TW202201812A - 發光元件 - Google Patents
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Abstract
一發光元件，包含一基板；一第一半導體層位於基板上；一第一圖案層位於第一半導體層上；以及一第二半導體層位於第一半導體層上，其中第二半導體層包含一包含Ⅲ族或過渡金屬材料的核層沿著第一圖案層而形成。
Description
本發明係關於一種發光元件，且特別係關於一種發光元件，其包含一圖案層位於半導體層上。
發光二極體(Light-Emitting Diode, LED)為固態半導體發光元件，其優點為功耗低，產生的熱能低，工作壽命長，防震，體積小，反應速度快和具有良好的光電特性，例如穩定的發光波長。因此發光二極體被廣泛應用於家用電器，設備指示燈，及光電產品等。
本發明之一目的為提供一種發光元件及其製造方法以提高發光元件之光取出效率。
本發明之一目的為提供一種發光元件及其製造方法以改善發光元件之半導體疊層的量子效率。
本發明之一目的為提供一種發光元件及其製造方法以降低發光元件的操作電壓和減少漏電流。
為達成上述至少一目的，根據本發明其中一實施例揭露一發光元件，包含一基板；一第一半導體層位於基板上；一第一圖案層位於第一半導體層上；以及一第二半導體層位於第一半導體層上，其中第二半導體層包含一包含Ⅲ族或過渡金屬材料的核層沿著第一圖案層而形成。
為達成上述至少一目的，根據本發明其中一實施例揭露一種發光元件的製造方法，包含提供一基板；成長一第一半導體層於基板上；形成一第一圖案層於第一半導體層上；以及成長一第二半導體層於第一半導體層上，其中一包含Ⅲ族或過渡金屬材料的核層沿著第一圖案層而形成。
根據發明之一實施例，核層為一不連續且包含Ⅲ族或過渡金屬材料的膜層。
根據發明之另一實施例，核層為一連續且包含Ⅲ族或過渡金屬材料的膜層。
為了使本發明之敘述更加詳盡與完備，請參照下列實施例之描述並配合相關圖示。惟，以下所示之實施例係用於例示本發明之發光元件，並非將本發明限定於以下之實施例。又，本說明書記載於實施例中的構成零件之尺寸、材質、形狀、相對配置等在沒有限定之記載下，本發明之範圍並非限定於此，而僅是單純之說明而已。且各圖示所示構件之大小或位置關係等，會由於為了明確說明有加以誇大之情形。更且，於以下之描述中，為了適切省略詳細說明，對於同一或同性質之構件用同一名稱、符號顯示。
第1圖係本發明一實施例所揭示之一發光元件1的側視圖。如第1圖所示，一發光元件1，包含一基板10；一第一半導體層21位於基板10上；一第一圖案層20位於第一半導體層21上；一第二半導體層22位於第一半導體層21上並覆蓋第一圖案層20；一活性層30位於第二半導體層22上；一第三半導體層40位於活性層30上；一第一電極60位於第二半導體層22上；以及一第二電極70位於第三半導體層40上。
基板10可以為一成長基板以磊晶成長第一半導體層21，包括用以磊晶成長磷化鋁鎵銦(AlGaInP)之砷化鎵(GaAs)晶圓，或用以成長氮化鎵(GaN)、氮化銦鎵(InGaN)或氮化鋁鎵(AlGaN)之藍寶石(Al2
O3
)晶圓、氮化鎵(GaN)晶圓、碳化矽(SiC)晶圓或氮化鋁(AlN)晶圓。
於本發明之一實施例中，基板10與第一半導體層21相接的上表面10S可以為平坦或粗糙化的表面。粗糙化的表面包含具有不規則形態的表面或具有規則形態的表面。具體而言，相對於上表面10S，基板10包含一或複數個凸部100凸出於上表面10S，或是包含一或複數個凹部(圖未示)凹陷於上表面10S，凸部100或凹部可以為半球形、圓錐體或者多邊錐體。自一上視圖觀之，凸部100或凹部可以為圓形或者多邊形。自一側視圖觀之，凸部100或凹部可以為半圓型、三角形或者多邊形。
於本發明之一實施例中，發光元件1還可包含一緩衝層11位於第一半導體層21和基板10之間，用以釋放基板10和第一半導體層21之間因材料晶格不匹配而產生的應力，以減少差排及晶格缺陷，進而提升磊晶品質。緩衝層11可為一單層或包含複數層的結構。於成長包含氮化鎵材料的半導體層時，緩衝層11的材料包含氮化矽(SiNx
)，氮化鎵(GaN)，氮化鋁(AlN)，氮化鋁鎵(AlGaN)，氮化銦鎵(InGaN)，氮化鋁銦(AlInN)，氮化銦(InN)，氮化鋁鎵銦(AlInGaN)或上述材料的組合。例如，可選用PVD氮化鋁(AlN)做為緩衝層，形成於第一半導體層21及基板10之間，用以改善第一半導體層21、第二半導體層22、活性層30及第三半導體層40的磊晶品質。在一實施例中，用以形成PVD氮化鋁(AlN)的靶材係由氮化鋁所組成。在另一實施例中，係使用由鋁組成的靶材，於氮源的環境下與鋁靶材反應性地形成氮化鋁。於成長包含砷化鎵材料的半導體層時，緩衝層11的材料包含砷化鎵(GaAs)，砷化鋁鎵(AlGaAs)，砷化鋁鎵銦(AlGaInAs)，砷化銦鎵(InGaAs)，磷化銦鎵(InGaP)，磷砷化銦鎵(InGaAsP)，磷化鎵(GaP)，磷化銦(InP)或上述材料的組合。
