TWI485884B

TWI485884B - 發光二極體及其製作方法

Info

Publication number: TWI485884B
Application number: TW099109645A
Authority: TW
Inventors: Chia Hui Shen; Tzu Chien Hong
Original assignee: Advanced Optoelectronic Tech
Priority date: 2010-03-30
Filing date: 2010-03-30
Publication date: 2015-05-21
Also published as: TW201133934A

Description

發光二極體及其製作方法

本發明涉及一種發光二極體，尤其涉及散熱性能較好的發光二極體。本發明還提供了一種該發光二極體的製作方法。

發光二極體(Light Emitting Diode，LED)是一種可將電流轉換成特定波長範圍的光的半導體元件。發光二極體以其亮度高、工作電壓低、功耗小、易與積體電路匹配、驅動簡單、壽命長等優點，從而可作為光源而廣泛應用於照明領域。

LED通常包括p型半導體層、活性層及n型半導體層。在LED兩端施加電壓，空穴與電子將會在活性層複合，輻射出光子。LED在應用過程中所面臨的一個問題是其散熱問題。若LED在工作過程中所產生的熱量不能有效地散發，將會影響LED的發光效率。

有鑒於此，有必要提供一種散熱性能較好的發光二極體。

一種發光二極體，其包括一透明基板及在透明基板形成的多個發光結構單元。每個發光結構單元包括依次層疊的N型半導體層、多量子井活性層、P型半導體層。P型半導體層表面設置有P型接觸電極，N型半導體層表面設置有N型接觸電極。該發光結構單元進一步包括一凹陷部，該凹陷部從P型半導體層延伸到N型半導體層。該凹陷部內填充有金屬材料，且該金屬材料延伸至覆蓋發光結構單元的表面。該金屬材料分為相互絕緣的兩部分，形成多個發光結構單元共同進行對外連接的兩個電極。

一種發光二極體的製作方法，其包括以下步驟：提供一個透明基板，在透明基板上依次沈積N型半導體層、活性層及P型半導體層以形成一發光結構；在發光結構之間形成隔離槽得到多個發光結構單元，同時在發光結構單元中製作凹陷部，該凹陷部從P型半導體層延伸到N型半導體層，顯露出N型半導體層的表面；在每個發光結構單元的P型半導體層表面與N型半導體層表面分別製作P型接觸電極與N型接觸電極，然後製作第一絕緣層，該第一絕緣層完全覆蓋除P型接觸電極與N型接觸電極以外的區域，然後製作金屬電連接層將多個發光結構單元之間電性連接；在金屬電連接層表面製作第二絕緣層，然後在凹陷部內填入金屬材料，且金屬材料延伸至覆蓋發光結構表面，該金屬材料分為相互絕緣的兩部分，形成多個發光結構單元共同進行對外連接的兩個電極。

相較於先前技術，本發明藉由在發光二極體的凹陷部內填充金屬材料，由於金屬材料的導熱性能較好，且金屬材料靠近發光結構的發光層設置，發光二極體發光層的熱量可以有效傳遞到金屬材料中，有利於發光二極體的散熱。

100、200、300‧‧‧發光二極體

11、21、31‧‧‧透明基板

12、22、32‧‧‧發光結構單元

121、221‧‧‧N型GaN層

122、222‧‧‧第一多量子井活性層

123、223‧‧‧第二多量子井活性層

124、224‧‧‧P型GaN層

125、225、325‧‧‧P型接觸電極

126、226、326‧‧‧N型接觸電極

227‧‧‧透明導電層

13、23‧‧‧凹陷部

14、24、34‧‧‧電連接層

15、25‧‧‧第一絕緣層

16、26、36‧‧‧金屬材料

361‧‧‧第一電極

362‧‧‧第二電極

17、27‧‧‧第二絕緣層

18、28‧‧‧起鍍層

19、29、39‧‧‧隔離槽

圖1是本發明第一實施例的發光二極體的結構示意圖。

圖2是圖1中的發光二極體的製作流程圖。

圖3是本發明第二實施例的發光二極體的結構示意圖。

圖4是本發明第三實施例的發光二極體的電連接關係示意圖。

下面以具體的實施例對本發明作進一步地說明。

請參見圖1，本發明實施例所提供的發光二極體100包括一個透明基板11及兩個發光結構單元12。該透明基板11可為藍寶石透明基板(sapphire)或是二氧化矽基板。每個發光結構單元12包括在透明基板11上依次層疊的N型GaN層121，第一多量子井活性層122，第二多量子井活性層123，P型GaN層124，在P型GaN層124與N型GaN層121表面分別設置有P型接觸電極125與N型接觸電極126。

