CN103258945A - 一种发光二极管及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发光二极管及其制作方法。一种发光二极管，至少包含：外延基板；n型半导体，位于所述外延基板表面之上；发光层，位于所述n型半导体表面之上；p型半导体，位于所述发光层表面之上；p型电极，位于所述p型半导体表面之上；n型电极，位于局部裸露的n型半导体表面之上；所述n型半导体的上表面定义为第一表面，所述n型电极的上表面定义为第二表面，第一表面不低于所述第二表面。此可解决高功率发光二极管的电流局限以及金属电极吸光的问题。
Description
技术领域
本发明属于发光二极管芯片领域， 具体涉及一种发光二极管及其制作方法。
背景技术
由于发光二极管具有寿命长、体积小、高耐震性、发热度小以及耗电量低等优点，发光二极管已被广泛地应用于家电产品以及各式仪器之指示灯或光源。近年来，由于发光二极管朝向多色彩以及高亮度化发展，发光二极管的应用范围已拓展至大型户外显示广告牌及交通号志灯等，未来甚至可以取代钨丝灯和水银灯以成为兼具省电和环保功能的照明灯源，成为市场主流趋势。
发明内容
本发明的目的在于提供一种发光二极管及其制作方法，解决高功率发光二极管的电流局限以及金属电极吸光的问题。
为达到上述目的，根据本发明的一方面，一种发光二极管，包含：外延基板；n型半导体，位于所述外延基板表面之上；发光层，位于所述n型半导体表面之上；p型半导体，位于所述发光层表面之上； p型电极，位于所述p型半导体表面之上；n型电极，位于局部裸露的n型半导体表面之上；所述n型半导体的上表面定义为第一表面，所述n型电极的上表面定义为第二表面，第一表面不低于所述第二表面。
根据本发明的另一方面，还提出一种发光二极管结构的制作工艺。此制作工艺包括下列步骤：提供外延基板；依次在所述外延基板表面之上形成n型半导体、发光层和p型半导体；从p型半导体表面往下蚀刻裸露出局部n型半导体表面；在所述p型半导体之上形成p型电极；在所述局部裸露之n型半导体表面之上形成n型电极，其上表面的相对位置高不低于所述n型半导体上表面的相对位置。
在前述发光二极管器件结构及制作方法中，藉由平台蚀刻深度与电极厚度的优化，一方面可降低平台侧向的光取出被n型电极吸收的机率，另一方面，使得靠近n型电极的区域的电子与空穴复合数目增多，从而改善因电子、空穴对匹配不均而造成电流局限的问题。
更具体的，所述外延基板一般选适于进行外延生长的材料，如Al2O3，SiC，Si等；为了提高电流扩展性，可在p型半导体与p型电极之间设置一层透明导电层，其材料可为NiAu 合金、ITO、IZO的一种或其组合。所述P、N型电极可选用Cr、Ti、Pt、W、TiW、Au的一种或其组合；所述第一表面与第二表面的高度差可取0~10微米。所述n型电极的下表面与所述n型半导体的下表面的高度差大于或等于0.5微米。所述n型电极的厚度为0.5~10微米。
在一些实施例，所述第一表面与第二表面的相对位置位于同一高度。
在一些实施例中，所述第一表面高于所述第二表面，其高度差为0.04~7微米。
在一些实施例中，先在外延基板上生长一层非掺杂GaN作为缓冲层，再在缓冲层上形成n型半导体，此时第一表面和第二表面的高度差可取0~5微米，较佳值取2~4微米。
在一些实施例中，所述n型半导体直接生长在外延基板上（即没有u-GaN 缓冲层），由于n型半导体厚度相对较厚，故第一表面和第二表面面的高度差可取5~10微米。
在一些实施例中，可以采用湿式化学蚀刻或激光蚀刻等方法形成所述局部裸露之n型半导体表面。
前述发光二极管可应用于各种显示系统、照明系统、汽车尾灯等领域。
发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。
图1~3 为已知发光二极管制作流程图。
图4为已知发光二极管于电流注入后，其电子空穴复合的示意图。
图5为图4发光二极管在点亮后，其电流局限于p型电极的示意图。
