TW200402897A - Semiconductor light-emitting device - Google Patents

Description

200402897 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於半導體發光元件，具體而言係關於ZnSe(晒 化鋅）類發光元件。 【先前技術】

ZnSe類白色發光元件中，在ZnSe基板上形成之含有忡 接合的活性層會發出藍色光，尚且，以“基板上之自我活 性發光中心（SA (Self-Activated)中心）會受到該藍色光的激 勵而發出黃色光。圖12為ZnSe類白色發光元件之構造概略 圖：具有SA中心之nsZnSe基板1〇1上形成有nsZnSe磊晶 層103’其上至少形成有一個為包含pn接合之發光層的活性 層1〇4 ’其上形成有p型ZnSe暴晶層1〇5。如欲使活性層1〇4 發光，則需在η型ZnSe基板101背面上型電極工^與卩型 ZnSe暴晶層1〇5上之p型電極間施加電壓；電壓方面，應在p 型電極110上施加指定的電壓，且在η型電極1丨2施加比其低 的電壓，以在pn接合上施加順向電壓。藉由該電壓施加， 載子會植入pn接合，使得活性層1〇4發光。在為znSe化合物 半導體的情況中，活性層產生的光線為相當於活性層内之 ZnSe層波長的藍色。該藍色光具有狹窄的頻寬。 該藍色光不僅通過上側之p型ZnSe磊晶層而射出至射出 面之外，也會達到位於下側的η型ZnSe基板101。n型ZnSe 基板上事先摻雜有蛾、銘、氯、溴、嫁、或錮等中之至少1 種而具有η型導電性。藉由該摻雜，ZnSe基板上形成有SA 發光中心。藉由照射包含上述藍色光之510 nm以下的短波 長光線，SA發光中心會產生550 nm至650 nm之長波長的光 85230 200402897 線；該長波長光線為黃色或橙色的可見光。 由圖中的活性層發出的藍色或藍綠色光線中，在以以基 板方向上傳播的部份在由ZnSe基板101吸收後，將因為產生 光激勵發光而產生黃色或橙色或紅色光。藉由將上述兩種 發光光線組合，可得到白色光。 【發明内容】 如上述，為使ZnSe類半導體發光元件發光，有必要在配 置於p型半導體層上之p型電極與形成於η型2：nSe基板背面 上之η型電極間施加電壓。 形成於η型ZnSe基板背面的η型電極方面，以往採用藉由 熔接（Fusion Splicing)法之Ιη(錮）、或藉由再生長法或蒸著 法的Au(金）/Ti(鈦）。上述金屬對於活性層發出的藍色或藍 綠色光、及η型ZnSe基板產生的長波長光具有低反射率，而 會吸收上述光線的大部份。 如上述，ZnSe類發光元件不僅會使用到活性層產生的短 波長光線，也會使用到ZnSe基板產生長波長光線，因此， 為了提升輸出及控制色度，重點在於如何有效地由Zns_ 基板取得更多的發光。 本發明之目的在於：藉由有效利用半導體元件產生的光 線，以得到高輝度的半導體發光元件。此外，其次的目的 在於：對能夠產生白色光的半導體元件進行色度調整，且 進一步抑制輸出及色度的分散。 本發明之半導體發光元件為由射出面向外部射出光線的 +導體發光元件。該半導體發光元件包含：第—導電型半 85230 200402897 中心；活性層，其形成於 ，其位於射出面的反面， 導體基板，其具有自我活性發光 弟一導電型半導體基板；及A1層 用以將光線反射至射出面側。 如上述、，藉由將A1層設置於射出面反面的實裝基板侧 上，使得活性層產生的藍色光及半導體基板中產生的从發 光由A1層反射，藉由朝向射出面，可使輸出提升，即可提 升輝度。此外，SA發光中心發出的光線也會經由乂層反射 而有效利用，且短波長光經由反射而傳播至半導體基板中 時，可再度激勵SA發光中心，因此長波長光的強度會隨之 增強，且由活性層射出而用以激勵的光線則因為受到吸收 而強度減弱。