TWI695520B - 發光二極體及其製作方法 - Google Patents
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Abstract
本發明提供了一種發光二極體及其製作方法，包括：發光外延層，自下而上依次包括第一半導體層、發光層和第二半導體層；透明介質層，至少形成在第二半導體層上，透明介質層具有平臺和一系列開口；透明介質層的開口內具有歐姆接觸層，歐姆接觸層與第二半導體層之間具有過渡層，過渡層的熱遷移率低於歐姆接觸層，本發明解決了歐姆接觸區域材料選擇的難題，有效控制了開口面積，減小歐姆接觸區域的吸光。
Description
本發明是有關於一種半導體元件，特別是指一種發光二極體及其製作方法。
發光二極體(LED)晶片持續追求更高的亮度，在提高亮度中，一種常用的方法就是提高鏡面反射率。多量子井(MQW)半導體中發出的光很大的部分射向與出光面相反的方向。這部分的光一部分被吸收一部分被反射。因此減少吸收和增加反射就是提高鏡面反射率的有效方法。
提升鏡面系統的鏡面反射率是常用的提亮方法。但是鏡面一側同時也需要歐姆(ohmic)接觸。參看圖1，以反射基板(reflecting substrate, RS)產品為例，鏡面側的ohmic接觸常用的方法是合金如AuZn與GaP接觸，進行熔合後，AuZn擴散入GaP，形成ohmic接觸。在這個過程中AuZn擴散入GaP，會引起界面的不平整，參看圖2，利用顯微鏡觀察會看到ohmic接觸的地方，由於不平整導致吸光嚴重而顯得顏色比較深。另外一種方式是用透明導電層ohmic接觸，常用的材料為ITO，但是ITO本身的折射率較高、透光性一般，因此做成鏡面的話，鏡面反射率會有一定程度的下降。另外ITO與GaP ohmic接觸，要達到與AuZn ohmic接觸一樣的電壓，需要將ITO ohmic接觸的面積加大，ITO吸光同樣對亮度有一定的損失。
因此，本發明之目的，即在提供一種發光二極體，可以克服上述先前技術的缺點，利用熱遷移率低的材料作為防擴散阻隔薄膜，防止歐姆接觸材料擴散進入用作歐姆接觸的發光外延層窗口，歐姆接觸材料進入發光外延層太深造成不平整或者吸光，且限制開口面積過大，避免減小反射面積或者開口處吸光。
於是，本發明發光二極體包括：發光外延層，包括第一半導體層、第二半導體層及兩者之間的發光層；該透明介質層，至少形成在該發光外延層的該第二半導體層一側，該透明介質層具有平臺和一系列開口，該等開口露出該發光外延層；該透明介質層的該等開口內具有歐姆接觸層，該歐姆接觸層與該發光外延層之間具有過渡層，該過渡層採用的材料熱遷移率低於該歐姆接觸層的材料。
根據本發明，優選的，該等開口露出該第一半導體層或者該第二半導體層。
在第一類實施例中，優選的，該過渡層為導電氧化物層。
在該類實施例中，優選的，該過渡層的材料為ITO、IZO、GZO或者AZO。
在第二類實施例中，優選的，該過渡層的材料為金屬氧化物或者金屬氮化物，且呈薄膜或者顆粒狀。
在該類實施例中，優選的，該過渡層的材料為TiN或者AlN。
在第一類和第二類實施例中，優選的，該過渡層厚度為大於等於10埃到小於等於200埃。
在前兩類實施例中，更優選的，該過渡層厚度為大於等於20埃到小於等於50埃。
根據本發明，優選的，該過渡層不阻止該歐姆接觸層與該第二半導體層電導通。
根據本發明，優選的，該過渡層的電阻率高於該歐姆接觸層。
根據本發明，優選的，該歐姆接觸層的材料為AuBe、AuGe或者AuGeNi。
根據本發明，優選的，該歐姆接觸層的厚度小於等於200Å。
在第三類實施例中，優選的，該歐姆接觸層的材料為ITO、IZO、GZO或者AZO。
根據本發明，優選的，該等開口的孔徑大於等於1.5微米至小於等於10微米。
根據本發明，優選的，該等開口的總面積占該透明介質層總面積的比例大於等於3%至小於等於15%。
根據本發明，優選的，該透明介質層的材料為氟化鎂或者二氧化矽。
在第四類實施例中，優選的，在該平臺與該歐姆接觸層遠離該發光外延層的一側具有反射層。
