CN100399588C - 点光源发光二极管结构及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明有关一种点光源发光二极管结构及其制造方法。此方法至少包括：提供一基板，于基板之上形成一磊晶结构，此一磊晶结构至少包括缓冲层、多个n型或p型局限层、以及主动层；于磊晶结构之上形成第一电极层；形成一绝缘层与磊晶结构以及第一电极层接合；形成一金属层与第一电极以及该绝缘层接合；图案化金属层，在金属层内形成一接触层以及一连接桥；平台蚀刻磊晶结构，至少在接触层下方剩余的磊晶结构内形成一发光区；形成一第二电极；沉积并图案化钝化层，以形成一打线层。

Description

点光源发光二极管结构及其制造方法

技术领域

本发明有关一种发光二极管(Light-Emitting Diode；LED)及其制造方法，特别是有关一种具有晶面外观改良的点光源发光二极管及其制造方法。

背景技术

发光二极管为一种能自然放射出不同波长的光线的p-n接面二极管。由于发光二极管具有低耗电量、低发热量、使用寿命长、耐撞击、体积小、反应速度快以及可发出稳定波长的色光等良好光电特性，因此常应用于家电、仪表的指示灯、光电产品的应用光源以及光电通讯领域。

由于发光二极管的可靠性要高，光耦合进入纤维的比率大，因此已成为光纤通讯中重要的主动元件(active component)。为增加发光二极管的光耦合进入光纤的百分比，需要选择发光角度小的产品，一般而言点光源发光二极管耦合效率比大面型光源来得好。然而，传统的发光二极管的打线区常位于晶粒中央，严重干扰光形，大幅降低发光二极管与光纤的耦合效率。

为解决此一问题，在发光二极管的光出射端外加一透镜以集中出射光成为圆形光点的点光源。然而外加透镜必须增加额外制程步骤，并不符成本效益。

另外，美国专利第6,063,643号揭示一种将发光二极管局部电流集中，以增加亮度并集中出射光的方法。在此专利案中，首先，蚀刻发光二极管形成一光出射区。再利用可选择性氧化的磊晶层以及环绕于光出射区的电极，将电流导入发光区，借此除了可以增加发光二极管的出射亮度，且避免干扰光形。然而，使用此一方法必须提供用可选择性氧化的磊晶材质层，例如，砷化铝镓(AlGaAs)或砷化铝(AlAs)，而且进行选择性氧化制程会增加制程复杂性，大幅增加制程成本。

日本未审定申请案第Heisei 2-174272号揭示另一种将发光二极管局部电流集中，以增加亮度并集中出射光的方法。首先，蚀刻发光二极管形成一发光区。再利用金属离子布植与扩散制程、蚀刻制程以及形成环绕于光出射区的电极，将电流导入发光区，借此除了可以增加发光二极管的出射亮度，且避免干扰光形。然而，使用离子布植与扩散制程必须在高温中进行，可能会造成发光二极管的磊晶层的劣化，进而影响光元件的效能。

因此有需要提供一种制程单纯，且可以提高点光源发光二极管亮度并集中射光的晶体表面结构以及其制造方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种制程单纯，且亮度高并集中的点光源发光二极管以及其制造方法，以克服传统发光二极管使用于光纤通讯元件所衍生的光耦合效率低的问题。

根据本发明一方面提供一种点光源发光二极管结构，至少包括：一基板；位于基板上的磊晶结构；位于磊晶结构上的第一电极层与第二电极层；位于磊晶结构之上，且与第一电极层相连接的绝缘层；位于第一电极层上方的接触层；位于绝缘层上方的连接桥；以及位于绝缘层上方并与连接桥相连，且不与第一电极层相连的打线层；而且此一连接桥的宽度小于接触层直径的二分之一。