為此，相對於活性層射出的光線成份，可提 高白色光中SA發光中心射出的光線成份。 上述發光元件在進行實裝時，可採磊晶向上（基板向下） 或磊晶向下（基板向上）的實裝方式。"磊晶向上，，等字彙係指 士述第一及第二導電型半導體層在基板上進行磊晶生長^ 實裝上之發光元件等方向··磊晶向上（基板向下）係指半導 體基板固定於實裝基板，並以磊晶層形成射出面的情況； 暴晶向下（基板向上）係指磊晶層侧固定於實裝基板，並以 半導體基板形成射出面的情況。不論為以磊晶向上實裝為 可提的半導體發光元件、或以磊晶向下實裝為前提的半導 體發光元件，均可採用上述A1層。 亦即，上述射出面也可在活性層上形成之第二導電型半 導體側的位置上，而上述A1層形成與第一導電型半導體基 板間呈電性連接的電極。 85230 200402897 依上述的構化，在磊晶向 ^ ^ ^ ^ .、 门上只裝中，藉由Α1層的反射， ^ ^ 層產生的光線射向Α1層時，加 上光、、泉經由Α1層反射而射向射 μ c λ政丄山 门射出面時，會對半導體基板中 的SA發光中心進行一业Λ、Α 私、 八兩次的激勵。因此，可提高SA發光 .度，且也能提高活性層產生 曰座生 < 先線本身的強度。 在構造上，也可在上述第一邋+ 、 、 弟導电型+導體基板的表面（背 面）上’設置所含之第一導泰刑路 上 ^ 質濃度比第一導電型半導 體基板高的高濃度第一壤雨刑坐 二 又币等包型丰導體層，且A1層位於與該 鬲濃度第一導電型半導體相接的位置。 藉由上述構造’在採用磊晶向上實裝的情沉中，可輕易 地使背面電極具有歐姆特性（〇hmic)。 、上述射出面也可位於第—導電型半導體基板側，且au| 位：在活性層上形成之第二導電型半導體層側。 、藉由上述構k，即使在系晶向下實裝的情況，也可有效 運用半導體發光元件中產生的光線，使輝度提高。 、此外，尚可將Au層或且包含兩層之Ti(下層）/Au(上層）形 成並連接於上述A1層上。藉由該層或丁丨/八以層，可保護原 本不穩定的A1層且使其穩定化。 、在構造上，上述之第一導電型半導體基板可為包含自己 活性發光中心之nSZnSe基板，且nSZnSe基板上形成有具

Pn接合之活性層。 如上述’在以比較容易製造的η型ZnSe做為半導體基板來 進订例如磊晶向上實裝的情況下，活性層產生的光線會達 到A1層。雖然由活性層達到以以基板表面（背面）的光線量 8SS34 8523〇 200402897 係依存於基板的吸收係冑，然而以pvT(ph㈣^ v Tra^sport ;物理氣相沈積）法製作的基板的吸收係數並 不回，有相當多的光線會由活性層到達以以基板表面（背 面到達背面的光線會經由八丨層反射而回到上方。以往做 為3面包極來利用的In電極或Ti電極方面，上述光線幾乎 王部會由兔面電極所吸收。藉由如上般配置八丨層，光線會 反射向光取出#而再次通過ZnSe基板。活性層射出的光線 再次通過ZnSe基板上方時，會使ZnSe基板中的發光中心再 八發出長波長光線。為此，不僅可提升整體的輝度，相對 地也可提升SA發光中心的光線比例。結果，能夠使寒色系 的白色光變得更為接近完全的白色光，且可進一步地得到 暖色系的白色光。 【實施方式】 接下來依圖式來說明本發明之實施方式。 (第一實施方式） 半導f豆發光元件的ZnSe類白色LED中，會利用n型ZnSe 基板上生長而成之磊晶活性層，藉由其發出的藍色光的一 部份在ZnSe基板中行進時來激勵sA中心。在此時，藍色光 之一部份會因為上述激勵而受到吸收。利用SA中心受到激 勵後在緩和過程中發出的S A發光，實現了白色化。該白色 LED中’在ZnSe基板背面上，形成有金屬的η型電極。當ZnSe 基板無法完全吸收藍色光的情況下，藍色光的一部份會到 達ZnSe基板的背面電極。