CN112531080B - 微型发光二极管 - Google Patents

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CN112531080B CN202011370050.0A CN202011370050A CN112531080B CN 112531080 B CN112531080 B CN 112531080B CN 202011370050 A CN202011370050 A CN 202011370050A CN 112531080 B CN112531080 B CN 112531080B
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Abstract

本申请提供一种微型发光二极管，包含第一半导体层、第一电极、第二电极以及活性层。所述第一半导体层的双侧定义有相对的第一面与第二面，第一半导体层设置有掺杂区域，掺杂区域位于第一半导体层中并露出于第一面，且掺杂区域与第一半导体层之间形成有pn接面。所述第一电极位于第一面上，用以电性连接第一半导体层。所述第二电极位于第一面上，用以电性连接掺杂区域。所述活性层邻接第二面。其中第一半导体层为第一掺杂类型，掺杂区域为第二掺杂类型，第一掺杂类型与第二掺杂类型相异，且第一半导体层与pn接面位于活性层的同侧。

Description

微型发光二极管
技术领域
本申请是关于一种微型发光二极管，特别是关于一种微型发光二极管的半导体结构。
背景技术
请参阅图1A，图1A是传统发光二极管的结构示意图。如图1A所示，传统的发光二极管制程中，n型半导体层90、主动层91以及p型半导体层92会层叠地形成于基板93上。由于需要施加驱动电流在主动层91中，通常会在n型半导体层90以及p型半导体层92表面设置电极，才能通过打线在电极上电性连接到电源。以图1A的例子来说，由于p型半导体层92被夹在主动层91以及基板93之间没有合适的地方设置电极，为了让一部份的暴露出来，首先要对整个半导体结构进行平台(mesa)制程，例如由上方蚀刻一部份的n型半导体层90与主动层91，直到露出p型半导体层92。请参阅图1B，图1B是传统发光二极管于平台制程后的结构示意图。如图1B所示，于平台制程后，n型半导体层90、主动层91以及p型半导体层92会呈现阶梯状或L状。接着，便可以在n型半导体层90上设置电极94，并且在p型半导体层92上设置电极95。
然而，在传统的平台制程后，在蚀刻后的n型半导体层90、主动层91以及p型半导体层92的侧壁96很可能会产生寄生的漏电流，进而降低了发光二极管的发光效能。一般来说，这种因为平台制程在侧壁96引起的漏电流会称为平台侧壁效应(mesa sidewall effect)，而应用于微型发光二极管时，平台侧壁效应对发光效能产生的影响程度可能更为巨大。因此，业界需要一种新的发光二极管结构以降低平台侧壁效应。
发明内容
本申请所要解决的技术问题在于提供一种微型发光二极管，所述微型发光二极管不需要进行平台制程，从而可以避免平台侧壁效应。
本申请提供一种微型发光二极管，包含第一半导体层、第一电极、第二电极以及活性层。所述第一半导体层的双侧定义有相对的第一面与第二面，第一半导体层设置有掺杂区域，掺杂区域位于第一半导体层中并露出于第一面，且掺杂区域与第一半导体层之间形成有pn接面(pn junction)。所述第一电极位于第一面上，用以电性连接第一半导体层。所述第二电极位于第一面上，用以电性连接掺杂区域。所述活性层邻接第二面。其中第一半导体层为第一掺杂类型，掺杂区域为第二掺杂类型，第一掺杂类型与第二掺杂类型相异，且第一半导体层与pn接面位于活性层的同侧。
于一些实施例中，所述微型发光二极管更可以包含第一欧姆接触层，设置于第一电极与第一面之间，第一欧姆接触层分别接触第一电极与第一半导体层。在此，第一欧姆接触层与第二电极于第一面上间隔有第一距离，第一距离可以在0.5μm到80μm之间。此外，于第一面的法线方向上，第一电极与第一欧姆接触层的投影面积比例可以小于或等于1.5。另外，第一电极具有第一厚度，第一欧姆接触层具有第二厚度，第二电极具有第三厚度，第三厚度可以为第一厚度和第二厚度的总和。
于一些实施例中，第二电极于第一面上可以覆盖掺杂区域。此外，于第一面的法线方向上，第二电极与掺杂区域的投影面积比例可以为0.5至2。另外，所述微型发光二极管更可以包含第二半导体层，活性层位于第一半导体层与第二半导体层之间。
