TWI622188B - 發光二極體晶片 - Google Patents
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Abstract
一種發光二極體晶片，包括一P型半導體層、一發光層、一N型半導體層及一第一金屬電極。發光層配置於P型半導體層與N型半導體層之間。N型半導體層包括一第一N型半導體子層、一第二N型半導體子層及一歐姆接觸層，其中歐姆接觸層配置於第一N型半導體子層與第二N型半導體子層之間。第一金屬電極配置於第一N型半導體子層上，第一N型半導體子層之位於第一金屬電極與歐姆接觸層之間的區域中含有從第一金屬電極擴散而來的金屬原子，以使第一金屬電極與歐姆接觸層形成歐姆接觸。
Description
本發明是有關於一種發光元件，且特別是有關於一種發光二極體晶片。
隨著光電技術的演進，傳統的白熾燈泡與螢光燈管已逐漸被新一代的固態光源例如是發光二極體(light-emitting diode,LED)所取代，其具有諸如壽命長、體積小、高抗震性、高光效率及低功率消耗等優點，因此已經廣泛在家用照明及各種設備中作為光源使用。除了液晶顯示器的背光模組與家用照明燈具已廣泛採用發光二極體作為光源之外，近年來，發光二極體的應用領域已擴展至道路照明、大型戶外看板、交通號誌燈、UV固化及相關領域。發光二極體已經成為發展兼具省電及環保功能之光源的主要項目之一。
而在LED領域中，發展出一種將原本發光二極體晶片的尺寸縮小許多，而被稱為微型發光二極體(micro-LED)的新技術。當應用於在顯示技術的領域中，以紅、藍、綠的微型發光二極體晶片當作顯示子畫素，將這些多個可獨立發光的微型發光二極體
晶片排列成顯示畫面的顯示技術，即為微型發光二極體顯示器的技術。
對於大尺寸的紅光發光二極體晶片而言，其N型半導體層的一側的砷化鎵層是用以做為歐姆接觸層用，以增加電極的導電性。但由於包括砷化鎵層在內的N型半導體層厚度一般來說都太厚，因此容易導致吸光且電流傳導效率較差。然而，當紅光發光二極體晶片縮小至微型發光二極體的尺寸時，這些N型半導體層吸光且電流傳導效率差的情況會更明顯，進而導致微發光二極體的出光率大幅下降。
本發明提供一種發光二極體晶片，其具有高出光效率。
本發明的一實施例提出一種發光二極體晶片，包括一P型半導體層、一發光層、一N型半導體層及一第一金屬電極。發光層配置於P型半導體層與N型半導體層之間。N型半導體層包括一第一N型半導體子層、一第二N型半導體子層及一歐姆接觸層，其中歐姆接觸層配置於第一N型半導體子層與第二N型半導體子層之間。第一金屬電極配置於第一N型半導體子層上，第一N型半導體子層之位於第一金屬電極與歐姆接觸層之間的區域中含有從第一金屬電極擴散而來的金屬原子，以使第一金屬電極與歐姆接觸層形成歐姆接觸。
在本發明的實施例的發光二極體晶片中，第一N型半導
體子層之位於第一金屬電極與歐姆接觸層之間的區域中含有從第一金屬電極擴散而來的金屬原子，以使第一金屬電極與歐姆接觸層形成歐姆接觸。因此，本發明的實施例可有效減少半導層厚度不致於吸光，且可以有較好的電流傳導效率。所以，本發明的實施例的發光二極體晶片具有較高的出光效率。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
100、100a、100b‧‧‧發光二極體晶片
110、110b‧‧‧P型半導體層
112‧‧‧P型披覆層
114‧‧‧P型接觸層
120‧‧‧發光層
122‧‧‧能障層
124‧‧‧能井層
130、130a‧‧‧N型半導體層
132‧‧‧第一N型半導體子層
134‧‧‧歐姆接觸層
136‧‧‧第二N型半導體子層
138‧‧‧N型披覆層
140‧‧‧第一金屬電極
150‧‧‧第二金屬電極
H‧‧‧總厚度
M‧‧‧平台區
R‧‧‧區域
R1、R2‧‧‧區域R的一側
T1、T2、T3‧‧‧厚度
W‧‧‧最大寬度
圖1A為本發明的一實施例的發光二極體晶片的剖面示意圖。
圖1B為圖1A的發光二極體晶片的上視圖。
