TWI520379B - 發光二極體晶片 - Google Patents
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Description
本發明係有關於一種發光二極體晶片。
世界專利第WO2008/131735 A1號揭示一種發光二極體晶片，其中第一及第二電氣連接層配置於該發光二極體晶片的背面(位於輻射射出區(radiation exit area)反面)以及用分隔層(separating layer)相互電氣絕緣，其中第二電氣連接層的部份區域由背面向發光二極體晶片的正面延伸穿過主動層的齒孔(perforation)。以此方式接觸半導體晶片的優點是輻射射出區可免除接觸區，結果，射出輻射不會有陰影。
該發光二極體晶片為所謂的薄膜發光二極體晶片，其中係卸下半導體層序列的原始生長基板，反而，在相對於原始生長基板的反面，用焊料層(solder layer)連接半導體層序列與載體。以此類薄膜發光二極體晶片而言，有利的是，如果半導體層序列中面向載體的該側面設有鏡面層(mirror layer)以便使在載體方向射出的輻射轉向輻射射出區的方向從而增加輻射效率。
以可見光譜範圍而言，銀特別適合作為鏡面層的材料。銀的特點是在可見光譜範圍有高反射而且適合用來生產至半導體材料的優良電接觸。不過，另一方面，銀容易腐蝕以及可能發生銀遷移進入鄰接層。
為了保護由銀構成的鏡面層免於腐蝕，一般是塗佈保
護層於銀層。例如，鉑層適合用作保護層，不過，已發現，鉑在慣常用來塗佈層的製程溫度可能滲入銀層，甚至可能遠達在對面的鏡面層與半導體層之介面。結果，可能損害鏡面層與半導體層序列之介面的反射。後果是，發光二極體晶片的光耦合輸出(light coupling-out)從而效率會降低。此外，電氣性質也可能因鉑擴散到半導體層序列與鏡面層之介面而改變。
本發明係基於以下目標：具體說明一種發光二極體晶片，其係包含用保護層保護它免於腐蝕的背面鏡面層，其中該銀層與該半導體層序列之介面的反射及電氣性質不會受損。
此目標的達成是用根據獨立項第1項的發光二極體晶片。附屬項係有關於本發明的有利組態及開發。
根據一個具體實施例，該發光二極體晶片包含有適合用來產生電磁輻射之主動層的半導體層序列。該發光二極體晶片在正面有輻射射出區，由該主動層射出的電磁輻射係通過該輻射射出區由該半導體層序列出現。在此及下文應瞭解，該發光二極體晶片的正面是該發光二極體晶片中配置輻射射出區的那一面。
在位於該輻射射出區反面的背面處，該發光二極體晶片至少部分區域有鏡面層，該鏡面層含銀或由銀組成為較佳。
用於減少該鏡面層之腐蝕的保護層係配置在該鏡面
層上。該保護層包含透明導電氧化物(TCO)或由其組成者是有利的。已發現，透明導電氧化物特別適合用來保護該鏡面層免於環境影響及/或鄰接層之成分的擴散，其中該透明導電氧化物的材料不會擴散進入該鏡面層，特別是，不會擴散通過該鏡面層遠達位於該保護層反面的該鏡面層與半導體層序列之介面。因此，該鏡面層不包含該保護層的材料是有利的。
該鏡面層與該半導體層序列之介面的光學及電氣性質因此不會被該保護層材料遠達該介面的擴散損害。特別是，在由銀構成之該鏡面層與該半導體層序列的介面處，高反射不會降低。
有利的是，由該透明導電氧化物構成的該保護層也防止銀由該鏡面層擴散進入在該發光二極體晶片之該背面接續該保護層的層，例如電接觸層。
