TWI552376B - 發光二極體結構及其製造方法 - Google Patents

Description

發光二極體結構及其製造方法

本發明是關於一種發光二極體(LED)之結構及其製造方法，特別是關於一種N型氮化鎵層與N型電極焊墊及與焊墊相聯結之金屬材料之間具有透明導電氧化層之發光二極體結構及其製造方法。

目前，發光二極體已廣泛的應用在各種光學顯示、發光照明設備等裝置當中，由於其具有低耗電、高效率、反應速度快及使用壽命長等優點，吸引各界紛紛投入相關技術的研發，期能再更進一步提高發光二極體之發光效率並改善其發光效果。在這當中，氮化鎵(GaN)由於具有較高之耐熱穩定性和較寬之能帶隙，因此在發展發光二極體之相關裝置時受到大量矚目，加上其可以與其他元素例如銦或鋁等組合，以製造發出綠色、藍色及白色光之半導體層，因此，大量被應用在發光二極體之結構當中。

習知之發光二極體結構如第1圖所示，其中，發光二極體10包含藍寶石(sapphire)基板100，其上依次長出下氮化鎵層101、N型氮化鎵層102、主動層103以及P型氮化鎵層104之磊晶結構層110，P型焊墊120及N型焊墊130分別設置在P型氮化鎵層104及N型氮化鎵層102上，為了使P型焊墊120能與P型氮化鎵層形成歐姆接觸及電流能夠更均勻的分佈在整個P型氮化鎵層103，會在P型焊墊120與P型氮化鎵層104之間加入一層金屬氧化物層140，例如網狀之氧化銦錫(ITO)層，由於其低阻值特性，可提供自陽極(P電極)注入之電流散佈在整個面上，加上其透光的特性，充分提高發光二極體出光效率。然因藍寶石基板導熱及散熱特性不佳；致使傳統發光二極體在高熱環境或高電流驅動下發光效率銳減。

因此，為解決上述問題，發展了垂直型的發光二極體結構，將導熱特性不佳之藍寶石基板材料換成具高導熱及低阻抗特性的基板，減低發光二極體因操作下熱效應造成之特性衰退。然而垂直型發光二極體的製程方法必須將N型焊墊及與焊墊相聯結之金屬材料設置於N型氮化鎵層，其接面為氮極化方向(Nitrogen Polarized)的氮面(N-face)。N型氮化鎵層氮極化方向(Nitrogen Polarized)物理特性迥異於傳統發光二極體所認知之鎵極化方向(Gallium Polarized)特性，N型焊墊材料設置於氮化鎵氮極化方向(Nitrogen Polarized)上無法得到穩定的歐姆接觸特性，致使N型焊墊與N型氮化鎵層的氮極化方向(Nitrogen Polarized)接面間於燒測或高熱環境下產生量測電壓(Vf)變異之問題。

有鑑於上述習知技藝之問題，本發明之目的就是在提供一種發光二極體結構及其製造方法，以解決在N型焊墊及與焊墊相聯結之金屬材料與N型氮化鎵層的氮極化方向(Nitrogen Polarized)的氮面(N-face)之接面間於燒測或高熱環境下量測電壓(Vf)變異之問題。

根據本發明之一目的，提出一種發光二極體結構，其包含基板、結合層、磊晶結構層、透明導電氧化層以及金屬材料層。結合層設置於基板上，磊晶結構層設置在結合層上，磊晶結構層包含P型氮化鎵層、主動層以及N型氮化鎵層，依序層疊於結合層上，透明導電氧化層設置於磊晶結構層之N型氮化鎵層上，透明導電氧化層與N型氮化鎵層之接面為氮極化方向的氮面(N-face)，金屬材料層設置在透明導電氧化層上。

較佳者，結合層可包含黏接層、阻障層及金屬反射層。

較佳者，透明導電氧化層可包含金屬氧化物、類金屬氧化物或陶瓷材料。

較佳者， N型氮化鎵層與透明導電氧化層之接面可具有不規則粗糙表面、規則輪廓圖形表面或平坦表面。

較佳者，金屬材料層可包含鈦、鉻、鎳、鉑、金、鋁、鉭、銠或以上類別之合金。

根據本發明之另一目的，提出一種發光二極體結構之製造方法，其包含下列步驟：提供藍寶石(sapphire)基板，在藍寶石基板上依序生長下氮化鎵層、N型氮化鎵層、主動層及P型氮化鎵層之磊晶結構層；在P型氮化鎵層上形成結合層，利用結合層將磊晶結構層連接於基板上；移除藍寶石基板以及下氮化鎵層；圖樣化磊晶結構層，並在N型氮化鎵層上形成透明導電氧化層，透明導電氧化層與N型氮化鎵層之接面為氮極化方向的氮面(N-face)；以及在透明導電氧化層上形成金屬材料層。

