专利名称：具有分散电流与提高发光面积利用率的发光二极管的制作方法
技术领域：
本发明有关一种发光二极管元件，特别是一种可同时分散电流及提高发光面积利用率的发光二极管。
5-2发明背景对于发光二极管而言，发光二极管(LED)可能是最被人所熟知的，因为它应用在各式各样的产品上，例如科学仪器、医疗仪器，最常见的是使用在消费性产品上，这些发光二极管可作为各种信号、指示器、测量仪器、量表的光源。如发光二极管的半导体光源之所以如此被大量作为光源输出元件，主要是因为它们通常有很长的使用寿命、低耗能及高可信赖度。
自从1970年代早期开始，以氮化镓为基本的材质便因其宽广的带隙特性而引起发光器应用的高度注意。另一方面，绝缘及晶格错置的基板，例如蓝宝石(sapphire，三氧化二铝aluminum oxide，Al2O3)，因其具有热稳定及透光度特性，且因目前仍无晶格匹配的基板，故被广泛应用于第三族氮化物磊晶的基板。在美国专利4153905中已提出，在蓝宝石基板上长出氮化镓为基本的发光二极管结构，并在其n及p型层上作相对应的欧姆接触，以完成平面式的LED结构。然而，要形成p型高导电性的氮化镓层仍是很困难的事；因此，在p型氮化镓上的欧姆接触较不易制造，且p型层的电流也较不易散开。
最近，赤崎等人(Akasaki et al.)及中村等人(Nakamura et al.)已经提出改善p型氮化镓导电性的方法。然而，p型氮化镓导电性还是落于n型氮化镓之后。结果也许如最常见到的那样，p型氮化镓被置于以氮化镓为基本的发光二极管结构的最顶部，而p型层上的透明接触层电极(contact)便成为一较佳元件设计所不可缺少的。对于发光体表面最大的利用效率而言，n型与p型接触结构被尽可能安排在最宽远的位置，即一元件相反的角落上。
图1中显示为一传统氮化镓为基材的发光二极管的正视图。一p型透明电极115中有一切断的部分117，以利于暴露出部分的p型半导体层113。一打线用垫(bonding pad)116透过切断的部分117紧紧粘在p型半导体层113上，并且和p型透明电极115有电性上的连接。此切断的部分117从打线用垫116处与n型半导体层112上所提供的n型电极114被安排于最远的角落位置上。但是这样的接触安排会有电流在电极间壅塞(current crowding)的缺点。结果导致发光表面无法有效地利用，且更有可能的是元件及透明接触层电极的寿命会因为电流壅塞而缩短。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一具有分散电流与提高发光面积利用率的发光二极管。
本发明的另一目的在于提供一避免电流壅塞的发光二极管，利用设计接触电极的几何形状及相对位置使得接触电极间的电流路径长度相近。
本发明的再一目的在于提供一降低表面状态及漏电流的发光二极管，利用一保护层降低表面状态的数目及降低漏电流的情形。
为实现上述目的，根据本发明一方面提供一种发光半导体元件，其特点是，至少包括一基板；一第一半导体结构位于所述基板上；一发光结构位于所述第一半导体结构的一第一部份上；一第一接触结构位于所述第一半导体结构的一第二部份上，所述第一半导体结构的第二部份与所述第一部份相分离，所述第一接触结构具有一第一形状；一第二半导体结构位于所述发光结构上；一透明接触层位于所述第二半导体结构上，所述透明接触层具有一切断的部分以暴露出所述部分的第二半导体结构，并且具有一第二形状；及一第二接触结构位于所述透明接触层的切断的部分上，接触到所述第二半导体结构，并具有一第三形状，所述第二接触结构的第三形状与所述具有第二形状的透明接触层及所述具有第一形状的第一接触结构相配合的关系，借以提供从所述第一接触结构至所述第二接触结构的数个电流路径相近的路径。
