CN103339747A

CN103339747A - 光电元件及其制造方法

Info

Publication number: CN103339747A
Application number: CN2011800658379A
Authority: CN
Inventors: 杨鸿志; 谢明勋; 许明祺
Original assignee: Epistar Corp
Current assignee: Epistar Corp
Priority date: 2011-02-18
Filing date: 2011-02-18
Publication date: 2013-10-02
Also published as: US20130334555A1; WO2012109797A1; KR20140030135A; DE112011104913T5; KR101550117B1; JP2014507069A; JP5763789B2

Abstract

本发明提供一种光电元件及其制造方法。光电元件包含：一个基板(101)；以及一个过渡迭层(102)，位于基板(101)之上。过渡迭层(102)包含至少一个具有第一孔洞结构(p1)的第一过渡层(1021)，位于基板(101)之上；以及一个具有第二孔洞结构(p2)第二过渡层(1022)，位于第一过渡层(1021)之上。第一孔洞结构(p1)的宽度或密度与第二孔洞结构(p2)的宽度或密度不同。

Description

光电元件及其制造方法技术领域

本发明涉及一种具有位于半导体结构与基板间的緩冲迭层结构的光电元件。背景技术

发光二极管是半导体元件中一种被广泛使用的光源。相较于传统的白炽灯泡或荧光灯管，发光二极管具有省电及使用寿命较长的特性，因此逐渐取代传统光源而应用于各种领域，如交通号志、背光模块、路灯照明、医疗设备等产业。

随着发光二极管光源的应用与发展对于亮度的需求越来越高，如何增加其发光效率以提高其亮度，便成为产业界所共同努力的重要方向。发明内容

一种光电元件，包含：一基板；及一过渡迭层，位于基板之上，其中过渡迭层包含至少一第一过渡层，位于基板之上，且第一过渡层内部具有一第一孔洞结构；及一第二过渡层，且第二过渡层内部具有一第二孔洞结构，且位于第一过渡层之上，其中第一孔洞结构与第二孔洞结构具有宽度与密度，且第一孔洞结构的宽度或密度大小与第二孔洞结构的宽度或密度大小不同。附图说明

图 1A-1B是本发明实施例的光电元件的原理示意图；

图 2A-2F是本发明实施例的光电元件的制造方法示意图；

图 3A-3C是本发明实施例的光电元件结构示意图；及

图 4A- 5B 是依本发明实施例的扫描式电子显！ ¾镜（Scanning Elect ron Microscopy, SEM)图。

主要元件符号说明：

基板 101 ; 过渡迭层 102 ; 第一半导体层 103; 有源层 104; 第二半导体层 105; 电极 106、 107。具体实施方式

为了使本发明的叙述更加详尽与完备，请参照下列描述并配合图 1至图 6的图示说明。

因为光线由光密介质进入光疏介质，会因接口的折射率差异而造成光取出效率变差。因此，在本申请中，我们提出一种可达到折射率渐变的过渡迭层来增加光的取出效率。如图 1A-1B所例示，图 1A是显示具有孔洞的过渡迭层示意图，通过调整过渡迭层 102 中的孔洞大小或密度，可使得光的取出效率可以大幅提升。其中折射率 n可通过下列公式来调整： n (z) = l *m + 2. 4* (1-m) , 其中 ζ代表过渡迭层的长晶方向， m为孔洞密度， p为过渡迭层中的孔洞。图 1B 是显示孔洞密度对过渡迭层的折射率关系图。例如当过渡迭层 102的材料为 GaN时，通过调整过渡迭层 102中的孔洞密度，可使得折射率调变成从原来的 n=2. 5至 n=接近 1. 9-1。

借助于上述理论，如图 2A-2F所例示，依据本发明第一实施例的光电元件的制造方法简述如下：如图 2A-2B所示，在一具有一法线方向 N的基板 101 第一表面 1011上生长一第一过渡层 1021。

