CN102148301A - 光电元件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开光电半导体元件及其制造方法，该光电半导体元件包括：基板；第一窗口层形成于所述的基板，具有第一片电阻值，第一厚度及第一杂质浓度；第二窗口层，具有第二片电阻值，第二厚度及第二杂质浓度；半导体系统形成于所述的第一窗口层及所述的第二窗口层之间；其中所述的第二窗口层和所述的半导体系统为不同的半导体材料；所述的第二片电阻值低于所述的第一片电阻值。

Description

光电元件及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种光电元件及其制造方法。
背景技术
近年来，节能减碳的议题日益受到重视，发光二极管在背光及照明的应用领域更显重要，各种增加发光二极管光摘出效率的方法一一被提出。欲增进光摘出效率可以通过几个方式，其包括改善外延生长的品质，通过增加电子和空穴结合的机率，提升内部量子效率(IQE)。另一方面，发光二极管产生的光线若无法有效被取出，部分光线因全反射因素而局限在发光二极管内部来回反射或折射，最终被电极或发光层吸收，使亮度无法提升，因此使用表面粗化或改变结构的几何形状等，提升外部量子效率(EQE)。通过提升光摘出效率(LEE)，使发光二极管的亮度增高。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种光电半导体元件，其具有促进光摘出效率的结构。
本发明一实施例的一种发光元件包括：基板，第一窗口层，形成于所述的基板，具有第一片电阻值、第一厚度及第一杂质浓度；第二窗口层，具有第二片电阻值、第二厚度及第二杂质浓度；半导体系统，形成于所述的第一窗口层及所述的第二窗口层之间；其中所述的第二窗口层和所述的半导体系统为不同的半导体材料；所述的第二片电阻值低于所述的第一片电阻值。
本发明一实施例的一种光电半导体元件包括：基板；金属层，具有金属元素，形成于所述的基板上；第一窗口层，包括所述的金属元素；透明导电层，形成于所述的金属层和所述的第一窗口层之间，其中于所述第一窗口层的所述金属元素的浓度小于1*1019cm-3。
本发明一实施例的一种光电半导体元件包括：基板；n型窗口层，形成于所述的基板上；半导体系统，形成于所述的n型窗口层上；p型窗口层，形成于所述半导体系统上；其中，所述光电半导体元件在驱动电流密度介于0.1～0.32mA/mil2下，具70流明/瓦的发光效率，发出的光源介于琥珀色光和红光之间。
本发明一实施例的一种制造光电半导体元件的方法，包括以下步骤：提供基板；形成半导体系统于所述的基板上；形成窗口层在所述的半导体系统上；其中所述的窗口层和所述的半导体层由不同的半导体材料所构成；移除所述的窗口层，由此使所述的窗口层和所述的半导体层具有一个宽度差，所述的宽度差大于1微米。
附图说明
图1A～图1H分别为本发明光电半导体元件依本发明所披露的工艺方式，依每一个工艺步骤所对应的结构侧视剖面示意图；
图2为本发明光电半导体元件的实施例侧视剖面示意图；
图3为本发明光电半导体元件的实施例的SEM图；
图4本发明光电半导体元件的第一欧姆接触层的俯视图。
附图标记说明
10第一堆叠结构        101基板
102支撑基板           103支撑基板
111第一窗口层         112第二窗口层
120光电系统           121第一层
122转换单元           123第二层
130第一欧姆接触层     131电极
132指状电极           140第二欧姆接触层
141透明导电层         150反射层
160金属层             171第一衬垫
172第二衬垫           180钝化层
S1第一蚀刻平台        S2第二蚀刻平台
L1宽度差
具体实施方式
图1A至图1H分别为依本发明实施例的工艺方法于各步骤的对应结构示意图。请先参阅图1A，利用本发明所披露的光电半导体元件工艺方式，先提供基板101，基板101被当作生长基板，用以生长或承载光电系统120于其上。构成所述生长基板101的材料包括但不限于锗(Ge)、砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、磷化镓(GaP)、蓝宝石(sapphire)、碳化硅(SiC)、硅(Si)、氧化二铝锂(LiAlO2)、氧化锌(ZnO)、氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)的一种或其组合。构成基板101的材料包括锗(Ge)、砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、磷化镓(GaP)、蓝宝石(sapphire)、碳化硅(SiC)、硅(Si)、氧化二铝锂(LiAlO2)、氧化锌(ZnO)、氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)、玻璃、钻石(diamond)、CVD钻石、类钻碳(DLC)的一种或及其组合。