借助以上所述的结构，可以将发光二极管局部电流集中，借以增加亮度并集中出射光，提供一亮度高且光形良好的点光源。

根据本发明另一方面提供一种点光源发光二极管结构的制造方法，首先提供一基板；接着于基板之上形成一磊晶结构；位于磊晶结构之上形成第一电极层；形成一绝缘层，使绝缘层紧邻于磊晶结构以及第一电极层；形成一金属层，使紧金属层邻于第一电极层以及绝缘层；形成第二电极之后图案化金属层，在金属层内形成一接触层图案以及一连接桥图案；对磊晶结构进行平台蚀刻(Mesa Etch)，使得位于图案下方的磊晶结构层余留下来，沉积并图案化一钝化层，以形成打线层，而完成发光二极管的结构。

本发明是使用传统的制程方法，在不增加制程复杂度以及反应温度的条件之下，克服发光二极管结构因为打线而影响光形的问题，透过以上所述的制程步骤可以提供亮度高、光耦合效率强的点光源发光二极管结构。

附图说明

以下将配合相关的图示具体说明本发明的较佳实施例，以可以清楚理解本发明的目的、特点和。必须强调的是，所有图示都未依照比例绘示。事实上为了描述方便，不同图示都有可能被任意放大或缩小。

图1a是根据本发明的实施例所绘示的点光源发光二极管结构剖面图，其中第一电极层与第二电极层位于基板的相同一侧。

图1b是根据本发明的第一实施例所绘示的图案化的第一电极层的俯视图。

图1c是根据本发明的第一实施例所绘示的点光源发光二极管结构剖面图，其中第一电极层与第二电极层各自位于该基板的相反两侧。

图1d是根据本发明的第一实施例所绘示的接触层、打线层以及连接桥的俯视图。

图1e是根据本发明的第一实施例所绘示的点光源发光二极管晶面结构俯视图。

图2a至图2h是根据本发明的第二实施例所绘示的形成点光源发光二极管的制程结构剖面图。

具体实施方式

本发明提供一种点光源发光二极管元件结构以及其制造方法，适用于光纤通讯元件，具有亮度高、光耦合效率强以及制程单纯等技术优势，无需使用复杂制程即可将出射光集中，得到预期形状的点光源。

本发明的实施例提供了一种光纤通讯元件的点光源发光二极管元件结构，此一点光源发光二极管元件结构至少包括：基板、磊晶结构、第一电极层与第二电极层、绝缘层、接触层、连接桥以及打线层。

请参照图1a，图1a是根据本发明的第一实施例所绘示的点光源发光二极管剖面示意图。在第一实施例的中，磊晶结构102是磊晶生成于基板100之上，其中基板100的材质较佳为n型砷化镓；而磊晶结构102的材质为III-V族的半导体材质，例如磷化镓、砷化铝镓(Ga1-xAlxAs)、氮化镓以及磷砷化镓(GaAs1-yPy)、硫硒化锌(ZnS1-zSez)、磷化铝镓铟(AlGaInP)、氮化铝铟镓(AlInGaN)、硫硒化镁锌(MgZnSSe)或其他由III-V族所组成的半导体材质，而较佳为磷化铝镓铟、砷化铝镓，氮化铝铟镓以及硫硒化镁锌。磊晶结构102中至少包括缓冲层(buffer layer)101、n型局限层(cladding layer)107、主动层(active layer)105以及p型局限层103。在本实施例中，缓冲层101的材质较佳可例如为n型砷化镓，n型局限层107的材质较佳为宽能隙n型磷化铝镓铟，主动层105的材质较佳为窄能隙单层或多重量子井磷化铝镓铟，p型局限层103的材质较佳为宽能隙p型磷化铝镓铟。

p型局限层103具有一图案，至少包括一发光区L。发光区L的形状包括圆形、环形、多边形、十字形或其他图案。在本发明的第一实施例的中，发光区L是为一圆形。在本发明的一些实施例中，图案可以位于n型局限层中，或位于p型局限层中。在本发明的第一实施例中，图案是位于n型局限层中。

