TWI552378B - 發光二極體晶片 - Google Patents
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Description
本發明係有關一種發光裝置，且特別有關一種具有反射金屬層的發光二極體晶片。
隨著科技的發展與進步，各式各樣的發光裝置也與時俱進，以符合現代人的需求。在眾多的發光裝置中，發光二極體因具有發熱量低、耗電量小、壽命長以及體積小等優點，已有逐漸替代傳統發光裝置(如日光燈、白熾燈泡)，成為市場主流的趨勢。
一般而言，發光二極體晶片包括發光二極體以及電性耦接於發光二極體的電極層。電極層可包括反射金屬層，其可將發光二極體射入電極層的光線反射至外界，進而提高發光二極體晶片的發光效率。
由於鋁或銀對可見光有極佳的反射率，因此常被選為反射金屬層的材料。然而，鋁或銀在大電流操作下易出現電遷移(electromigration)的現象而導致材質劣化，進而影響發光二極體晶片的發光效率及可靠度。
因此，有必要尋求一種新穎的反射金屬層材料，以能夠在維持反射率的同時減少電遷移的發生機率，進而提高發光
二極體晶片的過承載能力(overdrive performance)。
本發明之實施例係揭示一種發光二極體晶片，包括：一發光二極體；以及一電極層，位於發光二極體上，其中電極層包括一反射金屬層，反射金屬層包括：一第一成分，包括鋁或銀；以及一第二成分，包括銅、矽、錫、鉑、金或上述組合，其中第二成分所佔的重量百分比大於0%且小於20%。
根據本發明實施例，藉由在反射金屬層中加入少量的第二成分，可縮小反射金屬層的晶粒尺寸(grain size)，進而可提高反射金屬層的反射率並改善發光二極體晶片的發光效率。再者，由高電流時效試驗(aging test)的結果可知，本發明實施例的反射金屬層較不易出現電遷移的現象，故可改善發光二極體晶片的過承載表現。再者，在本發明實施例中，發光二極體晶片的操作電壓隨時間的變化量較不明顯。換句話說，本發明實施例的發光二極體在長時間操作下仍可有極佳的可靠度。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
10、20‧‧‧發光二極體晶片
100‧‧‧基板
101‧‧‧第一導電型半導體層
102‧‧‧主動層
103‧‧‧第二導電型半導體層
104、105‧‧‧電極層
107‧‧‧歐姆接觸層
200‧‧‧第一黏著層
201‧‧‧反射金屬層
202‧‧‧第二黏著層
203‧‧‧擴散阻擋層
204‧‧‧接合層
1000‧‧‧發光二極體
第1圖為根據本發明一實施例之發光二極體晶片的剖面示意圖。
第2圖為根據本發明另一實施例之發光二極體晶片的剖面示意圖。
第3圖為根據本發明一些實施例之電極層的剖面示意圖。
第4圖為鋁銅合金的相圖。
第5圖為根據本發明一些實施例，不同銅含量的反射金屬層對不同波長光線的反射率比較圖。
第6圖為根據本發明一些實施例，不同銅含量的反射金屬層的電阻率比較圖。
第7圖為根據本發明一些實施例，具有不同銅含量的反射金屬層的發光二極體晶片之操作電壓隨時間的變化率比較圖。
以下說明本發明實施例之發光二極體晶片。然而，可輕易瞭解本發明所提供的實施例僅用於說明以特定方法製作及使用本發明，並非用以侷限本發明的範圍。再者，在本發明實施例之圖式及說明內容中係使用相同的標號來表示相同或相似的部件。
請參照第1圖，其繪示出根據本發明一實施例之發光二極體晶片10的剖面示意圖。發光二極體晶片10包括基板100、由第一導電型半導體層101、主動層102及第二導電型半導體層103所構成的發光二極體1000、歐姆接觸層(ohmic contact layer)107，以及分別電性耦接於第一導電型半導體層101及歐姆接觸層107的電極層104及105。在本實施例中，發光二極體晶片10為水平式結
構，其中電極層104及105係位於發光二極體晶片10的同側。
在本實施例中，基板100包括藍寶石、碳化矽、矽或任何習知的發光二極體基板材料，其可作為發光二極體1000的成長基板。
