CN106374018B - 发光元件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种发光元件及其制造方法。该发光元件包含一载体；以及一第一发光单元位于载体上，并包含一第一半导体结构及一第二半导体结构，其中第二半导体结构较第一半导体结构更靠近载体，第一半导体结构包含一第一多重量子阱结构以于操作时发出一具有一第一主波长的第一光线，以及第二半导体结构包含一第二多重量子阱结构以于操作时不发出光线。
Description
技术领域
本发明涉及一种发光元件，且特别是涉及一种可发出多个主波长的发光元件。
背景技术
发光二极管(Light-Emitting Diode,LED)为被广泛使用的固态半导体发光元件。发光二极管包含一p型半导体层，一n型半导体层，以及一活性层位于p型半导体层及n型半导体层之间以发出一光线。发光二极管可将电能转换成光能，其工作原理为提供一电流予发光二极管以注入电子与空穴于活性层中，电子与空穴于活性层中结合后发出光线。
发明内容
一种发光元件包含一载体；以及一第一发光单元位于载体上，并包含一第一半导体结构及一第二半导体结构，其中第二半导体结构较第一半导体结构更靠近载体，第一半导体结构包含一第一多重量子阱结构以于操作时发出一具有一第一主波长的第一光线，以及第二半导体结构包含一第二多重量子阱结构以于操作时不发出光线。
一种发光元件的制造方法包含提供一成长基板；成长一包含一第一多重量子阱结构的第一半导体叠层于成长基板上；成长一包含一第二多重量子阱结构的第二半导体叠层于第一半导体叠层上；提供一载体；接合第二导体叠层至载体，其中载体包含一第一区及一邻接第一区的第二区；移除载体上第二区的第一半导体叠层以露出第二半导体叠层，并保留载体上第一区的第一半导体叠层；通过移除部分第二半导体叠层以形成一沟槽以将第二半导体叠层分隔为两个分开的部分；形成一第一顶部电极于载体上的第一区的第一半导体叠层上；以及形成一第二顶部电极于载体上的第二区的第二半导体叠层上，其中载体共同电连接至第一顶部电极及第二顶部电极。
附图说明
图1A～图1D是本发明一实施例中所揭示的一发光元件的制造方法；
图2是本发明第一实施例中所揭示的一发光元件的剖视图；
图3是本发明第二实施例中所揭示的一发光元件的剖视图。
符号说明
1 发光元件
1a 第一发光单元
1b 第二发光单元
10 成长基板
11 第一半导体叠层
11a 第一半导体结构
111 第一半导体层
112 第一活性层
113 第二半导体层
13 反射层
14 穿隧接面
15 第二半导体叠层
15a 第二半导体结构
15b 第三半导体结构
15s 表面
15s’ 侧表面
151 第三半导体层
152 第二活性层
153 第四半导体层
16 第三上部电极
161 接触电极
162 跨桥电极
17 第一顶部电极
18 第二顶部电极
20 载体
21 粘结层
22 底部电极
23 蚀刻停止层
30 沟槽
100 电流
200 电流
具体实施方式
为了使本发明的叙述更加详尽与完备，请参照下列实施例的描述并配合相关图示。以下所示的实施例是用于例示本发明的发光元件，并非将本发明限定于以下的实施例。又，本说明书记载于实施例中的构成零件的尺寸、材质、形状、相对配置等在没有限定的记载下，本发明的范围并非限定于此，而仅是单纯的说明而已。且各图示所示构件的大小或位置关系等，会由于为了明确说明有加以夸大的情形。更且，在以下的描述中，为了适切省略详细说明，对于同一或同性质的构件用同一名称、符号显示。
