具有豎直堆疊發光二極體的發光器件的製作方法

2023-05-18 19:52:11 1

專利名稱：具有豎直堆疊發光二極體的發光器件的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種發光器件，特別是涉及一種具有豎直堆疊的發光二極 管的發光器件。
背景技術：
GaN基的發光二極體(light emitting diode， LED)已經應用且發展了 近10年。GaN基的LED已經顯著地推動了 LED技術，並且已經用到各種應 用中，包括全色LED顯示、LED交通信號、白光LED以及類似應用。近來，高效白光LED已有望代替螢光燈。特別地，白光LED的功率逐 漸接近普通螢光燈的功率。已經開始嘗試兩種提高LED功率的主要方法。第一種方法是增強由晶 體質量(crystal quality)以及夕卜延層結構(epitaxial layer structure) 決定的內部量子效率(internal quantum efficiency),而第二種方法則是 增加光提取效率。由於內部量子效率目前已經達到70-80%,進一步改良內部量子效率的 空間很小。然而，光提取效率可以進一步改良。在光提取效率中，消除由 於內部全反射產生的內部光線損耗是最重要的。在Applied Physics Letters, Vol. 84, No. 6, pp. 855-857，由Fujii 等人發表的標題為"通過表面粗糙化增加GaN基的發光二極體的光提取效 率"中，已經公開了通過防止內部全反射來改良光提取效率的發光二極體。LED通過以下步驟形成在藍寶石基板上沉積N型半導體層、主動層以 及P型半導體層；將半導體層接合在次鑲嵌件(submount)上；使用雷射剝 離(laser lift-off, LL0)技術從基板分離半導體層；以及隨後粗糙化N型 半導體層的表面。由於N型半導體層的表面被粗糙化，經過N型半導體層 發射到外部的光提取效率得以改良。然而，由於光提取效率的改良是有限的，應該增加晶片面積以獲得必 要的每單位晶片的光輸出。晶片面積的增加導致每個晶片的製造成本的增 加。因此，需要能夠增加從相同單位晶片面積的光輸出的LED。同時，LED根據AC電源的電流方向反覆開啟/關閉。因此，在LED直接 連接到AC電源的情況下，存在LED不能連續發光並且容易被反向電流損壞 的問題。為了解決發光二極體的這一問題，在Sakai等人的標題為"具有發光 元件的發光器件'，的PCT公開第WO2004/023568A1號中，公開了可以直接6連接到高壓AC電源的發光二極體。根據PCT公開第WOM04/023568A1號，發光二極體(發光單元)在絕緣 基板(例如藍寶石基板)上以二維方式串聯連接，以形成LED陣列。兩個 LED陣列在藍寶石基板上反向並聯連接。結果，提供了可由AC電源驅動的 單晶片發光器件。在這種發光器件中，由於LED陣列是在AC電源下交替操作，與發光單 元同時操作的情況相比，其光輸出受到相當大的限制。因此，必須改良這 種發光器件內的每單元面積的光輸出。由此可見，上述現有的發光器件在結構與使用上，顯然仍存在有不便 與缺陷，而亟待加以進一步改進。為了解決上述存在的問題，相關廠商莫 不費盡心思來謀求解決之道，但長久以來一直未見適用的設計被發展完成， 而一般產品又沒有適切的結構能夠解決上述問題，此顯然是相關業者急欲 解決的問題。因此如何能創設一種新型的具有豎直堆疊發光二極體的發光 器件，實屬當前重要研發課題之一，亦成為當前業界極需改進的目標。有鑑於上述現有的發光器件存在的缺陷，本發明人基於從事此類產品 設計製造多年豐富的實務經驗及專業知識，並配合學理的運用，積極加以 研究創新，以期創設一種新型的具有豎直堆疊發光二極體的發光器件，能夠 改進一般現有的發光器件，使其更具有實用性。經過不斷的研究、設計，並 經過反覆試作樣品及改進後，終於創設出確具實用價值的本發明。發明內容本發明的目的在於，克服現有的發光器件存在的缺陷，而提供一種新 型的具有豎直堆疊發光二極體的發光器件，所要解決的技術問題是使其能 夠增加每單元面積的光輸出，從而更加適於實用。本發明的另一目的在於，克服現有的發光器件存在的缺陷，而提供一 種新型的具有豎直堆疊發光二極體的發光器件，所要解決的技術問題是使 其具有改良的光輸出，可在AC電源下驅動，從而更加適於實用。本發明的目的及解決其技術問題是採用以下技術方案來實現的。為達 到上述目的，依據本發明的具有豎直堆疊發光二極體的發光器件，根據本發 明一方面的發光器件,包括定位在基板上的第一導電類型的下半導體層。第 二導電類型的下半導體層定位在第一導電類型的下半導體層上，而第二導 電類型的上半導體層定位在第二導電類型的下半導體層上。進一步地,第一 導電類型的上半導體層定位在第二導電類型的上半導體層上。此外，下主動 層介於第 一導電類型的下半導體層與第二導電類型的下半導體層之間，並且 上主動層介於第二導電類型的上半導體層與第一導電類型的上半導體層之 間。此外，分離層介於第二導電類型的下半導體層與第二導電類型的上半導體層之間。因此，提供了一種發光器件，其中的下發光二極體包括第一 導電類型的下半導體層、下主動層和第二導電類型的下半導體層，並且上發 光二極體包括第二導電類型的上半導體層、上主動層和第一導電類型的上 半導體層，下發光二極體和上發光二極體由分離層分離。在此，分離層是用於電分離下發光二極體與上發光二極體的層,並且可 以例如是絕緣層或高阻半絕緣層。進一步地，第一導電類型和第二導電類型分別表示N型和P型，或者P型和N型。同時，第一襯層可排列成使得下主動層介於第一襯層之間，而第二襯 層可以排列成使得上主動層介於第二襯層之間。