在本實施例中，第一導電型半導體層101及第二導電型半導體層103包括III-V族半導體，例如GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN、GaP、GaAsP、GaInP、AlGaInP、AlGaAs或前述之組合。可透過任何適當的方法形成第一導電型半導體層101及第二導電型半導體層103，例如化學氣相沉積(chemical vapor deposition，CVD)、有機金屬化學氣相沉積(metal organic chemical vapor deposition，MOCVD)、離子增強化學氣相沉積(plasma enhanced chemical vapor deposition，PECVD)、分子束磊晶(molecular beam epitaxy)、氫化物氣相磊晶(hydride vapor phase epitaxy)或濺鍍法(sputter)。在一實施例中，第一導電型半導體層101為N型半導體，第二導電型半導體層103為P型半導體。在另一實施例中，第一導電型半導體層101為P型半導體，第二導電型半導體層103為N型半導體。
在本實施例中，主動層102包括由交替堆疊的阻擋層及量子井層所構成多重量子井(multiple quantum well,MQW)結構(未繪示)。舉例來說，主動層102可包括交替堆疊的GaN/InGaN，其中GaN作為阻擋層，而InGaN作為量子井層，但本發明不以此為限。主動層102可透過與第一導電型半導體層101及第二導電型半導體層103類似的方法來形成，在此不加以贅述。
在本實施例中，歐姆接觸層107包括氧化銦錫(ITO)
或任何適當的導電材料，其可藉由濺鍍、蒸鍍或任何適當的方法形成。歐姆接觸層107可降低電極層105與第二導電型半導體層103之間的位障，以使電極層105與第二導電型半導體層103可形成歐姆接觸。
請參照第2圖，其繪示出根據本發明另一實施例之發光二極體晶片20的剖面示意圖，其中相同或類似於第1圖的部件係以相同的標號來表示。發光二極體晶片20包括由第一導電型半導體層101、主動層102及第二導電型半導體層103所構成的發光二極體1000，以及分別電性耦接於第一導電型半導體層101及第二導電型半導體層103的電極層104及105。在本實施例中，發光二極體晶片20為垂直式結構，與前述實施例的差異在於本實施例之電極層104及105係分別位於發光二極體晶片20的上下兩側而非同側。
請參照第3圖，其繪示出根據本發明一些實施例之電極層104的剖面示意圖。可理解的是以下所述的電極層結構亦可應用於電極層105或其他類型的發光二極體晶片的電極層。在本實施例中，電極層104包括依序堆疊的第一黏著層200、反射金屬層201、第二黏著層202、擴散阻擋層203以及接合層204。
在本實施例中，第一黏著層200包括鉻、鈦、鈀、鉑、鎳、金、銀或上述之組合，其可降低電極層104與第一導電型半導體層101之間的位障，以使電極層104與第一導電型半導體層101可形成歐姆接觸。
在本實施例中，反射金屬層201包括第一成分。第一成分包括對特定波長的光線(例如，可見光)具有高反射率的金屬，藉此可將入射至電極層104的光線反射至外部環境，以提高發
光二極體晶片的發光效率。在一實施例中，第一成分包括鋁或銀。
在本實施例中，反射金屬層201更包括第二成分，其包括銅、矽、錫、鉑、金或上述之組合。由後續所述的實驗結果可知，藉由在反射金屬層201中加入上述第二成分，可有效降低反射金屬層201發生電遷移的機率。再者，相較於未加入第二成分的反射金屬層201(例如，純鋁或純銀)，加入第二成分的反射金屬層201可具有更小的晶粒尺寸，進而可提高其反射率。
在一實施例中，第二成分在反射金屬層201中所佔的重量百分比小於20%，以避免反射金屬層201的反射率因第一成分所佔比例過低而下降。
在一實施例中，反射金屬層201的第一成分包括鋁，且反射金屬層201的第二成分包括銅。在此實施例中，反射金屬層201可包括鋁銅合金或鋁矽銅合金。在另一實施例中，反射金屬層201的第一成分包括銀，且反射金屬層201的第二成分包括銅。在此實施例中，反射金屬層201可包括銀銅合金或銀矽銅合金。為了說明本發明實施例，以下使用鋁銅合金作為範例，但本發明不限於此。
在一實施例中，第二成分的銅所佔的重量百分比(wt%)介於0.1%至2%之間。舉例來說，第二成分的銅所佔的重量百分比可為1.5%。由第4圖所繪示的銅鋁相圖可知，當反射金屬層201為鋁銅合金時，上述之銅的重量百分比範圍有助於使銅可以低於700K的溫度穩定於以鋁為主要成分的α相合金中。
請參照第5圖，其繪示出根據本發明一些實施例，不同銅含量的反射金屬層201對不同波長光線的反射率。如第5圖所
示，相較於未加入銅的純鋁，銅含量為0.5%或1.5%的鋁銅合金對於波長在可見光範圍內的光線具有較高的反射率。舉例來說，當光線波長介於440nm至460nm的範圍時，純鋁的反射率為88%，而具有0.5%或1.5%的銅含量的鋁銅合金的反射率則可提升為91%。
