TW200402898A - Structure of P-electrode at the light-emerging side of light-emitting diode - Google Patents

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TW200402898A TW092115548A TW92115548A TW200402898A TW 200402898 A TW200402898 A TW 200402898A TW 092115548 A TW092115548 A TW 092115548A TW 92115548 A TW92115548 A TW 92115548A TW 200402898 A TW200402898 A TW 200402898A
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Koji Katayama
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Description

200402898 玫、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於發光二極體之發光側上之P-電極構造，特 定言之，係關於使用一寬帶隙半導體（如ZnSe或GaN)改良以 使其不會阻擋在一發光二極體内光之通過的P-電極構造。 【先前技術】 一發光二極體（以下簡稱LED)在其兩個主表面（上及下表 面）之一上具有一 η-電極，而在另一表面上則有一 p -電極。 在表面發光型LED的情況下，將兩個表面之一作為發光表 面。這要求通常用金屬製造的該電極不能阻擋光之通過。 如基於AlGaAs的LED具有下述之構造：其中具有足夠導 電性的P-型GaAs接觸層係位於pn接面上，一小面積點狀或 環狀P-電極係位於該接觸層上。在此說明書中，由於該狹 長的p-電極用於導線焊接，因此其也叫做焊接電極。 因為該P-型GaAs接觸層電阻低，因此其具有擴散自該小 面積P-電極注入的電流之能力，使在該接觸層下面的電流 密度幾乎一致。換言之，該P-型GaAs接觸層可起到所需的 電流擴散層之作用。因此，當該狹長的焊接電極形成在P-型接觸層上時，該簡單的構造能充分擴散該電流。
然而，當一 LED使用使其難以獲得低電阻p-型半導體的一 材料製造時，該半導體本身不能充分擴散該電流。使用一 基於GaN或ZnSe的寬帶隙半導體為材料，難以製造p-型半導 體，特別是低電阻P-型半導體。這就是為什麼LED使用該等 半導體難以獲得低電阻P-型接觸層的原因。因此，該LED 85916 -6- 200402898 無法具有電流擴散層。 备一 LED沒有電流擴散層時，用於導線焊接的該焊接電 極自身不能有效地在p-型接觸層中擴散該電流。因此，該 電流局部集中在該電極下面之部分。所以，發光區段之有 效面積會減少，從而顯著地降低發光效率。此外，該電流 之集中縮短了該LED之使用壽命。為防止電流集中直接發 生在焊接電極下面或其附近之部分，沒有電流擴散層的 LED通常具有下面的構造··在其發光區域的整個表面上形 成有一極薄的半透明金屬電極，例如一用Au製造的電極。 在該構造中，該焊接電極係位於發光區域之一部分上。Au 能提供與P_型接觸層的歐姆接觸。 在此說明書中，將該薄金屬電極稱為「半透明薄膜金屬電 極」，以與焊接電極相區別。換言之，該严電極具有包括焊 接電極及半透明薄膜金屬電極的雙重構造。雖然該焊接電 極不傳導光’但該半透明薄膜金屬電極能在某種程度上傳 導光。因此，在該pn接面上產生的光能通過該半透明薄膜 金屬電極傳導到外面。 然而’儘管覆蓋整個ρ-接觸層之該半透明薄膜金屬電極 能傳導光，但其穿透率很低。因此，在基於GaN4ZnSd々 LED中’該半透明薄膜金屬電極吸收或反射由作用層發出 的向上的部分光。軸向光強度之減少量等於吸收及反射之 損失。 在半透明薄膜金屬電極上的吸收及反射減少了發自該 LED的光到達外面的量，因此也減少了亮度。為增加該光 85916 200402898 強度（亮度），有必要減少在半透明薄膜金屬電極上的吸收 及反射。換言之，有必要增加該金屬電極的穿透率。為達 此目的，可減少該金屬電極之厚度。然而，如果該金屬電 極過薄，其橫向電阻就會增加，因而降低該金屬電極的電 流擴散效應。例如，當使用Au作為金屬電極時，如果將該 厚度降低到5 nm，由於電阻增加，就不能有足夠的電流進 入該Au電極。Au電極之所需厚度至少1 0 nm，最好為大約 20 nm。儘管較薄，具有大約20 nm厚度的Au電極之穿透率 仍可低到40%至60%左右。換言之，該Au電極之存在減少了 大約一半的光。 已經公佈的日本專利申請案Tokukai 2001-148511，名稱為 「半導體發光二極體」已經揭示一LED之網狀電極構造，其 中（a)—網狀金屬電極係形成於該η-型接觸層之上，（b)—由 氧化銦錫（以下簡稱為ITO)製造的、透明並導電的氧化物電 極係形成於該網狀金屬電極之上，及（c)一焊接電極係形成 於該氧化物電極層（該焊接電極在日本專利申請案Tokukai 2001-148511中稱做烊塾電極（pad electrode))之中心。換言 之，該η-側電極構造包括該焊接電極、該ITO層、該網狀金 屬電極及該η-型接觸層。 ΙΤ0能提供與η-型接觸層的歐姆接觸。