TW201526282A - 發光二極體晶片 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種發光二極體晶片，包括：一基板；一發光二極體堆疊層形成於基板上，其中發光二極體堆疊層包括：一第一型半導體層，形成於基板上；一主動層，部分覆蓋第一型半導體層，且裸露出部分第一型半導體層；及一第二型半導體層，形成於主動層上；一電流擴散層，形成於第二型半導體層上；一第一電極形成於裸露的第一型半導體層上；以及一第二電極形成於電流擴散層上；其中，電流擴散層包括：一第一部份，具有一第一厚度；及一第二部份，具有一第二厚度，且第二部份在第一型半導體層上的垂直投影圍繞部分第一電極在第一型半導體層上的垂直投影，且第一厚度大於第二厚度。

Description

發光二極體晶片

本發明係關於一種半導體技術，且特別是關於一種可有效增加發光亮度之發光二極體晶片及發光裝置。

發光二極體(light-emitting diode，LED)由於裝置尺寸小、切換速度快、耗電量低、耐久性佳等特性，目前已廣泛應用於各種用途，例如照明、車用指示燈、交通號誌等等。發光二極體通常包括由例如一p型半導體層及一n型半導體層所構成之p-n接面，藉由分別連接於p型半導體層及n型半導體層之電極對此p-n接面施加一適當偏壓，可使電子與電洞在p-n接面處結合放出能量，進而產生發光現象。

在傳統的發光二極體製程中，可於p型半導體層上設置一電流擴散層(current spreading layer)，使電流可平均地傳達至p型半導體層及與其相連之p-n接面(亦即「主動層」)。為了進一步提昇發光二極體之出光效率(light extraction efficiency，LEE)，已知可於電流擴散層中形成貫穿電流擴散層之開口圖形，以增加主動層所產生之光線的出光角度。

然而，由於此開口圖形也會對電流擴散層中的電流擴散造成阻礙，故此發光二極體結構之亮度均勻性及電性(例如驅動電壓等等)仍有待改善，本技術領域人員仍持續尋求可將發光二極體之驅動電壓保持在適用範圍內同時提昇發 光二極體之發光效率的製造方法。

本發明一實施例提供一種發光二極體晶片，包括：一基板；一發光二極體堆疊層形成於基板上，其中發光二極體堆疊層包括：一第一型半導體層，形成於基板上；一主動層，部分覆蓋第一型半導體層，且裸露出部分第一型半導體層；及一第二型半導體層，形成於主動層上；一電流擴散層，形成於第二型半導體層上；一第一電極形成於裸露的第一型半導體層上；以及一第二電極形成於電流擴散層上；其中，電流擴散層包括：一第一部份，具有一第一厚度；及一第二部份，具有一第二厚度，且第二部份在第一型半導體層上的垂直投影圍繞部分第一電極在第一型半導體層上的垂直投影，且第一厚度大於第二厚度。

