TWI528590B

TWI528590B - Flip - chip light - emitting diode structure

Info

Publication number: TWI528590B
Application number: TW102131096A
Authority: TW
Inventors: Long-Jian Chen; qing-he Tian; Min-Xue Jiang
Original assignee: Long-Jian Chen
Priority date: 2013-08-29
Filing date: 2013-08-29
Publication date: 2016-04-01
Also published as: TW201508948A

Description

覆晶發光二極體結構

本發明涉及一種發光二極體結構，尤其是包含第一金屬層、第二金屬層及石墨烯層堆疊的反射電極層，由於第一金屬層、第二金屬層中的奈米金屬粒子易於高溫熱處理後團聚成球狀，石墨烯層具有良好的熱穩定性，可針對不連續的團聚所造成之接觸電阻不穩定現象來加以改善，以降低銀在熱退火中產生的不良效應並增加其熱穩定性效果。

固態發光二極體(Light Emitting Diode，LED)，具有節能、驅動電壓低、啟動時間短、無熱輻射等優點，其應用領域包括室內外照明、交通號誌燈、手機背光模組、汽車霧燈及剎車燈等多項產品。而發光二極體中，又以氮化鎵相關材料，為最熱門的光電元件材料，III族氮化物半導體材料由於具備直接能隙、強硬的物理剛性、熱穩定性也很高，近年來已被廣泛應用於藍綠光發光二極體、藍光雷射以及耐高溫元件的開發上。而以現今的固態照明產業如雨後春筍般的發展，目前仍以氮化鎵發光二極體最具代表性。

參閱第一圖，習用技術發光二極體結構的剖面示意圖。如第一圖所示，發光二極體結構100包含一藍寶石基板110、一緩衝層120、一N型半導體層130、一發光層140、一P型半導體層150、一N型歐姆接觸電極160以及一P型歐姆接觸電極170。

緩衝層120形成在藍寶石基板110之上，為本質(intrinsic)三-五族半導體，或P型三-五族半導體，N型半導體層130 形成在緩衝層120上，為N型三-五族半導體，例如N型GaN，包含一底座區131以及一突起區133，突起區133凸起於該底座區131；發光層140形成在N型半導體層130的突起區133上，為一多層量子井結構，P型半導體層150形成在發光層140上，為一P型三-五族半導體，例如P型GaN。

N型歐姆接觸電極160形成在N型半導體層130的底座區131上，包含鈦(Ti)、鋁(Al)的至少其中之一，P型歐姆接觸電極170形成在P型半導體層150上，包含金(Au)、鎳(Ni)的至少其中之一。

習用發光二極體結構通常是以打線方式連接將N型歐姆接觸電極160及P型歐姆接觸電極170，之後在以封裝膠將發光二極體結構密閉，在於通電後的熱有難以逸散，而導致元件溫度過高的問題。

石墨烯是目前研究中具有良好的導電、導熱，並同時具有熱穩定及化學穩定的材料，但是直接將石墨烯用以取代N型歐姆接觸電極160或P型歐姆接觸電極170，卻因為材料的接面特性而導致電阻太高，而整體的效能並不好。

另外，習知技術之傳統覆晶式元件的製作上，研製具有高熱穩定性及高反射率之歐姆接觸電極，對於提升發光元件仍舊是非常重要的課題。而一般應用於覆晶式元件的反射電極金屬多以鋁(Al)或銀(Ag)為主，此兩種金屬之功函數與P型氮化鎵相比差距頗大，不僅無法在氮化鎵表面形成好的歐姆接觸電極更甚會造成反射電極的劣質化，致使發光二極體之光取出效率降低與壽命減短。

因此，需要一種改良式的發光二極體結構來達到良好的熱穩定性及散熱效果。

本發明的主要目的在於提供一種覆晶發光二極體結構，該覆晶發光二極體結構包含由下而上依序堆疊的半導體基板、緩衝層、N型半導體層、發光層、P型半導體層，以及反射電極層，還有形成在N型半導體層上的N型歐姆接觸電極，以及形成在P型半導體層上的P型歐姆接觸電極。

反射電極層，包含由下到上依序推疊的第一金屬層、第二金屬層，以及石墨烯層，用以達到反射、散熱，及歐姆接觸匹配的效果，該第一金屬層、第二金屬層以及石墨烯層的厚範圍為10~250nm，第一金屬層為銀、第二金屬層為鎳，而石墨烯層包含複數層石墨烯。

