CN102185072A - 具有电流引导结构的立式发光二极管 - Google Patents

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Abstract

一种发光二极管LED，包括：一金属基板；一发光用LED堆迭，配置在该金属基板上，其中该LED堆迭包括一P型半导体层及一N型半导体层；一N电极，配置在该N型半导体层上；一保护元件，配置在该N型半导体层上；一导电材料，接设于该金属基板和该保护元件之间。本发明的发光二极管LED元件可享有降低的操作温度与增加的元件可靠度及/或寿命。

Description

具有电流引导结构的立式发光二极管
技术领域
本发明的实施例一般是关于半导体处理，具体而言，本发明的实施例是关于发光二极管(LED)结构的形成。
背景技术
在制造发光二极管(light-emitting diode，LED)时，可能形成“LED堆迭”的外延结构，例如，“LED堆迭”包括P掺杂GaN层及N掺杂GaN层。图1是一示意图，说明现有的LED元件102的一例，其具有N掺杂层106和P掺杂层110，此两层被多量子井(multi-quantum well，MQW)层108隔开。一般来说，元件102沉积在合适材料的载体/成长支撑基板(未显示)上，例如c-平面(c-plane)碳化硅或c-平面蓝宝石，且通过接合层204与导热导电基板101接合。反射层202可加强亮度。各别地经由N电极117和传导基板101，可以在N掺杂层106和P掺杂层110之间施加电压。
在某些例子中，希望能控制通过N电极117而到基板101的电流量，例如，以用来限制功率损耗及/或防止元件102的损坏。因此在P掺杂层110之下、反射层202之中形成电绝缘层206，以增加N电极117下的接触电阻并且限制电流。绝缘层206可类似于“Photonics Spectra，December 1991，pp.64-66by H.Kaplan”中所描述的电流限制层。在标题为“Wafer Bonding of Light Emitting Diode Layers”的美国专利第5,376,580号中，Kish等人揭示了刻蚀图案化半导体晶片以形成一凹部，并且使该晶片与单独的LED结构接合，使得凹部在该结合结构中形成一空洞。当通过施加电压使该结合结构为正向偏压时，电流将在LED结构中流动，但因为空气是电绝缘体，所以没有电流将流过该空洞或流到直接在该空洞之下的区域。因此，该空气空洞当作另一种型式的电流限制结构。
可惜的是，这些电流引导的方法有一些缺点。例如，电绝缘层206、空气空洞、以及其它的现有电流限制结构可能限制了导热性，因此可能增加操作中的温度，并减损了元件可靠度及/或寿命。
此外，现有的LED元件，例如图1中的元件102，容易被静电放电(ESD)及其它高电压暂态所破坏。ESD尖峰可能发生，例如，于元件的处理期间，不论是在LED元件本身的制造时、在运送时、或是在置放于印刷电路板或其它合适的电连接用固定表面之上时。过电压暂态可能发生于LED元件的用电操作过程中。这样的高电压暂态可能破坏元件的半导体层，甚至可能导致元件故障，因此减少LED元件的寿命及可靠度。
因此，需要一种用来引导电流通过LED元件的改良方法。
发明内容
本发明的实施例提出用来引导半导体元件(例如发光二极管，LED)中的电流的方法和元件。
本发明的一实施例提出一种LED。该LED通常包括一金属基板；一配置在该金属基板上的发光用LED堆迭，其中该LED堆迭包括一P型半导体层和一N型半导体层；一配置在该N型半导体层上的N电极；以及一导电材料，接设于该金属基板和该N型半导体层之间，并与该N型半导体层形成一非欧姆接触。
本发明的另一实施例提出一种LED。该LED通常包括一金属基板；一配置在该金属基板上的发光用LED堆迭，其中该LED堆迭包括一P型半导体层和一N型半导体层；一配置在该N型半导体层上的N电极；一配置在该N型半导体上的保护元件；以及一导电材料，接设于该金属基板和该保护元件之间。