第二導電類型的下半導體層可定位在第一導電類型的下半導體層的一 個區域上，第二導電類型的上半導體層可定位在第二導電類型的下半導體 層的一個區域上，而第一導電類型的上半導體層可定位在第二導電類型的 上半導體層的一個區域上。這時，第一類型的下電極可形成於第一導電類 型的下半導體層的另一區域上，而第二類型的下電極可以形成於第二導電 類型的下半導體層的另一區域上。進一步地，第二類型的上電極可以形成 於第二導電類型的上半導體層的另一區域上，而第一類型的上電極可以形 成於第一導電類型的上半導體層上。第二類型的下電極和上電極連接到外 部電源的一個端子上，而第一類型的下電極和上電極連接到外部電源的另 一端子，使得發光器件可以被驅動。進一步地，兩個外部電源可分別連接 到第一類型和第二類型的下電極以及第二類型和第一類型的上電極上，使得 分別驅動上發光二極體和下發光二極體。同時，共摻雜層可以介於第一導電類型的下半導體層與下主動層之間 或第二導電類型的上半導體層與上主動層之間。根據本發明一方面的發光器件可以包括定位在基板上的多個發光單 元。每個發光單元包括定位在基板上的第一導電類型的下半導體層。第二 導電類型的下半導體層定位在第一導電類型的下半導體層的一個區域上，而 第二導電類型的上半導體層定位在第二導電類型的下半導體層的一個區域 上。進一步地，第一導電類型的上半導體層定位在第二導電類型的上半導 體層的一個區域上。此外，下主動層介於第一導電類型的下半導體層與第 二導電類型的下半導體層之間，而上主動層介於第二導電類型的上半導體 層與第一導電類型的上半導體層之間。此外，分離層介於第二導電類型的 下半導體層與第二導電類型的上半導體層之間。因此，提供了多個發光單 元，每個發光單元分別具有豎直堆疊的下發光二極體和上發光二極體，其中 下發光二極體包括第一導電類型的下半導體層、下主動層和第二導電類型 的下半導體層，而上發光二極體包括第二導電類型的上半導體層、上主動 層和第一導電類型的上半導體層。每個發光單元可以具有第 一襯層和第二襯層，其中下主動層介於第一 襯層之間，而上主動層介於第二襯層之間。同時，每個發光單元可以進一步包括形成在第一導電類型的下半導體 層的另一區域上的第一類型的下電極。進一步地，第二類型的下電極可以 形成在第二導電類型的下半導體層的另一區域上，第二類型的上電極可以 形成在第二導電類型的上半導體層的另一區域上，而第一類型的上電極可 以形成在第一導電類型的上半導體層上。每個發光單元的第一類型的下電 極和上電極可以分別電連接到相鄰發光單元的第二類型的下電極和上電極 上，以提供串聯連接的發光單元陣列。根據這個實施例，可以提供上發光 二極體相互串聯連接的上陣列以及下發光二極體相互串聯連接的下陣列。同時，在每個發光單元中，共摻雜層可以介於第一導電類型的下半導 體層與下主動層之間或第二導電類型的下半導體層與上主動層之間。本發明的目的及解決其技術問題還採用以下的技術方案來實現。為達 到上述目的，依據本發明的具有豎直堆疊發光二極體的發光器件，包括定 位在基板上的第 一導電類型的下半導體層。第二導電類型的半導體層定位 在第一導電類型的下半導體層上，而第一導電類型的上半導體層定位在第 二導電類型的半導體層上。此外，下主動層介於第一導電類型的下半導體 層與第二導電類型的半導體層之間，而上主動層介於第二導電類型的半導體層與第一導電類型的上半導體層之間。因此，提供了一種發光器件，其 中的下發光二極體包括第一導電類型的下半導體層、下主動層和第二導電 類型的半導體層，而上發光二極體包括第二導電類型的半導體層、上主動層 和第一導電類型的上半導體層,下發光二極體和上發光二極體豎直堆疊。因 此，與傳統的發光器件相比,發光器件的每單元面積的光輸出得以增加。進 一步，當下主動層和上主動層由不同材料形成時，可以提供一種能夠發出 不同波長光的發光器件。同時，第一襯層可以排列成使得下主動層介於第一襯層之間，而第二襯層可以排列成使得上主動層介於第二襯層之間。同時，第二導電類型的半導體層可以定位在第一導電類型的下半導體 層的一個區域上，而第一導電類型的上半導體層可以定位在第二導電類型 的半導體層的一個區域上。這時，第一類型的下電極可以形成於第一導電類型的下半導體層的另一區域上，第二類型的電極可以形成於第二導電類 型的半導體層的另一區域上，而第一類型的上電極可以形成於第一導電類 型的上半導體層上。因此，第二類型的電極連接到外部電源的一個端子,而 第 一 下電極和上電極連接到外部電源的另 一端子，使得可以通過單個外部 電源來驅動發光器件。進一步地，可以使用兩個外部電源來單獨地驅動發 光器件的下發光二極體和上發光二極體。此外，共摻雜層可以介於第一導電類型的下半導體層與下主動層之間 或第二導電類型的半導體層與上主動層之間。共摻雜層是摻雜有N型與P型離子的半導體層，並且例如可以是摻雜有Mg與Si或者摻雜有Mg與In 的GaN。特別地，共摻雜層形成於P型半導體層上，以增強形成於其上的 主動層的晶體質量。本發明的目的及解決其技術問題另外還釆用以下技術方案來實現。為 達到上述目的，依據本發明提出的具有豎直堆疊發光二極體的發光器件，可 以包括定位在基板上的多個發光單元。每個發光單元包括定位在基板上的 第一導電類型的下半導體層。第二導電類型的半導體層定位在第二導電類 型的半導體層的 一個區域上，而第 一導電類型的上半導體層定位在第二導電類型的半導體層的一個區域上。此外，下主動層介於第一導電類型的下 半導體層與第二導電類型的半導體層之間，而上主動層介於第二導電類型 的半導體層與第一導電類型的上半導體層之間。