CN105870285B

CN105870285B - 半导体发光元件

Info

Publication number: CN105870285B
Application number: CN201510029040.3A
Authority: CN
Inventors: 邱新智; 陈世益; 吕志强
Original assignee: Epistar Corp
Current assignee: Epistar Corp
Priority date: 2015-01-21
Filing date: 2015-01-21
Publication date: 2019-09-03
Anticipated expiration: 2035-01-21
Also published as: CN110379896B; CN110379896A; CN105870285A

Abstract

本发明公开一种半导体发光元件，包含一外延叠层具有一第一半导体层、一第二半导体层以及一有源层位于该第一半导体层以及该第二半导体层之间用以产生一光波；以及一主要出光面位于该第一半导体层之上，该光波穿透过该主要出光面；其中，该主要出光面包含一第一出光区域、一第二出光区域以及一最大近场发光强度，该第一出光区域内的近场发光强度分布介于该最大近场发光强度的70％到100％之间，该第二出光区域内的近场发光强度分布介于该最大近场发光强度的0％到70％之间。

Description

半导体发光元件

技术领域

本发明涉及一种发光二极管的结构设计。

背景技术

请见图1，为一现有的发光二极管100(light-emitting diode)结构的示意图，包含一基板5b、一外延结构1b以及两电极2与9b，其中外延结构1b包含一第一半导体叠层11b、一有源层10b以及一第二半导体叠层12b，电极2形成于外延结构1b的上表面用以通过金属导线2b连接至外部电源，电极9b形成于基板5b下方，电极2以及电极9b用以传导外部电流流经有源层10b，使有源层10b中的电子空穴彼此复合(recombination)，释放出一定峰波长的光子而使发光二极管100发光。但是，当发光二极管的体积缩小时，管芯侧壁因蚀刻造成的晶格缺陷使得非幅射复合效应(non-radiative recombination)的影响变得显著，使得发光效率下降。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种半导体发光元件，包含一外延叠层具有一第一半导体层、一第二半导体层以及一有源层位于该第一半导体层以及该第二半导体层之间用以产生一光波；以及一主要出光面位于该第一半导体层之上，该光波穿透过该主要出光面；其中，该主要出光面包含一第一出光区域、一第二出光区域以及一最大近场发光强度，该第一出光区域内的近场发光强度分布介于该最大近场发光强度的70％到100％之间，该第二出光区域内的近场发光强度分布介于该最大近场发光强度的0％到70％之间。

