专利名称：白光发光二极管的垂直电极结构的制作方法
技术领域：
本实用新型有关于一种白光发光二极管的垂直电极结构，其尤指一种白光发光二极管，其利用一垂直式的氮化镓系发光二极管与一光波长转换基板结合，透过该光波长转换基板吸收部份蓝光而发出黄光而与蓝光混合后产生白光。
背景技术：
在现有技术中，参阅图1A，其显示一以横向电极为设计结构的氮化镓系发光二极管的剖面示意图。发光二极管1’包含一第一束缚层，如N型氮化镓(GaN)层11’位于一基底，如蓝宝石(sapphire)10’之上(在基底与第一束缚层之间通常包含一缓冲层(图未示))。图中，另，一主动层，如InGaN层12’位于第一束缚层之上。再者，一第二束缚层，如P型氮化镓(GaN)层13’位于主动层之上。图中，位于第一束缚层15’及第二束缚层14’则分指两不同极性的电极层，如一N极电极15’与一P极电极14’。在习知技艺中，如美国专利第5,998,925号，目前较常见的白光发光二极管，亦即将上述堆栈结构封装时，于其封装罩内包覆一含磷光体，如钇铝石榴石层16’(YAG phosphor)，请参阅图1B，以由将上述堆栈层的主动层所发出的光，如蓝光，一部分光被钇铝石榴石层16’吸收而转换为不同波长的光，如黄光，续由两种光的混合，以形成一白光。
然而，上述的横向电极的发光二极管，其由于以绝缘的蓝宝石为基板其热传导系数较低故散热效果很差，故当长期使用较高的驱动电流工作时，其钇铝石榴石层16’极容易因热而导致质变，进而使得转换效率降低且产生色度偏移。更者，由于以sapphire为基板10’为绝缘体，而需制作其横向电极因而额外增加了晶粒的面积，换言之，即是单位芯片的产出量降低。另外，易复杂了封装打线的制程，故增加了制程的成本。
为此，相对于横向电极的发光二极管，已有现有技术由将基底替换成非绝缘体，而以垂直电极为设计结构的发光二极管，且另提出一可转换光源波长的基底，如图2所示。图中，其基底为一N型硒化锌基材22’上。依序在此基底上设置一N型ZnSe缓冲层23’、一N型ZnMgSSe束缚层24’、一ZnCdSe/ZnSeMQW活化层25’、一P型ZnMgSSe束缚层26’及一P型ZnTe接触层27’。该N型ZnSe缓冲层23’主要用途用以增加基底22’与N型ZnMgSSe束缚层24’之间晶格的匹配(Lattice Mismatch)程度。而位于ZnCdSe/ZnSe MQW活化层25’两侧的N型ZnMgSSe束缚层24’与P型ZnMgSSe束缚层26’，均比活化层25’具有更宽的能隙(band gap)，可以增加载子局限的效果。
于上述堆栈结构的上下两侧，更有一N极电极21’与一P极电极28’。当该P极电极21’与该N极电极28’提供适当的电压，处于P-N接合面上的ZnCdSe/ZnSe MQW活化层25’，则会产生蓝光。部分的蓝光被掺有杂质的N型硒化锌基材22’吸收后，产生黄光。由蓝光与黄光的混合，则产生白光。
相较于前者横向电极的制程，后者垂直电极的发光二极管的制程，除较有简单的制程外，且更免除前者的散热问题及于封装时所需增加的复杂度。然而，后者在实际应用上中，虽然组件寿命可达10000小时(如论文Jpn.J.Appl.Phys.vol.43(2004)pp.1287 T.Nakamura et al)所揭示，但由于ZnSe系列的外延层品质仍未尽理想，故其发光效率并不如氮化镓系列来得好。再者，如论文Jpn.J.Appl.Phys.vol.41(2002)pp.L246 M.Tamsdaet al及Jpn.J.Appl.Phys.vol.40(2001)pp.L918 B.Damilano et al曾分别提出一种混光式发光二极管，其揭示提供一种可发出多种颜色的InGaN量子井发光层，因其一发光层可发出较短的蓝色波长与另一发光层所发出的较长绿光波长光相互混合，即可发出特定色度的混合光(或白光)，但由于调变InGaN中的In组成或改变InGaN层的厚度而达成较长发光波长，其发光效率相对地降低，故其所制作成的白光发光二极管的发光效率只有目前商品化的YAG系列产品的1/2至1/3，故仍有其缺点。