根據需要，所述P型GaN層124與N型GaN層121亦可以用其他半導體材料替代，如氮化鋁鎵(AlGaN)、氮化銦鎵(InGaN)、氮化鋁鎵銦(AlGaInN)、磷化鎵(GaP)、砷化鎵(GaAs)等。

所述多量子井活性層由相互堆疊的第一種III-V族氮化鋁銦鎵(AlxInyGa1-x-yN)層與第二種III-V族氮化鋁鎵銦(AluGavIn1-u-vN)層所構成，其中0<x≦1，0≦y<1,x+y≦1以及0<u≦1，0≦v<1,u+v≦1且x=u,y≠v。可依需求調整金屬元素之間的參數獲得所需的發光波長。在本實施例中，發光二極體100的第一多量子井活性層122與第二多量子井活性層123相互層疊。所述第一多量子井活性層122與第二多量子井活性層123可以發出相同波長的光線，亦可以發出不同波長的光線。在本實施例中，所述第一多量子井活性層122與第二多量子井活性層123所發出的光線的波長在380nm至600nm的範圍內。根據需要，亦可以只有一個多量子井活性層。

發光結構單元12具有一凹陷部13。該凹陷部13從P型GaN層124延伸到N型GaN層121，從而顯露出N型GaN層121的表面，用於在N型GaN層121的表面製作N型接觸電極126。該多個發光結構單元12進一步包括隔離槽19，避免發光二極體100在工作時發光結構單元12之間產生電性干擾而造成發光結構單元12之間的短路現象。

為實現兩個發光結構單元12之間的電連接，該發光二極體100還進一步包括一電連接層14。該電連接層14可以根據兩個發光結構單元12之間的電連接關係如串聯或是並聯或是串並聯的方式而按需要製作，若發光結構單元12足夠時，發光結構單元12亦可以形成串聯與並聯結合的方式。在本實施例中，該電連接層14將其中一個發光結構單元12的N型接觸電極126與另外一個發光結構單元12的P型接觸電極125相連接，從而使兩個發光結構單元12之間形成串聯連接的關係。另外，亦可以藉由改變電連接層14的設置，從而使兩個發光結構單元12之間形成並聯連接的關係。該電連接層14可以藉由真空蒸鍍的方法製作在發光結構單元12的表面。為了避免該電連接層14附著在發光結構單元12的各層的側面而造成短路，可以事先在發光結構單元12的表面設置一層第一絕緣層15 。該第一絕緣層15完全覆蓋除P型接觸電極125與N型接觸電極126以外的區域。該第一絕緣層15可以是二氧化矽(SiO2)、氮化矽(Si3N4)或者是金剛石狀絕緣塗料(DLC)。這樣，在製作電連接層14時，該電連接層14除了與P型接觸電極125與N型接觸電極126相接觸的部分外，其餘部分將不能與發光結構單元12直接接觸，而是被第一絕緣層15所間隔開，從而避免發生短路現象。

在電連接層14製作完成之後，在凹陷部13內部填充金屬材料16。該金屬材料為銅(Cu)、金(Au)、鎳(Ni)、銀(Ag)、鋁(Al)其中之一或者前述金屬材料之合金。該金屬材料16採用電鍍的方式製作在發光結構單元12的表面。為避免產生不必要的電學接觸，可以在相對應的地方沈積一層第二絕緣層17。在本實施例中，該第二絕緣層17覆蓋在電連接層14的表面，用於隔離金屬材料16與電連接層14之間的電性連接。在電鍍開始之前，可以先用真空蒸發的方法蒸鍍一層起鍍層18，該起鍍層18的材料為鎳(Ni)、鋁(Al)、銀(Ag)、鉑(Pt)、鈀(Pd)、鈦(Ti)、金(Au)其中之一或前述材料之合金。在本實施例中，該金屬材料16除了填充在凹陷部13內部以外，其還可以覆蓋在該多個發光結構單元12的表面，從而形成連續性的結構。所述填充在凹陷部13內部及覆蓋在發光結構單元12表面的金屬材料16可增大發光二極體100的散熱面積，從而進一步增強該發光二極體100的散熱性能。該金屬材料16分為相互絕緣的兩部分，形成多個發光結構單元12共同進行對外連接的兩個電極。

在本實施例中，該發光二極體100在工作時，所述第一多量子井活性層122與第二多量子井活性層123所發出的光線將從透明基板11的方向上出射到外界。由於金屬材料16填充在凹陷部13的內部，且凹陷部13深入至第一多量子井活性層122與第二多量子井活性層123中，因此第一多量子井活性層122與第二多量子井活性層123所發出的熱量可以迅速傳遞到金屬材料16中。並且，由於金屬材料16具有較好的散熱性能，其可以將熱量迅速散發到外界，從而改善了該發光二極體100的散熱性能。