第一电极层104与第二电极层106位于磊晶结构102之上，且彼此并不直接接触。在本发明的一些实施例中，第一电极层104与第二电极层106可以位于基板100的相同一侧(请参照图1a)。在本发明的另一些实施例中，第一电极层104与第二电极层106各自位于基板100的相反两侧(请参照图1c)。在本发明中，第一电极层104为一图案化层，位于磊晶结构的光出射表面的发光区L上，与发光区L直接接触。第一电极层104形状包括圆形、环形、多边形、十字形或其他图案。在本发明的第一实施例中，第一电极层104为十字形。请参照图1b，图1b是根据本发明的第一实施例所绘示的图案化的第一电极层104的俯视图。组成第一电极层104与第二电极层106的材质为一种可以与磊晶结构102形成良好电性接触的材质，例如透明导电材质或欧姆金属材质。其中上述的透明导电材质包括氧化铟锡、氧化锌、氧化镉锡、氮化钛钨、氧化铟、氧化锡或氧化镁等，较佳为氧化铟锡、或氧化锌，而欧姆金属材质包括金、银、铝、镍、钛、锗金合金或其他金属。在本发明的第一实施例中，第一电极层104与第二电极层106是由欧姆金属金合金所组成。

请参照图1b，绝缘层108形成于p型局限层103之上，且紧邻第一电极层104，包括氮化硅、二氧化硅、氧化铝聚亚酰胺或其他树酯绝缘材质。

请参照图1d，图1d是根据本发明的第一实施例所绘示的接触层110、打线层112以及连接桥114的俯视图。接触层110位于第一电极层104之上，并与第一电极层104形成电性接触，其中接触层110亦为一图案化导电层，而此图案化导电层的图案包括圆形、环形、多边形、十字形或其他图案。在本发明的第一实施例的中接触层110与第一电极层104相互对准。打线层112位于绝缘层108之上，是用以作为进行打线制程的目标区域。连接桥114连接打线层112及接触层110，为一狭窄的导电通道，通过连接桥114可以使打线层112与接触层110形成电性接触。连接桥114较佳是具有小于发光区L直径范围的二分之一的宽度。在本发明中，接触层110、打线层112以及连接桥114均不与第二电极层106接触。连接桥114和打线层112是借助绝缘层108与磊晶结构102隔离，以防止连接桥114和打线层112与磊晶结构102直接形成电性接触。在本发明的一些实施例中，接触层110、打线层112以及连接桥114可以是同时形成且材质相同的单一导电层。在本发明的另一些实施例中，接触层110、打线层112以及连接桥114为分别形成的多个导电材质层。其中，接触层110、打线层112以及连接桥114的较佳材质包括金、银、铝、镍、钛、锗金合金或其他金属。在本发明的第一实施例中，接触层110、打线层112以及连接桥114是由金合金所组成的单一导电层，而连接桥114的宽度大约小于30μm。

在本发明的一些实施例中，点光源发光二极管结构，还包括钝化层116，覆盖于接触层110、连接桥114、打线层112的上方。其中，钝化层116包括一图案(未绘示)，可以将一部份的打线层112暴露出来。较佳的钝化层116的材质包括二氧化硅或氮化硅，在本发明的第一实施例中，钝化层116是由氮化硅材质所组成。

请参照图1e，图1e是根据本发明的第一实施例所绘示的点光源发光二极管晶面结构俯视图。在图1e中，点光源发光二极管晶面结构的最外层为钝化层116，借助钝化层116的图案所暴露出来的一部份打线层112，此处称作打线区B，可以提供封装打线的定位。外部的导线(未绘示)经过打线区B导通连接桥114以及接触层110，再经第一电极层104导通p型局限层103，图案化后的p型局限层103可以将电流局限于第一电层104下方的发光区L；光由主动层105穿过发光区L、第一电极层104以及接触层110向外出射。

由于电流被局限于发光区L再进入主动层105，光由发光区L出射，因此不仅可以提高点光源的亮度，增进光耦合效率，还可避免出射光受到打线的干扰，提供一光形良好的点光源。因此在本实施例中，点光源发光二极管晶面结构，不需要使用额外的光学定位装置，便可以直接与光纤耦合。