综上所述，本申请提供的微型发光二极管将掺杂区域形成于第一半导体层中，并且使得掺杂区域露出于第一半导体层的第一面。因此，不同极性的电极可以直接设置于第一面，并分别电性连接到第一半导体层和掺杂区域。换句话说，本实施例的微型发光二极管不需要再进行平台制程，从而可以降低平台侧壁效应并改善发光效能。
有关本申请的其它功效及实施例的详细内容，配合图式说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1A是传统发光二极管的结构示意图；
图1B是传统发光二极管于平台制程后的结构示意图；
图2是依据本申请一实施例的微型发光二极管的结构示意图；
图3是依据本申请另一实施例的微型发光二极管的结构示意图；
图4是依据本申请再一实施例的微型发光二极管的结构示意图；
图5是依据本申请一实施例的微型发光二极管的电流示意图；
图6是依据本申请再一实施例的微型发光二极管的结构示意图；
图7是依据本申请再一实施例的微型发光二极管的结构示意图。
符号说明
1、1’、1” 微型发光二极管
10 第一半导体层 10a第一面 10b 第二面
100 掺杂区域 102 pn接面
120 第一欧姆接触层 12、12’ 第一电极
14、14’ 第二电极 16 活性层
18 第二半导体层 180 子层 182 介电层
20 基板 90 n型半导体层 91 主动层
92 p型半导体层 93基板 94 电极
95 电极 96 侧壁 d 距离
h1～h3 厚度 C1 电流路径
具体实施方式
在下文的实施方式中所述的位置关系，包括：上，下，左和右，若无特别指明，皆是以图式中组件绘示的方向为基准。
请参阅图2，图2是依据本申请一实施例的微型发光二极管的结构示意图。如图2所示，本实施例的微型发光二极管1可以设置于一个基板20上，并且微型发光二极管1可以包含第一半导体层10、第一电极12、第二电极14以及活性层16。在此，基板20可以是透明的，且本实施例并不限制基板20是成长基板或暂时性基板。此外，第一半导体层10可以具有n型或p型的掺杂类型，为了方便说明，本实施例接下来以第一半导体层10为n型的掺杂类型作为示范的例子。
第一半导体层10可以是一个层状结构，并定义有第一面10a与第二面10b。以图2来说，第一面10a是第一半导体层10朝向上方的侧面，而第二面10b是第一半导体层10朝向下方的侧面。并且，第一半导体层10中设置有掺杂区域100，且当第一半导体层10为n型的掺杂类型时，掺杂区域100应为p型的掺杂类型，从而p型的掺杂区域100与n型的第一半导体层10之间会形成有pn接面(pn junction)102。实务上，由于掺杂区域100是位于第一半导体层10中，且掺杂区域100和第一半导体层10有不同的掺杂类型，从而pn接面102应可以被定义于掺杂区域100每一侧的边缘。为了方便说明，图2将pn接面102标示在掺杂区域100左侧的边缘，但本实施例在此不特别限制pn接面102的位置，例如掺杂区域100的下侧或右侧的边缘也可以算是一种pn接面102。
于一个例子中，掺杂区域100是由离子布植制程或离子扩散制程形成的，例如可以通过从第一面10a向下方布植或扩散p型的离子而产生掺杂区域100。举例来说，掺杂区域100中的掺杂浓度可以在1017以上，而较佳的掺杂浓度可以大于2×1018。由图2可知，一部分的第一面10a应当会在掺杂区域100的范围之内，也就是说掺杂区域100会露出于第一面10a。此外，本实施例不限制掺杂区域100在第一半导体层10中的厚度比例，例如第一半导体层10的厚度可以在到1μm之间。实务上，由于掺杂区域100是直接从第一面10a向第一半导体层10内部形成的，不需要先经由蚀刻破坏第一半导体层10的结构，从而掺杂区域100和第一半导体层10在第一面10a基本上不会存在高低落差。换句话说，掺杂区域100和第一半导体层10可以在第一面10a形成共平面，或者可以说第一面10a在掺杂区域100的范围内外会是平整的。
以上述的例子来说，掺杂区域100和第一半导体层10会由同一种材料制成。当然，掺杂区域100和第一半导体层10也有可能由不同的材料制成。举例来说，也有可能先在第一半导体层10蚀刻出凹槽，并且将不同材料填入所述凹槽从而形成掺杂区域100。也就是说，只要掺杂区域100和第一半导体层10有不同的掺杂类型，即应属本申请掺杂区域100和第一半导体层10的范畴。
