TWI427832B - 具鰭狀電極的發光二極體及其製造方法 - Google Patents

具鰭狀電極的發光二極體及其製造方法 Download PDF

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Chern Lin Chen
Chih Ming Lai
Lung Han Peng
Po Chun Yeh
Chang Pei Wang
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具鰭狀電極的發光二極體及其製造方法
本發明是有關於一種發光二極體及其製造方法，且特別是有關於一種具鰭狀電極的發光二極體及其製造方法。
眾所周知，氮鎵類的發光二極體可為GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN發光二極體。請參照第1圖，其所繪示為習知平面型(planar type)氮鎵類發光二極體結構示意圖。以GaN發光二極體為例，於藍寶石基板(sapphire substrate) 100形成磊晶層110。其中，磊晶層110包括依序堆疊的N型GaN層102、作用層(active layer)104、P型GaN層106。經過蝕刻製程後，在N型GaN層102上形成N型電極120；在P型GaN層106上形成P型電極130，即完成平面型氮鎵類發光二極體。
基本上，平面型氮鎵類發光二極體可進一步利用覆晶封裝技術(flip-chip package)完成覆晶發光二極體(flip chip LED)。
以350μm×350μm尺寸的習知平面型氮鎵類發光二極體為例，第2A圖為其電流密度-電壓(I-V)曲線示意圖；第2B圖為溫度與電流密度示意圖；第2C圖為其內部量子效率(internal quantum efficiency，IQE)與電流密度示意圖。
由於習知的平面型氮鎵類發光二極體的電流散佈(current spreading)效果不佳，並且由第2A圖的電流密度-電壓曲線斜率可知，習知的平面型氮鎵類發光二極體導通(turn on)時的微分電阻很大。因此，如第2B圖所示，習知的平面型氮鎵類發光二極體的溫度會隨著電流密度增加而快速上升。再者，由第2C圖可知，習知平面型氮鎵類發光二極體在電流密度約為300A/cm2 時，其內部量子效率已經降至50%。也就是說，當大電流均勻注入習知的平面型氮鎵類發光二極體時，會有輻射通量的光衰問題產生。
如第3圖所示，其為習知的非平面型氮鎵類發光二極體示意圖。為了要降低氮鎵類發光二極體的微分電阻，通常必須要調整磊晶層210中N型GaN層202、作用層204、P型GaN層206的組成，並且移除藍寶石基板。之後，將P型電極230形成於P型GaN層206的上表面；並且將N型電極220形成於N型GaN層202的下表面。
本發明的目的係提出一種運用於具鰭狀電極的氮鎵類發光二極體及其製造方法。利用鰭狀電極來作為散熱電極並且提高電流散佈效果以降低發光二極體導通時的微分電阻。
本發明提出一種發光二極體，包括：一磊晶層，該磊晶層包括一第一型半導體層、一作用層、與一第二型半導體層；複數個溝渠結構，形成於該第二半導體層的表面且該些溝渠結構的底表面係露出該第一型半導體層；一電氣阻絕結構形成於該些溝渠結構的側壁；一第一電極形成於該第二型半導體層的表面；以及，一第二電極，包括複數個埋入式電極以及一電極板；其中，該些埋入式電極形成於該些溝渠結構內的剩餘空間且接觸於該第一型半導體層，該電極板位於該些溝渠結構外並接觸於該些埋入式電極。
再者，本發明提出一種發光二極體的製造方法，包括下列步驟：提供一基板；於該基板上形成一磊晶層，該磊晶層包括一第一型半導體層形成於該基板上、一作用層覆蓋於該第一型半導體層、與一第二型半導體層覆蓋於該作用層；於該第二半導體層的表面形成複數個溝渠結構，且該些溝渠結構的底表面係露出該第一型半導體層；於該些溝渠結構的側壁形成一電氣阻絕結構；形成一第一電極接觸於該第二型半導體層的表面；以及，形成一第二電極；其中該第二電極包括複數個埋入式電極以及一電極板，該些埋入式電極形成於該些溝渠結構內的剩餘空間且接觸於該第一型半導體層，該電極板形成於該些溝渠結構外並接觸於該些埋入式電極。
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：
