TWI584496B - 半導體發光結構 - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種半導體發光結構，且特別是有關於一種包含透明導電層及布拉格反射層之半導體發光結構。
發光二極體(Light emitting diode,LED)主要是透過電能轉化為光能的方式發光。當施加電流於發光二極體後，電流擴散並注入發光二極體的磊晶層中，電子將與電洞結合且釋放能量，並以光的形式發出。發光二極體具有壽命長、省電、體積小等優點。近年來，隨著多色域及高亮度的發展，發光二極體已應用在白光發光領域中，以取代傳統的日光燈管。
在製作垂直式發光二極體或覆晶式發光二極體時，常採用鋁或銀等金屬當其反射鏡材料，以提高發光效率，但銀金屬容易受酸及水氣影響，產生腐蝕的現象。此外，當採用銀金屬做為金屬層與半導體層之間的歐姆接觸層時，銀金屬容易產生電致遷移。因此，為了避免銀金屬失效，必須特別選擇能完整包覆銀金屬的阻障層及保護層之材料，導致製作成本較高。
本發明係有關於一種半導體發光結構，採用透明導電層及布拉格反射層之層疊結構，以提高整體的發光效率。
本發明係有關於一種半導體發光結構，採用透明導電層及雙層布拉格反射層之層疊結構，以提高整體的發光效率。
根據本發明之一方面，提出一種半導體發光結構，包括一第一型半導體層、一主動層、一第二型半導體層、一電極、一透明導電層、一布拉格反射層以及一金屬層。第二型半導體層、主動層與第一型半導體層依序堆疊以形成一磊晶層。電極設置於第一型半導體層上。透明導電層設置於第二型半導體層上。
布拉格反射層設置於透明導電層上，布拉格反射層與電極設置於磊晶層之相對兩側。金屬層設置於布拉格反射層上。布拉格反射層具有一第一凹口部，金屬層填入第一凹口部，使金屬層於第一凹口部內形成有一電流導通部，並與透明導電層電性連接。
根據本發明之另一方面，提出一種半導體發光結構，包括一第一型半導體層、一主動層、一第二型半導體層、一第一布拉格反射層、一透明導電層、一第二布拉格反射層以及一金屬層。第二型半導體層、主動層與第一型半導體層依序堆疊以形成一磊晶層。第一布拉格反射層設置於第二型半導體層上。透明導電層設置於第一布拉格反射層上。第二布拉格反射層設置於透明導電層上，其中第一布拉格反射層具有一第一凹口，透明導電層及第二布拉格反射層填入第一凹口，使透明導電層於第一凹口內形成有一電流擴散部。金屬層設置於第二布拉格反射層上。
第二布拉格反射層具有一第二凹口，金屬層填入第二凹口，使金屬層於第二凹口內形成有一電流導通部，並與透明導電層電性連
接。
為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
100A、100B、100C、100D、200、300‧‧‧半導體發光結構
10、20‧‧‧載板
101、201‧‧‧第一電極
102、202‧‧‧第二電極
103、203、303‧‧‧磊晶層
104、204、304‧‧‧第一型半導體層
105、205、305‧‧‧主動層
106、206、306‧‧‧第二型半導體層
107、208、308‧‧‧透明導電層
108‧‧‧布拉格反射層
109、210‧‧‧金屬層
110‧‧‧接觸墊
C‧‧‧凹口部
C1‧‧‧第一凹口部
C2‧‧‧第二凹口部
P‧‧‧電流導通部
B‧‧‧電流阻擋部
207、307‧‧‧第一布拉格反射層
209、309‧‧‧第二布拉格反射層
211‧‧‧阻障層
301‧‧‧第一電極
302‧‧‧第二電極
312‧‧‧第一保護層
313‧‧‧接觸層
314‧‧‧第二保護層
D1‧‧‧第一凹口
D2‧‧‧第二凹口
D3‧‧‧第三凹口
D4‧‧‧第四凹口
S‧‧‧電流擴散部
H‧‧‧通孔
第1圖繪示依照本發明一實施例之半導體發光結構的剖面示意圖。
第2圖繪示依照本發明一實施例之半導體發光結構的剖面示意圖。
第3圖繪示依照本發明一實施例之半導體發光結構的剖面示意圖。