該透明導電氧化物的材料在高導電率方面可選擇及/或最佳化是有利的。這是基於以下事實：該保護層配置在該鏡面層背離該半導體層序列的側面上是有利的，結果，不會位在該發光二極體晶片的光束路徑中。因此之故，該透明導電氧化物的材料不需要有高透明度。特別是，藉由添加摻雜物可改善該透明導電氧化物的導電率。
鏡面層的介面(位於該保護層反面)鄰接該半導體層序列為較佳。因此，特別是，在該半導體層序列與該鏡面層之間不配置中間層，例如黏著促進層(adhesion promoter layer)，因為這可能導致該鏡面層與該半導體層
序列之介面的反射減少。特別是，該鏡面層可鄰接該半導體層序列的p型半導體區。
在一個較佳組態中，該透明導電氧化物包含氧化鋅(ZnO)或摻雜鋅的氧化物特別較佳，例如ZnO：Al或ZnO：Ga。在另一較佳組態，該透明導電氧化物為銦錫氧化物(ITO)、銦鋅氧化物(IZO)或銦鎵鋅氧化物(IGZO)。特別是，這些透明導電氧化物的特點是有良好的導電率。
該保護層有5奈米至500奈米厚度為較佳，10奈米至100奈米特別較佳。
在一個較佳組態中，用電氣絕緣層覆蓋該鏡面層及/或該保護層的側翼部(side flank)。該電氣絕緣層使該鏡面層及該保護層的側翼部與橫向鄰近層電氣絕緣。此外，特別是，該電氣絕緣層保護該鏡面層的側翼部免於腐蝕。
該電氣絕緣層可包含，例如氧化矽、氮化矽或氮氧化矽。該電氣絕緣層為二氧化矽(SiO2)層特別較佳。
在另一較佳組態，在該保護層相對於該鏡面層的反面配置第一電氣連接層。該第一電氣連接層由有良好導電率之至少一種材料形成為較佳，以便儘可能均勻地施加進入該半導體層序列的電流。結果，該第一電氣連接層也用作電流擴散層(current spreading layer)。該第一電氣連接層導電地連接至該發光二極體晶片的電接觸中之其中一個。
由複數個部分層形成該第一電氣連接層為較佳，其中由該鏡面層開始，該等部分層包含鉑層、金層及鈦層是有
利的。就此情形而言，由鉑構成的部分層用作防止後續層之成分擴散進入該保護層甚至進入該鏡面層的擴散阻障是有利的，反之亦然。由金構成的部分層由於有高導電率而用作電流擴散層，以及後續鈦層用作其他後續層的黏著促進層。
從該鏡面層視之，該發光二極體晶片在相對於該半導體層序列的反面連接至載體為較佳。特別是，該載體為不同於該半導體層序列之生長基板的基板而且用例如焊料層連接至該半導體層序列。
用於該半導體層序列之磊晶生長的生長基板從該發光二極體晶片卸下為較佳。因此，該發光二極體晶片沒有生長基板為較佳。由於該生長基板從該發光二極體晶片卸下以及用該鏡面層反射在該載體方向射出的輻射至該輻射耦合輸出區，因此得到有高效率的發光二極體晶片。
在一個較佳組態中，該發光二極體晶片有第一及第二電氣連接層，其中該第一及該第二電氣連接層面對該半導體層序列之該背面以及用電氣絕緣層相互電氣絕緣，其中該第二電氣連接層之部分區域由該半導體層序列之該背面向該正面延伸穿過該主動層的至少一個齒孔。在此組態中，因此，在該發光二極體晶片之該背面配置這兩個電氣連接層是有利的。特別是，有以下優點：該發光二極體晶片的輻射射出區可免除連接接觸。使該第一及該第二連接層相互電氣絕緣的該電氣絕緣層可覆蓋該鏡面層及/或該保護層的側翼部，而且也以此方式用來保護該等層免於外
部影響。該電氣絕緣層包含氧化物或氮化物是有利的，例如，氧化矽、氮化矽或氮氧化矽。
