CN103000777B

CN103000777B - 发光元件

Info

Publication number: CN103000777B
Application number: CN201110273373.2A
Authority: CN
Inventors: 王佳琨; 沈建赋; 陈昭兴; 杨於铮; 叶慧君; 古依雯; 陈宏哲; 林植南
Original assignee: Epistar Corp
Current assignee: Epistar Corp
Priority date: 2011-09-15
Filing date: 2011-09-15
Publication date: 2018-08-07
Anticipated expiration: 2031-09-15
Also published as: CN108807626B; CN103000777A; CN108807626A

Abstract

本发明公开一种发光元件，该发光元件包括：半导体叠层；反射层，位于半导体叠层之上；第一缓冲层，包括由金属元素及非金属元素所组成的化合物，位于反射层之上；第一电极；以及电性绝缘层，位于第一缓冲层与第一电极之间，使该第一缓冲层与该第一电极完全分隔。

Description

发光元件

技术领域

本发明涉及一种发光元件，尤其涉及具改善性能表现的发光二极管。

背景技术

倒装结构(Flip Chip)的发光二极管LED为了增加光的反射，如图1所示，会在第二半导体层123(例如p型半导体层)上设置金属反射层(mirror)130。而为了增加倒装接合时的接合面积，与第一半导体层121(例如n型半导体层)电性相接的第一电极150(例如n型电极)，除了和第一半导体层121接触的接触区150a外，也会向周围延伸，如图1的延伸区150b。如此，在金属反射层130和第一半导体层121的第一电极150的延伸区150b间，需要施作电性绝缘层140，以电性隔绝两者。为了改善电性，金属反射层130需要经过热处理工艺(如退火)以达到优选的欧姆接触特性，经过热处理后，此金属反射层130和底下的第二半导体层123的接触会较好，可降低元件的正向电压V_f。但在热处理之后，因为热处理使得金属发生氧化变质，降低后续的附着力，使金属反射层130与后续覆盖其上的电性绝缘层140间的附着力不佳，造成在后续工艺，例如在制作金属电极光致抗蚀剂剥离(lift off)工艺时，产生电性绝缘层140(及已覆盖于其上的各层)随同光致抗蚀剂一并被剥离而呈现剥离脱落(Peeling)的问题，实际剥离脱落(Peeling)的情形如图5所示。该附着性问题显示电性绝缘层140与金属反射层130间存在应力，使元件于高温工艺时，造成金属反射层130受应力作用而与第二半导体层123的接触面接触不良，导致正向电压V_f上升及漏电流增加。

发明内容

本发明提出一种发光元件，包括：半导体叠层；反射层，位于半导体叠层之上；第一缓冲层，包括由金属元素及非金属元素所组成的化合物，位于反射层之上；第一电极；以及电性绝缘层，位于第一缓冲层与第一电极之间，使该第一缓冲层与该第一电极完全分隔。

本发明另提出一种发光元件，包括：导电基板；缓冲层，包括由金属元素及非金属元素所组成的化合物，位于导电基板之上；接合层，位于该导电基板与该缓冲层之间；扩散阻障层，位于缓冲层之上，使该缓冲层位于该扩散阻障层与该接合层之间；反射层，位于扩散阻障层之上；以及发光叠层，位于反射层之上。