图6为已知发光二极管结构中金属电极吸光示意图。
图7为图6剖面图于发光二极管中之相对位置。
图8为本发明实施例1的发光二极管结构的剖面图。
图9为图8发光二极管于点亮后，其电流局分布于p型电极之示意图。
图10为本发明实施例2的发光二极管结构的剖面图。
图11为图10发光二极管于点亮后，其电流局分布于p型电极之示意图。
图12~14为本发明发光二极管结构制作工艺流程剖面图。
图中各标号表示：
100： 已知发光二极管结构；110： 外延基板；111： n型半导体；112： 发光层；113： p型半导体；120： 透明导电层；121： p型电极；131： n型电极；141： 裸露的n型半导体层表面；151： 第一表面；152： 第二表面；160a，160b： 电子空穴复合路径；170： 平台侧面之光取出；D：第一表面与第二表面的高度差；200：实施例1之发光二极管结构；300：实施例2之发光二极管结构。
具体实施方式
为了能进一步地了解本发明，将在下列的描述中提出详尽的步骤及其组成，另外，众所周知的组成或步骤并未描述于细节中，以避免造成本发明不必要之限制。本发明的较佳实施例会详细描述如下，然而除了这些详细描述之外，本发明还可以广泛地施行在其它的实施例中，且本发明的范围不受限定，以专利权利要求范围为准。
在已知技术中，可在蓝宝石基板（Sapphire Substrate）上形成氮化镓（GaN）外延层以制作发光二极管，后续利用半导体制程技术在蓝宝石基板上制作出氮化镓发光二极管。图1是已知之发光二极管的制造流程图。请先参照图1，已知技术是先于外延基板110上形成外延层，其包含n型半导体111、发光层112以及p型半导体113；再利蚀刻制程制作平台，将局部的n型半导体111裸露出来，如图2所示。最后在p型半导体上形成导电透明薄膜120、p型电极 121以及 n型电极131，进而得到发光二极管100，如图3所示。
在前述传统制程中，为了缩短平台蚀刻的时间，在制程设计上平台蚀刻深度皆以超过发光层将n型半导体裸露为目标，虽然缩短了制程时间，但过浅的蚀刻深度却会造成电流匹配不均的问题，导致电流局限，从而影响发光亮度。如图4所示，由于电子速度相对空穴速度快，容易导致电子空穴对匹配不均而造成电流局限的问题。请参看图5，其p型电极呈现相对较亮的现象。此外，p型电极121及n型电极131需要较厚的金属层以达电流传导以及打线连接的功能，在较浅的平台蚀刻深度搭配较厚之电极金属下，则会产生平台周围的取光被n型电极吸光的问题。请参看图6和7，其中图6为图7中a-a’位置之剖面图，尤其在金属电极数目相对较多的高功率发光二极管，平台蚀刻区其侧向发光受到电极吸光的问题更显严重。
为解决已知发光二极管在电子、空穴对匹配不均而造成电流局限以及电极吸光的问题，下面各实施例提出一种发光二极管结构及其制作方法，同时解决电流局限以及电极吸光的问题以提升发光二极管的亮度，下面实施例将配合图示说明各实施突例之发光二极管结构及其制作方法。
实施例1
请参考图8，其为实施例1的发光二极管结构200的剖面图。发光二极管结构包括：外延基板110；n型半导体111，位于所述外延基板110表面之上；发光层112，位于所述n型半导体111表面之上，此表面定义为第一表面151；p型半导体113，位于所述发光层112表面之上；透明导电层120，位于所述p型半导体113表面之上；p型电极121，位于所述透明导电层120表面之上；n型电极131，位于局部裸露之n型半导体表面141之上。其中， n型半导体111的上表面定义为第一表面151，n型电极131的上表面定义为第二表面152，第二表面152的高度小于第一表面151的高度。
上述实施例的发光二极管结构，所述外延基板为Al2O3，SiC，Si中的一种或其组合，本实施例中优选为蓝宝石（Al2O3）；所述第一表面151与第二表面152的相对位置基本上位于同一高度；所述透明导电层为NiAu 合金，ITO，IZO的一种或其组合，本实施例中优选为ITO；所述n型电极的厚度介于0.5微米至10微米之间，材料为为Cr，Ti，Pt，W，TiW，Au的一种或其组合，在本实施例中n型电极的厚度优选为3微米；材料优选为Cr/Pt/Au合金。