第1圖的發光二極體晶片1有半導體層序列2，半導體層序列2有裝設成用以放射電磁輻射13的主動層3。
發光二極體晶片1的主動層3可實作成，例如pn接面、雙異質結構、單一量子井結構或多量子井結構。就此情形而言，名稱量子井結構涵蓋電荷載體因侷限而於其中而經歷能量狀態之量子化的任何結構。特別是，名稱量子井結構不包括與量子化之量綱有關的任何指示。因此，尤其涵蓋量子井、量子線及量子點以及該等結構的任何組合。
特別是，半導體層序列2可基於氮化合物半導體。在此背景下，“基於氮化合物半導體”意指半導體層序列2或其中之至少一層包含III族氮化合物半導體材料，InxAlyGa1-x-yN為較佳，其中0x1，0y1，以及x+y1。就此情形而言，此材料不一定需要有上述公式的嚴格數學成分。反而，它可包含實質不改變InxAlyGa1-x-yN材料之特徵物理性質的一或更多摻雜物及額外的成分。不過，為了簡化，以上公式只包括晶格的基本成分(In，Al，Ga，N)，即使它們可部份換成少量的其他物質。
發光二極體晶片1通過配置於發光二極體晶片1正面的輻射射出區4放射電磁輻射13。為了改善輻射耦合輸出，可提供有粗糙度或耦合輸出結構(未圖示)的輻射射出
區4。
發光二極體晶片1是所謂的薄膜發光二極體晶片。在薄膜發光二極體晶片中，半導體層序列2的原始生長基板已從發光二極體晶片1卸下，反而，發光二極體晶片1在相對於原始生長基板的反面已用焊料層18連接至載體19。特別是，該原始生長基板可能已由半導體層序列2中此時用作輻射射出區4的該表面卸下。因此，在發光二極體晶片1中，通常首先生長於生長基板上的n型半導體區2a係面對輻射射出區4。半導體層序列2的p型半導體區2b面對載體19。例如，載體19可包含鍺或矽。
為了改善發光二極體晶片1的效率，發光二極體晶片1在背面(位於輻射射出區4反面)的區域中有鏡面層5。鏡面層5配置在p型半導體區2b與發光二極體晶片的第一電氣連接層10之間。用鏡面層5反射在載體19方向由主動層3射出的輻射至輻射射出區4是有利的。
鏡面層5包含銀或由銀組成是有利的。由銀構成的鏡面層5在可見光譜範圍有高反射是有利的。此外，銀的特點是有高導電率。鏡面層5可鄰接p型半導體區2b，特別是，以此方式形成發光二極體晶片1之半導體層序列2的電氣連接中之一個。
以由銀構成的鏡面層5而言，可能發生該層相對容易腐蝕的問題，這可能導致輻射效率降低，特別是發光二極體晶片1在長時間工作後。為了保護鏡面層5免於腐蝕以及為了防止鏡面層5的材料擴散進入後續層7、8、9，反
之亦然，在鏡面層5背離半導體層序列2的介面上配置保護層6。
保護層6包含透明導電氧化物是有利的。較佳地，保護層6包含ZnO、ZnO：Ga、ZnO：Al、ITO、IZO或IGZO或由彼等組成。
相較於金屬保護層(例如，鉑或鈦)，例如，由透明導電氧化物構成的保護層6有保護層6材料不會擴散進入鏡面層5的優點。
結果，特別是，保護層6的材料不會到達半導體層序列2與鏡面層5的介面(位於保護層6反面)。因此，有利於不會發生反射減少(由保護層6之材料擴散進入鏡面層5造成)及/或電氣性質改變(特別是，順向電壓)。此外，保護層6也有利於防止銀由鏡面層5擴散進入後續層7、8、9以及後續層7、8、9的材料(特別是金屬，例如金)擴散進入鏡面層5。
保護層6有5奈米至500奈米(含)的厚度是有利的，10奈米至100奈米特別較佳。
