专利名称：发光二极管结构及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种发光二极管结构及其制造方法，特别是涉及一种增加出光量的发光二极管结构及其制造方法。
背景技术：
传统发光二极管由于半导体材料折射率(约2. 2 3. 8)较空气折射率(约1)高， 因而外部量子效率受到全反射效应的影响，当发光层产生的光入射角大于临界角时，即产生全反射，部分光线经过几次全反射后，被外延层或者基板材料吸收，出光效率不易提高。美国专利(US 6, 291,839)提出网状电极结构，以提高出光效率。请参照图1及图 2，图1为美国专利(US 6, 291,839)的网状电极结构的立体示意图，图2为图1中沿着A_A’ 剖面线的剖面示意图。在图1及图2中，在P型半导体层200上形成具多个开口 210的网状电极230，取代传统透明导电金属薄膜的导电层的电流扩散效果，并且在有源层220产生的光可以从开口 210出射至外界，以提高出光量。然而，为避免网状电极230部分造成的遮光效应，一般希望将网状电极230的线宽变细到例如小于2微米，然而，当网状电极230变细后，开口 210尺寸变大，反而会因为电流在P型半导体层200的横向传递性不佳的特性， 造成电流分布不均，而无法有效提升发光效率。另一方面，若增加网状电极230分布密度来改善电流分布均勻性，又会使得网状电极230遮光面积变大、开口 210尺寸变小，导致光取出效率变低。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的就是在提供一种发光二极管结构及其制造方法，由此增加发光二极管的出光量。为达上述目的，依本发明实施例的发光二极管结构，包括基板、外延结构、第一电性电极、第二电性电极以及电流分布辅助结构。外延结构位于基板上，外延结构包括发光层、第一电性半导体层、第二电性半导体层，其中，第一电性半导体层位于基板上，发光层位于第一电性半导体层上以及第二电性半导体层位于发光层上。另外，第一电性电极与第一电性半导体层电性连接，第二电性电极位于第二电性半导体层上并与第二电性半导体层电性连接。此外，电流分布辅助结构位于发光层与第二电性电极之间，并与至少部分第二电性半导体层电性连接。其中，第二电性电极例如包括接触垫以及多个延伸电极，接触垫与此些延伸电极电性连接，并且此些延伸电极为网状结构，换言之，透过接触垫将电流传导至延伸电极，使得电流分散于第二电性半导体层内。而电流分布辅助结构位于第二电性半导体层之中，电流分布辅助结构是用来辅助传导电流予发光二极管结构中。换言之，当电流在延伸电极分散开时，电流可以传导至电流分布辅助结构，由此均勻分散电流。另外，电流分布辅助结构例如位于相对应第二电性电极的开口的下方并位于半导体层之中，所以在发光层产生的光会有比较多的出光量，由此增加光取出效率。此外，本发明实施例还提出一种发光二极管结构的制造方法，包括提供基板、第一电性半导体层、发光层以及第二电性半导体层的第一部分，其中第一电性半导体层为P 型半导体层及N型半导体层之一者、第二电性半导体层为P型半导体层及N型半导体层的另一者；接着利用光致抗蚀剂定义预设的形状及位置于第二电性半导体层上；接着沉积导电材料层于第二电性半导体层及光致抗蚀剂上；接着利用剥离法去除光致抗蚀剂以及位于光致抗蚀剂上的导电材料层；接着提供第二电性半导体层的第二部分于导电材料层与第二电性半导体层的第一部分上；以及提供第一电性电极与第二电性电极，第一电性电极与第一电性半导体层电性连接且第二电性电极与第二电性半导体层电性连接，其中，第二电性电极具有网状结构。
承上所述，依本发明的发光二极管结构及其制造方法，其可具下述优点
(1)电流分布辅助结构将电流更均勻分散于基板中。
(2)电流分布辅助结构位于相对应第二电性电极的开口的下方并位于第二电性半导体层中，所以在发光层产生的光会有比较多的出光量，由此增加光取出效率。
