CN111540817A - 微型发光二极管芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用以发出一红光的微型发光二极管芯片。微型发光二极管芯片包括一砷化镓磊晶结构层、一第一电极以及一第二电极。砷化镓磊晶结构层沿一堆垛方向上依序包括一N型接触层、一穿隧接面层、一P型半导体层、一发光层、一N型半导体层以及一N型窗层。第一电极与N型接触层电性接触。第二电极与N型窗层电性接触。
Description
技术领域
本发明涉及一种芯片，尤其涉及一种微型发光二极管芯片。
背景技术
一般来说，制作红光是以N型砷化镓基板作为磊晶的生长基板，并在生长基板上形成N型半导体层后，再依序形成发光层与P型半导体层。N型砷化镓基板制程具有较低的材料成本，但良率控制难度较高。
虽然也有使用P型砷化镓基板作为磊晶的生长基板，并在生长基板上形成P型半导体层后，再依序形成发光层与N型半导体层。但P型砷化镓基板成本高出N型砷化镓基板两倍以上，因此如何兼顾成本与良率质量是本技术领域者的研发课题之一。
发明内容
本发明是针对一种微型发光二极管芯片，其结构在制程上能提高良率。
本发明的一实施例提供一种用以发出一红光的微型发光二极管芯片，其包括一砷化镓磊晶结构层、一第一电极以及一第二电极。砷化镓磊晶结构层沿一堆垛方向上依序包括一N型接触层、一穿隧接面层、一P型半导体层、一发光层、一N型半导体层以及一N型窗层。第一电极与N型接触层电性接触。第二电极与N型窗层电性接触。
在本发明的一实施例中，上述的第一电极与第二电极位于微型发光二极管芯片相反于堆垛方向的一侧。
在本发明的一实施例中，上述的砷化镓磊晶结构层具有一凹部。凹部定义出一平台结构，且凹部使N型窗层在相反于堆垛方向上的一侧的第一表面暴露。
在本发明的一实施例中，上述的砷化镓磊晶结构层的N型接触层、穿隧接面层、P型半导体层、发光层、N型半导体层以及部分的N型窗层形成平台结构。平台结构的平台表面的面积小于N型窗层在朝向堆垛方向的一侧的第二表面的面积，其中平台表面为N型接触层在相反于堆垛方向上的一侧的表面。
在本发明的一实施例中，上述的砷化镓磊晶结构层具有一沟槽。沟槽穿过N型接触层、穿隧接面层、P型半导体层、发光层、N型半导体层以及部分的N型窗层，且沟槽使N型窗层在相反于堆垛方向上的一侧的第三表面暴露。
在本发明的一实施例中，上述的第二电极设置于沟槽中，并电性接触至N型窗层的第三表面。
在本发明的一实施例中，微型发光二极管芯片还包括一绝缘层。绝缘层覆盖沟槽的内壁，使第二电极电性绝缘N型接触层、穿隧接面层、P型半导体层、发光层以及N型半导体层。绝缘层并延伸配置于N型接触层在相反于堆垛方向的一侧的表面。
在本发明的一实施例中，上述的穿隧接面层在沿着堆垛方向上的厚度落在50至500埃的范围内。
在本发明的一实施例中，上述的N型接触层、穿隧接面层与发光层在沿着堆垛方向上的厚度小于砷化镓磊晶结构层的其他层在沿着堆垛方向上的厚度。
在本发明的一实施例中，上述的穿隧接面层同时掺杂N型与P型掺杂物，且P型掺杂物的摩尔浓度与N型掺杂物的摩尔浓度的比值落在10至100的范围内。
在本发明的一实施例中，上述的穿隧接面层的P型掺杂物的摩尔浓度大于P型半导体层的P型掺杂物的摩尔浓度。
在本发明的一实施例中，上述的穿隧接面层的基质为(AlxGa1-x)yIn1-yAszP1-z，其中0≦x,y,z≦1。
在本发明的一实施例中，上述的P型半导体层具有镁掺杂物。
