TWI458121B - 具有電流路由之固態照明裝置及相關製造方法 - Google Patents
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Description
本發明係關於具有電流路由之固態照明(「SSL」)裝置及相關製造方法。
行動電話、個人數位助理(「PDA」)、數位相機、MP3播放器及其他可攜式電子裝置利用SSL裝置(例如，發光二極體(LED))來進行背景照射。SSL裝置亦用於告示板、戶內照明、戶外照明及其他類型之一般照射。圖1A及圖1B分別係一習用SSL裝置10之剖面圖及平面圖。如圖1A及圖1B中所展示，SSL裝置10包含具有N型氮化鎵(GaN)14、GaN/氮化銦鎵(InGaN)多量子井(「MQW」)16及P型GaN 18之一LED結構11。SSL裝置10亦包含接近N型GaN 14之一第一觸點20及接近P型GaN 18之一第二觸點22。第一觸點20包含藉由一交叉部件23耦合至彼此之複數個接觸指狀物21(出於圖解說明之目的展示了3個)。第二觸點22包含一片狀結構。
在操作中，將一連續或脈衝式之電壓施加於第一觸點20與第二觸點22之間。作為回應，一電流自第一觸點20流經N型GaN 14、GaN/InGaN MQW 16及P型GaN 18到達第二觸點22。GaN/InGaN MQW 16將電能之一部分轉換成光，且自SSL裝置10之N型GaN 14提取光以用於照射、告示板及/或其他適合之目的。
然而，SSL裝置10可具有低光提取效率。根據習用技術，第一觸點20及第二觸點22通常包含鋁、銅、銀及/或其他不透明導電材料。因此，可難以提取產生於對應於接觸指狀物21及交叉部件23之區中之光。另一方面，如下文更詳細地論述，直接在第二觸點22與第一觸點20之接觸指狀物21及交叉部件23之間的GaN/InGaN MQW 16之區在SSL裝置10中產生最高光強度。因此，產生於SSL裝置10中之光之一大部分可由第一觸點20阻擋。因此，可期望在增加SSL裝置中之光提取效率上有所改良。
下文闡述具有電流路由之SSL裝置及製造此等SSL裝置之相關方法之各種實施例。如下文中所使用，術語「SSL裝置」通常係指具有LED、有機發光二極體(「OLED」)、雷射二極體(「LD」)、聚合物發光二極體(「PLED」)及/或除電細絲、一電漿或一氣體之外的其他適合輻射源之裝置。術語「光提取效率」通常係指自一SSL裝置提取之光對SSL裝置中產生之總光之一比率。熟習相關技術者亦將理解，本技術可具有額外實施例，且可在無下文參考圖2A至圖5E所闡述之實施例之數個細節之情況下實踐本技術。
圖2A係根據本技術之實施例之一SSL裝置100之一示意性剖面圖。圖2B係SSL裝置100之一部分之一平面圖。如圖2A中所展示，SSL裝置100可包含一第一半導體材料104、一作用區域106及一第二半導體材料108。SSL裝置100亦可包含接近第一半導體材料104之一第一觸點120及接近第二半導體材料108之一第二觸點122。在所圖解說明之實施例中，第一觸點120及第二觸點122係相對於彼此垂直配置。在其他實施例中，第一觸點120及第二觸點122可具有其他適合接觸組態。在此等實施例中之任一者中，SSL裝置100可視情況包含一反射材料(例如，一銀膜)、一載體材料(例如，一陶瓷基板)、一光學組件(例如，一視準儀)及/或其他適合組件。
第一半導體材料104及第二半導體材料108可組態為作用區域106之包覆組件。在某些實施例中，第一半導體材料104可包含N型GaN(例如，摻雜有矽(Si))，且第二半導體材料108可包含P型GaN(例如，摻雜有鎂(Mg))。在其他實施例中，第一半導體材料104可包含P型GaN，且第二半導體材料108可包含N型GaN。在其他實施例中，第一半導體材料104及第二半導體材料108可個別地包含砷化鎵(GaAs)、砷化鋁鎵(AlGaAs)、磷砷化鎵(GaAsP)、磷化鎵(III)(GaP)、硒化鋅(ZnSe)、氮化硼(BN)、氮化鋁鎵(AlGaN)及/或其他適合半導體材料中之至少一者。
