TWI462282B - 半導體光源及其製造方法 - Google Patents
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Description
本發明關於一種發光元件,特別是有關於一種發光二極體元件。
發光二極體(LEDs,“Light emitting diodes”)為轉換電能為光線的一種重要的固態元件之類型。這些元件的改良已經使得它們被用於設計來取代習知白熱及螢光光源之發光設備。LEDs有顯著較長的壽命,且在某些情況下有顯著較高的電能轉換到光的效率。
為了此討論的目的,一LED可視為具有三層,活化層夾在其它兩層之間。當來自外側層之電洞與電子在該活化層中復合時該活化層發出光。該等電洞與電子藉由傳送電流通過該LED而產生。該LED經由位在頂部層上方之電極及提供一電氣連接至底部層之接點而被供應電力。
LEDs的成本及功率轉換效率為決定此種新技術是否可以取代習知光源及用於高功率應用之速度的重要因素。一LED的轉換效率被定義為由該LED放射的光功率與所消耗的電功率之比例。未被轉換成離開LED的光的電力被轉換成熱量,其即增加LED之溫度。熱散逸對於一LED可運作的功率級時常造成限制。
電轉換成光的效率係取決於量子效率,其與該LED被建構的材料系統有關,亦根據外來的電阻損失而定。對於氮化鎵基(GaN-based)LEDs,位在活化層上方的p型層具有非常高的電阻。此亦為在許多設計中光離開時通過的該頂部層。結果是,一透明導電層例如銦錫氧化物(ITO,“Indium Tin Oxide”)被用來橫向散佈電流於晶片上,並且此ITO層之片電阻係被選擇為相當於在該等活化層下方的n型GaN層之片電阻。對於大面積的電力晶片,為了進一步降低該電阻,同時對於該ITO層以及被向下蝕刻來裸露該n-GaN層之溝槽中使用金手指。這些不透光的金屬電極必須製作成儘可能地窄,以最小化對於光的阻隔,但這會增加對於一給定金屬厚度之單位長度的電阻。因此對於一給定電極寬度,如果跨越該等電極之長度的電壓降係要保持成固定且為最小,則對於較高電流的操做該電極金屬的厚度必須要增加。
此外,該活化層轉換電為光的效率亦根據該等活化區域層之特定設計及品質隨著電流密度超過某個點而亦會降低。因此,一LED之單位面積的光量即到達一實際限制。一旦到達此限制時為了提供較高的光輸出,該LED之面積必須要增加。然而,為了在該LED之頂表面之上提供適當的電流散佈,對於自該LED之頂表面上單一接點而供應電力的LED而言,其大小係有限制。當該光經由該LED之頂表面而被萃取時,一透明導電層(例如ITO)因前述之理由而被沉積在該頂部層之上。當此材料之電阻率明顯低於下方GaN時,該層的電阻率仍然很高。在原理上,在該ITO層中電阻損失可藉由使用較厚的ITO層來克服;然而,ITO僅為部份”透光”,其對於藍光有不可忽略的吸收,因此對於該ITO層的厚度有一實際限制。在實務上,在該ITO層上提供額外的金屬接點可有助於電流散佈;然而,這些接點為不透光,因此會降低光輸出。
由於在該p型層上方的材料中電流散佈與光吸收之間的多種妥協結果,對於一單一LED的大小有實際上的限制。因此,需要比單一LED之光輸出能夠提供更多光輸出的一光源,其必須由多個較小的LED來建構。為了最小化成本,該等多個LEDs被建構在相同晶粒上,並由該晶粒上共用端點來供應電力。這種光源有時候稱之為分段式LEDs(segmented LEDs)。然而每個區段可視為連接至該晶粒上其它LEDs的一單一LED。
在這種設計的先前技藝光源中,個別的區段係並聯連接。此會造成一些問題。首先,可施加於該光源的最大電壓藉由一單一LED可承受的最大電壓所決定,其基本上為數伏特。因此,供應該光源電力的電源供應必須提供低電壓下非常高的電流。此即造成該電源供應與該光源間導體進一步的功率損失。此外,由於該晶粒之製程變化造成供電給每個LED之兩個接點間存在的電阻變化,使得在該光源上個別LED之亮度造成變化。
