CN101355121B

CN101355121B - 发光元件

Info

Publication number: CN101355121B
Application number: CN2007101381369A
Authority: CN
Inventors: 林锦源; 陈泽澎; 王百祥; 吕志强
Original assignee: Epistar Corp
Current assignee: Epistar Corp
Priority date: 2007-07-26
Filing date: 2007-07-26
Publication date: 2011-02-09
Anticipated expiration: 2027-07-26
Also published as: CN101355121A

Abstract

本发明公开了一种利用基板转移技术所形成的发光元件、背光模块装置以及照明装置。该发光元件包含半导体层、欧姆接触层、沟道结构形成于半导体层之中，及至少一电极。此沟道结构电学连接上述的欧姆接触层与电极，使得电流可依序经由电极、沟道结构、欧姆接触层，传送到半导体层并驱动整体发光元件。透过此沟道结构的设计，可以获得一个具有良好欧姆接触与较佳发光效率的水平式或垂直式的发光二极管元件。

Description

发光元件

技术领域

本发明涉及一种发光元件，尤其涉及一种具有贯穿半导体层的沟道结构的发光二极管元件。

背景技术

发光二极管元件是一种被广泛使用的光源。相较于传统的白炽灯泡或荧光灯管，发光二极管除了具有省电与使用寿命较长的优异特性外，更具有整体性的成本优势，因此逐渐取代传统光源，而应用于各种不同领域，如交通标识、背光模块、路灯照明、医疗设备等产业。

随着发光二极管光源的应用与发展对于亮度的需求越来越高，如何增加其发光效率而提高其亮度，便成为产业界所共同努力的重要方向。目前已知的方法之一是利用基板转移技术将原来具有吸光特性的生长基板移除，转换成另一具有透光或散热特性的基板，如此可大幅提高出光效率而提高亮度。

图9为利用已知基板转移技术所得的一般InGaN发光二极管元件，其结构由下而上依序为：p电极41、永久基板42、连接层43、发光叠层44(包含p型半导体层443、发光层442以及n型半导体层441)、n型欧姆接触层45、n电极46。上述结构是通过金属粘结工艺步骤所形成的垂直结构，为了使n电极46能与n型半导体层441上产生欧姆接触，须先将原本n型半导体层441上的未掺杂层(图未示)移除，再形成n型欧姆接触层45于其上，最后再将n电极46形成于n型欧姆接触层45的上方。但此结构由于须将未掺杂层移除，常造成驱动电压过高的问题。

发明内容

本发明涉及一种发光元件，包含半导体层、欧姆接触层以及至少一电极，并且反应离子束蚀刻(Reactive ion-beam etching)技术，形成贯穿发光元件的半导体层的沟道，再将该沟道以金属填满，形成沟道结构，电学连接上述半导体层两侧的欧姆接触层与电极，使得电流可依序经由电极、沟道结构、欧姆接触层，传送到半导体层，驱动整体发光元件。透过此沟道结构的设计，可以获得一个具有良好欧姆接触与较佳发光效率的发光二极管元件。

本发明实施例之一，提出一先利用基板转移技术，将发光元件的生长基板取代为导电基板，再利用反应离子束蚀刻(Reactive ion-beam etching)技术，将发光叠层中的n型半导体层蚀刻形成n型沟道，并将上述n型沟道用金属填满，形成n型沟道结构以及n电极，使得n型半导体层两侧的n型欧姆接触层与n电极产生电学连接，而获得垂直式发光二极管元件。

本发明的另一实施例，提出另一发光元件结构，先利用基板转移技术，将发光元件的生长基板取代为散热基板，再利用反应离子束蚀刻(Reactiveion-beam etching)技术，同时在发光叠层中的n型半导体层与P型半导体层，分别蚀刻形成n型沟道与p型沟道；并在n型沟道与p型沟道之间，蚀刻形成贯穿n型半导体层与发光层的阻隔沟道，以作为电性绝缘之用。透过n型沟道、p型沟道与阻隔沟道的设计，可以获得一个具有良好欧姆接触特性的水平式发光二极管。

本发明的另一实施例，系在形成如上所述的垂直式或水平式发光二极管元件后，再在靠近n型半导体层的出光表面进行粗化，形成凹凸不平的粗化表面，如此可以增加此发光元件的出光效率。