請參照第4A圖與第4B圖，其所繪示為本發明第一實施例具鰭狀電極的氮鎵類發光二極體側視圖以及上視圖。於藍寶石基板400上的磊晶層410上具有複數個溝渠結構(trench structure)。其中，磊晶層410包括依序堆疊的N型GaN層402、作用層404、P型GaN層406；而溝渠結構的底表面係露出N型GaN層402。
在溝渠結構側壁具有電氣阻絕結構(electric isolation structure)，而電氣阻絕結構包括一表面鈍化層(passivation layer)456以及一絕緣層(insulation layer)458。其中，利用光致氧化製程(photoelectrochemical oxidation process)、高溫氧化製程、原子層沈積製程(atomic layer deposition process)、或者化學氣相沉積製程(chemical vapor deposition process)，於該些溝渠結構的側壁先形成表面鈍化層(passivation layer)456，其材料係為(Alx Iny Gaz )2-δ O3 的一第一介電材質。其中，x+y+z=1，且0δ<1。再者，絕緣層(insulation layer)458覆蓋於表面鈍化層456，其材料係為SiO2 、HfO2 、Al2 O3 、Si3 N4 、或者Ta2 O5 的第二介電材質。
P型電極430形成於磊晶層410的P型GaN層406表面。而鰭狀N型電極420包括複數個N型埋入式電極以及一電極板(electrode plate)；其中，N型埋入式電極形成於溝渠結構內的剩餘空間並接觸於N型GaN層402的表面上，而電極板位於溝渠結構以及該P型電極430上方，接觸於該些N型埋入式電極，且不接觸於P型電極430。
由第4B圖可知，鰭狀N型電極420的電極板位於溝渠結構以及該P型電極430上方，接觸於該些N型埋入式電極。再者，根據本發明的實施例，溝渠結構的直徑或者寬度(A)約小於等於10μm，而溝渠結構之間的距離(B)約為20~50μm。
請參照第5A圖至第5F圖，其所繪示為本發明第一實施例發光二極體的製作流程示意圖。如第5A圖所示，於藍寶石基板400形成磊晶層410。而磊晶層410包括N型GaN層402、作用層404、P型GaN層406。接著，如第5B圖所示，磊晶層410上形成複數個溝渠結構，而溝渠結構的底部係露出N型GaN層402。
如第5C圖所示，利用光致氧化製程(photoelectrochemical oxidation process)、高溫氧化製程、原子層沈積製程(atomic layer deposition process)、或者化學氣相沉積製程(chemical vapor deposition process)，於該磊晶層410以及溝渠結構的表面形成表面鈍化層456。其中，表面鈍化層456的材料係為(Alx Iny Gaz )2-δ O3 的一第一介電材質。而x+y+z=1，且0δ<1。
如第5D圖所示，利用蝕刻製程移除部份表面鈍化層456，而剩下的表面鈍化層456係覆蓋於溝渠結構的側壁上。接著，於P型GaN層406上形成P型電極430。
如第5E圖所示，形成一絕緣層458覆蓋於P型電極430、P型GaN層406、表面鈍化層456、N型GaN層402。其中，絕緣層458的材料係為SiO2 、HfO2 、Al2 O3 、Si3 N4 、或者Ta2 O5 的第二介電材質。
如第5E圖所示，利用蝕刻製程移除部份絕緣層458，暴露出部份的P型電極430、N型GaN層402。接著，利用化學電鍍法或者原子層沈積法(atomic layer deposition)形成鰭狀N型電極420，接觸於N型GaN層402並覆蓋於絕緣層458上，並完成本發明第一實施例。其中，鰭狀N型電極420包括複數個N型埋入式電極以及一電極板；其中，N型埋入式電極形成於溝渠結構內的剩餘空間並接觸於N型GaN層402的表面上，而電極板位於溝渠結構以及該P型電極430上方，接觸於該些N型埋入式電極，且不接觸於P型電極430。
當然，在此領域的技術人員也可在完成第一實施例的發光二極體後，將藍寶石基板400移除，使得發光二極體的亮度更高。
請參照第6圖，其所繪示為本發明第二實施例具鰭狀電極的氮鎵類發光二極體側視圖。於藍寶石基板600上的磊晶層610上具有複數個溝渠結構。其中，磊晶層610包括依序堆疊的N型GaN層602、作用層604、P型GaN層606；而溝渠結構的底表面係露出N型GaN層602。
