TWI589025B

TWI589025B - 發光元件

Info

Publication number: TWI589025B
Application number: TW105142841A
Authority: TW
Inventors: 陳宏哲; 沈建賦; 陳昭興; 楊於錚; 王佳琨; 林植南
Original assignee: 晶元光電股份有限公司
Priority date: 2013-01-10
Filing date: 2013-01-10
Publication date: 2017-06-21
Also published as: TW201709555A

Description

發光元件

本發明關於一種發光元件結構及其製造方法，特別是關於一種電極具有第一層與第二層之發光元件結構及其製造方法。

發光二極體是半導體元件中一種被廣泛使用的光源。相較於傳統的白熾燈泡或螢光燈管，發光二極體具有省電及使用壽命較長的特性，因此逐漸取代傳統光源而應用於各種領域，如交通號誌、背光模組、路燈照明、醫療設備等產業。

隨著發光二極體光源的應用與發展對於亮度的需求越來越高，如何增加其發光效率以提高其亮度，便成為產業界所共同努力的重要方向。

第9圖描述了現有的LED封裝體30：包括封裝結構31、由封裝結構31封裝的半導體LED 晶片32，其中半導體LED 晶片32具有一p-n接面33，封裝結構31通常是熱固性材料，例如環氧樹脂(epoxy)，或者熱塑膠材料。半導體LED 晶片32透過一焊線(wire)34與兩導電支架35、36連接。因為環氧樹脂(epoxy)在高溫中會有劣化(degrading)現象，因此只能在低溫環境運作。此外，環氧樹脂(epoxy)具很高的熱阻(thermal resistance)，使得第9圖的結構只提供了半導體LED 晶片32高阻值的熱散逸途徑，而限制了LED封裝體 30的低功耗應用。

本發明提供一發光元件結構，包含：一半導體疊層，包含一凹槽及一平台，其中凹槽具有一底部，平台具有一上表面；一第一隔絕層位於凹槽內及平台上表面之部分區域；第一電極係包含一第一層和一第二層，其中：第一層包含一第一導電材料，位於平台上表面之部分區域上；及第二層包含一第二導電材料，位於第一層之上。

本發明提供一發光元件的結構，其中形成第一電極第一層之第一導電材料和形成第一電極第二層之第二導電材料不同；第一電極第一層對此發光元件產生光線之反射率大於第一電極第二層對此光線之反射率，且第二層對此光線之反射率大於60%。

為了使本發明之敘述更加詳盡與完備，請參照下列描述並配合第1-8圖及第10圖之圖式。依據本發明第一實施例之發光元件之上視圖第1A圖所示：一發光元件包含一基板(圖未示)及一半導體疊層；其中半導體疊層包含：一第一導電型半導體層11，及在第一導電型半導體層11之上形成一活性層(圖未示)與一第二導電型半導體層12。蝕刻部分第二導電型半導體層12和活性層以裸露出第一導電型半導體層11。第1B圖為沿AA’橫截面線(cross section line)切割之剖面圖，包含一凹槽及一平台，其中凹槽具有一底部；平台具有一上表面。於本實施例中，平台上表面為第二導電型半導體層12之一表面：凹槽底部裸露出第一導電型半導體層11，且凹槽穿過活性層21。且當發光元件形成後，利用一電壓驅動此發光元件，使第一導電型半導體層11提供電子，第二導電型半導體層12提供電洞，電子與電洞於活性層21結合後發出一光線。如第2A、2B圖所示，於凹槽底部第一導電型半導體層11之上形成一第二電極13，且此第二電極13與第一導電型半導體層11電性連接。

如第3A圖所示，因沿AA’橫截面線及BB’橫截面線切割之剖面區域其後續結構及製程不同，故分別敘述如下。首先，沿AA’橫截面線切割之剖面區域，如第3B圖所示，形成一第一隔絕層14位於凹槽內及平台上表面之部分區域，且包覆第二電極13。