作用區域106可包含一單量子井(「SQW」)、若干MQW及/或一塊體半導體材料。術語「塊體半導體材料」通常係指具有大於約10奈米且多達約500奈米之一厚度之一單粒半導體材料(例如，InGaN)。在某些實施例中，作用區域106可包含一InGaN SQW、若干GaN/InGaN MQW及/或一InGaN塊體材料。在其他實施例中，作用區域106可包含磷化鋁鎵銦(AlGaInP)、氮化鋁鎵銦(AlGaInN)及/或其他適合材料或組態。
在某些實施例中，第一半導體材料104、作用區域106及第二半導體材料108可經由金屬有機化學氣相沈積(「MOCVD」)、分子束磊晶(「MBE」)、液相磊晶(「LPE」)及/或氫化物氣相磊晶(「HVPE」)形成。在其他實施例中，可經由其他適合磊晶生長技術形成前述組件中之至少一者。
第一觸點120可具有大體上類似於圖1B中所展示之第一觸點20之一結構。舉例而言，第一觸點120可包含藉由一交叉部件123連接至彼此之複數個接觸指狀物121。接觸指狀物121及/或交叉部件123可個別地包含一伸長結構及/或其他適合結構。接觸指狀物121及交叉部件123可由銅(Cu)、鋁(Al)、銀(Ag)、金(Au)、鉑(Pt)及/或其他適合金屬或金屬合金構成。在其他實施例中，第一觸點120可由氧化銦錫(「ITO」)、氧化鋅鋁(「AZO」)、摻雜氟之氧化錫(「FTO」)及/或其他適合之透明且導電氧化物構成。
第二觸點122可包含由一導電材料125至少部分地囊封之一電流路由器(由箭頭140大體上指示)。在所圖解說明之實施例中，電流路由器140包含一絕緣材料114之複數個墊，絕緣材料114可包含二氧化矽(SiO2
)、氮化矽(SiN)及/或其他介電材料。絕緣材料114可係與第二半導體材料108之一表面108a直接接觸。在其他實施例中，電流路由器140可包含一接觸材料及/或其他適合材料，如下文參考圖4A及圖4B更詳細地論述。在其他實施例中，電流路由器140可包含導電材料、半導電材料及絕緣材料之一組合。
如圖2A中所展示，導電材料125可形成於電流路由器140之絕緣材料114周圍。導電材料125可包含一大體上連續第一部分125a及位於絕緣材料114之毗鄰墊之間的一第二部分125b。一般而言，導電材料125之第二部分125b係與第二半導體材料108之表面108a之未由絕緣材料114覆蓋之部分直接接觸且電耦合該等部分。在所圖解說明之實施例中，第一部分125a及第二部分125b係大體上均質且含有相同材料(例如，鋁)。在其他實施例中，第一部分125a及第二部分125b可含有不同材料。舉例而言，第一部分125a可含有鋁，且第二部分125b可含有銀、金、銅及/或除鋁之外的其他導電材料。
電流路由器140之絕緣材料114大體上與對應接觸指狀物121及/或交叉部件123對準。如圖2B中所展示，絕緣材料114可具有大體上對應於第二觸點122之一形狀。舉例而言，絕緣材料114可包含藉由一交叉部件117連接至彼此之複數個絕緣指狀物115(出於圖解說明之目的展示了3個)。在圖2A中所展示之所圖解說明實施例中，絕緣材料114具有大於對應接觸指狀物121之寬度之一寬度。在其他實施例中，絕緣材料114可具有實質上類似於或小於對應接觸指狀物121之寬度之一寬度。在前述實施例中之任一者中，可基於SSL裝置100中之一目標電流分佈而選擇絕緣材料114之寬度。
