TWI565098B - 發光元件 - Google Patents
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Description
本發明係有關於發光元件，特別是有關於發光二極體。
發光二極體(light-emitting diodes,LEDs)屬半導體元件之一種，由於發光二極體具有輕薄短小、自發光、反應時間短、壽命長及耗電量低等優點，帶動了LED的蓬勃發展。
一般而言，LED晶片可分為兩種基本結構，橫向結構(lateral)和垂直結構(vertical)。在橫向結構中，LED晶片的兩個電極位於LED晶片的同一側，而在垂直結構中，LED晶片的兩個電極分別在LED晶片的兩側。相較於橫向結構LED晶片，垂直結構LED晶片可以改善橫向結構LED晶片的電流分佈問題，具有較佳電流分佈(current spreading)、熱冷卻(thermal cooling)和高發光效率等優點，並可解決電極的遮光問題，提升LED的發光面積。因此垂直結構LED晶片吸引了越來越多的研究人員的注意，並可望在未來成為主要的LED晶片結構，特別是用於普通照明。
雖然現有的LED製造方法已大致足以實現LED晶
片的預期目的，但它們並非在每個方面都令人完全滿意，現有的LED製造方法仍有許多改善的空間。
本發明一實施例提供一種發光元件，包括：一基板；一反射層，設置於該基板上；一圖案化接觸層，設置於該反射層上；一發光單元，設置於該圖案化接觸層上；一第一電極，設置於該發光單元之一上表面；以及一第二電極，設置於該基板之一下表面，其中該第一電極與該圖案化接觸層在該基板上的投影互補。
在上述發光元件中，部份該反射層穿過該圖案化接觸層連接該發光單元，且該圖案化接觸層與該發光單元形成歐姆接觸，而該反射層與該發光單元不形成歐姆接觸。
本發明另一實施例提供一種發光元件，包括：一基板；一第一反射層，設置於該基板上；一圖案化第二反射層，設置於該圖案化第一反射層上；一發光單元，設置於該圖案化第二反射層上；一第一電極，設置於該發光單元之一上表面；以及一第二電極，設置於該基板之一下表面，其中該第一電極與該圖案化第二反射層在該基板上的投影互補。
在上述發光元件中，部份該第一反射層穿過該圖案化第二反射層連接該發光單元，且該圖案化第二反射層與該發光單元形成歐姆接觸，而該第一反射層與該發光單元不形成歐姆接觸。
110‧‧‧磊晶基板
120‧‧‧發光單元
122‧‧‧第一型半導體層
124‧‧‧發光層
126‧‧‧第二型半導體層
130‧‧‧圖案化接觸層
140‧‧‧反射層
200‧‧‧發光二極體
210‧‧‧基板
212‧‧‧接合層
214‧‧‧阻障層
250‧‧‧第一電極
260‧‧‧第二電極
210A‧‧‧下表面
120A‧‧‧上表面
400‧‧‧發光二極體
420‧‧‧第一反射層
430‧‧‧圖案化第二反射層
第1圖係根據本發明一實施例繪示發光元件製造中間階段的剖面示意圖。
第2圖係根據本發明一實施例所繪示之發光元件的剖面示意圖。
第3A-3B圖係根據本發明一實施例繪示發光元件部份結構於基板上之投影示意圖。
第4圖係根據本發明另一實施例所繪示之發光元件的剖面示意圖。
為使本發明之目的、特徵和優點能更清楚易懂，下文特舉出較佳實施例並配合所附圖式，對本發明之應用方式作詳細說明。本發明之實施例提供許多合適的發明概念而可廣泛地實施於各種特定背景。本說明書中所舉例討論之特定實施例僅用於說明製造與使用本發明之特定方式，而非用以侷限本發明的範圍。
應瞭解的是，本說明書以下的揭露內容提供許多不同的實施例或範例，以實施本發明的不同特徵。而本說明書以下的揭露內容是敘述各個構件及其排列方式的特定範例，以求簡化發明的說明。然而，這些特定的範例並非用以限定本發明。舉例而言，若本說明書以下的揭露內容述及將第一特徵形
成於第二特徵之上或上方時，即表示其包含了第一特徵與第二特徵是直接接觸的實施例；然其亦包括具有額外的特徵形成於第一特徵與第二特徵之間，而使第一特徵與第二特徵並未直接接觸之實施例。
再者，於描述中，相對性用語例如：”較低”、”較高”、”上方”、”下方”、”之上”、”之下”、”上”、”下”、”頂端”、”底端”及其衍生詞(例如：”向下”、”向上”等)，應依據後續所描述或該討論所附圖式所顯示之位向建構。這些相對用語是方便描述而非限制元件必須建構或操作於一特定方向。
此外，根據常規的作法，圖式中各種特徵並未依比例繪示。相反地，為簡化或是方便標示，各種特徵之尺寸可能任意擴張或縮小。再者，本說明書可能在不同範例中使用重複的參考符號及/或用字，這些重複符號或用字係為了簡化與清晰的目的，並非用以限定各個實施例及/或所述外觀結構之間的關係。