图1A～图1D是本发明一实施例中所揭示的一发光元件1的制造方法。如图1A所示，发光元件1的制造方法包含通过外延方法以外延成长一第一半导体叠层11于成长基板10上，例如有机金属化学气相沉积法(MOCVD)、分子束外延(MBE)、或氢化物气相沉积法(HVPE)。成长基板10包含一具有一单晶面的单晶材料以使第一半导体叠层11外延成长于成长基板10上，其中单晶面包含蓝宝石C面，蓝宝石R面，或蓝宝石A面。于另一例中，成长基板10包含金属氧化物或半导体材料，例如碳化硅(SiC)、硅、氧化锌、砷化镓、或氮化镓。第一半导体叠层11包含一具有一第一导电性的第一半导体层111，一具有一第二导电性的第二半导体层113，第二导电性不同于第一导电性，以及一第一活性层112形成于第一半导体层111及第二半导体层113之间。第一活性层112包含单异质结构(single heterostructure,SH)，双异质结构(double heterostructure,DH)，或多层量子阱结构(multi-quantum well,MQW)。于一实施例中，第一半导体层111为n型半导体层以提供电子，第二半导体层113为p型半导体层以提供空穴，电子与空穴于一驱动电流下在第一活性层112复合以发出一光线。于另一实施例中，第一半导体层111可为p型半导体层，第二半导体层113可为n型半导体层。第一活性层112的材料包含InxGnyAl(1-x-y)N(0≤x,y≤1)可发出一光线具有一主波长位于紫外光与绿光光谱之间，InxGayAl(1-x-y)P(0≤x,y≤1)以发出一光线具有一主波长位于黄光与红光光谱之间，或InxGayAl(1-x-y)As(0≤x,y≤1)以发出一光线具有一主波长位于红外光光谱。
接下来，以外延成长一反射层13于第一半导体叠层11上。反射层13包含一布拉格反射(DBR)结构及Ⅲ-Ⅴ族半导体材料。反射层13具有与第一半导体叠层11的第二半导体层113相同的导电性。接下来，一包含Ⅲ-Ⅴ族半导体材料的穿隧接面(tunnel juntion)14外延成长于第一半导体叠层11上。此穿隧接面14包含一pn接面是通过一具有一第一导电性的第一重掺杂层，例如n型导电性半导体层，及一具有一第二导电性的第二重掺杂层，例如p型导电性半导体层所构成。重掺杂的n型导电性半导体层及重掺杂的p型导电性半导体层具有一掺杂浓度至少高于第一半导体叠层11的半导体层的掺杂浓度一个数量级(order)以上。构成穿隧接面14的多个重掺杂层较佳为具有高于1018/cm3的掺杂浓度，以于操作时提供低阻值的电性接面。具有低电阻的穿隧接面14是做为第一半导体结构11a及于后续制作工艺中形成于第一半导体结构11a上的其他半导体结构之间的电性接面。穿隧接面14的一侧邻接于第二半导体层113或是反射层13，具有与第二半导体层113或是反射层13相同的导电性。穿隧接面14的另一侧远离于第二半导体层113或是反射层13，具有与第二半导体层113或是反射层13相反的导电性。
接下来，一蚀刻停止层23外延成长于第一半导体叠层11之上。接下来，一第二半导体叠层15通过外延方法以外延成长于蚀刻停止层23上，外延方法例如为有机金属化学气相沉积法(MOCVD)、分子束外延(MBE)、或氢化物气相沉积法(HVPE)。第二半导体叠层15包含一具有一第一导电性的第三半导体层151，一具有一第二导电性的第四半导体层153，第二导电性不同于第一导电性，以及一第二活性层152形成于第三半导体层151及第四半导体层153之间。第二活性层152包含单异质结构(single heterostructure,SH)，双异质结构(double heterostructure,DH)，或多层量子阱结构(multi-quantum well,MQW)。于一实施例中，第三半导体层151为n型半导体层以提供电子，第四半导体层153为p型半导体层以提供空穴，空穴与电子于一驱动电流下在第二活性层152复合以发出一光线。于另一实施例中，第三半导体层151可为p型半导体层，第四半导体层153可为n型半导体层。第二活性层152的材料包含InxGnyAl(1-x-y)N(0≤x,y≤1)以发出一光线具有一主波长位于紫外光与绿光光谱之间，InxGayAl(1-x-y)P(0≤x,y≤1)以发出一光线具有一主波长位于黄光与红光光谱之间，或InxGayAl(1-x-y)As(0≤x,y≤1)以发出一光线具有一主波长位于红外光光谱。
