TWI809646B - 中央區域高發光之小尺寸垂直式發光二極體晶粒 - Google Patents

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Abstract

一種中央區域高發光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基座上，且該介面結構於該發光區基座設置一P型歐姆接觸區塊，並該PN接面結構的一中心區域正對該P型歐姆接觸區塊，一絕緣層形成於相鄰該發光區基座的一外延伸平台上，並延伸至覆蓋該PN接面結構的一N型半導體上並形成一環繞該N型半導體的邊框覆蓋區，一N型歐姆接觸電極圍繞且歐姆接觸該N型半導體並覆蓋該邊框覆蓋區，一N型電極墊設置於該絕緣層上且藉由一跨接連通金屬層電性連接該N型歐姆接觸電極，據此電流會內聚向下的通過該包含活性層的PN接面結構的中心區域以更有效率的進行載子複合發光，且因上方出光表面無遮蔽，進而更提升出光效率。

Description

中央區域高發光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，尤其有關於集中於中央區域發光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揭露一種會於中央區域高發光之小尺寸垂直式發光二極體晶粒，而發光面上方可無遮蔽出光，達成高光效的需求。
本發明為一種中央區域高發光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基座與一外延伸平台，該外延伸平台相鄰該發光區基座。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基座之上，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。該四直線邊長的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(mm2)，該局部P型歐姆接觸層位於該發光區基座與該外延伸平台之下方，該局部P型歐姆接觸層包含一P型歐姆接觸區塊與一P型非歐姆接觸區塊，該P型歐姆接觸區塊位於該中心區域的下方，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P型非歐姆接觸區塊與該高濃度P型半導體層為非歐姆接觸。
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型歐姆接觸電極圍繞且歐姆接觸該PN接面結構之活性層的上方外圍區域之N型半導體的表面，並覆蓋該邊框覆蓋區。而該活性層的下方中央區域之P型半導體與該P型歐姆接觸區塊達到電性連接，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型電極墊為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，由該N型電極墊導入的一電流會經該跨接連通金屬層，由該N型歐姆接觸電極內聚向下的通過該PN接面結構的該中心區域，電流聚集 於該活性層之中央達到載子複合發光。因該活性層的中央上方發光無遮蔽，因而除了可提升發光效率外，其使用於小間距顯示器也可提高黑佔比，達到更佳顯示器對比度。另外，此一設計的該N型電極墊非位於該PN接面結構上，沒有打線製程破壞該PN接面結構的問題，可達高信賴度需求。
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:發光區基座
302:外延伸平台
31:高導電金屬層
32:局部P型歐姆接觸層
321、321A、321B:P型歐姆接觸區塊
322、322A、322B:P型非歐姆接觸區塊
33: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
403:直線邊長
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圖。
圖6，為本發明第三實施例的晶粒結構斷面示意圖。
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。
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、一局部P型歐姆接觸層32與一透光之高濃度P型半導體層33，並該介面結構30具有一發光區基座301與一外延伸平台302，該外延伸平台302相鄰該發光區基座301。
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。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，且該P型半導體41設置於該發光區基座301之上，該N型半導體43的最高厚度區域之厚度為大於2.5微米(μm)，厚度大有益於邊緣電流向內導通。如圖4A所示，一實施例中，該PN接面結構40為具有四直線邊長403的封閉圖形且具有一中心區域401，並該四直線邊長403的最長邊與最短邊的比為小於3(趨向正方形有對稱的電流向內聚集)，該PN接面結構40的發光表面積為小於0.06平方毫米(mm2)(小面積益於由歐姆接觸邊框經由N型半導體43導通至PN接面結構40之中心區域401)。
該局部P型歐姆接觸層32位於該發光區基座301與該外延伸平台302之下方，該局部P型歐姆接觸層32包含一P型歐姆接觸區塊321與一P型非歐姆接觸區塊322，該P型歐姆接觸區塊321位於該中心區域401的下方。該P型歐姆接觸區塊321與該高濃度P型半導體層33達歐姆接觸，而該P型非歐姆接觸區塊322與該高濃度P型半導體層33為非歐姆接觸。其中若該高濃度P型半導體層為P型氮化鎵(p-GaN)或P型氮化銦鎵(p-Ga(x)In(1-x)N)的任一種，且高濃度摻雜為鎂(Mg)，則該P型歐姆接觸區塊的材料可為銀(Ag)、鎳(Ni)、氧 化銦錫(ITO)。而若該高濃度P型半導體層為P型磷化鎵(p-GaP)、P型磷化銦鎵(p-Ga(x)In(1-x)P)、P型砷化鎵(p-GaAs)或P型砷化銦鎵(p-Ga(x)In(1-x)As)的任一種，且高濃度摻雜為選自碳(C)或鎂(Mg)的任一種，則該P型歐姆接觸區塊的材料可為鈹金合金(BeAu Alloy)。
