TWI796043B

TWI796043B - 高發光效率之小尺寸垂直式發光二極體晶粒

Info

Publication number: TWI796043B
Application number: TW110146391A
Authority: TW
Inventors: 陳復邦; 黃國欣
Original assignee: 聯嘉光電股份有限公司
Priority date: 2021-12-10
Filing date: 2021-12-10
Publication date: 2023-03-11
Also published as: TW202324786A

Abstract

本發明為一種高發光效率之小尺寸垂直式發光二極體晶粒，為讓一PN接面結構設置於一介面結構的一發光區平台上，且該發光區平台下設置一高反射金屬層，並該介面結構於相鄰該發光區平台的一外延伸平台下設置一P型歐姆接觸區塊，一絕緣層形成於該外延伸平台上且延伸至覆蓋該PN接面結構上並環繞形成一邊框覆蓋區，一N型歐姆接觸電極於遠離該外延伸平台之處歐姆接觸該PN接面結構且覆蓋該邊框覆蓋區，藉於局部斜下對稱的該N型歐姆接觸電極與該P型歐姆接觸區塊的幾何位置配置，達到對邊斜下電流傳導，讓該PN接面結構內之活性層的上方出光面與下方反射光面皆無遮蔽與光吸收物質，而可具有良好的發光效率。

Description

高發光效率之小尺寸垂直式發光二極體晶粒

本發明有關於發光二極體的晶粒結構，尤其有關於一種高發光效率之小尺寸垂直式發光二極體晶粒。

LED 晶粒依據外觀、電極排列、半導體層電流方向，主要可分為：1.水平型(horizontal) 2.垂直型(vertical) 3.覆晶型(flip-chip)三大型態。其中小尺寸之水平型LED晶粒與垂直型LED晶粒發光效率較低，所以目前高階小間距LED顯示屏以使用較佳光效之覆晶型小尺寸晶粒為主，其為表面黏著元件( SMD : Surface Mounted components），不需於發光面上方以打線方式連接電極墊，晶粒下方底部之N電極與P電極 (P/N electrode) 藉由電極墊與封裝載板導電黏結，所以晶粒上方發光表面無電極遮蔽，於小尺寸發光具有較佳之發光效率。

但在小尺寸晶粒底部同時安排N電極與P電極與載板導電黏著，有電極墊太小與間距太接近容易短路之缺點，其散熱也較底部整面之垂直型LED差，於汽車使用之條件下，信賴度會有疑慮；另外磷化物紅光覆晶型LED晶粒相較氮化物藍綠光之製程複雜很多，以非藍寶石基板長晶之覆晶型LED晶粒之成本會較垂直型LED高出許多。所以垂直型LED於車用之信賴度有優勢，但其光效較差，若能改改善發光效率，有利於高信賴度需求的車用小尺寸LED顯示器之發展。

習知垂直式發光二極體的結構如圖1所示，其包含一P型電極1、一晶粒導電基座結構2、一反射層3、一介面結構4、一 PN接面結構5與一N型電極墊 6，其中該晶粒導電基座結構2包含一結構金屬層2A、一替代基板黏合層2B、一替代基板2C，該介面結構4為局部P型歐姆接觸金屬層，包含P型歐姆接觸區塊4A 與非 P型歐姆接觸區塊4B。該PN接面結構5包含一P型半導體5A、一活性層5B與一N型半導體5C。垂直式發光二極體雖具有高軸向光與良好散熱性，有益於顯色性與高溫條件操作。但傳統小尺寸垂直式發光二極體晶粒之直線邊長大約為 200微米(μm)，由於晶片邊緣需要設置切割道、側壁、金屬層導通層等吸光干擾物質，而占用約 40μm 之必要尺度，且如圖2所示，因N型半導體5C(發光表面)上中央區域有N型電極墊6(N electrode)，中心發光被遮蔽，且N型電極墊6位於活性層5B (Active Layer) 與N型半導體5C之上方，因其晶粒與電極墊之面積都極小，於打線時易造成活性層5B微裂痕與缺陷。又通常具有輔助線6A (Finger) 以指叉狀位於N型半導體5C上方，越多輔助線6A設置於N型半導體5C上，雖然電流分散越佳，但也會增加遮光面積。所以傳統小尺寸垂直型LED 之光效與信賴性皆劣於小尺寸覆晶型LED ，但傳統小尺寸垂直型LED的高軸向光與高散熱特性，更有利於高對比之車用小間距顯示器使用。