具有電流路由器140之SSL裝置100之數個實施例可具有比習用裝置更高之光提取效率。參考回至圖1A及圖1B，在不受理論約束之情況下，據信對應於SSL裝置10中之接觸指狀物21及/或交叉部件23之區(下文中稱為「接觸區」)往往具有跨越SSL裝置100之最高電流密度，此乃因該等接觸區形成供電流流經之最短路徑。其他區(例如，接觸指狀物21外側之彼等區，下文中稱為「不接觸區」)往往具有較低電流密度。因此，可自SSL裝置10之接觸區產生比不接觸區更多的光。然而，接觸指狀物21及交叉部件23通常由一不透明材料製成。因此，可不容易提取自接觸區產生之光，此降低光提取效率。圖2A及圖2B中所展示之實施例增加具有電流路由器140之接觸區中之接觸電阻以將更多電流注入至SSL裝置100之不接觸區中。此致使不接觸區具有比習用裝置更高之電流密度。因此，SSL裝置100具有一高提取效率，此乃因自其中在不受接觸指狀物121及交叉部件123阻擋之情況下可容易提取光之不接觸區產生更多光。
圖3A及圖3C圖解說明形成圖2A中之SSL裝置100之一製程。如圖3A中所展示，該製程之一初始階段可包含形成具有第一半導體材料104、作用區域106及第二半導體材料108之一SSL結構111。該製程之另一階段可包含將絕緣材料114沈積至第二半導體材料108上。用於沈積絕緣材料114之技術可包含化學氣相沈積(「CVD」)、原子層沈積(「ALD」)、旋塗及/或其他適合之沈積技術。
一遮罩材料130(例如，一光阻劑)可形成於絕緣材料114之表面114a上。然後，遮罩材料130可經圖案化(例如，經由光微影)以形成一或多個開口132。開口132個別地曝露絕緣材料114之表面114a之一部分。
圖3B展示該製程之另一階段，其中移除絕緣材料114之一部分以形成孔口116。用於移除絕緣材料114之技術可包含乾式蝕刻、濕式蝕刻、雷射燒蝕及/或其他適合之材料移除技術。在形成孔口116之後，可經由濕式蝕刻及/或其他適合技術移除遮罩材料130。
如圖3C中所展示，然後，該製程可包含在孔口116中及絕緣材料114之表面114a上沈積導電材料125。用於沈積導電材料125之技術可包含CVD、ALD、旋塗及/或其他適合之沈積技術。然後，該製程可包含形成第二觸點122及/或其他適合組件以產出如圖2A中所展示之SSL裝置100。
儘管上文參考圖2A及圖2B將電流路由器140論述為具有絕緣材料114，但在其他實施例中，電流路由器140亦可包含一導電材料、一半導電材料及/或其一組合。舉例而言，圖4A係具有一導電電流路由器140之一SSL裝置100之一示意性剖面圖。如圖4A中所展示，第二觸點122可包含接觸材料118及導電材料125之複數個墊。導電材料125形成於接觸材料118周圍以使得接觸材料118形成一導電電流路由器140。導電材料125之第一部分125a係大體上連續的，且第二部分125b位於接觸材料118之毗鄰墊之間。如上文參考圖2A所論述，第一部分125a及第二部分125b可含有大體上類似或不同材料。
接觸材料118可在形成於第二半導體材料108上時具有比導電材料125更低之一接觸電阻。如本文中所使用，術語「接觸電阻」通常係指作為兩種材料彼此直接接觸且在其間形成一介面之一結果之一電阻。舉例而言，在一項實施例中，導電材料125包含氧化銦錫(「ITO」)、氧化鋅鋁(「AZO」)、摻雜氟之氧化錫(「FTO」)及/或其他適合之透明導電氧化物(「TCO」)中之至少一者，且接觸材料118可包含銅(Cu)、鋁(Al)、銀(Ag)、金(Au)、鉑(Pt)及/或其他適合金屬。在不受理論約束之情況下，據信TCO往往在形成於一半導體材料上時具有比在形成於金屬上時更高之接觸電阻。在另一實施例中，導電材料125可包含鋁(Al)，且接觸材料118可包含銀(Ag)或金(Au)。在其他實施例中，接觸材料118可與第二半導體材料108形成一大體上歐姆(Ohmic)接觸，而導電材料125與第二半導體材料108形成一肖特基(Schottky)接觸及/或其他適合類型之至少部分電阻性接觸。在又一些實施例中，導電材料125及接觸材料118可包含其他適合組合物。在另一實例中，如圖4B中所展示，第二觸點122可包含大體上自接觸區偏移之接觸材料118及大體上與接觸區對準之絕緣材料114兩者。在前述實施例中之任一者中，接觸材料118及/或絕緣材料114可在如上文參考圖3A至圖3C所論述之大體上類似處理階段之後形成。
