CN111987203B - 半导体发光元件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种半导体发光元件，包含一叠层结构具有一反射层、一第一电性半导体叠层位于反射层上、一主动层位于第一电性半导体叠层上，以及一第二电性半导体叠层位于主动层上；以及一第一电极位于叠层结构上，其中叠层结构还包含一氧化层不露出于叠层结构的外侧壁。
Description
本申请是中国发明专利申请(申请号：201510347672.4，申请日：2015年06月23日，发明名称：半导体发光元件)的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种具有反射层的发光二极管的结构及其制造方法。
背景技术
传统的发光二极管其活性层产生的可见光往下入射至成长基板时，如果成长基板的能隙小于活性层的能隙，可见光会被成长基板吸收，而降低发光效率。为了避免可见光被成长基板吸收，现有技术包含加入布拉格反射结构(Distributed Bragg Reflector；DBR)于成长基板上，用于反射入射向成长基板的可见光，并减少成长基板吸收。然而一般DBR反射结构叠层间的折射率差异不大，反射效果有限。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种半导体发光元件，包含一叠层结构具有一反射层、一第一电性半导体叠层位于反射层上、一主动层位于第一电性半导体叠层上，以及一第二电性半导体叠层位于主动层上；以及一第一电极位于叠层结构上，其中叠层结构还包含一氧化层不露出于叠层结构的外侧壁。
附图说明
图1A及图1B为本发明第一实施例的半导体发光元件100示意图；
图2A～图2C为本发明第二实施例的半导体发光元件200的示意图；
图3A～图3E为本发明的半导体发光元件的制作工艺方法示意图。
符号说明
1 半导体叠层
1a 外侧壁
1b 上表面
10 主动层
11 第一电性半导体叠层
111 第一限制层
112 第一包覆层
12 第二电性半导体叠层
121 第二限制层
122 第二包覆层
123 第二出光层
124 第二接触层
14 反射层
141 第一折射率层
142 第二折射率层
15 氧化层
15a 氧化区
16 孔洞
161 沟槽孔洞
162 圆形孔洞
16a 孔壁
17 绝缘材料
18 切割道
2 第一电极
21 电流注入区域
22 延伸区域
221 指状电极
222 环绕电极
23 电流阻挡结构
3 第二电极
4 基板
100 半导体发光元件
200 半导体发光元件
L 边界
S 距离
具体实施方式
第一实施例
图1A及图1B为依本发明第一实施例的半导体发光元件100示意图，其中图1B为半导体发光元件100的上视图，图1A为图1B中沿着剖面线CC’的剖面图。半导体发光元件100包含一基板4以及一半导体叠层1位于基板4上，其中半导体叠层1包含一反射层14、一第一电性半导体叠层11、一主动层10位于第一电性半导体叠层11上，以及一第二电性半导体叠层12位于主动层10上；多个封闭的孔洞16穿透半导体叠层1，从第二电性半导体叠层12的上表面1b延伸至基板4并露出部分的反射层14于孔洞16的侧壁，每一个孔洞16都被半导体叠层1围绕，孔洞16的直径介于2μm到20μm之间；一绝缘材料17填入孔洞16中且覆盖在孔壁16a上以避免短路；一第一电极2位于第二电性半导体叠层12的上表面1b且覆盖部分的孔洞16；以及一第二电极3设置在基板4相对于半导体叠层1的另一侧上，可通过第一电极2以及第二电极3导入一电流，使主动层10发出一光线。
请参考图1B，多个孔洞16均匀地分散在上表面1b，第一电极2包含一电流注入区域21与多个延伸区域22自电流注入区域21向外延伸，其中，电流注入区域21位于上表面1b的中央且覆盖部分的孔洞16，用以打线引入外部电流；延伸区域22与第二电性半导体叠层12形成欧姆接触，且延伸至该上表面1b的一边界L并覆盖部分的孔洞16，用以将电流散布至半导体叠层1中，其余未被第一电极2覆盖的孔洞16露出于上表面1b。第二电性半导体叠层12的上表面1b未被第一电极2覆盖的部分为一出光面，并可为一粗化表面用以散射主动层10发出的光线以提高光取出率，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。