TWI425663B - 垂直結構之紫外光發光二極體晶片及其製造方法 - Google Patents

Description

垂直結構之紫外光發光二極體晶片及其製造方法

本發明涉及一種垂直結構之發光二極體晶片，特別係指一種垂直結構之紫外光發光二極體晶片及其製造方法。

垂直結構之發光二極體晶片包括一導電基板及依次堆疊於導電基板上之P型半導體層、半導體激發層及N型半導體層。由於導電基板與P型半導體層之熱膨脹係數差異較大，在N型半導體層上無法藉由高溫回火生長電流擴散層。因此，電流無法流至發光二極體晶片之邊緣，造成發光面積之損失和浪費，致使發光二極體晶片之發光效率降低。

本發明旨在提供一種提升發光效率之垂直結構之紫外光發光二極體晶片及其製造方法。

一種垂直結構之紫外光發光二極體晶片，其包括導電基板及依次堆疊於該導電基板之一個表面之P型半導體層、半導體激發層及N型半導體層，所述導電基板與P型半導體層之間設置反射層，所述發光二極體晶片還包括光路轉換層，該光路轉換層位於該發光二極體晶片之電流擴散區域之外並藉由間隙與半導體激發層隔開，半導體激發層側向發出之光線經過反射層之反射後射入該光路轉換層內，該光路轉換層對光線進行會聚。

一種垂直結構之紫外光發光二極體晶片之製造方法，包括如下步驟：

1）提供一絕緣基板，在該絕緣基板上依次生長N型半導體層、半導體激發層及P型半導體層；

2)利用晶圓結合技術將導電基板與P型半導體層結合，並在導電基板與P型半導體層之間形成反射層；

3)利用鐳射剝離（Laser Lift-Off）技術將所述絕緣基板與N型半導體層分離；

4)在電流擴散區域之外，蝕刻N型半導體層、半導體激發層及P型半導體層形成複數不連續之溝槽，溝槽外側形成光路轉換層。

上述發光二極體晶片中，在保證不影響發光二極體晶片之電流擴散之情況下，充分利用在電流擴散區域之外之區域對半導體激發層發出之光線進行會聚，提升整個發光二極體晶片之出光效率。

以下將結合附圖對本發明作進一步之詳細說明。

圖1示出了本發明之一實施例之垂直結構之紫外光發光二極體晶片。該垂直結構之紫外光發光二極體晶片包括一導電基板10、一設置於導電基板10上表面之反射層50、一堆疊於反射層50上表面之磊晶層及一設置於磊晶層上之電極60。該磊晶層包括依次堆疊於反射層50上之一P型半導體層20、一半導體激發層30及一N型半導體層40。反射層50用以反射由半導體激發層30發出之光線。P型半導體層20及N型半導體層40用於提供流動之電子/空穴，使電子與空穴能在介於P型半導體層20及N型半導體層40之間之半導體激發層30相結合而向四周輻射出光子。

在本實施例中，導電基板10可由氮化鎵(GaN)基板、碳化矽(SiC)、矽(Si)、銅(Cu)、鎢化銅(CuW)等導電材質所製成。

在本實施例中，N型半導體層40可為N型氮化鋁鎵層或N型氮化鎵層，因為氮化鋁鎵對紫外光之吸收較小，所以本實施例中之N型半導體層40優選為N型氮化鋁鎵層。本實施例中之P型半導體層20為P型氮化鎵層。本實施例中之半導體激發層30可為單量子阱或多量子阱層。

在本實施例中，反射層50可為鋁（Al）、銀（Ag）、金（Au）、鎳（Ni）中之一種材料或者鋁（Al）、銀（Ag）、金（Au）、鎳（Ni）中之任意兩種或者兩種以上材料之合金。

