发光元件及发光装置的制作方法

本发明有关于发光元件，特别是有关于发光二极管。

背景技术：

发光二极管(light-emitting diodes,LEDs)是一种半导体元件，其可在施加电压时发出光线。氮化物发光二极管常用以作为产生蓝光或绿光的半导体光学元件。考虑化合物的晶格匹配性，一般多在蓝宝石基板上成长氮化物半导体晶体，再形成电极结构以形成氮化物发光二极管。然而，蓝宝石基板硬度高、热导率且电导率低，不仅具有静电问题也是限制原有正装LED晶片散热的主要因素；此外，原有正装LED结构中，电极会遮掉一部分光而降低发光效率。因此，逐渐发展出LED的倒装晶片(flip chip)结构。

目前常见的LED晶片倒装技术是将制备完成的LED晶片反转后焊接至封装基板上，由于晶片反转，热传导路径可直接由半导体层传导至封装基板，可避免蓝宝石基板散热不佳的问题；另外，在倒装结构中，蓝宝石基板由底层转向成为上方的出光面，由于蓝宝石基板为透明，也因而解决了电极遮光的问题。

由于倒装LED具有上述的优点，已逐渐受到市场的重视，有越来越多的LED制造商投入倒装LED技术领域，期望在提升相关技术或降低所需成本，以加快其在半导体领域的发展。

技术实现要素：

为解决现有技术中存在的问题，本发明的主要目的在于，提升相关技术或降低所需成本，以加快其在半导体领域的发展。

本发明一实施例提供一种发光元件，包括：发光单元，依序包含第一型半导体层、发光层及第二型半导体层，其中发光单元具有开口穿过第二型半导体层及发光层，以暴露出部分第一型半导体层；电流传导层，位于第二型半导体层上；第一电极，位于电流传导层上且露出部分电流传导层；布拉格反射镜，位于第一电极上且覆盖电流传导层露出的部分；以及第二电极，形成于布拉格反射镜上且填入开口与第一型半导体层电性连接。

根据本发明一实施例，在上述发光元件中，第一电极围绕开口。

根据本发明另一实施例，在上述发光元件中，第一电极为环状封闭结构。

再根据本发明又一实施例，在上述发光元件中，第一电极为格状结构。

根据本发明一实施例，该第一电极与该开口的距离约50至250μm。

根据本发明一实施例，该布拉格反射镜更形成于该开口的侧壁上。

根据本发明一实施例，更包括：一阻障层，位于该布拉格反射镜上且穿过该布拉格反射镜连接至该第一电极。

根据本发明一实施例，更包括：一绝缘层，位于该阻障层与该第二电极之间及该布拉格反射镜与该第二电极之间。

根据本发明一实施例，该布拉格反射镜的材料为绝缘体。

根据本发明一实施例，该电流传导层的材料为氧化铟锡。

根据本发明实施例，还提供一种发光装置，包括：

数个发光元件，其中该些发光元件彼此电性连接且该些发光元件其中之一包括：

一发光单元，依序包含一第一型半导体层、一发光层及一第二型半导体层，其中该发光单元具有一开口穿过该第二型半导体层及该发光层，以暴露出部分该第一型半导体层；

一电流传导层，位于该第二型半导体层上；

一第一电极，位于该电流传导层上且露出部分该电流传导层；

一布拉格反射镜，位于该第一电极上且覆盖该电流传导层露出的部分；以及

一第二电极，形成于该布拉格反射镜上且填入该开口与该第一型半导体层电性连接。

本发明相对于现有技术有益效果至少在于，本发明的发光元件中设置截面宽度较小的p电极，并分别设置电流传导层及布拉格反射镜以提供协助电流传导及反射光线的功能，有效地解决电流拥挤的技术问题。

附图说明

图1绘示发光元件的剖面示意图。

图2是根据本发明一实施例所绘示的发光元件的剖面示意图。

图3A-3C是根据本发明一实施例所绘示的发光元件的制程剖面示意图。

图4是根据本发明一实施例所绘示的发光元件的上视示意图。

图5是根据本发明另一实施例所绘示的发光元件的上视示意图。

符号说明

发光二极管～100；

蓝宝石基底～110；

n型掺杂氮化物半导体层～122；

发光层～124；

p型掺杂氮化物半导体层～126；

p电极～130；

n电极～140；

区域～150；

发光元件～200；

基板～210；

发光单元～220；

第一型半导体层～222；

发光层～224；

第二型半导体层～226；

开口～228；

电流传导层～230；

第一电极～240；

布拉格反射镜～250；

开口～252；

阻障层～260；

第一绝缘层～270；

第二绝缘层～272；

第二电极～280；

接触层～290、292；

宽度～W1、W2；及

距离～D。

具体实施方式

为使本发明的目的、特征和优点能更清楚易懂，下文特举出较佳实施例并配合所附图式，对本发明的应用方式作详细说明。本发明的实施例提供许多合适的发明概念而可广泛地实施于各种特定背景。本说明书中所举例讨论的特定实施例仅用于说明制造与使用本发明的特定方式，而非用以局限本发明的范围。

