CN1172380C - 高亮度发光装置 - Google Patents
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Abstract
一种发光装置包括基底、发光层、电流限制层、电流散布层、定义一暴露区域的介电层、顶欧姆接触金属层、以及位于基底以下的底欧姆欧接触金属层。电流散布层具有粗糙的顶表面；电流限制层包括允许电流流通的传导层、以及位于传导层外侧的绝缘层；绝缘层禁止电流于沿着该顶与底欧姆接触金属层之间的路径流动时，流通经过其本身。基底的底部形成一孔洞以避免基底对于光的吸收。藉由粗糙顶表面、基底的部分移除、电流限制层、及顶和底欧姆接触金属层和传导层的最佳配置，可得到高亮度发光装置。
Description
技术领域
本发明涉及一种发光装置，更具体而言，涉及例如一发光二极管的一高亮度发光装置。
背景技术
具有高外部量子效率(external quantum effciency)的发光二极管是节省能源装置，并且具有于不久的将来完全取代白热灯(incandescent lamp)，例如交通标志以及汽车照明设备的应用的潜力。
发光二极管(light emitting diode，LED)的外部量子效率是内部量子效率(internal quantum efficiency)以及抽出效率(extraction effciency)的乘积。内部量子效率是由材料特性与品质所决定。直接能带间隙(direct bandgap)III-V族半导体发光二极管，其可以形成良好的载流子限制双多层结构(carrierconfinement double heterostructure)，通常具有高内部量子效率，然而，其外部量子效率却是低的，主要是由于吸收以及内部反射。抽出效率是指能够逃离发光二极管到周遭空气或封装环氧树脂的光线，占所产生的光线的比例；通常发光二极管晶片，相较于空气的1.0以及环氧树脂的大约1.5，具有较高的折射率，典型为3.4，因为内部反射(internal reflection)的临界角度是由史奈尔定律(Snell′s law)所决定，导致对于空气的临界角度为17度，以及对于环氧树脂为26度。因此，只有放射角度小于临界角度的部分光线能够逃离发光二极管晶片。对于大部分的半导体发光二极管而言，临界角度都是非常的小，大部分产生在P/N结(P/N junction)处的光线会被完全反射回去，并且最后被发光二极管晶片内部所吸收。
已经有许多尝试用以降低总内部反射以及后续的吸收，藉由外延起飞(epitaxy liftoff)技术将光学薄双多层结构从基底分离开来、将多层结构装置于一高反射比镜之上、以及将薄膜表面纹理化(texturing)，如下列中所述：(1)“超高自发放射量子效率，99.7％内部以及72％外部，从AlGaAs/GaAs/AlGaAs双多层结构(Ultrahigh spontaneous emission quantumefficiency，99.7％internally and 72％externally，from AlGaAs/GaAs/AlGaAsdouble heterostructures)”，I.Schnitzer，E.Yablonovitch，C.Caneau以及T.J.Gmitter等著，Appl.Phys.Lett.62(2)，1993年1月11日，第131-133页；(2)“从表面被纹理化、薄膜发光二极管30％外部量子效率(30％Externalquantum effciency from surface textured，thin-film light emitting diodes)”I.Schnitzer and E.Yablonovitch，C.Caneau，T.J.Gmitter以及A.Scherer等著，Appl.Phys.Lett.63(16)，1993年10月18日，第2174-2176页；以及(3)“藉由外连接侧面波引导模式的具有31％外部量子效率的发光二极管(Lightemitting diodes with 31％external quanturm effciency by outcoupling of lateralwaveguide modes)”，R.Windisch，P.Heremans，A.Knobloch，P.Kiesel，G.H.Dohler，B.Dutta以及G.Borghs等著，Appl.Phys.Lett.74(16)，1999年4月19日，第2256-2258页。虽然抽出效率有提升，但是，由于难以处理这样的薄膜发光二极管结构，外延起飞技术并不适合于低成本大量制造；由于厚度只有数微米，薄膜结构容易于发光二极管晶片制造过程中断裂变成许多小片。
