专利名称：一种高亮度蓝光发光晶粒的结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种制造高亮度的氮化镓(GaN)系列蓝光发光二极管(Light Emitting Diode；LED)欧姆电极及透明接触导电层(TransparentConductive Layer；TCL)的结构，特别是涉及一种使用镜面镀膜或多层反光磊晶膜(Distributed Bragg Reflector，DBR)反射，以增加发光二极管射出光度。
公知的氮化镓(GaN)系列蓝光发光二极管(Light emitting diode；LED)中，其晶粒所发射的蓝光是经由一透光导电膜由P-GaN面射出发光；以下将先就公知技术中有关氮化镓(GaN)系列的III-V族化合物半导体元件的结构和其它相关的技术说明。
图1(A)即为公知技术中氮化镓(GaN)系列蓝光发光二极管的剖面图，其系制作一种具有P型电极105和N型电极104的氮化镓(GaN)系列的III-V族化合物半导体发光二极管100，其中包含一基板101，该基板101具有第一表面101a与第二表面101b；一排列在该基板101的第一表面101a上的半导体堆叠结构，其包含一N型氮化镓(N-GaN)102系列的III-V族化合物半导体，和一P型氮化镓(P-GaN)103系列的III-V族化合物半导体；一第一电极104，该第一电极104提供使与该N型半导体层接触；一第二电极105，该第二电极105系为光可穿透的电极，且提供使与该P型半导体层接触，其中更包括一提供在第二电极105之上的焊接垫106。
该第二电极105(P型半导体层接触电极)，系藉产生一金属材料层，如镍/金(Ni/Au)，与P型半导体层103形成接触，并对此金属材料层(如镍/金)作退火处理所形成。在该氮化镓系列的III-V族化合物半导体元件中，第一电极104包含Ti和Al或Au，第二电极105则可包含选自金、镍、铂、铝、锡、铟、铬和钛等其中之一或甚至更多的金属合金，其中以镍/金合具有较佳的效果。此传统的发光二极管所发射的蓝光是经由该一P型氮化镓103系列的III-V族化合物半导体面产生，且透过该光可穿透的第二电极105射出。
另一公知技术为一使用覆晶技术(Flip Chip Technology)所制作的发光二极管，其系由日本丰田公司与鹿儿岛松下公司共同发展出来的，如图1(B)所示，其结构并非采用传统的打线技术将金线或铝线连接至P极焊垫110和N极焊垫111，而是采用金属凸块(Bump)112、113连接至P电极110和N电极111，由于其P面与N面均朝下，因此其产生的蓝光是藉由一透明的蓝宝石(Sapphire)基底107射出。
所以传统使用于蓝光发光二极管中的透光导电层，当使用于覆晶蓝光发光二极管晶粒结构时，即不必具有透光的功能，仅具有电流分散效果即可，故尚若于此覆晶蓝光发光二极管结构中，加大此导电层厚度，可达到电流分散作用外，尚可兼具反射的效果。但是覆晶蓝光发光二极管结构，主要是经由该两个金属凸块(P电极凸块和N电极凸块)将晶粒中产生的热传导至LED灯(Lamp)的金属杯基座，因此其热传导性较差，也减低封装后的LED灯(Lamp)的寿命与其可靠度(Reliability)。
公知技术中为减少晶粒P-GaN面电流分散层对蓝光的吸收率，皆是采用一氧化的方式，如图1(C)所示，将作为欧姆界面层的Ni氧化为NiO，因而提高该电流分散层的透光性，而且其NiO氧化物的导电性尚称堪用而已。因此兼顾透光性与欧姆接触电阻的材质也为其蓝光发光二极管的发展方向之一。
本发明的目的即为了改善传统晶粒，使得增加蓝光发光二极管射出的光度，本发明提供一种利用一透光的蓝宝石基板将产生于该P-GaN面的光线除了直接经由透光导电层射出以外，另将一部分光线，藉由该透光的蓝宝石基板上表面的多层反光磊晶膜(Distributed BraggReflector，DBR)或底面的镜面镀膜反射层反射，可增加约45％的射出光度。
此外，本发明的另一目的，可改善覆晶晶粒的热传导性差的缺点，使得大大增加封装后的LED Lamp的寿命及其可靠度。
本发明采用于LCD技术中常用的导电玻璃材质“氧化铟锡(IndiumTin Oxide，ITO”作为蓝光发光二极管晶粒的透光性导电层，更可先于该P-GaN面镀着一超薄的镍层后，再形成此ITO膜层，达到可同时兼具透光性与欧姆接触电阻的目的。
