CN102881793A - 发光二极管结构及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种发光二极管结构及其制造方法，包括：基板、第一半导体层、发光层及一第二半导体层，其中第二半导体层、发光层及第一半导体层依序堆栈于基板上，第一半导体层包含一第一层及一第二层，第一层的导电性较第二层高；第一接触电极，位于第一半导体层与基板之间，并具有一突出部分延伸至此第二半导体层中；阻障层，顺应性覆盖于第一接触电极上，但暴露出此突出部分的顶部；及第二接触电极，位于第一半导体层及第一接触电极之间，与第二半导体层直接接触，且藉由阻障层与第一接触电极电性隔离。
Description
技术领域
本发明涉及一种发光二极管结构，尤其涉及一种能改善电流聚集的发光二极管封装结构及其制造方法。
背景技术
发光二极管(light emitting diode，以下皆简称为LED)具有高亮度、体积小、重量轻、不易破损、低耗电量和寿命长等优点，所以被广泛地应用各式显示产品中，其发光原理为，当施予二极管顺向偏压时，p型区的多数载子电洞会往n型区移动，而n型区的多数载子电子则往p型区移动，最后电子与电洞两载子会在p-n接面的空乏区复合，此时因电子由传导带移转至价带后丧失能阶，同时以光子的模式释放出能量而产生光。
在传统的水平式LED装置中，接触电极设计为水平位向，容易产生电流聚集的问题。例如，电子在n型外延层和p型外延层中横向流动不等的距离，而导致LED的发光不均。此外，LED的接触电极势必要覆盖在发光面上，损失了发光面积，仅有约65％的发光面积可被利用。
使用垂直式LED装置可改善水平式LED装置所遭遇的上述问题。在垂直式LED结构中，两个电极分别位于LED的n型外延层和p型外延层的两侧，由于全部的p型外延层皆可作第二电极，使得电流几乎全部垂直流过LED外延层，极少横向流动的电流，可以改善平面结构的电流分布问题，提高发光效率，同时也可解决p型接触电极的遮光问题，提升LED结构的发光面积。
一般的垂直式LED结构的n型接触电极设置于LED芯片的上表面上。一般而言，越多的金属接触电极设置于LED芯片表面上，可让LED芯片的电流分布更均匀。然而，设置于垂直式LED结构的芯片表面上的金属接触电极会有吸光及阻挡光萃取的问题。再者，由于电子载子及电洞载子会相互吸引的关系，亦容易在n型接触电极附近发生电流聚集，导致LED芯片发光不均。
基于上述，为克服上述问题，业界亟需一种创新的发光二极管制程与封装结构来解决上述问题。
发明内容
本发明实施例提供一种发光二极管结构，包括：一基板，其上具有一第一半导体层、一发光层及一第二半导体层，其中该发光层及该第一半导体层依序堆栈于该第二半导体层上，且该第一及该第二半导体层具有相反的导电型态，且其中该第一半导体层包含一第一层及一第二层，该第一层的导电性较该第二层高；一第一接触电极，位于第二半导体层与该基板之间，并具有一突出部分延伸至该第一半导体层中；一阻障层，顺应性覆盖于该第一接触电极上，但暴露出该突出部分的顶部；以及一第二接触电极，位于该第二半导体层及该第一接触电极之间，与第二半导体层直接接触，且藉由该阻障层与该第一接触电极电性隔离。
本发明实施例亦提供了一种发光二极管结构的制造方法，包括：提供一第一基板；依序形成一第一半导体层、一发光层及一第二半导体层于该第一基板上，其中该第一及该第二半导体层具有相反的掺杂型态，且其中该第一半导体层包含一第一层及一第二层，该第一层的导电性较该第二层高；形成一第一开口穿透该第二半导体层及该发光层并延伸至该第一半导体层中；形成一第一接触电极于该第二半导体层的上表面上；形成一阻障层，覆盖该第一接触电极及内衬于该第一开口中；形成一第二接触电极，覆盖该阻障层且填满该第一开口；以及形成一第二基板于该第二接触电极上，并移除该第一基板。
为让本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下：
附图说明
图1～16显示为依照本发明一实施例的发光二极管封装结构的制造方法于各种中间阶段的剖面图。
附图标记：
102：生长基板 104：缓冲层
106：第一半导体层 106a：外延层
106b：外延层 108：开口
110：牺牲组件 112：发光层
114：第二半导体层 116：图案化光阻层
118：开口 120：填充材料
122：接触电极 124：阻障层
