CN102386319B - 发光元件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种发光元件，其包含：一半导体叠层，具有一第一面以及一与第一面相对的第二面；一沟槽形成于半导体叠层之中，具有一开口接近第二面、一底部、与一内侧壁连接开口与底部，其中开口的面积大于底部的面积。发光元件还包含一介电层形成于沟槽的内侧壁与第二面上；及一第一金属层形成于介电层上。

Description

发光元件
技术领域
本发明涉及一种发光元件，尤其是涉及一种具有连接结构的发光元件。
背景技术
发光二极管是一种固态半导体元件，被广泛使用做为发光元件。发光元件结构至少包含一p型半导体层、一n型半导体层与一活性层，其中活性层形成于p型半导体层与n型半导体层之间。发光元件的结构包含由三-五族元素组成的化合物半导体，例如磷化镓(GaP)、砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)，其发光原理是利用电子在n型半导体层与p型半导体层之间移动的能量差，将电能转换成光能。
图1描述了现有技术中一发光元件与一承载基板接合前的剖视图，发光元件包含一半导体叠层10a，其提供一第一面18与一第二面181。半导体叠层10a包含一第一半导体层11、一第二半导体层13与一形成于第一半导体层11与第二半导体层13之间的活性层12，且活性层12为发光区。一沟槽形成于半导体叠层10a之中，其形成方法可以是湿蚀刻或干蚀刻。一介电层14形成于沟槽的内侧壁以与第二半导体层13、活性层12电性绝缘。然后，将一导电材料填充于绝缘沟槽中以形成一第一金属层15。一反射层16形成于半导体叠层10a与介电层14之间。一孔洞17是未被第一金属层15所填满的区域。一第一连接层101形成于一承载基板102之上以与第一金属层15连接，形成导电连接结构。如图1所示，在形成第一连接层101与第一金属层15之后，半导体叠层10a可利用金属接合(metal bonding)或胶质粘着(gluebonding)与承载基板102连接。
图2A描述了现有技术中一发光元件20的剖视图。如图2A所示，由于半导体叠层20a中具有沟槽200，如第一金属层25的导电材料不易填入，所以填完导电材料之后的沟槽200表面是凹面的结构。
当第一金属层25与形成于一承载基板202上的第一连接层201相连接时，一孔洞204便形成于第一金属层25与第一连接层201之间，使第一金属层25与第一连接层201之间的接触面积变小，发光元件20的电阻因而提高。如图2B所示，沟槽200的周围为所填入的第一金属层25，而中间未被第一金属层25所填满的区域则形成孔洞204。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种发光元件，其包含：一半导体叠层，具有一第一面以及一与第一面相对的第二面；一沟槽形成于半导体叠层之中，具有一开口接近第二面、一底部、与一内侧壁连接开口与底部，其中开口的面积大于底部的面积。发光元件还包含一介电层形成于沟槽的内侧壁与第二面上；及一第一金属层形成于介电层之上。
附图说明
图1是现有的发光元件结构图；
图2A是现有的发光元件结构图；
图2B是现有的发光元件结构图；
图3A是本发明第一实施例的发光元件剖视图；
图3B是本发明第一实施例的沟槽上视图；
图4A是本发明第二实施例的发光元件剖视图；
图4B是本发明第一实施例的沟槽上视图；
图5A是本发明第三实施例的发光元件剖视图；
图5B是本发明第一实施例的沟槽上视图。
主要元件符号说明
半导体叠层10a、20a、30a、40a、50a
第一半导体层11、21、31、41、51
活性层12、22、32、42、52
第二半导体层13、23、33、43、53
介电层14、24、34、44、54
第一金属层15、25、35、45、55
反射层16、26、36、46、56
第一面18、28、39、49、60
发光元件20、30、40、50
第二电极27、37、47、57
导电凸出结构38、48
穿孔58
背部连接59
第一连接层101、201、301、401、501
承载基板102、202、302、402、502
沟槽200、300、400、500
第一电极203、303、403、503
孔洞17、204、304、404
第二面181、281、391、491、601
开口306、406、506
底部305、405、505
