CN1218410C - 具螺旋布置金属电极的氮化物发光二极管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种具螺旋布置金属电极的氮化物发光二极管(LightEmittingDiode；LED)及其制造方法，是利用蚀刻或研磨方法，以在发光二极管的外延结构表面形成螺旋形的凹槽。因此，在后续形成具有两种不同导电类型的金属电极间，亦形成螺旋平行结构的分布。利用本发明具螺旋布置金属电极的氮化物发光二极管，可使注入电流平均分布于两种导电类型的电极间，具有增进电流分散(CurrentSpreading)与均匀发光区的优点。另外，产生的光子若以大角度放射到发光二极管的表面，将可经由蚀刻螺旋形图案后所暴露出的凹槽侧边逸出，可增进光子的逸出效率(ExtractionEfficiency)。
Description
技术领域
本发明涉及一种氮化物发光二极管(Light Emitting Diode；LED)的结构及其制造方法，特别是涉及具螺旋布置金属电极的氮化物发光二极管结构及其制造方法。
背景技术
目前，发光二极管因其具有低生产成本、低生产困难度、轻便、安装容易以及发展性佳等特点，所以被广泛应用在日常生活中，例如电子看板、指示灯和感应器等方面。虽然如此，有效地进一步提升发光二极管的发光效率，仍是大家期盼的持续目标。
图1a所绘示为现有氮化物发光二极管的结构俯视图，而图1b所绘示为图1a的现有氮化物发光二极管沿A-A’剖面线的结构剖面图。请参照图1b，其中现有氮化物发光二极管10的结构与制造方法为：在基板12上依序形成缓冲层14、第一导电类型半导体层16、第一导电类型夹层18、有源层20(或称活化层)、第二导电类型夹层22、与第二导电类型接触层24的外延结构。接着，将上述的外延结构蚀刻或研磨至暴露出部分第一导电类型半导体层16。接着，再分别沉积第二导电类型透明电极26、第二导电类型金属电极垫30、与第一导电类型金属电极垫28，如图1a所示。
现有发光二极管10的结构是利用第二导电类型透明电极26，以提高电流分散(Current Spreading)的效果。但是实际上，大部分的电流32还是集中在第二导电类型透明电极26与第一导电类型金属电极垫28间的最短距离，如图1b所示。因此，现有发光二极管10的发光区域多集中在第二导电类型透明电极26靠近第一导电类型金属电极垫28的地方，造成发光效率不佳。并且，由于电流的过分集中，使得局部区域温度过高，而容易导致现有发光二极管10的寿命缩短。虽然现有技术可进一步提高第二导电类型透明电极的厚度，以改善电流分散的效果，但第二导电类型透明电极26的透光率却因此而减少。
另外，由于现有发光二极管10的发光层所产生的光子若以大角度射到二极管表面，将容易产生全反射的损失，只有接近发光二极管侧面的大角度较容易射出光子，因而降低光子的逸出效率(ExtractionEfficiency)。
发明内容
鉴于上述的现有发光二极管结构具有诸多的缺点，本发明的目的在于提供一种具螺旋布置金属电极的氮化物发光二极管及其制造方法，可直接且有效地改善现有发光二极管结构所产生的缺点。
本发明的另一目的在于提供一种具螺旋布置金属电极的氮化物发光二极管及其制造方法，其可使注入电流平均分布于两种导电类型的电极间，以增进电流分散(Current Spreading)与均匀发光区。
本发明的另一目的在于提供一种具螺旋布置金属电极的氮化物发光二极管及其制造方法，其可增进光子的逸出效率(ExtractionEfficiency)。
