CN102130261B

CN102130261B - 具有保护层的半导体发光元件

Info

Publication number: CN102130261B
Application number: CN201010004583.7A
Authority: CN
Inventors: 姚久琳; 吕志强
Original assignee: Epistar Corp
Current assignee: Epistar Corp
Priority date: 2010-01-19
Filing date: 2010-01-19
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2030-01-19
Also published as: CN102130261A

Abstract

本发明揭示具有保护层的半导体发光元件，其结构至少包含散热基板，第一连接层位于散热基板之上，保护层位于第一连接层之上，第二连接层位于保护层之上，及发光单元位于第二连接层之上。其中保护层具有高绝缘性，可避免发光单元与散热基板之间形成漏电路径。

Description

具有保护层的半导体发光元件

技术领域

本发明涉及半导体发光元件，尤其是涉及一种具有保护层结构的半导体发光元件。

背景技术

发光二极管具有活性层(active layer)，置于两种不同电性的束缚层(cladding layer)之间。当在两束缚层上方的电极施加驱动电流时，两束缚层的电子与空穴会注入活性层，并在活性层中结合而放出具全向性的光线，而自发光二极管元件的各个表面射出。由于不同于白炽灯的发光原理，所以发光二极管被称为冷光源。发光二极管由于具有体积小、寿命长、驱动电压低、耗电量低、反应速度快、耐震性佳等优点，已被广泛应用于如汽车、电脑、通讯与消费电子产品等领域中。

然而，目前一般发光二极管元件应用上有较大的限制在仅能于低压的直流电下操作，若于高压或是交流电下操作可能损坏发光二极管，故使用上必须配合直流转换电路才能用于市电系统。另一方面，目前一般发光二极管元件组装加工时容易因静电放电(Electric Static Discharge，EDS)使瞬间逆向电压升高，因而造成发光二极管的崩溃。

发明内容

本发明提出一种发光元件，至少包含散热基板，第一连接层位于散热基板之上，保护层位于第一连接层之上，第二连接层位于保护层之上，及发光单元位于第二连接层之上。其中保护层具高绝缘性，可避免发光单元与散热基板之间形成漏电路径。

本发明提出一种发光元件，其中保护层具高绝缘性，其可为无掺杂杂质的氮化镓或无掺杂杂质的III-V族材料所组成。

本发明提出一种发光装置，至少包含散热基板，第一连接层位于散热基板之上，保护层位于第一连接层之上，第二连接层位于保护层之上，微管芯发光模块位于第二连接层之上，及导电结构电性连接各微管芯。

本发明提出一种发光装置，其中微管芯发光模块可利用直流电驱动或交流电驱动。

本发明提出一种发光装置，其中导电结构电性连接各微管芯，电性连接方式包含串联或并联。

本发明提出一种发光装置，其中发光模块具有至少二微管芯，且每一微管芯均具有至少一活性层。每一微管芯的活性层具有相同或相异波长。

本发明提出一种发光装置，其中保护层具高绝缘性，可为无掺杂杂质的氮化镓或无掺杂杂质的III-V族材料所组成。

本发明提出一种可避免逆向电流击穿结构的半导体发光元件，至少包含散热基板，第一连接层位于散热基板之上，保护层位于第一连接层之上，第二连接层位于保护层之上，发光二极管位于第二连接层之上，及导电结构连接保护层及发光二极管，使二者成为反向并联的电性连接。

