209_090-009AP-TW
發佈日期 :
2009-04-29
| 發明專利說明書 | |
| ※申請案號： 091109724 | |
| ※申請日期： 20020509 ※ＩＰＣ分類： Int.Cl.(7) H01L 33/00 |
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| 一、發明名稱： (中文/英文) | |
改善發光二極體之電流分佈(全文下載)
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| 二、申請人： 共 1 人
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| 1 . 姓名或名稱：(中文/英文) 國立成功大學 / NATIONAL CHENG KUNG UNIVERSITY 代 表 人：(中文/英文) / 住居所或營業所地址：(中文/英文) 臺南市東區大學路一號 / 國 籍：(中文/英文) 中華民國 / TW
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| 三、發明人： 共 4 人
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| 1 . 姓名：(中文/英文) 洪茂峰 / HUNG, MAU-FENG 國 籍：(中文/英文) 中華民國 / TW 2 . 姓名：(中文/英文) 王永和 / WANG, YUNG-HE 國 籍：(中文/英文) 中華民國 / TW 3 . 姓名：(中文/英文) 陳錫銘 / CHEN, SHI-MING 國 籍：(中文/英文) 中華民國 / TW 4 . 姓名：(中文/英文) 王偉庭 / WANG, WEI-TING 國 籍：(中文/英文) 中華民國 / TW
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四、聲明事項 |
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| □主張專利法第二十二條第二項 □ 第一款或 □ 第二款規定之事實，其事實發生日期為：年 月 日
□申請前已向下列國家(地區)申請專利: 【格式請依:受理國家(地區)、申請日、申請案號、 順序註記】
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| □ 有主張專利法第二十七條第一項國際優先權：
□無主張專利法第二十七條第一項國際優先權： |
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| □ 主張專利法第二十九條第一項國內優先權：
【格式請依:申請日、申請案號、順序註記】
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□ 主張專利法第三十條生物材料： □ 須寄存生物材料者： 國內生物材料【格式請依:寄存機構、日期、號碼、順序註記】 國外生物材料【格式請依:寄存國家、機構、日期、號碼、順序註記】 |
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| □ 不須寄存生物材料者: 所屬技術領域中具有通常知識者易於獲得時，不須寄存。 |
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| 五、中文發明摘要： | |
| 本發明係利用氮化鈦(TiN)層，具有透明導電之特性，製作出發光二極體之透明電極。此一發光二極體經由此透明電極係可改善電流分佈，使電流快速且均勻地分佈到半導體元件，進而提升二極體之發光效果。 | |
| 六、英文發明摘要： | |
| 七、指定代表圖： | |
| （一）本案指定代表圖為： | |
| （二）本代表圖之元件符號簡單說明：
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| 八、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式： | |