在本实施例中，基板4包含一单晶基板用于外延成长半导体叠层1或一接合基板通过接合制作工艺与半导体叠层1接合。基板4包含一导电材料如半导体或金属，其中半导体材料包含砷化镓(GaAs)、硅(Si)、磷化铟(InP)或氮化镓(GaN)；金属材料包含锗(Ge)、铜(Cu)或铜钨(CuW)。第一电极2是由金属材料所构成，包含锗(Ge)、金(Au)、镍(Ni)、锗金合金、或锗金镍合金；第二电极3是由金属材料所构成，包含锗(Ge)、金(Au)、镍(Ni)、锗金合金、或锗金镍合金。绝缘材料17包含氮化铝(AlNx)、氧化铝(AlOx)、氧化硅(SiOx)、氮化硅(SiNx)或苯并环丁烯(BCB)。
由于第一电性半导体叠层11以及第二电性半导体叠层12的能隙大于主动层10的能隙，因此可有效限制电子及空穴于主动层内以提高发光效率，并且光线可直接穿透第二电性半导体叠层12从上表面1b或半导体叠层1的外侧壁1a射出，或是先经由反射层14反射后从半导体叠层1的上表面1b或者半导体叠层1的外侧壁1a射出。
第一电性半导体叠层11包含第一限制层(confining layer)111以及第一包覆层(cladding layer)112，第二电性半导体叠层12包含第二限制层121、第二包覆层122、第二出光层(window layer)123以及第二接触层(contact layer)124，其中第一及第二包覆层112、122可分别提供电子、空穴于主动层10中复合以发光，第一及第二限制层111、121用以提升电子、空穴于主动层10中复合的机率，第二出光层123用以提高从主动层10射出的光线取出率，第二接触层124与第一电极2形成欧姆接触，在本实施例中，第二电性半导体叠层12未包含布拉格反射层(Distributed Bragg reflector,DBR)在主动层10上方，与一般的激光二极管有所差异。第一电性半导体叠层11、主动层10以及第二电性半导体叠层12的材料可包含Ⅲ-Ⅴ族半导体材料，例如AlxInyGa(1-x-y)As或AlxInyGa(1-x-y)P，0≤x,y≤1；(x+y)≤1，其中第一电性半导体叠层11以及第二电性半导体叠层12依据掺杂不同的元素可带有不同的电性，本实施例中，第一电性半导体叠层11为一n型半导体，第二电性半导体叠层12为一p型半导体。依据主动层10的材料，主动层10可发出峰波长介于550nm及600之间的黄光、峰波长介于600nm及720nm之间的红光，或是峰波长大于720nm的红外光。
位于基板4与第一电性半导体叠层11之间的反射层14可为布拉格反射层(Distributed Bragg reflector,DBR)，由多对折射率相异的第一折射率层141与第二折射率层142交互堆叠所组成，此对数介于5到50之间。第一折射率层141的材料可为AlaGa1-aAs，0.8≤a≤1，第一折射率层141对于主动层10发出的光线的折射率介于3到3.4之间；第二折射率层142的材料可为AlbGa1-bAs，0≤b<0.8，或(AlbGa1-b)0.5In0.5P，0≤b<0.8，其中当第二折射率层142的材料为AlbGa1-bAs，0≤b<0.8时，对于主动层10发出的折射率介于3.4到3.8之间，当第二折射率层142的材料为(AlvGa1-v)0.5In0.5P，0≤v<0.8时，对于主动层10发出的折射率介于2.8到3.2之间；通过第一折射率层141与第二折射率层142两者之间的折射率差异造成的全反射界面，反射层14对于从主动层10发出的光线的反射率大于80％。由于第一折射率层141的材料为AlaGa1-aAs，0.8≤a≤1，含有高浓度的Al含量因此易于氧化，因此在一湿式氧化制作工艺(wet oxidation process)中，第一折射率层141自每一个多个孔洞16的孔壁16a向内氧化形成氧化层15，如图1B半导体发光元件100的上视图所示，氧化层15包含多个氧化区15’环绕每一个孔洞16，氧化层15的面积为半导体叠层1的上表面1b的上视投影面积的30％到70％之间。相邻的孔洞16之间仍保有部分未被氧化的第一折射率层141介于两氧化区15’之间，其中未被氧化的第一折射率层141具有一宽度介于20％到80％的相邻的孔洞16之间的距离S。经过湿式氧化制作工艺形成的氧化层15的折射系数介于1.6到1.8之间，而第二折射率层142的折射系数大于2.8，二者折射系数差异至少大于1以上，因此氧化层15与第二折射率层142之间折射率差异所形成的多个全反射界面使得反射层14对于主动层10所射出的光线的反射率超过90％；且每一个氧化层15与第二折射率层142之间的临界角超过32度，大于第一折射率层141与第二折射率层142之间的临界角。
