TW201143135A - Optoelectronic device and the manufacturing method thereof - Google Patents

Description

201143135 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種光電元件及其製造方法。 【先前技術】

近年來’節能減碳的議題益受重視，發光·一極體在背 光及照明的應用領域更顯重要，各種增加發光二極體光摘 出效率的方法一一被提出。欲增進光摘出效率可以通過幾 個方式，其一為改善磊晶成長的品質，藉由增加電子和電 洞結合的機率，提升内部量子效率（IQE)。另一方面，發光 二極體產生之光線若無法有效被取出，部份光線因全反射 因素而侷限在發光二極體内部來回反射或折射，最終被電 極或發光層吸收，使亮度無法提升，因此使用表面粗化或 改變結構的幾何形狀等，提升外部量子效率（EqE”藉由提 升光摘出效率(LEE) ’使發光二極體的亮度增高。 【發明内容】 本發明之目的在於提供一種光電半導體元件，其呈 促進光摘出效率之結構。 〜、有 本發明之發光元件包括：包括：—基板， 層形成於所述之基板，具有第—片電阻值， 第一窗口 一雜質濃度；一第二窗口層，具有第二片電第〜厚度及第 度及第二雜質濃度；-半導體系統形“^且值’第二厚 層及所述之第二窗口層之間；其中所竣丈之第〜窗口 &第二电 3 201143135 述之半導體系統為Μ的半導體材料；所述之第二片電p且 值低於所述之第〜片電阻值。 一種光電半導題元件，係包括：4板；，金屬層具 有-金屬it素形戍於所述之基板上；—第4 口層包括所 述之金屬it素；1明導電層形成於所述之金j層和所塊 之第-窗口層之間’其中於所述之第〆窗口層的所述之金 屬元素濃度小於ι*1〇Ά 一種光電半導體元件，包括：-基板；^型窗口層 形成於所述之基板上；—半導體系統形成於所述之η型窗 口層上；-ρ型窗D層形成於所述之半導體系統上；其中’ 所述之2光電半導體元件在驅動電流密度介# mA/iml2下’具70流明/瓦的發光效率發出之光源介於 琥珀色光和紅光之間。 一種製造光電半導體元件的方法，包括以下步驟：提 供-基板；形成-半導體系統於所述之基板上；形成 口層在所述之半導m;其中所述之窗口層和所 半導體層由不同的半導體材料所構成；移除所述之窗口 層’藉以使所述之窗口層和所述之半導體層具 差，所述之寬度差大於丨微米。 又 【實施方式】 第1A圖至第1H圖係分別為依本發明 各步驟之對應結構示意圖。請先參 £去於 阅弟1額’利用本發明所揭露 201143135

的光電半導體元件製程方式，先提供一基板丨⑴，基板1〇1被當作 成長基板，用以成長或承載—光電系統12〇於其上。構成所述成 長基板101的材料包含但不限於錯（Ge)、碎化錄（GaAs )、石舞化铜 (InP)、％化鎵（GaP)、藍寶石(sapphire)、碳化石夕（Sic )、矽（Si)、 氧化二滅（LiAlQ2 ) '氧化鋅（ZnQ )、a化鎵（祕）、氮化鋁 (A1N )之種或其組合。構成基板的材料包含錄（&)、石申化 鎵（GaAs )、碟化銦（祕）、碟化錄（Gap) '藍寶石㈣卩匕㈣碳 化石夕（沉）、石夕（Si)、氧化二驗（LiA102)、氧化鋅（ZnO )、氮 化蘇（GaN)、氮化銘（A1N )、玻璃、鑽石恤_⑴、鑽石、 類鑽叙（DLC )之一種或及其组合。 於基板101之上’形成—第一窗口層m，第一窗口層111: 料f包含至少—元素選自於摩）、鎵(Ga)、姻⑽、坤(As)、鱗( 及氮(N)所構成之群組，或為其組合，例如為⑽或规a^p -半導體化合物或其它替代之材料。