| 九、發明說明： | |
| 發明領域 本發明係關於一種發光二極體，尤其是關於一種改善電流分佈之發光二極體。 發明背景 近年來由於有機金屬化學氣相磊晶法(MOCVD)技術的進步，使得發光二極體(LED)能成長品質好的雙異質結構，並使得LED的內部量子效率可以高達90%以上。然而，其外部量子效率卻低到只有幾個百分比，主要原因之一是電流分佈不當及光輸出時被材料本身吸收，另一原因是因為光要自高折射率(Refractive Index;n)的半導體傳至低折射率的外界（例如，一般空氣；n=1），實為不易。為了要減少LED本身材料之吸收及電流分佈不當而產生的損失，目前一般有三種處理方法：(1)要有厚的窗口層(Window Layer)，例如長一層厚的（5μm以上）磷化鎵(GaP)層，以增加電流分佈並使光易於傳出。然而，要長一層厚的且品質良好的磷化鎵層，在實際製程上並不容易做到。(2)要用電流阻障結構(CurrentBIocking)使電流不被侷限在電極之下，而產生電流擁擠。然而，此種結構之製作尚需要微影、蝕刻等複雜之製程，所以亦增加了其困難度。(3)另外還有鍍一層透明的氧化銦錫(ITO)來增加電流分佈，然而，由於ITO本身的材料特性，也就是ITO與AlGaInP系列材料之間不易產生直接電接觸，尚須成長一層約50A厚的p型砷化鎵(GaAs)在ITO與p型半導體之間，可是GaAs會吸收光，如此一來又降低了發光效率。此外，成長的p型GaAs還需加入一層漸變層(Transition Layer)以減少AlGaInP與GaAs之間因電位障不同而產生的電阻，因而更增加了製程上的困難度。 請參考圖一先前技藝之發光二極體，典型地，具有一第一電極（n型電極）11，一基底12位於該電極11之上，一緩衝層(buffer layer)13位於該基底11之上，一布拉格反射鏡(DBR)14位於該緩衝層13之上，一第一被覆層(cladding layer)15位於該DBR反射鏡14之上，一活性層16位於該第一被覆層15之上，一第二被覆層17位於該活性層16之上，一厚的窗口層18位於該第二被覆層17之上，以及一第二電極（n型電極）19位在該窗口層18之上。通常為了要改善其發光二極體之電流分佈，所以該窗口層18的厚度約為5μm，而且其成長品質需要十分良好才可讓電流快速且均勻地擴散。 一般而言，發光二極體係利用光罩曝光以形成製程所需的金屬電極，請參考圖四，係一般光罩之示意圖（俯視圖，該p－pad金屬係利用100μm X100μm之光罩曝光所形成之）。接下來請參考圖五A與圖五B之發光照片，該發光二極體係未塗覆氮化鈦(TiN)，分別具有20mA（圖五A）與100mA（圖五B）之電流通過。圖中黑色擋光區域即為p－pad金屬（p型電極），在電流(20mA)較小時該金屬電極周圍沒有明顯的電流擁擠現象（圖五A所示），然而在高電流(100mA)時，則電流擁擠現象十分明顯（圖五B所示）。 因此有必要提出一種低電阻率、高透光率、散熱佳之透明導電膜，使得發光二極體元件可以有較佳之電流分佈。 發明目的： 本發明之主要目的是提供一種改良電流分佈之發光二極體。 本發明之另一目的是提出一種低電阻率之透明導電膜。 本發明之再一目的是提出一種高透光率`散熱佳之透明導電膜。 發明概述： 本發明提供一種改善發光二極體電流分佈之結構。該結構包含一第一電極(electrode)、一基底(substrate)位在該第一電極之上、一緩衝層(bufferlayer)位在該基底之上、一布拉格反射鏡(distributedBragg reflector)位在該緩衝層之上、一第一被覆層(cladding layer)，係位在該布拉格反射鏡之上、一活性層(active layer)位在該第一被覆層之上、一第二被覆層位在該活性層之上、一窗口層位在該被覆層之上、一電流分佈層(current spreading layer)位在該窗口層之上，其中該電流分佈層係包含氮化鈦(TiN)與鈦(Ti)`以及一第二電極位在該電流分佈層之上。 詳細說明與較佳實施例 有關本發明為達成上述之目的，所採用之技術、手段及具體結構特徵，茲舉較佳可行之實施例，並藉由圖示說明而更進一步揭示明瞭，詳如下述。 