因此，提供了多個發光單 元，每個發光單元具有豎直堆疊的下發光二極體和上發光二極體,其中下發 光二極體包括第一導電類型的下半導體層、下主動層和第二導電類型的半 導體層，而上發光二極體包括第二導電類型的半導體層、上主動層和第一 導電類型的上半導體層。因此，可以提供一種發光器件，其中發光單元電 連接成允許在AC電源下驅動此器件，並且與傳統發光器件相比，發光器件 的每單元面積的光輸出得以增加。進一步，當下主動層和上主動層由不同 材料形成時，可以提供一種發光器件，其中的下發光二極體和上發光二極 管發射不同波長的光。每個發光單元可以具有第一襯層和第二襯層，其中下主動層介於第一 襯層之間，而上主動層介於第二襯層之間。同時，每個發光單元可以進一步包括第一類型的下電極，其形成於第 一導電類型的下半導體層的另一區域上。進一步地，第二類型的電極可以 形成於第二導電類型的半導體層的另一區域上，而第一類型的上電極可以 形成於第一導電類型的上半導體層上。每個發光單元的第一類型的下電極 和上電極可以電連接到相鄰發光單元的第二類型的電極上。因而，每個發 光單元的第二類型的電極電連接到另一相鄰發光單元的第一類型的下電極 和上電極上。因此，提供了一種發光單元彼此串連連接的陣列。在本發明的一些實施例中，除第一類型的下電極、第二類型的電極和 第一類型的上電極之外，另一第二類型的電極可以形成於第二導電類型的 半導體層的又一區域上。每個發光單元的第一類型的下電極連接到相鄰發 光單元的第二類型的電極上，並且每個發光單元的另一第二類型的電極連 接到相鄰發光單元的第一類型的上電極上。進一步地，每個發光單元的第 二電極連接到另一相鄰發光單元的第一類型的下電極上，而每個發光單元的第 一類型的上電極連接到另一相鄰發光單元的另 一第二電極上。根據這 些實施例，可以提供兩個陣列， 一個陣列中的發光單元的上發光二極體串 聯連接，而另一陣列中的發光單元的下發光二極體是串聯連接，並且隨後 將這兩個陣列彼此反向並聯連接。進一步地， 一個陣列中的發光二極體間 的節點分別連接到另 一 陣列中的發光二極體間的節點上，以便可以獲得穩 定的電操作。同時，在每個發光單元中，共摻雜層可以介於第一導電類型的下半導 體層與下主動層之間或者介於第二導電類型的半導體層與上主動層之間。本發明與現有技術相比具有明顯的優點和有益效果。藉由上述技術方 案，本發明具有豎直堆疊發光二極體的發光器件至少具有下列優點及有益效果根據本發明的實施例，提供了一種能夠使用豎直堆疊的發光二極體 來改良每單元面積的光輸出的發光二極體。進一步地，提供了一種發光器 件，通過利用不同材料形成豎直堆疊的發光二極體的主動層來發射多個波 長的光。此外，提供了一種具有改良光輸出的發光器件，通過電連接具有 豎直堆疊的發光二極體的多個發光單元使此發光器件可以在AC電源下驅 動。綜上所述，本發明公開了一種具有豎直堆疊的發光二極體的發光器件。 包括定位在基板上的第一導電類型的下半導體層，位於第一導電類型的下 半導體層上的第二導電類型的半導體層，以及位於第二導電類型的半導體 層上的第一導電類型的上半導體層。此外，下主動層介於第一導電類型的 下半導體層與第二導電類型的半導體層之間，並且上主動層介於第二導電 類型的半導體層與第一導電類型的上半導體層之間。因此，提供了一種發 光器件，其中包括下主動層的下發光二極體與包括上主動層的上發光二極 管豎直堆疊。因此，與傳統的發光器件相比，發光器件的單元面積的光輸 出增強，並且，因而獲得與傳統發光器件相同光輸出所需的發光器件晶片 面積降^氐。上述說明僅是本發明技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本發明的 技術手段，而可依照說明書的內容予以實施，並且為了讓本發明的上述和 其他目的、特徵和優點能夠更明顯易懂，以下特舉較佳實施例，並配合附 圖，詳細"i兌明如下。


圖1和圖2分別是根據本發明一方面的發光器件實施例的平面圖和截 面圖。圖3是根據本發明一方面的發光器件的修改實例的截面圖。 圖4(a)至圖4(c)是顯示圖3的發光器件的製造方法的截面圖。圖5至圖7是根據本發明一方面的發光器件的另一修改實例的截面圖。圖8和圖9分別是根據本發明一方面的具有多個發光單元的發光器件 實施例的部分截面圖和電路圖。圖10和圖11分別是根據本發明一方面的具有多個發光單元的發光器 件的另 一 實施例的部分截面圖和電路圖。圖12是圖11的等效電3各圖。圖13和圖14分別是根據本發明另一方面的發光器件實施例的平面圖 和截面圖。圖15和圖16分別是根據本發明另一方面的具有多個發光單元的發光 器件實施例的部分截面圖和電路圖。
具體實施方式
為更進一步闡述本發明為達成預定發明目的所採取的技術手段及功 效，以下結合附圖及較佳實施例，對依據本發明提出的具有豎直堆疊發光二 極管的發光器件其具體實施方式
、結構、特徵及其功效，詳細說明如後。在下文中將參照附圖詳細描述本發明的優選實施例。提供後續實施例 作為說明是為了向本領域的普通技術人員充分闡述本發明的精神。因此,本 發明並不限於下面將描述的實施例，而是能夠以其他形式實現。在圖中，為 了便於描述，放大了元件的寬度、長度、厚度等。在整個描述中，相似的 標號表示相似的元件。圖1和圖2分別是根據本發明一方面的發光器件實施例的平面圖和截 面圖。參見圖1和圖2，下N型半導體層25定位在基板21上。例如，基板 21可以是藍寶石基板、SiC基板或相似基板。緩衝層23可以介於基板21 與下N型半導體層25之間。多種材料，例如GaN、 A1N、 GalnN、 AlGalnN 和SiN,可以用作緩衝層23。緩沖層23用於減輕基板21與下N型半導體 層25之間的應力。