TW201642497A - 半導體發光結構及其製造方法 - Google Patents
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Abstract
一種半導體發光結構及其製造方法。半導體發光結構包括一基板、一磊晶層以及一階梯狀電極。基板具有一第一表面以及一第二表面，第一表面與第二表面相對。磊晶層由依序形成於第一表面上的一第一半導體層、一主動層及一第二半導體層所構成。階梯狀電極形成於磊晶層中，階梯狀電極包括一本體部、一階梯平面以及一由階梯平面往第一表面延伸之反射電極部，本體部至少貫穿第二半導體層以及主動層，反射電極部由本體部延伸至第一半導體層中。
Description
本發明是有關於一種發光結構，且特別是有關於一種具有階梯狀電極之半導體發光結構及其製造方法。
發光二極體(Light emitting diode,LED)主要是透過電能轉化為光能的方式發光。當施加電流於發光二極體後，電流擴散並注入發光二極體中的磊晶層，電子將與電洞結合且釋放能量，並以光的形式發出。發光二極體具有壽命長、省電、體積小等優點。近年來，隨著多色域及高亮度的發展，發光二極體已應用在白光發光領域中，以取代傳統的日光燈管。
發光二極體常以藍寶石做為磊晶層成長用的基材，然而藍寶石基材的折射係數高，容易使得大於全反射角之光線被基材反射回到磊晶層中，因而部分的光線被吸收而無法完全取出，進而導致磊晶層的光取出效率不佳。
本發明係有關於一種半導體發光結構及其製造方法，係於磊晶層中形成階梯狀電極，可有效減少光線因為全反射而被吸收的機會，以增加磊晶層的光取出效率。
本發明係有關於一種半導體發光結構及其製造方法，係於磊晶層中形成階梯狀電極，用以增加電極與半導體層之間的接觸面積。
根據本發明之一方面，提出一種半導體發光結構，包括一基板、一磊晶層以及一階梯狀電極。基板具有一第一表面以及一第二表面，第一表面與第二表面相對。磊晶層由依序形成於第一表面上的一第一半導體層、一主動層及一第二半導體層所構成。階梯狀電極形成於磊晶層中，階梯狀電極包括一本體部、一階梯平面以及一由階梯平面往第一表面延伸之反射電極部，本體部貫穿第二半導體層以及主動層，反射電極部由本體部延伸至第一半導體層中。
根據本發明之一方面，提出一種半導體發光結構的製作方法，包括下列步驟。提供一基板，基板具有一第一表面以及一第二表面，第一表面與第二表面相對。於第一表面上依序形成由一第一半導體層、一主動層及一第二半導體層所構成的磊晶層。蝕刻磊晶層，以形成一凹口。形成一階梯狀電極於磊晶層之凹口中，階梯狀電極包括一本體部、一階梯平面以及一由階梯平面往第一表面延伸之反射電極部，本體部貫穿第二半導體層以及主動層，反射電極部由本體部延伸至第一半導體層中。
為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
10‧‧‧半導體覆晶封裝結構
100‧‧‧載板
110‧‧‧發光單元
102‧‧‧負極
104‧‧‧正極
111‧‧‧P型半導體層
112‧‧‧多量子井層
113‧‧‧N型半導體層
114‧‧‧反射層
115‧‧‧絕緣層
116‧‧‧P型電極
117‧‧‧N型電極
118‧‧‧突起部
120‧‧‧半導體發光結構
121‧‧‧基板
122‧‧‧磊晶層
121a‧‧‧第一表面
121b‧‧‧第二表面
123‧‧‧第一半導體層
124‧‧‧主動層
125‧‧‧第二半導體層
126‧‧‧階梯狀電極
127‧‧‧本體部
128‧‧‧階梯平面
129‧‧‧反射電極部
130‧‧‧絕緣層
h1‧‧‧第一深度尺寸
h2、h2’‧‧‧第二深度尺寸
