CN102347413A - 具有电极框架的垂直发光二极管晶粒及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种具有电极框架的垂直发光二极管晶粒及其制造方法。垂直发光二极管晶粒包含：一金属基部；一镜面体，位于金属基部上；一p-型半导体层，位于反射器层上；一多重量子阱层，位于p-型半导体层上并用以发光；及一n-型半导体层，位于多重量子阱层上。垂直发光二极管晶粒还包含：一电极与一电极框架，位于n-型半导体层上；及一有机或无机材料，被容纳于电极框架内。电极及电极框架可用以提供高电流容量，并将电流从n-型半导体层的外周边散布到n-型半导体层的中心。还可包含一钝化层，钝化层形成在金属基部上，且包围电极框架、镜面体的边缘、p-型半导体层的边缘、多重量子阱层的边缘及n-型半导体层的边缘并使其电性绝缘。
Description
技术领域
概括而言，本揭露内容是关于光电元件，尤其是关于一种垂直发光二极管(VLED)晶粒(die)及其制造方法。
背景技术
一种光电系统，例如发光二极管(LED)，可包含一或多个安装在衬底上的发光二极管晶粒。一种发光二极管晶粒，称为垂直发光二极管(VLED，vertical light emitting diode)晶粒，其包含由例如GaN的化合物半导体材料所制造的多层半导体衬底。此半导体衬底可包含：p-型限制层，具有p-型掺杂物；n-型限制层，具有n-型掺杂物；以及多重量子阱(MQW)层，位于这些限制层之间并用以发光。
垂直发光二极管晶粒亦可包含：电极，位于n-型限制层上；以及镜面体，与p-型限制层接触。此电极可将电流提供至n-型限制层，以启动多重量子阱(MQW，multiple quantumwell)层发光。此镜面体可将所放出的光向外反射。伴随此种垂直发光二极管(VLED)晶粒的一个问题为：电流可能会累积在n-型限制层的特定区域(特别是靠近电极之处)上，而限制多重量子阱层的效率。此问题(有时称为“电流丛聚(current crowding)”)需要较高的正向偏压(Vf)，并且亦会增加电力消耗以及热输出。一种解决此问题的现有方法是形成具有若干接脚的电极，这些接脚可使电流散开。然而，此方法容易覆盖住大范围的多重量子阱层而限制亮度。
发明内容
本发明揭露内容是针对具有电极框架(electrode frame)的垂直发光二极管晶粒以及此垂直发光二极管晶粒的制造方法。此垂直发光二极管晶粒可用以构成具有改善的热与电特性的发光二极管。
提供一种垂直发光二极管晶粒，包含：金属基部；镜面体，位于金属基部上；p-型半导体层，位于镜面体上；多重量子阱层，位于p-型半导体层上并用以发光；以及n-型半导体层，位于多重量子阱层上。此垂直发光二极管晶粒亦包含：电极，位于n-型半导体层上；以及电极框架，位于n-型半导体层上并与电极电性接触；以及有机或无机材料，被容纳于电极框架内并具有所选择的光学特性。此电极框架具有包含在n-型半导体层的周边轮廓内的四边形相框轮廓，并用以提供高电流容量以及将电流从n-型半导体层的外周边散布到n-型半导体层的中心。此垂直发光二极管(VLED)晶粒亦可包含钝化层，此钝化层形成在金属基部上，且包围电极框架、镜面体的边缘、p-型半导体层的边缘、多重量子阱(MQW)层的边缘以及n-型半导体层的边缘并使其电性绝缘。
