CN109817774A - 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：一发光叠层；以及一位于发光叠层上的电极，电极包含一主要材料以及一不同于主要材料的接触材料，接触材料能够与半导体材料形成欧姆接触；其中接触材料分布于发光元件的一部分且在电极处具有一最大浓度。

Description

发光元件
本发明是中国发明专利申请(申请号：201510078160.2，申请日：2015年02月13日，发明名称：发光元件)的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种发光元件，尤其是涉及一种具有较佳附着力的电极的发光元件。
背景技术
发光二极管为省电以及高效率的光源。根据不同波长的发射光，发光二极管可以应用至照明、显示器的背光以及交通信号灯等。由于发光二极管的应用范围广泛，对于发光二极管的性价比以及每区域单位的亮度的要求也越来越高。
现有的发光二极管包含基板、位于基板上的发光叠层、位于发光叠层上以及与发光叠层电连接的第一电极、以及位于基板的相对于第一电极的一表面上的第二电极，且第二电极电连接发光叠层。第一电极包含有一接近发光叠层的第一层以及一位于第一层上的第二层，其中第二层包含一包含钛或铬的黏着层，黏着层可增加第一层和第二层之间的黏着力。然而，由于环境中的湿气，钛或铬容易氧化而形成金属氧化物，导致黏着层的劣化，使第一层与第二层之间容易剥离。
上述的发光二极管还可进一步地与次载体(sub-mount)组合连接以形成发光装置(lighting device)。发光装置包含具有电路的次载体；焊料(solder)位于上述次载体上，通过此焊料将上述发光二极管黏结固定于次载体上并使二极管的基板与次载体上的电路形成电连接；以及，一电连接结构，以电连接二极管的电极与次载体上的电路；其中，上述的次载体可以是导线架(lead frame)或大尺寸镶嵌基底(mounting substrate)，以方便发光装置的电路规划并提高其散热效果。
发明内容
本发明提供一种发光元件，其包含：一发光叠层；以及一位于发光叠层上的电极，电极包含一主要材料以及一不同于主要材料的接触材料，接触材料能够与半导体材料形成欧姆接触；其中接触材料分布于发光元件的一部分且在电极处具有一最大浓度。
本发明提供一种制造发光元件的方法，其包括步骤：提供一发光叠层；在发光叠层之上形成一第一层，其中第一层包含一第一合金子层；以及于第一层上形成一第二层，其中第二层包含一第二合金子层；其中第一合金子层以及第二合金子层都包含一能够与半导体材料形成欧姆接触的接触材料，且第二层的厚度大于第一层的厚度。
底下通过具体实施例配合所附的附图详加说明，当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。
附图说明
图1为本发明的其中一实施例的发光元件的俯视图；
图2为图1的发光元件沿着A-A’线的剖视图；
图3至图8为本发明的其中一实施例的制造流程结构的剖视图；
图9为图8中区域I以扫描电子显微镜(scanning electron microscope，SEM)放大的影像图；
图10为本发明的其中一实施例的发光元件的第一金属子层、第二金属子层以及第一层的第一合金子层的穿透式电子显微镜(transmission electron microscopy，TEM)影像图；
图11为本发明的其中一实施例的发光元件的第一层的穿透式电子显微镜影像图；
图12为本发明的其中一实施例的发光元件的第一层的穿透式电子显微镜影像图；
图13为元素的强度与电极以及部分窗户层的深度的关系图；以及
图14为图13中1000纳米至6000纳米之间的区域放大图。
符号说明
1发光元件 10发光叠层
20窗户层 30电极
31表面 34接触层
35阻障层 36电流注入结构
32电极垫 33延伸部
341第一层 3411第一金属子层