圖2A為本發明的另一實施例的發光二極體晶片的剖面示意圖。
圖2B為圖2A的發光二極體晶片的上視示意圖。
圖3為本發明的又一實施例的發光二極體晶片的剖面示意圖。
圖1A為本發明的一實施例的發光二極體晶片的剖面示意圖，而圖1B為圖1A的發光二極體晶片的上視圖。請參照圖1A與圖1B，本實施例的發光二極體晶片100包括一P型半導體層
110、一發光層120、一N型半導體層130及一第一金屬電極140。此處，發光層120用以發出紅光，且發光層120配置於P型半導體層110與N型半導體層130之間。在本實施例中，發光層120例如為多重量子井層(multiple quantum well)，其包括交替堆疊的能障層122與能井層124。在本實施例中，能障層122與能井層124例如皆為磷化鋁鎵銦層，但能障層122中所含有的鋁與鎵的莫耳百分比不同於能井層124中所含有的鋁與鎵的莫耳百分比。在本實施例中，能障層122的材料的化學式例如為(AlxGa1-x)0.5In0.5P，能井層124的材料的化學式例如為(AlyGa1-y)0.5In0.5P，其中0<x,y<1。
N型半導體層130包括一第一N型半導體子層132、一第二N型半導體子層136及一歐姆接觸層134，其中歐姆接觸層134配置於第一N型半導體子層132與第二N型半導體子層136之間。舉例而言，第一N型半導體子層132的材料例如為摻雜矽的(AlzGa1-z)0.5In0.5P，第二N型半導體子層136的材料例如為摻雜矽的(AlaGa1-a)0.5In0.5P，其中0<z≦1，且0<a≦1。在本實施例中，第一N型半導體子層132與第二N型半導體子層136的材質例如為磷化鋁鎵銦。此外，在本實施例中，歐姆接觸層134的材質為N型砷化鎵，例如為摻雜矽的N型砷化鎵層(GaAs)。較佳地，歐姆接觸層134的厚度T1小於等於60奈米，第一N型半導體子層132與第二N型半導體子層136的厚度T2、T3皆小於等於1.3微米，如此可有效減少歐姆接觸層134、第一N型半導體子層132與第
二N型半導體子層136對發光層120所發出的光的吸光量。
第一金屬電極140配置於第一N型半導體子層132上，第一N型半導體子層132之位於第一金屬電極140與歐姆接觸層134之間的區域R中含有從第一金屬電極140擴散而來的金屬原子，以使第一金屬電極140與歐姆接觸層134形成歐姆接觸，由於歐姆接觸層134為具有較小禁帶(Band Gap)的砷化鎵層，因此透過金屬原子擴散讓第一金屬電極140與歐姆接觸層134形成較佳的歐姆接觸，使發光二極體晶片100具有較佳的電流傳導效率。特別說明的是，在形成發光二極體晶片100前，會在成長基板(未繪示)上形成一緩衝層(未繪示)、N型半導體層130、發光層120及P型半導體層110，之後會將成長基板(未繪示)與緩衝層(未繪示)透過例如是蝕刻製程拿掉以形成發光二極體晶片100。由於歐姆接觸層134厚度較薄，因此在蝕刻製程時第二N型半導體子層136可做為歐姆接觸層134的保護緩衝層，避免做為歐姆接觸的歐姆接觸層134被破壞，再透過第一金屬電極140擴散而來的金屬原子，以使第一金屬電極140與歐姆接觸層134形成歐姆接觸。此外，亦可在製程時粗化第二N型半導體子層136的表面，以增加出光。此處，此金屬原子在區域R之靠近歐姆接觸層134的一側R1的濃度小於金屬原子在區域R之遠離歐姆接觸層134一側R1的濃度。在製程中，可先將第一金屬電極140形成於第一N型半導體子層132上，然後再利用高溫加熱(例如使製程溫度落在300℃至500℃的範圍內)使第一金屬電極140中的金屬原子擴散至
區域R中，以使第一金屬電極140與歐姆接觸層134形成歐姆接觸，如圖1B所示。特別說明的是，第一N型半導體子層132、接觸層134與第二N型半導體子層136皆含有從該第一金屬電極擴散而來的金屬原子，如此一來，便可使第一金屬電極140與歐姆接觸層134形成更佳的電流傳導效率。在本實施例中，第一金屬電極140的材質例如為金、鍺、鎳或上述金屬任意組合的合金。