再形成一第一電極第一層15於平台上表面之部分區域上，且和第一隔絕層14彼此分離沒有重疊，如第4A、4B圖所示。於本實施例中，第一電極第一層15包含一第一導電材料，可例如為金屬；其中第一導電材料包含至少一材料選自於銀、鉑及金所組成之群組，第一電極第一層15厚度為500至5000埃。再形成一第一電極第二層16於第一層15之上，其中第一電極第二層16覆蓋第一層15與至少部分第一隔絕層14；如第5A、5B圖所示。於本實施例中，第一電極第二層16包含一第二導電材料，可例如為金屬；其中第二導電材料包含至少一材料選自於鎳、鋁、銅、鉻及鈦所組成之群組。第一電極第二層16厚度為2000埃至1.5μm。於另一實施例中，形成第一層15之第一導電材料和形成第二層16之第二導電材料不同；第一層15對此發光元件所產生光線之反射率大於第二層16對此光線之反射率。第二層16對此光線之反射率較佳係大於60%。

如第6A、6B圖所示，於第一電極第二層16之上形成一第二隔絕層17；第二隔絕層17之間隔區域露出第一電極第二層16之上表面。其中第二隔絕層17區域與第一隔絕層14區域大致上對應。於本實施例中，於發光元件邊緣之第二隔絕層17可與第一隔絕層14直接接觸。組成第一隔絕層14之材料與組成第二隔絕層17之材料可相同或不同，二者之組成材料可為氧化矽，氮化矽，氧化鋁，氧化鋯或氧化鈦。如第7A、7B圖所示，再於第二隔絕層17之上及第二隔絕層17之間隔區域形成一第一電極墊18；此第一電極墊18與第一電極第一層15和第二層16電性連接。

其次，第3C圖所示為沿第3A圖之BB’橫截面線切割之剖面區域，形成一第一隔絕層14位於凹槽內及平台上表面之部分區域。於本實施例中第二電極13部分上表面沒有被第一隔絕層14覆蓋之區域形成一通道20。再形成一第一電極第一層15於平台上表面之部分區域上，且和第一隔絕層14彼此分離沒有重疊，如第4A、4C圖所示。於本實施例中，第一電極第一層15包含一第一導電材料，可例如為金屬；其中第一導電材料包含至少一材料選自於銀、鉑及金所組成之群組。第一電極第一層15厚度為500至5000埃。再形成一第一電極第二層16於第一層15之上，其中第一電極第二層16覆蓋第一層15與至少部分第一隔絕層14，如第5A、5C圖所示。於本實施例中，第一電極第一層15及第一電極第二層16包覆凹槽。第一電極第二層16包含一第二導電材料，可例如為金屬；其中第二導電材料包含至少一材料選自於鎳、鋁、銅、鉻及鈦所組成之群組。第一電極第二層16厚度為2000埃至1.5μm。於另一實施例中，形成第一層15之第一導電材料和形成第二層16之第二導電材料不同；第一層15對此發光元件所產生光線之反射率大於第二層16對此光線之反射率。第二層16對此光線之反射率較佳地係大於60%。

如第6A、6C圖所示，於第一電極第二層16之上及複數個第一隔絕層14之上形成一第二隔絕層17。其中第二隔絕層17部份區域與第一隔絕層14直接接觸。組成第一隔絕層14之材料與組成第二隔絕層17之材料可相同或不同，二者之組成材料可為氧化矽，氮化矽，氧化鋁，氧化鋯或氧化鈦。如第7A、7C圖所示，再於第二隔絕層17之上及通道20之區域形成一第二電極墊19；且此第二電極墊19與第二電極13電性連接。第8圖為形成之發光元件10上視圖。

第10圖係本發明另一實施例之燈泡分解圖。燈泡40包含一燈罩41，一透鏡42，一發光模組44，一燈座45，一散熱鰭片46，一結合部47及一電性接頭48。其中發光模組44更包含一載板43及複數個上述實施例之發光元件10位於此載板43之上。

上述第二電極13、第一電極墊18、及第二電極墊19之材料可選自：鉻(Cr)、鈦(Ti)、鎳(Ni)、鉑(Pt)、銅(Cu)、金(Au)、鋁(Al)、鎢(W)、錫(Sn)、或銀(Ag)等金屬材料。基板(圖未示)係為一成長及/或承載基礎。候選材料包含透光基板；其中透光基板材料可為藍寶石（Sapphire）、鋁酸鋰（LiAlO₂ ）、氧化鋅（ZnO）、氮化鎵（GaN）、氮化鋁（AlN）、玻璃、鑽石、CVD鑽石、類鑽碳（Diamond-Like Carbon；DLC）、尖晶石(spinel, MgAl₂ O₄ )、氧化矽(SiO_X ) 及鎵酸鋰(LiGaO₂ )。

