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TWI750664B - 微型發光二極體晶片 - Google Patents

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TWI750664B
TWI750664B TW109116474A TW109116474A TWI750664B TW I750664 B TWI750664 B TW I750664B TW 109116474 A TW109116474 A TW 109116474A TW 109116474 A TW109116474 A TW 109116474A TW I750664 B TWI750664 B TW I750664B
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王資文
方信喬
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錼創顯示科技股份有限公司
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Abstract

一種用以發出一紅光的微型發光二極體晶片。微型發光二極體晶片包括一砷化鎵磊晶結構層、一第一電極以及一第二電極。砷化鎵磊晶結構層沿一堆疊方向上依序包括一N型接觸層、一穿隧接面層、一P型半導體層、一發光層、一N型半導體層以及一N型窗層。第一電極與N型接觸層電性接觸。第二電極與N型窗層電性接觸。

Description

微型發光二極體晶片
本發明是有關於一種晶片，且特別是有關於一種微型發光二極體晶片。
一般來說，製作紅光是以N型砷化鎵基板作為磊晶的生長基板，並在生長基板上形成N型半導體層後，再依序形成發光層與P型半導體層。N型砷化鎵基板製程具有較低的材料成本，但良率控制難度較高。
雖然也有使用P型砷化鎵基板作為磊晶的生長基板，並在生長基板上形成P型半導體層後，再依序形成發光層與N型半導體層。但P型砷化鎵基板成本高出N型砷化鎵基板兩倍以上，因此如何兼顧成本與良率品質是本技術領域者的研發課題之一。
本發明提供一種微型發光二極體晶片，其結構在製程上能提高良率。
本發明的一實施例提供一種用以發出一紅光的微型發光二極體晶片，其包括一砷化鎵磊晶結構層、一第一電極以及一第二電極。砷化鎵磊晶結構層沿一堆疊方向上依序包括一N型接觸層、一穿隧接面層、一P型半導體層、一發光層、一N型半導體層以及一N型窗層。第一電極與N型接觸層電性接觸。第二電極與N型窗層電性接觸。
在本發明的一實施例中，上述的第一電極與第二電極位於微型發光二極體晶片相反於堆疊方向的一側。
在本發明的一實施例中，上述的砷化鎵磊晶結構層具有一凹部。凹部定義出一平台結構，且凹部使N型窗層在相反於堆疊方向上的一側的第一表面暴露。
在本發明的一實施例中，上述的砷化鎵磊晶結構層的N型接觸層、穿隧接面層、P型半導體層、發光層、N型半導體層以及部分的N型窗層形成平台結構。平台結構的平台表面的面積小於N型窗層在朝向堆疊方向的一側的第二表面的面積，其中平台表面為N型接觸層在相反於堆疊方向上的一側的表面。
在本發明的一實施例中，上述的砷化鎵磊晶結構層具有一溝槽。構槽穿過N型接觸層、穿隧接面層、P型半導體層、發光層、N型半導體層以及部分的N型窗層，且溝槽使N型窗層在相反於堆疊方向上的一側的第三表面暴露。
在本發明的一實施例中，上述的第二電極設置於溝槽中，並電性接觸至N型窗層的第三表面。
在本發明的一實施例中，微型發光二極體晶片更包括一絕緣層。絕緣層覆蓋溝槽的內壁，使第二電極電性絕緣N型接觸層、穿隧接面層、P型半導體層、發光層以及N型半導體層。絕緣層並延伸配置於N型接觸層在相反於堆疊方向的一側的表面。