提供一种垂直发光二极管(VLED)晶粒的制造方法，包含下列步骤：设置金属基部，此金属基部具有：镜面体；p-型半导体层，位于镜面体上；多重量子阱(MQW)层，位于p-型半导体层上并用以发光；以及n-型半导体层，位于多重量子阱(MQW)层上。此方法亦包含下列步骤：将电极以及电极框架形成在n-型半导体层上，电极框架与电极电性接触并用以将电流从n-型半导体层的外周边散布到n-型半导体层的中心。此方法亦可包含下列步骤：形成钝化层，此钝化层用以使电极框架、镜面体的边缘、p-型半导体层的边缘、多重量子阱层的边缘以及n-型半导体层的边缘电性绝缘。此方法亦可包含下列步骤：将有机或无机材料沉积在电极框架内，此材料具有所选择的光学特性。
本发明提供垂直发光二极管晶粒可用以构成具有改善的热与电特性的发光二极管。
附图说明
示范实施例显示于附图的参考图中。此意指将在此所揭露的实施例与图视为示例而非限制。
图1是具有电极框架的垂直发光二极管晶粒的概略立体图；
图2A是沿着宽度侧的垂直发光二极管晶粒的概略侧视图；
图2B是相当于图2A的垂直发光二极管晶粒的概略侧视图，此晶粒具有钝化层；
图3A是沿着长度侧的垂直发光二极管晶粒的概略侧视图；
图3B是相当于图3A的垂直发光二极管晶粒的概略侧视图，此晶粒具有钝化层；
图4A是垂直发光二极管晶粒的平面视图，其显示电极以及电极框架；
图4B是垂直发光二极管晶粒的平面视图，其显示电极延伸跨越电极框架的一替代实施例；
图4C是垂直发光二极管晶粒的平面视图，其显示镜面体；
图5是具有钝化层以及有机或无机材料的垂直发光二极管的概略侧视图，此有机或无机材料位于电极框架内；及
图6是具有钝化层以及有机或无机材料的垂直发光二极管的概略侧视图，此钝化层设置成堤坝，而此有机或无机材料容纳在此堤坝内。
附图标号
10垂直发光二极管晶粒
12金属基部
14镜面体
16p-型半导体层
18多重量子阱层
20n-型半导体层
22电极
24电极框架
26钝化层
28有机或无机材料
30电极电流阻挡面积
具体实施方式
参考图1，垂直发光二极管晶粒10(图1)包含：金属基部12；镜面体14，位于金属基部12上；p-型半导体层16，位于第一金属基部上；多重量子阱层18(活化层)，位于p-型半导体层16上；以及n-型半导体层20，位于多重量子阱层18上。垂直发光二极管晶粒10亦包含：电极22；以及电极框架24，位于n-型半导体层20上并与电极22电性接触。
金属基部12、位于金属基部12上的镜面体14、p-型半导体层16、多重量子阱层18、以及n-型半导体层20，在周边形状上皆约略呈矩形。此外，电极框架24具有由两平行间隔宽度侧壁、以及正交于此宽度侧壁的两平行间隔长度侧壁所构成并且包含在n-型半导体层20的周边轮廓内的四边形相框形状。换言之，电极框架24具有小于n-型半导体层20的长度、宽度以及面积的周边长度、周边宽度以及周边面积。此外，如同更进一步解释，电极框架24具有大于(或等于)镜面体14的长度、宽度以及面积的周边长度、周边宽度以及周边面积，此可降低因电极框架24所造成的光刻胶挡。
金属基部12(图1)可具有大于p-型半导体层16以及n-型半导体层20的面积。金属基部12可包含单一金属层或两层以上金属层的堆叠体，其是使用合适的沉积工艺所形成。此外，可选择用于金属基部12的材料，以提供高导电性以及高导热性。用于金属基部12的合适材料包含Cu、Ni、Ag、Au、Co、Cu-Co、Ni-Co、Cu-Mo、Ni/Cu、Ni/Cu-Mo以及这些金属的合金。用以形成金属基部12的合适沉积工艺包含电沉积、无电沉积、化学汽相沉积(CVD，chemical vapor deposition)、等离子增强化学汽相沉积(PECVD，plasmaenhanced chemical vapor deposition)、物理汽相沉积(PVD，physical vapor deposition)、蒸发(evaporation)、以及等离子喷涂(plasma spray)。
