专利名称：氮化镓系发光组件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种发光组件及其制造方法，特别是涉及一种具有金属微结构的光取出层的氮化镓系发光组件及其制造方法。
背景技术：
半导体发光二极管(LED)的发展已有数十年历史，其发光效率的改善一直为LED能否进一步用于民生光源的关键；因此，多年来LED的发展方向大致皆在于发光效率的提升上。发光效率的影响因素一般包括选用的半导体材料、组件结构的设计、透明度及全反射现象等。
氮化镓系材料为半导体发光二极管的最常用的材料。为使氮化镓系材料发出光，一电压或电流通常必须送入该二极管中；为使电压或电流送入其中，一对正负电极通常设在该二极管组件上。
正电极即一般所称的p型电极，负电极则为一般所称的n型电极，因为p型电极的电先流进p型半导体层、而n型电极的电先流进n型半导体层的原因。P型电极为正电流入之处，其导电所依赖的移动载子为电洞；n型电极为负电流入之处，其导电所赖的移动载子则为电子。一般皆知，电洞的移动牵移率远低于电子，因此p型电极处的导电效率远差于n型电极处。
有鉴于此，一般皆在p型电极的下方设一电流散布层，用以将进入p型电极的正电荷导引成均匀散布在p型半导体层上，从而使p型电极与n型电极间的电力线能够均匀分布，并因此有效提高光的被激发出效率。
上述电流散布层的材料可为任意适用的材料，其中镍/金(Ni/Au)双层结构为其中最常见的，其整个LED结构如图1所示的发光二极管结构10，其中包括有基材11、缓冲层12、n型氮化镓系层13、半导体主动层14、p型氮化镓系层15、p型半导体层16、电流散布层17与p型电极18，其制程步骤可参阅台湾专利558848、4198 37等。在该图中，电流散布层17设在p型半导体层16及p型电极18间，用以将p型电极18的正电荷均匀分布在电流散布层17上，以均匀进入p型半导体层16中。
然而，这种电流散布层的设计的全反射问题严重，因其表面平坦而使光全反射折回结构中而阻碍输出。其后，将该电流散布层上方再加以一些粗糙化设计的发光组件被提出，例如将发光组件上方光出射处加以粗糙结构，以使多数光出射时的出射角小于临界角(斯奈尔定律(Snell’s Law)定义)，该种粗糙结构通常为半圆形或经截角的金字塔形。然而，该种粗糙形状的形成工作相当烦杂，且其成本也很高。
另外，也有其它粗糙化方式被提出，如利用蚀刻方式破坏组件结构上的平面部份，以使该平面部份具有许多非平坦的小切面，并使多数出射光的出射角小于临界角而光不至于全反射回组件结构中。这种粗糙化方法包括一平面的随机蚀刻步骤，如先沉积粒子于该平面之上，接着再以该等粒子作为随机蚀刻罩幕，但如此形成的平面图案至少有以下二大缺点1、p型电极中可能存有一些小岛状结构，这些岛状结构下方的部份未触及p型电极接触，因此该部份无法贡献发光，总体输出光亦随之下降。
2、由于该组件结构上平面与下方发光区相当靠近，蚀刻方式的使用极可能破坏发光区，如此又增添了导致另一发光量下降的因素。
由此可见，上述现有的发光组件及其制造方法仍存在有缺陷，而亟待加以进一步改进。为了解决发光组件及其制造方法存在的问题，相关厂商莫不费尽心思来谋求解决之道，但长久以来一直未见适用的设计被发展完成，而一般产品又没有适切的结构能够解决上述问题，此显然是相关业者急欲解决的问题。
有鉴于上述现有的氮化镓系发光二极管(LED)结构存在的缺陷，确有必要提出一种具有高光取出效率的氮化镓系发光二极管(LED)结构。本发明人基于丰富的实务经验及其专业知识，积极加以研究创新，经过不断研究、设计，并经反复试作样品及改进后，终于创设出确具实用价值的本发明。
发明内容
本发明的目的在于，克服上述现有的发光组件存在的缺陷，而提出一种新型结构的氮化镓系发光二极管组件，所要解决的技术问题是使其具有较高的光取出效率，从而更加适于实用。