請參見圖2，上述的發光二極體100的採用以下步驟製作：

步驟一：提供一個透明基板11。然後採用金屬有機氣相沈積法(MOCVD,metal organic chemical vapor deposition)在透明基板11上依次沈積N型GaN層121、第一多量子井活性層122、第二多量子井活性層123及P型GaN層124以形成一發光結構。

步驟二：採用蝕刻的方法在發光結構上製作隔離槽以形成多個發光結構單元12，且使發光結構單元12之間電性隔離。然後，在發光結構單元的表面製作凹陷部13，該凹陷部13從P型GaN層124延伸到N型GaN層121，顯露出N型GaN層121的表面。所述蝕刻的方法可以是電感耦合等離子體蝕刻(ICP)或者是反應離子蝕刻(RIE)方法。

步驟三：採用真空蒸鍍的方法每個發光結構單元12的P型GaN層124表面與N型GaN層121表面分別製作P型接觸電極125與N型接觸電極126。然後採用真空蒸發或者塗覆的方法製作第一絕緣層15。該第一絕緣層15完全覆蓋除P型接觸電極125與N型接觸電極126 以外的區域，然後製作金屬電連接層14將兩個發光結構單元12之間電性連接；

步驟四：在金屬電連接層14表面製作第二絕緣層17。同樣，該第二絕緣層17可以由真空蒸發或者塗覆的方法形成。然後採用電鍍的方法在凹陷部13內形成金屬材料16。在電鍍開始之前，先用真空蒸發的方法在第二絕緣層17的表面首先形成一層起鍍層18。

在本實施例中，兩個發光結構單元12之間為串聯連接關係。根據需要，發光結構單元12可以是複數個。該複數個發光結構單元12可以是串聯連接關係，亦可以是並聯連接關係，或者是串聯與並聯相結合，又或者是發光結構單元12之間的反向並聯連接，形成交流供電的發光結構。

圖3為本發明第二實施例的發光二極體200的結構示意圖。該發光二極體200包括透明基板21及兩個發光結構單元22。每個發光結構單元22包括在透明基板21上依次層疊的N型GaN層221，第一多量子井活性層222，第二多量子井活性層223，P型GaN層224以及分別與P型GaN層224與N型GaN層221分別接觸的P型接觸電極225與N型接觸電極226。

發光結構單元22具有一凹陷部23。該凹陷部23從P型GaN層224延伸到N型GaN層221，顯露出N型GaN層221的表面，用於製作N型接觸電極226。

該發光結構單元22還包括一第一絕緣層25，該第一絕緣層25覆蓋除接觸電極以外的區域。一電連接層24設置於第一絕緣層25的表面，用於連接兩個發光結構單元22相鄰的N型接觸電極226與P型接觸電極225。多個發光結構單元22之間進一步包括隔離槽29，避免發光二極體200在工作時發光結構單元22之間存在電性干擾而造成發光結構單元22之間產生短路現象。

在電連接層24的表面設置有第二絕緣層27，然後在凹陷部23的內部設置金屬材料26。在將金屬材料26電鍍到凹陷部23表面之前，首先蒸鍍一層起鍍層28在第二絕緣層27的表面。

與第一實施例不同的是，本實施例的發光結構單元22還包括一透明導電層227。該透明導電層227設置於P型GaN層224與P型接觸電極225之間。該透明導電層227藉由真空蒸鍍的方法設置於P型GaN層224的表面。該透明導電層227的材料可以是氧化銦錫ITO、氧化銦鋅IZO或者是氧化鋅ZnO薄膜。該透明導電層227可以作為歐姆接觸層，起到使電流在P型GaN層224充分擴散均勻的作用。

根據需要，該發光二極體亦不限於兩個發光結構，其亦可以是三個或者三個以上。發光結構之間的電連接關係亦可以根據需要確定。請參見圖4，為本發明的第三實施例的發光二極體300內部的電連接關係圖。該發光二極體300包括透明基板31及設置於透明基板31的四個角上的四個發光結構單元32。所述發光結構單元32之間設置有隔離槽39。

