TWI416754B - 一發光元件 - Google Patents

Description

一發光元件

本發明係關於一種發光元件，尤其關於一種具有貫穿半導體層之通道結構的發光二極體元件。

發光二極體元件是一種被廣泛使用的光源。相較於傳統的白熾燈泡或螢光燈管，發光二極體除了具有省電與使用壽命較長的優異特性外，更具有整體性的成本優勢，因此逐漸取代傳統光源，而應用於各種不同領域，如交通號誌、背光模組、路燈照明、醫療設備等產業。

隨著發光二極體光源的應用與發展對於亮度的需求越來越高，如何增加其發光效率而提高其亮度，便成為產業界所共同努力的重要方向。目前習知的方法之一係利用基板轉移技術將原來具有吸光特性之成長基板移除，轉換成另一具有透光或散熱特性的基板，如此可大幅提高出光效率而提高亮度。

第9圖為利用習知基板轉移技術所得之一般InGaN發光二極體元件，其結構由下而上依序為：一p電極41、一永久基板42、一連接層43、一發光疊層44(包含一p型半導體層443、一發光層442以及一n型半導體層441)、一n型歐姆接觸層45、一n電極46。上述結構是藉由金屬黏結製程步驟所形成之一垂直結構，為了使n電極46能與n型半導體層441上產生歐姆接觸，須先將原本n型半導體層441上之一未摻雜層(圖未示)移除，再形成一n型歐姆接觸層45於其上，最後再將n電極46形成於n型歐姆接觸層45之上方。但此結構由於須將未摻雜層移除，常造成驅動電壓過高的問題。

本發明係一種發光元件，包含一半導體層，一歐姆接觸層以及至少一電極，並且應用活性離子束蝕刻(Reactive ion－beam etching)技術，形成一貫穿發光元件之半導體層的通道，再將該通道以金屬填滿，形成一通道結構，電性連結上述半導體層兩側之一歐姆接觸層與一電極，使得電流可依序經由電極、通道結構、歐姆接觸層，傳送到半導體層，驅動整體發光元件。透過此通道結構的設計，可以獲得一個具有良好歐姆接觸與較佳發光效率之發光二極體元件。

本發明實施例之一，係提出一先利用基板轉移技術，將發光元件之成長基板取代為導電基板，再利用活性離子束蝕刻(Reactive ion－beam etching)技術，將發光疊層中之n型半導體層蝕刻形成一n型通道，並將上述n型通道用金屬填滿，形成一n型通道結構以及一n電極，使得n型半導體層兩側之一n型歐姆接觸層與n電極產生電性連結，而獲得一垂直式發光二極體元件。

本發明之另一實施例，係提出另一發光元件結構，先利用基板轉移技術，將發光元件之成長基板取代為散熱基板，再利用活性離子束蝕刻(Reactive ion－beam etching)技術，同時於發光疊層中之n型半導體層與P型半導體層，分別蝕刻形成一n型通道與一p型通道；並於n型通道與p型通道之間，蝕刻形成一貫穿n型半導體層與發光層之阻隔通道，以作為電性絕緣之用。透過n型通道、p型通道與阻隔通道的設計，可以獲得一個具有良好歐姆接觸特性的水平式發光二極體。

本發明之另一實施例，係在形成如上所述之垂直式或水平式發光二極體元件後，再於靠近n型半導體層的出光表面進行粗化，形成一凹凸不平的粗化表面，如此可以增加此發光元件的出光效率。

第5圖顯示依本發明第一實施例之垂直式發光二極體元件100。本實施例係利用一基板轉移技術，主要包含晶片黏結(wafer bonding)製程、基板移除(substrate lift－off)製程及活性離子束蝕刻(Reactive ion－beam etching)製程，所製作而成之一垂直式發光二極體。相關步驟如第1圖~第5圖所示，詳細說明如下。

第1圖所示為第一製程步驟，係先形成一發光結構，包含一成長基板11、一半導體發光疊層12、一n型歐姆接觸層13、一透明導電層14、一介電層15以及一金屬反射層16；其中發光疊層12更包含一n型半導體層121、一發光層122及一p型半導體層123。另外，於一永久基板21上形成一連接層22。如上所述之成長基板11，例如為藍寶石基板(Sapphire substrate)，更可以於成長基板11上先形成一緩衝層，例如為AlN、GaN或AlGaN，如此可以使形成於其上之氮化物半導體發光疊層12，例如為GaN、AlGaN或InAlGaN，於長晶過程不至於產生大量的晶格錯位(dislocation)或晶格缺陷(defects)；透明導電層14可以是氧化銦錫(ITO)，不僅能夠有效分散電流，且具有透光的特性，因而能夠增加出光效率；介電層15可以是無機介電材料，例如二氧化矽(SiO₂ )、氧化鋁(Al₂ O₃ )、氮化矽(SiNx)、或旋塗玻璃(spin－on glass)，也可以是有機介電材料，例如環氧樹脂(epoxy)、聚亞醯胺(polyimide)或BCB樹脂(benzocyclobutene)等材料；n型歐姆接觸層13，係可以與n型半導體層121產生歐姆接觸的材料，例如氧化銦錫(ITO)或鋁(Al)、鎳(Ni)等金屬；金屬反射層16，為具有高反射率之導電性的材料，例如鋁(Al)或銀(Ag)；永久基板21，為具有導電特性的基板，例如矽基板、銅基板等。