C‧‧‧凹口
C1‧‧‧第一凹洞
C2‧‧‧第二凹洞
D1‧‧‧寬度尺寸
D2‧‧‧寬度尺寸
L1、L2‧‧‧光線
X‧‧‧水平方向
Y‧‧‧垂直配置方向
第1圖繪示依照一實施例之半導體覆晶封裝結構的剖面示意圖。
第2A圖繪示依照本發明一實施例之半導體發光結構的示意圖。
第2B圖繪示依照本發明另一實施例之半導體發光結構的示意圖。
第3A-3D圖繪示依照本發明一實施例之半導體發光結構的製作方法的流程圖。
第4圖繪示發光單元之出光亮度與N型電極面積百分比之關係圖。
以下係提出實施例進行詳細說明，實施例僅用以作為範例說明，並非用以限縮本發明欲保護之範圍。
請參照第1圖，其繪示依照一實施例之半導體覆晶封裝結構10的剖面示意圖。
在本實施例中，半導體覆晶封裝結構10包括一載板100以及一發光單元110。發光單元110配置於載板100上，且發光單元110具有P型電極116以及N型電極117。P型電極116與載板100的正極104電性連接，N型電極117與載板100的負極102電性連接，用以傳輸電流，並使電流擴散而注入於發光單元110中，以使發光單元110內的電子與電洞受電壓驅動而結合並且發光。
發光單元110例如為氮化鎵發光二極體結構，其具有一P型半導體層111、一多量子井層112(multiple quantum well layer)以及一N型半導體層113。一般而言，含有帶正電的電洞比率較高的稱為P型半導體，含有帶負電的電子比率較高的稱為N型半導體。P型半導體與N型半導體相接處的多量子井層112內形成PN接面。電子將與電洞於PN接面處結合後釋放能量，再以光的形式發出。多量子井層112用以提升發光二極體中電能轉換成光能的效率。
本實施例之發光單元110可設置於導熱性佳的電路載板100上，例如金屬核心基板、陶瓷基板或矽基板上，進而使半導體覆晶封裝結構10具有更佳的散熱效率及發光效率。
此外，半導體覆晶封裝結構10更可包括一反射層114，其設置於P型半導體層111上。反射層114的材質可為銦錫氧化物(ITO)、氧化鋁鋅(AZO)、氧化鋅(ZnO)、石墨烯、鋁(Al)、銀(Ag)、鎳(Ni)、鈷(Co)、鈀(Pd)、鉑(Pt)、金(Au)、鋅(Zn)、錫(Sn)、銻(Sb)、鉛(Pb)、銅(Cu)、銅銀(Cu/Ag)、鎳銀(Ni/Ag)或其合金。反射層114用以反射光線，以提高光取出效率。另外，反射層114亦可做為P型半導體層111與P型電極116之間的歐姆接觸層。
再者，半導體覆晶封裝結構10更可包括一絕緣層115，其覆蓋於反射層114上以及N型電極117之側壁，以避免貫穿反射層114、P型半導體層111與多量子井層112的N型電極117與P型電極116發生短路。在本實例中，僅繪示二個貫穿反射層114、P型半導體層111與主動層124並與N型半導體層113電性連接的N型電極117的突起部118，然而突起部118的
數量可為10~20個，使N型電極117與N型半導體層113的接觸面積相對增加，並使電子均勻擴散於N型半導體層113的各個區域中。
以下介紹發光單元110中半導體發光結構120及其製作方法。請參照第2A、2B及3A-3D圖，其中第2A圖繪示依照本發明一實施例之半導體發光結構120的示意圖，第2B圖繪示依照本發明另一實施例之半導體發光結構120的示意圖，第3A-3D圖繪示依照本發明一實施例之半導體發光結構120的製作方法的流程圖。
