TWI427822B - 發光二極體及其製作方法 - Google Patents

Description

發光二極體及其製作方法

本發明係關於一種發光元件及其製作方法，尤其係關於一種發光二極體的電極結構及其製作方法。

作為新時代綠色節能照明的優質光源，發光二極體憑藉其自身的種種優點而被越來越廣泛的應用。隨之而來，業界對大功率發光二極體的需求也越來越迫切，而所謂的大功率發光二極體通常是藉由加大發光二極體的尺寸以提供較大的發光面積而實現。這種大面積的發光二極體在提供較大的發光面積的同時也產生許多問題：首先，二極體面積的增大並不一定意味發光面積的增大；因為通常電流會選擇阻抗最低的路徑，導致發光區域會相對集中於一處而發光不均勻。另外，隨著面積增加，電流行經的路徑也會增加，所產生的熱量也會相應大幅增加；而大面積發光二極體在散熱方面又比較困難，如此不但會極大縮短發光二極體的使用壽命，而且會降低發光效率。

為解決上述問題，美國專利第6,307,218號提出一種具有平行電極的發光二極體7，如圖1、2所示。該發光二極體7是在一基板70上依次形成N型半導體層71、主動層72及P型半導體層73，然後藉由蝕刻及沈積等步驟產生分別呈梳狀圖案的N型電極710及P型電 極730。該N型電極710和P型電極730均呈梳狀(或手指狀)，相較於傳統的電極結構可改善電流分佈及主動層72的發光效率。然，梳狀電極其尖端部分易產生尖端放電而燒毀局部元件。另一方面，當N型電極710局部斷裂時，電流擁塞的狀況會非常嚴重，會過度驅動發光二極體7而使其失效。

另外，如圖3所示，台灣第I266,442號專利提出一種雙回路電極設計的發光二極體8，其N型電極81與P型電極82分別設計成環狀，而且位於內環的P型電極82的中間部分可鏤空以增加發光面積。但同時，也導致內環電極的電流路徑過長，電流幾乎不會流通至發光二極體8內部，降低發光面積利用率。

另一方面，傳統發光二極體的電極製作也存在一定的缺陷，不利於大功率發光二極體的製作。其一般需經下述步驟：在磊晶完成具有P型與N型半導體層以及主動層的發光二極體晶片上，先利用蝕刻方法移除一個面積的P型半導體層與主動層至N型半導體層；接著，在P、N型半導體層上利用電鍍或沈積方法形成一層透明電極並留下用於形成焊墊的孔穴；在該孔穴內製作金屬接點，用來與打線相接合，最後再經由熱處理而得到較佳的合金。若需要設計不同的電極圖案，則只要在光罩與蝕刻階段製作出所需的圖案，並在其上沈積金屬電極即可達到不同圖案設計的目的。該傳統方法使用ITO(氧化銦錫)來提高電流分佈，但因為ITO本身材料特性，不易與AlGaInN材料產生直接電接觸，需在ITO與P型半導體之間成長一層約50A厚度的P型半導體，且需要加一層漸變層以減少AlGaInN與GaN之間因電位不同而產生的電阻，因而增加制程困難度。另外若使用電流阻障層結構(Current Blocking)， 使電流不被局限在電極之下，但此種制程的光罩複雜度將會大幅提高且設計困難。

綜上所述，如何製作一種可靠且簡易的大功率發光二極體仍是業界的重點研究課題。

本發明係提供一種本發明提供一種發光二極體及其製作方法，適用於大功率發光二極體，而不會增加制程複雜度和工藝難度。

為解決上述問題，本發明提出下述技術方案：一種發光二極體及其製作方法，該發光二極體包含一基板、依次層疊於該基板上的一第一型半導體層、一主動層及一第二型半導體層。該第一型半導層與該第二型半導體層之間設置有一溝槽，一第一型電極設置於該溝槽並與該第一型半導體層接觸。一第二型電極設置於該第二型半導體層上方並與其接觸。該第一型電極與第二型電極之間阻隔有一介電材料層。

