TWI493759B - 發光二極體結構及其製造方法 - Google Patents

Description

發光二極體結構及其製造方法

本發明係有關於發光二極體結構，且特別是有關於一種能改善電流聚集之發光二極體封裝結構及其製造方法。

發光二極體(light emitting diode，以下皆簡稱為LED)具有高亮度、體積小、重量輕、不易破損、低耗電量和壽命長等優點，所以被廣泛地應用各式顯示產品中，其發光原理為，當施子二極體順向偏壓時，p型區的多數載子電洞會往n型區移動，而n型區的多數載子電子則往p型區移動，最後電子與電洞兩載子會在p-n接面之空乏區復合，此時因電子由傳導帶移轉至價帶後喪失能階，同時以光子的模式釋放出能量而產生光。

在傳統的水平式LED裝置中，接觸電極設計為水平位向，容易產生電流聚集的問題。例如，電子在n型磊晶層和p型磊晶層中橫向流動不等的距離，而導致LED的發光不均。此外，LED的接觸電極勢必要覆蓋在發光面上，損失了發光面積，僅有約65%的發光面積可被利用。

使用垂直式LED裝置可改善水平式LED裝置所遭遇的上述問題。在垂直式LED結構中，兩個電極分別位在LED的n型磊晶層和p型磊晶層之兩側，由於全部的p型磊晶層皆可作第二電極，使得電流幾乎全部垂直流過LED磊晶層，極少橫向流動的電流，可以改善平面結構的電流分佈 問題，提高發光效率，同時也可解決p型接觸電極的遮光問題，提升LED結構的發光面積。

一般的垂直式LED結構之n型接觸電極係設置於LED晶片之上表面上。一般而言，越多的金屬接觸電極設置於LED晶片表面上，可讓LED晶片的電流分佈更均勻。然而，設置於垂直式LED結構之晶片表面上的金屬接觸電極會有吸光及阻擋光萃取的問題。再者，由於電子載子及電洞載子會相互吸引的關係，亦容易在n型接觸電極附近發生電流聚集，導致LED晶片發光不均。

基於上述，為克服上述問題，業界亟需一種創新的發光二極體製程與封裝結構來解決上述問題。

本發明實施例係提供一種發光二極體結構，包括：一基板，其上具有一第一半導體層、一發光層及一第二半導體層，其中 此 發光層及 此 第一半導體層依序堆疊於 此 第二半導體層上，且 此 第一及 此 第二半導體層具有相反之導電型態，且其中 此 第一半導體層包含一第一層及一第二層， 此 第一層之導電性較 此 第二層高；一第一接觸電極，位於第二半導體層與 此 基板之間，並具有一突出部分延伸至 此 第一半導體層中；一阻障層，順應性覆蓋於 此 第一接觸電極上，但暴露出 此 突出部分之頂部；以及一第二接觸電極，位於 此 第二半導體層及 此 第一接觸電極之間，與第二半導體層直接接觸，且藉由 此 阻障 層與 此 第一接觸電極電性隔離。

本發明實施例亦提供了一種發光二極體結構之製造方法，包括：提供一第一基板；依序形成一第一半導體層、一發光層及一第二半導體層於 此 第一基板上，其中 此 第一及 此 第二半導體層具有相反之摻雜型態，且其中 此 第一半導體層包含一第一層及一第二層， 此 第一層之導電性較 此 第二層高；形成一第一開口穿透 此 第二半導體層及 此 發光層並延伸至 此 第一半導體層中；形成一第一接觸電極於 此 第二半導體層之上表面上；形成一阻障層，覆蓋 此 第一接觸電極及內襯於 此 第一開口中；形成一第二接觸電極，覆蓋 此 阻障層且填滿 此 第一開口；以及形成一第二基板於 此 第二接觸電極上，並移除 此 第一基板。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

本發明接下來將會提供許多不同的實施例以實施本發明中不同的特徵。各特定實施例中的組成及配置將會在以下作描述以簡化本發明。這些為實施例並非用於限定本發明。此外，在本說明書的各種例子中可能會出現重複的元件符號以便簡化描述，但這不代表在各個實施例及/或圖示之間有何特定的關連。此外，一第一元件形成於一第二元 件“上方”、“之上”、“之下”或“上”可包含實施例中的該第一元件與第二元件直接接觸，或也可包含該第一元件與第二元件之間更有其他額外元件使該第一元件與第二元件無直接接觸。