基于上述，在本发明实施例的微型发光二极管芯片中，由于微型发光二极管芯片具有穿隧接面层，且穿隧接面层在N型接触层与P型半导体层之间形成，因此，在半导体制造的升温过程中，可使P型半导体层早于N型半导体层形成。如此一来，P型半导体层的处理可在较低的温度中进行，使得后续制程中的升温过程不会对微型发光二极管芯片造成太多影响，因此，微型发光二极管芯片的良率较高。
附图说明
图1A至图1E是根据本发明的一实施例的微型发光二极管芯片的制造过程的剖面示意图；
图2是根据本发明的另一实施例的微型发光二极管芯片的剖面示意图。
附图标记说明
10A、10B:微型发光二极管芯片
20:第一基板
30:第二基板
40:第三基板
100、100A、100B:砷化镓磊晶结构层
110:N型接触层
110S:表面
120:穿隧接面层
130:P型半导体层
140:发光层
150:N型半导体层
160:N型窗层
160-1、160-2:部分
160S1:第一表面
160S2:第二表面
160S3:第三表面
200:第一电极
300:第二电极
D:堆垛方向
M:平台结构
MS:平台表面
O1、O2:开口
R:凹部
T:沟槽
具体实施方式
现将详细地参考本发明的示范性实施例，示范性实施例的实例说明于附图中。只要有可能，相同元件符号在附图和描述中用来表示相同或相似部分。
图1A至1E是根据本发明的一实施例的微型发光二极管芯片的制造过程的剖面示意图。请参考图1A至图1E，本发明的一实施例提供一种微型发光二极管芯片10A，其包括一砷化镓磊晶结构层100A、一第一电极200以及一第二电极300。在本实施例中，微型发光二极管芯片10A例如是红光或红外光微型发光二极管芯片，但本发明不以此为限。
请先参考图1A，首先，在第一基板20上形成砷化镓磊晶结构层100。在本实施例中，第一基板20的材质是低掺杂的N-砷化镓(GaAs)或中性砷化镓。砷化镓磊晶结构层100沿一堆垛方向D上依序包括一N型接触层110、一穿隧接面层120、一P型半导体层130、一发光层140、一N型半导体层150以及一N型窗层160。也就是说，砷化镓磊晶结构层100在最外侧的两个半导体层都是N型。
一般来说，半导体制程通常是逐渐升温。为了使P型半导体层130在半导体制程的升温过程中，能在温度较低的前段制程先形成，本发明实施例的砷化镓磊晶结构层100在N型接触层110与P型半导体层130之间形成穿隧接面层(tunneling junction layer)120。也就是说，穿隧接面层120用以在砷化镓磊晶结构层100中，将N型接触层110转换为P型半导体层130。再者，为了使磊晶的过程中减少晶格匹配的问题，第一基板20的材质较佳是选用是低掺杂的N-砷化镓或中性砷化镓。当第一基板20的材质选用低掺杂的P-砷化镓时，则需在第一基板20与N型接触层110之间形成另一个穿隧接面层。
在本实施例中，N型接触层110可为高掺杂的N+砷化镓。
在本实施例中，穿隧接面层120的基质可为(AlxGa1-x)yIn1-yAszP1-z，其中0≦x,y,z≦1。穿隧接面层120可同时高掺杂N型与P型掺杂物。穿隧接面层120的N型掺杂物例如是硅(Si)或碲(Te)，且P型掺杂物例如是碳(C)、镁或锌(Zn)。在本实施例中，P型掺杂物的摩尔浓度较佳是大于N型掺杂物的摩尔浓度。在一实施例中，穿隧接面层120的P型掺杂物的摩尔浓度与N型掺杂物的摩尔浓度的比值落在10至100的范围内。若P型掺杂物的摩尔浓度太低，无法形成穿隧效应；若P型掺杂物的摩尔浓度太高，易有芯片外观的问题。此外，穿隧接面层120在沿着堆垛方向D上的厚度落在50至500埃(angstrom,
)的范围内。
在本实施例中，P型半导体层130用以提供发光层140空穴，且N型半导体层150用以提供发光层140电子，使电子和空穴在发光层140中结合并将能量转换为光子而发光。
