CN111180559A - 半导体元件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种半导体元件。半导体元件包括第一半导体结构、第二半导体结构以及发光结构。发光结构位于第一半导体结构及第二半导体结构之间且包括多重量子阱结构。多重量子阱结构包含铝且具有阱层及阻障层，阱层及阻障层组成一对半导体叠层。阻障层的厚度小于阱层的厚度。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体元件，特别是涉及一种包含发光结构的半导体光电元件。
背景技术
在信息传输及能量转换领域中，半导体元件扮演着非常重要的角色，相关材料的研究开发也持续进行。举例而言，包含三族及五族元素的三五族半导体材料可应用于各种光电元件，如发光二极管(Light emitting diode，LED)、激光二极管(Laser diode，LD)、太阳能电池(Solar cell)等，近年来此些光电元件也大量被应用于照明、显示、通讯、感测、电源系统等领域。发光二极管适用于固态照明光源且具有耗电量低以及寿命长等优点，已逐渐取代传统光源而大量被应用于交通号志、显示器的背光模块、各式照明及医疗装置中。
发明内容
本发明提供一种半导体元件。半导体元件包括第一半导体结构、第二半导体结构以及发光结构。发光结构位于第一半导体结构及第二半导体结构之间且包括多重量子阱结构。多重量子阱结构包含铝且具有阱层及阻障层，阱层及阻障层组成一对半导体叠层。阻障层的厚度小于阱层的厚度。
附图说明
图1A为本发明一实施例的半导体元件的上视图；
图1B为本发明一实施例的半导体元件的剖面结构示意图及局部放大示意图；
图1C为本发明一实施例的半导体元件的剖面结构示意图；
图1D为本发明一实施例的半导体元件的剖面结构示意图；
图1E为本发明一实施例的半导体元件的剖面结构示意图；
图2为本发明一实验例的半导体元件A～C的发光功率与电流关系图；
图3为本发明一实验例的半导体元件D～F的发光功率与电流关系图；
图4为本发明一实验例的半导体元件G～I的发光功率与电流关系图；
图5为本发明一实验例的半导体元件J～L的发光功率与半导体叠层对数关系图；
图6为本发明一实施例的半导体封装结构剖面示意图。
符号说明
10、60：半导体元件
100：基板
110：第一半导体结构
112：第一限制层
114：第一披覆层
116：第二披覆层
118：第一窗户层
120：第二半导体结构
122：第二限制层
124：第三披覆层
126：第四披覆层
128：第二窗户层
130：发光结构
130a：第一活性结构
130b：第二活性结构
140：第一电极
150：第二电极
150a：主电极
150b：延伸电极
160：反射结构
170：中间结构
600：封装结构
61：封装基板
62：通孔
63：载体
63a：第一部分
63b：第二部分
65：接合线
66：接触结构
66a、66b：接触垫
68：封装材料
B1、B2、BN：阻障层
C1、C2、CN：半导体叠层
M：多重量子阱结构
W1、W2、WN：阱层
A、B、C、D、E、F、G、H、I：线
具体实施方式
以下实施例将伴随着附图说明本发明的概念，在附图或说明中，相似或相同的构件使用相同的标号，并且若未特别说明，附图中各元件的形状或尺寸仅为例示，实际上并不限于此。需特别注意的是，图中未绘示或描述的元件，可以是熟悉此技术的人士所知的形式。
在本发明中，如果没有特别的说明，通式InGaAsP代表Ina1Ga1-a1Asb1P1-b1，其中0<a1<1，0<b1<1；通式InGaP代表Ina2Ga1-a2P，其中0<a2<1；通式InGaAs代表Ina3Ga1-a3As，其中0<a3<1；通式AlGaAs代表Ala4Ga1-a4As，其中0<a4<1；通式AlGaInAs代表Ala5Gaa6In1-a5-a6As，其中0<a5<1，0<a6<1；通式InGaNAs代表Ina7Ga1-a7Na8As1-a8，其中0<a7<1，0<a8<1。调整元素的含量可以达到不同的目的，例如但不限于，调整能阶，或是当半导体元件为一发光元件时，调整发光元件的主发光波长。
所属领域中具通常知识者应理解，可以在以下所说明各实施例的基础上添加其他构件。举例来说，在未特别说明的情况下，「第一层(或结构)位于第二层(或结构)上」的类似描述可包含第一层(或结构)与第二层(或结构)直接接触的实施例，也可包含第一层(或结构)与第二层(或结构)之间具有其他结构而彼此未直接接触的实施例。另外，应理解各层(或结构)的上下位置关系等可能因由不同方位观察而有所改变。此外，在本发明中，一层或结构「实质上由X所组成」的叙述表示上述层或结构的主要组成为X，但并不排除上述层或结构包含添加物或不可避免的杂质。
