CN101459209B - 发光二极管装置及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发光二极管装置及其制造方法。该发光二极管装置包括外延叠层、电流阻挡层以及电流扩散层。电流阻挡层设置于外延叠层的一侧，并与部分的外延叠层接触。电流扩散层设置于外延叠层的一侧，并与至少部分的电流阻挡层接触。
Description
技术领域
本发明涉及一种发光二极管装置及其制造方法。
背景技术
发光二极管(light-emitting diode，LED)装置是一种由半导体材料制作而成的发光元件。由于发光二极管装置具有体积小、耗电量低、没有辐射、不含水银、寿命长、反应速度快及可靠度高等优点。因此，近年来随着技术不断地进步，其应用范围涵盖了信息、通讯、消费性电子、汽车、照明以及交通信号标志等领域。
请参照图1，已知的发光二极管装置1包括基板11、外延叠层12、缓冲层14、N型电极16、P型电极17以及透明导电层18。缓冲层14、外延叠层12及透明导电层18依序设置于基板11上。
外延叠层12依序具有N型半导体层121、发光层122及P型半导体层123。N型半导体层121设置于缓冲层14上，发光层122设置于N型半导体层121上，P型半导体层123设置于发光层122上。N型电极16及P型电极17分别与透明导电层18电性连接。
一般而言，发光二极管装置1的电压以及电流的关系呈指数关系。当于N型电极16及P型电极17施加电压，且该电压大于导通电压(ThresholdVoltage)时，发光二极管装置1的电流迅速增加，同时开始发光。
然而，于此架构下的发光二极管装置1，其电流分布不均匀并集中于区域A内，使得发光二极管装置1的局部区域电流密度过高，进而影响发光效率及局部区域过热等问题，甚至缩短发光二极管装置1的寿命。
发明内容
有鉴于上述课题，本发明的目的为提供一种具有均匀电流分布的发光二极管装置及其制造方法。
为达上述目的，本发明提供一种发光二极管装置，其包括外延叠层、电流阻挡层以及电流扩散层。电流阻挡层设置于外延叠层的一侧，并与部分的外延叠层接触。电流扩散层设置于外延叠层的一侧，并与至少部分的电流阻挡层接触。
为达上述目的，本发明提供一种发光二极管装置的制造方法，其包括以下步骤：形成外延叠层于基板上；形成电流阻挡层于外延叠层上；以及形成电流扩散层覆盖电流阻挡层及部分的外延叠层。
为达上述目的，本发明提供另一种发光二极管装置的制造方法，其包括以下步骤：形成第一半导体层于外延基板上；形成发光层于第一半导体层上；形成第二半导体层于发光层上，其中第二半导体层具有第一微纳米结构；移除部分的第二半导体层及部分的发光层，以暴露部分的第一半导体层；形成电流阻挡层覆盖部分的第二半导体层、部分的发光层及部分的第一半导体层；以及形成电流扩散层覆盖部分的第二半导体层及部分的电流阻挡层上。
承上所述，依据本发明的发光二极管装置及其制造方法，其是通过相邻设置的电流阻挡层及电流扩散层，以使发光二极管装置的电流均匀分布。亦即，操作中的发光二极管装置具有均匀的电流密度，以使热均匀分布，进而提升发光二极管装置的发光效率。
附图说明
图1为显示已知发光二极管装置的示意图；
图2为显示依据本发明第一实施例的发光二极管装置的控制方法的示意图；
图3A至图3I为显示依据本发明第一实施例的发光二极管装置的示意图；
图4为显示本发明第二实施例的发光二极管装置的控制方法的示意图；
图5A至图5J为显示依据本发明第二实施例的发光二极管装置的示意图；
图6为显示依据本发明第三实施例的发光二极管装置的控制方法的示意图；以及
图7A至图7E为显示依据本发明第三实施例的发光二极管装置的示意图。
附图标记说明
1、3、4、5：发光二极管装置
11、31、37、41、47、51：基板
12、32、42：外延叠层
