TWI446588B - 具有疊合透明電極之半導體發光裝置 - Google Patents

Description

具有疊合透明電極之半導體發光裝置

本發明係關於一種半導體發光裝置，尤其關於一種具有疊合透明電極之半導體發光裝置。

發光二極體(light emitting diode；LED)的結構設計中一個重要的課題是如何將來自於銲墊(bonding pad)之電流均勻地分散至p-n接面(p-n junction)以獲得良好之發光效率。習知技術，諸如：半導體窗戶層、導電透光氧化物膜、與圖案化電極等皆已被使用於提昇電流分散效果。

GaP窗戶層係通常使用於AlGaInP系列之發光二極體。GaP之能隙(Eg)為2.26eV，對於紅光、橘光、黃光、與部分綠光頻譜呈現透明，且GaP係為間接能隙半導體，較直接能隙半導體不會吸光。但GaP層需成長至足夠厚度，例如：2μm~30μm，才能達到可接受之分散效果，而較厚之GaP窗戶層通常呈現出較佳之電流分散效果。然而，成長愈厚之窗戶層亦將耗費更多的製程時間。

導電透光氧化物，諸如：氧化銦錫(ITO)、氧化鎘錫(CTO)、與氧化銦(InO)等，亦使用於提高電流分散效果。以氧化銦錫為例，其對於500 nm~800nm波長之光具有約90%之穿透率(transmittance)，其電阻率(resistivity)約為3×10-4Ω-cm，片電阻(sheet resistance)約為10Ω/□。一般而言，對於小型晶粒，厚度介於0.1μm~1μm之氧化銦錫即可達到令人滿意的電流分散效果。利用習知之半導體製程技術，如：濺鍍法(sputtering)、電子束蒸鍍法(electron beam evaporation)等方式可以在短時間內形成所需之厚度。然而，隨著發光二極體晶粒面積日益增大(如15×15mil以上)以及矩形晶粒的發展，導電透光氧化物之電流分散能力也漸顯不足。

圖案化電極亦是另一種常用來提高電流分散效果的方法。此方法係將電極自接點向外延伸、p與n電極彼此交叉錯合、或於接點周圍形成點狀、網狀電極或其他圖案以期電流可以透過此圖案化電極均勻分散於至p-n接面。為形成圖案化電極，通常需要將電極材料覆蓋於更多發光二極體之上表面。但是，圖案化電極使用之材料通常係為遮光金屬，因此會大幅影響發光二極體之發光效率。

本申請案提供一種可以分散輸入電流以提高發光效率之半導體發光裝置。

於依本發明之一實施例中，所揭露之半導體發光裝置包含基板、位於基板上方並具有遠離基板之外表面之半導體磊晶層、位於外表面上方之第一透光導電層、及位於第一透光導電層之第一表面上方之第二透光導電層，其中第二透光導電層與第一透光導電層相接觸之面積係小於第一透光導電層第一表面之總面積。

較佳地，第二透光導電層與第一透光導電層之表面面積比值係不大於1/2。第一透光導電層與第二透光導電層之材料係包含相同或近似之組成元素。半導體發光裝置之面積係不小於15×15mil。

於數個實施例中，第一透光導電層係覆蓋外表面之全部面積或部分面積。對於來自半導體磊晶層之光，第一透光導電層之穿透率係大於第二透光導電層之穿透率。第一透光導電層之導電係數係小於第二透光導電層之導電係數。第一透光導電層之厚度係大於第二透光導電層之厚度。第二透光導電層係包含複數個彼此電連接之區段。

於另一實施例中，半導體發光裝置更包含凹槽及一接觸層，其中，凹槽係自半導體磊晶層之表面凹陷至一底面以暴露出半導體磊晶層中之一層或半導體磊晶層中至少一層之一部份，且自半導體磊晶層之一第一側延伸至一相對於第一側之第二側，該接觸層係位於該凹槽內，並具有一位於該底面上之延伸區段。於一變形例中，第一透光導電層與第二透光導電層至少其一係環繞該凹槽。此外，半導體發光裝置更可包含與第二透光導電層電連接之一接點。

於再一實施例中，半導體磊晶層係包含第一型半導體層、第二型半導體層、及位於第一型半導體層與第二型半導體層間之發光層。

以下配合圖式說明本發明之實施例，本文中所稱之「層」係包含單層或二層以上相同或不同材料組成之層結構。各層係可以直接或間接接觸。

第一實施例

如第1A圖所示，本發明之半導體發光裝置10包含電極15、基板11、半導體磊晶層12、第一透光導電層1301、第二透光導電層1302、與接點14。半導體磊晶層12中至少包含第一型半導體層1201、第二型半導體層1203、與位於其間之發光層1202。第一型半導體層1201與第二型半導體層1203二者所具有的電性並不相同，，可以是如p型、n型、與i型中至少其二。於雙異質結構(double heterostructure；DH)中，第一型半導體層1201與第二型半導體層1203係具有大於發光層1202之能階。當半導體磊晶層12承受一偏壓時，電子與電洞會在發光層1202及/或其附近結合而釋放光線。