較佳者，結合層可包含黏接層、金屬反射層及阻障層。

較佳者，透明導電氧化層可包含金屬氧化物、類金屬氧化物或陶瓷材料。

較佳者， N型氮化鎵層與透明導電氧化層之接面可具有不規則粗糙面、規則輪廓圖形面及平坦面。

較佳者，金屬材料層可包含鈦、鉻、鎳、鉑、金、鋁、鉭、銠或以上類別之合金。

承上所述，依本發明之發光二極體結構及其製造方法，其可具有一或多個下述優點：

(1) 此發光二極體結構及其製造方法能使金屬材料層與N型氮化鎵層之氮極化方向(Nitrogen Polarized)的氮面(N-face)之接面量測電壓(Vf)，在經過熱處理後能有較低之變異性。

(2) 此發光二極體結構及其製造方法能在發光二極體結構之主動層發光時，提升整體之出光效率。

為利貴審查委員瞭解本發明之技術特徵、內容與優點及其所能達成之功效，茲將本發明配合附圖，並以實施例之表達形式詳細說明如下，而其中所使用之圖式，其主旨僅為示意及輔助說明書之用，未必為本發明實施後之真實比例與精準配置，故不應就所附之圖式的比例與配置關係解讀、侷限本發明於實際實施上的權利範圍，合先敘明。

請參閱第2圖，其係為本發明之發光二極體結構之剖面示意圖。圖中，發光二極體20之結構包含基板200、結合層210、磊晶結構層220、透明導電氧化層230以及金屬材料層240。其中，基板200可為矽(Silicon)基板、鍺(Ge)基板、金屬基板(例如：Cu、CuW、MoCu、Ni、AlSi)或陶瓷基板(例如：Al2O3、AlN、SiC、SiN、TiN)，可包含導電或不導電特性材料，但不同於藍寶石基板，磊晶結構層220並不易直接形成於一般之基板200上，因此需要藉由結合層210將磊晶結構層220連接於基板200上，結合層210主要包含黏接層211，將基板200與磊晶結構層220接合在一起，除此之外，結合層210還可進一步包含阻障層212及金屬反射層213，阻障層212及金屬反射層213可進一步提升發光二極體發光之效率。

在結合層210上，依序設置有P型氮化鎵層221、主動層222以及N型氮化鎵層223之磊晶結構層220，這裡所述之依序設置係指結構上層疊之順序，並非製程上製造之順序，詳細製造程序將於後續段落說明。P型氮化鎵層221之材料可以為含氮化鎵之Ⅲ-V族元素氮化合物，例如摻雜P型雜質的P型Al_x In_y Ga_1-x-y N(x,y≧0；0≦x+y＜1)所構成；主動層222又稱為發光層，其可以由含氮化鎵之Ⅲ-V族元素化合物所構成，主動層222之材料可為不經摻雜或摻雜的Al_a In_b Ga_1-a-b N/ Al_x In_y Ga_1-x-y N(a,b≧0；0≦a+b＜1；x,y≧0；0≦x+y＜1)之量子井結構，其摻雜物可為P型或N型在這當中；以及N型氮化鎵層223之材料可為含氮化鎵之Ⅲ-V族元素氮化合物，例如摻雜N型雜質的N型Al_x In_y Ga_1-x-y N (x,y≧0；0≦x+y＜1)所構成。上述摻雜物的選用為熟悉該領域者所知悉，故不再贅述。

在磊晶結構層220上設置有透明導電氧化層230以及金屬材料層240，其中透明導電氧化層230是設置在N型氮化鎵層223之氮極化方向的氮面(N-face)，如圖所示，在N型氮化鎵層223之氮面上可能產生不規則之粗糙表面231，透明導電氧化層230即設置在此粗糙表面231上，但本發明不以此為限，N型氮化鎵層223之氮面也可為平整之表面或具有規則輪廓圖形之表面，而透明導電氧化層230設置在其表面上，其中，透明導電氧化層230包含金屬氧化物、類金屬氧化物及陶瓷材料，例如，透明導電氧化層230可包含氧化銦錫(ITO)、氧化銦鋅(IZO) 、氧化鋁鋅(AZO)、氧化銦(In₂ O₃ )、氧化錫(SnO₂ )、氧化鋁錫或氧化鋁銦，以上所述涵蓋普遍用於發光二極體種類之透明導電氧化層材料，但本發明不以此為限。最後在透明導電氧化層230上形成金屬材料層240，金屬材料層240可包含N型焊墊及與焊墊相聯結之金屬材料結構，而在基板200下形成P型焊墊250，其中，焊墊或與其相聯結之金屬材料可包含鈦、鉻、鎳、鉑、金、鋁、鉭、銠或上述材料之合金，但本發明不以此為限。