之后，如图 2B所示，于第一过渡层 1021上生长一第二过渡层 1022 , 其中第一过渡层 1021与第二过渡层 1022可合称为一过渡迭层 102。其中第一过渡层 1021 借助于电化学蚀刻、非等向性蚀刻，例如感应耦合电浆 ( induct ive coupl ing plasma, I CP ) 的干蚀刻，或使用草酸、氢匕钾、或磷酸硫酸溶液等单一溶液或混合溶液进行湿蚀刻，使第一过渡层 1021可包含至少一个第一孔洞结构 pi , 且第二过渡层 1022可包含至少一个第二孔洞结构 p2。其中第一孔洞结构 pi 与第二孔洞结构 p2 可为孔洞（pore, void, bore)、针孔（pinhole) , 或至少两个孔洞结构相互连结形成一网状孔洞结构 (porous s tructure) , 其形成的一种方法可参阅本案申请人的第 099132135 号、第 099137445号与第 099142035号台湾专利申请案，并援引其为本申请案的一部分。

其中上述第一孔洞结构 pi与第二孔洞结构 p2各具有一宽度，其中宽度为孔洞结构在平行表面方向的最大尺寸，且第一孔洞结构 pi与第二孔洞结构 p2 的宽度大小不同。在一实施例中，第一孔洞结构 pi 的宽度大于第二孔洞结构 p2的宽度。其中上述第一孔洞结构 pl与第二孔洞结构 p2各具有一密度，且第一孔洞结构 pi与第二孔洞结构 p2的密度大小不同。在一实施例中，第一孔洞结构 pl的密度大于第二孔洞结构 p2的密度。

在本实施例中，过渡迭层 102的材料包含一种或一种以上的元素选自镓 (Ga)、铝（Al)、铟（In)、砷（As)、磷（P)、氮（N)以及硅（S i)所构成群组。

在一实施例中，第一孔洞结构 pl与第二孔洞结构 p2中的孔洞或网状孔洞的宽度可介于 10nm-2000nm, 或 100nm-2000nm, 或 300nm-2000nm, 或 500nm-2000nm,或 800nm-2000nm, 或 1000nm-2000nm,或 1300nm-2000nm, 或 1500nm-2000nm, 或 1800nm-2000nm。

在另一实施例中，第一孔洞结构 pl与第二孔洞结构 p2可具有多个孔洞或网状孔洞群。其中多个孔洞的平均宽度可介于 10nm-2000nm , 或 100nm-2000nm, 或 300nm-2000nm, 或 500nm-2000nm, 或 800nm-2000nm, 或 1000nm-2000nm , 或 1300nm-2000nm , 或 1500nm-2000nm , 或 1800nm-2000nm。在一实施例中，上述多个孔洞或网状孔洞群的平均间距可介于 10nm-2000nm,或 100nm-2000nm,或 300nm-2000nm,或 500nm-2000nm, 或 800nm-2000nm , 或 1000nm-2000nm , 或 1300nm-2000nm , 或 1500匪-2000匪，或 1800匪-2000匪。上述多个孔洞或网状孔洞群形成的孔隙度 Φ (poros i ty)定义为孔洞或网

ύ Vv

状孔洞群的总体积 VV除以整体体积 VT (^φ ϊ^) , 其中整体体积 VT为第一过渡层 1021或第二过渡层 1022总体积。在本实施例中，第一孔洞结构 pl与第二孔洞结构 p2的孔隙度 Φ可介于 5%-90%, 或 10%-90%, 或 20%-90%, 或 30%-90%, 或 40%-90%, 或 50%-90%, 或 60%-90%, 或 70%-90%, 或 80%-90%。如图 2C所示，在另一实施例中，第一过渡层 1021中的多个第一孔洞结构 pl可为一规则阵列结构，且这几个第一孔洞结构 pl具有相同的大小，形成一第一光子晶体（photonic crys ta l)结构。且第二过渡层 1022中的多个第二孔洞结构 p2可为一规则阵列结构，且这几个第二孔洞结构 p2具有相同的大小，形成一第二光子晶体结构。在本实施例中，上述第一光子晶体孔洞结构与第二光子晶体孔洞结构可以降低应力，并提高光线的反射与散射。在一实施例中，上述第一孔洞结构 pl与第二孔洞结构 p2的孔洞宽度不同。在另一实施例中，上述第一孔洞结构 pl的宽度大于第二孔洞结构 p2。

