專利名稱：發(fā)光裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及制造全向反射器(Omni-directional reflector)的方法與系統(tǒng)，且 特別涉及適用于發(fā)光二極管(LightEmittingDiode， LED)的全向反射器的形成 方法與系統(tǒng)。
背景技術：
發(fā)光二極管通常是由第一接觸層、有源層、以及第二接觸層所構成的二 極管，當施予正向偏壓時會產(chǎn)生光，而所產(chǎn)生的光會由有源層朝所有方向發(fā) 散。然而，在大部分情況需要將光線引導到一特定方向，如果沒有任何反射 器的話，在特定方向的光量將只會占一小部分。此外，如果LED是形成在 會吸光的基板上，例如硅基板，則朝向基板發(fā)散的光線將被基板吸收而損失 大半。 一般而言，射向硅基板的光線僅有10%以下會被反射回來。
為解決上述問題，可在LED上設置反射器以將光線引導到所需的方向 并遠離吸光基板。傳統(tǒng)的反射器包括布拉格反射層(Distributed Bragg Reflectors, DBRs)，其使用不同折射率的材料交替形成多層膜以反射光線。然 而，布拉格反射層并非全向(Omnidirectional)，當入射光的角度相對于布拉格 反射層的法線增加時，其反射率下降，而使LED的發(fā)光效率也隨之下降。
因此，業(yè)界亟需一種改良的反射器，以在更大范圍的入射角提供更好效率。

發(fā)明內容
為了解決現(xiàn)有技術中存在的上述問題，本發(fā)明提供一種發(fā)光裝置，包括-一基板； 一反射層位于基板上； 一光子晶體層位于反射層上；以及， 一發(fā)光 二極管位于光子晶體層上。
本發(fā)明另提供一種發(fā)光裝置，包括 一基板； 一反射層位于基板上；一 準直器位于反射層上；以及， 一發(fā)光二極管位于準直器上。本發(fā)明更提供一種發(fā)光裝置，包括 一第一基板； 一發(fā)光二極管位于該
第一基板上；以及， 一反射器位于發(fā)光二極管與第一基板之間，其中反射器
包括 一反射層以及一光子晶體層。
本發(fā)明能夠在更大范圍的入射角提供更好效率。
為讓本發(fā)明的上述和其他目的、特征、和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉 出較佳實施例，并配合附圖，作詳細說明如下。


圖1A-圖1D顯示本發(fā)明中于反射層上形成光子晶體層的實施例。 圖2A-圖2C顯示將LED結構形成在第二基板上，然后結合至光子晶體 層的實施例。
圖3A-圖3B顯示本發(fā)明中于光子晶體層上形成反射層的實施例。 圖4A-圖4B顯示將LED結構形成在第二基板上，然后結合至反射層的 實施例。
上述附圖中的附圖標記說明如下
101~第一基板
103~反射層
105 光子晶體層
106~基體材料
107 LED結構
108 介電材料點陣
109 第一接觸層
111 有源層
113 第二接觸層
201~第二基板
203 金屬層
具體實施例方式
以下實施例將以具有全向反射器的LED為例進行說明，但本發(fā)明也可 應用于其他反射層。圖1A顯示一第一基板101，其上具有一反射層103。第一基板101較佳 為一藍寶石或半導體基板。應注意的是，雖然本發(fā)明的實施例是以藍寶石或 硅基板為例進行說明，但本發(fā)明也可使用其他基板，例如絕緣層上覆硅(SOI) 基板、SiC基板、MgAb04基板等。在較佳實施例中可選用硅基板，因為其 具有低成本與降低LED結構中殘余應力的優(yōu)點。此外，雖然較佳使用具有 (11 l)表面晶向的基板，但也可以使用具有(lIO)或(IIO)表面晶向的基板。
反射層103較佳形成在第一基板101上以反射來自LED的光線，此LED 將于后續(xù)步驟形成在反射層103上方(將配合圖ID描述)。反射層103較佳為 布拉格反射層(DBR)以將光線反射至遠離第一基板101的方向，當光線的入 射角較大時(相對于DBR表面約90度角時)，此反射層具有高效率。然而， 當光線的入射角較小時(例如小于約80度)，反射層103的效率較差。
反射層103較佳是由折射率高低不同的材料交替堆疊所形成，以捕捉并 反射入射光。舉例而言，反射層103較佳包含介電材料的交替堆疊，例如氧 化鈦、GaN、 AlGaN、 Iny(GaxAli-x)Pi-y、 InyAli-yP、氧化硅等。此外，反射層 103也可由金屬或非金屬材料構成。當兩層材料具有足夠大的折射率差異時 (例如20%)，反射層103可能只包含5組交替的材料層。然而，當兩層材料 的折射率差異比較小時(例如2%)，反射層103可能需荽20組交替的材料層。 較佳者，反射層103包含約10組交替的材料層。
