CN103390704B - 发光二极管装置 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种发光二极管装置，包含至少一发光二极管单元，其具有一基板，一位于基板上的电性耦合层，位于电性耦合层上的并接型磊晶结构，及位于电性耦合层与并接型磊晶结构之间的中间层。在另一实施例中，并接型磊晶结构位于导电层上，电性耦合层位于并接型磊晶结构上，且中间层位于并接型磊晶结构与电性耦合层之间。
Description
技术领域
本发明涉及一种发光二极管，特别涉及一种堆栈发光二极管装置。
背景技术
为了提升发光二极管(LED)的发光效率，方法之一是使用隧道结(tunneljunction)将二个或多个发光二极管迭加起来。迭加发光二极管较单一发光二极管放射更多的光线，因而提高亮度。使用隧道结还可强化电流的分散(spreading)，使得主动层内更多的载子可进行再结合(recombination)。此外，迭加发光二极管较同样数目之单一发光二极管具有较少的电极接触，不但可节省空间，且可降低所造成的电致迁移(electromigration)问题。
传统形成隧道结的方法之一是使用重掺杂技术，如美国专利第6,822,991号，题为“含有隧道结的发光装置(LightEmittingDevicesIncludingTunnelJunctions)”，其隧道结使用氮化铟镓(InGaN)。一般而言，氮化铟镓(InGaN)若要具有好的质量，其成长厚度不能超过2纳米(nm)。在上述专利中，其隧道结所包含的p++重掺杂氮化铟镓(InGaN)层厚度高达15纳米。实际操作中，要达到这样的厚度且要保持相当的质量是几乎不可能的。因此，如何降低氮化铟镓(InGaN)厚度且能达到隧穿效果，是目前研究发展的重要方向。
传统形成隧道结的另一方法是使用极化(polarization)技术，如美国专利第6,878,975号，题为“极化场增强之隧穿结构(PolarizationFieldEnhancedTunnelStructures)”。通过极化以制作隧穿结构(例如单层氮化铟镓)时，铟(In)的浓度要相当高(例如大于20％)，且厚度要厚(例如至少10纳米)，所形成的隧穿结构具有吸光的缺点，而且应力会集中于接口(例如GaN/InGaN接口)，使得堆栈发光二极管当中上方的发光二极管之成长温度不能太高，否则应力会随着温度增加而导致隧穿失效。
因此，亟需提出一种新颖的发光二极管结构，用以解决上述传统隧道结的问题。
发明内容
鉴于上述，本发明实施例的目的之一在于提出一种堆栈发光二极管装置，其形成并接发光二极管单元，因而省略隧道结的制造，以避免传统隧道结的制造问题。此外，本实施例之发光二极管装置可增进其量子阱质量，因而提高整体的发光效率。
根据本发明实施例之一，发光二极管装置包含至少一发光二极管单元，其具有基板、电性耦合层、中间层及并接型磊晶结构。其中，电性耦合层位于基板上，电性耦合层材质系为III族氮化物(III-nitride)，并接型磊晶结构位于电性耦合层上，且中间层位于电性耦合层与并接型磊晶结构之间。
其中所述电性耦合层的掺杂电性为n型。
其中所述并接型磊晶结构包含：
一第一p型掺杂层，位于所述中间层上；
一第一量子阱层，位于所述第一p型掺杂层上；
一n型掺杂层，位于所述第一量子阱层上；
一第二量子阱层，位于所述n型掺杂层上；及
一第二p型掺杂层，位于所述第二量子阱层上；
其中所述中间层使得所述电性耦合层与所述第一p型掺杂层之间的压降趋近于零。
其中，所述之发光二极管装置，还包含：
一超晶格结构，形成于所述第一p型掺杂层与所述第一量子阱层之间。
其中，所述之发光二极管装置，还包含：
一第一电极，形成于所述电性耦合层的一暴露表面；
一第二电极，形成于所述第二p型掺杂层的一表面；及
一第三电极，形成于所述n型掺杂层的一暴露表面。
其中所述中间层包含一隧穿层或一奥姆接触层。