接着，如图 2D所示，在上述第二过渡层 1022之上继续生成一第一半导体层 103、一有源层 104与一第二半导体层 105。

最后，如图 2E所示，在第二半导体层 105与基板 101之上分别形成两电极 106、 107以形成一垂直式光电元件 100。

在另一实施例中，如图 2F所示，蚀刻部分上述有源层 104与一第二半导体层 105以露出部分第一半导体层 103后，于第一半导体层 103及第二半导体层 105之上形成两电极 106、 107以形成一水平式光电元件 100。上述电极 106、 1078材料可选自: 铬（Cr)、钛（Ti)、镍（Ni)、铂（Pt)、铜（Cu)、金（Au)、铝（Al)、或银 (Ag)等金属材料。

上述第一过渡层 1021或第二过渡层 1022中的第一孔洞结构 pl与第二孔洞结构 p2为中空结构且具有一折射率，适于作为空气透镜，当光线于光电元件 100中行进至多个孔洞或网状孔洞群时，由于多个孔洞或网状孔洞群内外部材料折射率的差异（例如，半导体层的折射率约介于 2 ~ 3之间，空气的折射率为 1 )，光线会在多个孔洞或网状孔洞群处改变行进方向而离开光电元件，因而增加光取出效率。另外，多个孔洞或网状孔洞群也可作为一散射中心 (sca t ter ing center)以改变光子的行进方向并且减少全反射。借助于孔洞密度的增加，可更增加上述功效。另外，在一实施例中，因为第一孔洞结构 pl 的宽度大于第二孔洞结构 p2 ,可以使得之后的磊晶（或称外延）生长较为容易，而得到更好的磊晶质量。

在本发明另一实施例中，过渡迭层 102可为一 N型（n-type )掺杂层，且第一孔洞结构 pl与第二孔洞结构 p2可借助于电化学蚀刻生成。由于电化学蚀刻产生的孔洞或密度大小与过渡迭层 102的载子浓度有相关性，在同样的电化学蚀刻条件下，载子浓度较低可得到较小的蚀刻孔洞或密度。因此，通过调整上述第一过渡层 1021与第二过渡层 1022的载子浓度，则可制造出不同宽度或密度的第一孔洞结构 Pl 与第二孔洞结构 p2。在一实施例中，过渡迭层 102的掺杂杂质浓度可介于 1E15-1E19 cm"³ , 或 1E16-1E19 cm"³, 或 1E17-1E19 cm"³, 或 1E18-1E19 cm^-3, 或 5X1E18-1E19 cm^-3, 或 5X1E17-1E19 cm"³, 或 5X1E17-1E18 cm"³„ 在一实施例中，第二过渡层 1022之上也可生长一连接层（未显示），其中此连接层为一非故意掺杂层（unintent iona l doped layer)或一未掺杂层 (undoped layer)。连接层的生长温度可介于 800-1200°C , 压力范围 100-700 mbar , 其调整是配合过渡迭层 102的孔洞大小与密度，以在过渡迭层 102之上进行横向修补愈合，使靠近过渡迭层 102与连接层界面的孔洞宽度或密度变小，并继续生长连接层。

如图 3A-3C所例示，显示本发明另一实施例的光电元件结构简图：如图 3A-3B所示 ,过渡迭层 102还可包含一第三过渡层 1023或一第四过渡层 1024。如图 3C所示，依元件的实际设计也可包含 n层的过渡层 1021-102n以达到更好的光学或减少应力的效果。在本实施例中，过渡迭层 102 中的各层过渡层包含至少一个孑 L洞结构，可为孑 L洞（pore, void, bore)、针孑 L (pinhole) , 或至少两个孔洞结构相互连结形成一网^ 孔洞结构（porous s t ructure) , 其形成方法、材料、大小与其它特性与上述实施例相同，在此不再赘述。

如图 3Α所示，第一过渡迭层 1021、第二过渡层 1022及第三过渡层 1023 中各至少包含一孔洞结构 pl、 ρ2与 ρ3。在一实施例中，各层中的孔洞结构 pl、 ρ2与 ρ3可为相同或不同大小。在一实施例中，各层中的孔洞结构的宽度或密度关系为 Pl > p2 > p3。在另一实施例中，各层中的孔洞结构的宽度或密度关系为 pl > p2且 ρ3 > ρ2。在另一实施例中，各层中的孔洞结构的宽度或密度关系为 1 < 2且 3 < 2。