在該類實施例中，優選的，該反射層為Ag、Au或者DBR。
在該類實施例中，優選的，該平臺與該反射層之間具有該過渡層。
為了表述清楚，在一些實施例中，定義發光二極體為向下出光，需要注意的這裡的向下只是便於說明位置關係，並不限定實際使用。
根據本發明，優選的，該發光外延層為氮化鎵基或者砷化鎵基。
根據本發明，優選的，該第二半導體包括磷化鎵層，該磷化鎵層與該過渡層接觸。
為實現上述發光二極體結構，本發明提供了一種發光二極體的製作方法，包括步驟：（1）在襯底上依次製作第一半導體層、發光層和第二半導體層；（2）在該第二半導體上，製作具有平臺和一系列開口的透明介質層；（3）在該平臺上製作犧牲層；（4）在該犧牲層和該等開口處覆蓋透明導電薄膜；（5）在該透明導電薄膜上覆蓋合金薄膜；（6）去除該犧牲層，並去除該犧牲層上的該透明導電薄膜和該合金薄膜，露出該平臺；（7）在該平臺和該合金薄膜上製作反射層；（8）在該反射層面鍵合支撐基板，該支撐基板直接作為第二電極，或作為該第二電極的載體；（9）剝離該襯底裸露出該發光外延層，在裸露出的該發光外延層上製作第一電極。
在該製作方法中，優選的，該合金薄膜的厚度小於等於200Å。
在一些實施例中，製作發光二極體還可以採用更簡化的製作方法，包括步驟：（1）在襯底上依次製作第一半導體層、發光層和第二半導體層；（2）在該第二半導體層上製作具有一系列開口的透明介質層；（3）在該平臺和該等開口處覆蓋透明導電薄膜；（4）在該等開口處的該透明導電薄膜上覆蓋合金薄膜；（5）在該平臺和該合金薄膜上製作反射層。（6）在該反射層面鍵合支撐基板，該支撐基板直接作為第二電極，或作為該第二電極的載體；（7）剝離該襯底裸露出該發光外延層，在裸露出的該發光外延層上製作第一電極。
本發明至少具有以下有益效果：
通過在接觸絕緣孔內設置一層過渡層，即可在不改變ohmic接觸面積，保證電壓不受到太大影響的同時減少ohmic接觸吸光，形成隱形的ohmic接觸結構，提升亮度。
本發明的其它特徵和優點將在隨後的說明書中闡述，並且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發明而瞭解。本發明的目的和其他優點可通過在說明書、申請專利範圍以及圖式中所特別指出的結構來實現和獲得。
雖然在下文中將結合一些示例性實施及使用方法來描述本發明，但本領域技術人員應當理解，並不旨在將本發明限制於這些實施例。反之，旨在覆蓋包含在所附的申請專利範圍所定義的本發明的精神與範圍內的所有替代品、修正及等效物。
在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。
以下將結合圖式及實施例來詳細說明本發明的實施方式，借此對本發明如何應用技術手段來解決技術問題，並達成技術效果的實現過程能充分理解並據以實施。需要說明的是，只要不構成衝突，本發明中的各個實施例以及各實施例中的各個特徵可以相互結合，所形成的技術方案均在本發明的保護範圍之內。
應當理解，本發明所使用的術語僅出於描述具體實施方式的目的，而不是旨在限制本發明。如本發明所使用的，單數形式“一”、“一種”和“所述”也旨在包括複數形式，除上下文清楚地表明之外。應進一步理解，當在本發明中使用術語“包含”、“包括”、“含有”時，用於表明陳述的特徵、整體、步驟、操作、元件、和/或封裝件的存在，而不排除一個或多個其他特徵、整體、步驟、操作、元件、封裝件、和/或它們的組合的存在或增加。
除另有定義之外，本發明所使用的所有術語（包括技術術語和科學術語）具有與本發明所屬領域的普通技術人員通常所理解的含義相同的含義。應進一步理解，本發明所使用的術語應被理解為具有與這些術語在本說明書的上下文和相關領域中的含義一致的含義，並且不應以理想化或過於正式的意義來理解，除本發明中明確如此定義之外。
本發明主要公開了一種利用絕緣孔洞做歐姆接觸的發光二極體晶片結構，通過對絕緣孔洞填充材質的選擇來提高發光二極體整體出光，絕緣介質包括保護作用（PV層）或者電流阻擋（CB層）作用。
