Sapphire)、碳化硅(SiC)、硅(Si)、砷化镓(GaAs)、铝酸锂(LiAlO2)、镓酸锂(LiGaO2)或氮化铝(AlN)。\n[0027] 本发明因为在发光二极管中加入锯齿状多层膜，所以透过锯齿状多层膜中的光子晶体结构的能隙，产生全方位反射效果(Omnidirectional reflector)，使发光二极管背部所发射的光，在任何角度射入此结构，均能够全反射，同时周期性光栅设计改变光折射方向，让光源垂直集中正向出光，使整体发光二极管发光效率提升。\n[0028] 为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合附图，作详细说明如下。\n附图说明\n[0029] 图1是已知的一种发光二极管的剖面示意图。\n[0030] 图2是依照本发明的第一实施例的一种发光二极管的剖面示意图。\n[0031] 图3A至图3C是图2的锯齿状多层膜的排列方式上视图。\n[0032] 图4是图2的锯齿状多层膜的放大图。\n[0033] 图5A是图4的基板的外观形状立体示意图。\n[0034] 图5B与图5F是图4的基板的外观形状的变形示意图。\n[0035] 图6是以图4设计的自我复制式光子晶体在波长与反射率之间的关系图。\n[0036] 图7是依照本发明的第二实施例的一种发光二极管的剖面示意图。\n[0037] 图8是图7的发光二极管的一种变形示意图。\n[0038] 图9A至图9E则是依照本发明的第三实施例的一种发光二极管的制造流程剖面示意图。\n[0039] 图10是依照本发明的第四实施例的一种发光二极管的工艺步骤图。\n[0040] 附图标记说明\n[0041] 10、20、70：发光二极管 100、200、800、900：基板\n[0042] 102：n型半导体层 104、206、908：主动发光层\n[0043] 106：p型半导体层 108：n型电极\n[0044] 110：p型电极 202、700、902：锯齿状多层膜\n[0045] 204、906：第一形态半导体层 208、910：第二形态半导体层\n[0046] 210、912：第一形态电极 212、914：第二形态电极\n[0047] 300a、300b、300c：阵列 302：网格结构的周期\n[0048] 400：第一堆叠薄膜 402：第二堆叠薄膜\n[0049] 404：锯齿状多层膜的周期 500a：三角锥\n[0050] 500b：方块状 500c：半圆形\n[0051] 500d、500e、500f：条型 802：外观形状\n[0052] 900a：三角形基础结构 904：网状图形\n[0053] 1000～1006：步骤 nL、nH：折射率\n[0054] dL、dH：厚度\n具体实施方式\n[0055] 以下配合附图来充分描述本发明的实施例，但是本发明仍可以许多不同形式来实践，且不应将其解释为限于本文所述的实施例。事实上提供这些实施例只为使本发明的披露更详尽且完整，并将本发明的范畴完全传达至本领域技术人员。而在图式中，为明确起见可能未按比例绘制各层和区域的尺寸及其相对尺寸。\n[0056] 图2是依照本发明的第一实施例的一种发光二极管的剖面示意图。\n[0057] 请参照图2，第一实施例的发光二极管20至少包括一个基板200、一层锯齿状多层膜202、在基板200上的一层第一形态半导体层204、一层主动发光层206以及一层第二形态半导体层208所构成。第一形态半导体层204位于基板200上、主动发光层206位于第一形态半导体层204上、第二形态半导体层208位于主动发光层206上。至于锯齿状多层膜202则位于第一形态半导体层204底下并相对于主动发光层206配置。以第一实施例而言，上述锯齿状多层膜202是位于基板200与第一形态半导体层204之间。而且，锯齿状多层膜202具有网格结构(lattice structure)，并在网格结构中具有光子晶体结构。关于这一点，将在下文详细描述。