本發明實施例係提供高發光效率之發光二極體裝置及其製造方法。在此LED裝置中，可有效改善電流聚集的問題，且避免接觸電極設置於LED晶片表面上來吸光或阻擋光萃取。

參見第1~16圖，其顯示依照本發明一實施例之發光二極體結構之製造方法於各種中間製程之剖面圖，以下將以這些圖示為參考，說明本發明實施例所提供之發光二極體結構及其製造方法。

參見第1圖，首先為提供一成長基板102，其可為任何適合一發光二極體半導體層成長的基板，例如：氣化鋁基板(藍寶石基板)、碳化矽基板、或砷化鎵基板等。成長基板102上配置有緩衝層104及第一半導體層106。緩衝層104之材質可為GaN、AlN、AlGaN或前述之組合，其可提供於其上形成之第一半導體層106在成長時具有良好的緩衝效果而不易破裂。

參見第2圖，形成第一半導體層106於成長基板102上，其中第一半導體層106包含導電性不同的磊晶層106a及磊晶層106b。磊晶層106a及磊晶層106b可例如為n型磊晶層，具有n型摻質摻於其中。在一實施例中，第二半導體層之磊晶層106a及磊晶層106b可由不同材質形成， 且磊晶層106a之組成材料相較於磊晶層106b之組成材料具有較高的導電性(即電阻值較低)。例如，磊晶層106a可包含GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN、GaP、GaAsP、GaInP、AlGaInP、AlGaAs或前述之組合。磊晶層106b可包含GaN、AlGaN、GaP、GaAsP或前述之組合、或前述之組合。在另一實施例中，磊晶層106a及磊晶層106b可由相同材質形成，但具有不同的摻雜濃度。例如，磊晶層106a及磊晶層106b皆由例如GaN、AlGaN、AlInGaN、GaP、GaAsP或前述之組合形成，且磊晶層106a之摻雜濃度為1E18至5E19，磊晶層106b之摻雜濃度為約1E17至5E19。磊晶層106a之摻雜濃度可較磊晶層106b高。

在磊晶層106a及磊晶層106b由不同材質形成之實施例中，磊晶層106a及磊晶層106b可分別依序由任意合適的磊晶方法形成發光層112上，隨後再進行一摻雜程序對磊晶層106a及磊晶層106b作相同濃度之摻雜，以使磊晶層106a及磊晶層106b具有實質上相同的摻雜濃度。在磊晶層106a及磊晶層106b由相同材質形成之實施例中，可直接形成一相對較厚的磊晶層於發光層112上，再以不同的佈植濃度及強度分別對磊晶層106a及磊晶層106b作摻雜。或者，可對此相對較厚的磊晶層進行作梯度式的佈植。在一實施例中，磊晶層106a之厚度可為約0.1~5.0μm，磊晶層106b之厚度可為約0.01~1.0μm。磊晶層106a及磊晶層106b皆可由任意的磊晶成長方法形成，例如化學氣相磊晶法(chemical vapor deposition，CVD)、有機金屬化學 氣相磊晶法(metal organic chemical vapor deposition，MOCVD)、離子增強化學氣相磊晶法(plasma enhanced chemical vapor deposition，PECVD)、(molecular beam epitaxy)分子束磊晶法、氫化物氣相磊晶法(hydride vapor phase epitaxy)、或濺鍍法(sputter)。

值得注意的是，雖然第2圖中僅顯示之磊晶層106b位於磊晶層106a上方，然而，可瞭解的是，磊晶層106a及磊晶層106b之位置亦可作交換。例如，磊晶層106a可配置於磊晶層106b之上(未顯示)。

參見第3圖，於第一半導體層106之磊晶層106a及磊晶層106b中形成至少一開口108。開口108可由微影蝕刻製程形成。在一實施例中，開口108可為方形、三角形、圓形、橢圓形、多邊形或其他任意形狀，其半徑可為約50~150μm。此外，雖然第3圖中僅顯示開口108形成於磊晶層106a及磊晶層106b中。然而，在另一實施例中，開口108可僅位於第二半導體層114之磊晶層106b中，未接觸至下方之磊晶層106a(未顯示)。在其他實施例中，開口108的底部可穿透第一半導體層106之磊晶層106a而接觸至第一半導體層106與緩衝層104之間的界面(未顯示)。