126：接触电极 130：金属结合层
140：承载基板 144：导电垫
具体实施方式
本发明接下来将会提供许多不同的实施例以实施本发明中不同的特征。各特定实施例中的组成及配置将会在以下作描述以简化本发明。这些为实施例并非用于限定本发明。此外，在本说明书的各种例子中可能会出现重复的组件符号以便简化描述，但这不代表在各个实施例和/或图示之间有何特定的关联。此外，一第一组件形成于一第二组件“上方”、“之上”、“之下”或“上”可包含实施例中的该第一组件与第二组件直接接触，或也可包含该第一组件与第二组件之间还有其它额外组件使该第一组件与第二组件无直接接触。
本发明实施例系提供高发光效率的发光二极管装置及其制造方法。在此LED装置中，可有效改善电流聚集的问题，且避免接触电极设置于LED芯片表面上来吸光或阻挡光萃取。
参见图1～16，其显示依照本发明一实施例的发光二极管结构的制造方法于各种中间制程的剖面图，以下将以这些图示为参考，说明本发明实施例所提供的发光二极管结构及其制造方法。
参见图1，首先为提供一生长基板102，其可为任何适合一发光二极管半导体层生长的基板，例如：氧化铝基板(蓝宝石基板)、碳化硅基板、或砷化镓基板等。生长基板102上配置有缓冲层104及第一半导体层106。缓冲层104的材质可为GaN、AlN、AlGaN或前述的组合，其可提供于其上形成的第一半导体层106在生长时具有良好的缓冲效果而不易破裂。
参见图2，形成第一半导体层106于生长基板102上，其中第一半导体层106包含导电性不同的外延层106a及外延层106b。外延层106a及外延层106b可例如为n型外延层，具有n型掺质掺于其中。在一实施例中，第二半导体层的外延层106a及外延层106b可由不同材质形成，且外延层106a的组成材料相较于外延层106b的组成材料具有较高的导电性(即电阻值较低)。例如，外延层106a可包含GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN、GaP、GaAsP、GaInP、AlGaInP、AlGaAs或前述的组合。外延层106b可包含GaN、AlGaN、GaP、GaAsP或前述的组合、或前述的组合。在另一实施例中，外延层106a及外延层106b可由相同材质形成，但具有不同的掺杂浓度。例如，外延层106a及外延层106b皆由例如GaN、AlGaN、AlInGaN、GaP、GaAsP或前述的组合形成，且外延层106a的掺杂浓度为1E18至5E19，外延层106b的掺杂浓度为约1E17至5E19。外延层106a的掺杂浓度可较外延层106b高。
在外延层106a及外延层106b由不同材质形成的实施例中，外延层106a及外延层106b可分别依序由任意合适的外延方法形成发光层112上，随后再进行一掺杂程序对外延层106a及外延层106b作相同浓度的掺杂，以使外延层106a及外延层106b具有实质上相同的掺杂浓度。在外延层106a及外延层106b由相同材质形成的实施例中，可直接形成一相对较厚的外延层于发光层112上，再以不同的布植浓度及强度分别对外延层106a及外延层106b作掺杂。或者，可对此相对较厚的外延层进行作梯度式的布植。在一实施例中，外延层106a的厚度可为约0.1～5.0μm，外延层106b的厚度可为约0.01～1.0μm。外延层106a及外延层106b皆可由任意的外延生长方法形成，例如化学气相外延法(chemicalvapor deposition，CVD)、有机金属化学气相外延法(metal organicchemical vapor deposition，MOCVD)、离子增强化学气相外延法(plasmaenhanced chemical vapor deposition，PECVD)、分子束外延法(molecularbeam epitaxy)、氢化物气相外延法(hydride vapor phase epitaxy)、或溅镀法(sputter)。
值得注意的是，虽然图2中仅显示的外延层106b位于外延层106a上方，然而，可了解的是，外延层106a及外延层106b的位置亦可作交换。例如，外延层106a可配置于外延层106b之上(未显示)。
