专利名称：发光化合物半导体装置及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种化合物半导体装置及其制造方法。本发明尤其关于一种发光化合物半导体装置，例如GaN型发光二极体(light-emitting diode，LED)，其侧壁与底表面均由一涂覆性导电层所覆盖，以及此种发光化合物半导体装置的制造方法。
近年来，使用GaN型化合物半导体作为制造蓝光、绿光、或蓝绿光发光装置，例如蓝光LED或蓝光激光二极体(laser diode，LD)的材料已愈来愈受到注意。举例而言，蓝光LED通常具有下列结构包含至少一n型GaN型化合物半导体层、一有源层，由本征或有掺杂的GaN型化合物半导体材料所形成、以及至少一p型GaN型化合物半导体层，其依次叠制于一基板上。
在制造现有的蓝光LED时，经常使用透明的蓝宝石作为形成蓝光LED的基板的材料。不同于其他半导体发光装置所用的半导体基板，蓝宝石为一电绝缘材料。因而，不可能直接形成n型电极于蓝宝石基板上。解决此问题的方法为藉由蚀刻蓝光LED使n型GaN型化合物半导体层部分显露出，以提供一可使n型电极有效地形成的导电表面。
参照
图1以更具体了解前述现有的蓝光LED，现有的蓝光LED主要包含一蓝宝石基板101、一n型GaN型化合物半导体层102、一有源层103，由一本征或有掺杂的GaN型化合物半导体材料所形成、以及一p型GaN型化合物半导体层104。如前所述，一n型电极105形成于n型GaN型化合物半导体层102的显露表面上，而一p型电极106形成于p型GaN型化合物半导体层104上。
然而，图1所示的现有的蓝光LED具有下文所述的若干缺点。首先，当蓝光LED的绝缘蓝宝石基板101安置于杯型引线框107的表面上时，蓝光LED的绝缘蓝宝石基板101无法与杯型引线框107形成电连接。为了电连接蓝光LED与杯型引线框107，必须使用一金属接合线108，使n型电极105电接合至杯型引线框107的表面，如图2所示。既然必须使用另一金属接合线109，使p型电极106电接合至一分离的引线框110，故打线接合制作工艺必须进行二次，以完全接合现有的蓝光LED。此外，金属接合线109以经由一接合垫111而接合至p型电极106为佳。由于二次打线接合特征，现有的蓝光LED的制作工艺复杂度与蓝光LED的晶粒尺寸都大大增加，导致高的制造成本。
另外，如图3所示，现有的蓝光LED的电极105，106的结构与排列是非对称的，其中图3是图1所示的蓝光LED的顶视图。所以，现有的蓝光LED中的电流不会以对称且沿着上下方位的方向流动。因此，现有的蓝光LED难以实现均匀的电流分散特征。既然电流分散特征是不均匀的，故现有的蓝光LED中存在有若干个高电流密度点，其容易于操作中产生损害。
更且，众所周知的静电放电(electrostatic discharge，ESD)问题不可避免地发生于绝缘蓝宝石基板101中。前述缺点大大降低现有的蓝光LED的性能与可靠性。
据此，期望能提供一种获得单一打线接合特征的蓝光LED，不会大大增加制作工艺复杂度与制造成本。也期望能提供一种获得均匀的电流分散特征且免于ESD问题的蓝光LED。而且，期望能提供一种底表面上设有镜状反射器的蓝光LED，藉以增加蓝光LED的发光效率。
本发明的一个目的在于提供一种发光化合物半导体装置，其获得单一打线接合特征。因此制作工艺复杂度简化且制造成本降低。
本发明的另一目的在于提供一种发光化合物半导体装置，其具有均匀的电流分散特征。
本发明的又一目的在于提供一种发光化合物半导体装置，其免于静电放电问题。
本发明的再一目的在于提供一种发光化合物半导体装置，其具有一形成于底表面上的镜状反射器。
依据本发明的第一方面，一种发光化合物半导体装置包括一绝缘基板；一第一GaN型半导体层，形成于该绝缘基板的顶表面上，该第一GaN型半导体层的中央部分的表面高于该第一GaN型半导体层的周缘部分的表面；一有源层，形成于该第一GaN型半导体层的中央部分的表面上方，用以产生光；一第二GaN型半导体层，形成于该有源层上方；一第一电极，形成于该第二GaN型半导体层上；以及一导电层，经由涂覆而覆盖该绝缘基板侧壁与底表面且电连接于该第一GaN型半导体层的侧壁。