每個發光結構單元32都包括一P型接觸電極325及一N型接觸電極326。發光結構單元32之間藉由電連接層34相互連接，形成串聯連接的結構。

所述發光結構單元32設置有凹陷部(圖未示)，該凹陷部的內部填充有金屬材料36，該金屬材料36除填充在凹陷部的內部外，其還填充在隔離槽39中且延伸至覆蓋多個發光結構單元32的表面，形成較大面積的散熱結構。在本實施例中，所述金屬材料36分為相互絕緣的第一電極361與第二電極362。該第一電極361與形成串聯連接結構的起始處的發光結構單元32的P型接觸電極325相連接，該第二電極362與形成串聯連接結構的結尾處的發光結構單元32的N型接觸電極326相連接。所述第二電極362覆蓋在多個發光結構單元32的表面，形成連續的結構。由於金屬材料36填充在凹陷部及隔離槽39處，所述發光結構單元32在工作時所產生的熱量可以迅速傳遞到金屬材料36中。另外，由於金屬材料36還延伸至覆蓋多個發光結構單元32的表面，其必然會增大散熱面積，從而使發光二極體300的散熱效率進一步增加。

綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施方式，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。

100‧‧‧發光二極體

11‧‧‧透明基板

12‧‧‧發光結構單元

121‧‧‧N型GaN層

122‧‧‧第一多量子井活性層

123‧‧‧第二多量子井活性層

124‧‧‧P型GaN層

125‧‧‧P型接觸電極

126‧‧‧N型接觸電極

13‧‧‧凹陷部

14‧‧‧電連接層

15‧‧‧第一絕緣層

16‧‧‧金屬材料

17‧‧‧第二絕緣層

18‧‧‧起鍍層

19‧‧‧隔離槽

Claims

一種發光二極體，其包括一透明基板及在透明基板形成的多個發光結構單元，每個發光結構單元包括依次層疊的N型半導體層、多量子井活性層、P型半導體層，P型半導體層表面設置有P型接觸電極，N型半導體層表面設置有N型接觸電極，其中，該發光結構單元進一步包括一凹陷部，該凹陷部從P型半導體層延伸到N型半導體層，該凹陷部內填充有金屬材料，且該金屬材料延伸至覆蓋發光結構單元的表面，該金屬材料分為相互絕緣的兩部分，形成多個發光結構單元共同進行對外連接的兩個電極，每個發光結構單元進一步包括一絕緣層，該絕緣層設置於發光結構單元與金屬材料相接觸的表面上，所述金屬材料以電鍍的方法製作在凹陷部內，在電鍍之前，首先在絕緣層表面蒸鍍一層起鍍層，該起鍍層為鎳、鋁、銀、鉑、鈀、鈦、金其中之一或前述金屬材料之合金，該發光二極體進一步包括一金屬電連接層，該金屬電連接層將相鄰兩個發光結構單元的接觸電極連接在一起，該金屬電連接層與金屬材料之間設置有絕緣層。
如申請專利範圍第1項所述之發光二極體，其中，該金屬材料為銅、金、鎳、銀、鋁其中之一或者前述金屬材料之合金。
如申請專利範圍第1項所述之發光二極體，其中，每個發光結構單元包括一透明導電層，該透明導電層設置於P型半導體層與P型接觸電極之間。
如申請專利範圍第1項所述之發光二極體，其中，該發光二極體進一步包括多個隔離槽，該多個隔離槽使發光結構單元之間電性隔離。
一種發光二極體之製作方法，其包括以下步驟：提供一個透明基板，在透明基板上依次沈積N型半導體層、活性層及P型半導體層以形成一發光結構；在發光結構之間形成隔離槽得到多個發光結構單元，同時在發光結構單元中製作凹陷部，該凹陷部從P型半導體層延伸到N型半導體層，顯露出N型半導體層的表面；在每個發光結構單元的P型半導體層表面與N型半導體層表面分別製作P型接觸電極與N型接觸電極，然後製作第一絕緣層，該第一絕緣層完全覆蓋除P型接觸電極與N型接觸電極以外的區域，然後製作金屬電連接層將多個發光結構單元之間電性連接；在金屬電連接層表面製作第二絕緣層，然後在凹陷部內填入金屬材料，且金屬材料延伸至覆蓋發光結構表面，該金屬材料分為相互絕緣的兩部分，形成多個發光結構單元共同進行對外連接的兩個電極，所述金屬材料以電鍍的方法製作在凹陷部內，在電鍍之前，首先在絕緣層表面蒸鍍一層起鍍層，該起鍍層為鎳、鋁、銀、鉑、鈀、鈦、金其中之一或前述金屬材料之合金。
如申請專利範圍第5項所述之發光二極體之製作方法，其中，該金屬電連接層用於連接該多個發光結構單元，使發光結構單元之間形成串聯、並連或串並聯的電連接關係。