200913327 九、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明關於半導體發光裝置。 【先前技術】 半導體發光裝置正在擴展其作爲紅外線〜紅光〜黃光 〜綠光〜至藍光及白光的應用，其需要高的光取出效率及 高可靠度。 舉例而言，以大量的凹凸結果使發光裝置的光取出表 面粗糙化而實現高的光取出效率。當藉由表面粗糙化，降 低裝置表面與裝置外面之間的介面處從發光裝置的內部發 射的光的全反射時，可以提高至裝置外部的光取出效率。 JP-A2006-108635 (Kokai)揭示表面具有奈米尺寸的 凹凸結構之半導體發光裝置。此奈米尺寸的凹凸結構包含 具有漸變折射率的平台部、具有繞射效果的圓柱、以及具 有漸變的折射率之圓錐體的奈米尺寸的凸結構，藉以提高 吮' 光取出效率。 但是，在表面處的凹凸結構的形成處理可能造成處理 損害。在電流橫向地散佈於發光裝置中以從寬廣的裝置區 取得發光的情形中，電流也會散佈至受損區中，造成亮度 劣化。 Μ. Ο . Watanabe 等在 Appl. Phy s. Lett. 50( 1 987)906 中 揭示InGaAIP與GaAs之間的能帶不連續性（此後稱爲非 專利文獻 1) 。J· Batey 等於 J. Appl. Phys. 59(1986)200 -4- 200913327 中說明GaAlAs與GaAs之間的能帶不連續性（此後稱爲 非專利文獻2)。 【發明內容】 根據本發明的觀點，提供半導體發光裝置，包含：主 動層；電極，形成於主動層上方；電流散佈層，形成於主 動層與電極之間，具有η型導電率、比主動層具有更大的 能帶隙能量，以及將從電極注入的電子散佈至主動層的平 面中；以及，表面經過處理的層，形成於電流散佈層之上 ，比主動層具有更大的能帶隙能量，以及具有設有大量凹 凸結構的不均勻表面區，其中，電極不形成於不均勻表面 區上，以及，其中，表面經過處理的層比電流散佈層具有 更高的始於費米能階的導電帶邊緣能量。 根據本發明的另一觀點，提供半導體發光裝置，包含 :主動層；電極，形成於主動層上方；電流散佈層，形成 於主動層與電極之間，具有ρ型導電率、具有比主動層更 大的能帶隙能量，以及將從電極注入的電洞散佈至主動層 的平面中；以及，表面經過處理的層，形成於電流散佈層 之上，比主動層具有更大的能帶隙能量，以及具有設有大 量凹凸結構的不均勻表面區，其中，電極不形成於不均勻 表面區上，以及，其中，表面經過處理的層比電流散佈層 具有更高的始於費米能階的共價帶邊緣能量。 根據本發明的另一觀點，提供半導體發光裝置，包含 :主動層；電流散佈層，形成於主動層上方，比主動層具 -5- 200913327 有更大的能帶隙能量’以及注入的載子散佈於主動層的平 面中；中間層’形成於電流散佈層上，比主動層具有更大 的能帶隙能量，以及比電流散佈層具有更低的A1成份； 表面經過處理的層，形成於中間層之上，具有設有眾多凹 凸結構的不均勻表面區；以及，電極，形成於表面經過處 理的層之不均勻區除外的區域上，以及，將載子注入；其 中’表面經過處理的層比中間層具有更高的始於費米能階 的導電帶邊緣能量，或表面經過處理的層比中間層具有更 高的始於費米能階的共價帶邊緣能量。 【實施方式】 現在’將參考圖式，說明本發明的實施例。 圖1是根據本發明第一實施例的半導體發光裝置的槪 要剖面視圖。 半導體發光裝置包含由例如P型Ga As製成的基底10 ，在基底10上，依序形成p型InGaP的異質能障降低層 12、p 型 In〇.5Al().5P/InGaAlP 的反射層 14、p 型 Ιη〇.5Α1〇.5Ρ的包覆層16、P型InGaAlp的量子井製成的主 動層 18、n型 Ιη〇5Α1().5Ρ的包覆層 20、n型 In〇.5 (Ga〇.7Al().3)().5P 的電流散佈層 22、及 η 型 In〇.5 (Ga〇.3A1Q.7)〇.5P的表面經過處理的層24。可以使用例如 MOCVD (金屬有機化學汽相沈積）或MBE (分子束磊晶 )等晶體生長技術，以生長上述結構。 假使InGaAlP爲基礎的材料之晶格常數與GaAs的晶 200913327 格常數顯著不同，則會於InGaAlP中引起錯位，造成 InGaAlP晶性劣化。因此，相對於GaAs基底的inGaAlp 的晶格常數的偏差較佳地控制在± 〇 . 2 %之內，這是藉由約 0 · 5的I η成份比而貫現的。如此’在本揭示中，a 1成份比 以X標示’舉例而言，InGaAlP ( χ = 0·3 )意指In成份爲 0.5時’代表成份Ino.^GaojAlo.Oo.sP。括號也代表成份 比X的範圍’例如0.44 S X $ 1。InGaAlP爲基礎的In成份 比不限於〇 . 5。 藉由一次微影術及一次RIE (反應性離子蝕刻）處理 的結合，在η側電極3 0下方的區域除外的表面經過處理 的層24上形成平台凹凸結構24a。