为使本领域技术人员对本发明的技术特征及所达到的功效有更进一步的了解与认识，以优选的实施例及配合详细的说明如后。
图1为美国专利(US 6, 291,839)的网状电极结构的立体示意图。
图2为图1中沿着A-A’剖面线的剖面示意图。
图3为本发明的发光二极管结构的第一实施例的剖面示意图。
图4为本发明的发光二极管结构的第一实施例的电流分布示意图。
图5为本发明的发光二极管结构的网状电极与电流分布辅助结构俯视示意图。
图6为本发明的发光二极管结构的第二实施例的网状电极与电流分布辅助结构俯视示意图。
图7为本发明的发光二极管结构的第三实施例的网状电极与电流分布辅助结构俯视示意图。
图8为本发明的发光二极管结构的第四实施例的剖面示意图。
图9为本发明的发光二极管结构的第五实施例的剖面示意图。
图10为本发明的发光二极I 结构的制造方法的流程图。
附图标记说明
200=P型半导体层210开口
220有源层230网状电极
300基板301发光层
302第一电性半导体层303第二电性半导体层
304第一电性半导体层305第二电性半导体层
306第一电性电极307第二电性电极
310外延结构311接触垫
312延伸电极313延伸电极
320电流分布辅助结构330反射层
340水平间隙350介电层
360 反射层
410 步骤
430 步骤400 步骤 420 步骤 440 步骤
450 步骤具体实施方式
以下将参照相关附图，说明依本发明优选实施例的发光二极管结构及其制造方法，为使便于理解，下述实施例中的相同元件以相同的符号标示来说明。
请参阅图3，图3为本发明的发光二极管结构的第一实施例的剖面示意图。如图3 所示，本发明的发光二极管结构包括基板300、外延结构310、第一电性电极306、第二电性电极307以及电流分布辅助结构320。外延结构310包括发光层301、第一电性半导体层 302及第二电性半导体层303。于本实施例中，第一电性例如为N型，第二电性例如为P型。 外延结构310位于基板300上，其中，第一电性半导体层302位于基板300上，发光层301 位于第一电性半导体层302上，第二电性半导体层303位于发光层301上。发光层301位于第一电性半导体层302及第二电性半导体层303之间，亦即，发光层301位于N型半导体层及P型半导体层之间。由P型半导体层提供空穴，N型半导体层提供电子，并且电子空穴对于发光层301中进行复合(recombine)而用来产生光线。基板300的材料可以例如为蓝宝石(sapphire)、碳化硅(SiC)、砷化镓(Ga As)、氮化镓(GaN)或硅(Si)。第一电性半导体层302例如为利用有机金属化学气相沉积法(MOCVD)或分子束外延法(MBE)生长在基板 300上的N型氮化镓系列材料层，其中，基板300与N型氮化镓系列材料层之间亦可生长一层缓冲层(未绘示)，缓冲层(未绘示)的材料例如为氮化铝(AlN)或氮化镓，而缓冲层是用来降低基板300与N型氮化镓系列材料层晶格不匹配的问题。发光层301形成在N型氮化镓系列材料层上，发光层301例如为氮化铝铟镓(AlInGaN)的多重量子阱(MQW)结构。第二电性半导体层303形成在发光层301上，第二电性半导体层303例如为P型氮化镓系列材料层。此外，为了增加电子和空穴在发光层301内结合的机会，可以在发光层301与N型氮化镓系列材料层之间生长N型束缚层(n-cladding layer)或是在发光层301与P型氮化镓系列材料层之间生长P型束缚层(p-claddinglayer)，由此将电子或空穴局限在发光层301中。另外，第一电性电极306与第一电性半导体层302电性连接，并且第二电性电极 307与第二电性半导体层303电性连接。此外，在本实施例中，第二电性电极307呈网状结构，网状电极包括接触垫(contact pad)以及多个延伸电极，在稍后文中有更详细的描述。 