121、321、421、521：第一半导体层
122、322、422、522：发光层
123、323、423、523：第二半导体层
14：缓冲层
16、17、E1、E2、E3、E4、E5、E6：电极
S101～S110、S201～S211、S301～S306：步骤
18、38、48：透明导电层 33、43、53：电流阻挡层
34、44、54：电流扩散层 35、45、55：反射层
36、46：粘贴层 39、49：保护层
40：绝缘导热层 A：区域
具体实施方式
以下将参照相关图式，说明依据本发明多个实施例的发光二极管装置及其制造方法。
[第一实施例]
请参照图2，依据本发明第一实施例的发光二极管装置3的制造方法包括步骤S101至步骤S110。以下请同时参照图3A至图3I图。
请参照图3A，步骤S101是形成外延叠层32于外延基板(或生长基板)31上。其中外延叠层32包括第一半导体层321、发光层322及第二半导体层323。第一半导体层321是形成于外延基板31上，接着于第一半导体层321上形成发光层322，而后于发光层322上形成第二半导体层323。第一半导体层321及第二半导体层323可分别为N型外延层及P型外延层，当然其亦可互换，于此并不加以限制。
请参照图3B，步骤S102是形成电流阻挡层33于第二半导体层323上。其是以例如但不限于堆叠工艺、烧结工艺、阳极氧化铝(AAO)工艺、纳米压印工艺、转印工艺、热压工艺、蚀刻工艺或电子束曝光工艺(E-beam writer)，形成如图3C所示的微纳米结构。电流阻挡层33的材料包括氮化物、氧化物或碳化物等各式介电材料或高导热系数的绝缘材料，例如氮化铝(AlN)。
请参照图3D，接着以电流阻挡层33为蚀刻阻挡层，以例如但不限于薄膜工艺、黄光工艺、蚀刻工艺、电子束曝光工艺、阳极氧化铝工艺或微纳米小球所制成的掩模层蚀刻第二半导体层323。
此时，第二半导体层323具有第一微纳米结构，而电流阻挡层33具有与第一微纳米结构相对应的第二微纳米结构。于本实施中，第一微纳米结构及第二微纳米结构分别至少包括纳米球、纳米柱、纳米孔洞、纳米点、纳米线、纳米凹凸结构、周期性孔洞结构或非周期性孔洞结构。
请参照图3E，步骤S103是形成电流扩散层34覆盖电流阻挡层33及部分的第二半导体层323。电流扩散层34的材料为铟锡氧化物(ITO)、镍/金(Ni/Au)、镍氧化物(NiOx)、掺铝氧化锌(AZO)、锌镓氧化物(GZO)、锑锡氧化物或各式透明导电材料等具有高热传导、低工艺成本与高稳定性的材料。
步骤S104是形成反射层35于电流扩散层34上。反射层35可为金属反射层，其除了具有反射功效之外，亦可提供良好的导热路径。且反射层35的材料可为铂、金、银、钯、镍、铬、钛、铬/铝、镍/铝、钛/铝、钛/银、铬/铂/铝或其组合。
此外，反射层35可为由具有高低折射率的介电薄膜所组成的光学反射元件、金属反射层、金属介电反射层或由微纳米球所组成的光学反射元件，意即反射层35可由多种材料组合或堆叠而成。
请参照图3F，步骤S105是形成粘贴层36于基板37上，而基板37为导电基板或金属基板。粘贴层36为导电粘贴层，其材料包括低温接着的纯金属(低于400℃)、合金金属、导电材料、焊料、有机材料或各式导电接着剂。
请参照图3G，步骤S106是将基板37及反射层35通过粘贴层36结合。请参照图3H，步骤S107是翻转于步骤S106所形成的发光二极管装置3，并移除外延基板31。
请参照图3I，步骤S108是形成透明导电层38于第一半导体层321上。透明导电层38的材料包括铟锡氧化物、掺铝氧化锌、镍/金、锌氧化物或锌镓氧化物。
步骤S109分别形成第一电极E1与透明导电层38电性连接，并形成第二电极E2与基板37电性连接。