依据本发明第一方面的发光化合物半导体装置的制造方法包括准备一绝缘基板；形成一第一GaN型半导体层于该绝缘基板上；形成一有源层于该第一GaN型半导体层上方，用以产生光；形成一第二GaN型半导体层于该有源层上方；分别蚀刻该第二GaN型半导体层、该有源层、与该第一GaN型半导体层的周缘部分，使得该第一GaN型半导体层的该周缘部分的显露表面低于该第一GaN型半导体层的中央部分的表面；形成一第一电极于该第二GaN型半导体层上；以及涂覆一导电层，以覆盖该绝缘基板的侧壁与底表面且电连接于该第一GaN型半导体层的侧壁。
依据本发明的第二方面，一第二电极形成于第一GaN型半导体层的周缘部分的表面且未电连接至有源层、第二GaN型半导体层、与第一电极。覆盖该绝缘基板的侧壁与底表面的导电层电连接于该第二电极。
依据本发明的第三方面，一附着层形成于该绝缘基板的侧壁与底表面上，随后形成该涂覆导电层于附着层上方。该附着层用以增强该第一电极与该导电层间的粘附性。
依据本发明的第四方面，该导电层为一透光层。关于该透光导电层，可使用一铟锡氧化物层、一镉锡氧化物层、一氧化锌层、或一薄金属层，该薄金属层的厚度处于0.001μm至1μm的范围内，由Au、Ni、Pt、Al、Sn、In、Cr、Ti、或其合金所形成。
下文的说明与附图将使本发明的这些与其他目的特征与优点更明显。
兹将参照图示详细说明依据本发明的优选实施例。附图中图1显示现有的蓝光LED的剖面图；图2显示图1的现有的蓝光LED安置于一杯型引线框上的剖面图；图3显示图1的现有的蓝光LED的电极的排列的顶视图；图4A至4E显示依据本发明第一实施例的蓝光LED的制造步骤的剖面图；图5显示图4E的蓝光LED的电极的排列的顶视图；图6显示图4E的蓝光LED安置于一杯型引线框上的剖面图；图7A至7C显示依据本发明第二实施例的蓝光LED的制造步骤的剖面图；图8显示图7C的蓝光LED安置于一杯型引线框上的剖面图9显示依据本发明第三实施例的蓝光LED安置于一杯型引线框上的剖面图；以及图10显示依据本发明第四实施例的蓝光LED安置于一杯型引线框上的剖面图。
符号说明101蓝宝石基板102n型GaN型化合物半导体层103有源层104p型GaN型化合物半导体层105n型电极106p型电极107杯型引线框108金属接合线109金属接合线110分离的引线框111接合垫400蓝光LED400a 上方侧壁400b 下方侧壁400c 底表面401绝缘基板402n型层402a 显露表面402b 中央部分的表面403n型束缚层404有源层405p型束缚层406p型层407透明的接触层409p型电极410弹性卷带
411导电层700蓝光LED708p型电极900蓝光LED901附着层1000 蓝光LED1001 导电层1002 p型电极1003 接合垫第一实施例图4A至4E显示依据本发明第一实施例的蓝光LED400的制造步骤的剖面图。
参照图4A，一厚度为3μm至5μm的n型层402首先形成于一绝缘基板401上。绝缘基板401通常由蓝宝石所形成。在n型层402上，一厚度为0.1μm至0.3μm的n型束缚层403，一厚度为500至2000的用以发光的有源层404，一厚度为0.1μm至0.3μm的p型束缚层405，以及一厚度为0.2μm至1μm的p型层406依次形成。这些层402至406中的每一层由一GaN型化合物半导体材料所形成。举例而言，可采用四元化合物半导体材料InxAlyGa1-x-yN以形成具有不同导电型态与杂质浓度的各层402至406，其中摩尔数x，y满足0≤x＜1，0≤y＜1与x+y＝1。应注意的是依据本发明的蓝光LED400的结构可为任何期望的形式，即蓝光LED400的实际结构不限于第一实施例中所说明的情况，例如p型层和n型层的次序是可互换的。