在本發明的一實施例中，上述的穿隧接面層在沿著堆疊方向上的厚度落在50至500埃的範圍內。
在本發明的一實施例中，上述的N型接觸層、穿隧接面層與發光層在沿著堆疊方向上的厚度小於砷化鎵磊晶結構層的其他層在沿著堆疊方向上的厚度。
在本發明的一實施例中，上述的穿隧接面層同時摻雜N型與P型摻雜物，且P型摻雜物的莫耳濃度與N型摻雜物的莫耳濃度的比值落在10至100的範圍內。
在本發明的一實施例中，上述的穿隧接面層的P型摻雜物的莫耳濃度大於P型半導體層的P型摻雜物的莫耳濃度。
在本發明的一實施例中，上述的穿隧接面層的基質為(Al xGa 1-x) yIn 1-yAs zP 1-z，其中0≦x, y, z≦1。
在本發明的一實施例中，上述的P型半導體層具有鎂摻雜物。
基於上述，在本發明實施例的微型發光二極體晶片中，由於微型發光二極體晶片具有穿隧接面層，且穿隧接面層在N型接觸層與P型半導體層之間形成，因此，在半導體製造的升溫過程中，可使P型半導體層早於N型半導體層形成。如此一來，P型半導體層的處理可在較低的溫度中進行，使得後續製程中的升溫過程不會對微型發光二極體晶片造成太多影響，因此，微型發光二極體晶片的良率較高。
圖1A至1E是根據本發明的一實施例的微型發光二極體晶片的製造過程的剖面示意圖。請參考圖1A至圖1E，本發明的一實施例提供一種微型發光二極體晶片10A，其包括一砷化鎵磊晶結構層100A、一第一電極200以及一第二電極300。在本實施例中，微型發光二極體晶片10A例如是紅光或紅外光微型發光二極體晶片，但本發明不以此為限。
請先參考圖1A，首先，在第一基板20上形成砷化鎵磊晶結構層100。在本實施例中，第一基板20的材質是低摻雜的N-砷化鎵（GaAs）或中性砷化鎵。砷化鎵磊晶結構層100沿一堆疊方向D上依序包括一N型接觸層110、一穿隧接面層120、一P型半導體層130、一發光層140、一N型半導體層150以及一N型窗層160。也就是說，砷化鎵磊晶結構層100在最外側的兩個半導體層都是N型。
一般來說，半導體製程通常是逐漸升溫。為了使P型半導體層130在半導體製程的升溫過程中，能在溫度較低的前段製程先形成，本發明實施例的砷化鎵磊晶結構層100在N型接觸層110與P型半導體層130之間形成穿隧接面層（tunneling junction layer）120。也就是說，穿隧接面層120用以在砷化鎵磊晶結構層100中，將N型接觸層110轉換為P型半導體層130。再者，為了使磊晶的過程中減少晶格匹配的問題，第一基板20的材質較佳是選用是低摻雜的N-砷化鎵或中性砷化鎵。當第一基板20的材質選用低摻雜的P-砷化鎵時，則需在第一基板20與N型接觸層110之間形成另一個穿隧接面層。
在本實施例中，N型接觸層110可為高摻雜的N+砷化鎵。
在本實施例中，穿隧接面層120的基質可為(Al xGa 1-x) yIn 1-yAs zP 1-z，其中0≦x, y, z≦1。穿隧接面層120可同時高摻雜N型與P型摻雜物。穿隧接面層120的N型摻雜物例如是矽（Si）或碲（Te），且P型摻雜物例如是碳（C）、鎂或鋅（Zn）。在本實施例中，P型摻雜物的莫耳濃度較佳是大於N型摻雜物的莫耳濃度。在一實施例中，穿隧接面層120的P型摻雜物的莫耳濃度與N型摻雜物的莫耳濃度的比值落在10至100的範圍內。若P型摻雜物的莫耳濃度太低，無法形成穿隧效應；若P型摻雜物的莫耳濃度太高，易有晶片外觀的問題。此外，穿隧接面層120在沿著堆疊方向D上的厚度落在50至500埃（angstrom, Å）的範圍內。
在本實施例中，P型半導體層130用以提供發光層140電洞，且N型半導體層150用以提供發光層140電子，使電子和電洞在發光層140中結合並將能量轉換為光子而發光。
在本實施例中，P型半導體層130的基質可為(Al xGa 1-x) yIn 1-yAs zP 1-z，且摻雜物可為碳、鎂（Mg）或鋅，其中0≦x, y, z≦1。此外，穿隧接面層120的P型摻雜物的莫耳濃度較佳是大於P型半導體層130的P型摻雜物的莫耳濃度。