爰此，本發明之主要目的在於一種高發光效率之小尺寸垂直式發光二極體晶粒，其於上方出光面與下方反射面皆無遮蔽與光吸收物質，可達成高光效的需求，並且N電極墊之打線非位於半導體PN接面結構上方之平面，以達高信賴度需求。

本發明為一種高發光效率之小尺寸垂直式發光二極體晶粒，其包含一P型電極、一晶粒導電基座結構、一介面結構、一PN接面結構、一絕緣層、一跨接連通金屬層、一N型歐姆接觸電極與一N型電極墊。其中該晶粒導電基座結構的一側設置該P型電極，該晶粒導電基座結構遠離該P型電極的一側設置該介面結構。該介面結構包含依序堆疊的一高導電金屬層、一高反射金屬層、一局部P型歐姆接觸層與一透光之高濃度P型半導體層，並該介面結構具有一發光區平台與一外延伸平台，該外延伸平台相鄰該發光區平台。

該局部P型歐姆接觸層包含一P型歐姆接觸區塊與一非P型歐姆接觸區塊，該P型歐姆接觸區塊位於該外延伸平台下，該非P型歐姆接觸區塊位於該發光區平台下，該P型歐姆接觸區塊與該高濃度P型半導體層達歐姆接觸，而該非P型歐姆接觸區塊與該高濃度P型半導體層為非歐姆接觸。

該PN接面結構包含依序堆疊的一P型半導體、一活性層與一N型半導體，且該P型半導體設置於該發光區平台之上，且該PN接面結構為具有四直線邊長的封閉圖形，且最長邊與最短邊的比為小於3，並該PN接面結構的發光表面積為小於 0.06平方毫米(mm ²)。該絕緣層形成於該外延伸平台上，並該絕緣層延伸至覆蓋該N型半導體上並於該四直線邊長處形成一邊框覆蓋區，該邊框覆蓋區環繞該N型半導體。該跨接連通金屬層設置於該絕緣層上且兩端分別延伸至該邊框覆蓋區上與該外延伸平台上。

該N型歐姆接觸電極於遠離該外延伸平台之處與該N型半導體達到歐姆接觸，且該N型歐姆接觸電極部分覆蓋該邊框覆蓋區，又該N型歐姆接觸電極為延伸至該邊框覆蓋區上並電性連接該跨接連通金屬層，該N型電極墊於對應於該外延伸平台之處形成於該跨接連通金屬層上以電性連接該跨接連通金屬層。

據此，藉由該N型歐姆接觸電極與該P型歐姆接觸區塊各於不同對邊區域，以局部斜下對稱的歐姆接觸區域幾何配置，達到對邊斜下電流對邊傳導，讓一電流由該N型歐姆接觸電極朝斜下通過該PN接面結構中之活性層，該PN接面結構中之活性層的上方發光面與下方反光面皆無遮蔽與吸光物質，而可具有良好的出光效率。另外，此一設計，該N型電極墊上之打線非位於半導體PN接面結構上方之平面，可達高信賴度需求。

為俾使貴委員對本發明之特徵、目的及功效，有著更加深入之瞭解與認同，茲列舉一較佳實施例並配合圖式說明如後：

請參閱圖3所示，為本發明第一實施例，其包含一P型電極10、一晶粒導電基座結構20、一介面結構30、一PN接面結構40、一絕緣層50、一跨接連通金屬層60、一N型歐姆接觸電極70與一N型電極墊80。其中該晶粒導電基座結構20的一側設置該P型電極10，該晶粒導電基座結構20遠離該P型電極10的一側設置該介面結構30。該晶粒導電基座結構20包含一結構金屬層21、一替代基板黏合層22、一替代基板23。