附图说明

图1：已知技术的发光二极管结构；

图2：本发明第一实施例的发光二极管结构；

图3：本发明第二实施例的发光二极管结构；

图4：本发明第三实施例的发光二极管结构；

图5：图1结构的发光二极管的工艺中显微镜影像；

图6：图2结构的发光二极管的工艺中显微镜影像；

图7：对应图5及图6所述的发光二极管在经过形成合金的热处理前后的电性比较图；

图8：图2结构的发光二极管与图3结构的发光二极管在经过形成合金的热处理前后正向电压V_f点测Mapping图；

图9：图8的量化数据；

图10：显示图4结构的发光二极管及同样图4结构的发光二极管但不具有缓冲层的发光二极管在经过形成合金的热处理前后正向电压V_f变化量。

附图标记说明

110，210，310：生长基板

120，220，320：半导体叠层

121，221，321：第一电性半导体层

122，222，322：活性层

123，223，323：第二电性半导体层

130，230，330：金属反射层

20a，30a：第一缓冲层

30b：第二缓冲层

140，240，340：电性绝缘层

150，250，350：第一电极

150a，250a：接触区

150b，250b：延伸区

160，260，360：第二电极

410：导电基板

420：发光叠层

430：金属反射层

440：扩散阻障层

450：第一电极

460：第二电极

470：金属接合层

40a：缓冲层

具体实施方式

为改善如前述图1的发光二极管在金属反射层130与电性绝缘层140间的附着性问题，并避免及改善发光二极管在后续高温工艺时出现金属反射层130与电性绝缘层140间的应力问题，在本发明的实施例中，在金属反射层与电性绝缘层间加入第一缓冲层。该第一缓冲层包括由金属元素及非金属元素所组成的化合物，例如金属氧化物(Metallic Oxide)或金属氮化物(Metallic Nitride)，以作为金属反射层与电性绝缘层间的应力缓冲层。在实施例中，采用铟锡氧化物(ITO)作为此第一缓冲层。

该具有第一缓冲层的发光二极管结构的第一实施例如图2所示，发光二极管包括生长基板210，在生长基板210上有半导体叠层220，半导体叠层220包括第一电性半导体层221；活性层222位于第一电性半导体层221之上；以及第二电性半导体层223位于活性层222之上。其中第一电性半导体层221和第二电性半导体层223为相异电性，例如在本实施例中第一电性半导体层221为n型半导体层，而第二电性半导体层223为p型半导体层。在半导体叠层220之上设有金属反射层230；第一缓冲层20a位于金属反射层230之上，包括由金属元素及非金属元素所组成的化合物，例如金属氧化物(Metallic Oxide)或金属氮化物(Metallic Nitride)，以作为金属反射层230与后面形成的电性绝缘层240间的应力缓冲层。在第一缓冲层20a上设有电性绝缘层240，以作为金属反射层230与后面形成的第一电极250的电性绝缘。而在电性绝缘层240上设有第一电极250，为了与第一电性半导体层221电性连接及为增加倒装接合时的接合面积，此第一电极250包括与第一电性半导体层221电性连接的接触区250a及沿着半导体叠层220的侧壁延伸至电性绝缘层240上的延伸区250b，所以前述电性绝缘层240除了设于第一缓冲层20a上，也沿着半导体叠层220的侧壁延伸以将沿着半导体叠层220侧壁延伸的第一电极250部分做电性隔绝。或者说，第一电极250以接触区250a来电性连接半导体叠层220在平台(mesa)结构的区域(即部分第二电性半导体层223及活性层222被移除而曝露出的第一电性半导体层221的区域)的第一电性半导体层221，且第一电极250的延伸区250b沿着平台结构的侧壁延伸并延伸至电性绝缘层240上，而电性绝缘层240除了设于第一缓冲层20a上，亦随第一电极250沿着平台结构的侧壁向平台结构的区域延伸并与第一电性半导体层221相接触以达电性隔绝的功能。此外，此发光二极管还包括第二电极260，设于第一缓冲层20a之上，透过第一缓冲层20a及金属反射层230与第二电性半导体层223电性连接。对于该图2发光二极管结构，在此简称为加盖(Cap)结构。

其中金属反射层230的材料包括金属，如铝、金、铂、锌、银、镍、锗、铟、锡或上述金属的合金；电性绝缘层240的材料包括非导体材料，如氧化铝、二氧化钛、二氧化硅、氮化硅、氮化铝化或上述非导体材料的组合；第一电极250及第二电极260的材料包括金属，如金、银、铝、铜、铂、锡、镍、锗、钛、钯、及铬或上述金属的合金。而生长基板210及半导体叠层220的材料已为本领域一般技术人员所知悉，在此不多赘述。