其中所述至少一发光二极管单元包含多个所述发光二极管单元，以阵列型式排列，且包含：
一第一联机组件，用以电性连接所述发光二极管单元之所述第一电极与所述第二电极；及
一第二连接组件，用以电性连接所述发光二极管单元之所述第三电极与相邻发光二极管单元之所述第一电极或所述第二电极。
其中所述第一联机组件与所述第二连接组件独立选自以下组中之一：内联机与焊线。
根据本发明另一实施例，发光二极管装置包含至少一发光二极管单元，其具有导电层、并接型磊晶结构、中间层及电性耦合层。其中，并接型磊晶结构位于导电层上，电性耦合层位于并接型磊晶结构上，且中间层位于并接型磊晶结构与电性耦合层之间。
其中所述并接型磊晶结构包含：
一第二p型掺杂层，位于所述导电层上；
一第二量子阱层，位于所述第二p型掺杂层上；
一n型掺杂层，位于所述第二量子阱层上；
一第一量子阱层，位于所述n型掺杂层上；及
一第一p型掺杂层，位于所述第一量子阱层上；
其中所述中间层使得所述电性耦合层与所述第一p型掺杂层之间的压降趋近于零。
其中，所述之发光二极管装置，还包含：
一超晶格结构，形成于所述第一p型掺杂层与所述第一量子阱层之间。
其中，所述之发光二极管装置，还包含：
一反射层，形成于所述导电层与所述第二p型掺杂层之间。
其中，所述之发光二极管装置，还包含：
一第一电极，形成于所述电性耦合层的一暴露表面；及
一第三电极，形成于所述n型掺杂层的一暴露表面。
其中所述中间层包含一隧穿层或一奥姆接触层。
其中所述至少一发光二极管单元包含多个所述发光二极管单元，以阵列型式排列，且包含：
一绝缘基板，其中多个所述发光二极管单元系固定于该绝缘基板上；
一第一联机组件，用以电性连接所述发光二极管单元之所述第一电极与所述导电层；及
一第二连接组件，用以电性连接所述发光二极管单元之所述第三电极与相邻发光二极管单元之所述导电层。
其中所述第一联机组件与所述第二连接组件独立选自以下组中之一：内联机与焊线。
其中，所述之发光二极管装置，还包含多个电路布线层，分别位于所述绝缘基板与所述多个发光二极管单元之间。
其中所述第一联机组件包含一第一焊线，用以电性连接所述第一电极至相应的所述电路布线层；所述第二连接组件包含一第二焊线，用以电性连接所述第三电极至相邻发光二极管单元相应的所述电路布线层。
附图说明
图1A至图1E显示本发明第一实施例之发光二极管装置的工艺剖面图。
图2显示图1B之并接型磊晶结构的等效电路。
图3A至图3E显示本发明第二实施例之发光二极管装置的工艺剖面图。
图4A显示本发明第三实施例之串接发光二极管装置的剖面图。
图4B显示本发明第三实施例之另一种串接发光二极管装置的剖面图。
图5显示图4A之串并接型磊晶结构的等效电路。
图6A显示本发明第四实施例之串接发光二极管装置的剖面图。
图6B显示本发明第四实施例之另一种串接发光二极管装置的剖面图。
参考标记清单
100-101发光二极管单元
102-105串接发光二极管装置
100A第一发光二极管单元
100B第二发光二极管单元
101A第一发光二极管单元
101B第二发光二极管单元
10基板
11电性耦合层
12中间层
13并接型磊晶结构
130超晶格结构
131第一p型掺杂层
132第一量子阱层
133n型掺杂层
134第二量子阱层
135第二p型掺杂层
14第一电极
15第二电极
16第三电极
17导电层
18反射层
19绝缘基板
20A第一内联机
20B第二内联机
20C第一焊线
20D第二焊线
21A第一绝缘层
21B第二绝缘层
22电路布线层
具体实施方式
图1A至图1E显示本发明第一实施例之发光二极管（LED）装置，包含至少一发光二极管单元100的工艺剖面图。为便于说明，图式仅显示与本案实施例相关的层级。
如图1A所示，首先提供基板10。在本实施例中，基板10的材质为蓝宝石（sapphire）。然而，也可以使用其它材质，例如砷化镓（GaAs）、锗（Ge）表面形成锗化硅（SiGe）、硅（Si）表面形成碳化硅（SiC）、铝（Al）表面形成氧化铝（Al2O3）、氮化镓（GaN）、氮化铟（InN）、氮化铝（AlN）、玻璃或石英。