本發明包括一光源及其製造方法。該光源包括一基板,及一被分成區段的發光結構。該發光結構包含一第一導電型半導體材料第一層係沉積在該基板上、一活化層係位於該該第一層上方,及一二導電型半導體材料第二層係位於該活化層上方,且該第二導電型係相反於該第一導電型。該發光結構亦包含一阻障,係分隔該發光結構成為彼此電氣絕緣的第一與第二區段。一串聯電極係連接該第一區段中該第一層至該第二區段中該第二層。該光源經由第一與第二電力接點供應電力。該第一電力接點電氣連接至該第一區段中該第二層,及該第二電力接點電氣連接至該第二區段中該第一層。當在該第一與第二電力接點間產生一電位差時,該第一與第二區段產生光。
在本發明一種態樣中,該阻障包含延伸通過該發光結構之一溝槽。該串聯電極包含沉積在該溝槽中的一導電材料層。該溝槽具有防止該導電材料層與該第二區段中該第一層或該活化層構成直接接觸的一絕緣層。
在本發明另一種態樣中,該絕緣層位在部份該串聯電極下方,該串聯電極係位在該第二區段中該活化層上方。
在本發明又另一種態樣中,該導電材料層包含一金屬或銦錫氧化物(ITO)。
在本發明又另一種態樣中,該阻障對於行進在該第一層中的光為透光。
本發明提供其優點之方式可參照第一圖與第二圖而更容易瞭解,其中例示一種先前技藝的氮化鎵基LED。第一圖為LED 20之俯視圖,及第二圖為第一圖所示之LED 20通過線2-2的截面圖。LED 20藉由在一藍寶石基板19上成長具有三層的一發光結構21所建構。第一層22為一n型GaN材料。第二層23為一活化層,其在當電洞與電子在其中復合時發出光。該第三層24為一p型GaN層。這些層之每一層可以包括一些子層。因為這些子層之功能為本技藝中所熟知,且並非本文討論之重點,這些子層的細節將自該等圖式與以下討論中省略。
蝕刻一溝槽28通過層23及24,及一接點26沉積在該溝槽28的底表面上,以提供一電氣連接至層22。電氣連接至層24係藉由一透明電極27提供,透明電極27基本上由銦錫氧化物(ITO)所建構。層27連接至一第二接點25,第二接點25提供電氣連接至該電源。當電力被提供到接點25及26時,光在活化層23中產生,並經由透明電極27自LED 20萃取出來,如29處所示。
p型GaN的電阻率遠大於n型GaN的電阻率。為了最大化LED 20之光產生效率,在活化層23各處的電流密度必須均勻。也就是說,路徑31-33之電阻必須皆相同。如果缺少層27,路徑31的電阻將遠低於路徑33,因此光會集中在環繞路徑31之活化區域中產生,造成一在LED之表面各處的強度梯度。雖然ITO的電阻率明顯低於p型GaN的電阻率,但通過該ITO層之電阻不可忽略。當LEDs之功率輸出增加時,在ITO中的損失即變得明顯,並造成一光強度的梯度,除非ITO層有增加厚度。不幸地是,當ITO厚度增加時,在該ITO中吸收之光量亦會增加。當該層被增加以容納在高功率LED中所需的電流密度時在ITO中光吸收造成的光損失變為明顯。
如上所述,該等先前技藝元件利用一分段式設計來增加發光之光源的面積,且因此增加整個光輸出。現在請參照第三圖及第四圖,其中例示一先前技藝的分段式光源。第三圖為光源40的俯視圖,及第四圖為第三圖所示之光源40通過線4-4的截面圖。為了簡化討論,光源40僅包含兩個區段51、52;然而,其可瞭解到可以利用額外的區段。光源40藉由在一基板41上成長習知的三層結構42所建構。一ITO層44沉積在p層之上。在已經沉積該等層之後,該結構被蝕刻以裸露該三層結構之層43。然後一n接點46沉積在該蝕刻的溝槽中,以提供電氣接點至層43。一p接點45沉積在該分段式ITO層上。在每個區段中的n接點被連接在一起,如47處所示。同樣地,在每個區段中p接點被連接在一起,如48處所示。