本发明的另一目的在于，克服上述现有的发光组件的制造方法存在的缺陷，而提供一种新的氮化镓系发光组件的制造方法，使得制造该氮化镓系发光二极管组件(LED)的方法其制造步骤不复杂烦冗。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种氮化镓系发光组件，该氮化镓系发光组件至少包括一发光体，为一能发光的氮化镓系材料所组成一光取出层，其至少包括一电流散布层，位于该发光体上；以及一微结构层，位于该电流散布层之上，为一具纳米网络(nano-net)结构的氮化钛层。
本发明的目的及解决其技术问题还可以采用以下的技术措施来进一步实现。
前述的氮化镓系发光组件，其中所述的发光体为一n型氮化镓系层、一半导体主动层及一p型氮化镓系层构成，其中该半导体主动层位于该n型氮化镓系层上，该p型氮化镓系层则位于该主动层上。
前述的氮化镓系发光组件，其中所述的发光组件具有一p型电极及一n型电极，且该p型电极是形成于该微结构层上或该微结构旁与该电流散布层旁。
前述的氮化镓系发光组件，其中所述的氮化钛纳米网络是由氮化一钛层形成。
前述的氮化镓系发光组件，其中所述的微结构层，可为一具金属簇(metal clusters)结构的铂层，而该铂层金属簇结构是由回火该铂层而获得。
前述的氮化镓系发光组件，其中所述的微结构层，可为一含金属簇层。
本发明的目的及解决其技术问题是还采用以下的技术方案来实现。依据本发明提出的一种制造一氮化镓系发光组件的方法，其至少包括下列步骤备制一基材；形成一n型氮化镓系层于该基材上；形成一半导体主动层于该n型氮化镓系层；形成一p型氮化镓系层于该半导体主动层上；形成一电流散布层于该p型氮化镓系层上；以及形成一微结构层于该电流散布层上。
本发明的目的及解决其技术问题还可以采用以下的技术措施来进一步实现。
前述的制造一氮化镓系发光组件的方法，其中所述的形成一微结构层于该电流散布层上的步骤后还包括形成一p型电极及一n型电极于该发光组件上的步骤，且该p型电极是形成在该微结构层上或该微结构层与该电流散布层旁。
前述的制造一氮化镓系发光组件的方法，其中所述的形成一微结构层于该电流散布层上的步骤中，是利用先形成一钛层在该p型氮化镓系层上、接着再对该钛层用氮化的方式制成。
前述的制造一氮化镓系发光组件的方法，其中所述的形成一微结构层于该电流散布层上的步骤中，是利用先形成一铂层于该p型氮化镓系层上、接着再对该铂层用回火的方式制成。
本发明的目的及解决其技术问题是还采用以下的技术方案来实现。依据本发明提出的一种氮化镓系发光组件，其至少包括一基材；一金属反射层，位于该基材之上；一p型氮化镓系层，位于该金属反射层之上；一半导体主动层，位于该p型氮化镓系层上；一n型氮化镓系层，位于该半导体主动层上；以及一微结构层，位于该n型氮化镓系层之上，为一具纳米网络(nano-net)结构的氮化钛层或一具金属簇结构的铂层。
本发明的目的及解决其技术问题还可以采用以下的技术措施来进一步实现。
前述的氮化镓系发光组件，其中所述的发光组件的导电金属基材下方具有一p型电极，并在该微结构层上具有一n型电极。
前述的氮化镓系发光组件，其中所述的氮化钛纳米网络是由氮化一钛层形成的，该铂层金属簇结构则是由回火一铂层所获得。
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。由以上技术方案可知，为了达到前述发明目的，本发明的主要技术内容如下本发明在氮化镓系LED结构的电流散布层上形成一微结构表面，借由该微结构降低该电流散布层的光全反射，并因此可达成上述提升发光效率的目的。
本发明具有微结构表面LED组件结构有二主要实施例。在本发明第一组件结构实施例中，一氮化钛(TiN)层形成在该电流散布层上，并共同构成一光取出双层结构，该双层结构位于一发光体上。该氮化钛层具有一微结构，该微结构实际上是一纳米网络(nano-net)结构；借由该微结构，该发光体中一半导体主动层所产生的光能够比较有效的避免全反射的发生。