第一半导体叠层11，反射层13，穿隧接面14，蚀刻停止层23，及第二半导体叠层15于一外延腔体中连续性地成长于成长基板10上以避免污染，并确保半导体层堆叠的外延品质。
如图1B所示，发光元件1的制造方法还包含一接合步骤以将上述步骤中的多层结构倒装接合至一载体20上，接合步骤包含透过一粘结层21接合第二半导体叠层15的第四半导体层153至载体20上，以及一热压制作工艺，其中载体20包含一第一区及一邻接第一区的第二区。做为接合之层的粘结层21包含黏性材料。载体20及粘结层21包含导电材料，例如金属或焊料。于本实施例的一变化例中，载体20包含导热材料或绝缘材料。接下来，于第二半导体叠层15的第四半导体层153接合至载体20后，移除成长基板10。
如图1C所示，发光元件1的制造方法还包含通过一光刻制作工艺以形成一图案化掩模(图未示)于第一半导体叠层11上，及通过化学性湿式蚀刻或干蚀刻以蚀刻位于载体20第二区上的第一半导体叠层11，例如未被图案化掩模覆盖的部分第一半导体叠层11，反射层13，以及穿隧接面14以露出蚀刻停止层23，并保留载体20第一区上的第一半导体叠层11。蚀刻停止层23为Ⅲ-Ⅴ族半导体材料，例如磷化铟镓(InGaP)，在蚀刻步骤中具有一蚀刻率较第一半导体叠层11的一蚀刻率为低。为图案化掩模所覆盖的部分第一半导体叠层11被保留于第二半导体叠层15上以形成一第一半导体结构11a。
如图1D所示，发光元件1的制造方法还包含形成一沟槽30以穿过裸露的蚀刻停止层23及第二半导体叠层15。沟槽30分隔第二半导体叠层15为第二半导体结构15a及第三半导体结构15b，其中第二半导体结构15a形成于载体20及第一半导体结构11a之间，第三半导体结构15b形成于载体20上及与第二半导体结构15a分隔开来。
接下来，经由制造方法所得的发光元件1的替换例分别例示于图2及图3中。
如图2或图3所示，一底部电极22位于载体20的背侧以电连接至第一半导体结构11a，第二半导体结构15a及第三半导体结构15b。一第一顶部电极17及一第二顶部电极18分别形成第一半导体结构11a的上侧及第三半导体结构15b的上侧。
图2为发光元件1的制造方法的第一例。制造方法还包含提供一第三顶部电极16于第二半导体结构15a的一裸露表面15s上，及提供一电流跨接第三顶部电极16及底部电极22以击穿(break down)第二半导体结构15a的二极管特性。具体而言，提供一反向偏压跨接于第三顶部电极16及底部电极22以超过第二半导体结构15a的逆向击穿电压，击穿第二半导体结构15a的二极管特性，使得所述第二半导体结构15a的第二活性层152不能够发光。更具体而言，于0.1到0.5秒的一持续区间，将80A/cm2与200A/cm2之间的电流跨过第三顶部电极16及底部电极22，注入到第二半导体结构15a以破坏第二半导体结构15a的二极管特性，在此所述二极管特性是指非线性的电流/电压特性。上述步骤使得第二半导体结构15a转为一具有线性的电流/电压特性的结构，使得第二半导体结构15a做为一电阻低于200欧姆(ohms)以下的电阻器，较佳为电阻低于100欧姆(ohms)以下的电阻器，更佳为电阻低于10欧姆(ohms)以下的电阻器。因此，即使提供一正向偏压跨接于第二半导体结构15a上，第二半导体结构15a的第二活性层152的第二多重量子阱(MQW)结构实质上不发光。在上述制作工艺步骤后，完成本发明第一实施例中所揭示的一发光元件1的结构。
图3为发光元件1的制造方法的第二例。制造方法还包含直接形成一第三顶部电极16于第二半导体结构15a的一上表面15s及一侧表面15s’上，第二半导体结构15a的第二活性层152的第二多重量子阱(MQW)结构与第三顶部电极16直接接触，以于第二半导体结构15a上形成短路。上述制作工艺使第一顶部电极17及底部电极22之间的驱动电流绕过第二半导体结构15a的第二活性层152，使得所述第二半导体结构15a的第二活性层152不能够发光。于上述制作工艺步骤后，完成本发明第二实施例中所揭示的一发光元件1的结构。