一實施例中，該P型歐姆接觸區塊321為非連續多個區域，如可以是複數柱狀(例如：磷化物LED晶粒其可與p-GaP歐姆接觸之材料為BeAu柱狀結構)結構，且為了增加導電率，該P型歐姆接觸區塊321更可以垂直上下分別延伸(圖未示)至該高導電金屬層31與該高濃度P型半導體層33。而高導電金屬層31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。
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N型半導體43上並於該四直線邊長403處形成一邊框覆蓋區402，該邊框覆蓋區402環繞該N型半導體43。該絕緣層50通常以均向沉積之PECVD施作大於500奈米(nm)之SiO2絕緣材料，可以對該PN接面結構40的側壁有較佳附著力。
接著如圖4B所示，為鋪上該跨接連通金屬層60與該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。該外 延伸平台302上之N電極墊為圓形，且上方沉積金(Au)約3um以利後續封裝打線。
接著如圖4C所示，為鋪上該N型歐姆接觸電極70，該N型歐姆接觸電極70圍繞且歐姆接觸該PN接面結構40的上方外圍區域之N型半導體43的表面，並覆蓋該邊框覆蓋區402，而該PN接面結構40的下方中央區域之P型半導體41與該P型歐姆接觸區塊321達到電性連接(如圖3所示)，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，且於圖4C中，更繪製該P型歐姆接觸區塊321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321的相對位置關係。據此，由該N型電極墊80導入的一電流I會經該跨接連通金屬層60(如圖3所示)，由該N型歐姆接觸電極70內聚向下的通過該PN接面結構40的該中心區域401。
請參閱圖5所示，為第二實施例的晶粒結構俯視圖，為了調整N型歐姆接觸電流擴散，該N型歐姆接觸電極70為分散結構，其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。如此，即可以減少遮光面積與更易控制歐姆接觸區面積。另在一實施例中，該N型歐姆接觸電極70亦可以具有至少一伸入該中心區域401的延伸電極72，且該延伸電極72的面積不超過該中心區域401的面積的25%，可以增加該電流I通過該PN接面結構40的該中心區域401的量。另，此實施例的該PN接面結構40的晶粒結構為長方形狀，長方形有益於多顆晶粒結構於單一封裝體內之排列。
請參閱圖6所示，為本發明第三實施例的晶粒結構斷面示意圖，其中P型歐姆接觸區塊321A為選自連續整體單一區域，該P型非歐姆接觸區塊322A可以為透明穿透介電材料如二氧化矽(SiO2)、二氧化鈦(TiO2)、氮化矽 (SiN)、二氟化鎂(MgF2)、氧化銦錫ITO等等，或與該高濃度P型半導體層33非歐姆接觸之高反射金屬材料，如鋁(Al)、銀(Ag)、金(Au)的任一種製成。
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，其中該外延伸平台302設置的該高濃度P型半導體層33上，為具有厚型P型半導體(P型侷限層加上高濃度P型半導體層)之磊晶結構，如磷化物LED磊晶結構具有厚GaP高濃度P型半導體磊晶層，該高濃度P型半導體層33可以為摻雜鎂(Mg)或碳(C)的P型磷化銦鎵(p-Ga(x)In(1-x)P)或P型磷化鎵(p-GaP)的任一種，且該高濃度P型半導體層33的厚度為大於2微米(μm)，而在此實施例中，該P型歐姆接觸區塊321B為以鈹金合金(BeAu Alloy)為歐姆接材料，該P型非歐姆接觸區塊322B可以為高反射金屬材料如鋁(Al)、銀(Ag)、金(Au)等等。
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，其中該外延伸平台302為設置於該局部P型歐姆接觸層32上，在此實施例中，可以強化該絕緣層50的絕緣效果，但蝕刻的深度需要精準控制。
請參閱圖9所示，為本發明第六實施例的晶粒結構斷面示意圖，其中若該高濃度P型半導體層33為摻雜鎂(Mg)的P型氮化鎵(p-GaN)或P型氮化銦鎵(p-Ga(x)In(1-x)N)的任一種，且該高濃度P型半導體層33的厚度低於0.5微米(μm)，並該外延伸平台302為設置於該高導電金屬層31上。
如上所述，本發明的特點至少包含：
1.由該N型電極墊導入的一電流會經該跨接連通金屬層，由於該N型歐姆接觸電極內聚向下至中央之該P型歐姆接觸區塊，電流會通過該PN接面結構中的發光層中心區域，且該N型歐姆接觸電極覆蓋該邊框覆蓋區而位於該PN接面結構的外圍，不會遮蔽該中心區域。由於該PN接面結構於該 中心區域具有較好的磊晶品質且可無遮蔽出光，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。
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： 發光區基座 302：外延伸平台 31：高導電金屬層 32：局部P型歐姆接觸層 321：P型歐姆接觸區塊 322：P型非歐姆接觸區塊 33：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 (13)