本发明的半导体元件包含的各层组成及添加物的定性或定量分析等可用任何适合的方式分析而得，例如二次离子质谱仪(secondary ion mass spectrometer，SIMS)，而各层的厚度也可用任何适合的方式分析而得，例如穿透式电子显微镜(transmissionelectron microscopy，TEM)或是扫描式电子显微镜(scanning electron microscope，SEM)。
图1A为本发明一实施例的半导体元件10的上视图。图1B为图1A的半导体元件10沿A-A’线的剖面结构示意图及局部放大示意图。如图1B所示，半导体元件10包括基板100、第一半导体结构110、第二半导体结构120、发光结构130、第一电极140以及第二电极150。第一半导体结构110及第二半导体结构120位于基板100上。发光结构130位于第一半导体结构110及第二半导体结构120之间。第一电极140与基板100接触并形成电连接，第二电极150与第二半导体结构120接触并形成电连接。第一半导体结构110、第二半导体结构120以及发光结构130可通过外延生长而得。外延生长的方法包含但不限于金属有机化学气相沉积(metal-organic chemical vapor deposition，MOCVD)、氢化物气相外延法(hydridevapor phase epitaxy，HVPE)、分子束外延(molecular beam epitaxy，MBE)或液相外延法(liquid-phase epitaxy，LPE)等。
基板100可包含导电材料，例如：砷化镓(Gallium Arsenide，GaAs)、磷化铟(Indium Phosphide，InP)、碳化硅(Silicon carbide，SiC)或硅(Si)基板等。基板100例如是用于前述外延生长的成长基板，但并不限于此，在一实施例中，基板100可为在移除成长基板后利用接合层(bonding layer)接合至外延结构的支撑基板。
第一半导体结构110及第二半导体结构120分别位于发光结构130的两侧且邻接于发光结构130。第一半导体结构110及第二半导体结构120可分别由单层或多层所构成。第一半导体结构110及第二半导体结构120可分别包含二元、三元或四元的III-V族半导体材料，较佳为包含铝(Al)、镓(Ga)、砷(As)、磷(P)或铟(In)的材料，例如：InP、InAlAs、GaAs、InGaP、AlGaAs、AlGaInAs等。第一半导体结构110及第二半导体结构120可具有相反的导电型态，以分别提供电子和空穴。例如，第一半导体结构110为n型而第二半导体结构120为p型，或者第一半导体结构110为p型而第二半导体结构120为n型。第一半导体结构110及第二半导体结构120的导电型态可通过添加不同掺质而调整，例如镁(Mg)、锌(Zn)、碳(C)、硅(Si)或碲(Te)等。
发光结构130位于基板100上且可包含III-V族半导体材料，例如为三元或四元半导体材料，且较佳为包含铝(Al)、镓(Ga)、砷(As)、磷(P)或铟(In)。在一实施例中，发光结构130为未经掺杂的半导体结构，即，在形成发光结构130的过程中不刻意添加其他掺质。发光结构130可包含多重量子阱结构M。多重量子阱结构M可包含由多个阱层及多个阻障层交替堆叠而成的n对半导体叠层，而各半导体叠层可分别以Cn表示，其中n＝1,2,3,…,N。在一些实施例中，N较佳为大于等于2的正整数，且可为小于等于20的正整数，例如为3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19或20。各半导体叠层Cn可由一阱层Wn与邻接其的阻障层Bn所构成，其中n＝1,2,3,…,N。在一实施例中，多重量子阱结构M所包含的半导体叠层Cn中的阻障层Bn具有一厚度小于邻接其的阱层Wn的厚度。在一些实施例中，阻障层Bn的厚度小于阱层Wn的厚度可使多重量子阱结构M中的载流子分布更均匀，改善电子与空穴在多重量子阱结构M中局部复合的情况，而有利于提升内部量子效率(Internal quantum efficiency,IQE)。在一实施例中，阱层Wn的厚度与阻障层Bn的厚度的比值大于1且小于等于5，例如为：1.5、2、2.5、3、3.5、4或4.5。在一实施例中，至少2对半导体叠层Cn中的阱层Wn的厚度与阻障层Bn的厚度的比值大于1且小于等于5，例如为：1.5、2、2.5、3、3.5、4或4.5。