必須注意到此結構僅可利用在該等區段被並聯連接的配置中,因為該等區段共享一共用n型層,該共用n型層係在該等溝槽被蝕刻之後保持連接。因此,必須由導體47及48承載的電流為供電給該等個別區段所需要之電流的總和。在低電壓下提供高電流造成的問題為增加該光源的成本或降低光產生的效率。例如,該電極金屬厚度必須增加以降低金屬電阻,因為該金屬基本上為金,其不僅會增加晶片成本,亦會造成處理及機械性的問題。
現在請參照第五圖及第六圖,其中例示利用本發明一種態樣之一分段式LED光源。第五圖為光源60的俯視圖,及第六圖為第五圖所示之光源60通過線6-6的截面圖。光源60包括兩個區段64、65;然而由以下討論將可瞭解到具有更多區段之光源可由本發明之教示來建構。光源60由相同的三層LED結構所建構,其中該等層係成長在一藍寶石基板51上。n層52成長在基板51上,然後活化層55與p層53係成長在n層52之上。
該等區段64、65由延伸通過層52到基板51之一絕緣溝槽66區隔,藉此電氣絕緣區段64及65。絕緣溝槽66包含一平台67,其僅部份地延伸到層52當中。絕緣溝槽66的壁面由一絕緣層57覆蓋,絕緣層57包括一開口區域58,開口區域58用於與每個區段相關聯之部份層52構成電氣接觸。絕緣層57可由提供無孔洞缺陷的絕緣層之任何材料所建構。例如,氮化矽(SiNx)可做為該絕緣材料。其它材料可包括聚醯亞胺(polyimide)、苯環丁烯(Benzocyclobutene,BCB)、旋塗玻璃,以及慣常用於半導體產業中元件平坦化之材料。
類似的溝槽係提供在光源60之端部上,如68及69所示。一串聯電極59沉積在絕緣溝槽66中,使得電極59經由絕緣層57中的開口58與層52接觸。電極59亦與相鄰區段中的ITO層56構成電氣接觸。因此,當經由電極61及62提供電力時,區段64及65係串聯連接。因此,光源60之操作為光源40之兩倍電壓及一半電流,如以上參照第三圖及第四圖所述。
在本發明一種態樣中,絕緣層57在電極59與61下方延伸,如第六圖中57a所示。因為電極59為不透光,電極59阻隔在電極59下方附近之部分活化層55中產生的光。在此方面,必須注意到在該等圖式中所示的該等層之厚度並非實際比例。實際上,層53之厚度遠小於層52的厚度,因此,電極59阻隔在電極59下方產生的大部份光線。因此,通過電極59下方的層55之電流實質上被浪費,因為由該電流產生的大部份光係被損失。該絕緣層延伸部分阻擋電流流過層55的此一被浪費區域,因此可提高該光源的整體效率。一類似問題出現在電極61下方,因此該絕緣層亦延伸在該電極下方。
現在請參照第七圖,其為光源60的另一個截面圖。串聯電極59可藉由沉積像是銅或鋁的金屬層所建構。然而,這種層防止光在區段64與65間移動。在氮化鎵基LEDs中,在活化層55中產生的光線一大部份被捕捉在該光源內,其係由於在該光源之邊界處的內反射造成,例如基板51與層52間的邊界,及層53與ITO層56間的邊界。一示例性捕捉的光線示於71處。
該捕捉的光於所討論的該等層之間來回反射,直到該光由於吸收而損失,除非該LED包含某個可隨機化在一或多個該等反射表面處的反射角度的機制。基本上,層53之上表面被粗糙化。因此,每次光入射在邊界72上時,該光可通過該粗糙化表面,或對於垂直於層53的平均表面成一不同角度而反射回來。因此,在每次反射中所反射之部份光以允許光在下次向上反射碰到表面72而逃逸的一角度離開該表面。
如果電極59為金屬,光線71將被電極59攔截,且將反射回到區段64中或損失掉,而非前進到區段65並再次到達區段65中部份表面72。如果該光線反射回到區段64中,該光線的某些部份將在後續碰到表面72時逃逸。不幸地是,沉積在蝕刻的表面上之金屬層,例如該絕緣溝槽的表面,其反射率顯然小於100%。在這方面,其必須注意到光源60中不同層並未依比例繪製。實際上,層52將遠比層53及55的總和要厚。因此,撞擊在電極59之大部份的光將會損失。