接著，參見第4圖，於開口108中形成一犧牲元件110，且犧牲元件110具有一部分凸出於開口108及第一半導體層106外。犧牲元件110之材質可包含被離子佈植所形成的高阻質區塊或氣化物、或前述之組合。在一實施例中，犧牲元件110可由沉積製程(例如化學氣相沉積、物理氣 相沉積、蒸鍍、濺鍍)沉積後，再經微影蝕刻製程形成。犧牲元件110可為梯形柱體、方形柱體、圓柱體、角錐形柱體或其他任意立體形狀，其高度可為1.0~10.0μm。

參見第5圖，依序形成發光層112及第二半導體層114於第一半導體層106上。發光層 112 可為半導體發光層，且可包含有多重量子井(multiple quantum well，MQW)結構。發光層112 之材質可選自III-V族之化學元素、II-VI族之化學元素、IV族之化學元素、IV-IV族之化學元素。第二半導體層114可具有與第一半導體層106相反之導電型態。例如，第二半導體層114可為p型磊晶層。第二半導體層114之材質亦可選自III-V族之化學元素、II-VI族之化學元素、IV族之化學元素、IV-IV族之化學元素或前述之組合，例如GaN、AlGaN、AlInGaN、GaP、GaAsP或前述之組合。第二半導體層114可由任意的磊晶成長方法形成，例如化學氣相磊晶法、有機金屬化學氣相磊晶法、離子增強化學氣相磊晶法、分子束磊晶法、氫化物氣相磊晶法、或濺鍍法。第二半導體層114之厚度可為0.1~5.0μm。

在一實施例中，第二半導體層114可磊晶成長至超過犧牲元件110之頂部，再以例如化學機械研磨移除過剩的第二半導體層114，以達到所欲之第二半導體層114之厚度並暴露出犧牲元件110。發光層112及第二半導體層之磊晶層106a及磊晶層106b皆可由任意的磊晶方法形成，例如可與第一半導體層106由相同方法形成。值得注意的是， 第二半導體層與第一半導體層之導電型態亦可交換。例如第一半導體層106為n型磊晶層，第二半導體層114為p型磊晶層。

接著，參見第6圖，形成圖案化光阻層116於第二半導體層上。圖案化光阻層116覆蓋整個第二半導體層114，並僅暴露出犧牲元件110。參見第7圖，以蝕刻製程移除犧牲元件110，形成開口118。開口118可具有對應於犧牲元件110之形狀。蝕刻製程可包含濕蝕刻製程或乾蝕刻製程。在一實施例中，由於濕蝕刻製程會有側蝕(undercut)之現象產生，可能在移除犧牲元件110的同時，亦對開口118頂部附近的第二半導體層114有部分蝕刻，進而擴大開口118之頂部，如此亦有利於在隨後於開口118中沉積阻障層及接觸電極時減少氣泡或缺陷產生。接著，參見第8圖，移除圖案化光阻層116。

接著，參見第9圖，於開口118中形成凸出於第二半導體層114外之填充材料120。在一實施例中，填充材料120可與犧牲元件110由相同或類似的材質及方法形成。填充材料120之頂部與第二半導體層114之上表面之間可具有約0.001~0.5μm之高度差，此高度差係可決定隨後形成之接觸電極122之厚度。例如，參見第10圖，接觸電極122形成於第二半導體層上。接觸電極122可包含歐姆接觸材料(例如：鈀、鉑、鎳、金、銀、或其組合)、透明導電材料(例如：氧化鎳、氧化銦錫、氧化鎘錫、氧化銻錫、氧化鋅鋁、或氧化鋅錫)、反射層或前述之組合。例 如，接觸電極122可為歐姆接觸材料與反射層之結合，以反射由發光層112所發出來的光，增加光萃取效率。在一實施例中，接觸電極122尚可包含一絕緣保護層(未顯示)，此絕緣保護層可由氮化矽、氧化矽、其他介電材料或前述之組合。再者，在一實施例中，接觸電極122與開口118之頂部具有約10μm之水平間隔。亦即，接觸電極122自開口118的位置內縮了約10μm。如此，可有效減少電子載子及電洞載子在接觸電極122附近結合的機率。

