TW201340405A - 發光二極體 - Google Patents

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Shih-Pu Yang
Jui-Yi Chu
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Lextar Electronics Corp
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    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10HINORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
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Abstract

本發明提出一種發光二極體,此發光二極體包括:一金屬反射層、一載板、一分散布拉格反射層、一緩衝層以及一發光二極體磊晶結構。上述載板位於金屬反射層之下。上述分散布拉格反射層位在該金屬反射層上。上述緩衝層位於分散布拉格反射層之上。上述發光二極體磊晶結構位於緩衝層之上。

Description

發光二極體
本發明是有關於一種發光二極體的技術,且特別是有關於一種用以改善發光二極體製造的良率的製造程序以及用此製造程序所產生不同結構的發光二極體。
由於人類生活文明的進步,照明裝置已成為日常生活中不可或缺的用品。在早先,照明裝置一般是白熾燈泡(鎢絲燈泡),因此,以往若要對照明裝置進行調光,只需要額外在插頭與燈具之間設置一可變電阻旋扭,藉由調整可變電阻即可進行調光。然而,白熾燈泡具有發熱、壽命短、發光效率低、以及功率消耗大的缺點,目前幾乎已經全然淘汰。
發光二極體(Light Emitting Diode,簡稱LED)主要由P型與N型的半導體材料組成,它能產生在紫外線、可見光以及紅外線區域內的自幅射光。一般可見光的發光二極體大部份應用在電子儀器設備的指示器或是照明,而紅外線的發光二極體則應用於光纖通訊方面。
由於LED(發光二極體)具有發光效率高、使用壽命長、不易損壞、耗電量少、環保及體積小等優點,近來在環保與節能省碳的趨勢下,LED的應用愈來愈廣泛,例如交通號誌、路燈、手電筒、液晶顯示的背光模組或是譬如LED燈泡之各式照明裝置等。發光二極體(Light Emitting Diode)是一種固態發光元件(solid state luminous element),由P型與N型的半導體材料組成,它能產生在紫外線、可見光以及紅外線區域內的自輻射光。
分散式布拉格層(Distributed Bragg Reflector;DBR)常用於Nitride base LED的結構中,用來提高發光二極體的出光效率。氮化鎵(GaN)與氮化鎵鋁(AlGaN)因為具有很大的折射率差異,因此很常見用於製作氮化鎵元件的分散式布拉格反射層。不過,這兩種材料的結合也會帶來很大的晶格不匹配與熱膨脹係數等差異,如此一來很容易會導致磊晶層產生裂痕或缺陷。
利用磊晶製作DBR所產生的應力問題會影響整體LED的晶格品質,造成結構缺陷。特別的是,成長DBR結構會伴隨較大的拉伸應力(tensile strain),因此常會使後續的磊晶層無法有效釋放應力,而形成裂痕。另外,在矽基板成長LED結構一直有晶圓應力(wafer strain)的問題存在,使得裂痕產生,因此要利用磊晶的方式來成長DBR結構,晶圓勢必要承受更大的拉伸應變,容易形成裂痕。
本發明的目的是提供一種發光二極體的結構,在製作DBR之前加入氮化鎵銦鋁(AlInGaN)作為應力釋放層,以避免製作DBR時產生薄膜裂痕(film crack)。另外,本發明調整磊晶製程的順序,最後才成長DBR,可以在不影響其他磊晶層的情況下,調變DBR的成長條件以提升DBR的磊晶品質。
為了達成本發明的上述目的及其他目的,本發明提出一種發光二極體。此發光二極體包括:一金屬反射層、一載板、一分散布拉格反射層、一緩衝層以及一發光二極體磊晶結構。上述載板位於金屬反射層之下。上述分散布拉格反射層位在該金屬反射層上。上述緩衝層位於分散布拉格反射層之上。上述發光二極體磊晶結構位於緩衝層之上。
依照本發明較佳實施例所述之發光二極體,此發光二極體更包括一接合層,位在載板與金屬反射層之間。又,進一步的實施例中,此接合層的材料係選自由銀膠、自發性導電高分子或高分子中摻雜導電材質所形成之黏合材料。另外,此分散布拉格反射層係直接形成在金屬反射層與緩衝層之間。進一步的實施例中,分散布拉格反射層係由氮化鋁與氮化鎵以堆疊方式形成。另外,上述發光二極體磊晶結構包括一第一型半導體層、一主動層、一第二型半導體層、一第一電極以及、一第二電極。第一型半導體層位於緩衝層之上。主動層位於第一型半導體層之上。第二型半導體層位於主動層之上。第一電極位於第一型半導體層之上。第二電極位於第二型半導體層之上。