半導體發光結構120包括一基板121、一磊晶層122以及一階梯狀電極126。基板121可為不導電的透明絕緣材料，例如玻璃、塑膠或藍寶石。基板121較佳為藍寶石基板、碳化矽基板或矽基板，但本發明不以此為限。基板121具有一第一表面121a以及一第二表面121b，第一表面121a與第二表面121b平行相對。磊晶層122由依序堆疊於第一表面121a上的一第一半導體層123、一主動層124及一第二半導體層125所構成。第一半導體層123、主動層124以及第二半導體層125之材質例如選自於由氮化鎵(GaN)、氮化銦鎵(InGaN)、氮化鋁鎵(AlGaN)或氮化鋁銦鎵(AlInGaN)所組成的群組其中之一或其組合。第一半導體層123可為N型半導體層，第二半導體層125可為P型半導體層。主動層124可為多量子井層，用以提升發光二極體中電能轉換成光能的效率。
階梯狀電極126形成於磊晶層122中，階梯狀電極126包括一本體部127、一階梯平面128以及一由階梯平面128往基板121的第一表面121a延伸之反射電極部129。
請參照第2A圖，在垂直配置方向Y上，本體部127貫穿第二半導體層125、主動層124以及部分第一半導體層123，而反射電極部129由本體部127朝第一表面121a貫穿其餘部分第一半導體層123。本體部127具有一第一深度尺寸h1，反射電極部129具有一第二深度尺寸h2，第一深度尺寸h1與第二深度尺寸h2的總和大致上等於磊晶層122的實際厚度，約為6~8微米左右。
在一實施例中，本體部127與反射電極部129以電鍍或化學氣相沉積的方式形成於磊晶層122之一凹口C中，凹口C包括一第一凹洞C1以及一第二凹洞C2。有關第一凹洞C1與第二凹洞C2的製作方法，請參照第3A及3B圖。
請參照第3A圖，蝕刻磊晶層122，以形成一第一凹洞C1。蝕刻磊晶層122的方法包括乾式蝕刻或濕式蝕刻，例如電漿蝕刻或微影蝕刻，以定義出第一凹洞C1的寬度與深度。第一凹洞C1貫穿第二半導體層125、主動層124以及部分第一半導體層123，且第一凹洞C1在水平方向X上具有一寬度尺寸D1。接著，請參照第3B圖，由階梯平面128繼續蝕刻第一半導體層123，以形成一第二凹洞C2，且第二凹洞C2在水平方向X上具有一寬度尺寸D2。第一凹洞C1的寬度尺寸D1大於第二凹洞C2的寬度尺寸D2，且階梯平面128位於第一凹洞C1與第二凹洞C2之間，以形成一階梯結構。
在本實施例中，第二凹洞C2的深度(第二深度尺寸h2)例如大於或等於第一凹洞C1的深度(第一深度尺寸h1)。一般而言，第一凹洞C1的深度尺寸h1大於主動層124及第二半導體層125的厚度總和，以使階梯平面128位於第一半導體層123中。第一凹洞C1的深度尺寸h1例如介於1~1.1微米之間，但本發明對此不加以限制。此外，第二凹洞C2的深度尺寸h2與第一半導體層123的厚度有關，例如呈正相關，當第一半導體層123的厚度減少時，第二凹洞C2的深度尺寸h2亦隨之減少，第一半導體層123的厚度範圍例如介於1~7微米左右。請參照第3B圖，第二凹洞C2的深度可延伸至基板121的第一表面121a，以使第二凹洞C2的深度尺寸h2可達最大值。
在第2A圖中，階梯狀電極126包括一絕緣層130，其環繞於本體部127之周圍且覆蓋部分階梯平面128。本體部127可藉由絕緣層130與主動層124以及第二半導體層125隔離及電性絕緣。請參照第3C圖，絕緣層130僅形成於第一凹洞C1中，部分階梯平面128與第二凹洞C2內未被絕緣層130覆蓋且不需覆蓋絕緣層130。因此，在第3D圖中，可增加後續電鍍/沉積之階梯狀電極126與第一半導體層123的接觸面積。也就是說，實際增加的接觸面積為反射電極部129與第一半導體層123的接觸面積。
請參照第3C及3D圖，本體部127位於第一凹洞C1中，且反射電極部129位於第二凹洞C2中。第二凹洞C2的深度可延伸至基板121的第一表面121a，以使反射電極部129由本體部127延伸並接觸至基板121的第一表面121a。