接着，继续参阅图1A，形成电性耦合层11于基板10上。在本实施例中，电性耦合层11的掺杂电性为n型，材质为III族氮化物(III-nitride)，例如：氮化镓（GaN），但不限定于此。根据本实施例的特征之一，电性耦合层11用以增进后续形成之发光二极管组件的量子阱（quantumwell）质量，因而提高发光二极管（LED）单元100整体的发光效率。
如图1B所示，于磊晶工艺中形成中间层12于电性耦合层11上。在一实施例中，中间层12包含隧穿（tunnel）层，其材质可为氮化铟镓（InGaN），但不限定于此。隧穿层的形成可使用传统重掺杂技术或极化（polarization）技术。在另一实施例中，中间层12包含奥姆接触（ohmiccontact）层，其形成可使用传统重掺杂技术。
接着，继续参阅图1B，形成并接型磊晶结构13于中间层12上。在本实施例中，并接型磊晶结构13包含：第一p型掺杂层131，形成于中间层12上；第一量子阱层132，形成于第一p型掺杂层131上；n型掺杂层133，形成于第一量子阱层132上；第二量子阱层134，形成于n型掺杂层133上；及第二p型掺杂层135，形成于第二量子阱层134上。在本实施例中，第一p型掺杂层131、n型掺杂层133及第二p型掺杂层135的材质为III族氮化物(III-nitride)，例如：氮化镓（GaN），但不限定于此。
本实施例之并接型磊晶结构13形成一PNP发光二极管单元，其等效电路可表示如图2所示。其中，第一p型掺杂层131、第一量子阱层132及n型掺杂层133形成一PN发光二极管，而第二p型掺杂层135、第二量子阱层134及n型掺杂层133形成另一PN发光二极管，且这两个PN发光二极管共享n型掺杂层133。根据本实施例的另一特征，中间层12使得电性耦合层11与第一p型掺杂层131之间的压降趋近于零。
图1C显示图1B的变化实施方式，在此实施例中，为了让第一p型掺杂层131上方的第一量子阱层132之成长质量更好，可以于这两者间额外形成超晶格（superlattice）结构130。超晶格结构130主要系由两个材质相异的子层交替堆栈而成，例如由氮化镓（GaN）与氮化铟镓（InGaN）交替堆栈而成。
如图1D所示，对图1C所示结构进行蚀刻工艺，以暴露电性耦合层11的部分表面及n型掺杂层133的部分表面。在本实施例中，系使用感应耦合电浆（inductivelycoupledplasma,ICP）技术来进行蚀刻工艺，但不限定于此。其中，蚀刻工艺分别停止于电性耦合层11的表面及n型掺杂层133的表面。
图1E显示图1D的变化实施方式。在此实施例中，蚀刻工艺除去电性耦合层11及n型掺杂层133内部靠近表面的部分厚度。
接着，于电性耦合层11的暴露表面形成第一电极14，并于第二p型掺杂层135的表面形成第二电极15，用以作为并接型磊晶结构13（亦即PNP发光二极管单元）的两端电极。此外，于n型掺杂层133的暴露表面形成第三电极16，用以作为并接型磊晶结构13（亦即PNP发光二极管单元）的中间电极。根据本实施例的另一特征，电性耦合层11用以电性耦合第一电极14与第一p型掺杂层131。
图3A至图3E显示本发明第二实施例之发光二极管装置，包含至少一发光二极管单元101的工艺剖面图。为便于说明，图式仅显示与本案实施例相关的层级。
首先，形成图3A所示的结构，其同于前述图1C的结构，因此其细节省略不予赘述。接着，如图3B所示，形成导电层17于并接型磊晶结构13的第二p型掺杂层135之上。本实施例之导电层17的材质可为金属，但不限定于此。在本实施例中，导电层17的形成可使用金属黏结（metalbond）技术或电镀（electroplating）技术，但不限定于此。在一实施例中，还可额外形成反射（mirror）层18于导电层17与并接型磊晶结构13的第二p型掺杂层135之间。反射层18的材质可为分布型布拉格反射（distributedBraggreflector,DBR）材料、全方位反射（omnidirectionalreflector,ODR）材料、银、铝、钛及/或其它反射性导电材料。
