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TWI485881B - 發光二極體晶粒及其製造方法 - Google Patents

發光二極體晶粒及其製造方法 Download PDF

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TWI485881B
TWI485881B TW102101267A TW102101267A TWI485881B TW I485881 B TWI485881 B TW I485881B TW 102101267 A TW102101267 A TW 102101267A TW 102101267 A TW102101267 A TW 102101267A TW I485881 B TWI485881 B TW I485881B
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Ching Hsueh Chiu
Po Min Tu
Shih Cheng Huang
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Description

發光二極體晶粒及其製造方法
本發明涉及一種半導體結構，尤其涉及一種發光二極體晶粒及其製造方法。
習知的發光二極體(Light Emitting Diode,LED)晶粒通常包括基板以及形成於該基板上的半導體層，該半導體層包括依次形成於基板上的緩衝層、N型半導體層、發光層以及P型半導體層。由於P型半導體層的電阻較大，故P型半導體層對電流的分散能力相較於N型半導體層差，為了改善P型半導體層對電流的分散能力，業界一般於P型半導體層上形成氧化銦錫(Indium Tin Oxide,ITO)透明導電層以將電流均勻分佈於P型半導體層上。
然，ITO透明導電層係一種N型半導體材料，其與P型半導體層結合能力較差，ITO透明導電層與P型半導體介面電阻較大，不利於電流均勻分散於P型半導體層上。另，晶粒製作過程中，ITO透明導電層覆蓋於P型半導體層上，P電極設置於ITO透明導電層表面上，當晶粒進行封裝打線時，打線的重力瞬間施加於P電極表面，由於ITO透明導電層與P型半導體層之間的結合能力差，打線重力過大會使P型電極下方的ITO透明導電層從P型半導體層上剝落，影響封裝良率。
有鑑於此，有必要提供一種有效提高電流分散能力的發光二極體晶粒及其製造方法。
一種發光二極體晶粒，包括依次設置的第一半導體層、有源層和第二半導體層，所述發光二極體晶粒還包括形成於所述第二半導體層內的複數奈米碳管結構。
一種發光二極體晶粒的製造方法，包括以下步驟：提供基板，並在基板上依次生長第一半導體層、有源層和預定厚度的第二半導體層；在第二半導體層遠離有源層的表面上設置複數奈米碳管結構；在所述奈米碳管結構上繼續生長第二半導體層直至該第二半導體層將多個奈米碳管結構嵌置其內；對第二半導體層以及有源層進行蝕刻以裸露出部分第一半導體層；在裸露的第一半導體層上設置第一電極，在第二半導體層上設置第二電極。
在本發明中，所述奈米碳管結構位於該第二半導體層內，奈米碳管結構具有導電效率高、導熱效率高、透光的特點，從而能夠直接改善該第二半導體層的電流分散能力，進而使得第二半導體層獲得將強的電流分散能力，提高了發光二極體晶粒的整體性能。
200‧‧‧發光二極體晶粒
10‧‧‧基板
100‧‧‧磊晶層
20‧‧‧緩衝層
30‧‧‧第一半導體層
31‧‧‧第一電極
40‧‧‧有源層
50、50a、50b‧‧‧第二半導體層
51‧‧‧第二電極
60、60a、60b‧‧‧奈米碳管結構
圖1係本發明一實施例的發光二極體晶粒的結構示意圖。
圖2係圖1所示發光二極體晶粒中奈米碳管結構的示意圖。
圖3係圖1所示發光二極體晶粒內奈米碳管結構的排列示意圖。
圖4係圖1所示發光二極體晶粒內奈米碳管結構的另一排列示意圖。
圖5係圖1所示發光二極體晶粒內奈米碳管結構的再一排列示意圖。
圖6係本發明一實施例中的發光二極體晶粒的製造方法流程圖。
圖7係圖6所示的發光二極體晶粒的製造方法步驟S101所得的元件示意圖。
圖8係圖6所示的發光二極體晶粒的製造方法步驟S102所得的元件示意圖。
圖9係圖6所示的發光二極體晶粒的製造方法步驟S103所得的元件示意圖。
圖10係圖6所示的發光二極體晶粒的製造方法步驟S104所得的元件示意圖。
請參閱圖1，本發明一實施例的發光二極體晶粒200包括基板10、形成於基板10上的緩衝層20以及形成於該緩衝層20上的磊晶層100。該磊晶層100包括第一半導體層30、第二半導體層50以及夾設於該第一半導體層30和第二半導體層50之間的有源層40。
該第一半導體層30上設有第一電極31。該第二半導體層50內形成複數奈米碳管結構60。該第二半導體層50上設有與所述奈米碳管結構60電連接的第二電極51。
該基板10的材質係藍寶石(Al2O3)、碳化矽(SiC)、矽(Si)、氮化鎵(GaN)或氧化鋅(ZnO)中的一種。
該緩衝層20的材質係氮化鎵(GaN)或氮化鋁(AlN)中的一種。 該緩衝層20用於減小該磊晶層100與該基板10之間的晶格不匹配，使得後續生長的磊晶層能獲得優良的磊晶結構。
該第一半導體層30、有源層40和第二半導體層50依次設置生長於基板10的緩衝層20上。在本實施方式中該第一半導體層30與第二半導體層50係不同摻雜型半導體層，具體地，第一半導體層30係N型半導體層，第二半導體層50係P型半導體層。在其他實施方式中，第一半導體層30係P型半導體層，第二半導體層50係N型半導體層。該有源層40係單量子阱結構或多量子阱結構，量子阱結構可由氮化銦(InN)、氮化銦鎵(InGaN)、氮化鎵(GaN)、氮化鋁鎵(AlGaN)、銦鎵鋁氮(InGaAlN)等材料组合構成。