在另一實施例中，請參照第2B圖，反射電極部129由本體部127延伸至第一半導體層123中，但未接觸基板121的第一表面121a。也就是說，在垂直配置方向Y上，本體部127具有一第一深度尺寸h1，反射電極部129具有一第二深度尺寸h2’，第一深度尺寸h1與第二深度尺寸h2’的厚度總和小於磊晶層122的實際厚度。
本體部127與反射電極部129均可用以反射光線，以增加光線反射後朝基板121配置方向射出的機率。例如，光線L1及L2分別受到反射電極部129及本體部127阻擋而改變光路徑，以避免光線L1及L2想對於基板121的入射角大於全反射角而被基板121反射回到磊晶層122中。因此，在磊晶層122中形成上述之階梯狀電極126，可有效減少光線因為全反射而被吸收的機會，以增加磊晶層122的光取出效率。此外，上述之階梯狀電極126因多了反射電極部129與第一半導體層123之間的接觸面積，因此電子可均勻擴散於第一半導體層123的各個區域中，減少元件電壓及避免電流過於擁擠。
請參照第4圖，其繪示第1圖中發光單元110之出光亮度與N型電極117面積百分比之關係圖。曲線1為未加入反射層114之發光單元110的亮度，其介於308~322mW之間，曲線2為加入反射層114後之發光單元110的亮度，其介於331~345mW之間，且相對於曲線1中測得的出光亮度提昇了7%左右。曲線3為加入反射層114及增高h2的階梯狀電極126
(h1+h2=2.8微米)後之發光單元110的亮度，其介於349~361mW之間，相對於曲線2中測得的出光亮度又提昇了4.5~5.5%。由此可知，增設階梯狀電極126可增加發光單元110的光取出效率。
本發明上述實施例所揭露之具有階梯狀電極之半導體發光結構及其製造方法，兼具提高光取出效率及增加接觸面積之功效，藉由於基板的第一表面上依序形成由一第一半導體層、一主動層及一第二半導體層所構成的磊晶層；蝕刻磊晶層，以形成一凹口；及形成一階梯狀電極於磊晶層之凹口中等步驟來製作階梯狀電極，其中階梯狀電極包括一本體部、一階梯平面以及一由階梯平面往第一表面延伸之反射電極部。本體部貫穿第二半導體層以及主動層，反射電極部由本體部延伸至第一半導體層中。此外，根據上述步驟完成的半導體發光結構可設置於一載板上，其中基板以第一表面朝向載板的覆晶型態設置，以使半導體發光結構與載板結合而構成一半導體覆晶封裝結構。
綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
120‧‧‧半導體發光結構
121‧‧‧基板
121a‧‧‧第一表面
121b‧‧‧第二表面
122‧‧‧磊晶層
123‧‧‧第一半導體層
124‧‧‧主動層
125‧‧‧第二半導體層
126‧‧‧階梯狀電極
127‧‧‧本體部
128‧‧‧階梯平面
129‧‧‧反射電極部
130‧‧‧絕緣層
h1‧‧‧第一深度尺寸
h2‧‧‧第二深度尺寸
X‧‧‧水平方向
Y‧‧‧垂直配置方向
L1、L2‧‧‧光線
Claims (16)
- 一種半導體發光結構，包括：一基板，該基板具有一第一表面以及一第二表面，該第一表面與該第二表面相對；一磊晶層，該磊晶層由依序形成於該第一表面上的一第一半導體層、一主動層及一第二半導體層所構成；以及一階梯狀電極，形成於該磊晶層中，該階梯狀電極包括一本體部、一階梯平面以及一由該階梯平面往該第一表面延伸之反射電極部，該本體部至少貫穿該第二半導體層以及該主動層，該反射電極部由該本體部延伸至該第一半導體層中。