P型半導體層29定位在下N型半導體層25的一個區域上，而下主動 層27介於下N型半導體層25與P型半導體層29之間。進一步，上N型 半導體層35定位在P型半導體層29的一個區域上，而上主動層33介於P 型半導體層29與上N型半導體層35之間。結果，提供了一種發光器件，其 中的下發光二極體包括下N型半導體層25、下主動層27和P型半導體層 29,而上發光二極體包括P型半導體層29、上主動層33和上N型半導體 層35,下發光二極體和上發光二極體相互堆疊。每個下主動層和上主動層27和33可以是單個或多個量子阱。每個下N 型半導體層25和P型半導體層29的帶隙寬於下主動層27,並且每個P型半導體層29和上N型半導體層35的帶隙寬於上主動層33。每個下N型半導體層和上N型半導體層25和35、下主動層和上主動 層27和33以及P型半導體層可以是由(B, Al, Ga， In)N製成的GaN基半 導體層。每個N型半導體層25和35可以摻雜有Si，而P型半導體層29 可以糹參雜有Mg。同時，在P型半導體層29是摻雜有Mg的GaN基半導體層的情況下,Mg 可能會惡化上主動層33的晶體質量。為了避免Mg的影響，共摻雜層31 可以介於P型半導體層29與上主動層33之間。例如，共摻雜層可以是同 時摻雜有Mg和Si或摻雜有Mg和In的GaN基半導體層。在IEEE Transactions on Electron Devices, Vol.49， No.8, pp.1361-1366， 2002年8 月由Su等人發表的標題為"具有p-下部結構的InGaN/GaN發光二極體"的 文獻中，已經公開了使用共摻雜層31改良上主動層33的晶體質量的細節。 根據Su等人的文獻，摻雜層31插入P型半導體層29與上主動層33之間， 以便改良上主動層33的晶體質量。此外，下N型電極37a形成於下N型半導體層25的另一區域上，而上 N型電極37b形成於上N型半導體層35上。此外，P型電極39形成於P 型半導體層29的另一區域。儘管如圖1所示，下N型電極37a和P型電極 39分別定位在上N型半導體層35兩側的外面，但本發明並不局限於此,並 且電極能夠以各種方式定位。進一步，為了降低與N型半導體層35的接觸 電阻，上N型電極37b可如圖所示地形成在上N型半導體層35的較寬區 域上。優選地，上N型電極37b以透明電極形式形成，下主動層和上主動 層27和33所發射的光可以通過透明電極，並且透明電極可以由氧化銦錫 (Indium Tin Oxide, ITO)製成。N型下電極37a也可以由ITO製成。ITO與N 型半導體層歐姆接觸，以降低與N型半導體層的接觸電阻。同時，P型電 極39可由Ni/Au製成。電極37a、 37b及39可使用剝離(lift-off)工藝形成。P型電極39連接於外部電源(未圖示)的一個端子上，而下N型電極和 上N型電極37a和37b連接到外部電源的另 一端子上，使得發光器件可以 被驅動。這時，P型電極39連接到外部電源的正端子，而N型電極37a和 37b連接到外部電源的負端子。電極可通過接合線(未圖示)而電連接到外部 電源上。因此，電流從P型電極39流到下N型電極和上N型電極37a和 37b。也就是，前向電流流經下發光二極體和上發光二極體，使得下發光二 極管和上發光二極體被驅動。根據本實施例，由於提供了一種下發光二極體和上發光二極體豎直堆 疊的發光器件，與單發光二極體結構的傳統發光器件相比，基板的每單元 面積的光輸出得以增加。在本發明的此實施例中，已經描述了 N型電極37a和37b連接到同一外部電源的負端子上。然而，為了控制上發光二極體和下發光二極體的偏壓彼此不同，不同的電阻元件介於N型電極37a和37b與外部電源的負端 子之間，或者N型電極37a和37b分別連接到不同的外部電源。根據本發明一方面的發光器件能夠以各種方式進行修改。在下文中， 將參照圖3至圖7描述適用於本發明的實施例的多種修改實例。首先，圖3 是根據本發明一方面的發光器件第 一修改實例的截面圖。參照圖3，發光器件包括下N型半導體層120、下主動層30、 P型半 導體層140、上主動層150以及上N型半導體層160，上述元件堆疊於基板 110上。半導體層120、 140以及160作為發光器件的接觸層，並且下文中 稱為"接觸層"。根據本修改實例，下N型電極170以及P型電極180能夠 以各種方式定位。此處，電極定位於發光器件的同側。通過蝕刻工藝來暴露下N型接觸層120的預定區域，並且下N型電極 170形成於暴露的下N型接觸層120上。進一步，通過蝕刻工藝來暴露P 型接觸層140的預定區域，並且P型電極180形成於暴露的P型接觸層140 上。上N型電極190形成於上N型接觸層160上。下主動層和上主動層130和150可由不同材料層形成，以發射不同波 長的光。因此，發光器件可發射不同波長的光。另一方面，下主動層和上 主動層130和150可由相同的材料層形成，以發射相同波長的光。圖4(a)至圖4(c)是顯示根據本發明的第一修改實例的圖3的發光器件的 製造方法的截面圖。參照圖4(a),首先製備基板IIO。基板可以由多種材料形成，例如Si、 SiC以及藍寶石。N型下接觸層120、下主動層130以及P型接觸層140形 成於基板110上。Si、 Ge、 Sn、 Te、 S或類似材料可用作N型摻質，而Zn、 Cd、 Be、 Mg、 Ca、 Sr、 Ba或類似材料可用作P型摻質。然而，本發明並 不局限於此。參照圖4(b)，上主動層150和上N型接觸層160形成於已經形成有下 N型接觸層120、下主動層130以及P型接觸層140的基板上。參照圖4(c)，通過蝕刻工藝來暴露下N型接觸層120的預定區域，並 且通過蝕刻工藝來暴露P型接觸層140的預定區域。