第一窗口層iu為一導電薄膜 例如為η型或p型（AUJa，其中α5$χ^ 8。第— 曰〃有兩相對的表面，其中-第-表面和基板101接觸。 一過渡層(未顯示)可選擇性的形成在基板丨⑴及第一窗口^ m之間。所述之過渡層可當作—緩衝層介於基請及第一窗1 在發切觸、纟谢’㈣賴_ 了減少二以 二紐料祕人: 所述之過渡層可以為單層、多層 «金屬Γ 的結構，其中所述之過渡層的材料可』 有機金屬、錢峨彻⑽— 5 201143135 層2傳導層、電傳導層、歐姆接觸層、抗形變層、庫力 釋放層、應力職、物、崎峨咖構等。 Μ =統120形成於第一窗°層111的第二表面上，光電 系統12〇包括至少一第—層121具有第 = 122以及一第二層123具有 轉換早疋 ηι^ , ^ 、㈤—導電型態，辦軸料-窗口層 m 和^23可輪輪構或兩個多層 、識夕層結構係指兩層或兩層以上）。第—層i2i和第二層⑵ 具有不_導電縣、紐、讎輪摻_元料以触電子 或電洞。料-層121和第：層123為半導體材料的組合，例如， 或p型。第一窗口層m和第一層121具有相同的導電型態，例 如’都為n型導電魏。第—窗口層in _質濃度大於第-層 m的雜貝濃度’具有較高的導電率。轉換單元⑵沉積在第一層 121和第二層123之間’轉換單元122係將光能和電能相互轉換或 導致轉換。光電系統120可應用於一半導體元件、設備、產品、 電路，以進行或導致光能和電能相互轉換。具體的說，光電系統 120可包括—發光二極體(led)、一雷射二極體(LD)、一太陽能電 池，一液晶顯示器或一有機發光二極體其中之一。轉換單元122 將電能轉換成光能，光電系統120可為一發光二極體、一液晶顯 示器、一有機發光二極體。轉換單元122將光能轉換成電能，光 電系統120可為一太陽能電池或一個光電二極體。本說明書中的，， 201143135 光電系統” ’不限定其每一層都為半導體材料所構成，也可以為非 半導體材料’例如’金屬、氧化物、絕緣材料等。 以發光二極體為例’可以藉由改變光電系統120裡的其中一 層或多層的物理及化學組成，調整發出的光波長。常用的材料為 鱗化紹嫁姻(aluminum gallium indium phosphide, AlGalnP)系列、氮 化鋁鎵銦(aluminum gallium indium nitride, AlGalnN)系列、氧化鋅 系列(zinc oxide, ZnO)。轉換單元122可為單異質結構(single φ heterostructure，SH )’ 隻異質結構(d〇uble heterostructure, DH )，雙 側雙異質結（double-side double heterostructure，DDH )，多層量子井 (multi_quantum well，MWQ )。具體來說，轉換單元122包括一多 層量子井結構具有多個阻障層及量子井層交替堆疊，每一個阻障 層包括(八1沖(1巧))〇5111〇.5?’其中，〇.5^^〇.8;及每一量子井層 包括InasGa^P。此外，發光波長的調整，也可以通過改變阻障層 和量子井層對的數目或改變阻障層的組成，例如紅色的發光波長 • 介於600至63〇，其y組成約〇·7 ;琥珀色光波長介於580至 600nm，其y組成約〇 55左右。 形成一第二個窗口層112在光電系統120的第一表面，其材 料包含至少一個元素選自鋁(A1)，鎵(Ga)，銦(In)，砷(As)，磷⑺， 氮⑼’或其組合物，例如，氮化鎵(GaN)，鱗化銘鎵姻 或任何其他合適的材料。第二窗口層112包括至少一種材料不同 於光電系統120或第二層123。較佳地，第二窗口層112具有和第 二層123相同的導電類型，如p型磷化鎵(Gap)層。