第4圖繪示依照本發明一實施例之半導體發光結構的剖面示意圖。
第5圖繪示依照本發明一實施例之半導體發光結構的剖面示意圖。
第6圖繪示依照本發明一實施例之做為垂直式發光二極體之半導體發光結構的剖面示意圖。
第7圖繪示依照本發明一實施例之做為覆晶式發光二極體之半導體發光結構的剖面示意圖。
在本發明中，提出一種半導體發光結構，例如是垂直式發光二極體，具有位於相對二側之第一電極與第二電極。第一電極例如以網狀分佈、條狀分佈或點狀分佈於磊晶層之最上層。磊晶層的下方相對於第一電極的位置設有網狀分佈、條狀分
佈或點狀分佈之布拉格反射層。在一實施例中，布拉格反射層形成於透明導電層上，而金屬層形成於布拉格反射層上。布拉格反射層可做為垂直式發光二極體之反射鏡層，使得光波長在可見光範圍或紫外光範圍內(例如340nm~420nm波段或360nm~400nm波段之間)的反射率，可達90%以上，甚至可達到100%。透明導電層可使電流均勻擴散至第二型半導體層中，並可做為金屬層與第二型半導體層之間的歐姆接觸層，以減少金屬層與第二型半導體層之間的接觸阻抗。
在本發明中，提出一種半導體發光結構，例如是覆晶式發光二極體，具有位於同一側之第一電極與第二電極。在一實施例中，透明導電層設置於第一布拉格反射層上，第二布拉格反射層設置於透明導電層上。第一及第二布拉格反射層可做為覆晶式發光二極體之反射鏡層，使得光波長在可見光範圍或紫外光範圍內(例如340nm~420nm波段或360nm~400nm波段之間)的反射率，可達90%以上，甚至可達到100%。透明導電層可使電流均勻擴散至第二型半導體層中，並可做為金屬層與第二型半導體層之間的歐姆接觸層，以減少金屬層與第二型半導體層之間的接觸阻抗。
以下係提出實施例進行詳細說明，實施例僅用以作為範例說明，並非用以限縮本發明欲保護之範圍。
請參照第1圖，其繪示依照本發明一實施例之半導體發光結構100A的剖面示意圖。半導體發光結構100A設置於一載板10上，此載板10可為矽基板、碳化矽基板或陶瓷基板。半
導體發光結構100A包括位於相對二側之一第一電極101以及一第二電極102，第一電極101(例如N型電極)可藉由導線(未繪示)與電源供應電路板(未繪示)之負極電性連接，第二電極102(例如P型電極)可藉由導電的載板10與電源供應電路板之正極電性連接。
半導體發光結構100A包括一磊晶層103。磊晶層103係由依序堆疊的一第一型半導體層104、一主動層105及一第二型半導體層106所構成。第一型半導體層104、主動層105以及第二型半導體層106之材質例如選自於由氮化鎵(GaN)、氮化銦鎵(InGaN)、氮化鋁鎵(AlGaN)或氮化鋁銦鎵(AlInGaN)所組成的群組其中之一或其組合。第一型半導體層104與第二型半導體層106分別為電性相異的N型半導體層及P型半導體層。
第一電極101設置於第一型半導體層104上，用以傳輸電子，並使電子擴散而注入於磊晶層103中，以使磊晶層103內的電子與電洞受電壓驅動而結合並且發光。
此外，半導體發光結構100A還包括一透明導電層107、一布拉格反射層108以及一金屬層109。在第1圖中，透明導電層107設置於第二型半導體層106的表面上，例如是銦錫氧化物(ITO)、銦鋅氧化物(IZO)等，透明導電層107可使電流由第二型半導體層106均勻擴散至主動層105中，以避免電流垂直通過磊晶層103而無法橫向擴散的情形。
另外，在第1圖中，布拉格反射層108設置於透明導電層107的表面上，且布拉格反射層108可經由圖案化蝕刻而形成多個塊狀區域。在一實施例中，布拉格反射層108覆蓋的面
積大約為透明導電層107的面積的90%以上，因此透明導電層107有大約10%以下的面積未被布拉格反射層108覆蓋。布拉格反射層108具有一凹口部C。金屬層109覆蓋於布拉格反射層108之表面上，且金屬層109填入凹口部C內，使金屬層109於凹口部內形成有一電流導通部P與透明導電層107電性連接。也就是說，電流可經由電流導通部P流入第二型半導體層106中。
