CN101930987B - 发光元件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种发光元件及其制造方法。具有发光外延结构的发光元件，该发光外延结构于反向偏压的条件下，于负10微安培/毫米²的电流密度下，对应的临界反向电压的绝对值大于50伏特；其中该发光外延结构于正向偏压的条件下，以150毫安培/毫米²的电流密度驱动时，具有至少50流明/瓦特的发光效率。发光元件的制造方法，包含：提供基板；于第一生长条件下于该基板上生长第一外延层；于第二生长条件下于该第一外延层上生长工艺转换层；于第三生长条件下于该工艺转换层上生长第二外延层；其中该第一生长条件与该第三生长条件具有工艺变化；且该工艺转换层的导电率大于该第一外延层和/或该第二外延层的导电率。

Description

发光元件及其制造方法

技术领域

本发明涉及具有高临界反向电压的发光元件及其制造方法。 

背景技术

发光二极管因其元件特性兼具有整流及发光之效果。当施加正向偏压(forward bias)于发光二极管时，发光二极管随施加的正向偏压提高，电流值亦急速上升，并发出特定波长的光线，于此电流开始急速上升的电压值称为发光二极管的正向电压值(Forward Voltage；Vf)；当施加反向偏压于发光二极管时，施加的反向偏压必须达到临界值，电流值才会急速上升，于此电流开始急速上升的电压值称为发光二极管的反向电压值(Reverse Voltage；Vr)。 

一般氮化镓系列发光二极管的反向电压值通常介于负15～20伏特左右，反向电压值不佳的主因为外延薄膜本身具有许多缺陷，例如晶格错位(dislocation)、杂质(Impurity)等造成许多漏电流路径(leakage path)，而造成元件无法承受较高的反向偏压，且操作时容易因突然的高电压而崩溃失效。 

发明内容

本发明提出一种具有高临界反向电压的发光元件及其制造方法。 

本发明在于提出一种发光元件，其具有发光外延结构，其中该发光外延结构于反向偏压的条件下，于负10微安培/毫米²的电流密度下，对应的临界反向电压的绝对值大于50伏特；其中该发光外延结构于正向偏压的条件下，以150毫安培/毫米²的电流密度驱动时，具有至少50流明/瓦特的发光效率。本发明所指的“临界反向电压”定义为发光外延结构于反向偏压的条件下，于负10微安培/毫米²的电流密度下，所测得的反向电压值。 

本发明的另一方面在于提出一种发光晶片，包含多个发光单元；其中于负10微安培/毫米²的电流密度下，该多个发光单元的临界反向电压的绝对值的平均值至少大于50伏特。 

本发明的另一方面在于提出一种交流式发光元件包含多个发光阵列结构形成于基板上，各多个发光阵列结构由至少一个发光单元所组成；该发光 阵列结构包括多个整流发光阵列结构及至少一直流发光阵列结构；该各整流发光阵列结构包含第一数量的该发光单元，并且该多个整流发光阵列结构排列成惠斯顿电桥形式，并且具有二输入端以接收交流电源、以及二输出端以输出直流电源；其中该直流发光阵列结构包含第二数量的该发光单元连接至该二输出端。其中该直流发光阵列结构的发光单元的数量占该交流式发光元件的所有发光单元的数量的比例至少大于50％。 

本发明的又一方面在提出一种发光元件的制造方法，其步骤包含：提供基板；于第一生长条件下于该基板上生长第一外延层；于第二生长条件下于该第一外延层上生长工艺转换层；于第三生长条件下于该工艺转换层上生长第二外延层；其中该第一生长条件与该第三生长条件具有工艺变化；且该工艺转换层的导电率大于该第一外延层和/或该第二外延层的导电率。 

于本发明另一实施例中，发光元件的制造方法还包含：于第四生长条件下于该工艺转换层上形成第二工艺转换层；以及于第五生长条件下于该第二工艺转换层上形成第三外延层；其中第三生长条件与第五生长条件具有工艺变化；且第二工艺转换层的导电率大于第二外延层和/或第三外延层。 