另外參照第3a~3c圖，其係為本發明之N型氮化鎵層粗糙表面之放大示意圖。其中第3a圖為粗糙表面放大之剖面示意圖，由圖可見，透明導電氧化層230係在粗糙表面231上形成一層薄膜，而金屬材料層240形成於其上。第3b, 3c圖則為粗糙表面之SEM圖，由放大之照片顯示，粗糙表面231可為不規則之突起，這些不規則突起在光通過時能進一步增加其透射率，提供光通過之路徑，進而提升整體之發光效率。由第3c圖可以看出金屬材料層240可包含N型焊墊240a以及與其聯接之金屬導線240b，其均設置於粗糙表面231上。

請同時參閱第4圖及第5a~5k圖，第4圖係為說明本發明之發光二極體結構之製造方法之製造流程，第5a~5k圖則為製造流程中各個階段之發光二極體結構之剖面示意圖。如第4圖所示，本發明之發光二極體結構之製造方法包含下列步驟：

步驟S1：提供藍寶石(sapphire)基板，在藍寶石基板上依序生長下氮化鎵層、N型氮化鎵層、主動層及P型氮化鎵層之磊晶結構層。如第5a圖所示，由於氮化鎵晶體與藍寶石晶體的晶格常數不匹配，為了要使N型氮化鎵鎵層312具有穩定的晶格結構，可在藍寶石基板301上形成作為緩衝層之下氮化鎵層311，因而使其上之N型氮化鎵層312能夠具有穩定的晶格結構，再依序長出作為量子井之主動層313與P型氮化鎵層314，形成磊晶結構層310，其中各層之材料如前實施例而不再重述。

步驟S2：在P型氮化鎵層上形成結合層，利用結合層將磊晶結構層連接於基板。如第5b圖所示，在P型氮化鎵層314上形成金屬反射層321，金屬反射層321僅覆蓋氮化鎵層314之部分表面而露出另一部分表面；再如第5c圖所示，形成完全覆蓋金屬反射層321之阻障層322，並且阻障層322同時覆蓋氮化鎵層314之另一部分表面；並由第5d圖所示，在阻障層322上形成黏接層323，藉以形成包含金屬反射層321、阻障層322及黏接層323之結合層320。最後如第5e圖所示，利用結合層320將磊晶結構層310接合於基板300。

步驟S3：移除藍寶石基板以及下氮化鎵層。如第5f圖及第5g圖所示，依序移除藍寶石基板301及下氮化鎵層311。

步驟S4：圖樣化磊晶結構層，並在N型氮化鎵層上形成透明導電氧化層，透明導電氧化層與N型氮化鎵層之接面為氮極化方向的氮面(N-face)。如第5h圖所示，對於磊晶結構層310進行圖樣化，利用乾式蝕刻方式或濕式蝕刻方式形成所需圖樣，並且藉以使得N型氮化鎵層312之氮極化方向的氮面(N-face)形成粗糙表面331，再於N型氮化鎵層312上形成透明導電氧化層330，其中透明導電氧化層330位於N型氮化鎵層312之氮極化方向的氮面(N-face)，並且在其之間可具有粗糙表面331。

步驟S5：在透明導電氧化層上形成金屬材料層。如第5j圖及第5k圖所示，移除不需要之透明導電氧化層330後，於其上形成金屬材料層340，金屬材料層340包含N型焊墊及與焊墊相聯結之金屬材料，並且可進一步於基板300下形成P型焊墊350，分別以此焊墊作為正極與負極之接點。

請參閱第6a圖至第6d圖，其係為本發明之發光二極體結構之實施例與比較例之晶粒熱處理之示意圖。其中，本發明在N型氮化鎵層與金屬材料層之間包含透明導電氧化層之實施例如第6a圖所示，而不具有透明導電氧化層之比較例則如第6c圖所示，本發明之實施例與比較例均經過熱板(Hot Plane)測試(測試條件：290℃，5分鐘，分別在相同條件下取樣四次進行測試)，熱測前與熱測後之變化比例如第6b圖及第6d圖所示，由比較結果可發現，本發明之實施例，在四次測試下，熱測前後量測電壓(Vf)之變化均小於2%，而相較於非實施例所測試之量測電壓(Vf)變化均超過8%，由此可見具有透明導電氧化層發光二極體結構，能有效降低量測電壓(Vf)之變異。

請參閱第7a圖至第7d圖，其係為本發明之發光二極體結構之實施例與比較例之晶粒燒測之示意圖。其中，本發明在N型氮化鎵層與金屬材料層之間包含透明導電氧化層之實施例如第7a圖所示，而不具有透明導電氧化層之比較例則如第7c圖所示，本發明之實施例與比較例均經1000mA持續燒測72小時，並每24小時在相同條件下取樣四次量測電壓(Vf)之變化，結果可發現，本發明之實施例，在長時間的燒測下仍具有較低之量測電壓(Vf)變化，如第7b圖所示，其電壓變化量幾乎為0，相較於非實施例所測試之電壓在前24小時燒測後就有大幅變化，如第7d圖所示，由此可見具有透明導電氧化層發光二極體結構，能有效降低燒測後量測電壓(Vf)之變異。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

