TWI515919B - 改良式多接點發光二極體 - Google Patents
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Description
本發明關於一種發光二極體，尤指一種多接點發光二極體。
發光二極體(Light emitting diodes，LEDs)是一種能夠將電能轉換成光線的重要固態元件。這些元件的改良可運用在照明燈具上，以取代傳統白熾燈與螢光燈光源。發光二極體的壽命明顯比較長，並且在某些情況下，在將電能轉換成光線的效率方面明顯比較高。發光二極體型白光源的製造方式一般係利用將一或多個藍色發光二極體晶片與合適的黃色或紅色螢光粉封裝在一起。
為了討論，一發光二極體晶片可視為具有三層的半導體，主動層夾在其他兩層之間。當來自外側層的電洞與電子在該主動層內結合時，該主動層會發出光線。利用將電流通過該發光二極體晶片，產生該等電洞與電子。透過置於該頂層上的一電極以及提供電連接至該底層的一接觸，供電給該發光二極體晶片。
發光二極體晶片的成本及其功率轉換效率是決定這項新技術取代傳統光源以及運用於高功率應用之比例的重要因素。一發光二極體晶片的功率轉換效率定義為發光二極體晶片在所要光譜範圍內所發出之光功率與光源所消耗之電功率的比率。未轉換成光線就離開發光二極體的電功率，會轉換成熱，使發光二極體的溫度上升。晶片溫度上升限制了發光二極體運作的功率位準。此外，發光二極體的轉換效率基本上會隨著電流提高而下降，尤其是在意圖降低光線成本之較高電流密度的條件下；在藉由提高電流來增加發光二極體的光輸出而提高總光輸出的同時，電轉換效率也會因此下降。此外，在高電流運作下發光二極體的壽命也會縮短。
即使由大小為幾平方公釐的單一發光二極體晶片所製造的發光二極體光源，還無法產生充足的光線來取代許多應用中的傳統光源。一般來說，LED於特定可接受之功率轉換效率下所產生的每單位面積光線仍存有限制。此限制係由於發光二極體材料系統的功率消耗與電轉換效率所產生。因此，為了提供一具更高密度之單一發光二極體光源，就必須運用大面積晶片；不過，對於大多數LED晶片而言，尺寸越大，取光效率越低，並且用來製造LED晶片的製程也對單一LED晶片尺寸有所限制。隨著晶片尺寸增加，晶片產量會因為隨機缺陷而降低，因此，一旦晶片尺寸增加超過預定尺寸，每一發光二極體晶片成本的增加將超過光輸出增加所帶來的益處。
因此，對於許多應用而言，發光二極體型光源必須運用多個發光二極體以提供所要的光輸出。例如，若要取代傳統照明應用當中的100瓦白熾燈泡，大約需要25個大小為1 mm2的發光二極體晶片。此數量會隨所要的色溫(color temperature)以及晶片的確切尺寸而改變。傳統GaN發光二極體晶片的驅動電壓大約是3.2-3.6V。若所有發光二極體晶片都並聯，則DC電源供應器必須在低電壓下提供大電流，這對於AC至DC功率轉換效率和必須用於輸送高電流而不在阻抗耗損中消散過多功率之導體的尺寸而言都是挑戰。
減少這些問題的一種方法牽涉到將較佳或次佳尺寸晶粒(die)分成複數個串聯的發光二極體區段，這種結構顯示於2008年9月11日申請，申請案號為12/208,502的同樣處於申請狀態的專利申請案，其在此併入以作為參考文件。晶粒的最佳尺寸取決於晶片設計細節，以及用來製造晶粒的半導體製程產量。針對任何已知製程，從成本觀點來看都有一種最佳尺寸。若該晶粒用來作為具有3伏特之驅動電壓的單一發光二極體，則在晶粒上必須提供大電流，以將光輸出最大化。若晶粒被分成N個串聯的較小發光二極體區段，則驅動電壓增加N倍，並且驅動電流降低N倍，如此便可改善電源供應器提供驅動電流的效率，並減少晶粒內的阻抗耗損。
先前技術中，將晶粒分成組件發光二極體區段的一種方法牽涉到：切割出自晶粒表面延伸到底部阻抗基板的隔離溝渠，以將個別組件發光二極體彼此隔離。然後利用提供導線連接每個組件發光二極體的n型層至相鄰組件發光二極體的p型層，以將個別組件發光二極體串聯。這些深溝渠增加晶粒的生產成本，並且干擾從晶粒側邊之光線的萃取。