应了解的是，本说明书以下的揭露内容提供许多不同的实施例或范例，以实施本发明的不同特征。而本说明书以下的揭露内容是叙述各个构件及其排列方式的特定范例，以求简化发明的说明。然而，这些特定的范例并非用以限定本发明。举例而言，若本说明书以下的揭露内容述及将第一特征形成于第二特征的上或上方时，即表示其包含了第一特征与第二特征是直接接触的实施例；然其也包括具有额外的特征形成于第一特征与第二特征之间，而使第一特征与第二特征并未直接接触的实施例。

此外，根据常规的作法，图式中各种特征并未依比例绘示。相反地，为简化或是方便标示，各种特征的尺寸可能任意扩张或缩小。再者，本说明书可能在不同范例中使用重复的参考符号及/或用字，这些重复符号或用字为了简化与清晰的目的，并非用以限定各个实施例及/或所述外观结构之间的关系。

图1绘示发明人所知的一种发光元件的剖面示意图。在图1中，发光二极管100包括蓝宝石基底110和依序形成于蓝宝石基底110上的n型掺杂氮化物半导体层122、发光层124及p型掺杂氮化物半导体层126。发光二极管100也包括形成于p型掺杂氮化物半导体层126上的p电极130及形成于n型掺杂氮化物半导体层122上的n电极140。在倒装型氮化物半导体LED中，一般皆希望倒装晶片的p电极具有高反射率，以反射从发光层发出的光。因此，如图1所示，一层金属层是沉积于p型掺杂氮化物半导体层126上作为发光二极管100的p电极130及反射材料。然而，发明人发现这样的结构中，由于p极是依靠金属电极扩散电流，而n极为依靠n型掺杂氮化物半导体扩散电流，两者导电率差异甚大，造成元件在使用过程中会发生电流拥挤现象(current crowding)。

详细而言，在施加电压予发光二极管100后，电流将如箭头所标示路径般，由p电极130依序流过p型掺杂氮化物半导体层126、发光层124及n型掺杂氮化物半导体层122，并经由n型掺杂氮化物半导体层122导通至n电极140。由于p电极130的金属层与n型掺杂氮化物半导体层122的导电率相差甚巨，在p电极130靠近n电极140的一侧(虚线圆圈所标示的区域150)产生了电流拥挤现象。这种电流拥挤现象导致正向电压增加，并因电流分布不均同时降低了发光层的发光效率。而且，电流集中导致大量的热累积在区域150，从而显著降低了LED的可靠性。

为了解决上述问题，本发明提供一种改良式氮化物半导体LED，其采用电流传导层协助p电极进行电流传导，并以布拉格反射镜作为反射材料取代p电极的光反射功能，以期降低电流拥挤现象，从而实现更低的正向电压以及更高的发光效率。

图2绘示本发明一实施例的发光元件200的剖面示意图。图3A-3C是根据本发明一实施例所绘示的发光元件的制程剖面示意图。以下搭配图2及图3A-3C详细说明发光元件200的制造方法及各结构的特征。应注意的是，可经由任何适宜的方式制造发光元件200，以下仅说明发光元件200制造方法的一实施例，而不以此为限。请参照图2，发光元件200包括：发光单元220、电流传导层230、第一电极240、布拉格反射镜250、阻障层260、第一绝缘层270、第二绝缘层272、第二电极280及接触层290/292等构造依序层叠于基板210上。

发光元件200的制造方法首先于基板210上形成发光单元220。如图3A所示，发光单元220包括第一型半导体层222、发光层224及第二型半导体层226依序形成于基板210上。发光单元220中具有开口228穿过第二型半导体层226及发光层224，以暴露出部分第一型半导体层222。

基板210可包括蓝宝石基板(Al2O3,Sapphire)、硅基板、碳化硅(SiC)基板，且基板可以具有掺杂或非掺杂。

一般来说，第一型半导体层222及第二型半导体层226由具有不同型态掺杂物的III-V族化合物所构成。举例而言，发光单元220中的第一型半导体层222为具有n型导电性质的氮化镓(n-GaN)，第二型半导体层226为具有p型导电性质的氮化镓(p-GaN)。可使用其他III-V族化合物，例如：氮化铟(InN)、氮化铝(AlN)、氮化铟镓(InxGa(1-x)N)、氮化铝镓(AlxGa(1-x)N)、或氮化铝铟镓(AlxInyGa(1-x-y)N)等，其中：