附图说明

图1显示依本发明发光元件的发光外延结构的第一实施例； 

图2显示依本发明发光元件的发光外延结构的第二实施例； 

图3显示依本发明发光元件的发光外延结构的第三实施例； 

图4显示依本发明的发光元件的第一实施例； 

图5显示依本发明的发光元件的第二实施例； 

图6显示依本发明实施例的电压-电流曲线图； 

图7A显示依本发明的交流式发光元件的上视图； 

图7B显示依本发明的交流式发光元件的电路示意图； 

图8显示依本发明的发光晶片的示意图。 

附图标记说明 

1、2、3：发光外延结构     4、5、7：发光元件 

4a、4b：发光单元          10：生长基板 

20：接触层                21：第一电极 

31、33：工艺转换层        32、34：第二工艺转换层 

40：n型束缚层         50：有源层 

60：p型束缚层         61：第二电极 

70：第一连接层        71：第二连接层 

80：绝缘层            8：发光晶片 

81：发光单元          91～94：第一～第四导线垫 

AC：交流式电源        R1、R2、R3、R4：整流发光阵列结构 

E1：直流发光阵列结构 

具体实施方式

图1披露依据本发明发光元件的发光外延结构的第一实施例，发光外延结构1包括生长基板10、接触层20形成于生长基板10之上、工艺转换层31形成于接触层20之上、n型束缚层(cladding layer)40形成于工艺转换层31之上、有源层50形成于n型束缚层40之上、以及p型束缚层60形成于有源层50之上。形成发光外延结构1的方法包括提供生长基板10；接着，于生长基板10上以有机金属化学气相沉积法外延生长接触层20，如果接触层20与生长基板10的晶格常数具有差异，可在接触层20与生长基板10之间生长晶格缓冲层(未绘示)，其中晶格缓冲层的晶格常数介于接触层20与生长基板10之间以提高外延品质及降低晶格缺陷。外延生长接触层20的条件，例如反应器温度设定值介于900～1200℃；反应器压力设定值介于300～450毫巴(mbar)；并于外延生长接触层20同时掺杂n型掺杂剂至介于1×10¹⁷～1×10¹⁸cm^-3的掺杂浓度。于完成接触层20的生长后，接续生长工艺转换层31及n型束缚层40；n型束缚层40具有n型掺杂剂及一掺杂浓度。其中n型束缚层40以及接触层20于生长条件上具有工艺变化，或优选为剧烈变化，以致于直接生长n型束缚层40于接触层20上时产生薄膜缺陷，导致外延品质降低。因此，工艺转换层31的目的在修补工艺转换层31因其前后层的生长条件的工艺变化所造成的缺陷，进而提高外延品质。于本发明的定义，“生长条件”一词为包括至少一工艺参数设定值选自于温度、压力及气体流量及其它工艺参数设定值所组成的群组；“工艺变化”是指工艺转换层31之前一层的生长条件，相较后一层的对应的生长条件，至少存在3％的差异；而“剧烈变化”是指工艺转换层31之前一层的生长条件，相较后一层的对应的生长条件，至少存在10％的差异。例如，n型束缚层40的反应器温度设 定值介于700～1000℃；反应器压力设定值介于200～350毫巴，并且其温度设定值或压力设定值的至少其中之一与接触层20的对应设定值差异至少3％，或优选为差异至少10％。工艺转换层31的生长条件大约介于接触层20及n型束缚层40的对应生长条件之间；优选为接近n型束缚层40的生长条件；更优选为相同于n型束缚层40的生长条件；并且工艺转换层31具有n型掺杂剂及一掺杂浓度大于接触层20及n型束缚层40二者之一的掺杂浓度，例如掺杂浓度介于5×10¹⁷～1×10²⁰cm^-3；优选为，工艺转换层31的掺杂浓度大于接触层20及n型束缚层40的掺杂浓度，使得工艺转换层31的导电率大于接触层20和/或n型束缚层40。于完成n型束缚层生长，接续生长有源层50及p型束缚层60以完成发光元件的发光外延结构。 

