CN102569587B - 具有叠合透明电极的半导体发光装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种半导体发光装置，包含基板、位于基板上方并具有远离基板的第一表面的半导体外延层、位于第一表面上方的第一透光导电层、及位于第一透光导电层上方的第二透光导电层，其中第二透光导电层的第二表面的面积小于第一透光导电层的第一表面的面积。

Description

具有叠合透明电极的半导体发光装置

本申请是2007年4月9日提交的第200710091743.4号专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种半导体发光装置，尤其涉及一种具有叠合透明电极的半导体发光装置。

背景技术

发光二极管(light emitting diode；LED)的结构设计中一个重要的课题是如何将来自于焊垫(bonding pad)的电流均匀地分散至p-n结(p-n junction)以获得良好的发光效率。已知技术，诸如：半导体窗户层、导电透光氧化物膜、与图案化电极等皆已被使用于提升电流分散效果。

GaP窗户层通常使用于AlGaInP系列的发光二极管。GaP的能隙(Eg)为2.26eV，对于红光、橘光、黄光、与部分绿光频谱呈现透明，且GaP为间接能隙半导体，较直接能隙半导体不会吸光。但GaP层需成长至足够厚度，例如：2μm～30μm，才能达到可接受的分散效果，而较厚的GaP窗户层通常呈现出较佳的电流分散效果。然而，成长愈厚的窗户层亦将耗费更多的工艺时间。

导电透光氧化物，诸如：氧化铟锡(ITO)、氧化镉锡(CTO)、与氧化铟(InO)等，亦使用于提高电流分散效果。以氧化铟锡为例，其对于500nm～800nm波长的光具有约90％的穿透率(transmittance)，其电阻率(resistivity)约为3×10-4Ω-cm，薄层电阻(sheet resistance)约为10Ω/□。一般而言，对于小型管芯，厚度介于0.1μm～1μm的氧化铟锡即可达到令人满意的电流分散效果。利用已知的半导体工艺技术，如：溅射法(sputtering)、电子束蒸镀法(electronbeam evaporation)等方式可以在短时间内形成所需的厚度。然而，随着发光二极管管芯面积日益增大(如15mil×15mil以上)以及矩形管芯的发展，导电透光氧化物的电流分散能力也渐显不足。

图案化电极亦是另一种常用来提高电流分散效果的方法。此方法是将电极自接点向外延伸、p与n电极彼此交叉错合、或于接点周围形成点状、网状电极或其他图案以期电流可以透过此图案化电极均匀分散于至p-n结。为形成图案化电极，通常需要将电极材料覆盖于更多发光二极管之上表面。但是，图案化电极使用的材料通常为遮光金属，因此会大幅影响发光二极管的发光效率。

发明内容

本申请提供一种可以分散输入电流以提高发光效率的半导体发光装置。

在依本发明的实施例中，所披露的半导体发光装置包含基板、位于基板上方并具有远离基板之外表面的半导体外延层、位于外表面上方的第一透光导电层、及位于第一透光导电层的第一表面上方的第二透光导电层，其中第二透光导电层与第一透光导电层相接触的面积小于第一透光导电层第一表面的总面积。

优选地，第二透光导电层与第一透光导电层的表面面积比值不大于1/2。第一透光导电层与第二透光导电层的材料包含相同或近似的组成元素。半导体发光装置的面积不小于15mil×15mil。

在多个实施例中，第一透光导电层覆盖外表面的全部面积或部分面积。对于来自半导体外延层的光，第一透光导电层的穿透率大于第二透光导电层的穿透率。第一透光导电层的导电系数小于第二透光导电层的导电系数。第一透光导电层的厚度大于第二透光导电层的厚度。第二透光导电层包含多个彼此电连接的区段。

在另一实施例中，半导体发光装置还包含凹槽及一接触层，其中，凹槽自半导体外延层的表面凹陷至底面以暴露出半导体外延层中的层或半导体外延层中至少一层的部分，且自半导体外延层的第一侧延伸至相对于第一侧的第二侧，该接触层位于该凹槽内，并具有位于该底面上的延伸区段。在一个变形例中，第一透光导电层与第二透光导电层至少其一环绕该凹槽。此外，半导体发光装置更可包含与第二透光导电层电连接的接点。