隨後，N型電極170形成於暴露的下N型接觸層120上，P型電極180 形成於暴露的P型接觸層140上，而N型電極190形成於上N型接觸層160 上，以完成圖3的發光器件。下主動層和上主動層的材料可根據所需的中心發光波長進行選擇。由 發光二極體發射的光根據中心發光波長可分為紅外光、可見光和紫外光。 這些光由主動層所使用的材料的帶隙決定。例如，在紅外光的情況下，主 動層可由GaAs形成，在紅光的情況下可由AlGaAs形成，在黃到紅光的情況下可由GaAsP形成，在綠到紅光的情況下可由GaP形成，而在黃綠到紅 光的情況下可由AlInGaP形成，在綠光、藍光、紫光、白光以及紫外光的 情況下由(A1， In, Ga)N形成。此外，可採用多種複合半導體。進一步，可 依據下主動層和上主動層130和150的材料，選擇適用於下N型半導體層、 p型半導體層以及上n型半導體層的材料。同時，如果下主動層和上主動層130和150的材料選擇成彼此不同,則 可通過組合獲得混合光。圖5是根據本發明的第二修改實例的發光器件的截面圖。此處，第二 修改實例與第 一修改實例相同，除了接觸層以及形成於接觸層上的電極的 配置不同於第一修改實例。也就是，本修改實例的發光器件的配置方式為 下P型接觸層220、下主動層230、 N型接觸層240、上主動層250以及上 P型接觸層260依次地堆疊在基板210上。通過蝕刻工藝暴露下P型接觸層220的預定區域，並且下P型電極270 形成於暴露的下P型接觸層220上。進一步，通過蝕刻工藝暴露N型接觸 層240的預定區域，N型電極2S0則形成於暴露的N型接觸層240上，而上 P型電極290形成於上P型4妻觸層260上。圖6是根據本發明的第三修改實例的發光器件的截面圖。第三修改實 例與第一修改實例相同，除了第一村層進一步形成於下主動層的頂部和底 部上，並且第二襯層進一步形成於下主動層的頂部和底部上。在根據本修改實例的發光器件的配置方式為下N型接觸層120、第 一N型襯層125、下主動層130、第一P型襯層135、 P型接觸層140、第 二P型襯層145、上主動層150、第二N型襯層155以及上N型接觸層160 依次地堆疊在基板110上。通過蝕刻工藝暴露下n型接觸層120的預定區域，並且下n型電極170 形成於暴露的下N型接觸層120上。進一步，通過蝕刻工藝暴露P型接觸 層140的預定區域，P型電極180形成於暴露的P型接觸層140上，而上N 型電極1卯形成於上N型接觸層160上。如上文描述的，第一襯層125和135以及第二襯層145和155排列成 使得下主動層和上主動層130和150分別介於第一襯層之間以及第二襯層 之間。因而，可以將電子和空穴有效地限制在主動層內，並且因此,還可以 增強電子和空穴的重組效率。圖7是4艮據本發明的第四修改實例的發光器件的截面圖。第四修改實 例與第 一修改實例相同，除了每個接觸層上形成兩個電極。也就是，本修改實例的發光器件的形成方式為下N型接觸層120、 下主動層130、 P型接觸層140、上主動層150以及上N型接觸層160堆疊 在基板110上。15通過蝕刻工藝暴露下N型接觸層120的預定區域，並且兩個下N型電 極口O和175形成於暴露的下N型接觸層120上。進一步，通過蝕刻工藝 暴露P型接觸層140的預定區域，兩個P型電極180和185形成於暴露的P 型接觸層140上，並且上N型電極190還形成於上N型接觸層160上。根 據這種電極結構，能夠以各種方式調節施加於每個主動層上的電壓幅度。儘管在本發明的實施例以及多種修改實例中描述了兩個發光二極體豎 直堆疊的發光器件，但本發明並不局限於此。也就是說，可以相互豎直堆 疊至少三個或更多個發光二極體。圖8和圖9分別是^f艮據本發明一方面的具有多個發光單元的發光器件 實施例的部分截面圖以及電路圖。參照圖8，多個發光單元定位在單個基板上。此處，在每個發光單元的 結構中，發光二極體如參照圖1和圖2所描述地豎直堆疊。進一步，每個 發光單元包括參照圖1和圖2所描述的下N型電極37a、上N型電極37b 以及P型電極39。每個發光單元的結構與圖1和圖2的發光器件相同,並且 還可以如圖3至圖7所描述地以各種方式進行修改。因此，在此省略了對 發光單元的結構的詳細描述，並且僅描述發光單元之間的電連接。每個發光單元的下N型電極和上N型電極37a和37b電連接到相鄰發 光單元的P型電極39。電極通過金屬線41相互連接。金屬線41可使用空 氣橋或階梯覆蓋工藝形成。這時，儘管用於連接下N型電極37a和P型電極39的金屬線41與用 於連接上N型電極37b和P型電極39的金屬線41可彼此連接，但本發明 並不局限於此。例如，金屬線可彼此分開。參照圖9，提供了陣列47a和47b，其中分別具有下發光二極體和上發 光二極體45a和45b的發光單元43通過參照圖8描述的金屬線41彼此串 聯連接。串聯陣列47a和47b反向並聯連接到AC電源49。因此，還可獲 得可在AC電源下驅動的發光器件。根據本發明的此實施例，採用分別具有豎直堆疊的發光二極體45a和 45b的發光單元，使得在AC電源操作的發光器件內的單個晶片的每單位面 積的光輸出得以增加。能夠以各種方式選擇形成於下N型半導體層和上N型半導體層25和 35以及P型半導體層29上的電極的數量、配置以及連接結構。圖10和圖 12是電極的數量以及連接結構不同於先前實施例的其它實施例的視圖。此 處，圖10和圖11分別是根據本發明一方面的具有多個發光單元的發光器 件的實施例的部分截面圖和電路圖，而圖12是圖11的等效電路圖。參照圖10,多個發光單元定位於單個基板上。此時，在每個發光單元 的結構中，發光二極體如參照圖1和圖2所描述地豎直堆疊。