于基板101之上，形成第一窗口层111，第一窗口层111材料包括至少一元素选自于铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)、砷(As)、磷(P)及氮(N)所构成的群组，或为其组合，例如为GaN或AlGaInP的半导体化合物或其它替代的材料。第一窗口层111为导电薄膜，例如为n型或p型(AlxGa(1-x))0.5In0.5P，其中0.5≤x≤0.8。第一窗口层111具有两相对的表面，其中第一表面和基板101接触。
过渡层(未显示)可选择性地形成在基板101及第一窗口层111之间。所述过渡层可当作缓冲层介于基板101及第一窗口层111。在发光二极管的结构中，所述过渡层是为了减少二层材料间的晶格不匹配。另一方面，所述过渡层可以为单层、多层、二种材料的结合或分开的结构，其中所述过渡层材料可为有机金属、无机金属或半导体中的任一种。所述过渡层也可作为反射层、热传导层、电传导层、欧姆接触层、抗形变层、应力释放层、应力调整层、接合层、波长转换层或固定结构等。
光电系统120形成于第一窗口层111的第二表面上，光电系统120包括至少一具有第一导电型态的第一层121、转换单元122以及具有第二导电型态的第二层123，依序形成于第一窗口层111之上。第一层121和第二层123可为两个单层结构或两个多层结构(多层结构是指两层或两层以上)。第一层121和第二层123具有不同的导电型态、电性、极性或依掺杂的元素以提供电子或空穴。若第一层121和第二层123为半导体材料的组合，例如，(AlxGa(1-x))0.5In0.5P，其中0.5≤x≤0.8，所述导电型态可为n型或p型。第一窗口层111和第一层121具有相同的导电型态，例如，都为n型导电型态。第一窗口层111的杂质浓度大于第一层121的杂质浓度，具有较高的导电率。转换单元122沉积在第一层121和第二层123之间，转换单元122是将光能和电能相互转换或导致转换。光电系统120可应用于半导体元件、设备、产品、电路，以进行或导致光能和电能相互转换。具体的说，光电系统120可包括发光二极管(LED)、激光二极管(LD)、太阳能电池，液晶显示器或有机发光二极管其中之一。转换单元122将电能转换成光能，光电系统120可为发光二极管、液晶显示器、有机发光二极管。转换单元122将光能转换成电能，光电系统120可为太阳能电池或一个光电二极管。本说明书中的“光电系统”，不限定其每一层都为半导体材料所构成，也可以为非半导体材料，例如，金属、氧化物、绝缘材料等。
以发光二极管为例，可以通过改变光电系统120里的其中一层或多层的物理及化学组成，调整发出的光波长。常用的材料为磷化铝镓铟(aluminumgallium indium phosphide，AlGaInP)系列、氮化铝镓铟(aluminum galliumindium nitride，AlGaInN)系列、氧化锌系列(zinc oxide，ZnO)。转换单元122可为单异质结构(single heterostructure，SH)，双异质结构(doubleheterostructure，DH)，双侧双异质结(double-side double heterostructure，DDH)，多层量子阱(multi-quantum well，MWQ)。具体来说，转换单元122包括多层量子阱结构，其具有多个阻障层及量子阱层交替堆叠，每一个阻障层包括(AlyGa(1-y))0.5In0.5P，其中，0.5≤y≤0.8；及每一量子阱层包括In0.5Ga0.5P。此外，发光波长的调整，也可以通过改变阻障层和量子阱层对的数目或改变阻障层的组成，例如红色的发光波长介于600至630，其y组成约0.7；琥珀色光波长介于580至600nm，其y组成约0.55左右。
形成第二个窗口层112在光电系统120的第一表面，其材料包括至少一个元素选自铝(Al)，镓(Ga)，铟(In)，砷(As)，磷(P)，氮(N)，或其组合物，例如，氮化镓(GaN)，磷化铝镓铟(AlGaInP)或任何其他合适的材料。第二窗口层112包括至少一种材料不同于光电系统120或第二层123。优选地，第二窗口层112具有和第二层123相同的导电类型，如p型磷化镓(GaP)层。在另一实施例，第二窗口层112的侧壁及/或光电系统120不必为正交，而是可以具有斜角如图3所示。