图2披露依据本发明发光元件的发光外延结构的第二实施例，发光外延结构2包括生长基板10、接触层20形成于生长基板10之上、n型束缚层40形成于接触层20之上、工艺转换层32形成于n型束缚层40之上、有源层50形成于工艺转换层32之上、以及p型束缚层60形成于有源层50之上。与前述实施例(图1)的差异在于工艺转换层32形成于n型束缚层40及有源层50之间。形成发光外延结构2的方法包括首先提供生长基板10。接着，于生长基板10上以有机金属化学气相沉积法外延生长接触层20，如果接触层20与生长基板10的晶格常数具有差异，可在接触层20与生长基板10之间生长晶格缓冲层(未绘示)，其中晶格缓冲层的晶格常数介于接触层20与生长基板10之间以提高外延品质及降低晶格缺陷。于完成接触层20的生长后，接续生长n型束缚层40；n型束缚层40具有n型掺杂剂及一掺杂浓度。外延生长n型束缚层40的条件，例如反应器温度设定值介于700～1000℃；反应器压力设定值介于200～350毫巴；并于外延生长n型束缚层40同时掺杂n型掺杂剂至介于1×10¹⁷～5×10¹⁸cm^-3的掺杂浓度。于完成n型束缚层40的生长后，接续生长工艺转换层32及有源层50，其中n型束缚层40以及有源层50于生长条件上具有工艺变化，或优选为剧烈变化，以致于直接生长有源层50于n型束缚层40上时产生薄膜缺陷，导致外延品质降低。因此，工艺转换层32的目的在修补因工艺转换层32其前后层的生长条件工艺变化所造成的缺陷，进而提高外延品质。例如，有源层50的反应器温度设定值介于850～1100℃；反应器压力设定值介于200～350毫巴，并且其温度设定值或压力设定值的至少其中之一与n型束缚层40的对应设定值差异至少3％，或优 选为差异至少10％。工艺转换层32的生长条件大约介于n型束缚层40及有源层50的对应生长条件之间；优选为接近有源层50的生长条件；更优选为相同于有源层50的生长条件。工艺转换层32具有n型掺杂剂及一掺杂浓度大于n型束缚层40及有源层50二者之一的掺杂浓度，例如掺杂浓度介于5×10¹⁷～1×10¹⁹cm^-3；优选为，工艺转换层32的掺杂浓度大于n型束缚层40及有源层50，使得工艺转换层32的导电率大于n型束缚层40和/或有源层50的导电率。于完成有源层50的生长后，接续p型束缚层60以完成发光元件的发光外延结构。其中有源层结构包括多量子阱结构，以提高发光元件的内部量子效率。 

图3披露依据本发明发光元件的发光外延结构的第三实施例，与前述的第一及第二实施例相较，其差异在于发光外延结构3同时包含相同于第一实施例的第一工艺转换层33形成于接触层20及n型束缚层40之间以及相同于第二实施例的第二工艺转换层34形成于n型束缚层40及有源层50之间，以进一步提高发光元件的外延品质。 

图4披露依据本发明发光元件的第一实施例，发光元件4是将前述实施例所形成的发光外延结构，以图3所示的发光外延结构3为例，利用管芯工艺自基板上形成多个彼此隔开的发光单元，例如图上所示的发光单元4a及4b，并且分别形成第一电极21于裸露出的接触层20上以及第二电极61于p型束缚层60上。于完成管芯工艺后，可对生长基板进行切割(如虚线所示)以分开发光单元4a及4b形成个别的发光元件。于本发明的另一实施例，所述发光元件还包括一接触层形成于所述第二电极与所述p型束缚层之间，以降低所述第二电极与所述p型束缚层之间的接触电阻；或者还包括电流分散层以使电流均匀分布于所述发光外延结构。 