一注入電流能充分 擴散穿過該厚ΙΤΟ層並繼續以均勻分佈狀態進入該η-型接 觸層。由於該ΙΤ0層具有足夠的厚度，因此其具有擴散該電 流的能力。因此，不需要該半導體層（η-型接觸層）來擴散該 電流。 85916 -8 - 200402898 儘管ITO導電，但其導電性不如Au。因此，該透明電極 厚度可達600 nm至1 μιη。由於該ITO導電性較差，故為在整 個晶片上獲得均勻電流分佈，必須將該焊接電極置於該ΙΤΟ 層之中心。如果將該焊接電極置於接近ΙΤΟ層之周邊的一部 分，在與其相對處的電流流動將會不夠大。 不使用網狀金屬電極並具有該ΙΤΟ透明電極的GaN-LED 具有這樣一個問題：ITO電極與η-型接觸層之（n-GaN)之間 之接面位障竟如此之大，使得正向壓降可高達7伏特。因此， 不能實施低電壓驅動。 在前面提及的日本專利申請案Tokukai 2001-148511揭示 的構造中，該網狀金屬電極（Au/Ge)係位於該η-型接觸層之 周邊部分上，留下其中心部分用於放置該焊接電極。對於 上述沒有網狀金屬電極的GaN-LED，由於電流直接從ΙΤΟ層 流到該n-GaN接觸層，該壓降可高達7伏特。在另一方面， 在上述於日本專利申請案Tokukai 2001-14851 1所揭示的構 造中，該電流首先從ITO層流向網狀金屬電極，沒有產生壓 降，隨後從該金屬網狀電極流向該半導體層（n-GaN接觸 層），產生了至多約3伏特的壓降。 如上所述，在日本專利申請案Tokukai 2001-148511所揭 示的構造中，該電流按焊接電極、ITO層、網狀金屬電極及 η-型接觸層之順序流動。η-電極位於光自其發出的一側。與 此相反，在本發明中的構造中，ρ-電極位於光自其發出的 一側。η-型接觸層能充分吸收摻雜劑，從而增加載子密度。 該高載子密度能足夠地減少電阻，有利於電流擴散。然而， 85916 -9- 200402898 該方法不能用於Ρ·型接觸層，例如根據本發明的p_型接觸 廣。 因此，研究人員及工程師需要開發—表面發光型咖， 以使光能穿過該P-電極而離開，特別是使用一寬帶隙半導 體（如ZnSe或GaN)之LED，使得該LED在與P_型接觸層接觸 的P-電極處具有一改良的光穿透率，以增加光學輸出。 . 【發明内容】 本發明4 -項目標係提供與一 LED之一卜型接觸層相接 觸的P-電極之改良構造。藉由增加該電極之光穿透率以增 _ 加該LED之光學輸出而獲得該改良。 根據本發明，上述目標係藉由提供在一 LED之發光側形 成的一P-電極之構造而實現，該LED包括下列構件： (a) —η-型半導體基板； (b) —在該η-型半導體基板上形成的[型包覆層； (c) 一在該η-型包覆層上形成的作用層； (d) —在該作用層上形成的^型包覆層； (e) —在該p-型包覆層上形成的型接觸層；以及 鲁 (f) 一在該η-半導體基板背面形成的卜電極。 — 該Ρ-型電極之構造包括在該ρ-型接觸層上形成用於擴散 電流之一網狀半透明薄膜金屬電極及一用於導線焊接的焊 接電極。該金屬電極具有：（a)穿透率為至少1〇%之一覆蓋 部分，及（b)由多個窗口形成且開口比為至少2〇0/〇的一開口 部分。該焊接電極係形成於該p-型接觸層之周邊上並直接 焊接至該網狀半透明薄膜金屬電極。 85916 -10- 200402898 上述LED可進一步包括在該η-型半導體基板與該η-型包 覆層之間的一 η-型緩衝層。上述LED可進一步包括在該ρ-型包覆層與該ρ-型接觸層之間的一ρ-型半導體層。上述LED 又可進一步包括：（a)在該η-型半導體基板與該η-型包覆層 之間的一 η-型緩衝層，以及（b)在該ρ-型包覆層與該ρ-型接 觸層之間的一 p-型半導體層。 具有該η-型緩衝層之上述LED可具有下述之構造： (a) 該η-型半導體基板係一 η-型ZnSe基板； (b) 該η-型緩衝層係一 n-ZnSe緩衝層； (c) 該η-型包覆層係一 n-ZnMgSSe包覆層； (d) 該作用層係一 ZnCdSe/ZnSe多重量子井（以下簡稱為 MQW)作用層或一 ZnSeTe作用層； (e) 該p_型包覆層係一 p-ZnMgSSe包覆層；以及 (f) 該p-型接觸層包括一 p-(ZnTe/ZnSe)MQW層及在該 p-(ZnTe/ZnSe) MQW層上形成的一 p-ZnTe層。 既具有該η-型緩衝層又具有p-型半導體層之上述LED可 具有下述之構造： (a) 該η-型半導體基板係一 η-型ZnSe基板； (b) 該η-型緩衝層係一 n-ZnSe緩衝層； (c) 該η-型包覆層係一 n-ZnMgSSe包覆層； (d) 該作用層係一 ZnCdSe/ZnSe MQW作用層或一 ZnSeTe 作用層； (e) 該p-型包覆層係一 p-ZnMgSSe包覆層； (f) 該P-型半導體層係一 p-ZnSe層；以及 85916 -11 - 200402898 (g)該ρ·型接觸層包括一 p-(ZnTe/ZnSe) MQW層及在該p-(ZnTe/ZnSe) 層上形成的一 p-ZnTe層。 上述LED可具有下述構造： (a) 該η-型半導體基板係一 n-GaN基板； (b) 該η-型包覆層係一 n-GaN包覆層； (c) 該作用層係一InGaN作用層； (d) 該p_型包覆層係一 p_AlGaN包覆層；以及 (e) 該p-型接觸層係一p-GaN接觸層。 具有該η-型緩衝層之上述LED也可具有下述之構造： (a) 該η·型半導體基板係一 n_GaN基板； (b) 該η-型緩衝層係一 n-GaN緩衝層； (c) 該η-型包覆層係一 n-GaN包覆層； (d) 該作用層係一InGaN作用層； (e) 該p-型包覆層係一 p-AlGaN包覆層；以及 ⑴該P-型接觸層係一p_GaN接觸層。 