内侧壁307、407、507
具体实施方式
为了使本发明的叙述更加详尽与完备，请参照下列描述并配合图3A至图5B的图示。如图3A～图3B所示，依据本发明第一实施例的发光元件30的剖视图如下：如图3A所示，本发明第一实施例的一发光元件30包含一半导体叠层30a，具有一第一面39、一第二面391与一活性层32；一沟槽300形成于半导体叠层30a之中，具有一开口306接近第二面391、一底部305、与一内侧壁307连接开口306与底部305。在本实施例中，内侧壁307为一斜面。发光元件30还包含一介电层34形成于沟槽300的内侧壁307与第二面391上；一第一金属层35形成于介电层34之上；一承载基板302；及一第一连接层301连接承载基板302与半导体叠层30a。半导体叠层30a还包含一具有第一导电性的第一半导体层31靠近第一面39，一具有第二导电性的第二半导体层33靠近第二面391，其中活性层32位于第一半导体层31与第二半导体层33之间。活性层32的材料包含InGaN系列、AlGaAs系列、AlGaInP系列为主的材料。
沟槽300形成于半导体叠层30a的方法可以是干蚀刻或是湿蚀刻。沟槽300的底部305形成于半导体叠层30a的第一半导体层31中，且沟槽300的开口306靠近第二面391。沟槽300靠近开口306的面积大于沟槽300靠近底部305的面积。介电层34形成于沟槽300的内侧壁307之上以与第二半导体层33、活性层32电性绝缘。介电层34的材料包含氧化硅、氮化硅、氧化镁、氧化钽、二氧化钛、或是高分子聚合物。此外，为了增加发光元件的发光效率，发光元件还包含一反射层36位于半导体叠层30a与介电层34之间。反射层36的材料包含金属或金属合金。
然后，将第一金属层35填入沟槽300中，第一金属层35的材料包含镍(Ni)、金(Au)、钛(Ti)、铬(Cr)、金(Au)、锌(Zn)、铝(Al)、铂(Pt)或上述材料的组合。在第一金属层35填入的过程中会形成一凹面区域。接着，通过局部电镀制作工艺于沟槽300中第二次填入如第一金属层35的导电材料，并以第一金属层35作为种子层，再通过局部电镀制作工艺选择性地于沟槽300的凹面区域上形成一导电凸出结构38。导电凸出结构38的材料包含导电金属，例如镍(Ni)、金(Au)、钛(Ti)、铬(Cr)、金(Au)、锌(Zn)、铝(Al)、铂(Pt)或上述材料的组合。
如图3B所示，第一金属层35与第一连接层301的接触面积与图2B相比较大，第一金属层35与第一连接层301的接触电阻因而降低。如图3B所示，沟槽300的上视图可以是圆形或是椭圆形，且导电凸出结构38的上视图可以是圆形或是椭圆形。导电凸出结构38的周长小于沟槽300的周长，也就是说导电凸出结构38可被容纳于沟槽300中。一孔洞304形成于第一金属层35与导电凸出结构38之间，且未被第一金属层35或是导电凸出结构38的材料所填入。如图3B所示，沟槽300的周围区域为所填入的第一金属层35，沟槽300的中间区域则为导电凸出结构38，而孔洞304形成于第一金属层35与导电凸出结构38之间。通过导电凸出结构38，图3B中第一金属层35与第一连接层301的接触面积相较于图2B较大，接触电阻因而降低。
形成第一金属层35与导电凸出结构38之后，半导体叠层30a通过第一连接层301与承载基板302连接。第一连接层301的材料包含金(Au)、锡(Sn)、铬(Cr)、锌(Zn)、镍(Ni)、钛(Ti)、铂(Pt)或上述材料的组合。承载基板302为一导电基板，其材料包含金属或金属合金，例如铜(Cu)、铝(Al)、锡(Sn)、锌(Zn)、镉(Cd)、镍(Ni)、钴(Co)、钨(W)、钼(Mo)或上述材料的组合。本发明实施例中的发光元件30还包含一第一电极303形成于承载基板302上以与第一半导体层31电连接，及一第二电极37与第二半导体层33电连接。
如图4A所示，本发明第二实施例的一发光元件40包含一半导体叠层40a，具有一第一面49、一第二面491与一活性层42；一沟槽400形成于半导体叠层40a之中，具有一开口406接近第二面491、一底部405、与一内侧壁407连接开口406与底部405。在本实施例中，内侧壁407为一斜面。发光元件40还包含一介电层44形成于沟槽400的内侧壁407与第二面491上；一第一金属层45形成于介电层44之上；一承载基板402；及一第一连接层401连接承载基板402与半导体叠层40a。半导体叠层40a还包含一具有第一导电性的第一半导体层41靠近第一面49，一具有第二导电性的第二半导体层43靠近第二面491，其中活性层42位于第一半导体层41与第二半导体层43之间。活性层42的材料包含InGaN系列、AlGaAs系列、AlGaInP系列为主的材料。