为实现上述目的，根据本发明另一方面提供一种发光二极管，其特征在于，至少包括；一基板；一第一半导体结构位于基板上；一发光结构位于第一半导体结构的一第一部份上；一第一接触结构位于第一半导体结构的一第二部份上，第一半导体结构的第二部份与第一部份相分离，第一接触结构具有一第一形状；一第二半导体结构位于发光结构上；一透明接触层位于第二半导体结构上，透明接触层具有一切断的部分以暴露出部分的第二半导体结构，并且具有一第二形状；及一第二接触结构位于透明接触层的切断的部分上，接触到第二半导体结构，并具有一第三形状，第二接触结构的第三形状与具有第二形状的透明接触层及具有第一形状的第一接触结构相配合的关系，借以提供从第一接触结构至第二接触结构的数个电流路径相近的路径。
采用上述方案，可利用在透明接触层结构上挖空的中空图案来阻绝电流的直线捷径路径，达到分散电流的目的，同时增加发光面积的使用率。
图1为先期文献中的氮化镓发光二极管的正视示意图；图2为本发明的发光二极管的剖面示意图，包含在透明接触层电极上具有中空图案；图3至图4为本发明由AA’切开的图2的发光二极管的正视示意图，说明本发明两接触结构的几何形状及相对位置；图5为本发明的发光二极管的另一剖面示意图，说明覆盖一保护层以提升元件的可靠度；图6至图8为本发明的发光二极管的另一系列的正视示意图，说明本发明两接触结构的几何形状及相对位置；图9为本发明的发光二极管的另一系列的正视示意图，说明n型接触结构置于中间的方式；及图10为图9实施例的剖面示意图，说明n型接触结构置于中间的方式。
具体实施例方式
本发明用示意图详细描述如下。需要说明的是，在详述本发明实施例时，表示半导体结构的剖面图部分不按一般比例而进行局部放大以利说明，。此外，在实际的制作中，应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
在本较佳实施例中，以GaN为基本的元件来证明；无论如何，本发明不应被局限于这些材质中。所谓的以GaN为基本的材质意指由AlXGaYIn1-X-YN材质制作的，其中X与Y介于0与1的间。而所谓以GaN为基本的发光二极管(LED)指的是一具有较窄能隙的GaN为基本的发光结构介于具有较宽能隙的GaN为基本结构的单层或多层之间，在发光结构的不同侧具有不同的导电型态。此外，本发明除可用于发光二极管长在一绝缘基板上外，也可以应用在发光二极管长在其他基板，但垂直方向上无法导通的结构，例如GaAs、GaP、Si及SiC。
本发明采用元件的几何形状及接触形式的改进来改善电流分散的方法。在这些实施例中，一透光且导电的欧姆接触层置于元件导电性较小一侧的顶部；所有的接触层都被精心设计用以减少电流壅塞、加大发光面积及进而增加LED的效率及使用寿命。本发明的详细说明如下；无论如何，本发明不应被局限于如下的实施例中。
如图2及图3所示分别为本发明的剖面及正视示意图。一n型氮化镓结构12形成于一绝缘基板11，例如蓝宝石基板上。在n型氮化镓结构12上为一发光结构13，接着形成一p型氮化镓结构14。n型及p型氮化镓皆可以为氮化镓单层、氮化镓与氮化铝多层结构，或结合其他组合的多层结构。发光结构可以为均质(homogenous)p-n接合、双异质接合(hetero-junction)、单一量子井结构、或多重量子井结构。一较佳元件结构包括在蓝宝石基板11上的单层n型氮化镓、一InGaN/GaN多重量子井发光层，及AlGaN/GaN p型层；这样的半导体发光二极管是依如此的安排磊晶形成的。
接着，此磊晶晶片要进行元件制程，其包括以平顶蚀刻(mesa etching)、金属化及热处理制程形成晶粒。金属化完成一透明接触层电极15、许多的中空图案16、p型接触结构(包括导电电极与接触层)17，及n型欧姆接触结构18。另外，热处理制程则是完成透明接触层电极15的氧化，及p型接触结构17与n型欧姆接触结构18的回火。就正视图来看，p型接触结构17与n型欧姆接触结构18是分离的，也就是在垂直方向上没有上下重叠的部分。特别要强调的是，透明接触层电极15的材质是氧化镍/金、氧化镁、氧化锌或是五氧化二钒，在较佳实施例中，透明电极材料为氧化镍/金。