本发明的再一实施例提出一种LED。该LED通常包括一金属基板；一配置在该金属基板上并且具有第一和第二接触的P电极，其中该第一接触的电阻高于该第二接触的电阻；一配置在该P电极上的发光用LED堆迭，其中该LED堆迭包括一P型半导体层，该P型半导体层连接到该P电极和一N型半导体层；以及一配置在该N型半导体层上的N电极。
附图说明
图1是一示意图，说明现有的具有电流引导结构的例示性发光二极管(LED)元件。
图2是根据本发明的实施例的示意图，说明具有电流引导结构的例示性LED元件。
图3是一示意图，说明图2中的LED元件的等效电路。
图4是根据本发明的实施例的示意图，说明具有第二电流路径的例示性LED元件。
图5是一示意图，说明图4中的LED元件的等效电路。
图6是根据本发明的实施例的示意图，说明具有电流引导结构和第二电流路径的例示性LED元件。
图7是一示意图，说明图6中的LED元件的等效电路。
图8是根据本发明的实施例的示意图，说明具有第二电流路径的例示性LED元件，该第二电流路径具有保护元件。
图9是根据本发明的实施例的示意图，说明具有电流引导结构和第二电流路径的例示性LED元件，该第二电流路径具有保护元件。
图10是根据本发明的实施例的示意图，说明具有第二电流路径、且为芯片型式的例示性LED元件。
图11是根据本发明的实施例的示意图，说明具有第二电流路径、且为封装型式的例示性LED元件。
图12是一示意图，说明例示性电流对电压(I-V)曲线图，该曲线图是比较具有/不具有第二电流路径的LED元件。
图13是一例示性图表，说明具有/不具有第二电流路径的LED元件的存活率与ESD电压间的对应关系。
主要元件符号说明
101基板
102LED元件
104LED堆迭
106N掺杂层
108多量子井层
110P掺杂层
117N电极
119上表面
201基板
202反射层
204接合层
206电绝缘层
207P电极
208阻隔金属层
211高接触电阻区
213低接触电阻区
220保护层
300等效电路
302、304电阻器
306二极管
400LED元件
402第二电流路径
404电绝缘层
411第二导电材料
412非欧姆接触
500等效电路
502电阻器
504理想LED
506暂态电压抑制二极管
700等效电路
810保护元件
1002焊接层
1102封装阳极引线
1104、1108焊接线
1106阴极封装引线
1200曲线图
1202、1204电流对电压曲线
1300图表
1302具有第二电流路径的LED元件
1304、1306、1308、1310、1312不具有第二电流路径的LED元件
具体实施方式
本发明的实施例通常提出用来控制通过半导体元件(例如LED)的电流流动的方法。该控制可能通过电流引导结构、第二电流路径、或此两者的结合。
下文中，例如“在...之上”、“在...之下”、“邻接于...”、“在...底下”等的相对用词，仅是为了方便说明，通常并不需要特定的方向。
电流引导结构的范例
图2是根据本发明的实施例的示意图，说明具有电流引导结构的例示性LED元件。该元件包括一已知为LED堆迭的元件结构，而LED堆迭包括任何合适的发光用半导体材料，例如AlInGaN。LED堆迭包括异质接面，而异质接面由P型半导体层110、发光用活性层108、及N型半导体层106组成。LED堆迭具有上表面119，而上表面119是经粗糙化的，如图2所示。LED元件包括形成于上表面119之上的N电极117，以及位于P型半导体层110上的P电极(反射层202和阻隔金属层208可以起P电极的作用)，其中N电极117电连接到N型半导体层106。
反射层202配置为邻接到P型层110，且插设有阻隔金属层208，以分别形成低接触电阻区213和高接触电阻区211。对于某些实施例，低接触电阻区213的体积大于高接触电阻区211。可导电、但电阻比低接触电阻区213高的高接触电阻区211，可利用如下所述的金属材料形成。利用具有不同接触电阻的区域，并且小心地加以控制，可用来引导电流，以从期望区域中的活性层发光，例如，发光主要来自于不在N电极117(用来增加发光)下的区域的活性层。