因此，如何针对上述问题而提出一种新颖白光发光二极体的垂直电极结构，不仅可改善传统白光二极管的横向电极所造成的色度偏移以及传统白光二极管的垂直电极所造成发光效率降低的缺点，长久以来一直是使用者殷切盼望及本创作人念兹在兹者，而本创作人提出一种白光发光二极管的垂直电极结构，可解决上述的问题。
发明内容
本实用新型的主要目的，在于提供一种白光发光二极管的垂直电极结构，其利用一氮化镓系发光二极管与一光波长转换基板相结合，该光波长转换基板吸收该氮化镓系发光二极管所发出的蓝光而发射出黄光，与该氮化镓系发光二极管所发出的蓝光混合而产生白光，由于使用该氮化镓系发光二极管使得该白光发光二极管具有高的发光效率，且可增加该白光发光二极管的散热效果，而增进组件的工作寿命并适合于高电流驱动的应用，亦能增加抗静电的能力(ESD)。
本实用新型的次要目的，在于提供一种白光发光二极管的垂直电极结构，透过该氮化镓系发光二极管以及该光波长转换基板以形成一白光发光二极管，其为一垂直电极的结构，以降低晶粒制作的单位面积，并有利于打线封装之后制程。
本实用新型的目的是这样实现的一种白光发光二极管的垂直电极结构，包括一第一电极；一导电基板，其位于该第一电极的上方；一金属接合层，其位于该导电基板的上方；
一氮化镓系半导体堆栈结构，其位于该金属接合层的上方；一透明导电接合层，其位于该氮化镓系半导体堆栈结构的上方；一光波长转换基板，其位于该透明导电接合层的上方；以及一第二电极，其位于该光波长转换基板的上方。
该金属接合层包含一透光导电欧姆接触层以及一金属反射层，该金属反射层位于该导电基板的上方，该透光导电欧姆接触层位于该金属反射层的上方。
该透明导电接合层为一N型透明导电接合层，其选自氧化铟锡(IndiumTin Oxide；ITO)、氧化铟钼(Indium molybdenum oxide；IMO)、氧化铟(IndiumOxide)、氧化锡(Tin Oxide)、氧化锡镉(Cadmium Tin Oxide)、氧化镓(GalliumOxide)、氧化铟锌(Indium Zinc Oxide)、氧化镓锌(Gallium Zinc Oxide)或氧化锌(Zinc Oxide)的其中之一。
该光波长转换基板选自一N型硒化锌(ZnSe)与N型碲化锌(ZnTe)的其中之一。
该氮化镓系半导体堆栈结构的表面具有一织状化(texturing)结构。
该氮化镓系半导体堆栈结构依序包含一P型氮化镓系半导体欧姆接触层、一发光层与一N型氮化镓系半导体欧姆接触层。
该N型氮化镓系半导体欧姆接触层的表面具有一织状化(texturing)结构。
该光波长转换基板的表面具有一织状化(texturing)结构。
该织状化(texturing)可以是具有二维光子晶体(2D photonic crystal)的结构。
该光波长转换基板非平行于该氮化镓系半导体堆栈结构的表面相对于其垂直方向具有30～50度的倾斜角度。
一种白光发光二极管的垂直电极结构，包括一第一电极；
一透光导电欧姆接触层，其位于该第一电极的下方；一氮化镓系半导体堆栈结构，其位于该透光导电欧姆接触层的下方；一透明导电接合层，其位于该氮化镓系半导体堆栈结构的下方；一光波长转换基板，其位于该透明导电接合层的下方；以及一第二电极，其位于该光波长转换基板的下方。
该氮化镓系半导体堆栈结构系依序由下而上包含一N型氮化镓系半导体欧姆接触层、一发光层与一P型氮化镓系半导体欧姆接触层。