镜面体14(图1)在形状上可约略呈具有小于p-型半导体层16的面积的矩形。除了作为反射器以外，镜面体14可作为阳极电极，以提供从阳极(p-型半导体层16)到阴极(n-型半导体层20)的电流路径。镜面体14可包含单一金属层或金属堆叠体，例如Ag、Ni/Ag、Ni/Ag/Ni/Au、Ag/Ni/Au、Ti/Ag/Ni/Au、Ag/Pt或Ag/Pd或Ag/Cr，其是通过沉积含有Ag、Au、Cr、Pt、Pd、或Al的合金而形成。镜面体14的厚度可小于约1.0μm。亦可使用高温回火或合金化来改善镜面体14的接触电阻以及附着性。
p-型半导体层16在形状上可约略呈具有大于镜面体14的面积的矩形。用于p-型半导体层16的较佳材料包含p-GaN，用于p-型层的其他合适材料包含AlGaN、InGaN以及AlInGaN。多重量子阱层18可包含例如GaAs的半导体材料。如图1所示，多重量子阱(MQW)层18以及n-型半导体层20可具有与p-型半导体层16相同的矩形形状，并且具有减少的面积，如此可通过半导体层16、20以及多重量子阱层18来形成具有倾斜侧壁的外延堆叠体。以不同例子加以说明，由n-型半导体层20、多重量子阱层18以及p-型半导体层16所形成的外延堆叠体，在形状上约略呈锥形，而n-型半导体层20形成基部以及p-型半导体层形成平坦顶部。n-型半导体层20的上表面亦可为平坦与平面，以提供电极框架24的基部。用于n-型半导体层20的较佳材料包含n-GaN，用于n-型层的其他合适材料包含AlGaN、InGaN以及AlInGaN。
随着说明的进行，将可更加明白：垂直发光二极管晶粒10(图1)的元件的几何形状可提供改善的性能。例如，在n-型半导体层20的面积大于多重量子阱层18、p-型半导体层16以及镜面体14的面积的情况下，可降低光刻胶挡。具体来说，n-型半导体层20的较大面积允许在较少光刻胶挡的情况下将电极框架24形成在n-型半导体层20上。此外，由于镜面体14具有最小面积，降低了因镜面体14所造成的电流阻挡。
电极22(图1)可包含衬垫，此衬垫与电极框架24的一边接触并且具有包含在电极框架24内的矩形或方形周边轮廓。此外，电极22可设置成用以配线接合(wiring bonding)至垂直发光二极管晶粒10以及对应支撑衬底(未图示)的接合衬垫。电极22以及电极框架24可包含单一层或材料堆叠体，其是使用合适的沉积工艺所形成，例如PVD、电子枪(E-Gun)蒸发、热蒸发、无电化学沉积、或电化学沉积。用于电极22与电极框架24的合适材料可包含Ti/Al/Ni/Au、Al/Ni/Au、Al/Ni/Cu/Au以及Ti/Al/Ni/Cu/Ni/Au。
在图1中，确认下列几何特征。此外，在下方列出代表性的尺寸。
W：电极框架24的外周边的宽度
L：电极框架24的外周边的长度
E：电极框架24的壁宽
d：从电极框架24的外周边到n-型半导体层20的边缘的距离
dE：电极框架24的厚度
Bw：电极22的宽度
BL：电极22的长度
电极22的高度与dE相同。
在垂直发光二极管(VLED)晶粒10(图1)中，可将电极框架24的外周边的宽度W最佳化，以提供将n-型半导体层20上的电流由外周边或侧边散布到其中心的足够电流容量。此外，电极框架24的四边形相框周边轮廓与n-型半导体层20的周边边缘具有一内间隔d。可选择电极框架24的长度L，以满足所需的发光面积。例如，所需的发光面积可为A，如此可选择长度L而使L＝A/W。根据亮度需求，较长的L可提供较大的发光面积A，此可提供较高的亮度。