美国专利号码第4,038,580号揭示一GaAsP电发光二极管，具有由一包括有发光接合区域的削薄区域所定义的一发光表面，此区域只占有一部分发光表面。虽然这个发光二极管结构比较坚固，但是，制造这个GaAsP发光二极管并不容易达到高成品率以及可靠性，原因在于：首先，流过发射结(emitting junctions)处的电流密度高，使得发光二极管的可靠性容易被降低；于削薄区域上的区域4与5的大部分被移除，以便避免从发射结处产生的光线于通过区域5时被吸收，因此，发射结的面积受到相当限制，以致于导致高电流密度。其次，用以粗糙化此削薄区域底表面的喷沙工艺(sandblasting process)，会破坏削薄区域，因为其只有大约15至40微米厚。喷沙工艺也会降低发光二极管的可靠性性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种高亮度发光装置，使得薄膜发光二极管的结构简化，从而降低制造成本，并且保证发光二极管的可靠性。
为实现上述目的，本发明揭示一种高亮度发光装置，其包括一基底、位于基底上的一发光层、位于发光层上的一电流限制层、位于电流限制层上的一电流散布层、位于电流散布层上的一介电层，定义电流散布层的一暴露区域、位于暴露区域上的一顶欧姆接触金属层、以及位于基底以下的一底欧姆欧接触金属层。其中，电流散布层具有一粗糙的顶表面；电流限制层包括允许电流流通的一传导层、以及位于传导层外侧的一绝缘层；绝缘层禁止电流于沿着该顶欧姆接触金属层与该底欧姆接触层之间的路径流动时，流通经过其本身。
藉由引导电流遵循从顶欧姆接触金属层到底欧姆接触金属层、且由电流限制层所限制的一路径流通，将发光装置中被遮蔽的光予以最小化。并且，藉由电流散布层的粗糙顶表面，其作为发光装置的发光面，改变光线前进的路径，可以进一步提高光线离开发光装置的几率。
在一具体实施例中，发光装置还包括位于该发光层与该基底之间的一蚀刻终止层、基本上位于该基底中间的一孔洞、以及一下金属层，该孔洞定义一表面，且该下金属层形成于该表面上。藉由部分移除该基底所形成的孔洞降低基底对光的吸收。
在一具体实施例中，发光装置的发光层还包括一下限制层、一上限制层、以及位于该下限制层以及该上限制层之间的一有源层。
藉由导入电流散布层的粗糙顶表面、基底的部分移除、电流限制层、以及顶和底欧姆接触金属层和传导层的最佳化配置，可以得到本发明的一高亮度发光装置。
附图说明
下面结合附图来描述本发明的优选实施例。附图中：
图1A是根据本发明第一具体实施例的发光装置的上视图；
图1B是如图1A所示的发光装置沿着A-A断面线的剖视图；
图2是根据本发明第二具体实施例的发光装置的剖视图；
图3是根据本发明第三具体实施例的发光装置的剖视图；
图4是根据本发明第四具体实施例的发光装置的剖视图。
附图元件符号说明
1，2，3，4发光装置 11基底
12发光层 12a有源层
12b下限制层 12c上限制层
13电流限制层 13a传导层
13b绝缘层 14电流散布层
15，35，45顶欧姆接触金属层16介电层
17焊垫
18，28，38，48底欧姆接触金属层
19，29，38，49下金属层 20，40蚀刻终止层
21，41孔洞
具体实施方式
请参考图1A以及1B，其分别为一发光装置1的上视图以及剖面图。发光装置1，例如一发光二极管，包括一基底11以及位于基底11上的一发光层12，一电流限制层13形成于发光层12上，电流限制层13包括允许电流流过的一传导层13a、以及围绕于传导层13a外侧的一绝缘层13b。
于电流限制层13上还形成一电流散布层14，其由AlGaAs、GaP或者GaAsP所构成。电流散布层14具有一粗糙的顶表面。此电流散布层14的粗糙表面的粗糙化最好是经由蚀刻，例如湿式化学蚀刻或者反应性离子蚀刻，而非喷沙，而实现。