進一步,每個發光單元包括如參照圖1和圖2所描述的下N型電極37a、上N型電極37b 以及P型電極39。此處，每個發光單元基本上與圖1和圖2的發光器件相 同，但不同之處在於另一P型電極40進一步形成於P型半導體層29的 又一區域。儘管在如圖所示的主動層33介於區域之間的狀態下，此又一區 域可選擇成與另一區域相對，但本發明並不局限於此。同時，每個發光單元的下N型電極37a電連接到相鄰發光單元的P型 電極39，每個發光單元的另一P型電極40電連接到相鄰發光單元的上N 型電極37b，而每個發光單元的P型電極39電連接到另一相鄰發光單元的 下N型電極37a,並且每個發光單元的上N型電極37b電連接於另一相鄰 發光單元的另一 P型電極40。下N型電極37a通過金屬線42a連^^妄到相鄰 發光單元的P型電極39,而上N型電極37b通過金屬線42b連接到相鄰發 光單元的另一 P型電極40。金屬線42a和42b使用空氣橋或階梯覆蓋工藝 形成。參照圖11,如圖10所述地通過金屬線42a和42b進行連接，提供了陣 列48，其中分別具有下發光二極體46a和上發光二極體46b的發光單元44 相互連接。這時，下發光二極體46a彼此串聯連接，並且上發光二極體46b 也相互串聯連接。下發光二極體46a串聯連接的陣列和上發光二極體46b 串聯連接的陣列彼此反向並聯排列。同時，如圖所示，附加二極體可連接到發光單元44的陣列49的兩側， 以配置成如圖12所示的等效電路。參照圖12，下發光二極體46a和附加發光二極體串聯連接以形成一串 聯陣列，而上發光二極體46b和附加發光二極體串聯連接以形成另一串聯 陣列。下發光二極體和上發光二極體46a和46b的陣列彼此反向並聯連接。 因此，AC電源49連接於陣列的兩端，使得發光單元可以被驅動。隨著AC 電源49的相位發生偏移，上發光二極體和下發光二極體46b和46a的陣列 交替操作。同時，如圖12所示，下發光二極體46a之間的節點分別電連接到上發 光二極體46b之間的節點。通過節點之間的電連接，可在AC電源下穩定地 驅動發光單元44，因此發光器件的可靠性得以增強。儘管在本實施例所示的電路中，附加發光二極體連接到發光單元44的 陣列48，但這僅是為了便於顯示。附加發光二極體可以省略。圖13和圖14分別是根據本發明另一實施例的發光器件的平面圖和截 面圖。參照圖13和圖14，如參照圖1和圖2所描述的，下N型半導體層55 定位在基板51上，而緩衝層53介於基板51和下N型半導體層55之間。 P型下半導體層59定位在下N型半導體層55的一個區域上，而下主動層57介於下N型半導體層55與下P型半導體層59之間。進一步，上P 型半導體層63定位於下P型半導體層59的一個區域上，而分離層61介於 下P型半導體層59與上P型半導體層63之間。此外，上N型半導體層69 定位於上P型半導體層63的一個區域上，而上主動層67介於上P型半導 體層63與上N型半導體層69之間。結果，提供了一種發光器件，其中的 下發光二極體包括下N型半導體層55、下主動層57以及下P型半導體層 59,而上發光二極體包括上P型半導體層63、上主動層67和上N型半導 體層69,下發光二極體與上發光二極體堆疊設置。每個下主動層和上主動層57和67可以是單個量子阱或多量子阱。每 個N型下半導體層55和下P型半導體層59的帶隙寬於下主動層57,而每 個上P型半導體層63和上N型半導體層69的帶隙寬於上主動層67。每個下N型半導體層55和上N型半導體層69、下主動層57和上主動 層67以及下P型半導體層和上P型半導體層可以是由(B, Al， Ga，In)N制 成的GaN基半導體層。每個N型半導體層55和59可摻雜有Si,而P型半 導體層59和63可摻雜有Mg。同時，分離層61用於電分離下發光二極體和上發光二極體，並且可以 是絕緣或高阻半絕緣層。優選的，分離層61由晶體結構與下P型半導體層 和上P型半導體層59和63相同或類似的材料製成。例如，分離層可由半 絕緣GaN形成。進一步，如參照圖2所描述的，共摻雜層65可介於上P型半導體層63 與上主動層67之間。在P型半導體層63由摻雜Mg的GaN製成的情況下， 共摻雜層65用於改良上主動層67的晶體質量。此外，下N型電極71a形成於下N型半導體層55的另一區域上，而上 N型電極71b形成於上N型半導體層69上。此外，下P型電極73a形成於 下P型半導體層59的另 一區域上，而上P型電極73b形成於上P型半導體 層63的另一區域上。例如，下N型電極和上N型電極71a和71b可由ITO 製成，而下P型電極和上P型電極73a和73b可以由Ni/Au製成。這些電 極71a、 71b、 73a和73b可使用剝離工藝形成。P型電極73a和73b連接到外部電源(未圖示)的一個端子，而N型電極 71a和71b連接到外部電源的另一端子，使得發光器件可以被驅動。電極可 通過接合線(未圖示)電連接到外部電源。因此，電流從下P型電極73a流到 下N型電極71a，並且從上P型電極73b流到上N型電極71b,使得下發 光二極體和上發光二極體可以被驅動。進一步，下P型電極和下N型電極 73a和71a以及上P型電極和上N型電極73b和71b可分別連接到不同的 外部電源，使得下發光二極體和上發光二極體可以被單獨驅動。根據本實施例，由於在發光器件的結構中，下發光二極體和上發光二極體豎直堆疊，與配置有單個發光二極體的傳統發光器件相比，基板的每 單元面積的光輸出得以增加。進一步，由於通過採用分離層61使得上發光 二極體和下發光二極體彼此電分離，發光二極體可以被單獨地驅動。圖15和圖16分別是根據本發明的另一實施例的具有多個發光單元的 發光器件的部分截面圖和電路圖。