在一实施例中，每一对半导体叠层Cn中的阱层Wn的厚度与阻障层Bn的厚度的比值均大于1且小于等于5，例如为：1.5、2、2.5、3、3.5、4或4.5。在一些实施例中，每一对半导体叠层Cn中的阻障层Bn与阱层Wn厚度比例在1:1.5至1:5之间，例如是1:2、1:2.5、1:3、1:3.5、1:4或1:4.5。在一些实施例中，阱层Wn的厚度与阻障层Bn的厚度分别落在1nm至20nm的范围内，例如为：1.5nm、2nm、3nm、4nm、5nm、6nm、7nm、8nm、9nm、10nm、11nm、12nm、13nm、14nm、15nm、16nm、17nm、18nm或19nm。通过使阻障层Bn与阱层Wn厚度比例落于上述范围内，半导体元件10可具有较佳的发光功率。在一实施例中，至少2对半导体叠层Cn中的阻障层Bn的厚度大于阱层Wn的厚度。在一实施例中，多重量子阱结构M所包含的每一对半导体叠层Cn中的阻障层Bn的厚度均大于阱层Wn的厚度。
图1B中的局部放大图中绘示一实施例的多重量子阱结构M。如图1B所示，在此实施例中，多重量子阱结构M包含超过3对的半导体叠层(即，n>3的情况)，如阱层W1、阱层W2、…、阱层WN、阻障层B1、阻障层B2、…以及阻障层BN，此处N为大于等于4的正整数。阱层W1邻接于第一半导体结构110而与第一半导体结构110直接接触，阻障层BN邻接于第二半导体结构120而与第二半导体结构120直接接触。在本实施例中，阱层W1与阻障层B1构成一对半导体叠层C1，阱层W2及阻障层B2构成一对半导体叠层C2，而阱层WN及阻障层BN构成一对半导体叠层CN。在图1B中，为了简洁说明而仅标示出3对半导体叠层，并未绘出其他半导体叠层。实际上发光结构130的态样并不限于此。
具体来说，多重量子阱结构M的材料可包含铝(Al)、镓(Ga)、砷(As)、磷(P)或铟(In)。在一实施例中，多重量子阱结构M可包含四元半导体材料，如InGaAsP、AlGaInAs或InGaNAs等。在一实施例中，多重量子阱结构M实质上由四元半导体材料(如InGaAsP、AlGaInAs或InGaNAs)所组成。在一实施例中，阱层W与阻障层Bn包含相同的四元半导体材料，例如InGaAsP、AlGaInAs或InGaNAs等。在一实施例中，阱层Wn与阻障层Bn实质上分别由相同的四元半导体材料(如InGaAsP、AlGaInAs或InGaNAs)所组成。在一实施例中，各半导体叠层Cn中的阱层Wn均包含相同的四元半导体材料(如InGaAsP、AlGaInAs或InGaNAs)，例如，阱层W1与阱层W2的材料相同。在一实施例中，各半导体叠层Cn中的阻障层层Bn均包含相同的四元半导体材料(如InGaAsP、AlGaInAs或InGaNAs)，例如，阻障层B1与阻障层B2的材料相同。在一实施例中，各半导体叠层Cn中的阱层Wn与阻障层Bn均包含相同的四元半导体材料(如InGaAsP、AlGaInAs或InGaNAs)，例如，阱层W1、阱层W2、阻障层B1与阻障层B2的材料都相同
在一些实施例中，各半导体叠层Cn中的阱层Wn与基板100间晶格不匹配(latticemismatched)而具有伸张或压缩应力。在一些实施例中，当阱层Wn具有压缩应力，能够减少价带间吸收(intervalence band absorption)损耗，提升量子效率。在一些实施例中，各半导体叠层Cn中的阻障层Bn与基板100间晶格不匹配而具有伸张或压缩应力。在一些实施例中，相对于基板100，各半导体叠层Cn中的阻障层Bn与阱层Wn可具有同向或反向的应力。在一些实施例中，当阻障层Bn具有与阱层Wn反向的应力，可具有应力补偿的效果，可避免外延缺陷产生。在一些实施例中，相对于基板100，阻障层Bn具有伸张应力(tensile strain)，且阱层Wn具有压缩应力(compressive strain)。在一实施例中，相对于基板100，阻障层Bn具有压缩应力，且阱层Wn具有伸张应力。在一些实施例中，阱层Wn及阻障层Bn间晶格不匹配。在一实施例中，半导体叠层Cn中的一阱层Wn及一阻障层Bn间晶格不匹配。在一实施例中，多重量子阱结构M所包含的每一对半导体叠层Cn中的阱层Wn与阻障层Bn间均为晶格不匹配。通过使半导体元件中的阱层及阻障层相对于基板具有应力，可进一步改善半导体元件的顺向电压值(vf)，并可提升半导体元件的效率。