3412第二金属子层 3413第一合金子层
342第二层 3421第三金属子层
3422第四金属子层 3423第二合金子层
11第一型半导体层 12第二型半导体层
13发光层 40欧姆接触层
50反射层 60透明导电层
90载板 70金属子层
80障碍层 100背电极
具体实施方式
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附的附图作详细说明如下。在附图或说明中，相似或相同的部分使用相同的标号，并且在附图中，元件的形状或厚度可扩大或缩小。需特别注意的是，图中未绘示或描述的元件，可以是熟习此技艺的人士所知的形式。
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。
图1为本发明一实施例的发光元件的俯视图。图2为图1的发光元件沿着A-A’线的剖视图。如图2所示，发光元件1包含一发光叠层10、一位于发光叠层10上的窗户层20以及一位于窗户层20上的电极30，其中电极30包含一接近发光叠层10的表面31。电极30包含一位于窗户层20上的接触层34，一位于接触层34上的阻障层35以及一位于阻障层35上的电流注入结构36。具体而言，表面31是窗户层20以及接触层34之间的界面。如图1以及图2所示，电流注入结构36包含一电极垫32以及多个延伸部33，其中各延伸部33自电极垫32朝外延伸。接触层34位于电极垫32以及多个延伸部33的正下方。阻障层35置于电极垫32与接触层34之间以及多个延伸部33与接触层34之间。接触层34使窗户层20以及电流注入结构36之间形成欧姆接触以达成所需要的电性。
请参阅图3至图8，制造发光元件的方法包含下述步骤：提供一发光叠层10；形成一窗户层20于发光叠层10之上；形成一第一层341于窗户层20之上，其中第一层341包含一第一金属子层3411、一第二金属子层3412以及一位于第一金属子层3411以及第二金属子层3412之间的第一合金子层3413；退火处理第一层341；在第一层341之上形成一第二层342，其中第二层342包含一第三金属子层3421、一第四金属子层3422以及一位于第三金属子层3421以及第四金属子层3422之间的第二合金子层3423；在第二层342上形成一阻障层35；在阻障层35上形成一电流注入结构36；退火处理上述结构藉以将第一层341以及第二层342形成接触层34。
在本发明的一实施例中，发光叠层10包含一第一型半导体层11、一第二型半导体层12以及一位于第一型半导体层11以及一第二型半导体层12之间的发光层13。在本实施例中，第一型半导体层11为提供电子的n型半导体，第二型半导体层12为提供电洞的p型半导体，其中第一型半导体层11的导电性、电性、极性和/或掺杂物不同于第二型半导体层12。第一型半导体层11和第二型半导体层12包含三五族半导体材料。发光层13可以为本质、n型或p型半导体。发光层13的结构如:单异质结构(single heterostructure；SH)、双异质结构(double heterostructure；DH)、双侧双异质结构(double-side doubleheterostructure；DDH)、或多层量子阱(multi-quantum well；MQW)。再者，调整量子阱的对数可改变发光层13的发光波长。发光层13的材料包含磷化铝镓铟(AlGaInP)系列、氮化铝镓铟(AlGaInN)系列等III族氮化物、氧化锌(ZnO)系列等。
在本发明的一实施例中，窗户层20位于第二型半导体层12之上且包含一选自于由铝、镓、铟、砷、磷以及氮所构成的群组，例如氮化镓、磷化铝镓铟或是其他合适的材料。优选的，窗户层20的导电性与第二型半导体层12的导电性相同，例如为p型磷化镓层。窗户层20的上侧未被电极30覆盖的部分区域经过粗化。此外，窗户层20的上侧在位于电极30下方包含一平台(mesa)结构。窗户层20对发光层13发出的光大致上是透明的。