参见图3，于第一半导体层106的外延层106a及外延层106b中形成至少一开口108。开口108可由微影蚀刻制程形成。在一实施例中，开口108可为方形、三角形、圆形、椭圆形、多边形或其它任意形状，其半径可为约50～150μm。此外，虽然图3中仅显示开口108形成于外延层106a及外延层106b中。然而，在另一实施例中，开口108可仅位于第二半导体层114的外延层106b中，未接触至下方的外延层106a(未显示)。在其它实施例中，开口108的底部可穿透第一半导体层106的外延层106a而接触至第一半导体层106与缓冲层104之间的界面(未显示)。
接着，参见图4，于开口108中形成一牺牲组件110，且牺牲组件110具有一部分凸出于开口108及第一半导体层106外。牺牲组件110的材质可包含被离子布植所形成的高阻质区块或氧化物、或前述的组合。在一实施例中，牺牲组件110可由沉积制程(例如化学气相沉积、物理气相沉积、蒸镀、溅镀)沉积后，再经微影蚀刻制程形成。牺牲组件110可为梯形柱体、方形柱体、圆柱体、角锥形柱体或其它任意立体形状，其高度可为1.0～10.0μm。
参见图5，依序形成发光层112及第二半导体层114于第一半导体层106上。发光层112可为半导体发光层，且可包含有多重量子阱(multiple quantum well，MQW)结构。发光层112的材质可选自III-V族的化学元素、II-VI族的化学元素、IV族的化学元素、IV-IV族的化学元素。第二半导体层114可具有与第一半导体层106相反的导电型态。例如，第二半导体层114可为p型外延层。第二半导体层114的材质亦可选自III-V族的化学元素、II-VI族的化学元素、IV族的化学元素、IV-IV族的化学元素或前述的组合，例如GaN、AlGaN、AlInGaN、GaP、GaAsP或前述的组合。第二半导体层114可由任意的外延生长方法形成，例如化学气相外延法、有机金属化学气相外延法、离子增强化学气相外延法、分子束外延法、氢化物气相外延法、或溅镀法。第二半导体层114的厚度可为0.1～5.0μm。
在一实施例中，第二半导体层114可外延生长至超过牺牲组件110的顶部，再以例如化学机械研磨移除过剩的第二半导体层114，以达到所欲的第二半导体层114的厚度并暴露出牺牲组件110。发光层112及第二半导体层的外延层106a及外延层106b皆可由任意的外延方法形成，例如可与第一半导体层106由相同方法形成。值得注意的是，第二半导体层与第一半导体层的导电型态亦可交换。例如第一半导体层106为n型外延层，第二半导体层114为p型外延层。
接着，参见图6，形成图案化光阻层116于第二半导体层上。图案化光阻层116覆盖整个第二半导体层114，并仅暴露出牺牲组件110。参见图7，以蚀刻制程移除牺牲组件110，形成开口118。开口118可具有对应于牺牲组件110的形状。蚀刻制程可包含湿蚀刻制程或干蚀刻制程。在一实施例中，由于湿蚀刻制程会有侧蚀(undercut)的现象产生，可能在移除牺牲组件110的同时，亦对开口118顶部附近的第二半导体层114有部分蚀刻，进而扩大开口118的顶部，如此亦有利于在随后于开口118中沉积阻障层及接触电极时减少气泡或缺陷产生。接着，参见图8，移除图案化光阻层116。
接着，参见图9，于开口118中形成凸出于第二半导体层114外的填充材料120。在一实施例中，填充材料120可与牺牲组件110由相同或类似的材质及方法形成。填充材料120的顶部与第二半导体层114的上表面之间可具有约0.001～0.5μm的高度差，此高度差可决定随后形成的接触电极122的厚度。例如，参见图10，接触电极122形成于第二半导体层上。接触电极122可包含奥姆接触材料(例如：钯、铂、镍、金、银、或其组合)、透明导电材料(例如：氧化镍、氧化铟锡、氧化镉锡、氧化锑锡、氧化锌铝、或氧化锌锡)、反射层或前述的组合。例如，接触电极122可为奥姆接触材料与反射层的结合，以反射由发光层112所发出来的光，增加光萃取效率。在一实施例中，接触电极122尚可包含一绝缘保护层(未显示)，此绝缘保护层可由氮化硅、氧化硅、其它介电材料或前述的组合。再者，在一实施例中，接触电极122与开口118的顶部具有约10μm的水平间隔。亦即，接触电极122自开口118的位置内缩了约10μm。如此，可有效减少电子载子及电洞载子在接触电极122附近结合的机率。
接着，参见图11，形成阻障层124顺应性地覆盖开口118的侧壁、接触电极122及第二半导体层114的表面。阻障层124可包含氮化硅、氧化硅、其它介电材料或前述的组合。阻障层124的厚度可为0.01～0.5μm。阻障层124可在由化学气相沉积或物理气相沉积等沉积方法顺应性形成于开口118的底部及侧壁上后，再经由微影蚀刻制程移除阻障层124的位于开口118底部的部分。