第一缓冲层20a包括由金属元素及非金属元素所组成的化合物，例如金属氧化物(Metallic Oxide)或金属氮化物(Metallic Nitride)。其中金属氧化物例如包括In₂O₃、SnO₂、ZnO、TiO₂或CdO；金属氧化物也可以是掺杂的金属氧化物，例如包括In₂O₃:Sn(ITO)、In₂O₃:Mo(IMO)、ZnO:In(IZO)、ZnO:Ga(GZO)、ZnO:Al(AZO)、SnO₂:F或TiO₂:Ta；或者金属氧化物也可以是自前述的金属氧化物族群及前述的掺杂的金属氧化物族群中任选两项形成的混合物，例如包括In₂O₃-ZnO(IZO)(In₂O₃-ZnO与前述ZnO:In，本领域一般技术人员皆有称之为IZO，但二者在In含量有差异，ZnO：In为轻微掺杂In，而In₂O₃-ZnO为In含量与Zn相近)、In₂O₃-ZnO：Ga(IGZO)、In₂O₃-TiO₂(ITiO)、CdO-In₂O₃(CdIn₂O₄,CIO)、CdO-SnO₂(Cd₂SnO₄,CTO)、ZnO-SnO₂(Zn₂SnO₄,ZTO)。而金属氮化物例如包括TiN、AlN、TaN、CrN、ZrN、VN、或NbN；金属氮化物也可以是金属氮化物的混合物，例如包括TiN-AlN(TiAlN)、或TiN-CN(TiCN)。上述第一缓冲层20a的各种材料可由电子束蒸镀法(E-beam evaporation)、离子溅镀法(Ion-sputtering)、热蒸镀法(Thermal evaporation)、分子束外延生长(Molecular BeamEpitaxy,MBE)、金属有机化学气相沉积法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition,MOCVD)、低压化学气相沉积(low pressure CVD,LPCVD)等离子体辅助化学气相沉积(plasma enhanced CVD,PECVD)或结合两种以上的方式而制成。

本发明的第二实施例如图3所示。图3和图2大致相似，主要差异是在电性绝缘层340(即对应图2的电性绝缘层240)与第一电极350(即对应图2的第一电极250)间，亦加入了应力缓冲层，即此处的第二缓冲层30b。换言之，在本实施例中，在金属反射层330与后面形成的电性绝缘层340间具有第一缓冲层30a以作为应力缓冲层外，更具有在电性绝缘层340与第一电极350间的第二缓冲层30b。此第二缓冲层30b具有防止电性绝缘层340与金属反射层330之间因附着力不佳而产生的剥离脱落(Peeling)的问题。此处第二缓冲层30b(及第一缓冲层30a)的材料及形成均与图2的第一缓冲层20a相同，在此不再赘述。而图3各层其标示的末2码即与图2各层标示的末2码相同者为对应层次，在此亦不再赘述。对于此图2发光二极管结构，在此称的为三明治(Sandwich)结构。

图4所示为本发明第三实施例的发光二极管结构，包括导电基板410；金属接合层470位于导电基板410上；缓冲层40a位于金属接合层470上，包括由金属元素及非金属元素所组成的化合物；扩散阻障层440位于缓冲层40a上；金属反射层430位于扩散阻障层440上；以及发光叠层420位于金属反射层430上。在工艺上，经由接合工艺完成此发光二极管结构，即先通过生长基板(未绘示)，在其上依序形成前述的发光叠层420、金属反射层430、扩散阻障层440、缓冲层40a、及金属接合层470，其中发光叠层420依序形成有第一电性半导体层421、活性层422、以及第二电性半导体层423，其中第一电性半导体层421和第二电性半导体层423为相异电性，例如在本实施例中第一电性半导体层421为n型半导体层，而第二电性半导体层423为p型半导体层。之后，将金属接合层470与前述导电基板410以接合工艺相接合。此外，并在发光叠层420上形成有第一电极450与第一电性半导体层421电性连接，及形成第二电极460与导电基板410电性连接，即为图4所示的结构。