请参照图2a至图2h，图2a至图2h是根据本发明的第二实施例所绘示形成点光源发光二极管的一系列制程剖面示意图。

首先利用例如有机金属化学气相沉积(Metal Organic Chemical VaporDeposition；MOCVD)在基板200之上形成磊晶结构202，请参照图2a。其中基板200的材质较佳为n型砷化镓；而磊晶结构202的材质为III-V族的半导体材质，例如磷化镓、砷化铝镓(Gal-xAlxAs)氮化镓以及磷砷化镓(GaAsl-yPy)、硫硒化锌(ZnS1-zSez)、磷化铝镓铟、氮化铝铟镓、硫硒化镁锌或其他由III-V族所组成的半导体材质，而较佳为磷化铝镓铟、砷化铝镓，氮化铝铟镓以及硫硒化镁锌。磊晶结构202中至少包括依序堆叠的缓冲层201、n型局限层207、主动层205以及p型局限层203。在本实施例中，缓冲层201的材质较佳可例如为n型砷化镓，n型局限层207的材质较佳为宽能隙n型磷化铝镓铟，主动层205的材质较佳为窄能隙单层或多重量子井磷化铝镓铟，p型局限层203的材质较佳为宽能隙p型磷化铝镓铟。

接下来，请参照图2b，图2b是绘示在磊晶结构202上形成第一电极层204之后的剖面示意图。利用例如热蒸镀(Thermal Evaporation)、电子蒸镀(Electron Enhanced Evaporation)或溅镀沉积(Sputtering Deposition)制程在磊晶结构202的表面沉积第一电极层204。第一电极层204的材质为一种可以与磊晶结构202形成良好电性接触的材质，例如透明导电材质或欧姆金属材质。其中透明导电材质包括氧化铟锡、氧化锌、氧化镉锡、氮化钛钨、氧化铟、氧化锡、或氧化镁，较佳为氧化铟锡、或氧化锌，而欧姆金属材质包括金、银、铝、镍、钛、锗金合金或其他金属。在本发明的第二实施例中，第一电极层204是由欧姆金属金合金所组成。

接着，图案化第一电极层204，请参照图2b，图2b是绘示在图2a的结构上图案化第一电极层后的剖面结构示意图。使用半导体制程，在第一电极层204之上形成第一光阻层(未绘示)，图案化第一光阻层，并对第一电极层204进行蚀刻，将一部份的磊晶结构202暴露出来。之后，移除第一光阻层，而形成如图2b所绘示的结构。

请参照图2c，图2c是绘示在图2b的结构上形成绝缘层208后的剖面结构示意图。在磊晶结构202的暴露部分以及第一电极层204的剩余部分之上形成绝缘层208。其中，绝缘层208的材质可采用氮化硅、二氧化硅、氧化铝、聚亚酰胺或其他树脂等绝缘材质，较佳为二氧化硅材质。之后，再移除位于第一电极层204上表面以上的绝缘层208。

请参照图2d，图2d是绘示在图2c的结构上形成金属层213后的剖面结构示意图。利用例如热蒸镀、电子蒸镀或溅镀沉积制程在第一电极层204以及绝缘层208表面沉积金属层213，金属层213的材质包括金、银、铝、镍、钛、锗金合金或其他金属。在本发明的第二实施例中，金属层213是由金合金所组成。

待金属层213形成后，图案化金属层213，请参照图2e，图2e是绘示图案化金属层213后的剖面结构示意图。在金属层213之上形成第二光阻层(未绘示)，图案化第二光阻层，并对金属层213以及第一电极层204进行蚀刻，将一部份绝缘层208以及一部份磊晶结构202暴露出来。之后，移除第二光阻层。其中，金属层213经图案化后形成相连的三个部分，即打线层212a、连接桥214a以及接触层210a。打线层212a、连接桥214a分别位于绝缘层208上方紧邻绝缘层208且不与p型局限层203直接接触。接触层210a则位于第一电极204上方，并与第一电极204形成电性接触。在本发明的第二实施例中，第一电极层204与接触层210a是相互对准。接触层210a与打线层212a之间透过连接桥214a相互导通。其中连接桥214a为一狭窄的导电通道，通过连接桥214a可以使打线层212a与接触层210a形成电性接触。连接桥214a具有小于接触层210a直径范围的二分之一的宽度。接触层210a为一图案化区包括圆形、环形、多边形、十字形或其他图案。打线层212a为进行打线制程的目标区域，借助打线制程可以连接外部的导线(未绘示)。