接着，参见图12，形成接触电极126于开口118中。在一实施例中，接触电极126可完全覆盖接触电极122及第二半导体层114。如此，接触电极122可包形成于开口118中的突出部分及覆盖于第二半导体层114及接触电极122上的水平部分。接触电极126的突出部分藉由阻障层124与第二半导体层114及发光层112电性隔离，仅经由开口118底部与第一半导体层106电性接触。接触电极126的水平部分藉由阻障层124与接触电极122电性隔离。接触电极126可包含奥姆接触材料(例如：钯、铂、镍、金、银、或其组合)、透明导电材料(例如：氧化镍、氧化铟锡、氧化镉锡、氧化锑锡、氧化锌铝、或氧化锌锡)或前述的组合。
接着，参见图13，形成金属结合层130于接触电极126上。金属结合层130可包含Au、Sn、In、前述的合金或前述的组合。金属结合层130的厚度可为0.5～10μm。接着，参见图14，结合承载基板140于金属结合层130上。承载基板140可为一封装基板，其上具有已配置好的电路，以使接触电极126电性连结至外部电路。
接着，参见图15，将生长基板102移除。在一实施实施例中，可以激光剥离制程将生长基板剥离(lift-off)。在另一实施例中，可以湿蚀刻制程将生长基板102移除。缓冲层104亦可在移除生长基板102时一并予以移除。
最后，参见图16，于承载基板140上的靠近侧边的位置移除部分的第一半导体层106、发光层112及第二半导体层114以形成一缺口。此缺口暴露出部分的接触电极122，于暴露的接触电极122上形成导电垫144，形成如本发明实施例所提供的发光二极管封装结构。在此发光二极管封装结构中，第二半导体层114、发光层112及第一半导体层106依序堆栈于承载基板140上。第一半导体层106包含且导电性不同的外延层106a及外延层106b。接触电极126包含穿透第二半导体层114及发光层112，并延伸至第一半导体层106中的突出部分及位于第一半导体层106及承载基板140之间的水平部分。阻障层124顺应性覆盖于接触电极126上，但暴露出接触电极126的突出部分的顶部，以使接触电极126与第一半导体层106直接接触。接触电极122位于接触电极126及第二半导体层114之间，与第二半导体层114直接接触，且藉由阻障层124与接触电极122电性隔离。接触电极122藉由导电垫144与外部电路电性连接，接触电极126则藉由金属结合层130及承载基板140中的电路与外部电路电性连接。
由于第一半导体层106的外延层106a及外延层106b具有不同的导电性，可减少电流在接触电极126附近聚集的程度。例如，当外延层106a相较于外延层106b具有较佳的导电性时，可将电流较为迅速分散至离距离接触电极126与第一半导体层106的接面的外延层106a，使电流不会聚集在接触电极126与第一半导体层106的接面附近。此外，由于接触电极126与接触电极122的突出部分具有5.0～20.0μm的水平间隔。可有效减少电子载子及电洞载子在接触电极122附近结合的机率。再者，接触电极126配置于LED封装结构的内部，亦可避免接触电极在LED封装结构表面上吸光或阻挡光萃取的问题。如上述，本发明实施例所提供的发光二极管结构可有效改善电流聚集而发光不均的问题，并可提高发光效率。
虽然本发明已以数个较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域的普通技术人员，当可作任意的更动与润饰，而不脱离本发明的精神和范围。
Claims (16)
1.一种发光二极管结构，包括：
一基板，其上具有一第一半导体层、一发光层及一第二半导体层，其中该发光层及该第一半导体层依序堆栈于该第二半导体层上，且该第一及该第二半导体层具有相反的导电型态，且其中该第一半导体层包含一第一层及一第二层，该第一层的导电性较该第二层高；
一第一接触电极，位于第二半导体层与该基板之间，并具有一突出部分延伸至该第一半导体层中；
一阻障层，顺应性覆盖于该第一接触电极上，但暴露出该突出部分的顶部；以及
一第二接触电极，位于该第二半导体层及该第一接触电极之间，与第二半导体层直接接触，且藉由阻障层与该第一接触电极电性隔离。