在本实施例中，P型半导体层130的基质可为(AlxGa1-x)yIn1-yAszP1-z，且掺杂物可为碳、镁(Mg)或锌，其中0≦x,y,z≦1。此外，穿隧接面层120的P型掺杂物的摩尔浓度较佳是大于P型半导体层130的P型掺杂物的摩尔浓度。
在本实施例中，发光层140的结构可为多重量子井(Multiple-Quantum Well,MQW)结构、单一量子井结构、双异质结构(Double Heterostructure)、单异质结构或其组合。发光层140的材料可为砷化镓系统的半导体材料，且较佳为(AlxGa1-x)yIn1-yAszP1-z，其中0≦x,y,z≦1。
在本实施例中，N型半导体层150的基质可为(AlxGa1-x)yIn1-yAszP1-z，且掺杂物可为硅或碲，其中0≦x,y,z≦1。
在本实施例中，N型窗层160用以作为光取出(light extraction)层。N型窗层160的基质可为(AlxGa1-x)yIn1-yAszP1-z，且掺杂物可为硅或碲，其中0≦x,y,z≦1。
在一实施例中，P型半导体层130的P型掺杂物的摩尔浓度在1E17～2E18之间，N型半导体层150的N型掺杂物的摩尔浓度在1E18～2E18之间，穿隧接面层120的P型掺杂物与N型掺杂物的摩尔浓度分别都要大于1E19。
请再参考图1B，接着，在以黏合(bonding)的方式将第二基板30设置在砷化镓磊晶结构层100的N型窗层160上，并去除第一基板20。在本实施例中，第二基板30的材质可为蓝宝石(sapphire)
请再参考图1C，接着以电感耦合电浆蚀刻(Inductively Coupled PlasmaEtching,ICP Etching)等方式对砷化镓磊晶结构层100进行蚀刻，使得砷化镓磊晶结构层100A具有一凹部R。在本实施例中，凹部R定义出一平台结构M，且凹部R使N型窗层160在相反于堆垛方向D上的一侧的第一表面160S1暴露。详细来说，砷化镓磊晶结构层100A的N型接触层110、穿隧接面层120、P型半导体层130、发光层140、N型半导体层150以及部分160-1的N型窗层160形成平台结构M。平台结构M的平台表面MS的面积小于N型窗层160在朝向堆垛方向D的一侧的第二表面160S2的面积，其中平台表面MS为N型接触层110在相反于堆垛方向D上的一侧的表面。
请再参考图1D，接着，可同时将第一电极200与第二电极300接合至砷化镓磊晶结构层100A。在本实施例中，第一电极200与N型接触层110电性接触。第二电极300与N型窗层160电性接触。再者，第二电极300与N型窗层160所暴露出的第一表面160S1电性接触，且第一表面160S1为N型窗层160不属于平台结构M的部分160-2的表面。在本实施例中，第一电极200与第二电极300的材质可为锗金合金(GeAu)或其它可与N型半导体产生欧姆接触(ohmiccontact)的金属。
请再参考图1E，最后，将第一电极200与第二电极300黏合至第三基板40上，因此制成本发明实施例的微型发光二极管芯片10A。在本实施例中，第三基板40的材质可为蓝宝石或玻璃。此外，第一电极200与第二电极300都位于微型发光二极管芯片10A相反于堆垛方向D的一侧。
在另一实施例中，可进一步去除图1E中的微型发光二极管芯片10A的第二基板30，以利于后续对微型发光二极管芯片10A的转移。