根据这种方式，与具有常见的电流限制或其它电流引导结构的现有LED元件(如图1中具有电绝缘层206的LED元件)相比，图2中具有完全导电的电流引导结构的LED元件有较大的导热性。因此，和现有的LED元件相比，图2及本发明的其它实施例的具有导电电流引导结构的LED元件，可享有降低的操作温度与增加的元件可靠度及/或寿命。
图3是一示意图，说明图2中的LED元件的等效电路300。如图所示，等效电路300包括平行的电阻器RL 302和RH 304，电阻器RL 302和RH 304模拟图2的高/低接触电阻区211/213的等效电阻。虽然只显示一个电阻器当作低接触电阻区，电阻器RL302可能代表一个以上的平行低接触电阻区的集总等效物，例如图2中所示的两个区域213。类似地，电阻器RH 304可能代表一个以上的平行高接触电阻区211的集总等效物。对于某些实施例，等效高接触电阻可能至少是两倍的等效低接触电阻。如图所示，平行的电阻器RL 302和RH 304与二极管306串联，该二极管306代表无串联电阻的理想LED。
一层以上的金属或金属合金基板201配置为邻接到P电极(由图2中的反射层202和阻隔金属层208所组成)。传导基板201可能是单一层或多重层，该单一层或多重层包括金属或金属合金，例如Cu、Ni、Ag、Au、Al、Cu-Co、Ni-Co、Cu-W、Cu-Mo、Ge、Ni/Cu、及Ni/Cu-Mo。传导基板201的厚度范围系从大约10μm到400μm。可利用任何合适的薄膜沉积法进行传导基板201的沉积，例如电化学沉积法(ECD)、无电化学沉积法(Eless CD)、化学气相沉积法(CVD)、有机金属化学气相沉积法(MOCVD)、及物理气相沉积法(PVD)。对于某些实施例，可使用无电化学沉积法沉积晶种金属层，然后使用电镀法在晶种金属层上沉积传导基板的一层以上的额外金属层。
反射层202可能包括单一层或多重层，该单一层或多重层包括任何合适的材料，该材料用来反射光、并且和用来产生高接触电阻区211的材料相比具有相当低的电阻。例如，反射层202可能包括例如Ag、Au、Al、Ag-Al、Mg/Ag、Mg/Ag/Ni、Mg/Ag/Ni/Au、AgNi、Ni/Ag/Ni/Au、Ag/Ni/Au、Ag/Ti/Ni/Au、Ti/Al、Ni/Al、AuBe、AuGe、AuPd、AuPt、AuZn、或使用包含Ag、Au、Al、Ni、Cr、Mg、Pt、Pd、Rh、或Cu的合金。
对于某些实施例，低接触电阻区213包含全向反射(omni-directional reflective，ODR)系统。ODR包括透明传导层及反射层，该透明传导层由例如铟锡氧化物(ITO)或铟锌氧化物(IZO)等材料所组成。ODR可能插设有电流限制结构或其它用来引导电流的合适结构。例示性的ODR系统已揭示于共同拥有的美国专利申请案第11/682,780号，其申请日为2007年3月6日、且标题为“Vetrical Light-Emitting Diode Structure with Omni-Directional Reflector”，其全文合并于此作为参考文献。
N电极117(也称为接触焊垫或N焊垫)可能是单一金属层或多重金属层，该单一金属层或多重金属层由任何适合用来导电的材料所组成，例如Cr/Au、Cr/Al、Cr/Pt/Au、Cr/Ni/Au、Cr/Al/Pt/Au、Cr/Al/Ni/Au、Ti/Al、Ti/Au、Ti/Al/Pt/Au、Ti/Al/Ni/Au、Al、Al/Pt/Au、Al/Pt/Al、Al/Ni/Au、Al/Ni/Al、Al/W/Al、Al/W/Au、Al/TaN/Al、Al/TaN/Au、Al/Mo/Au。N电极117的厚度约0.1μm到50μm。N电极117可利用沉积、溅镀、蒸镀、电镀、无电电镀、涂布、及/或印刷等方法形成于LED堆迭的上表面119之上。
