TWI515923B - 發光元件 - Google Patents
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Description
本發明係關於發光二極體，尤其關於具改善性能表現之發光二極體。
覆晶結構(Flip Chip)之發光二極體LED為了增加光的反射，如圖一所示，會在第二半導體層123(例如p型半導體層)上設置金屬反射層(mirror)130。而為了增加覆晶接合時的接合面積，與第一半導體層121(例如n型半導體層)電性相接的第一電極150(例如n型電極)，除了和第一半導體層121接觸的接觸區150a外，也會向周圍延伸，如圖一的延伸區150b。如此，在金屬反射層130和第一半導體層121的第一電極150的延伸區150b間，需要施作電性絕緣層140，以電性隔絕兩者。為了改善電性，金屬反射層130需要經過熱處理製程(如anneal)以達到較佳的歐姆接觸特性，經過熱處理後，此金屬反射層130和底下的第二半導體層123的接觸會較好，可降低元件的正向電壓Vf。但在熱處理之後，因為熱處理使得金屬發生氧化變質，降低後續之附著力，使金屬反射層130與後續覆蓋其上的電性絕緣層140間的附著力不佳，造成在後續製程，例如在製作金屬電極光阻掀離(lift off)製程時，產生電性絕緣層140(及已覆蓋於其上之各層)隨同光阻一併被掀離而呈現剝離脫落(Peeling)的問題，實際剝離脫落(Peeling)的情形如圖五所示。此附著性問題顯示電性絕緣層140與金屬反射層130間存在一應力，使元件於高溫製程時，造成金屬反射層130受應力作用而與第二半導體層123之接觸面接觸不良，導致正向電壓Vf上升及漏電流增加。
一種發光元件，包括：一半導體疊層；一反射層位於半導體疊層之上；一第一緩衝層包含由金屬元素及非金屬元素所組成之一化合物，位於反射層之上；一第一電極；以及一電性絕緣層位於第一緩衝層與第一電極之間。
一種發光元件，包括：一導電基板；一接合層位於導電基板之上；一緩衝層包含由金屬元素及非金屬元素所組成之一化合物，位於接合層之上；一擴散阻障層位於緩衝層之上；一反射層位於擴散阻障層之上；以及一發光疊層位於反射層之上。
為改善如前述圖一之發光二極體在金屬反射層130與電性絕緣層140間的附著性問題，並避免及改善發光二極體在後續高溫製程時出現金屬反射層130與電性絕緣層140間的應力問題，於本發明之一實施例中，於金屬反射層與電性絕緣層間加入一第一緩衝層。此第一緩衝層包括由金屬元素及非金屬元素所組成之一化合物，例如金屬氧化物(Metallic Oxide)或金屬氮化物(Metallic Nitride)，以做為金屬反射層與電性絕緣層間的應力緩衝層。在一實施例中，採用銦錫氧化物(ITO)作為此第一緩衝層。
此具有第一緩衝層之發光二極體結構之第一實施例如圖二所示，發光二極體包括一成長基板210，在成長基板210上有一半導體疊層220，半導體疊層220包含一第一電性半導體層221；一活性層222位於第一電性半導體層221之上；以及一第二電性半導體層223位於活性層222之上。其中第一電性半導體層221和第二電性半導體層223為相異電性，例如在本實施例中第一電性半導體層221為n型半導體層，而第二電性半導體層223為p型半導體層。在半導體疊層220之上設有一金屬反射層230；一第一緩衝層20a位於金屬反射層230之上，包括由金屬元素及非金屬元素所組成之一化合物，例如金屬氧化物(Metallic Oxide)或金屬氮化物(Metallic Nitride)，以做為金屬反射層230與後面形成之電性絕緣層240間的應力緩衝層。在第一緩衝層20a上設有一電性絕緣層240，以作為金屬反射層230與後面形成之第一電極250之電性絕緣。而在電性絕緣層240上設有一第一電極250，為了與第一電性半導體層221電性連接及為增加覆晶接合時的接合面積，此第一電極250包括有與第一電性半導體層221電性連接之接觸區250a及沿著半導體疊層220之側壁延伸至電性絕緣層240上之延伸區250b，所以前述電性絕緣層240除了設於第一緩衝層20a上，也沿著半導體疊層220之側壁延伸以將沿著半導體疊層220側壁延伸之第一電極250部分做電性隔絕。