本申请一实施例的半导体发光元件中还包含一控制层，包含一导电区域与一电绝缘区域环绕该导电区域。

本申请一实施例的半导体发光元件中还包含一欧姆接触结构位于该第二半导体叠层上，其中该正面电极以及该欧姆接触结构在垂直方向上重叠。

本申请一实施例的半导体发光元件中，该正面电极与该欧姆接触结构的面积分别为该主要出光面的面积的1％～10％之间。

本申请一实施例的半导体发光元件中，该导电区域与该第一出光区域在垂直方向上重叠。

附图说明

图1为现有的半导体发光元件结构的示意图；

图2A～图2B为本申请第一实施例的半导体发光元件示意图；

图3为本申请第一实施例的半导体发光元件的上视图；

图4A～图4C为本申请第二实施例的半导体发光元件的示意图。

符号说明

1A 半导体发光元件

1B 半导体发光元件

1C 半导体发光元件

100 发光二极管

1 外延结构

1S 侧面

1b 外延结构

10 有源层

10b 有源层

11 第一半导体叠层

111 第一电性限制层

112 第一电性包覆层

113 第一电性出光层

114 第一电性接触层

11a 上表面

11b 第一半导体叠层

12 第二半导体叠层

121 第二电性限制层

122 第二电性包覆层

123 第二电性出光层

124 第二电性接触层

12a 下表面

12b 第二半导体叠层

13 控制层

13a 氧化区域

13b 导电区域

2 电极

21 正面电极

22 第二欧姆接触结构

3 反射叠层

31 透明导电层

32 金属反射层

33 障蔽层

4 黏着层

5 基板

5b 基板

6A 透明电极

6B 次基板

71 第一出光区域

72 第二出光区域

8 边缘

9 背电极

9b 电极

S 近场发光强度分布

具体实施方式

第一实施例

图2A为本申请第一实施例的半导体发光元件1A示意图。半导体发光元件1A包含一外延结构1，其中外延结构1包含一第一半导体叠层11、一有源层10以及一第二半导体叠层12；一正面电极21位于第一半导体叠层11的上表面11a的中心位置，与第一半导体叠层11形成欧姆接触，第一半导体叠层11的上表面11a未被正面电极21覆盖的部分为一粗化表面用以提高光取出率；一第二欧姆接触结构22位于第二半导体叠层12的下表面12a的中心位置，与第二半导体叠层12形成欧姆接触；一反射叠层3位于第二半导体叠层12的下表面12a上，覆盖第二半导体叠层12以及第二欧姆接触结构22，其中反射叠层3包含一透明导电层31覆盖第二半导体叠层12以及第二欧姆接触结构22、一金属反射层32覆盖透明导电层31以及一障蔽层33覆盖在金属反射层32上；一导电基板5通过一黏着层4与反射叠层3黏合；以及一背电极9设置在导电基板5相对于反射叠层3的另一侧上，其中可通过正面电极21以及背电极9导入一电流，使有源层10发出一光线，此光线可穿透第一半导体叠层11以及第二半导体叠层12，第一半导体叠层11以及第二半导体叠层12的能隙大于有源层10的能隙，因此，第一半导体叠层11以及第二半导体叠层12对于有源层10发出的光线的透明度超过50％，光线可直接穿透第一半导体叠层11从上表面11a或外延结构1的侧面1S射出，或是先经由反射叠层3反射后从外延结构1的上表面11a或者外延结构1的侧面1S射出。

有源层10包含一多重量子阱(Multiple Quantum Wells)结构；第一半导体叠层11包含第一电性限制层(confining layer)111、第一电性包覆层(cladding layer)112、第一电性窗口层(window layer)113、以及第一电性接触层(contact layer)114；第二半导体叠层12包含第二电性限制层121、第二电性包覆层122、第二电性窗口层123、以及第二电性接触层124；其中，第一及第二电性包覆层112、122可分别提供电子、空穴于有源层10中复合以发光并具有比有源层10较大的能隙；第一及第二电性限制层111、121用以提升电子、空穴于有源层10中复合的机率并具有比有源层10较大的能隙；第一及第二电性窗口层113、123具有比包覆层较小的片电阻(sheet resistance)以提高电流分散以及从有源层10射出的光线取出率；第一及第二电性接触层114、124分别与正面电极21及第二欧姆接触结构22形成欧姆接触。第一半导体叠层11、有源层10以及第二半导体叠层12的材料可包含Ⅲ-Ⅴ族半导体材料，例如Al_xIn_yGa_(1-x-y)N或Al_xIn_yGa_(1-x-y)P，0x,y 1；(x+y)1，其中第一电性以及第二电性依据掺杂不同的元素而可带有不同的电性，例如第一电性为n型，第二电性为p型；或第一半导体叠层11为一n型半导体，第二半导体叠层12为一p型半导体。依据有源层10的材料，外延结构1可发出峰波长介于610nm及650nm之间的红光，峰波长介于530nm及570nm之间的绿光，或是峰波长介于440nm及490nm之间的蓝光。