参照图4B，藉由使用具有预定的图案的光掩模的光刻技术，部分蚀刻蓝光LED400，以移除蓝光LED400的周缘部分。通过精确控制蚀刻时间，蚀刻的深度足够使n型层402显露出。n型层402以受到轻微蚀刻为佳，使得n型层402的周缘部分的显露表面402a低于n型层402的中央部分的表面402b，亦即n型层402与n型束缚层403间的介面。在蚀刻制作工艺完成后，蓝光LED400变成为一台地状(mesa-shaped)结构，其中上方侧壁400a的位置较下方侧壁400b位于更内之处。在此实施例中，蚀刻制作工艺以干式蚀刻制作工艺为佳。
参照图4C，一p型电极409形成于p型层406的表面上。p型电极409可由任何能与p型GaN型化合物半导体材料形成p型欧姆接触的金属所形成。在此实施例中，举例而言，p型电极409由Ni、Ti、Al、Au、或其合金所形成。在p型电极409的形成过程中，最好安插一厚度为50至250的透明的接触层(transparent contact layer，TCL)407于p型层406与p型电极409间，以基本上覆盖p型层406的整个表面，藉而同时增加蓝光LED400的发光效率与电流分散均匀度。TCL407为一透光的欧姆接触层，其由一导电材料，例如Au、Ni、Pt、Al、Sn、In、Cr、Ti、或其合金所形成。
参照图4D，一由聚氯乙烯(polyvinyl chloride，PVC)所形成的弹性卷带410随后配置于蓝光LED400上，以覆盖蓝光LED400的顶侧与上方侧壁400a以及n型层402的显露表面402a。所以，仅有蓝光LED400的下方侧壁400b与底表面400c显露出。
参照图4E，随后涂覆一导电层411，以直接覆盖蓝光LED400的下方侧壁400b与底表面400c，从而，提供一n型电极。此时，蓝光LED400的顶侧与上方侧壁400a以及n型层402的显露表面402a由弹性卷带410所保护，以免接触于导电层411。关于导电层411的材料，可使用任何能与n型层402形成n型欧姆接触的金属。举例而言，导电层411的材料可为Au、Al、Ti、Cr、或其合金。在导电层411形成之后，移除弹性卷带410，以显露蓝光LED 400的顶侧与上方侧壁400a以及n型层402的显露表面402a。既然导电层411于n型层402的侧壁处电连接n型层402，故导电层411有效地作为一n型电极。因此，依据本发明第一实施例的蓝光LED400完成。
图5显示图4E所示的依据本发明第一实施例蓝光LED400的顶视图。明显地，蓝光LED400的p型电极409与作为n型电极的导电层411的结构与排列皆为对称的。所以，蓝光LED400的电流沿着上下方向从p型电极409流至导电层411，且以朝外辐射的方向均匀地分散，如图5中的箭号所指。因此，依据本发明的蓝光LED400极有效率地获得均匀的电流分散特征。既然电流分散特征是均匀的，故蓝光LED400中不存在高电流密度点。蓝光LED400的可靠性与使用寿命皆大大增强。应注意的是p型电极409与导电层411的形状不仅限于图5所示的特定形状，而可为任何期望的形状。
图6显示将依据本发明第一实施例的蓝光LED400接合至杯型引线框107与分离的引线框110上的方式的剖面图。因为导电层411电连接至n型层402且覆盖蓝光LED400的底表面400c，所以当蓝光LED400安置于杯型引线框107上时，n型层402经由导电层411而电连接至杯型引线框107的表面。换言之，电连接n型层402于杯型引线框107上不需使用任何接合线。所以，仅有p型电极409与分离的引线框110间的电连接需要使用接合线109。因而，依据本发明的蓝光LED400实现单一打线接合特征，藉以简化制作工艺复杂度且降低制造成本。
而且，覆盖蓝光LED400的下方侧壁400b与底表面400c的导电层411不只提供一ESD防护路径，还作用如同一镜状反射器，使从有源层404发出的光被反射回，藉以增加蓝光LED400的发光效率。第二实施例图7A至7C显示依据本发明第二实施例的蓝光LED700的制造步骤的剖面图。在图7A至7C中，蓝光LED700的相似于图4A至4E所示的蓝光LED400的元件由相似的参考符号所代表。为简化说明，下文中仅说明第二实施例不同于第一实施例之处。