请参阅图3，在本发明的一实施例中，第一层341中的第一金属子层3411、第二金属子层3412以及第一合金子层3413包含一用于辅助电流注入的主要材料，且主要材料包含金属。优选的，主要材料包含金。进一步而言，第一合金子层3413包含一不同于主要材料的接触材料，接触材料能够与半导体材料形成欧姆接触且能够与主要材料形成合金。优选的，接触材料能够与三五族半导体材料形成欧姆接触。请参阅图10，图10为发光元件1的第一层341的第一金属子层3411、第二金属子层3412以及第一合金子层3413的穿透式电子显微镜(transmission electron microscopy，TEM)影像图。如图10所示，一位于第一金属子层3411以及第一合金子层3413之间的界面I1是可见的，且另一位于第一合金子层3413以及第二金属子层3412之间的界面I2也是可见的。具体而言，表面31是窗户层20以及接触层34之间的界面。优选的，接触材料的活性(reactivity)高于铂(Pt)的活性。又更佳的，接触材料包含铍、硒、锡、锌或其等的组合。在本实施例中，第一合金子层3413包含铍，以用于与窗户层20形成欧姆接触的。具体的，第一合金子层3413包含铍金合金，其中金的含量例如，但不限于，以质量计为98％。铍的含量例如，但不限于，以质量计为2％。第一层341的厚度不超过300纳米，优选的，是介于100至300纳米之间。第一合金子层3413的厚度介于50至100纳米之间。具体而言，第二金属子层3412的厚度系大于第一合金子层3413的厚度。
请参阅图4、图11以及图12，在本发明的一实施例中，退火处理第一层341的步骤操作于大于450℃的温度之下。如图11以及图12所示，在退火处理第一层341的步骤之后，如图10所示的位于第一金属子层3411以及第一合金子层3413之间的界面I1(并未显示于图11以及图12)以及如图10所示的位于第一合金子层3413以及第二金属子层3412之间的界面I2(并未显示于图11以及图12)与退火处理前相比明显地较不易辨识。因此，第一层341于退火处理后大致上为一单层。进一步而言，在退火步骤中，第一合金子层3413的接触材料扩散进入第一金属子层3411、第二金属子层3412以及窗户层20，因此于退火步骤之后，接触材料分布于第一层341以及部分的窗户层20。
请参阅图5，在本发明的一实施例中，第二层342的第三金属子层3421、第四金属子层3422以及第二合金子层3423包含一用于辅助电流注入的主要材料，且主要材料包含金属。进一步而言，第二合金子层3423包含一不同于主要材料的接触材料，接触材料能够与半导体材料形成欧姆接触且能够与主要材料形成合金。接触材料包含铍、硒、锡、锌或其等的组合。第二合金子层3423的接触材料可以与第一合金子层3413的接触材料相同或是不同。优选的，第二合金子层3423的接触材料与第二合金子层3423的接触材料相同。在本实施例中，第二合金子层3423包含铍金合金，其中金的含量例如，但不限于，以质量计为98％。铍的含量例如，但不限于，以质量计为2％。第二层342的厚度大于第一层341的厚度。具体而言，第二合金子层3423的厚度大于第一合金子层3413的厚度。优选的，第二层342的厚度介于500纳米至1500纳米之间。退火处理可将第一层341以及第二层342形成接触层34，而第二合金子层3423的厚度可调变以得到第一层341与第二层342之间需要的黏着度，以形成接触层34。第二合金子层3423中接触材料的总量大于第一合金子层3413中接触材料的总量。在本实施例中，由于第二合金子层3423的厚度大于第一合金子层3413的厚度，第二合金子层3423中铍的总量因此大于第一合金子层3413中铍的总量。
请参阅图6以及图7，在本发明的一实施例中，阻障层35将第二层342与电流注入结构36分开，以使接触材料减少向电流注入结构36扩散而向窗户层20扩散。阻障层35包含锌、钨、镍或铂。阻障层35的厚度介于30纳米至100纳米之间。