在未形成表面經過處理 的層24的區域上選擇性地生長η型GaAs的接觸層28。 在接觸層2 8上形成η側電極3 0，以及，在基底1 〇的背側 上形成Ρ側電極。平台凹凸結構表示包含平台部及/或圓 錐體的凹凸結構。 在使用半導體發光裝置的η側電極3 0側作爲光取出 表面的情形中，光取出表面通常由透明樹脂遮蓋及密封。 舉例而言，當半導體層具有3.3的折射率及透明樹脂具有 1.5的折射率時，根據史奈耳（Snell)定律，算出關鍵角 約爲2 7度。沒有平台凹凸結構時，入射角大於此關鍵角 的光會發生全反射。形成於表面經過處理的層24的表面 處平台凹凸結構2 4 a造成從半導體層朝向透明樹脂之漸變 折射率區。如此，在表面經過處理的層24與透明樹脂之 間的介面的全反射可以降低。因此’本實施例之平台凹凸 -7- 200913327 結構24a的形成可以使光取出效率增加爲約1 . 5倍。 現在說明圖1的疊層結構。 異質能障降低層1 2由例如載子濃度爲1 X 1 0 18 c ηΓ3或 更多的InGaP製成，且厚度在〇.〇1與Ο.ίμιη之間。其防 止導因於GaAs與InGaAlP之間的共價帶異質能障的電壓 下降。由於在GaAs與InGaAlP之間的共價帶異質能障高 且電洞比電子具有更大的有效質量，所以，在介面處的大 壓降造成無異質能障降低層的半導體發光裝置的操作電壓 增力D。 在主動層1 8中，在構成量子井結構的能障層中的Α1 與井層成份被調整成爲發射波長約620 nm，對應於2.0 eV的能帶隙能量。反射層14由In〇.5Al〇.5P及InGaAlP的 多層結構製成，以及將主動層1 8發射的約620 nm的光朝 上反射。 電流散佈層22具大足夠低的電阻率，以致於從η側 電極注入的電子廣泛地散佈於裝置平面中。爲達此目的， 電流散佈層22具有相當高的載子濃度，例如lx1018CnT3 。此外，電流散佈層22的能帶隙能量由能帶隙能量大於 主動層18 ( 2. Oev )的能帶隙能量之材料製成，以防止從 主動層1 8發射的光被吸收。舉例而言，電流散佈層22由 InGaAlP ( χ = 0·3 )製成，則其能帶隙能量爲2.09 eV。 在本實施例中，雖然構成量子井的能障層與井層之成 份被調整爲62 0 nm的發射波長，但是，發射波長可以彈 性地設定。舉例而言，藉由在主動層的量子井結構中使用 -8- 200913327
InGaAlP(x~0.25)作爲井層以及 InGaAlP(x:約 0.4 至 0.6 )作爲能障層，可以取得波長約5 9 0 nm的黃色發射光 。藉由在主動層的量子井結構中使用InGaAlP ( X〜0.4 )作 爲井層以及InGaAlP ( X〜0.6 )作爲能障層，可以取得波長 約570 nm的綠色發射光。在需要更長波長區中的發射光 之情形中，藉由在主動層的量子井結構中使用InGaAlP ( X〜〇 )作爲井層以及InGaAlP ( X:約0.2至0.6 )，可以取 得波長約6 5 0 nm的紅色發射光。在需要發射紅外線的情 形中，藉由使用GaAs或GaAlAs作爲主動層的井層，可 以將發射光波長調整在7〇〇nm至900nm的範圍。用於取 得紅外線的能障層可以根據I n G a A1P ( X :約0至0.6 )或 GaAlAs。不僅是量子井結構，單層結構或其它結構也可以 用於主動層。 可以在從綠光〜黃光〜紅光至紅外線的寬廣範圍中，彈 性地設定發射光波長，以及，根據發射光波長，設計反射 層1 4。電流散佈層22選自比主動層具有更大的能帶隙能 量之材料。 圖2A及2B是能帶圖，其中，垂直軸代表能量，水平 軸代表與圖1的中央Z軸平行的相對位置。圖2 A顯示延 著Z軸的的能量，圖2 B顯示延著平行於Z軸的線A - A的 能量。 在圖2A中，表面經過處理的層24的導電帶邊緣能量 大於電流散佈層22的導電帶邊緣能量，以致於在二層之 間存在有能障。如此，流入電流散佈層22的電子可以被 -9- 200913327 抑制而散佈於表面經過處理的層24中。在圖2b中 散佈層22與接觸層28直接接觸。在導電帶中，從 極30注入的電子經由接觸層28而流入電流散佈層 電子無能障。 接著，將更詳細地說明電流散佈層22與表面 理的層24的能帶邊緣能量之間的關係。 比較不同半導體材料之間始於費米（Fermi ) 導電帶邊緣能量，相對於Ga A s的每一材料的能帶 性可以作爲參考。由於費米能階會視載子濃度而變 ，在η型半導體中的費米能階會隨著載子濃度增加 導電帶邊緣。假定在表面經過處理的層24中的載 幾乎類似於電流散佈層22中的載子濃度，則表面 理的層24與電流散佈層22的導電帶邊緣與費米能 的能量差幾乎類似於與Ga As之導電帶的能量差。 圖3A及3B顯示關於GaAs的能帶不連續性的 依性。