反射層103較佳是由化學氣相沉積法(CVD)或外延成長工藝如分子束外 延(molecular beam epitaxy, MBE)所形成，但也可使用其他方法如金屬有機化 學化學氣相沉積法(MOCVD)、氫化物氣相外延(hydride vapor phase epitaxy, HVPE)、液相外延(liquid phase epitaxy, LPE)等。此外，雖然每一層的厚度會 受限于各種設計上的限制，但較佳是根據(jù)所欲反射的光線的波長、材料的折 射率來決定。例如，GaN的折射率為2.5，當使用GaN層反射波長480nm的 光線時，GaN層的厚度較佳為480nm除以4倍GaN的折射率，也即48nm。
本領域普通技術人員當可理解，以上關于反射層103的材料、形成方法、 尺寸等描述僅為舉例說明，因此也可使用其他材料例如AkGai-xAs與 AlxGaxAs的交替層，其他工藝如金屬有機化學氣相沉積法(MOCVD)來形成 反射層103。此外，交替層的數(shù)量可以依照整體的設計需求，比上述實施例 更多或更少?？捎脕硇纬煞瓷鋵?03的任何材料、形成方法、尺寸皆應屬于本發(fā)明的范圍內。
請參照圖1B，于反射層103上形成光子晶體層105。光子晶體層(photonic crystal layer)105較佳以二維方式反射光線(例如，大致平行于第一基板101 的X-Y平面)，并允許光線從一第三維方向通過(例如，垂直于第一基板101 的Z方向)。通過上述方式，光子晶體層105可準直LED結構107(形成于光 子晶體層105上，將配合圖1D描述)所發(fā)出的光線，因此當光線以低效率的 角度欲進入反射層103時將被導正成近乎直角。如此一來，可增加反射層103 的效率，使得在所欲方向的總光線增加。
圖1C.顯示光子晶體層105的平面圖，其較佳是由基體材料(base materia1)106與介電材料點陣(lattice)108所構成?；w材料106較佳包含由 MOCVD所形成的GaN，但也可使用其他材料如AlGaN或Si，并可由其他 工藝形成如HVPE、 LPE等?；w材料106的厚度較佳約10-5000nm，更佳 約1000nm。
當形成基體材料106后，介電材料點陣108較佳形成在基體材料106中。 基體材料106中的介電材料點陣108使得光子晶體層105對某一方向(例如， 垂直于第一基板101的Z方向)而言為同質(homogenous)，但對其他兩方向(例 如，大致平行于第一基板101的X， Y方向)而言為非同質。此種非同質性使 得光子晶體層105可以反射來自兩非同質方向的光線，但不反射來自同質方 向的光線，因此可用準直(collimating)Z方向的光線。
介電材料點陣108較佳包含多個柱狀物，以重復點陣形式形成于基體材 料106中。介電材料的個別區(qū)域較佳為圓形(如圖1C的平面圖所示)，但也可 為任何適當?shù)男螤?，例如長方形、正方形、六邊形、三角形、蜂巢形等，且 其間距約10-1000nm，較佳約500nm。此外，介電材料點陣108較佳延伸穿 過整個基體材料106，但也可視光子晶體層105的整體設計而定，僅穿過部 分的基體材料106。
介電材料點陣108較佳包含一折射率與基體材料106不同的介電材料， 例如空氣、氧化硅、氧化鈦、GaN、 AlGaN等。介電材料點陣108的形成方 式，較佳先以光刻工藝在基體材料106上形成遮蔽，使基體材料106露出的 部分具有介電材料點陣108所需的形狀。接著，對基體材料106露出的部分 進行蝕刻以形成點陣孔洞。接著，以MBE、 HPVE、 LPE、 CVD、 PVD等工藝將材料填入點陣孔洞，然后通過拋光或蝕刻將多余的材料去除。此外，也 可讓點陣孔洞保持開放，使其填入空氣。
圖1D顯示一 LED結構107形成在光子晶體層105上。LED結構107 較佳包括第一接觸層109、有源層lll、及第二接觸層113。第一接觸層109
作為發(fā)光二極管的一部分，較佳包括m-v族化合物。III-V族化合物包括一
III族元素與一V族元素，例如是GaN、 InN、 A1N、 AkGai-xN、 Aklni-xN、 AklnyGai-x-yN、或前述的組合，并摻雜有第一導電型態(tài)的摻質(例如n-GaN)。 第一接觸層109較佳是由外延工藝形成，例如MBE，但也可使用其他工 藝如MOCVD、HVPE、LPE等。第一接觸層109的厚度約l-6(am，較佳約2|im。 第一接觸層109較佳在形成過程中進行原處(in-situ)摻雜，其濃度約 lxl016cm-3至lxl019cm-3，較佳約lxl018cm-3，但也可使用離子注入或擴 散方式進行摻雜。