上述的中空图案16(窗口)是本发明的关键，它们可以具有多折路径的功能。第一，中空图案16可以阻断电流以捷径通过；第二，假如它们被准确地设计时，在最长与最短的电流路径之间，它们扮演平衡差异的功能。事实上，透明接触层电极15不是百分之百透光，因此设计中空图案16来提供光线从元件的耦合处直接射出，而没有透明接触层电极阻挡的路径，这样，元件的发光效率可借助中空图案16来提升，同时具有良好的电流分散性。
另外，中空图案16的形状、数目及位置并不局限于实施例中所提到的。它可以，也应为各种元件及电流等级作最佳化的设计。特别是当p及n型接触结构被安排在相反一侧时，本发明能发挥最大的效率。参照图4，也是一个正视图，为本发明的另一实施例，应用到方形形状的LED晶片，其中p型接触结构17，及n型欧姆接触结构18被安排在方形相反的一侧。
另一方面，通过减少表面状态可进一步改进元件的表现。表面状态可利用一保护层19覆盖在元件上以降低漏电流，如图5所示。有许多的材质都可达到表面保护的目的。无论如何，对发光体而言，表层应所述使得发射光在发射波长范围有高度的光学传送(optical transmission)，并且，此保护层的性质是绝缘的或是高阻抗的。这些材质，例如氧化铝、氧化硅、氮化硅、氧化钽、氧化钛、硫化锌、氟石(calcium fluoride，CaF2)、氧化铪(hafnium oxide，HfO2)及氧化锌等可以符合要求。此保护层是可以应用到本发明任一实施例中，后续不再重复强调及提及。
从图2至4的实施例着重于可阻绝电流的中空图案，其中空图案迫使电流更均匀地散开。接着，将介绍另一利用几何形状来达到分散电流的目的。如图6所示为根据本发明在几何形状上的改进的正视示意图。元件结构上如有被精确设计的平顶(mesa)及接触结构，这样可使得接触层间的最短距离可保持相同。如上述，传统LED中的电流会造成接触层(或接触垫)间的电流壅塞，所以电子会倾向走捷径路径。结果，晶片上大部分的面积无法有效被利用。
在第二个实施例中，透明接触层电极25、p型接触结构27及n型接触结构28在一n型GaN结构22之上。它们被如此安排使得p型接触结构27上任一点至n型接触结构28间的最短距离均维持相同。特别要强调的是，p型接触结构27有一四分的一圆的形状，而透明接触层电极25为一扇形形状，其与p型接触结构27具有相同的圆心。也就是说，通过透明接触层电极25从p型接触结构27散开电流至n型接触结构28的放射状距离皆相同。
参照图7为在一n型GaN结构33上的平顶(mesa)结构32上安排另一种形状与位置的p型接触结构37、n型接触结构38及透明接触层电极35。特别要说明的是，p型接触结构37与n型接触结构38被安排在相反面，而不是相反的角落。也就是说，p型接触结构37与n型接触结构38的形状在二维方向上展开。这样的形状与安排可以在p型接触结构37与n型接触结构38间建立相同长度的电流路径。
接着，利用较对称的接触设计对电流的分散及发光面积的更有效利用进行改进，如图8所示，磊晶结构与上述实施例是相同的，但平顶与接触结构的形状是不同的。在此实施例中，环状n型接触结构48位于元件的周围且在n型GaN层42的上方；而两者皆位于平顶的底部。一p型透明接触层电极45位于p型GaN层44的上方，且p型GaN层44位于平顶的顶部。为了分散电流，p型接触结构47的位置在平顶的中心或接近中心的位置，且n型接触结构48具有接触垫及导电环。相同的，两种接触(47 and 48)的形状及位置安排可以确保所有在接触间的电流距离在平顶中是相等或近乎相等的；因而元件可以表现出良好的电流分散及高面积使用效率。特别要说明的是，p型接触结构47的形状并不局限于图8中所示；对于14*14密尔(mil)或是更小面积的晶片而言，接触的形状可以简单些，例如圆形、方形含或不含延伸的指状设计等。当然，如此的设计也可应用到以下的实施例中。