依本发明实施例所形成的发光元件，其所述生长基板尺寸大小例如为10mil×10mil，于反向偏压的条件下，于负10微安培/毫米²的电流密度下，所测得的临界反向电压的绝对值至少大于50伏特；并且，于正向偏压的条件下，以150毫安培/毫米²的电流密度驱动时，具有至少50流明/瓦特的发光效率。依本发明的另一实施例，所述发光元件可通过调整工艺转换层的生长条作及掺杂浓度，以得到较佳的临界反向电压，例如大于60伏特或、更优选为大于70伏特、或最优选为大于100伏特。 

图6披露依本发明实施例所形成的发光元件所测得的电压-电流曲线图， 本发明发光元件的发光外延结构于反向偏压的条件下，于负10微安培/毫米 ²的电流密度下，对应的电压值的绝对值约为102伏特(如虚线所示；图中的数值已转换为正值)；并且于正向偏压的条件下，以150毫安培/毫米²的电流密度驱动时，可发出至少50流明/瓦特的光线。本发明的发光元件兼具有高临界反向电压值及高亮度的特性。 

图5披露依本发明实施例所形成的串联式发光元件，串联式发光元件5的形成方法类似于图4所示的实施例，于完成管芯工艺后，对各发光单元进行电性连接，如图5所示，形成导电层70于发光单元4a的第一电极及发光单元4b的第二电极之间以使发光单元4a及4b形成串联连接的发光阵列结构。发光元件5还包含绝缘层80形于导电层70与发光单元4a及4b及基板之间，以避免造成发光元件短路。 

图7A及7B披露依本发明的交流式发光元件，交流式发光元件7主要应用于交流式(Alternating Current；AC)电源，包含多个整流发光阵列结构R1～R4及至少一直流发光阵列结构E1共同位于生长基板10上，所述每一整流或直流发光阵列结构由如图5所示多个彼此串联连接的发光单元所组成，整流发光阵列结构R1～R4由第二连接层71及第一～第四导线垫91～94以惠斯顿电桥形式电性连接以形成整流结构。请同时参考图7B，整流发光阵列结构R1连接于第一导线垫91及第四导线垫94之间；整流发光阵列结构R2连接于第一导线垫91及第二导线垫92之间；整流发光阵列结构R3连接于第三导线垫93及第四导线垫94之间；整流发光阵列结构R4连接于第二导线垫92及第三导线垫93之间；第一导线垫91及第三导线垫93分别外接至交流式电源的正端及负端以接收交流电压信号，并且经整流发光阵列结构R1～R4整流后，于第二导线垫92及第四导线垫94输出直流电压信号。直流发光阵列结构E1连接于第二导线垫92及第四导线垫94之间，并接收所输出的所述直流电压信号。于交流电压信号的正向半周期，电流依序流经交流式发光元件7的发光阵列结构R1、E1及R4(如图7A的虚线所示)，并发出光线；于交流电压信号的负向半周期，电流依序流经交流式发光元件7的发光阵列结构R3、E1及R2，并发出光线；其中整流发光阵列结构R1～R4各自于正向偏压的半周期发光，另一半周期则处于反向偏压而不发光，亦即整流发光阵列R1～R4于施加交流信号期间轮流发光；直流发光阵列结构E1，因接收经整流后的所述直流电压信号，所以于正向及负向半周期均可发光。 

本发明实施例形成的所述发光单元，因具有高临界反向电压值，有效提升发光单元承受反向偏压的能力，大幅减少所述整流发光阵列结构的发光单元的数量，同时增加所述直流发光阵列结构的发光单元的数量，达到提高发光效率的目的。兹以交流式电源为110V及60赫兹的交流频率为例，各发光单元例如为氮化镓系列为主的发光外延结构且具有相同的面积，每一发光单元造成约3V的电压降(Voltage Drop)以及具有临界反向电压值绝对值y，各正向或负向半周期流经的发光单元的总数(跨不同的发光阵列结构)约37个，以符合110V的供应电源。各整流发光阵列结构R1～R4具有相同的发光单元的数量m个，直流发光阵列结构E1具有的发光单元的数量n个，则直流发光阵列结构E1的发光单元的数量占所述发光元件的所有发光单元数量的比例约为n/(4m+n)×100％。于正向半周期时，跨导线垫91及92两端的整流发光阵列结构R2(处于反向偏压)的电位差应与相同为跨导线垫91及92两端的整流发光阵列结构R1与直流发光阵列结构E1(均处于正向偏压)的电位差相同为3×(m+n)伏特，为使处于反向偏压的整流发光阵列结构R2不致崩溃失效，y必须大于[3×(m+n)]/m至少35以上避免电性操作的变异及其它外在因素而使元件失效，亦即y必须满足以下方程式： 

