TWI459603B - 發光二極體晶片 - Google Patents

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TWI459603B
TWI459603B TW100106364A TW100106364A TWI459603B TW I459603 B TWI459603 B TW I459603B TW 100106364 A TW100106364 A TW 100106364A TW 100106364 A TW100106364 A TW 100106364A TW I459603 B TWI459603 B TW I459603B
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Karl Engl
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Nikolaus Gmeinwieser
Johann Eibl
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Osram Opto Semiconductors Gmbh
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Description

發光二極體晶片
本發明涉及一種發光二極體晶片。
本專利申請案主張德國專利申請案10 2010 009 717.9之優先權，其已揭示的整個內容在此一倂作為參考。
由文獻WO 2008/131735 A1中已知一種發光二極體晶片，其中第一和第二電性連接層配置在該發光二極體晶片之與輻射發出面相對的背面上，且藉一隔離層而在電性上互相隔離，其中該第二電性連接層之一部份區域是由該背面經活性層之缺口而在朝向該發光二極體晶片之前側的方向中延伸。半導體晶片之此種接觸方式所具有的優點是，該輻射發出面可不具備接觸面且因此使所發出的輻射未被遮蔽。
此發光二極體晶片是一種所謂薄膜-發光二極體晶片，其中半導體層序列之原來的生長基板已剝離，取而代之的是使與原來的生長基板相對的一側面上的半導體層序列藉一焊劑層而與一載體相連接。在此種薄膜-發光二極體晶片中，當該半導體層序列之面向該載體之此側設有鏡面層時是有利的，以便使該載體的方向中所發出的輻射轉向至該輻射發出面之方向中，且因此使輻射的效益提高。
在可見的光譜區中，銀特別適合作為該鏡面層用的材料。當然，在鏡面層是由銀構成時不易良好地黏合在半導體材料上、不易良好地電性連接至半導體材料、不易有高的反射率，且不易針對腐蝕而形成可靠的保護或不易使銀遷移(migrate)至相鄰的層中。
為了使由銀構成的鏡面層在半導體材料上的黏合性獲得改良，可在半導體表面和鏡面層之間加上一黏合促進層。當然，藉由半導體表面和鏡面層之間的此種黏合促進層，通常可使反射率下降。因此，此種黏合促進層通常施加成很薄，這樣會使製程上的控制較困難。
本發明的目的是提供一種發光二極體晶片，其在背面上具有鏡面層，此鏡面層的特徵特別是可良好地黏合在半導體材料上、可良好地電性連接至半導體材料、高的反射率，以及針對腐蝕、劣化的保護性或可使銀遷移至相鄰的層中。
上述目的藉由具有申請專利範圍第1項特徵之發光二極體晶片來達成。本發明有利的佈置和其它形式描述在申請專利範圍之附屬項中。
發光二極體晶片包含半導體層序列，其具有一種適合用來產生電磁輻射之活性層。此發光二極體晶片在前側上具有輻射發出面，由活性層所發出的電磁輻射經由該輻射發出面而由半導體層序列發出。所謂發光二極體晶片之前側在此處及以下的描述中是指發光二極體晶片之配置有該輻射發出面之一側。