在上述實施例中，反射金屬層201之反射率的提升源自於其晶粒尺寸的減小。對於純鋁而言，其晶粒尺寸的方均根值(root mean square,RMS)約為12nm。然而，當在鋁中加入0.5%或1.5%的銅時，晶粒尺寸的方均根值可縮小至0.8nm，藉此可有效提升反射金屬層201的反射率。
請參照第6圖，其繪示出根據本發明一些實施例，不同銅含量的反射金屬層201的電阻率。如第6圖所示，相較於未加入銅的純鋁(即，銅含量0%)，銅含量為0.5%或1.5%的鋁銅合金的電阻率僅有微幅上升，其不會對發光二極體晶片的操作造成負面影響。
請參照第7圖，其繪示出在高電流時效試驗下，具有不同銅含量的反射金屬層201的發光二極體晶片之操作電壓隨時間的變化率。如第7圖所示，相較於反射金屬層201為純鋁的比較例，在反射金屬層201內加入銅的發光二極體晶片之操作電壓隨時間的變化率較低。此外，隨著反射金屬層201中銅含量的增加，發光二極體晶片的操作電壓隨時間變化的程度可有明顯的改善。
在上述高電流時效試驗中，由電子顯微鏡的照片(未繪示)可知，相較於未加入銅的反射金屬層201(例如，純鋁)，加入銅的反射金屬層201的晶體結構受到較少的破壞。亦即，加入銅的反射金屬層201可具有較佳的抗電遷移能力。
請再參照第3圖，在本實施例中，擴散阻擋層203包括鉑、鈦、鎢、鎳、鈀或上述之組合，其可防止接合層204的成分擴散至下方的膜層(例如，反射金屬層201)內。在一實施例中，可於擴散阻擋層203與反射金屬層201之間設置一第二黏著層202，其包括鉻、鈦、鎳或任何適當的黏著材料，以使擴散阻擋層203較容易接合至反射金屬層201。
在本實施例中，接合層204包括金、錫、鋅、銦、銀或上述之組合，其用以將發光二極體接合並電性連接至外部部件(例如，導線、導電凸塊或焊料)。
根據上述實施例，藉由在反射金屬層中加入少量的第二成分，可縮小反射金屬層的晶粒尺寸，進而可提高反射金屬層的反射率並改善發光二極體晶片的發光效率。再者，由高電流時效試驗的結果可知，本發明實施例的反射金屬層較不易出現電遷移的現象，故可改善發光二極體晶片的過承載表現。再者，在本發明實施例中，發光二極體晶片的操作電壓隨時間的變化量較不明顯。換句話說，本發明實施例的發光二極體在長時間操作下仍可有極佳的可靠度。
雖然本發明已以數個較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作任意之更動與潤飾。因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
104、105‧‧‧電極層
200‧‧‧歐姆接觸層
201‧‧‧反射金屬層
202‧‧‧黏著層
203‧‧‧擴散阻擋層
204‧‧‧接合層
Claims (10)
- 一種發光二極體晶片，包括：一發光二極體；以及一電極層，位於該發光二極體上，其中該電極層包括一反射金屬層，該反射金屬層為一合金層，包括：一第一成分，包括鋁或銀；以及一第二成分，包括銅、矽、錫、鉑、金或上述組合，其中該第二成分所佔的重量百分比大於0%且小於20%。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體晶片，其中該第二成分包括銅，其所佔的重量百分比為0.1%-2%。
- 如申請專利範圍第2項所述之發光二極體晶片，其中銅所佔的重量百分比為1.5%。
- 如申請專利範圍第2項所述之發光二極體晶片，其中該反射金屬層為一鋁銅合金或一鋁矽銅合金。
- 如申請專利範圍第2項所述之發光二極體晶片，其中該反射金屬層為一銀銅合金或一銀矽銅合金。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體晶片，其中該電極層更包括：一第一黏著層；一第二黏著層，位於該第一黏著層之上；一擴散阻擋層，位於該第二黏著層之上；以及 一接合層，位於該擴散阻擋層之上，其中該反射金屬層位於該第一黏著層與該第二黏著層之間。
- 如申請專利範圍第6項所述之發光二極體晶片，其中該第一黏著層與該第二黏著層包括鉻、鈦或鎳。
- 如申請專利範圍第6項所述之發光二極體晶片，其中該擴散阻擋層包括鉑。
- 如申請專利範圍第6項所述之發光二極體晶片，其中該接合層包括金。
- 如申請專利範圍第1至9項任一項所述之發光二極體晶片，更包括一歐姆接觸層，該歐姆接觸層夾設於該發光二極體與該電極層之間，其中該歐姆接觸層包括氧化銦錫。
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