本發明包括光源以及製造該光源的方法。該光源包括一基板以及沈積在該基板上的一發光結構。一個屏障將該發光結構分成彼此電性隔離的第一和第二區段。串聯電極將該第一區段與該第二區段串聯在一起。一位於該發光結構與該基板之間的第一阻擋二極體，係用於避免該發光結構發光時，電流在該發光結構與該基板之間流動。該屏障延伸穿過該發光結構並進入該第一阻擋二極體。
在本發明的一個態樣中，該基板包括一半導體材料的轉換層，該轉換層對於該發光結構產生的光線透光。該屏障包括一延伸穿過該發光結構並且終止於該轉換層的溝渠。來自該第一區段的光線可穿過該等區段之間的該轉換層。
在此參考第一圖和第二圖可更容易瞭解本發明所提供優點，這些圖例示一含一區段型發光二極體(segmented LED)的晶粒。第一圖為區段型發光二極體60的俯視圖，及第二圖為沿第一圖2-2線之該區段型發光二極體60的剖面圖。該區段型發光二極體60包括兩個區段64和65；然而從下列討論中將瞭解，從本發明的教導中可建構具有更多區段的光源。該區段型發光二極體60同樣地係由具有三層的發光二極體結構所建構，其中該等層成長於一藍寶石基板51上。一n型層52成長於該基板51上，然後一主動層55和一p型層53成長於該n型層52上。
該等區段64和65係經一隔離溝渠66分隔，該溝渠66從層52延伸至該基板51，藉此電性隔離該等區段64和65。該隔離溝渠66包括只有延伸進入部份該層52的一平坦區(plateau) 67。該隔離溝渠66的周壁係經一絕緣層57覆蓋，並留有一開口區58，以供與每一區段之部分的該層52進行電接觸。該絕緣層57可由提供無孔洞缺陷的絕緣層之任何材料所建構而成，例如：SiNx、SiOx或其他像是半導體元件製造中用來當成絕緣材料常用的介電膜。其他材料可包括聚醯亞胺(polyimide)、BCB、旋塗玻璃(spin-on-glass)以及半導體工業常用於元件平坦化的材料。
在該區段型發光二極體60的端部提供類似溝渠，如68和69所示。一串聯電極59沈積在該隔離溝渠66內，如此一來，該串聯電極59經由該絕緣層57內的一開口區58接觸該層52。該串聯電極59也與相鄰區段內的一氧化銦錫(indium tin oxide，ITO)層56電接觸。因此，通過電極61和62提供電源時，該等區段64和65係以串聯的方式連結。結果是，該區段型發光二極體60係以一傳統發光二極體的兩倍電壓和一半電流來運作。
請注意，第二圖並未依照比例顯示層52、53和55。一般來說，該層52比該層53厚很多，因為該p型材料由於所使用的GaN族材料而具有非常高的阻抗，因此該層的厚度盡可能薄，以避免該層內的阻抗耗損。須注意的是，因為GaN材料層與周圍介質之間有較大的折射係數差，所以主動層55內產生的大部份光線會陷在該層52和53內。通常來說，此光線係通過該晶粒的側表面以離開晶粒，並且由一適當反射器引導向上。因為該層52比層53厚很多，所以大部份這種水平前進光都在該層52內。因此，穿過該層52的該等深溝渠中斷這種陷入光線的傳播。若該溝渠內的材料(即隔離溝渠壁面或導體的材料)不透明，此光線將會損失。即使在該溝渠填滿一透光材料的情況中，該材料與GaN材料之間的折射係數差還是會導致反射，造成光損失。最後，如上述，切割通過所有三層的深溝渠使得製造成本增加。
因此，最好提供一區段型發光二極體之設計，其中上述深溝渠並不用於隔離個別組件發光二極體。原則上可減少該層52的厚度以減少該等溝渠的深度。不過，此層還是具有補償發光二極體材料與該基板51之間晶格常數差異所需之最低厚度限制。此外，減少厚度並無法解決該層52被該等溝渠中斷而造成的光損失問題。
現請參閱第三圖，其為根據本發明一具體實施例的一GaN區段型發光二極體光源之剖面圖。光源20只包括兩個組件發光二極體，分別顯示為41和42；然而，可用類似方式建構具有更多組件發光二極體的光源。該光源20可視為建構在一複合基板43上的一區段型發光二極體44。該複合基板43係建構在一藍寶石基板21上，其中該藍寶石基板21上依序沉積一n型GaN層22及一p型GaN層23。該層22的厚度與傳統發光二極體所使用的傳統n型GaN層的厚度一樣，因此提供一樣的優點，像是補償該藍寶石基板與各種GaN層之間的晶格差異(lattice mismatch)。一逆偏壓二極體係由底下將討論的層24和層23所形成，而電流因此在光源運作期間被阻擋流入層22。