在另—實施例， 7 201143135 第二窗口層112的側壁及/或光電系統12〇不必為正交，而是可以 具有一斜角如圖3所示。 然後，形成一第一歐姆接觸層130於第二窗口層112上，第 一歐姆接觸層130的材質為導電材料，如鈹金(BeAu)或鍺金(GeAu) 之合金層，形成圖1A所示的第一堆疊結構1〇，其中第一歐姆接 觸層130包括複數個指狀電極132自一電極131向邊界延伸，如 圖4所示。第一個合金化過程溫度在3〇〇〜5〇〇。(：或以上，.形成在 第一歐姆接觸層130和第二窗口層112間的歐姆接觸。所述之合 金化細節過程是在合金技術領域中所習知。 接下來，如圖1B所示，在第一歐姆接觸13〇及第二窗口層 112上接合一個臨時基板1〇2，其材質如玻璃。並移除基板1〇1， 使第一窗口層111的第一表面曝露出來，如圖iC所示。 接下來，形成一第二歐姆接觸層140在第一窗口層lu 的第一表面。第二歐姆接觸層140的材質為導電材料，如 鈹金(BeAu)或鍺金(GeAu)之合金層，如圖1D所示。其中第二 歐姆接觸層140包括複數個二維點電極陣列，這些點電極陣 列，較佳地，在垂直方向不和第一歐姆接觸層13〇的第一 堆疊結構10和指狀電極132重疊，具有較佳的電流分散效 果，如圖1D所不。第二合金化過程溫度在3〇〇〜5〇〇。〇或以上， 形成在第二歐姆接觸層⑽和第-窗口層U1間的歐姆接觸。所 述之合金化細節過程是在合金技彳 #領域中所習知。 利用電子束或濺射形成一透明導電層141覆蓋第二歐 201143135 姆接觸層140，其中透明導電層141的材質包括金屬氧化 物，至少一種材料選自銦錫氧化物（ITO)，鎘錫氧化物 (CTO)、銻氧化錫、氧化銦鋅、氧化鋅鋁、及鋅錫氧化 物；其厚度約為 〇·〇〇5μπι 〜0.6μηι，0·005μιη 〜0.5μπι， 0.005μηι 〜0.4μηι，0·005μιη 〜0·3μηι，0.005μηι 〜0·2μηι， 0.2μηι〜0.5μηι，0.3μηι〜0.5μΓη，0.5μπι〜0.4μπι，0.2μΓη〜 0.4μηι，或為 0.3μηι〜0·2μηι。 如圖ΙΕ所示，一反射層150形成在透明導電層141 ® 上，其材質為一導電材料，包括金屬，如銀。然後，利用 一金屬層160作為結合層，將反射層150接合在一支撐基 板103上，如圖1F所示。在本實施例中，支撐基板103包 括石夕。金屬層160包括至少一種材料選自以下群組，如金、 錫、錯、銦金（InAu)，錫金（SnAu)和及其合金。 移除臨時基板102，將第一歐姆接觸層130和第二窗 口層112曝露出來，利用微影蝕刻出複數個晶粒區（未顯示） ® 在支撐基板103上。其中，蝕刻所用的蝕刻劑，如乾式蝕 刻包括氟或氯，蝕刻第二窗口層112的速度相對超過了所 述之蝕刻劑蝕刻光電系統120的速度，這樣會在光電系統 120或第二導電型123的表面形成一第一蝕刻平台S1。光 電系統120和第二導電型層123的寬度大於第二窗口層112 的寬度，如圖1G所示。形成一第二蝕刻平台S2於第一窗 口層111上，第一窗口層111的底部寬度大於光電系統120 或第一導電型層121。 201143135 再接下來’將第二窗口層112進行濕蝕刻，至少第二 窗口層112的曝露表面及側壁會形成粗糖結構，其中姓刻 液’如混合氫氟酸(HF)、硝酸(HN〇3)和乙酸（冰醋酸），對 第二窗口層112的蝕刻速度相對超過了光電系統120的蝕 刻速度，形成一寬度差LI ’ L1較第一蝕刻平台S2的寬度 更進一步擴大。第二窗口層112比光電系統12〇具有一個 更增大的表面粗糖度，其中寬度差L1大於1微米及/或小 於10微米，如圖1H或圖3所示。 最後，第一襯塾171形成於第一歐姆接觸層GO上， 第二襯墊172形成於支撐基板103。