10、20、30‧‧‧發光二極體晶片

100、300‧‧‧基板

110、310‧‧‧發光二極體堆疊層

112、312‧‧‧第一型半導體層

114、314‧‧‧主動層

116、316‧‧‧第二型半導體層

120‧‧‧電流擴散材料層

122、222、322‧‧‧電流擴散層

122a、222a、322a‧‧‧第一側邊

122b、222b、322b‧‧‧第二側邊

122c、222c‧‧‧第三側邊

130、330‧‧‧平台

140、340‧‧‧第一電極

140a‧‧‧第一主電極部

140b‧‧‧第一指電極部

140c‧‧‧第一電極連接部

150、350‧‧‧第二電極

150a‧‧‧第二主電極部

150b‧‧‧第二指電極部

150c‧‧‧第二電極連接部

150d、350a‧‧‧第二指電極部之側邊

222d‧‧‧凹部

P1‧‧‧第一部份

P2‧‧‧第二部份

P3‧‧‧第三部份

H1‧‧‧第一厚度

H2‧‧‧第二厚度

H3‧‧‧第三厚度

H4‧‧‧深度

W1、W2、W3‧‧‧寬度

B-B’‧‧‧切線

第1、2B、3B、4B圖為依據本發明之一實施例所繪示之一系列剖面圖，用以說明本發明之發光二極體晶片的製作流程。

第2A、3A、4A圖為分別對應於第2B、3B、4B圖之俯視圖，用以說明本發明之發光二極體晶片的製作流程。

第5圖為本發明之數個例示性實施例的亮度變化率量測結果。

第6圖為本發明之數個例示性實施例的電壓變化量量測結果。

第7圖為依據本發明之另一實施例所繪示之一剖面圖，用以說明本發明之發光二極體晶片。

第8A及8B圖分別為依據本發明之又一實施例所繪示之俯視圖及剖面圖，用以說明本發明之發光二極體晶片。

以下說明本發明實施例之製作及使用。需注意的是，所揭示的特定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，本說明書中不同範例可能使用重複的參考符號及/或用字，這些重複的參考符號及/或用字是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。

第1、2B、3B、4B圖為依據本發明之一實施例所繪示之一系列剖面圖，用以說明本發明之發光二極體晶片的製作流程。

請參照第1圖，其繪示了本發明之發光二極體晶片製作流程之一中間步驟，其中於基板100上形成一發光二極體堆疊層110。在本實施例中，基板100可使用導電性或非導電性之透光性材料，例如砷化鎵(GaAs)、藍寶石(sapphire)、氮化鎵(GaN)、氮化鋁(AlN)、氮化銦(InN)、磷化銦(InP)、氮化鋁鎵(AlGaN)、氮化銦鎵(GaInN)、碳化矽(SiC)、氧化鋅(ZnO)、摻鋁氧化鋅(AZO)、或前述之組合。在一實施例中，使用一藍寶石基板作為基板100，然而並未限定於此。

發光二極體堆疊層110包括依序堆疊於基板100上之第一型半導體層112、主動層114及第二型半導體層116，且 第一型半導體層112、主動層114及第二型半導體層116分別可為單層結構或多層結構。再者，主動層114可為單異質結構(single heterostructure，SH)、雙異質結構(double heterostructure，DH)或多重量子井(multi-quantum well，MQW)結構，且可藉由改變構成主動層114之材料的成份組成來調整主動層114的發光波長。例如，可使用氮化銦鎵(InGaN)/氮化鎵(GaN)之多重量子井結構來構成主動層114，以使主動層114可發出藍光。第一型半導體層112、主動層114及第二型半導體層116可分別包括鎵(Ga)、鋁(Al)、銦(In)、氮(N)、砷(As)、磷(P)、矽(Si)、前述之化合物、或前述之組合，且可分別進一步包括用以調整上述半導體膜層112、114、116之導電性質或上述主動層114之光電性質的摻雜物。例如，第一型半導體層112可進一步包括一n型摻雜物(例如矽)，第二型半導體層116則可進一步包括一p型摻雜物(例如鎂)。可使用任意適當磊晶成長製程來形成第一型半導體層112、主動層114及第二型半導體層116，例如有機金屬化學氣相沈積法(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)、分子束磊晶法(Molecular Beam Epitoxy，MBE)等等。

在一實施例中，藉由有機金屬化學氣相沈積製程及摻雜製程於基板100上依序形成一n型摻雜之氮化鎵(n-GaN)層作為第一型半導體層112、一多重量子井結構作為主動層114、以及一p型摻雜之氮化鎵(p-GaN)層作為第二型半導體層116。

接著，於發光二極體堆疊層110之第二型半導體層 116上形成一電流擴散材料層120，而得到如第1圖所示之層積結構。在一實施例中，電流擴散材料層120可包括透明導電氧化物，例如氧化銦錫(indium tin oxide，ITO)、氧化鋁鋅(aluminum-doped zinc oxide，AZO)、氧化鋅(zinc oxide)、氧化銦(indium oxide)、氧化錫(tin oxide)、氧化錫銻(antimony-doped tin oxide，ATO)、或前述之組合，並可使用任意適當方法來形成，例如物理或化學氣相沈積、蒸鍍、濺鍍或其它適當方法。