请继续参阅图2，第一电极12和第二电极14可以第一半导体层10的同侧，例如位于第一面10a上。在此，第一电极12可以用来电性连接第一半导体层10，第二电极14可以用来电性连接掺杂区域100，于所属技术领域具有通常知识者应可以理解第一电极12和第二电极14的功能，本实施例不加以赘述。于一个例子中，为了让第一电极12有良好的导电特性，第一电极12与第一面10a之间还可以有第一欧姆接触层120，例如第一欧姆接触层120可以分别接触第一电极12与第一半导体层10的第一面10a。实务上，第一欧姆接触层120的掺杂浓度可以在1017以上，较佳的是掺杂浓度可以大于2×1018。
结构上，本实施例可以定义第一电极12具有第一厚度h1，第一欧姆接触层120具有第二厚度h2，第二电极14具有第三厚度h3。其中，第一欧姆接触层120的第二厚度h2可以在20A到之间，且第三厚度h3可以为第一厚度h1和第二厚度h2的总和。换句话说，第一电极12的顶面和第二电极14的顶面大致上等高，并且可以都位于同一个平面上，后续转移到电路基板(未绘示)时可以更佳的转移良率。此外，微型发光二极管1的总厚度可以小于5μm，微型发光二极管1的总宽度可以小于100μm。详细来说，假设第一欧姆接触层120与第二电极14都是直接接触第一面10a，则第一欧姆接触层120与第二电极14在第一面10a上的最小距离可以被定义为第一距离d。在此，第一距离d较佳的可以在0.5μm到80μm之间，小于0.5μm可能造成第一欧姆接触层120与第二电极14间的穿隧效应不明显。
此外，虽然图2绘示了第一电极12与第一欧姆接触层120等宽，第二电极14与掺杂区域100等宽，但本实施例不加以限制。以实际的例子来说，从第一面10a的上方看入，也就是沿着第一面10a的法线方向看入，第一电极12与第一欧姆接触层120的投影面积比例可以小于或等于1.5且大于等于0.01。因微型发光二极管1的尺寸小，大于1.5时第一电极12与第二电极的距离可能过近易造成短路。当第一电极12的投影面积大于第一欧姆接触层120的投影面积时，可以看成第一电极12覆盖住第一欧姆接触层120，并且部分的第一电极12有可能直接接触到第一面10a。当微型发光二极管1的总宽度小于50μm时，可以使第一电极12接合于外部电路(未绘示)，较大的接合面积可以增加接合良率，又可以让电流集中于第一欧姆接触层120区域。
另一方面，上述的第一电极12的投影面积也有可能小于第一欧姆接触层120的投影面积。请一并参阅图2与图3，图3是依据本申请另一实施例的微型发光二极管的结构示意图。图3中微型发光二极管1’与图2中微型发光二极管1的差别在于，第一电极12’的尺寸不同于第一电极12的尺寸。如图3所示，当第一电极12’的投影面积小于第一欧姆接触层120的投影面积时，可以看成第一电极12’位于第一欧姆接触层120的周缘之内，从而第一电极12’不会直接接触到第一面10a。本实施例继续以图2当例子，也就是当第一电极12的投影面积恰好等于第一欧姆接触层120的投影面积时，可以看成第一电极12重叠于第一欧姆接触层120上，此时第一电极12与第二电极14在第一面10a上的最小距离即为第一距离d，且第一距离d可以在0.5μm到80μm之间，小于0.5μm可能造成第一电极12与第二电极间的穿隧效应不明显。
同样地，从第一面10a的上方看入时，第二电极14与掺杂区域100的投影面积比例介于0.5到2之间，因微型发光二极管1的尺寸小，大于2时第一电极12与第二电极的距离可能过近易造成短路。请一并参阅图2与图4，图4是依据本申请再一实施例的微型发光二极管的结构示意图。图4中微型发光二极管1”与图2中微型发光二极管1的差别在于，第二电极14’的尺寸不同于第二电极14的尺寸。如图4所示，当第二电极14’的投影面积大于掺杂区域100的投影面积时，可以看成第二电极14’覆盖住第一面10a露出的掺杂区域100，并且部分的第二电极14’有可能直接接触到掺杂区域100之外的第一半导体层10。此时，第二电极14’和第一半导体层10之间可以为非欧姆接触，例如绝缘或是形成一种萧基接面。另一方面，图2绘示的第二电极14的投影面积也有可能小于等于掺杂区域100的投影面积。当第二电极14的投影面积小于等于掺杂区域100的投影面积时，可以看成第二电极14位于第一面10a露出的掺杂区域100的周缘之内，从而第二电极14不会直接接触到掺杂区域100之外的第一半导体层10。于一个例子中，将第二电极14覆盖住第一面10a露出的掺杂区域100，有可能较便于后续的打线与对位。另外，第一电极12与第二电极14可以分别距离第一面10a的边缘超过1μm，且第一电极12离第一面10a边缘的距离可以不等于第二电极14离第一面10a边缘的距离。