更特别的是，本发明更披露可于该电流分散层及该透光性导电层上表面再形成一复数个抗反射层(Anti-Reflection Coating，ARC)，以强化蓝光的发射率(即减低蓝光折回率)。
以下结合附图对本发明进行详细描述。
图1(A)为公知技术中氮化镓(GaN)系列蓝光发光二极管的剖面示意图；图1(B)为另一公知技术即一使用覆晶技术(Flip Chip Technology)所制作的发光二极管示意图；图1(C)为公知技术中为减少晶粒P-GaN面电流分散层对蓝光的吸收率采用一氧化方式的示意图；图2为本发明的第一实施例的镜面镀层晶粒的结构示意图；图3为本发明的第二实施例的粗化镜面镀层晶粒的结构示意图；图4为本发明的第三实施例的多层反光磊晶层(DBR)晶粒的结构示意图；图5(A)～图5(D)为本发明的第四实施例示意图；图6(A)～图6(D)为本发明的第一实施例与第四实施例结构的组合示意图。
图中101 基板101a 基板具有第一表面101b 基板具有第二表面102 N型氮化镓(N-GaN)103 P型氮化镓(P-GaN)104 第一电极105 第二电极106 焊接垫
110 P极焊垫111 N极焊垫112、 113金属凸块(Bump)107 透明的蓝宝石201 透明基板201a第一表面201b第二表面202 N型氮化镓(N-GaN)系列的III-V族化合物半导体层203 P型氮化镓(P-GaN)系列的III-V族化合物半导体层204 多重量子井(Multiple Quantum Well)发光层205 镜面镀层206 第一电极207 第二电极201c粗化第二表面208 粗化镜面镀层209 多层反光磊晶层(DBR)501 透明基板501a第一表面501b第二表面502 N型氮化镓(N-GaN)系列的III-V族化合物半导体层503 P型氮化镓(P-GaN)系列的III-V族化合物半导体层504 多重量子井(Multiple Quantum Well)发光层506 第一电极507 氧化铟锡的透光性导电层第二电极510 超薄的Ni/Au层511 抗反射层(ARC)本发明的第一实施例，如图2所示，为一种高亮度蓝光发光晶粒的结构，包括一透明基板201，该透明基板201具有第一表面201a与第二表面201b；该透明基板201的材质可为一蓝宝石。
一半导体堆叠层，该半导体堆叠层系形成于该透明基板的该第一表面201a上，其中至少包括一N型氮化镓(N-GaN)系列的III-V族化合物半导体层202，和一P型氮化镓(P-GaN)系列的III-V族化合物半导体层203；其中该N型半导体层202与P型半导体层203之间，为具有一多重量子井(Multiple Quantum Well)发光层204的结构。
一镜面镀层205，该镜面镀层205系形成覆盖于该透明基板201的第二表面201b，且该镜面镀层205的材料可为铝、镍、银、钛、铜、金、铍金、锗金或镍金锗等元素，或其合金，且其镜面镀层205厚度约为1nm～10μm。该镜面镀层205系可为一物理镀膜，如真空蒸镀(热蒸镀、电子枪蒸镀、电弧蒸镀等)、真空溅镀；或该镜面镀层205系可为一化学镀膜，如电镀或无电镀等；或其它公知的金属镀膜制程。
一第一电极206，该第一电极206系提供使与该N型氮化镓((N-GaN)系列的III-V族化合物半导体层202接触。
一第二电极207，该第二电极207系为一光可穿透材质的电极，且提供使与该P型氮化镓(P-GaN)系列的III-V族化合物半导体层203接触。
本发明的第二实施例，如图3所示，其结构与该第一实施例大致相同，不同之处在于该透明基板201中的该第二表面201b，需经过一粗化研磨处理制程形成一粗化第二表面201c后再形成一镜面镀层208，该粗化研磨处理第二表面201c的粗糙度约为5～20μm，系可使用一磨光机(Lapping Machine)搭配使用不同粒度的钻石研磨粉，于进行粗化研磨时控制该第二表面201b的粒糙度；而且其它功能相似的研磨机(GrindingMachine)、抛光机(Polishing Machine)亦可适用于本发明实施例中，惟使用的研磨粉(研磨膏)或研磨砂纸的硬度应高于该透明基板201的蓝宝石硬度，或与该蓝宝石硬度相近，例如SiC、金刚砂(Corundum)或钻石粉(膏)等。