然后，形成第一欧姆接触层130于第二窗口层112上，第一欧姆接触层130的材料为导电材料，如铍金(BeAu)或锗金(GeAu)的合金层，形成图1A所示的第一堆叠结构10，其中第一欧姆接触层130包括多个指状电极132自电极131向边界延伸，如图4所示。第一个合金化过程温度在300～500℃或以上，形成在第一欧姆接触层130和第二窗口层112间的欧姆接触。所述合金化细节过程是在合金技术领域中所已知。
接下来，如图1B所示，在第一欧姆接触130及第二窗口层112上接合一个临时基板102，其材料如玻璃。并移除基板101，使第一窗口层111的第一表面曝露出来，如图1C所示。
接下来，形成第二欧姆接触层140在第一窗口层111的第一表面。第二欧姆接触层140的材料为导电材料，如铍金(BeAu)或锗金(GeAu)的合金层，如图1D所示。其中第二欧姆接触层140包括多个二维点电极阵列，这些点电极阵列，优选地，在垂直方向不和第一欧姆接触层130的第一堆叠结构10和指状电极132重叠，具有优选的电流分散效果，如图1D所示。第二合金化过程温度在300～500℃或以上，形成在第二欧姆接触层140和第一窗口层111间的欧姆接触。所述合金化细节过程是在合金技术领域中所已知。
利用电子束或溅射形成透明导电层141覆盖第二欧姆接触层140，其中透明导电层141的材料包括金属氧化物，至少一种材料选自铟锡氧化物(ITO)，镉锡氧化物(CTO)、锑氧化锡、氧化铟锌、氧化锌铝、及锌锡氧化物；其厚度约为0.005μm～0.6μm，0.005μm～0.5μm，0.005μm～0.4μm，0.005μm～0.3μm，0.005μm～0.2μm，0.2μm～0.5μm，0.3μm～0.5μm，0.5μm～0.4μm，0.2μm～0.4μm，或为0.3μm～0.2μm。
如图1E所示，反射层150形成在透明导电层141上，其材料为导电材料，包括金属，如银。然后，利用金属层160作为结合层，将反射层150接合在支撑基板103上，如图1F所示。在本实施例中，支撑基板103包括硅。金属层160包括至少一种材料选自以下群组，如金、锡、铅、铟金(InAu)、锡金(SnAu)及它们的合金。
移除临时基板102，将第一欧姆接触层130和第二窗口层112曝露出来，利用光刻蚀刻出多个管芯区(未显示)在支撑基板103上。其中，蚀刻所用的蚀刻剂，如干式蚀刻的包括氟或氯，蚀刻第二窗口层112的速度相对超过了所述蚀刻剂蚀刻光电系统120的速度，这样会在光电系统120或第二导电型123的表面形成第一蚀刻平台S1。光电系统120和第二导电型层123的宽度大于第二窗口层112的宽度，如图1G所示。形成第二蚀刻平台S2于第一窗口层111上，第一窗口层111的底部宽度大于光电系统120或第一导电型层121。
再接下来，将第二窗口层112进行湿蚀刻，至少第二窗口层112的曝露表面及侧壁会形成粗糙结构，其中蚀刻液，如混合氢氟酸(HF)、硝酸(HNO3)和乙酸(冰醋酸)，对第二窗口层112的蚀刻速度相对超过了光电系统120的蚀刻速度，形成宽度差L1，L1较第一蚀刻平台S2的宽度更进一步扩大。第二窗口层112比光电系统120具有一个更增大的表面粗糙度，其中宽度差L1大于1微米及/或小于10微米，如图1H或图3所示。
最后，第一衬垫171形成于第一欧姆接触层130上，第二衬垫172形成于支撑基板103。钝化层180覆盖在第二窗口层112及第一欧姆接触层130，形成光电半导体元件，如图2所示。钝化层180作为一个保护层，以保护光电半导体元件避免环境的破坏，如水分或机械损伤。光电半导体元件的扫描电子显微镜(SEM)照片，如图3所示
根据本发明所披露的实施例，第一窗口层111包括半导体材料，如(AlxGa(1-x))0.5In0.5P，其中0.5≤x≤0.8。反射层150包括金属元素，例如银，是在第一和第二合金化处理过程后才形成，以避免反射层的金属元素扩散到第一窗口层111。第一窗口层111包括一个半导体材料，优选和第一层121的材料具有相同的组成。根据本发明所披露的另一实施例，在第一窗口层111金属元素的浓度小于1*1019cm-3。优选的金属元素浓度小于1*1017cm-3，大于1*1016cm-3。降低反射层150的劣化，使反射层150具有大于90％的反射率。