一鈍化層18〇覆蓋在 第二窗口層112及第一歐姆接觸層13〇，形成一光電半導 體元件，如圖2所示。鈍化層180作為一個保護層，以保 護光電半導體元件避免環境的破壞，如水分或機械損傷。 光電半導體元件的掃描電子顯微鏡照片，如圖3所示 根據本發明所揭露的一實施例，第一窗口層ηι包括 一半導體材料，如(AlxGa(1_x)k5ln〇5P，其中 〇5$^〇8。 反射層150包括一金屬元素，例如銀，是在第一和第二合 金化處理過減才形成，以避免反射層的金屬元素擴散到 第一窗口層111。第一窗口層1U包括一個半導體材料， 較佳的和第-層121的材料具有相同的組成。根據本發明 所揭露的另一實施例，其中在第一窗口層lu金屬元素的 濃度小於1 no%」。較佳的金屬元素濃度小於i *1〇% 3’大於1 *1016cm·3。降低反射層15〇的劣化，使反射層 201143135 150具有大於9〇%的反射率。 1表1 .，、具不本發明實施例所揭露的光電元件測試的光學 效率’光電元件為小尺寸的晶片如i〇mii2。在心A或 (UmA/rml的驅動電流下’光學效率高達％流明，瓦[用中 文或英文請一致】。對於光電元件尺寸為14福2的晶片， 在20 mA或〇.lmA/mil2的驅動電流下，光學效率高達 流明/瓦。對於光電元件尺寸為28滅2的晶片，在25〇誕 或（U2mAW的驅動電流下’光學效率高達約廳流明/ 瓦。對於光電元件為大尺寸的晶片，如42 ，在35〇mA 或0.2mA/mil2的驅動電流下’光學效率高達約i2i流明/ 瓦。可以從表1中的光電元件看出，根據目前揭露的光學 效率，在驅動電流密度從〇1〜〇 32mA/mil2下，達到至少 70流明/瓦’或至少1 〇〇流明/瓦。

表一根據本發明所揭露的光電元件的光學效率表 晶片尺寸 [mil2] 操作電流 [mA] 20 電流密度 [mA/mil2] 0.2 光學效率[流明/ __ -70 14 20 -0.1 28 250 -0.32 106 主發光波長 [nm] 〜620 〜620 〜613 42 350 -0.2 121 -613 本發明實施例所揭露的光電元件，第一窗口層U1的 薄膜片電阻值高於第二窗口層Π2的薄膜片電阻值。此 外’第二歐姆接觸層140與第一歐姆接觸層13〇在垂直方 201143135 向不重疊。因此，驅動電流聚集在第二歐姆接觸層14〇的 附近。光電半導體元件發出之光線對應到第二歐姆接觸層 140區域’因此不會被第一歐姆接觸層13〇之區域所卩且擋， 因此具有電流阻斷作用，有利於橫向電流的擴散。 另根據本發明所揭露的實施例，第一個窗口層Ul的雜 質濃度較低於第二窗口層112,第一個窗口層lu的片電 阻值較低於第二窗口層112。根據本發明所揭露的另一實 施例，第一個窗口層lu包含一個n型雜質其雜質濃度 1*1〇17〜5*1017cm-3左右；第二窗口層112包含口型雜質其鲁 雜質濃度約1*1018〜5*l〇i8cm_3,高於第一窗口層lu。根 據本發明所揭露的再一實施例，第一個窗口層in的厚度 約1〜5微米小於第二窗口層112的厚度20微米。 根據本發明所揭露的一實施例，因為第二窗口層112 側壁表面具有粗糙結構，光可橫向摘取。所述之晶片區域 可為矩形的形狀，會有更好的發光效率。所述之矩形長度 和寬度的比率從1.5:1到ι〇:ι。 _ 應注意的是，以上各實施例並未依照實際製品之比例繪製。 本發明所列舉之各實施例僅用以說明本發明，並非用以限制本發 明之範圍。任何人對本發明所作之任何顯而易知之修飾或變更皆 不脫離本月之精神與範圍。 