第2圖所示為第二製程步驟，係利用一連接製程，將兩個基板透過連接層22連結成一體；其中連接製程可以是直接連接或金屬連接。直接連接一般係在高溫條件下(>400℃)，施加一固定的輔助壓力，使連接界面兩邊的材料熔融在一起而產生連接。金屬連接係於兩連接界面上，先各自形成一金屬層，然後再施以一較低溫度(200℃~300℃)及一固定輔助壓力，將兩金屬層連接起來。

第3圖所示為第三製程步驟，係利用基板移除技術將成長基板11移除。其中基板移除技術為雷射剝離技術，係利用準分子雷射(Excimer laser)由成長基板11與半導體發光疊層12相對之表面入射。大部分雷射能量於成長基板上之緩衝層與成長基板間之界面處被吸收，而被吸收的雷射能量可分解緩衝層，例如氮化鋁，進而達到的移除基板目的。

第4圖所示為第四製程步驟，係利用活性離子束蝕刻(Reactive Ion－beam Etching；RIE)技術，將n型半導體層121蝕刻形成一n型通道17，而露出n型歐姆接觸層13。其中活性離子束蝕刻(Reactive ion－beam etching)具備多項優點，如線寬解析度高(Resolution)、選擇性良好、蝕刻速率快、反應參數可獨立控制及無殘渣之問題等，因此在半導體製造過程中有逐漸以活性離子束蝕刻取代濕式蝕刻之趨勢。本實施例以感應耦合電漿活性離子蝕刻系統(ICP－RIE)進行乾式蝕刻，並以蝕刻參數分析的方法，藉由改變反應氣體(BCl3/Ar)流量、壓力、感應耦合電漿功率ICP(Inductively coupled plasma)及RF功率(即DC－bias偏壓)，找出它們和蝕刻速率、蝕刻選擇性、蝕刻方向性、蝕刻表面平整度以及光阻的影響，以得到最佳之蝕刻參數，蝕刻出n型通道17。

第5圖所示為第五製程步驟，係將n型通道17以金屬填滿，形成n型通道結構以及n電極18，使n型歐姆接觸層13與n電極18產生電性連結。同時於永久基板21之下方，形成一金屬層作為一p電極23。

利用上述之製程步驟所形成的垂直式發光二極體元件100，係一n電極朝上之垂直式發光二極體元件結構。此實施例係利用一n型通道17之設計，使得後續所形成的n電極18，可與n型歐姆接觸層13形成良好的歐姆接觸，而避免一般常因n電極與n型半導體層之歐姆接觸不良，而產生驅動電壓過高的情形。

本發明之另一實施例，係於形成如上所述之垂直式發光二極體元件100後，再於靠近n型半導體層121之出光面進行粗化，形成一凹凸不平的粗化表面，如此可以增加此發光元件的出光效率。

第6圖顯示依本發明第二實施例之水平式發光二極體元件200。本實施例之主要製程步驟大致與第一實施例相同，係利用一連接製程、基板移除製程與活性離子束蝕刻，所形成之水平式之發光二極體元件200，其結構如圗所示，詳細說明如下。

第二實施例所述之水平式發光二極體元件200，其結構由下而上依序包含：一永久基板21、一連接層22、一金屬反射層16、一介電層15、一透明導電層14、一發光疊層12(包含一n型半導體層121、一發光層122及一p型半導體層123)、一n型歐姆接觸層13與一p型歐姆接觸層31；接著，利用活性離子束蝕刻技術，形成一貫穿n型半導體層121之n型通道17，再以金屬填滿，形成n型通道結構以及n電極18，使n型歐姆接觸層13與n電極18產生電性連結。並且蝕刻形成另一貫穿半導體發光疊層12之一p型通道32，並以金屬填滿，形成p型通道結構以及p電極33，使p型歐姆接觸層31與p電極33產生電性連結。最後，於n型通道17與p型通道32之間，蝕刻形成一貫穿n型半導體層121與發光層122之阻隔通道34，以作為電性絕緣之用。透過上述n型通道17、p型通道32與阻隔通道34的設計，可以獲得一個具有良好歐姆接觸特性的水平式發光二極體結構。其中該永久基板為一具有散熱特性之基板，使得該發光二極體元件，可以獲得良好的散熱效果，增加元件壽命。