在圖3A中，垂直軸代表InGaAlP與GaAs 導電帶的能帶不連續性△ Ec ( eV )、及共價帶的能 續性△ Ev ( eV )，而水平軸代表A1成份x (非專利 )。舉例而言，InGaAlP ( x = 0.7 )與GaAs之間的 的能帶不連續性A Ec爲0.38eV，而InGaAlP ( x = l GaAs 之間的△ Ec 爲 0.27eV。如此，InGaAlP ( x = < 導電帶邊緣能量爲o.ll eV，大於InGaAlP ( χ = 0· 3 電帶邊緣能量。在本實施例中，表面經過處理的層 電流散佈層的成份如上所述般地設定，在此二層中 ，電流 η側電 22，對 經過處 能階的 不連續 ，所以 而接近 子濃度 經過處 階之間 成份相 之間的 帶不連 文獻1 導電帶 >•3 )與 ，.7)的 )的導 24與 均具有 -10- 200913327 lxl018cm·3的載子濃度。如此，與GaAs的導電帶邊緣之 能量差幾乎類似於與費米能階的能量差。 在電流散佈層22由InGaAlP(x = 0.3)製成的情形中 ，從圖3A清楚可知，假使表面經過處理的層 24由
InGaAlP ( 0·3<χ$ 1 )製成，則表面經過處理的層24的導 電帶邊緣能量可以設定成高於電流散佈層22的導電帶邊 緣能量。發明人發現，假使導電帶邊緣能量差爲〇·04 eV 或更高時，可以有效地抑制流入電流散佈層22中的電子 以免擴散至表面經過處理的層24。這表示更佳的A1成份 範圍爲 〇_44 SxS〗。假使表面經過處理的層 24由 In0.5AlQ.5P製成時，表面經過處理的層24的導電帶邊緣能 量可以設定爲0.04 eV，高於電流散佈層22的導電帶邊緣 能量。 此外，取代InGaAlP，表面經過處理的層24可以由 GaAlAs爲基礎的材料製成。在圖中，垂直軸代表 Gai-XAlxAs與GaAs之間的能帶不連續性△ Ec ( eV )、 Δ Εν ( eV )，而水平軸代表Α1成份χ(非專利文獻2)。 在電流散佈層22由InGaAlP ( χ = 0·3 )製成的情形中，相 對於GaAs之導電帶不連續性爲〇.27e。如此，Gai.xAIxAs (0 · 5 S X S 〇 · 6 5 )可以作爲比主動層1 8具有更大的能帶隙 能量之表面經過處理的層。爲了抑制電子從電流散佈層22 流入表面經過處理的層2 4，在導電帶邊緣的能量差較佳地 至少爲〇.〇4 eV或更多。因此，更佳地，A1成份X設定爲 接近0.5。如上所述，可以根據電流散佈層22的A1成份 -11 - 200913327 ，從圖3決定表面經過處理的層24的適當的A1成份。 已參考InQ.5(GaG.3AlQ.7)Q 5P製成的表面經過處理的層 2 4爲n型的情形來說明本實施例。但是，假使其不是形成 於電極3 0與電流散佈層2 2之間，則可使用Ρ型表面經過 處理的層2 4。在ρ型I η 〇. 5 ( G a。. 3 A U . 7) 〇. 5 Ρ的情形中，費米 能階接近共價帶側。因此，在表面經過處理的層2 4與電 流散佈層22之間的導電帶不連續性變成相當大，以及， 可以更有效地抑制電子以免擴散至表面經過處理的層2 4。 爲了防止裝置因P型摻雜劑從表面經過處理的層24 擴散至電流散佈層22而變差，以及使形成於表面經過處 理的層與電流散佈層22之間的n/p介面處的空乏層的厚 度最小，需要將表面經過處理的層24中的ρ形摻雜濃度 設定成較低。舉例而言，較佳地，其被設定爲約 5 X 1016cm_3。此外，假使表面經過處理的層不是形成於電極 3 0與電流散佈層之間，則可以使用未摻雜的表面經過處理 的層24。 於下，將說明比電流散佈層22具有更高的導電帶邊 緣能量、以及在其表面上具有平台凹凸結構2 4 a之表面經 過處理的層2 4的功效。 圖4是根據比較實施例的半導體發光裝置的槪要剖面 視圖，其中，凹凸結構形成於電流散佈層的表面。依序形 成 ρ 型 GaAs 基底 110、ρ 型 InQ5Al〇.5P/InGaAIP 的反射層 H4、ρ型In〇.5AU.5P的包覆層116、具有ρ型InGaAlP量 子井結構的主動層1】8、11型111().5八1().51>的包覆層120、11 -12- 200913327 型InGaAlP(x = 0.3)的電流散佈層122、及η型GaAs的 接觸層1 2 8。η側電極1 3 0形成於接觸層1 2 8上，p側電極 132形成於基底110的背側上。 比較實施例的半導體發光裝置因高溫下1 6 8 Η (小時 )的操作測試而亮度變差。舉例而言，在1 6 8 Η之後，亮 度降低至其初始値的80%或更低。發明人發現此劣化是由 於在表面形成平台凹凸結構122a時因RIE處理傷害所造 成的。更具體而言，在電流散佈層122的表面中的RIE處 理傷害會在能帶隙中造成深的能階。流經電流散佈層的電 流顯著地增加深能降的密度，這會吸收主動層發射的光， 造成亮度劣化。