在與該輻射發出側相對的背面上，該發光二極體晶片至少依區域方式而具有鏡面層，其含有銀。在該鏡面層上配置著一種功能層，用來使鏡面層的腐蝕性下降及/或黏合性獲得改良，其中用來形成該功能層之材料亦包含在該鏡面層中。
該鏡面層較佳是直接與該半導體層序列相鄰。在半導體層序列和該鏡面層之間特別是未配置黏合促進層，其可使該鏡面層和該半導體層序列之間之界面上的反射率下降。反之，已顯示的事實是：該鏡面層所期望之可良好地黏合在半導體材料上、可良好地電性連接至半導體材料，以及針對腐蝕的保護和銀遷移的特性都可藉由功能層來達成，該功能層施加在鏡面層之與半導體層序列相對之一側上，且該功能層的材料包含在(特別是擴散至)鏡面層中。
特別是已顯示：功能層之材料施加至鏡面層中時能以有利的方式來影響鏡面層的材料特性。功能層之材料施加至鏡面層中較佳是藉由擴散來達成。或者，亦可使用其它物理過程或化學過程。
在功能層施加至鏡面層上之後，較佳是藉由退火過程使功能層之材料擴散至鏡面層。藉由選取溫度及退火過程之時間，則可適當地對功能層之材料擴散至鏡面層進行控制。
退火較佳是在200℃和400℃之間的溫度進行。退火過程中尤佳是將溫度設定在250℃和350℃之間。退火所需的時間特別是與所用的溫度有關且例如可在1分鐘和1小時之間。
功能層較佳是包含鉑或由鉑構成。或者，功能層可包含鎳、鉻、鈀、銠或透明之導電氧化物或由上述這些材料構成。透明之導電氧化物例如可以是ITO或ZnO。
功能層之材料以有利的方式分佈在鏡面層中，使功能層的材料包含在鏡面層的大部份(即，超過鏡面層的一半)中。功能層的材料較佳是分佈在整個鏡面層中。例如，功能層的材料較深地擴散至鏡面層中，使得在鏡面層之與功能層相對的一界面上亦可查出功能層的材料。已顯示的事實是：以此方式特別是可使鏡面層對該半導體層序列之黏合性獲得改良。此處，該鏡面層之反射率所受到的影響小於該半導體層序列和鏡面層之間配置薄的黏合促進層時所受到的影響。
又，已顯示的事實是：藉由將功能層之材料施加至含有銀之鏡面層中，可使銀的腐蝕減弱。此種效應的原因在理論上仍未完全被理解。功能層之材料較佳是亦可沿著銀-顆粒邊界擴散。這樣有助於鏡面層之材料的穩定，此乃因腐蝕效應通常發生在金屬之顆粒邊界上。又，功能層的材料可依據其在電化學電動序(series)中的狀態而對所產生的電位作修改，使腐蝕效應受到抑制。又，功能層之分佈在鏡面層中的材料之其它特性，例如，作為催化劑或用來儲存氫，對鏡面層之耐久性亦有好的影響。
功能層的材料較佳為不是均勻地分佈在鏡面層中，而是具有一種濃度梯度(gradient)，其中該功能層之材料在鏡面層中的濃度是由該功能層開始朝向半導體層序列的方向變小。特別是，該功能層之材料的濃度在鏡面層至該半導體層序列之邊界處小於鏡面層至該功能層之邊界處的濃度。這樣所顯示的優點是，鏡面層和半導體層序列之間的邊界之反射率只不明顯地受到影響。功能層之材料在鏡面層中的濃度梯度特別是可藉由以下方式來達成：使功能層之材料擴散至鏡面層中，這例如藉由退火過程來達成。
功能層的厚度可在0.1奈米和1000奈米之間。已顯示的事實是，功能層的厚度在10奈米(含)和100奈米(含)之間時可達成特別佳的結果。
在一較佳的佈置中，鏡面層是一反射性接觸層序列的組成，該反射性接觸層序列用來與半導體層序列形成電性接觸，且使輻射反射至發光二極體晶片之輻射發出面的方向中。該反射性接觸層序列較佳是由半導體層序列開始至少具有以下所述順序的各層：鏡面層(含有銀)、功能層、擴散位障層和第一電性連接層。該功能層用來使該鏡面層之腐蝕減弱及/或改良該鏡面層之黏合性。此處，鏡面層可有利地直接與半導體層序列相鄰。
第一電性連接層較佳是由具有導電性的材料來形成，以便儘可能均勻地將電流施加至半導體層序列中。因此，第一電性連接層亦用作電流擴散層。第一電性連接層是與發光二極體晶片之電性接觸區導電地相連接。第一電性連接層較佳是金層。或是，第一電性連接層例如可包含銅或鎳或由其構成。