该透明导电接合层为一N型透明导电接合层，其选自氧化铟锡(IndiumTin Oxide；ITO)、氧化铟钼(Indium molybdenum oxide；IMO)、氧化铟(IndiumOxide)、氧化锡(Tin Oxide)、氧化锡镉(Cadmium Tin Oxide)、氧化镓(GalliumOxide)、氧化铟锌(Indium Zinc Oxide)、氧化镓锌(Gallium Zinc Oxide)或氧化锌(Zinc Oxide)的其中之一。
该光波长转换基板选自一N型硒化锌(ZnSe)与N型碲化锌(ZnTe)的其中之一。
该氮化镓系半导体堆栈结构的表面具有一织状化(texturing)结构。
该P型氮化镓系半导体欧姆接触层的表面具有一织状化(texturing)结构。
该透明导电接合层的表面具有一织状化(texturing)结构。
该光波长转换基板非平行于该氮化镓系半导体堆栈结构的表面相对于其垂直方向具有30～50度的倾斜角度。
为达上述所指称的各目的与功效，本实用新型提供一种垂直电极的白光发光二极管的结构，由先以蓝宝石为基板，磊晶成长氮化镓系化合物半导体所堆栈而成的发光二极管结构，另以一金属反射层及一导电基板以热结合的技术与前述的氮化镓系发光二极管结构相结合并以激光剥离技术将蓝宝石基板移除，此举，可制作成为垂直电极的氮化镓系发光二极管结构，接着，由一透明导电接合层将此一氮化镓系发光二极管结构与一光波长转换基板的碲化锌或硒化锌基板相结合而制作成本实用新型的白光发光二极管，当此氮化镓系的发光二极管发出一蓝光波长，而此蓝光部分被碲化锌或硒化锌所吸收而转换成黄光波长。此黄光与蓝光混和后，即可产生白光。
图1A为传统技术的横向电极为设计结构的氮化镓系发光二极管的剖面示意图；图1B为传统技术的横向电极的白光发光二极体的结构示意图；图2为传统技术的垂直电极为设计结构的氮化镓系发光二极管的剖面示意图；图3A至图3E为本实用新型的一较佳实施例的垂直电极的白光发光二极管制造流程的结构示意图；图4A至图4D为本实用新型的另一较佳实施例的垂直电极的白光发光二极管制造流程的结构示意图；图5A为本实用新型的另一较佳实施例的白光发光二极体的结构示意图；图5B为本实用新型的另一较佳实施例的白光发光二极体的结构示意图；图5C为本实用新型的另一较佳实施例的光波长转换基板具有二维光子晶体结构的示意图；图5D为本实用新型的另一较佳实施例的白光发光二极体的结构示意图；图6A为本实用新型的另一较佳实施例的白光发光二极体的结构示意图；图6B为本实用新型的另一较佳实施例的白光发光二极体的结构示意图；图6C为本实用新型的另一较佳实施例的白光发光二极体的结构示意图。
图号说明1’发光二极管10’蓝宝石 11’N型氮化镓(GaN)层12’InGaN层13’P型氮化镓(GaN)层14’第二束缚层 15’第一束缚层 16’钇铝石榴石层
22’N型硒化锌基材 23’N型ZnSe缓冲层24’N型ZnMgSSe束缚层 25’ZnCdSe//ZnSe MQW活化层26’P型ZnMgSSe束缚层 27’P型ZnTe接触层21’N极电极 28’P极电极10蓝宝石(Sapphire)基板 12N型AlInGaN欧姆接触层13Al InGaN发光层 14P型AlInGaN欧姆接触层15透光导电欧姆接触层16金属反射层17金属接合层18N型的透明导电接合层19第二电极 20第一电极100导电基板 110暂时性基板4结构 6结构8结构 2光波长转换基板具体实施方式
本实用新型为解决现有技术的横向电极的白光发光二极体所使用的钇铝石榴石层，因为绝缘的蓝宝石为基板其热传导系数低故散热效果很差，故当长期使用较高的驱动电流工作时，其钇铝石榴石层极容易因热而导致质变，进而使得转换效率降低且产生色度偏移，且横向电极因而额外增加了晶粒的面积，换言之，即是单位芯片的产出量降低，另外，易复杂了封装打线的制程，亦增加了制程的成本；以及现有技术的垂直电极的白光发光二极管的缺点，由于ZnSe系列的外延层品质仍未尽理想，故其发光效率并不如氮化镓系列来得好，故，本实用新型提供一种垂直电极的白光发光二极管，使用氮化镓系的发光二极管使其具有较高的发光效率，并提供一垂直电极结构，以消弭横向电极所增加晶粒面积的缺点以及封装打线的问题，并使其发出白光。