類似於上文參考圖2A至圖3C所論述之實施例，SSL裝置100中之接觸材料118及/或絕緣材料114亦可影響SSL裝置100中之電流分佈。舉例而言，藉由減小在與不接觸區對準之區域中形成於接觸材料118與第二半導體材料108之間的接觸電阻及/或增加在與SSL裝置100之接觸區對準之區域中形成於絕緣材料114與第二半導體材料108之間的接觸電阻，與習用裝置相比可增加注入至不接觸區中之電流量。因此，與在習用裝置中相比，往往有更多電流流經不接觸區。因此，可增加SSL裝置100之光提取效率。
使圖2A至圖4B中所展示之絕緣材料114及/或接觸材料118之墊位於第二半導體材料108與導電材料125之連續第一部分125a之間。在其他實施例中，絕緣材料114及/或接觸材料118亦可具有其他配置。舉例而言，如圖5A中所展示，絕緣材料114可位於作用區域106與第二半導體材料108之間。在另一實例中，如圖5B中所展示，絕緣材料114可位於作用區域106與第一半導體材料104之間。在其他實例中，如圖5C中所展示，SSL裝置100可具有位於一個以上位置中之絕緣材料114。在其他實施例中，絕緣材料114及/或接觸材料118可嵌入於第二半導體材料108中，如圖5D及圖5E中所展示。因此，第二半導體材料108之表面108a可係大體上平面。
儘管上文將絕緣材料114及/或接觸材料118論述為大體上均質結構，但在某些實施例中，絕緣材料114及/或接觸材料118亦可包含具有不同電阻值之複數個絕緣及/或導電部分(未展示)，如在2010年8月31日提出申請、標題為「SOLID STATE LIGHTING DEVICES WITH IMPROVED CONTACTS AND ASSOCIATED METHODS OF MANUFACTURING」之美國專利申請案第12/872,092號中更詳細地論述，該申請案之揭示內容以全文引用方式併入本文中。
依據前述內容，將瞭解，本文中已出於圖解說明之目的闡述了本技術之特定實施例，但可在不背離本發明之情況下做出各種修改。另外，除或替代其他實施例之元件外，一項實施例之元件中之諸多元件還可與該等其他實施例組合。因此，本發明不受除隨附申請專利範圍以外的限制。
10．．．固態照明裝置
11．．．固態照明結構
14．．．N型氮化鎵
16．．．氮化鎵/氮化銦鎵多量子井
18．．．P型氮化鎵
20．．．第一觸點
21．．．接觸指狀物
22．．．第二觸點
23．．．交叉部件
100．．．固態照明裝置
104．．．第一半導體材料
106．．．作用區域
108．．．第二半導體材料
108a．．．第二半導體材料之表面
111．．．固態照明結構
114．．．絕緣材料
114a．．．絕緣材料之表面
115．．．絕緣指狀物
116．．．孔口
117．．．交叉部件
118．．．接觸材料
120．．．第一觸點
121．．．接觸指狀物
122．．．第二觸點
123．．．交叉部件
125．．．導電材料
125a．．．導電材料之大體上連續第一部分
125b．．．導電材料之第二部分
130．．．遮罩材料
132．．．開口
140．．．電流路由器
圖1A係根據先前技術之一SSL裝置之一示意性剖面圖示。
圖1B係圖1A中之SSL裝置之一示意性平面圖。
圖2A係根據本技術之實施例之具有電流路由之一SSL裝置之一示意性剖面圖。
圖2B係圖2A中之SSL裝置之一部分之一示意性平面圖。
圖3A至圖3C圖解說明形成圖2A中之SSL裝置之一製程。
圖4A及圖4B係根據本技術之額外實施例之一SSL裝置之示意性剖面圖。