在本發明一種態樣中,此光損失問題藉由利用一透明導體例如ITO為電極59而降低。為了在該等區段之間傳播光線之目的,電極59的透明度藉由延伸到基板51之該絕緣溝槽內該層的截面所決定,即第七圖中所示的t。另一方面,電極59的電阻由電極59的整個截面區域所決定,即第七圖所示之尺寸”T”。因此,電極59可做得足夠厚,其具有一可接受的光透射,而仍可提供足夠低的電阻給該等區段間的電流流動。
其亦必須注意到第六圖中57a所示的部份絕緣層在當電極59為透光時即不需要,因為在電極59下方產生的光可經由電極59逃逸。因此,使用一透明電極材料做為電極59亦會增加區段65的可使用面積。
現在請參照第八圖,其例示本發明一具體實施例,其中上述之光損失問題藉由使用一透明絕緣體填入該絕緣溝槽之底部而降低。在光源80中,延伸到基板51之部份絕緣溝槽填有一透明絕緣體,例如81處所示之玻璃層。一獨立的金屬電極82使用來構成區段84與85之間的串聯連接。
現在請參照第九A圖到第九D圖,其例示為利用一金屬串聯電極之光源的製造方法。第九A圖到第九D圖為顯示該製程中不同階段的一晶圓之一部份的截面圖,在其上的一光源90具有兩個區段。請參照第九A圖,光源90藉由沉積GaN層52、55及53在一藍寶石基板51上所建構。此製程在本技藝中很常見,因此將不在此處詳細討論。在該等層已經被沉積之後,溝槽92a-92c被蝕刻通過層53及55,並蝕刻進入n型層52。
現在請參照第九B圖。在溝槽92a-92c已經被蝕刻之後,該晶圓被遮罩,且溝槽93a-93c被蝕刻下至基板51。溝槽93b被用於建構上述之絕緣溝槽。請參照第九C圖,然後一圖案化的SiN絕緣層94被沉積在該等溝槽的壁面上,且在層94中蝕刻開口95,以提供電氣連接至層52。
現在請參照第九D圖。接著,一圖案化的ITO層96被沉積在p型層53之上。在層53被粗糙化來提高光萃取之具體實施例中,在層96被沉積之前,層53的頂表面被蝕刻以提供所需要的散射特徵。然後一圖案化的金屬層被沉積來提供串聯電極97,及用於供電給光源90之接點98及99。
如上所述,本發明之具體實施例中自ITO建構的串聯電極97具有在光萃取方面之優點。在這些具體實施例中,該串聯電極由ITO或一類似的透明導體所建構,該串聯電極與層96同時被沉積。
在包含一透明絕緣體之絕緣溝槽具體實施例中的建構係依類似方式建構。現在請參照第十A圖到第十C圖,其為具有一光源100的一晶圓之一部份的截面圖,其中該絕緣溝槽被填入玻璃。現在請參照第十A圖。該製程以上述對於第九A圖及第九B圖所述之相同方式進行。在該絕緣溝槽已經被開口之後,該絕緣溝槽被填入玻璃,如101處所示。然後該玻璃層被部份蝕刻以開出下至層52中的該平台之一溝槽,而留下一玻璃壁面102,如第十B圖所示。然後沉積一圖案化SiN層103,如103處所示。然後一ITO層107沉積在層53的表面之上,如第十C圖之107處所示,且一圖案化金屬層被沉積,以形成一串聯電極104與電力接點105及106。
上述本發明之具體實施例僅具有兩個區段。然而,具有兩個以上區段之光源可在不悖離本發明之教示而建構。現在請參照第十一圖,其為具有三個區段之光源的截面圖。光源150使用藉助於串聯電極162及163而串聯連接的區段151-153。該光源藉由施加大於或等於供電給接點161及164之間個別區段之每一者所需要的電壓之三倍來供電。具有甚至更多區段的光源可藉由複製區段152來建構。
上述本發明之具體實施例已提供用於例示本發明之多種態樣。但是,其應可瞭解到在不同特定具體實施例中所示之本發明的不同態樣可被組合來提供本發明之其它具體實施例。此外,對於本發明之多種修改可由本技藝專業人士由前述的說明及附隨圖式中而顯而易知。因此,本發明僅受限於以下申請專利範圍所定義之範疇。