- 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光結構，其中該磊晶層具有一凹口，該凹口自第二半導體層向該基板延伸依序包括一第一凹洞以及一第二凹洞，該階梯平面形成於該第一凹洞與該第二凹洞之間，該本體部位於該第一凹洞中，且該反射電極部位於該第二凹洞中。
- 如申請專利範圍第2項所述之半導體發光結構，其中該第一凹洞貫穿該第二半導體層、該主動層以及部分該第一半導體層，該階梯平面位於該第一半導體層中，且該第二凹洞由該階梯平面貫穿其餘部分該第一半導體層。
- 如申請專利範圍第3項所述之半導體發光結構，其中該第一凹洞的寬度尺寸大於該第二凹洞的寬度尺寸，以形成一階梯結構。
- 如申請專利範圍第3項所述之半導體發光結構，其中該第二凹洞的深度尺寸大於該第一凹洞的深度尺寸。
- 如申請專利範圍第5項所述之半導體發光結構，其中該第二凹洞的深度延伸至該第一表面，以使該反射電極部接觸該第一表面。
- 如申請專利範圍第2項所述之半導體發光結構，其中該階梯狀電極包括一絕緣層，該絕緣層形成於該第一凹洞中且環繞於該本體部之周圍，該本體部藉由該絕緣層與該主動層以及該第二半導體層電性絕緣。
- 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光結構，設置於一載板上，其中該基板以該第一表面朝向該載板的覆晶型態設置，以使該半導體發光結構與該載板結合而構成一半導體覆晶封裝結構。
- 一種半導體發光結構的製作方法，包括：提供一基板，該基板具有一第一表面以及一第二表面，該第一表面與該第二表面相對；於該第一表面上依序形成由一第一半導體層、一主動層及一第二半導體層所構成的磊晶層；蝕刻該磊晶層，以形成一凹口；以及形成一階梯狀電極於該磊晶層之該凹口中，該階梯狀電極包括一本體部、一階梯平面以及一由該階梯平面往該第一表面延伸之反射電極部，該本體部貫穿該第二半導體層以及該主動層，該反射電極部由該本體部延伸至該第一半導體層中。
- 如申請專利範圍第9項所述之半導體發光結構的製作方法，其中該凹口自第二半導體層向該基板延伸依序包括一第一凹洞以及一第二凹洞，該階梯平面形成於該第一凹洞與該第二凹洞 之間，該本體部位於該第一凹洞中，且該反射電極部位於該第二凹洞中。
- 如申請專利範圍第10項所述之半導體發光結構的製作方法，其中形成該第一凹洞包括蝕刻該磊晶層，以使該第一凹洞貫穿該第二半導體層、該主動層以及部分該第一半導體層，且該階梯平面位於該第一半導體層中，形成該第二凹洞包括由該階梯平面繼續蝕刻該第一半導體層，以使該第二凹洞貫穿其餘部分該第一半導體層。
- 如申請專利範圍第11項所述之半導體發光結構的製作方法，其中該第一凹洞的寬度尺寸大於該第二凹洞的寬度尺寸，以形成一階梯結構。
- 如申請專利範圍第11項所述之半導體發光結構的製作方法，其中該第二凹洞的深度尺寸大於該第一凹洞的深度尺寸。
- 如申請專利範圍第13項所述之半導體發光結構的製作方法，其中該第二凹洞的深度延伸至該第一表面，以使該反射電極部接觸該第一表面。
- 如申請專利範圍第10項所述之半導體發光結構的製作方法，其中形成該階梯狀電極包括形成一絕緣層於該第一凹洞中且環繞於該本體部之周圍，該本體部藉由該絕緣層與該主動層以及該第二半導體層電性絕緣。
- 如申請專利範圍第9項所述之半導體發光結構的製作方法，係將該半導體發光結構設置於一載板上，其中該基板以該第 一表面朝向該載板的覆晶型態設置，以使該半導體發光結構與該載板結合而構成一半導體覆晶封裝結構。
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