步骤S110是形成保护层39于透明导电层38上。保护层39为抗反射层，其材料包括微纳米粒子、氮化物、氧化物、碳化物、介电材料或高导热系数的绝缘材料。于实施上，微纳米粒子可为纳米球，其是以例如但不限于浸涂(Dip coating)、旋转涂布(Spin coating)、喷洒涂布(Spray coating)而形成保护层39。保护层可通过调整微纳米粒子的材料、大小、折射率，以提供散射、均光、扩散光线及抗反射的多功能出光表面。
值得一提的是，上述步骤并不仅限于此顺序，其可依据工艺的需要而进行步骤的调换。
[第二实施例]
请参照图4，依据本发明第二实施例的发光二极管装置4的制造方法包括步骤S201至步骤S211。以下请同时参照图5A至图5J。其中步骤S201至S203(图5A至图5E)与第一实施例相同，故省略其相关说明。
步骤S204是形成反射层45于电流扩散层44上，接着再形成绝缘导热层40于反射层45上。其中绝缘导热层40的材料包括氮化物、氧化物、碳化物、氧化铝、碳化硅以及各式介电材料。
请参照图5F，步骤S205是形成粘贴层46于基板47上。粘贴层46的材料包括低温接着的非导电材料、有机材料或各式接着剂，而基板为透光基板、散热基板、绝缘基板、散热绝缘基板或复合材料基板。
请参照图5G，步骤S206是将基板47及绝缘导热层40通过粘贴层46结合。请再参照图5H，步骤S207是翻转于步骤S206所形成的发光二极管装置4，并移除外延基板41。
请参照图5I，步骤S208是移除部分的第一半导体层421、部分的发光层422、部分的第二半导体层423及部分的电流扩散层44，以暴露出部分的电流扩散层44。
请参照图5J，步骤S209是形成透明导电层48于第一半导体层421上。透明导电层48的材料包括铟锡氧化物、掺铝氧化锌、镍/金、锌氧化物或锌镓氧化物。
步骤S210分别形成第一电极E3与透明导电层48电性连接，并形成第二电极E4与暴露的电流扩散层44电性连接。
步骤S211是形成保护层49于透明导电层48及部分的电流扩散层44上。保护层49为抗反射层，其材料包括微纳米粒子、氮化物、氧化物、碳化物、介电材料或高导热系数的绝缘材料。于实施上，微纳米粒子可为纳米球，其是以例如但不限于浸涂、旋转涂布、喷洒涂布而形成保护层49。保护层49可通过调整微纳米粒子的材料、大小、折射率，以提供散射、均光、扩散光线及抗反射的多功能出光表面。
值得一提的是，上述步骤并不仅限于此顺序，其可依据工艺的需要而进行步骤的调换。
[第三实施例]
请参照图6，依据本发明第三实施例的发光二极管装置5的制造方法包括步骤S301至步骤S306。以下请同时参照图7A至图7E。其中有关图7A的相关说明与上述实施例相同，故省略不再详述。
于本实施例中，第二半导体层523于发光层522上以例如但不限于薄膜工艺、黄光工艺、蚀刻工艺、电子束曝光工艺、阳极氧化铝工艺或微纳米小球所制成的掩模层进行蚀刻，以使第二半导体层523具有如图7B的第一微纳米结构。
微纳米结构至少包括纳米球、纳米柱、纳米孔洞、纳米点、纳米线、纳米凹凸结构、周期性孔洞结构或非周期性孔洞结构。于此，第一微纳米结构是以纳米柱为例说明。
请参照图7C，步骤S302是移除部分的外延叠层52，意即移除部分的第二半导体层523以及部分的发光层522，以暴露出部分的第一半导体层521。
请参照图7D，步骤S303是形成电流阻挡层53于第二半导体层523上。电流阻挡层53是在第二半导体层523上以例如但不限于堆叠工艺、烧结工艺、阳极氧化铝工艺、纳米压印工艺、转印工艺、热压工艺、蚀刻工艺或电子束曝光工艺，以使电流阻挡层53覆盖部分的第二半导体层523、部分的发光层522以及部分的第一半导体层521。电流阻挡层53的材料包括氮化物、氧化物或碳化物。
请参照图7E，步骤S304是形成电流扩散层54覆盖于部分的第二半导体层523及部分的电流阻挡层53。电流扩散层54的材料为铟锡氧化物、镍/金、镍氧化物、掺铝氧化锌、锌镓氧化物、锑锡氧化物或各式透明导电材料。