在本发明第二组件结构实施例中，一铂(Pt)层形成在该电流散布层上，并共同构成一光取出双层结构，该双层结构位于一发光体上。该铂层具有一微结构，该微结构实际上是一具有金属簇(metal clusters)的结构；借由该微结构，该发光体中一半导体主动层所产生的光能够比较有效的避免全反射的发生。
在本发明的第一组件制造方法实施例中，一氮化镓系发光体结构先予形成；一电流散布层接着形成在该发光体上；接着在该电流散布层上形成一钛层；接着对该钛层加以氮化处理(nitridation)，使其具有一具有纳米网络结构的氮化钛微结构表面。
在本发明的第二组件制造方法实施例中，一氮化镓系发光体结构先予形成；一电流散布层接着形成在该发光体上；接着在该电流散布层上形成一铂层；接着对该铂层进行回火处理，使其具有一具有金属簇结构的铂微结构表面。
经由上述可知，本发明的发光组件，其至少包括一发光体及一光取出层，其中该发光体为加以能量后能发光的氮化镓系材料所组成；该光取出层为一电流散布层及一微结构层所组成，位于该发光体上，在某些发光组件结构中则仅为一微结构层。其中，该微结构层可制为一纳米网络(nano-net)结构，为一氮化钛层，是经氮化一钛层而获得；该微结构层也可制为一具有金属簇(metal clusters)的层膜，为一铂层，且为一经回火处理的铂层。
借由上述技术方案，本发明至少具有下列优点本发明氮化镓系发光二极管(LED)发光效率的提升技术，能够达到提升发光效率的目的，其不仅具有上述降低全反射及提升光取出效率的优点，而且相对于现有技术通过蚀刻获得粗糙表面结构的发光组件而言，本发明组件结构的制造不复杂烦冗，其光取出层极适合为各种发光组件所采用。
综上所述，本发明特殊的氮化镓系发光组件及其制造方法，克服了上述现有的发光组件存在的缺陷，提高了氮化镓系发光组件光取出效率，同时其制造步骤也有较大的简化，并在同类产品中未见有类似的结构设计或方法公开发表或使用而确属创新，其不论在结构上、功能上或方法上皆有较大的改进，在技术上有较大的进步，并产生了好用及实用的效果，且较现有的发光组件及其制造方法具有增进的多项功效，从而更加适于实用，而具有产业的广泛利用价值，诚为一新颖、进步、实用的新设计。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
图1是现有习用的氮化镓系发光二极管组件的结构前视示意图。
图2是本发明的第一组件结构实施例的示意图。
图3是本发明的第二组件结构实施例的示意图。
图4是本发明的第一制造方法实施例，用以制造第一组件结构实施例。
图5是本发明的第二制造方法实施例，用以制造第二组件结构实施例。
图6是本发明的微结构用于另一型发光组件结构的示意图。
图7是本发明的微结构层用于一隧透接面(tunneling junction)发光组件上的结构示意图。
图8是本发明的微结构层用于一垂直发光组件结构上的结构示意图。
10发光二极管结构 16p型半导体层17电流散布层 18p型电极20第一组件结构21基材22缓冲层 23n型氮化镓系层24半导体主动层25p型氮化镓系层26接触层 27光取出层28电流散布层 29微结构层30p型电极 31n型电极40第二组件结构41基材42缓冲层 43n型氮化镓系层44半导体主动层45p型氮化镓系层46接触层 47光取出层48电流散布层 49微结构层
50p型电极 51n型电极80发光组件结构85p型接触层86电流散布层 87微结构层88p型金属电极 90隧透接面发光组件结构92n型氮化镓系层 94p型氮化镓系层95p+型氮化镓系层 96n+型氮化镓系层97微结构层98p型电极99n型电极 100垂直发光组件结构101金属基材 102金属反射层103p型氮化镓系层 104半导体主动层105n氮化镓系层106微结构层107n型电极具体实施方式