為了改善發光二極體之電流分佈，本發明提出一種發光二極體結構，請參考圖二；改善發光二極體電流分佈之結構，包含一第一電極(electrode)21、一基底(substrate)22位在該第一電極21之上、一緩衝層(buffer layer)23位在該基底22之上、一布拉格反射鏡(distributed Bragg reflector)24位在該緩衝層23之上、一第一被覆層(cladding layer)25，係位在該布拉格反射鏡24之上、一活性層(active layer)26位在該第一被覆層25之上、一第二被覆層27位在該活性層26之上、一窗口層28位在該第一被覆層27之上、一電流分佈層(current spreading layer)29利用濺鍍法形成在該窗口層28之上，其中該電流分佈層29係包含氮化鈦(TiN)292與鈦(Ti)291、以及一第二電極30位在該電流分佈層29之上。 一般而言，基底22係包含砷化鎵(GaAs)；緩衝層23係包含砷化鎵(GaAs)；布拉格反射鏡24係包含砷化鋁(AlAs)或砷化鎵(GaAs)；活性層26係多量子井(MultiQuantum Well)，例如磷化鎵銦(GaInP)或鋁磷化鎵銦(AlGaInP)；窗口層28係包含磷化鎵(GaP)；該第一電極21係n型電極，且該第二電極30係P型電極；該第一被覆層25係n型被覆層，例如n型磷化鋁銦(n－AlInP)，且該第二被覆層27係p型被覆層，例如p型磷化鋁銦(p－AlInP)；類似地，第一電極21係p型電極，且該第二電極30係n型電極；而該第一被覆層25係p型被覆層，例如p型磷化鋁銦(P－AlInp)，且該第二被覆層27係n型被覆層，例如n型磷化鋁銦(n－AIInP)。 本發明所提供之透明電流分佈層29，相較於一般的內建電流阻障層(current blocking)`或者厚的且品質好的磷化鎵(GaP)、或者鍍一層氧化銦錫(ITO)而言，該電流分佈層29具有較簡易的製程步驟。舉例而言，磷化鎵(GaP)需成長至少5μm以上，且具有好品質的磊晶層才會有好的電流分佈效果，而本發明之氮化鈦(TiN)只需數百埃(A)即有良好的電流分佈效果，較佳者，該氮化鈦(TiN)層292之厚度係介於100至1,000埃(A)。一般而言，本發明之發光二極體之結構，其電流分佈層29亦包含鈦(Ti)層291，在較佳實施例中其厚度約小於50埃(A)，係作為半導體與氮化鈦(TiN)之間的電性緩衝層，在濺鍍氮化鈦(TiN)層292之後，產生更佳的電流分佈，並降低電流擁擠所導致在電極周圍的光侷限效應。 接下來請參考圖三，本發明還提供一種改善發光二極體電流分佈之結構的製造方法，先從步驟31開始，然後步驟32：提供發光二極體，將磊晶好的發光二極體(LED)晶片，以去離子水、丙酮、甲醇依照順序清洗，其中該發光二極體具有一第一側與一第二側，典型地，該第一側即為p側，且該第二側即為n側，然而如熟悉本項技藝者所知，該第一側亦可為n側，而該第二側為p側。再來步驟33：將氮化鈦(TiN)層形成在該發光二極體的第一側。在較佳實施例中，先形成一鈦層於該發光二極體的第一側，再形成該氮化鈦(TiN)層，也就形成電流分佈層（如圖二所示之標號29）。典型地，係以濺鍍(sputtering)的方式將鈦與氮化鈦濺鍍在LED的P側，並設定一定之工作環境來製作該電流分佈層，例如射頻功率的大小、氬／氮的比例(Ar/N2 ra tio)、工作壓力、基板溫度、濺鍍的時間等參數的控制來製作（射頻功率在80W~150W、氬／氮的比例在10/2sccm~10/5sccm、工作壓力在5m tOrr~7m torr）。將基板溫度從室溫升到300℃，先濺鍍一層鈦（厚度約小於50埃(A)，再濺鍍一層氮化鈦，時間由3分鐘～15分鐘（厚度為100埃～1,000埃的氮化鈦膜）。基於這些參數的控制，可調變氮化鈦膜在電阻率`透光率及對應用於發光二極體元件後的光電表現做各項參數的調變。 然後步驟34，濺鍍的過程之後接著旋塗一光阻(photoresist)於該氮化鈦層之上，並加以烘烤。步驟35：形成一第一金屬層，以產生一第一電極，典型地，該第一電極係位於該第一側，且該第二電極係位於該第二側；該第一金屬層包含一材料係選自金(Au)及鈹(Be)合金，且該第一電極係P型電極，或者如熟悉本項技藝者所知，該第一金屬層亦可包含一材料係選自金(Au)、鍺(Ge)`以及鎳(Ni)所組成之合金，且該第一電極係n型電極。罩上(Mask)光阻後，以蒸鍍或濺鍍的製程方法建立P側金屬(Au/Be)，其所開的窗即為P型電極。