或者說，第一電極250以接觸區250a來電性連接半導體疊層220在平台(mesa)結構的區域(即部分第二電性半導體層223及活性層222被移除而曝露出的第一電性半導體層221的區域)的第一電性半導體層221，且第一電極250的延伸區250b沿著平台結構之側壁延伸並延伸至電性絕緣層240上，而電性絕緣層240除了設於第一緩衝層20a上，亦隨第一電極250沿著平台結構之側壁向平台結構的區域延伸並與第一電性半導體層221相接觸以達電性隔絕之功能。此外，此發光二極體更包括有一第二電極260，設於第一緩衝層20a之上，透過第一緩衝層20a及金屬反射層230與第二電性半導體層223電性連接。對於此圖二發光二極體結構，在此簡稱之為加蓋(Cap)結構。
其中金屬反射層230之材料包含金屬，如鋁、金、鉑、鋅、銀、鎳、鍺、銦、錫或上述金屬之合金；電性絕緣層240之材料包含非導體材料，如氧化鋁、二氧化鈦、二氧化矽、氮化矽、氮化鋁化或上述非導體材料之組合；第一電極250及第二電極260之材料包含金屬，如金、銀、鋁、銅、鉑、錫、鎳、鍺、鈦、鈀、及鉻或上述金屬之合金。而成長基板210及半導體疊層220之材料已為此領域熟習技藝者所知悉，在此不多贅述。
第一緩衝層20a包括由金屬元素及非金屬元素所組成之一化合物，例如金屬氧化物(Metallic Oxide)或金屬氮化物(Metallic Nitride)。其中金屬氧化物例如包含In2O3、SnO2、ZnO、TiO2、或CdO；金屬氧化物也可以是一摻雜之金屬氧化物，例如包含In2O3:Sn(ITO)、In2O3:Mo(IMO)、ZnO:In(IZO)、ZnO:Ga(GZO)、ZnO:Al(AZO)、SnO2:F、或TiO2:Ta；或者金屬氧化物也可以是一自前述之金屬氧化物族群及前述之摻雜之金屬氧化物族群中任選兩項形成之混合物，例如包含In2O3-ZnO(IZO)(In2O3-ZnO與前述ZnO:In此領域熟習技藝者皆有稱之為IZO，但二者在In含量有差異，ZnO：In為輕微摻雜In，而In2O3-ZnO為In含量與Zn相近)、In2O3-ZnO：Ga(IGZO)、In2O3-TiO2(ITiO)、CdO-In2O3(CdIn2O4,CIO)、CdO-SnO2(Cd2SnO4,CTO)、ZnO-SnO2(Zn2SnO4,ZTO)。而金屬氮化物例如包含TiN、AlN、TaN、CrN、ZrN、VN、或NbN；金屬氮化物也可以是金屬氮化物之混合物，例如包含TiN-AlN(TiAlN)、或TiN-CN(TiCN)。上述第一緩衝層20a之各種材料可由電子束蒸鍍法(E-beam evaporation)、離子濺鍍法(Ion-sputtering)、熱蒸鍍法(Thermal evaporation)、分子束磊晶成長(Molecular Beam Epitaxy,MBE)、金屬有機化學氣相沈積法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition,MOCVD)、低壓化學氣相沈積(low pressure CVD,LPCVD)電漿輔助化學氣相沈積(plasma enhanced CVD,PECVD)或結合兩種以上之方式而製成。
本發明之第二實施例如圖三所示。圖三和圖二大致相似，主要差異是在電性絕緣層340(即對應圖二之電性絕緣層240)與第一電極350(即對應圖二之第一電極250)間，亦加入了一應力緩衝層，即此處之第二緩衝層30b。換言之，於本實施例中，在金屬反射層330與後面形成之電性絕緣層340間具有第一緩衝層30a以做為應力緩衝層外，更具有在電性絕緣層340與第一電極350間之第二緩衝層30b。此第二緩衝層30b具有防止電性絕緣層340與金屬反射層330之間因附著力不佳而產生之剝離脫落(Peeling)的問題。此處第二緩衝層30b(及第一緩衝層30a)之材料及形成均與圖二之第一緩衝層20a相同，在此不再贅述。而圖三各層其標示之末2碼即與圖二各層標示之末2碼相同者為對應層次，在此亦不再贅述。對於此圖二發光二極體結構，在此稱之為三明治(Sandwich)結構。