已知发光二极管结构100中，由于其过浅的平台蚀刻深度以及较厚的电极厚度设计，一方面会有电流局限的问题，另一方面，平台侧向的光取出170又会面临电极吸光的问题。而本实施例1的发光二极管结构200，通过平台蚀刻深度与电极厚度的优化，可降低平台侧向的光取出170被n型电极吸光的机率。
实施例2
请参考图10，其为实施例2的发光二极管结构300的剖面图。与实施例1不同的是，本实施例中所述第一表面151的相对位置高于二表面152，其高度差D为0.04~7微米，D优选为4微米；n型电极厚度更薄，优选为1.9微米。
与实施例1的发光二极管结构200相比，本实施例通过进一步增加n型半导体平台蚀刻深度与降低电极厚度，从而进一步降低平台侧向的光取出170被n型电极吸光的机率，增加出光几率，进而提升发光二极管之亮度。
以光取出分布量测方法比较已知结构与本发明结构之差异，加以证明本发明之有效性。请参考图5、9和11，发光二极管于点亮后，其电流分布于p型电极之示意图。其中图5为已知发光二极管结构100，其第二表面的相对高度位于第一表面上方，因此从平台侧向取出的光被金属电极所吸收的机率很大，同时由于电子、空穴对匹配不均而容易造成电流局限。而图9和11为本发明实施例发光二极管结构200和300之示意图，经由平台深度以及电极厚度的优化搭配下，其第二表面于相对高度皆不高于第一表面，能有效地降低从平台侧向取出的光被电极所吸收的机率，同时达到较好的电流扩散效果，由图5、9和11之光取出分布结果，可得知其电子空穴复合渐渐的往n型电极区域靠近，使其得到较佳的电流扩散效果，进而提升发光二极管之亮度。
以下是以图10的芯片结构为范例来介绍芯片制作工艺，以使第二表面（n型电极上表面）的高度小于第一表面（外延基板上表面）的高度。同理，图8的芯片结构也可使用以下各个步骤形成。
请参照图12～图14，其分别为本发明发光二极管结构制作工艺流程剖面图。芯片制作工艺包括下列步骤（1）～（3）。步骤（1）是形成发光外延层于外延基板之上；步骤（2）是从发光外延层表面往下形成局部裸露之平台表面；步骤（3）是形成透明导电层于所述p型半导体表面之上，制作p型电极和n型电极。
参照图12，先提供外延基板110，形成发光外延层于外延基板之上，具体步骤为：形成n型半导体111于所述外延基板110表面之上，形成发光层112于n型半导体表面111之上，此表面定义为第一表面151；形成p型半导体113于所述发光层表面112之上；所述形成发光外延层的方法可以气相外延法（Vapor Phase Epitaxy；VPE）、液相外延法（Liquid Phase Epitaxy；LPE）或有机金属气相外延法（Metal Organic VaporEpitaxy；MOVPE）。常见高亮度发光二极管的发光外延层材料包括四元（AlGaInP磷化铝镓铟）与氮化镓（GaN）等。四元（AlGaInP）外延层可用在手持电子装置（例如手机）上，其可产生红光、橙光或黄光，而氮化镓（GaN）外延层可产生蓝光、绿光，可用在白光照明上。
接着，参照图13，从p型半导体113表面往下蚀刻，形成局部裸露之n型半导体表面141，蚀刻方法包括湿式化学蚀刻或激光蚀刻方法。由于过浅的n型半导体平台蚀刻深度，容易产生局部裸露之n型半导体平台周围的取光被n型电极吸光的问题，所以本步骤的蚀刻深度宜尽量深一些，并配合后续n型电极的厚度，以便减少金属电极吸光，增加出光几率。为了保证n型电极的欧姆接触，一般蚀刻后n型半导体保留在0.5微米以上。
最后，参照图14，形成透明导电层120于所述p型半导体113表面之上；形成p型电极121于所述透明导电层120表面之上以及形成具有第二表面152的n型电极131于所述局部裸露之n型半导体表面141之上，使得第二表面152的高度小于第一表面151的高度。其中第一表面151与第二表面152的高度差D取0~10微米，但不以此为限。此外，金属电极厚度介于0.5微米至10微米之间，但不以此为限。