根據習知的LED結構，LED晶片通常包括電流阻擋層，其相關技術可參照美國專利公開號US 20130221320 A1或中國大陸專利公開號CN 101075651 A。一般而言，在垂直結構LED晶片底部中包括反射層以反射從發光層發出的光，且垂直結構LED晶片包括電流阻擋層設置於上電極之下方或正下方，其可增加電流分佈範圍以避免電流擁擠(current crowding)現象。
然而，電流阻擋層可能對反射層造成不良的影響(例如：減少反射層之反射面積或遮蔽反射層反射之光線等)，造
成元件亮度減損。此外，一般而言，電流阻擋層包括絕緣材料，例如：介電材料。因此，電流阻擋層的形成涉及沉積介電材料和圖案化介電材料。但是，這些工藝不僅需要額外的製造工具而且還可能會導致器件性能降低，例如：由於不均勻的器件表面導致電流洩漏及/或操作電壓上升。
為克服上述問題，本發明一實施例提供LED中改良之接觸層及反射層結構設計。在此設計中，接觸層與反射層進行整合，且接觸層與上電極在基板上的投影係為互補。藉由接觸層、反射層與上電極的位置排列及接觸層、反射層與發光單元之電性連接關係，此改良之接觸層及反射層結構設計可於LED中提供等同於電流阻擋層之功能，又不減損反射層之反射效果。
以下說明本案一實施例中具有改良之接觸層及反射層結構設計的發光元件結構及其製造方法。第1圖係根據本發明一實施例繪示發光二極體200製造中間階段的剖面示意圖，而第2圖係根據本發明一實施例繪示發光二極體200的剖面示意圖。請參照第2圖，發光二極體200包括：基板210、接合層212、阻障層214、反射層140、圖案化接觸層130、發光單元120、第一電極250及第二電極260，其中接合層212、阻障層214、反射層140、圖案化接觸層130及發光單元120係依序層疊於基板210上，而第一電極250及第二電極260係分別設置於發光單元120之上表面120A及基板210之下表面210A。
請參照第1圖，發光二極體200的製造方法係首先於先於磊晶基板110上形成發光單元120，其中發光單元120包
括第二型半導體層126、發光層124及第一型半導體層122依序疊置於磊晶基板110上。
磊晶基板110可包括藍寶石基板(Al2O3,Sapphire)、矽基板、碳化矽(SiC)基板，且基板可以具有摻雜或非摻雜。此外，亦可使用具有不同面位向之基板，像是(111)、(100)、或(110)等面位向。
一般來說，第一型半導體層122以及第二型半導體層126分別為不同摻雜型態的半導體層，例如：p型半導體層及n型半導體層。舉例而言，發光單元120中的第一型半導體層122可由具有第一型態導電性質摻雜物的III-V族化合物所構成，例如：具有p-型導電性質之氮化鎵(p-GaN)，第二型半導體層126可由具有第二型態導電性質摻雜物的III-V族化合物所構成，例如：具有n-型導電性質之氮化鎵(n-GaN)。
於一實施例中，第一型半導體層122以及第二型半導體層126之形成方法可包括磊晶成長製程，像是金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)、分子束磊晶(MBE)、氫化物氣相磊晶(HVPE)、及液相磊晶(LPE)或其他適宜的化學氣相沉積方法。可使用其他III-V族化合物，例如：氮化銦(InN)、氮化鋁(AlN)、氮化銦鎵(InxGa(1-x)N)、氮化鋁鎵(AlxGa(1-x)N)、或氮化鋁銦鎵(AlxInyGa(1-x-y)N)等，其中0<x1、0<y1且0x+y1。
發光層124係夾於第一型半導體層122以及第二型半導體層126所形成之PN接面中，以調整特性並提昇性能。發光層124可包括：均質接面、異質接面、單一量子井(SQW)、或多重量子井(MQW)結構。同樣地，該發光層124之形成方法
可包括金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)、分子束磊晶(MBE)、氫化物氣相磊晶(HVPE)、及液相磊晶(LPE)或其他適宜的化學氣相沉積方法。
然後，繼續參照第1圖，依序於發光單元120之第一型半導體層122上形成圖案化接觸層130及反射層140。於一實施例中，反射層140可為連續膜層，且部份反射層140係穿過圖案化接觸層130連接發光單元120。如第1圖所示，圖案化接觸層130係包埋(embeded)於反射層140中。