既具有該η-型緩衝層又具有p-型半導體層之上述LED也 可具有下述之構造： (a) 該η-型半導體基板係一n-GaN基板； (b) 該η-型緩衝層係一 n-GaN緩衝層； (c) 該η-型包覆層係一 n-GaN包覆層； (d) 該作用層係一 InGaN作用層； (e) 該p-型包覆層係一 p-AlGaN包覆層； (f) 該P-型半導體層係一 p-GaN層；以及 (g) 該P-型接觸層係一p-GaN接觸層。 85916 -12- 200402898 據本發明之一方面’在包括下列構件的一 之發光 侧形成一 P-電極之構造： (a) —藍寶石基板； (b) 在$亥藍寶石基板上形成的η-型包覆層； (c) 一在該η-型包覆層上形成的作用層； (句一在該作用層上形成的严型包覆層； (e) —在該ρ-型包覆層上形成的ρ-型接觸層；以及 (f) 一 η_電極，其形成使得在藉由蝕刻將該&型接觸層、 該Ρ型包覆層及包括該η_型包覆層之一表面部分的該作用 層之磊晶生長層的某一部分除去，以曝露該η_型包覆層之 一部分後’該η-電極係形成於該η-型包覆層之曝露的部分 上。 同樣在此情況下，該Ρ-型電極之構造包括在該Ρ-型接觸 層上形成用於擴散電流之一網狀半透明薄膜金屬電極及一 用於導線焊接的焊接電極。該金屬電極具有：（幻具有至少 10%穿透率之一覆蓋部分，及由多個窗口形成且其開口 比為至少20%的一開口部分。該焊接電極係形成於該p-型接 觸層之周邊部分並直接焊接至該網狀半透明薄膜金屬電 極。 在此情況下，該LED可進一步包括在該藍寶石基板與該 η-型包覆層之間的一 n-型緩衝層。該led可進一步包括在該 P-型包覆層與該p-型接觸層之間的一卜型半導體層。該LED 可進一步包括：（a)在該藍寶石基板與該n-贺包覆層之間的 一 η-型緩衝層，以及（b)在該p-型包覆層與該ρ-型接觸層之 85916 -13· 200402898 間的一 P-型半導體層。 在此情況下，具有該型緩衝層之該LED可具有下述之構 造： (a) 該η-型緩衝層係一 n-GaN緩衝層； (b) 該η-型包覆層係一 n-GaN包覆層； (c) 該作用層係一InGaN作用層； (d) 該p-型包覆層係一p-AlGaN包覆層；以及 (e) 該ρ·型接觸層係一p-GaN接觸層。 在此情況下，既具有該η-型緩衝層又具有p-塑半導體層 之該LED可具有下面之構造： (a) 該η-型緩衝層係一 n-GaN緩衝層； (b) 該卜型包覆層係一n-GaN包覆層； (c) 該作用層係一InGaN作用層； (d) 該p-型包覆層係一 p-AlGaN包覆層； (e) 該p-型半導體層係一 p-GaN層；以及 (f) 該P-型接觸層係一p_GaN接觸層。 本發明提供一用於寬帶隙ZnSe或GaN-LED的p-電極之一 構造，由於難以摻雜p-型雜質，因此其具有低严型導電性。 該P·電極包括一用於擴散電流的網狀半透明薄膜金屬電極 及一用於導線焊接的焊接電極。該金屬電極具有一覆蓋部 分及由多個窗口形成的一開口部分。該焊接電極係形成於 該p-型接觸層之周邊。一注入電流自該焊接電極通過該網 狀薄膜金屬電極流向該型接觸層。該電流在該金屬電極 處均勻擴散’包括其周邊部分，因此獲得了在整個lee>内 85916 •14- 200402898 之均勻電流分佈。因為係網狀構造，該金屬電極之金屬部 分不覆蓋該P-型接觸層之整個表面。因此，可減少該金屬 電極對離開光的吸收。此外 接 此外構成孩覆蓋部分之金屬部分 係較薄且能傳導光，該開口部分得以增加。因此，增加了 自該LED發出的光之輸出效率，所以可提供—高亮度LED。 根據本發明，一 LED之該p_電極具有下面之構造： 0)具有由多個窗口構成的一開口部分及由一薄金屬 膜構成的冑蓋部分之網狀薄膜金屬冑極，其係位於該 型接觸層之整個表面上；以及 (b)泫金屬電極直接係烊接至用於導線焊接之一焊接電 極，該烊接電極位於該p-型接觸層之周邊。 pn接面上產生的光通過該開口部分或覆蓋部分傳導到外 面。部分離開的光通過具有一般穿透率的覆蓋部分。其穿 透率至少為1 〇%。離開光的其餘部分沒有任何損失地（穿透 率·· 100%)通過該開口部分，從而增加離開光的輸出效率。 根據本發明，在該P-電極之構造中： (a) 在該網狀半透明薄膜金屬電極中的開口部分之每個 窗口的外接圓可具有至多1〇〇 μπι的直徑乙； (b) 該金屬電極之覆蓋部分可具有一至少1〇 nm及至多 60 nm的厚度d ;以及 (c) 該金屬電極之開口部分具有3〇%至9〇%的一開口比。 在使用一寬帶隙半導體（如ZnSe或GaN)並使光可發自p- 電極侧之一表面發光型LED中，p-型接觸層具有高電阻，因 此難以擴散電流。儘管有此困難，藉由改良與p_型接觸層 85916 -15- 200402898 相接觸的p-電極來增加光穿透率，而不必借助於17〇就可提 供具有更高光輸出之一 LED。 然而’在該改良的電極中，該開口部分不與該p_型接 觸層相接觸。這會產生在卜型接觸層中電流擴散不夠之可 能及伴隨的發光效率之降低。當严型接觸層具有一足夠低 的電阻及該窗口足夠窄時，電流才能充分擴散。在此情況 下’窗口最好較窄。更明確地說，該窗口之外接圓最妤具 有如上所述的至多100 μη1之直徑。另一方面，如果該窗口 過窄，則離開的光之增加量就會減少。 