在再一实施例中，半导体外延层包含第一型半导体层、第二型半导体层、及位于第一型半导体层与第二型半导体层间的发光层。

附图说明

图1A是显示依据本发明一个实施例的发光二极管的剖面图；

图1B是显示图1A的发光二极管的上视图；

图2是显示依据本发明另一实施例的发光二极管的剖面图；

图3A与3B是显示依据本发明一个实施例的透光导电层的配置图；

图4A与4B是显示依据本发明另一实施例的透光导电层的配置图；及

图5显示依据本发明又一实施例的透光导电层的配置图。

附图标记说明

10半导体发光装置            2201第一型半导体层

11基板                      2202发光层

12半导体外延层              2203第二型半导体层

1201第一型半导体层          2301第一透光导电层

1202发光层                  2302第二透光导电层

1203第二型半导体层          2302电流分散区段

1301第一透光导电层          2302a电流分散区段

1302第二透光导电层          2302b电流分散区段

14接点                      24第一接点

15电极                      25第二接点

20半导体发光装置            2501延伸区段

21基板                      26凹槽

22半导体外延层

具体实施方式

以下配合图式说明本发明的实施例，本文中所称的“层”包含单层或两层以上相同或不同材料组成的层结构。各层可以直接或间接接触。

第一实施例

如图1A所示，本发明的半导体发光装置10包含电极15、基板11、半导体外延层12、第一透光导电层1301、第二透光导电层1302、与接点14。半导体外延层12中至少包含第一型半导体层1201、第二型半导体层1203、与位于其间的发光层1202。第一型半导体层1201与第二型半导体层1203二者所具有的导电性并不相同，可以是如p型、n型、与i型中至少其二。在双异质结构(double heterostructure；DH)中，第一型半导体层1201与第二型半导体层1203具有大于发光层1202的能级。当半导体外延层12承受偏压时，电子与空穴会在发光层1202及/或其附近复合而释放光线。

本发明中，在半导体外延层12上依序形成第一透光导电层1301与第二透光导电层1302。第一透光导电层1301覆盖半导体外延层12上表面的全部区域或部分区域。第二透光导电层1302则仅覆盖第一透光导电层1301上表面的部分区域，亦即，第二透光导电层1302的面积小于第一透光导电层1301的面积。本实施例中，虽仅例示两层透光导电层，但超过两层具有渐缩面积的透光导电叠层亦为适用于本发明。

在一个优选实施例中，第一透光导电层1301与第二透光导电层1302为具有相异的电学及/或光学性质的相同材料所形成，但此材料中组成元素的成分或分量可以彼此相异，以使第一透光导电层1301的电阻率与穿透率大于第二透光导电层1302的电阻率与穿透率。

第二透光导电层1302必须具有适当的电阻率，使电流能够分散至其下具有较大面积的第一透光导电层1301。第一透光导电层1301的薄层电阻或电阻率大于第二透光导电层1302的薄层电阻/电阻率。第二透光导电层1302功用之一是在保持适当穿透率的情况下，使电流可以往远离接点14的方向流动，在此前提下，第二透光导电层1302的材料组成、厚度、与布局可以视需要进行调整。

电流经由接点14流入第二透光导电层1302，并经第二透光导电层1302流入第一透光导电层1301，再经由第一透光导电层1301流入半导体外延层12中。电流经由两个透光导电层协力向四周流动，可有效降低电流拥挤效应(current crowding)。发光层1202中因更全面的光电转换表现而获得均匀且有效利用的发光区域。

图1B是例示图1A中半导体发光装置10的上视图。视图中，自接点14、第二透光导电层1302、至第一透光导电层1301的面积逐渐增大，在适当搭配此三层的厚度、薄层电阻、与/及电阻率后，来自于接点14的电流渐层地向外及向下流动，使得电流可以分散至发光层1202中。

在一个实施例中，第一透光导电层1301与第二透光导电层1302的形成材料皆为ITO，但此两层的ITO中所含的In、O、或Sn至少其一的成分比彼此并不相同，或者此两层ITO是以不同的工艺条件形成，例如使用溅射法形成第一透光导电层1301，而使用电子束蒸镀法形成第二透光导电层1302，反之亦可。优选地，第一透光导电层1301的ITO具有较高的透光率，例如90％、80％、70％、或60％以上，而第二透光导电层1302的ITO具有较低的穿透率，例如50％以下，但具有较低的电阻率。如此，可以获致一个具有适当光学与电学效能(例如：穿透率与电阻)的发光装置。

在一个实施例中，第一透光导电层1301与第二透光导电层1302亦可分别以ITO与Ni/Au或Au等金属形成。为使金属同时具有适当的穿透率与电阻率，其厚度需维持于0.005μm～0.2μm。在另一实施例中，第二透光导电层1302的厚度小于第一透光导电层1301的表面粗糙度Ra，然而，在工艺容许范围内，第二透光导电层1302的厚度亦可大于第一透光导电层1301的表面粗糙度Ra。由于薄金属层的电阻率小于ITO的电阻率，因此，可以协助电流于ITO层扩散且又不会遮蔽过量光线。