參看圖3，在本發明的第一個實施例中，針對的是砷化鎵基發光二極體進行設計，在本實施例的發光二極體晶片結構中，具有用於激發出光的發光外延層，發光外延層自下而上依次包括第一半導體層110、發光層120和第二半導體層130；透明介質層200，至少形成在第二半導體層130上，透明介質層200具有平臺210和一系列開口220，這裡一系列開口220指的是透明介質層200上具有多孔，開口220露出發光外延層；透明介質層200的開口220內具有歐姆接觸層310，該歐姆接觸層310並不是特指與發光外延層接觸的金屬層，而包括了與發光外延層間接接觸的金屬層，歐姆接觸層310與第二半導體層130之間具有過渡層320，過渡層320的熱遷移率低於歐姆接觸層310，在高溫退火時，過渡層320不易向第二半導體層130遷移，且阻礙了歐姆接觸層310的材料向第二半導體層130遷移。在本實施例中在第一半導體層110遠離一側具有生長襯底400，生長襯底400為臨時襯底而非永久襯底。
在本實施例中，第二半導體層130與過渡層320接觸的一側為磷化鎵層，過渡層320的其他部分為導電氧化物層，效果較佳的選用電子束(E-Beam)蒸鍍的ITO，或者可以用其他工藝製作的ITO、IZO、GZO或者AZO等一些電阻率高於歐姆接觸層310的材料。在絕緣開口220內的過渡層320上製作歐姆接觸層310，歐姆接觸層310效果較佳的材料選用AuBe、AuGe或者AuGeNi，該絕緣開口220內的過渡層320的介質材料為氟化鎂（MgF
2）。
以E-Beam ITO為例，由於ITO的導電性低於合金的導電性，為了保證和提高歐姆接觸層310的導電性，增強外量子效率、減少光損失，ITO設計為薄膜結構或者顆粒狀結構，過渡層320厚度為大於等於10埃到小於等於200埃，在一些實施例中，過渡層320厚度可以為大於等於20埃到小於等於50埃，超薄的ITO不會對電性造成明顯影響，且有效地避免了在退火工藝後歐姆接觸層310不平整導致吸光嚴重而顯得顏色比較深。根據本實施例製作的發光二極體晶片結構開口220的孔徑可以控制在大於等於1.5微米至小於等於2.5微米，或者大於2.5微米至小於等於10微米，該等開口220的總面積占該透明介質層200總面積的比例大於等於3%至小於等於8%，或者大於8%至小於等於15%，即超薄ITO與合金製作的歐姆接觸區域可以在保證電流擴展性的基礎上盡可能縮小開口220的總面積。開口220的總面積小的情況下吸光小，且增大了反射出光的面積，光主要通過透明介質層200傳導到金屬反射層500上再向上出光。
在平臺210與歐姆接觸層310遠離發光外延層的一側具有金屬反射層500，該金屬反射層500可以是Ag或者Au等反射金屬。該金屬反射層500主要是採用廣義的具有反射效應的材料，例如絕大多數的金屬。
在本實施例中，上述晶片可以認為是發光二極體晶片製程中的過程結構，在本實施例中進一步製作，參看圖4，由於為了便於理解圖3相對圖4進行了倒置，即該結構為向上出光，虛線箭頭為光傳導路徑，可以在金屬反射層500遠離發光層120的一面鍵合支撐基板600，支撐基板600可直接作為第二電極720，也可以作為第二電極720的載體，在鍵合後去除生長襯底，露出發光外延層，在發光外延層上製作第一電極710，參看圖5，在本實施例中明顯淡化了電流阻擋孔(CB孔)的顏色深度，有效提高出光亮度。
開口220露出的發光外延層為第一半導體層110或者第二半導體層130，上述實施方式描述的是開口220開至第二半導體層130，而在一些實施方式中開口220貫穿第二半導體層130和發光層120，開至第一半導體層110，也可起到相同作用。
根據本發明第一個實施例的發光二極體晶片結構，提供對應的工藝製程，包括步驟：（1）在砷化鎵生長襯底上依次製作第一半導體層110、發光層120和第二半導體層130；（2）在第二半導體120上，利用黃光製程製作具有平臺210和一系列開口220的透明介質層200；（3）在平臺210上製作犧牲層，犧牲層的材料例如光阻或者其他易去除的膠材；（4）在犧牲層和開口220處覆蓋透明導電薄膜作為過渡層320；（5）在透明導電薄膜上覆蓋作為歐姆接觸層310的合金薄膜；（6）去除犧牲層，並去除犧牲層上的透明導電薄膜和合金薄膜，露出平臺210；（7）在平臺210和合金薄膜上製作金屬反射層500。