其中金属反射层430的材料包括金属，如铝、金、铂、锌、银、镍、锗、铟、锡或上述金属的合金；扩散阻障层440的材料包括金属，如镍、铜、铂、钛、钨、铌、钽及钯或上述材料的组合；金属接合层470的材料包括金属，例如可选自于铝、金、铂、锌、银、镍、锗、铟、锡、钛、铅、铜、钯或上述金属的合金；第一电极450及第二电极460的材料包括金属，如金、银、铝、铜、铂、锡、镍、锗、钛、钯及铬或上述金属的合金。而导电基板410及半导体叠层420的材料已为本领域普通技术人员所知悉，在此不多赘述。此处缓冲层40a的材料及形成均与图2的第一缓冲层20a相同，在此亦不再赘述。

在垂直式的发光二极管，例如本实施例的结构下，因为为加强在金属反射层430和发光叠层420(的第二电性半导体层423)的介面接合情形，以降低发光二极管的正向电压V_f，通常会有后面的热处理工艺。然而如前所述，这样的热处理工艺会造成不同金属材料间的应力，如扩散阻障层440与金属接合层470间的应力，反而造成正向电压V_f大幅上升。故而于本实施例在此两层间加入缓冲层40a，以作为应力缓冲层，增加元件热稳定性。其改善效益如以下所示。

如前所述，图5为图1结构的发光二极管的工艺中显微镜影像，由于未具有前述缓冲层结构，在后续工艺产生剥离脱落(Peeling)。相对地，图6为图2实施例(即加盖(Cap)结构)的发光二极管的结构显微镜影像，在此使用ITO作为第一缓冲层20a材料，则无剥离脱落(Peeling)的现象，可见缓冲层可有效提升金属与绝缘层间的附着力。而图7则为对应图5及图6所述的发光二极管在经过270℃，10分钟形成合金的热处理(alloy)前后的电性比较图，可明显看出相对于图1结构的发光二极管，本实施例的发光二极管结构可有效避免形成合金的热处理所引起的应力造成正向电压V_f大幅上升的问题，有效提升元件热稳定性。

图8则显示图2结构(即加盖结构，此处因采用金属氧化物层(Metallic OxideLayer,MOL)ITO作为第一缓冲层20a，故以MOL Cap标示)的发光二极管与图3结构(即三明治结构)的发光二极管(使用ITO作为第一缓冲层20a，30a及第二缓冲层30b材料)在经过270℃，10分钟形成合金的热处理(alloy)前后正向电压V_f点测Mapping图，可明显看出图3结构的发光二极管又较图2结构的发光二极管可有效增加元件的热稳定性，其正向电压V_f(纵轴)量化数据如图9所示。

图10则显示图4结构的发光二极管(即使用ITO作为缓冲层40a材料)及同样图4结构的发光二极管但不具有缓冲层40a的发光二极管，在经过270℃，10分钟形成合金的热处理(或合金化处理(alloy))前后正向电压V_f变化量(delta V_f,纵轴)，图4结构的发光二极管的正向电压V_f变化量(ΔV_f)相对较低了约0.05V，可见缓冲层可减缓金属层间应力，而元件有优选热稳定性。

上述实施例仅为例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本发明所属技术领域中的普通技术人员均可在不违背本发明的技术原理及精神的情况下，对上述实施例进行修改及变化。因此本发明的权利保护范围如权利要求所列。

Claims

1.一种发光元件，包括：

半导体叠层，其包括第一电性半导体层；活性层，位于该第一电性半导体层之上；以及第二电性半导体层，位于该活性层之上；其中该半导体叠层具有第一区域，在该第一区域上，该第二电性半导体层及该活性层被移除而形成平台结构；

反射层，位于该半导体叠层之上；

第一应力缓冲层，包括由金属元素及非金属元素所组成的化合物，位于该反射层之上；

第一电极；以及

电性绝缘层，位于该第一应力缓冲层与该第一电极之间，使该第一应力缓冲层与该第一电极完全分隔；

该第一电极包括接触区及延伸区，该第一电极的该延伸区和该电性绝缘层位于该第一应力缓冲层的同一侧，该第一电极的该延伸区沿着该平台结构的侧壁向该第一区域延伸，该第一电极的该接触区与该第一电性半导体层相接触，且该电性绝缘层沿着该平台结构的该侧壁向该第一区域延伸并与该第一电性半导体层相接触。