在一个实施例中，第一透光导电层1301与第二透光导电层1302至少其一的全部或部分区域对于发光层1202所发出光成呈现透明或具有50％以上的穿透率，且第一透光导电层1301具有高于第二透光导电层1302的穿透率。单一透光导电层亦可以为两个或多个具有不同穿透率的部分所组成。为了使电流在第二透光导电层1302中有较佳的电流分散特性，必须降低第二透光导电层1302的电阻率，同时，第二透光导电层1302必须尽可能不吸收来自于发光层1202的光。在另一实施例中，透光率较高的第一透光导电层1301的厚度大于电阻率较低的第二透光导电层1302的厚度，但是本发明并不限于此，两个透光导电层的厚度组合是配合其使用材料的特性。

上述实施例中，基板11的材料包含但不限于SiC、GaAs、AlGaAs、GaAsP、ZnSe、III族氮化物(例如GaN)、蓝宝石(sapphire)、Si、或玻璃。第一型半导体层1201与第二型半导体层1203的材料包含但不限于AlGaInP系列或III族氮化物系列。发光层1202的结构包含但不限于单异质结构(singleheterostructure；SH)、双异质结构(double heterostructure；DH)、双侧双异质结构(double-side double heterostructure；DDH)、单量子阱(single quantumwell；SQW)、或多量子阱(multi-quantum well；MQW)。

第一透光导电层1301的材料包含但不限于ITO、IZO、ZnO、CTO、In₂O₃、SnO₂、MgO、CdO、及其他透明金属氧化物。第二透光导电层1302的材料包含但不限于ITO、IZO、ZnO、CTO、In₂O₃、SnO₂、MgO、CdO、及其他透明金属氧化物。第二透光导电层1302的材料包含但不限于Au、Ni、Ti、In、Pt、Al、Cr、Rh、Ir、Co、Zr、Hf、V、Nb、前述材料的合金、或其他具有可接受光电特性的金属。第二透光导电层1302包含叠层。

第二实施例

参考图2，依本发明另一实施例的半导体发光装置20包含基板21、半导体外延层22、第一透光导电层2301、第二透光导电层2302、第一接点24、与第二接点25，其中第一接点24与第二接点25位于基板21的同侧。半导体外延层22至少包含第一型半导体层2201、第二型半导体层2203、与位于其间的发光层2202。

在本实施例中，经由第一接点24输入的电流首先流入第二透光导电层2302，并经由第二透光导电层2302流入第一透光导电层2301，再经由第一透光导电层2301流入半导体外延层22中。电流经由两个透光导电层协力向四周流动，可以提升发光效率。

本实施例中的半导体发光装置20使用的材料，以及第一透光导电层2301与第二透光导电层2302间的关系可以参考第一实施例中叙述。此外，第二接点25与第一型半导体层2201间亦可以采用与第一透光导电层2301与第二透光导电层2302相似的结构或设计原则以增进电流分散的效果。

本发明的第一透光导电层与第二透光导电层的设计可以有以下变形，然而，以下实施例并不用以限制本发明，任何适当的配置方式皆可以与本发明的概念结合应用的。

第三实施例

图3A与3B是显示半导体发光装置10的第一透光导电层1301与第二透光导电层1302的上视图。该两个视图中，第二透光导电层1302形成于第一透光导电层1301之上，且其面积小于第一透光导电层1301的面积。

本实施例中，第二透光导电层1301包含环绕区段1304与穿越区段1303。如图3A所示，环绕区段1304包含两个环状区段，其环绕接点14。穿越区段1303自接点14向外延伸并穿过靠近接点14的第一个环状区段，直抵远离接点14的第二个环状区段。这些区段间彼此电连接以传导电流，而不以实体连接为必要。来自接点14的电流经穿越区段1303向外分散并流向第一环状区段与第二环状区段。电流再经两个环状区段分散至更广的区域。

本实施例中，环绕区段1304与穿越区段1303并不限于图式或文中的数目。环绕区段亦可以如三角形、四边形、五边形、六边形等多边形的区段取代。如图3B所示，环绕区段1304包含两个四边形。穿越区段1303可以贯穿或不贯穿环绕区段1304。环绕区段1304可以辐射对称(radial symmetry)或左右对称(bilateral symmetry)接点14。接点14亦可以位于环绕区段1304中任何位置。