表1显示本发明实施例所披露的光电元件测试的光学效率，光电元件为小尺寸的芯片，如10mil2。在20mA或0.2mA/mil2的驱动电流下，光学效率高达70流明/瓦。对于光电元件尺寸为14mil2的芯片，在20mA或0.1mA/mil2的驱动电流下，光学效率高达100流明/瓦。对于光电元件尺寸为28mil2的芯片，在250mA或0.32mA/mil2的驱动电流下，光学效率高达约106流明/瓦。对于光电元件为大尺寸的芯片，如42mil2，在350mA或0.2mA/mil2的驱动电流下，光学效率高达约121流明/瓦。可以从表1中的光电元件看出，根据目前披露的光学效率，在驱动电流密度从0.1～0.32mA/mil2下，达到至少70流明/瓦，或至少100流明/瓦。
表一根据本发明所披露的光电元件的光学效率表。
Figure BDA0000046510190000071
本发明实施例所披露的光电元件，第一窗口层111的薄膜片电阻值高于第二窗口层112的薄膜片电阻值。此外，第二欧姆接触层140与第一欧姆接触层130在垂直方向不重叠。因此，驱动电流聚集在第二欧姆接触层140的附近。光电半导体元件发出的光线对应到第二欧姆接触层140区域，因此不会被第一欧姆接触层130的区域所阻挡，因此具有电流阻断作用，有利于横向电流的扩散。
另根据本发明所披露的实施例，第一个窗口层111的杂质浓度较低于第二窗口层112，第一个窗口层111的片电阻值较低于第二窗口层112。根据本发明所披露的另一实施例，第一个窗口层111包括一个n型杂质其杂质浓度1*1017～5*1017cm-3左右；第二窗口层112包括p型杂质其杂质浓度约1*1018～5*1018cm-3，高于第一窗口层111。根据本发明所披露的再一实施例，第一个窗口层111的厚度约1～5微米小于第二窗口层112的厚度5～20微米。
根据本发明所披露的实施例，因为第二窗口层112侧壁表面具有粗糙结构，光可横向摘取。所述的芯片区域可为矩形的形状，会有更好的发光效率。所述的矩形长度和宽度的比率从1.5∶1到10∶1。
应注意的是，以上各实施例并未依照实际制品的比例绘制。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 (12)

1.一种光电半导体元件，包括：
基板；
第一窗口层，形成于该基板，具有第一片电阻值、第一厚度及第一杂质浓度；
第二窗口层，具有第二片电阻值、第二厚度及第二杂质浓度；
半导体系统，形成于该第一窗口层及该第二窗口层之间；
其中该第二窗口层和该半导体系统包括不同的半导体材料；该第二片电阻值低于该第一片电阻值；该第二厚度大于该第一厚度。
2.如权利要求1所述的光电半导体元件，其中该半导体系统包括：具有第一导电型态的第一半导体层、具有第二导电型态的第二半导体层和形成于该第一半导体层和第二半导体层之间的转换单元，其中该第二窗口层和该半导体系统具有一个宽度差，该第二窗口层的宽度小于该半导体系统的宽度，该宽度差大于1微米。
3.如权利要求1所述的光电半导体元件，其中该第二窗口层的上表面及侧壁具有不平整的结构。
4.如权利要求1所述的光电半导体元件，还进一步包括形成于基板和第一窗口层之间的透明导电层。
5.如权利要求4所述的光电半导体元件，还进一步包括形成于该基板和该透明导电层之间的金属反射层。
6.一种光电半导体元件，包括：
基板；
金属层，包括金属元素，形成于该基板上；
第一窗口层，包括该金属元素；
透明导电层，形成于该金属层和该第一窗口层之间，其中于该第一窗口层的该金属元素的浓度小于1*1019cm-3，大于1*1016cm-3。
7.如权利要求6所述的光电半导体元件，还进一步包括形成于该第一窗口层上的半导体系统；
该半导体系统由第一导电型态的第一半导体层、第二导电型态的第二半导体层及形成于该第一半导体层和该第二半导体层之间的转换单元所构成。
8.如权利要求6所述的光电半导体元件，其中该金属元素包括银。
9.如权利要求6所述的光电半导体元件，其中该金属层反射率超过90％。
10.如权利要求6所述的光电半导体元件，还进一步包括形成于该半导体系统上的第二窗口层，该第二窗口层具有不平整的结构，该第一窗口层和该半导体系统具有一个宽度差，该第一窗口层的宽度小于该半导体系统的宽度，该宽度差大于1微米。
11.一种光电半导体元件，包括：
基板；
n型窗口层，形成于该基板上；
半导体系统，形成于该n型窗口层上；
p型窗口层，形成于该半导体系统上；
其中，该光电半导体元件可发出琥珀色光和红光，并在驱动电流密度介于0.1～0.32mA/mil2，具有70流明/瓦的发光效率。
12.一种制造光电半导体元件的方法，包括以下步骤：
提供基板；
形成半导体系统于该基板上；
形成窗口层在该半导体系统上；其中该窗口层和该半导体层包括不同的半导体材料；
移除部分的该窗口层，由此使该窗口层和该半导体层具有宽度差，该宽度差大于1微米。
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