\n[0058] 请继续参照图2，上述基板200的材料例如蓝宝石(Sapphire)、碳化硅(SiC)、硅(Si)、砷化镓(GaAs)、铝酸锂(LiAlO2)、镓酸锂(LiGaO2)或氮化铝(AlN)。在第一实施例中是以蓝宝石的基板200为例。另外，在第一形态半导体层204表面通常具有第一形态电极\n210、在第二形态半导体层208表面通常具有第二形态电极212。而且，第一形态半导体层\n204可为n型半导体层、第二形态半导体层208可为p型半导体层，因此第一形态电极210是n型电极、第二形态电极212是p型电极。\n[0059] 关于第一实施例的锯齿状多层膜202，是在基板200上呈周期性堆叠，并且由两个或两个以上不同折射率的材料交替堆叠而成的高低折射率材料，如同自我复制式光子晶体。举例来说，锯齿状多层膜202中的堆叠薄膜的材料是选自TiO2、Ta2O5、Nb2O5、CeO2、ZnS、ZnO、GaN、SiNx、AlN、Al2O3、SiO2与MgF2中的两种材料。\n[0060] 此外，第一实施例的锯齿状多层膜202具有网格结构，其可包括一维、二维或三维结构。而且，上述网格结构的排列方式可以是三角形的阵列、六角形(hexagonal)的阵列\n300a(如图3A)、四方形的阵列300b(如图3B)或混合型式的阵列300c(如图3C)。至于网格结构的外型除了可以像图3A至图3C是半圆形之外，还可以是方形、条型或三角形等。而在第一实施例中，上述网格结构的周期以及/或是高度可被用来决定网格结构适用于发光二极管的发光波长范围，譬如以450nm蓝光为例，图3B中显示网格结构的周期302约为1～20μm。\n[0061] 而且，除了通过上述网格结构的周期以2及/或是高度这般巨观的参数，来决定网格结构适用于发光二极管的发光波长范围之外，在第一实施例中尚需通过以下条件的配合，才能适当控制光反射的特性，如：锯齿状多层膜202的周期、堆叠薄膜厚度、堆叠薄膜层数与堆叠薄膜材料的折射率中至少一者。以450nm蓝光发光二极管为例，图4显示第一实施例的锯齿状多层膜202的放大图。在图4中，锯齿状多层膜202披覆于起始外观形状为三角锥的基板200上，其立体图如图5A所示的三角锥500a。在图4和图5A中，位于蓝宝石基板200上的第一堆叠薄膜400与第二堆叠薄膜402分别为低折射率的材料以及高折射率的材料，其中第一堆叠薄膜400的折射率nL约为1.3～2.5、厚度dL约为50～200nm；而第二堆叠薄膜402的折射率nH约为1.5～4、厚度dH约为50～200nm，而锯齿状多层膜202的周期404约为200～1000nm。经由以上设计得到的光子晶体能隙将落于发光二极管的发光波长内，则此锯齿状多层膜202即形成全方位反射镜，任何发光二极管的光线入射均能完全反射。\n[0062] 除图5A所示的三角锥500a之外，基板的起始外观形状还可以是方块状500b(如图5B)或半圆形500c(如图5C)。另外，基板的起始外观形状也可以是剖面呈三角形的条型\n500d(如图5D)、剖面呈方形的条型500e(如图5E)或剖面呈半圆形的条型500f(如图5F)等。\n[0063] 图6是以图4设计的自我复制式光子晶体在波长与反射率之间的关系图。从图6可知，无论是TE模或TM模在420～470nm范围内都能将蓝光发光二极管背面光线完全反射利用，反射率达99％。同时，周期性网格光栅结构，可改变光线折射方向，不会使光线往发光二极管背部发射，由此能提高发光二极管发光效率。\n[0064] 图7是依照本发明的第二实施例的一种发光二极管的剖面示意图，其中使用与第一实施例相同的元件符号代表相同或类似的元件。\n[0065] 请参照图7，第二实施例的发光二极管70和第一实施例一样具有一个基板200与其上的一层第一形态半导体层204、一层主动发光层206以及一层第二形态半导体层208；\n不同处在于第二实施例的锯齿状多层膜700是一整层位于基板200底下。关于锯齿状多层膜700的详细构造与设计概念则可参照第一实施例。