参照图7A，在图4B所示的半导体结构形成之后，一n型电极708形成于n型层402的显露表面402a上，且未电连接至上方侧壁400a，而一p型电极409形成于p型层406的表面上，且未电连接至n型电极708。N型与p型电极708与409可由任何能分别和n型与p型GaN型化合物半导体材料形成n型与p型欧姆接触的金属所形成。在此实施例中，举例而言，n型与p型电极708与409中的每一个是由Ni、Ti、Al、Au、或其合金所形成。
参照图7B，一由PVC所形成的弹性卷带410随后配置于蓝光LED700上，以覆盖蓝光LED700的顶侧。所以，仅有n型电极708以及蓝光LED700的下方侧壁400b与底表面400c显露出。
参照图7C，随后涂覆一导电层411，以直接覆盖蓝光LED700的n型电极708、下方侧壁400b、以及底表面400c。此时，蓝光LED700的顶侧由弹性卷带410所保护，以免接触于导电层41。举例而言，导电层411的材料得为Au、Al、Ti、Cr、或其合金。在导电层411形成之后，移除弹性卷带410，以显露蓝光LED700的顶侧。因此，依据本发明第二实施例的蓝光LED700完成。
图8显示将依据本发明第二实施例的蓝光LED700接合至杯型引线框107与分离的引线框110上的方式。因为导电层411电连接至n型电极708且覆盖蓝光LED700的底表面400c，所以当蓝光LED700安置于杯型引线框107上时，n型电极708经由导电层411而电连接至杯型引线框107的表面。换言之，电连接n型电极708于杯型引线框107上不需使用任何接合线。所以，仅有p型电极409与分离的引线框110间的电连接需要使用接合线109。因而，依据本发明的蓝光LED700获得单一打线接合特征，藉以简化制作工艺复杂度且降低制造成本。第三实施例图9显示依据本发明第三实施例的蓝光LED900的剖面图。在图9中，蓝光LED900的相似于图7A至7C所示的蓝光LED700的元件由相似的参考符号所代表。为简化说明，下文中仅说明第三实施例不同于第二实施例之处。
在蓝光LED900的制造过程中，除了在导电层411形成之前，涂覆一附着层901以覆盖LED结构900的n型电极708，下方侧壁400b，以及底表面400c以外，所有步骤皆相同于图7A至7C所示的蓝光LED700的制造步骤。附着层901用以增强绝缘基板401的侧壁与底表面和导电层411间的粘附性。附着层901的材料可为Ti、Ni、Al、Cr、Pd、或任何可增强绝缘基板401的侧壁与底表面和导电层411间的粘附性的金属。第四实施例图10显示依据本发明第四实施例蓝光LED1000的剖面图。在图10中，蓝光LED1000的相似于图7A至7C所示的蓝光LED700的元件由相似的参考符号所代表。为简化说明，下文中仅说明第四实施例不同于第二如第二实施例中所述，产生于有源层404中的光随后经由蓝光LED700的顶侧，亦即p型层406射出蓝光LED700。然而，第四实施例提供一种蓝光LED1000，其使产生于有源层404中的光从蓝光LED1000的底侧，亦即绝缘基板401射出。
为了实现第四实施例的蓝光LED1000，导电层1001形成为一透光层，以允许产生于有源层404中的光能穿透的。关于透光导电层1001，可使用一铟锡氧化物(indium-tin-oxide，ITO)层、一镉锡氧化物(cadmium-tin-oxide，CTO)层，一氧化锌(zinc oxide，ZnO)层、或一薄金属层，该薄金属层的厚度位于0.001μm至1μm的范围内且由Au、Ni、Pt、Al、Sn、In、Cr、Ti、或其合金所形成。
而且，p型电极1002形成为基本上覆盖p型层406的整个表面。在第四实施例中，p型电极1002作为一镜状反射器以反射有源层404中所产生的光，藉而增加蓝光LED1000的发光效率。
当第四实施例的蓝光LED1000安置于杯型引线框107上时，蓝光LED1000翻转成正面朝下，以电连接p型电极1002于杯型引线框107的表面上，如图10所示。继而，透光导电层1001经由一接合线109而电连接至分离的引线框110。为增强透光导电层1001与接合线109间的接合强度，以使用一接合垫1003为佳。