20...發光二極體
21...發光結構
22...n型GaN層
23...活化層
24...p型GaN層
25...第二接點
26...接點
27...透明電極
28...溝槽
31...路徑
32...路徑
33...路徑
40...光源
41...基板
42...三層結構
43...層
44...銦錫氧化物層
45...p接點
46...n接點
47...導體
48...導體
51...藍寶石基板
52...n型GaN層
53...p型GaN層
55...活化層
56...銦錫氧化物層
57...絕緣層
58...開口區域
59...串聯電極
60...光源
61...電力接點
62...電力接點
64...區段
65...區段
66...絕緣溝槽
67...平台
68...溝槽
69...溝槽
71...光線
72...表面
80...光源
82...金屬電極
84...區段
85...區段
90...光源
92a...溝槽
92b...溝槽
92c...溝槽
93a...溝槽
93b...溝槽
93c...溝槽
94...圖案化的SiN絕緣層
95...開口
96...銦錫氧化物層
97...串聯電極
98...接點
99...接點
100...光源
102...玻璃壁面
103...圖案化SiN層
104...串聯電極
105...電力接點
106...電力接點
107...銦錫氧化物層
151...區段
152...區段
153...區段
161...接點
162...串聯電極
163...串聯電極
164...接點
第一圖為一先前技藝LED的俯視圖。
第二圖為第一圖所示之通過線2-2的先前技藝LED 20之截面圖。
第三圖為一先前技藝光源的俯視圖。
第四圖為第三圖所示之通過線4-4的先前技藝光源40之截面圖。
第五圖為根據本發明之光源的具體實施例之俯視圖。
第六圖為第五圖所示之通過線6-6的光源60之截面圖。
第七圖為光源60之另一個截面圖。
第八圖為本發明一具體實施例,其中該光線損失問題藉由使用一透明絕緣體填入該絕緣溝槽之底部而降低。
第九A圖到第九D圖為利用一金屬串聯電極之光源的製造方法。
第十A圖到第十C圖為具有一光源的一晶圓之一部份的截面圖,其中該絕緣溝槽被填入玻璃。
第十一圖為具有三個區段之一光源的截面圖。
51...藍寶石基板
52...n型GaN層
53...p型GaN層
55...活化層
56...銦錫氧化物層
57...絕緣層
58...開口區域
59...串聯電極
60...光源
61...電力接點
62...電力接點
64...區段
65...區段
66...絕緣溝槽
67...平台
68...溝槽
69...溝槽
Claims (17)
- 一種半導體光源,其包括:一基板;一發光結構,其包含:一第一導電型半導體材料之第一層,其係沉積在該基板上;一活化層,其係疊加(overlying)於該第一層;及一與該第一導電型相反之導電型半導體材料之第二層,其係疊加於該活化層;一阻障,其係分隔該發光結構成為彼此電氣絕緣的第一與第二區段,該阻障包含一延伸通過該發光結構之溝槽(trench),該溝槽包含一第一部分及一第二部分,該第一部分形成於該第一層之一上表面(upper surface)之位準(level)之上,該第二部分形成於該第一層之該上表面之該位準之下且沿著該第一層之一側表面;一絕緣層,其係形成於該溝槽之該第二部分之一表面及該第二區段之一側表面上,且延伸至該第二區段之該第二層之一頂面(top surface);一串聯電極,其係延伸至該絕緣層之在該第二區段之該第二層之該頂面上的一部分上,並電氣連接該第一區段中該第一層至該第二區段中該第二層,其中該串聯電極包含沉積於該溝槽中之一導電性材料的層,而該絕緣層係形成於該串聯電極之一部分與該活化層之間以避免上述導電性材料的層在該第二區段與該第一層及該活化層直接接觸,且該絕緣層之在該第二區段之該第二層之該頂面上的該部分係位於其 上之該串聯電極與該活化層之間;一第一電力接點,其係電氣連接至該第一區段中該第二層;及一第二電力接點,係電氣連接至該第二區段中該第一層,其中當該第一與第二電力接點間產生一電位差時,該第一及第二區段產生光。