在一实施例中，各半导体叠层Cn中的阻障层Bn与阱层Wn的材料均包含铝。在一实施例中，各半导体叠层Cn中的阻障层Bn中铝含量百分比大于阱层Wn中铝含量百分比。在一些实施例中，半导体叠层Cn中的阻障层Bn中铝含量百分比大于阱层Wn的铝含量百分比，也大于邻接的半导体叠层(例如半导体叠层Cn+1或Cn-1)中阱层的铝含量百分比。在一些实施例中，半导体叠层Cn中的阱层Wn中铝含量百分比小于阻障层的铝含量百分比，也小于邻接的半导体叠层(例如半导体叠层Cn+1或Cn-1)中阻障层的铝含量百分比。在一些实施例中，多重量子阱结构M包含由铝含量百分比高于50％的阻障层与铝含量百分比低于50％的阱层交错堆叠而成的结构。在此些实施例中，更可通过使各半导体叠层Cn中阻障层Bn的厚度小于阱层Wn的厚度，进一步提升内部量子效率。在一些实施例中，相邻两个半导体叠层中两个阻障层或两个阱层之间的铝含量百分比差异较佳为不大于10％。
具体而言，各阻障层Bn与各阱层Wn中铝含量百分比可通过如下方式获得：利用能量散射光谱仪(Energy Dispersive Spectrometer,EDX)对发光结构130中的各阻障层Bn与各阱层Wn分别进行测量，并由测量结果计算各阻障层中的铝含量百分比(Al％)与各阱层中的铝含量百分比(Al％)。举例来说，阻障层Bn包含Alx1Gay1In1-x1-y1As，阱层Wn包含Alx2Gay2In1-x2-y2As，由EDX测量结果可得到x1、y1、x2及y2(atom％)，由此可分别计算出1-x1-y1以及1-x2-y2。此处，阻障层Bn的铝含量百分比(Al％)定义为Al％＝x1/(x1+y1)，阱层Wn的铝含量百分比(Al％)定义为Al％＝x2/(x2+y2)。
在一些实施例中，阱层Wn中铝含量百分比(Al％)可在30％至35％的范围内。在一些实施例中，阻障层Bn的铝含量百分比(Al％)可在70％至95％的范围内。阻障层Bn中铝含量百分比与阱层Wn中铝含量百分比的比例可大于1而小于等于3.5，例如大致为1.5、2、2.5或3。在一些实施例中，0<1-x1-y1<0.53。1-x1-y1例如为0.2、0.25、0.3、0.35、0.4或0.45。在一些实施例中，0.3≤x1≤0.8。x1例如为0.3、0.35、0.4、0.45、0.5、0.55、0.6、0.65、0.7或0.75。在一实施例中，1>1-x2-y2>0.53。1-x1-y1例如为0.55、0.6、0.65、0.7、0.75、0.8、0.85、0.9或0.95。在一实施例中，0.1≤x2≤0.2。x2例如为0.12、0.15或0.18。
在操作半导体元件10时，发光结构130可发出辐射，例如是峰值波长(peakwavelength)位于700nm至3000nm范围内的红外光、峰值波长位于610nm至700nm范围内的红光或峰值波长位于530nm至570nm范围内的黄光等。上述辐射较佳为红光或红外光，例如是近红外光(Near Infrared，NIR)。当上述辐射为近红外光时，峰值波长例如为720nm、810nm、850nm、910nm、940nm、1050nm、1070nm、1100nm、1200nm、1300nm、1400nm、1450nm、1550nm、1600nm、1650nm、1700nm或2000nm。上述红光或红外光可为非同调光(incoherent light)或同调光(coherent light)。
第一电极140及第二电极150可用于与外部电源电连接，且与发光结构130电连接。第一电极140以及第二电极150包含导电材料。第一电极140以及第二电极150的材料可相同或不同，且例如包含金属氧化材料、金属或合金。金属氧化材料包含如氧化铟锡(ITO)、氧化铟(InO)、氧化锡(SnO)、氧化镉锡(CTO)、氧化锑锡(ATO)、氧化铝锌(AZO)、氧化锌锡(ZTO)、氧化镓锌(GZO)、氧化铟钨(IWO)、氧化锌(ZnO)或氧化铟锌(IZO)等。金属可列举如锗(Ge)、铍(Be)、锌(Zn)、金(Au)、铂(Pt)、钛(Ti)、铝(Al)、或镍(Ni)、铜(Cu)等。合金可包含选自由上述金属所组成的群组中的至少两者，例如锗金镍(GeAuNi)、铍金(BeAu)、锗金(GeAu)、锌金(ZnAu)等。
第二电极150可包括主电极以及连接于主电极的多个延伸电极。在一些实施例中，多个延伸电极由主电极向半导体元件10的上表面的侧边延伸，可改善电流散布。在一些实施例中，延伸电极可包括与半导体元件10的任一侧边平行或垂直的部分。如图1A所示，半导体元件可包含一个主电极150a及四个延伸电极150b。在本实施例中，主电极150a呈圆形，而各个延伸电极150b呈T字形。主电极150a可具有一宽度落于50μm至150μm的范围内。当主电极150a呈圆形时，上述宽度为其直径。延伸电极150b可具有一宽度落于1μm至10μm的范围内。延伸电极150b的宽度较佳为主电极宽度的10倍以下。