請參照第2A及2B圖，其中，第2A圖繪示了在本發明之發光二極體晶片製作流程中蝕刻平台130之中間步驟時的俯視圖，第2B圖則繪示了沿第2A圖之B-B’切線所作的剖面圖。在此步驟中，對發光二極體堆疊層110及電流擴散材料層120實施一平台蝕刻步驟，以形成貫穿電流擴散材料層120、第二型半導體層116、主動層114及第一型半導體112的平台130。平台130可使用任意適當方法來形成，例如一乾蝕刻步驟。請同時參照第2B、4A~4B圖，在平台蝕刻步驟之後，主動層114部分覆蓋第一型半導體層112且裸露出部分第一型半導體層112，其中裸露的第一型半導體層112(即平台130)係用以容納在後續步驟中所形成之第一電極140(繪示於第4A~4B圖)，其可作為第一型半導體層112與外部裝置(未繪示)的一電性連接途徑。如第2A圖所示，平台130係定義出在後續步驟中用以容納第一電極140的區域，且在俯視電流擴散材料層120之方向係具有相似於第一電極140的外形。

請參照第3A及3B圖，其中，第3A圖繪示了本發明 之發光二極體晶片製作流程中形成電流擴散層122之中間步驟時的俯視圖，第3B圖則繪示了沿第3A圖之B-B’切線所作的剖面圖。在形成平台130之後，藉由微影及蝕刻製程移除電流擴散材料層120之部份電流擴散材料，以形成包括第一部份P1、第二部份P2之電流擴散層122。請同時參照第3A、4A~4B圖，第二部份P2可鄰接於第一部份P1，且在俯視電流擴散層122之方向具有相似於後續步驟中所形成之第一電極140之第一指電極部140b的外形。例如，第二部份P2在第一型半導體層112上的垂直投影可圍繞第一電極140之第一指電極部140b在第一型半導體層112上的垂直投影。第二部份P2可具有相對於第一部份P1之第一側邊122a的一第二側邊122b，且第一側邊122a與第二側邊122b之間的最短距離決定了第二部份P2之寬度W2。第二部份P2之寬度W2可為10~80μm，在一實施例中，第二部份P2之寬度為30~60μm。再者，請同時參照第3A圖及3B圖，電流擴散層122之第一部份P1及第二部份P2分別具有一大體上平坦之表面，其中第一部份P1具有一第一厚度H1，第二部份P2具有一第二厚度H2，且第一厚度H1可大於第二厚度H2。在一實施例中，第二厚度H2可為第一厚度H1之1/5~4/5倍。

在本實施例中，電流擴散層122可進一步包括鄰接於第一部份P1之第三部份P3，且第三部份P3在俯視電流擴散層122之方向係位於電流擴散層122的外緣。第一部份P1在鄰接於第三部份P3處可具有第三側邊122c，第一部份P1之第三側邊122c與電流擴散層122之外緣側邊之間的最短距離決定了第三部份P3之寬度W3。相似地，第三部份P3之寬度W3可為10~80 μm。在一實施例中，第三部份P3之寬度為30~60μm。再者，第三部份P3可具有一第三厚度H3，且第三厚度H3小於第一部份P1之第一厚度H1。在一實施例中，第三厚度H3可為第一厚度H1之1/5~4/5倍。

最後，請參照第4A及4B圖，其中，第4A圖繪示了本實施例之發光二極體晶片10的俯視圖，第4B圖則繪示了沿第4A圖之B-B’切線所作的剖面圖。在形成電流擴散層122之步驟之後，於平台130上形成一第一電極140，並於電流擴散層122上形成一第二電極150，可得到本實施例之發光二極體晶片10。在本實施例中，第一電極140包括第一主電極部140a、複數第一指電極部140b及對應複數第一指電極部140b之複數第一電極連接部140c，其中每一第一指電極部140b是藉由一第一電極連接部1400與第一主電極部140a連接。第二電極150包括一第二主電極部150a、複數第二指電極部150b及複數第二電極連接部150c，其中每一第二指電極部150b是藉由一第二電極連接部150c與第二主電極部150a連接。再者，每一第一指電極部140b位於二相鄰之第二指電極部150b之間，如第4A圖所示。第一電極140及第二電極150可包括一導電材料，例如銅、鋁、銀、金或前述之組合，且可使用任意適當方法來形成，例如物理或化學氣相沈積法、蒸鍍法、濺鍍法、電鍍法、或其它適當方法。