部分的氧化区15’对应部分的孔洞16位于电流注入区域21与延伸区域22的正下方，氧化区15’的材质例如为氧化铝，为一电绝缘材料，可当作电流阻挡层(Currentblocking)以避免电流集中在电流注入区域21与延伸区域22的正下方流过半导体叠层1，达到强迫电流分散的效果以提高发光效率，且氧化区15’与第二折射率层142之间的全反射界面的反射率较未被氧化的第一折射率层141与第二折射率层142之间的全反射界面的反射率为高。此外，氧化区15’及孔洞16均匀散布在半导体叠层1中，可增加光线被反射离开半导体叠层1的机率。本实施例的氧化区15’未露出于半导体叠层1的外侧壁1a，亦即每一个氧化区15’都被未被氧化的第一折射率层141所环绕，可减少氧化区15’与第二折射率层142的界面因露出于外侧壁1a而导致界面容易剥离的现象，并且可降低在后段的切割作业中裂片的现象，提升元件的依赖度及良率。氧化层的面积与半导体叠层1的上表面1b的上视投影面积比例，例如介于30％到70％之间，以提升半导体发光的亮度。在本发明的一实施例中，发光元件未包含一布拉格反射层(Distributed Bragg reflector,DBR)位于主动层10上方，以发出一非同调光(incoherent light)具有一远场光学角度(far field angle)大于100度。
第二实施例
图2A到图2C为依本发明第二实施例的半导体发光元件200示意图，其中图2B为半导体发光元件200的上视图的一实施例，图2A为图2B中沿着虚线AA’的剖面图。第二实施例与第一实施例的差异在于多个孔洞16全部露出于半导体叠层1的上表面1b，并沿着延伸区域22排列，如图2B的上视图所示，多个孔洞16的上视形状包含多个线型沟槽161沿着延伸区域22排列，其中，延伸区域22包含指状电极221以及环绕电极222，其中指状电极221的自电流注入区域21向边界L延伸且与边界L垂直，环绕电极222与指状电极221的端点连接且与边界L平行，具有与边界L相同的形状。图2C为半导体发光元件200的上视图的另一实施例，图2A为图2C中沿着虚线BB’的剖面图，其中，多个孔洞16的上视形状包含多个圆形孔洞162沿着延伸区域22排列。在本实施例中，围绕每一个多个孔洞16的氧化区15’至少延伸至延伸区域22的正下方，用以强迫电流分散，避免电流集中在延伸区域22的正下方流过半导体叠层1。一电流阻挡结构23可选择性形成在电流注入区域21与第二电性半导体叠层12之间，用以强迫电流分散，避免电流集中在电流注入区域21的正下方流过半导体叠层1，电流阻挡结构23的材料为一电绝缘材料，例如氮化铝(AlNx)、氧化铝(AlOx)、氧化硅(SiOx)或氮化硅(SiNx)。
第三实施例
图3A到图3E是依本发明实施例的制作工艺方法于各步骤的对应结构示意图。请参阅图3A以及图3B，根据本发明所揭露的半导体发光元件的制作工艺方法包括提供一基板4，接着在基板4上外延成长一半导体叠层1，半导体叠层1包含一反射层14、一第一电性半导体叠层11、一主动层10位于第一电性半导体叠层11上，以及一第二电性半导体叠层12位于主动层10上，其中反射层14由数对折射率相异的第一折射率层141与第二折射率层142交互堆叠所组成，本实施例中，此对数介于5到50之间。第一折射率层141的材料可为AlaGa1-aAs，0.8≤a≤1，第一折射率层141对于主动层10发出的光线的折射率介于3到3.4之间；第二折射率层142的材料可为AlbGa1-bAs，0≤b<0.8，或(AlbGa1-b)0.5In0.5P，0≤b<0.8，其中当第二折射率层142的材料为AlbGa1-bAs，0≤b<0.8时，对于主动层10发出的折射率介于3.4到3.8之间，当第二折射率层142的材料为(AlvGa1-v)0.5In0.5P，0≤v<0.8时，对于主动层10发出的折射率介于2.8到3.2之间。