同样在垂直发光二极管(VLED)晶粒10(图1)中，亦可将电极框架24的外周边的宽度W最佳化，以对应于n-型半导体层20的侧向电流散布能力。例如，n-型半导体层20的电流散布能力取决于电子传导率、电子迁移率、以及厚度。较厚的n-型半导体层20可具有更多的空间来从边缘到中心散布电流。n-型半导体层20的电子传导率与迁移率取决于掺杂浓度的最佳化。
同样在垂直发光二极管(VLED)晶粒10(图1)中，电极框架24的厚度dE可从1μm分布到100μm。较厚的dE可提供具有较低电阻的电极框架24，以更快地散布电流。此外，较高的电流注入可提供较高的亮度。在电极框架24的最佳化厚度dE上的均匀且快速的电流传导，可避免位在电极22周围的局部非均匀高电流密度。电极22周围的局部高电流密度可能会产生局部高热密度并且损害垂直发光二极管(VLED)晶粒10。换言之，电极框架24的最佳化厚度不仅可协助电流的散布，亦可使任何局部产生的热点消散。且进一步地，较厚的电极框架24亦可提供较低的电阻，如此可降低在高电流下的操作电压。
参考图2A与图3A，显示在垂直发光二极管(VLED)晶粒10中的镜面体14的宽度Wm(其中Wm＜W+2d或非必须地Wm＝W或Wm＜W)。如图3A所示，镜面体14亦具有长度Lm，并且与电极框架24的内周边隔开(其中Lm＜L+2d或非必须地Lm＝L或Lm＜L)。可设计镜面体14与电极框架24的间隔，以提供电极框架24的电流阻挡面积。此外，位于电极22下方的镜面体14可提供电流阻挡面积，而在电极22下方几乎无电子-空穴重组。对于一既定的发光面积A而言，此举可提供较高的电流密度以及较高的亮度。
参考图2B与图3B，垂直发光二极管(VLED)晶粒10亦可包含钝化层26，此钝化层形成在金属基部12上，且包围电极框架24并使其电性绝缘。此外，钝化层26可使镜面体14的边缘、p-型半导体层16的边缘、多重量子阱(MQW)层18的边缘以及n-型半导体层20的边缘电性绝缘。钝化层26可包含电性绝缘沉积材料，其在n-型半导体层20上具有高度dp(非必须地dp＜dE，dp＝dE，dp＞dE)。用于钝化层26的合适材料包含感光或非感光材料、光刻胶、聚合物、聚酰亚胺、环氧树脂、热塑性塑料、聚对二甲苯(parylene)、干膜光刻胶、硅酮、SU8以及NR7。
参考图4A-图4C，显示电极框架24、电极22以及镜面体14的额外特征。如图4C所示，镜面体14的长度Lm可小于长度L+2d(或非必须地Lm＝L或Lm＜L)，以及镜面体14的Wm可小于宽度W+2d(或非必须地Wm＝W或Wm＜W)。此外，电极电流阻挡面积30(图4C)取决于电极22的设计。例如，WB具有几乎与Bw相同的尺寸，而LB具有几乎与BL相同的尺寸。非必须地，如图4B所示，电极22可延伸跨越电极框架24的宽度，并且可部分地被电极框架24覆盖。
参考图5，垂直发光二极管(VLED)晶粒10亦可包含有机或无机材料28，此材料被容纳于电极框架24内并具有所选择的光学特性。此外，电极框架24可设置成用以容纳有机或无机材料28的堤坝(dam)。具体来说，有机或无机材料28被容纳在电极框架24的四个侧壁内，并且由n-型半导体层20的上表面所包含。在此实施例中，钝化层26的高度dp(图2B)较佳是小于电极框架24的高度dE(图1)(dp＜dE)。有机或无机材料28可包含例如硅酮的透光性材料。此外，可选择有机或无机材料28，以提供期望的光学特性，例如光谱转换或高反射率。