請參照第5~6圖，其繪示了對上述實施例中電流 擴散層之第二部份P2之寬度W2及第三部份P3之寬度W3分別為20、40、60μm的範例1~3與電流擴散層中具有貫穿開口圖形的比較例1分別進行亮度及驅動電壓(V_F)的量測結果。其中，第5圖顯示了以「電流擴散層不具有任何圖案或厚度變化區域」之裝置的亮度量測數值為基準，分別計算範例1~3及比較例1與「電流擴散層不具有任何圖案或厚度變化區域」之裝置的亮度量測數值差異所佔百分比而得到之亮度變化率(單位為%)，第6圖則顯示了藉由分別計算範例1~3及比較例1與「電流擴散層不具有任何圖案或厚度變化區域」之裝置的驅動電壓量測數值差異而得到之驅動電壓變化量(單位為V)。又，在第5~6圖中，將第二部份P2之寬度W2及第三部份P3之寬度W3定義為「圖案尺寸」。

如第5圖所示，比較例1之亮度並無顯著提昇，相較於此，本實施例之範例1~3之發光二極體晶片的亮度明顯提昇了0.5~1.1%。因此，雖然在第6圖所示之驅動電壓變化量的量測結果中，本實施例之範例1~3之發光二極體晶片的驅動電壓略高於比較例1，但若同時參照第5圖而將發光二極體晶片之亮度表現列入考量，則就發光二極體晶片整體表現而言，本實施例之範例1~3仍優於比較例1。特別是在本實施例之範例1(W2及W3=20μm)中，可在電壓變化量不到0.005V的情況下，使發光二極體晶片的亮度提昇0.5%。由此可知，本發明之發光二極體晶片由於在電流擴散層122中形成了在第一型半導體層112上的垂直投影圍繞部分第一電極140在第一型半導體層112上的垂直投影的第二部份P2，並在電流擴散層122之外緣 區域形成第三部份P3，可在使電流擴散層122之電流擴散效率保持在適用範圍的情況下，同時降低電流擴散層122對光的吸收，並提昇光取出效率，進而增加發光二極體晶片10之亮度及發光效率。

請參照第7圖，其繪示出本發明之另一實施例之發光二極體晶片20的剖面圖。在本實施例中，亦可在形成發光二極體堆疊層110之後，在發光二極體堆疊層110之第二型半導體層116上形成除了第一部份P1、第二部份P2、第三部份P3之外，進一步包括至少一凹部222d的電流擴散層222。隨後，再以相似於第4A圖之實施例的方式於平台130上形成一第一電極140，並於電流擴散層222上形成一第二電極150，以得到本實施例之發光二極體晶片20。其中，凹部222d係位於電流擴散層222之第一部份P1的上表面，並具有小於或等於第二部份P2之第二厚度H2的一深度H4。藉由使第一部份P1之上表面具有凹部222d，可增加發光二極體晶片20中由主動層114所發出之光線的出光角度，進一步增加發光二極體晶片20的出光效率及亮度。再者，由於本實施型態之凹部222d並未完全貫穿電流擴散層222，故可在使電流擴散層222之電流擴散效率保持在適用範圍的情況下，同時達到提高發光二極體晶片20之亮度的效果。