下面取一外延片分别制作四种样品，通过取不同通过n型半导体平台深度，测量其对应的封装后输出功率，加以证明本发明之有效性。其中外延片的结构：蓝宝石基板、u-GaN缓冲层，n-GaN层，多量子阱（MQW）发光层和p-GaN层，其中n-GaN层的厚度为5微米，MQW发光层的厚度为0.2微米，p-GaN层的厚度为0.3微米。四种样品的n型电极的厚度均取2.2微米，工作电流为350毫安，台面深度分别按下表进行蚀刻，其封装后的其正向电压VF 和输出功率Pout如表一。
表一
从上表数据可看出，随着台面深度加深，输出功率增加。其主要在于随着台面加深，电流逐渐向n型电极扩散，使其电流扩散更均匀，从而提升发光效率。
由上述各实施例可知，本发明通过n型半导体平台深度以及电极厚度的优化，可解决已知发光二极管结构因电流扩散不佳以及电极吸光而影响组件亮度的问题。特别是对于高功率发光二极管（工作电流一般在300mA以上）的应用，较高的电流注入往往衍生出更严重之电流局限问题，进而影响组件之发光亮度，通过本发明在平台深度的优化可有效地解决发光二极管电流局限的问题并以提升发光二极管的亮度。
Claims (10)
1.一种发光二极管，包含：外延基板；n型半导体，位于所述外延基板表面之上；发光层，位于所述n型半导体表面之上；p型半导体，位于所述发光层表面之上； p型电极，位于所述p型半导体表面之上；n型电极，位于局部裸露的n型半导体表面之上，并与所述p型电极同侧；所述n型半导体的上表面定义为第一表面，所述n型电极的上表面定义为第二表面，第一表面不低于所述第二表面。
2.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于：第一表面不低于所述第二表面，使得靠近n型电极的区域的电子与空穴复合数目增多，从而改善因电子、空穴对匹配不均而造成电流局限的问题。
3.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于：第一表面不低于所述第二表面，减少n型电极的吸光作用。
4.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于：所述第一表面与第二表面的高度差为0~10微米。
5.根据权利要求2所述的一种发光二极管，其特征在于：所述第一表面高于所述第二表面，其高度差为0.04~7微米。
6.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于：所述n型电极的下表面与所述n型半导体的下表面的高度差大于或等于0.5微米。
7.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于：所述n型电极的厚度为0.5~10微米。
8.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于：所述工作电流为300 mA以上。
9.一种发光二极管的制作方法，包括步骤：
提供外延基板；
依次在所述外延基板表面之上形成n型半导体、发光层和p型半导体；
从p型半导体表面往下蚀刻裸露出局部n型半导体表面；
在所述p型半导体之上形成p型电极；
在所述局部裸露之n型半导体表面之上形成n型电极，其上表面的相对位置高不低于所述n型半导体上表面的相对位置。
10.一种照明系统或显示系统，包含一系列发光二极管，各个发光二极管包括：外延基板；n型半导体，位于所述外延基板表面之上；发光层，位于所述n型半导体表面之上；p型半导体，位于所述发光层表面之上； p型电极，位于所述p型半导体表面之上；n型电极，位于局部裸露的n型半导体表面之上并与所述p型电极同侧；所述n型半导体的上表面定义为第一表面，所述n型电极的上表面定义为第二表面，第一表面不低于所述第二表面。
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