参考图6，垂直发光二极管(VLED)晶粒10亦可包含有机或无机材料28，此材料具有所选择的光学特性并且被容纳在钝化层26内。在此实施例中，钝化层26的高度dp(图2B)较佳是大于电极框架24的高度dE(图1)(dp＞dE)。此外，钝化层26可设置成用以容纳有机或无机材料28的堤坝。有机或无机材料28亦可包覆电极框架24。
于是，本揭露内容是描述一种改善的垂直发光二极管(VLED)晶粒及其制造方法。虽然以上已说明若干示范实施样态以及实施例，但本领域的技术人员可认知其某些修改、置换、添加以及次组合。因此，此意指将随附的权利要求以及之后所引用的权利要求解释为包含所有此种落入其真实精神与范围内的修改、置换、添加以及次组合。
Claims (23)
1.一种垂直发光二极管晶粒，其特征在于，所述垂直发光二极管晶粒包含：
一金属基部；
一镜面体，位于所述金属基部上；
一p-型半导体层，位于所述镜面体上；
一多重量子阱层，位于所述p-型半导体层上并用以发光；
一n-型半导体层，位于所述多重量子阱层上，并具有一周边轮廓与一中心；
一电极，位于所述n-型半导体层上；及
一电极框架，位于所述n-型半导体层上并与所述电极电性接触，所述电极框架包含在所述n-型半导体层的所述周边轮廓内，并用以将电流从所述n-型半导体层的外周边散布到所述n-型半导体层的中心。
2.如权利要求1所述的垂直发光二极管晶粒，其特征在于，所述电极框架具有四边形相框形状，而所述电极包含一衬垫，所述衬垫与所述电极框架的一边接触。
3.如权利要求1所述的垂直发光二极管晶粒，其特征在于，所述垂直发光二极管晶粒更包含一钝化层，所述钝化层位于所述金属基部上，且包围所述电极框架、所述镜面体的边缘、所述p-型半导体层的边缘、所述多重量子阱层的边缘以及所述n-型半导体层的边缘并使其电性绝缘。
4.如权利要求3所述的垂直发光二极管晶粒，其特征在于，所述钝化层设置成一堤坝且更包含一有机或无机材料，所述有机或无机材料被容纳于所述堤坝内且具有所选择的光学特性。
5.如权利要求1所述的垂直发光二极管晶粒，其特征在于，所述垂直发光二极管晶粒更包含一有机或无机材料，所述材料被容纳于所述电极框架内且具有所选择的光学特性。
6.如权利要求1所述的垂直发光二极管晶粒，其特征在于，所述p-型半导体层以及所述n-型半导体层包含一选自于由GaN、AlGaN、InGaN以及AlInGaN所组成的群组的材料。
7.如权利要求1所述的垂直发光二极管晶粒，其特征在于，所述电极包含一接合衬垫，所述接合衬垫包含在所述电极框架内并且与所述电极框架的一边接触。
8.如权利要求1所述的垂直发光二极管晶粒，其特征在于，所述电极框架具有一约略呈矩形的形状，其具有一外周边宽度W、一外周边长度L；而所述镜面体具有小于或等于W的一宽度Wm、以及小于或等于L的一长度Lm。
9.如权利要求1所述的垂直发光二极管晶粒，其特征在于，所述n-型半导体层具有一第一面积，所述第一面积大于所述镜面体的一第二面积。
10.一种垂直发光二极管晶粒，其特征在于，所述垂直发光二极管晶粒包含：
一金属基部；
一镜面体，位于所述金属基部上，并具有一宽度Wm以及一长度Lm；
一p-型半导体层，位于所述镜面体上；
一多重量子阱层，位于所述p-型半导体层上并用以发光；
一n-型半导体层，位于所述多重量子阱层上，并具有一周边轮廓与一中心；
一电极，位于所述n-型半导体层上；及
一电极框架，位于所述n-型半导体层上且与所述电极电性接触，并用以将电流从所述n-型半导体层的外周边散布到所述n-型半导体层的中心，所述电极框架具有与所述n-型半导体层的所述周边轮廓隔开一距离d的四边形相框形状，所述电极框架具有大于或等于Wm的一周边宽度W、大于或等于Lm的一周边长度L、一壁宽E以及一厚度dE。