\n[0066] 此外，第二实施例的发光二极管还可以有其他变形，如图8所示，其中使用的是图案化基板800，譬如外观形状为图案化的蓝宝石基板(patternedsapphire substrate)。此外，图案化基板的外观形状802可以为条型、方形、三角形，及半圆形等。而锯齿状多层膜\n700则是位于基板800无外观形状802的另一面。\n[0067] 图9A至图9E则是依照本发明的第三实施例的一种发光二极管的制造流程剖面示意图。\n[0068] 请参照图9A，先提供一个基板900。而基板900的材料例如蓝宝石(Sapphire)、碳化硅(SiC)、硅(Si)、砷化镓(GaAs)、铝酸锂(LiAlO2)、镓酸锂(LiGaO2)或氮化铝(AlN)。\n此外，可先使用光刻技术在基板900上制作三角形基础结构900a，其周期针对发光二极管的发光波段决定，如450nm蓝光的三角形基础结构约为240nm周期。\n[0069] 接着，请参照图9B，利用自我复制式光子晶体(autocloning photoniccrystal)制作方法，在基板900上制作一层锯齿状多层膜902。举例来说，可在具有三角形基础结构\n900a的蓝宝石基板900上，利用离子束溅射技术(IonBeam Sputtering)配合射频偏压蚀刻机制(RF Bias Etching)，溅射高低折射率膜材，交替控制堆叠薄膜沉积速率与偏压蚀刻速率，达到修整堆叠薄膜的外型，而形成锯齿状多层膜皱折的分布。其中，锯齿状多层膜902的堆叠薄膜的材料例如是选自TiO2、Ta2O5、Nb2O5、CeO2、ZnS、ZnO、GaN、SiNx、AlN、Al2O3、SiO2与MgF2中的两种材料。\n[0070] 然后，请参照图9C，利用黄光光刻工艺，在锯齿状多层膜902表面制作成网格的网状图形904。\n[0071] 之后，请参照图9D，以干法蚀刻或湿法蚀刻完成网格结构902a，且网格结构902a可由条状、圆形、矩形或是三角形所组织成的结构。\n[0072] 最后，请参照图9E，在完成网格结构902a后，接着在基板900上形成一层第一形态半导体层906并覆盖上述网格结构902a，然后在第一形态半导体层906上依序形成主动发光层908和第二形态半导体层910。之后，可在第一形态半导体层906与第二形态半导体层\n910表面形成第一形态电极912与第二形态电极914。\n[0073] 图10是依照本发明的第四实施例的一种发光二极管的工艺步骤图。\n[0074] 请参照图10，在步骤1000中，在基板上形成第一形态半导体层，其中基板的材料例如蓝宝石(Sapphire)、碳化硅(SiC)、硅(Si)、砷化镓(GaAs)、铝酸锂(LiAlO2)、镓酸锂(LiGaO2)或氮化铝(AlN)。然后，在步骤1002中，在第一形态半导体层上形成主动发光层。\n接着，在步骤1004中，在主动发光层上形成第二形态半导体层。在第四实施例中，需选择在步骤1000之前或在步骤1004后，进行步骤1006，利用自我复制式光子晶体(autocloning photoniccrystal)制作方法，在基板底下形成一层锯齿状多层膜，其中锯齿状多层膜的堆叠薄膜的材料譬如是选自TiO2、Ta2O5、Nb2O5、CeO2、ZnS、ZnO、GaN、SiNx、AlN、Al2O3、SiO2与MgF2中的两种材料。由于第四实施例不需额外的黄光工艺与蚀刻工艺，所以可节省工艺时间与成本。\n[0075] 综上所述，本发明的锯齿状多层膜以及\或是其网格结构为三维光子晶体元件，透过光子晶体的能隙，产生全方位反射效果(Omnidirectional reflector)，使发光二极管背部所发射的光，在任何角度射入此锯齿状多层膜，均能够全反射，同时可通过周期性光栅设计改变光折射方向，让光源垂直集中正向出光，使整体发光二极管发光效率提升。\n[0076] 虽然本发明已以优选实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定的为准。