配置在功能層和第一電性連接層之間的擴散位障層特別是可防止第一電性連接層之材料(例如，金)擴散至含有銀之鏡面層中，且可防止反向的擴散。
該擴散位障層特別是可以為鈦層。或是，該擴散位障層例如可包含鉻、鎳、鈀、氮化鈦或氮化鎢鈦。
該擴散位障層和第一電性連接層之間較佳是配置一黏合層。此黏合層較佳是鉑層。或是，此黏合層亦可以是鉻層或鈦層。
一種層序列是特別有利的，此層序列中該功能層是鉑層，該擴散位障層是鈦層，且該黏合層是鉑層。已顯示的事實是：鈦在含有銀的鏡面層和較佳是含有金的第一電性連接層之間是一種很好的擴散位障。另一方面，鈦不能對抗腐蝕或氧化，但腐蝕或氧化可有利地藉由將鈦層埋置於二個鉑層之間來防止。
在另一有利的佈置中，發光二極體晶片在與輻射發出面相對的一側上藉由焊劑層而與一載體相連接。此發光二極體晶片較佳是一種所謂薄膜-發光二極體晶片，其中用來使該半導體層序列可磊晶生長的生長基板從該半導體層序列去除，且取而代之的是使該半導體層序列在與原來之生長基板相對的此側上藉由焊劑層而與載體相連接。
在一較佳的佈置中，該發光二極體晶片具有第一和第二電性連接層，其中第一和第二電性連接層是與半導體層序列之背面相面對，且藉由鈍化層而互相達成電性隔離。第二電性連接層之一部份區域是由半導體層序列之背面經由活性層之至少一缺口而朝向前側之方向延伸。第二電性連接層含有銀，且在此種佈置中用作第二鏡面層。
有利的方式是在第二電性連接層上配置第二功能層，使第二電性連接層之腐蝕減弱及/或黏合性獲得改良。用來形成第二功能層之材料亦包含在第二電性連接層中。第二電性連接層和第二功能層之有利佈置對應於鏡面層和功能層之上述有利的佈置。第二功能層特別是可為鉑層。
在一較佳佈置中，第二電性連接層至少以區域方式而成為一種層序列的組成，該層序列至少包含以下所述順序之多個層：鈍化層、第二電性連接層、第二功能層、擴散位障層和焊劑層。藉由該焊劑層，該發光二極體晶片較佳是在與輻射發出面相對的一側上與載體相連接。該焊劑層例如可以是AuSn-層。
該第二電性連接層和焊劑層之間的擴散位障層防止該焊劑層和第二電性連接層之材料的互相擴散。該擴散位障層較佳是氮化鈦鎢-層。
鈍化層和第二電性連接層之間可含有一種黏合層，藉此可使第二電性連接層在鈍化層上的黏合性獲得改良。該黏合層較佳是鈦層。
本發明以下將依據圖1至圖3之實施例來詳述。
各圖式和實施例中相同-或作用相同的各組件分別設有相同的參考符號。所示的各元件和各元件之間的比例未必依比例繪出。
圖1所示之發光二極體晶片1具有半導體層序列2，其具有一用來發出電磁輻射11之活性層3。
發光二極體晶片1之活性層3例如可形成為pn-接面、雙異質結構、單一量子井結構或雙重式量子井結構。此名稱量子井結構此處包含一種結構，此結構中電荷載體可藉由局限(confinement)而使其能量狀態經歷一種量子化。此名稱量子井結構此處未指出量子化的維度。因此，量子井結構可另外包含量子槽，量子線和量子點以及這些結構的每一種組合。
半導體層序列2特別是可以氮化物-化合物半導體為主。以”以氮化物-化合物半導體材料為主”在此處之意義是指，半導體層序列2或其中至少一層包含III-氮化物-化合物半導體材料Inx Aly Ga1-x-y N，其中0≦x≦1,0≦y≦1且x+y≦1。因此，此材料未必含有上述形式之以數學所表示之準確組成。反之，此材料可具有一種或多種摻雜物質以及其它成份，這些成份基本上不會改變此材料Inx Aly Ga1-x-y N之物理特性。然而，為了簡單之故，上述形式只含有晶格(In,Al,Ga,N)之主要成份，這些主要成份之一部份亦可由少量的其它物質來取代。
發光二極體晶片1使電磁輻射11經由輻射發出面4而發出，輻射發出面4配置在發光二極體晶片1之前側上。為了使輻射發射性獲得改良，該輻射發出面4可設有一種粗糙度或一種射出結構(未顯示)。