11.如权利要求10所述的垂直发光二极管晶粒，其特征在于，选择所述长度L，以满足一所需的发光面积A，其中L＝A/W。
12.如权利要求10所述的垂直发光二极管晶粒，其特征在于，所述厚度dE是从1μm到100μm。
13.如权利要求10所述的垂直发光二极管晶粒，其特征在于，所述p-型半导体层、所述多重量子阱层以及所述n-型半导体层形成一约略呈锥形形状的外延堆叠体，而所述n-型半导体层形成一基部以及所述p-型半导体层形成一平坦顶部。
14.如权利要求10所述的垂直发光二极管晶粒，其特征在于，所述垂直发光二极管晶粒更包含一钝化层，所述钝化层位于所述金属基部上，且包围所述电极框架、所述镜面体的边缘、所述p-型半导体层的边缘、所述多重量子阱层的边缘以及所述n-型半导体层的边缘并使其电性绝缘。
15.如权利要求14所述的垂直发光二极管晶粒，其特征在于，所述钝化层设置成一堤坝且更包含一有机或无机材料，所述有机或无机材料被容纳于所述堤坝内且具有所选择的光学特性。
16.如权利要求9所述的垂直发光二极管晶粒，其特征在于，所述垂直发光二极管晶粒更包含一有机或无机材料，所述材料被容纳于所述电极框架内且具有所选择的光学特性。
17.如权利要求9所述的垂直发光二极管晶粒，其特征在于，所述p-型半导体层以及所述n-型半导体层包含一选自于由GaN、AlGaN、InGaN以及AlInGaN所组成的群组的材料。
18.如权利要求9所述的垂直发光二极管晶粒，其特征在于，所述电极包含一接合衬垫，所述接合衬垫包含在所述电极框架内并且与所述电极框架的一边接触。
19.一种垂直发光二极管晶粒的制造方法，其特征在于，所述垂直发光二极管晶粒的制造方法包含下列步骤：
设置一金属基部，所述金属基部具有：一镜面体；一p-型半导体层，位于所述镜面体上；一多重量子阱层，位于所述p-型半导体层上并用以发光；以及一n-型半导体层，位于所述多重量子阱层上并且具有一周边轮廓；
将一电极形成在所述n-型半导体层上；及
将一电极框架形成在所述n-型限制层上，所述电极框架与所述电极电性接触，所述电极框架包含在所述n-型半导体层的所述周边轮廓内，并用以将电流从所述n-型半导体层的外周边散布到所述n-型半导体层的中心。
20.如权利要求19所述的垂直发光二极管晶粒的制造方法，其特征在于，所述垂直发光二极管晶粒的制造方法更包含下列步骤：
将一钝化层形成在所述金属基部上，所述钝化层用以使所述电极框架、所述镜面体的边缘、所述p-型半导体层的边缘、所述多重量子阱层的边缘以及所述n-型半导体层的边缘电性绝缘。
21.如权利要求20所述的垂直发光二极管晶粒的制造方法，其特征在于，所述垂直发光二极管晶粒的制造方法更包含下列步骤：
形成所述钝化层以作为一堤坝，以及将一有机或无机材料沉积在所述堤坝内，所述有机或无机材料具有所选择的光学特性。
22.如权利要求19所述的垂直发光二极管晶粒的制造方法，其特征在于，所述垂直发光二极管晶粒的制造方法更包含下列步骤：
将一有机或无机材料沉积在所述电极框架内，所述有机或无机材料具有所选择的光学特性。
23.如权利要求17所述的垂直发光二极管晶粒的制造方法，其特征在于，所述p-型半导体层以及所述n-型半导体层包含一选自于由GaN、AlGaN、InGaN以及AlInGaN所组成的群组的材料。
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