參照圖15，多個發光單元定位於單個基板上。此處，每個發光單元具 有參照圖13和圖14所描述的豎直堆疊的發光二極體結構。進一步，每個 發光單元具有參照圖13和圖14所描述的下N型電極71a、上N型電極71b、 下P型電極73a以及上P型電極73b。此處，由於發光單元的結構與參照圖 13和14所描述的發光器件相同，因而省略了對結構的詳細描述，而僅描述 發光單元之間的電連接。一個發光單元的下N型電極和上N型電極71a和71b分別電連接到相 鄰發光單元的下P型電極和上P型電極73a和73b。下N型電極和下P型 電極71a和73a可通過金屬線75a彼此連接，並且上N型電極和上P型電 極71b和73b可通過金屬線75b彼此連接。金屬線75a和75b可使用空氣 橋或階梯覆蓋工藝 一起形成。儘管如圖所示，金屬線75a和75b可形成為彼此分離，但本發明並不 局限於此，而是金屬線可以彼此連接到一起。參照圖16,通過利用如參照圖15所示的金屬線75a和75b進行連接, 提供了陣列87a和87b，其中分別具有下發光二極體和上發光二極體85a和 85b的發光單元83彼此串聯連接。串聯陣列87a和87b反向並聯連接到AC 電源89。因此，提供了一種可由AC電源驅動的發光器件。同時，在金屬線75a和75b可彼此分離地形成的情況下，下發光二極 管85a還串聯連接以形成陣列，而上發光二極體85b也形成陣列。因此，上 發光二極體和下發光二極體的串聯陣列反向並聯連接，以便提供一種發光 器件，其中每個發光單元的下發光二極體和上發光二極體在AC電源下交替 地驅動。結果，提供一種在AC電源下晶片的整個區域均發光的發光器件。 壯根據本發明的實施例"發光器件能夠以各S形式安裝，發光^極管封反，發光器件可通過倒裝式接合(flip-chip bonding)工藝安裝到次鑲嵌基板 上。在發光器件倒裝接合到基板上的情況下，發光器件的上N型半導體層 35和/或69通過金屬塊接合到次鑲嵌基板上。由於發光器件倒裝接合到具 有良好散熱特性的次鑲嵌基板上，發光器件所發散的熱量可輕易地移除，以 由此進一步改良發光效率。以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，並非對本發明作任何形式19上的限制，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而並非用以限定本發 明，任何熟悉本專業的技術人員，在不脫離本發明技術方案範圍內，當可利 用上述揭示的技術內容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但 凡是未脫離本發明技術方案內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所 作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於本發明技術方案的範圍內。
權利要求
1、一種具有豎直堆疊的發光二極體的發光器件，其特徵在於其包括基板；第一導電類型的下半導體層，定位在所述基板上；第二導電類型的下半導體層，定位在所述第一導電類型的下半導體層上；第二導電類型的上半導體層，定位在所述第二導電類型的下半導體層上；第一導電類型的上半導體層，定位在所述第二導電類型的上半導體層上；下主動層，介於所述第一導電類型的下半導體層與所述第二導電類型的下半導體層之間；上主動層，介於所述第二導電類型的上半導體層與所述第一導電類型的上半導體層之間；以及分離層，介於所述第二導電類型的下半導體層與所述第二導電類型的上半導體層之間。
2、 根據權利要求1所述的發光器件，其特徵在於其進一步包括 第一襯層，所述下主動層介於所述第一襯層之間；以及 第二襯層，所述上主動層介於所述第二襯層之間。
3、 根據權利要求1所述的發光器件，其特徵在於其中所述第二導電類 型的下半導體層定位在所述第一導電類型的下半導體層的一個區域上，所 述第二導電類型的上半導體層定位在所述第二導電類型的下半導體層的一 個區域上，並且所述第一導電類型的上半導體層定位在所述第二導電類型 的上半導體層的一個區域上，以及所述發光器件進一步包括第一類型的下電極，形成於所述第一導電類型的下半導體層的另一區 域上；第二類型的下電極，形成於所述第二導電類型的下半導體層的另一區 域上；第二類型的上電極，形成於所述第二導電類型的上半導體層的另一區 域上；以及第一類型的上電極，形成於所述第一導電類型的上半導體層上。
4、 根據權利要求1所述的發光器件，其特徵在於其進一步包括共摻雜 層，介於所述第一導電類型的下半導體層與所述下主動層之間或者所述第 二導電類型的上半導體層與所述上主動層之間。
5、 根據權利要求1所述的發光器件，其特徵在於其中所述分離層是半 絕緣層。
6、 根據權利要求1所述的發光器件，其特徵在於其中每個所述發光單 元包括第一導電類型的下半導體層，定位在所述基板上； 第二導電類型的下半導體層，定位在所述第一導電類型的下半導體層 的一個區域上；第二導電類型的上半導體層，定位在所述第二導電類型的下半導體層 的一個區域上；第一導電類型的上半導體層，定位在所述第二導電類型的上半導體層 的一個區域上；下主動層，介於所述第一導電類型的下半導體層與所述第二導電類型 的下半導體層之間；上主動層，介於所述第二導電類型的上半導體層與所述第一導電類型的上半導體層之間；以及分離層，介於所述第二導電類型的下半導體層與所述第二導電類型的 上半導體層之間。