可先於第一型半導體層122上沉積接觸層(未繪示)，經光微影製程形成圖案化接觸層130，再毯覆性沉積反射層140於圖案化接觸層130上。可用於形成反射層140及圖案化接觸層130之沉積方式包括：物理氣相沉積(physical vapor deposition,PVD)、化學氣相沉積(chemical vapor deposition,CVD)、原子層沉積(atomic layer deposition,ALD)或其他合適的方法。
於一實施例中，反射層140的材質可包括金屬。舉例而言，反射層140的材質可包括：銅(Cu)、鋁(Al)、銦(In)、釕(Ru)、錫(Sn)、金(Au)、鉑(Pt)、鋅(Zn)、銀(Ag)、鈦(Ti)、鉛(Pb)、鎳(Ni)、鉻(Cr)、鎂(Mg)、鈀(Pd)或其組合，但不限於此。於一實施例中，圖案化接觸層130的材質可包括透明導電氧化物(TCO)或金屬。舉例而言，透明導電氧化物可包括：氧化銦(In2O3)、氧化銦錫(ITO)、氧化錫(SnO2)、氧化鋅(ZnO)、氧化鋁鋅(AZO)或氧化銦鋅(IZO)，但不限於此；金屬可包括：銅(Cu)、鋁(Al)、銦(In)、釕(Ru)、錫(Sn)、金(Au)、鉑(Pt)、
鋅(Zn)、銀(Ag)、鈦(Ti)、鉛(Pb)、鎳(Ni)、鉻(Cr)、鎂(Mg)、鈀(Pd)或其組合，但不限於此。
在此設計中，圖案化接觸層130可與發光單元120形成較佳之電性連接；而反射層140與發光單元120則形成較差之電性連接，以在後續形成之第一電極250正下方提供類似電流阻擋層之功效，防止電流以最短路徑(直線)導通。此外，圖案化接觸層130係形成於反射層140中，為透明導電材料，故不會遮蔽反射層140所反射的光，而可避免元件亮度下降之問題。
在完成上述步驟後，請參照第2圖，將磊晶基板110上之堆疊結構(包括反射層140、圖案化接觸層130及發光單元120)藉由形成於基板210上之接合層212接合至基板210上，並將磊晶基板110自堆疊結構移除。於一實施例中，堆疊結構之反射層140經由接合層212接合至基板210。亦即，接合層212係設置於基板210與反射層140之間以提供所需的接合作用。於一實施例中，基板210可以是矽基板、電路板、金屬基板等。於一實施例中，接合層212之材質可以是金屬材料或具有導電粒子的有機材料。
於一實施例中，可形成阻障層214於接合層212與反射層140之間，以避免反射層140之金屬擴散至基板210。舉例而言，阻障層材質可包括：鉭(Ta)、氮化鉭(TaN)、鈦(Ti)、氮化鈦(TiN)、鈷(Co)、鎢(W)或其組合。可經由物理氣相沉積(physical vapor deposition,PVD)、化學氣相沉積(chemical vapor deposition,CVD)、原子層沉積(atomic layer deposition,ALD)或其他合適的方法沉積阻障層。
最後，在發光單元120之第二型半導體層126上設置第一電極250及在基板210相反於接合層212之一側上設置第二電極260，以完成發光二極體200。
再回到第2圖，如前所述，反射層140與發光單元120在第一電極250正下方形成較差之電性連接，以提供類似電流阻擋層之功效，亦即，在垂直基板的方向上，圖案化接觸層130之位置與第一電極250具有錯位。更精確而言，在垂直基板的方向上，在對應於第一電極250之位置不形成圖案化接觸層130。請參照第3A-3B圖，第3A圖繪示發光二極體200之第一電極250於基板210上之投影示意圖；而第3B圖繪示發光二極體200之圖案化接觸層130於基板210上之投影示意圖。如第3A-3B圖之投影示意圖所示，圖案化接觸層130與第一電極250於基板210上的投影係為互補。亦即，在垂直基板的方向上，圖案化接觸層130與第一電極250之位置互不重疊。
於一實施例中，圖案化接觸層130可與發光單元120形成歐姆接觸(ohmic contact)以提供較佳之電性連接；而反射層140與發光單元120則不形成歐姆接觸，以在第一電極250正下方提供類似電流阻擋層之功效。於一實施例中，圖案化接觸層130之材質為氧化銦錫，其易於與發光單元120之第一型半導體層122(p-GaN)形成歐姆接觸以提供較佳之電性連接，且氧化銦錫為透明，不會阻擋或遮蔽反射層140反射之光線。於一實施例中，反射層140之材質為銀或鋁以提供較佳之反射效果，而不與發光單元120之第一型半導體層122(p-GaN)形成歐姆接觸。