类似第二实施例，第四实施例的蓝光LED1000仅需一接合线109，尽管安置方位不同。因而，蓝光LED1000也获得单一打线接合特征，藉以简化制作工艺复杂度且降低制造成本。而且，覆盖蓝光LED1000的绝缘基板401的侧壁与底表面的透光导电层1001提供一ESD防护路径。
上述实施例是结合蓝光LED来描述的，但是本领域的技术人员应当理解，本发明可以用于其他LED的制造。
虽然本发明业已藉由较佳实施例作为例示加以说明，应了解的是本发明不限于被揭露的实施例。相反地，本发明意欲涵盖对于本领域的技术人员而言为明显的各种修改与相似配置。因此，权利要求的范围应根据最广的诠释，以包含所有此类修改与相似配置。
权利要求
1.一种发光化合物半导体装置，包括一绝缘基板；一第一GaN型半导体层，形成于该绝缘基板的顶表面上，该第一GaN型半导体层的中央部分的表面高于该第一GaN型半导体层的周缘部分的表面；一有源层，形成于该第一GaN型半导体层的中央部分的表面上方，用以产生光；一第二GaN型半导体层，形成于该有源层上方；一第一电极，形成于该第二GaN型半导体层上；以及一导电层，经由涂覆而覆盖该绝缘基板侧壁与底表面且电连接于该第一GaN型半导体层的侧壁。
2.如权利要求1所述发光化合物半导体装置，还包括一第二电极，形成于该第一GaN型半导体层的周缘部分的表面，且未电连接至该有源层、该第二GaN型半导体层、与该第一电极，其中该导电层电连接于该第二电极。
3.如权利要求1所述发光化合物半导体装置，还包括一附着层，夹于该绝缘基板的侧壁与底表面和该导电层之间。
4.如权利要求1所述发光化合物半导体装置，其中该导电层形成为一镜状反射器。
5.如权利要求1所述发光化合物半导体装置，其中该导电层选自于由一铟锡氧化物层、一镉锡氧化物层、以及一氧化锌层所组成的族群中的一层。
6.如权利要求1所述发光化合物半导体装置，其中该导电层为一薄金属层，其厚度处于0.001μm至1μm的范围内，由选自于由Au、Ni、Pt、Al、Sn、In、Cr、Ti、以及其合金所组成的族群中的一材料所形成。
7.一种发光化合物半导体装置的制造方法，包括下列步骤准备一绝缘基板；形成一第一GaN型半导体层于该绝缘基板上；形成一有源层于该第一GaN型半导体层上方，用以产生光；形成一第二GaN型半导体层于该有源层上方；分别蚀刻该第二GaN型半导体层、该有源层、与该第一GaN型半导体层的周缘部分，使得该第一GaN型半导体层的该周缘部分的显露表面低于该第一GaN型半导体层的中央部分的表面；形成一第一电极于该第二GaN型半导体层上；以及涂覆一导电层，以覆盖该绝缘基板的侧壁与底表面且电连接于该第一GaN型半导体层的侧壁。
8.如权利要求7所述发光化合物半导体装置的制造方法，还包括下列步骤形成一第二电极于该第一GaN型半导体层的周缘部分的显露表面上，且未电连接于该有源层、该第二GaN型半导体层、与该第一电极。
9.如权利要求7所述发光化合物半导体装置的制造方法，还包括下列步骤在涂覆该导电层的该步骤之前，形成一附着层于该绝缘基板的侧壁与底表面上。
10.如权利要求7所述发光化合物半导体装置的制造方法，其中该导电层形成为一镜状反射器。
11.如权利要求7所述发光化合物半导体装置的制造方法，其中该导电层选自于由一铟锡氧化物层、一镉锡氧化物层、以及一氧化锌层所组成的族群中的一层。
12.如权利要求7所述发光化合物半导体装置的制造方法，其中该导电层为一薄金属层，其厚度处于0.001μm至1μm的范围内，由选自于由Au、Ni、Pt、Al、Sn、In、Cr、Ti、以及其合金所组成的族群中的一材料所形成。
全文摘要
一种具有单一打线接合特征的发光化合物半导体装置及其制造方法。此发光化合物半导体装置具有一形成于一绝缘基板上的GaN型半导体层状结构。GaN型半导体层状结构的周缘部分受蚀刻,使得该n型层周缘部分的显露表面低于该n型层的中央部分的表面。一n型电极形成于该n型层的显露表面,而一p型电极形成于p型层上且未电连接至该n型电极。一导电层经由涂覆而覆盖该绝缘基板的侧壁与底表面且电连接于n型电极。
文档编号H01S5/00GK1344035SQ0012864
公开日2002年4月10日 申请日期2000年9月18日 优先权日2000年9月18日
发明者林明德 申请人:连勇科技股份有限公司