2.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其中该第一层包含GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN、GaP、GaAsP、GaInP、AlGaInP、AlGaAs或前述的组合。
3.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其中该第二层包含GaN、AlGaN、AlInGaN、GaP、GaAsP或前述的组合。
4.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其中该第二层堆栈于该第一层上。
5.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其中该第一层堆栈于该第二层上。
6.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其中该第一层具有一第一掺杂浓度，该第二层具有一第二掺杂浓度，且该第一掺杂浓度高于该第二掺杂浓度。
7.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其中该第一层的掺杂浓度介于1E18至5E19之间。
8.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其中该第二接触电极与该第一接触电极的突出部分具有至少约10μm的水平间隔。
9.一种发光二极管结构的制造方法，包括：
提供一第一基板；
依序形成一第一半导体层、一发光层及一第二半导体层于该第一基板上，其中该第一及该第二半导体层具有相反的掺杂型态，且其中该第一半导体层包含一第一层及一第二层，该第一层的导电性较该第二层高；
形成一第一开口穿透该第二半导体层及该发光层并延伸至该第一半导体层中；
形成一第一接触电极于该第二半导体层的上表面上；
形成一阻障层，覆盖该第一接触电极及内衬于该第一开口中；
形成一第二接触电极，覆盖该阻障层且填满该第一开口；以及
形成一第二基板于该第二接触电极上，并移除该第一基板。
10.根据权利要求9所述的发光二极管结构的制造方法，其中该第一层包含GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN、GaP、GaAsP、GaInP、AlGaInP、AlGaAs或前述的组合。
11.根据权利要求9所述的发光二极管结构的制造方法，其中该第二层包含GaN、AlGaN、AlInGaN、GaP、GaAsP或前述的组合。
12.根据权利要求9所述的发光二极管结构的制造方法，其中形成该第一半导体层包含：
外延生长该第一层于该发光层上；及
外延生长该第二层于该第一层上。
13.根据权利要求9所述的发光二极管结构的制造方法，其中形成该第一半导体层包含：
外延生长该第二层于该发光层上；及
外延生长该第一层于该第二层上。
14.根据权利要求9所述的发光二极管结构的制造方法，其中形成该第一半导体层包含：
形成该第一层于该发光层上；
对该第一层进行一或多次布植步骤，以使一部分的该第一层具有一第一掺杂浓度，且一部分的该第一层形成一具有第二掺杂浓度的该第二层，其中该第一掺杂浓度高于该第二掺杂浓度。
15.根据权利要求14所述的发光二极管结构的制造方法，其中该第一掺杂浓度介于1E18至5E19之间。
16.根据权利要求9所述的发光二极管结构的制造方法，其中该依序形成该第一半导体层、该发光层及该第二半导体层于该第一基板上的步骤包含：
形成该第一半导体层；
在该第一半导体层中形成一第二开口；
形成一牺牲组件于该第二开口中，且凸出于该第一半导体层外；
依序形成该发光层及该第二半导体层于该第一半导体层上，且至少覆盖该牺牲组件的侧壁；及
移除该牺牲组件，形成该第一开口。
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| PB01 | Publication | ||
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| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
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