接著，參見第11圖，形成阻障層124順應性地覆蓋開口118之側壁、接觸電極122及第二半導體層114之表面。阻障層124可包含氮化矽、氧化矽、其他介電材料或前述之組合。阻障層124之厚度可為0.01~0.5μm。阻障層124可在由化學氣相沉積或物理氣相沉積等沉積方法順應性形成於開口118之底部及側壁上後，再經由微影蝕刻製程移除阻障層124之位於開口118底部的部分。

接著，參見第12圖，形成接觸電極126於開口118中。在一實施例中，接觸電極126可完全覆蓋接觸電極122及第二半導體層114。如此，接觸電極122可包形成於開口118 中之突出部分及覆蓋於第二半導體層114及接觸電極122上之水平部分。接觸電極126之突出部分藉由阻障層124與第二半導體層114及發光層112電性隔離，僅經由開口118底部與第一半導體層106電性接觸。接觸電極126之水平部分藉由阻障層124與接觸電極122電性隔離。接觸電極126可包含歐姆接觸材料(例如：鈀、鉑、 鎳、金、銀、或其組合)、透明導電材料(例如：氧化鎳、氧化銦錫、氧化鎘錫、氧化銻錫、氧化鋅鋁、或氧化鋅錫)或前述之組合。

接著，參見第13圖，形成金屬結合層130於接觸電極126上。金屬結合層130可包含Au、Sn、In、前述之合金或前述之組合。金屬結合層130之厚度可為0.5~10μm。接著，參見第14圖，結合承載基板140於金屬結合層130上。承載基板140可為一封裝基板，其上具有已配置好之電路，以使接觸電極126電性連結至外部電路。

接著，參見第15圖，將成長基板102移除。在一實施實施例中，可以雷射剝離製程將成長基板剝離(lift-off)。在另一實施例中，可以濕蝕刻製程將成長基板102移除。緩衝層104亦可在移除成長基板102時一併子以移除。

最後，參見第16圖，於承載基板140 上之靠近側邊的位置移除部分的第一半導體層106、發光層112及第二半導體層114以形成一缺口。此缺口暴露出部分的接觸電極122，於暴露的接觸電極122上形成導電墊144，形成如本發明實施例所提供之發光二極體封裝結構。在此發光二極體封裝結構中，第二半導體層114、發光層112及第一半導體層106依序堆疊於承載基板140上。第一半導體層106包含且導電性不同的磊晶層106a及磊晶層106b。接觸電極126包含穿透第二半導體層114及發光層112，並延伸至第一半導體層106中之突出部分及位於第一半導體層106 及承載基板140 之間的水平部分。阻障層124 順應性覆蓋於接觸電極126上，但暴露出接觸電極126之突出部分之頂部，以使接觸電極126與第一半導體層106直接接觸。接觸電極122位於接觸電極126及第二半導體層114之間，與第二半導體層114直接接觸，且藉由阻障層124 與接觸電極122電性隔離。接觸電極122藉由導電墊144與外部電路電性連接，接觸電極126則藉由金屬結合層130及承載基板140中的電路與外部電路電性連接。

由於第一半導體層106之磊晶層106a及磊晶層106b具有不同之導電性，可減少電流在接觸電極126附近聚集的程度。例如，當磊晶層106a相較於磊晶層106b具有較佳之導電性時，可將電流較為迅速分散至離距離接觸電極126與第一半導體層106之接面的磊晶層106a，使電流不會聚集在接觸電極126與第一半導體層106之接面附近。此外，由於接觸電極126與接觸電極122之突出部分具有5.0~20.0μm之水平間隔。可有效減少電子載子及電洞載子在接觸電極122附近結合的機率。再者，接觸電極126配置於LED封裝結構之內部，亦可避免接觸電極在LED封裝結構表面上吸光或阻擋光萃取的問題。如上述，本發明實施例所提供之發光二極體結構係可有效改善電流聚集而發光不均的問題，並可提高發光效率。

雖然本發明已以數個較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作任意之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界 定者為準。