另一方面，由於s a發光具有等方 向性’射向射出面侧或實裝面側的光量均相同，因此會有 85230 -10 - 200402897 相當多的SA光到達背面電極。 當ZnSe基板的背面電極上的反射率為ι〇〇%，即使光線射 到背面電極也不會造成問題；惟，實際上並不可能會有 1〇〇%的反射率，無法避免吸收部份光線。有鑑於此，ZnSe 免面電極界面上的反射率為決定白色led的發光特性上非 常重要的因素。惟，目前為止從未無對該反射率進行測量， 根本沒有反射率相關的實際資訊。為此，對以以基板的背 面電極界面上的反射率進行測定；背面電極係利用τ丨層、 In層、及Α1層，而所得到測量結果如下： (al)反射率測定的原理 以圖1(a)所示的配置來進行反射率的測定時，測定的反射 率（rl)會為包含空氣/ZnSe界面上之反射率（R〇)、以“中之 吸收係數（a)、及ZnSe/背面電極界面上之反射率（ri)的值。 因此，僅測定出rl並無法決定出R1。rU|ij定之外，加上依 圖1(b)《配置了 ’即在沒有背面電極的狀態下進行反 ㈣）及穿透率（TG)的敎，由上述三者的測定結果可 R0、Rl、rl、及 a〇 反射的情況下，具有如下關係： r0 = Κ0^[{Α2χΚ0χ(1- RO)2 } /{i ^ χ Γ0 = μχ(1-Λ0)2}/{1~(^χΛ0)2} ，ι=^0+[μ2χΜΧ(ι-Λ0)2}/{ΐ〜^χ 則xi?1}} 4 = exp(-αχ ¢/) 在此’ d為Ζ η S e基板的厚度 利用上述的關係式 可由測 85230 -11 - 200402897 定值rl、r〇、及τ〇來計算出R〇、ri、及a。 (a2)Ti/Au電極之情況下的測定 使用的樣本為如下3種樣本。 (sl)as_grown PVT基板（Physical Vapor Transport^物理氣 相沈積）法） (s2)Al-doped PVT基板 (s3)CVT基板（Chemical Vapor Transport(化學氣相沈積） 法） 將各晶圓切割成10 mmx 10 ，對晶圓雙面進行鏡面 研磨而使其厚度成為200 μηι。關於樣本（s2)Al-doped PVT， 在研磨各面時保留了設置A1的區域。 在焊接電極之前，對上述3個樣本的穿透率T0及反射率r〇 進行測定。測定結果係如圖2及圖3所示。 穿透率的差異係源自於有無掺雜及雜質種類。摻雜時， 吸收端會移向長波長侧；相較於A1，碘原子具有更顯著的 傾向。反射率在長波長側沒有太大的差異，然而愈靠近吸 收端差異愈大。惟，僅以上述資料並無法判斷究竟為吸收 造成的影響或反射率R0相異造成的影響。依上述的測定結 果，計算出空氣/ZnSe界面上的反射率R0與吸收係數a後， 其結果如圖4及圖5所示。依上述圖式，各樣本間的r〇差異 不大。 接下來，在上述樣本之單面上蒸著Ti/Au薄膜。Ti的膜厚 設為500A，Au的膜厚設為ΙΟΟΟΑ。在此，由於Ti膜具有足 夠的厚度，入射光無法穿透，因此在Ti後蒸著的Au想見幾 QQS8? 85230 -12- 200402897 乎不會有任何影響。反射率rl的測定結果如圖6所示。 由該反射率rl計算出Ti/ZnSe界面上的反射率R1的話，結 果係如圖7所示。由圖7可知·· Ti/ZnSes面上的反射率^並 不太南即，對於背面電極而言，大部份的入射光受到吸 收。使用CVT基板的情況中，由於對藍色光的吸收係數大 (參照圖4)，藍色光無法達到背面；然而藍色光轉換成之 光的一部份仍會達到背面，因此無法避免光的吸收損失。 使用PVT基板的情況中，由於藍色光的吸收係數小，因此 監色光的一部份會達到背面受到吸收而損失；當然不僅會 抽失來自活性層的藍色光，並且也會損失一部份的SA光。 (a3)In電極及A1電極的情況下的測定 、接下來，在as-grown PVT基板的單面上蒸鍍^或八丨後， 實施反射率rl的測定，以評估對In及Α1的反射率111。