依照本發明較佳實施例所述之發光二極體,上述第一型半導體層為N型半導體層而第二型半導體層為P型半導體層。另一實施例中,第一型半導體層為P型半導體層而第二型半導體層為N型半導體層。又,進一步實施例中,上述緩衝層的晶格常數介於氮化鎵(GaN)的晶格常數與氮化鋁(AlN)的晶格常數之間。在更進一步實施例中,上述緩衝層的材質包括氮化鎵銦鋁(AlInGaN)。
依照本發明較佳實施例所述之發光二極體,上述金屬反射層的材料係選自由In、Al、Ti、Au、W、InSn、TiN、WSi、PtIn2、Nd/Al、Ni/Si、Pd/Al、Ta/Al、Ti/Ag、Ta/Ag、Ti/Al、Ti/Au、Ti/TiN、Zr/ZrN、Au/Ge/Ni、Cr/Ni/Au、Ni/Cr/Au、Ti/Pd/Au、Ti/Pt/Au、Ti/Al/Ni/Au、Au/Si/Ti/Au/Si、Au/Ni/Ti/Si/Ti或其合金所組成之一族群。
本發明的發光二極體係以使用載板承載,其磊晶結構的底層具有分散布拉格反射層與金屬反射層,可以增加發光二極體的出光效率。分散布拉格反射層係形成在發光二極體磊晶結構的頂部,所以沒有應力堆疊與累積的問題,可以降低薄膜裂痕的問題。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂,下文特舉較佳實施例,並配合所附圖式,作詳細說明如下。
在下文中,將藉由圖式說明本發明之實施例來詳細描述本發明,而圖式中的相同參考數字可用以表示類似的元件。
圖1繪示為本發明實施例所述之發光二極體的結構示意圖。請參考圖1,發光二極體的結構包括載板(bonding substrate)101、金屬反射層(metal mirror)102、分散式布拉格反射層(Distributed Bragg Reflector;DBR)103、緩衝層104以及發光二極體磊晶結構110。上述載板101位於金屬反射層102之下。上述分散布拉格反射層103位在金屬反射層102上。上述緩衝層104位於分散式布拉格反射層103之上。上述發光二極體磊晶結構110位於緩衝層104之上。
特別的是,此實施例中,用來磊晶成長發光二極體磊晶結構110的基板可以被去除,上述基板例如是矽基板(Si substrate)、藍寶石基板(Sapphire Substrate)或碳化矽基板(SiC substrate))。發光二極體磊晶結構110會被倒置並且直接黏貼在載板(bounding substrate)101上。換言之,最終成品的發光二極體元件主要是由發光二極體磊晶結構110與載板101構成,而不具有原先用來成長發光二極體磊晶結構110的基板。這是因為倒置後的發光二極體磊晶結構110,其發光面是原先基板的底面,所以底部基板需要經由研磨或蝕刻去除大部份的厚度,以增加發光效率。
分散式布拉格反射層103是形成在緩衝層104與金屬反射層102之間,而非直接形成於藍寶石基板或矽基板上。值得住意的是,上述緩衝層104是位於發光二極體磊晶結構110與分散式布拉格反射層103之間,而非如傳統技術中直接形成在藍寶石基板與矽基板上。也就是說,本實施例中的分散式布拉格反射層103的製程是在形成發光二極體磊晶結構110後進行,所以分散式布拉格反射層103係位於發光二極體磊晶結構110與金屬反射層102之間。
值得注意的是,上述載板101例如是IC載板,其材質例如是印刷電路板(printed circuit board,簡稱PCB)或陶瓷或塑料或玻璃纖維,本實施例不受限制。上述金屬反射層102的材料可以由In、Al、Ti、Au、W、InSn、TiN、WSi、PtIn2、Nd/Al、Ni/Si、Pd/Al、Ta/Al、Ti/Ag、Ta/Ag、Ti/Al、Ti/Au、Ti/TiN、Zr/ZrN、Au/Ge/Ni、Cr/Ni/Au、Ni/Cr/Au、Ti/Pd/Au、Ti/Pt/Au、Ti/Al/Ni/Au、Au/Si/Ti/Au/Si、Au/Ni/Ti/Si/Ti或其合金所組成。載板101與金屬反射層102之間具有一結合層(未繪示)以粘合載板101與金屬反射層102。上述接合層的材料係選自由銀膠、自發性導電高分子或高分子中摻雜導電材質所形成之黏合材料,但本實施例不限制於此。