沟槽400形成于半导体叠层40a的方法可以是干蚀刻或是湿蚀刻。沟槽400的底部405形成于半导体叠层40a的第一半导体层41中，且沟槽400的开口406靠近第二面491。沟槽400靠近开口406的面积大于沟槽400靠近底部405的面积。部分半导体叠层40a通过现有光刻与蚀刻的技术形成一导电凸出结构48。导电凸出结构48包含一叠层，实质上包含与半导体叠层40a相同的材料。导电凸出结构48中叠层的材料包含一种或一种以上的元素选自镓(Ga)、铝(Al)、铟(In)、磷(P)、氮(N)、锌(Zn)、镉(Cd)、硒(Se)、砷(As)以及硅(Si)所构成的群组。因为沟槽400中的半导体层并未全部被蚀刻移除，沟槽400中所需填入如第一金属层45的导电性材料的区域并不如图2A所示的沟槽200深。所以相比较于图2A所示的结构，如图3A所示，本实施例中第一金属层45较容易填入沟槽400中。第一金属层45的材料包含镍(Ni)、金(Au)、钛(Ti)、铬(Cr)、金(Au)、锌(Zn)、铝(Al)、铂(Pt)或上述材料的组合。如图4B所示，第一金属层45与第一连接层401的接触面积与图2B相比较大，接触电阻因而降低。如图4B所示，沟槽400的上视图可以是圆形或是椭圆形，且导电凸出结构48的上视图可以是圆形或是椭圆形。导电凸出结构48的周长小于沟槽400的周长，也就是说导电凸出结构48可被容纳于沟槽400中。一孔洞404形成于第一金属层45中，且未被第一金属层45或是导电凸出结构48的材料所填入。如图4B所示，沟槽400的周围区域为所填入的第一金属层45，沟槽400的中间区域45’包含与所填入的第一金属层45相同的材料，而孔洞404形成于第一金属层45之间。通过导电凸出结构48，图4B中第一金属层45与第一连接层401的接触面积相较于图2B较大，第一金属层45与第一连接层401的接触电阻因而降低。
介电层44形成于沟槽400的内侧壁407与导电凸出结构48的表面上以与第二半导体层43、活性层42电性绝缘。介电层44的材料包含氧化硅、氮化硅、氧化镁、氧化钽、二氧化钛、或是高分子聚合物。此外，为了增加发光元件的发光效率，一反射层46位于半导体叠层40a与介电层44之间。反射层46的材料包含金属或金属合金。
形成第一金属层45与导电凸出结构48之后，半导体叠层40a通过第一连接层401与承载基板402连接。第一连接层401的材料包含金(Au)、锡(Sn)、铬(Cr)、锌(Zn)、镍(Ni)、钛(Ti)、铂(Pt)或上述材料的组合。承载基板402为一导电基板，其材料包含金属或金属合金，例如铜(Cu)、铝(Al)、锡(Sn)、锌(Zn)、镉(Cd)、镍(Ni)、钴(Co)、钨(W)、钼(Mo)或上述材料的组合。本发明实施例的发光元件40还包含一第一电极403形成于承载基板402上与第一半导体层41电连接，及一第二电极47与第二半导体层43电连接。
如图5A所示，本发明第三实施例的一发光元件50包含一半导体叠层50a，具有一第一面60、一第二面601与一活性层52；一沟槽500形成于半导体叠层50a之中，具有一开口506接近第二面601、一底部505、与一内侧壁507连接开口506与底部505。在本实施例中，内侧壁507为一斜面。发光元件50还包含一介电层54形成于沟槽500的内侧壁507与第二面601上；一第一金属层55形成于介电层54之上；一承载基板502；及一第一连接层501连接承载基板502与半导体叠层50a。半导体叠层50a还包含一具有第一导电性的第一半导体层51靠近第一面60，一具有第二导电性的第二半导体层53靠近第二面601，其中活性层52位于第一半导体层51与第二半导体层53之间。活性层52的材料包含InGaN系列、AlGaAs系列、AlGaInP系列为主的材料。第一金属层55的材料包含镍(Ni)、金(Au)、钛(Ti)、铬(Cr)、金(Au)、锌(Zn)、铝(Al)、铂(Pt)或上述材料的组合。
在本实施例中，可利用干蚀刻或湿蚀刻形成通过半导体叠层50a的沟槽500。沟槽500靠近开口506的面积大于沟槽500靠近底部505的面积。沟槽500的底部505形成于第一面60上，且沟槽500的开口506靠近第二面601。