在此 之as-grown PVT基板的吸收係數&及反射率&〇係採用在 所測定的值，而未重新加以測定。 //、J足所得之反射率rl及由此估算出來的「或Ai/ZnSes 面」反射率R1係如圖8及圖9所示。 依圖8及圖9可知，使用In電極的情況中，反射率會稍比 Tl電極為鬲’然而並非大幅的提升；3 -方面，使用A1電 極時，則會反射率大幅地提升。因此，藉由背面電極上使 用A1 ’能夠大幅提升發光元件（LED)的輝度。 (a4)結論 茱整上述的測定結果，在測定「Ti、“或Al/ZnSe的界面」 上的反射率後’可知使用Ti電極及/或In電極的情況中，反 85230 -13- 200402897 射率會下降20%至30% ;相對於此，A1電極的情況中，反射 率會大幅提高75%左右。因此，做為白色led的背面電極方 面’可知如使用Ti層或In層時，背面電極的光的吸收損失 會變大，然而使用A1層時，則可大幅減少該吸收損失。依 上述結果，藉由將A1層用於在射出面上及反面的實裝面上 的電極，可使光線在實裝面反射而朝向射出面側，因此不 會浪費光線，而得以提升輝度。 (第二實施方式） 圖10為本發明之第二實施方式中的211以類發光元件之剖 面圖。圖10中，在η型ZnSe單晶基板1上依序形成有：1 μπι 厚的η型ZnSe緩衝層2、〇·5 μιη厚的η型ZnMgSSe被覆層 (cladding layer)3、ZnSe/ZnCdSe多重量子井活性層 4、〇·5 μιη 厚的ρ型ZnMgSSe被覆層5、〇·2 μπι厚的ρ型ZnSe層6、ZnTe 與ZnSe的疊層超晶格構造形成之p型接觸層7 ;再者，在其 上形成有40 nm厚的p型ZnTe層8。在如上述之暴晶構造上， 开j成有由Au薄膜1 〇a及晶格狀Ti/Au膜l〇b形成之p型電極 10 〇 pn接合的發光方面，由於源自電極的電流密度愈高的位 置上的發光愈& ’因此為了使電流能夠整體平均地流過活 性層中的pn接合，在p型ZnSe磊晶膜的表面上被覆有薄的金 (An)膜；金膜的厚度愈薄愈好，然而太薄時會無法得到均 一的發光。 η型ZnSe基板1中，藉由摻雜有碘、鋁、氯、漠、鎵、或 銦等1種以上的η型雜質後，以510 nm以下的短波長光線進 OSSSS 85230 -14- 200402897 行照射，形成有在550 nm至650 nm範圍内具有發光波長中 心的SA(Self_Activated)發光中心。尚且，形成於ZnSe基板 上之各層均為暴晶層’以下内客中將不再一 一重覆說明。 圖10的最大特徵在於：η型ZnSe基板背面配置有A1層9a。 A1層9a與η型ZnSe基板1之間，設有η型雜質濃度比ZnSe基板 為高的n+型ZnSe層19 ; n+型ZnSe層19以磊晶膜為佳。藉由 设置上述般高濃度n型ZnSe層19，可輕易地使A1層9a與η型 ZnSe基板1間達成歐姆接觸。為了保護八丨層的不穩定性， A1層9a上被覆有Au膜9b。 如上所述，藉由在η型ZnSe基板的背面電極上配置A1層， 能夠將大部份以往為Ti層或In層等所吸收而損失的光線反 射回射出面侧。因此，可提升ZnSe類發光元件的輸出，提 高輝度。此外，以往SA發光的長波長光中射向背面電極的 部伤均成為吸收損失，然而在此該部份的大部份均會反射 回射出面側而有效利用。再者，由活性層射出之短波長光 在經由A1層反射而射向射出面側時，s a發光中心會再度 雙到激勵而發出長波長光；且，該用於激勵之短波長光會 又到吸收而損失。為此，長波長光的強度會相對地比短波 長光的強度來得高，使得原本為寒色系的白色光更接近完 全的白色光。亦即，不僅可提升輝度，且能夠調整白色光 的色度。 (實施例） 在此製作第二實施方式的ZnSe類發光元件，對設置…層 的效果進行了驗證。