本发明具螺旋布置金属电极的氮化物发光二极管，包括：一基板；位于基板上的一外延结构，此外延结构包括位于基板上的一第一次堆叠结构、以及以一螺旋状分布于第一次堆叠结构上的一第二次堆叠结构，此第二次堆叠结构中具有一凹槽，且由凹槽而暴露出第二次堆叠结构的侧面与第一次堆叠结构的一部分表面；位于凹槽中的一第一导电类型金属电极，此第一导电类型金属沿着第二次堆叠结构，以螺旋状分布于第一次堆叠结构的部分表面，并与一第一导电类型金属电极垫连接；位于第二次堆叠结构上的一第二导电类型欧姆电极，此第二导电类型是与第一导电类型相异，其中第二导电类型欧姆电极包括位于第二次堆叠结构上的一第二导电类型透明电极、与位于第二导电类型透明电极上的一第二导电类型金属电极，且第二导电类型金属电极并与一第二导电类型金属电极垫连接。
本发明还提供了一种具螺旋布置金属电极的氮化物发光二极管的制造方法，至少包括：提供一基板；形成一外延结构位于该基板上，其中该外延结构具有一第一导电类型半导体层；形成一凹槽于该外延结构中，以去除部分的外延结构，形成具一螺旋状的一次外延结构，且该凹槽暴露出该次外延结构的一侧面与第一导电类型半导体层的一部分表面；形成一第一导电类型金属电极于该凹槽中，且使该第一导电类型金属电极沿着该次外延结构而以螺旋状分布于第一导电类型半导体层的该部分表面上；形成一第一导电类型金属电极垫于该第一导电类型半导体层的部分表面上，其中该第一导电类型金属电极垫并与第一导电类型金属电极连接；形成一第二导电类型透明电极于次外延结构上，并形成该螺旋状分布；形成一第二导电类型金属电极于该第二导电类型透明电极上，并形成该螺旋状分布；以及形成一第二导电类型金属电极垫于该第二导电类型透明电极上，其中该第二导电类型金属电极垫与该第二导电类型金属电极连接。
利用本发明具螺旋布置金属电极的氮化物发光二极管，通过螺旋形的电极分布，将可以增进电流分散效果。并且，产生的光子若以大角度放射到发光二极管的表面，将可经由蚀刻或研磨螺旋形图案后所暴露出的凹槽侧边逸出，故可增进光子的逸出效率。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明：
图1a所绘示为现有氮化物发光二极管的结构俯视图；
图1b所绘示为图1a的现有氮化物发光二极管沿A-A’剖面线的结构剖面图；
图2a所绘示为本发明具螺旋布置金属电极的氮化物发光二极管的结构俯视图；
图2b所绘示为图2a的本发明氮化物发光二极管沿B-B’剖面线的结构剖面图；以及
图3所绘示为本发明氮化物发光二极管另一实施例的结构俯视图。
图中符号说明：
10 发光二极管 12 基板
14 缓冲层 16 第一导电类型半导体层
18 第一导电类型夹层 20 有源层
22 第二导电类型夹层 24 第二导电类型接触层
26 第二导电类型透明电极 28 第一导电类型金属电极垫
30 第二导电类型金属电极 32 电流
50 发光二极管 52 基板
54 缓冲层 56 第一导电类型半导体层
58 第一导电类型夹层 60 有源层
62 第二导电类型夹层 64 第二导电类型接触层
66 第二导电类型透明电极 68 第一导电类型金属电极
70 第二导电类型金属电极 72 凹槽
74 第一导电类型金属电极垫 76 第二导电类型金属电极垫
80 光线 82 光线
A-A’ 剖面线 B-B’ 剖面线
具体实施方式
本发明以一较佳实施例说明如下，并在说明具螺旋布置金属电极的氮化物发光二极管的制造方法时，同时对其结构进行说明。
图2a所绘示为本发明具螺旋布置金属电极的氮化物发光二极管的结构俯视图，而图2b所绘示为图2a的本发明氮化物发光二极管沿B-B’剖面线的结构剖面图。请同时参照图2a与图2b，首先提供一基板52，再利用例如金属有机物化学气相淀积(Metal Organic Chemical VaporDeposition；MOCVD)或分子束外延(Molecular-Beam Epitaxy；MBE)等方法，在基板52上形成外延结构。在本发明此较佳实施例中，此外延结构依序可为缓冲层54、第一导电类型半导体层56、第一导电类型夹层58、有源层60、第二导电类型夹层62、与第二导电类型接触层64。其中，第二导电类型与第一导电类型相异。由于外延结构的形成步骤为本领域技术人员所知技术，本发明不在此赘述。