該區段型發光二極體44由一薄n型GaN層24、一主動層25和一p型GaN層26所構成。一電流擴散層27沈積在該層26上。該層27通常為ITO。該光源20由電極32與33之間供應的電位差來供電。
該區段型發光二極體44的該等區段係經一溝渠36而彼此分隔，該溝渠36係由從該等層24-26延伸進入該層22。因為並無電流可流過該層24與層23的接點處，所以該溝渠不需要延伸到該藍寶石基板21。因此，可使用一淺很多的溝渠來隔離該等區段。此外，往側面傳播通過該層22的光不再遭到該溝渠以及該溝渠內沈積的任何材料中斷，像是提供結構讓一串聯電極31沈積的一絕緣體39。因此，大幅減少中斷水平方向之光線所伴隨的問題。
原則上，該溝渠只需要延伸至該層22的頂表面。然而，控制蝕刻率讓該溝渠停止在該層22上還有問題。因此，該溝渠係稍微蝕刻進入該層22，如第三圖所示，以確保阻擋電流的水平傳輸。
在第一圖和第二圖所示的具體實施例中，該電極59延伸超過該區段型發光二極體60的整個寬度。該區段65位在該電極59下方的部分並無生產力，因為該電極59下方產生的光線會遭到該電極59阻擋並被吸收。這導致光轉換效率以及晶粒表面運用率的降低，並因為必須提供額外的晶粒主動區域來補償此損失的區域而提高光源的成本。此時請參閱第四圖，該圖為依照本發明其他具體實施例的一區段型發光二極體70之俯視圖。
該區段型發光二極體70與該區段型發光二極體60不同處在於寬的互連電極(wide interconnect eletrode)59已經由複數個串聯電極所取代，像是電極78和79。這些電極的寬度可以只有5-10微米，並且相隔大約150微米，如此覆蓋在該區段65上的面積遠小於該電極59的覆蓋面積。因此，上面討論的效率損失可大幅減少。此外，n型電極72和p型電極71已經由窄電極(narrow electrode)取代，其包括較寬的焊墊71'與72'，其用於打線(wire bonding)連接至外部電路。在一個較佳具體實施例內，該等串聯電極相隔超過電極寬度5倍以上的距離，如此該等串聯電極覆蓋的面積明顯少於該區段型發光二極體中連接之該等區段的寬度。
所需串聯電極的數量取決於ITO層56的導電性。必須要有足夠的串聯電極以確定電流平均分散在該ITO層56之上。該等串聯電極的寬度由必須通過區段的電流量所設定，因此係根據所使用的導體、該導體厚度以及串聯電極的數量而定。在區段65區域內，未被串聯電極層所覆蓋的區域內的隔離溝渠77不需要絕緣層，因此底下的發光二極體結構得接收電力並且產生有用的光線。
現請參閱第五A圖至第五C圖，這些圖為不同製程階段的光源80之剖面圖。該製程一開始係在一藍寶石基板81上成長不同的GaN層。這些層包括形成一複合基板82的層以及形成發光二極體區段的層83。該複合基板層包括可消弭GaN與藍寶石之間晶格差異問題的一n型GaN層82a，以及提供一電流阻擋層以避免電流在光源操作期間流入該層82a的一p型GaN層82b。
該等發光二極體區段由標示為83a-83c的三層所構成，換言之就是一n型GaN層83a、一主動層83b以及一p型GaN層83c。該層83c和層82b的組合形成一逆偏壓二極體，避免電流在光源操作期間流入該層82b和82a。
請注意，上面討論的每一層可包括複數層子層。例如，該主動層83b通常包括複數層由緩衝層分隔的量子井層。為了簡化討論，已經省略許多業界內常見的子層。
現請參閱第五B圖，其中例示一光源80，其已藉蝕刻該(等)隔離溝渠來隔離用以串聯形成最終光源的各組件發光二極體。該隔離溝渠顯示為84b並且向下延伸至82a。額外溝渠，如84a和84c所示，亦被切割形成以提供陽極與陰極接觸。然後將像是SiNx這類絕緣體的一圖案層(patterned layer)沈積，以保護該等發光二極體相關層的側表面，並且隔離不產生光線的區域，避免電力浪費在這些區域上。