本发明的第三实施例，如图4所示，其结构与该第一实施例大致相同，不同之处在于多加一复数个多层反光磊晶层(DBR)209，该多层反光磊晶层209系形成于该透明基板201的该第一表面201a上，其中该多层反光磊晶层209的材质可为(AlxGa1-x)1-yInyN/(A1aGa1-a)1-bInbN(x＞a)，且该反光磊晶层209具有n对的磊晶层(其中n＝5～50)，每单层厚度为其蓝光波长的四分之一。该反光磊晶层209的形成的方式，系以有机金属气相磊晶法(MOCVD)，在制作InGaN蓝光晶片的磊晶制程中一次完成，而且必须严格控制该反光磊晶层209的每一层的反射率(RefractionIndex)，如此藉本发明所提供的机构，可提高LED的发光亮度达35％以上。
本发明的第四实施例，如图5(A)～图5(D)所示，其结构包括一透明基板501，该透明基板501具有第一表面501a与第二表面501b；一半导体堆叠层，该半导体堆叠层系形成于该透明基板501的该第一表面501a上，其中至少包括一N型氮化镓(N-GaN)系列的III-V族化合物半导体层502，和一P型氮化镓(P-GaN)系列的III-V族化合物半导体层503；其中该N型半导体层502与P型半导体层503之间，为具有一多重复重量子井(Multiple Quantum Well)发光层504的结构；一第一电极506，该第一电极系提供使与该N型氮化镓(N-Gan)系列的III-V族化合物半导体层接触；一第二电极507，该第二电极507系为一光可穿透材质的电极，且提供使与该P型氮化镓(P-GaN)系列的III-V族化合物半导体层503接触，其特征，如图5(A)所示，在于该光可穿透材质的电极507，系可为一氧化铟锡(Indium Tin Oxide，ITO)的透光性导电层，且本发明所采用的氧化铟锡的透光性导电层507可用电子枪蒸镀、热蒸镀及溅镀等制程形成；或如图5(B)所示，其中该氧化铟锡透光性导电层507下方与该半导体堆叠层间，可预先形成一超薄的Ni/Au层510，其中该Ni/Au层510的厚度约为0.1～10nm；甚至不论该结构中是否具有先前所形成的超薄的Ni/Au层510，其中该氧化铟锡透光性导电层507上皆可形成一复数个抗反射层(ARC)511，如图5(C)、图5(D)所示，且该抗反射层511的材质为(SiO2/TiO2)或(AlN/AlGaN)，且该抗反射层511具有n对的层数(其中n＝5～50)每单层厚度为其蓝光波长的二分之一。
本发明的第五实施例，更可结合本发明的第一、第二、第三实施例与第四实施例披露的结构的组合，达到更高的亮度与可靠度；如图6(A)～图6(D)所示，为其中的第一实施例使用一镜面镀层205，该镜面镀层205系形成覆盖于该透明基板201的第二表面201b，与第四实施例中的氧化铟锡(Indium Tin Oxide，ITO)的透光性导电层507结构的组合，因此第二、第三实施例与第四实施例也可以同样的结构组合达到本发明的目的与功效。
因此，本发明的“一种高亮度蓝光发光晶粒的结构”，确能藉所披露的技术，达到所预期的目的与功效，符合发明专利的新颖性，进步性与产业利用性的要件。
以上所披露的附图及说明，仅为本发明的较佳实施例而已，非为用以限定本发明的实施，大凡熟悉该项技术的人员依本发明的精神，所作的变化或修改，皆应涵盖在本发明的申请专利范围内。
权利要求
1.一种高亮度蓝光发光晶粒的结构，包括一透明基板，该透明基板具有第一表面与第二表面；一半导体堆叠层，该半导体堆叠层系形成于该透明基板的该第一表面上，其中至少包括一N型氮化镓(N-GaN)系列的III-V族化合物半导体层，和一P型氮化镓(P-GaN)系列的III-V族化合物半导体层；一镜面镀层，该镜面镀层系形成覆盖于该透明基板的第二表面；一第一电极，该第一电极系提供使与该N型氮化镓(N-GaN)系列的III-V族化合物半导体层接触；一第二电极，该第二电极系为一光可穿透材质的电极，且提供使与该P型氮化镓(P-GaN)系列的III-V族化合物半导体层接触。
2.根据权利要求1所述的结构，其中该镜面镀层的材料可为铝、镍、银、钛、铜、金、铍金、锗金或镍金锗元素或其合金，且其镜面镀层厚度约为1nm～10μm。
3.一种高亮度蓝光发光晶粒的结构，包括一透明基板，该透明基板具有第一表面与第二表面，其中该第二表面系经过粗化研磨处理；一半导体堆叠层，该半导体堆叠层系形成于该透明基板的该第一表面上，其中至少包括一N型氮化镓(N-GaN)系列的III-V族化合物半导体层，和一P型氮化镓(P-GaN)系列的III-V族化合物半导体层；一粗化镜面镀层，该粗化镜面镀层系形成覆盖于该透明基板的经过粗化研磨处理的第二表面；一第一电极，该第一电极系提供使与该N型氮化镓(N-GaN)系列的III-V族化合物半导体层接触；一第二电极，该第二电极系为一光可穿透材质的电极，且提供使与该P型氮化镓(P-GaN)系列的III-V族化合物半导体层接触。