在位於鏡面層5反面的介面處，保護層6鄰接第一電氣連接層10，第一電氣連接層10可具有複數個部分層7、8、9，例如，第一電氣連接層10有3個部分層。由保護層6繼續，該等部分層最好為鉑層7、金層8及鈦層9。特別是，鉑層7有擴散阻障的功能用以防止後續層8、9的成分擴散進入保護層6，甚至進入鏡面層5，反之亦然。金層8由於有高導電率而用作為電流擴散層，而後續的鈦層9用
作為其他後續層的黏著促進層，特別是電氣絕緣層14。
發光二極體晶片1另外有第二電氣連接層15，用它可從位於輻射射出區4反面的背面與發光二極體晶片1接觸。因此，在發光二極體晶片1面向載體19的背面配置第一電氣連接層10及第二電氣連接層15兩者。這有輻射射出區4無電氣連接層的優點，使得由發光二極體晶片1射出的電磁輻射13被電氣連接層10、15中之其中一個遮蔽。
第一電氣連接層10與半導體層序列2的p型區2b接觸為較佳。第二電氣連接層15與半導體層序列2的n型區2a接觸為較佳。為此目的，第二電氣連接層15由發光二極體晶片1的背面穿過延伸通過該半導體層序列之p型區2b與主動層3的一個或多個穿孔21a、21b正好進入半導體層序列2的n型區2a。為了防止短路，第二電氣連接層15在穿孔21a、21b的區域用電氣絕緣層14與主動層3及半導體層序列2的p型區2b電氣絕緣。
此外，電氣絕緣層14也使第二電氣連接層15與第一電氣連接層10絕緣。電氣絕緣層14，例如，為氧化物或氮化物層，氧化矽層、氮化矽層或氮氧化矽層為較佳。
電氣絕緣層14覆蓋(至少在部份區域)鏡面層5及保護層6之側翼部16是有利的。以此方式，在側翼部16也保護鏡面層5免於腐蝕是有利的。
第二電氣連接層15包含銀為較佳，以及用作用於由發光二極體晶片1射出之電磁輻射13的第二鏡面層，特別是在穿孔21a、21b的區域。
擴散阻障層17配置於第二電氣連接層15與焊料層18之間為較佳。擴散阻障層17防止焊料層18的成分擴散進入第二電氣連接層15，反之亦然。例如，擴散阻障層17包含鈦鎢氮化物(titanium tungsten nitride)。
發光二極體晶片1用焊料層18焊接至載體19上。特別是，焊料層18可包含金錫合金(AuSn)。
發光二極體晶片1的載體19，例如，可為鍺或矽載體。在載體背離發光二極體晶片1的背面可鋪設接觸金屬化(contact metallization)20，第二電氣連接層15經由該接觸金屬化可電氣連接至外部。
第一電氣連接層10例如經由焊墊11及焊線(bonding wire)12可電氣連接至外部。
本發明不受限於該等示範具體實施例的描述。反而，本發明涵蓋任何新穎特徵以及特徵的任何組合，尤其包括申請專利範圍中之特徵的任何組合，即使特徵或組合本身未明確具體說明於申請專利範圍或示範具體實施例。
1‧‧‧發光二極體晶片
2‧‧‧半導體層序列
2a、2b‧‧‧n型、p型半導體區
3‧‧‧主動層
4‧‧‧輻射射出區
5‧‧‧鏡面層
6‧‧‧保護層
7、8、9‧‧‧後續層
7‧‧‧鉑層
8‧‧‧金層
9‧‧‧鈦層
10‧‧‧第一電氣連接層
11‧‧‧焊墊
12‧‧‧焊線
13‧‧‧電磁輻射
14‧‧‧電氣絕緣層
15‧‧‧第二電氣連接層
16‧‧‧側翼部
17‧‧‧擴散阻障層
18‧‧‧焊料層
19‧‧‧載體
20‧‧‧接觸金屬化
21a、21b‧‧‧齒孔
以下用示範具體實施例與第1圖更詳細地解釋本發明。
第1圖根據本發明之一個示範具體實施例示意圖示穿過發光二極體晶片的橫截面圖。