以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的氮化镓系发光组件及其制造方法其具体实施方式
、结构、特征及其功效，详细说明如后。
本发明关于具有微结构表面的光取出层的提出，用来通过全反射的降低而达到提高出射光在光取出层中的光取出效率的作用，现将其结构具体说明如下。
本发明的氮化镓发光组件结构，包括二个主要实施例，请参阅图2所示，是本发明的第一组件结构20的实施例。在图2中，一基材21先备制完成，该基材可为蓝宝石、氮化镓或碳化硅等适用材料。一n型氮化镓系层23、一半导体主动层24及一p型氮化镓系层25依序形成于基材21上，用以在一电压或电流供入该等层膜即n型氮化镓系层23、半导体主动层24及p型氮化镓系层25时产生光，在此称该三层即n型氮化镓系层23、半导体主动层24及p型氮化镓系层25为发光体；其中，该半导体主动层24可为AlGaInN层或InGaN/GaN层等。其中，基材21与n型氮化镓系层23之间可选择性设以一缓冲层22，用以使缓冲层22旁的两层基材21和n型氮化镓系层23，使其具有较好的晶格匹配度等。接着，p型氮化镓系层25上设以一p型接触层26，该p型接触层26上再设以一光取出层27，其中该接触层26可为p-InGaN或p-AlInGaN层等。该光取出层27为一电流散布层28及一微结构层29构成的双层结构。其中，电流散布层28为透明导电材料制成，至少可为常用的镍/金(Ni/Au)双层结构、镍(Ni)、铂(Pt)、钯(Pd)、铑(Rh)、钌(Ru)、锇(Os)、铱(Ir)、锌(Zn)、铟(In)、锡(Sn)、镁(Mg)及上述物质的氧化物，该等氧化物中也可添加掺杂物，以增加导电性，如可以掺杂铝；其透光波长范围则依发光体选用材料而有不同，通常以能使发光体发出的光大量穿透其中为原则。
该微结构层29为一具纳米网络(nano-net)结构的层膜，且其材料为氮化钛；为了附图的清晰，其实际表面样式未示于图中。由于氮化钛的纳米网络结构为极微细尺寸的粗糙结构，半导体主动层24产生的光子在通过该纳米网络微结构层29时能有更大部份以小于临界角的角度出射，因此更多数的产生光子可以自该组件结构中输出。相较于常用的粗糙表面发光组件结构而言，由于本发明的微结构尺寸远远小于习用粗糙结构，因此光子能够以小于临界角出射的远远较多，故其全反射程度得以降低，光取出效率因此大增。
另外，一p型电极30设在该微结构层29上，一n型电极31则可设在n型氮化镓系层的一侧上，用以供电流进发光组件的发光体中(如图2所示)。
请参阅图3所示，是本发明的第二组件结构40的实施例，其包括有基材41、缓冲层42、n型氮化镓系层43、半导体主动层44、p型氮化镓系层45、p型接触层46、电流散布层48、微结构层49与电极50、51，其与第一组件结构实施例的多数层膜相同，但其光取出层47的微结构层49不相同。在该实施例中，该微结构层49为一经过回火的铂(Pt)层，其中具有金属簇(metal clusters)结构，因不易表示而未显示在图中。同样地，由于金属簇结构的尺寸远小于现有技术中的粗糙结构，因此能够以小于临界角出射的光子比例大幅增加；由于光子全反射机率的减小，光取出效率当然由此大大提升。
请参阅图4所示，是本发明第一组件结构实施例的制造方法。该方法包括以下一些步骤首先，备制一基材61的步骤为先备制完成一基材；形成一缓冲层选择性于该基材上62的步骤为一缓冲层选择性形成于该基材上，其形成可以通过分子束磊晶(MBE)及金属有机化学气相沉积(MOCVD)等适用技术进行。然后，形成一n型氮化镓系层该缓冲层上63的步骤为一n型氮化镓系层形成于该缓冲层上、形成一半导体主动层该n型氮化镓系层上64的步骤为一半导体主动层形成于该n型氮化镓系层上、形成一p型氮化镓系层该半导体主动层上65的步骤为且一p型氮化镓系层形成于该半导体主动层上。