如上所述，根據本發明，在一;LED發光側形成的严電極之 構造能有效地增加自該LED發出的光之輸出效率。在使用 一寬帶隙半導體（如ZnSe或GaN)的LED中該效率尤為明顯。 【實施方式】 下面將參照附圖對本發明之具體實施例加以說明。在附 圖中，為避免重複說明，相同數字或符案號代表相同元件。 圖式中尺寸之比例並不一定與說明中一致。 [a·發光元件之材料] 本發明之目標為改良使用ZnSe或GaN的一 LED，其具有 寬帶隙，即使摻雜了足夠多的雜質時也是如此，由於缺少 電荷載子，其顯示出高電阻。 [b.電極之形狀] 本發明之目標係改良光自其發出的p-電極之形狀。 [c. p-型接觸層] 對於如ZnSe或GaN之類的寬帶隙半導體，卜型雜質之換 85916 -16- 200402898 雜比較困難。在許多情況下，即使摻雜十分理想，啟動率也 會很低，沒有許多正電洞從受體激發。因此’ P-型載子數量 很少，從狹窄的P-電極注入的一電流不能在P-型接觸層充分 擴散。在P-型接觸層中，該電流直接局部集中在P-電極下面 之部分。為改良此情形，將本發明的一網狀薄膜金屬電極置 於 P-型接觸層之上，如 P-ZnSe、p-ZnTe、p_BeTe、p_GaN 或 p-AlGaN接觸層。 [d.薄膜電極之覆蓋比〇] 在傳統的ZnSe-LED中，p-型接觸層之整個表面都由一半 透明薄膜電極所覆蓋。根據本發明，該覆蓋比σ不為1，但 以0<σ<1表示。該覆蓋部分之穿透率β隨著薄膜電極之厚 度d而變化’因此用β (d)表示。在本發明中，厚度d與傳統 LED之厚度相同。因此，當厚度相同時，覆蓋比為σ的覆蓋 部刀具有與傳統LED同樣的穿透率β (d)。與傳統led不同， 本發明之薄膜電極具有一開口部分。開口比為卜σ的該開口 之穿透率為1。 然而，開口部分之存在可能產生電流擴散不足之問題。 開口部刀之存在會影響在？_型接觸層之電流擴散。型接觸 層〈電流擴散功率用γ表示，其取值範圍為⑴。電流擴散 功率γ隨著開口之窗口的外接圓之直徑L之增加而減少。因 此，電流擴散功率可以用丫(L)表示。當Ρ·電極上離開光之穿 透率用Τ表7F時’傳統方法的穿透率Τι可以藉由等式⑴表 〇 ⑴ τ 产 p(d) 85916 -17- 200402898 在另一方面，本發明之穿透率丁2可由等式（2)表示。 T2 = P(d)a+(l.a)Y(L) (2)。 等式（3)可由這兩個等式推導出來。 T2/Ti=Y(L)/p(d)+{l.Y(L)/p(d)}cj = l + {Y(L)/p(d).l}(i，a) (3) 〇 如果T^/Ti小於1，則傳統方法優於本發明之方法。γ(Ε)接 近1 ’但不必大於β((1)。根據等式，當小時（當薄膜金 屬電極具有低穿透率時），本發明效率高。更明確地說，當 覆蓋比6大約小於0.8 (開口比大於約〇2)時，本發明效率高。 如在下面範例1中所說明，當覆蓋比大約為〇 7 (開口比大約 為〇·3)時，光輸出量至少增加1〇0/〇。 1>•薄膜金屬電極之開口部分的窗口之重複圖案] 藉由形成多個窗口可產生該薄膜電極之網狀圖案。可使 用一不規則圖案。也可使用一規則圖案，其中重複相同的 圖案。例如，可使用一六重旋轉對稱圖案、四重旋轉對稱 圖案或二重旋轉對稱圖案。在該等三種圖案中，窗口之形 狀可為任何類型，如一規則六邊形、一方形、一圓或一橢 圓。 微影姓刻技術可同樣容易地產生任何種類的薄膜金屬電 極圖案。當規定了開口比（1-cj)(這會自動確定覆蓋比σ)時， 可使用容易滿足該規格的一圖案。用以根據窗口對稱性及 形狀獲得開口比（1-σ)之方法說明如下。 [f·六重旋轉對稱圖案（圖2及圖7)]
在一六重旋轉對稱圖案中，相鄰窗口之中心間距離用M 85916 -18- 200402898 表示。由相鄰三個三窗口之中心形成的三角形之面積用 31/2M2/4表示。該窗口之形狀不限於一規則六邊形。也可使 用一圓或一方形。圖2及圖7顯示其中窗口為一規則六邊形 之形狀的圖案。在此丨3況下’该窗口排列之對稱性與窗口 形狀之對稱性相同。因此，當該窗口之外接圓之直徑 L=2M/31/2時，該開口比為1。如在等式（4)中所示，該比例L/M 決定開口比（l-σ)。 (l-σ)(規則六邊形窗口）=(3/4)(L2/M2) (4)。 (1_σ)之值在0至1之間變化。因此， 0 $ (1_σ)(規則六邊形窗口）$ 1 (5)。 在方形窗口的情況下，儘管窗口可形成於根據六重對稱 性排列之位置，但由於方形的性質，整個圖案不可能具有 六重對稱性。該窗口之面積為L2/2，其中L係該方形之外接 圓之直徑。因此，開口比（l-σ)可藉由等式（6)表示。 (l-σ)(方形窗口）=(1/3 1/2)(L2/M2) (6)。 然而，當L=(31/2/21/2)M時，在同一對稱軸上的相鄰方形相互 接觸。因此，L之增大不能超出該限制。換言之，（1-σ)(方 形窗口）具有小於1之一上限。因此， 〇$(1-σ)(方形窗口）‘31/2/2=〇·86 (7)。 在圓形窗口的情況下，該窗口面積為π l2/4，其中L為該 圓之直徑。因此，開口比（l-σ)可藉由等式（8)表示。 (l-σ)(圓形窗口 M W2.31/2)(l2/m2) (8)。 然而，當時，相鄰圓相互接觸。因此，乙之增大不能超 出該限制。換言之，（l-σ)(圓形窗口）具有小於1之一上限。 85916 -19- 200402898 因此， (l-σ)(圓形窗口）$ ^/2.31/2=0 906 (9)。 [g·四重旋轉對稱圖案（圖3及圖4)] 在一四重旋轉對稱圖案中，相鄰窗口之中心間距離也用 Μ表示。