圖5A至圖5E係根據本技術之額外實施例之具有電流路由之一SSL裝置之示意性剖面圖。
100．．．固態照明裝置
104．．．第一半導體材料
106．．．作用區域
108．．．第二半導體材料
108a．．．第二半導體材料之表面
114．．．絕緣材料
120．．．第一觸點
121．．．接觸指狀物
122．．．第二觸點
123．．．交叉部件
125．．．導電材料
125a．．．導電材料之大體上連續第一部分
125b．．．導電材料之第二部分
140．．．電流路由器
Claims (16)
- 一種固態照明(SSL)裝置，其包括：一第一半導體材料；一第二半導體材料，其與該第一半導體材料隔開；一作用區域，其位於該第一半導體材料與該第二半導體材料之間；一第一觸點，其在該第一半導體材料上；一第二觸點，其在該第二半導體材料上，該第二觸點與該第一觸點相對；及一第一絕緣材料，其位於該第一觸點與該第一半導體材料之間，該第一絕緣材料大體上與該第二觸點對準；及一第二絕緣材料，其位於該第一半導體材料與該作用區域及/或該第二半導體材料與該作用區域之至少一者之間，其中該第二絕緣材料與該第一絕緣材料對準且藉由至少該第一半導體材料而與該第一絕緣材料分離。
- 如請求項1之SSL裝置，其中：該第二觸點包含具有一第一寬度之一接觸指狀物；該第一半導體材料包含一P型氮化鎵(GaN)材料；該第二半導體材料包含一N型GaN材料；該作用區域包含一塊體氮化銦鎵(InGaN)材料、一InGaN單量子井(「SQW」)及若干GaN/InGaN多量子井(「MQW」)中之至少一者；該第一觸點包含一導電材料，該導電材料具有自該第 一半導體材料延伸至該導電材料中之一孔口；該導電材料包含鋁(Al)；該孔口具有大體上類似於該第二觸點之該接觸指狀物之形狀之一形狀；該孔口含有該第一絕緣材料；該第一絕緣材料包含二氧化矽(SiO2 )；且該孔口具有大於該第一寬度之一第二寬度。
- 如請求項1之SSL裝置，其中：該第二觸點包含具有一第一寬度之一接觸指狀物；該第一半導體材料包含一P型氮化鎵(GaN)材料；該第二半導體材料包含一N型GaN材料；該作用區域包含一塊體氮化銦鎵(InGaN)材料、一InGaN單量子井(「SQW」)及若干GaN/InGaN多量子井(「MQW」)中之至少一者；該第一觸點包含一導電材料，該導電材料具有自該第一半導體材料延伸至該導電材料中之一孔口；該孔口具有大體上類似於該第二觸點之該接觸指狀物之形狀之一形狀；該孔口含有該第一絕緣材料；且該孔口具有大體上等於該第一寬度之一第二寬度。
- 如請求項1之SSL裝置，其中：該第二觸點包含具有一第一寬度之一接觸指狀物；該第一半導體材料包含一P型氮化鎵(GaN)材料；該第二半導體材料包含一N型GaN材料； 該作用區域包含一塊體氮化銦鎵(InGaN)材料、一InGaN單量子井(「SQW」)及若干GaN/InGaN多量子井(「MQW」)中之至少一者；該第一觸點包含一導電材料，該導電材料具有自該第一半導體材料延伸至該導電材料中之一孔口；該孔口具有大體上類似於該第二觸點之該接觸指狀物之形狀之一形狀；該孔口含有該第一絕緣材料；且該孔口具有大於該第一寬度之一第二寬度。
- 如請求項1之SSL裝置，其中：該第二觸點包含具有一第一寬度之一接觸指狀物；該第一半導體材料包含一P型氮化鎵(GaN)材料；該第二半導體材料包含一N型GaN材料；該作用區域包含一塊體氮化銦鎵(InGaN)材料、一InGaN單量子井(「SQW」)及若干GaN/InGaN多量子井(「MQW」)中之至少一者；該第一觸點包含一導電材料，該導電材料具有自該第一半導體材料延伸至該導電材料中之一孔口；該孔口具有大體上類似於該第二觸點之該接觸指狀物之形狀之一形狀；該孔口含有該第一絕緣材料；且該孔口具有小於該第一寬度之一第二寬度。