本發明的特點在於利用第一金屬層、第二金屬層，以及石墨烯層所形成的反射電極層，藉由石墨烯層熱穩定的特性來控制熱退火時第一金屬層、第二金屬層中的團聚效應，且藉由其良好的導熱效果來增進覆晶發光二極體的散熱效果，同時藉由銀、鎳及石墨烯的堆疊，可以克服半導體與導電元件之間的匹配效果，同時達到低電阻、高反射性的效果，且電阻值及反射率，可以藉由退火來調整，從而增加了發光二極體的出光效率與元件可靠度。

1‧‧‧覆晶發光二極體結構

100‧‧‧發光二極體結構

110‧‧‧藍寶石基板

120‧‧‧緩衝層

130‧‧‧N型半導體層

131‧‧‧底座區

133‧‧‧突起區

140‧‧‧發光層

150‧‧‧P型半導體層

160‧‧‧N型歐姆接觸電極

170‧‧‧P型歐姆接觸電極

210‧‧‧半導體基板

220‧‧‧緩衝層

230‧‧‧N型半導體層

231‧‧‧底座區

233‧‧‧突起區

240‧‧‧發光層

250‧‧‧P型半導體層

260‧‧‧反射電極層

261‧‧‧第一金屬層

263‧‧‧第二金屬層

265‧‧‧石墨烯層

270‧‧‧N型歐姆接觸電極

280‧‧‧P型歐姆接觸電極

第一圖為習用技術發光二極體結構的剖面示意圖。

第二圖為本發明覆晶發光二極體結構的剖面示意圖。

以下配合圖式及元件符號對本發明之實施方式做更詳細的說明，俾使熟習該項技藝者在研讀本說明書後能據以實施。

參閱第二圖，本發明覆晶發光二極體結構的剖面示意圖。如第二圖所示，本發明覆晶發光二極體結構1包含一半導體基板210、一緩衝層220、一N型半導體層230、一發光層240、一P型半導體層250、一反射電極層260、一N型歐姆接觸電極270以及一P型歐姆接觸電極280。

半導體基板210為藍寶石基板，緩衝層220形成在半導體基板210之上，為本質(intrinsic)三-五族半導體，或P型三-五族半導體，例如砷化鎵(GaN)、砷化鋁鎵(AlGaN)、砷化銦鎵(InGaN)等；N型半導體層230形成在緩衝層220上，為N型三-五族半導體，例如N型GaN，包含一底座區231以及一突起區233，突起區233凸起於該底座區231；發光層240形成在N型半導體層230的突起區233上，為一多層量子井結構，例如InGaN/GaN的多層堆疊結構，P型半導體層250形成在發光層240上，為一P型三-五族半導體，例如P型GaN。

反射電極層260形成在P型半導體層250上，包含由下到上依序推疊的一第一金屬層261、一第二金屬層263，以及一石墨烯層265，第一金屬層261為銀、第二金屬層263為鎳，石墨烯層265包含複數層石墨烯，該第一金屬層261、第二金屬層263以及石墨烯層265的厚度為10~250nm。

第一金屬層261、一第二金屬層263，以及一石墨烯層265係以磁控濺鍍系統磊晶製備，再透過高溫熱處理形成，例如500℃，其中第一金屬層261的為結構來觀察，係以複數個奈米銀粒子所構成，第一金屬層261中的奈米銀粒子會因熱退火而聚成球狀，而可作為光反射層，藉此增加發光二極體的光取出效率；且由於石墨烯層265具有良好的熱穩定性，可針對銀奈米粒子因不連續的團聚所造成之接觸電阻不穩定現象來加以改善，以降低銀奈米粒子在熱退火中團聚的效應並增加其熱穩定性效果。

N型歐姆接觸電極270形成在N型半導體層230的底座區231上，包含鈦(Ti)、鋁(Al)的至少其中之一，P型歐姆接觸電極280形成在反射電極層260上，包含金(Au)、銀(Ag)、鋁(Al)、鎳(Ni)、鉑(Pt)、鈀(Pd)的至少其中之一。

本發明的特點在於利用，由第一金屬層、第二金屬層，以及石墨烯層所形成的反射電極層，藉由石墨烯層的熱穩定性質，可以在熱退火時控制第一金屬層及第二金屬層中奈米粒子的團聚效應，同時利用其良好的導熱效果，增進覆晶發光二極體的散熱效果，更利用第一金屬層、第二金屬層及石墨烯層的堆疊，克服半導體與導電元件之間的匹配效果，同時達到低電阻、高反射性的效果，且電阻值及反射率，可以藉由退火來調整，從而增加了發光二極體的出光效率及元件可靠性。

以上所述者僅為用以解釋本發明之較佳實施例，並非企圖據以對本發明做任何形式上之限制，是以，凡有在相同之創作精神下所作有關本發明之任何修飾或變更，皆仍應包括在本創作意圖保護之範疇。