本發明例為圖10所示之ZnSe類發光^ 80680 85230 -15- 200402897 件’在ZnSe基板1的背面上配置有乂層9a。此外，μ層％ 與ZnSe基板1之間設有心型〜^層19，八丨層％上叠層有八11 層9b。此外，為了做為比較例，製作了以Ti層取代^層的 ZnSe類發光元件。對於本發明例與比較例進行了輝度及色 度的比較；在此之色度為元件表面的色度。結果如表丨所示。 表1 本發明例 Al/Au電極 比較例 Ή/Au電極 Vf __(V)_ 2.67 2.65 輸出 (mW) 2.72 1.83 色度 (0.208, 0.261) ——— - (0.184, 0.261) 丨_ 依表1，如以往一般以Ti/Au形成電極時，得到了 183 mW 的輸出；另一方面，為本發明例時，可得到約為前者15倍 的2.72 mW輸出。此外，色度（χ，γ)方面，使用Ή層的情況 時為（0·184，〇·261)，屬於寒色系白色；惟，使用A1層的情 況時為（0.208，0.261)，得到了暖色成份增加的效果。如上 述叙，藉由使用A1層，可提高輸出且控制色度，得到高輸 出的白色LED。此外，藉由在背面對對活性層發出的光線 進行反射，可抑制輸出及色調的分散。 (第三實施方式） 圖11為本發明之第三實施方式中之211以類發光元件的剖 606 Ui 85230 -16- 200402897 面圖在本貝施方式中，特徵在於ZnSe基板向上（p型層向 下）g裝。由於採用p型層向下實裝，雖然為了能夠對活性 層整體提供高於指定值Μ雨、、云## . ^ ^ ^ ^ ^ 1 < m的電泥岔度，有必要全面被覆ρ型電 極，然而並無必要在構成射出面的nSZnSe基板的整個表面 上形成Ti/Au膜。為此，射出面16上設有晶格狀電極12。基 於上述的構造，加上A1層的反射作用的效果，藉由p型層向 下實裝，揲需用以被覆整個射出面的p型電極丁丨/八以膜，因 而相對地可使輝度進一步提升。 在圖11中，η型ZnSe基板1的上面連接並設有所含n型雜質 濃度比基板1為高的高濃度ZnSe磊晶層15。相接於該高濃度 ZnSe磊晶層15的狀態下，設有由Ti/Au所形成之晶格狀電極 12。該高濃度ZnSe磊晶層15係為使Ti/Au晶格狀電極12能夠 輕易地成為歐姆電極而設。此外，該高濃度ZnSe磊晶層j 5 也形成了此發光裝置的射出面1 6。 上述ZnSe基板上，依序由下侧形成有·· η型ZnSe緩衝層2、 η型ZnMgSSe被覆層3、ZnSe/ZnCdSe多重量子井活性層4、p 型ZnMgSSe被覆層5、p型ZnTe/ZnSe超晶格接觸層7、及Ai 層9a與Au層9b。p型ZnTe/ZnSe超晶格接觸層7上，則係將歐 姆電極Αιι以晶格狀配置於周邊部位，且形成蜂窩狀的Au電 極以使電流能夠擴散於晶片整面。將A1蒸鍍於該電極整面 上’以蜂窩狀的開口部來反射來自活性層的發光。再者， 底側的電極方面，則可將用以歐姆接觸的金屬（s 1)以指定的 面積被覆率而離散性的全面配置、或（s2)—面連續地且一面 以指定的開口率開設開口部地全面進行配置，而殘餘的部 δδ&82 85230 -17- 200402897 伤係以A1層受被覆即可。上述實施方式中’八以膜在配置上 之晶格狀電極與蜂窩形狀的組合乃相當於上述（s2) 一面連 續且一面具有指定開口率的情況。上述底部電極上，雖然 有歐姆接觸之金屬（Au)配置於周緣部位而形成晶格狀電 極，然而也將歐姆接觸金屬離散地配置於整個底部電極面 上：即，也可採取（si)的配置方式。 依圖11的構造，異於磊晶向上的構造，並無覆蓋整個射 出面的au膜。為此，由於射出光並不會aAu電極膜所吸 收，相對地便可提高輝度。再者，如在第二實施方式中所 做的詳細說明，由活性層射出的光線在經由部份設置於p 側電極上之A1層的反射作用，能夠進一步提升輝度。