在一實施例中，該介面結構30包含依序堆疊的一高導電金屬層31、一高反射金屬層32、一局部P型歐姆接觸層33與一透光之高濃度P型半導體層34，並該介面結構30具有一發光區平台301(上方為該PN接面結構40)與一外延伸平台302，該外延伸平台302相鄰該發光區平台301，且該局部P型歐姆接觸層33包含一P型歐姆接觸區塊331與一非P型歐姆接觸區塊332，該P型歐姆接觸區塊331位於該外延伸平台302下，該非P型歐姆接觸區塊332位於該發光區平台301下，該非P型歐姆接觸區塊332相鄰該P型歐姆接觸區塊331。該P型歐姆接觸區塊331與該高濃度P型半導體層34達歐姆接觸行為，以利電流向下傳導，而該非P型歐姆接觸區塊332與該高濃度P型半導體層34為阻止電流向下傳導之非歐姆接觸(non-ohmic contact)行為 (或稱為肖特基接觸 (Schottky contact))。該高濃度P型半導體層34的厚度為大於 1微米(μm)以利P型電流橫向導電。

又該非P型歐姆接觸區塊332為選自透明穿透介電材料與高反射金屬材料的任一種製成。如該P型非歐姆接觸區塊332為選自透明穿透介電材料時可以為全角反射鏡ODR結構 ( Omni-Directional Reflector )，而高反射金屬材料可以為選自銀(Ag)、鋁(Al)或金(Au)，若P型非歐姆接觸區塊332為高反射金屬材料時，需與高濃度P型半導體為非歐姆接觸，以避免電流直接由此區域向下導通。

該PN接面結構40設置於該發光區平台301上，一實施例中，該PN接面結構40包含由下而上依序堆疊的一P型半導體41、一活性層42與一N型半導體43，該PN接面結構40為選自單一PN接面之發光二極體結構或兩個PN接面之穿隧接面發光二極體結構(tunnel junction light emitter diode)的任一種。且該P型半導體41設置於該發光區平台301之上，且該N型半導體43的最高厚度區域需大於2.5微米(μm)，以利N型半導體43之橫向電流傳導。且該PN接面結構40為具有四直線邊長的封閉圖形，且具有一中心區域401，並最長邊與最短邊的比為小於3，其中接近1為最佳電流傳導，而長方形大於1且小於3 有利多顆晶粒於同一封裝體之配置，並該PN接面結構40的發光表面積為小於 0.06平方毫米(mm2)，搭配 N型半導體43大於2.5微米(μm)，有益N型半導體43之橫向電流均勻擴散。

請再一併參閱圖4A~圖4C所示，為該絕緣層50、該跨接連通金屬層60、該N型歐姆接觸電極70與該N型電極墊80的施作示意圖，且為了清楚表示各層結構的層次關係，各層結構為以不透明的方式繪製。首先如圖4A所示，為鋪上該絕緣層50，該絕緣層50形成於該外延伸平台302上，並該絕緣層50延伸至覆蓋該PN接面結構40上並於該四直線邊長處形成一邊框覆蓋區402。該絕緣層50通常以均向沉積之PECVD施作大於500奈米(nm)之SiO ₂絕緣材料，可以對該PN接面結構40的側壁有較佳附著力。該絕緣層50的材料亦可選用TiO ₂或SiN。

接著如圖4B所示，為鋪上該跨接連通金屬層60與其上方製作該N型電極墊80，該跨接連通金屬層60設置於該絕緣層50上且兩端分別延伸至該邊框覆蓋區402上與該外延伸平台302上。該N型電極墊80為於對應於該外延伸平台302之處形成於該跨接連通金屬層60上以電性連接該跨接連通金屬層60。於該外延伸平台302上製作為圓形之N電極墊，且上方沉積金(Au)約3um以利後續封裝打線。