在本實施例中，發光層140的結構可為多重量子井（Multiple-Quantum Well, MQW）結構、單一量子井結構、雙異質結構（Double Heterostructure）、單異質結構或其組合。發光層140的材料可為砷化鎵系統的半導體材料，且較佳為(Al xGa 1-x) yIn 1-yAs zP 1-z，其中0≦x, y, z≦1。
在本實施例中，N型半導體層150的基質可為(Al xGa 1-x) yIn 1-yAs zP 1-z，且摻雜物可為矽或碲，其中0≦x, y, z≦1。
在本實施例中，N型窗層160用以作為光取出（light extraction）層。N型窗層160的基質可為(Al xGa 1-x) yIn 1-yAs zP 1-z，且摻雜物可為矽或碲，其中0≦x, y, z≦1。
在一實施例中，P型半導體層130的P型摻雜物的莫耳濃度在1E17~2E18之間，N型半導體層150的N型摻雜物的莫耳濃度在1E18~2E18之間，穿隧接面層120的P型摻雜物與N型摻雜物的莫耳濃度分別都要大於1E19。
請再參考圖1B，接著，在以黏合（bonding）的方式將第二基板30設置在砷化鎵磊晶結構層100的N型窗層160上，並去除第一基板20。在本實施例中，第二基板30的材質可為藍寶石（sapphire）。
請再參考圖1C，接著以電感耦合電漿蝕刻（Inductively Coupled Plasma Etching, ICP Etching）等方式對砷化鎵磊晶結構層100進行蝕刻，使得砷化鎵磊晶結構層100A具有一凹部R。在本實施例中，凹部R定義出一平台結構M，且凹部R使N型窗層160在相反於堆疊方向D上的一側的第一表面160S1暴露。詳細來說，砷化鎵磊晶結構層100A的N型接觸層110、穿隧接面層120、P型半導體層130、發光層140、N型半導體層150以及部分160-1的N型窗層160形成平台結構M。平台結構M的平台表面MS的面積小於N型窗層160在朝向堆疊方向D的一側的第二表面160S2的面積，其中平台表面MS為N型接觸層110在相反於堆疊方向D上的一側的表面。
請再參考圖1D，接著，可同時將第一電極200與第二電極300接合至砷化鎵磊晶結構層100A。在本實施例中，第一電極200與N型接觸層110電性接觸。第二電極300與N型窗層160電性接觸。再者，第二電極300與N型窗層160所暴露出的第一表面160S1電性接觸，且第一表面160S1為N型窗層160不屬於平台結構M的部分160-2的表面。在本實施例中，第一電極200與第二電極300的材質可為鍺金合金（GeAu）或其它可與N型半導體產生歐姆接觸的金屬。
請再參考圖1E，最後，將第一電極200與第二電極300黏合至第三基板40上，因此製成本發明實施例的微型發光二極體晶片10A。在本實施例中，第三基板40的材質可為藍寶石或玻璃。此外，第一電極200與第二電極300都位於微型發光二極體晶片10A相反於堆疊方向D的一側。
在另一實施例中，可進一步去除圖1E中的微型發光二極體晶片10A的第二基板30，以利於後續對微型發光二極體晶片10A的轉移。
基於上述，在本發明實施例的微型發光二極體晶片10A中，由於微型發光二極體晶片10A具有穿隧接面層120，且穿隧接面層120在N型接觸層110與P型半導體層130之間形成，因此，在半導體製造的升溫過程中，可使P型半導體層130早於N型半導體層150形成。如此一來，P型半導體層130的處理可在較低的溫度中進行。再者，在本發明實施例的微型發光二極體晶片10A中，只需在P型半導體層130形成P型半導體，即使P型半導體層130使用鎂等易擴散的成分作為摻雜物，但由於P型半導體層130的結構已在較低的溫度中形成了，後續製造中的升溫過程不會對微型發光二極體晶片10A造成太多影響。因此，微型發光二極體晶片10A的良率較高。而且，當P型半導體層130為P型半導體而使得N型半導體層150可為N型半導體時，N型窗層160也不需被製成P型半導體，微型發光二極體晶片10A可減少例如是使用鎂作為摻雜物。因此，本發明實施例的微型發光二極體晶片10A的良率較高。