附图说明

图1为本发明第一实施例的第一工艺步骤的示意图。

图2为本发明第一实施例的第二工艺步骤的示意图。

图3为本发明第一实施例的第三工艺步骤的示意图。

图4为本发明第一实施例的第四工艺步骤的示意图。

图5为本发明第一实施例的第五工艺步骤的示意图。

图6为本发明第二实施例的发光二极管结构图。

图7为本发明的背光模块结构图。

图8为本发明的照明装置结构图。

图9为已知的发光二极管结构图。

附图标记说明

100垂直式发光二极管元件 11生长基板

12半导体发光叠层 121n型半导体层

122发光层 123p型半导体层

13n型欧姆接触层 14透明导电层

15介电层 16金属反射层

17n型沟道 18n电极

21永久基板 22连接层

200水平式发光二极管元件 31p型欧姆接触层

32p型沟道 33p电极

34阻隔沟道 700背光模块装置

710光源装置 711发光二极管元件

720光学装置 800照明装置

810光源装置 811发光二极管元件

820电源供应系统 830控制元件

具体实施方式

图5显示依本发明第一实施例的垂直式发光二极管元件100。本实施例是利用基板转移技术，主要包含芯片粘结(wafer bonding)工艺、基板移除(substrate lift-off)工艺及反应离子束蚀刻(Reactive ion-beam etching)工艺，所制作而成的垂直式发光二极管。相关步骤如图1～图5所示，详细说明如下。

图1所示为第一工艺步骤，先形成发光结构，包含生长基板11、半导体发光叠层12、n型欧姆接触层13、透明导电层14、介电层15以及金属反射层16；其中发光叠层12还包含n型半导体层121、发光层122及p型半导体层123。另外，在永久基板21上形成连接层22。如上所述的生长基板11，例如为蓝宝石基板(Sapphire substrate)，更可以在生长基板11上先形成缓冲层，例如为AlN、GaN或AlGaN，如此可以使形成于其上的氮化物半导体发光叠层12，例如为GaN、AlGaN或InAlGaN，在长晶过程不至于产生大量的晶格位错(dislocation)或晶格缺陷(defect)；透明导电层14可以是氧化铟锡(ITO)，不仅能够有效分散电流，且具有透光的特性，因而能够增加出光效率；介电层15可以是无机介电材料，例如二氧化硅(SiO₂)、氧化铝(Al₂O₃)、氮化硅(SiN_x)、或旋涂玻璃(spin-on glass)，也可以是有机介电材料，例如环氧树脂(epoxy)、聚亚酰胺(polyimide)或BCB树脂(benzocyclobutene)等材料；n型欧姆接触层13，是可以与n型半导体层121产生欧姆接触的材料，例如氧化铟锡(ITO)或铝(Al)、镍(Ni)等金属；金属反射层16，为具有高反射率的导电性的材料，例如铝(Al)或银(Ag)；永久基板21，为具有导电特性的基板，例如硅基板、铜基板等。

图2所示为第二工艺步骤，是利用连接工艺，将两个基板透过连接层22连接成一体；其中连接工艺可以是直接连接或金属连接。直接连接一般系在高温条件下(＞400℃)，施加固定的辅助压力，使连接界面两边的材料熔融在一起而产生连接。金属连接是在两连接界面上，先各自形成金属层，然后再施以较低温度(200℃～300℃)及固定辅助压力，将两金属层连接起来。

图3所示为第三工艺步骤，是利用基板移除技术将生长基板11移除。其中基板移除技术为激光剥离技术，是利用准分子激光(Excimer laser)由生长基板11与半导体发光叠层12相对的表面入射。大部分激光能量在生长基板上的缓冲层与生长基板间的界面处被吸收，而被吸收的激光能量可分解缓冲层，例如氮化铝，进而达到的移除基板目的。

图4所示为第四工艺步骤，是利用反应离子束蚀刻(Reactive Ion-beamEtching；RIE)技术，将n型半导体层121蚀刻形成n型沟道17，而露出n型欧姆接触层13。其中反应离子束蚀刻(Reactive ion-beam etching)具备多项优点，如线宽分辨率高(Resolution)、选择性良好、蚀刻速率快、反应参数可独立控制及无残渣的问题等，因此在半导体制造过程中有逐渐以反应离子束蚀刻取代湿法蚀刻的趋势。本实施例以感应耦合等离子体活性离子蚀刻系统(ICP-RIE)进行干法蚀刻，并以蚀刻参数分析的方法，通过改变反应气体(BCl₃/Ar)流量、压力、感应耦合等离子体ICP(Inductively coupled plasma)功率及RF功率(即DC-bias偏压)，找出它们和蚀刻速率、蚀刻选择性、蚀刻方向性、蚀刻表面平整度以及光刻胶的影响，以得到最佳的蚀刻参数，蚀刻出n型沟道17。