图 4Α-5Β是依据本发明上述实施例所形成过渡迭层 102的扫描式电子显

(Scanning Elect ron Micros copy, SEM)图。如图 4A- 4B所示，显示本发明另一实施例所形成过渡迭层 102的扫描式电子显镜（Scanning Electron Microscopy, SEM)图。如图 4A所示，过渡迭层 102包含第一过渡迭层 1021、第二过渡迭层 1022与第三过渡迭层 1023 , 其中第二过渡层 1022中的孔洞宽度或密度小于第一过渡迭层 1021与第三过渡迭层 1023。如图 4B所示，显示过渡迭层 102的上视图，其中第三过渡迭层 1023中的多个孔洞的平均间距约为 20-100nm。在本实施例中，利用过渡迭层 102中第一过渡迭层 1021、第二过渡迭层 1022与第三过渡迭层 1023的孔洞宽度或密度变化，产生不同的折射率，而可有 DBR反射层的效果。

如第 5A-5B图所示，显示本发明另一实施例所形成过渡迭层 102的扫描式电子显 ϋ镜（Scanning Elect ron Mi croscopy, SEM)图。如图 5A所示，过渡迭层包含第一过渡迭层 1021、第二过渡迭层 1022与第三过渡迭层 1023, 其中第二过渡层 1022中的孔洞宽度或密度大于第一过渡迭层 1021与第三过渡迭层 1023。如图 5B所示，显示过渡迭层 102的上视图，其中第三过渡迭层 1023 中的多个孔洞的平均间距约为 20-100nm。在本实施例中，利用过渡迭层 102中第一过渡迭层 1021、第二过渡迭层 1022与第三过渡迭层 1023的孔洞宽度或密度变化，产生不同的折射率，而可有 DBR反射层的效果。

具体而言，光电元件 100 包含发光二极管（ LED )、光电二极管 ( hotodiode ), 光敏电阻（ photores is te]：)、激光（ lase]：)、红夕卜线发射体 ( infrared emitter )、有机发光二极管 ( organic light-emitting diode ) 及太阳能电池（solar cell )中至少之一。基板 101为一生长及 /或承载基础。候选材料可包含导电基板或不导电基板、透光基板或不透光基板。其中导电基板材料之一可为锗（ Ge ), 砷化镓（ GaAs ), 铟化磷（ InP )、碳化硅（ SiC )、硅（Si)、铝酸锂（LiA102)、氧化辞（ZnO )、氮化镓（ GaN )、氮化铝（A1N)、金属。透光基板材料之一可为蓝宝石（Sapphire), 铝酸锂（LiA102)、氧化辞（Zn0)、氮化镓（GaN )、玻璃、钻石、 CVD钻石、与类钻碳（ Diamond-Like Carbon; DLC )、尖晶石（spinel, MgA1204)、氧化铝（A1203)、氧化硅（SiOX) 及镓酸锂（LiGa02)。

上述第一半导体层 103及第二半导体层 105是彼此中至少二个部分的电特性、极性或掺杂物相异、或者是分别用以提供电子与洞空穴的半导体材料单层或多层（「多层」指二层或二层以上，以下同。），其电特性选择可以为 p 型、 n型、及 i型中至少任意二者的组合。有源层 104位于第一半导体层 103 及第二半导体层 105之间，为电能与光能可能发生转换或被诱发转换的区域。电能转变或诱发光能者是如发光二极管、液晶显示器、有机发光二极管；光能转变或诱发电能者是如太阳能电池、光电二极管。上述第一半导体层 103、有源层 104 及第二半导体层 105 其材料包含一种或一种以上的元素选自镓 (Ga)、铝（Al)、铟（In)、砷（As)、磷（P)、氮（N)以及硅（Si)所构成群组。

依据本发明的另一实施例的光电元件 100是一发光二极管，其发光频谱可以通过改变半导体单层或多层的物理或化学要素进行调整。常用的材料有例如磚化铝镓铟（ AlGalnP )系列、氮化铝镓铟（ AlGalnN )系列、氧化辞（ ZnO ) 系列等。有源层 104的结构是如：单异质结构（single heteros tructure; SH )、双异质结构（ double heteros tructure； DH )、双侧双异质结构 ( double- s ide double heteros tructure; DDH )、或多层量子井 ( mul t i_quant μ ηι we l l ; MQW )₀ 再者，调整量子井的对数亦可以改变发光波长。