此外， 第二實施方式中說明的理由，可將寒色系白色光中的暖色 系光強度提高，而更近於完全的白色光。 在上述内容中，雖對本發明之實施方式進行了說明，然 而上迷本發明之實施方式僅為舉例之用，本發明之範圍並 不受本發明之實施方式所侷限。本發明之範圍為如申請專 :範圍所示，1包含等同於中請㈣範^⑽容及範圍 内之所有變更。 „明之半導體發光元件，藉由射出面及反面以 而:周t二1層’可侍到鬲輝度且易於藉由提高从發光成伤 向调整色度。 【圖式簡單說明】 理Ξ1為其本中發明之第一實施方式中反射率的測定方法之原 5 85230 -18- 200402897 圖1(a)為包含空氣接觸面之反射的反射率rl測定之圖； 圖1(b)係以為了得到圖1(a)測定補充上必要的反射率R1 而實施之反射率r〇及穿透光丁〇測定方法為内容之圖。 圖2為在Ti/Αιι電極情況中之穿透光T0的測定結果之圖。 圖3為在Ti/Αιι電極情況中之反射率叻的測定結果之圖。 圖4為由T0與r〇之測定結果計算出來之吸收係數a之圖。 圖5為由T0與r〇之測定結果計算出來之空氣/ZnSe界面的 反射率R0之圖。 圖6為樣本單面上蒸著有Ti/All薄膜的情況下的反射率rl 測定結果之圖。 圖7為Ti/ZnSe界面上之反射率R1的計算結果之圖。 圖8為ZnSe基板背面分別具有A1層、In層、及Ti層的情況 下之反射率r 1測定結果之圖。 圖9為A1層、in層、及Ti層分別與以以層間之界面上的反 射率R1測定結果之圖。 圖10為本發明之第二實施方式中之以“類發光元件之剖 面圖。 圖11為本發明之第三實施方式中之ZnSe類發光元件之剖 面圖。 圖12為以往之ZnSe類發光元件之圖。 【圖式代表符號說明】 1、101 η型 ZnSe基板 2 η型ZnSe缓衝層 3 η型ZnMgSSe被覆層 -19- δδδ®4 85230 200402897 4 多重量子井活性層 5 p型ZnMgSSe被覆層 6 p型ZnSe層 7 p型接觸層 8 p型ZnTe層 9a A1層 9b Au膜 10 p型電極 10a Au膜 10b Ti/Au 膜 12 晶格狀電極 15 高濃度ZnSe磊晶層 16 射出面 19 n+型ZnSe層 103 η型ZnSe磊晶層 104 活性層 105 P型ZnSe磊晶層 110 p型電極 112 η型電極 SA 自我活性發光中心 -20- 08605 85230

Claims (1)

1. 200402897 拾、申請專利範園： ι_ 一種半導體發光元件，其特徵為由射出面向外部射出光 線的半導體發光元件，且包含：第一導電型半導體基 板，其具有自我活性發光中心；活性層，其形成於第一 導電型半導體基板；及A1層，其位於射出面的反面，用 以將光線反射至射出面侧。 2·如申請專利範圍第丨項之半導體發光元件，其中上述射 出面位於在活性層上形成之第二導電型半導體側，上述 A1層構成與第一導電型半導體基板間呈電性連接的電 極。 3·如申請專利範圍第2項之半導體發光元件，其中上述第 一導電型半導體基板的表面上，設置有所含之第一導電 型雜質濃度比第一導電型半導體基板高的高濃度第: 導電型半導體層，且A1層位於與該高濃度第一導電型半 導體相接的位置。 4·如申請專利範圍第丨項之半導體發光元件，其中上述射 出面位於上述第一導電型半導體基板側，上述A1層位於 在上述活性層上形成之上述第二導電型半導體層側。 5·如申請專利範圍第1至4項中任一項之半導體發光元 件，其中在上述A1層上尚設有Au層及/或由Ti層與Au層 形成之複合層。 6·如申請專利範圍第1至5項中任一項之半導體發光元 件’其中上述第一導電型基板為含有自我發光中心之η 型ZnSe基板，且包含在上述η型ZnSe基板上形成之具有 pn接合的活性層。 85230