進一步製作後續結構，包括步驟：（8）在金屬反射層500面鍵合支撐基板600，支撐基板600可直接作為第二電極720，也可以作為第二電極720的載體，其後剝離砷化鎵生長襯底裸露出發光外延層，在裸露出的發光外延層上製作第一電極710。
在第一個實施例的一些變形方案中，設計合金薄膜的厚度小於等於200Å，當金屬的蒸鍍厚度≤200Å時，金屬薄膜是透明的。因此形成透明導電ITO層+透明金屬層的隱形ohmic接觸結構。這種結構再搭配金屬反射層500的Ag鏡製程時，更加能夠增加ohmic接觸位置的反射率。進一步的提升亮度。
在本發明的第二個實施例中，參看圖6，與第一個實施例相同的是砷化鎵基，與第一個實施例不同的是，在平臺210與金屬反射層500之間具有透明導電薄膜作為過渡層320。與晶片結構對應的，提供了該實施例結構的製作方法，包括步驟：（1）在砷化鎵生長襯底上依次製作第一半導體層110、發光層120和第二半導體層130；（2）在第二半導體層130上，製作具有平臺210和一系列開口220的透明介質層200；（3）在平臺210和開口220處覆蓋透明導電薄膜；（4）在開口220處的透明導電薄膜上覆蓋作為歐姆接觸層310的合金薄膜；（5）在平臺210和合金薄膜上製作金屬反射層500。
進一步進行後續結構的製作，包括步驟：（6）在金屬反射層500面鍵合支撐基板600，支撐基板600可直接作為第二電極720，也可以作為第二電極720的載體，（7）剝離砷化鎵生長襯底裸露出發光外延層，在裸露出的發光外延層上製作第一電極710。
在本發明的第三個實施例中，參看圖7，本實施例與第一個實施例的區別在於金屬反射層500包括分佈布拉格反射層DBR，或者由DBR和金屬材料構成，金屬反射層500具有與透明介質層200開口220對應的孔洞510，孔洞510內由導電物質填充，例如常用作電接觸的金屬材料。
在本發明的第四個實施例中，參看圖8，本發明的設計應用在氮化鎵基的晶片上也可以取到良好的效果，例如圖中的晶片結構，在本結構中，晶片向上出光，具有第一個實施例的發光外延層，這裡不再贅述，如圖8所示，主要的區別在於，支撐基板600可以選用矽或者散熱陶瓷，反射層500為金屬層並向外延伸形成第二臺階520，在第二臺階520上製作第二電極720，反射層500與發光外延層之間具有透明介質層200，透明介質層200採用的材料例如二氧化矽或者氮化矽，透明介質層200具有平臺210和用於電導通的一系列開口220，開口220內具有兩種導電材料，靠近發光外延層的導電材料為過渡層320，遠離發光外延層的導電材料為歐姆接觸層310，其中過渡層320的熱遷移率低於歐姆接觸層310。歐姆接觸層310為金屬或者合金，而過渡層320為熱遷移率小於歐姆接觸層310的導電金屬氧化物、超薄金屬氮化物或者熱遷移率較低的金屬，在薄膜結構中金屬氧化物或者氮化物會因為穿隧而電導通，上述氮化物例如氮化鈦或者氮化鋁。
惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
110:第一半導體層
120:發光層
130:第二半導體層
200:透明介質層
210:平臺
220:開口
310:歐姆接觸層
320:過渡層
400:生長襯底
500:反射層
510:孔洞
520:第二臺階
600:支撐基板
710:第一電極
720:第二電極
本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：
［圖1］為現有技術的發光二極體示意圖；
［圖2］為現有技術的CB孔外觀圖；
［圖3］和［圖4］為本發明第一個實施例的晶片剖面示意圖；
［圖5］為本發明第一個實施例的CB孔外觀圖；
［圖6］為本發明第二個實施例的晶片剖面示意圖；
［圖7］為本發明第三個實施例的晶片剖面示意圖；及
［圖8］為本發明第四個實施例的晶片剖面示意圖。