步骤S305是形成反射层55于电流扩散层54上。反射层55可为金属反射层，其除了具有反射功效之外，亦可提供良好的导热路径。且反射层55的材料为铂、金、银、钯、镍、铬、钛、铬/铝、镍/铝、钛/铝、钛/银、铬/铂/铝或其组合。
此外，反射层55可为由具有高低折射率的介电薄膜所组成的光学反射元件、金属反射层、金属介电反射层或由微纳米球所组成的光学反射元件，意即反射层55可由多种材料组合或堆叠而成。
步骤S306分别形成第一电极E5与暴露的第一半导体层521电性连接，并形成第二电极E6与反射层55电性连接，以形成发光二极管装置5。
值得一提的是，上述步骤并不仅限于此顺序，其可依据工艺的需要而进行步骤的调换。
综上所述，本发明的发光二极管装置及其制造方法通过电流阻隔层及电流扩散层，以使发光二极管装置的电流均匀分布。亦即，操作中的发光二极管装置具有均匀的电流密度，以使热均匀分布，进而提升发光二极管装置的发光效率。
以上所述仅为举例性，而非为限制性者。任何未脱离本发明的精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包含于后附的权利要求中。
Claims (80)
1.一种发光二极管装置，包括：
外延叠层，其中该外延叠层依序具有第一半导体层、发光层及第二半导体层，该第二半导体层具有第一微纳米结构，且；
电流阻挡层，形成于该第二半导体层上，该电流阻挡层具有与该第一微纳米结构相对应的第二微纳米结构；以及
电流扩散层，覆盖该电流阻挡层及部分的该第二半导体层，其中该部分的第一微纳米结构与该电流扩散层接触。
2.如权利要求1所述的发光二极管装置，其中该第一半导体层为P型外延层或N型外延层。
3.如权利要求1所述的发光二极管装置，其中该第二半导体层为P型外延层或N型外延层。
4.如权利要求1所述的发光二极管装置，其中该第一微纳米结构至少包括纳米凹凸结构。
5.如权利要求1所述的发光二极管装置，其中该第一微纳米结构至少包括周期性孔洞结构或非周期性孔洞结构。
6.如权利要求1所述的发光二极管装置，其中该第一微纳米结构至少包括纳米球、纳米柱、纳米孔洞、纳米点或纳米线。
7.如权利要求1所述的发光二极管装置，其中该电流阻挡层的材料包括介电材料。
8.如权利要求1所述的发光二极管装置，其中该电流阻挡层的材料包括高导热系数的绝缘材料。
9.如权利要求1所述的发光二极管装置，其中该电流阻挡层的材料包括氮化物、氧化物或碳化物。
10.如权利要求1所述的发光二极管装置，其中该电流扩散层的材料为透明导电材料。
11.如权利要求1所述的发光二极管装置，其中该电流扩散层的材料为铟锡氧化物、镍/金、镍氧化物、掺铝氧化锌、锌镓氧化物或锑锡氧化物。
12.如权利要求1所述的发光二极管装置，其还包括基板，其中该外延叠层、该电流阻挡层及该电流扩散层设置于该基板之上。
13.如权利要求12所述的发光二极管装置，其中该基板为透光基板。
14.如权利要求12所述的发光二极管装置，其中该基板为绝缘基板或导电基板。
15.如权利要求12所述的发光二极管装置，其还包括：
粘贴层，设置于该基板与该电流扩散层之间。
16.如权利要求15所述的发光二极管装置，其中该粘贴层的材料包括低温接着的导电材料或非导电材料。
17.如权利要求15所述的发光二极管装置，其中该粘贴层的材料包括低温接着的接着剂。
18.如权利要求15所述的发光二极管装置，其中该粘贴层的材料包括低温接着的纯金属或合金金属。
19.如权利要求15所述的发光二极管装置，其中该粘贴层的材料包括低温接着的焊料。
20.如权利要求15所述的发光二极管装置，其中该粘贴层的材料包括低温接着的有机材料。
21.如权利要求1或15所述的发光二极管装置，其还包括：
反射层，设置于该粘贴层与该电流扩散层之间，或该电流扩散层的一侧。