图3为依本实施例的半导体发光元件1A的上视图，半导体发光元件1A具有一边缘8以界定上表面11a的形状，上表面11a的形状于本实施例为圆形，在其他的实施例中，上表面11a的形状也可为多边形，例如长方形、不等长五边形、不等长六边形等，或者正多边形，例如正方形、正五边形、正六边形等。正面电极21与第二欧姆接触结构22分别位于上表面11a与下表面12a的中心位置，以减少电流流经外延结构1侧面1S比例；在本实施例中，正面电极21与第二欧姆接触结构22的面积分别占第一半导体叠层11的上表面11a与第二半导体叠层12的下表面12a的面积约1％～10％之间，以避免正面电极21与第二欧姆接触结构22的面积过大造成遮光，以及避免正面电极21过小造成正向起始电压(forward thresholdvoltage)过高使发光效率降低，其中当正面电极21以及第二欧姆接触结构22的面积分别占上表面11a与下表面12a的面积约2％时，能够获得最佳的发光效率。

本实施例中，半导体发光元件1A的上表面11a的面积小于10000μm²，或上表面11a的周长小于400μm，正面电极21位于上表面11a的中心且正面电极21与边缘8之间的最小距离小于50μm，当外延结构1的厚度为10μm以上时，外延叠层1厚度与上表面11a周长的比例至少大于2.5％，电流在外延结构1内容易散布开，使得流经半导体发光元件1A的外延结构1侧面1S的电流比例增大。本实施例中，外延结构1的总厚度减薄至小于3μm以下或介于1μm～3μm之间，优选的是介于1μm～2μm之间，使外延结构1厚度与上表面11a周长的比例减少到至少小于0.75％，用以降低半导体发光元件1A的非辐射复合效应，提升发光效率。第一半导体叠层11的总厚度为有源层10以上、上表面11a以下之间所有外延结构的总厚度，第二半导体叠层12的总厚度为有源层10以下、下表面12a以上之间所有外延结构的总厚度，本实施例中，第一半导体叠层11的总厚度介于不大于1μm或优选地之间及/或第二半导体叠层12的总厚度不大于1μm或优选地介于之间，其中，第一半导体叠层11的第一电性限制层111，包覆层112以及第一电性出光层113各层的厚度不大于或优选地介于之间；第二半导体叠层12的第二电性限制层121，第二电性包覆层122以及第二电性出光层123各层的厚度不大于或优选地介于之间。第一、第二电性接触层114、124的厚度不大于或优选地介于之间。由于第一半导体叠层11的总厚度介于之间，第一半导体叠层11的粗化表面可采用湿蚀刻或干蚀刻制作工艺，并且为较精准掌握蚀刻的深度，可以电感耦合等离子体(ICP,Inductively Coupled Plasma)蚀刻法以避免蚀刻深度控制不佳造成穿透第一半导体叠层11的结构而产生漏电路径，其中，第一半导体叠层11的粗化表面上，相邻的一高点与一低点在垂直方向上的距离介于及之间。

本实施例中，半导体发光元件1A的上表面11a的形状优选地系为一圆形，且外延结构1的侧面1S经由ICP蚀刻制作工艺轰击而形成，因此外延结构1的侧面1S为一粗糙或不平整表面，使得流经半导体发光元件1A的外延结构1侧面1S的电流比例增大，表面非辐射复合效应的影响增加，导致发光效率降低。为了减少外延结构1侧面1S的面积，对于上表面11a的面积都为10000μm²的半导体发光元件1A来说，当上表面11a的形状为圆形时，周长约为354μm，小于当上表面11a的形状为周长为400μm的正方形，周长越短，外延结构1侧面1S的面积越小，可降低粗糙侧面1S的非辐射复合效应；且当上表面11a的形状为圆形时，上表面11a中心的正面电极21与边缘8之间的距离相同，也有助于控制电流路径局限在外延结构1的内部区域。