在本发明的一实施例中，第一半导体层 103与过渡迭层 102或过渡迭层 102与基板 101 间还可选择性地包含一緩冲层（buffer layer , 未显示）。此緩冲层是介于二种材料系统之间，使基板的材料系统 "过渡" 至半导体系统的材料系统。对发光二极管的结构而言，一方面，緩冲层是用以降低二种材料间晶格不匹配的材料层。另一方面，緩冲层亦可以是用以结合二种材料或二个分离结构的单层、多层或结构，其可选用的材料是如：有机材料、无机材料、金属、及半导体等；其可选用的结构是如：反射层、导热层、导电层、奥姆接触（ ohmi c contact )层、抗形变层、应力释放（ s tres s re lease )层、应力调整 ( s tres s adjus tment )层、接合 ( bonding )层、波长转换层、及机械固定构造等。

第二半导体层 105上更可选择性地形成一接触层（未显示）。接触层是设置于第二半导体层 105远离有源层 104的一侧。具体而言，接触层可以为光学层、电学层、或其二者的组合。光学层是可以改变来自于或进入有源层 104 的电磁辐射或光线。在此所称「改变」是指改变电磁辐射或光的至少一种光学特性，前述特性是包含但不限于频率、波长、强度、通量、效率、色温、演色性 ( render ing index )、光场 ( l ight f ie ld )、及可视角 ( ang le of view )。电学层是可以使得接触层的任一组相对侧间的电压、电阻、电流、电容中至少之一的数值、密度、分布发生变化或有发生变化的趋势。接触层的构成材料是包含氧化物、导电氧化物、透明氧化物、具有 50%或以上穿透率的氧化物、金属、相对透光金属、具有 50%或以上穿透率的金属、有机质、无机质、荧光物、磷光物、陶瓷、半导体、掺杂的半导体、及无掺杂的半导体中至少之一。于某些应用中，接触层的材料为氧化铟锡、氧化镉锡、氧化锑锡、氧化铟辞、氧化辞铝、与氧化辞锡中至少之一。若为相对透光金属，其厚度较佳地约为 0. 005 μ ηι-0. 6 μ ηι。

以上各附图与说明虽仅分别对应特定实施例，然而，各个实施例中所说明或揭露的元件、实施方式、设计准则、及技术原理除在彼此显相冲突、矛盾、或难以共同实施之外，本领域技术人员当然可依其所需任意参照、交换、搭配、协调、或合并。

虽然本发明已说明如上，然而其并非用以限制本发明的范围、实施顺序、或使用的材料与过程方法。对于本发明所作的各种修饰与变更，均不脱离本发明的精神与范围。

Claims

权利要求书

1. 一种光电元件，包含：

一基板；及

一过渡迭层，位于该基板之上，其中该过渡迭层包含至少一第一过渡层，位于该基板之上，且该第一过渡层内部具有一第一孔洞结构；及一第二过渡层，且该第二过渡层内部具有一第二孔洞结构，且位于该第一过渡层之上，其中该第一孔洞结构与该第二孔洞结构具有一宽度与密度，且该第一孔洞结构的宽度或密度大小与第二孔洞结构的宽度或密度大小不同。

2. 如权利要求 1所述的光电元件，其中所述光电元件包含多个所述第一孔洞结构与多个所述第二孔洞结构，所述些第一孔洞结构与所述些第二孔洞结构可相互连结，形成一个或多个网状孔洞群；或这些第一孔洞结构与这些第二孔洞结构呈一规则阵列，且这些第一孔洞结构与这些第二孔洞结构其平均间距介于 10讓- 2000讓，孔隙度介于 5%- 90%。

3. 如权利要求 1所述的光电元件，还包含一第一半导体层、一有源层及一第二半导体层形成于所述过渡迭层之上。

4. 如权利要求 3所述的光电元件，其中所述过渡迭层、所述第一半导体层、所述有源层及所述第二半导体层的材料包含一种或一种以上的元素选自镓（Ga)、铝（Al)、铟（In)、砷（As)、磷（P)、氮（N)以及硅（S i)所构成群组。