本发明提出一种可避免逆向电流击穿结构的半导体发光元件，其中保护层具导电性，可为掺杂杂质的氮化镓、掺杂杂质的III-V族材料或掺杂杂质的氧化锌所组成。

本发明提出一种可避免逆向电流击穿结构的半导体发光元件，其中保护层具导电性，可由二种或二种以上材料交互堆叠组合而成多层结构。

本发明提出一种可避免逆向电流击穿结构的半导体发光元件，其中保护层具导电性，可为氧化锌和硅或氧化锌和氧化铟锡交互堆叠而成多层结构。

附图说明

本发明的优选实施例将于实施方式的说明文字中辅以下列图形做更详细的说明：

图1-图7为本发明实施例一的半导体元件结构的示意图；

图8-图12为本发明实施例二的半导体元件结构的示意图；

图13a-图13d为本发明实施例三的半导体元件结构的示意图。

附图标记说明

1、2：外延结构

10：第一成长基板

11：发光元件

12：发光装置

13：微管芯

14：发光二极管

15、25、A、B、35、45：电极

20：第一电性半导体层

30：活性层

40：第二电性半导体层

50：第二连接层

60：第二成长基板

70：保护层

80：附着层

90：反射层

100：第一连接层

100A：第三连接层

100B：第四连接层

110：散热基板

120：隔绝层

130：导电结构

140：开口

a：第二电性半导体层裸露表面

b：附着层裸露表面

C：防止静电放电二极管特性叠层

D：二极管叠层结构

I：电流方向

具体实施方式

本发明第一实施例揭示关于一种包含保护层结构的半导体发光元件，其中保护层具有高绝缘性，可避免半导体发光元件的发光单元与散热基板间形成漏电路径。为了使本实施例的叙述更加详尽与完备，可配合图1至图7的图示，并参照下列描述。

本发明揭示半导体发光元件11，发光元件具有发光单元，此发光单元至少包含一外延结构1。外延结构1包括第一成长基板10、第一电性半导体层20形成于第一成长基板10之上、活性层30形成于第一电性半导体层20之上、以及第二电性半导体层40形成于活性层30之上，如图1所示。形成外延结构1的方法包括提供第一成长基板10；接着，在第一成长基板10上以有机金属化学气相沉积法(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition)成长第一电性半导体层20；于完成第一电性半导体层20成长后，接续成长活性层30及成长第二电性半导体层40。其中，所述的第一成长基板10可为砷化镓(GaAs)；所述的第一电性半导体层20、活性层30以及第二电性半导体层40的材料包含III-V族化合物，例如磷化铝镓铟系列的材料。于第二电性半导体层40表面以蚀刻方式形成规则或不规则的粗糙表面后，再于其上形成第二连接层50。

如图2所示，提供另一外延结构2，于第二成长基板60上以有机金属化学气相沉积法(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition)成长保护层70。其中，第二成长基板60可为氧化铝(sapphire)；保护层70具高绝缘性，其组成材料包含III-V族化合物，例如氮化铝镓铟系列的材料，其中优选材料为未掺杂杂质的氮化镓。亦可在保护层70表面以蚀刻方式形成规则或不规则的粗糙表面(图未示)。接着，利用第二连接层50将外延结构1和外延结构2接合后，移除第二成长基板60，形成如图3的结构。

接着，如图4所示，在保护层70之上依序形成附着层80、反射层90、及第三连接层100A。如图5所示，提供散热基板110，再形成第四连接层100B于散热基板110之上。将如图4所示具有第三连接层100A的结构与如图5的所示具有第四连接层100B的结构面对面接合，且第三连接层100A与第四连接层100B形成为第一连接层100，如图6所示。其中第二连接层50材料可为BCB、Epoxy、SOG、SU8等高分子材料，或为氧化物如TiO₂、Ti₂O₅、Ta₂O₃、Ta₂O₅、ITO、AZO、ZnO及Al₂O₃，或氮化物如SiON_x、SiN_x、GaN、AlN，或diamond。附着层80的功用为增加保护层70与反射层90之间的附着力，其材料可为氧化铟锡(ITO)或氧化锌，反射层90材料可为铝、银或其它高反射率材料。第一连接层100、第三连接层100A、第四连接层100B材料可为焊锡、低温金属、及金属硅化物等，例如为PbSn、AuGe、AuBe、AuSi、Sn、In、PdIn。散热基板110材料可为Si、Ge、Cu、Mo、AlN、ZnO等。

接着移除第一成长基板10后裸露出第一电性半导体层20上表面，以蚀刻方式形成规则或不规则的粗糙表面。再从第一电性半导体层20起由上往下蚀刻至裸露出部分第二电性半导体层40表面，再分别于第一电性半导体层20上表面及裸露的第二电性半导体层40表面形成电极15及25，即形成如图7结构的发光元件11。

本发明第二实施例揭示关于一种包含保护层结构的半导体发光元件，其中保护层具高绝缘性，可避免半导体发光元件于高电压操作时半导体发光元件结构被击穿。为了使本实施例的叙述更加详尽与完备，可配合图8至图12的图示，并参照下列描述。