电流分布辅助结构320位于发光层301与第二电性电极307之间，并与至少部分该第二电性半导体层303电性连接，用以辅助传导电流予该发光二极管结构。例如，电流分布辅助结构320位于P型半导体层中，电流分布辅助结构320是用来辅助传导电流予外延结构310。 其中，电流分布辅助结构320例如为镍/金(Ni/Au)、镍/银(NiAg)、镍/金/镍(Ni/Au/ Ni)或镍/银/镍(Ni/Ag/Ni)的叠层结构，亦或是电流分布辅助结构320例如为透明导电氧化物薄膜。更明确的说，透明导电氧化物薄膜例如为氧化铟锡(ITO)或氧化锌(ZnO)。另外，电流分布辅助结构320的宽度例如为1至5微米。其中，电流分布辅助结构320的材料可为导电性良好的材料，并可以选择适当的厚度，以降低电流分布辅助结构320的电阻，增加辅助电流分布的效果。
请参阅图4及图5，图4为本发明的发光二极管结构的第一实施例的电流分布示意图，图5为本发明的发光二极管结构的网状电极与电流分布辅助结构俯视示意图。在此要特别述明，图4中从第二电性电极307的延伸电极及电流分布辅助结构320出发的引线代表电流移动的方向。本发明的发光二极管结构中，第二电性电极307为网状电极，包括接触垫311及多个延伸电极312与接触垫311电性连接，该多个延伸电极312形成网状结构。该多个延伸电极312与相邻的电流分布辅助结构320之间还具有水平间隙340，水平间隙340 为延伸电极312的侧面与相邻的电流分布辅助结构320的侧面水平方向的距离。另外，由于电流在外延结构310中侧向传递效果仅及于有限的距离，为了使电流在外延结构310中均勻传递，在本发明实施例中可以通过控制水平间隙340的距离，例如优选为0至1微米， 最佳为0. 5至1微米，以利于电流有效分别从第二电性电极307的延伸电极312传递至相邻的电流分布辅助结构320的一侧。换言之，电流从网状电极往下传递时，电流会约略侧向传递至电流分布辅助结构320，由于电流分布辅助结构320的材料为导电性良好的材料，电流可以轻易传递至电流分布辅助结构的另一侧，因而解决已知技术中电流于P型半导体层横向传递不易的缺点。接着，电流可以自电流分布辅助结构320的左侧、右侧或者是下侧继续向下传递至发光层301、第一电性半导体层302及第一电性电极306。通过网状电极的多个延伸电极312与多个电流分布辅助结构320的搭配，电流可以均勻地分布于整个发光二极管结构，因而发光效率可以获得提升。
请参阅图6至图7，其中，图6为本发明的发光二极管结构的第二实施例的网状电极与电流分布辅助结构俯视示意图以及图7为本发明的发光二极管结构的第三实施例的网状电极与电流分布辅助结构俯视示意图。图6至图7中，第二电性电极307为网状电极， 包括接触垫311及多个延伸电极312，其中接触垫311与延伸电极312电性连接。多个延伸电极312散布于第二电性半导体层上，而形成网状结构，并与第二电性半导体层形成欧姆接触。于本发明实施例中，网状结构并不特别限制其形状，例如可以为放射状、棋盘状或其他具有开口的网状结构。通过接触垫311的传导将电流传输到延伸电极312，并经由多个延伸电极312将电流向下传递到第二电性半导体层。其中，延伸电极312的线宽例如为小于等于2微米，以减少遮光面积。此外，延伸电极312与相邻延伸电极313的开口间距例如为2至7微米，并且电流分布辅助结构320优选位于延伸电极312与延伸电极313之间的第二电性半导体层中，并与第二电性半导体层形成欧姆接触。再者，电流分布辅助结构320 可以各自独立位于延伸电极312与延伸电极313之间，或是相互连接成为整体结构。电流分布辅助结构320的线宽可以例如为1至5微米，而与相邻的延伸电极312、313具有0至 1微米的水平间隙340。