4.根据权利要求3所述的结构，其中该第二表面系经过粗化研磨处理的粗糙度约为5～20μm。
5.一种高亮度蓝光发光晶粒的结构，包括一透明基板，该透明基板具有第一表面与第二表面；一复数个多层反光磊晶层(DBR)，该多层反光磊晶层系形成于该透明基板的该第一表面上；一半导体堆叠层，该半导体堆叠层系形成于该多层反光磊晶层上，其中至少包括一N型氮化镓(N-GaN)系列的III-V族化合物半导体层和一P型氮化镓(P-GaN)系列的III-V族化合物半导体层；一第一电极，该第一电极系提供使与该N型氮化镓(N-GaN)系列的III-V族化合物半导体层接触；一第二电极，该第二电极系为一光可穿透材质的电极，且提供使与该P型氮化镓(P-GaN)系列的III-V族化合物半导体层接触。
6.根据权利要求5所述的结构，其中该多层反光磊晶层材质为(AlxGa1-x)1-yInyN/(AlaGa1-a)1-bInbN(x＞a)，且该反光磊晶层具有n对的磊晶层，其中n＝5～50，每单层厚度为其蓝光波长的四分之一。
7.一种高亮度蓝光发光晶粒的结构，包括一透明基板，该透明基板具有第一表面与第二表面；一半导体堆叠层，该半导体堆叠层系形成于该透明基板的该第一表面上，其中至少包括一N型氮化镓(N-GaN)系列的III-V族化合物半导体层，和一P型氮化镓(P-GaN)系列的III-V族化合物半导体层；一第一电极，该第一电极系提供使与该N型氮化镓(N-GaN)系列的III-V族化合物半导体层接触；一第二电极，该第二电极系为一光可穿透材质的电极，且提供使与该P型氮化镓(P-GaN)系列的III-V族化合物半导体层接触，其中该光可穿透材质的电极，系为一氧化铟锡(Indium Tin Oxide，ITO)的透光性导电层。
8.根据权利要求7所述的结构，其中该氧化铟锡透光性导电层下方与该半导体堆叠层间，可预先形成一超薄的Ni/Au层，其中该Ni/Au层的厚度约为0.1～10nm。
9.根据权利要求7所述的结构，其中该氧化铟锡透光性导电层上可形成一复数个抗反射层(ARC)，该抗反射层的材质为(SiO2/TiO2)或(AlN/AlGaN)，且该抗反射层具有n对的层数，其中n＝5～50，每单层厚度为其蓝光波长的二分之一。
10.根据权利要求8所述的结构，其中该氧化铟锡透光性导电层上可形成一复数个抗反射层(ARC)，该抗反射层的材质为(SiO2/TiO2)或(AlN/AlGaN)，且该抗反射层具有n对的层数，其中n＝5～50，每单层厚度为其蓝光波长的二分之一。
11.根据权利要求1、3或5所述的高亮度蓝光发光晶粒的结构，其中该光可穿透材质的第二电极，系可为一氧化铟锡(Indium Tin Oxide，ITO)的透光性导电层。
12.根据权利要求11所述的结构，其中该氧化铟锡透光性导电层下方与该半导体堆叠层间，可预先形成一超薄的Ni/Au层，其中该Ni/Au层的厚度约为0.1～10nm。
13.根据权利要求11所述的结构，其中该氧化铟锡透光性导电层上可形成一复数个抗反射层(ARC)，该抗反射层的材质为(SiO2/TiO2)或(AlN/AlGaN)，且该抗反射层具有n对的层数，其中n＝5～50，每单层厚度为其蓝光波长的二分之一。
14.根据权利要求12所述的结构，其中该氧化铟锡透光性导电层上可形成一复数个抗反射层(ARC)，该抗反射层的材质为(SiO2/TiO2)或(AlN/AlGaN)，且该抗反射层具有n对的层数，其中n＝5～50，每单层厚度为其蓝光波长的二分之一。
全文摘要
一种高亮度蓝光发光晶粒的结构,利用一透光的蓝宝石基板将产生于P－GaN面的光线除了直接经透光导电层射出外,将一部分光线,藉由透光的蓝宝石基板上表面的多层反光磊晶膜或底面的镜面镀膜反射层反射,增加射出光度。采用氧化铟锡作为蓝光发光二极管晶粒的透光性导电层,可先于P－GaN面镀着一超薄的镍层后,再形成此ITO膜层,可于电流分散层及透光性导电层上表面再形成一复数个抗反射层,强化蓝光的发射率,达到同时兼具透光性与欧姆接触电阻的目的。
文档编号H01L33/00GK1368764SQ0110241
公开日2002年9月11日 申请日期2001年1月31日 优先权日2001年1月31日
发明者陈士堃, 宋均墉, 张良冬, 朱铭松 申请人:广镓光电股份有限公司