22.如权利要求21所述的发光二极管装置，其中该反射层的材料为铂、金、银、钯、镍、铬、钛、铬/铝、镍/铝、钛/铝或其组合。
23.如权利要求21所述的发光二极管装置，其中该反射层为由具有高低折射率的介电薄膜所组成的光学反射元件、金属反射层、金属介电反射层或由微纳米球所组成的光学反射元件。
24.如权利要求21所述的发光二极管装置，其还包括：
绝缘导热层，设置于该粘贴层及该反射层之间。
25.如权利要求24所述的发光二极管装置，其中该绝缘导热层的材料包括介电材料。
26.如权利要求24所述的发光二极管装置，其中该绝缘导热层的材料包括氮化物、氧化物、碳化物或氧化铝。
27.如权利要求1或12所述的发光二极管装置，其还包括：
透明导电层，设置于该外延叠层的另一侧。
28.如权利要求27所述的发光二极管装置，其中该透明导电层的材料包括铟锡氧化物、镍/金或锌氧化物。
29.如权利要求27所述的发光二极管装置，其中该透明导电层的材料包括掺铝氧化锌或锌镓氧化物。
30.如权利要求27所述的发光二极管装置，其还包括：
保护层，与该透明导电层、部分的外延叠层或部分的电流扩散层接触。
31.如权利要求30所述的发光二极管装置，其中该保护层为抗反射层。
32.如权利要求30所述的发光二极管装置，其中该保护层的材料包括高导热系数的绝缘材料。
33.如权利要求30所述的发光二极管装置，其中该保护层的材料包括微纳米粒子。
34.如权利要求30所述的发光二极管装置，其中该保护层的材料包括介电材料。
35.如权利要求30所述的发光二极管装置，其中该保护层的材料包括氮化物、氧化物或碳化物。
36.如权利要求30所述的发光二极管装置，其还包括：
第一电极，与该透明导电层电性连接；以及
第二电极，与该基板或暴露的该电流扩散层电性连接。
37.如权利要求1所述的发光二极管装置，其中该第二微纳米结构至少包括纳米凹凸结构。
38.如权利要求1所述的发光二极管装置，其中该第二微纳米结构至少包括周期性孔洞结构或非周期性孔洞结构。
39.如权利要求1所述的发光二极管装置，其中该第二微纳米结构至少包括纳米球、纳米柱、纳米孔洞、纳米点或纳米线。
40.如权利要求21所述的发光二极管装置，其还包括：
第一电极，与暴露于该第一半导体层电性连接；以及
第二电极，与于该反射层电性连接。
41.一种发光二极管装置的制造方法，包括以下步骤：
形成外延叠层于第一基板上，该步骤包括：
形成第一半导体层于该第一基板上；
形成发光层于该第一半导体层上；以及
形成第二半导体层于该发光层上；
形成电流阻挡层于该第二半导体层上，该电流阻挡层为蚀刻阻挡层；以及
以电流阻挡层为蚀刻阻挡层，蚀刻该第二半导体层，其中该电流阻挡层形成第二微纳米结构及该第二半导体层上形成第一微纳米结构，该第二微纳米结构对应该第二半导体层的该第一微纳米结构；
形成电流扩散层覆盖该电流阻挡层或部分的该第二半导体层上。
42.如权利要求41所述的制造方法，其中该第一半导体层为P型外延层或N型外延层。
43.如权利要求41所述的制造方法，其中该第二半导体层为P型外延层或N型外延层。
44.如权利要求41所述的制造方法，其中该第一微纳米结构通过薄膜工艺、黄光工艺、蚀刻工艺、电子束曝光工艺、阳极氧化铝工艺或微纳米小球所制成的掩模层进行蚀刻而形成。
45.如权利要求41所述的制造方法，其中该第一微纳米结构及该第二微纳米结构分别至少包括纳米凹凸结构。
46.如权利要求41所述的发光二极管装置，其中该第一微纳米结构及该第二微纳米结构分别至少包括周期性孔洞结构或非周期性孔洞结构。
47.如权利要求41所述的发光二极管装置，其中该第一微纳米结构及该第二微纳米结构分别至少包括纳米球、纳米柱、纳米孔洞、纳米点或纳米线。
48.如权利要求41所述的制造方法，其中该电流阻挡层的材料包括高导热系数的绝缘材料。