阻隔金属层208可能是单一层或多重层，该单一层或多重层包括任何适合用来形成高接触电阻区211的材料。例如，阻隔金属层208可能包括例如Ag、Au、Al、Mo、Ti、Hf、Ge、Mg、Zn、Ni、Pt、Ta、W、W-Si、W/Au、Ni/Cu、Ta/Au、Ni/Au、Pt/Au、Ti/Au、Cr/Au、Ti/Al、Ni/Al、Cr/Al、AuGe、AuZn、Ti/Ni/Au、W-Si/Au、Cr/W/Au、Cr/Ni/Au、Cr/W-Si/Au、Cr/Pt/Au、Ti/Pt/Au、Ta/Pt/Au、ITO、以及IZO等的材料。
如图2所示，保护层220形成于邻接到LED元件的侧表面。保护层220可作为护层(passivation layer)，以保护LED元件(特别是异质接面)使其不受周遭环境的电和化学状况所影响。
例如，通过任何合适的处理(如电化学沈积法或无电化学沉积法)沉积做为反射层202的一或多层，可形成高/低接触电阻区。再通过任何合适的处理(如湿刻蚀或干刻蚀)，将反射层202中被指定为高接触电阻区211的区域加以去除。在去除指定区域之后，在反射层202内的空白空间中形成阻隔金属层208。对于如图2所示的某些实施例，构成高接触电阻区211的阻隔金属层208可填入反射层202内的空白空间、并且覆盖反射层的表面。
对于某些实施例，当与具有平滑上表面的LED堆迭相比，为了增加光提取，可以将LED堆迭的上表面119加以图案化或粗糙化。上表面119的图案化或粗糙化可利用任何合适的技术(例如湿或干刻蚀)。
对于某些实施例，本文中所描述的电流引导结构可与图6和图9中所示的第二电流路径相结合。在与图4有关的下文中，将会更详细地对第二电流路径加以叙述。
第二电流路径的范例
图4是根据本发明的实施例的示意图，说明具有第二电流路径402的例示性LED元件400。如图所示，LED元件400包括导热导电基板201、配置于传导基板201上的P电极207、配置于P电极207上的LED堆迭104、以及配置于LED堆迭104上的N电极117。LED堆迭104包括异质接面，该异质接面包括P型半导体层110、发光用活性层108、及N型半导体层106。第二导电材料411连接到传导基板201和N型半导体层106，并与N型半导体层106形成非欧姆接触412，以在传导基板201和N型半导体层106之间提供第二电流路径402。第二导电材料411的形成可通过任何合适的处理，例如电子束沉积法、溅镀法、及/或印刷法。
如图所示，电绝缘层404将第二导电材料411和至少一部份的LED堆迭104分隔开来。绝缘层404包括任何合适的电绝缘材料，例如SiO2、Si3N4、TiO2、Al2O3、HfO2、Ta2O5、旋转涂布玻璃(spin-on-glass，SOG)、MgO、高分子、聚酰亚胺、光阻、聚对二甲苯基、SU-8、聚亚酰胺、聚对二甲苯、热塑性塑胶及热塑性塑胶。对于某些实施例，保护层220可当作绝缘层404。
如上所述，传导基板201可能是单一层或多重层，该单一层或多重层包括金属或金属合金，例如Cu、Ni、Ag、Au、Al、Cu-Co、Ni-Co、Cu-W、Cu-Mo、Ge、Ni/Cu、及Ni/Cu-Mo。传导基板201的厚度大约10μm到400μm。
图5是一示意图，说明图4中的LED元件的等效电路500。如图所示，等效电路500包括两个平行的电流路径。第一电流路径包括等效电阻器RL502，等效电阻器RL502与理想LED 504串联，以形成从传导基板201到N电极117的顺向电流路径。第二电流路径402表示为双向暂态电压抑制(transient voltage suppression，TVS)二极管506。TVS二极管506的操作类似于两个相对串联的齐纳二极管，并可用来保护电阻器502和理想LED 504以避免高电压暂态。相较于其它常见的过电压保护元件(例如变阻器、或气体放电管)，TVS二极管506对过电压的反应较快速，使得TVS二极管506可用于防护非常快速且频繁的有害电压暂态，例如静电放电(ESD)。图4中的第二导电材料411可形成图5中的TVS二极管506。当感应电压超过齐纳崩溃电压，第二导电材料411可以将任一方向的过量电流加以分流。