此外，也發現InGaAlP比InGaAIN對於處 理損害更加敏感，因操作測試而造成更顯著的亮度劣化。 相反地，在第一實施例中，對於處理傷害敏感的表面 經過處理的層24比電流散佈層22具有更高的導電帶邊緣 能量。因此，電子較不可能注入表面經過處理的層24，以 及，可以有效地抑制RIE處理所引起的深能階密度增加。 如此，可以防止因操作測試而亮度劣化’也可以提高光取 出效率。舉例而言，亮度可以穩定地維持1 〇 〇 〇小時或更 長。 圖5是根據第二實施例的半導體發光裝置的槪要剖面 視圖。 基底10、異質能障降低層12、反射層14、包覆層16 、主動層18、及包覆層20與第一實施例具有幾乎相同的 成份。電流散佈層22由η型Ga〇.2AlQ.8AS製成’中間層 -13- 200913327 23由η型Gao.5AU.5As製成，表面經過處理的層24由η 型InGaAlP(x = 0.7)製成。GaAs的接觸層28與η側電極 3〇形成於表面經過處理的層24上。 表面經過處理的層24的能帶隙大於相當於發射光波 長（2.0eV )之主動層的能帶隙，且其載子濃度爲lx 1018cnr3。此電流散佈層22的A1成份X高達0·8。如此’ 假使電流散佈層22設於接近表面處，則其容易氧化及劣 化。中間層2 3的整個A1成份（例如0.5 )低於電流散佈 層22的A1成份（χ = 〇·8 )，此中間層23較佳地形成於表 面經過處理的層2 4與電流散佈層2 2之間以防止具有高A1 成份的電流散佈層氧化。 在本實施例中，藉由考慮中間層23的能帶邊緣，選 取表面經過處理的層24的材料。從圖 3B可知，η型 Ga〇.5AlG.5AS相對於GaAs的導電帶邊緣能量不連續性約 0.31eV。因此，在表面經過處理的層24由InGaAlP製成 的情形中’從圖3 A中可知，其0.44 <x $ 1的A1成份比X 較佳。由於可以有效地抑制電流從中間層流至表面經過處 理的層24，所以，允許導電帶邊緣能量差爲0.04eV或更 高之A1成份範圍0.59SxS0.8是較佳的。 如此，在表面經過處理的層 24由 η型InGaAlP ( x = 0.7 )製成的情形中，其比η型Ga〇.5Al〇.5As的中間層具 有更大的始於費米能階的導電帶邊緣能量。具有此A1成 份的表面經過處理的層24的能帶隙能量爲2.32eV，大於 主動層1 8的能帶隙能量2.0 eV。因此，不會因表面經過處 -14 - 200913327 理的層24中的光吸收而造成亮度降低。舉例而言，電流 散佈層22、中間層23、及表面經過處理的層24的載子濃 度均設定爲lx l〇18cm·3。舉例而言’用於電流散佈層22 的膜厚爲2.5μπι，用於中間層23的膜厚爲500 nm’用於 表面經過處理的層24的膜厚爲4 00 nm °表面經過處理的 層24較佳地具有300 nm或更高的厚度以用於形成凹凸結 構。另一方面，膜厚的增加造成半導體發光裝置的串聯電 阻增加以及操作電壓增加。因此’爲了增強光取出效率’ 而防止串聯電阻增加，因此，表面經過處理的層24的膜 厚較佳地在3 00 nm與600 nm之間的厚度範圍。 第二實施例與第一實施例有二點不同。在第二實施例 中，表面經過處理的層24存在於η側電極3 0與電流散佈 層22之間，以及，中間層23形成於電流散佈層上。在此 情形中，表面經過處理的層24需要具有η型。表面經過 處理的層24的電阻率高於中間層23與電流散佈層22的 電阻率，且表面經過處理的層24的膜厚薄至400 nm。因 此，防止從η側電極3 0注入的電子橫向地散佈。電子在 厚的電流散佈層2 2中橫向地散佈，以及，被抑制不流入 具有RIE處理損害的平台凹凸結構24a。 此外，對處理傷害敏感的表面經過處理的層24比電 流散佈層22具有更高的導電帶邊緣能量，防止散向電流 在表面經過處理的層2 4中散佈。因此，有效地抑制導因 於RIE處理損傷的深能階密度增加，以及，防止導因於操 作測試的亮度劣化。舉例而言，亮度可以穩定地維持1 0 0 0 -15- 200913327 止 槪 的 極 ) 電 ( 子 型 面 η 流 型 圍 繞 散 〇 流 40 52 字 小時或更多。此外’確認具有低A1成份的中間層2 3防 具有高A1成份的電流散佈層22氧化。 圖6是根據第三實施例的半導體半導體發光裝置的 要剖面視圖。 本實施例具有的結構中，形成於Si的基底52上 Au電極50、50b接合至形成於InGaAlP材料上的Au電 48、48b。圖6A顯示包含η側電極30的裝置的中央區 圖6Β顯示中央區的圍繞區。圖6Α的中央區包含與Au 極48相鄰的Si02層46、p型InGaAlP的電流散佈層40 x = 0_3) 、p 型 Ιη〇.5Α1().5Ρ 的包覆層 16、p 型 InGaAlP 量 井製成的主動層18、η型Ιη〇5Α1〇.5Ρ的包覆層20、η InGaAlP的電流散佈層22 ( χ = 0.3 )、η型InGaAlP的表 經過處理的層25 (x = 0.7) 、n型GaAs的接觸層28、及 側電極3 0。 