在本實施例中，電極60為圓形。在其他實施例中，電極60可為其他形狀，例如，方形。

請同時參閱圖2，所述發光二極體晶片在電極60之周圍開設有複數溝槽70。該等溝槽70在電極60之周圍呈不連續分佈。在本實施例中，該等溝槽70位於電極60周圍之同一個圓周內，也就是說，該等溝槽70共同圍成一個不連續之圓圈。在其他實施例中，該等溝槽70在電極60外形成之形狀可為其他形狀，例如方形、橢圓形，只要保證該等溝槽70開設之後，溝槽70外側之磊晶層與溝槽70內側磊晶層藉由兩相鄰溝槽70之間之部分（如圖2所示之長度為L之部分）而仍然保持電連接關係。在本實施例中，每一溝槽70由發光二極體晶片之頂面延伸至所述反射層50之頂面。每一溝槽70之外側對應形成有一光路轉換層80。每一溝槽70作為間隙將該光路轉換層80與半導體激發層30分隔開。該光路轉換層80與磊晶層之結構相同。該光路轉換層80會聚半導體激發層30側向發出之光線。如圖1所示，溝槽70內側之磊晶層之側向發出之光線投射到反射層50上，經過反射層50之反射後進入該光路轉換層80內，經過光路轉換層80之反射、折射將光線會聚至發光二極體晶片之上方。

由於導電基板10與P型半導體層20之熱膨脹係數差異較大，在N型半導體層40上無法藉由高溫回火生長電流擴散層。因此，所述發光二極體晶片會形成一電流擴散區域90。該電流擴散區域90之面積小於N型半導體層40與電極60之面積差。在該電流擴散區域90內，電子與空穴在半導體激發層30相結合而輻射出光子。在電流擴散區域90之外，極少數電子與空穴在半導體激發層30結合而輻射出光子。所述溝槽70開設於該電流擴散區域90之外，使得溝槽70對電流之分佈沒有影響或影響不大。藉由實驗驗證，由於在N型半導體層40上無法生長電流擴散層，且紫外光之發光二極體晶片所用之N型氮化鋁鎵層之阻值較高，所以電流擴散區域90之範圍相對較小。以長度與寬度均為300um之垂直結構之紫外光發光二極體晶片為例，該發光二極體晶片之電流擴散區域90為距離電極60之外緣90um之面積內，也就是說，在與電極60外緣距離大於90um之外，電流密度急劇下降至原來之電流密度之0.36倍。因此，在電流擴散區域90之外，發光二極體晶片之發光效率很差。在電流擴散區域90之外開設溝槽70，在不影響發光二極體晶片之主要發光區域下，充分利用電流擴散區域90之外之區域。

在本實施例中，所述電極60為圓形，電流擴散區域90大致為一圓環形區域。在其他實施例中，當電極60為方形時，電流擴散區域90為方環狀。總之，電流擴散區域90之週邊與電極60之外緣形狀相一致。

以長度與寬度均為300um之垂直結構之紫外光發光二極體晶片為例，兩相鄰溝槽70之間之部分沿周向長度L取值為10um~50um，溝槽70沿徑向寬度d取值為1um~20um。

所述溝槽70開設於該電流擴散區域90之外且溝槽70呈不連續發佈，使得兩相鄰溝槽70之間之部分（如圖2所示之長度為L之部分）附近之電流集中於此，提高光路轉換層80之發光效率，進而提高整個發光二極體晶片之發光效率。

本實施例在保證不影響發光二極體晶片之電流擴散之情況下，充分利用在電流擴散區域90之外之區域對半導體激發層30發出之光線進行會聚，提升整個發光二極體晶片之出光效率。本實施例之提升出光效率之效果對於採用銅(Cu)基板或鎢化銅(CuW)基板之垂直結構之紫外光發光二極體晶片尤為顯著。

請同時參閱圖3，本發明同時還提供一種製造上述發光二極體晶片之方法，包括以下步驟：

a) 提供一絕緣基板，在該絕緣基板上生長一磊晶層，該磊晶層包括依次堆疊於該絕緣基板上之N型半導體層40、一半導體激發層30及一P型半導體層20；

b) 在P型半導體層20上蒸鍍反射層50；

c) 利用電鍍或晶圓結合技術將一導電基板10與反射層50結合；

d) 利用鐳射剝離（Laser Lift-Off）技術將絕緣基板與N型半導體層40分離；

e) 在電流擴散區域之外，自磊晶層之遠離該導電基板10之表面向該導電基板10之方向上蝕刻磊晶層而形成複數不連續之溝槽70，磊晶層位於每一溝槽70外之部分形成一光路轉換層80，該溝槽70將光路轉換層80與電流擴散區域90內之磊晶層分隔開；