之后，形成一接触层形成于该p型氮化镓系层上66的步骤为一接触层形成于该p型氮化镓系层上。接着，形成一电流散布层于该接触层上67的步骤为形成一电流散布层于该接触层上，接着，形成一钛层于该电流散布层上68的步骤为形成一钛层于该电流散布层上。然后，形成一具有纳米网络结构的氮化钛层69的步骤为对该钛层加以氮化，藉以形成一具有纳米网络结构的氮化钛层。此外，微结构层上能够形成以一p型电极，n型氮化镓材料层的一侧上能够形成以一n型电极，如此上述第一组件结构实施例的制造便完成。
请参阅图5所示，是本发明第二组件结构实施例的制造方法，其中步骤71至77与图4所示的步骤61至67相同，步骤78及79则不同于图4的步骤68及69。本实施例在电流散布层形成之后，形成一铂层于该电流散布层上78的步骤为一铂层再形成于该电流散布层上，形成一具金属簇结构的铂层79的步骤为该铂层接着再进行回火处理，藉以获得一具金属簇结构的铂层。此外，微结构层上从而形成一p型电极，n型氮化镓材料层的一侧上从而形成以一n型电极，如此上述第二组件结构实施例的制造便完成。
请参阅图6所示，是一p型金属电极88设在电流散布层86旁而非其上的发光组件结构80，其包括基材81、n型氮化镓系层82、半导体主动层83、p型氮化镓系层84、p型接触层85，而一氮化镓系电流散布层86形成于p型接触层85上，p型金属电极88接着设于氮化镓系电流散布层86之旁及部份区域，本发明的微结构层87最后形成于氮化镓系电流散布层86上与金属电极88旁。本结构实施例中，微结构层87因不需参与电流散布的传导工作，故可与p型金属电极88分开形成。
请参阅图7所示，关于本发明的微结构层，其用于一种隧透接面(tunneling junction)发光组件结构上的情形为其中用于其上的微结构层可为上述纳米结构层或含金属簇层，其隧透接面发光组件结构90如图7所示，包括有基材91、n型氮化镓系层92、半导体主动层93，并在p型氮化镓系层94上设有一p+及n+型氮化镓系层95、96，其中n+氮化镓系层96位于p+型层95上方，以下将记作p+/n+型氮化镓系层。接着，本发明的微结构层97直接设在该n+氮化镓系层96上，不需如前述实施例的一电流散布层的存在，因微结构层97下方直接接触的是以电子为主要传导载子的层膜；当然，一电流散布层仍可选择性加入其中。一p型电极98接着设在微结构层97上，一n型电极99则设在n型氮化镓系层92上。
请参阅图8所示，再请看本发明微结构层用于一较特殊的发光组件结构的实施例，其示意说明其垂直结构发光组件结构100。如图8所示，一金属反射层102设于一基材101之上，用于将层膜(包括p型氮化镓系层103、半导体主动层104与n型氮化镓系层105等)所产生的光局限于其上方；该基材101为金属导电材质，用于对p型氮化镓系层103供电，因其n型电极107位于结构100的最上部。由于此结构100无电极送入的电洞的低迁移率低问题，因此不需设以电流散布层，当然也能够选择性加入，特此提出说明。此时，本发明的微结构层106只需直接形成于n型氮化镓系层105上即可。接着，n型电极107于该微结构层106上。
此外，本发明组件结构不仅有上述降低全反射及提升光取出效率的优点，相对于现有技术通过蚀刻获得粗糙表面结构的发光组件而言，本发明组件结构的制造不复杂烦冗，其光取出层极适合为各种发光组件所采用。
本领域技术人员凡而该等范围定义于后述申请专利范围一节中。
本发明的基本实施例已详述于上，以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，能够通过对上述实施例的阅读及了解推衍出各种不同实施例。例如，对于电极设于不同处的发光组件，本发明的双层结构光取出层也可用于其上。总之在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，通过本发明的说明轻易推导出的实施例，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