在圖6B的圍繞區中，Si02層被移除並由相鄰於電 散佈層40b的p型In〇.5GaQ.5P異質能障降低層42b及p GaAs的接觸層44b取代。在中央區中的si02層46及 繞區中的接觸區44b塗著All電極48、48b，以及，圍 區中的A u電極4 8 b作爲p側電極。大量的p側電極離 地置於圍繞區中以及使電流在裝置平面中更有效地散佈 由於S i Ο 2層4 6形成於η側電極3 0之下，所以，電流 經圍繞區中的Ρ側電極而至η側電極3 0。電流散佈層 及40b、Au電極48及48b、Au電極50及5〇b、基底 及5 2 b、以及背側電極5 4和5 4 b分別是彼此相連續的。 -16 - 200913327 母b表不其處理圍繞區中。 由於S i Ο 2層4 6形成於直接位於η側電極下方的區域 中’所以’電流在中央區中不會向下流。由於藉由阻撞η 側電極3 0而使此光無法充法被充份地取至裝置外部，所 以，此結構抑制正好在η側電極3 0下方的區域中的主動 層18之無效發射光。此外，Si02層46以全內反射反射來 自具有的主動層1 8的光以及有助於外部取出在η側電極 3 0下方傳播的光。 隨著背側46上的Si02層的面積增加，藉由從主動層 18發射的光的全內反射，可以增強度光取出的效率。但是 ，假使圍繞區中的p側電極的面積太小，則接觸電阻增加 ，造成操作電壓增加。因此，慮及光取出效率增強及操作 電壓增加，必須調整Si02層與p側電極的面積。由例如 Ti/Pt/Au的疊層結構製成的背側電極54、54b形成於跨越 基底52而與Au電極50、50b相對立的側上。在第一及第 二實施例中，存在有導因於GaAs的基底10中的光吸收之 損耗。相反地，在本實施例中，Si 02層46之全內反射會 降低光吸收及損耗，而取得高亮度。 此外，在本實施例中的表面經過處理的層2 5的表面 處的凹凸結構是奈米尺寸。更具體而言’奈米尺寸的凹凸 結構26包含由RIE (反應式離子蝕刻）處理形成的奈米 尺寸的平台部26c、奈米尺寸的圓柱體26b、及奈米尺寸 的圓錐體26a。此結構藉由漸變的折射率、及增加地藉由 繞射而增進光取出效率。必須考慮發射光的波長而設計如 -17- 200913327 圖6C所示的高度h、圓柱體的直徑、及奈米尺寸的凹凸 結構的間隔I。舉例而言，對於波長6 1 0至640 nm的紅光 ，以d及I均設定在1 0 0與2 0 0 nm之間的範圍中以及h 設定在300與600 nm的範圍中之奈米尺寸凹凸結構，可 以取得高的光取出效率。在表面經過處理的層25由 InGaAlP製成，以及，高度h設定在400與5 00 nm的範 圍中的情形中，相較於無奈米尺寸凹凸結構，具有奈米尺 寸凹凸結構的光取出效率可以增爲2倍或更多。 在主動層18中，在能障層與井層中的A1成份被調整 至62 0 nm的發射光波長（相當於2.0 eV的能帶隙能量） 。p型電流散佈層40與η型電流散佈層22將從電極注入 的電流散佈於裝置平面中。這二個層在載子濃度爲1 X 1018CnT3時，具有足夠低的電阻率。此外，電流散佈層40 、2 2的能帶隙能量大於主動層的能帶隙能量（2.0 eV )， 以防光來自主動層18的發射光被吸收。 在電流散佈層22由InGaAlP ( x = 3 )製成及表面經過 處理的層25由InGaAlP ( 0.3 <x S 1 )製成的情形中，表面 經過處理的層25的導電帶邊緣能量可以設定成高於電流 散佈層22的導電帶邊緣能量，以及，可以抑制電流擴散 至表面經過處理的層25中。假使藉由將A1成份設定爲 〇.44SxSl而將導電帶邊緣能量差設定爲〇.〇4 Εν或更高 ，則可以更有效地抑制擴散至表面經過處理的層2 5的電 流。此外，表面經過處理的層2 5的能帶隙能量比主動層 1 8的能帶隙能量（2.0eV )還高。如此’從主動層1 8發射 -18- 200913327 的光不會被表面經過處理的層2 5吸收，以及，亮度未降 低。 如同第一實施例中所述般，主動層的發射光波長不限 於62 0 nm，以及，其可以被彈性地設定於從綠光〜黃光〜 紅光至紅外線的寬廣範圍中。必須考慮主動層的發射光波 長，選取電流散佈層的材料。 奈米尺寸的凹凸結構26的形成需要數次RIE處理， 因此，相較於如同第一實施例中所述之RIE處理次數通常 是一次的平台凹凸結構，會造成更大量的RIE傷害。發明 人以奈米尺寸的凹凸結構取代圖4中所示的比較實施例的 發光裝置的平台凹凸結構，以及，比較導因於168小時操 作測試的亮度劣化。發現具有奈米尺寸凹凸結構的發光裝 置的亮度降低其初始亮度的7〇%或更低。亮度劣化大於具 有平台凹凸結構的發光裝置的亮度劣化（其初始値的8 0 % 或更低）。 