  1. 一種中央區域高發光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基座與一相鄰該發光區基座的外延伸平台；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基座之上，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，該四直線邊長的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，該局部P型歐姆接觸層位於該發光區基座與該外延伸平台之下方，該局部P型歐姆接觸層包含一位於該中心區域的下方之P型歐姆接觸區塊與一P型非歐姆接觸區塊，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P型非歐姆接觸區塊與該高濃度P型半導體層為非歐姆接觸；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型歐姆接觸電極圍繞且歐姆接觸該PN接面結構之活性層的上方外圍區域之N型半導體的表面，並覆蓋該邊框覆蓋區，而該活性 層的下方中央區域之P型半導體與該P型歐姆接觸區塊達到電性連接，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。
  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之厚度為大於2.5微米。
  3. 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的任一種。
  4. 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。
  5. 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的延伸電極。
  6. 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P型氮化鎵或P型氮化銦鎵的任一種，且高濃度摻雜為鎂，該P型歐姆接觸區塊的材料為銀、鎳、氧化銦錫。
  7. 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P型磷化鎵、P型磷化銦鎵、P型砷化鎵或P型砷化銦鎵的任一種，且高濃度摻雜為選自碳或鎂的任一種，該P型歐姆接觸區塊的材料為鈹金合金。
  8. 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型非歐姆接觸區塊為選自透明穿透介電材或與該高濃度P型半導體層非歐姆接觸之高反射金屬材料的任一種製成。
  9. 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。
  10. 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上下分別延伸至該高導電金屬層與該高濃度P型半導體層。
  11. 如請求項1所述的小尺寸垂直式發光二極體晶粒，其中該外延伸平台為設置於該高導電金屬層、該局部P型歐姆接觸層與該高濃度P型半導體層的任一上。
  12. 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型半導體層為摻雜鎂的P型氮化鎵或P型氮化銦鎵的任一種，且該高濃度P型半導體層的厚度低於0.5微米，並該外延伸平台為設置於該高導電金屬層上。
  13. 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型半導體層為摻雜鎂或碳的P型磷化銦鎵或P型磷化鎵的任一種，且該高濃度P型半導體層的厚度為大於2微米，並該外延伸平台為設置於該高濃度P型半導體層上。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20050017254A1 (en) * 2002-12-31 2005-01-27 United Epitaxy Co., Ltd. Light emitting diode and method of making the same
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