再者，P型半導體層通常需額外形成歐姆接觸層，以使來自P型接觸電極的電流能有效地分佈至發光層。此歐姆接觸層例如是氧化銦錫（Indium Tin Oxide, ITO）。然而，在歐姆接觸層上再形成P型接觸電極的過程中，其合金溫度約為500至550度C。這樣的高溫容易對半導體元件造成傷害，因此也影響了發光二極體的良率。而在本發明實施例的微型發光二極體晶片10A中，由於第一電極200與第二電極300都電性接觸至N型半導體，因此，砷化鎵磊晶結構層100A中與第一電極200、第二電極300接觸的表面160S1、MS不需額外再形成歐姆接觸層，且可在較低的溫度，例如300至350度C，進行金屬與半導體的接合。本發明實施例的微型發光二極體晶片10A的良率可提高，且成本可降低。
除此之外，在一實施例中，砷化鎵磊晶結構層100、100A的N型接觸層110、穿隧接面層120與發光層140在沿著堆疊方向D上的厚度較佳是小於砷化鎵磊晶結構層100、100A的其他層在沿著堆疊方向D上的厚度。
圖2是根據本發明的另一實施例的微型發光二極體晶片的剖面示意圖。請參考圖2，在本實施例中，微型發光二極體晶片10B的砷化鎵磊晶結構層100B具有一溝槽T。構槽T穿過N型接觸層110、穿隧接面層120、P型半導體層130、發光層140、N型半導體層150以及部分的N型窗層160，且溝槽T使N型窗層160在相反於堆疊方向D上的一側的第三表面160S3暴露。
在本實施例中，第二電極300設置於溝槽T中，並電性接觸至N型窗層160的第三表面160S3。
在本實施例中，微型發光二極體晶片10B更包括一絕緣層170。絕緣層170覆蓋溝槽T的內壁，使第二電極300電性絕緣N型接觸層110、穿隧接面層120、P型半導體層130、發光層140以及N型半導體層150。絕緣層170並延伸配置於N型接觸層110在相反於堆疊方向D的一側的表面110S。此外，絕緣層170在配置於N型接觸層110在相反於堆疊方向D的該側的表面110S上具有一開口O2。第一電極200透過開口O2與N型接觸層110電性接觸。再者，絕緣層170在溝槽T處具有另一開口O1，且第二電極300透過開口O1電性接觸至N型窗層160的第三表面160S3。
基於上述，在本發明實施例的微型發光二極體晶片10B中，由於微型發光二極體晶片10B的砷化鎵磊晶結構層100B具有溝槽T，且微型發光二極體晶片10B更包括絕緣層170，因此，第二電極300可在電性絕緣N型接觸層110、穿隧接面層120、P型半導體層130、發光層140以及N型半導體層150的情況下，透過溝槽T與N型窗層160電性接觸。本發明實施例的微型發光二極體晶片10B可適用於覆晶（Flip Chip）技術，因此在晶片封裝的過程較為方便。
綜上所述，在本發明實施例的微型發光二極體晶片中，由於微型發光二極體晶片具有穿隧接面層，且穿隧接面層在N型接觸層與P型半導體層之間形成，因此，在半導體製造的升溫過程中，可使P型半導體層早於N型半導體層形成。如此一來，P型半導體層的處理可在較低的溫度中進行，使得後續製程中的升溫過程不會對微型發光二極體晶片造成太多影響，因此，微型發光二極體晶片的良率較高。再者，在本發明實施例的微型發光二極體晶片中，砷化鎵磊晶結構層與第一電極、第二電極接觸的表面不需額外再形成歐姆N型接觸層，且可在較低的溫度進行金屬與半導體的接合，因此，本發明實施例的微型發光二極體晶片的良率可提高，且成本可降低。