请继续参照图3，本发明的发光二极管结构还包括反射层330，形成于电流分布辅助结构320上。反射层330设于电流分布辅助结构320的至少一侧并用来反射从发光层 301产生至电流分布辅助结构320的光线。另外，反射层330亦可同时设于电流分布辅助结构320上侧、下侧、左侧及右侧。从发光层301出发的箭头代表光线可能的移动路径，举例来说，当电流分布辅助结构320由不透光的导电材料组成时，通过在电流分布辅助结构320 表面形成反射层330，光线可以由此反射而向外部传递，减少光线被电流分布辅助结构320 阻挡吸收，进而增加了出光的效果。换言之，当反射层330设于电流分布辅助结构320的一侧时，可以增加光取出效率。并且，电流分布辅助结构320在垂直方向上与网状电极的延伸电极312具有一段距离，同时与相邻的延伸电极312在水平方向上亦具有水平间隙340，因而光线均可以由这些间隙出射至外界。另外，电流分布辅助结构320也可以利用透光的导电材料组成，例如为氧化铟锡(ITO)或氧化锌(ZnO)。当电流分布辅助结构320由透光的导电材料组成时，光线可以直接穿透电流分布辅助结构320而不至于被阻挡吸收，因而可以不需要在电流分布辅助结构320的表面形成反射层330，且光取出效率可以更进一步提升。 于本发明实施例中，基板300相对于外延结构310的另一侧，更可选择性地沉积反射层360， 以利于射向基板300的光线经反射层360反射后出光。
请参阅图8，图8为本发明的发光二极管结构的第四实施例的剖面示意图。图中， 发光二极管结构包括基板300、外延结构310、第一电性电极306、第二电性电极307、电流分布辅助结构320以及介电层350。其中，外延结构310包括发光层301、第一电性半导体层 304及第二电性半导体层305。第一电性半导体层304位于基板300上，发光层301位于第一电性半导体层304上，第二电性半导体层305位于发光层301上。于本实施例中，第一电性例如为N型，第二电性例如为P型。第一电性电极306与第一电性半导体层304电性连接，并且第二电性电极307与第二电性半导体层305电性连接。于本实施例中，第二电性电极307呈网状结构，网状电极包括接触垫(contactpad)以及多个延伸电极。本发明实施例大致类似于第一实施例，其主要不同在于为了增加出光效果，在第二电性电极307上可以选择性的沉积介电层350，介电层350的折射率优选低于第二电性半导体层305的折射率， 并高于封装胶材或空气的折射率。介电层350例如为二氧化硅或氮化硅。值得注意的是， 介电层350并不限于需要完全覆盖第二电性电极307，若是完全覆盖第二电性电极307时， 可以通过例如光刻蚀刻的方式定义接触垫(未绘示)的区域，以利第二电性电极307的电性连接。此外，为了增加出光效果亦可在第二电性电极307上沉积透明导电层(未绘示)， 透明导电层(未绘示)例如为氧化铟锡或氧化锌。透明导电层(未绘示)具有透光效果， 所以可以增加光取出效果。
请参阅图9，图9为本发明的发光二极管结构的第五实施例的剖面示意图。图中， 发光二极管结构为垂直电极式发光二极管，包括基板300、电流分布辅助结构320、外延结构310、第一电性电极306、第二电性电极307以及介电层350。其中，外延结构310包括第一电性半导体层304、第二电性半导体层305及发光层301。第一电性半导体层304位于基板300上，发光层301位于第一电性半导体层304上，第二电性半导体层305位于发光层 301上。于本实施例中，第一电性例如为P型，第二电性例如为N型。例如，第一电性半导体层304为P型氮化镓系列材料层，第二电性半导体层305为N型氮化镓系列材料层，第一电性电极306为P型电极以及第二电性电极307为N型电极。其中，基板300的材料例如为硅、铜或碳化硅等导电基板。基板300与第一电性半导体层304之间例如具有接合层(未绘示)，接合层(未绘示)的材料例如为钛/金。此外，第一电性电极306形成于第一电性半导体层304相对于基板300的另一面。