圖四所示為本發明第三實施例之發光二極體結構，包括一導電基板410；一金屬接合層470位於導電基板410上；一緩衝層40a位於金屬接合層470上，包含由金屬元素及非金屬元素所組成之一化合物；一擴散阻障層440位於緩衝層40a上；一金屬反射層430位於擴散阻障層440上；以及一發光疊層420位於金屬反射層430上。在製程上，係經由一接合製程完成此發光二極體結構，即先藉由一成長基板(未繪示)，於其上依序形成前述之發光疊層420、金屬反射層430、擴散阻障層440、緩衝層40a、及金屬接合層470，其中發光疊層420依序形成有一第一電性半導體層421、一活性層422、以及一第二電性半導體層423，其中第一電性半導體層421和第二電性半導體層423為相異電性，例如在本實施例中第一電性半導體層421為n型半導體層，而第二電性半導體層423為p型半導體層。之後，將金屬接合層470與前述導電基板410以接合製程相接合。此外，並在發光疊層420上形成有一第一電極450與第一電性半導體層421電性連接，及形成一第二電極460與導電基板410電性連接，即為圖四所示之結構。
其中金屬反射層430之材料包含金屬，如鋁、金、鉑、鋅、銀、鎳、鍺、銦、錫或上述金屬之合金；擴散阻障層440之材料包含金屬，如鎳、銅、鉑、鈦、鎢、鈮、鉭及鈀或上述材料之組合；金屬接合層470之材料包含金屬，例如可選自於鋁、金、鉑、鋅、銀、鎳、鍺、銦、錫、鈦、鉛、銅、鈀或上述金屬之合金；第一電極450及第二電極460之材料包含金屬，如金、銀、鋁、銅、鉑、錫、鎳、鍺、鈦、鈀及鉻或上述金屬之合金。而導電基板410及半導體疊層420之材料已為此領域熟習技藝者所知悉，在此不多贅述。此處緩衝層40a之材料及形成均與圖二之第一緩衝層20a相同，在此亦不再贅述。
在垂直式之發光二極體，例如本實施例之結構下，因為為加強在金屬反射層430和發光疊層420(的第二電性半導體層423)的介面接合情形，以降低發光二極體的正向電壓Vf，通常會有後面之熱處理製程。然而如前所述，這樣的熱處理製程會造成不同金屬材料間之應力，如擴散阻障層440與金屬接合層470間之應力，反而造成正向電壓Vf大幅上升。故而於本實施例在此兩層間加入一緩衝層40a，以做為應力緩衝層，增加元件熱穩定性。其改善效益如以下所示。
如前所述，圖五為圖一結構之發光二極體的製程中顯微鏡影像，由於未具有前述緩衝層結構，於後續製程產生剝離脫落(Peeling)。相對地，圖六為圖二實施例(即加蓋(Cap)結構)之發光二極體的結構顯微鏡影像，在此使用ITO做為第一緩衝層20a材料，則無剝離脫落(Peeling)之現象，可見緩衝層可有效提升金屬與絕緣層間之附著力。而圖七則為對應圖五及圖六所述之發光二極體在經過270℃，10分鐘形成合金之熱處理(alloy)前後之電性比較圖，可明顯看出相對於圖一結構之發光二極體，本實施例之發光二極體結構可有效避免形成合金之熱處理所引起之應力造成正向電壓Vf大幅上升的問題，有效提升元件熱穩定性。
圖八則顯示圖二結構(即加蓋結構)之發光二極體與圖三結構(即三明治結構)之發光二極體(使用ITO做為第一緩衝層20a，30a及第二緩衝層30b材料)在經過270℃，10分鐘形成合金之熱處理(alloy)前後正向電壓Vf點測Mapping圖，可明顯看出圖三結構之發光二極體又較圖二結構之發光二極體可有效增加元件的熱穩定性，其正向電壓Vf(縱軸)量化資料如圖九所示。
圖十則顯示圖四結構之發光二極體(即使用ITO做為緩衝層40a材料)及同樣圖四結構之發光二極體但不具有緩衝層40a之發光二極體，在經過270℃，10分鐘形成合金之熱處理(alloy)前後正向電壓Vf變化量(delta Vf,縱軸)，圖四結構之發光二極體之正向電壓Vf變化量(delta Vf)相對較低了約0.05V，可見緩衝層可減緩金屬層間應力，而元件有較佳熱穩定性。