基于上述，在本发明实施例的微型发光二极管芯片10A中，由于微型发光二极管芯片10A具有穿隧接面层120，且穿隧接面层120在N型接触层110与P型半导体层130之间形成，因此，在半导体制造的升温过程中，可使P型半导体层130早于N型半导体层150形成。如此一来，P型半导体层130的处理可在较低的温度中进行。再者，在本发明实施例的微型发光二极管芯片10A中，只需在P型半导体层130形成P型半导体，即使P型半导体层130使用镁等易扩散的成分作为掺杂物，但由于P型半导体层130的结构已在较低的温度中形成了，后续制造中的升温过程不会对微型发光二极管芯片10A造成太多影响。因此，微型发光二极管芯片10A的良率较高。而且，当P型半导体层130为P型半导体而使得N型半导体层150可为N型半导体时，N型窗层160也不需被制成P型半导体，微型发光二极管芯片10A可减少例如是使用镁作为掺杂物。因此，本发明实施例的微型发光二极管芯片10A的良率较高。
再者，P型半导体层通常需额外形成欧姆接触层，以使来自P型接触电极的电流能有效地分布至发光层。此欧姆接触层例如是氧化铟锡(Indium Tin Oxide,ITO)。然而，在欧姆接触层上再形成P型接触电极的过程中，其合金温度约为500至550度C。这样的高温容易对半导体组件造成伤害，因此也影响了发光二极管的良率。而在本发明实施例的微型发光二极管芯片10A中，由于第一电极200与第二电极300都电性接触至N型半导体，因此，砷化镓磊晶结构层100A中与第一电极200、第二电极300接触的表面160S1、MS不需额外再形成欧姆接触层，且可在较低的温度，例如300至350度C，进行金属与半导体的接合。本发明实施例的微型发光二极管芯片10A的良率可提高，且成本可降低。
除此之外，在一实施例中，砷化镓磊晶结构层100、100A的N型接触层110、穿隧接面层120与发光层140在沿着堆垛方向D上的厚度较佳是小于砷化镓磊晶结构层100、100A的其他层在沿着堆垛方向D上的厚度。
图2是根据本发明的另一实施例的微型发光二极管芯片的剖面示意图。请参考图2，在本实施例中，微型发光二极管芯片10B的砷化镓磊晶结构层100B具有一沟槽T。沟槽T穿过N型接触层110、穿隧接面层120、P型半导体层130、发光层140、N型半导体层150以及部分的N型窗层160，且沟槽T使N型窗层160在相反于堆垛方向D上的一侧的第三表面160S3暴露。
在本实施例中，第二电极300设置于沟槽T中，并电性接触至N型窗层160的第三表面160S3。
在本实施例中，微型发光二极管芯片10B还包括一绝缘层170。绝缘层170覆盖沟槽T的内壁，使第二电极300电性绝缘N型接触层110、穿隧接面层120、P型半导体层130、发光层140以及N型半导体层150。绝缘层170并延伸配置于N型接触层110在相反于堆垛方向D的一侧的表面110S。此外，绝缘层170在配置于N型接触层110在相反于堆垛方向D的该侧的表面110S上具有一开口O2。第一电极200通过开口O2与N型接触层110电性接触。再者，绝缘层170在沟槽T处具有另一开口O1，且第二电极300通过开口O1电性接触至N型窗层160的第三表面160S3。
基于上述，在本发明实施例的微型发光二极管芯片10B中，由于微型发光二极管芯片10B的砷化镓磊晶结构层100B具有沟槽T，且微型发光二极管芯片10B还包括绝缘层170，因此，第二电极300可在电性绝缘N型接触层110、穿隧接面层120、P型半导体层130、发光层140以及N型半导体层150的情况下，通过沟槽T与N型窗层160电性接触。本发明实施例的微型发光二极管芯片10B可适用于覆晶(Flip Chip)技术，因此在芯片封装的过程较为方便。