由相鄰四個窗口之中心形成的方形之面積用μ2表 示。該窗口之形狀不限於方形。也可以使用一圓，規則六 邊形或等邊二角形。然而，在規則六邊形或等邊三角形之 情況下’儘管窗口可形成於根據四重對稱性排列之位置， 但由於該窗口形狀的性質，整個圖案不可能具有四重對稱 性。圖3顯π窗口形狀為方形之一圖案；圖4為一圓。在圖3 所π之万形窗口的情況下，窗口排列之對稱性與窗口形狀 之對稱性相同。因此，當該窗口之外接圓之直徑L=2l/2M時， 該開口 *為1。如在等式（10)中所示，比例L/M決定開口比 (l-σ) ° (10) 〇 (11) 〇 開口比由等式（12)表 (l-σ)(方形窗口）：=：l2/2M2 開口比之上限為1。因此， 〇$ (l-σ)(方形窗口）^ 1 在圖4中所示之圓形窗口的情況下 不’其中L為該圓之直徑。 (1_σ)(圓形窗口）=(7i/4)(l2/m2) 時，相鄰窗口相互接觸。因此，開口(比^增大 能超出該限制。開口比具有由等式（13)所表示的上限二 〇€ (l-σ)(圓形窗口）$ 〇 785 π 〇3)。 [h·薄膜電極之厚度d] 85916 -20- 200402898 如上所述，傳統上，具有20 nm之均勻厚度之一電極覆蓋 P-型接觸層之整個表面。在2Gnm厚度處穿透率大約為5〇%。 這意味著毫無用處地吸收了將近—半光。如果將厚度減少 到小於20 nm，而吸收量也減少，則電阻也隨之減少。電阻 之增加極大地減少從坪接電極到半透明薄膜電極之電流。 因此，薄膜電極必須具有至少丨〇 nm之厚度。從製程之角度 考慮，製造厚度小於10 nmi薄膜電極是困難的。 即使在由薄金屬膜構成的覆蓋部分内，該金屬膜最好具 有大約i0%的穿透率。該項要求確定了該厚度之上限。因 為Au具有低電阻並且能提供與P-型接觸層之歐姆接觸，因 此其係一優良的材料。根據生產方法，當Au膜之厚度為2〇 nm時，可製造電阻大約為2χ1〇·6Ω(：ιη之高導電膜。 在本發明中，焊接電極直接焊接至Au薄膜電極。因此， 即使當Au薄膜厚度為10至3〇 ηπι時，也可注入足夠的電流。 根據生產方法，當厚度為20 nm時，Au薄膜之吸收係數大約 為50%。當厚度減少到丨〇 nm時，儘管吸收係數減少到大約 3〇% ’電阻將不可避免地增加。當厚度減少到小於10 nm時， 電阻增加到不能接受之程度。另一方面，該厚度之上限係 藉由該覆蓋部分之必要穿透率決定。覆蓋部分之穿透率最 好至少01。穿透率由exp(-a.d)表示，其中α係吸收係數，d 為厚度。當d=20 nm時，穿透率為0.5。因此，吸收係數a為 0 0346 nnrl。使用等式0.1=exp(-0.0346d)可計算出穿透率為 〇·1時需要的厚度，計算結果為66 nm。然而，薄膜之電阻 會隨著生產方法及條件發生顯著變化。在此方面，Au相對 85916 -21 - 200402898 較穩定，其再生性優於其他金屬。考慮上述各方面因素， 該厚度上限大約為60 nm。因此， 10 nm^ d^ 60 nm (14)。 如上所述，此為近似值。實際上，Au之電阻也隨生產方 法及條件之變化而變化。因此，厚度d之決定要使覆蓋部分 之穿透率至少0.1。 [1.範例1 (具有蜂窩構造P-電極之ZnSe白色LED)] 對於寬帶隙半導體，難以獲得其p-型半導體。即使獲得 了 P-型半導體，由於電荷載子太少，因此也難以在P-型接觸 層擴散電流。ZnSe及GaN係該等半導體之典型範例。圖1顯 示係應用本發明的一基於ZnSe之白色LED之範例。一 ZnSe-LED係藍色LED，其發射波長大約為485 nm之藍光。 然而，當ZnSe基板變為某一類型顏色中心的雜質摻雜時， 該藍光在基板上產生橙色至黃色螢光（中心波長大約為590 nm)，且該藍光與該螢光組合用於產生白光。因此，將該 ZnSe-LED稱作白色LED (見日本專利案號3087742，名稱為 「白色LED」）。 藉由使用配備有一 Zn單元、一ZnCl2單元、一Se單元、一 N自由基槍、一 Cd單元及一Mg單元等的一分子束磊晶裝置 實施磊晶生長方法。藉由分子束磊晶生長法在一 η-型導電 ZnSe單晶基板2上形成下述各層： (a) —厚度為1 μπι之η-型ZnSe緩衝層3 ; (b) 一厚度為0·5 μπι之η-型ZnMgSSe包覆層4 ; (c) 一 ZnCdSe/ZnSe MQW作用層 5 ; 85916 -22- 200402898 (d) —厚度為0.5 μπι之p-型ZnMgSSe包覆層6 ; (e) 一厚度為0.2 μπι之p-型ZnSe層7 ;以及 (f) 一由一 p-型（ZnTe/ZnSe)MQW層及一 p-型 ZnTe層構 成的P-型接觸層8，該p-型ZnTe層厚度為60 nm (儘管未在圖 1顯示，該P-型ZnTe層係形成於該p-型（ZnTe/ZnSe)MQW層 之上）。 磊晶生長期間該基板之溫度要維持在275與325QC之間。 該生長速率要維持在大約0.4至0.7 μπι/hr。作為p-型雜質的 氮（N)係由N自由基槍提供到該ZnSe基板之表面。氯作為一 η-型雜質係自ZnCl2單元中蒸發出來。這就是對在η-型ZnSe 晶圓上蟲晶生長方法的說明之總結。 隨後，在磊晶生長晶圓之表面實施的化學蝕刻要只蝕刻 每個元件之周邊部分，留下中心部分作為發光區域。因此， 將該P-型ZnSe層7之周邊部分曝光。由Ti/Au構成的、用於 導線焊接的一焊接電極9係形成於該p-型ZnSe層7之曝光後 的周邊部分上。