接着，翻转图3B的结构，使得导电层17位于底部，而基板10则位于顶部，如图3C所示。此后，导电层17将作为导电基板。
接下来，除去顶部的基板10，以暴露出电性耦合层11，如图3D所示。在本实施例中，基板10的除去可使用激光技术，但不限定于此。此外，本实施例还可额外使用蚀刻技术，例如湿蚀刻，用以处理暴露的电性耦合层11，用以粗化其表面。
如图3E所示，对图3D所示结构进行蚀刻工艺，以暴露n型掺杂层133的部分表面。在本实施例中，系使用感应耦合电浆（ICP）技术来进行蚀刻工艺，但不限定于此。此外，还可进行蚀刻工艺以暴露导电层17的部分表面。
接着，于电性耦合层11的暴露表面形成第一电极14。由此，第一电极14与导电层17可作为并接型磊晶结构13（亦即PNP发光二极管单元）的两端电极。此外，于n型掺杂层133的暴露表面形成第三电极16，用以作为并接型磊晶结构13（亦即PNP发光二极管单元）的中间电极。
图4A显示本发明第三实施例之发光二极管装置102的剖面图，包含串接多个图1D所示之发光二极管单元100。以图4A所示为例，其串接第一发光二极管单元100A及第二发光二极管单元100B，这些发光二极管单元100A/100B固定于共同基板10上，例如蓝宝石基板(sapphire)。于部分范例中，发光二极管单元100A/100B系于磊晶工艺中同时形成于共同基板10上。第一电极14通过第一内联机（interconnect）20A与第二电极15电性连接，且第一发光二极管单元100A的第三电极16通过第二内联机20B与第二发光二极管单元100B的第一电极14电性连接。第一内联机20A与第一/第二发光二极管单元100A/100B之间形成有第一绝缘层21A，以避免非必要的短路。第二内联机20B与第一发光二极管单元100A之间，以及第二内联机20B与第二发光二极管单元100B之间，形成有第二绝缘层21B，以避免非必要的短路。经串接后的发光二极管装置102之等效电路如图5所示，其形成一种串并接发光二极管装置，其包含串接的PNP发光二极管单元。
图4B显示本发明第三实施例之另一种发光二极管装置103的剖面图。本实施例和图4A类似，不同的地方在于使用第一焊线（bondingwire）20C及第二焊线20D以分别取代第一内联机20A及第二内联机20B。
图6A显示本发明第四实施例之发光二极管装置104的剖面图，其系串接多个图3E所示之发光二极管单元101，这些发光二极管单元101A/101B固定于绝缘基板19上。本实施例类似于图4A所示实施例，使用第一内联机20A以电性连接第一电极14与导电层17（其作为第二电极之用），且使用第二内联机20B以电性连接第一发光二极管单元101A的第三电极16与第二发光二极管单元101B的导电层17。
图6B显示本发明第四实施例之另一种发光二极管装置105的剖面图。本实施例和图6A类似，不同的地方在于使用第一焊线20C及第二焊线20D以分别取代第一内联机20A及第二内联机20B。其中，第一焊线20C通过电路布线层22（其形成于导电层17与绝缘基板19之间）以电性连接第一电极14与导电层17（其作为第二电极之用），而第二焊线20D通过电路布线层22以电性连接第一发光二极管单元101A的第三电极16与第二发光二极管单元101B的导电层17。
以上所述仅为本发明之较佳实施例而已，并非用以限定本发明之申请专利范围；凡其它未脱离发明所揭示之精神下所完成之等效改变或修饰，均应包含在本发明范围内。
Claims (17)
1.一种发光二极管装置，包含：
至少一发光二极管单元，该发光二极管单元包含：
一基板；
一电性耦合层，位于所述基板上，该电性耦合层材质系为III族氮化物；