接着在基板300上，依序沉积堆叠第一电性半导体层 304、发光层301、第二电性半导体层305以及具网状结构的第二电性电极307。第二电性电极307的实施示例类似于先前实施例，具有接触垫及多个延伸电极，在此不再赘述。其中， 电流分布辅助结构320位于第二电性半导体层305中，并与第二电性半导体层305形成欧姆接触。此外，在第二电性电极307上可以选择性沉积介电层350，介电层350的折射率小于第二电性半导体层305。通过第二电性电极307的多个延伸电极与多个电流分布辅助结构320的搭配，电流可以均勻地分布于整个发光二极管结构，因而发光效率可以获得提升。
请参阅图10，图10为本发明的发光二极管结构的制造方法的流程图。图10中，步骤400为完成本发明的发光二极管结构在进行电流分布辅助结构相关工艺前的制造步骤， 包括提供基板、第一电性半导体层、发光层以及第二电性半导体层的第一部分，其中第一电性半导体层为P型半导体层及N型半导体之一者、第二电性半导体层为P型半导体层及N 型半导体层的另一者。其中，第一电性半导体层例如为P型氮化镓层或N型氮化镓层之一者，第二电性半导体层则为P型氮化镓或N型氮化镓层的另一者。于此步骤中，第二电性半导体层的第一部分具有第二电性半导体层的第一厚度，其余厚度的第二电性半导体层，可于电流分布辅助结构工艺完成后再形成。接着步骤410至430为进行电流分布辅助结构相关制造步骤。步骤410为在步骤400的第二电性半导体层的第一部分上，利用光致抗蚀剂定义预设电流分布辅助结构的形状及位置。详细来说，利用光刻及蚀刻的方式，在欲形成电流分布辅助结构的位置，移除光致抗蚀剂层及选择性地移除第二电性半导体层，以曝露出第二电性半导体层的该些部分。步骤420为沉积导电材料层于曝露出的第二半导体层及未移除的光致抗蚀剂上。换言之，导电材料层的一部分沉积在已经定义好位置及形状的曝露出的第二电性半导体层上，另一部分沉积在未移除的光致抗蚀剂层上，而与电流分布辅助结构预设位置上的导电材料层具有一高度段差。
接着，步骤430为利用剥离法(Lift-Off)去除该光致抗蚀剂以及位于光致抗蚀剂上的导电材料层。在这边要特别提到的是，利用光致抗蚀剂定义导电材料层的形状跟位置以及沉积导电材料层之后，导电材料层同时沉积在有光致抗蚀剂和没有光致抗蚀剂的位置。此时，透过剥离法去除光致抗蚀剂，位于没有光致抗蚀剂的位置的导电层就会遗留下来，而位于有光致抗蚀剂的位置的导电层就会被去除。如此一来，遗留下来在没有光致抗蚀剂的第二电性半导体层上的导电材料层形成了电流分布辅助结构。
接着，步骤440为提供第二电性半导体层的第二部分于电流分布辅助结构与第二电性半导体层的第一部分上。其中，第二电性半导体层的第二部分例如为P型氮化镓层及N 型氮化镓层的另一者，而具有第二厚度。换言之，第二电性半导体层由第一厚度及第二厚度所组成，并且电流分布辅助结构位于第二电性半导体层中。最后，形成第一电性电极及第二电性电极。步骤450为提供具网状结构的第二电性电极于第二电性半导体层上，并与第二电性半导体层电性连接，以及第一电性电极与第一电性半导体层电性连接。其中第一电性电极为P型电极及N型电极之一者，第二电性电极为P型电极及N型电极的另一者。于实施例中，在形成第一电性电极之前，还包括移除部分的第二电性半导体层、发光层及第一电性半导体层以曝露出部分的第一电性半导体层。接着第一电性电极形成于第一电性半导体层上而与第一电性半导体层电性连接。于另一实施例中，若基板为导电基板，第一电性电极可以形成在基板相对于第一电性半导体层的另一侧上，并与第一电性半导体层电性连接。
以上所述仅为举例性，而非为限制性者。任何未脱离本发明的精神与范畴，而对其进行的等同修改或变更，均应包括于权利要求中。
权利要求