相對地，在本實施例中’無電子注入具有RIE處理傷 害的表面經過處理的層2 5中。如此’抑制RIE處理所造 成的深能階密度增加’以及’防止導因於操作測試的亮度 劣化。因此，具有奈米尺寸的凹凸結構2 6的本實施例可 以實現具有更高的光取出效率及增進的可靠度之半導體發 光裝置。奈米尺寸的凹凸結構可以由平台凹凸結構取代。 在該情形中’用於形成凹凸結構的處理可以簡化’但是’ 具有平台凹凸結構的光取出效率増進比具有奈米尺寸的凹 凸結構的光取出效率的增進更低。因此’可以根據應用而 -19- 200913327 選取任一結構。 圖7是根據第四實施例的半導體發光裝置的槪要剖面 視圖。 依序形成η型GaAs、η型InG.5AlQ 5P/InGaAlP的反射 層64、η型InQ.5Al().5P的包覆層66、p型InGaAlP量子井 製成的主動層 68、p型Ιη〇.5Α1().5Ρ的包覆層70 ' p型 Ga〇.2Al(3.sAs 的電流散佈層 66、ρ 型 InGaAlP(x = 0.7)的 表面經過處理的層7 4、p型I η 〇. 5 G a 〇. 5 P異質能障降低層 77、及p型GaAs的接觸層78。在接觸層78上形成p側 電極80，在基底60的背側上形成η側電極60。 在主動層68中，能障層及井層中的Α1成份被調整至 620 nm的發射光波長。反射層 64具有Ino.5AU.5P及 InGaAIP的多層結構以反射來自主動層68的發射光。電 流散布層72具有1x1018cm_3的載子濃度，由於其足夠低 的電阻率，能夠將電極注入的電流散佈於裝置平面中。此 外，電流散佈層72的能帶隙能量大於具有發射光波長（ 2.0 eV )的主動層的能帶隙能量，以防止主動層68發射的 光被吸收。 如同第一實施例中所述般，主動層的發射光波長不限 於620 nm，而是在綠光〜黃光〜紅光至紅外線的寬廣範圍 內可以彈性地設定。可以根據主動層的發射光波長，選擇 電流散佈層的材料。 始於費米能階之表面經過處理的層74的共價帶邊緣 能量大於電流散佈層72的共價帶邊緣能量。此外，表面 -20- 200913327 經過處理的層7 4的能帶隙能量大於主動層6 8的能帶隙能 量，以防止主動層68發射的光被吸收。如此’亮度不會 降低。表面經過處理的層74中的載子濃度幾乎與具有lx l〇18cm_3的電流散佈層72中的載子濃度相同。 在作爲光取出表面的裝置上表面處，與第三實施例中 的奈米尺寸凹凸結構具有幾乎相同配置的奈米尺寸凹凸結 構7 5形成於p側電極8 0之外。相較於無奈米尺寸凹凸結 構的情形，具有奈米尺寸凹凸結構的光取出效率可以增爲 約二倍。假使奈米尺寸凹凸結構由平台凹凸結構取代’則 相較於無平台的凹凸結構，光取出效率增爲約1 ·5倍。 圖8A及8B是顯示表面經過處理的層74的函數之能 帶結構的槪要圖。垂直軸代表能量’水平軸代表圖7中的 Z方向上的相對位置。在本圖中，由於顯示共價帶的能量 ，所以，垂直軸上表示的能量方向與圖2是相反方向。圖 8A是形成P側電極80處的區域中延著Z軸的能帶圖。在 共價帶中，從P側電極80注入的電洞經由接觸層78、異 質能障降低層77、及表面經過處理的層74，流入電流散 佈層72。在具有高電阻率的p型InGaAlP ( χ = 0·7 )的表 面經過處理的層74中，電洞幾乎不會在橫向上散佈。 圖8是在形成奈米凹凸結構75的區域中延著圖7中 的Β - Β線之能帶圖。始於費米能階之表面經過處理的層 74的共價帶邊緣能量大於電流散佈層72的共價帶邊緣能 量，以及，在表面經過處理的層74與電流散佈層72之間 的介面的共價帶側存在有能障。流入電流散佈層7 2的電 -21 - 200913327 洞被抑制不散佈至表面經過處理的層74。 而且，在本實施例中，圖3可以用以說明能帶邊緣能 量。在本情形中，爲了比較不同導電材料之間始於費米能 階的共價帶邊緣能量的能階，可以使用每一材料相對於 GaAs的能帶不連續性作爲參考。費米能階會視載子濃度 而變。在P型半導體中，隨著載子濃度增加，費米能階接 近共價帶邊緣。假定表面經過處理的層74中的載子濃度 與電流散佈層72中的載子濃度幾乎相同，始於費米能階 之表面經過處理的層74與電流散佈層72的共價帶邊緣之 間的能量差類似於與GaAs之共價帶邊緣之間的能量差。 圖3A及3B顯示關於GaAs的能帶不連續性的成份相 依性。在圖3A中，垂直軸代表InGaAlP與GaAs之間的 導電帶的能帶不連續性△ Ec ( eV )、及共價帶的能帶不連 續性△ Ev ( eV )，而水平軸代表A1成份x (非專利文獻1 )。舉例而言，InGaAlP (χ = 0·7)與GaAs之間的導電帶 的能帶不連續性△ Ec爲0.38eV，而InGaAlP ( x = 0.3 )與 GaAs 之間的 Z\Ec 爲 0_27eV。如此，InGaAlP(x = 0.7)的 導電帶邊緣能量爲0.11 eV，大於InGaAlP ( χ = 〇·3 )的導 電帶邊緣能量。