请参阅图3A，其为本实用新型的一较佳实施例的白光发光二极管之结构示意图；如图所示，本实用新型的第一实施例的垂直电极的白光发光二极管1，首先于一蓝宝石(Sapphire)基板10上依序磊晶成长一低温氮化镓(GaN)缓冲层11，一N型AlInGaN欧姆接触层12、一AlInGaN发光层13及一P型AlInGaN欧姆接触层14，接下来以蒸镀或溅镀的技术将一透光导电欧姆接触层15及一金属反射层16依序镀在P型AlInGaN欧姆接触层14之上，其中该透光导电欧姆接触层15及该金属反射层16为一金属接合层17；接下来将一导电基板100直接或由蒸镀或溅镀另一导电层以热结合(bonding)的方法与该金属反射层16结合，如图3B所示；接下来以激光剥离(laser liftoff)或研磨(lapping)的技术将蓝宝石(Sapphire)基板10移除而露出N型AlInGaN欧姆接触层12；接下来分别以蒸镀或溅镀的技术将一N型的透明导电接合层18镀在该N型AlIn-GaN欧姆接触层12之上而成为一垂直电极式氮化镓系发光二极管结构4及一N型硒化锌(ZnSe)或一N型碲化锌(ZnTe)的光波长转换基板2之上，如图3C以及图3D所示；接着，以芯片结合(wafer bonding)的方法将结构4及结构6结合，图3E所示，接着，再制作一第一电极20及一第二电极19，其中，该N型的透明导电接合层18能与该N型氮化铝铟镓(AlInGaN)欧姆接触层12及该N型硒化锌(ZnSe)或N型碲化锌(ZnTe)光波长转换基板形成良好的欧姆性接触(ohmic contact)且具有良好的导电性及透光性，当该第一电极20与该第二电极19提供适当的电压，处于P-N接合面上的AlInGaN发光层13，则会产生蓝光。部分的蓝光被掺有杂质的该N型硒化锌(ZnSe)或N型碲化锌(ZnTe)光波长转换基板2吸收后，产生黄光。由蓝光与黄光的混合，则产生白光。
实施例中使用高发光效率的氮化镓系发光二极管结构4、导电基板100及该金属反射层16制作成垂直电极的结构，并由该N型的透明导电接合层18将一光波长转换基板2贴合于此该氮化镓系发光二极管结构4，其中，该金属反射层16对入射角并无选择性地反射，所以能增加反射角频宽，故能有效地将自将该发光层13所发出的光反射增进发光效率且此结构又可增加散热的效果及增进抗静电的能力(ESD)，故能增进组件的工作寿命并适合于高电流驱动的应用，除以上所述的优点外，垂直电极的结构能降低晶粒制作的单位面积，并有利于传统的打线封装后段制程。
请参阅图4A，其为本实用新型的另一较佳实施例的白光发光二极管的结构示意图；如图所示，本实用新型的第二实施例的白光发光二极管，首先，在一蓝宝石(Sapphire)基板10上依序磊晶成长一低温氮化镓(GaN)缓冲层11，一N型AlInGaN欧姆接触层12、一AlInGaN发光层13及一P型AlInGaN欧姆接触层14，以上成为一氮化镓系发光二极管结构，接下来将一暂时性基板110以热结合(bonding)的方法与该P型AlInGaN欧姆接触层14结合；如图4B所示，接下来以激光剥离(laser liftoff)或研磨(lapping)的技术将蓝宝石(Sapph-ire)基板10移除而露出N型AlInGaN欧姆接触层12，接下来以蒸镀或溅镀的技术分别将一N型的透明导电接合层18镀在该N型AlInGaN欧姆接触层12之上而成为一垂直电极式氮化镓发光二极管结构及一N型硒化锌(ZnSe)或一N型碲化锌(ZnTe)的光波长转换基板2之上，一并参阅图3D所示；接着，以芯片结合(wafer