上述分散式布拉格反射層103係由氮化鋁(AlN)與氮化鎵(GaN)以交互堆疊結構形成,例如一層氮化鋁,一層氮化鎵依序形成DBR磊晶結構。氮化鋁與氮化鎵形成的方式可利用金屬有機化學氣相沉積系統(MOCVD)。特別說明的是,本實施例不限制分散式布拉格反射層103的磊晶結構、氮化鋁與氮化鎵的堆疊層數、各層厚度以及其形成方式。
上述緩衝層104的晶格常數介於氮化鎵(GaN)的晶格常數與氮化鋁(AlN)的晶格常數之間,例如是氮化鎵銦鋁(AlInGaN),但本實施例不受限制。緩衝層104係作為應力釋放層,可以降低在發光二極體磊晶結構110上成長分散式布拉格反射層103所造成的應力問題,藉此降低發生裂痕的機會。
上述發光二極體磊晶結構110包括第一型半導體層105、主動層106與第二型半導體層107。在本實施例中,第一型半導體層105為P型半導體層,例如為鎂摻雜之磷化鋁鎵銦材料或鎂摻雜之氮化鎵材料(pGaN);第二型半導體層107為N型半導體層,例如為矽摻雜之磷化鋁鎵銦材料或矽摻雜之氮化鎵材料(nGaN);主動層106可為多重量子井(Multiquantum Well,MQW)結構,例如為氮化銦鎵/氮化鎵(In0.3Ga0.7N/GaN)量子井結構。值得注意的是,在本發明另一實施例中,第一型半導體層105可以是N型半導體層,第二型半導體層107可以是P型半導體層。
發光二極體磊晶結構110可以利用有機金屬化學氣相沉積法(metal organic chemical-vapor deposition,MOCVD)、液相磊晶法(Liquid Phase Epitaxy,LPE)或分子束磊晶法(Molecular Beam epitaxy,MBE)來形成,本實施例不受限制。
另外,值得一提的是,第一型半導體層105與第二型半導體層107上可以形成導電電極(conductive electrode)(未繪示),其材質例如為Ni/Au(鈦/金)或Ti/Al/Pt/Au(鈦/鉑/金),但本實施例不限制於此。導電電極可利用蒸鍍方式形成的低電阻介面,可做為金屬與半導體之間的雙向溝通,形成歐姆接觸(ohmic contact)。
接下來,以製程方式說明上述發光二極體的結構形成方式,請參照圖2A~2H,圖2A~2H為根據本發明實施例的發光二極體的製程示意圖。本實施例的發光二極體的製程至少包括下列步驟:
步驟一:請參照圖2A,在基板(例如藍寶石基板、矽基板或是碳化矽基板)201上形成發光二極體磊晶結構110(至少包括第一型半導體層105、主動層106與第二型半導體層107)。值得注意的是,磊晶的較佳順序是nGaN→MQW→pGaN,但本實施例不受限制。
步驟二:請參照圖2B,在發光二極體磊晶結構110上形成緩衝層104,其材質例如為氮化鎵銦鋁(AlInGaN),緩衝層104可以釋放因成長DBR結構所造成的應力,避免產生薄膜裂痕(film crack)。
步驟三:請參照圖2C,在形成緩衝層104後,以磊晶方式製作分散式布拉格反射層103於緩衝層104上,並且藉由緩衝層104,降低成長分散式布拉格反射層103所產生的應力。由於分散式布拉格反射層103是形成在發光二極體磊晶結構110的頂部,因此沒有應力堆疊與累積的問題,可以降低成長分散式布拉格反射層103的難度與產生薄膜裂痕的問題。
步驟四:請參照圖2D,在分散式布拉格反射層103上形成金屬反射層102,其金屬反射層102可以利用濺鍍方式(sputter)製作。
步驟五:請參照圖2E,倒置已形成的發光二極體結構(晶片),並且利用結合材料將金屬反射層102粘貼於載板202上,其接合材料係選自由銀膠、自發性導電高分子或高分子中摻雜導電材質所形成之黏合材料。換言之,金屬反射層102與載板202之間會形成一層接合層。
步驟五:請參照圖2F,以雷射剝離技術(Laser lift off,LLO)或研磨方式移除基板201。
步驟六:請參照圖2G,以乾蝕刻(dry etching)的方式在磊晶表面上蝕刻出粗糙表面(rough surface)。
步驟七:請參照圖2H,在發光二極體磊晶結構110形成後,可以經由微影、蝕刻等製程定義發光二極體磊晶結構110的結構,以形成發光二極體結構平台(Mesa),並且在第一半導體層105與第二半導體層107上分別形成導電電極203、204以作為發光二極體的正、負電極使用。
值得注意的是,發光二極體的製程尚包括微影、蝕刻、清洗、切割等細部製程,本技術領域具有通常知識者經由本實施例的揭露應可輕易推知,在此不加贅述。
較為特別的是,由於本實施例的製程會將晶片『倒置』,所以發光二極體磊晶結構110由靠近分散式布拉格反射層103的一側至出光面的排列順序(nGaN→MQW→pGaN)與其磊晶成長順序(pGaN→MQW→nGaN)是相反的。分散式布拉格反射層103的製程位於發光二極體磊晶結構110之後,且在形成分散式布拉格反射層103之前,會在發光二極體磊晶結構110之上形成緩衝層104,因此可以降低裂痕的產生。另外,由於分散式布拉格反射層103是最後一層磊晶結構,所以可以在不影響其他磊晶層的情況下,調變分散式布拉格反射層103的成長條件,來提升分散式布拉格反射層103的磊晶品質。