待外延结构完成后，接着再进行一去除步骤，蚀刻或研磨部分的外延结构，使外延结构中形成凹槽72，并在凹槽72中暴露出第一导电类型半导体层56的部分表面。因此，保留下来的外延结构，本发明称为次外延结构，可形成如图2a所绘示的螺旋形状。其中，上述的去除步骤可利用例如干式蚀刻、湿式蚀刻或机械切割研磨等方法，本发明不限于此。另外，由于产品、制造方法、或蚀刻方式的不同，因此上述次外延结构的暴露侧面部分可为平面、抛物面或任意曲面，亦即由图2b的结构剖面看来，凹槽72的斜面可以是线性、抛物线、或任意曲线，本发明不限于此。并且，上述干式蚀刻、湿式蚀刻与机械切割研磨等方式的操作原理已为本领域技术人员所知，本发明不在此赘述。
接着，形成第一导电类型金属电极68与第一导电类型金属电极垫74于凹槽72中，亦即位于未被次外延结构所覆盖的第一导电类型半导体层56的暴露表面上。其中，第一导电类型金属电极68沿着次外延结构，而形成同样的螺旋形状，并与第一导电类型金属电极垫74连接。接着，在次外延结构上形成第二导电类型欧姆电极，此第二导电类型欧姆电极可包括透明电极与不透明电极两部分，其中透明电极即为第二导电类型透明电极66，而不透明电极即为位于第二导电类型透明电极66上的第二导电类型金属电极70与第二导电类型金属电极垫76。由于，第二导电类型透明电极66与第二导电类型金属电极70形成于次外延结构上，因此也与次外延结构具有同样的螺旋形状。如此，即完成本发明的发光二极管50，本发明此较佳实施例的氮化物发光二极管中，其电极的螺旋布置形状如图2a所示。
上述第一导电类型金属电极68、第一导电类型金属电极垫74、第二导电类型透明电极66、第二导电类型金属电极70与第二导电类型金属电极垫76的形成可利用热蒸发(Thermal Evaporation)、电子束(E-beam)蒸镀、或离子溅镀(Sputtering)等方法，本发明不限于此。并且，上述热蒸发法、电子束蒸镀法与离子溅镀法的操作原理已为本领域技术人员所知，本发明不在此赘述。另外，上述第一导电类型金属电极垫74与第二导电类型金属电极垫76可分别与第一导电类型金属电极68及第二导电类型金属电极70的任意位置连接，本发明不限于此。并且，上述第一导电类型金属电极垫74与第二导电类型金属电极垫76的形状可为例如方形、圆形、星形、或其它任意形状，本发明亦不限于此。
除了上述较佳实施例外，本发明具螺旋布置金属电极的氮化物发光二极管50中，以蚀刻或研磨方式蚀刻出螺旋状的凹槽72，并形成具螺旋状的次外延结构，其中上述的螺旋状可以是顺向或逆向、或方型或圆弧螺旋，本发明并不限于此。因此，本发明氮化物发光二极管50的螺旋金属电极亦因为不同螺旋形状而有不同的布置，例如图2a所绘示为顺向螺旋结构，而图3所绘示为另一具有逆向螺旋结构的较佳实施例。
另外，上述的外延结构仅为本发明具螺旋布置金属电极的发光二极管的举例，并非用以限定本发明的范围，其它因产品或制造方法而改变的外延结构，例如没有第二导电类型接触层64的外延结构，亦可应用于本发明具螺旋布置金属电极的氮化物发光二极管中。