在本實施例中，表面經過處理的層24與 電流散佈層的成份如上所述般地設定，在此二層中均具有 1 xl 018cm_3的載子濃度。如此，與GaAs的導電帶邊緣之 能量差幾乎類似於與費米能階的能量差。 舉例而言，表面經過處理的層74由p型InGaAlP ( x = 〇.7 )製成且電流散佈層72由p型Ga〇.2Al〇.8As製成。 -22 - 200913327 從圖3 A可知，表面經過處理的層7 4與G a A s之間的共價 帶不連續性爲0 · 5 2 e V，以及，從圖3 B可知，電流散佈層 72與GaAs之間的共價帶不連續性爲〇.44eV。如此’表面 經過處理的層74的共價帶邊緣能量比電流散佈層72的共 價帶邊緣能量大〇.〇 8eV。表面經過處理的層74中的濃度 幾乎類似於具有1 xl 〇18cm_3的電流散佈層72中的濃度。 如此，與GaAs的共價帶邊緣的能量差幾乎類似於與費米 能階的能量差。可以使用相對於GaAs的共價帶邊緣能量 作爲用於選取具有始於費米能階之高的共價帶邊緣能量的 表面經過處理的層74的材料之參考。 如此，可以對GaQ.2AU.8As製成的電流散佈層72，決 定表面經過處理的層74的A1成份X的較佳範圍。從圖 3A可知，InGai_xAlxP(〇.44彡X)可以用於表面經過處理 的層74作爲共價帶邊緣能量相對於GaAs是大於0.44 eV 的材料。比主動層1 8具有更大的能帶隙能量之表面經過 處理的層。發明人發現共價帶邊緣能量差較佳地爲〇_〇2 ^或更高，以防止電流散佈層72中的電洞散佈至表面經 過處理的層74中。電洞比電子具有更大的有效質量，且 手目@於電子更不容易散佈，如此，共價帶邊緣能量差小於 導電帶邊緣能量差。從此觀點而言，對表面經過處理的層 ’ InGaAlP ( 〇_50$ x)是較佳的。 取代InGaAlP，表面經過處理的層74可以由GaAlAs 爲基礎的材料製成。在電流散佈層72由GaQ.2 Al〇. 8 As製成 的情形中，表面經過處理的層74需要由具有0.8 <x的 -23- 200913327
Gai.xAlxAs製成。但是’ x超過0·8的GabxA1xAs容易氧 化。因此，對於表面經過處理的層74 ’ InGaA1P是較佳的 〇 雖然在本實施例中’表面經過處理的層74爲P型 In〇.5(GaQ.3AlQ.7)().5P，但是’假使其不是形成於P側電極 8 0與電流散佈層7 2之間，則可使用η型的表面經過處理 的層74。由於在η型Ιη〇. 5 (Ga〇. 3 A1 〇.7)q 5Ρ中，費米能階接 近導電帶側，所以，表面經過處理的層7 4與電流散佈層 72之間的共價帶不連續性變成相當大’以及’可以更有效 地抑制電洞擴散至表面經過處理的層74中。爲了防止導 因於η型摻雜劑從表面經過處理的層74擴散至電流散佈 層72之特徵劣化，以及使形成於電流散佈層72中的η/ρ 介面處的空乏層的厚度最小，摻雜濃度必須設定成較低。 舉例而言，較佳地設定爲約5 X 1 0 1 6 c itT3。此外，假使表面 經過處理的層不是形成於ρ側電極80與電流散佈層72之 間，則可以使用未經摻雜的表面經過處理的層。 圖9是根據第五實施例的半導體發光裝置的槪要剖面 視圖。 裝置包含依序形成的η型GaP製成的基底90、η型 In0.5GaQ.5P製成的緩衝層91、^型InQ.5GaQ.5P製成的包覆 層92、GaAlAs量子井製成的主動層93、卩型Ga()8AlQ2As 製成的包覆層94、ρ型GaQ.8AU.2AS製成的電流散佈層95 、P型 Ga〇.7AlQ3As製成的表面經過處理的層96、p型 GaAs製成的接觸層97。分別在接觸層97上形成ρ側電極 -24- 200913327 9 8，在基底9 0的背側上形成n側電極9 9。 在GaAlAs主動層93 (能障層及井層）中的Α1成份 被調整至8 5 0 nrn的發射光波長。緩衝層9 1具有高載子濃 度5xl018cm_3以充份地降低與GaP的介面處的電阻。電流 散布層95具有3x1 018cnT3的濃度，由於其足夠低的電阻 率，能夠將電極注入的電流散佈於裝置平面中。此外，電 流散佈層95的能帶隙能量大於具有發射光波長（1.48 eV )的主動層的能帶隙能量，以防止主動層93發射的光被 吸收。如同第一實施例中所述般，主動層的發射光波長不 限於8 5 0 nm，在此結構中，在從紅光至紅外線的寬廣範圍 內可以彈性地設定。以及，必須根據主動層的發射光波長 ，選擇電流散佈層的材料。 此外，始於費米能階之表面經過處理的層96的共價 帶邊緣能量大於電流散佈層95的共價帶邊緣能量。此外 ，表面經過處理的層96的能帶隙能量大於主動層93的能 帶隙能量，以防止主動層9 3發射的光被吸收。如此，亮 度不會降低。