图6是根据本发明的实施例的示意图，说明另一个具有第二电流路径402的例示性LED元件。如图所示，具有第二电流路径402的LED元件也包括由各别的高/低接触电阻区211/213所组成的电流引导结构。例如，如同前文中有关图2的描述，通过在反射层202中插设阻隔金属层208，可形成这些不同的接触区。
图7是一示意图，说明图6中的LED元件的等效电路700。如图所示，图5的单一等效电阻器RL 502被RH 304和RL 302的平行组合所取代，RH 304和RL302代表图6中邻接的高/低接触电阻区211/213。电路700的其余部份和图5的电路500相同。也就是说，图6的LED元件具有电流引导和暂态抑制的优点。
图8是根据本发明的实施例的示意图，说明另一个具有第二电流路径402的例示性LED元件。在此实施例中，在第二电流路径402中形成保护元件810。如图所示，保护元件810形成于N型半导体层106之上，用来增加暂态电压保护或电流能力，因此增加LED元件的可靠度及/或寿命。保护元件810包括任何合适的材料，例如ZnO、ZnS、TiO2、NiO、SrTiO3、SiO2、Cr2O3、以及聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)。保护元件810的厚度范围从大约1nm到10μm。
如图9所示，具有第二电流路径402和保护元件810的LED元件(如图8所示)，也可以包括由各别的高/低接触电阻区211/213所组成的电流引导结构。例如，如同前文中有关图2的描述，通过在反射层202中插设阻隔金属层208，可形成这些不同的接触区。
图10是根据本发明的实施例的示意图，说明具有第二电流路径、且为芯片型式的例示性LED元件。如图所示，电连接用的焊接金属层1002沉积在第二电流路径中的保护元件810之上。焊接层1002包括任何适合用做电连接的材料，例如Al、Au、Ti/Au、Ti/Al、Ti/Pt/Au、Cr/Au、Cr/Al、Ni/Au、Ni/Al、或Cr/Ni/Au。焊接层1002的厚度范围从0.5μm到10μm。对于某些实施例，可以扩大N电极117以允许焊接到封装，如同下文中关于图11的说明。
图11是根据本发明实施例的示意图，说明图10的LED元件的封装型式。如图所示，传导基板201接合于共用封装阳极引线1102。通过连接到焊接金属1002的焊接线1104，焊接层1002连接到阳极引线1102，因此形成第二电流路径。通过另一条焊接线1108，N电极117连接到阴极封装引线1106。
图12是一曲线图1200，分别描绘具有/不具有第二电流路径的LED元件的例示性电流对电压曲线1204、1202。如电流对电压曲线1204所示，在没有过量电流的情况下，第二电流路径使得LED元件能够承受较高的电压，因而可以防止损坏及/或延长元件寿命。
图13是一例示性图表1300，说明具有/不具有第二电流路径的LED元件的存活率与ESD电压间的对应关系。不具有第二电流路径的LED元件1304、1306、1308、1310、1312在不同的ESD电压、以不同的存活率通过测试。反之，具有第二电流路径的LED元件1302甚至在大于2000伏特的较大ESD电压、以等于或接近于100％的比例通过测试。
虽然本文中所述的电流引导结构在应用于立式发光二极管(VLED)元件时具有优点，熟悉此项技术领域者应当了解，通常，这样的优点适用于大部份的半导体元件。因此，对于具有PN接面的任何类型的半导体元件，使用本文中所述的结构将有助于形成低电阻接触及/或暂态抑制物。
虽然前文是针对本发明的实施例，但在不偏离本发明的基本范围下可设计出其它及另外的实施例，本发明的范围由权利要求所界定。

Claims (27)

1.一种发光二极管LED，包括：
一金属基板；
一发光用LED堆迭，配置在该金属基板上，其中该LED堆迭包括一P型半导体层及一N型半导体层；
一N电极，配置在该N型半导体层上；
一保护元件，配置在该N型半导体层上；及
一导电材料，接设于该金属基板和该保护元件之间。
2.如权利要求1所述的LED，其中该保护元件包括ZnO、ZnS、TiO2、NiO、SrTiO3、SiO2、Cr2O3、或聚甲基丙烯酸甲脂其中至少一者。