根據本發明一實施例，該溝槽是貫穿該第二型半導體層、主動層及該第一型半導體層大部。該溝槽側壁設有介電材料形成的間隙壁，該介電材料是由選自SiO、SiN、SiON、TaO、AlO、TiO、AlN、TiN。該介電材料層設置於該溝槽內，且位於第一型電極上方。該第一型電極呈網狀，該第二型電極呈梳狀或具有環狀分支電極；該兩電極的線寬為0.1-5um；選自Ti/Al、Ti/Au、Ti/Au/Al金屬材料。該第一、第二型電極進一步設有至少一焊墊，該第一型電極的焊墊設於該溝槽中相應位置與該第一型半導體層接觸，並凸伸於該溝槽外。該用於製作第一型電極的焊墊的溝槽的相應位置，其位於第二型半導體層、主動層及第一型半導體層靠近該 主動層部分的寬度較其其他部分的寬度寬，相應的間隙壁部分厚度加厚。在一實施例中，該第一型半導體層是N型半導體層，該第一型電極是N型電極；該第二型半導體層是P型半導體層，該第二型電極是P型電極。在另一實施例中，該第一型半導體層是P型半導體層，該第一型電極是P型電極；該第二型半導體層是N型半導體層，該第二型電極是N型電極。

根據本發明的另一實施例，在製作間隙壁時可使用具有方向性的沈積方法，生成N型電極時可使用剝離制程。而且在形成該第二型電極之前，先用化學機械研磨或其他拋光、研磨的技術平坦化該介電材料層表面。

本發明的發光二極體及其製作方法，其N型與P型電極中一者是埋入發光二極體內部，較習知技術中均設於發光二極體表面，電極可具有小線寬，減少遮光面積，因而提高光勻性和發光效率；同時兩電極均可設計具有迴圈回路，即使發生斷裂也不會損壞二極體；且未增加制程複雜度和工藝難度。

1、4‧‧‧發光二極體

2‧‧‧基板

3‧‧‧溝槽

7、8‧‧‧發光二極體

10‧‧‧N型半導體層

12‧‧‧主動層

14‧‧‧P型半導體層

16‧‧‧間隙壁

17‧‧‧光阻劑層

18‧‧‧介電材料層

70‧‧‧基板

71‧‧‧N型半導體層

72‧‧‧主動層

73‧‧‧P型半導體層

81‧‧‧N型電極

82‧‧‧P型電極

100、410‧‧‧N型電極

101‧‧‧N型電極焊墊

140、440‧‧‧P型電極

141‧‧‧P型電極焊墊

440‧‧‧P型電極

441‧‧‧分支電極

710‧‧‧N型電極

730‧‧‧P型電極

圖1係一習知發光二極體的俯視圖；圖2係沿圖1中A-A線截取的剖面圖；圖3係另一習知發光二極體的俯視圖；圖4係根據本發明一實施例的發光二極體的俯視圖；圖5A-5D係製作圖5E所示N-型電極與P型電極的流程示意圖；圖5E係沿圖4中BB線截取的剖面圖； 圖6係沿圖4中CC線截取的N型電極的焊墊的剖面圖；圖7A-7B係間隙壁制程剖面示意圖；圖8A-8C係剝離制程剖面示意圖；以及圖9係根據本發明另一實施例的發光二極體的俯視圖。

圖4所示，根據本發明一實施例的發光二極體1包含網狀的N型電極100與梳狀的P型電極140，且該N型電極100是埋於該發光二極體1內部，僅其相應的焊墊101凸伸於外，與P型電極140的焊墊141位於同一平面。

以下結合圖5A-5E，進一步說明該發光二極體1沿圖4中BB線截取的的結構形成與製作方法：首先，如圖5A所示，在一基板2上依次層疊一N型半導體層10、一主動層12及一P型半導體層14，依欲成型的N型電極圖案利用蝕刻技術自該P型半導體層14向該N型半導體層10蝕刻出一具有適當深度的溝槽3，並利用沈積方法在P型半導體層14表面與整個溝槽3內壁表面均勻覆蓋一層共形介電材料。該介電材料是具有良好的金屬離子阻擋能力，並與金屬有良好附著能力，例如SiO、SiN、SiON、TaO、AlO、TiO、AlN、TiN等。接著，如圖5B所示，蝕刻去除P型半導體層14表面與溝槽3底部的介電材料，從而在溝槽3側壁上形成間隙壁16。如圖5C所示，利用塗布技術上光阻劑、曝光顯影、沈積與蝕刻技術在溝槽3中沈積適當高度的金屬而形成N型電極100。該N型電極100的材料優選低電阻並能與N型半導體層3形成較佳歐姆接觸的金屬合金材料，例如Ti/Al、Ti/Au、 Ti/Au/Al等。如圖5D所示，再次利用沈積方法形成一介電材料層(Conformal Layer)18，該層18具有適當厚度可以阻隔N型電極100與主動層12、P型半導體層14及P型電極140(見圖5E)之間的直接導通，及形成電容效應；如此N型電極100即完成埋入發光二極體1內部的制程。如圖5E所示，接著蝕刻除去P型半導體層14表面的介電材料，利用微影、沈積與蝕刻制程製作P型電極140。且在布建P型電極140之前，可先用化學機械研磨(Chemical Mechanical Polish)或其他拋光(Polish)、研磨(Grounding )的技術使得層18表面平坦化。