現請參閱第五C圖。沈積該絕緣層85之後，沈積一絕緣橋87並且沈積一ITO圖案化層86。最後，以沉積圖案化金屬層的方式分別沈積陽極88、串聯電極89與陰極90。
上述具體實施例運用單一逆偏壓電極，讓底下的n型GaN層與該等發光二極體區段絕緣。然而，也可建構其中在沈積發光二極體區段層之前先沈積複數個二極體之具體實施例。現請參閱第六圖，此圖為根據本發明的其他光源具體實施例之剖面圖。光源110包括兩個用類似上面關於第五A圖至第五C圖內所示具體實施例所討論方式建構的組件發光二極體。光源110與上述具體實施例不同處在於其運用兩個逆偏壓二極體來隔離n型GaN層115與發光二極體。該第一二極體位於p型GaN層111與n型GaN層112之間的邊界，該第二逆偏壓二極體位於p型GaN層113與n型GaN層114之間的邊界。
該(等)額外逆偏壓二極體額外隔離該等組件發光二極體與底下的n型GaN基板，並且提高防護對抗靜電放電損害，因為此時，使元件短路的放電電壓已因為加入該等逆偏壓二極體的崩潰電壓總和而增加。須注意，若一漏電流(leakage current)的強度小於流過該等串聯發光二極體的電流，其便可在該等隔離的組件發光二極體之間流動。為了討論，若漏電流少於通過該連接橋流過該等串聯組件發光二極體的電流之2%，則定義該等組件發光二極體已經該等逆偏壓二極體電氣隔離。
上述具體實施例使用GaN族材料。為了討論，GaN族材料定義為GaN、InN和AlN的所有合金組合物。然而，也可根據本發明的教導，建構運用其他材料系統與基板的具體實施例。
上述具體實施例運用逆二極體配置，以阻擋電流通過將該等組件發光二極體分隔的該等屏障下方。然而，亦可使用阻擋電流的任何二極體形式。
上述本發明具體實施例以及本發明概述係提供以例示本發明各種態樣。然而，須瞭解的是，在不同特定具體實施例中顯示的本發明不同態樣可相互結合，以提供本發明的其他具體實施例。此外，從上面的描述以及附圖中可瞭解本發明的許多修改。因此，本發明只受限於下列申請專利範圍。
20．．．光源
21．．．藍寶石基板
22．．．n型GaN層
23．．．p型GaN層
24．．．n型GaN層
25．．．主動層
26．．．p型GaN層
27．．．電流擴散層
31．．．串聯電極
32．．．電極
33．．．電極
36．．．溝渠
39．．．絕緣體
41．．．組件發光二極體
42．．．組件發光二極體
43．．．複合基板
44．．．區段型發光二極體
51．．．藍寶石基板
52．．．n型層
53．．．p型層
55．．．活性層
56．．．氧化銦錫層
57．．．絕緣層
58．．．開口區
59．．．串聯電極
60．．．區段型發光二極體
61．．．電極
62．．．電極
64．．．區段
65．．．區段
66．．．隔離溝渠
67．．．平坦區
68．．．溝渠
69．．．溝渠
70．．．區段型發光二極體
71．．．p型電極
71’．．．焊墊
72．．．n型電極
72’．．．焊墊
77．．．隔離溝渠
78．．．電極
79．．．電極
80．．．光源
81．．．藍寶石基板
82．．．複合基板
82a．．．n型GaN層
82b．．．p型GaN層
83．．．層
83a．．．n型GaN層
83b．．．主動層
83c．．．p型GaN層
84a．．．額外溝渠
84b．．．隔離溝渠
84c．．．額外溝渠
85．．．絕緣層
86．．．圖案化的ITO層
87．．．絕緣橋
88．．．陽極
89．．．串聯電極
90．．．陰極
110．．．光源
111．．．p型GaN層
112．．．n型GaN層
113．．．p型GaN層
114．．．n型GaN層
115．．．n型GaN層
第一圖為區段型發光二極體60的俯視圖。
第二圖為第一圖該區段型發光二極體60沿2-2線的剖面圖。
第三圖為根據本發明一具體實施例的一GaN區段型發光二極體光源之剖面圖。
第四圖為根據本發明另一具體實施例的一區段型發光二極體70之俯視圖。
第五A圖至第五C圖為對應不同製程階段的光源80之剖面圖。
第六圖為根據本發明的光源的另一具體實施例之剖面圖。
51．．．藍寶石基板
52．．．n型層
53．．．p型層