第一电性半导体叠层11包含第一限制层(confining layer)111以及第一包覆层(cladding layer)112，第二电性半导体叠层12包含第二限制层121、第二包覆层122、第二出光层(window layer)123以及第二接触层(contact layer)124，其中第一及第二包覆层112、122可分别提供电子、空穴于主动层10中复合以发光，第一及第二限制层111、121用以提升电子、空穴于主动层10中复合的机率，第二出光层123用以提高从主动层10射出的光线取出率，第二接触层124与第一电极2形成欧姆接触。y第一电性半导体叠层11、主动层10以及第二电性半导体叠层12的材料可包含Ⅲ-Ⅴ族半导体材料，例如AlxInyGa(1-x-y)As或AlxInyGa(1-x-y)P，0≤x,y≤1；(x+y)≤1，其中第一电性半导体叠层11以及第二电性半导体叠层12依据掺杂不同的元素可带有不同的电性，本实施例中，第一电性半导体叠层11为一带负电的n型半导体，第二电性半导体叠层12为一带正电的p型半导体。依据主动层10的材料，主动层10可发出峰波长介于550nm及600之间的黄光、峰波长介于600nm及720nm之间的红光，或是峰波长大于720nm的红外光。
接续如图3C所示，图形化蚀刻半导体叠层1，形成封闭的多个孔洞16穿透半导体叠层1或者至少露出部分的反射层14，每一个孔洞16都被半导体叠层1围绕，多个孔洞16从第二电性半导体叠层12的上表面1b延伸至露出基板4或者仅露出部分的反射层14，孔洞16的直径介于2μm到20μm之间。
接续如图3D所示，由于第一折射率层141的特性较第二折射率层142易于氧化，故提供一湿式氧化制作工艺(wet oxidation process)，将每一个多个孔洞16的孔壁16a暴露于含有水气的环境中，在高温约300℃～800℃下，由孔壁16a向内氧化第一折射率层141以形成含有氧化铝(AlmOn)的氧化层15，其中m及n为整数。相邻的孔洞16之间部分仍为未被氧化的第一折射率层141。第一折射率层141的氧化速率与温度及铝含量成正比。
氧化层15包含多个氧化区15’环绕每一个孔洞16，两相邻的孔洞16之间的距离S上仍保有部分未被氧化的第一折射率层141，其中未被氧化的第一折射率层141部分具有一宽度介于20％到80％的相邻的孔洞16之间的距离S。氧化层15所含的氧化铝(AlmOn)的折射系数介于1.6到1.8之间，而第二折射率层142的折射系数大于2.8，二者折射系数差异至少大于1以上，因此氧化层15与第二折射率层142之间折射率差异所形成的多个全反射界面，使得反射层14对于主动层10所射出的光线的反射率超过90％；且每一个氧化层15与第二折射率层142之间的临界角超过32度，大于第一折射率层141与第二折射率层142之间的临界角。
形成一绝缘材料17覆盖在孔洞16中以避免短路，其中绝缘材料17的材料包含氮化铝(AlNx)、氧化铝(AlOx)、氧化硅(SiOx)、氮化硅(SiNx)或苯并环丁烯(BCB)。形成一第一电极2以及一第二电极3，其中第一电极2位于第二电性半导体叠层12的上表面1b且覆盖部分的多个孔洞16，以蚀刻的方式去除未被第一电极2覆盖的第二接触层124。第二电极3形成在基板4相对于半导体叠层1的另一侧上，其中第一电极2及第二电极3都是金属材料所构成，包含锗(Ge)、金(Au)、镍(Ni)、锗金合金、或锗金镍合金。接着，以蚀刻或切割的方式，在半导体叠层1上形成切割道18并穿过该第一折射率层141未被氧化的部分，以定义出多个半导体发光元件并露出外侧壁1a，氧化区15’随着多个孔洞16均匀地分散在半导体叠层1中，每一个氧化区15’都被第一折射率层141未被氧化的部分所环绕且未露出于外侧壁1a。如图1B所示半导体发光元件100的上视图，多个孔洞16均匀地分散在上表面1b，氧化层15的面积为半导体叠层1的上表面1b的上视投影面积的5％到50％之间。第一电极2包含一电流注入区域21与至少一延伸区域22与电流注入区域21连接，其中，电流注入区域21位于上表面1b的中央覆盖部分位于上表面1b中央的孔洞16，用以打线引入外部电流；延伸区域22与第二电性半导体叠层12形成欧姆接触，延伸至该上表面1b的一边界L且覆盖部分的孔洞16，用以将电流散布至半导体叠层1中电流注入区域21以下的其他的区域，其余未被第一电极2覆盖的孔洞16露出于上表面1b；第二电性半导体叠层12的上表面1b未被第一电极2覆盖的部分，为一粗化表面用以提高光取出率，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。后续上表面1b的粗化表面以及外侧壁1a上，披覆一钝化层(未显示)以保护半导体叠层1避免短路。