發光二極體晶片1是一種所謂薄膜-發光二極體晶片。薄膜-發光二極體晶片中，半導體層序列2之原來的生長基板已由發光二極體晶片1剝離，且取而代之的是使發光二極體晶片1在與原來的生長基板相對的一側上藉由焊劑層18而與載體19相連接。原來的生長基板特別是可由半導體層序列2之目前作為輻射發出面4用之表面剝離。在發光二極體晶片1中，n-摻雜之半導體區2a通常首先生長在該生長基板上且與輻射發出面4相面對。半導體層序列2之p-摻雜之半導體區2b是與載體19相面對。載體19例如可具有鍺或矽。
為了使發光二極體晶片1之效率獲得改良，該發光二極體晶片1在與輻射發出面4相對的背面上須以區域方式具有鏡面層5。此鏡面層5配置在p-摻雜之半導體區2b和發光二極體晶片之第一電性連接層9之間。藉由鏡面層5，則可有利地使由活性層3之在載體19之方向中所發出之輻射反射至輻射發出面4。
鏡面層5是一種反射性接觸層序列之組成，該反射性接觸層序列在鏡面層5和第一電性連接層9之間包括另一層，圖1中為了圖式的簡化，未顯示全部之層。
該反射性接觸層序列10之構造顯示在圖2中，其中顯示圖1之區域A之細部圖。鏡面層5含有銀且較佳是直接鄰接於半導體層序列2之p-摻雜之半導體區2b。在遠離該半導體層序列2之此側上，在鏡面層5上配置功能層6。功能層6用來使半導體層序列2上之鏡面層之腐蝕減弱及/或黏合性獲得改良及/或電性連接獲得改良。這特別是藉由下述方式來達成：用來形成該功能層6之材料的至少一部份亦包含在鏡面層5中。特別是該功能層6之材料可擴散至鏡面層5中。
為了使功能層6之材料擴散至鏡面層5中，在發光二極體晶片1之製程中，較佳是在將功能層6施加在鏡面層5上之後使功能層6退火。此種退火較佳是在200℃(含)和400℃(含)之間的溫度進行，特別是在250℃和350℃之間的溫度進行。退火過程的時間例如可介於1分鐘和1小時之間。
功能層6的材料較佳是擴散至鏡面層5中，使功能層6的材料包含在該鏡面層5之大部份中。特別有利的是，功能層6之材料包含在整個鏡面層5中。在此種情況下，功能層6之材料亦可包含在鏡面層5之與該半導體層序列2相鄰的區域中。
已顯示的事實是：藉由將該功能層6之材料亦包含在鏡面層5中，鏡面層5之長時間穩定性可獲得改良。特別是以此種方式可使鏡面層5之腐蝕減弱且使對該半導體層序列2之黏合性獲得改良。
又，此種鏡面層5可對該半導體層序列2之半導體材料達成良好的電性連接。
功能層6之包含在鏡面層5中之材料可在該鏡面層5中具有濃度梯度。特別是可藉由擴散過程而使該功能層6之材料之濃度在該鏡面層5之與半導體層序列2相面對的一側上小於與該功能層6相面對的此側上的濃度。含有銀之鏡面層5在至半導體層序列2之界面上之反射率因此只稍微受到影響。特別是鏡面層5之反射率受到該功能層6之所含有的其它材料之影響小於在該半導體層序列2和鏡面層5之間加上一種黏合層時所受到的影響。
該功能層6由鉑構成時已顯示是特別有利的。或是，該功能層6亦可含有鎳、鉻、鈀、銠或透明的導電氧化物，例如，ITO或ZnO。功能層6之厚度例如可介於0.1奈米和1000奈米之間。可藉由功能層6而使鏡面層5之穩定性獲得特別佳的改良，此時該功能層6之厚度介於10奈米(含)和100奈米(含)之間。
在該反射性接觸層序列10中，一擴散位障層7跟隨著功能層6，該擴散位障層7較佳是鈦層。或是，該擴散位障層7之材料是鉻、鎳、鈀、氮化鈦或氮化鈦鎢。該擴散位障層7可防止鏡面層5之材料(特別是銀)和第一電性連接層9之材料(特別是金)之互相擴散。
黏合層8跟隨著該擴散位障層7，藉此黏合層8可使隨後之第一電性連接層9之黏合性獲得改良。黏合層8較佳是一種鉑層，但鈦或鉻亦適合作為該黏合層的材料。
第一電性連接層9較佳是一種金層。或是，第一電性連接層亦可由其它具有良好導電性之材料(例如，銅或鎳)來形成。