步驟36：去除該光阻；用丙酮將光阻去除(liftoff)，並用甲醇及去離子水，清洗殘留的有機物。 接著步驟37：形成一第二金屬層，以產生一第二電極，典型地，該第二金屬層包含一材料係選自金(Au)、鍺(Ge)`以及鎳(Ni)所組成之合金，且該第二電極係n型電極，或者如熟悉本項技藝者所知，該第二金屬層亦可包含一材料係選自金(Au)及鈹(Be)之合金，且該第二電極係p型電極。舉例來說，可以是對N型基底以蒸鍍或濺鍍的製程鍍上N側金屬(Au/Ge/Ni)。然後再利用甲醇及去離子水清洗該晶片。步驟38：退火以形成歐姆接觸(ohmic contact)；對元件做快速熱退火(RapidThermal Anneal)處理。在400~500℃氮氣的氣體環境中來達成金屬一半導體接面(M－S junction)的歐姆接觸。最後步驟39結束。 一般而言，發光二極體係利用光罩曝光以形成製程所需的金屬電極，請參考圖四，係一般光罩之示意圖（俯視圖，該p－pad金屬係利用100μm X 100μm之光罩曝光所形成之）。圖六A為具有TiN的LED元件操作在100mA的電流環境下的發光照片，圖中黑色擋光區域即為p－pad金屬，明顯地，在高電流(100mA)的環境時，電流擁擠現象相較於無TiN的元件（如圖五B所示）有明顯的改善。而若將探針放在TiN上依然有電流分佈的效果，如圖六B與圖六C之發光照片所示係分別為操作在20mA（圖六B）與100mA（圖六C）。再者，若沒有做p－pad金屬而直接將電流通過TiN上（圖六D所示），則沒有光被金屬電極擋住，因此TiN膜係具有有透明導電的功能。 圖七顯示的是LED元件之電流－光輸出特性(L－Icharacteristic)的比較圖，其中無TiN的LED元件（傳統之LED元件）係以虛線表示，而實線則是具有TiN之LED元件。在中低電流(<60mA)通過時，兩者皆無明顯的電流擁擠效應，因此光輸出還未呈現飽和。但是在較高電流(80mA)通過時，則傳統之LED元件（虛線）開始有飽和的現象，而具有TiN的LED元件（實線）其飽和的現象仍未產生。因此TiN實質上係具有優良的電流分佈功能，使得在高電流操作時亮度明顯地提升。 圖八顯示的是LED元件之電流－電壓特性(I－Vcharacteristic)的比較圖。圖中亦顯示具有TiN之LED元件（實線）與沒有TiN的LED元件（虛線）相比，其臨界電壓（在20mA時）有下降。 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟悉本技藝之人士，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。 圖式簡單說明 圖一係習知發光二極體之結構剖面示意圖； 圖二係本發明之結構剖面示意圖； 圖三係本發明之製造方法流程圖； 圖四係具有光罩之俯視圖； 圖五A係習知發光二極體之發光照片圖式； 圖五B係習知發光二極體之另一發光照片圖式； 圖六A～圖六D係本發明發光二極體之各式實施例發光照片圖式； 圖七本發明與習知的發光二極體之電流－光輸出特性(L－I characteristic)的比較圖；以及 圖八係本發明與習知的發光二極體之屬流－電壓特性(I－V characteristic)的比較圖。 主要元件符號說明 第一電極．．．11、21 基底．．．12、22 緩衝層．．．13、23 布拉格反射鏡．．．4、24 第一被覆層．．．15、25 活性層．．．16、26 第二被覆層．．．17、27 窗口層．．．18、28 電流分佈．．．29 第二電極．．．19、30
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| 十、申請專利範圍： | |