透明導電層107可做為金屬層109與第二型半導體層106之間的歐姆接觸層，以減少金屬層109與第二型半導體層106之間的接觸阻抗。
在一實施例中，布拉格反射層108可由高折射率材料以及低折射率材料交替堆疊的多數個膜層來製作，例如是多個由折射率為2.5的二氧化鈦以及折射率為1.47的二氧化矽的膜層交替堆疊而成。各膜層的厚度與入射光的波長有關，當各膜層之折射率與光學厚度之乘積等於入射光之波長的四分之一時，因入射光與反射光的光程差恰好為入射光之波長的整數倍(n λ，n=1,2,3…)，則產生建設性干涉，而無法穿透布拉格反射層108。
由此可知，可藉由上述之原理及材質特性，來改變入射光之反射率，以使特定波長範圍的入射光被反射。
在一實施例中，布拉格反射層108的膜層數量例如大於14層或介於20~30層之間，層數越高，光反射的效果越明顯。此外，金屬層109亦可做為半導體發光結構100A之反射鏡層。金屬層109的材質例如為銀或鋁，金屬層109可使全波段波長的入射光被反射，不限定特定波長範圍的入射光。在一實施例中，當入射光的入射角小於特定角度(例如60度)時，可藉由
布拉格反射層108反射較小角度之入射光，當入射光的入射角大於特定角度(例如60度)時，可藉由金屬層109對較大角度之入射光產生全反射，進而提高入射光之反射率。
請參照第2圖，其繪示依照本發明一實施例之半導體發光結構100B的剖面示意圖。本實施例之半導體發光結構100B與第一實施例之半導體發光結構100A相似，相同的元件以相同的符號表示，在此不再贅述。在本實施例中，布拉格反射層108具有一第一凹口部C1，金屬層109填入第一凹口部C1，使金屬層109於第一凹口部C1內形成有一電流導通部P與透明導電層107電性連接。此外，透明導電層107具有一第二凹口部C2，布拉格反射層108填入第二凹口部C2，使布拉格反射層108於第二凹口部C2內形成有一電流阻擋部B。電流阻擋部B與第二型半導體層106接觸。
上述之透明導電層107例如呈片狀分佈或塊狀分佈，且片狀分佈或塊狀分佈的透明導電層107的位置大致上位於條狀分佈之兩相鄰第一電極101之間的區域中。
在一實施例中，第一電極101的位置與電流阻擋部B的位置上、下對齊，因而對電子在垂直方向上的流動性產生直接影響，因此，以布拉格反射層108所形成的電流阻擋部B可避免電子由第一電極101垂直通過磊晶層103而無法橫向擴散的情形。
請參照第3圖，其繪示依照本發明一實施例之半導
體發光結構100C的剖面示意圖。本實施例之半導體發光結構100C與第一實施例之半導體發光結構100A相似，相同的元件以相同的符號表示，在此不再贅述。在本實施例中，布拉格反射層108具有一凹口部C。金屬層109覆蓋於布拉格反射層108之表面上，且金屬層109填入凹口部C內，使金屬層109於凹口部C內形成有一電流導通部P。此外，本實施例之半導體發光結構100C更包括一接觸墊110，設置於透明導電層107之表面上，且位於電流導通部P與透明導電層107之間。
在一實施例中，接觸墊的材質可為金屬，例如鎳、銅、鋁等。接觸墊110可做為一蝕刻阻擋層。如第3圖所示，接觸墊110設置於透明導電層107之表面上，且位於布拉格反射層108之凹口部C內。因此，當以蝕刻液蝕刻布拉格反射層108以形成凹口部C時，蝕刻液受到接觸墊110之阻擋而無法繼續蝕刻，以保護接觸墊110下方的透明導電層107，避免透明導電層107被蝕刻液侵蝕。
請參照第4圖，其繪示依照本發明一實施例之半導體發光結構100D的剖面示意圖。本實施例之半導體發光結構100D與第二實施例之半導體發光結構100A相似，相同的元件以相同的符號表示，在此不再贅述。在本實施例中，布拉格反射層108具有一第一凹口部C1，金屬層109填入第一凹口部C1，使金屬層109於第一凹口部C1內形成有一電流導通部P。此外，透