1.一种发光二极管结构，包括 基板；外延结构，位于该基板上，包括 第一电性半导体层，位于该基板上； 发光层，位于该第一电性半导体层上；以及第二电性半导体层，位于该发光层上； 第一电性电极，与该第一电性半导体层电性连接；第二电性电极，位于该第二电性半导体层上并与该第二电性半导体层电性连接；以及电流分布辅助结构，位于该发光层与该第二电性电极之间，并与至少部分该第二电性半导体层电性连接。
2.如权利要求1所述的发光二极管结构，其中该第一电性半导体层为N型氮化镓系列材料层，该第二电性半导体层为P型氮化镓系列材料层。
3.如权利要求1所述的发光二极管结构，其中该第一电性半导体层为P型氮化镓系列材料层，该第二电性半导体层为N型氮化镓系列材料层。
4.如权利要求1所述的发光二极管结构，其中该第二电性电极包括接触垫及多个延伸电极，其中，该多个延伸电极与该接触垫电性连接，该多个延伸电极形成网状结构。
5.如权利要求4所述的发光二极管结构，还包括介电层，该介电层设于该第二电性电极上，其中，该介电层的折射率小于该第二电性半导体层。
6.如权利要求4所述的发光二极管结构，其中该多个延伸电极的线宽为小于等于2微米。
7.如权利要求4所述的发光二极管结构，其中该多个延伸电极的间距为2至7微米。
8.如权利要求1所述的发光二极管结构，其中该电流分布辅助结构位于该第二电性半导体层之中并与该第二电性半导体层形成欧姆接触。
9.如权利要求8所述的发光二极管结构，其中该电流分布辅助结构位于该多个延伸电极相邻的两个之间。
10.如权利要求9所述的发光二极管结构，其中该电流分布辅助结构与相邻该多个延伸电极其中之一者具有水平间隙，该水平间隙的长度为0至1微米。
11.如权利要求9所述的发光二极管结构，其中该电流分布辅助结构的宽度为1至5微米。
12.如权利要求9所述的发光二极管结构，还包括反射层，该反射层设于该电流分布辅助结构的一侧。
13.如权利要求8所述的发光二极管结构，其中该电流分布辅助结构为多个独立结构。
14.如权利要求8所述的发光二极管结构，其中该电流分布辅助结构为相互连接的整体结构。
15.如权利要求1所述的发光二极管结构，其中该电流分布辅助结构为M/Au、Ni/Ag, Ni/Au/Ni gNi/Ag/Ni。
16.如权利要求1所述的发光二极管结构，其中该电流分布辅助结构为透明导电氧化物薄膜。
17.一种发光二极管结构的制造方法，包括提供基板、第一电性半导体层、发光层以及第二电性半导体层的第一部分，其中该第一电性半导体层为P型半导体层及N型半导体层之一者、该第二电性半导体层为P型半导体层及N型半导体层中另一者；利用光致抗蚀剂定义预设的形状及位置于该第二电性半导体层上； 沉积导电材料层于该第二电性半导体层及该光致抗蚀剂上； 利用剥离法去除该光致抗蚀剂以及位于该光致抗蚀剂上的该导电材料层； 提供第二电性半导体层的第二部分于该导电材料层与该第二电性半导体层的第一部分上；以及提供第一电性电极与第二电性电极，该第一电性电极与该第一电性半导体层电性连接且该第二电性电极与该第二电性半导体层电性连接，其中，该第二电性电极具有网状结构。
18.如权利要求17所述的发光二极管结构的制造方法，其中在提供该第一电性电极之前，还包括移除部分的该第二电性半导体层、该发光层及该第一电性半导体层以曝露出部分的该第一电性半导体层，该第一电性电极形成于该第一电性半导体层上而与该第一电性半导体层电性连接。
全文摘要
本发明披露一种发光二极管结构及其制造方法。在具网状结构的电极及发光层间加设置电流分布辅助结构，使电流可以自电极流通至电流分布辅助结构，以达到均匀分散电流的效果。另外电流分布辅助结构与电极之间具有水平间隙以及垂直方向的距离，经过两者的搭配可以得到最佳化的出光效果。
文档编号H01L33/00GK102544284SQ20111004228
公开日2012年7月4日 申请日期2011年2月22日 优先权日2010年12月17日
发明者王星贸 申请人:佛山市奇明光电有限公司, 奇力光电科技股份有限公司