第一顶部电极17，第二顶部电极18，底部电极22，及第三顶部电极16包含具有低电阻率的金属材料，例如金(Au)、铝(Al)、铂(Pt)、铬(Cr)、钛(Ti)、镍(Ni)、钨(W)，或上述材料的组合，并且可为单层或多层结构。第一顶部电极17，第二顶部电极18，底部电极22，或第三顶部电极16的厚度约为0.1至10微米(μm)。于发光元件1的上视图观之，第一顶部电极17和第二顶部电极18各具有一形状，例如矩形，多边形，圆形，或椭圆形。第一顶部电极17，第二顶部电极18，底部电极22，及第三顶部电极16可以通过溅镀(Sputtering)，蒸镀(Evoaporation)，或电镀(Plating)来形成。
图2是本发明第一实施例中所揭示的一发光元件1的剖视图。发光元件1包含一第一发光单元1a及一第二发光单元1b。第一发光单元1a包含第一半导体结构11a及第二半导体结构15a，第二发光单元1b包含第三半导体结构15b。第一发光单元1a及第二发光单元1b两者皆位于载体20上。第一发光单元1a包含第一半导体结构11a，以及第二半导体结构15a位于第一半导体结构11a及载体20之间。第一发光单元1a所包含的第一半导体结构11a具有第一活性层112，其包含一第一多重量子阱(MQW)结构可为通过第一顶部电极17及底部电极22间的一电流所驱动而发出具有第一主波长λ1的光线。当第一发光单元1a被驱动以发出具有第一主波长λ1的光线时，第一发光单元1a的第二半导体结构15a的第二活性层152所包含的第二多重量子阱(MQW)结构不发光。第二发光单元1b包含第三半导体结构15b位于载体20上并邻接于第一发光单元1a，其中第三半导体结构15b的第二活性层152包含与第二半导体结构15a的第二活性层152相同的第二多重量子阱(MQW)结构，且第三半导体结构15b的第二活性层152所包含的第二多重量子阱(MQW)结构为第二顶部电极18及底部电极22驱动而发出具有第二主波长λ2的光线。第一半导体结构11a的第一多重量子阱(MQW)结构所包含的材料组成与第二半导体结构15a的第二多重量子阱(MQW)结构或第三半导体结构15b的第二多重量子阱(MQW)结构的材料组成不同。第一主波长λ1不同于第二主波长λ2。在本实施例的一例中，第一主波长λ1较第二主波长λ2为长。在本实施例的另一例中，第一主波长λ1位于红外线波段，及第二主波长λ2位于红光波段。在本实施例的另一例中，第一主波长λ1及第二主波长λ2位于红光波段。在本实施例的另一例中，第一主波长λ1及第二主波长λ2位于红外线波段。
第三顶部电极16位于第二半导体结构15a的表面15s上。提供一第一电流于第一顶部电极17及底部电极22以正向驱动第一半导体结构11a的第一活性层112的第一多重量子阱(MQW)结构以发出具有第一主波长λ1的光线。提供一第二电流于第二顶部电极18及底部电极22以正向驱动第三半导体结构15b的第二活性层152的第二多重量子阱(MQW)结构以发出具有第二主波长λ2的光线，其中波长λ1与波长λ2不同。更具体而言，当电流100通过串连连接的第一多重量子阱(MQW)结构及第二多重量子阱(MQW)结构时，第一发光单元1a的第一多重量子阱(MQW)结构仅发出第一主波长，其中即使正向驱动第二半导体结构15a，第二半导体结构15a的第二活性层152的第二多重量子阱(MQW)结构不发光。
图3是本发明第二实施例中所揭示的一发光元件1的剖视图。图3与图2中具有相同名称、标号的构造，是表示为相同的结构、具有相同的材料、或具有相同的功能，在此会适当省略说明或是不再赘述。