2.如权利要求1所述的发光元件，还包括第二应力缓冲层，包括由金属元素及非金属元素所组成的化合物，位于该电性绝缘层及该第一电极之间。

3.如权利要求1所述的发光元件，其中该第一应力缓冲层包括金属氧化物或金属氮化物。

4.如权利要求2所述的发光元件，其中该第二应力缓冲层包括金属氧化物或金属氮化物。

5.如权利要求3或4所述的发光元件，其中该金属氧化物包括In₂O₃、SnO₂、ZnO、TiO₂、或CdO，和/或该金属氮化物包括TiN、AlN、TaN、CrN、ZrN、VN或NbN。

6.如权利要求3或4所述的发光元件，其中该金属氧化物为掺杂的金属氧化物，和/或该金属氮化物包括金属氮化物的混合物。

7.如权利要求6所述的发光元件，其中该掺杂的金属氧化物包括In₂O₃:Sn、In₂O₃:Mo、ZnO:In、ZnO:Ga、ZnO:Al、SnO₂:F或TiO₂:Ta。

8.如权利要求1或2所述的发光元件，其中该第一应力缓冲层和/或该第二应力缓冲层包括金属氧化物与金属氧化物所形成的混合物、金属氧化物与掺杂的金属氧化物所形成的混合物、或掺杂的金属氧化物与掺杂的金属氧化物所形成的混合物。

9.如权利要求1或2所述的发光元件，其中该第一应力缓冲层和/或该第二应力缓冲层包括In₂O₃-ZnO、In₂O₃-ZnO：Ga、In₂O₃-TiO₂、CdO-In₂O₃、CdO-SnO₂或ZnO-SnO₂。

10.如权利要求6所述的发光元件，其中该金属氮化物的混合物包括TiN-AlN或TiN-CN。

11.如权利要求1所述的发光元件，还包括第二电极，位于该第一应力缓冲层上，其中该第一电极的面积大于该第二电极的面积。

12.如权利要求1所述的发光元件，还包括第二电极，位于该第一应力缓冲层上；以及载板，其中该发光元件的该第一电极及该第二电极倒装接合于该载板上。

13.如权利要求1所述的发光元件，其中该反射层的材料包括金属。

14.如权利要求1所述的发光元件，其中该反射层的材料包括铝、金、铂、锌、银、镍、锗、铟、锡或上述金属的合金。

15.如权利要求1所述的发光元件，其中该电性绝缘层的材料包括非导体材料。

16.如权利要求1所述的发光元件，其中该电性绝缘层的材料包括氧化铝、二氧化钛、二氧化硅、氮化硅、氮化铝或上述非导体材料的组合。

17.一种发光元件，包括：

反射层，位于该半导体叠层之上；

第一应力缓冲层位于该反射层之上；

第一电极；

第二电极位于该第一应力缓冲层之上；以及

18.如权利要求17所述的发光元件，其中该第一应力缓冲层包括由金属元素及非金属元素所组成的化合物。

19.如权利要求17所述的发光元件，其中该反射层的材料包括金属。

20.如权利要求17所述的发光元件，其中该反射层的材料包括铝、金、铂、锌、银、镍、锗、铟、锡或上述金属的合金。

21.如权利要求17所述的发光元件，其中该第一应力缓冲层包括金属氧化物或金属氮化物。

22.如权利要求21所述的发光元件，其中该金属氧化物包括In₂O₃、SnO₂、ZnO、TiO₂、或CdO，和/或该金属氮化物包括TiN、AlN、TaN、CrN、ZrN、VN或NbN。

23.如权利要求17所述的发光元件，还包括载板，该发光元件的该第一电极及该第二电极倒装接合于该载板上。