在一实施例中，第二半导体结构120可选择性地包含接触层(未绘示)，邻接于第二电极150，可用于传导电流。接触层可为经掺杂或未经掺杂的半导体层，可包含二元半导体材料如GaAs、InP等。在一实施例中，第二电极包含金属或合金材料，而接触层与第二电极150之间可形成欧姆接触(ohmic contact)，由此可进一步改善第二电极150与发光结构130间的接触电阻。
图1C为本发明一实施例的半导体元件的剖面结构示意图。在本实施例中，第一半导体结构110包含第一限制层112、第一披覆层114、第二披覆层116以及第一窗户层118，而第二半导体结构120包含第二限制层122、第三披覆层124、第四披覆层126以及第二窗户层128。如图1C所示，第一限制层112及第二限制层122邻接于发光结构130，且分别位于发光结构130的两侧。第一限制层112或第二限制层122可为经掺杂或未经掺杂的半导体层，且可与发光结构130包含相同或不同材料。在一实施例中，第一限制层112及第二限制层122较佳为未经掺杂且包含四元半导体材料。在一实施例中，第一限制层112及第二限制层122分别包含四元半导体材料，如InGaAsP、AlGaInAs或InGaNAs等。在一实施例中，第一限制层112及第二限制层122实质上分别由四元半导体材料(如InGaAsP、AlGaInAs或InGaNAs)所组成。在一实施例中，第一限制层112及第二限制层122包含相同材料。在一实施例中，第一限制层112或第二限制层122的厚度大于发光结构130中的阱层Wn或阻障层Bn的厚度。在一实施例中，第一限制层112及第二限制层122的厚度分别在10nm～50nm的范围内，例如15nm、20nm、25nm、30nm、35nm、40nm或45nm。
在本实施例中，第一披覆层114邻接于第一限制层112而位于第一限制层112下，第二披覆层116邻接于第一披覆层114下且与第一窗户层118直接接触。第一披覆层114及第二披覆层116可分别为经掺杂或未经掺杂的半导体层。在一实施例中，第一披覆层114及第二披覆层116可包含铝(Al)、镓(Ga)、砷(As)、磷(P)或铟(In)。在一实施例中，第一披覆层114或第二披覆层116分别包含三元半导体材料如InAlAs、InGaAs、InGaP等)。第一披覆层114或第二披覆层116可包含相同材料。第一披覆层114或第二披覆层116的厚度可大于第一限制层112的厚度。在一实施例中，第一披覆层114或第二披覆层116的厚度在50nm-800nm的范围内，例如80nm、100nm、200nm、250nm、300nm、350nm、400nm、450nm、500nm、550nm、600nm、650nm、700nm或750nm。在一些实施例中，第一披覆层114及第二披覆层116的组成材料可相同，在此情况下，以SEM观察第一披覆层114及第二披覆层116时，第一披覆层114及第二披覆层116之间的界面可能不明显。
在本实施例中，第三披覆层124邻接于第二限制层122而位于第二限制层122上，第四披覆层126邻接于第三披覆层124上且与第二窗户层128直接接触。第三披覆层124及第四披覆层126可分别为经掺杂或未经掺杂的半导体层。在一实施例中，第三披覆层124为未经掺杂的半导体层，第四披覆层126为经掺杂的半导体层。在一实施例中，第三披覆层124及第四披覆层126可包含铝(Al)、镓(Ga)、砷(As)、磷(P)或铟(In)。第三披覆层124及第四披覆层126可包含相同材料。在一实施例中，第三披覆层124及第四披覆层126分别包含三元半导体材料如InAlAs、InGaAs、InGaP等)。第三披覆层124及第四披覆层126的厚度可大于第二限制层122的厚度。在一实施例中，第三披覆层124或第四披覆层126的厚度在50nm～800nm的范围内，例如80nm、100nm、200nm、250nm、300nm、350nm、400nm、450nm、500nm、550nm、600nm、650nm、700nm或750nm。在一些实施例中，第三披覆层124或第四披覆层126的组成材料可相同，在此情况下，以SEM观察第三披覆层124或第四披覆层126时，第三披覆层124或第四披覆层126之间的界面可能不明显。