而在本发明一较佳实施例中，发光二极管的材质如下：基板52为蓝宝石(Sapphire)基板；第一导电类型半导体层56是由氮化铝镓铟((AlxGa1-x)yIn1-yN；0≤x≤1；0≤y≤1)所构成；缓冲层54的材质的由氮化铝(AlN)或氮化镓(GaN)所构成；第一导电类型夹层58是由氮化铝镓铟((AlxGa1-x)yIn1-yN；0≤x≤1；0≤y≤1)所构成；有源层60的材质可由含氮化铝镓铟((AlxGa1-x)yIn1-yN；0≤x≤1；0≤y≤1)材料双异质或量子阱结构所构成；第二导电类型夹层62是由氮化铝镓铟((AlxGa1-x)yIn1-yN；0≤x≤1；0≤y≤1)所构成；第二导电类型接触层64是由氮化铝镓铟((AlxGa1-x)yIn1-yN；0≤x≤1；0≤y≤1)所构成。
并且，当本发明具螺旋布置金属电极的氮化物发光二极管50中，上述的第一导电类型为负型，而第二导电类型为与第一导电类型相异的正型时，则上述金属电极的材料如下：第一导电类型金属电极68的材质可由钛(Ti)、铝(Al)、或金(Au)的单层或多层金属结构、或其合金所构成；第一导电类型金属电极垫74可由钛、铝、或金的单层或多层金属结构、或其合金所构成；第二导电类型透明电极66可由含镍(Ni)、金的单层或多层金属、或其合金、或其它导电金属氧化物所构成；第二导电类型金属电极70可由含镍、金的单层或多层金属、或其合金、或其它具高导电性且与第二导电类型透明电极66具有高黏性的金属材料所构成；第二导电类型金属电极垫76可由含镍、金的单层或多层金属、或其合金所构成。
值得注意的是，上述本发明具螺旋布置金属电极的发光二极管50的材质仅为举例，并非用以限定本发明的范围，其它可应用在氮化物发光二极管的材质亦可使用于本发明具螺旋布置金属电极结构中。
在本发明具螺旋布置金属电极的氮化物发光二极管50中，第二导电类型透明电极66、第二导电类型金属电极70与第一导电类型金属电极68的分布为螺旋平行结构，因此注入电流将可平均分布在两种导电类型的电极间，具有增进电流分散与使发光区均匀发光的优点。另外，由于蚀刻或研磨以在发光二极管50的外延结构表面形成螺旋形的凹槽72，如此可使由发光区所产生的大角度射出光子，大多可通过凹槽72而射出发光二极管表面，如图2b的光线80与光线82所示。因此，而具有增进光子逸出效率的优点。
如本领域技术人员所了解的，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用以限定本发明的专利范围；凡其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在本发明的保护内。
Claims (8)
1.一种具螺旋布置金属电极的氮化物发光二极管，至少包括：
一基板；
一外延结构位于该基板上，其中该外延结构至少包括：
位于该基板上的一第一次堆叠结构，其中该第一次堆叠结构至少包括：
含有暴露出该部分表面的一第一导电类型半导体层，且该第一导电类型半导体层由氮化铝镓铟，(AlxGa1-x)yIn1-yN；0≤x≤1；0≤y≤1，构成；
一缓冲层位于该第一导电类型半导体层与该基板间，且该缓冲层的材料可选自由氮化铝AlN与氮化镓GaN组成的组中的一种；以及
以一螺旋状分布于该第一次堆叠结构上的一第二次堆叠结构，其中该第二次堆叠结构中具有一凹槽，且该凹槽暴露出该第二次堆叠结构的一侧面与该第一次堆叠结构的一部分表面，该第二次堆叠结构至少包括：
一第一导电类型夹层位于该第一次堆叠结构上，其中该第一导电类型夹层由氮化铝镓铟，(AlxGa1-x)yIn1-yN；0≤x≤1；0≤y≤1，构成；
一有源层位于该第一导电类型夹层上，其中该有源层的材料可选自由含氮化铝镓铟材料双异质与量子阱结构所组成的组中的一种；
一第二导电类型夹层位于该有源层上，其中该第二导电类型夹层由氮化铝镓铟，(AlxGa1-x)yIn1-yN；0≤x≤1；0≤y≤1，构成；以及
一第二导电类型接触层位于该第二导电类型夹层上，且该第二导电类型接触层是由氮化铝镓铟，(AlxGa1-x)yIn1-yN；0≤x≤1；0≤y≤1，构成；