110:第一半導體層
120:發光層
130:第二半導體層
200:透明介質層
210:平臺
220:開口
310:歐姆接觸層
320:過渡層
500:金屬反射層
600:支撐基板
710:第一電極
720:第二電極
Claims (22)
- 一種發光二極體，包含：發光外延層，包括第一半導體層、第二半導體層及兩者之間的發光層；及透明介質層，至少形成在該發光外延層的該第二半導體層一側，該透明介質層具有平臺和一系列開口，該等開口露出該發光外延層；該透明介質層的該等開口內具有歐姆接觸層，該歐姆接觸層與發光外延層之間具有過渡層，該過渡層採用的材料熱遷移率低於該歐姆接觸層的材料；該過渡層的材料為金屬氧化物或者金屬氮化物，且呈薄膜或者顆粒狀，該過渡層厚度為大於等於10埃到小於等於200埃。
- 如請求項1所述的發光二極體，其中，該等開口露出該第一半導體層或者該第二半導體層。
- 如請求項1所述的發光二極體，其中，該過渡層為導電金屬氧化物層。
- 如請求項1所述的發光二極體，其中，該過渡層的材料為ITO、IZO、GZO或者AZO。
- 如請求項1所述的發光二極體，其中，該過渡層的材料為TiN或者AlN。
- 如請求項3所述的發光二極體，其中，該過渡層厚度為大於等於20埃到小於等於50埃。
- 如請求項1所述的發光二極體，其中，該過渡層不阻止該歐姆接觸層與該第二半導體層電導通。
- 如請求項1所述的發光二極體，其中，該過渡層的電阻率高於該歐姆接觸層。
- 如請求項1所述的發光二極體，其中，該歐姆接觸層的材料為AuBe、AuGe或者AuGeNi。
- 如請求項9所述的發光二極體，其中，該歐姆接觸層的厚度小於等於200Å。
- 如請求項1所述的發光二極體，其中，該歐姆接觸層的材料為ITO、IZO、GZO或者AZO。
- 如請求項1所述的發光二極體，其中，該等開口的孔徑大於等於1.5微米至小於等於10微米。
- 如請求項1所述的發光二極體，其中，該等開口的總面積占該透明介質層總面積的比例大於等於3%至小於等於15%。
- 如請求項1所述的發光二極體，其中，該透明介質層的材料為氟化鎂或者二氧化矽。
- 如請求項1所述的發光二極體，其中，在該平臺與該歐姆接觸層遠離該發光外延層的一側具有反射層。
- 如請求項15所述的發光二極體，其中，該反射層為Ag、Au或者DBR。
- 如請求項15所述的發光二極體，其中，該平臺與該反射層之間具有該過渡層。
- 如請求項1所述的發光二極體，其中，該發光外延層為氮化鎵基或者砷化鎵基。
- 如請求項1所述的發光二極體，其中，該第二半導體包括磷化鎵層，該磷化鎵層與該過渡層接觸。
- 一種發光二極體的製作方法，包括步驟：(1)在襯底上依次製作第一半導體層、發光層和第二半導體層；(2)在該第二半導體上，製作具有平臺和一系列開口的透明介質層；(3)在該平臺上製作犧牲層；(4)在該犧牲層和該等開口處覆蓋透明導電薄膜；(5)在該透明導電薄膜上覆蓋合金薄膜；(6)去除該犧牲層，並去除該犧牲層上的該透明導電薄膜和該合金薄膜，露出該平臺；(7)在該平臺和該合金薄膜上製作反射層；(8)在該反射層面鍵合支撐基板，該支撐基板直接作為第二電極，或作為該第二電極的載體；(9)剝離該襯底裸露出該發光外延層，在裸露出的該發光外延層上製作第一電極。
- 如請求項20所述的發光二極體的製作方法，其中，該合金薄膜的厚度小於等於200Å。
- 一種發光二極體的製作方法，包括步驟：(1)在襯底上依次製作第一半導體層、發光層和第二半導體層；(2)在該第二半導體層上，製作具有平臺和一系列開口的透明介質層；(3)在該平臺和該等開口處覆蓋透明導電薄膜；(4)在該等開口處的該透明導電薄膜上覆蓋合金薄膜；(5)在該平臺和該合金薄膜上製作反射層；(6)在該反射層面鍵合支撐基板，該支撐基板直接作為第二電極，或作為該第二電極的載體；(7)剝離該襯底裸露出該發光外延層，在裸露出的該發光外延層上製作第一電極。
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