接着为另外一实施例，图9显示其正视图，图10为其剖面示意图。因为n型材质具有较佳的导电性及良好的载子漂移率，所以此实施例将应用到n型材质的电流分散能力。一n型接触结构58被安放在反转平顶(或井)结构的中心或近中心位置。一p型透明接触层电极55覆盖在元件的其他表面上，如此可将发光面积的效率最大化。电流分散可因环状p型接触结构57增强。在本较佳实施例中，p型透明接触层电极的面积大于图8中p型透明接触层电极45，这样可提供一更大的可利用的发光面积。在此要强调的是，图9的实施例与上述其他实施例的磊晶结构仍是相同的，那些磊晶层，包括n型GaN结构52、发光结构53及p型GaN结构54和图2中的材质相同；而接触的材质，例如透明接触层电极55、n型接触结构58与p型接触结构57，也和图2中的材质相同。根据这些元件设计，电流可以以较低的接触电阻进行电流分散，进而延长透明接触层电极的使用寿命。
以上所述的实施例仅为本发明的较佳实施例，提供方便说明本发明的技术，并非用以限定本发明的范围，凡其他未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效变更或修饰，均应包含在本发明的专利范围内。
权利要求
1.一种发光半导体元件，其特征在于，至少包括一基板；一第一半导体结构位于所述基板上；一发光结构位于所述第一半导体结构的一第一部份上；一第一接触结构位于所述第一半导体结构的一第二部份上，所述第一半导体结构的第二部份与所述第一部份相分离，所述第一接触结构具有一第一形状；一第二半导体结构位于所述发光结构上；一透明接触层位于所述第二半导体结构上，所述透明接触层具有一切断的部分以暴露出所述部分的第二半导体结构，并且具有一第二形状；及一第二接触结构位于所述透明接触层的切断的部分上，接触到所述第二半导体结构，并具有一第三形状，所述第二接触结构的第三形状与所述具有第二形状的透明接触层及所述具有第一形状的第一接触结构相配合的关系，借以提供从所述第一接触结构至所述第二接触结构的数个电流路径相近的路径。
2.如权利要求1所述的发光半导体元件，其特征在于，所述的透明接触层至少具有数个中空图案，所述中空图案允许光线从所述透明接触层直接射出，并且使所述电流路径具有转折的方向。
3.如权利要求1所述的发光半导体元件，其特征在于，所述的第一形状至少包含一第一弧形边界。
4.如权利要求3所述的发光半导体元件，其特征在于，所述的第二形状至少包含一第二弧形边界，所述第二弧形边界上的任一点至所述第一弧形边界的距离相等。
5.如权利要求3所述的发光半导体元件，其特征在于，所述的第三形状至少包含一第三弧形边界，所述第三弧形边界上的任一点至所述第一弧形边界的距离相等。
6.如权利要求1所述的发光半导体元件，其特征在于，所述的第一形状至少包含一环形形状，借以使所述透明接触层被围绕于所述环形形状的所述第一接触结构内。
7.如权利要求6所述的发光半导体元件，其特征在于，所述的第二接触结构位于所述透明接触层的中心，使得从所述第二接触结构至所述环形形状的第一接触结构的所述电流路径长度相近。
8.如权利要求1所述的发光半导体元件，其特征在于，所述的第三接触结构至少包含一环形形状，所述环形形状的所述第二接触结构嵌入所述透明接触层的内部。
9.如权利要求8所述的发光半导体元件，其特征在于，所述的第一接触结构位于接近所述环形形状的所述第二接触结构中心正下方的位置，使得所述电流路径长度相近。