在本實施例中，該第一電極31係N型電極，該第二電極51係P型電極。在其他實施方式中第一電極31和第二電極51可根據第一半導體層30和第二半導體層50的不同而對應設置。
請同時參考圖2和圖3，該奈米碳管結構60嵌設於該第二半導體層50內。該奈米碳管結構60係奈米碳管束。該奈米碳管束由複數奈米碳管601排列形成。該奈米碳管601係多壁奈米碳管或單壁奈米碳管。該奈米碳管601的直徑範圍位於2納米(nm)~20納米(nm)之間。
本實施例中該奈米碳管601的直徑約為20nm。該奈米碳管結構60由複數奈米碳管601堆疊排列而成。可以理解地，在其他實施例中該奈米碳管結構60係單一奈米碳管601構成。
所述奈米碳管結構60交錯排列並彼此搭接形成網狀結構。
請同時參考圖4和圖5，在其他實施例中，所述奈米碳管結構60a 彼此交叉連接形成放射狀結構。所述奈米碳管結構60b的其中之一與其他奈米碳管結構60b的端部連接。可以理解地，該奈米碳管結構60a、60b的數量及排佈形狀可以根據電流分佈的需要作出調整。
進一步地，所述奈米碳管結構60、60a或60b可以在與該第二半導體層50平行的平面內密集並排排佈形成單層構造，亦或沿該發光二極體晶粒200的出光方向(即縱向)上堆疊成多層構造。
可以理解地，該第二半導體層50對應該第二電極51的安裝位置處朝向奈米碳管結構60凹陷形成一凹槽(圖未示)，該奈米碳管結構60外露於該凹槽的底部，第二電極51設置於該凹槽的底部並與奈米碳管結構60電連接。
本發明還提供一種發光二極體晶粒200的製造方法。
圖6係本發明發光二極體晶粒200的製造方法的流程圖。請同時參考圖7至圖10，該發光二極體晶粒200的製造方法包括如下步驟：步驟S101，參閱圖7所示，提供基板10，並在基板10上依次生長第一半導體層30、有源層40和預定厚度的第二半導體層50。
較佳地，首次生長形成的第二半導體層50的厚度約為發光二極體晶粒200的第二半導體層50的厚度的一半。在其他實施例中該第二半導體層50首次生長的厚度可以根據需要作出調整。
步驟S102，參閱圖8所示，在預訂厚度的第二半導體層50遠離有源層40的表面上設置複數奈米碳管結構60。
所述奈米碳管結構60的排佈方式係網狀排佈、放射狀排佈，亦或 藉由奈米碳管結構60的其中之一與其他奈米碳管結構60的端部連接從而將所有的奈米碳管結構60串接。所述奈米碳管結構60還可以排列成單層構造或多層構造。
步驟S103，參閱圖9所示，在所述奈米碳管結構60上繼續生長第二半導體層50直至該第二半導體層50將多個奈米碳管結構60嵌置其內。
步驟S104，參閱圖10示，對第二半導體層以及有源層進行蝕刻以裸露出部分第一半導體層；對有源層40以及第二半導體層50進行蝕刻以裸露出部分該第一半導體層30。
步驟S105，請再次參閱圖1，在裸露的第一半導體層30上設置第一電極31，在第二半導體層50上設置第二電極51，形成發光二極體晶粒200。
可以理解地，為了解決該磊晶層100與基板10之間晶格不匹配的問題，在步驟S101中在生長第一半導體層30之前還包括形成緩衝層20的步驟。該緩衝層20的材質係氮化鎵(GaN)或氮化鋁(AlN)中的一種。
還可以理解地，步驟S104所述的蝕刻可以放在步驟S101中進行，具體地，在步驟S101中在生長第一半導體層30後生長有源層40之前還包括對第一半導體層30的一部分進行蝕刻以形成設置第一電極31的裸露區域，為了防止後續生長有源層40與第二半導體層50與設置第一電極31的裸露區域發生干涉，較佳地可以在生長有源層40與第二半導體層50之前於蝕刻區域上設置一覆蓋層(圖未示 )，接著於該第一半導體層30未蝕刻的區域上再繼續生長有源層40和第二半導體層50，在有源層40與第二半導體層50生長完成之後再取出覆蓋層。
在本發明中，所述奈米碳管結構60、60a、60b位於該第二半導體層50內，利用奈米碳管導電效率高(導電性能係銅的1000倍)的特點能直接改善該第二半導體層50的電流分散能力，使得第二半導體層50獲得將強的電流分散能力。
進一步地，所述奈米碳管結構60、60a、60b嵌設於該第二半導體層50內，能提升二者的結合強度；相比習知技藝中第二電極51與ITO透明導電層結合不緊密，打線過程中第二電極51容易從ITO透明導電層上剝離的缺陷，本發明中的第二電極51與第二半導體層50之間的結合也更加緊密，能夠避免在打線過程中發生第二電極51從第二半導體層50上剝離的現象。
其次，所述奈米碳管結構60、60a、60b具有納米級別的尺寸，發光二極體晶粒200出射的光線能很好的穿透所述奈米碳管結構60、60a、60b。
另，所述奈米碳管結構60、60a、60b具有將強的導熱效率(奈米碳管的導熱率3000W/mK，銅的導熱率400W/mK)，發光二極體晶粒200產生的熱量可以沿著奈米碳管的長度分佈方向傳遞，從而有效降低發光二極體晶粒200工作時內部的溫度，延長該發光二極體晶粒200的使用壽命。
綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施方式，自不能以此限 制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝之人士爰依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。
200‧‧‧發光二極體晶粒
10‧‧‧基板
100‧‧‧磊晶層
20‧‧‧緩衝層
30‧‧‧第一半導體層
31‧‧‧第一電極
40‧‧‧有源層
50‧‧‧第二半導體層
51‧‧‧第二電極
60‧‧‧奈米碳管結構