有源層111較佳形成在第一接觸層109上。有源層111用來控制所發(fā)出 的光線的波長，例如通過控制有源層lll成分中的組成比例，可調整材料的 帶隙(bandgap)，因此可控制LED結構107的發(fā)光波長。
有源層111較佳包含多重量子阱(Multiple quantum wells, MQWs)結構， 例如InGaN層、GaN層、AbdnyGai-x-yN層(OSxSl)等。有源層lll可包含任 何數(shù)量的量子阱，例如5-20個量子阱，各約30-100A厚。多重量子阱較佳是 利用第一接觸層109作為成核層以MOCVD方式外延形成，但也可使用其他 工藝如MBE、 HVPE、 LPE等形成。
第二接觸層113較佳形成在有源層111上。第二接觸層U3作為發(fā)光二 極管的另一部分，與第一接觸層109共同構成二極管。第二接觸層113較佳 包括III-V族化合物，例如是GaN、 InN、 A1N、 AkGai-xN、 Aklni-xN、 AklnyGai-x-yN、或前述的組合，并摻雜有第二導電型態(tài)的摻質(例如p-GaN)， 其與第一接觸層109的第一導電型態(tài)相反。
第二接觸層113較佳是由外延工藝形成，例如MBE，但也可使用其他工 藝如MOCVD、 HVPE、 LPE等。第二接觸層113的厚度約0.1-2|im，較佳約 0.3pm。第二接觸層113較佳在形成過程中進行原處(in-situ)摻雜，其濃度約 lxl017cm-3至lxl021cm-3，較佳約lxl019cm-3，但也可使用離子注入或擴 散方式進行摻雜。通過在反射層103上形成光子晶體層105可提供一全向反射器(Omni-directional reflector)。此全向反射器可準直LED結構107所發(fā)出的光線，當光線以較大的角度(相對于反射層103的法線)欲進入反射層103時，將被準直成較小的角度。如此一來，反射層103可以反射更多來自LED結構107所發(fā)出的光線，使得在所欲方向的總光量增加。
圖2A顯示本發(fā)明另一實施例，其中LED結構107形成在第二基板201上，然后貼附在圖1B的結構。此實施例特別適用于當光子晶體層105的材料(如氧化硅)無法作為外延晶種層的情況。在此實施例中，第二基板201較佳類似于第一基板101且較佳包含類似材料。但在其他實施例中，第二基板201也可包含與第一基板101不同的材料與結構。
第一接觸層109、有源層111、及第二接觸層113的材料與形成方式較佳類似于圖1D的描述。然而，在此實施例中，這些層的形成順序最好相反。例如，形成p在上的LED結構107時，p型導電第二接觸層113較佳形成在第二基板201上，有源層111較佳形成在第二接觸層113， n型導電第一接觸層109較佳形成在有源層111上。如此一來，當?shù)谝换?01與第二基板201的結構結合時，p型導電第二接觸層113將會最遠離第一基板101，形成p在上的LED結構107。
圖2B顯示將第二基板201上的第一接觸層109結合至第一基板101上的光子晶體層105。第一接觸層109與光子晶體層105較佳以金屬-金屬方式結合，其可利用一層薄金屬(未顯示)例如鎳、金等形成在第一接觸層109與光子晶體層105的表面。上述薄金屬層可利用CVD或PVD方式形成，且厚度約5-500nm，較佳約100nm。 一旦形成薄金屬層后，將之加熱到200-1000。C，較佳約400°C，以形成結合第一接觸層109與光子晶體層105的單一金屬層203。
請參見圖2C，將第一接觸層109與光子晶體層105結合后，將第二基板201去除，以露出LED結構107。第二基板201的去除較佳可用化學機械研磨(CMP)與噴水(waterjet)或用化學蝕刻，但也可使用其他合適的工藝來去除第二基板201以露出第二接觸層113。
圖3A顯示本發(fā)明的另一實施例，其中光子晶體層105較佳形成在第一基板101上，且反射層103較佳形成在光子晶體層105上。在此實施例中，光子晶體層105的材料與工藝較佳類似于圖1B-圖1C的描述(例如基體材料與介電材料點陣)。接著，以類似圖1A所描述的工藝與材料將反射層103形成在光子晶體層105上。從第一基板101方向射入至反射層103的光線將被光子晶體層105與反射層103準直并反射。