一第一导电类型金属电极位于该凹槽中，并沿该第二次堆叠结构以螺旋状分布于第一次堆叠结构的部分表面上，其中该第一导电类型金属电极并与一第一导电类型金属电极垫连接；以及
一第二导电类型欧姆电极位于该第二次堆叠结构上，其中该第二导电类型与第一导电类型相异，且该第二导电类型欧姆电极至少包括：
一第二导电类型透明电极位于该第二次堆叠结构上；以及
一第二导电类型金属电极位于该第二导电类型透明电极上，且该第二导电类型金属电极与一第二导电类型金属电极垫连接。
2.根据权利要求1所述的具螺旋布置金属电极的氮化物发光二极管，其特征在于：上述的第一导电类型金属电极垫与该第二导电类型金属电极垫的形状可选自于由方形、圆形、星形、与任意形状所组成的组中的一种。
3.根据权利要求1所述的具螺旋布置金属电极的氮化物发光二极管，其特征在于：若该第一导电类型为负型，第二导电类型为正型，则该第一导电类型金属电极的材质可选自于由钛、铝、与金的单层与多层金属结构、及其合金所组成的一族群，该第一导电类型金属电极垫的材质可选自由钛、铝、与金的单层与多层金属结构、及其合金所组成的组中的一种，第二导电类型透明电极的材质可选自由含镍、金的单层与多层金属、及其合金、与其它导电金属氧化物所组成的组中的一种，该第二导电类型金属电极的材质可选自含镍、金的单层与多层金属、及其合金、与其它具高导电性且与该第二导电类型透明电极具有高黏性的金属材料所组成的组中的一种，且该第二导电类型金属电极垫的材质可选自含镍、金的单层与多层金属、及其合金所组成的组中的一种。
4.根据权利要求1所述的具螺旋布置金属电极的氮化物发光二极管，其特征在于：上述的螺旋状可选自于由方形、圆形、与其它形状的顺向螺旋与逆向螺旋所组成的组中的一种。
5.一种具螺旋布置金属电极的氮化物发光二极管的制造方法，至少包括：
提供一基板；
形成一外延结构位于该基板上，其中该外延结构具有一第一导电类型半导体层，且该第一导电类型半导体层的材料可选自由氮化铝、氮化镓及氮化铝镓铟所组成的组中的一种；
形成一凹槽于该外延结构中，以去除部分的外延结构，形成具一螺旋状的一次外延结构，且该凹槽暴露出该次外延结构的一侧面与第一导电类型半导体层的一部分表面；
形成一第一导电类型金属电极于该凹槽中，且使该第一导电类型金属电极沿着该次外延结构而以螺旋状分布于第一导电类型半导体层的该部分表面上；
形成一第一导电类型金属电极垫于该第一导电类型半导体层的部分表面上，其中该第一导电类型金属电极垫并与第一导电类型金属电极连接；
形成一第二导电类型透明电极于次外延结构上，并形成该螺旋状分布；
形成一第二导电类型金属电极于该第二导电类型透明电极上，并形成该螺旋状分布；以及
形成一第二导电类型金属电极垫于该第二导电类型透明电极上，其中该第二导电类型金属电极垫与该第二导电类型金属电极连接。
6.根据权利要求5所述的具螺旋布置金属电极的氮化物发光二极管的制造方法，其特征在于：上述的外延结构的形成步骤是利用金属有机物化学气相淀积方法或分子束外延法。
7.根据权利要求5所述的具螺旋布置金属电极的氮化物发光二极管的制造方法，其特征在于：上述的凹槽的形成步骤是利用选自于由干式蚀刻法、湿式蚀刻法、与机械切割法所组成的组中的一种。
8.根据权利要求5所述的具螺旋布置金属电极的氮化物发光二极管的制造方法，其特征在于：上述的第一导电类型金属电极、第一导电类型金属电极垫、第二导电类型透明电极、第二导电类型金属电极、与第二导电类型金属电极垫的形成步骤是利用选自于由热蒸发、电子束蒸镀、与离子溅镀所组成的组中的一种。
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