55．．．主動層
56．．．氧化銦錫層
57．．．絕緣層
58．．．開口區
59．．．串聯電極
60．．．區段型發光二極體
61．．．電極
62．．．電極
64．．．區段
65．．．區段
66．．．隔離溝渠
67．．．平坦區
68．．．溝渠
69．．．溝渠
Claims (10)
- 一種光源，包含：基板；發光結構，其包含沈積在前述基板上之第一導電型半導體層、第二導電型半導體層、發光層及透明電極，前述發光層位於前述第一導電型半導體層與前述第二導電型半導體層之間，前述第二導電型半導體層位於前述發光層與前述透明電極之間；屏障，其將前述發光結構分成第一和第二區段；串聯電極，其連接於前述第一區段之前述第一導電型半導體層，而延伸於前述第二區段之前述透明電極上；及第一阻擋二極體，其位於前述發光結構與前述基板之間，在前述發光結構發光時，防止電流在前述發光結構與前述基板之間流動；其中前述屏障貫通前述發光結構而延伸至前述第一阻擋二極體中；前述串聯電極包含：於前述第二區段之發光結構之上方延伸之導電材料層；於前述導電材料層與前述第二區段之發光結構的側面之間形成有絕緣層，該絕緣層將面向前述屏障之前述發光結構之側面沿著其形狀加以覆蓋，並且在位於前述第二區段之發光結構之上方的前述導電材料層與前述第二導電型半導體層之間延伸，而在前述第一區段之前述第一導電型半導體層上，包含用於將前述串聯電極連接至前述第一區段之前述第一導電型半導體層的開口部； 前述透明電極並未延伸於前述第二導電型半導體層與前述絕緣層之間。
- 如申請專利範圍第1項之光源，其中前述基板包含一半導體材料的轉換層，前述轉換層對於前述發光結構產生的光線透光；且前述屏障包含：溝渠(trench)，其貫通前述發光結構及前述第一阻擋二極體而延伸，並且於前述轉換層內具有其終端。
- 如申請專利範圍第1項或第2項之光源，其另包含：一第二阻擋二極體，其位於前述第一阻擋二極體與前述基板之間；在前述發光結構發光時，前述第二阻擋二極體防止電流在前述發光結構與前述基板之間流動。
- 如申請專利範圍第2項之光源，其中前述串聯電極包含沈積在前述溝渠內的導電材料層，前述溝渠具有絕緣層，其防止該導電材料層直接接觸裸露在前述溝渠內的前述發光結構的壁面。
- 如申請專利範圍第2項之光源，其另包含：位於前述第一阻擋二極體與前述轉換層之間的第二阻擋二極體，其在前述發光結構發光時，防止電流在前述發光結構與前述基板之間流動。
- 一種光源包含：基板；發光結構，其包含沈積在前述基板上之第一導電型半導體層、第二導電型半導體層、發光層及透明電極，前述發光層位於前述第一導電型半導體層與前述第二導電型半導體層之間，前述第二導電型半導體層位於前述發光層與前述透明電極之間； 屏障，其將前述發光結構分成第一及第二區段；串聯電極，其連接於前述第一區段之前述第一導電型半導體層，而延伸於前述第二區段之前述透明電極上；絕緣層，其形成於前述串聯電極與前述第二區段之發光結構之側面之間，且在位於前述第二區段之發光結構之上方的前述串聯電極與前述第二導電型半導體層之間延伸；前述發光結構與前述基板之間的第一阻擋二極體，其在前述發光結構發光時，防止電流在前述發光結構與前述基板之間流動；及前述第一阻擋二極體與前述基板之間的第二阻擋二極體，其在前述發光結構發光時，防止電流在前述發光結構與前述基板之間流動；其中前述基板包含：對於前述發光結構產生的光線透光之半導體材料的轉換層；前述屏障包含：貫通前述發光結構及第一阻擋二極體而延伸之溝渠，其在前述轉換層內具有終端；前述透明電極並未延伸於前述第二導電型半導體層與前述絕緣層之間。
- 如申請專利範圍第6項之光源，其中前述導電材料層沉積於前述溝渠內。
- 如申請專利範圍第1項或第6項之光源，其中前述串聯電極包含複數個橫跨前述屏障的導體。
- 如申請專利範圍第2項或第6項之光源，其中前述屏障大體上不遮斷在前述轉換層內行進的光線。
- 如申請專利範圍第2項或第6項之光源，其中前述半導體材料包含包括GaN族材料之材料。
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