49.如权利要求41所述的制造方法，其中该电流阻挡层的材料包括介电材料。
50.如权利要求41所述的制造方法，其中该电流阻挡层的材料包括氮化物、氧化物或碳化物。
51.如权利要求41所述的制造方法，其中该电流阻挡层通过堆叠工艺、烧结工艺、阳极氧化铝工艺、纳米压印工艺、转印工艺、热压工艺、蚀刻工艺或电子束曝光工艺而形成。
52.如权利要求41所述的制造方法，其中该电流扩散层的材料为透明导电材料。
53.如权利要求41所述的制造方法，其中该电流扩散层的材料为锡氧化物、镍/金、镍氧化物、掺铝氧化锌、锌镓氧化物或锑锡氧化物。
54.如权利要求41所述的制造方法，其步骤还包括形成反射层于该电流扩散层上。
55.如权利要求54所述的制造方法，其中该反射层的材料为铂、金、银、钯、镍、铬、钛、铬/铝、镍/铝、钛/铝或其组合。
56.如权利要求54所述的制造方法，其中该反射层为由具有高低折射率的介电薄膜所组成的光学反射元件、金属反射层、金属介电反射层或由微纳米球所组成的光学反射元件。
57.如权利要求54所述的制造方法，其步骤还包括：
形成粘贴层于第二基板上；以及
将该第二基板及该反射层通过该粘贴层结合。
58.如权利要求57所述的制造方法，该第二基板为透光基板。
59.如权利要求57所述的制造方法，该第二基板为散热基板。
60.如权利要求57所述的制造方法，其中该粘贴层的材料包括低温接着的导电材料或非导电材料。
61.如权利要求57所述的制造方法，其中该粘贴层的材料包括低温接着的接着剂。
62.如权利要求57所述的制造方法，其中该粘贴层的材料包括低温接着的焊料。
63.如权利要求57所述的制造方法，其中该粘贴层的材料包括低温接着的纯金属或合金金属。
64.如权利要求57所述的制造方法，其中该粘贴层的材料包括低温接着的有机材料。
65.如权利要求57所述的制造方法，其步骤还包括：
翻转该发光二极管装置；以及
移除该第一基板。
66.如权利要求65所述的制造方法，其步骤还包括：
形成透明导电层于该第一半导体层上。
67.如权利要求66所述的制造方法，其中该透明导电层的材料包括铟锡氧化物、镍/金或锌氧化物。
68.如权利要求66所述的制造方法，其中该透明导电层的材料包括掺铝氧化锌或锌镓氧化物。
69.如权利要求66所述的制造方法，其步骤还包括：
形成第一电极与该透明导电层电性连接；以及
形成第二电极与该第二基板或该电流扩散层电性连接。
70.如权利要求69所述的制造方法，其步骤还包括：
形成保护层于该透明导电层上或该电流扩散层上，或覆盖该透明导电层、部分的该第一半导体层、部分的该发光层、部分的该第二半导体层及部分的该电流扩散层。
71.如权利要求70所述的制造方法，其中该保护层为抗反射层。
72.如权利要求70所述的制造方法，其中该保护层的材料包括高导热系数的绝缘材料。
73.如权利要求70所述的制造方法，其中该保护层的材料包括微纳米粒子。
74.如权利要求70所述的制造方法，其中该保护层的材料包括介电材料。
75.如权利要求70所述的制造方法，其中该保护层的材料包括氮化物、氧化物或碳化物。
76.如权利要求70所述的制造方法，其步骤还包括：
形成绝缘导热层于该反射层上与该粘贴层之间。
77.如权利要求76所述的制造方法，其中该绝缘导热层的材料包括介电材料。
78.如权利要求76所述的制造方法，其中该绝缘导热层的材料包括氮化物、氧化物、碳化物或氧化铝。
79.如权利要求76所述的制造方法，其步骤还包括：
移除部分的该第一半导体层、部分的该发光层、部分的该第二半导体层及部分的该电流扩散层，以暴露出部分的该电流扩散层。
80.如权利要求79所述的制造方法，其步骤还包括：
形成第一电极与暴露的该第一半导体层电性连接；以及
形成第二电极与该反射层电性连接。
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