在本实施例中，第一窗户层118邻接于第二披覆层116且位于第二披覆层116下。第二窗户层128邻接于第四披覆层126且位于第四披覆层126上。第一窗户层118及第二窗户层128对发光结构所发出的光为透明，且第一窗户层118及第二窗户层128可作为光取出层以提升半导体元件的发光效率。第一窗户层118及第二窗户层128可分别为经掺杂或未经掺杂的半导体层。第一窗户层118及第二窗户层128可包含相同材料。在一实施例中，第一窗户层118及第二窗户层128可包含铝(Al)、镓(Ga)、砷(As)、磷(P)或铟(In)。在一实施例中，第一窗户层118及第二窗户层128分别包含二元或三元半导体材料如GaAs、InP、InAlAs、InGaAs、InGaP等。在一实施例中，第一窗户层118及第二窗户层128可经掺杂且包含与基板100相同的材料。在一实施例中，第一窗户层118及第二窗户层128实质上分别由二元或三元半导体材料(如GaAs、InP、InAlAs、InGaAs、InGaP)所组成。在一实施例中，第二窗户层128的厚度大于第一窗户层118。在一实施例中，第一窗户层118或第二窗户层128的厚度在800nm～8000nm的范围内，例如850nm、900nm、950nm、1000nm、1500nm、2000nm、2500nm、3000nm、3500nm、4000nm、4500nm、5000nm、5500nm、6000nm、6500nm、7000nm或7500nm。
在一实施例中，第一披覆层114、第二披覆层116及第一窗户层118可经相同掺质掺杂而具有相同的导电型态，例如分别经硅(Si)掺杂而成为n型半导体层。在一实施例中，第一窗户层118中的掺质浓度大于第一披覆层114中的掺质浓度，且第一披覆层114中的掺质浓度大于第二披覆层116中的掺质浓度。第三披覆层124、第四披覆层126及第二窗户层128可经相同掺质掺杂而具有相同的导电型态，例如分别经锌(Zn)掺杂而成为p型半导体层。在一实施例中，第二窗户层128中的掺质浓度大于第四披覆层126中的掺质浓度，且第四披覆层126中的掺质浓度大于第三披覆层124中的掺质浓度。
在一实施例中，根据不同的应用需求，第二披覆层116及/或第一窗户层118及/或第四披覆层126及/或第二窗户层128可选择性地形成半导体元件10中。本实施例中的其他层或结构的位置、组成及材料等内容已于先前实施例中进行了详尽的说明，故于此不再赘述。
图1D为本发明一实施例的半导体元件的剖面结构示意图。在本实施例中，在第一半导体结构110与基板100之间进一步包含反射结构160。反射结构160可为单层或多层。在一实施例中，反射结构160可反射发光结构130所发出的光以朝第二半导体结构120方向射出于半导体元件外。反射结构160的材料可包含金属或合金。金属例如铜(Cu)、铝(Al)、锡(Sn)、金(Au)、银(Ag)、铅(Pb)、钛(Ti)、镍(Ni)、铂(Pt)、或钨(W)。合金可包含选自由上述金属所组成的群组中的至少两者。在一实施例中，反射结构160可包含布拉格反射结构(Distributed Bragg Reflector structure，DBR)。此外，在本实施例中，第一半导体结构110在靠近反射结构160侧的宽度大于靠近发光结构130侧的宽度。第一半导体结构110在靠近反射结构160侧具有与反射结构160相同的宽度。
本实施例中的其他层或结构的位置、组成及材料等内容已于先前实施例中进行了详尽的说明，故于此不再赘述。
图1E为本发明一实施例的半导体元件的剖面结构示意图。在本实施例中，发光结构130包含第一活性结构130a以及第二活性结构130b。此外，在第一活性结构130a以及第二活性结构130b之间可进一步包含中间结构170。在操作半导体元件时，第一活性结构130a及第二活性结构130b可各自发出一辐射。辐射可为红光或红外光。在一实施例中，第一活性结构130a及第二活性结构130b其中一者发出红光，另一者发出红外光。当上述辐射为红光时，峰值波长可位于610nm至700nm范围内，如：630nm、640nm、650nm、660nm、670nm、680nm、690nm等。当上述辐射为红外光时，峰值波长可位于800nm至3000nm的范围内，如：720nm、810nm、850nm、910nm、940nm、1050nm、1070nm、1100nm、1200nm、1300nm、1400nm、1450nm、1550nm、1600nm、1650nm、1700nm、2000nm等。在一实施例中，上述红光或红外光可为非同调光或同调光。