如图3所示，第一半导体结构11a的一侧表面及第二半导体结构15a的一表面15s形成一阶梯型结构。第三顶部电极16包含一接触电极161形成于第二半导体结构15a的上表面15s上，以及一跨桥电极162形成于第二半导体结构15a的侧表面15s’上。具体而言，第三顶部电极16紧邻于第二半导体结构15a的表面。接触电极161位于第二半导体结构15a的表面15s上，跨桥电极162自接触电极161延伸至载体20或粘结层21。第三顶部电极16构成为第二半导体结构15a的一电流通过路径，因而使得第二半导体结构15a的第二活性层152的第二多重量子阱(MQW)结构未有电流通过而不发光。第三顶部电极16包含低电阻率的金属材料，例如金(Au)、铝(Al)、铂(Pt)、铬(Cr)、钛(Ti)、镍(Ni)、钨(W)，或上述材料的组合，并且可为单层或多层结构。第三顶部电极16提供第一顶部电极17及底部电极22之间的串连连接。第三顶部电极16直接形成于第二半导体结构15a的上表面及侧表面上，在第二半导体结构15a上形成短路，以至于第一顶部电极17及底部电极22间的驱动电流绕过第二半导体结构15a的第二活性层152，使得第二半导体结构15a的第二活性层152于操作时不发光。第一半导体结构11a的第一活性层112的第一多重量子阱(MQW)结构为第一顶部电极17及底部电极22间所驱动而发出具有第一主波长λ1的光线。更具体而言，当电流200通过串连的第一多重量子阱(MQW)结构及第二多重量子阱(MQW)结构时，第一发光单元1a的第一多重量子阱(MQW)结构仅发出第一主波长，其中第二多重量子阱(MQW)结构不发光。
如图2、图3所示，发光元件1的粘结层21包含金属材料，例如铜(Cu)、铝(Al)、铂(Pt)、钛(Ti)、钨(W)、银(Ag)，或上述材料的组合。粘结层21形成于第一发光单元1a及载体20之间，及/或形成于第二发光单元1b及载体20之间以反射第一发光单元1a的第一活性层112所产生的光线并朝向远离于载体20的第一发光单元1a的光摘出面，及/或反射第二发光单元1b的第二活性层152所产生的光线以朝向第二发光单元1b的光摘出面。于本发明的一实施例中，第一发光单元1a及第二发光单元1b的光摘出效率可通过粘结层21而改善。
进一步来说，跨接于第三顶部电极16及底部电极22的反向偏压未超过第二半导体结构15a的逆向击穿电压，因而使得第一发光单元1a的第二半导体结构15a的二极管特性于第一实施例中未被击穿，或是第三顶部电极16(接触电极161及跨桥电极162)的短路电流未能完全阻隔电流流经第二实施例中的第一发光单元1a的第二半导体结构15a的第二活性层152。部分光线可能会产生并经由第一发光单元1a的第二半导体结构15a的第二活性层152射出。因此，反射层13形成于第一发光单元1a的第二半导体结构15a的第三半导体层151及第一发光单元1a的第一半导体结构11a的第二半导体层113之间以反射第一发光单元1a的第一半导体结构11a的第一活性层112产生的光线，并朝向第一发光单元1a的第一半导体结构11a的光摘出面射出，以及反射第一发光单元1a的第二半导体结构15a的第二活性层152产生的光线，并远离第一发光单元1a的第一半导体结构11a的光摘出面。于此些例示中，第一发光单元1a的第二半导体结构15a的第二活性层152所发出的光输出为发光元件1的总光输出的10％。
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 (26)
1.一种发光元件，包含：
载体；
第一半导体结构，位于该载体上，且包含第一半导体层，第二半导体层，以及第一活性层形成于该第一半导体层及该第二半导体层之间；
第二半导体结构，位于该载体与该第一半导体结构之间，且包含第二活性层；以及
反射层，位于该第一半导体结构与该第二半导体结构之间，且该反射层具有与该第二半导体层相同的导电性；
其中，当该发光元件在操作时，该第一活性层可发出一第一光线，而该第二活性层不发光。
2.如权利要求1所述的发光元件，其中该第一半导体层为n型半导体层，该第二半导体层为p型半导体层。
3.如权利要求2所述的发光元件，其中该第二半导体结构还包含第三半导体层以及第四半导体层，且该第二活性层位于该第三半导体层及该第四半导体层之间。