- 如申請專利範圍第1項之半導體光源,其中該導電材料包含金屬。
- 如申請專利範圍第1項之半導體光源,其中該導電材料包含銦錫氧化物(ITO)。
- 如申請專利範圍第1項之半導體光源,其中該溝槽之該第二部分係被充填有上述導電性材料的層。
- 如申請專利範圍第1項之半導體光源,其更包含:一透明電極,其係形成於該第二區段之該第二層上,且於俯視時位於該第二區段之該第二層之一區域內,其中該串聯電極接觸該透明電極。
- 如申請專利範圍第5項之半導體光源,其中該透明電極包含銦錫氧化物(ITO)。
- 如申請專利範圍第5項之半導體光源,其中該串聯電極接觸該透明電極之一頂面及一側表面。
- 如申請專利範圍第1項之半導體光源,其中該串聯電極接觸該第一區段之該第一層。
- 如申請專利範圍第1項之半導體光源,其中該絕緣層包含一開放區域,該串聯電極係經由該開放區域接觸該第一區段之該第一層。
- 一種製造一半導體光源的方法,該方法包括沉積一發光結構在一基板上,該發光結構包含:一第一導電型半導體材料之第一層,其係沉 積在該基板上;一活化層,其係疊加於該第一層;及一與該第一導電型相反之導電型半導體材料之第二層,其係疊加於該活化層;產生一阻障,其分隔該發光結構成為彼此電氣絕緣的第一與第二區段,該阻障係藉由蝕刻一溝槽而產生,該溝槽係延伸通過該發光結構至該基板,該溝槽包含一第一部分及一第二部分,該第一部分形成於該第一層之一上表面之一位準之上,該第二部分形成於該第一層之該上表面之該位準之下且沿著該第一層之一側表面;於該溝槽中,在該溝槽之該第二部分之一表面及該第二區段之一側表面上沉積一絕緣層,該絕緣層係延伸至該第二區段之該第二層之一頂面;沉積一串聯電極,其係延伸至該絕緣層之在該第二區段之該第二層之該頂面上的一部分上,並電氣連接該第一區段中該第一層至該第二區段中該第二層,其中沉積該串聯電極包含於該溝槽中在該絕緣層上沉積一導電性材料的層,而該絕緣層形成於該串聯電極之一部分與該活化層之間以避免上述導電性材料的層在該第二區段與該第一層或該活化層直接接觸,且該絕緣層之在該第二區段之該第二層之該頂面上的該部分係位於其上之該串聯電極與該活化層之間;設置一第一電力接點,其係電氣連接至該第一區段中該第二層;及設置一第二電力接點,其係電氣連接至該第二區段中該第一層,其中當該第一與第二電力接點間產生 一電位差時,該第一及第二區段產生光。
- 如申請專利範圍第10項之方法,其中該導電材料包含金屬。
- 如申請專利範圍第10項之方法,其中該導電材料包含銦錫氧化物(ITO)。
- 如申請專利範圍第10項之方法,其中於該溝槽中,在該絕緣層上沉積上述導電性材料的層,以填充該溝槽之該第二部分。
- 如申請專利範圍第10項之方法,其更包含:設置一透明電極於該第二區段之該第二層上,該透明電極在俯視時位於該第二區段之該第二層之一區域內,其中該串聯電極被形成為接觸該透明電極。
- 如申請專利範圍第14項之方法,其中該串聯電極被形成為接觸該透明電極之一頂面及一側表面。
- 如申請專利範圍第10項之方法,其中該串聯電極被形成為接觸該第一區段之該第一層。
- 如申請專利範圍第10項之方法,其中該絕緣層被形成為包含一開放區域,該串聯電極係經由該開放區域接觸該第一區段之該第一層。
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