$y>\frac{3\×(m+n)}{m}+35$

下表列出依本发明实施例所形成的交流式发光元件的各发光阵列结构数量的组合： 

依据所例示的各组合实施例，直流发光阵列结构的发光单元的数量占交流式发光元件的所有发光单元的数量的比例至少大于50％，优选为大于60％、更优选为大于70％、或大于80％，最优选为大于90％以得到更佳的交 流发光效率实施例。于本发明的另一方面，发光单元的临界反向电压值至少大于50伏特，优选为大于60伏特、更优选为大于70伏特、最优选为大于100伏特，以提高发光元件的可靠性。于本发明的另一实施例，各所述整流发光阵列结构的所述发光单元的面积小于各所述直流发光阵列结构的所述发光单元的面积，以进一步提高发光元件的反向偏压效能。另外，除图7A及图7B所例示的桥式连接的交流式发光元件，本发明的交流式发光元件亦可包含其它连接型式的交流式发光元件，例如反向并联(anti-parallel)型式，或其它连接型式的交流式发光元件。 

图8披露一依据本发明的发光晶片(wafer)。发光晶片8包含多个发光单元81，各发光单元81具有发光外延结构，例如为相同于图4所示的发光单元4a或4b。各发光单元81于负10微安培/毫米²的电流密度下具有临界反向电压；以及，各发光单元81以150毫安培/毫米²的电流密度驱动时，具有发光效率；并且，多个发光单元81的临界反向电压的绝对值的平均值至少大于50伏特，优选为大于60伏特、更优选为大于70伏特、最优选为大于100伏特；以及多个发光单元81的发光效率的平均值至少50流明/瓦特。于另一实施例中，所述多个发光单元的所述临界反向电压值依大小呈一分布，并且扣除临界反向电压值的绝对值位于分布之前后25％的该发光单元之后，位于中间50％的剩余的发光单元的临界反向电压值的绝对值的平均值至少大于50伏特，优选大于60伏特、更优选大于70伏特、最优选大于100伏特；并且于正向偏压的条件下以150毫安培/毫米²的电流密度驱动时，位于中间50％的剩余的发光单元的发光效率的平均值至少50流明/瓦特。 

上述诸实施例，其中所述接触层、n型束缚层、工艺转换层、p型束缚层以及有源层的材料包含III-V族化合物，例如氮化镓系列或磷化镓系列的材料。所述生长基板例如为包括选自于蓝宝石、碳化硅、氮化镓以及氮化铝所组成的群组的至少一种材料。所述接触层、n型束缚层、p型束缚层以及有源层可为单层或多层结构，例如为超晶格结构。另外，本发明的所述发光外延结构并不限于以生长方式生长所述生长基板之上，其它形成方式，例如以接合方式直接接合或通过介质接合至导热或导电基板亦属本发明的范围。 

本发明所列举的各实施例仅用以说明本发明，并非用以限制本发明的范围。任何人对本发明所作的任何显而易知的修饰或变更皆不脱离本发明的精神与范围。 

Claims (18)