請勿將附圖視為是按照真正尺寸來圖示構成部件與構成部件之間的尺寸關係。
1‧‧‧發光二極體晶片
2‧‧‧半導體層序列
2a、2b‧‧‧n型、p型半導體區
3‧‧‧主動層
4‧‧‧輻射射出區
5‧‧‧鏡面層
6‧‧‧保護層
7、8、9‧‧‧後續層
7‧‧‧鉑層
8‧‧‧金層
9‧‧‧鈦層
10‧‧‧第一電氣連接層
11‧‧‧焊墊
12‧‧‧焊線
13‧‧‧電磁輻射
14‧‧‧電氣絕緣層
15‧‧‧第二電氣連接層
16‧‧‧側翼部
17‧‧‧擴散阻障層
18‧‧‧焊料層
19‧‧‧載體
20‧‧‧接觸金屬化
21a、21b‧‧‧齒孔
Claims (13)
- 一種發光二極體晶片(1)，係包含適於產生電磁輻射(13)之主動層(3)的半導體層序列(2)，其中，該發光二極體晶片(1)在正面具有輻射射出區(4)，在位於該輻射射出區(4)反面的背面處，該發光二極體晶片(1)至少部分具有鏡面層(5)，該鏡面層含銀，配置保護層(6)於該鏡面層(5)上，該保護層(6)包含透明導電氧化物，該發光二極體晶片(1)包含第一電氣連接層(10)與第二電氣連接層(15)，該第一電氣連接層(10)與該第二電氣連接層(15)面對該半導體層序列(2)之該背面，並以電氣絕緣層(14)相互電氣絕緣，以及該第二電氣連接層(15)之一部分區域由該半導體層序列(2)之該背面向該正面延伸穿過該主動層(3)的至少一個穿孔(21a，21b)。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體晶片，其中，該鏡面層(5)在位於該保護層(6)反面的介面處鄰接該半導體層序列(2)。
- 如申請專利範圍第1項或第2項所述之發光二極體晶片，其中，該保護層(6)包含ZnO、ZnO：Ga、ZnO：Al、 ITO、IZO或IGZO。
- 如申請專利範圍第1項或第2項所述之發光二極體晶片，其中，該保護層(6)具有5奈米至500奈米的厚度。
- 如申請專利範圍第4項所述之發光二極體晶片，其中，該保護層(6)具有10奈米至100奈米的厚度。
- 如申請專利範圍第1項或第2項所述之發光二極體晶片，其中，該鏡面層(5)及/或該保護層(6)的側翼部(16)至少部分區域以電氣絕緣層(14)覆蓋。
- 如申請專利範圍第6項所述之發光二極體晶片，其中，該電氣絕緣層(14)為氧化物或氮化物層。
- 如申請專利範圍第1項或第2項所述之發光二極體晶片，其中，在該保護層(6)相對於該鏡面層(5)的反面，配置第一電氣連接層(10)。
- 如申請專利範圍第8項所述之發光二極體晶片，其中，該第一電氣連接層(10)由複數個部分層(7、8、9)形成。
- 如申請專利範圍第9項所述之發光二極體晶片，其中，由該鏡面層(5)開始，該等部分層(7，8，9)包含鉑層(7)、金層(8)及鈦層(9)。
- 如申請專利範圍第1項或第2項所述之發光二極體晶 片，其中，該半導體層序列(2)鄰接該鏡面層(5)的區域為p型半導體區(2a)。
- 如申請專利範圍第1項或第2項所述之發光二極體晶片，其中，從該鏡面層(5)視之，該發光二極體晶片(1)在相對於該半導體層序列(2)的反面連接至載體(19)。
- 如申請專利範圍第1項或第2項所述之發光二極體晶片，其中，該發光二極體晶片(1)不包含生長基板。
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