接著如圖4C所示，為第一實施例的晶粒結構俯視圖，為鋪上該N型歐姆接觸電極70，該N型歐姆接觸電極70於遠離該外延伸平台302之處歐姆接觸該N型半導體43(該PN接面結構40)，且該N型歐姆接觸電極70部分覆蓋該邊框覆蓋區402，又該N型歐姆接觸電極70為延伸至該邊框覆蓋區402上並電性連接該跨接連通金屬層60。

又在一實施例中，該P型歐姆接觸區塊331為連續整體單一區域，較佳的為向外弧形連續區域(如圖4C所示)。而該N型歐姆接觸電極70同樣是連續整體單一區域，於轉角可以導角以有益電流分散。且該P型歐姆接觸區塊331設置外延伸平台302下方。

且於圖4C中，更繪製該P型歐姆接觸區塊331的位置，以清楚顯示該N型歐姆接觸電極70與該P型歐姆接觸區塊331的相對位置關係。據此，如圖3所示，由該N型電極墊80導入的一電流I，因為該N型歐姆接觸電極70與P型歐姆接觸區塊331的相對位置可以產生斜向向下的該電流I，該電流I由該N型歐姆接觸電極70朝斜下通過該PN接面結構40的該中心區域401。

請參閱圖5，為本案的第二實施例，該P型歐姆接觸區塊331A為非連續多個區域，如可以是複數柱狀(如於AlGaInP LED之可與p-GaP歐姆接觸之BeAu柱狀)結構，而高導電金屬層31(可參閱圖3所示)以化性穩定之高導電之金屬達到高橫向電流傳導，材料可為Ag/Au/Al/Ti/TiW或Pt。而該高濃度P型半導體層34為選自P型磷化鎵(p-GaP)或P型磷化銦鎵(p- Ga _(x)In _(1-x)P)的任一種，且高濃度摻雜為選自碳(C)或鎂(Mg)的任一種。

請參閱圖6所示，為本發明第三實施例的晶粒結構俯視圖，該PN接面結構40為長方形狀，該N型歐姆接觸電極70具有為非連續區塊的至少一延伸電極72，其可以更深入該中心區域401，有益於調整電流I的擴散，且該N型歐姆接觸電極70具有至少一裸落開口71，該至少一裸落開口71延伸至該PN接面結構40的邊界。

該N型歐姆接觸電極70同樣於遠離該外延伸平台302之處歐姆接觸該N型半導體43(該PN接面結構40)，且該N型歐姆接觸電極70覆蓋該邊框覆蓋區402，在實施上只要讓該N型歐姆接觸電極70覆蓋該邊框覆蓋區402的覆蓋長度為少於該四直線邊長的總長度的1/2即可。且於本實施例中，該PN接面結構40為長方形狀，長方形有益於多顆晶粒結構40於單一封裝體內之排列。

請參閱圖7所示，為本發明第四實施例的晶粒結構斷面示意圖，其中為了增加導電率，P型歐姆接觸區塊331B更可以垂直延伸至該高導電金屬層31與該高濃度P型半導體層34。

請參閱圖8所示，為本發明第五實施例的晶粒結構斷面示意圖，其中該介面結構30包含依序堆疊的該高導電金屬層31、該局部P型歐姆接觸層33與該高濃度P型半導體層34。該P型歐姆接觸區塊331C為設置於該局部P型歐姆接觸層33內，且該局部P型歐姆接觸層33更包含一相鄰該P型歐姆接觸區塊331C且作為該高反射金屬層32的非P型歐姆接觸區塊332C，且該非P型歐姆接觸區塊332C可以為選自與高濃度P型半導體非歐姆接觸之高反射金屬材料製成，如: 銀(Ag)、鋁(Al)或金(Au) ，於本實施例中該高反射金屬層32之功用以高反射金屬之該非P型歐姆接觸區塊332C替代。