在該反射性接觸層序列10之特別有利的實施形式中，功能層6是一種鉑層，該擴散位障層7是鈦層且該黏合層8是鉑層。已顯示的事實是：鈦在鏡面層5和第一電性連接層9之間是一種很好的擴散位障，其中二個位於周圍之鉑層可特別良好地針對腐蝕及/或氧化來保護鈦層。
如圖1所示，發光二極體晶片1具有第二電性連接層15，藉此可由與輻射發出面4相對之背面來接觸該發光二極體晶片1。於此，第一電性連接層9和第二電性連接層15配置在發光二極體晶片1之與載體19相面對的背面上。這樣所顯示的優點是：該輻射發出面4不需具備電性連接層，使由該發光二極體晶片1所發出的電磁輻射11不會被多個電性連接層9、15中之一電性連接層所遮蔽。
第一電性連接層9較佳是與半導體層序列2之p-摻雜之半導體區2b相接觸。第二電性連接層15較佳是與半導體層序列2之n-摻雜之半導體區2a相接觸。第二電性連接層15因此是由發光二極體晶片1之背面經由一個或多個缺口21a,21b而延伸至半導體層序列2之n-摻雜之半導體區2a，該些缺口21a,21b則經由半導體層序列之p-摻雜之半導體區2b和活性層3而延伸。為了防止短路，第二電性連接層15須在缺口21a,21b之區域中藉由鈍化層13而與半導體層序列2之活性層3和p-摻雜之半導體區2b形成電性隔離。
又，該鈍化層13亦將第二電性連接層15與第一電性連接層9互相隔離。該鈍化層13是由電性絕緣材料(例如，SiO2 或SiN)來形成。
第二電性連接層15含有銀且特別是在缺口21a,21b之區域中作為發光二極體晶片1所發出之電磁輻射11用之第二鏡面層。
一擴散位障層17配置在焊劑層18和第二電性連接層15之間。鈍化層13、第二電性連接層15和該擴散位障層17之間配置另一層，其在圖1中未顯示以使圖式簡化。這些層顯示在圖3中，圖3是圖1中之區域B之細部圖。
鈍化層13和第二電性連接層15(其含有銀且用作第二鏡面層)之間可配置一種黏合層14。此黏合層14較佳是鈦層。此黏合層14亦可選擇性地省略。
在與該鈍化層13相對之一側上，於第二電性連接層15上施加第二功能層16，其較佳是一種鉑層。第二功能層16之作用方式和有利的佈置對應於先前與鏡面層5一起描述之功能層6。特別是功能層16之材料亦包含在第二電性連接層15中。
層序列12中，一較佳是含有氮化鈦鎢之擴散位障層17跟隨著該功能層16。一焊劑層18跟隨著該擴散位障層17，藉此焊劑層18使發光二極體晶片1焊接於載體19。此焊劑層18特別是可含有AuSn。該擴散位障層17防止：該焊劑層18之成份擴散至第二電性連接層15中及反向的擴散。
該發光二極體晶片之圖1中所示之載體19例如可以是一種鍺-載體。在該載體之遠離該發光二極體晶片1之背面上可塗佈一種接觸金屬層20，藉此可由外部來與第二電性連接層15達成電性連接。第一電性連接層9例如可經由接合墊22和接合線23而由外部來達成電性連接。
本發明當然不限於依據各實施例中所作的描述。反之，本發明包含每一新的特徵和各特徵的每一種組合，特別是包含各申請專利範圍-或不同實施例之各別特徵之每一種組合，當相關的特徵或相關的組合本身未明顯地顯示在各申請專利範圍中或各實施例中時亦屬本發明。
1．．．發光二極體晶片
2．．．半導體層序列
2a．．．n-摻雜之半導體區
2b．．．p-摻雜之半導體區
3．．．活性層
4．．．輻射發出面
5．．．鏡面層
6．．．功能層
7．．．擴散位障層
8．．．黏合層
9．．．第一電性連接層
10．．．反射性接觸層序列
11．．．電磁輻射
12．．．層序列
13．．．鈍化層
14．．．黏合層
15．．．第二電性連接層
16．．．第二功能層
17．．．擴散位障層
18．．．焊劑層
19．．．載體
20．．．接觸金屬層
21a、21b．．．缺口
22．．．接合墊
23．．．接合線
圖1是本發明之實施例之發光二極體晶片之橫切面圖。
圖2是圖1中所示之發光二極體晶片之區域A之細部圖。
圖3是圖1中所示之發光二極體晶片之區域B之細部圖。