如图3所示，半导体发光元件1A的上表面11a包含第一出光区域71与第二出光区域72，其中第一出光区域71位于上表面11a的中央部分，第二出光区域72位于第一出光区域71与边缘8之间。当发光元件1A应用于显示面板等小电流驱动装置时，例如驱动电流密度介于0.1～1A/cm²之间，上表面11a具有一近场发光强度(near-field luminous intensity)分布S，最大近场发光强度100％位于第一出光区域71内，且第一出光区域71内的近场发光强度都大于最大近场发光强度的70％，第二出光区域72内的近场发光强度介于最大近场发光强度的30％到70％之间；本实施例中，由于外延结构1总厚度大幅地缩小，减少了电流通过外延结构1的距离，可局限电流在外延结构1内部而不易扩散至侧边；以及正面电极21与第二欧姆接触结构22分别位于上表面11a与下表面12a的中心位置，可减少电流扩散至外延结构1侧面1S的比例，以降低非辐射复合造成的发光效率损失。第一出光区域71的形状近似于上表面11a的形状为一圆形，且第一出光区域71与第二出光区域72的面积比介于0.25～0.45。

本实施例中，半导体发光元件1A的上表面11a的面积小于10000μm²，当上表面11a的形状为正方形时，周长小于400μm，当上表面11a的形状为圆形时，周长约小于354μm，为了导入外部电流，若在上表面11a上以宽度约5～10μm的金属导线连接至正面电极21时，上表面11a被金属导线遮蔽的部分将至少占2.5％以上，减少了正向出光面的面积，因此，如图2B所示，半导体发光元件1A于应用时，可进一步以背电极9接合于一次基板(sub-mount)6B上的一电路结构，例如导线架，以形成一电连接，并以一外部的透明电极6A连接至半导体发光元件1A的电极21以导入外部电流，其中透明电极6A的材料包含导电氧化物，例如氧化铟锌、氧化铟锌、氧化铟镓锌、氧化锌或氧化铝锌。在其他实施例中，可将多个半导体发光元件1A与次基板6B上的电路结构电连接，并通过透明电极6A同时连接多个半导体发光元件1A的电极21以形成并联、串联或串并联。本实施例的第一半导体叠层11例如为n型半导体，透明电极6A与电极21形成欧姆接触。正面电极21为金属材料所构成，包含锗(Ge)、金(Au)、镍(Ni)、锗金合金、或锗金镍合金。第二欧姆接触结构22位于外延结构1的相对于上表面11a的下表面12a上，并与第二半导体叠层12欧姆接触，其中第二半导体叠层12的第二电性第二接触层124的掺杂浓度约1*10¹⁹/cm³，第二欧姆接触结构22可采用透明氧化金属材料，例如氧化铟锡，以与第二半导体叠层12形成欧姆接触，并可增加光线穿透第二半导体叠层12的下表面12a的比率。第二欧姆接触结构22上的透明导电层31材料包含但不限于氧化铟锌、氧化铟镓锌、氧化锌或氧化铝锌，在透明导电层31上的金属反射层32材料包含银(Ag)、铝(Al)或金(Au)等对于有源层发出的光线反射率大于95％的材料，其中透明导电层31用以隔开以避免金属反射层32与第二半导体叠层12直接接触，避免当半导体发光元件1A在电流长期地驱动下，金属反射层32与第二半导体叠层12产生物理或化学反应造成反射率或导电率下降，此外透明导电层31可协助将电流散布至反射叠层3，以避免热集中在反射叠层3的部分区域；透明导电层31的折射率小于第二半导体叠层12的折射率至少1.0以上，因此，两者之间的折射率差异造成的全反射介面可反射部分从有源层10发出的光线，未被反射的光线穿透过透明导电层31再被金属反射层32反射。覆盖在金属反射层32上的障蔽层33材料包含钛(Ti)、铂(Pt)、金(Au)、钨(W)、镉(Cr)、其合金或其叠层，用以隔开金属反射层32与黏着层4，维持金属反射层32的稳定性，避免金属反射层32与黏着层4产生物理或化学反应造成反射率或导电率下降。黏着层4用以将导电基板5与反射叠层3黏合，并使电流可在反射叠层3与导电基板5之间流通，黏着层4包含铟(In)、钛(Ti)、镍(Ni)、锡(Sn)、金(Au)、其叠层或其合金；导电基板5包含但不限于硅(Si)、砷化镓(GaAs)、铜钨合金(CuW)、铜(Cu)或钼(Mo)；设置在导电基板5上相对于反射叠层3另一侧上的背电极9包含金(Au)，用以导入外部电流。