一并接型磊晶结构，位于所述电性耦合层上；及
一中间层，位于所述电性耦合层与所述并接型磊晶结构之间；
其中所述并接型磊晶结构包含：
一第一p型掺杂层，位于所述中间层上；
一第一量子阱层，位于所述第一p型掺杂层上；
一n型掺杂层，位于所述第一量子阱层上；
一第二量子阱层，位于所述n型掺杂层上；及
一第二p型掺杂层，位于所述第二量子阱层上；
其中所述中间层使得所述电性耦合层与所述第一p型掺杂层之间的压降趋近于零。
2.根据权利要求1所述之发光二极管装置，其中所述电性耦合层的掺杂电性为n型。
3.根据权利要求1所述之发光二极管装置，还包含：
一超晶格结构，形成于所述第一p型掺杂层与所述第一量子阱层之间。
4.根据权利要求1所述之发光二极管装置，还包含：
一第一电极，形成于所述电性耦合层的一暴露表面；
一第二电极，形成于所述第二p型掺杂层的一表面；及
一第三电极，形成于所述n型掺杂层的一暴露表面。
5.根据权利要求1所述之发光二极管装置，其中所述中间层包含一隧穿层或一奥姆接触层。
6.根据权利要求4所述之发光二极管装置，其中所述至少一发光二极管单元包含多个所述发光二极管单元，以阵列型式排列，且包含：
一第一联机组件，用以电性连接所述发光二极管单元之所述第一电极与所述第二电极；及
一第二连接组件，用以电性连接所述发光二极管单元之所述第三电极与相邻发光二极管单元之所述第一电极或所述第二电极。
7.根据权利要求6所述之发光二极管装置，其中所述第一联机组件与所述第二连接组件独立选自以下组中之一：内联机与焊线。
8.一种发光二极管装置，包含：
至少一发光二极管单元，该发光二极管单元包含：
一导电层；
一并接型磊晶结构，位于所述导电层上；
一电性耦合层，位于所述并接型磊晶结构上，该电性耦合层材质系为III族氮化物；及
一中间层，位于所述并接型磊晶结构与所述电性耦合层之间；
其中所述并接型磊晶结构包含：
一第二p型掺杂层，位于所述导电层上；
一第二量子阱层，位于所述第二p型掺杂层上；
一n型掺杂层，位于所述第二量子阱层上；
一第一量子阱层，位于所述n型掺杂层上；及
一第一p型掺杂层，位于所述第一量子阱层上；
其中所述中间层使得所述电性耦合层与所述第一p型掺杂层之间的压降趋近于零。
9.根据权利要求8所述之发光二极管装置，其中所述电性耦合层的掺杂电性为n型。
10.根据权利要求8所述之发光二极管装置，还包含：
一超晶格结构，形成于所述第一p型掺杂层与所述第一量子阱层之间。
11.根据权利要求8所述之发光二极管装置，还包含：
一反射层，形成于所述导电层与所述第二p型掺杂层之间。
12.根据权利要求8所述之发光二极管装置，还包含：
一第一电极，形成于所述电性耦合层的一暴露表面；及
一第三电极，形成于所述n型掺杂层的一暴露表面。
13.根据权利要求8所述之发光二极管装置，其中所述中间层包含一隧穿层或一奥姆接触层。
14.根据权利要求12所述之发光二极管装置，其中所述至少一发光二极管单元包含多个所述发光二极管单元，以阵列型式排列，且包含：
一绝缘基板，其中多个所述发光二极管单元系固定于该绝缘基板上；
一第一联机组件，用以电性连接所述发光二极管单元之所述第一电极与所述导电层；及
一第二连接组件，用以电性连接所述发光二极管单元之所述第三电极与相邻发光二极管单元之所述导电层。
15.根据权利要求14所述之发光二极管装置，其中所述第一联机组件与所述第二连接组件独立选自以下组中之一：内联机与焊线。
16.根据权利要求14所述之发光二极管装置，还包含多个电路布线层，分别位于所述绝缘基板与所述多个发光二极管单元之间。
17.根据权利要求16所述之发光二极管装置，其中所述第一联机组件包含一第一焊线，用以电性连接所述第一电极至相应的所述电路布线层；所述第二连接组件包含一第二焊线，用以电性连接所述第三电极至相邻发光二极管单元相应的所述电路布线层。
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