Claims (10)

  1. 一種發光二極體晶粒，包括依次設置的第一半導體層、有源層和第二半導體層，其改良在於：所述發光二極體晶粒還包括形成於所述第二半導體層內的複數奈米碳管結構，所述奈米碳管結構外表面完全被所述第二半導體層所贴设。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體晶粒，其中所述第一半導體層係N型半導體層，所述第二半導體層係P型半導體層，所述奈米碳管結構嵌設於該P型半導體層內。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體晶粒，其中所述奈米碳管結構係奈米碳管束，所述奈米碳管束由多個奈米碳管排列形成。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體晶粒，其中所述奈米碳管結構係單一奈米碳管。
  5. 如申請專利範圍第3或4項所述的發光二極體晶粒，其中所述奈米碳管係單壁奈米碳管或多壁奈米碳管。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體晶粒，其中所述奈米碳管結構並排排列形成單層或堆疊成多層構造。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體晶粒，其中所述奈米碳管結構交錯排列並彼此搭接形成網狀結構。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體晶粒，其中所述奈米碳管結構中的一個奈米碳管結構與其他奈米碳管結構藉由端部連接。
  9. 如申請專利範圍第1-4或6-8項中任意一項所述的發光二極體晶粒，其中所述發光二極體晶粒還包括設置於第一半導體層上的第一電極和設置於第二半導體層上的第二電極，所述第二電極與第二半導體層內的奈米碳 管結構電連接。
  10. 一種發光二極體晶粒的製造方法，包括以下步驟：提供基板，並在基板上依次生長第一半導體層、有源層和預定厚度的第二半導體層；在第二半導體層遠離有源層的表面上設置複數奈米碳管結構；在所述奈米碳管結構上繼續生長第二半導體層直至該第二半導體層將多個奈米碳管結構嵌置其內；對第二半導體層以及有源層進行蝕刻以裸露出部分第一半導體層；在裸露的第一半導體層上設置第一電極，在第二半導體層上設置第二電極。
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