接着，对与第一电极层204以及绝缘层208接触的p型局限层203进行平台蚀刻步骤，请参照图2f，图2f是绘示以图2e所绘示的结构平台蚀刻p型局限层203后的剖面示意图。形成罩幕(未绘示)将图案化的金属层213、以及一部份绝缘层208予以遮罩，再利用例如湿式蚀刻或反应式离子蚀刻，移除罩幕下方以外的磊晶结构202直至n型局限层203，而后移除罩幕。本发明至少在第一电极层204的下方的p型局限层203中形成发光区L，发光区L的形状包括圆形、环形、多边形、十字形或其他图案。在本发明的第二实施例中，发光区L是一个直径范围大约小于150μm的圆形。

之后，在基材200之上形成第二电极206，请参照图2g，图2g是绘示在图2f所绘示的结构中形成第二电极层206的剖面示意图。在p型局限层203的暴露部分、金属层213、一部份绝缘层208上方以及以上所述各层的侧壁之上沉积保护层(未绘示)。之后在基材200之上，形成第二电极层206。在其他实施例中，第二电极层也可以形成于磊晶结构未被平台蚀刻的表面(如图1a所绘示)。最后移除保护层。此一保护层的材质较佳为二氧化硅或氮化硅。在本发明中，第一电极层204与第二电极层206皆位于磊晶结构202之上，彼此并不直接接触。在本发明的一些实施例中，第一电极层204与第二电极层206可以位于基板200的相同一侧的磊晶结构202之上，如同图1a所示。在本发明的另一些实施例中，第一电极层204与第二电极层206各自位于基板200的相反两侧，如同图1c所示。在本发明的第二实施例中，第一电极层204与第二电极层206各自位于基板200的相反两侧。组成第二电极层206的材质可例如为透明导电材质或欧姆金属材质。其中透明导电材质较佳包括氧化铟锡、氧化锌、氧化镉锡、氮化钛钨、氧化铟、氧化锡或氧化镁等，较佳为氧化铟锡、或氧化锌，而欧姆金属材质包括金、银、铝、镍、钛、锗金合金或其他金属。在本实施例中，第二电极层206是由欧姆金属锗金合金所组成。

在移除保护层之后，于暴露出的p型局限层203、金属层213上方沉积并图案化钝化层216，而完成点光源发光二极管的建构。请参照图2h，图2h是绘示在图2g所绘示的结构上形成并图案化钝化层216的剖面结构示意图。其中钝化层216包括一图案(未绘示)，可以将一部份的打线层212a暴露出来，所暴露出来的打线层212a，此处称作打线区B，可以提供封装打线的定位。较佳的钝化层216材质包括二氧化硅或氮化硅。在本发明的第二实施例中，钝化层216是由二氧化硅材质所组成。

由打线区B所流入的电流，流经连接桥214a、接触层210a由金属层213进入p型局限层后，被局限于发光区L下方进入主动层205，光线由p型局限层203穿过第一电极层204以及接触层210a集中向外出射，不仅可以提高点光源的亮度，增进光耦合效率，而打线区B建构于发光区L之外还可避免出射光受到打线的干扰。

因此，根据本发明的第二实施例所述的点光源发光二极管，本发明所揭示的技术特点在于：利用传统发光二极管制程得到一电极层、一绝缘层以及一打线层图案，借此将发光二极管局部电流集中，以增加亮度，并且将打线区域定位，防止打线制程影响光形，提供一亮度高且光型良好的点光源。在不增加制程复杂度以及反应温度的条件之下，改善传统发光二极管使用于光纤通讯元件所衍生的光耦合效率低的问题。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而其实施例所揭示的内容是作为描述本发明之用，并非用以限定本发明。例如，本发明所提供的发光二极管元件结构，包括习知技术所形成的任何形式的发光二极管元件结构；本发明所提供的图案化图形，包含任何形式的图形变化。