穿越区段与环绕区段必须具有一定线宽以分散电流但又不致遮蔽或吸收过多光线。环绕区段1304与穿越区段1303的线宽分别可介于0.1μm～50μm，优选地，小于20μm。两个区段的厚度则视其使用材料而定。若使用金属，厚度可以介于0.001μm～1μm，优选地介于0.005μm～0.05μm，使其保有适当程度的透光率；若使用ITO等透明氧化物则区段厚度可以更厚。

本实施例虽以图1A的半导体发光装置10为例，但并不限于此，上述透明导电层的配置方式亦可以适用于如图2所示的半导体发光装置20的第一透光导电层2301、第二透光导电层2302、或其二者。

第四实施例

如图4A所示，两个电流分散区段2302a与2302b位于第一透光导电层2301之上，且其分别自第一接点24向外延伸并朝向第二接点25的方向。图式中，电流分散区段2302a与2302b形成近似U型的弧线。但是，电流分散区段2302a与2302b亦可以由直线、曲线、或二者的结合所组成。电流分散区段2302a与2302b优选地可以靠近第一透光导电层2301的边界以将电流分散至较广的区域。

第二接点25位于凹槽26的底面上。凹槽26的底面与第一接点24分别位于发光层2202的两侧以形成电学通路。凹槽26可以由半导体外延层中任一位置蚀刻达到超过发光层的深度。蚀刻的方式可以采用化学或物理蚀刻。

本实施例的另一变形如图4B所示。凹槽26朝第一接点24方向延伸。延伸区段2501形成于凹槽26中，并自第二接点25朝向第一接点24的方向延伸。电流分散区段2302a与2302b的配置如图4A所示。通过延伸区段2501，电流可以更均匀地分散于第一接点24与第二接点25之间，以形成更多有效的发光区域，进而提高发光效率。

本实施例中，区段的覆盖面积与位置随着半导体发光装置的大小调整。相邻最近独立区段间的间隙介于1μm～500μm。区段的厚度介于0.1μm～50μm。以金属材料构成的区段的厚度介于0.001μm～1μm，优选地介于0.005μm～0.05μm，以ITO构成的区段的厚度可以更厚，例如0.6μm以上。

第五实施例

如图5所示，电流分散区段2302位于第一透光导电层2301之上，且自第一接点24向外延伸并朝向第二接点25的方向。图式中，电流分散区段2302为直线，但是，电流分散区段2302亦可以为曲线、之形线或二者的结合所组成。特别地，由上视图观的，半导体发光装置20呈现矩形，其长宽比值介于1.1～3，优选地大于1.5。凹槽26的详细说明可参考上述实施例。

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 (12)

1.一种半导体发光装置，包含：

半导体层；

第一接点，位于该半导体层的上方；

第二接点，位于该半导体层的上方；以及

金属氧化物层，其面积大于该第一接点的面积且该金属氧化物层直接接触该第一接点，并包含第一电流分散区段及第二电流分散区段，其中该第一电流分散区段及第二电流分散区段分别自该第一接点向外延伸并朝向该第二接点的方向。

2.如权利要求1所述的半导体发光装置，还包含：

延伸区段，自该第二接点朝向该第一接点的方向延伸。

3.如权利要求2所述的半导体发光装置，其中该第一电流分散区段及该第二电流分散区段包含直线、曲线、或二者的结合。

4.如权利要求2所述的半导体发光装置，其中该第一电流分散区段及该第二电流分散区段的间隙介于1μm～500μm。

5.如权利要求2所述的半导体发光装置，其中该第一电流分散区段及该第二电流分散区段形成近似U型的弧线。

6.一种半导体发光装置，包含：

半导体层，具有第一侧及第二侧；

接点，位于该半导体层的该第一侧；

电极，位于该半导体层的该第二侧；

环绕区段，位于该第一侧；以及

穿越区段，连接至该接点并朝该半导体层的一边界方向延伸；

其中该环绕区段及该穿越区段的材料包含透明金属氧化物且该环绕区段及该穿越区段位于该接点及该半导体层之间。

7.如权利要求6所述的半导体发光装置，其中该穿越区段自该接点向外延伸并穿过该环绕区段。

8.如权利要求6所述的半导体发光装置，其中该环绕区段及该穿越区段并未实体连接。

9.如权利要求6所述的半导体发光装置，其中该环绕区段环绕该接点。

10.如权利要求6所述的半导体发光装置，其中该环绕区段辐射对称或左右对称于该接点。

11.如权利要求6所述的半导体发光装置，进一步包括第一金属氧化物层，其中该第一金属氧化物层与该环绕区域及该穿越区域接触。

12.如权利要求6所述的半导体发光装置，进一步包括第一金属氧化物层，其中该第一金属氧化物层的面积大于该环绕区域及该穿越区域的面积的总和。