介电层54形成于沟槽500的内侧壁507上以与第二半导体层53及活性层52电性绝缘。介电层54的材料包含氧化硅、氮化硅、氧化镁、氧化钽、二氧化钛、或是高分子聚合物。此外，为了增加发光元件的发光效率，一反射层56位于半导体叠层50a与介电层54之间。反射层56的材料包含金属或金属合金。
在本发明第三实施例的发光元件50中，沟槽500还包含一穿孔58靠近沟槽500的底部505，故沟槽500可通过穿孔58贯通半导体叠层50a。由于将导电性材料填入沟槽时，部分制作工艺气体会残留于沟槽中，当导电性材料于填入沟槽并因制作工艺冷却而固化后，残留的制作工艺气体可经过穿孔58离开沟槽500。因沟槽500内无任何残留的制作工艺气体，故第一金属层55可填满沟槽500，并通过穿孔58与沟槽500的底部505而形成一背部连接59。背部连接59包含与第一金属层55相同的材料，并形成于第一面60以与第一半导体层51电连接。换句话说，第一半导体层51通过经过第一面60的第一金属层55与第一连接层501电连接，且中间无任何如图2B所示未被第一金属层25所填满的孔洞204。所以，如图5B所示，第一金属层55与第一连接层501的接触面积相较于图2B较大，第一金属层55与第一连接层501的接触电阻因而降低。如图5B所示，沟槽500的上视图可以是圆形或是椭圆形，且沟槽500被第一金属层55完全填入，无任何如图2B所示的孔洞。
形成第一金属层55于沟槽500中之后，半导体叠层50a通过第一连接层501与承载基板502连接。第一连接层501的材料包含金(Au)、锡(Sn)、铬(Cr)、锌(Zn)、镍(Ni)、钛(Ti)、铂(Pt)或上述材料的组合。承载基板502为一导电基板，其材料包含金属或金属合金，例如铜(Cu)、铝(Al)、锡(Sn)、锌(Zn)、镉(Cd)、镍(Ni)、钴(Co)、钨(W)、钼(Mo)或上述材料的组合。
本发明实施例中的发光元件50还包含一第一电极503形成于承载基板502上与第一半导体层51电连接，及一第二电极57与第二半导体层53电连接。
以上各附图与说明虽仅分别对应特定实施例，然而，各个实施例中所说明或揭露的元件、实施方式、设计准则、及技术原理除在彼此显相冲突、矛盾、或难以共同实施之外，吾人当可依其所需任意参照、交换、搭配、协调、或合并。
虽然本发明已说明如上，然其并非用以限制本发明的范围、实施顺序、或使用的材料与制作工艺方法。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 (9)

1.一种发光元件，包含：
半导体叠层，包含第一面以及与该第一面相对的第二面，其中该半导体叠层还包含具有第一导电性的第一半导体层、具有第二导电性的第二半导体层，及活性层位于该第一半导体层及该第二半导体层之间；
沟槽形成于该半导体叠层之中，其中该沟槽包含开口、底部与内侧壁，其中该开口接近该第二面，该内侧壁连接该开口与该底部，该开口的面积大于该底部的面积，该第一半导体层靠近该第一面，该第二半导体层靠近该第二面；
介电层形成于该沟槽的该内侧壁与该第二面上；
承载基板靠近该第二面；
第一金属层形成于该介电层之上，其中该第一金属层与该第一半导体层相连接，该第一金属层透过该介电层以与该第二半导体层电性绝缘；
电极与该第二半导体层电连接，其中该电极与该承载基板形成于该第一金属层之相对侧；及
导电凸出结构位于该沟槽中。
2.如权利要求1所述的发光元件，其中该导电凸出结构包含叠层，且该叠层实质上包含与该半导体叠层相同的材料。
3.如权利要求1所述的发光元件，其中该沟槽的形状可为圆形或是椭圆形，及/或该导电凸出结构的形状可为圆形或是椭圆形。
4.如权利要求1所述的发光元件，其中该导电凸出结构的材料包含金属。
5.如权利要求1所述的发光元件，还包含孔洞形成于该第一金属层与该导电凸出结构之间。
6.如权利要求1所述的发光元件，还包含反射层位于该半导体叠层与该介电层之间。
7.如权利要求1所述的发光元件，其中该沟槽还包含穿孔靠近该底部及一背部连接形成于该第一面上，并与该第一半导体层电连接。
8.如权利要求1所述的发光元件，还包含第一连接层连接该承载基板与该半导体叠层，其中该承载基板为一导电基板，及/或该第一连接层的材料包含金属。
9.如权利要求8所述的发光元件，还包含另一电极形成于该承载基板上与该第一半导体层电连接。
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