本發明中，於半導體磊晶層12上依序形成第一透光導電層1301與第二透光導電層1302。第一透光導電層1301係覆蓋半導體磊晶層12上表面之全部區域或部分區域。第二透光導電層1302則僅覆蓋第一透光導電層1301上表面之部分區域，亦即，第二透光導電層1302之面積係小於第一透光導電層1301之面積。本實施例中，雖僅例示二層透光導電層，但超過二層具有漸縮面積之透光導電疊層亦為適用於本發明。

於一較佳實施例中，第一透光導電層1301與第二透光導電層1302係為具有相異之電學及/或光學性質之相同材料所形成，但此材料中組成元素之成分或分量可以彼此相異，以使第一透光導電層1301之電阻率與穿透率大於第二透光導電層1302之電阻率與穿透率。

第二透光導電層1302必須具有適當之電阻率，使電流能夠分散至其下具有較大面積之第一透光導電層1301。第一透光導電層1301之片電阻或電阻率係大於第二透光導電層1302之片電阻/電阻率。第二透光導電層1302功用之一係在保持適當穿透率之情況下，使電流可以往遠離接點14之方向流動，在此前提下，第二透光導電層1302之材料組成、厚度、與佈局可以視需要進行調整。

電流經由接點14流入第二透光導電層1302，並經第二透光導電層1302流入第一透光導電層1301，再經由第一透光導電層1301流入半導體磊晶層12中。電流經由二個透光導電層協力向四周流動，可有效降低電流擁擠效應(current crowding)。發光層1202中因更全面的光電轉換表現而獲得均勻且有效利用之發光區域。

第1B圖係例示第1A圖中半導體發光裝置10之上視圖。視圖中，自接點14、第二透光導電層1302、至第一透光導電層1301之面積係逐漸增大，在適當搭配此三層之厚度、片電阻、與/及電阻率後，來自於接點14之電流漸層地向外及向下流動，使得電流可以分散至發光層1202中。

於一實施例中，第一透光導電層1301與第二透光導電層1302之形成材料皆為ITO，但此二層之ITO中所含之In、O、或Sn至少其一之成分比彼此並不相同，或者此二層ITO係以不同之製程條件形成，例如使用濺鍍法形成第一透光導電層1301，而使用電子束蒸鍍法形成第二透光導電層1302，反之亦可。較佳地，第一透光導電層1301之ITO具有較高之透光率，例如90%、80%、70%、或60%以上，而第二透光導電層1302之ITO具有較低之穿透率，例如50%以下，但具有較低之電阻率。如此，可以獲致一個具有適當光學與電學效能(例如：穿透率與電阻)之發光裝置。

於一實施例中，第一透光導電層1301與第二透光導電層1302亦可分別以ITO與Ni/Au或Au等金屬形成。為使金屬同時具有適當之穿透率與電阻率，其厚度需維持於0.005μm~0.2μm。於另一實施例中，第二透光導電層1302之厚度係小於於第一透光導電層1301之表面粗糙度Ra，然而，於製程容許範圍內，第二透光導電層1302之厚度亦可大於第一透光導電層1301之表面粗糙度Ra。由於薄金屬層之電阻率小於ITO之電阻率，因此，可以協助電流於ITO層擴散且又不會遮蔽過量光線。

於一實施例中，第一透光導電層1301與第二透光導電層1302至少其一之全部或部份區域對於發光層1202所發出光係成呈現透明或具有50%以上之穿透率，且第一透光導電層1301具有高於第二透光導電層1302之穿透率。單一透光導電層亦可以為二個或多個具有不同穿透率之部分所組成。為了使電流在第二透光導電層1302中有較佳之電流分散特性，必須降低第二透光導電層1302之電阻率，同時，第二透光導電層1302必須盡可能不吸收來自於發光層1202之光。於另一實施例中，透光率較高之第一透光導電層1301之厚度大於電阻率較低之第二透光導電層1302之厚度，然本發明並不限於此，二透光導電層之厚度組合係配合其使用材料之特性。

上述實施例中，基板11之材料係包含但不限於SiC、GaAs、AlGaAs、GaAsP、ZnSe、III族氮化物(例如GaN)、藍寶石(sapphire)、Si、或玻璃。第一型半導體層1201與第二型半導體層1203之材料係包含但不限於AlGaInP系列或III族氮化物系列。發光層1202之結構係包含但不限於單異質結構(single heterostructure；SH)、雙異質結構(double heterostructure；DH)、雙側雙異質結構(double-side double heterostructure；DDH)、單量子井(single quantum well；SQW)、或多層量子井(multi-quantum well；MQW)。