第二实施例

图4A与图4B为依本申请第二实施例的半导体发光元件1B与1C的示意图。第二实施例与第一实施例的差异在于外延结构1包含一控制层13，其中如图4A所示的半导体发光元件1B，控制层13可位于第一半导体叠层11中，或者如图4B所示的半导体发光元件1C，控制层13可位于第二半导体叠层12中。控制层13具有一导电区域13b与一氧化区域13a，其中氧化区域13a围绕导电区域13b并露出于外延结构1的侧面1S。导电区域13b的材料可为具有导电性的(Al_xGa_1-x)As，其中0.9<x≤1；氧化区域13a的材料可为电绝缘的Al_yO，其中0<y<1。导电区域13b与正面电极21以及第二欧姆接触结构22在垂直方向上重叠，用以控制电流分布在外延结构1的局部范围。如图4C的另一实施例的半导体发光元件1D，第二欧姆接触结构22可整面覆盖第二半导体叠层12的下表面12a，接着透明导电层31覆盖第二欧姆接触结构22，透明导电层31除了横向扩散电流以外，还可用以黏合第二欧姆接触结构22以及金属反射层32。本实施例中，第二欧姆接触结构22、透明导电层31与金属反射层32的材料同第一实施例所述。

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都不脱离本发明的精神与范围。

Claims

1.一种半导体发光元件，包含：

外延叠层，具有第一半导体叠层、第二半导体叠层以及有源层，位于该第一半导体叠层与该第二半导体叠层之间，用以产生一光波；

控制层，包含导电区域与电绝缘区域环绕该导电区域；以及

主要出光面，位于该第一半导体叠层之上，该光波穿透过该主要出光面；

其中，该主要出光面包含第一出光区域、第二出光区域以及最大近场发光强度，该第一出光区域内的近场发光强度分布介于该最大近场发光强度的70％到100％之间，该第二出光区域内的近场发光强度分布介于该最大近场发光强度的0％到70％之间，该第一出光区域的面积与该第二出光区域的面积比介于0.25～0.45之间。

2.如权利要求1所述的半导体发光元件，还包含正面电极于该第一半导体叠层上，且该正面电极的面积为该主要出光面的面积的1％～10％之间。

3.如权利要求1所述的半导体发光元件，其中该主要出光面具有一周长，该外延叠层具有一10μm以上的厚度，该厚度与该周长的比例至少大于2.5％。

4.如权利要求1所述的半导体发光元件，其中该主要出光面具有一周长，该外延叠层具有一3μm以下的厚度，该厚度与该周长的比例至少小于0.75％。

5.如权利要求1所述的半导体发光元件，其中该第一半导体叠层具有一粗化表面。

6.如权利要求2所述的半导体发光元件，还包含欧姆接触结构位于该第二半导体叠层上，其中该正面电极以及该欧姆接触结构在垂直方向上重叠。

7.如权利要求6所述的半导体发光元件，其中该欧姆接触结构的面积为该主要出光面的面积的1％～10％之间。

8.如权利要求2所述的半导体发光元件，其中该正面电极的材料包含锗、金、镍或其组合。

9.如权利要求1所述的半导体发光元件，其中该第一半导体叠层的总厚度不大于1μm及/或该第二半导体叠层的总厚度不大于1μm。

10.如权利要求1所述的半导体发光元件，其中该导电区域与该第一出光区域在垂直方向上有重叠的部分。