在溝渠結構側壁具有一電氣阻絕結構，而電氣阻絕結構包括一表面鈍化層656以及一絕緣層658。其中，表面鈍化層656以及一絕緣層658的材料與第一實施例相同，不再贅述。
P型電極630形成於磊晶層610的P型GaN層606表面。而鰭狀N型電極620包括複數個N型埋入式電極以及一電極板；其中，N型埋入式電極形成於溝渠結構內的剩餘空間並接觸於N型GaN層602的表面上，而電極板位於溝渠結構外，接觸於該些N型埋入式電極，且不接觸於P型電極630。同理，溝渠結構的直徑或者寬度約為10μm，而溝渠結構之間的距離約為20~50μm。
請參照第7A圖至第7D圖，其所繪示為本發明第二實施例發光二極體的製作流程示意圖。由於第7A圖與第5C圖相同，因此第7A圖之前的製作流程不再贅述。如第7A圖所示，於該磊晶層610以及溝渠結構的表面形成表面鈍化層656。接著，如第7B圖所示，利用蝕刻製程移除部份表面鈍化層656，而剩下的表面鈍化層656係覆蓋於溝渠結構的側壁上。接著，形成一絕緣層658覆蓋於P型GaN層606、表面鈍化層656、N型GaN層602。
如第7C圖所示，利用蝕刻製程移除部份絕緣層658，暴露出部份的P型GaN層606以及、N型GaN層602。接著，於暴露的P型GaN層606上形成P型電極630。
接著，如第7D圖所示利用化學電鍍法或者原子層沈積法(atomic layer deposition)形成鰭狀N型電極620，接觸於N型GaN層602並覆蓋於絕緣層658上，並完成本發明第二實施例。其中，鰭狀N型電極620包括複數個N型埋入式電極以及一電極板；其中，N型埋入式電極形成於溝渠結構內的剩餘空間並接觸於N型GaN層602的表面上，而電極板位於溝渠結構外，接觸於該些N型埋入式電極，且不接觸於P型電極630。
同理，在此領域的技術人員也可在完成第一實施例的發光二極體後，將藍寶石基板600移除，使得發光二極體的亮度更高。
請參照第8圖，其所繪示為本發明第三實施例具鰭狀電極的氮鎵類發光二極體側視圖。於藍寶石基板800上的磊晶層810上具有複數個溝渠結構。其中，磊晶層810包括依序堆疊的N型GaN層802、作用層804、P型GaN層806；而溝渠結構的底表面係露出N型GaN層802。
在溝渠結構側壁具有一電氣阻絕結構，而電氣阻絕結構包括一表面鈍化層856以及一絕緣層858。其中，表面鈍化層856以及一絕緣層858的材料與第一實施例相同，不再贅述。
P型電極830形成於磊晶層810的P型GaN層806表面。而鰭狀N型電極820包括複數個N型埋入式電極以及一電極板；其中，N型埋入式電極形成於溝渠結構內的剩餘空間並接觸於N型GaN層802的表面上，而電極板位於溝渠結構以及P型電極830上方，接觸於該些N型埋入式電極，且不接觸於P型電極830。同理，溝渠結構的直徑或者寬度約為10μm，而溝渠結構之間的距離約為20~50μm。本發明第三實施例之特徵係利用製造T型閘極(T gate)技術來製作鰭狀N型電極820的電極板，使得電極板與P型電極830不接觸。
請參照第9A圖至第9E圖，其所繪示為本發明第三實施例發光二極體的製作流程示意圖。由於第9A圖與第7B圖相同，因此第9A圖之前的製作流程不再贅述。如第9A圖所示，絕緣層858覆蓋於P型GaN層806、表面鈍化層856、N型GaN層802。
如第9B圖所示，利用蝕刻製程移除部份絕緣層858，暴露出部份的P型GaN層806以及、N型GaN層802。接著，於暴露的P型GaN層806上形成P型電極830。
如第9C圖，於P型電極830、絕緣層858、N型GaN層802上形成一第一光阻層862並利用一光阻層862定義一第一光阻圖形，其中第一光阻圖形係僅露出溝渠結構內的N型GaN層802。
如第9D圖，利用第二光阻層864覆蓋住部份的第一光阻層862，且該第二光阻圖形除了露出溝渠結構內的N型GaN層802外，更露出部份的第一光阻層862。
接著，如第9E圖所示，所示利用化學電鍍法或者原子層沈積法(atomic layer deposition)將N型金屬覆蓋於該N型GaN層802、第一光阻層862與第二光阻層864。之後，進行剝離製程(lift-off process)後即可形成鰭狀N型電極820，接觸於N型GaN層802，並完成本發明第三實施例。其中，鰭狀N型電極820包括複數個N型埋入式電極以及一電極板；其中，N型埋入式電極形成於溝渠結構內的剩餘空間並接觸於N型GaN層802的表面上，而電極板位於溝渠結構外，接觸於該些N型埋入式電極，且不接觸於P型電極830。