上述第一導電型半導體層11及第二導電型半導體層12係彼此中至少二個部分之電性、極性或摻雜物相異、或者係分別用以提供電子與電洞之半導體材料單層或多層（「多層」係指二層或二層以上，以下同。），其電性選擇可以為p型、n型、及i型中至少任意二者之組合。活性層21係位於第一導電型半導體層11及第二導電型半導體層12之間，為電能與光能可能發生轉換或被誘發轉換之區域。電能轉變或誘發光能者係如發光二極體、液晶顯示器、有機發光二極體；光能轉變或誘發電能者係如太陽能電池、光電二極體。上述第一導電型半導體層11、活性層21及第二導電型半導體層12其材料包含一種或一種以上之元素選自鎵(Ga)、鋁(Al)、銦(In)、砷(As)、磷(P)、氮(N)以及矽(Si)所構成群組。

依據本發明之另一實施例之發光元件係一發光二極體，其發光頻譜可以藉由改變半導體單層或多層之物理或化學要素進行調整。常用之材料係如磷化鋁鎵銦（AlGaInP）系列、氮化鋁鎵銦（AlGaInN）系列、氧化鋅（ZnO）系列等。活性層(未顯示)之結構係如：單異質結構（single heterostructure；SH）、雙異質結構（double heterostructure；DH）、雙側雙異質結構（double-side double heterostructure；DDH）、或多層量子井（multi-quantum well；MQW）。再者，調整量子井之對數亦可以改變發光波長。

於本發明之一實施例中，第一導電型半導體層11與基板(圖未示)間尚可選擇性地包含一緩衝層(buffer layer，圖未示)。此緩衝層係介於二種材料系統之間，使基板之材料系統”過渡”至半導體系統之材料系統。對發光二極體之結構而言，一方面，緩衝層係用以降低二種材料間晶格不匹配之材料層。另一方面，緩衝層亦可以是用以結合二種材料或二個分離結構之單層、多層或結構，其可選用之材料係如：有機材料、無機材料、金屬、及半導體等；其可選用之結構係如：反射層、導熱層、導電層、歐姆接觸（ohmic contact）層、抗形變層、應力釋放（stress release）層、應力調整（stress adjustment）層、接合（bonding）層、波長轉換層、及機械固定構造等。在一實施例中，此緩衝層之材料可為AlN、GaN，且形成方法可為濺鍍(Sputter)或原子層沉積(Atomic Layer Deposition，ALD)。

第二導電型半導體層12上更可選擇性地形成一第二導電型接觸層(圖未示)。接觸層係設置於第二導電型半導體層遠離活性層21之一側。具體而言，第二導電型接觸層可以為光學層、電學層、或其二者之組合。光學層係可以改變來自於或進入活性層21的電磁輻射或光線。在此所稱之「改變」係指改變電磁輻射或光之至少一種光學特性，前述特性係包含但不限於頻率、波長、強度、通量、效率、色溫、演色性（rendering index）、光場（light field）、及可視角（angle of view）。電學層係可以使得第二導電型接觸層之任一組相對側間之電壓、電阻、電流、電容中至少其一之數值、密度、分布發生變化或有發生變化之趨勢。第二導電型接觸層之構成材料係包含氧化物、導電氧化物、透明氧化物、具有50%或以上穿透率之氧化物、金屬、相對透光金屬、具有50%或以上穿透率之金屬、有機質、無機質、螢光物、磷光物、陶瓷、半導體、摻雜之半導體、及無摻雜之半導體中至少其一。於某些應用中，第二導電型接觸層之材料係為氧化銦錫、氧化鎘錫、氧化銻錫、氧化銦鋅、氧化鋅鋁、與氧化鋅錫中至少其一。若為相對透光金屬，其厚度係約為0.005μm~0.6μm。

以上各圖式與說明雖僅分別對應特定實施例，然而，各個實施例中所說明或揭露之元件、實施方式、設計準則、及技術原理除在彼此顯相衝突、矛盾、或難以共同實施之外，吾人當可依其所需任意參照、交換、搭配、協調、或合併。