明導電層107具有一第二凹口部C2，布拉格反射層108填入第二凹口部C2，使布拉格反射層108於第二凹口部C2內形成有一電流阻擋部B。此外，本實施例之半導體發光結構100D更包括一接觸墊110，設置於透明導電層107之表面上，且位於電流導通部P與透明導電層107之間。
上述之透明導電層107例如呈片狀分佈或塊狀分佈，且片狀分佈或塊狀分佈的透明導電層107的位置大致上位於條狀分佈之兩相鄰第一電極101之間的區域中。
在一實施例中，第一電極101的位置與電流阻擋部B的位置上、下對齊，因而對電子在垂直方向上的流動性產生直接影響，因此，以布拉格反射層108所形成的電流阻擋部B可避免電子由第一電極101垂直通過磊晶層103而無法橫向擴散的情形。
請參照第5圖，其繪示依照本發明一實施例之半導體發光結構200的剖面示意圖。半導體發光結構200包括一磊晶層203。磊晶層203係由依序堆疊的一第一型半導體層204、一主動層205及一第二型半導體層206所構成。有關磊晶層203的細部結構及說明，請參照第一實施例，在此不再贅述。
此外，半導體發光結構200還包括一第一布拉格反射層207、一透明導電層208、一第二布拉格反射層209、一金屬層210以及一阻障層211。第一布拉格反射層207設置於第二型
半導體層206之表面上。透明導電層208設置於第一布拉格反射層207之表面上。第二布拉格反射層209設置於透明導電層208之表面上。金屬層210設置於第二布拉格反射層209之表面上。
在第5圖中，透明導電層208例如是銦錫氧化物(ITO)、銦鋅氧化物(IZO)等，透明導電層208可使電流由第二型半導體層206均勻擴散至主動層205中，以避免電流垂直通過磊晶層203而無法橫向擴散的情形。此外，透明導電層208還可做為金屬層210與第二型半導體層206之間的歐姆接觸層，以減少金屬層210與第二型半導體層206之間的接觸阻抗。
在第5圖中，第一布拉格反射層207設置於第二型半導體層206之表面上，且第一布拉格反射層207可經由圖案化蝕刻而形成多個塊狀區域。在一實施例中，第一布拉格反射層207覆蓋的面積大約為第二型半導體層206的面積的5~10%，因此大約有95~90%的面積未被第一布拉格反射層207覆蓋。
第一布拉格反射層207具有一第一凹口D1。透明導電層208及第二布拉格反射層209填入第一凹口D1，使透明導電層208於第一凹口D1內形成有一電流擴散部S，並與第二型半導體層206電性連接。也就是說，電流可經由電流擴散部S流入第二型半導體層206中。
此外，第二布拉格反射層209設置於透明導電層208的表面上，且第二布拉格反射層209可經由圖案化蝕刻而形成多個凹口區域。在一實施例中，第二布拉格反射層209覆蓋的面積
大約為透明導電層208的面積的95~90%，因此大約有5~10%的面積未被第二布拉格反射層209覆蓋。第一及第二布拉格反射層207、209的位置交錯配置且部分重疊，因此第一及第二布拉格反射層207、209覆蓋的總面積涵蓋了整個第二型半導體層206的面積。
第二布拉格反射層209具有一第二凹口D2，金屬層210及阻障層211可填入第二凹口D2，使金屬層210於第二凹口D2內形成有一電流導通部P，並與透明導電層208電性連接。也就是說，電流可經由電流導通部P流入透明導電層208，再經由透明導電層208的電流擴散部S流入第二型半導體層206中。
此外，第一布拉格反射層207對應地位於電流導通部P的一下方區域，以形成一電流阻擋部B，並與第二型半導體層206接觸。請參照第6圖，其繪示依照本發明一實施例之做為垂直式發光二極體之半導體發光結構200的剖面示意圖。半導體發光結構200更包括一第一電極201以及一第二電極202，第一電極201設置於第一型半導體層204上，第一電極201與電流阻擋部B位於磊晶層203之相對兩側，且第一電極201的位置與電流阻擋部B的位置上、下對齊。第一電極201可藉由導線(未繪示)與電源供應電路板(未繪示)之負極電性連接，第二電極202可藉由導電的載板20與電源供應電路板之正極電性連接。