請閱圖9所示，為本發明第六實施例的晶粒結構斷面示意圖，其中與第五實施例相同，該介面結構30僅包含依序堆疊的該高導電金屬層31、該局部P型歐姆接觸層33與該高濃度P型半導體層34，P型歐姆接觸區塊331C為設置於該局部P型歐姆接觸層33內，且於本實施例中，該局部P型歐姆接觸層33包含作為替代該高反射金屬層32功用的非P型歐姆接觸區塊332D，該非P型歐姆接觸區塊332D為全角反射鏡ODR結構 ( Omni-Directional Reflector ) (例如以 SiO ₂/TiO ₂多次堆疊之光學反射鏡)。

如上所述，本發明的特點至少包含：

1.利用N型歐姆接觸電極與P型歐姆接觸區塊之電流對邊傳導的方式，讓該N型電極墊導入的電流由該N型歐姆接觸電極朝斜下通過該PN接面結構中的活性層之中心區域，由於該PN接面結構中，該中心區域的上方無遮蔽，可達最佳向上出光。另外，向下的光，可藉由不吸光的反射面反射至上方出光面，因而可以達成高光效的需求。

2.該N型電極墊下方無該PN接面結構，不會因封裝製程之打線應力，而造成該PN接面結構缺陷。另外，N型電極墊因接觸電阻產生的熱量，不會如習知結構的向下傳導至活性層，影響載子複合效率。

習知 1:P型電極 2:晶粒導電基座結構 2A:結構金屬層 2B:替代基板黏合層 2C:替代基板 3:反射層 4:介面結構 4A:P型歐姆接觸區塊 4B:非 P型歐姆接觸區塊 5:PN接面結構 5A:P型半導體 5B:活性層 5C:N型半導體 6:N型電極墊 6A:輔助線本發明 I:電流 10:P型電極 20:晶粒導電基座結構 21:結構金屬層 22:替代基板黏合層 23:替代基板 30:介面結構 301:發光區平台 302:外延伸平台 31:高導電金屬層 32:高反射金屬層 33:局部P型歐姆接觸層 331、331A、331B、331C:P型歐姆接觸區塊 332、332C、332D:非P型歐姆接觸區塊 34:高濃度P型半導體層 40:PN接面結構 401:中心區域 402:邊框覆蓋區 41:P型半導體 42:活性層 43:N型半導體 50:絕緣層 60:跨接連通金屬層 70:N型歐姆接觸電極 71:裸落開口 72:延伸電極 80:N型電極墊

圖1，為習知小尺寸垂直型LED結構斷面示意圖。圖2，為習知小尺寸垂直型LED俯視表面結構圖。圖3，為本發明第一實施例的晶粒結構斷面示意圖。圖4A，為本發明第一實施例的晶粒結構俯視示意圖一。圖4B，為本發明第一實施例的晶粒結構俯視示意圖二。圖4C，為本發明第一實施例的晶粒結構俯視示意圖三。圖5，為本發明第二實施例的晶粒結構俯視示意圖。圖6，為本發明第三實施例的晶粒結構俯視示意圖。圖7，為本發明第四實施例的晶粒結構斷面示意圖。圖8，為本發明第五實施例的晶粒結構斷面示意圖。圖9，為本發明第六實施例的晶粒結構斷面示意圖。