任何熟悉本技术的人员当可在不脱离本发明的精神和范围内作出各种等效的改变或替换，因此本发明的保护范围当视后附的本申请权利要求范围所界定的为准。

Claims (11)

1.一种点光源发光二极管结构，至少包含：

一基板；

一磊晶结构，位于该基板之上，其中该磊晶结构至少包括一图案，该图案位于该磊晶结构光出射表面，该图案至少包括一发光区；

一第一电极，位于该磊晶结构之上；

一绝缘层，位于该磊晶结构之上，且该绝缘层与该第一电极接合；

一接触层，位于该第一电极层上；

一打线层，位于部份的该绝缘层上；以及

一连接桥，位于另一部份的该绝缘层上，其中该连接桥连接该接触层以及该打线层，且该连接桥具有一宽度，而该宽度小于该发光区的直径范围的二分之一。

2.如权利要求1所述的点光源发光二极管结构，其特征在于还包括一钝化层，形成于该接触层、该连接桥、该打线层、该绝缘层以及该磊晶结构的上方，具有一打线区图案，借以暴露出一部份的该打线层，提供封装打线的定位。

3.如权利要求1所述的点光源发光二极管结构，其特征在于该发光区是直径范围小于150μm的一圆形，且该第一电极层的形状为圆形、环形、多边形或者十字形中的一种。

4.如权利要求1所述的点光源发光二极管结构，其特征在于该接触层为一图案化导电层，该图案化导电层的图案为圆形、环形、多边形或者十字形中的一种。

5.如权利要求1所述的点光源发光二极管结构，其特征在于该连接桥、该接触层与该打线层为材质相同且同时形成的单一层结构。

6.如权利要求1所述的点光源发光二极管结构，其特征在于该连接桥、该接触层与该打线层为材质不同且非同时形成的多重结构。

7.如权利要求1所述的点光源发光二极管结构，其特征在于还至少包括一第二电极，位于该基板的一侧上，其中该第一电极与该第二电极位于该基板的相同一侧。

8.如权利要求1所述的点光源发光二极管结构，其特征在于还至少包括一第二电极，位于该基板的一侧上，其中该第一电极与该第二电极各位于该基板的相反两侧。

9.一种点光源发光二极管结构的制造方法，至少包括：

提供一基板；

形成一磊晶结构于该基板的一侧上；

形成一第一电极层，位于部份的该磊晶结构之上；

形成一绝缘层，位于未被第一电极覆盖的另一部份该磊晶结构上；

形成一金属层于该第一电极层以及该绝缘层上；

图案化该金属层，借以在该第一电极层之上形成一接触层，以及在该绝缘层之上形成一金属连接桥与一打线层；

进行一平台蚀刻步骤，以移除部分的该磊晶结构，借以在该接触层下方限定一发光区；以及

于该磊晶结构或该基板之上形成一第二电极层。

10.如权利要求9所述的点光源发光二极管结构的制造方法，其特征在于还包括形成一钝化层覆盖于一部份的该磊晶结构、第一电极层、绝缘层以及该金属层之上，借以暴露出一部份的该金属层，用来限定一打线定位区。

11.一种点光源发光二极管，至少包含：

一图案化磊晶结构表面，至少具有一发光区；

一电极层，位于一部份该图案化磊晶结构表面之上；

一绝缘层，位于另一部份的该图案化磊晶结构表面之上，且该绝缘层与该电极层接合，借助该绝缘层与该电极层限定出该发光区的范围；

一接触层，位于至少一部分的该电极层上；

一打线层，位于部份的该绝缘层上；

一连接桥，位于另一部份的该绝缘层上，且该连接桥具有一宽度小于该发光区的直径范围的二分之一，该连接桥连接该接触层以及该打线层；以及

一钝化层具有一图案，暴露出部份的该打线层，以提供封装打线的定位。

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