上述步驟還包括在步驟d)與步驟e)之間增加在磊晶層之遠離導電基板10之表面（即N型半導體層40之表面）上蒸鍍電極60之過程。

上述步驟b)和c)可以合二為一成為步驟a’) 利用晶圓結合技術將一導電基板10與磊晶層之P型半導體層20結合，其中之結合材料(bonding material)與反射層50之材料相同，從而在導電基板10與P型半導體層20之間形成反射層50。

可以理解之是，對於本領域之普通技術人員來說，可以根據本發明之技術構思做出其他各種相應之改變與變形，而所有該等改變與變形都應屬於本發明申請專利之保護範圍。

10‧‧‧導電基板

20‧‧‧P型半導體層

30‧‧‧半導體激發層

40‧‧‧N型半導體層

50‧‧‧反射層

60‧‧‧電極

70‧‧‧溝槽

80‧‧‧光路轉換層

90‧‧‧電流擴散區域

圖1為本發明一實施例之垂直結構之紫外光發光二極體晶片之剖面圖。

圖2為圖1之垂直結構之紫外光發光二極體晶片之俯視圖。

圖3為製造本發明一實施例之垂直結構之紫外光發光二極體晶片之流程。

10‧‧‧導電基板

20‧‧‧P型半導體層

30‧‧‧半導體激發層

40‧‧‧N型半導體層

50‧‧‧反射層

60‧‧‧電極

70‧‧‧溝槽

80‧‧‧光路轉換層

Claims (10)

1. 一種垂直結構之紫外光發光二極體晶片，其包括導電基板及依次堆疊於該導電基板之一個表面之P型半導體層、半導體激發層及N型半導體層，其改良在於：所述導電基板與P型半導體層之間設置反射層，所述發光二極體晶片還包括光路轉換層，該光路轉換層位於該發光二極體晶片之電流擴散區域之外並藉由間隙與半導體激發層隔開，半導體激發層側向發出之光線經過反射層之反射後射入該光路轉換層內，該光路轉換層對光線進行會聚。
2. 如申請專利範圍第1項所述之垂直結構之紫外光發光二極體晶片，其中所述發光二極體晶片還包括一堆疊於N型半導體層上方之一電極，所述光路轉換層是藉由圍繞於該電極周圍之溝槽與所述半導體激發層相互分隔。
3. 如申請專利範圍第2項所述之垂直結構之紫外光發光二極體晶片，其中所述溝槽在所述電極之周圍呈不連續分佈。
4. 如申請專利範圍第3項所述之垂直結構之紫外光發光二極體晶片，其中所述溝槽在圍繞於所述電極周圍之同一個圓周內呈不連續分佈。
5. 如申請專利範圍第2項所述之垂直結構之紫外光發光二極體晶片，其中所述溝槽是藉由蝕刻所述N型半導體層、半導體激發層及P型半導體層而成，所述溝槽之外側形成所述光路轉換層。
6. 如申請專利範圍第1項至第5項任意一項所述之垂直結構之紫外光發光二極體晶片，其中所述導電基板為銅基板或鎢化銅基板。
7. 如申請專利範圍第6項所述之垂直結構之紫外光發光二極體晶片，其中所述反射層為鋁、銀、金、鎳中之一種材料或者鋁、銀、金、鎳中之兩種或兩種以上材料之合金。
8. 如申請專利範圍第6項所述之垂直結構之紫外光發光二極體晶片，其中所述N型半導體層為N型氮化鋁鎵層。
9. 一種垂直結構之紫外光發光二極體晶片之製造方法，包括如下步驟：
   步驟1，提供一絕緣基板，在該絕緣基板上依次生長N型半導體層、半導體激發層及P型半導體層；
   步驟2，利用晶圓結合技術將導電基板與P型半導體層結合，並在導電基板與P型半導體層之間形成反射層；
   步驟3，利用鐳射剝離技術將所述絕緣基板與N型半導體層分離；
   步驟4，在電流擴散區域之外，蝕刻N型半導體層、半導體激發層及P型半導體層形成複數不連續之溝槽，溝槽外側形成光路轉換層。
10. 如申請專利範圍第9項所述之垂直結構之紫外光發光二極體晶片之製造方法，其中步驟2中分為兩個步驟a和b，其中步驟a為在P型半導體層上蒸鍍反射層；步驟b為利用電鍍或晶圓結合技術將導電基板與反射層結合。