第一活性结构130a及第二活性结构130b可包含相同材料，例如包含铝(Al)、镓(Ga)、砷(As)、磷(P)或铟(In)。在一实施例中，第一活性结构130a及第二活性结构130b各自包含一多重量子阱结构。各多重量子阱结构的组成可参照前述实施例的说明。在一实施例中，第一活性结构130a或第二活性结构130b其中一者具有前述实施例的多重量子阱结构的态样。中间结构170可电连接第一活性结构130a及第二活性结构130b，且可为单层或多层。中间结构170可包含二元、三元或四元半导体材料，例如AlAs、InAlAs、AlGaAs、InGaAs、InGaP、InGaAsP、AlGaInAs或InGaNAs等。在一实施例中，中间结构170的导电型态可通过添加不同掺质而调整，例如镁(Mg)、锌(Zn)、碳(C)、硅(Si)或碲(Te)等。
本实施例中的其他层或结构的位置、组成及材料等内容已于先前实施例中进行了详尽的说明，故于此不再赘述。
图2为本发明一实验例的半导体元件A～C的发光功率与电流关系图。半导体元件A具有如图1B所示结构，其中基板为InP基板，且于发光结构130中具有10对半导体叠层，包含交替堆叠的阱层及阻障层。半导体元件A～C中各阻障层包含Alx1Gay1In1-x1-y1As，各阱层包含Alx2Gay2In1-x2-y2As。在半导体元件A中，各阱层及各阻障层相对于基板均不具有应力。半导体元件B与半导体元件A的差异在于，半导体元件B中的各阱层相对于基板具有压缩应力(阱层中In％>0.53)，而各阻障层相对于基板不具有应力(晶格匹配)。半导体元件C与半导体元件A的差异在于，半导体元件C中各阱层相对于基板具有压缩应力(阱层中In％>0.53)，而各阻障层相对于基板具有伸张应力(阻障层中In％<0.53)。半导体元件A～C的发光结构组成可参考下表1。
表1
在不同电流下测试半导体元件A～C的发光功率，结果如图2所示。半导体元件C在不同电流下发光功率表现均较佳，其次为半导体元件B与半导体元件A。由实验结果可知，当多重量子阱结构中的阱层相对于基板具有压缩应力时，元件的发光功率较佳。更者，当多重量子阱结构中的阻障层及阱层相对于基板均具有相反的应力时，可进一步提升输出功率，元件亮度表现较佳。
图3为本发明一实验例的半导体元件D～F的发光功率与电流关系图。半导体元件E具有如图1B所示结构，其中基板为InP基板，且于发光结构130中具有10对半导体叠层，包含交替堆叠的阱层及阻障层。半导体元件D～F中各阻障层包含Alx1Gay1In1-x1-y1As，各阱层包含Alx2Gay2In1-x2-y2As。半导体元件D中的各阱层相对于基板具有压缩应力(阱层中In％>0.53)，而各阻障层相对于基板具有伸张应力(阻障层中In％<0.53)。半导体元件E中的各阱层相对于基板具有压缩应力(阱层中In％>0.53)，而各阻障层相对于基板不具有应力(晶格匹配)。半导体元件F与半导体元件E的差异在于，半导体元件F中的各阻障层相对于基板也具有压缩应力(阻障层中In％>0.53)。半导体元件D～F的发光结构组成可参考下表2。
表2
在不同电流下测试半导体元件D～F的发光功率，结果如图3所示。半导体元件D在不同电流下发光功率表现均较佳，其次为半导体元件E及半导体元件F。由实验结果可知，当多重量子阱结构中的阻障层及阱层相对于基板具有相反的应力条件时，元件亮度表现较佳。此外，当阻障层及阱层相对于基板都具有相同的应力条件(例如两者相对于基板均具有压缩应力或伸张应力)时，阻障层及阱层可能较容易产生一些外延缺陷，从而影响内部量子效率，元件亮度表现较差。
图4为本发明一实验例的半导体元件的发光功率与电流关系图。本实验例的半导体元件G～I具有如图1B所示结构，其中基板为InP基板，且于发光结构130中具有10对半导体叠层，包含交替堆叠的阱层及阻障层。半导体元件G～I中各阻障层包含Alx1Gay1In1-x1- y1As，各阱层包含Alx2Gay2In1-x2-y2As。其中，各阱层相对于基板具有压缩应力(阱层中In％>0.53)，而各阻障层相对于基板具有伸张应力(阻障层中In％<0.53)。半导体元件G～I的差异在于各阻障层的厚度不同，厚度分别设定为5nm、7nm及10nm。半导体元件G～I的发光结构组成可参考下表3。
表3
在不同电流下测试半导体元件G～I的发光功率，结果如图4所示。如图4所示，半导体元件G在不同电流下发光功率表现均较佳，其次为半导体元件H及半导体元件I。此外，半导体元件I的顺向电压值(Vf)略高于半导体元件G及半导体元件H。即，在固定阱层厚度而改变阻障层厚度进行测试的情况下，结果显示降低阻障层与阱层厚度比例有助于提升发光功率，顺向电压值(Vf)也可获得进一步改善。其中，阻障层与阱层厚度比例1:2时效果优于7:10或1:1的情况。