综上所述，在本发明实施例的微型发光二极管芯片中，由于微型发光二极管芯片具有穿隧接面层，且穿隧接面层在N型接触层与P型半导体层之间形成，因此，在半导体制造的升温过程中，可使P型半导体层早于N型半导体层形成。如此一来，P型半导体层的处理可在较低的温度中进行，使得后续制程中的升温过程不会对微型发光二极管芯片造成太多影响，因此，微型发光二极管芯片的良率较高。再者，在本发明实施例的微型发光二极管芯片中，砷化镓磊晶结构层与第一电极、第二电极接触的表面不需额外再形成欧姆N型接触层，且可在较低的温度进行金属与半导体的接合，因此，本发明实施例的微型发光二极管芯片的良率可提高，且成本可降低。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (13)
1.一种微型发光二极管芯片，其特征在于，用以发出红光或红外光，所述微型发光二极管芯片包括：
砷化镓磊晶结构层，沿堆垛方向上依序包括N型接触层、穿隧接面层、P型半导体层、发光层、N型半导体层以及N型窗层；
第一电极，与所述N型接触层电性接触；以及
第二电极，与所述N型窗层电性接触。
2.根据权利要求1所述的微型发光二极管芯片，其特征在于，所述第一电极与所述第二电极位于所述微型发光二极管芯片相反于所述堆垛方向的一侧。
3.根据权利要求1所述的微型发光二极管芯片，其特征在于，所述砷化镓磊晶结构层具有凹部，所述凹部定义出平台结构，且所述凹部使所述N型窗层在相反于所述堆垛方向上的一侧的第一表面暴露。
4.根据权利要求3所述的微型发光二极管芯片，其特征在于，所述砷化镓磊晶结构层的所述N型接触层、所述穿隧接面层、所述P型半导体层、所述发光层、所述N型半导体层以及部分的所述N型窗层形成所述平台结构，所述平台结构的平台表面的面积小于所述N型窗层在朝向所述堆垛方向的一侧的第二表面的面积，其中所述平台表面为所述N型接触层在相反于所述堆垛方向上的一侧的表面。
5.根据权利要求1所述的微型发光二极管芯片，其特征在于，所述砷化镓磊晶结构层具有沟槽，所述沟槽穿过所述N型接触层、所述穿隧接面层、所述P型半导体层、所述发光层、所述N型半导体层以及部分的所述N型窗层，且所述沟槽使所述N型窗层在相反于所述堆垛方向上的一侧的第三表面暴露。
6.根据权利要求5所述的微型发光二极管芯片，其特征在于，所述第二电极设置于所述沟槽中，并电性接触至所述N型窗层的所述第三表面。
7.根据权利要求5所述的微型发光二极管芯片，其特征在于，还包括：
绝缘层，覆盖所述沟槽的内壁，使所述第二电极电性绝缘所述N型接触层、所述穿隧接面层、所述P型半导体层、所述发光层以及所述N型半导体层，所述绝缘层并延伸配置于所述N型接触层在相反于所述堆垛方向的一侧的表面。
8.根据权利要求1所述的微型发光二极管芯片，其特征在于，所述穿隧接面层在沿着所述堆垛方向上的厚度落在50至500埃的范围内。
9.根据权利要求1所述的微型发光二极管芯片，其特征在于，所述N型接触层、所述穿隧接面层与所述发光层在沿着所述堆垛方向上的厚度小于所述砷化镓磊晶结构层的其他层在沿着所述堆垛方向上的厚度。
10.根据权利要求1所述的微型发光二极管芯片，其特征在于，所述穿隧接面层同时掺杂N型与P型掺杂物，且所述P型掺杂物的摩尔浓度与所述N型掺杂物的摩尔浓度的比值落在10至100的范围内。
11.根据权利要求10所述的微型发光二极管芯片，其特征在于，所述穿隧接面层的所述P型掺杂物的摩尔浓度大于所述P型半导体层的P型掺杂物的摩尔浓度。
12.根据权利要求10所述的微型发光二极管芯片，其特征在于，所述穿隧接面层的基质为(AlxGa1-x)yIn1-yAszP1-z，其中0≦x,y,z≦1。
13.根据权利要求1所述的微型发光二极管芯片，其特征在于，所述P型半导体层具有镁掺杂物。
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