1．．．發光二極體晶片
2．．．半導體層序列
2a．．．n-摻雜之半導體區
2b．．．p-摻雜之半導體區
3．．．活性層
4．．．輻射發出面
5．．．鏡面層
6．．．功能層
9．．．第一電性連接層
11．．．電磁輻射
13．．．鈍化層
15．．．第二電性連接層
17．．．擴散位障層
18．．．焊劑層
19．．．載體
20．．．接觸金屬層
21a、21b．．．缺口
22．．．接合墊
23．．．接合線

Claims (11)

  1. 一種發光二極體晶片(1)，具有半導體層序列(2)，此半導體層序列(2)具有一適合用來產生電磁輻射(11)之活性層(3)，其中-該發光二極體晶片(1)在前側上具有輻射發出面(4)，-該發光二極體晶片(1)在與該輻射發出面(4)相對的背面上至少以區域方式而具有鏡面層(5)，其含有銀，-在該鏡面層(5)上配置功能層(6)，以使該鏡面層(5)之腐蝕減弱及/或黏合性獲得改良，-用來形成該功能層(6)之材料亦分佈在整個鏡面層(5)中，其中該功能層(6)之材料在該鏡面層(5)中具有濃度梯度，-該功能層(6)之材料在該鏡面層(5)中的濃度是由該功能層(6)開始在該半導體層序列(2)之方向中減小，-該鏡面層(5)直接與該半導體層序列(2)相鄰，且-該功能層(6)具有一種介於10奈米和100奈米之間的厚度。
  2. 如申請專利範圍第1項之發光二極體晶片，其中該功能層(6)含有鉑。
  3. 如申請專利範圍第1項之發光二極體晶片，其中該功能層(6)含有鎳、鉻、鈀、銠或透明之導電氧化物。
  4. 如申請專利範圍第1項之發光二極體晶片，其中該鏡面層(5)是一種反射性接觸層序列(10)之組成，該反射性接觸層序列(10)較佳是由該半導體層序列(2)開始至少具有以下所述順序的各層：-該鏡面層(5)，其含有銀，-該功能層(6)，其用來使該鏡面層(5)之腐蝕減弱及/或改良該鏡面層(5)之黏合性，-一擴散位障層(7)，以及-一第一電性連接層(9)。
  5. 如申請專利範圍第4項之發光二極體晶片，其中該第一電性連接層(9)含有金。
  6. 如申請專利範圍第4項之發光二極體晶片，其中該擴散位障層(7)含有鈦、鉻、鎳、鈀、氮化鈦或氮化鈦鎢。
  7. 如申請專利範圍第4項之發光二極體晶片，其中在該擴散位障層(7)和該第一電性連接層(9)之間配置一種黏合層(8)。
  8. 如申請專利範圍第7項之發光二極體晶片，其中該黏合層(8)含有鉑、鈦或鉻。
  9. 如申請專利範圍第1項之發光二極體晶片，其中-該發光二極體晶片(1)具有第一電性連接層(9) 和第二電性連接層(15)，-該第一電性連接層(9)和該第二電性連接層(15)是與該半導體層序列(2)之背面相面對且藉由鈍化層(13)而互相達成電性隔離，-該第二電性連接層(15)之一部份區域由該半導體層序列(2)之背面開始經由該活性層(3)之至少一缺口(21a,21b)而朝向前側的方向延伸，-該第二電性連接層(15)含有銀且用作第二鏡面層，-在該第二電性連接層(15)上配置第二功能層(16)，以使該第二電性連接層(15)之腐蝕減弱及/或黏合性獲得改良，其中用來形成該第二功能層(16)之材料亦包含在該第二電性連接層(15)中。
  10. 如申請專利範圍第9項之發光二極體晶片，其中該第二電性連接層(15)至少以區域方式而成為一種層序列(12)之組成，該層序列(12)至少包含以下所述順序之多個層：該鈍化層(13)，該第二電性連接層(15)，該第二功能層(16)，一擴散位障層(17)，以及一焊劑層(18)。
  11. 如申請專利範圍第10項之發光二極體晶片，其中該發光二極體晶片(1)在與該輻射發出面(4)相對之一 側上藉由該焊劑層(18)而與載體(19)相連接。
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