請參見圖3B，在反射層103上形成LED結構107，且此LED結構107與光子晶體層105隔開。與圖1D類似，此實施例的LED結構107包含第一接觸層109、有源層111、及第二接觸層113。 LED結構107較佳為p在上的LED結構107，其具有n型第一接觸層109與p型第二接觸層113。第一接觸層109、有源層111、及第二接觸層113的形成方式與材料也與圖ID所述類似。
圖4A顯示本發(fā)明的再一實施例，其中光子晶體層105較佳形成在第一基板101上，且反射層103較佳形成在光子晶體層105上。然而，在此實施例中，LED結構107并非形成在反射層103上，而是形成在第二基板201上，然后以類似圖2B的方式結合到反射層103上(例如，金屬-金屬結合)。
請參見圖4B，將LED結構107與反射層103結合后，將第二基板201去除。第二基板201較佳可使用研磨或蝕刻方式去除，如圖2C所述。去除第二基板201后較佳露出LED結構107的上表面以進行后續(xù)的工藝。
當上述實施例的結構完成后，可進行后續(xù)工藝以完成LED裝置的制作。例如，分別在第一接觸層109及第二接觸層113上形成電性接點(前側和/或背側)、形成保護層、并將LED裝置切粒與封裝。
應注意的是，除了上述具有全向反射器的LED外，也可視基板與第一、第二接觸層109、 113的種類形成其他膜層，例如緩沖層。舉例而言，當使用SiC與Si基板時，可使用A1N或AlGaN作為緩沖層以幫助在基板上外延
成長m-v族化合物。
LED結構107也可根據(jù)材料的種類與應用而有各種變化。因此，本發(fā)明的實施例也可涵蓋各種不同的LED結構來搭配全向反射器。
雖然本發(fā)明已以數(shù)個較佳實施例揭示如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何所屬技術領域中的普通技術人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內，當可作任意的更動與潤飾，例如雖然上述實施例是描述p在上的LED，但本發(fā)明也可形成n在上的LED，因此本發(fā)明的保護范圍當視所附的權利要求所界定的范圍為準。
權利要求
1.一種發(fā)光裝置，包括一基板；一反射層位于該基板上；一光子晶體層位于該反射層上；以及一發(fā)光二極管位于該光子晶體層上。
2. 如權利要求1所述的發(fā)光裝置，還包括一金屬結合層介于該光子晶體 層與該發(fā)光二極管之間。
3. 如權利要求1所述的發(fā)光裝置，其中該發(fā)光二極管與該光子晶體層共 享一界面。
4. 如權利要求1所述的發(fā)光裝置，其中該反射層包含一布拉格反射層。
5. 如權利要求1所述的發(fā)光裝置，其中該光子晶體層包含一第一材料點 陣位于一第二材料中，且該第一材料與第二材料具有不同的折射率。
6. 如權利要求1所述的發(fā)光裝置，其中該光子晶體層對第一方向為同質， 對第二方向與第三方向為非同質。
7. 如權利要求1所述的發(fā)光裝置，其中該光子晶體層包含GaN、 Si、或介電材料。
8. —種發(fā)光裝置，包括一第一基板；一發(fā)光二極管位于該第一基板上；以及一反射位于該發(fā)光二極管與該第一基板之間，其中該反射包括 一反射層；以及 一光子晶體層。
9. 如權利要求8所述的發(fā)光裝置，其中該光子晶體層位于該反射層與該 發(fā)光二極管之間。
10. 如權利要求9所述的發(fā)光裝置，其中該發(fā)光二極管與該光子晶體層直 接接觸。
11. 如權利要求8所述的發(fā)光裝置，其中該反射層包含一布拉格反射層。
12. 如權利要求8所述的發(fā)光裝置，其中該光子晶體層包含GaN、 Si、或 介電材料。
13. 如權利要求8所述的發(fā)光裝置，還包括一金屬層位于該光子晶體層與 該發(fā)光二極管之間。
14. 如權利要求8所述的發(fā)光裝置，其中該光子晶體層對第一方向為同 質，對第二方向與第三方向為非同質。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種發(fā)光裝置，尤其揭示了制作發(fā)光二極管的系統(tǒng)與方法，在較佳實施例中，形成一布拉格反射層于一基材上，并于布拉格反射層上形成一光子晶體層以準直射入布拉格反射層的光線，借此增加布拉格反射層的效率。第一接觸層、有源層、及第二接觸層可直接形成于光子晶體層上，或貼附至光子晶體層上。本發(fā)明能夠在更大范圍的入射角提供更好效率。
文檔編號F21S2/00GK101655192SQ20091014050
公開日2010年2月24日 申請日期2009年5月6日 優(yōu)先權日2008年8月18日
發(fā)明者余振華, 邱文智, 陳鼎元 申請人:臺灣積體電路制造股份有限公司