电流限制层13的形成，为沉积一层允许电流流过的掺杂的化合物半导体材料(doped compound semiconductor material)，例如，AlxGa1-xAs，其中1.0≥x≥0.9；然后，在沉积一或多个电流限制层13以上的覆盖层例如电流散布层14之后，氧化该层的外缘部分。此被氧化的外缘部分即变成是绝缘层13b，而未被氧化的内部部分则变成是传导层13a。
发光装置1还包括位于电流散布层14上的一介电层16。介电层16定义电流散布层14的一暴露区域，作为发光装置1的发光区域。电流散布层14的粗糙顶表面使从发光层12而来的光线得以改变传播路径，并且具有更高的几率逃离发光装置1。
在电流散布层14的暴露区域上形成一顶欧姆接触金属层15。顶欧姆接触金属层15基本上位于发光区域的中央，并且限制其大小以避免遮蔽光线。发光装置1还包括一底欧姆接触金属层18在基底11底下。
藉由顶欧姆接触金属层15、电流限制层13、发光层12以及底欧姆接触金属层18的最佳配置，可以达成发光装置1的最大发光量。当施加电位差在顶欧姆接触金属层15与底欧姆接触金属层18之间时，电流流过传导层13a。然而，绝缘层13b会防止电流流过，因此，发光装置1的有效发光区域被限制于传导层13a的区域内。在一优选具体实施例中，传导层13a的大小基本上等于电流散布层14的暴露区域。再者，由于电流并未流过绝缘层13b，绝缘层13b的区域几乎不产生任何光线；反之，如果该区域有产生任何光线，大部分也都会被介电层16所遮蔽。大部分的光线都能够透过发光区域逃离发光装置1，因为有效发光区域13a基本上位于发光区域的正下方，而大部分的电流都能够有效地被用来产生光线。而且，由于传导层13a的面积并不一定需要予以限制，电流密度可以受到控制不至于超过一上限。如此可以得到一高亮度发光装置1。
在一具体实施例中，同样显示在图1A以及1B中，发光装置1还包括位于介电层16上的一焊垫17。焊垫17优选延伸越过电流散布层14之上以连接顶欧姆接触金属层15。焊垫17的面积大小必须受到限制，特别是位于电流散布层14的暴露区域以上的部分，以将遭遮蔽的光线降到最低。在另一具体实施例中，发光装置1还包括一下金属层19位于底欧姆接触金属层18底下。
发光层12可以是一双多层结构(double heterostructure structure)或者是一多重量子井结构(multiple quantum well structure)。在一具体实施例中，发光层12还包括一下限制层12b、一上限制层12c、以及位于下限制层12b与上限制层12c之间的一有源层12a。有源层12a是由AlGaAs或AlGaInP所构成。
请参考图2，其为一发光装置2的剖面图。发光装置2大致上相同于发光装置1，除了发光装置2还包括一蚀刻终止层20位于发光层12与基底11之间、一孔洞(cavity)21基本上位于基底11的中央、以及一下金属层29。蚀刻终止层20由AlGaAs、InGaP或AlGaInP所构成，且保护发光层12在形成孔洞21的蚀刻步骤过程中不受到破坏。此蚀刻步骤应用反应性离子蚀刻或者湿式化学蚀刻。孔洞21定义一表面，且下金属层29形成于此表面上以及一底欧姆接触金属层28底下。此底欧姆接触金属层28位于基底11底下。孔洞21包括任何部分移除基底11所形成的型态，例如凹陷，由部分移除基底11所形成，将基底对于光的吸收降到最低。而且，光线会藉由下金属层29而被完全往上反射至发光区域。
请参考图3，其为一发光装置3的剖面图。发光装置3大致上相同于发光装置1，不同处在于发光装置3不包括介电层，且一顶欧姆接触金属层35直接位于电流散布层14的一侧上。顶欧姆接触金属层35也可以作为焊垫。发光装置3包括一底欧姆接触金属层38于基底11底下。
当施加电位差于顶欧姆接触金属层35与底欧姆接触金属层38之间时，电流沿着顶欧姆接触金属层35与底欧姆接触金属层38之间的路径流过传导层13a。发光装置3具有与发光装置1相同的优点，例如，大部分于传导层13a的一局限面积内所产生的光线，都能够透过发光区域逃离发光装置3。发光装置3具有更进一步的一优点，也就是发光区域并未被遮蔽，因为顶欧姆接触金属层35被移到电流散布层14的一侧边。
在一具体实施例中，同样显示于图3中，发光装置3还包括一下金属层39于底欧姆接触金属层38底下。