4.如权利要求1所述的发光元件，其中当该发光元件在操作时，一电流通过该第一活性层及该第二活性层。
5.如权利要求1所述的发光元件，其中该第一活性层包含InxGayAl1-x-yAs(0≤x,y≤1)，且该第二活性层包含InaGabAl1-a-bP(0≤a,b≤1)。
6.如权利要求1所述的发光元件，其中该第一半导体结构及该第二半导体结构之间还包括蚀刻停止层或穿隧接面。
7.如权利要求6所述的发光元件，其中该穿隧接面包含pn接面。
8.如权利要求7所述的发光元件，其中该穿隧接面包含：
第一层，具有第一导电性；以及
第二层，具有不同于该第一导电性的第二导电性；
其中，该第一层及该第二层具有掺杂浓度至少高于所述第一半导体层和所述第二半导体层中每一个的掺杂浓度一个数量级以上。
9.如权利要求8所述的发光元件，其中该第一层及该第二层具有高于1018/cm3的掺杂浓度。
10.如权利要求3所述的发光元件，还包括：
第一电极，位于该第一半导体结构上；以及
第二电极，位于该第二半导体结构的上表面及侧表面上且包含金属材料。
11.如权利要求10所述的发光元件，还包括底部电极，位于该载体上，其中该第二电极直接与该第二活性层相接触，且该第二电极与该第一电极及该底部电极电连接。
12.如权利要求10所述的发光元件，其中该第二电极包含接触电极形成于该第二半导体结构的该上表面上。
13.如权利要求12所述的发光元件，其中该第二电极还包括跨桥电极，形成于该第二半导体结构的该侧表面上且接触该第三半导体层。
14.如权利要求10所述的发光元件，其中该反射层包含布拉格反射(DBR)结构。
15.如权利要求14所述的发光元件，其中该反射层包含Ⅲ-Ⅴ族半导体材料。
16.如权利要求1所述的发光元件，还包括一第三半导体结构，位于该载体上，且包含第三活性层，其中当该发光元件在操作时，该第三活性层可发出一第二光线。
17.如权利要求16所述的发光元件，其中该第一光线及该第二光线分别为红光或红外光。
18.如权利要求16所述的发光元件，其中该第一光线包含第一主波长，该第二光线包含第二主波长，且该第一主波长不同于该第二主波长。
19.如权利要求16所述的发光元件，还包括第一电极，位于该第一半导体结构上；第二电极，位于该第二半导体结构上；以及第三电极，位于该第三半导体结构上。
20.如权利要求19所述的发光元件，其中该第三电极较该第一电极靠近该载体。
21.如权利要求16所述的发光元件，其中该第三活性层具有与该第二活性层相同的结构。
22.如权利要求16所述的发光元件，其中该第一活性层所包含的材料组成与该第二活性层或该第三活性层的材料组成不同。
23.如权利要求1所述的发光元件，其中该第二半导体结构与该载体之间还包含黏结层。
24.一种发光元件的制造方法，包含：
提供一载体，该载体包含第一区及邻接该第一区的第二区；
在该载体上形成第一半导体叠层、第二半导体叠层、以及位于该第一半导体叠层与该第二半导体叠层之间的反射层，且该第二半导体叠层位于该第一半导体叠层及该载体之间；
移除位于该第二区上的该第一半导体叠层，以露出该第二半导体叠层，而使位于该第一区上的该第一半导体叠层成为第一半导体结构；以及
移除该第二半导体叠层的一部分以形成一沟槽，由此将该第二半导体叠层分隔为第二半导体结构以及第三半导体结构；
其中，该第一半导体叠层包含第一半导体层，第二半导体层以及第一活性层形成于该第一半导体层及该第二半导体层之间，该反射层具有与该第二半导体层相同的导电性，该第二半导体结构包含第二活性层，且当该发光元件在操作时，该第一活性层可发出一第一光线，而该第二活性层不发光。
25.如权利要求24所述的发光元件的制造方法，还包括：
在该第一半导体结构上形成第一电极；以及
在该第二半导体结构的上表面及侧表面上形成第二电极；
其中，该第二电极包含金属材料。
26.如权利要求24所述的发光元件的制造方法，其中该反射层包含布拉格反射(DBR)结构。
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