I:電流

10:P型電極

20:晶粒導電基座結構

21:結構金屬層

22:替代基板黏合層

23:替代基板

30:介面結構

301:發光區平台

302:外延伸平台

31:高導電金屬層

32:高反射金屬層

33:局部P型歐姆接觸層

331:P型歐姆接觸區塊

332:非P型歐姆接觸區塊

34:高濃度P型半導體層

40:PN接面結構

401:中心區域

402:邊框覆蓋區

41:P型半導體

42:活性層

43:N型半導體

50:絕緣層

60:跨接連通金屬層

70:N型歐姆接觸電極

80:N型電極墊

Claims

一種高發光效率之小尺寸垂直式發光二極體晶粒，其包含：一P型電極；一晶粒導電基座結構，該晶粒導電基座結構的一側設置該P型電極；一介面結構，該晶粒導電基座結構遠離該P型電極的一側設置該介面結構，該介面結構包含依序堆疊的一高導電金屬層、一高反射金屬層、一局部P型歐姆接觸層與一透光之高濃度P型半導體層，並該介面結構具有一發光區平台與一相鄰該發光區平台的外延伸平台；該局部P型歐姆接觸層包含一位於該外延伸平台下的P型歐姆接觸區塊與一位於該發光區平台下的非P型歐姆接觸區塊，該P型歐姆接觸區塊與該高濃度P型半導體層達歐姆接觸，而該非P型歐姆接觸區塊與該高濃度P型半導體層為非歐姆接觸；一PN接面結構，該PN接面結構包含依序堆疊的一P型半導體、一活性層與一N型半導體，且該P型半導體設置於該發光區平台之上，並該PN接面結構為具有四直線邊長的封閉圖形，且具有一中心區域，並最長邊與最短邊的比為小於3，並該PN接面結構的發光表面積為小於 0.06平方毫米(mm ²)；一絕緣層，該絕緣層形成於該外延伸平台上，並該絕緣層延伸至覆蓋該N型半導體上並於該四直線邊長處形成一環繞該N型半導體的邊框覆蓋區；一跨接連通金屬層，該跨接連通金屬層設置於該絕緣層上且兩端分別延伸至該邊框覆蓋區上與該外延伸平台上；一N型歐姆接觸電極，該N型歐姆接觸電極於遠離該外延伸平台之處與該N型半導體達到歐姆接觸，且該N型歐姆接觸電極部分覆蓋該邊框覆蓋區，又該N型歐姆接觸電極為延伸至該邊框覆蓋區上並電性連接該跨接連通金屬層；以及一N型電極墊，該N型電極墊為於對應該外延伸平台之處形成於該跨接連通金屬層上以電性連接該跨接連通金屬層。
如請求項1所述的小尺寸垂直式發光二極體晶粒，其中該N型歐姆接觸電極覆蓋該邊框覆蓋區的覆蓋長度為少於該四直線邊長的總長度的1/2。
如請求項1所述的小尺寸垂直式發光二極體晶粒，其中該N型半導體的最高厚度區域為大於2.5微米(μm)。
如請求項1所述的小尺寸垂直式發光二極體晶粒，其中該PN接面結構為選自單一PN接面之發光二極體結構或兩個PN接面之穿隧接面發光二極體結構(tunnel junction light emitter diode)的任一種。
如請求項1所述的小尺寸垂直式發光二極體晶粒，其中該N型歐姆接觸電極具有至少一裸落開口，該至少一裸落開口延伸至該PN接面結構的邊界。
如請求項1所述的小尺寸垂直式發光二極體晶粒，其中該N型歐姆接觸電極具有至少一伸入該中心區域且為非連續區塊的延伸電極。
如請求項1所述的小尺寸垂直式發光二極體晶粒，其中該高濃度P型半導體層為選自P型磷化鎵(p-GaP)或P型磷化銦鎵(p- Ga _(x)In _(1-x)P)的任一種，且高濃度摻雜為選自碳(C)或鎂(Mg)的任一種。
如請求項1所述的小尺寸垂直式發光二極體晶粒，其中該非P型歐姆接觸區塊為選自透明穿透介電材料與高反射金屬材料的任一種製成。
如請求項8所述的小尺寸垂直式發光二極體晶粒，其中該非P型歐姆接觸區塊為選自透明穿透介電材料時，為全角反射鏡ODR結構 ( Omni-Directional Reflector )。
如請求項1所述的小尺寸垂直式發光二極體晶粒，其中該P型歐姆接觸區塊為選自連續整體單一區域與非連續多個區域的任一種。
如請求項1所述的小尺寸垂直式發光二極體晶粒，其中該P型歐姆接觸區塊為垂直延伸至伸入該高導電金屬層與該高濃度P型半導體層。
如請求項1所述的小尺寸垂直式發光二極體晶粒，其中該高濃度P型半導體層的厚度為大於1微米(μm)，並該外延伸平台為設置於該高濃度P型半導體層上。