请参考图4，其为一发光装置4的剖面图。发光装置4大致上相同于发光装置3，除了发光装置4还包括一蚀刻终止层40在发光层12与基底11之间、一孔洞41基本上位于基底11的中央、以及一下金属层49。蚀刻终止层40由AlGaAs，InGaP或AlGaInP所构成。一底欧姆接触金属层48位于基底11相对于顶欧姆接触金属层45的一侧。孔洞41定义一表面，下金属层49形成于此表面上以及底欧姆接触金属层48底下。
实施例1
提供一650nm AlGaAs发光二极管。首先，形成一n型蚀刻终止层于外延晶片的一n型GaAs基底上，蚀刻终止层可以是任何具有与GaAs材料几乎相同的晶格常数的III-V族化合物半导体材料，而且同时具有比GaAs材料还更要低的蚀刻率。蚀刻终止层最好具有比有源层还要大的能带间隙以避免吸收光线，如果蚀刻终止层的能带间隙比有源层还要小，蚀刻终止层必须于晶片制造过程中被移除，或者其厚度必须被减少以降低光线吸收。N型InGaP或者具有高铝含量的AlGaAs材料会是好的蚀刻终止层材料。之后，依序形成一n型AlxGa1-xAs下限制层、一AlyGa1-yAs有源层、以及一p型AlxGa1-xAs上限制层于蚀刻终止层上；为了要发出650nm波长的光线，有源层中的y值大约是35％，再者，于下限制层以及上限制层中的x值必须比有源层的y值还要大；为了要有优选的载流子限制(carrier confinement)，在下限制层以及上限制层中的x值必须大于60％。接着成长一p型AlzGa1-zAs层于上限制层上，其中z介于0.9与1.0之间。最后，成长一p型高能带间隙电流散布层于AlzGa1-zAs层上。这个电流散布层可以是任何具有比有源层的能带间隙还要高、且电阻值还要低的III-V族化合物半导体材料，例如，低电阻p型GaP与AlmGa1-mAs、其中m大于50％，是好的候选者。
在经过结晶成长之后，接着，根据下列步骤，将外延晶片加工成为多个发光二极管晶片：
(1)藉由等离子化学气相沉积法(plasma enhanced chemical vapordeposition，PECVD)沉积一二氧化硅(SiO2)或者氮化硅(Si3N4)介电层于外延晶片的顶表面上。
(2)藉由使用光致抗蚀剂作为掩模，化学蚀刻移除部分介电层以定义电流散布层的一暴露区域。
(3)藉由化学蚀刻粗糙化电流散布层的暴露区域的顶表面。
(4)沉积以及退火(annealing)一小的顶欧姆接触金属层于电流散布层的暴露区域上。
(5)沉积一p型焊垫金属层于介电层上并且连接顶欧姆接触金属层。
(6)蚀刻或者是锯每个晶片的边缘直通到p型AlzGa1-zAs层。
(7)将外延晶片装载入内流有水蒸汽的炉管中，以氧化部分p型AlzGa1-zAs层，此被氧化的部分变成一绝缘层，而内部未被氧化的其它部分则成为一传导层。
(8)薄化GaAs基底的背表面至大约100-150微米。
(9)沉积以及退火一底欧姆接触金属层于基底底下。
(10)藉由使用光致抗蚀剂作为掩模的反应性离子蚀刻，移除GaAs基底的中央部分，以形成一孔洞(cavity)。
(11)沉积具有高反射性的一下金属层于晶片的整个背侧表面上。
(12)最后，将晶片分割成为数个个别的晶片。
实施例2
提供一560-650nm AlGaInP发光二极管。首先，形成一n型蚀刻终止层于外延晶片的一n型GaAs基底上，蚀刻终止层可以是任何具有与GaAs材料几乎相同的晶格常数的III-V族化合物半导体材料，而且同时具有比GaAs材料还更要低的蚀刻率。蚀刻终止层最好具有比有源层还要大的能带间隙以避免吸收光线，如果蚀刻终止层的能带间隙比有源层还要小，蚀刻终止层必须于晶片制造过程中被移除，或者其厚度必须被减少以降低光线吸收。N型(AlGa)InP或者具有高铝含量的AlGaAs材料会是好的蚀刻终止层材料。之后，依序形成一n型(AlxGa1-x)InP下限制层、一(AlyGa1-y)InP有源层、以及一p型(AlxGa1-x)InP上限制层于蚀刻终止层上；为了要发出650nm波长的光线，有源层中的y值大约是0％，有源层可以是厚度大约0.1-2微米的一单层，或者是一多重量子井(multiple quantum well，MQW)结构。再者，于下限制层以及上限制层中的x值必须比有源层的y值还要大；为了要有优选的载流子限制，于下限制层以及上限制层中的x值必须大于50％。接着成长一p型AlGa1-zAs层于上限制层上，其中z介于0.9与1.0之间。最后，成长一p型高能带间隙电流散布层于AlzGa1-zAs层上。这个电流散布层可以是任何具有比有源层的能带间隙还要高、且电阻值还要低的III-V族化合物半导体材料，例如，低电阻p型GaP、GaAsP、InGaP、AlGaInP与AlmGa1-mAs、其中m大于60％，是好的候选者。