該焊接電極9不會將電流直接注入到該p-型 ZnSe層7。而會通過相鄰的Au電極20將電流注入到該p-型 ZnSe層7。電流按焊接電極9、網狀薄膜金屬電極20、p-型 ZnTe層（未在圖1中顯示）、p-型（ZnTe/ZnSe)MQW層及p-型 ZnSe層7之順序流動。如果電流流過周邊部分，會加速其劣 化。因此，不希望電流流過周邊部分。位於周邊部分之Ti/Au 層（焊接電極9)能夠阻擋周邊電流。 其次，具有蜂窩狀構造的網狀Au電極20在其發光區域（中 心部分）之整個表面之厚度d=20 nm。一由In或Ti/Au構成的 85916 -23 - 200402898 n_電極10係形成於n_型ZnSe基板之背面上。 在電極9與10形成後，將已磊晶生長的晶圓切割以獲得多 個具有400 μηι之方形LED晶片。圖2顯示該等晶片之一之平 面圖。形成於該晶片之上表面之焊接電極9係由位於該方形 四側之窄帶及位於一側之突出部分（該突出部分係用於導 線焊接）所構成。該蜂窩狀薄膜電極20覆蓋該上表面之其餘 部分。透過該等窗口可看到在該蜂窩狀薄膜電極2〇下面的 謔P-型接觸層。電泥不從該焊接電極直接向下流。而是從 烊接電極9橫向流向薄膜電極2〇，然後向下流動。在p_型接 觸層内流動之電流朝該窗口之中心擴散。該晶片固定在一 引線框架上以使上表面能成為形成p-型電極的面。引線與 P-電極（焊接電極9)係藉由導線焊接相連接。最後，用樹脂 將該單元密封以形成子彈型led燈。 如上所述，藉由在對稱排列的位置，如在六重對稱或四 重對稱位置，形成多個窗口，如圓形、方形或規則六邊形， 可產生該網狀電極之形狀。圖3顯示一網狀電極，其中方形 窗口之排列為四重對稱。圖4顯示一網狀電極，其中圓形窗 口之排列為四重對稱。例如，該窗口外接圓之直徑L係設計 為 10至 40 μιη。 具有本發明ρ_電極構造之LED的光學輸出係在一恆定電 流模式下測量。一 20 mA之電流產生光強度為5 mW之高亮 度白光發射。網狀Au電極覆蓋比σ與發射光強度（軸向亮 度之關係係在光發射區域使用各種具有不同覆蓋比〇之 網狀Au電極測量。測量結果顯示在圖5中。橫軸代表覆蓋比 85916 -24- 200402898 CT，縱轴代表轴向亮度Q。 表面發光型LED之亮度隨一角度而變化。總亮度係藉由 將4 LED置於一積分球之焦點而獲得。所有發射出的光束 在藉由該球反射後聚集，隨後測量該強度^在另一方面， 藉由用置於該LED之平面之法線上之一儀器來測量該LED 之光學輸出而獲得軸向亮度。換言之，軸向亮度係向一特 定方向發射的光之功率。軸向亮度大致上與總亮度成正比。 由於轴向党度更谷易測量’因此在此範例中，測量軸向亮 度用於比較。 測量結果證實了發射光之強度（軸向亮度W隨著金屬電 極之覆蓋比σ之減少而增加。下面之資料係藉由對具有一預 定覆蓋比之多個樣本測量亮度而獲得的平均值： 當 σ=1 時，0=1， 當 σ=0·69 (L=40 μιη)時，2=1.16， 當 σ=0·61 (L=40 μηι)時，0=1.23， 當 σ=0·49 (L=40 μιη)時，0=1.35，以及 當 σ=0.49 (L=20 μπχ)時，0=1.36。 该傳統的LED具有這樣一構造：其中口_型接觸層之整個表 面都由一半透明金屬電極（Au電極）所覆蓋i該構造對應於 σ=1。將該條件作為參考，將σ==1時之軸向亮度稱為！。圖5 中所示之亮度曲線圖表係使用該參考值繪出。當覆蓋比σ 為0.69(開口比為〇·31)時，該光學輸出增加1〗6倍。當覆蓋 比σ為0.61 (開口比為〇·39)時，光學輸出增加丨23倍。當覆 盖比σ為0·49及L=40从!!!時，光學輸出增加不少於倍。 85916 -25- 200402898 同樣地，當覆蓋比σ為0.49及L=20 μπι時，光學輸出增加不 少於1.36倍。該等資料清楚證明在該金屬電極中提供開口 部分之優點。 以上資料可用來大致決定等式（3)中之Y(L)/p(d)項。將以 上資料代入等式（3)中，以獲得γ(Ι〇/β((1)之平均值。其結果 由等式（15)表示。 T(L)/P(d)=1.6 (15) 〇 該電極厚度d為20 nm。當穿透率p(d)為0.5時，擴散功率γ(1〇 大約為G.8。在L=40 μπι至L=20 μπι時，軸向亮度0幾乎沒有 變化。這意味著當L值為40 μιη或更小時，ρ-型接觸層有充 分擴散電流的能力。 [2.範例2 (具有蜂窩構造ρ-電極且基於GaN之LED)]
GaN係另一範例，其中p-型層具有高電阻，因而使其難以 擴散電流。圖6顯示係應用本發明的一基於GaN的藍色LED 之範例。下面各層係藉由金屬有機化學蒸氣沈積（MO-CVD) 法形成於一藍寶石基板22上： (a) 一厚度為30 nm之GaN緩衝層23， (b) 一厚度為4 μπι之η-型GaN包覆層24， (c) 一 InGaN作用層 25， (d) 一厚度為0· 1 μπι之p-型AlGaN包覆層26，以及 (e) 一厚度為0·3 μπι之p-型GaN層27。 隨後，如在圖6中所示，在一角落部分實施乾式蝕刻以曝 露η-型GaN包覆層24，留下中心部分作為發光區域。一由 Ti/Au構成的η-型金屬電極30係形成於η-型GaN包覆層24曝 85916 -26- 200402898 露部分的表面之上。隨後，用於導線焊接的一焊接電極28 係形成於上述發光區域之上。發光區域之其餘部分係藉由 一由Ni/Au構成的薄膜金屬電極29所覆蓋，其厚度為20 nm 並具有一蜂窩狀構造。 