1.一种具有高反向电压值的发光元件，包含至少一发光单元，该发光单元包含发光外延结构，

其中该发光外延结构包含接触层、工艺转换层、n型半导体层、p型半导体层以及介于该n型半导体层及该p型半导体层之间的有源层，

其中该工艺转换层的导电率大于该n型半导体层及该有源层，

其中该发光外延结构于反向偏压的条件下，于负10微安培/毫米2的电流密度下，对应的反向电压值的绝对值大于50伏特。

2.如权利要求1所述的发光元件，其中该发光外延结构于正向偏压的条件下，以150毫安培/毫米2的电流密度驱动时，具有至少50流明/瓦特的发光效率。

3.如权利要求1所述的发光元件，其中该工艺转换层介于该n型半导体层及该有源层之间或介于该接触层及该n型半导体层之间。

4.如权利要求1所述的发光元件，还包含基板，及共同形成于该基板上的至少二个该发光单元所形成的发光阵列结构。

5.如权利要求4所述的发光元件，其中该发光阵列结构包含多个整流发光阵列结构及至少一直流发光阵列结构；其中各该整流发光阵列结构包含第一数量的该发光单元以串联连接，该多个整流发光阵列结构排列成惠斯顿电桥形式，并且具有二输入端以接收交流电源、以及二输出端以输出直流电源；其中该直流发光阵列结构包含第二数量的该发光外延结构连接至该二输出端。

6.如权利要求5所述的发光元件，其中该第二数量占该第一数量与该第二数量的总和的比例至少为50％。

7.如权利要求4所述的发光元件，其中该发光阵列结构排列成反向并联形式，并且具有二输入端以接收交流电源。

8.一种发光元件的制造方法，包含下述步骤：

提供基板；

于第一生长条件下生长第一外延层于该基板上；

于第二生长条件下于该第一外延层上直接生长工艺转换层；

于第三生长条件下于该工艺转换层上直接生长第二外延层；以及

于第四生长条件下于该第二外延层上形成第三外延层，其中该第三外延层为有源层，

其中该第一生长条件的至少一工艺参数值与该第三生长条件的相应的工艺参数值至少具有3％的差异，

其中该工艺转换层具有导电率大于该第一外延层和/或该第二外延层的导电率。

9.如权利要求8所述的制造方法，其中该工艺参数选自于温度、压力及气体流量所组成的群组。

10.如权利要求8所述的制造方法，其中该第一外延层为接触层，该第二外延层为n型束缚层。

11.如权利要求8所述的制造方法，还包含：

在形成该第三外延层之前，于第五生长条件下于该第二外延层上直接形成第二工艺转换层，

其中该第三外延层直接形成于该第二工艺转换层上，

其中该第三生长条件的至少一工艺参数值与该第四生长条件的相应的工艺参数值至少具有3％的差异，

其中该第二工艺转换层具有导电率大于该第二外延层和/或该第三外延层的导电率。

12.如权利要求8所述的制造方法，其中该工艺转换层具有掺杂剂以及大于该第一外延层和/或该第二外延层的掺杂浓度的掺杂浓度。

13.如权利要求11所述的制造方法，其中该第二工艺转换层具有掺杂剂以及大于该第二外延层和/或该第三外延层的掺杂浓度的掺杂浓度。

14.如权利要求8所述的制造方法，其中该第一生长条件的至少一工艺参数值与该第三生长条件的相应的工艺参数值至少具有10％的差异。

15.如权利要求11所述的制造方法，其中该第三生长条件的至少一工艺参数值与该第四生长条件的相应的工艺参数值至少具有10％的差异。

16.一种发光晶片，包含多个发光单元，各该多个发光单元各包含发光外延结构；

其中该发光外延结构包含接触层、工艺转换层、n型半导体层、p型半导体层以及介于该n型半导体层及该p型半导体层之间的有源层，

其中该工艺转换层的导电率大于该n型半导体层及该有源层，

其中于负10微安培/毫米2的电流密度下，该多个发光单元的临界反向电压的绝对值的平均值至少为50伏特。

17.如权利要求16所述的发光晶片，其中各该多个发光单元所测得的临界反向电压的绝对值的平均值是排除临界反向电压的绝对值依大小分布位于前后25％的发光单元计算而得。

18.如权利要求16所述的发光晶片，其中该工艺转换层介于该n型半导体层及该有源层之间或介于该接触层及该n型半导体层之间。

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