在经过结晶成长之后，接着，根据下列步骤，将外延晶片加工成为多数个发光二极管晶片：
(1)藉由使用光致抗蚀剂作为一掩模，化学蚀刻粗糙化电流散布层的顶表面，以定义电流散布层的一暴露区域。
(2)沉积以及退火一顶欧姆接触金属层，例如铍化金(AuBe)，于电流散布层的一侧上。
(3)薄化GaAs基底的背表面至大约100-150微米。
(4)蚀刻或者是锯每个晶片的边缘直通到外延晶片的p型AlzGa1-zAs层。
(5)于氧气环境中氧化部分p型AlzGa1-zAs层，此被氧化的部分变成一绝缘层，而其它未被氧化的部分则成为一传导层。
(6)沉积以及退火一底欧姆接触金属层，例如镍化金锗(AuGeNi)，于基底底下。
(7)藉由使用光致抗蚀剂作为掩模的反应性离子蚀刻，移除GaAs基底的中央部分，以形成一孔洞。
(8)沉积对于波长范围介于560-650nm之间的光线具有高反射性的一下金属层于晶片的整个背侧表面上，下金属层的厚度可以非常厚，例如10微米，以帮助热发散。
(9)最后，将晶片分割成为多个单独的晶片。
根据本发明优选具体实施例的发光二极管的发光强度，比现有的发光二极管的还要高。
本领域的技术人员应当能容易地了解本发明其它的优点以及修改，因此，本发明以其较宽广的方面而言，并不受限于本文中所示或说明的特定细节以及代表性的具体实施例。因此，任何不脱离本发明后附权利要求范围以及其等效物所界定的精神、或者一般发明概念的范围下所为的各种修改，均属本发明的保护范围。
Claims (11)
1.一种发光装置，包括：
(1)一基底；
(2)位于该基底上的一发光层；
(3)位于该发光层上的一电流限制层，该电流限制层包括允许电流流通的一传导层，以及位于该传导层外侧的一绝缘层；
(4)位于该电流限制层上的一电流散布层，该电流散布层具有一粗糙的顶表面；
(5)位于该电流散布层上的一介电层，定义该电流散布层的一暴露区域；
(6)位于该电流散布层的暴露区域上的一顶欧姆接触金属层；以及
(7)位于该基底以下的一底欧姆接触金属层；
其中，该绝缘层禁止电流在沿着该顶欧姆接触金属层与该底欧姆接触金属层之间的路径流动时流通经过其本身。
2.如权利要求1所述的发光装置，还包括位于该介电层上的一焊垫。
3.如权利要求2所述的发光装置，其中该焊垫延伸至该电流散布层之上以连接该顶欧姆接触金属层。
4.如权利要求1所述的发光装置，其中该传导层的大小等于该电流散布层的暴露区域。
5.如权利要求1所述的发光装置，还包括位于该底欧姆接触金属层以下的一下金属层。
6.如权利要求1所述的发光装置，还包括位于该发光层与该基底之间的一蚀刻终止层、基本上位于该基底中央的一孔洞、以及一下金属层；其中该孔洞定义一表面，且该下金属层形成于该表面上以及该底欧姆接触金属层以下。
7.如权利要求1所述的发光装置，其中该发光层还包括一下限制层、一上限制层、以及位于该下限制层以及该上限制层之间的一有源层。
8.一种发光装置，包括：
(1)一基底；
(2)位于该基底上的一发光层；
(3)位于该发光层上的一电流限制层，该电流限制层包括允许电流流通的一传导层，以及位于该传导层外侧的一绝缘层；
(4)位于该电流限制层上的一电流散布层，该电流散布层具有一粗糙的顶表面；
(5)位于该电流散布层的一侧的一顶欧姆接触金属层；以及
(6)位于该基底以下的一底欧姆接触金属层；
其中，该绝缘层禁止电流在沿着该顶欧姆接触金属层与该底欧姆接触金属层之间的路径流动时流通经过其本身。
9.如权利要求8所述的发光装置，还包括位于该底欧姆接触金属层以下的一下金属层。
10.如权利要求8所述的发光装置，还包括位于该发光层与该基底之间的一蚀刻终止层、位于该基底中央的一孔洞、以及一下金属层；其中，该底欧姆接触金属层位于基底相对于该顶欧姆接触金属层的一侧，该孔洞定义一表面，且该下金属层形成于该表面上以及该底欧姆接触金属层以下。
11.如权利要求8所述的发光装置，其中该发光层还包括一下限制层、一上限制层、以及位于该下限制层以及该上限制层之间的一有源层。
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