102‧‧‧成長基板

104‧‧‧緩衝層

106‧‧‧第一半導體層

106a‧‧‧磊晶層

106b‧‧‧磊晶層

108‧‧‧開口

110‧‧‧犧牲元件

112‧‧‧發光層

114‧‧‧第二半導體層

116‧‧‧圖案化光阻層

118‧‧‧開口

120‧‧‧填充材料

122‧‧‧接觸電極

124‧‧‧阻障層

126‧‧‧接觸電極

130‧‧‧金屬結合層

140‧‧‧承載基板

144‧‧‧導電墊

第1~16圖顯示為依照本發明一實施例之發光二極體封裝結構之製造方法於各種中間階段之剖面圖。

106‧‧‧第一半導體層

106a‧‧‧磊晶層

106b‧‧‧磊晶層

112‧‧‧發光層

114‧‧‧第二半導體層

122‧‧‧接觸電極

124‧‧‧阻障層

126‧‧‧接觸電極

130‧‧‧金屬結合層

140‧‧‧承載基板

144‧‧‧導電墊

Claims (13)

1. 一種發光二極體結構，包括：一基板，其上具有一第一半導體層、一發光層及一第二半導體層，其中該發光層及該第一半導體層依序堆疊於該第二半導體層上，且該第一及該第二半導體層具有相反之導電型態，且其中該第一半導體層包含一第一層及一第二層，該第一層之導電性較該第二層高，且該第二層位於該第一層與該發光層之間；一第一接觸電極，位於該第二半導體層與該基板之間，並具有一突出部分延伸至該第一半導體層之該第一層中；一阻障層，順應性覆蓋於該第一接觸電極上，但暴露出該突出部分之頂部；以及一第二接觸電極，位於該第二半導體層及該第一接觸電極之間，與該第二半導體層直接接觸，且藉由該阻障層與該第一接觸電極電性隔離。
2. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體結構，其中該第一層包含GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN、GaP、GaAsP、GaInP、AlGaInP、AlGaAs或前述之組合。
3. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體結構，其中該第二層包含GaN、AlGaN、AlInGaN、GaP、GaAsP或前述之組合。
4. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體結構，其中該第一層具有一第一摻雜濃度，該第二層具有一第二摻雜濃度，且該第一摻雜濃度高於該第二摻雜濃度。
5. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體結構，其中該第一層之摻雜濃度介於1E18至5E19之間。
6. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體結構，其中該第二接觸電極與該第一接觸電極之突出部分具有至少約10μm之水平間隔。
7. 一種發光二極體結構之製造方法，包括：提供一第一基板；依序形成一第一半導體層、一發光層及一第二半導體層於該第一基板上，其中該第一及該第二半導體層具有相反之摻雜型態，且其中該第一半導體層包含一第一層及一第二層，該第一層之導電性較該第二層高，且該第二層位於該第一層與該發光層之間；形成一第一開口穿透該第二半導體層及該發光層並延伸至該第一半導體層之該第一層中；形成一第一接觸電極於該第二半導體層之上表面上；形成一阻障層，覆蓋該第一接觸電極及內襯於該第一開口中；形成一第二接觸電極，覆蓋該阻障層且填滿該第一開口；以及形成一第二基板於該第二接觸電極上，並移除該第一基板。
8. 如申請專利範圍第7項所述之發光二極體結構之製造方法，其中該第一層包含GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN、GaP、GaAsP、GaInP、AlGaInP、AlGaAs或前述之組合。
9. 如申請專利範圍第7項所述之發光二極體結構之製造方法，其中該第二層包含GaN、AlGaN、AlInGaN、GaP、GaAsP或前述之組合。
10. 如申請專利範圍第7項所述之發光二極體結構之製造方法，其中形成該第一半導體層之步驟包含：磊晶成長該第二層於該發光層上；及磊晶成長該第一層於該第二層上。
11. 如申請專利範圍第7項所述之發光二極體結構之製造方法，其中形成該第一半導體層之步驟包含：形成該第一層於該發光層上；對該第一層進行一或多次佈植步驟，以使一部分之該第一層具有一第一摻雜濃度，且一部分之該第一層形成一具有第二摻雜濃度之該第二層，其中該第一摻雜濃度高於該第二摻雜濃度。
12. 如申請專利範圍第11項所述之發光二極體結構之製造方法，其中該第一摻雜濃度介於1E18至5E19之間。
13. 如申請專利範圍第7項所述之發光二極體結構之製造方法，其中該依序形成該第一半導體層、該發光層及該第二半導體層於該第一基板上之步驟包含：形成該第一半導體層；在該第一半導體層中形成一第二開口；形成一犧牲元件於該第二開口中，且凸出於該第一半導體層外；依序形成該發光層及該第二半導體層於該第一半導體層上，且至少覆蓋該犧牲元件之側壁；及 移除該犧牲元件，形成該第一開口。