在上述實施例中，圖案化接觸層及反射層係被整合成單一膜層結構。亦即，圖案化接觸層係排列於反射層中，因而不會遮蔽或反射反射層反射的光。此外，相較於反射層，圖案化接觸層與發光單元間可提供較佳之電性接觸，故可經由調整圖案化接觸層之位置，達到電流阻擋之效果。因此，本發明提供之發光二極體結構不需經由額外的製程形成電流阻擋層即可達成電流分佈之功效，並可避免電流阻擋層遮蔽反射層引起元件亮度下降之問題。
本發明另一實施例提供LED中改良之反射結構。此改良之反射結構包括圖案化反射層及連續反射層。其中，圖案化反射層係整合於連續反射層中，且圖案化反射層與上電極在基板上的投影係為互補。藉由圖案化反射層、連續反射層及上電極的位置排列及圖案化反射層、連續反射層及發光單元之電性連接關係，此改良之反射結構可用以作為反射層，並可提供等同於電流阻擋層之功能。
第4圖係根據本發明另一實施例繪示發光二極體400的剖面示意圖。請參照第4圖，發光二極體400包括：基板210、接合層212、阻障層214、第一反射層420、圖案化第二反射層430、發光單元120、第一電極250及第二電極260，其中發光單元120更包括依序疊置的第一型半導體層122、發光層144及第二型半導體層146。接合層212、阻障層214、第一反射層420、圖案化第二反射層430及發光單元120係依序層疊於基板210上，而第一電極250及第二電極260係分別設置於發光單元120之上表面120A及基板210之下表面210A。發光二極體400之
結構係大致相同發光二極體200，惟發光二極體400中以圖案化第二反射層430取代發光二極體200之圖案化接觸層130，及以第一反射層420取代發光二極體200之反射層140。
可使用前述相同之材料及方式形成發光單元400中與發光單元200相應之結構，於此不再重複贅述。發光二極體400中第一反射層420係大致相同於發光二極體200之反射層140。發光二極體400中圖案化第二反射層430之結構係大致相同於發光二極體200之圖案化接觸層130。如前所述，可在形成發光單元120後，依序於發光單元120之第一型半導體層122上形成圖案化第二反射層430及第一反射層420。舉例而言，可先於發光單元120之第一型半導體層122上沉積反射材料層(未繪示)，經光微影製程形成圖案化第二反射層430，再毯覆性沉積第一反射層420於圖案化第二反射層430上。
於一實施例中，第一反射層420可為連續膜層，且部份第一反射層420係穿過圖案化第二反射層430連接發光單元120。於一實施例中，在垂直基板的方向上，圖案化第二反射層430之位置與第一電極250具有錯位，且第一電極250與圖案化第二反射層430在基板210上的投影互補。第一反射層420可與發光單元120形成較差之電性連接，以在第一電極250正下方提供類似電流阻擋層之功效。於一實施例中，圖案化第二反射層430與發光單元120形成歐姆接觸，而第一反射層420與發光單元120不形成歐姆接觸。
可使用相同或不同之材料形成第一反射層420及圖案化第二反射層430。於一實施例中，第一反射層420及圖案
化第二反射層430的材質可包括金屬。舉例而言，第一反射層420及圖案化第二反射層430的材質可包括：銅(Cu)、鋁(Al)、銦(In)、釕(Ru)、錫(Sn)、金(Au)、鉑(Pt)、鋅(Zn)、銀(Ag)、鈦(Ti)、鉛(Pb)、鎳(Ni)、鉻(Cr)、鎂(Mg)、鈀(Pd)或其組合，但不限於此。
舉例而言，於一實施例中，第一反射層420的材質為鋁，而圖案化第二反射層430的材質為銀。相較於鋁，銀較容易與發光單元120形成歐姆接觸以提供較佳之電性連接。於另一實施例中，第一反射層420及圖案化第二反射層430的材質都為銀，但在形成圖案化第二反射層430後經退火使其與發光單元120形成歐姆接觸，而在形成，第一反射層420後則不經退火使其不與發光單元120形成歐姆接觸。
在上述實施例中，圖案化第二反射層與發光單元間可提供較佳之電性接觸，故改良之反射結構在不減損反射功能之情況下，經由調整圖案化第二反射層的位置可達成等同電流阻擋層之電流分佈效果。因此，本發明提供之發光二極體結構不需經由額外的製程形成電流阻擋層即可達成電流分佈之功效，並可避免電流阻擋層遮蔽反射層引起元件亮度下降之問題。
應了解的是，本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，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，當可做些許的更動與潤飾，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。