请参阅图7，在本发明的一实施例中，电流注入结构36包含一用于辅助电流注入的主要材料，且主要材料包含金属。在本实施例中，主要材料包含金。具体而言，电流注入结构36的一部分，例如电极垫32，是用于打线，电流注入结构36的其他部分，例如延伸部33，是用于增进电流扩散。在另一实施例中，电流注入结构36包含一电极垫32。接触层34包含一第一部位(图未示)以及一第二部位(图未示)，其中第一部位是位于电极垫32的正下方且第二部位自第一部位往外延伸。阻障层35置于电极垫32以及第一部位之间。电流注入结构36的厚度大于500纳米。
请参阅图8，在本发明的一实施例中，退火处理以将第一层341以及第二层342形成接触层34的步骤操作于介于200℃至400℃之间的温度下。优选的，此退火步骤的操作温度低于上述的退火处理第一层341的操作温度。在退火处理各层以将第一层341以及第二层342形成接触层34的步骤之后，第一层341以及第二层342之间的界面与退火处理前相比明显地较不易辨识。进一步而言，在退火步骤之中，第二层342的接触材料扩散进入窗户层20，因此接触材料分布于接触层34以及部分的窗户层20。图9为图8中区域I以扫描电子显微镜(scanning electron microscope，SEM)放大的影像图。如图9所示，阻障层35以及接触层34之间的界面和阻障层35以及电流注入结构36之间的界面是可见的。
在本发明的一实施例中，第一层341的厚度大约为130纳米。第二层342的厚度大约为1000纳米。阻障层35的厚度大约为50纳米。电流注入结构36的厚度大约为2600纳米。图13为元素的强度与电极30以及部分窗户层20的深度的关系图，此关系图是由二次离子质谱仪分析(secondary ion mass spectrometry，SIMS)测得。图14为图13中1000纳米至6000纳米之间的区域放大图。在本实施例中，深度大于3800纳米的区域为窗户层20，深度小于3800纳米的区域为电极30。深度介于约为2650纳米至约为3800纳米之间的区域为接触层34。具体而言，深度介于约为2650纳米至约为2600纳米之间的区域为阻障层35，深度小于2600纳米的区域为电流注入结构36。具体而言，电极30的表面31是在深度大约为3800纳米的区域。电极30的接触材料具有最大浓度的位置与电极30的表面31的距离约为1000纳米，其中电极30的接触材料具有最大浓度的位置大约在深度为2800纳米的区域，且位于接触层34。在另一实施例中，接触材料具有最大浓度的位置位于阻障层35。具体而言，在本实施例中，扩散进入窗户层20，扩散进入阻障层35以及扩散进入电流注入结构36的接触材料为铍。
在本发明一实施例中，接触材料具有最大浓度的位置是在电极30。具体而言，接触材料具有最大浓度的位置与电极30的表面31的距离可通过调整第一层341的厚度以及第二层342的厚度而调整。接触材料具有最大浓度的位置与电极30的表面31的距离优选地不小于500纳米。
由于接触材料具有最大浓度的位置是在电极30，因此本发明的发光元件1包含的电极30，其包含的接触层34与邻近层具有较佳的黏着力，且在具有优选的黏着力同时，本发明的发光元件1的电极30依旧与一半导体系统，例如窗户层20，形成良好的欧姆接触。
在本发明的一实施例中，电极30实质上并不含有钛和/或铬，亦即电极30实质上并不含有微量的钛和/或铬。然而，发光元件1的其他结构可包含钛和/或铬以得到期望的发光元件1的特性。
本实施例的发光元件1以灯的形式进行烧测试验，其中烧测试验的条件如下所述：温度为85℃，相对湿度(relative humidity，RH)为85％，以及电流为2毫安培(mA)。经过3000小时后，接触层34与阻障层35之间的黏着力以及阻障层35与电流注入结构36之间的黏着力并未被影响。然而，一现有的发光元件在经过相同的烧测试验后，却在电极层间产生剥离问题且延伸部毁损。因此，本发明的发光元件，其包含的电极具有优选的黏着力。进一步而言，现有的发光元件，在经过烧测试验后，顺向电压上升了45％，然而，本发明的发光元件在经过烧测试验后，顺向电压仅上升8％。