7、 根據權利要求6所述的發光器件，其特徵在於其中每個所述發光單 元進一步包括第一襯層，所述下主動層介於所述第一襯層之間；以及 第二襯層，所述上主動層介於所述第二襯層之間。
8、 根據權利要求6所述的發光器件，其特徵在於其中每個所述發光單 元進一步包括第一類型的下電極，形成於所述第一導電類型的下半導體層的另一區 域上；第二類型的下電極，形成於所述第二導電類型的下半導體層的另一區域上；第二類型的上電極，形成於所述第二導電類型的上半導體層的另一區域上；以及第一類型的上電極，形成於所述第一導電類型的上半導體層上， 每個所述發光單元的所述第一類型的下電極和上電極分別電連接到相 鄰發光單元的所述第二類型的下電極和上電極。
9、 根據權利要求6所述的發光器件，其特徵在於其中每個所述發光單 元進一步包括共摻雜層，介於所述第一導電類型的下半導體層與所述下主 動層之間或者所述第二導電類型的上半導體層與所述上主動層之間。
10、 根據權利要求6所述的發光器件，其特徵在於其中所述分離層是
11、 一種具有豎直堆疊的發光二極體的發光器件，其特徵在於其包括: 基板；第一導電類型的下半導體層，定位在所述基板上； 第二導電類型的半導體層，定位在所述第一導電類型的下半導體層上; 第一導電類型的上半導體層，定位在所述第二導電類型的半導體層上; 下主動層，介於所述第一導電類型的下半導體層與所迷第二導電類型 的半導體層之間；以及上主動層，介於所述第二導電類型的半導體層與所述第一導電類型的 上半導體層之間。
12、 根據權利要求11所述的發光器件，其特徵在於其進一步包括 第一襯層，所述下主動層介於所述第一襯層之間；以及 第二襯層，所述上主動層介於所述第二襯層之間。
13、 根據權利要求11所述的發光器件，其特徵在於其中所述第二導電 類型的半導體層定位在所述第一導電類型的下半導體層的一個區域上，並 且所述第一導電類型的上半導體層定位在所述第二導電類型的半導體層的 一個區域上，而所述發光器件進一步包括第一類型的下電極，形成於所述第一導電類型的下半導體層的另一區 域上；第二類型的電極，形成於所述第二導電類型的半導體層的另一區域上；以及第一類型的上電極，形成於所述第一導電類型的上半導體層上。
14、 根據權利要求11所述的發光器件，其特徵在於其進一步包括共 摻雜層，介於所述第一導電類型的下半導體層與所述下主動層之間或者所 述第二導電類型的半導體層與所述上主動層之間。
15、 根據權利要求11所述的發光器件，其特徵在於其中所述下主動層 和所述上主動層發射不同波長的光。
16、 一種發光器件，其特徵在於其具有形成於基板上的多個發光單元， 其中每個所述發光單元包括第一導電類型的下半導體層，定位在所述基板上； 第二導電類型的半導體層，定位在所述第一導電類型的下半導體層的 一個區域上；第一導電類型的上半導體層，定位在所述第二導電類型的半導體層的 一個區域上；下主動層，介於所述第一導電類型的下半導體層與所述第二導電類型 的半導體層之間；以及上主動層，介於所述第二導電類型的半導體層與所述第一導電類型的 上半導體層之間。
17、 根據權利要求16所述的發光器件，其特徵在於其中每個所述發光 單元進一步包括第一襯層，所述下主動層介於所述第一襯層之間；以及 第二襯層，所述上主動層介於所述第二襯層之間。
18、 根據權利要求16所述的發光器件，其特徵在於其中每個所述發光 單元進一步包括第一類型的下電極，形成於所述第一導電類型的下半導體層的另一區 域上的；第二類型的電極，形成於所述第二導電類型的半導體層的另一區域上；以及第一類型的上電極，形成於所述第一導電類型的上半導體層上， 每個所述發光單元的所述第一類型的下電極和上電極電連接到相鄰發 光單元的所述第二電極。
19、 根據權利要求16所述的發光器件，其特徵在於其中每個所述發光 單元進一步包括共摻雜層，介於所述第一導電類型的下半導體層與所述下 主動層之間或者所述第二導電類型的半導體層與所述上主動層之間。
20、 根據權利要求16所述的發光器件，其特徵在於其中每個所述發光 單元進一步包括第一類型的下電極，形成於所述第一導電類型的下半導體層的另一區 域上；第二類型的電極，形成於所述第二導電類型的半導體層的另一區域上； 另一第二類型的電極，形成於所述第二導電類型的半導體層的又一區 域上；以及第一類型的上電極，形成於所述第一導電類型的上半導體層上， 每個所述發光單元的所述第一類型的下電極電連接到相鄰發光單元的 所述第二類型的電極上，每個所述發光單元的所述另 一第二類型的電極電 連接到所述相鄰發光單元的所述第一類型的上電極上，每個所述發光單元 的所述第二類型的電極電連接到另 一相鄰發光單元的所述第一類型的下電 極上，並且每個所述發光單元的所述第一類型的上電極電連接到所述另一 相鄰發光單元的所述另一第二類型的電極上。
全文摘要
本發明公開了一種具有豎直堆疊的發光二極體的發光器件。包括定位在基板上的第一導電類型的下半導體層，位於第一導電類型的下半導體層上的第二導電類型的半導體層，以及位於第二導電類型的半導體層上的第一導電類型的上半導體層。此外，下主動層介於第一導電類型的下半導體層與第二導電類型的半導體層之間，並且上主動層介於第二導電類型的半導體層與第一導電類型的上半導體層之間。因此，提供了一種發光器件，其中包括下主動層的下發光二極體與包括上主動層的上發光二極體豎直堆疊。因此，與傳統的發光器件相比，發光器件的單元面積的光輸出增強，並且，因而獲得與傳統發光器件相同光輸出所需的發光器件晶片面積降低。
文檔編號H01L33/26GK101263610SQ200680033086
公開日2008年9月10日 申請日期2006年9月27日 優先權日2005年9月30日
發明者金成翰, 金敬訓 申請人:首爾Opto儀器股份有限公司