10A、10B:微型發光二極體晶片 20:第一基板 30:第二基板 40:第三基板 100、100A、100B:砷化鎵磊晶結構層 110:N型接觸層 110S:表面 120:穿隧接面層 130:P型半導體層 140:一發光層 150:N型半導體層 160:N型窗層 160-1、160-2:部分 160S1:第一表面 160S2:第二表面 160S3:第三表面 200:第一電極 300:第二電極 D:堆疊方向 M:平台結構 MS:平台表面 O1、O2:開口 R:凹部 T:溝槽
圖1A至1E是根據本發明的一實施例的微型發光二極體晶片的製造過程的剖面示意圖。 圖2是根據本發明的另一實施例的微型發光二極體晶片的剖面示意圖。
10A:微型發光二極體晶片 30:第二基板 40:第三基板 100A:砷化鎵磊晶結構層 110:N型接觸層 120:穿隧接面層 130:P型半導體層 140:一發光層 150:N型半導體層 160:N型窗層 160-1、160-2:部分 160S1:第一表面 160S2:第二表面 200:第一電極 300:第二電極 D:堆疊方向 M:平台結構 MS:平台表面 R:凹部

Claims (13)

  1. 一種微型發光二極體晶片，用以發出一紅光或一紅外光，該微型發光二極體晶片包括： 一砷化鎵磊晶結構層，沿一堆疊方向上依序包括一N型接觸層、一穿隧接面層、一P型半導體層、一發光層、一N型半導體層以及一N型窗層； 一第一電極，與該N型接觸層電性接觸；以及 一第二電極，與該N型窗層電性接觸。
  2. 如請求項1所述的微型發光二極體晶片，其中該第一電極與該第二電極位於該微型發光二極體晶片相反於該堆疊方向的一側。
  3. 如請求項1所述的微型發光二極體晶片，其中該砷化鎵磊晶結構層具有一凹部，該凹部定義出一平台結構，且該凹部使該N型窗層在相反於該堆疊方向上的一側的第一表面暴露。
  4. 如請求項3所述的微型發光二極體晶片，其中該砷化鎵磊晶結構層的該N型接觸層、該穿隧接面層、該P型半導體層、該發光層、該N型半導體層以及部分的該N型窗層形成該平台結構，該平台結構的平台表面的面積小於該N型窗層在朝向該堆疊方向的一側的第二表面的面積，其中該平台表面為該N型接觸層在相反於該堆疊方向上的一側的表面。
  5. 如請求項1所述的微型發光二極體晶片，其中該砷化鎵磊晶結構層具有一溝槽，該構槽穿過該N型接觸層、該穿隧接面層、該P型半導體層、該發光層、該N型半導體層以及部分的該N型窗層，且該溝槽使該N型窗層在相反於該堆疊方向上的一側的第三表面暴露。
  6. 如請求項5所述的微型發光二極體晶片，其中該第二電極設置於該溝槽中，並電性接觸至該N型窗層的該第三表面。
  7. 如請求項5所述的微型發光二極體晶片，更包括： 一絕緣層，覆蓋該溝槽的內壁，使該第二電極電性絕緣該N型接觸層、該穿隧接面層、該P型半導體層、該發光層以及該N型半導體層，該絕緣層並延伸配置於該N型接觸層在相反於該堆疊方向的一側的表面。
  8. 如請求項1所述的微型發光二極體晶片，其中該穿隧接面層在沿著該堆疊方向上的厚度落在50至500埃的範圍內。
  9. 如請求項1所述的微型發光二極體晶片，其中該N型接觸層、該穿隧接面層與該發光層在沿著該堆疊方向上的厚度小於該砷化鎵磊晶結構層的其他層在沿著該堆疊方向上的厚度。
  10. 如請求項1所述的微型發光二極體晶片，其中該穿隧接面層同時摻雜N型與P型摻雜物，且該P型摻雜物的莫耳濃度與該N型摻雜物的莫耳濃度的比值落在10至100的範圍內。
  11. 如請求項10所述的微型發光二極體晶片，其中該穿隧接面層的該P型摻雜物的莫耳濃度大於該P型半導體層的P型摻雜物的莫耳濃度。
  12. 如請求項10所述的微型發光二極體晶片，其中該穿隧接面層的基質為(Al xGa 1-x) yIn 1-yAs zP 1-z，其中0≦x, y, z≦1。
  13. 如請求項1所述的微型發光二極體晶片，其中該P型半導體層具有鎂摻雜物。
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