10、20‧‧‧發光二極體
100、200、300‧‧‧基板
101、311‧‧‧下氮化鎵層
102、223、312‧‧‧N型氮化鎵層
103、222、313‧‧‧主動層
104、221、314‧‧‧P型氮化鎵層
110、220、310‧‧‧磊晶結構層
120、250、350‧‧‧P型焊墊
130、240a‧‧‧N型焊墊
140‧‧‧金屬氧化物層
210、320‧‧‧結合層
211、323‧‧‧黏接層
212、322‧‧‧阻障層
213、321‧‧‧金屬反射層
230、330‧‧‧透明導電氧化層
231、331‧‧‧粗糙表面
240、340‧‧‧金屬材料層
240b‧‧‧金屬導線
301‧‧‧藍寶石基板
S1~S5‧‧‧步驟

第1圖係為習知之發光二極體結構之剖面示意圖。

第2圖係為本發明之發光二極體結構之剖面示意圖。

第3a~3c圖係為本發明之N型氮化鎵層粗糙表面之放大示意圖。

第4圖係為本發明之發光二極體結構之製造方法之流程圖。

第5a~5k圖係為本發明之製造流程中各個階段之發光二極體結構之剖面示意圖。

第6a~6d圖係為本發明之發光二極體結構之實施例與比較例之晶粒熱處理之示意圖。

第7a~7d圖係為本發明之發光二極體結構之實施例與比較例之晶粒燒測之示意圖。

20‧‧‧發光二極體

200‧‧‧基板

210‧‧‧結合層

211‧‧‧黏接層

212‧‧‧阻障層

213‧‧‧金屬反射層

220‧‧‧磊晶結構層

221‧‧‧P型氮化鎵層

222‧‧‧主動層

223‧‧‧N型氮化鎵層

230‧‧‧透明導電氧化層

231‧‧‧粗糙表面

240‧‧‧金屬材料層

250‧‧‧P型焊墊

Claims (10)

1. 一種發光二極體結構，其包含： 一基板； 一結合層，係設置在該基板上； 一磊晶結構層，係設置在該結合層上，該磊晶結構層包含一P型氮化鎵層、一主動層以及一N型氮化鎵層，依序層疊於該結合層上； 一透明導電氧化層，係設置在該磊晶結構層之該N型氮化鎵層上，該透明導電氧化層與該N型氮化鎵層之接面為氮極化方向的氮面(N-face)；以及 一金屬材料層，係設置在該透明導電氧化層上。
2. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體結構，其中該結合層包含一黏接層、一阻障層及一金屬反射層。
3. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體結構，其中該透明導電氧化層包含金屬氧化物、類金屬氧化物或陶瓷材料。
4. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體結構，其中該N型氮化鎵層與該透明導電氧化層之接面具有不規則粗糙面、規則輪廓圖形面或平坦面。
5. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體結構，其中該金屬材料層包含鈦、鉻、鎳、鉑、金、鋁、鉭、銠或以上類別之合金。
6. 一種發光二極體結構之製造方法，其包含下列步驟： 提供一藍寶石(sapphire)基板，在該藍寶石基板上依序生長一下氮化鎵層、一N型氮化鎵層、一主動層及一P型氮化鎵層之一磊晶結構層； 在該P型氮化鎵層上形成一結合層，利用該結合層將該磊晶結構層連接於一基板； 移除該藍寶石基板以及該下氮化鎵層； 圖樣化該磊晶結構層，並在該N型氮化鎵層上形成一透明導電氧化層，該透明導電氧化層與該N型氮化鎵層之接面為氮極化方向的氮面(N-face)；以及 在該透明導電氧化層上形成一金屬材料層。
7. 如申請專利範圍第6項所述之發光二極體結構之製造方法，其中該結合層係包含一黏接層、一金屬反射層及一阻障層。
8. 如申請專利範圍第6項所述之發光二極體結構之製造方法，其中該透明導電氧化層包含金屬氧化物、類金屬氧化物或陶瓷材料。
9. 如申請專利範圍第6項所述之發光二極體結構之製造方法，其中該N型氮化鎵層與該透明導電氧化層之接面具有不規則粗糙面、規則輪廓圖形面或平坦面。
10. 如申請專利範圍第6項所述之發光二極體結構之製造方法，其中該金屬材料層包含鈦、鉻、鎳、鉑、金、鋁、鉭、銠或以上類別之合金。