图5所示为第五工艺步骤，系将n型沟道17以金属填满，形成n型沟道结构以及n电极18，使n型欧姆接触层13与n电极18产生电学连接。同时在永久基板21的下方，形成金属层作为p电极23。

利用上述的工艺步骤所形成的垂直式发光二极管元件100，为n电极朝上的垂直式发光二极管元件结构。此实施例是利用n型沟道17的设计，使得后续所形成的n电极18，可与n型欧姆接触层13形成良好的欧姆接触，而避免一般常因n电极与n型半导体层的欧姆接触不良，而产生驱动电压过高的情形。

本发明的另一实施例，是在形成如上所述的垂直式发光二极管元件100后，再在靠近n型半导体层121的出光面进行粗化，形成凹凸不平的粗化表面，如此可以增加此发光元件的出光效率。

图6显示依本发明第二实施例的水平式发光二极管元件200。本实施例的主要工艺步骤大致与第一实施例相同，是利用连接工艺、基板移除工艺与反应离子束蚀刻，所形成的水平式的发光二极管元件200，其结构如图所示，详细说明如下。

第二实施例所述的水平式发光二极管元件200，其结构由下而上依序包含：永久基板21、连接层22、金属反射层16、介电层15、透明导电层14、发光叠层12(包含n型半导体层121、发光层122及p型半导体层123)、n型欧姆接触层13与p型欧姆接触层31；接着，利用反应离子束蚀刻技术，形成贯穿n型半导体层121的n型沟道17，再以金属填满，形成n型沟道结构以及n电极18，使n型欧姆接触层13与n电极18产生电学连接。并且蚀刻形成另一贯穿半导体发光叠层12的p型沟道32，并以金属填满，形成p型沟道结构以及p电极33，使p型欧姆接触层31与p电极33产生电学连接。最后，在n型沟道17与p型沟道32之间，蚀刻形成贯穿n型半导体层121与发光层122的阻隔沟道34，以作为电性绝缘之用。透过上述n型沟道17、p型沟道32与阻隔沟道34的设计，可以获得一个具有良好欧姆接触特性的水平式发光二极管结构。其中该永久基板为一具有散热特性的基板，使得该发光二极管元件，可以获得良好的散热效果，增加元件寿命。

本发明的另一实施例，是在形成如上所述的水平式发光二极管元件200后，再在靠近n型半导体层121的出光面进行粗化，形成凹凸不平的粗化表面，如此可以增加此发光元件的出光效率。

本发明的再一实施例，系形成如上所述的水平式发光二极管元件200，其中介电层15含有色转换功能的荧光粉(Phosphor)，且省去金属反射层16，并使用透明的连接层22与透明的永久基板21；如此一来，可将发光叠层12所发出来的光，透过介电层15中的荧光粉的色转换，产生另一色光与原本的光进行混色，而经由透明的永久基板21出光。例如是可发出蓝色波长的发光叠层12，与具有黄色荧光粉的介电层15组合搭配，便可以产生白光，而由透明的永久基板21出光。或者，亦可将上所述水平式发光二极管元件200的金属反射层16，以具有色转换功能的色转换层取代，并搭配透明的连接层22与透明的永久基板21，亦可以达成如上实施例所述效益，产生混合的光，而经由透明的永久基板21出光。

图7显示依本发明的背光模块结构。其中背光模块装置700包含：由本发明上述任意实施例的发光二极管元件711所构成的光源装置710；光学装置720置于光源装置710的出光路径上，将光做适当处理后出光；以及电源供应系统730，提供上述光源装置710所需的电源。

图8显示依本发明的照明装置结构。上述照明装置800可以是车灯、街灯、手电筒、路灯、指示灯等等。其中照明装置800包含：光源装置810，是由本发明上述的任意实施例的发光二极管元件811所构成；电源供应系统820，提供光源装置810所需的电源；以及控制元件830控制电流输入光源装置810。