對於N型電極100與P型電極140的焊墊101、141的製作，如圖6所示，N型電極焊墊101的製作方式與N型電極100的製作方式類似，主要差異是在成長金屬時，其必須在高度上填滿該溝槽3並超過一適當的距離，以與P型電極140的焊墊141在同一平面而使得金線能夠方便的焊接其上。在一實施例中，為防止N型電極101與P型電極141之間形成雜散電容，在蝕刻溝槽3時對應製作焊墊101的位置，其位於P型半導體層14、主動層12及N型半導體層10上方兩側部分較寬，以沈積更多介電材料而使相應的間隙壁16較厚而達到阻隔的目的。P型電極140的焊墊141製作與習知技術相同，不再贅述。

根據本發明的另一實施例，在製作間隙壁時也可採用具有方向性的沈積方法沈積介電材料。如圖7A所示，因為沈積具有方向性，因此在水平方向沈積較厚的介電材料，而在垂直方向沈積的介電材料則較薄，形成不規則厚度的薄層。接著，如圖7B所示，再利用乾式蝕刻方式，使得水平方向移除率大於垂直方向的移除率， 進而得到溝槽3側壁的間隙壁16，如此可以減少一道上光阻、微影的制程以降低成本。

根據本發明的又一實施例，電極的製作也可使用半導體制程中熟知的剝離(lift-off)制程來達到，以能夠減少制程步驟與降低成本。如圖8A所示，在製作完間隙壁16後，對不需要沈積金屬電極的部分塗布一光阻劑層17，只留下溝槽3底部。如圖8B所示，再利用化學或物理沈積法於晶片表面整體沈積一層金屬，其厚度約達到溝槽3深度的適當比例。如圖8C所示，最後把光阻的部分移除掉之後，不需要金屬的地方也隨之被剝離，只留下溝槽3中的金屬即形成N型電極100，此即為剝離制程。

該N型電極100與P型電極440的分佈圖案，可以利用不同的光罩圖案來滿足需要。如圖9所示，根據本發明的另一實施例的發光二極體4，其P型電極440的圖案也可設計成具有環狀分支電極441，其相較於梳狀電極，即使其中的一分支電極441發生斷裂，也不至於造成局部面積不發光而影響其發光效率。

以上僅以N型電極埋入發光二極體內部為例，P型電極埋入發光二極體內部時同樣適用。

本發明的發光二極體及其製作方法，由於一電極是埋入發光二極體內部，使得電流不會僅局限在焊墊下而被遮擋發光，且可獲得更細微的金屬導線的線寬(約0.1~5um，習知發光二極體的電極約5~25um)，可形成網狀或其他任意不會阻擋光線的電極形狀。較習知技術可獲得更高的光均性和發光效率；即使N型或P型電極斷裂也不會影響整體性能；且未增加制程複雜度和工藝的難度，易於實施。

本發明之技術內容及技術特點已揭示如上，然而熟悉本項技術之人士仍可能基於本發明之教示及揭示而作種種不背離本發明精神之替換及修飾。因此，本發明之保護範圍應不限於實施例所揭示者，而應包括各種不背離本發明之替換及修飾，並為以下之申請專利範圍所涵蓋。

1‧‧‧薄膜基板

100‧‧‧N型電極

101‧‧‧N型電極焊墊

140‧‧‧P型電極

141‧‧‧P型電極焊墊

Claims (18)