本發明之另一實施例，係形成如上所述之水平式發光二極體元件200後，再於靠近n型半導體層121之出光面進行粗化，形成一凹凸不平的粗化表面，如此可以增加此發光元件的出光效率。

本發明之再一實施例，係形成如上所述之水平式發光二極體元件200，其中介電層15含有色轉換材料如螢光粉(Phosphor)，且省去金屬反射層16，並使用一透明的連結層22與一透明的永久基板21；如此一來，可將發光疊層12所發出來的光，透過介電層15中之色轉換材料的色轉換，產生另一色光與原本的光進行混色，而經由透明的永久基板21出光。例如是一可發出藍色波長之發光疊層12，與一具有黃色螢光粉之介電層15組合搭配，便可以產生白光，而由透明的永久基板21出光。或者，亦可將上所述水平式發光二極體元件200之金屬反射層16，以一具有色轉換功能之色轉換層取代，並搭配一透明的連結層22與一透明的永久基板21，亦可以達成如上實施例所述效益，產生一混合的光，而經由透明的永久基板21出光。第7圖顯示依本發明之背光模組結構。其中背光模組裝置700包含：由本發明上述任意實施例之發光二極體元件711所構成的一光源裝置710；一光學裝置720置於光源裝置710之出光路徑上，將光做適當處理後出光；以及一電源供應系統730，提供上述光源裝置710所需之電源。

第8圖顯示依本發明之照明裝置結構。上述照明裝置800可以是車燈、街燈、手電筒、路燈、指示燈等等。其中照明裝置800包含：一光源裝置810，係由本發明上述之任意實施例的發光二極體元件811所構成；一電源供應系統820，提供光源裝置810所需之電源；以及一控制元件830控制電流輸入光源裝置810。

雖然發明已藉各實施例說明如上，然其並非用以限制本發明之範圍。對於本發明所作之各種修飾與變更，皆不脫本發明之精神與範圍。

100．．．垂直式發光二極體元件

11．．．成長基板

12．．．半導體發光疊層

121．．．n型半導體層

122．．．發光層

123．．．p型半導體層

13．．．n型歐姆接觸層

14．．．透明導電層

15．．．介電層

16．．．金屬反射層

17．．．n型通道

18．．．n電極

21．．．永久基板

22．．．連接層

200．．．水平式發光二極體元件

31．．．p型歐姆接觸層

32．．．p型通道

33．．．p電極

34．．．阻隔通道

背光模組裝置．．．700

光源裝置．．．710

發光二極體元件．．．711

光學裝置．．．720

照明裝置．．．800

光源裝置．．．810

發光二極體元件．．．811

電源供應系統．．．820

一控制元件．．．830

第1圖係本發明第一實施例之第一製程步驟的示意圖。

第2圖係本發明第一實施例之第二製程步驟的示意圖。

第3圖係本發明第一實施例之第三製程步驟的示意圖。

第4圖係本發明第一實施例之第四製程步驟的示意圖。

第5圖係本發明第一實施例之第五製程步驟的示意圖。

第6圖係本發明第二實施例之發光二極體結構圖。

第7圖係本發明之背光模組結構圖。

第8圖係本發明之照明裝置結構圖。

第9圖係一習知之發光二極體結構圖。

100．．．垂直式發光二極體元件

11．．．成長基板

12．．．半導體發光疊層

121．．．n型半導體層

122．．．發光層

123．．．p型半導體層

13．．．n型歐姆接觸層

14．．．透明導電層

15．．．介電層

16．．．金屬反射層

17．．．n型通道

18．．．n電極

21．．．永久基板

22．．．連接層

Claims (8)

1. 一種發光元件包含：一發光疊層，具有一第一導電型半導體層、一發光層與一第二導電型半導體層，其中於該第一導電型半導體層具有一第一通道結構，電性連結一第一導電型歐姆接觸層與一第一電極；一連接層用以連接該發光疊層與一導電基板，其中該第一電極與該連接層分別位於該發光疊層之二相對側。
2. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該導電基板為矽基板或銅基板。
3. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，更包含一第二電極形成於該第一導電型半導體層之上表面。
4. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，更包含一金屬反射層形成於該發光疊層與連接層之間。
5. 如申請專利範圍第4項所述之發光元件，更包含一透明導電層形成於該第二型半導體層與該金屬反射層之間。
6. 如申請專利範圍第5項所述之發光元件，其中該透明導電層為氧化銦錫。
7. 如申請專利範圍第4項所述之發光元件，更包含一介電層位於該金屬反射層與該第一電型半導體層之間。
8. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該第一導電型半導體層更具一粗化表面。