200‧‧‧發光二極體
210‧‧‧基板
140‧‧‧反射層
130‧‧‧圖案化接觸層
120‧‧‧發光單元
250‧‧‧第一電極
260‧‧‧第二電極
210A‧‧‧下表面
120A‧‧‧上表面
Claims (19)
- 一種發光元件，包括：一基板；一反射層，設置於該基板上；一圖案化接觸層，設置於該反射層上；一發光單元，設置於該圖案化接觸層上；一第一電極，設置於該發光單元之一上表面；以及一第二電極，設置於該基板之一下表面，其中該第一電極與該圖案化接觸層在該基板上的投影互補，其中部份該反射層穿過該圖案化接觸層直接地連接該發光單元。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該圖案化接觸層與該發光單元形成歐姆接觸。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該反射層與該發光單元不形成歐姆接觸。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該發光單元包括依序疊置的一第一型半導體層、一發光層、以及一第二型半導體層。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該反射層為一連續膜層。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該反射層的材質為金屬。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該反射層的材質包括：銅(Cu)、鋁(Al)、銦(In)、釕(Ru)、錫(Sn)、金(Au)、鉑(Pt)、鋅(Zn)、銀(Ag)、鈦(Ti)、鉛(Pb)、鎳(Ni)、鉻(Cr)、鎂 (Mg)或鈀(Pd)。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該圖案化接觸層的材質包括：氧化銦(In2O3)、氧化銦錫(ITO)、氧化錫(SnO2)、氧化鋅(ZnO)、氧化鋁鋅(AZO)、氧化銦鋅(IZO)、銅(Cu)、鋁(Al)、銦(In)、釕(Ru)、錫(Sn)、金(Au)、鉑(Pt)、鋅(Zn)、銀(Ag)、鈦(Ti)、鉛(Pb)、鎳(Ni)、鉻(Cr)、鎂(Mg)、鈀(Pd)或其組合。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，更包括：一接合層，設置於該反射層與該基板之間。
- 如申請專利範圍第9項所述之發光元件，更包括：一阻障層，設置於該接合層與該反射層之間。
- 一種發光元件，包括：一基板；一第一反射層，設置於該基板上；一圖案化第二反射層，設置於該圖案化第一反射層上；一發光單元，設置於該圖案化第二反射層上；一第一電極，設置於該發光單元之一上表面；以及一第二電極，設置於該基板之一下表面，其中該第一電極與該圖案化第二反射層在該基板上的投影互補，其中部份該第一反射層穿過該圖案化第二反射層直接地連接該發光單元。
- 如申請專利範圍第11項所述之發光元件，其中該圖案化第二反射層與該發光單元形成歐姆接觸。
- 如申請專利範圍第11項所述之發光元件，其中該第一反射層與該發光單元不形成歐姆接觸。
- 如申請專利範圍第11項所述之發光元件，其中該發光單元 包括依序疊置的一第一型半導體層、一發光層、以及一第二型半導體層。
- 如申請專利範圍第11項所述之發光元件，其中該第一反射層為一連續膜層。
- 如申請專利範圍第11項所述之發光元件，其中該第一反射層的材質為金屬。
- 如申請專利範圍第11項所述之發光元件，其中該第一反射層的材質包括：銅(Cu)、鋁(Al)、銦(In)、釕(Ru)、錫(Sn)、金(Au)、鉑(Pt)、鋅(Zn)、銀(Ag)、鈦(Ti)、鉛(Pb)、鎳(Ni)、鉻(Cr)、鎂(Mg)或鈀(Pd)。
- 如申請專利範圍第11項所述之發光元件，其中該圖案化第二反射層的材質包括：銅(Cu)、鋁(Al)、銦(In)、釕(Ru)、錫(Sn)、金(Au)、鉑(Pt)、鋅(Zn)、銀(Ag)、鈦(Ti)、鉛(Pb)、鎳(Ni)、鉻(Cr)、鎂(Mg)、鈀(Pd)或其組合。
- 如申請專利範圍第11項所述之發光元件，更包括：一接合層，設置於該第一反射層與該基板之間。
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