- 如請求項1之SSL裝置，其中：該第一觸點包含一導電材料，該導電材料具有自該第 一半導體材料延伸至該導電材料中之一孔口；且該孔口含有該第一絕緣材料。
- 如請求項1之SSL裝置，其中：該第一觸點包含一導電材料，該導電材料具有自該第一半導體材料延伸至該導電材料中之一孔口；該孔口具有大體上類似於該第二觸點之該觸點之形狀之一形狀；且該孔口含有該第一絕緣材料。
- 如請求項1之SSL裝置，其中：該第二觸點包含一接觸指狀物；該第一觸點包含一導電材料，該導電材料具有自該第一半導體材料延伸至該導電材料中之一孔口；該孔口具有大體上類似於該第二觸點之該接觸指狀物之形狀之一形狀；且該孔口含有該第一絕緣材料。
- 一種固態照明(SSL)裝置，其包括：一第一半導體材料；一第二半導體材料，其與該第一半導體材料隔開；一作用區域，其位於該第一半導體材料與該第二半導體材料之間；一第一觸點，其在該第一半導體材料上；一第二觸點，其在該第二半導體材料上，該第二觸點與該第一觸點相對； 一電流路由器，其位於該第一觸點與該第一半導體材料之間，該電流路由器經組態以減少與該第二觸點疊加之一第一區中之一第一電流及增加大體上自該第二觸點偏移之一第二區中之一第二電流；在該第一半導體材料與該第一觸點之間之一第一絕緣材料，該第一絕緣材料與該第二觸點對準；一第二絕緣材料，其位於該第一半導體材料與該作用區域及/或該第二半導體材料與該作用區域之至少一者之間，其中該第二絕緣材料與該第一絕緣材料對準且藉由至少該第一半導體材料而與該第一絕緣材料分離。
- 如請求項9之SSL裝置，其中該電流路由器包含該第一半導體材料與該第一觸點之間的一導電材料，該導電材料自該第二觸點偏移。
- 如請求項9之SSL裝置，其中該電流路由器包含該第一半導體材料與該第一觸點之間的一導電材料及一第一絕緣材料，該導電材料自該第二觸點偏移，且該第一絕緣材料大體上與該第二觸點對準。
- 一種形成一固態照明(SSL)裝置之方法，其包括：形成一SSL結構，該SSL結構具有一第一半導體材料、與該第一半導體材料隔開之一第二半導體材料及位於該第一半導體材料與該第二半導體材料之間的一作用區域；在該第一半導體材料上形成一第一觸點；在該第一半導體材料與該作用區域及/或該第二半導體 材料與該作用區域之至少一者之間形成一第一絕緣材料，在該第二半導體材料上形成一電流路由器，該電流路由器與該第一觸點對準且包括與該第一絕緣材料對準及藉由至少該第一半導體材料而與該第一絕緣材料分離之一第二絕緣材料；及在該第二半導體材料上且在該電流路由器上形成一第二觸點。
- 如請求項12之方法，其中形成該第二觸點包含用一導電材料囊封該電流路由器。
- 如請求項12之方法，其中：形成該第二觸點包含用一導電材料囊封該第二絕緣材料；且該導電材料包含一第一部分及一第二部分，該第一部分與該第二半導體材料藉由該第二絕緣材料分離，該第二部分與該第二半導體材料接觸。
- 如請求項12之方法，其中：形成該電流路由器包含：用該第二絕緣材料毯覆該第二半導體材料；將一遮罩材料沈積至該第二絕緣材料上；圖案化該遮罩材料以界定一開口；移除該第二絕緣材料之一部分以形成該孔口；且形成該第二觸點包含用一導電材料囊封該第二絕緣材料，該導電材料包含一第一部分及一第二部分，該第一 部分在該第二絕緣材料上，且該第二部分在該孔口中。
- 如請求項12之方法，其中：形成該電流路由器包含：用一接觸材料毯覆該第二半導體材料；將一遮罩材料沈積至該毯覆接觸材料上；圖案化該遮罩材料以界定一開口；移除該接觸材料之一部分以形成該孔口，該孔口自該第一觸點偏移；且形成該第二觸點包含用一導電材料囊封該接觸材料，該導電材料包含一第一部分及一第二部分，該第一部分在該接觸材料上，且該第二部分在該孔口中，其中該接觸材料具有低於該導電材料之接觸電阻之接觸電阻。
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