10.如权利要求1所述的发光半导体元件，其特征在于，所述的第一形状至少包含一第一线形形状，所述第一线形形状的第一接触结构位于所述第一表面积的一第一侧。
11.如权利要求10所述的发光半导体元件，其特征在于，所述的第二形状至少具有一第二线形形状，所述第二线形形状的第二接触结构位于相对所述第一侧的一第二侧位置，使得所述电流路径长度相近。
12.如权利要求1所述的发光半导体元件，其特征在于，所述的第一接触结构与所述第二接触结构具有相反的导电性。
13.如权利要求1所述的发光半导体元件，其特征在于，所述的第一半导体结构与所述第一接触结构具有相同的导电性。
14.如权利要求1所述的发光半导体元件，其特征在于，所述的第二半导体结构与所述第二接触结构具有相同的导电性。
15.如权利要求1所述的发光半导体元件，其特征在于，所述的基板的材质至少包括一绝缘蓝宝石。
16.如权利要求1所述的发光半导体元件，其特征在于，所述的基板的材质至少包括一导电底材，此时所述发光半导体元件在正常操作状况上下垂直方向上无法导通。
17.如权利要求1所述的发光半导体元件，其特征在于，所述的第一及第二半导体结构至少包含以AlXGaYIn(1-X-Y)N为组成的各自的磊晶层，其中，0≤X≤1及0≤Y≤1。
18.如权利要求1所述的发光半导体元件，其特征在于，所述的第一及第二半导体结构至少各自包含一单层结构。
19.如权利要求1所述的发光半导体元件，其特征在于，所述的第一及第二半导体结构至少各自包含一多层结构。
20.如权利要求1所述的发光半导体元件，其特征在于，所述的透明接触层至少包括一氧化镍/金层。
21.如权利要求1所述的发光半导体元件，其特征在于，所述的第一及第二接触结构至少各自包含一接触层与一电极。
22.如权利要求1所述的发光半导体元件，其特征在于，所述的发光结构选自均质接合、双异质接合、单一量子井结构及多重量子井结构之一。
23.如权利要求1所述的发光半导体元件，其特征在于，还包括一钝化层覆盖在所述透明接触层结构上方及所述第一接触结构、及所述第二接触结构的数个侧壁上。
24.如权利要求23所述的发光半导体元件，其特征在于，所述的钝化层选自于氧化铝、氧化硅、氮化硅、氧化钽、氧化钛、氟石(calcium fluoride，CaF2)、氧化铪(hafnium oxide，HfO2)、硫化锌及氧化锌之一。
25.一种发光二极管元件，其特征在于，至少包括一基板；一第一半导体结构位于所述基板上，所述第一半导体结构具有一第一导电性；一发光结构位于所述第一半导体结构的一第一部份上；一第一接触结构位于所述第一半导体结构的一第二部份上，所述第一半导体结构的第二部份与所述第一部份是分离的，所述第一接触结构具有一第一形状及所述第一导电性；一第二半导体结构位于所述发光结构上，所述第二半导体结构具有一与所述第一导电性相反的一第二导电性；一透明接触层位于所述第二半导体结构上，所述透明接触层具有一切断的部分以暴露出所述部分的第二半导体结构，并且具有一第二形状；及一第二接触结构位于所述透明接触层的切断的部分上，接触到所述第二半导体结构，并具有一第三形状及所述第二导电性，所述第二接触结构的第三形状与所述具有第二形状的透明接触层及所述具有第一形状的第一接触结构相配合的关系借以提供从所述第一接触结构至所述第二接触结构的数个电流路径相近的路径。
26.如权利要求25所述的发光二极管元件，其特征在于，所述的透明接触层至少具有数个中空图案，所述中空图案允许光线从所述透明接触层直接射出，并且使所述电流路径具有转折的方向。
27.如权利要求25所述的发光二极管元件，其特征在于，所述的第一形状至少包含一第一弧形边界。
28.如权利要求27所述的发光二极管元件，其特征在于，所述的第二形状至少包含一第二弧形边界，所述第二弧形边界上的任一点至所述第一弧形边界的距离相等。