由於第一電極201的位置與電流阻擋部B的位置上、下對齊，因而對電子在垂直方向上的流動性產生直接影響，
因此，以第一布拉格反射層207所形成的電流阻擋部B可避免電子由第一電極201垂直通過磊晶層203而無法橫向擴散的情形。
在一實施例中，第一及第二布拉格反射層207、209可由高折射率材料以及低折射率材料交替堆疊的多數個膜層來製作，例如是多個由折射率為2.5的二氧化鈦以及折射率為1.47的二氧化矽的膜層交替堆疊而成。第一及第二布拉格反射層207、209的膜層數量例如大於14層或介於20~30層之間。膜層層數越高，光反射的效果越明顯。當第二布拉格反射層209的膜層數量大於第一布拉格反射層207的膜層數量時，第二布拉格反射層209的反射率將可大於第一布拉格反射層207的反射率。
接著，請參照第7圖，其繪示依照本發明一實施例之做為覆晶式發光二極體之半導體發光結構300的剖面示意圖。
在本實施例中，元件符號303至311與上述實施例之元件符號203至211代表相同的元件，在此不再贅述。半導體發光結構300包括一第一電極301以及一第二電極302，第一電極301與第二電極302位於磊晶層303之同一側。第一電極301可為P型電極，其藉由導電凸塊(未繪示)與電源供應電路板(未繪示)之正極電性連接，第二電極302可為N型電極，其藉由另一導電凸塊(未繪示)與電源供應電路板之負極電性連接。
在本實施例中，半導體發光結構300還包括一第一保護層312、一接觸層313以及一第二保護層314。第一保護層312覆蓋金屬層309，且形成於一貫穿第二型半導體層306、主動
層305及部分第一型半導體層304之通孔H中。第一布拉格反射層307、透明導電層308、金屬層310及阻障層311位於通孔H周圍的表面上，而第二布拉格反射層309除了位於通孔H周圍之表面上，還可選擇性地覆蓋於通孔H的側壁上。
接觸層313位於第一保護層312上，且接觸層313於通孔H中與第一型半導體層304電性連接。此外，第二保護層314覆蓋接觸層313，且第二保護層314可填入於通孔H中。第二保護層314具有一第三凹口D3及一第四凹口D4。第三凹口D3貫穿接觸層313與第一保護層312，以達到阻障層311之表面。
第一電極301配置於第二保護層314上，並填入第三凹口D3中與金屬層310(位於阻障層311下方)電性連接。另外，第二電極302配置於第二保護層314上，並填入第四凹口D4中與接觸層313電性連接。
本發明上述實施例所揭露之半導體發光結構，係利用例如銦錫氧化物之透明導電層以及布拉格反射層來取代習知利用銀金屬做為反射鏡層及歐姆接觸層，據此可提高製程良率。
此外，布拉格反射層可做為垂直式發光二極體或覆晶式發光二極體之反射鏡層，使得光波長在可見光範圍或紫外光範圍內(例如340nm~420nm波段或360nm~400nm波段之間)的反射率，可達90%以上，甚至可達到100%，據此改善整體的發光效率。另外，布拉格反射層還可做為電流阻擋層，以避免電子電流自電極垂直通過磊晶層而無法橫向擴散的情形。
綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明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，當可作各種之更動與潤飾。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‧‧‧載板
100B‧‧‧半導體發光結構
101‧‧‧第一電極
102‧‧‧第二電極
103‧‧‧磊晶層
104‧‧‧第一型半導體層
105‧‧‧主動層
106‧‧‧第二型半導體層
107‧‧‧透明導電層
108‧‧‧布拉格反射層
109‧‧‧金屬層
C1‧‧‧第一凹口部
C2‧‧‧第二凹口部
P‧‧‧電流導通部