在本實施例中，N型半導體層130更包括一N型披覆層(n-type cladding layer)138，配置於歐姆接觸層134與發光層120之間，N型披覆層130的材質為(AlbGa1-b)0.5In0.5P，其中0<b≦1，此處，N型披覆層138例如為摻雜矽的磷化鋁鎵銦，但並不以此為限。在本實施例中，N型披覆層138配置於第一N型半導體子層132與發光層120之間，且第一N型半導體子層132配置於N型披覆層138與歐姆接觸層134之間。
在本實施例中，P型半導體層110包括一P型披覆層112，且P型披覆層112的材質為磷化鋁銦，例如為摻雜鎂的Al0.5In0.5P。此外，在本實施例中，發光二極體晶片100更包括一第二金屬電極150，其中P型半導體層110更包括一摻雜碳的P型接觸層114，配置於P型披覆層112與第二金屬電極150之間。在本實施例中，P型披覆層112配置於P型接觸層114與發光層120之間。P型接觸層114的材質例如為摻雜碳的P型磷化鎵層，且P型接觸層114小於等於1微米，可兼具薄型化且有較佳的電流傳導。特別的是，P型半導層110的厚度除以發光二極體晶片100的所有半導體層的
總厚度所得到的比值是落在0.05至0.2的範圍內，且由於摻雜碳的P型接觸層114具有較佳的電流傳播效應，因此可使發光二極體晶片100兼具薄型化與良好出光效率。在本實施例中第二金屬電極150的材質例如為金、鍺、鎳或上述金屬任意組合的合金。
在本實施例中，如圖1B所示，發光二極體晶片100的所有半導體層的總厚度H除以發光二極體晶片100的最大寬度W所得到的比值是落在0.2至1.5的範圍內，亦即發光二極體晶片100的尺寸可以較小，例如為微型發光二極體的尺寸。在一實施例中，最大寬度W例如是落在1微米至100微米的範圍內。相較於習知的發光二極體晶片，可有較小的尺寸。
在本實施例的發光二極體晶片100中，第一N型半導體子層132之位於第一金屬電極140與歐姆接觸層134之間的區域R中含有從第一金屬電極140擴散而來的金屬原子，以使第一金屬電極140與歐姆接觸層134形成歐姆接觸。所以，本發明的實施例的發光二極體晶片100具有較高的出光效率，此優點在發光二極體晶片100的尺寸較小時(例如為微型發光二極體的尺寸時)更為顯著。
此外，在本實施例的發光二極體晶片100中，P型半導體層110是位於晶片上凸出的平台(mesa)區M中，此一設置使得紅光發光二極體晶片(即發光二極體晶片100)的設置與藍光及綠光的發光二極體晶片的設置(其P型半導體層一般皆位於平台區中)一致，如此使得微型發光二極體顯示器的製程較為容易，進
而有效降低製作成本。
圖2A為本發明的另一實施例的發光二極體晶片的剖面示意圖，而圖2B為圖2A的發光二極體晶片的上視示意圖。本實施例之發光二極體晶片100a與圖1A之發光二極體晶片100類似，而兩者的主要差異如下所述。在圖1A中，第一金屬電極140與第二金屬電極150皆配置於發光二極體晶片100的同一側，而在本實施例中，第一金屬電極140與第二金屬電極150分別配置於發光二極體晶片100a的相對兩側。換言之，圖1A之發光二極體晶片100為水平式發光二極體晶片，而圖2A之發光二極體晶片100a為垂直式發光二極體晶片。此外，在本實施例中，N型半導體層130a的N型披覆層138配置於第二N型半導體子層136與發光層120之間，且第二N型半導體子層136配置於N型披覆層138與歐姆接觸層134之間。在本實施例中，如圖2B所示，發光二極體晶片100的所有半導體層的總厚度H除以發光二極體晶片100的最大寬度W所得到的比值是落在0.2至1.5的範圍內，亦即發光二極體晶片100的尺寸可以較小。特別說明的是，此時第一N型半導體子層132可做為歐姆接觸層134在蝕刻製程時的保護緩衝層，避免做為歐姆接觸的歐姆接觸層134被破壞。
圖3為本發明的又一實施例的發光二極體晶片的剖面示意圖。請參照圖3，本實施例的發光二極體晶片100b與圖1A之發光二極體晶片100類似，而兩者的主要差異如下所述。在圖1A之發光二極體晶片100中，P型半導體層110是位於晶片上凸出的