活性层16邻接第一半导体层10的第二面10b，如图2所绘示的，活性层16可以在第一半导体层10的下方。由于pn接面102位于第一半导体层10之内，而活性层16在第一半导体层10的下方，可以说第一半导体层10与pn接面102位于活性层16的同侧，或说pn接面102与活性层16分别位于第二面10b的两侧。从微型发光二极管的发光原理来说，请一并参阅图2与图5，图5是依据本申请一实施例的微型发光二极管的电流示意图。如图所示，当第一电极12和第二电极14存在电压差时，因为p型、n型半导体的组件特性，在pn接面102会产生电流，电流的流向大致上可以表示为水平的电流路径C1。虽然电流路径C1看起来不会经过活性层16，但是电流流经电流路径C1时，基于穿隧效应(tunneling effect)，下方的活性层16仍然可以有电流经过。换句话说，有别于传统的发光二极管的发光原理，活性层是受到垂直方向的电压电流的激发而发光，本实施例的微型发光二极管1于电流路径C1下方的活性层16，更可以受水平方向的电压电流的激发而发光。特别说明的是，当发光二极管的尺寸微缩至微米级(μm)以下时，由于第一半导体层10的厚度相较于传统的发光二极管更薄，使得上述电流路径C1更为贴近活性层16；同时，第一电极12、第二电极14所占微型发光二极管1的宽度比例亦较传统发光二极管大幅上升，电流路径C1有更高比例的区段平行于活性层16，使穿隧效应更为明显。较佳的，掺杂区域100的底部与活性层16的距离在以内，可有更显著的穿隧效应。
于一个例子中，活性层16的材料可选自AlxGayIn1-x-yAs和Alx’Gay’In1-x’-y’As的组合、AlxGayIn1-x-yP和Alx’Gay’In1-x’-y’P的组合、GaPyAs1-y和GaPy’As1-y’的组合或AlxGayIn1-x-yN和Alx’Gay’In1-x’-y’N的组合，本实施例在此不加以限制。此外，活性层16也可以选用DH(double heterojunction)结构、SQW(single quantum well)结构或MQW(multiplequantum well)结构等，本实施例也不限制结构的形式。
请继续参阅图2，本实施例在活性层16的下方更可以包含第二半导体层18，使得活性层16位于第一半导体层10与第二半导体层18之间。本实施例在此不限制第二半导体层18的掺杂类型，例如第二半导体层18的掺杂类型可以是n型或p型，甚至第二半导体层18可以未掺杂。较佳的是，为了提高微型发光二极管1的发光效率，第二半导体层18的掺杂类型可以和掺杂区域100的掺杂类型相反，而相同于第一半导体层10的掺杂类型，并且第二半导体层18的掺杂浓度可以小于等于1017。于一个例子中，第一半导体层10、第一欧姆接触层120和第二半导体层18的材料可以选自AlxGayIn1-x-yAs、AlxGayIn1-x-yP、GaPyAs1-y、或AlxGayIn1-x- yN，而第一半导体层10、第一欧姆接触层120和第二半导体层18各自的材料可以相同或不相同，本实施例不加以限制。
此外，图5绘示的微型发光二极管1中，更描述了第二半导体层18还可以包含子层180与介电层182。子层180的折射系数可以介于空气的折射率与第二半导体层18的折射率之间。介电层182可以是粗糙化表面或含有光学结构的表面，可以增加光萃取效率。从结构来看，子层180与介电层182除了可以具有平整的表面之外，为了增加微型发光二极管1的出光效率，子层180与介电层182的表面还可以进行粗糙化处理。实务上，介电层182的材料折射系数会小于第二半导体层18整体的折射系数，也会小于子层180的折射系数。并且，介电层182的结构可以是一种层叠结构，例如可以由硅氧化物(SiOx)、二氧化钛(TiO2)等多种材料堆栈起来的。在一实施例中，介电层182的厚度不超过2μm。
图6是依据本申请再一实施例的微型发光二极管的结构示意图。在图6中，第一欧姆接触层120可以覆盖第一半导体层10的第一面10a的大部分面积，并于掺杂区域100的对应位置暴露出第一面10a。第一欧姆接触层120可于第二电极14形成之前制作，再以微影制程除去对应于第二电极14位置的部份，因此将第一欧姆接触层120与第二电极14分隔。