第一透光導電層1301之材料係包含但不限於ITO、IZO、ZnO、CTO、In₂ O₃ 、SnO₂ 、MgO、CdO、及其他透明金屬氧化物。第二透光導電層1302之材料係包含但不限於ITO、IZO、ZnO、CTO、In₂ O₃ 、SnO₂ 、MgO、CdO、及其他透明金屬氧化物。第二透光導電層1302之材料係包含但不限於Au、Ni、Ti、In、Pt、Al、Cr、Rh、Ir、Co、Zr、Hf、V、Nb、前述材料之合金、或其他具有可接受光電特性之金屬。第二透光導電層1302包含疊層。

第二實施例

參考第2圖，依本發明另一實施例之半導體發光裝置20包含基板21、半導體磊晶層22、第一透光導電層2301、第二透光導電層2302、第一接點24、與第二接點25，其中第一接點24與第二接點25係位於基板21之同側。半導體磊晶層22至少包含第一型半導體層2201、第二型半導體層2203、與位於其間之發光層2202。

於本實施例中，經由第一接點24輸入之電流首先流入第二透光導電層2302，並經由第二透光導電層2302流入第一透光導電層2301，再經由第一透光導電層2301流入半導體磊晶層22中。電流經由二個透光導電層協力向四周流動，可以提升發光效率。

本實施例中之半導體發光裝置20使用之材料，以及第一透光導電層2301與第二透光導電層2302間之關係可以參考第一實施例中敘述。此外，第二接點25與第一型半導體層2201間亦可以採用與第一透光導電層2301與第二透光導電層2302相似之結構或設計原則以增進電流分散之效果。

本發明之第一透光導電層與第二透光導電層之設計可以有以下變形，然而，以下實施例並不用以限制本發明，任何適當之配置方式皆可以與本發明之概念結合應用之。

第三實施例

第3A與第3B圖係顯示半導體發光裝置10之第一透光導電層1301與第二透光導電層1302之上視圖。此二視圖中，第二透光導電層1302係形成於第一透光導電層1301之上，且其面積係小於第一透光導電層1301之面積。

本實施例中，第二透光導電層1302係包含環繞區段1304與穿越區段1303。如第3A圖所示，環繞區段1304係包含二個環狀區段，其係環繞接點14。穿越區段1303係自接點14向外延伸並穿過靠近接點14之第一個環狀區段，直抵遠離接點14之第二個環狀區段。此些區段間係彼此電連接以傳導電流，而不以實體連接為必要。來自接點14之電流經穿越區段1303向外分散並流向第一環狀區段與第二環狀區段。電流再經二個環狀區段分散至更廣的區域。

本實施例中，環繞區段1304與穿越區段1303並不限於圖式或文中之數目。環繞區段亦可以如三角形、四邊形、五邊形、六邊形等多邊形之區段取代。如第3B圖所示，環繞區段1304係包含二個四邊形。穿越區段1303可以貫穿或不貫穿環繞區段1304。環繞區段1304可以輻射對稱(radial symmetry)或左右對稱(bilateral symmetry)接點14。接點14亦可以位於環繞區段1304中任何位置。

穿越區段與環繞區段必須具有一定線寬以分散電流但又不致遮蔽或吸收過多光線。環繞區段1304與穿越區段1303之線寬分別可介於0.1μm~50μm，較佳地，係小於20μm。二區段之厚度則視其使用材料而定。若使用金屬，厚度可以介於0.001μm~1μm，較佳地係介於0.005μm~0.05μm，使其保有適當程度之透光率；若使用ITO等透明氧化物則區段厚度可以更厚。

本實施例雖以第1A圖之半導體發光裝置10為例，但並不限於此，上述透明導電層之配置方式亦可以適用於如第2圖所示之半導體發光裝置20之第一透光導電層2301、第二透光導電層2302、或其二者。

第四實施例

如第4A圖所示，二個電流分散區段2302a與2302b係位於第一透光導電層2301之上，且其係分別自第一接點24向外延伸並朝向第二接點25之方向。圖式中，電流分散區段2302a與2302b係形成近似U型之弧線。但是，電流分散區段2302a與2302b亦可以由直線、曲線、或二者之結合所組成。電流分散區段2302a與2302b較佳地可以靠近第一透光導電層2301之邊界以將電流分散至較廣之區域。

第二接點25係位於凹槽26之底面上。凹槽26之底面與第一接點24係分別位於發光層2202之兩側以形成一電通路。凹槽26可以由半導體磊晶層中任一位置蝕刻達到超過發光層之深度。蝕刻之方式可以採用化學或物理蝕刻。