图5为本发明一实验例的半导体元件的发光功率与发光结构130中的半导体叠层对数关系图。本实验例的半导体元件J～L具有如图1B所示结构，其中基板为InP基板，且于发光结构130中包含交替堆叠的阱层及阻障层。半导体元件J～L中各阻障层包含Alx1Gay1In1-x1-y1As，各阱层包含Alx2Gay2In1-x2-y2As。各阱层相对于基板具有压缩应力(阱层中In％>0.53)，而各阻障层相对于基板具有伸张应力(阻障层中In％<0.53)。半导体元件J～L的差异在于半导体叠层对数不同，分别设定为6对、10对及15对。半导体元件J～L的发光结构组成可参考下表4。
表4
在相同条件下对半导体元件J～L进行发光功率测试，结果显示，在相同测试条件下，具有10对阻障层与阱层的半导体元件K的亮度最高，其次为半导体元件L及半导体元件J。由此结果可知，通过调整半导体元件的发光结构中的半导体叠层对数，可进一步优化半导体元件的亮度。
图6为本发明一实施例的半导体元件的封装结构示意图。请参照图6，封装结构600包含半导体元件60、封装基板61、载体63、接合线65、接触结构66以及封装材料68。封装基板61可包含陶瓷或玻璃材料。封装基板61中具有多个通孔62。通孔62中可填充有导电性材料如金属等而有助于导电或/且散热。载体63位于封装基板61一侧的表面上，且也包含导电性材料，如金属。接触结构66位于封装基板61另一侧的表面上。在本实施例中，接触结构66包含接触垫66a以及接触垫66b，且接触垫66a以及接触垫66b可通过通孔62而与载体63电连接。在一实施例中，接触结构66可进一步包含散热垫(thermal pad)(未绘示)，例如位于接触垫66a与接触垫66b之间。半导体元件60位于载体63上，且可为本发明任一实施例所述的半导体元件。在本实施例中，载体63包含第一部分63a及第二部分63b，半导体元件60通过接合线65而与载体63的第二部分63b电连接。接合线65的材质可包含金属，例如金、银、铜、铝或至少包含上述任一元素的合金。封装材料68覆盖于半导体元件60上，具有保护半导体元件60的效果。具体来说，封装材料68可包含树脂材料如环氧树脂(epoxy)、硅氧烷树脂(silicone)等。封装材料68更可包含多个波长转换粒子(图未示)以转换半导体元件60所发出的第一光为一第二光。第二光的波长大于第一光的波长。
综上所述，本发明所提供的半导体元件于光电特性(如发光功率或顺向电压值等)可获得进一步改善，且可具有较佳的内部量子效率(IQE)。
本发明的半导体元件可应用于照明、医疗、显示、通讯、感测、电源系统等领域的产品，例如灯具、监视器、手机、平板计算机、车用仪表板、电视、计算机、穿戴装置(如手表、手环、项链等)、交通号志、户外显示器、医疗器材等。
虽然结合以上实施例公开了本发明，然而其并非用以限定本发明，所属技术领域中具有通常知识者应理解，在不脱离本发明的精神和范围内可作些许的修饰或变更，故本发明的保护范围应当以附上的权利要求所界定者为准。此外，上述实施例内容在适当的情况下可互相组合或替换，而非仅限于所描述的特定实施例。举例而言，在一实施例中所揭露特定构件的相关参数或特定构件与其他构件的连接关系也可应用于其他实施例中，且均落于本发明的权利保护范围。
Claims (10)
1.一种半导体元件，其特征在于，该半导体元件包括：
第一半导体结构；
第二半导体结构；以及
发光结构，位于该第一半导体结构及该第二半导体结构之间且包括多重量子阱结构；
其中该多重量子阱结构包含铝且具有阱层及阻障层，该阱层及该阻障层组成一对半导体叠层，且该阻障层的厚度小于该阱层的厚度。
2.如权利要求1所述的半导体元件，其中该阻障层与该阱层间晶格不匹配。
3.如权利要求2所述的半导体元件，其中该多重量子阱结构包含AlGaInAs。
4.如权利要求1所述的半导体元件，其中该阻障层包含Alx1Gay1In1-x1-y1As，其中0<1-x1-y1<0.53。
5.如权利要求1所述的半导体元件，其中该阱层包含Alx2Gay2In1-x2-y2As，其中1>1-x2-y2>0.53。
6.如权利要求1所述的半导体元件，其中该阱层的厚度与该阻障层的厚度比值大于等于1.5。
7.如权利要求1所述的半导体元件，其中该阻障层中铝含量百分比大于该阱层中铝含量百分比。
8.如权利要求7所述的半导体元件，其中该阻障层中铝含量百分比与该阱层中铝含量百分比的比例大于等于2。
9.如权利要求1所述的半导体元件，其中该多重量子阱结构包含三对以上的该半导体叠层。
10.如权利要求1所述的半导体元件，其中于该半导体元件操作时，该发光结构发出辐射，该辐射具有峰值波长介于800nm至3000nm之间。
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