1. 一種發光二極體，包含：一基板；一第一型半導體層，覆蓋於於該基板上；一主動層，覆蓋於該第一型半導體層；一第二型半導體層，覆蓋於該主動層，其中該第一型半導層與該第二型半導體層之間設置有一沿著發光二極體竪直方向延伸的溝槽；一第一型電極，設置於該溝槽並與該第一型半導體層接觸；一第二型電極設置於該第二型半導體層上方並與其接觸；以及一介電材料層，該介電材料層設置於溝槽內，且位於該第一型電極上方以在該第一型電極與第二型電極之間形成阻隔。
2. 根據請求項1之發光二極體，其中該溝槽是自上向下依次貫穿該第二型半導體層、該主動層，並貫穿至該第一型半導體層的內部。
3. 根據請求項1之發光二極體，其中該溝槽側壁設有介電材料形成的間隙壁，該介電材料是由選自SiO、SiN、SiON、TaO、AlO、TiO、AlN、TiN。
4. 根據請求項1之發光二極體，其中該第一型電極呈網狀，該第二型電極呈梳狀或具有環狀分支電極；該兩電極的線寬為0.1-5um。
5. 根據請求項1之發光二極體，其中該第一、第二型電極是金屬材料，係選自Ti/Al、Ti/Au、Ti/Au/Al。
6. 根據請求項1之發光二極體，其中該第一、第二型電極進一步設有至少一焊墊，該第一型電極的焊墊設於該溝槽中相應位置與該第一型半導體層接觸，並凸伸於該溝槽外。
7. 根據請求項6之發光二極體，其中該用於製作第一型電極的焊墊的溝槽的 相應位置，其位於第二型半導體層、主動層及第一型半導體層靠近該主動層部分的寬度較其其他部分的寬度寬，相應的間隙壁部分厚度加厚。
8. 根據請求項1至7中任一項之發光二極體，其中該第一型半導體層是N型半導體層，該第一型電極是N型電極；該第二型半導體層是P型半導體層，該第二型電極是P型電極。
9. 根據請求項1至7中任一項之發光二極體，其中該第一型半導體層是P型半導體層，該第一型電極是P型電極；該第二型半導體層是N型半導體層，該第二型電極是N型電極。
10. 一種製作發光二極體之方法，包含以下步驟：在一基板上依次形成一第一型半導體層、一主動層及一第二型半導體層；自該第二型半導體層向該第一型半導體層蝕刻出一溝槽，並在溝槽側壁形成間隙壁；、在該溝槽內形成與第一型半導體接觸的第一型電極，並在該第一型電極上形成一介電材料層；以及於該第二型半導體上形成與其接觸的第二型電極，其中在該溝槽側壁形成間隙壁的步驟包含：在該第二型半導體層表面與整個溝槽內壁表面沈積一層介電材料；再蝕刻去除該第二型半導體層表面與該溝槽底部的介電材料。
11. 根據請求項10之製作發光二極體之方法，其中使用方向性沈積方法沈積該層介電材料，然後使用乾式蝕刻使沈積較厚方向的移除率大於沈積較薄方向的移除率。
12. 根據請求項10之製作發光二極體之方法，其中該介電材料選自SiO、SiN、SiON、TaO、AlO、TiO、AlN、TiN。
13. 根據請求項10之製作發光二極體之方法，其中使用剝離方法在該溝槽內 形成與第一型半導體接觸的第一型電極。
14. 根據請求項10之製作發光二極體之方法，其中在形成該第二型電極之前，先用化學機械研磨或其他拋光、研磨的技術平坦化該介電材料層表面。
15. 根據請求項10之製作發光二極體之方法，其進一步包含製作第一型電極與第二型電極的焊墊的步驟。
16. 根據請求項15之製作發光二極體之方法，其中製作該第一型電極的焊墊的步驟為：在該溝槽中相應位置沈積金屬，使其與該第一型半導體層接觸並凸伸於該溝槽外。
17. 根據請求項10至16中任一項之製作發光二極體之方法，其中該第一型半導體層是N型半導體層，該第一型電極是N型電極；該第二型半導體層是P型半導體層，該第二型電極是P型電極。
18. 根據請求項10至16中任一項之製作發光二極體之方法，其中該第一型半導體層是P型半導體層，該第一型電極是P型電極；該第二型半導體層是N型半導體層，該第二型電極是N型電極。