bonding)的方法将结构8及结构6结合后，如图3C所示；接着，移除该暂时性基板110再制作一透光导电欧姆接触层15于该P型AlInGaN欧姆接触层14之上当成电流散布层(current spreading layer)，并制作一第一电极20及一第二电极19，如图4D所示，其中，该N型的透明导电接合层18能与该N型AlInGaN欧姆接触层12及N型硒化锌(ZnSe)或N型碲化锌(ZnTe)的光波长转换基板形成良好的欧姆性接触(ohmic contact)且具有良好的导电性及透旋光性，当该第一电极20与第二电极19提供适当的电压，处于P-N接合面上的该AlInGaN发光层13，则会产生蓝光。部分的蓝光被掺有杂质的该N型硒化锌(ZnSe)或N型碲化锌(ZnTe)光波长转换基板2吸收后，产生黄光。由蓝光与黄光的混合，则产生白光。
本实施例中使用高发光效率的氮化镓系发光二极管结构，并由一N型的透明导电接合层18将一光波长转换基板2贴合于此氮化镓系发光二极管结构而制作成垂直电极的结构，此结构不仅发光效率高亦可增加散热的效果而增进元件的工作寿命并适合于高电流驱动的应用，亦能增进抗静电的能力(ESD)。除以上所述的优点外，垂直电极的结构能降低晶粒制作的单位面积，并有利于传统的打线封装后段制程。
再者，请参阅图5A，其为本实用新型的另一较佳实施例的白光发光二极管的结构示意图；如图所示，本实用新型的第一实施例的另一实施例，其主要技术特征为该N型AlInGaN欧姆接触层12的表面使其加以织状化(texturing)，其可进一步提高外部的发光效率。
请参阅图5B，其为本实用新型的另一较佳实施例的白光发光二极管的结构示意图；如图所示，本实用新型的第一实施例的另一实施例，其主要技术特征为该光波长转换基板2的表面使其加以织状化(texturing)或于此基板上制作二维光子晶体(2D photonic crystal)请参阅图5C。
请参阅图5D，其为本实用新型的的另一较佳实施例的白光发光二极管的结构示意图；如图所示，本实用新型的第一实施例另一实施例，其主要技术特征为该光波长转换基板2与该透明导电接合层的接触面积比该光波长转换基板与该第二电极的接触面积小，且该透明导电接合层与该氮化镓系半导体堆栈结构的接触面积等于该透明导电接合层与该光波长转换基板的接触面积，故，该光波长转换基板2非平行于该氮化镓系半导体堆栈结构的表面相对于其垂直方向具有30～50度的倾斜角度。
又，请参阅图6A，其为本实用新型的另一较佳实施例的白光发光二极管的结构示意图；如图所示，本实用新型的第二实施例的另一实施例，其主要技术特征为该P型氮化镓系半导体欧姆接触层14的表面具有一织状化(textu-ring)结构。
请参阅图6B，其为本实用新型的另一较佳实施例的白光发光二极管之结构示意图；如图所示，本实用新型第二实施例的另一实施例，其主要技术特征为该N型的透明导电接合层18具有一织状化(texturing)结构。
请参阅图6C，其为本实用新型的另一较佳实施例的白光发光二极管的结构示意图；如图所示，本实用新型的第二实施例的另一实施例，其主要技术特征为该光波长转换基板2与该透明导电接合层的接触面积比该光波长转换基板2与该第二电极20的接触面积小，且该透明导电接合层与该氮化镓系半导体堆栈结构的接触面积等于该透明导电接合层与该光波长转换基板的接触面积，故，该光波长转换基板2非平行于该氮化镓系半导体堆栈结构的表面相对于其垂直方向具有30～50度的倾斜角度。
权利要求1.一种白光发光二极管的垂直电极结构，其特征在于，包括一第一电极；一导电基板，其位于该第一电极的上方；一金属接合层，其位于该导电基板的上方；一氮化镓系半导体堆栈结构，其位于该金属接合层的上方；一透明导电接合层，其位于该氮化镓系半导体堆栈结构的上方；一光波长转换基板，其位于该透明导电接合层的上方；以及一第二电极，其位于该光波长转换基板的上方。
