[发明专利]垂直发光二极管的制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及发光二极管(Light Emitting Diodes，LED)，更确切地说，涉及用以增强其光提取效率的新型LED结构。

背景技术

在转换电能成为光能的固态器件中，发光二极管(LED)为重要类别。典型的LED在两相异掺杂层之间设有半导体材料的活化层。当偏压横跨施加于该掺杂层时，空穴及电子便注入活化层，它们在那里重新结合并产生光。由活化层所产生的光朝向四面八方发射，且光线经由所有外露表面而逸出半导体晶片。

随着半导体材料的改进，半导体器件的效率亦随之提升。如今，新型LED是由例如氮化铟铝镓(InAlGaN)之类的材料所制成，其可在紫外及黄绿光谱上提供更佳的发光效率。较之公知光源，许多新型的LED在将电能转换成光能方面更有效率且更可靠。而随着LED不断地改进，它们也被期待在未来能够在许多应用上取代公知光源，例如：交通信号标志，室外及室内显示器，汽车前照灯及后照灯，公知室内照明等。

公知的LED效率主要受限于无法发出其活化层所产生之所有光。当LED被供给能量后，由其活化层所发射出的光(朝所有方向)以各种不同角度到达LED的发光表面。较之环境大气(n＝1.0)或是封装用的环氧树脂(n≈1.5)，典型的半导体材料具有更高的折射率(n≈2.2-3.8)。依照斯涅耳定律，光在低于某一临界角(相对于表面法线方向)内由高折射率区域到达低折射率区域时，会穿越较低折射率的区域。然而到达表面的光若其入射角大于临界角，那么它不但无法穿越还会遭受到内部全反射(total internal reflection，TIR)。在LED的情况中，其TIR光可持续在LED内部进行反射直到被吸收为止。由于此现象，公知LED所产生的光大部分皆无法发射到外部，因此降低其效率。

减少TIR光比例的一种方法为以随机蚀纹(random texturing)的形式在LED表面上建立光散射中心。随机蚀纹通过在反应性离子蚀刻期间在LED表面上使用亚微米直径的聚苯乙烯球体作为掩模而在表面上加以图案化。由于随机干涉效应之故，该蚀纹表面具有光波长量级的特征部，其反射以及折射光线皆不按照斯涅耳定律的预测。已证明此方法能提升9％至30％的发光效率。

如美国专利第6,821,804号中所论述：表面蚀纹的一项缺点在于其会阻碍有效电流在LED中散布，如此会造成蚀纹电极层(例如：p型氮化镓(GaN))的导电性不佳。在较小型器件或是具有良好导电性的器件中，来自p型层及n型层接点(面)的电流将遍布各层；但就较大型器件或是由具有不良导电性的材料所制成的器件而言，电流无法从接点(面)遍布于各层。因此，部分活化层将不会有电流通过，因而无法发光。为建立二极管区域各处的均匀电流注入，可将由导电材料制成的散布层沉积在表面上。然而，此扩散层通常必须为光学透明，以使光可穿透该层。然而在将随机表面结构设于LED表面上时，并无法轻易地沉积实际上为薄的且光学上为透明的电流散布层。

从LED中提升光提取效率的另一方法为包括发光表面或内部介面的周期性图案化，此举可将光由内部限困角重新导向至由该表面的形状及周期所决定的定义模式，详见Krames等人的美国专利第5,779,924号。该技术为随机蚀纹表面的一项特例，其中干涉效应不再是随机毫无规则可循并且其表面可以将光导引至特定模式或方向上。然而该方法的一项缺点是：由于表面形状及图案必须均匀且极微小，其尺度为LED光源的单一波长的量级，因此不易制造该结构。而在图案上沉积如上所述的光学透明电流散布层时亦呈现困难。

提升光提取效率也已通过将LED的发光表面塑造成在其中心处具有发光层的半球形来实现。尽管这种构造可以增加发光量，但却不易制造。Scifres及Burnham等人的美国专利第3,954,534号公开了一种LED阵列的形成方法，其在每一LED上方形成一个半球。这种半球形成于衬底中，而二极管阵列就生长于其上。接着将二极管以及透镜结构由衬底以蚀刻方式去除。此方法的一项缺点在于：衬底介面处的结构的形成受到限制，且将该结构自衬底剥除会提高制造成本。此外，每一半球上方还设有发光层，这需运用到精确制造技术。

美国专利第5,793,062号公开了一种增强LED光提取量的结构，其通过包括光学非吸收层而使光改向离开例如接点(面)一类的吸收区，并且将光重新导向LED表面。此结构其中一项缺点是：该非吸收层需要形成底切峡角(strait angle)层，其在许多材料系统中均难以制造。