29.如权利要求27所述的发光二极管元件，其特征在于，所述的第三形状至少包含一第三弧形边界，所述第三弧形边界上的任一点至所述第一弧形边界的距离相等。
30.如权利要求25所述的发光二极管元件，其特征在于，所述的第一形状至少包含一环形形状，借以使所述透明接触层被围绕于所述环形形状的所述第一接触结构内。
31.如权利要求25所述的发光二极管元件，其特征在于，所述的第二接触结构位于所述透明接触层的中心，使得从所述第二接触结构至所述环形形状的第一接触结构的所述电流路径长度相近。
32.如权利要求25所述的发光二极管元件，其特征在于，所述的第三接触结构至少包含一环形形状，所述环形形状的所述第二接触结构嵌入所述透明接触层的内部。
33.如权利要求32所述的发光二极管元件，其特征在于，所述的第一接触结构位于接近所述环形形状的所述第二接触结构中心正下方的位置，使得所述电流路径长度相近。
34.如权利要求25所述的发光二极管元件，其特征在于，所述的第一形状至少包含一第一线形形状，所述第一线形形状的第一接触结构位于所述第一表面积的一第一侧。
35.如权利要求34所述的发光二极管元件，其特征在于，所述的第二形状至少具有一第二线形形状，所述第二线形形状的第二接触结构位于相对所述第一侧的一第二侧位置，使得所述电流路径长度相近。
36.如权利要求25所述的发光二极管元件，其特征在于，所述的基板的材质至少包括一绝缘蓝宝石。
37.如权利要求25所述的发光二极管元件，其特征在于，所述的基板的材质至少包括一导电底材，此时所述发光二极管元件在正常操作状况上下垂直方向上无法导通。
38.如权利要求25所述的发光二极管元件，其特征在于，所述的第一及第二半导体结构至少包含以AlXGaYIn(1-X-Y)N为组成的各自的磊晶层，其中，0≤X≤1及0≤Y≤1。
39.如权利要求25所述的发光二极管元件，其特征在于，所述的第一及第二半导体结构至少各自包含一单层结构。
40.如权利要求25所述的发光二极管元件，其特征在于，所述的第一及第二半导体结构至少各自包含一多层结构。
41.如权利要求25所述的发光二极管元件，其特征在于，所述的透明接触层至少包括一氧化镍/金层。
42.如权利要求25所述的发光二极管元件，其特征在于，所述的第一及第二接触结构至少各自包含一接触层与一电极。
43.如权利要求25所述的发光二极管元件，其特征在于，所述的发光结构选自均质接合、双异质接合、单一量子井结构及多重量子井结构之一。
44.如权利要求25所述的发光二极管元件其特征在于，还包括一钝化层覆盖在所述透明接触层结构上方及所述第一接触结构、及所述第二接触结构的数个侧壁上。
45.如权利要求44所述的发光二极管元件，其特征在于，所述的钝化层选自氧化铝、氧化硅、氮化硅、氧化钽、氧化钛、氟石(calcium fluoride，CaF2)、氧化铪(hafnium oxide，HfO2)、硫化锌及氧化锌之一。
全文摘要
一种发光半导体元件至少包括一基板；一第一半导体结构位于基板上；一发光结构位于第一半导体结构的一第一部份上；一第一接触结构位于第一半导体结构的一第二部份上，第一半导体结构的第二部份与第一部份相分离，第一接触结构具有一第一形状；一第二半导体结构位于发光结构上；一透明接触层位于第二半导体结构上，透明接触层具有一切断的部分以暴露出部分的第二半导体结构，并且具有一第二形状；及一第二接触结构位于透明接触层的切断的部分上，接触到第二半导体结构，并具有一第三形状，第二接触结构的第三形状与具有第二形状的透明接触层及具有第一形状的第一接触结构相配合，借以提供从第一接触结构至第二接触结构的数个电流路径相近的路径。
文档编号H01L33/00GK1400675SQ0112498
公开日2003年3月5日 申请日期2001年8月8日 优先权日2001年8月8日
发明者郭立信, 吴伯仁, 易乃冠, 陈建安, 陈乃权 申请人:洲磊科技股份有限公司