本实施例的半导体发光元件可以直流电或交流电驱动操作，其中元件结构与制作步骤与第一实施例图1-6相同，不再重复叙述。先将图6中第一成长基板10移除，如图8所示。接着如图9所示，通过黄光显影与蚀刻工艺蚀刻第一电性半导体层20、活性层30、第二电性半导体层40至裸露出第二连接层50上表面，以形成多个开口140。之后，再进行一次黄光显影与蚀刻工艺以蚀刻第一电性半导体层20、活性层30至裸露出第二电性半导体层40上表面为止。如图10所示，再分别形成多个的电极35、45以与第一电性半导体层20、第二电性半导体层40相互电性连接，以形成多个微管芯13。其中电极35、45以蒸镀方式形成，为欧姆电极。

接着，在多个开口140内壁形成隔绝层120，此隔绝层120作用为避免漏电流，其为介电材料所组成，如SiO_x或SiN_x等，如图11所示。最后形成多个导电结构130以电性连接多个电极35、45，其电性连接方式可为串联或并联。由多个微管芯13所组成发光模块的发光装置12如图12所示，其中，各微管芯的各活性层具有相同或相异波长，且由多个微管芯所组成发光模块可以直流电或交流电驱动操作。

本发明第三实施例揭示关于一种包含保护层结构的半导体元件，其中保护层为可避免逆向电流击穿半导体元件的结构设计。为了使本实施例的叙述更加详尽与完备，可配合图13a至图13d的图示，并参照下列描述。

本实施例以具有避免逆向电流击穿结构的发光二极管14为例：其中元件结构与制作步骤与第一实施例图1-6不同点有三点：一、保护层70由导电物质所组成，且其电性与第二电性半导体层40相异；其材料可为掺杂杂质的氮化镓、掺杂杂质的III-V族材料或掺杂杂质的氧化锌的单层结构，或由氧化锌和硅或氧化锌和氧化铟锡二种材料交互堆叠组合而成多层结构。二、形成第二连接层50的材料可为焊锡、低温金属、及金属硅化物等，其可为PbSn、AuGe、AuBe、AuSi、Sn、In、PdIn。三、形成第一连接层100的材料可为BCB、Epoxy、SOG、SU8等高分子材料，或为氧化物如TiO₂、Ti₂O₅、Ta₂O₃、Ta₂O₅、ITO、AZO、ZnO及Al₂O₃，或氮化物如SiON_x、SiN_x、GaN、AlN，或diamond；其余部分相同，不再重复叙述。如图13a所示，先将第一成长基板(图未示)移除以裸露出第一电性半导体层20上表面，再以蚀刻方式形成规则或不规则的粗糙表面。从第一电性半导体层20起由上往下蚀刻活性层30至裸露出部分第二电性半导体层40表面a；再从第一电性半导体层20起由上往下蚀刻活性层30、第二电性半导体层40、第二连接层50、保护层70至裸露出附着层80上表面b为止。于第二电性半导体层40裸露表面a上形成电极A与第二电性半导体层40电性连接；再于活性层30、第二电性半导体层40、第二连接层50、保护层70的侧壁形成导电结构130，再形成电极B覆盖导电结构，即形成发光二极管14。其中保护层70其电性与第二电性半导体层40相异，可以形成具防止静电放电(Electric StaticDischarge，EDS)二极管特性的叠层C。再与其上由第一电性半导体层20、活性层30、第二电性半导体层40所形成的二极管叠层结构D，通过导电结构130形成反向并联的电性连接，如图13b所示。如图13c所示，当正向电流由A电极流向B电极时，电流依序经过第二电性半导体层40、活性层30、第一电性半导体层20所形成的二极管叠层结构D，发光二极管14得以正常操作。如图13d所示，当逆向电流由B电极流向A电极时，电流依序经过附着层80及保护层70、第二连接层50、第二电性半导体层40所形成的叠层C，电流不会经过发光二极管14的活性层30，因而形成不会被逆向电流击穿的元件结构。故由保护层70、第二连接层50与第二电性半导体层40形成的叠层结构C具有防止ESD二极管的功能。

上述的诸实施例，其中，所述的成长基板例如为包括至少一种材料选自于碳化硅、氮化镓、以及氮化铝所组成的群组。所述的第一电性半导体层、活性层以及第二电性半导体层可为单层或多层结构，例如为超晶格结构。另外，本发明的所述的外延结构并不限于以外延方式成长所述的成长基板之上，其他形成方式，例如以接合方式直接接合或通过介质接合至散热基板亦属本发明的范围。