对于部分的微型发光二极管来说，在发光波长不会被第一欧姆接触层120吸收的前提下(例如蓝光与绿光)，较大面积的第一欧姆接触层120可增加与第一半导体层10的接触面，以增进微型发光二极管1的电性表现。以实际的例子来说，从第一面10a的上方看入，也就是沿着第一面10a的法线方向看入，第一电极12与第一欧姆接触层120的投影面积比例可以小于或等于1.5且大于等于0.01。对于部分的微型发光二极管来说，在发光波长会被第一欧姆接触层120吸收的前提下(例如红光)，较小面积的第一欧姆接触层120可减少对红光的吸收量，改善红光微型发光二极管的发光效率。以实际的例子来说，从第一面10a的上方看入，也就是沿着第一面10a的法线方向看入，第一电极12与第一欧姆接触层120的投影面积比例可以小于或等于1.5且大于等于0.1。
图7进一步示例依据本申请再一实施例的微型发光二极管的结构示意图。除了第一欧姆接触层120的覆盖面积增加之外，图7与图6的差异在于：在掺杂区域100的对应位置，第一半导体层10由第一面10a被蚀刻部分厚度。如同前述图6的说明，在第二电极14的对应位置，第一欧姆接触层120会被除去而暴露出第一面10a。而在图7中，可由第一面10a进一步蚀刻第一半导体层10；由于第一半导体层10邻近第一面10a的部位(表层)属于重掺杂层，故将此部位除去后，可较易于在掺杂区域100掺入第二型半导体的掺质。
由图6与图7的说明可知，利用微影制程，可通过相同的图形定义而对第一欧姆接触层120、第一半导体层10同步地蚀刻，不仅增加第一欧姆接触层120与第一半导体层10的接触面积，亦可提升掺杂区域100的掺杂浓度，使第二电极14发挥较佳的电性表现。
综上所述，本申请提供的微型发光二极管将掺杂区域形成于第一半导体层中，并且使得掺杂区域露出于第一半导体层的第一面。因此，不同极性的电极可以直接设置于第一面，并分别电性连接到第一半导体层和掺杂区域。换句话说，本实施例的微型发光二极管不需要再进行平台制程，从而可以降低平台侧壁效应并改善发光效能。
以上所述的实施例及/或实施方式，仅是用以说明实现本申请技术的较佳实施例及/或实施方式，并非对本申请技术的实施方式作任何形式上的限制，任何本领域技术人员，在不脱离本申请内容所公开的技术手段的范围，当可作些许的更动或修饰为其它等效的实施例，但仍应视为与本申请实质相同的技术或实施例。

Claims (9)

1.一种微型发光二极管，其特征在于，包含：
一第一半导体层，其双侧定义有相对的一第一面与一第二面，该第一半导体层设置有一掺杂区域，该掺杂区域位于该第一半导体层中，该掺杂区域露出于该第一面，且该掺杂区域与该第一半导体层之间形成有一pn接面；
一第一电极，位于该第一面上，用以电性连接该第一半导体层；
一第二电极，位于该第一面上，用以电性连接该掺杂区域；以及
一活性层，邻接该第二面；
其中该第一半导体层为一第一掺杂类型，该掺杂区域为一第二掺杂类型，该第一掺杂类型与该第二掺杂类型相异，且该第一半导体层与该pn接面位于该活性层的同侧；
当该第一电极以及该第二电极存在电压差时，在该第一半导体层内形成水平方向的电流，基于穿隧效应，位于该电流下方的该活性层受该电流的激发而发光。
2.根据权利要求1所述的微型发光二极管，其特征在于，更包含：
一第一欧姆接触层，设置于该第一电极与该第一面之间，该第一欧姆接触层分别接触该第一电极与该第一半导体层。
3.根据权利要求2所述的微型发光二极管，其特征在于，该第一欧姆接触层与该第二电极于该第一面上间隔有一第一距离，该第一距离在0.5μm到80μm之间。
4.根据权利要求2所述的微型发光二极管，其特征在于，于该第一面的法线方向上，该第一电极与该第一欧姆接触层的投影面积比例小于或等于1.5且大于等于0.01。
5.根据权利要求2所述的微型发光二极管，其特征在于，该第一电极具有一第一厚度，该第一欧姆接触层具有一第二厚度，该第二电极具有一第三厚度，该第三厚度为该第一厚度和该第二厚度的总和。
6.根据权利要求1所述的微型发光二极管，其特征在于，该第二电极于该第一面上覆盖该掺杂区域。
7.根据权利要求1所述的微型发光二极管，其特征在于，于该第一面的法线方向上，该第二电极与该掺杂区域的投影面积比例为0.5至2。
8.根据权利要求1所述的微型发光二极管，其特征在于，更包含一第二半导体层，该活性层位于该第一半导体层与该第二半导体层之间。
9.根据权利要求8所述的微型发光二极管，其特征在于，该第二半导体层为该第一掺杂类型。
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