请参阅图2所示，在本发明的一实施例中，发光元件1还包含一欧姆接触层40，其位于第一型半导体层11的一相对于电极30的表面上。欧姆接触层40包含与第一型半导体层11形成欧姆接触的导电材料。发光元件1可包含一位于欧姆接触层40上的反射层50，反射层50反射发光层13所产生的光且包含一导电材料，导电材料包含金属，例如银、钛、镍、铂或铝。发光元件1还包括一位于第一型半导体层11以及反射层50之间的透明导电层60，且优选的，透明导电层60覆盖欧姆接触层40。透明导电层60的反射系数低于第一型半导体层11的反射系数，优选的，透明导电层60的材料包含金属氧化物，例如氧化铟锡(indium tin oxide，ITO)、氧化镉锡(cadmium tin oxide，CTO)、氧化锡锑(antimony tin oxide)、氧化铟锡(indium zinc oxide)、氧化锌铝(zinc aluminum oxide)或氧化锌锡(zinc tin oxide)。透明导电层60以及反射层50增进发光元件1的光取出效率。透明导电层60以及欧姆接触层40分别增进横向以及垂直方向的电流扩散能力。进一步而言，发光元件1包含一用于黏结反射层50至一载板90的金属子层70。金属子层70包含铟、金、锡、铅、铟金、锡金以及其等的合金。载板90包含硅。一障碍层80可形成于透明导电层60以及金属子层70之间，且优选的，障碍层80覆盖反射层50。障碍层80降低反射层50的材料的劣化且降低反射层50的材料朝向金属子层70扩散的程度。障碍层80包含钛、铂或金。在另一实施例中，发光元件1包含一位于载板90之上且远离发光叠层10的背电极100。背电极100包含铜、锡、金、镍、铂、铝、钛、铬、铅、铜锡、铜锌、铜镉、锡铅锑、锡铅锌、镍锡、镍钴、金合金、金铜镍或是其等的组合。
请参阅图1以及图2，在本发明的一实施例中，发光元件1还包括一覆盖发光叠层10、窗户层20以及延伸部33以及部分电极垫32的保护层110，覆盖部分电极垫32的保护层110可暴露一部分的电流注入结构36作为打线用途。保护层110可保护发光元件1免于受到例如为湿气或是机械破坏的外在环境破坏。
在本发明的一实施例中，发光元件1为一垂直式发光元件1，且电极30为一远离载板90的p型电极。
虽然本发明已说明如上，然而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，都不脱本发明的精神与范围。

Claims (10)

1.一种发光元件，其特征在于，包含：
发光叠层；以及
电极，位于该发光叠层上且包含主要材料以及不同于该主要材料的第一接触材料；
其中，该第一接触材料的活性高于铂的活性且在该电极处具有最大浓度，且该最大浓度大于该主要材料的浓度。
2.如权利要求1所述的发光元件，其中该主要材料包含金属。
3.如权利要求2所述的发光元件，其中该主要材料包含金。
4.如权利要求1所述的发光元件，其中该电极实质上不含有钛和/或铬。
5.如权利要求1所述的发光元件，其中该电极包含阻障层，且该最大浓度位于该阻障层。
6.如权利要求5所述的发光元件，其中该阻障层包含锌、钨、镍或铂。
7.如权利要求5所述的发光元件，其中该阻障层的厚度介于30纳米至100纳米之间。
8.如权利要求1所述的发光元件，还包含位于该发光叠层上的窗户层，该窗户层包含一选自由铝、镓、铟、砷、磷以及氮所构成群组的材料。
9.如权利要求8所述的发光元件，其中该窗户层的上侧未被该电极覆盖的部分区域经过粗化。
10.如权利要求8所述的发光元件，其中该窗户层包含该主要材料。
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