5.如权利要求 1所述的光电元件，其中所述第一孔洞结构的宽度或密度大于所述第二孔洞结构的宽度或密度。

6. 如权利要求 1所述的光电元件，其中所述过渡迭层为一掺杂浓度介于 1E15-1E19 cm-³的 N型掺杂层，且所述第一过渡层与所述第二过渡层之掺杂浓度不同。

7. 如权利要求 1所述的光电元件，其中所述第一孔洞结构与所述第二孔洞结构为一光子晶体结构。

8. 如请求项 1所述的光电元件，还包括一连接层形成于所述过渡迭层之上，其中所述连接层可为一非故意掺杂层（unintent iona l doped layer)或一未棒杂层 (undoped layer)。

9. 如请求项 1所述的光电元件，其中所述过渡迭层还包括一第三过渡层形成于所述第二过渡层之上，且所述第三过渡迭层内部具有至少一第三孔洞结构，其中所述第三孔洞结构具有一宽度与密度，且第一孔洞结构的宽度或密度大小、第二孔洞结构的宽度或密度大小与第三孔洞结构的宽度或密度大小不同。

10. 一种制造一光电元件的方法，包含下列步骤：

提供一基板；

形成一第一过渡层于所述基板之上；

形成至少一第一孔洞结构于所述第一过渡层内；

形成一第二过渡层于所述第一过渡层之上；及

形成至少一第二孔洞结构，于所述第二过渡层内，其中所述第一孔洞结构与所述第二孔洞结构具有一宽度与密度，且所述第一孔洞结构的宽度或密度大小与第二孔洞结构的宽度或密度大小不同。

11. 如权利要求 10所述的方法，其中于所述第一过渡层与所述第二过渡层中形成所述第一孔洞结构与所述第二孔洞结构的步骤包含电化学蚀刻、非等向性干蚀刻或非等向性湿蚀刻。

12. 如权利要求 10所述的方法，其中所述光电元件包含多个所述第一孔洞结构与多个所述第二孔洞结构，这些第一孔洞结构与这些第二孔洞结构可相互连结，形成一个或多个网状孔洞群；或这些第一孔洞结构与这些第二孔沿结构呈一规则阵列，且这些第一孔洞结构与这些第二孔洞结构其平均间距介于 10nm_2000nm, 孔隙度介于 5%_90%。

13. 如权利要求 10所述的方法，还包含形成一第一半导体层、一有源层及一第二半导体层于所述过渡迭层之上。

14. 如权利要求 13所述的方法，其中所述过渡迭层、所述第一半导体层、所述有源层及所述第二半导体层的材料包含一种或一种以上的元素选自镓 (Ga)、铝（Al)、铟（In)、砷（As)、磷（P)、氮（N)以及硅（S i)所构成群组。

15.如权利要求 10所述的方法，其中所述第一孔洞结构的宽度或密度大于所述第二孔洞结构的宽度或密度。

16.如权利要求 10所述的方法，其中所述第一孔洞结构与所述第二孔洞结构是以电化学蚀刻形成且所述过渡迭层为一掺杂浓度介于 1E15-1E19 cm—³ 的 N型掺杂层，且所述第一过渡层与所述第二过渡层的掺杂浓度不同。

17. 如权利要求 10所述的方法，其中所述第一孔洞结构与所述第二孔洞结构为一光子晶体结构。

18. 如权利要求 10所述的方法，还包括形成一连接层于所述过渡迭层之上，其中所述连接层可为一非故意掺杂层（unintent iona l doped layer)或一未棒杂层 (undoped layer) 。

19. 如权利要求 10所述的方法，其中所述过渡迭层还包括形成一第三过渡层于所述第二过渡层之上，且所述第三过渡迭层内部具有至少一第三孔洞结构，其中所述第三孔洞结构具有一宽度，其中所述宽度为所述第三孔洞结构于平行所述表面方向的最大尺寸，且所述第一孔洞结构的宽度或密度大小、第二孔洞结构的宽度或密度大小与第三孔洞结构的宽度或密度大小不同。