权利要求
1.一种氮化镓系发光组件，其特征在于该氮化镓系发光组件至少包括一发光体，为一能发光的氮化镓系材料所组成一光取出层，其至少包括一电流散布层，位于该发光体上；以及一微结构层，位于该电流散布层之上，为一具纳米网络(nano-net)结构的氮化钛层。
2.根据权利要求1所述的氮化镓系发光组件，其特征在于其中所述的发光体为一n型氮化镓系层、一半导体主动层及一p型氮化镓系层构成，其中该半导体主动层位于该n型氮化镓系层上，该p型氮化镓系层则位于该主动层上。
3.根据权利要求1所述的氮化镓系发光组件，其特征在于其中所述的发光组件具有一p型电极及一n型电极，且该p型电极是形成于该微结构层上或该微结构旁与该电流散布层旁。
4.根据权利要求1所述的氮化镓系发光组件，其特征在于其中所述的氮化钛纳米网络是由氮化一钛层形成。
5.根据权利要求1所述的氮化镓系发光组件，其特征在于其中所述的微结构层，可为一具金属簇(metal clusters)结构的铂层，而该铂层金属簇结构是由回火该铂层而获得。
6.根据权利要求1所述的氮化镓系发光组件，其特征在于其中所述的微结构层，可为一含金属簇层。
7.一种制造一氮化镓系发光组件的方法，其特征在于其至少包括下列步骤备制一基材；形成一n型氮化镓系层于该基材上；形成一半导体主动层于该n型氮化镓系层；形成一p型氮化镓系层于该半导体主动层上；形成一电流散布层于该p型氮化镓系层上；以及形成一微结构层于该电流散布层上。
8.根据权利要求7所述的氮化镓系发光组件的制造方法，其特征在于其中所述的形成一微结构层于该电流散布层上的步骤后还包括形成一p型电极及一n型电极于该发光组件上的步骤，且该p型电极是形成在该微结构层上或该微结构层与该电流散布层旁。
9.根据权利要求7所述的氮化镓系发光组件的制造方法，其特征在于其中所述的形成一微结构层于该电流散布层上的步骤中，是利用先形成一钛层在该p型氮化镓系层上、接着再对该钛层用氮化的方式制成。
10.根据权利要求7所述的氮化镓系发光组件的制造方法，其特征在于其中所述的形成一微结构层于该电流散布层上的步骤中，是利用先形成一铂层于该p型氮化镓系层上、接着再对该铂层用回火的方式制成。
11.一种氮化镓系发光组件，其特征在于其至少包括一基材；一金属反射层，位于该基材之上；一p型氮化镓系层，位于该金属反射层之上；一半导体主动层，位于该p型氮化镓系层上；一n型氮化镓系层，位于该半导体主动层上；以及一微结构层，位于该n型氮化镓系层之上，为一具纳米网络(nano-net)结构的氮化钛层或一具金属簇结构的铂层。
12.根据权利要求11所述的氮化镓系发光组件，其特征在于其中所述的发光组件的导电金属基材下方具有一p型电极，并在该微结构层上具有一n型电极。
13.根据权利要求11所述的氮化镓系发光组件，其特征在于其中所述的氮化钛纳米网络是由氮化一钛层形成的，该铂层金属簇结构则是由回火一铂层所获得。
全文摘要
本发明是关于一种氮化镓系发光组件及其制造方法。该发光组件至少包括一发光体及一光取出层，其中该发光体为加以能量后能发光的氮化镓系材料所组成；该光取出层为一电流散布层及一微结构层所组成，位于该发光体上，在某些发光组件结构中则仅为一微结构层。其中，该微结构层可制为一纳米网络(nano－net)结构，为一氮化钛层，是经氮化一钛层而获得；该微结构层也可制为一具有金属簇(metal clusters)的层膜，为一铂层，且为一经回火处理的铂层。
文档编号H01L33/00GK1661816SQ20041000638
公开日2005年8月31日 申请日期2004年2月27日 优先权日2004年2月27日
发明者洪详峻, 赖穆人 申请人:炬鑫科技股份有限公司