虽结合以上优选实施例揭示了本发明，然其并非用以限定本发明，任何本发明所属技术领域中普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可作各种更动与润饰，故本发明保护范围应以附上的权利要求所界定的为准。

Claims

1.一种发光元件，至少包含：

散热基板；

第一连接层位于该散热基板之上；

保护层位于该第一连接层之上，其中该保护层具有绝缘性，该保护层为III-V族材料所组成；

第二连接层位于该保护层之上；以及

发光单元包含外延结构且位于该第二连接层之上，其中该外延结构至少包含第一电性半导体层、第二电性半导体层、以及活性层介于该第一电性半导体层及该第二电性半导体层之间，且该保护层可避免该发光单元与该散热基板之间形成漏电路径。

2.如权利要求1所述的发光元件，其中还包含位于该第一连接层与该保护层之间的反射层；以及位于该反射层与该保护层之间的附着层。

3.如权利要求1所述的发光元件，其中该外延结构中至少具有一个粗化界面，以增加该外延结构的出光效率。

4.如权利要求1所述的发光元件，其中该保护层为无掺杂杂质的III-V族材料所组成。

5.如权利要求4所述的发光元件，其中该保护层为无掺杂杂质的氮化镓所组成。

6.如权利要求2所述的发光元件，其中该反射层为铝、银所组成；该附着层为氧化铟锡、氧化锌所组成。

7.如权利要求1所述的发光元件，其中该第一连接层由焊锡或金属硅化物所组成；形成该第二连接层材料为高分子材料，氧化物，氮化物，或金刚石。

8.一种发光装置，至少包含：

散热基板；

第一连接层位于该散热基板之上；

保护层位于该第一连接层之上，该保护层为III-V族材料所组成；

第二连接层位于该保护层之上；

微管芯发光模块位于该第二连接层之上，其中该发光模块具有至少二微管芯，且每一微管芯均具有至少一活性层；以及

导电结构，电性连接各该微管芯。

9.如权利要求8所述的发光装置，其中该导电结构可使各该微管芯的各活性层在直流电或交流电操作下发光。

10.如权利要求8所述的发光装置，其中还包含位于该第一连接层与该保护层之间的反射层；以及位于该反射层与该保护层之间的附着层。

11.如权利要求8所述的发光装置，其中该保护层为无掺杂杂质的III-V族材料所组成。

12.如权利要求11所述的发光装置，其中该保护层为无掺杂杂质的氮化镓所组成。

13.如权利要求10所述的发光装置，其中该反射层为铝、银所组成；该附着层为氧化铟锡、氧化锌所组成。

14.如权利要求8所述的发光装置，其中各该微管芯间的电性连接包含串联或并联。

15.如权利要求8所述的发光装置，其中各该微管芯具有相同波长或相异波长。

16.如权利要求8所述的发光装置，其中该第一连接层由焊锡或金属硅化物所组成；形成该第二连接层材料为高分子材料，氧化物，氮化物，或金刚石。

17.一种具有可避免逆向电流击穿结构的半导体元件，至少包含：

散热基板；

第一连接层位于该散热基板之上；

保护层位于该第一连接层之上；

第二连接层位于该保护层之上；

发光二极管包含外延结构且位于该第二连接层之上，其中该外延结构至少包含位于该第二连接层之上的第二电性半导体层、位于该第二电性半导体层之上的活性层、位于该活性层之上的第一电性半导体层，其中该保护层的电性与第二电性半导体层相异；以及

导电结构电性连接该保护层及该发光二极管，以成为反向并联的电性连接。

18.如权利要求17所述的半导体元件，其中还包含位于该第一连接层与该保护层之间的反射层；以及位于该反射层与该保护层之间的附着层。

19.如权利要求17所述的半导体元件，其中该保护层为掺杂杂质的III-V族材料、掺杂杂质的氧化锌的单层结构；或氧化锌和硅或氧化锌和氧化铟锡两种材料交互堆叠而成的多层结构。

20.如权利要求19所述的半导体元件，其中该掺杂杂质的III-V族材料为掺杂杂质的氮化镓。

21.如权利要求18所述的半导体元件，其中该反射层为铝、银所组成；该附着层为氧化铟锡、氧化锌所组成。

22.如权利要求17所述的半导体元件，其中该第一连接层为高分子材料，氧化物，氮化物，或金刚石；该第二连接层由焊锡或金属硅化物所组成。