同理，在此領域的技術人員也可在完成第一實施例的發光二極體後，將藍寶石基板800移除，使得發光二極體的亮度更高。
請參照第10A其所繪示為本發明與習知平面型氮鎵類發光二極體的電流密度-電壓(I-V)曲線示意圖；第10B圖為本發明與習知平面型氮鎵類發光二極體溫度與電流密度示意圖；第10C圖為本發明與習知平面型氮鎵類發光二極體其內部量子效率與電流密度示意圖。其中，曲線I為第一實施例的特性曲線；曲線II為第二實施例的特性曲線；曲線III為第三實施例的特性曲線；曲線P為習知平面型氮鎵類發光二極體的特性曲線。
由第10A圖可知，本發明實施例中利用複數個埋入式電極接觸於N型GaN層，增進電流擴散效果。因此，相較於習知發光二極體，本發明可以有效地降低導通時的微分電阻。根據本發明的實施例，本發明的內部微分電阻最小可為習知二極體的微分電阻的1/10。
由第10B圖可知，當發光二極體的導通電阻降低時，大電流流過二極體內部時，其溫度變化較慢。並且，由於埋入式電極可視為鰭狀散熱單元，因此其溫度變化也較習知之二極體緩慢。
再者，由第10C圖可知，由於本發明利用複數個埋入式電極接觸於N型GaN層，因此其內部量子效率在大電流密度(700A/cm2 )時仍可維持在50%以上。亦即，當大電流均勻注入本發明的二極體時，可以有效地改善輻射通量的光衰問題。
由以上的說明可知，本發明係為一種具平面型氮鎵類發光二極體。此平面型氮鎵類發光二極體可進一步利用覆晶封裝技術(flip-chip package)完成覆晶發光二極體(flip chip LED)。並且，本發明的氮鎵類發光二極體具有較低的微分電阻、並有效地抑制發光二極體之溫度隨電流密度增加之問題。
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。
100．．．基板
102、202．．．N型GaN層
104、204．．．作用層
106、206．．．P型GaN層
110、210．．．磊晶層
120、220．．．N型電極
130、230．．．P型電極
400、600、800．．．基板
402、602、802．．．N型GaN層
404、604、804．．．作用層
406、606、806．．．P型GaN層
410、610、810．．．磊晶層
420、620、820．．．N型電極
430、630、830．．．P型電極
456、656、856．．．表面鈍化層
458、658、858．．．絕緣層
第1圖所繪示為習知平面型氮鎵類發光二極體結構示意圖。
第2A圖為習知平面型氮鎵類發光二極體的電流密度-電壓(I-V)曲線示意圖。
第2B圖為習知平面型氮鎵類發光二極體的溫度與電流密度示意圖。
第2C圖為習知平面型氮鎵類發光二極體的內部量子效率與電流密度示意圖。
第3圖所示為習知的非平面型氮鎵類發光二極體示意圖。
第4A圖與第4B圖所繪示為本發明第一實施例具鰭狀電極的氮鎵類發光二極體側視圖以及上視圖。
第5A圖至第5F圖所繪示為本發明第一實施例發光二極體的製作流程示意圖。
第6圖所繪示為本發明第二實施例具鰭狀電極的氮鎵類發光二極體側視圖。
第7A圖至第7D圖所繪示為本發明第二實施例發光二極體的製作流程示意圖。
第8圖繪示為本發明第三實施例具鰭狀電極的氮鎵類發光二極體側視圖。
第9A圖至第9E圖所繪示為本發明第三實施例發光二極體的製作流程示意圖。
第10A圖為本發明平面型氮鎵類發光二極體的電流密度-電壓(I-V)曲線示意圖。
第10B圖為本發明平面型氮鎵類發光二極體的溫度與電流密度示意圖。
第10C圖為本發明平面型氮鎵類發光二極體的內部量子效率與電流密度示意圖。
400．．．基板
402．．．N型GaN層
404．．．作用層
406．．．P型GaN層
410．．．磊晶層
420．．．N型電極
430．．．P型電極
456．．．表面鈍化層
458．．．絕緣層

Claims (18)