0<x≤1、0<y≤1且0≤x+y≤1。

于一实施例中，第一型半导体层222、发光层224以及第二型半导体层226的形成方法可包括磊晶成长制程，像是金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束磊晶(MBE)、氢化物气相磊晶(HVPE)、及液相磊晶(LPE)或其他适宜的化学气相沉积方法。于一实施例中，可经由微影及蚀刻技术于发光单元220中形成开口228。

请参照图3B，形成发光单元220后，依序形成电流传导层230、第一电极240及布拉格反射镜250于发光单元220上。其中，电流传导层230形成于第二型半导体层226上。第一电极240是位于电流传导层230上且露出部分电流传导层230；亦即，第一电极240的截面宽度W2是小于电流传导层230的截面宽度W1。而布拉格反射镜250则位于电流传导层230及第一电极240上且覆盖该电流传导层230露出的部分。布拉格反射镜250与第一电极240部分重叠，并具有开口252露出部分第一电极240。于一实施例中，布拉格反射镜250更形成于开口228的侧壁上。

如图3B所示，本发明是借助设置截面宽度较小的第一电极240使其远离后续形成的第二电极280(详见后续图3C的讨论)，并选用导电率与第二型半导体层226相近的材料形成电流传导层230以协助电流的横向传导，进而有效地改善电流拥挤现象。

继续参照图3B，本发明更通过设置布拉格反射镜250以反射发光层所发出的光，其中，布拉格反射镜250是部分重叠于第一电极240上以形成连续式镜面，其可取代旧有结构中p电极作为反射层的功能，有效地反射发光层发出的光。

电流传导层230的材料可为任何具有与第二型半导体层226相近导电率的导电材料。于一实施例中，电流传导层230的材料可包括透明导电氧化物(TCO)。举例而言，电流传导层230的材料可包括氧化铟锡(ITO)。

于一实施例中，第一电极240的材料可包括金属。举例而言，第一电极240的金属材料可包括：铜(Cu)、铝(Al)、铟(In)、锡(Sn)、金(Au)、铂(Pt)、锌(Zn)、银(Ag)、钛(Ti)、镍(Ni)或其组合，但不限于此。

布拉格反射镜250可为单层或多层结构。于一实施例中，布拉格反射镜250可包括两种具有不同折射率(refractive index)的材料层交替排列组合而成的周期性结构，或有效折射率具有周期性变化特性的介电质波导(dielectric waveguide)。于一实施例中，布拉格反射镜250的材料可包括绝缘体。举例而言，布拉格反射镜250的材料可包括二氧化硅(SiO2)、二氧化钛(TiO2)、氧化钽(Ta2O5)、氧化铝(Al2O3)或氮化硅(Si3N4)，但不限于此。

可经由沉积所需材料再经图案化形成电流传导层230、第一电极240及布拉格反射镜250。举例而言，形成电流传导层230、第一电极240的沉积方式可包括：物理气相沉积(physical vapor deposition,PVD)、溅镀(sputter)、电子枪蒸镀(E-Gun evaporation)、化学气相沉积(chemical vapor deposition,CVD)、原子层沉积(atomic layer deposition,ALD)或其他合适的方法。形成布拉格反射镜250的沉积方式可包括：溅镀(sputter)、电子枪蒸镀(E-Gun evaporation)、旋转涂布(spin coating)、化学气相沉积(chemical vapor deposition,CVD)、电浆辅助化学气相沉积(plasma-enhanced chemical vapor deposition,PECVD)、低压化学气相沉积(low-pressure chemical vapor deposition,LPCVD)或其他合适的沉积技术。电流传导层230、第一电极240及布拉格反射镜250的图案化可经由例如：光微影及蚀刻制程来完成。

形成布拉格反射镜250后，形成第二电极280于布拉格反射镜250上。请参照图3C，第二电极280是形成于布拉格反射镜250上且填入开口228中，以与第一型半导体层222形成电性连接。

如前所述，相较于图1所述的LED结构，由于本发明的LED结构是通过电流传导层230进行电流横向传输，因此，第一电极240可具有较小的截面宽度，从而扩大第一电极240与第二电极280之间的距离以避免电流拥挤效应。于一实施例中，第一电极240与开口228的距离D约为50至250μm。