| 1.一種改善發光二極體電流分佈之結構，包含：一第一電極(electrode)；一基底(substrate)位在該第一電極之上；一緩衝層(buffer layer)位在該基底之上；一布拉格反射鏡(distributed Bragg reflector)位在該緩衝層之上；一第一被覆層(cladding layer)，係位在該布拉格反射鏡之上；一活性層(active layer)位在該第一被覆層之上；一第二被覆層位在該活性層之上；一窗口層位在該被覆層之上；一電流分佈層(current spreading layer)位在該窗口層之上，其中該電流分佈層係包含氮化鈦(TiN)層與鈦(Ti)層；以及一第二電極位在該電流分佈層之上。 2.依據申請專利範圍第1項之結構，其中該氮化鈦(TiN)實質上係透明的。 3.依據申請專利範圍第1項之結構，其中該電流分佈層係利用濺鍍法(sputtering)形成於該窗口層之上。 4.依據申請專利範圍第1項之結構，其中該電流分佈層中氮化鈦(TiN)之厚度係介於100至1,000埃(A)。 5.依據申請專利範圍第1項之結構，其中該電流分佈層中鈦(Ti)之厚度約小於50埃(A)。 6.依據申請專利範圍第1項之結構，其中該基底係包含砷化鎵(GaAs)。 7.依據申請專利範圍第1項之結構，其中該緩衝層係包含砷化鎵(GaAs)。 8.依據申請專利範圍第1項之結構，其中該布拉格反射鏡係包含砷化鋁(AlAs)。 9.依據申請專利範圍第1項之結構，其中該布拉格反射鏡係包含砷化鎵(GaAs)。 10.依據申請專利範圍第1項之結構，其中該活性層係多量子井(Multi Quantum Well)。 11.依據申請專利範圍第1項之結構，其中該活性層係包含磷化鎵銦(GaInP)。 12.依據申請專利範圍第1項之結構，其中該活性層係包含鋁磷化鎵銦(AlGaInP)。 13.依據申請專利範圍第1項之結構，其中該窗口層係包含磷化鎵(GaP)。 14.依據申請專利範圍第1項之結構，其中該第一電極係n型電極，且該第二電極係p型電極。 15.依據申請專利範圍第1項之結構，其中該第一被覆層係n型被覆層，且該第二被覆層係P型被覆層。 16.依據申請專利範圍第1項之結構，其中該第一被覆層係n型磷化鋁銦(n－AlInP)，且該第二被覆層係P型磷化鋁銦(p－AlInP)。 17.依據申請專利範圍第1項之結構，其中該第一電極係P型電極，且該第二電極係n型電極。 18.依據申請專利範圍第1項之結構，其中該第一被覆層係p型被覆層，且該第二被覆層係n型被覆層。 19.依據申請專利範圍第1項之結構，其中該第一被覆層係P型磷化鋁銦(P－AlInP)，且該第二被覆層係n型磷化鋁銦(n－AlInP)。 20.一種改善發光二極在電流分佈之結構的製造方法，包含步驟：(1)提供一發光二極體(LED)，其中該發光二極體具有一第一側與一第二側；(2)將氮化鈦(TiN)層形成在該發光二極體的第一側；(3)旋塗一光阻於該氮化鈦層之上；(4)形成一第一金屬層，以產生一第一電極；(5)去除該光阻；(6)形成一第二金屬層，以產生一第二電極：以及(7)退火以形成歐姆接觸(ohmic contact)。 21.依據申請專利範圍第20項之方法，其中步驟(2)進一步包含先形成一鈦層於該發光二極體的第一側，再形成該氮化鈦(TiN)層。 22.依據申請專利範圍第20項之方法，其中該第一金屬層包含一材料係選自金(Au)或鈹(Be)，且該第一電極係p型電極。 23.依據申請專利範圍第20項之方法，其中該第二金屬層包含一材料係選白金(Au)、鍺(Ge)、以及鎳(Ni)所組成之群組，且該第二電極係n型電極。 24.依據申請專利範圍第20項之方法，其中該第一金屬層包含一材料係選自金(Au)`鍺(Ge)、以及鎳(Ni)所組成之合金，且該第一電極係n型電極。 25.依據申請專利範圍第20項之方法，其中該第二金屬層包含一材料係選自金(Au)及鈹(Be)合金，且該第二電極係p型電極。 26.依據申請專利範圍第20項之方法，其中該第一電極係位於該第一側，且該第二電極係位於該第二側。 27.依據申請專利範圍第20項之方法，其中氮化鈦(TiN)層形成在該發光二極體的第一側之步驟係利用濺鍍(Sputtering)製程。 28.依據申請專利範圍第20項之方法，其中形成該第一金屬層係利用蒸鍍或濺鍍製程。 29.依據申請專利範圍第20項之方法，其中形成該第二金屬層係利用蒸鍍或濺鍍製程。 30.依據申請專利範圍第20項之方法，其中該氮化鈦(TiN)之厚度係介於100至1,000埃(A)。 31.依據申請專利範圍第20項之方法，其中該電流分佈層中鈦(Ti)之厚度約小於50埃(A)。 |
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| 十一、圖式： | |
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