在電極形成後，將磊晶生長的晶圓切割以獲得多個具有 300 μιη之方形晶片。圖7顯示該等晶片之一之平面圖。由 Ti/Au構成的η-電極30係置於圖7中右下部分該晶片之下半 部。焊接電極28係置於上半部之左上部。由Ni/Au構成的網 狀p-電極29覆蓋了發光區域。透過網狀電極之窗口可看到 p-GaN層27。該晶片係固定在一引線框架上。引線與焊接電 極係藉由導線焊接相連接。最後，用環氧樹脂將該單元封 閉以形成子彈型LED燈。 範例2中之LED的光學輸出係在一恆定電流模式下測量。 一20 mA之電流產生光強度不少於4 mW之高亮度藍光發 射。在此條件下，正向電壓為3.6 V。 【圖式簡單說明】 圖1係應用於範例1的構造之垂直斷面圖，其中ZnSe-LED 具有下面之構造： (a) 在n -型ZnSe基板上形成下面各層：一 n-ZnSe緩衝層、 一 n-ZnMgSSe包覆層、一 ZnCdSe/ZnSe MQW作用層、一 p-ZnMgSSe 包覆層、一 p-ZnSe/p+_ZnSe層、一 p-(ZnTe/ZnSe) MQW層及一 p-ZnTe層（圖1中未顯示）； (b) 在該η-型ZnSe基板背面上形成的一 η-電極；以及 (c) 本發明之網狀Au ρ-電極形成於由該p-(ZnTe/ZnSe) 85916 -27- 200402898 MQW層及p-ZnTe層構成的p-型接觸層之上。 圖2係應用於範例1的構造之平面圖，其中ZnSe_LED在其 P-型接觸層上有以六重對稱形式排列的多個規則六邊形窗 口之網狀p-電極。 圖3係應用於範例！的另一構造之平面圖，其中 在其P-型接觸層上有以四重對稱形式排列的多個方形窗口 之網狀p-電極。 圖4係應用於範例}中的另一構造之平面圖，其中 ZnSe-LED在其p-型接觸層上有以四重對稱形式排列的多個 圓形窗口之網狀p-電極。 圖5係一曲線圖，其顯示範例丨中所產生之網狀八11電極之 覆盍比σ與ZnSe-LED之軸向亮度2的測量關係，其中，在 ZnSe-LED之卜型接觸層之上有網狀Aup•電極，其中橫座標 代表覆蓋比σ，縱坐標代表軸向亮度0 (在該電極覆蓋整個接 觸層（σ=1)時，軸向亮度取值1作為參考）。 圖6係應用於範例2的構造之垂直斷面圖，其中GaN_LED 具有下面之構造： (a)下面各層係形成於一藍寶石基板（一絕緣材料）之上：
GaN緩衝層、一 n-GaN包覆層、一 inGaN作用層、一 p_AlGaN 包覆層及一 p-GaN層； ⑻在藉由蝕刻將p_GaN層、p-AiGaN包覆層、包括n_GaN 包覆層之表面部分的InGaN作用層之疊層的某一部分除 去，以曝露部分該n_GaN&覆層後，一卜電極形成於該n_GaN 包覆層之曝露的部分之上；以及 85916 -28 - 200402898 (c)本發明之網狀Ni/Au p-電極係形成於p-型接觸層 (p-GaN層）之上。 圖7係應用於範例2的構造之平面圖，其中一GaN-LED在 其P-型接觸層有以六重對稱形式排列的多個規則六邊形窗 口之網狀p-電極。 【圖式代表符號說明】 2 η-型導電ZnSe單晶基板 3 η-型ZnSe緩衝層 4 η-型ZnMgSSe包覆層 5 ZnCdSe/SeZn MQW作用層 6 p-型ZnMgSSe包覆層 7 p-型 ZnSe 層 8 P-型接觸層 9 焊接電極 10 η-電極 20 網狀薄膜金屬電極 22 藍寶石基板 23 GaN緩衝層 24 η-型GaN包覆層 25 InGaN作用層 26 p-型AlGaN包覆層 27 p-型 GaN層 28 焊接電極 29 薄膜金屬電極 30 π-電極 85916 -29-

Claims (1)

  1. 200402898 拾、申請專利範園： 1· 一種在發光二極體（以下簡稱led)之發光側上形成之ρ· 電極構造，該LED包括： (a) — n-型半導體基板； (b) —在該η_型半導體基板上所形成的η_型包覆層； (c) 一在該η-型包覆層上所形成的作用層； (d) —在該作用層上所形成的ρ-型包覆層； (e) —在該ρ-型包覆層上所形成的型接觸層·以及 (f) 一在該η·型半導體基板之背面上所形成的η_電極； 該構造包括： (g) —在該ρ-型接觸層上形成用於擴散電流的網狀半透 明薄膜金屬電極，該金屬電極具有： (gi) —牙透率為至少10%的覆蓋部分；以及 (g2) —由多個窗口構成並且其開口比至少2〇0/〇的 開口部分；以及 (h) —用於導線烊接的焊接電極，該焊接電極係： (hi)形成於該ρ-型接觸層之周邊上；以及 (h2)直接焊接至該網狀半透明薄膜金屬電極。 2.如申請專利範圍第1項之構造，其中該led進一步包括在 該η-型半導體基板與該n_型包覆層之間的一n_型緩衝層。 3·如申請專利範圍第1項之構造，其中該led進一步包括在 該P_型包覆層與該P-型接觸層之間的一 型半導體層。 4 ·如申請專利範圍第1項之構造，其中該led進一步包括： (a) —在該η-型半導體基板與該卜型包覆層之間的卜型 85916 200402898 緩衝層；以及 (b) —在該p-型包覆層與該P-型接觸層之間的P-型半導 體層。 5. 如申請專利範圍第2項之構造，其中： (a) 該η-型半導體基板係一 η-型ZnSe基板； (b) 該η-型緩衝層係一 n-ZnSe緩衝層； (c) 該η-型包覆層係一 n-ZnMgSSe包覆層； (d) 該作用層係選自由ZnCdSe/ZnSe多重量子井（以下簡 稱為MQW)作用層及一 ZnSeTe作用層所組成之群組之 一； (e) 該p-型包覆層係一 p-ZnMgSSe包覆層；以及 (f) 該p-型接觸層包括一 p-(ZnTe/ZnSe)MQW層及在該 p-(ZnTe/ZnSe) MQW層上形成的一 p_ZnTe層。 