虽然发明已藉各实施例说明如上，然其并非用以限制本发明的范围。对于本发明所作的各种修饰与变更，皆不脱本发明的精神与范围。

Claims

1.一种发光元件包含：

氮化物发光叠层，具有n型半导体层、发光层与p型半导体层，其中在该n型半导体层具有第一沟道结构，电学连接n型欧姆接触层与n电极，该n型欧姆接触层位于该n型半导体层的与所述发光层相同的一侧，且该n电极位于该n型半导体层的另一侧；

连接层，该n电极与该连接层分别位于该氮化物发光叠层的二相对侧，用以连接该氮化物发光叠层与基板。

2.如权利要求1所述的发光元件，其中该基板为一导电基板。

3.如权利要求2所述的发光元件，还包含p电极形成于该导电基板的下方。

4.如权利要求1所述的发光元件，还包含金属反射层形成于该发光叠层与连接层之间。

5.如权利要求4所述的发光元件，还包含透明导电层形成于该p型半导体层与该金属反射层之间。

6.如权利要求4所述的发光元件，还包含介电层位于该金属反射层与该n型半导体层之间。

7.如权利要求1所述的发光元件，其中该n型半导体层更具粗化表面。

8.一种发光元件包含：

氮化物发光叠层具有n型半导体层、发光层与p型半导体层，其中具有第一沟道结构，贯穿该n型半导体层，电学连接n型欧姆接触层与n电极，该n型欧姆接触层位于该n型半导体层的与所述发光层相同的一侧，且该n电极位于该n型半导体层的另一侧；以及第二沟道结构，贯穿该发光叠层，电学连接p型欧姆接触层与p电极，该p型欧姆接触层和该p电极位于该发光叠层的两侧，且该p电极与该n电极位于该n型半导体层的相同侧。

9.如权利要求8所述的发光元件，还包含阻隔沟道位于该第一沟道结构与该第二沟道结构之间，并贯穿该n型半导体层与该发光层。

10.如权利要求8所述的发光元件，其中还包含连接层，该n电极与该连接层分别位于该氮化物发光叠层的二相对侧，用以连接该发光叠层与永久基板。

11.如权利要求10所述的发光元件，其中还包含金属反射层形成于该发光叠层与该连接层之间。

12.如权利要求10所述的发光元件，其中该永久基板为散热基板。

13.如权利要求10所述的发光元件，其中还包含介电层形成于该金属反射层与该p型欧姆接触层。

14.如权利要求8所述的发光元件，其中还包含透明导电层形成于该p型欧姆接触层与该p型半导体层之间。

15.如权利要求8所述的发光元件，其中该n型半导体层更具粗化表面。

16.如权利要求10所述的发光元件，其中该连接层与该永久基板为透明材料。

17.如权利要求16所述的发光元件，其中还包含色转换层形成于该发光叠层与该连接层之间。

18.如权利要求16所述的发光元件，其中还包含介电层形成于该连接层与该p型欧姆接触层之间，且该介电层具有色转换材料。

19.一种发光元件包含：

氮化物发光叠层，具有第一半导体层、发光层与第二半导体层，其中于该第一半导体层具有第一沟道结构，电学连接第一欧姆接触层与第一电极，该第一欧姆接触层位于该第一半导体层的与所述发光层相同的一侧，且该第一电极位于该第一半导体层的另一侧；

连接层，该第一电极与该连接层分别位于该氮化物发光叠层的二相对侧，用以连接该氮化物发光叠层与基板。

20.如权利要求19所述的发光元件，其中该第一半导体层更具粗化表面。

21.如权利要求19所述的发光元件，还包含第二沟道结构，贯穿该氮化物发光叠层，并电学连接第二欧姆接触层与第二电极。

22.如权利要求19所述的发光元件，还包含阻隔沟道位于该第一沟道结构与该第二沟道结构之间，并贯穿该第一半导体层与该发光层。

23.如权利要求19所述的发光元件，其中该基板为一导电基板。

24.一种背光模块装置包含：

光源装置，由权利要求1所述的发光二极管元件所组成；

光学装置，置于该光源装置的出光路径上；以及

电源供应系统，提供该光源装置所需的电源。

25.一种照明装置包含：

光源装置，由权利要求1所述的发光二极管元件所组成；

电源供应系统，提供该光源装置所需的电源；以及

控制元件，控制该电源输入该光源装置。