由第一电极2以及第二电极3导入一电流，使主动层10发出一光线，其中光线为非同调光(incoherent light)，由于第一电性半导体叠层11以及第二电性半导体叠层12的能隙大于主动层10的能隙，第一电性半导体叠层11以及第二电性半导体叠层12对于主动层10发出的光线的透明度超过50％，光线可直接穿透第二电性半导体叠层12从上表面1b或半导体叠层1的外侧壁1a射出，或是先经由反射层14反射后从半导体叠层1的上表面1b或者半导体叠层1的外侧壁1a射出。
接续如图3E所示，施以一分离制作工艺沿着切割道18形成多个半导体发光管芯，每一半导体发光管芯的结构如前述各实施例详述的半导体发光元件的结构，其中，分离制作工艺包含劈裂或激光切割。由于氧化层15随着孔洞16均匀地分散在半导体叠层1中，可有效地降低氧化区15’产生的应力，且氧化区15’没有外露在半导体叠层1的外侧壁1a上，在后段的分离制作工艺中，可降低氧化层15与第二折射率层142之间的界面破裂的机率。
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 (19)
1.一种半导体发光元件，其特征在于，包含：
半导体叠层，具有：
反射层；
第一电性半导体叠层，位于该反射层上；
主动层，位于该第一电性半导体叠层上；以及
第二电性半导体叠层，位于该主动层上且包含接触层；
多个孔洞；
多个氧化区，围绕该多个孔洞中的每一个；以及
外侧壁；
第一电极，位于该半导体叠层上；
其中该多个孔洞未被该接触层所覆盖，且于该半导体发光元件的一剖面该些氧化区不露出于该外侧壁。
2.如权利要求1所述的半导体发光元件，其中该半导体叠层具有第一上表面，该第一上表面有一部分未被该第一电极覆盖且该部分为粗化表面。
3.如权利要求1所述的半导体发光元件，其中该反射层包含多对第一折射率层与第二折射率层交互堆叠，且该第一折射率层与该第二折射率层的折射率相异。
4.如权利要求3所述的半导体发光元件，其中该第一折射率层与该第二折射率层的对数介于5到50之间。
5.如权利要求3所述的半导体发光元件，其中该第一折射率层的材料为AlaGa1-aAs，该第二折射率层的材料为AlbGa1-bAs，且0.8≤a≤1，0≤b<0.8。
6.如权利要求1所述的半导体发光元件，其中该些氧化区的材质为氧化铝。
7.如权利要求1所述的半导体发光元件，还包含基板与第二电极，该半导体叠层位于该基板上，且该第二电极设置在该基板下。
8.如权利要求1所述的半导体发光元件，还包含绝缘材料，且该多个孔洞中的每一个具有孔壁，该绝缘材料覆盖在该孔壁上。
9.如权利要求8所述的半导体发光元件，其中该绝缘材料具有第二上表面，该第二上表面被该第一电极覆盖。
10.如权利要求1所述的半导体发光元件，其中该多个孔洞具有一部分未被该第一电极覆盖。
11.如权利要求1所述的半导体发光元件，其中该接触层的宽度小于该第一电性半导体叠层的宽度。
12.如权利要求1所述的半导体发光元件，其中该第一电极包含一电流注入区域与多个延伸区域自该电流注入区域延伸。
13.如权利要求12所述的半导体发光元件，其中该延伸区域覆盖部分的该多个孔洞。
14.如权利要求1所述的半导体发光元件，其中该主动层可发出峰波长介于550nm及600之间的黄光、峰波长介于600nm及720nm之间的红光，或是峰波长大于720nm的红外光。
15.如权利要求1所述的半导体发光元件，还包含电流阻挡结构，位于该接触层与该第一电极之间。
16.如权利要求15所述的半导体发光元件，其中该电流阻挡结构的材料为氮化铝(AlNx)、氧化铝(AlOx)、氧化硅(SiOx)或氮化硅(SiNx)。
17.如权利要求3所述的半导体发光元件，其中该多个孔洞中两相邻的孔洞之间具有部分未被氧化的该第一折射率层。
18.如权利要求3所述的半导体发光元件，其中该多个氧化区与该第二折射率层的材质的折射系数差异大于1以上。
19.如权利要求12所述的半导体发光元件，其中该多个氧化区具有一部分位于该延伸区域的正下方。
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