【圖式簡單說明】 第1A圖〜第1H11係分別為本發明光電半導體元件依本發明 12 201143135 依每一個製程步 剖面示 所揭露的製程方式 意圖； 驟所對應的結構側视 第2圖 圖； 圖係為本發日肤電铸體it件之— 實施例側視剖面示意 第3圖係為本發明光電半導體元件之一實施例之sEM圖 ； 第4圖係本發明光電半導體元件之第一歐姆接觸層之上視圖。 【主要元件符號說明】 10第一堆疊姑構 101基板 102支撐基板 103支撐基板 111第一窗口層 112第二窗口層 120光電系統 121第一層 122轉換單元 123第二層 130第一歐姆接觸層 131電極 132指狀電極 140第二歐姆接觸層 141透明導電層 150反射層 160金屬層 171第一襯塾 172第二襯墊 180鈍化層 S1第一钮刻平台 201143135 S2第二蝕刻平台 L1寬度差

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Claims (1)

1. 201143135 七、申請專利範圍： 1. 一種光電半導體元件，係包括： 一基板； 一第一窗口層形成於該基板，具有第一片電阻值，第一厚度及 第一雜質濃度； :第二窗口層，具有第二片電阻值，第二厚度及第二雜質濃度； 一半，體系統形成於該第一窗口層及該第二窗口層之間； 其中5亥第二窗口層和該半導體系統包括不同的半導體材料；該 第二片電阻值低於該第一片電阻值；該第二厚度大於該第一厚 度。 2. 如申請專利範圍第1項之光電半導體元件，其中該半導體系 統，括一第一半導體層具有第一導電型態，一第二半導體層具 有第二導電型態，一轉換單元形成於該第一半導體層和第二半 導體層之間，其中該第二窗口層和該半導體系統具有一個寬度 差’該第二窗口層的寬度小於該半導體系統的寬度，該寬度差 大於1微米。 3. 如申請專利範圍第丨項之光電半導體元件，其中該第二窗口 φ 層的上表面及側壁具有不平整的結構。 4. 如申請專利範圍第1項之光電半導體元件，更進一步包括一 透明導電層形成於基板和第一窗口層之間。 5. 如申請專利範圍第4項之光電半導體元件，更進一步包括一 五屬反射層形成於該基板和該透明導電層之間。 6·—種光電半導體元件，係包括： 一基板； 一金屬層包括一金屬元素形成於該基板上； 15 201143135 一第一窗口層包括該金屬元素； 一透明導電層形成於該金屬層和該第一窗口層之間，其中於該 第一窗口層之該金屬濃度小於l*1019cm·3，大於l*i〇16em-3。 7. 如申請專利範圍第6項之光電半導體元件，更進一步包括一 半導體系統形成於該第一窗口層上;該半導體系統由一第一半 導體層為第一導電型態；一第二半導體層為第二導電型態；及 一轉換單元形成於該第一半導體層和該第二半導體層之^所構 成。 8. 如申請專利範圍第6項之光電半導體元件，其中該金屬元素 包括銀。 9. 如申請專利範圍第6項之光電半導體元件，其中該金屬層反 射率超過90%。 10. 如申請專利範圍第6項之光電半導體元件，更進一步包括一 第二窗口層形成於該半導體系統上，該第二窗口層具有不平整 的結構，該第一窗口層和該半導體系統具有一個寬度差，該第 一窗口層的寬度小於該半導體系統的寬度，該寬度差大於“敬 米。 —種光電半導體元件，包括： 一基板； 一η型窗口層形成於該基板上； 一半導體系統形成於該η型窗口層上； 一 Ρ型窗口層形成於該半導體系統上；其中，該光電半導體元 件可發出琥珀色光和紅光，並在驅動電流密度介於0.^032 mA/mil2，具有70流明/瓦的發光效率，。 201143135 12. —種製造光電半導體元件的方法，包括以下步驟： 提供一基板； 形成一半導體系統於該基板上； 形成一窗口層在該半導體系統上；其中該窗口層和該半導體層 包含不同的半導體材料； 移除部份之該窗口層，藉以使該窗口層和該半導體層具有一寬 度差，該寬度差大於1微米。 17