2.如权利要求1所述的白光发光二极管的垂直电极结构，其特征在于，该金属接合层包含一透光导电欧姆接触层以及一金属反射层，该金属反射层位于该导电基板的上方，该透光导电欧姆接触层位于该金属反射层的上方。
3.如权利要求1所述的白光发光二极管的垂直电极结构，其特征在于，该透明导电接合层为一N型透明导电接合层，其选自氧化铟锡、氧化铟钼、氧化铟、氧化锡、氧化锡镉、氧化镓、氧化铟锌、氧化镓锌或氧化锌的其中之一。
4.如权利要求1所述的白光发光二极管的垂直电极结构，其特征在于，该光波长转换基板选自一N型硒化锌与N型碲化锌的其中之一。
5.如权利要求1所述的白光发光二极管的垂直电极结构，其特征在于，该氮化镓系半导体堆栈结构的表面具有一织状化结构。
6.如权利要求1所述的白光发光二极管的垂直电极结构，其特征在于，该氮化镓系半导体堆栈结构依序包含一P型氮化镓系半导体欧姆接触层、一发光层与一N型氮化镓系半导体欧姆接触层。
7.如权利要求1所述的白光发光二极管的垂直电极结构，其特征在于，该N型氮化镓系半导体欧姆接触层的表面具有一织状化结构。
8.如权利要求1所述的白光发光二极管的垂直电极结构，其特征在于，该光波长转换基板的表面具有一织状化结构。
9.如权利要求4所述的白光发光二极管的垂直电极结构，其特征在于，该织状化可以是具有二维光子晶体的结构。
10.如权利要求1所述的白光发光二极管的垂直电极结构，其特征在于，该光波长转换基板非平行于该氮化镓系半导体堆栈结构的表面相对于其垂直方向具有30～50度的倾斜角度。
11.一种白光发光二极管的垂直电极结构，其特征在于，包括一第一电极；一透光导电欧姆接触层，其位于该第一电极的下方；一氮化镓系半导体堆栈结构，其位于该透光导电欧姆接触层的下方；一透明导电接合层，其位于该氮化镓系半导体堆栈结构的下方；一光波长转换基板，其位于该透明导电接合层的下方；以及一第二电极，其位于该光波长转换基板的下方。
12.如权利要求11所述的白光发光二极管的垂直电极结构，其特征在于，该氮化镓系半导体堆栈结构系依序由下而上包含一N型氮化镓系半导体欧姆接触层、一发光层与一P型氮化镓系半导体欧姆接触层。
13.如权利要求11所述的白光发光二极管的垂直电极结构，其特征在于，该透明导电接合层为一N型透明导电接合层，其选自氧化铟锡、氧化铟钼、氧化铟、氧化锡、氧化锡镉、氧化镓、氧化铟锌、氧化镓锌或氧化锌的其中之一。
14.如权利要求11所述的白光发光二极管的垂直电极结构，其特征在于，该光波长转换基板选自一N型硒化锌与N型碲化锌的其中之一。
15.如权利要求11所述的白光发光二极管的垂直电极结构，其特征在于，该氮化镓系半导体堆栈结构的表面具有一织状化结构。
16.如权利要求11所述的白光发光二极管的垂直电极结构，其特征在于，该P型氮化镓系半导体欧姆接触层的表面具有一织状化结构。
17.如权利要求11所述的白光发光二极管的垂直电极结构，其特征在于，该透明导电接合层的表面具有一织状化结构。
18.如权利要求11所述的白光发光二极管的垂直电极结构，其特征在于，该光波长转换基板非平行于该氮化镓系半导体堆栈结构的表面相对于其垂直方向具有30～50度的倾斜角度。
专利摘要本实用新型揭露一种白光发光二极管，其由一透明导电粘合层将氮化镓的发光二极管与碲化锌或硒化锌为光转换层的基板结合而成，且制作成垂直电极结构，当此氮化镓的发光二极管发出一蓝光波长，而此蓝光部分被碲化锌或硒化锌光转换层所吸收并发出另一黄光波长，此黄光与蓝光混和后，即可产生白光。
文档编号H01L33/00GK2752963SQ20042006634
公开日2006年1月18日 申请日期2004年6月30日 优先权日2004年6月30日
发明者赖穆人 申请人:炬鑫科技股份有限公司