此外，由於η型GaP製成的基底90對於來 自主動層的發射光的波長具有小吸收係數以及基底的光吸 收變低，所以，可以經由GaP基底，將光有效地取至外部 。在從綠光〜黃光~紅光至紅外線的寬廣波長範圍中，可以 預期由於GaP基底而增進光取出效率。 在作爲光取出表面的裝置上表面處，與第一實施例中 的平台凹凸結構具有幾乎類似的平台凹凸結構96a形成於 P側電極8 0之外。相較於無凹凸結構的情形，光取出效率 -25- 200913327 可以增爲約1 · 5倍。假使平台凹凸結構由奈米尺寸凹凸結 構取代，則相較於無凹凸結構的情形，光取出效率增爲約 2倍。 根據電流散佈層95，選取表面經過處理的層96的材 料。在本實施例中，表面經過處理的層 96由 p型 Ga〇.7Al〇.3As製成，而電流散佈層95由p型IGao.8AU.2As 製成。從圖3B可知，表面經過處理的層96與GaAs之間 的共價帶不連續性經計算爲〇. 1 7eV，以及，電流散佈層 95與GaAs之間的共價帶不連續性經計算爲〇· Π eV。如此 ，表面經過處理的層9 6的共價帶邊緣能量比電流散佈層 95的共價帶邊緣能量大〇.〇6eV。 從圖3 B可以以評估表面經過處理的層9 6的所需A1 成份X的範圍。由於在表面經過處理的層中共價帶邊緣能 量比GaQ 8Al().2As的電流散佈層中的共價帶邊緣能量大 〇-〇2 eV或更高是較佳的，所以’可以使用具有〇_24 S X 的GaAlAs作爲表面經過處理的層。此外’考慮抗氧化性 ’則A1成份較佳地爲低於0.8。亦即’表面經過處理的層 96較佳地由〇.24SxS〇.8的GanAUAs製成。 在本實施例中，表面經過處理的層96由P型 Ga0.7AlQ.3As製成。假使表面經過處理的層96未形成於P 側電極9 8與電流散佈9 5之間，則可以使用未經摻雜的層 作爲表面經過處理的層。 根據第一至第五實施例，表面經過處理的層形成於電 流散佈層上，以及，比主動層具有更大的能帶隙及比電流 -26- 200913327 散佈層具有更大的導電帶邊緣能量或更大的共價帶邊緣能 量之材料被選取以用於表面經過處理的層。這會抑制載子 擴散至形成於表面經過處理的層的表面之凹凸區中。如此 ’實現具有增加的光取出效率及增加的可靠度之半導體發 光裝置。 已參考圖式，說明本發明的實施例。但是，本發明不 限於這些實施例。在不悖離本發明的精神下，習於此技藝 者可以修改構成半導體發光裝置的主動層、電流散佈層、 表面經過處理的層、及凹凸結構的材料、形狀、厚度、及 配置’任何這些修改也包含於本發明的範圍之內。 【圖式簡單說明】 圖1是根據第一實施例的半導體發光裝置的槪要剖面 視圖； 圖2是表面經過處理的層與電流散佈層的能帶結構的 槪要圖； 圖3顯示能帶不連續性的成份相依性； 圖4是根據比較實施例的半導體發光裝置的槪要剖面 視圖； 圖5是根據第二實施例的半導體發光裝置的槪要剖面 視圖； 圖6是根據第三實施例的半導體發光裝置的槪要剖面 視圖； 圖7是根據第四實施例的半導體發光裝置的槪要剖面 -27- 200913327 視圖； 圖8是表面經過處理的層與電流散佈層的能帶結構的 槪要圖；及 圖9是根據第五實施例的半導體發光裝置的槪要剖面 視圖。 【主要元件符號說明】 1 0 :基底 1 2 :異質能障降低層 1 4 :反射層 1 6 :包覆層 1 8 :主動層 2 0 :包覆層 22 :電流散佈層 23 :中間層 2 4 :表面經過處理的層 24a :平台凹凸結構 2 5 :表面經過處理的層 26 :奈米尺寸凹凸結構 26a :奈米尺寸的圓錐體 26b :奈米尺寸的圓柱體 26c:奈米尺寸的平台部 28 :接觸層 3 0 : η俱1J電極 -28- 200913327 3 2 : p側電極 4 0 :電流散佈層 40b :電流散佈層 42b :異質能障降低層 44b :接觸層 4 6: S i Ο 2 層 48 : Au電極 4 8 b : A u電極 5 0 : A u電極 5 0 b : A u電極 52 :基底 52b :基底 5 4 :背側電極 54b :背側電極 60 :基底 6 2 : η側電極 6 4 :反射層 66 :包覆層 68 :主動層 70 :包覆層 7 2 :電流散佈層 7 4 :表面經過處理的層 7 5 :奈米尺寸凹凸結構 77 :異質能障降低層 -29- 200913327 7 8 :接觸層 8 0 : p側電極 90 :基底 9 1 :緩衝層 92 :包覆層 93 :主動層 94 :包覆層 9 5 :電流散佈層 9 6 :表面經過處理的層 96a:平台凹凸結構 9 7 :接觸層 9 8 : p側電極 9 9 : η側電極 1 1 〇 :基底 1 1 4 :反射層 1 16 :包覆層 1 1 8 :主動層 1 2 0 :包覆層 1 2 2 :電流散佈層 122a :平台凹凸結構 1 2 8 :接觸層 1 3 0 : η側電極 1 3 2 : ρ側電極 -30-