另外,相較於以濺鍍(Sputter)製作分散布拉格反射層(DBR)(例如SiO2/TiO2)結構,利用磊晶成長分散布拉格反射層(DBR)(例如AlN/GaN),其材料的串聯阻值遠小於介電材料,所以有助於垂直式元件上的應用
綜上所述,本發明的發光二極體具有分散布拉格反射層與金屬反射層,可以有效增加發光二極體的出光效率,且在發光二極體磊晶結構頂部形成緩衝層與分散式布拉格反射層的製程方式可以有效降低分散式布拉格反射層所產生的應力問題,避免產生薄膜裂痕。
雖然本發明之較佳實施例已揭露如上,然本發明並不受限於上述實施例,任何所屬技術領域中具有通常知識者,在不脫離本發明所揭露之範圍內,當可作些許之更動與調整,因此本發明之保護範圍應當以後附之申請專利範圍所界定者為準。
101...載板
102...金屬反射層
103...分散布拉格反射層
104...緩衝層
105...第一半導體層
106...主動層
107...第二半導體層
110...發光二極體磊晶結構
201...基板
202...載板
203、204...導電電極
圖1繪示為本發明實施例所述之發光二極體的結構示意圖。
圖2A~2H為根據本發明實施例的發光二極體的製程示意圖。
102...金屬反射層
103...分散布拉格反射層
104...緩衝層
105...第一半導體層
106...主動層
107...第二半導體層
110...發光二極體磊晶結構
202...載板
203、204...導電電極

Claims (10)

  1. 一種發光二極體,包括:一金屬反射層;一載板,位於該金屬反射層之下;一分散式布拉格反射層,位在該金屬反射層上;一緩衝層,位於該分散式布拉格反射層之上;以及一發光二極體磊晶結構,位於該緩衝層之上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體,更包括:一接合層,位在該載板與該金屬反射層之間。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的發光二極體,其中該接合層的材料係選自由銀膠、自發性導電高分子或高分子中摻雜導電材質所形成之黏合材料。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體,其中該分散式布拉格反射層係直接形成在該金屬反射層與該緩衝層之間。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體,其中該分散式布拉格反射層係由氮化鋁與氮化鎵以堆疊方式形成。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體,其中該發光二極體磊晶結構包括:一第一型半導體層,位於該緩衝層之上;一主動層,位於該第一型半導體層之上;一第二型半導體層,位於該主動層之上;一第一電極,位於該第一型半導體層之上;以及一第二電極,位於該第二型半導體層之上。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的發光二極體,其中該第一型半導體層為N型半導體層而該第二型半導體層為P型半導體層,或該第一型半導體層為P型半導體層而該第二型半導體層為N型半導體層。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體,其中該緩衝層的晶格常數介於氮化鎵(GaN)的晶格常數與氮化鋁(AlN)的晶格常數之間。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體,其中該緩衝層的材質包括氮化鎵銦鋁(AlInGaN)。
  10. 如申請專利範圍第1~9項其中任一項所述的發光二極體,其中該金屬反射層的材料係選自由In、Al、Ti、Au、W、InSn、TiN、WSi、PtIn2、Nd/Al、Ni/Si、Pd/Al、Ta/Al、Ti/Ag、Ta/Ag、Ti/Al、Ti/Au、Ti/TiN、Zr/ZrN、Au/Ge/Ni、Cr/Ni/Au、Ni/Cr/Au、Ti/Pd/Au、Ti/Pt/Au、Ti/Al/Ni/Au、Au/Si/Ti/Au/Si、Au/Ni/Ti/Si/Ti或其合金所組成之一族群。
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