上述實施例僅為例示性說明本發明之原理及其功效，而非用於限制本發明。任何本發明所屬技術領域中具有通常知識者均可在不違背本發明之技術原理及精神的情況下，對上述實施例進行修改及變化。因此本發明之權利保護範圍如後述之申請專利範圍所列。
110，210，310．．．成長基板
120，220，320．．．半導體疊層
121，221，321．．．第一電性半導體層
122，222，322．．．活性層
123，223，323．．．第二電性半導體層
130，230，330．．．金屬反射層
20a，30a．．．第一緩衝層
30b．．．第二緩衝層
140，240，340．．．電性絕緣層
150，250，350．．．第一電極
150a，250a．．．接觸區
150b，250b．．．延伸區
160，260，360．．．第二電極
410．．．導電基板
420．．．發光疊層
430．．．金屬反射層
440．．．擴散阻障層
450．．．第一電極
460．．．第二電極
470．．．金屬接合層
40a．．．緩衝層
圖一：先前技藝之發光二極體結構
圖二：本發明第一實施例之發光二極體結構
圖三：本發明第二實施例之發光二極體結構
圖四：本發明第三實施例之發光二極體結構
圖五：圖一結構之發光二極體的製程中顯微鏡影像
圖六：圖二結構之發光二極體的製程中顯微鏡影像
圖七：對應圖五及圖六所述之發光二極體在經過形成合金之熱處理前後之電性比較圖
圖八：圖二結構之發光二極體與圖三結構之發光二極體在經過形成合金之熱處理前後正向電壓Vf點測Mapping圖
圖九：圖八之量化資料
圖十：顯示圖四結構之發光二極體及同樣圖四結構之發光二極體但不具有緩衝層之發光二極體在經過形成合金之熱處理前後正向電壓Vf變化量
210．．．成長基板
220．．．半導體疊層
221．．．第一電性半導體層
222．．．活性層
223．．．第二電性半導體層
230．．．金屬反射層
20a．．．第一緩衝層
240．．．電性絕緣層
250．．．第一電極
250a．．．接觸區
250b．．．延伸區
260．．．第二電極
Claims (10)
- 一種發光元件，包括：一半導體疊層；一反射層位於該半導體疊層之上；一第一緩衝層，包含由金屬元素及非金屬元素所組成之一化合物，位於該反射層之上；一第一電極；以及一電性絕緣層，位於該第一緩衝層與該第一電極之間，使該第一緩衝層與該第一電極完全分隔。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，更包括一第二緩衝層，包含由金屬元素及非金屬元素所組成之一化合物，位於該電性絕緣層及該第一電極之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該第一緩衝層包含金屬氧化物或金屬氮化物。
- 如申請專利範圍第2項所述之發光元件，其中該第二緩衝層包含金屬氧化物或金屬氮化物。
- 如申請專利範圍第3項或第4項所述之發光元件，其中該金屬氧化物為摻雜之金屬氧化物，及/或該金屬氮化物包含金屬氮化物之混合物。
- 如申請專利範圍第1項或第2項所述之發光元件，其中該第一緩衝層及/或該第二緩衝層包含金屬氧化物與金屬氧化物所形成之混合物、金屬氧化物與摻雜之金屬氧化物所形成之混合 物、或摻雜之金屬氧化物與摻雜之金屬氧化物所形成之混合物。
- 一種發光元件，包括：一導電基板；一接合層位於該導電基板之上；一緩衝層，包含由金屬元素及非金屬元素所組成之一化合物，位於該接合層之上；一擴散阻障層位於該緩衝層之上；一反射層位於該擴散阻障層之上；以及一發光疊層位於該反射層之上。
- 如申請專利範圍第7項所述之發光元件，其中該緩衝層為一金屬氧化物或一金屬氮化物。
- 如申請專利範圍第8項所述之發光元件，其中該金屬氧化物為一摻雜之金屬氧化物，及/或該金屬氮化物包含金屬氮化物之混合物。
- 如申請專利範圍第7項所述之發光元件，其中該緩衝層包含金屬氧化物與金屬氧化物形成之混合物、金屬氧化物與摻雜之金屬氧化物形成之混合物、或摻雜之金屬氧化物與摻雜之金屬氧化物所形成之混合物。
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