6. 如申請專利範圍第4項之構造，其中： (a) 該η-型半導體基板係一 η-型ZnSe基板； (b) 該η-型緩衝層係一 n-ZnSe緩衝層； (c) 該η·型包覆層係一 n-ZnMgSSe包覆層； (d) 該作用層係選自由ZnCdSe/ZnSe MQW作用層及一 ZnSeTe作用層所組成之群組之一； (e) 該p-型包覆層係一 p_ZnMgSSe包覆層； (f) 該P-型半導體層係一p_ZnSe層；以及 (g) 該P-型接觸層包括一 p-(ZnTe/ZnSe)MQW層及在該 p-(ZnTe/ZnSe) MQW層上形成的一 p-ZnTe層 ° 7. 如申請專利範圍第1項之構造，其中·· 85916 -2- 200402898 (a) 該η-型半導體基板係一 n-GaN基板； (b) 該η-型包覆層係一 n-GaN包覆層； (c) 該作用層係一 inGaN作用層； (d) 該p-型包覆層係一 p_AlGaN包覆層；以及 (e) 該p-型接觸層係一p_GaN接觸層。 8 ·如申請專利範圍第2項之構造，其中： (a) 該η-型半導體基板係一 n_GaN基板； (b) 該η-型緩衝層係一 n_GaN緩衝層； (c) -該η-·型包覆層係一 n-GaN包覆層； ⑷該作用層係一 InGaN作用層； (e) 該p-型包覆層係一 p-AlGaN包覆層；以及 (f) 該P-型接觸層係一 p-GaN接觸層。 9·如申請專利範圍第4項之構造，其中： (a) 該n_型半導體基板係一 n-GaN基板； (b) 該η-型緩衝層係一 n-GaN緩衝層； (c) 該η-型包覆層係一 n-GaN包覆層； ⑷該作用層係一 InGaN作用層； (e) 該p-型包覆層係一 p-AlGaN包覆層； (f) 該p-型半導體層係一 p-GaN層；以及 (g) 該P-型接觸層係一p-GaN接觸層。 10·如申請專利範圍第1項之構造，其中在該網狀半透明薄膜 金屬電極中之該開口部分之每個窗口的外接圓具有至多 100 μπι的一直徑L。 11 ·如申請專利範圍第1項之構造，其中該網狀半透明薄膜金 85916 200402898 屬電極之該覆蓋部分具有一至少10 nm並且至多60 nm的 厚度d。 12. 13. 如申叫專利範園第1項之構造，其中該網狀半透明薄膜金 · 屬電極之該開口部分具有3〇%至9〇%的一開口比。 —種在LED之發光側上形成之严電極的構造，該乙£][)包 括： 、- (a) —藍寶石基板； 、 (b) —在該藍寶石基板上形成的卜型包覆層，· (c) — 一在該n_型包覆層上形成的作用層； 鲁 (d) —在該作用層上形成的p_型包覆層； (e) —在該p-型包覆層上形成的ρ·型接觸廣；以及 (f) 一 n_電極，其形成使得在藉由餘刻將該p_型接觸層、 該p-型包覆層及包括該η-型包覆層之一表面部分的該 作用層之該疊層的某一部分除去，以曝露該心型包覆層 之一部分後，該η-電極係形成於該η-型包覆層之該曝露 的部分之上； 該構造包括： _ (g) —在該ρ-型接觸層上形成用於擴散電流的網狀半透 、 明薄膜金屬電極，該金屬電極具有： (gl) —穿透率至少為10%的覆蓋部分；以及 (g2) —由多個窗口構成並且其開口比至少20%的 開口部分；以及 (h) —用於導線焊接的焊接電極，該烊接電極係： (hi)形成於該P-型接觸層之一周邊部分上；以及 85916 -4 - 200402898 (h2)直接焊接至該半透明薄膜金屬電極。 14. 如申請專利範圍第13項之構造，其中該led進一步包括在 該藍寶石基板與該η-型包覆層之間的一卜型緩衝層。 15. 如申請專利範圍第13項之構造，其中該LED進一步包括介 於該p-型包覆層與該p_型接觸層之間的一 p_型半導體層。 16·如申請專利範圍第13項之構造，其中該LED進一步包括： 0) —在該藍寶石基板與該型包覆層之間的卜型緩衝 層；以及 (b)〜一在該p-型包覆層與該p-型接觸層之間的严型半導 體層。 17·如申請專利範圍第14項之構造，其中： (a) 該卜型緩衝層係一 n-GaN緩衝層； (b) 該卜型包覆層係一卜GaN包覆層； (c) 該作用層係一 inGaN作用層； (句該p-型包覆層係一 p-AlGaN包覆層；以及 (e)該卜型接觸層係一p-GaN接觸層。 18.如申請專利範圍第16項之構造，其中： (a) 該n-型緩衝層係一 n_GaN緩衝層； (b) 該η-型包覆層係一 n-GaN包覆層； (c) 該作用層係一 inGaN作用層； (d) 該p-型包覆層係一 p-AlGaN包覆層； (e) 該p-型半導體層係一 p-GaN層；以及 ⑺該P_型接觸層係一 p-GaN接觸層。 19·如申請專利範圍第13項之構造，其中在該網狀爭透明薄 85916 -5- 200402898 膜金屬電極中之該開口部分之每個窗口的外接圓具有至 多100 μιη的一直徑L。 20. 21. 如申請專利範圍第13項之構造，其中該網狀薄膜金屬電 極之該覆蓋部分具有一至少1〇 nm並且至多60 nm的厚度 d 〇 浚申請專利知圍第13項之構造，其中該網狀半透明薄膜 金屬電極之該開口部分具有鳩至嶋的―開口比。 85916
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