雖然本發明已說明如上，然其並非用以限制本發明之範圍、實施順序、或使用之材料與製程方法。對於本發明所作之各種修飾與變更，皆不脫本發明之精神與範圍。

10‧‧‧發光元件
11‧‧‧第一導電型半導體層
12‧‧‧第二導電型半導體層
13‧‧‧第二電極
14‧‧‧第一隔絕層
15‧‧‧第一電極第一層
16‧‧‧第一電極第二層
17‧‧‧第二隔絕層
18‧‧‧第一電極墊
19‧‧‧第二電極墊
20‧‧‧通道
21‧‧‧活性層
30‧‧‧LED封裝體
31‧‧‧封裝結構
32‧‧‧LED晶片
33‧‧‧p-n接面
34‧‧‧焊線
35，36‧‧‧導電支架
40‧‧‧燈泡
41‧‧‧燈罩
42‧‧‧透鏡
43‧‧‧載板
44‧‧‧發光模組
45‧‧‧燈座
46‧‧‧散熱鰭片
47‧‧‧結合部
48‧‧‧電性接頭

第1-8圖係本發明第一實施例之發光元件結構之上視圖及剖面圖。

第9圖係習知之發光元件LED封裝體結構圖。

第10圖係本發明另一實施例之燈泡分解圖。

13‧‧‧第二電極

14‧‧‧第一隔絕層

16‧‧‧第一電極第二層

17‧‧‧第二隔絕層

18‧‧‧第一電極墊

19‧‧‧第二電極墊

Claims

一發光元件，包含：一半導體疊層，包含一第一導電型半導體層、一活性層、一第二導電型半導體層、複數個凹槽及一平台，其中該複數個凹槽穿過該活性層，該複數個凹槽各具有一底部以裸露該第一導電型半導體層，該平台具有一上表面，該複數個凹槽之ㄧ部份環繞該第二導電型半導體層，該複數個凹槽之另ㄧ部份為該第二導電型半導體層所環繞；一第一隔絕層位於該複數個凹槽內及該平台之該上表面上；一第一電極第一層位於該平台之該上表面上；一第一電極第二層覆蓋該第一電極第一層及該第一隔絕層；一第二隔絕層位於該第一電極第二層上及包含一間隔區域露出該第一電極第二層；一第一電極墊位於該第二隔絕層上及該第二隔絕層之該間隔區域內；以及一第二電極墊位於該第二隔絕層上。
如申請專利範圍第1項所述之發光元件，更包含一第二導電型接觸層位於該第二導電型半導體層上，其中該第二導電型接觸層包含氧化銦錫、氧化鎘錫、氧化銻錫、氧化銦鋅、氧化鋅鋁、與氧化鋅錫中至少其一。
如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該第一隔絕層及該第二隔絕層包含不同之材料。
如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該第一隔絕層與該第二隔絕層於該發光元件之一邊緣係直接接觸。
如申請專利範圍第1項所述之發光元件，更包含複數個第二電極分別位於該複數個凹槽中，其中該第一隔絕層包含一通道位於該複數個第二電極之一上。
如申請專利範圍第5項所述之發光元件，其中該第二電極墊係位於該第一隔絕層之該通道上。
一發光元件，包含：一半導體疊層，包含一第一導電型半導體層、一活性層、一第二導電型半導體層、複數個凹槽及一平台，其中該複數個凹槽穿過該活性層，該複數個凹槽各具有一底部以裸露該第一導電型半導體層，該平台具有一上表面，該複數個凹槽之ㄧ部份環繞該第二導電型半導體層，該複數個凹槽之另ㄧ部份為該第二導電型半導體層所環繞；一第一隔絕層位於該平台之該上表面上；一第二導電型接觸層位於該第二導電型半導體層上；一第一電極第一層位於該平台之該上表面上，其中該第一電極第一層與該第一隔絕層係彼此分離；一第一電極第二層位於該第一電極第一層及該第一隔絕層之上；一第二隔絕層位於該第一電極第二層上及包含一間隔區域露出該第一電極第二層；一第一電極墊位於該第二隔絕層上及該第二隔絕層之該間隔區域內；以及一第二電極墊位於該第二隔絕層上。
如申請專利範圍第7項所述之發光元件，其中該第一隔絕層及該第二隔絕層包含氧化矽，氮化矽，氧化鋁，氧化鋯或氧化鈦。
如申請專利範圍第7項所述之發光元件，，其中該第二導電型接觸層包含氧化銦錫、氧化鎘錫、氧化銻錫、氧化銦鋅、氧化鋅鋁、與氧化鋅錫中至少其一。
如申請專利範圍第7項所述之發光元件，更包含複數個第二電極分別位於該複數個凹槽中。