B‧‧‧電流阻擋部
Claims (10)
- 一種半導體發光結構，包括：一第一型半導體層；一主動層；一第二型半導體層，該第二型半導體層、該主動層與該第一型半導體層依序堆疊以形成一磊晶層；一電極，設置於該第一型半導體層上；一透明導電層，設置於該第二型半導體層上；一布拉格反射層，設置於該透明導電層上，該布拉格反射層與該電極設置於該磊晶層之相對兩側；以及一金屬層，設置於該布拉格反射層上，其中，該布拉格反射層具有一第一凹口部，該金屬層填入該第一凹口部，使該金屬層於該第一凹口部內形成有一電流導通部，並與該透明導電層電性連接。
- 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光結構，更包括一接觸墊，設置於該透明導電層上，且位於該電流導通部與該透明導電層之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光結構，其中該透明導電層具有一第二凹口部，該布拉格反射層填入該第二凹口部，使該布拉格反射層於該第二凹口部內形成有一電流阻擋部，該電流阻擋部與該第二型半導體層電性連接。
- 如申請專利範圍第3項所述之半導體發光結構，其中該電極的位置與該電流阻擋部的位置對齊。
- 如申請專利範圍第3項所述之半導體發光結構，更包括一 接觸墊，設置於該透明導電層上，且位於該電流導通部與該透明導電層之間。
- 一種半導體發光結構，包括：一第一型半導體層；一主動層；一第二型半導體層，該第二型半導體層、該主動層與該第一型半導體層依序堆疊以形成一磊晶層；一電極，設置於該第一型半導體層上；一第一布拉格反射層，設置於該第二型半導體層上，一透明導電層，設置於該第一布拉格反射層上；一第二布拉格反射層，設置於該透明導電層上，其中該第一布拉格反射層具有一第一凹口，該透明導電層及該第二布拉格反射層填入該第一凹口，使該透明導電層於該第一凹口內形成有一電流擴散部，其中該第一及第二布拉格反射層與該電極設置於該磊晶層之相對兩側；以及一金屬層，設置於該第二布拉格反射層上，其中該第二布拉格反射層具有一第二凹口，該金屬層填入該第二凹口，使該金屬層於該第二凹口內形成有一電流導通部，並與該透明導電層電性連接。
- 如申請專利範圍第6項所述之半導體發光結構，其中該第一布拉格反射層對應位於該電流導通部的一下方區域，以形成一電流阻擋部。
- 如申請專利範圍第6項所述之半導體發光結構，其中該第二布拉格反射層的反射率大於該第一布拉格反射層的反射率。
- 如申請專利範圍第7項所述之半導體發光結構，其中該電極與該電流阻擋部位於該磊晶層之相對兩側，且該電極的位置與該電流阻擋部的位置對齊。
- 一種半導體發光結構，包括：一第一型半導體層；一主動層；一第二型半導體層，該第二型半導體層、該主動層與該第一型半導體層依序堆疊以形成一磊晶層；一第一布拉格反射層，設置於該第二型半導體層上，一透明導電層，設置於該第一布拉格反射層上；一第二布拉格反射層，設置於該透明導電層上，其中該第一布拉格反射層具有一第一凹口，該透明導電層及該第二布拉格反射層填入該第一凹口，使該透明導電層於該第一凹口內形成有一電流擴散部；一金屬層，設置於該第二布拉格反射層上，其中該第二布拉格反射層具有一第二凹口，該金屬層填入該第二凹口，使該金屬層於該第二凹口內形成有一電流導通部，並與該透明導電層電性連接；一第一保護層，覆蓋該金屬層，且形成於一貫穿該第二型半導體層、該主動層及部分該第一型半導體層之通孔中；一接觸層，位於該第一保護層上，該接觸層於該通孔中與該第一型半導體層電性連接；一第二保護層，覆蓋該接觸層，該第二保護層具有一第三凹口及一第四凹口； 一第一電極，配置於該第二保護層上，並填入該第三凹口中與該金屬層電性連接；以及一第二電極，配置於該第二保護層上，並填入該第四凹口中與該接觸層電性連接。
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