平台區M中，而在本實施例之發光二極體晶片100b中，N型半導體層130是位於晶片上凸出的平台區M中。此外，第二金屬電極150可配置於P型半導體層110b的P型接觸層114上。
綜上所述，在本發明的實施例的發光二極體晶片中，第一N型半導體子層之位於第一金屬電極與歐姆接觸層之間的區域中含有從第一金屬電極擴散而來的金屬原子，以使第一金屬電極與歐姆接觸層形成歐姆接觸。因此，本發明的實施例可以有效減少半導層厚度不致於吸光，且可以有較好的電流傳導效率。所以，本發明的實施例的發光二極體晶片具有較高的出光效率。
雖然本發明已以實施例揭露如上，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，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
Claims (11)
- 一種發光二極體晶片，包括：一P型半導體層；一發光層；一N型半導體層，該發光層配置於該P型半導體層與該N型半導體層之間，該N型半導體層包括：一第一N型半導體子層；一第二N型半導體子層；以及一歐姆接觸層，配置於該第一N型半導體子層與該第二N型半導體子層之間；以及一第一金屬電極，配置於該第一N型半導體子層上，其中該第一N型半導體子層之位於該第一金屬電極與該歐姆接觸層之間的區域中含有從該第一金屬電極擴散而來的金屬原子，以使該第一金屬電極與該歐姆接觸層形成歐姆接觸，該第一N型半導體子層的厚度小於等於1.3微米。
- 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體晶片，其中該金屬原子在該區域之靠近該歐姆接觸層的一側的濃度小於該區域之遠離該歐姆接觸層的一側的濃度。
- 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體晶片，其中該歐姆接觸層的厚度小於等於60奈米。
- 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體晶片，其中該歐姆接觸層為N型砷化鎵層。
- 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體晶片，其中該第一N型半導體子層與該第二N型半導體子層的材質為磷化鋁鎵銦。
- 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體晶片，其中該N型半導體層更包括一N型披覆層，配置於該第一N型半導體子層與該發光層之間，且該第一N型半導體子層配置於該N型披覆層與該歐姆接觸層之間。
- 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體晶片，其中該N型半導體層更包括一N型披覆層，配置於該第二N型半導體子層與該發光層之間，且該第二N型半導體子層配置於該N型披覆層與該歐姆接觸層之間。
- 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體晶片，其中該發光二極體晶片的所有半導體層的總厚度除以該發光二極體晶片的最大寬度所得到的比值是落在0.2至1.5的範圍內。
- 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體晶片，其中該P型半導體層的厚度除以該發光二極體晶片的所有半導體層的總厚度所得到的比值是落在0.05至0.2的範圍內。
- 如申請專利範圍第9項所述的發光二極體晶片，其中該P型半導體層包括一P型披覆層和一摻雜碳的P型接觸層，且該P型披覆層配置於該P型接觸層與該發光層之間。
- 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體晶片，其中該第一N型半導體子層、該歐姆接觸層與該第二N型半導體子層皆含有從該第一金屬電極擴散而來的金屬原子。
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