本實施例之另一變形係如第4B圖所示。凹槽26係朝第一接點24方向延伸。一延伸區段2501係形成於凹槽26中，並自第二接點25朝向第一接點24之方向延伸。電流分散區段2302a與2302b之配置係如第4A圖所示。藉由延伸區段2501，電流可以更均勻地分散於第一接點24與第二接點25之間，以形成更多有效的發光區域，進而提高發光效率。

本實施例中，區段之覆蓋面積與位置係隨著半導體發光裝置之大小調整。相鄰最近獨立區段間之間隙係介於1μm~500μm。區段之厚度係介於0.1μm~50μm。以金屬材料構成之區段之厚度係介於0.001μm~1μm，較佳地係介於0.005μm~0.05μm，以ITO構成之區段之厚度可以更厚，例如0.6μm以上。

第五實施例

如第5圖所示，電流分散區段2302係位於第一透光導電層2301之上，且係自第一接點24向外延伸並朝向第二接點25之方向。圖式中，電流分散區段2302係為直線，但是，電流分散區段2302亦可以為曲線、之形線或二者之結合所組成。特別地，由上視圖觀之，半導體發光裝置20係呈現矩形，其長寬比值係介於1.1~3，較佳地係大於1.5。凹槽26之詳細說明可參考上述實施例。

雖然本發明已說明如上，然其並非用以限制本發明之範圍、實施順序、或使用之材料與製程方法。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。

10．．．半導體發光裝置

11．．．基板

12．．．半導體磊晶層

1201．．．第一型半導體層

1202．．．發光層

1203．．．第二型半導體層

1301．．．第一透光導電層

1302．．．第二透光導電層

14．．．接點

15．．．電極

20．．．半導體發光裝置

21．．．基板

22．．．半導體磊晶層

2201．．．第一型半導體層

2202．．．發光層

2203．．．第二型半導體層

2301．．．第一透光導電層

2302．．．第二透光導電層

2302．．．電流分散區段

2302a．．．電流分散區段

2302b．．．電流分散區段

24．．．第一接點

25．．．第二接點

2501．．．延伸區段

26．．．凹槽

第1A圖係顯示依據本發明一實施例之發光二極體之剖面圖；

第1B圖係顯示第1A圖之發光二極體之上視圖；

第2圖係顯示依據本發明另一實施例之發光二極體之剖面圖；

第3A與第3B圖係顯示依據本發明一實施例之透光導電層之配置圖；

第4A與第4B圖係顯示依據本發明另一實施例之透光導電層之配置圖；及

第5圖顯示係依據本發明又一實施例之透光導電層之配置圖。

10．．．半導體發光裝置

11．．．基板

12．．．半導體磊晶層

1201．．．第一型半導體層

1202．．．發光層

1203．．．第二型半導體層

1301．．．第一透光導電層

1302．．．第二透光導電層

14．．．接點

15．．．電極

Claims (10)

1. 一種半導體發光裝置，包含：一半導體層；一第一接點，係位於該半導體層之上；一第二接點，係位於該半導體層之上；以及一第一電流分散區段及一第二電流分散區段，係分別自該第一接點向外延伸並朝向該第二接點之方向，且該第一電流分散區段及該第二電流分散區段之材料係包含透明金屬氧化物。
2. 如請求項1所述之半導體發光裝置，更包含：一延伸區段自該第二接點朝向該第一接點之方向延伸。
3. 如請求項2所述之半導體發光裝置，其中該第一電流分散區段及該第二電流分散區段係包含直線、曲線、或二者之結合。
4. 如請求項2所述之半導體發光裝置，其中該第一電流分散區段及該第二電流分散區段之間隙係介於1μm~500μm。
5. 如請求項2所述之半導體發光裝置，其中該第一電流分散區段及該第二電流分散區段係形成近似U型之弧線。
6. 一種半導體發光裝置，包含：一半導體層具有一第一側及一第二側；一接點，係位於該半導體層之該第一側；一電極，係位於該半導體層之該第二側；一環繞區段係位於該第一側；以及一穿越區段係連接至該接點並朝該半導體層之一邊界方向延伸；其中該環繞區段及該穿越區段之材料係包含透明金屬氧化物。
7. 如請求項6所述之半導體發光裝置，其中該穿越區段係自該接點向外延伸並穿過該環繞區段。
8. 如請求項6所述之半導體發光裝置，其中該環繞區段及該穿越區段並未實體連接。
9. 如請求項6所述之半導體發光裝置，其中該環繞區段係環繞該接點。
10. 如請求項6所述之半導體發光裝置，其中該環繞區段係輻射對稱或左右對稱於該接點。