請參照第8A及8B圖，其分別繪示了本發明又一實施例中發光二極體晶片30之俯視圖及剖面圖。在本實施例中，亦可將第一電極340形成為不具有複數第一指電極部及複數第一電極連接部之外形，將第二電極350形成為不具有第二指電極部及第二電極連接部之外形，並在發光二極體堆疊層310之 第二型半導體層316上形成外緣具有第二部份P2之電流擴散層322，以得到本實施例之發光二極體晶片30。相似地，第一部份P1之第一厚度H1可大於第二部份P2之第二厚度H2，且在一實施例中，第二厚度H2可為第一厚度H1之1/5~4/5倍。再者，第二部份P2之寬度W2可為10~80μm。在一實施例中，第二部份P2之寬度W2為30~60μm。本實施例之發光二極體晶片30由於使用了面積較小的第一電極140及第二電極150，故可用於提昇小尺寸之發光二極體晶片的亮度，並使驅動電壓保持在適用範圍內。

此外，上述本發明數個實施例中所提供之發光二極體晶片10、20、30可進一步應用於發光裝置之製作，例如固態照明裝置、液晶顯示器之背光單元、指示燈、光感測器等等。

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。

10‧‧‧發光二極體晶片

100‧‧‧基板

110‧‧‧發光二極體堆疊層

112‧‧‧第一型半導體層

114‧‧‧主動層

116‧‧‧第二型半導體層

122‧‧‧電流擴散層

122a‧‧‧第一側邊

122b‧‧‧第二側邊

122c‧‧‧第三側邊

130‧‧‧平台

140b‧‧‧第一指電極部

150b‧‧‧第二指電極部

150d‧‧‧第二指電極部之側邊

W1、W2、W3‧‧‧寬度

P1‧‧‧第一部份

P2‧‧‧第二部份

P3‧‧‧第三部份

H1‧‧‧第一厚度

H2‧‧‧第二厚度

H3‧‧‧第三厚度

Claims (14)

1. 一種發光二極體晶片，包括：一基板；一發光二極體堆疊層形成於該基板上，其中該發光二極體堆疊層包括：一第一型半導體層，形成於該基板上；一主動層，部分覆蓋該第一型半導體層，且裸露出部分該第一型半導體層；及一第二型半導體層，形成於該主動層上；一電流擴散層，形成於該第二型半導體層上；一第一電極形成於裸露的該第一型半導體層上；以及一第二電極形成於該電流擴散層上；其中，該電流擴散層，包括：一第一部份，具有一第一厚度；及一第二部份，具有一第二厚度，且該第二部份在該第一型半導體層上的垂直投影圍繞部分該第一電極在該第一型半導體層上的垂直投影，且該第一厚度大於該第二厚度。
2. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體晶片，其中該第一電極包括一第一主電極部、複數第一指電極部及複數第一電極連接部，且每一該等第一指電極部是以每一該等第一電極連接部與該第一主電極部連接。
3. 如申請專利範圍第2項所述之發光二極體晶片，其中該第二電極包括一第二主電極部、複數第二指電極部及複數第二電極連接部，其中每一該等第二指電極部是以每一 該等第二電極連接部與該第二主電極部連接，且每一該等第一指電極部是位於二相鄰的該等第二指電極部之間。
4. 如申請專利範圍第3項所述之發光二極體晶片，其中該第二部份在該第一型半導體層上的垂直投影圍繞該第一指電極部在該第一型半導體層上的垂直投影。
5. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體晶片，其中該第二厚度為該第一厚度之1/5~4/5倍。
6. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體晶片，其中該電流擴散層更包括一第三部份，位於該電流擴散層的外緣，該第三部份具有一第三厚度，且該第三厚度小於該第一部份之該第一厚度。
7. 如申請專利範圍第5項所述之發光二極體晶片，其中該第三厚度為該第一厚度之1/5~4/5倍。
8. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體晶片，其中該第二部份寬度為10~80μm。
9. 如申請專利範圍第7項所述之發光二極體晶片，其中該第二部份的寬度為30~60μm。
10. 如申請專利範圍第5項所述之發光二極體晶片，其中該第三部份的寬度為10~80μm。
11. 如申請專利範圍第9項所述之發光二極體晶片，其中該第三部份的寬度為30~60μm。
12. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體晶片，其中該第一部份具有一大體上平坦之表面。
13. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體晶片，其 中該第一部份之上表面包括至少一凹部，該凹部之一深度，小於或等於該第二厚度。
14. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體晶片，其中該電流擴散層材質包括透明導電氧化物。