3.如权利要求1所述的LED，其中该保护元件的厚度范围是从1nm到10μm。
4.如权利要求1所述的LED，更包括一P电极，该P电极插设于该金属基板和该LED堆迭之间，其中该P电极包括第一和第二接触，该第一接触的电阻高于该第二接触的电阻。
5.如权利要求4所述的LED，其中该P电极包括一全向反射系统。
6.如权利要求1所述的LED，其中该导电材料包括多重金属层。
7.如权利要求1所述的LED，其中该导电材料包括Ni、Ag、Au、Al、Mo、Pt、W、W-Si、Ta、Ti、Hf、Ge、Mg、Zn、W/Au、Ta/Au、Pt/Au、Ti/Au、Ti/Al、Ti/Pt/Au、Ti/Ni/Au、Ta/Pt/Au、W-Si/Au、Cr/Au、Cr/Al、Ni/Au、Ni/Al、Cr/Ni/Au、Cr/W/Au、Cr/W-Si/Au、Cr/Pt/Au、AuGe、AuZn、ITO、或IZO其中至少一者。
8.如权利要求1所述的LED，更包括一电绝缘材料，介于该LED堆迭和该导电材料之间。
9.如权利要求8所述的LED，其中该绝缘材料包括SiO2、Si3N4、TiO2、Al2O3、HfO2、Ta2O5、旋转涂布玻璃、MgO、高分子、聚酰亚胺、光阻、聚对二甲苯基、SU-8、聚亚酰胺、聚对二甲苯、热塑性塑胶及热塑性塑胶其中至少一者。
10.如权利要求1所述的LED，更包括一焊接层，插设于该导电材料和该保护元件之间。
11.如权利要求10所述的LED，其中该导电材料为一线，接设于该金属基板和该焊接层之间。
12.如权利要求10所述的LED，其中该焊接层包括多重金属层。
13.如权利要求10所述的LED，其中该焊接层包括Ti/Au、Ti/Al、Ti/Pt/Au、Cr/Au、Cr/Al、Al、Au、Ni/Au、Ni/Al、或Cr/Ni/Au其中至少一者。
14.如权利要求10所述的LED，其中该焊接层的厚度范围是从0.5到10μm。
15.如权利要求1所述的LED，其中该N型半导体层的表面是经图案化或粗糙化的，以用来增加来自该LED的光提取。
16.一种发光二极管LED，包括：
一金属基板；
一P电极，配置在该金属基板上，且具有第一和第二接触，其中该第一接触的电阻高于第二接触；
一发光用LED堆迭，配置在该P电极上，其中该LED堆迭包括一连接到该P电极的P型半导体层及一N型半导体层；及
一N电极，配置在该N型半导体层上。
17.如权利要求16所述的LED，其中该第一接触包括一阻隔金属层。
18.如权利要求16所述的LED，其中该第一接触包括多重金属层。
19.如权利要求16所述的LED，其中该第一接触包括Pt、Ta、W、W-Si、Ni、Cr/Ni/Au、W/Au、Ta/Au、Ni/Au、Ti/Ni/Au、W-Si/Au、Cr/W/Au、Cr/W-Si/Au、Pt/Au、Cr/Pt/Au、或Ta/Pt/Au其中至少一者。
20.如权利要求16所述的LED，其中该第二接触包括一反射层。
21.如权利要求16所述的LED，其中该第二接触包括Ag、Au、Al、Ag-Al、Mg/Ag、Mg/Ag/Ni、Mg/Ag/Ni/Au、AgNi、Ni/Ag/Ni/Au、Ag/Ni/Au、Ag/Ti/Ni/Au、Ti/Al、Ni/Al、AuBe、AuGe、AuPd、AuPt、AuZn、ITO、IZO、或合金其中至少一者，其中该合金包括Ag、Au、Al、Ni、Mg、Cr、Pt、Pd、Rh、或Cu其中至少一者。
22.如权利要求16所述的LED，其中该P电极包括一全向反射ODR系统。
23.如权利要求16所述的LED，其中该第二接触的区域大于该第一接触的区域。
24.如权利要求16所述的LED，其中该第一接触配置在该第二接触的一空白空间内。
25.如权利要求16所述的LED，其中该第一接触的电阻是该第二接触的电阻的至少两倍。
26.如权利要求16所述的LED，其中该金属基板的厚度范围是从10到400μm。
27.如权利要求16所述的LED，其中该LED是一立式发光二极管。
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