  1. 一種發光二極體，包括：一磊晶層，該磊晶層包括一第一型半導體層、一作用層、與一第二型半導體層；複數個溝渠結構，形成於該第二半導體層的表面且該些溝渠結構的底表面係露出該第一型半導體層；一電氣阻絕結構形成於該些溝渠結構的側壁；一第一電極形成於該第二型半導體層的表面；以及一第二電極，包括複數個埋入式電極以及一電極板；其中，該些埋入式電極形成於該些溝渠結構內的剩餘空間且接觸於該第一型半導體層，該電極板位於該些溝渠結構外並接觸於該些埋入式電極。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體，其中該些溝渠結構的寬度小於等於10μm，該些溝渠結構之間的距離約為在20μm至50μm之間。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體，其中該第一型半導體層與該第二型半導體層係為一N型半導體層與一P型半導體層。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體，其中該電氣阻絕結構包括：一表面鈍化層形成於該些溝渠結構的側壁表面；以及一絕緣層，覆蓋於該表面鈍化層；其中，該表面鈍化層係利用光致氧化製程、高溫氧化製程、原子層沈積製程、或者化學氣相沉積製程所產生。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之發光二極體，其中該表面鈍化層係為(Alx Iny Gaz )2-δ O3 的一第一介電材質，且x+y+z=1,0δ<1。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之發光二極體，其中該絕緣層係為SiO2 、HfO2 、Al2 O3 、Si3 N4 、或者Ta2 O5 的一第二介電材質。
  7. 如申請專利範圍第4項所述之發光二極體，其中該絕緣層更覆蓋於部份該第二型半導體層表面、以及部份該第一電極，該第二電極覆蓋於該絕緣層。
  8. 如申請專利範圍第4項所述之發光二極體，其中該絕緣層更覆蓋於部份該第二型半導體層表面，且該第二電極覆蓋於該絕緣層。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體，其中該發光二極體更包括一藍寶石基板接觸於該第一半導體層的表面。
  10. 一種發光二極體的製造方法，包括下列步驟：提供一基板；於該基板上形成一磊晶層，該磊晶層包括一第一型半導體層形成於該基板上、一作用層覆蓋於該第一型半導體層、與一第二型半導體層覆蓋於該作用層；於該第二半導體層的表面形成複數個溝渠結構，且該些溝渠結構的底表面係露出該第一型半導體層；於該些溝渠結構的側壁形成一電氣阻絕結構；形成一第一電極接觸於該第二型半導體層的表面；以及形成一第二電極；其中該第二電極包括複數個埋入式電極以及一電極板，該些埋入式電極形成於該些溝渠結構內的剩餘空間且接觸於該第一型半導體層，該電極板形成於該些溝渠結構外並接觸於該些埋入式電極。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之製造方法，其中該些溝渠結構的寬度小於等於10μm，該些溝渠結構之間的距離約為在20μm至50μm之間。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之製造方法，其中該第一型半導體層與該第二型半導體層係為一N型半導體層與一P型半導體層。
  13. 如申請專利範圍第10項所述之製造方法，其中該電氣阻絕結構包括：一表面鈍化層形成於該些溝渠結構的側壁表面；以及一絕緣層，覆蓋於該表面鈍化層；其中，該表面鈍化層係利用光致氧化製程、高溫氧化製程、原子層沈積製程、或者化學氣相沉積製程所產生。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之製造方法，其中該表面鈍化層係為(Alx Iny Gaz )2-δ O3 的一第一介電材質，且x+y+z=1,0δ<1。
  15. 如申請專利範圍第13項所述之製造方法，其中該絕緣層係為SiO2 、HfO2 、Al2 O3 、Si3 N4 、或者Ta2 O5 的一第二介電材質。
  16. 如申請專利範圍第13項所述之製造方法，其中該絕緣層更覆蓋於部份該第二型半導體層表面、以及部份該第一電極上，且該第二電極係覆蓋於該絕緣層。
  17. 如申請專利範圍第13項所述之製造方法，其中該絕緣層更覆蓋於部份該第二型半導體層表面，且該第二電極覆蓋於該絕緣層。
  18. 如申請專利範圍第9項所述之製造方法，其中更包括移除該基板。
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