此外，在上视图中，第一电极240的设置是围绕第二电极280以达成镜面最大化及电流均匀分布的效果。可根据第一电极环绕第二电极的概念设计各种电极结构配置方式，举例而言，请参照第4-5图，其根据本发明一些实施例绘示以第一电极240为基准的水平面所得的电极结构上视示意图(为简明起见，部分特征并未完整对应绘示)。于一实施例中，如图4所示，在以第一电极240为基准的水平面所得的上视图中第一电极240是环绕第二电极280，且第一电极240可为环状封闭结构。于另一实施例中，如图5所示，对于面积较大的LED结构，可设置多个第二电极280，而第一电极240以格状结构或栅状结构的方式分隔此些第二电极280，使得任二个第二电极280之间均设置有第一电极240。

于一实施例中，第二电极280的材料可包括金属。举例而言，第一电极240的金属材料可包括：铜(Cu)、铝(Al)、铟(In)、锡(Sn)、金(Au)、铂(Pt)、锌(Zn)、银(Ag)、钛(Ti)、镍(Ni)或其组合，但不限于此。

请参照图3C，于一实施例中，在形成第二电极280之前，可视需要依序形成阻障层260及第一绝缘层270于布拉格反射镜250与第二电极280之间。亦即，在形成第二电极280之前，阻障层260是形成于布拉格反射镜250上并填入开口252以穿过布拉格反射镜250连接至第一电极240，而第一绝缘层270是顺应性地形成于布拉格反射镜250、阻障层260与开口228的侧壁上及开口228中。于一实施例中，第一绝缘层270是位于阻障层260与第二电极280之间及布拉格反射镜250与第二电极280之间。

阻障层260可以作为电性导通并避免第一电极240的金属扩散至其他膜层。举例而言，阻障层260的材质可包括：钽(Ta)、氮化钽(TaN)、钛(Ti)、氮化钛(TiN)、钴(Co)、钨(W)或其组合，但不限于此。第一绝缘层270是用以在某些位置隔离阻障层260及第二电极280，使其电性绝缘。举例而言，第一绝缘层270的材料可包括：氮化硅(silicon nitrides)、氧化硅、氧氮化物(oxynitrides)、或其组合，但不限于此。

相同地，可经由沉积所需材料再经图案化形成阻障层260、第一绝缘层270及第二电极280。举例而言，形成阻障层260及第二电极280的沉积方式可包括：物理气相沉积(physical vapor deposition,PVD)、溅镀(sputter)、电子枪蒸镀(E-Gun evaporation)、化学气相沉积(chemical vapor deposition,CVD)、原子层沉积(atomic layer deposition,ALD)或其他合适的方法。形成第一绝缘层270的沉积方式可包括：旋转涂布(spin coating)、热氧化(thermal oxidation)、物理气相沉积(physical vapor deposition,PVD)、化学气相沉积(chemical vapor deposition,CVD)或其他合适的方法。阻障层260、第一绝缘层270及第二电极280的图案化可经由例如：光微影及蚀刻制程来完成。

最后，请再回到图2，可视需要于第二电极280上依序形成第二绝缘层272及接触层290/292以完成发光元件200。更详细而言，第二绝缘层272是形成于第二电极280上以保护其下方的膜层，而接触层290/292可依元件设计所需穿过第二绝缘层272电性连接至第一电极240或第二电极280形成布线，例如：接触层290是穿过第二绝缘层272电性连接至第二电极280，而接触层292是穿过第二绝缘层272电性连接至第一电极240。

可使用相同于第一绝缘层270的材料或方法形成第二绝缘层272，于此不再赘述。可使用相同或不同材料形成接触层290/292。于一实施例中，接触层290/292的材料可包括金属。举例而言，接触层290/292的金属材料可各自包括：铜(Cu)、铝(Al)、铟(In)、锡(Sn)、金(Au)、铂(Pt)、锌(Zn)、银(Ag)、钛(Ti)、镍(Ni)或其组合，但不限于此。可经由沉积所需材料再经图案化形成接触层290/292。举例而言，形成接触层290/292的沉积方式可包括：物理气相沉积(physical vapor deposition,PVD)、溅镀(sputter)、电子枪蒸镀(E-Gun evaporation)、化学气相沉积(chemical vapor deposition,CVD)、原子层沉积(atomic layer deposition,ALD)或其他合适的方法。接触层290/292的图案化可经由例如：光微影及蚀刻制程来完成。

本发明另提供一种发光装置，其包括数个本发明所述的发光元件，且此些发光元件彼此电性连接。举例而言，本发明所述发光装置是经由串联数个发光元件200所形成。

综上所述，本发明的发光元件中设置截面宽度较小的p电极，并分别设置电流传导层及布拉格反射镜以提供协助电流传导及反射光线的功能，有效地解决电流拥挤的技术问题。

应了解的是，本发明虽以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明的范围，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。