於本發明之一實施例中，藉由金屬有機化學氣相沉積法(MOCVD)、分子束磊晶(MBE)、氫化物氣相沉積法(HVPE)、物理氣相沉積法(PVD)或離子電鍍方法以於基板10上形成第一半導體層21、第二半導體層22、第三半導體層40、以及具有光電特性之活性層30，例如發光(light-emitting)疊層，其中物理氣象沉積法包含濺鍍 (Sputtering)或蒸鍍(Evaporation)法。
第一半導體層21、第二半導體層22、第三半導體層40以及活性層30之材料包含Ⅲ-Ⅴ族半導體材料，例如Alx
Iny
Ga(1-x-y)
N或Alx
Iny
Ga(1-x-y)
P，其中0≦x，y≦1；(x+y)≦1。藉由改變活性層30的物理及化學組成以調整發光元件1發出光線的波長。當活性層30之材料為AlInGaP系列材料時，可發出波長介於610 nm及650 nm之間的紅光，或波長介於550 nm及570 nm之間的綠光。當活性層30之材料為InGaN系列材料時，可發出波長介於400 nm及490 nm之間的藍光或深藍光，或波長介於490 nm和550 nm之間的綠光。當活性層30之材料為AlGaN系列或AlInGaN系列材料時，可發出波長介於250 nm及400 nm之間的紫外光。
一未摻雜的半導體層(圖未示)及/或一n型摻雜的半導體層(圖未示)可形成在第一半導體層21和緩衝層11之間，或是形成在第二半導體層22和活性層30之間。未摻雜的半導體層及n型摻雜的半導體層的材料包含氮化鎵(GaN)，氮化鋁(AlN)，氮化鋁鎵(AlGaN)，氮化銦鎵(InGaN)，氮化鋁銦(AlInN)，氮化銦(InN)或氮化鋁鎵銦(AlInGaN)。
第一半導體層21可以為摻雜或未摻雜的半導體層。第二半導體層22和第三半導體層40可為包覆層(cladding layer)，兩者具有不同的導電型態、電性、極性，或依摻雜的元素以提供電子或電洞。當第一半導體層21及/或第二半導體層22為摻雜的半導體層時，第一半導體層21及/或第二半導體層22之材料為包含第一導電型摻雜劑的半導體，例如n型電性的半導體。第一導電型摻雜劑包含矽(Si)、鍺(Ge)、錫(Sn)、硒(Se)或銻(Sb)。第三半導體層40之材料為包含第二導電型摻雜劑的半導體，例如p型電性的半導體。活性層30形成在第二半導體層22和第三半導體層40之間，電子與電洞於一電流驅動下在活性層30複合，將電能轉換成光能，以發出一光線。活性層30可為單異質結構(single heterostructure, SH)，雙異質結構(double heterostructure, DH)，雙側雙異質結構(double-side double heterostructure, DDH)，或是多層量子井結構(multi-quantum well, MQW)。活性層30之材料可為中性、p型或n型電性的半導體。第一半導體層21、第二半導體層22、第三半導體層40以及活性層30可為一單層或包含複數層的結構。
第一半導體層21、第二半導體層22和第三半導體層40可由相同或不相同的材料形成。例如，第一半導體層21可由氮化鎵(GaN)，氮化鋁(AlN)，氮化鋁鎵(AlGaN)，氮化銦鎵(InGaN)，氮化鋁銦(AlInN)，氮化銦(InN)和氮化鋁鎵銦(AlInGaN)中的一種形成。第二半導體層22和第三半導體層40可由氮化鎵(GaN)，氮化鋁(AlN)，氮化鋁鎵(AlGaN)，氮化銦鎵(InGaN)，氮化鋁銦(AlInN)，氮化銦(InN)，氮化鋁鎵銦(AlInGaN)，砷化鎵(GaAs)，砷化鋁鎵(AlGaAs)，砷化鋁鎵銦(AlGaInAs)，砷化銦鎵(InGaAs)，磷化銦鎵(InGaP)，磷砷化銦鎵(InGaAsP)，磷化鎵(GaP)，磷化銦(InP)中的一種形成。於一實施例中，發光元件1的第一半導體層21由上述之III族氮化物形成，而第二半導體層22、活性層30和第三半導體層40由上述之III族磷化物或III族砷化物形成。
於一實施例中，第二半導體層22包含鋁，而第一半導體層21不包含鋁。例如，第二半導體層22可由氮化鋁鎵(AlGaN)形成，第一半導體層21可由氮化鎵(GaN)形成。做為本發明之一變化例，第一半導體層21及第二半導體層22可以都包含鋁，其中第二半導體層22包含的鋁含量等於、大於或小於第一半導體層21的鋁含量。
如果第一半導體層21包含氮化鎵(GaN)，則第一半導體層21之一生長條件包含提供三甲基鎵(TMGa)或三乙基鎵(TEGa)以做為鎵(Ga)源氣體，以及提供氨(NH3
)、一甲基胺(MMH)或二甲基胺(DMH)以做為氮(N)源氣體。如果第一半導體層21及/或第二半導體層22包含氮化鋁鎵(AlGaN)，則第一半導體層21及/或第二半導體層22之一生長條件包含提供三甲基鋁(TMAl)或三乙基鋁(TEAl)以做為鋁(Al)源氣體，提供三甲基鎵(TMGa)或三乙基鎵(TEGa)以做為鎵(Ga)源氣體，以及提供氨(NH3
)、一甲基胺(MMH)或二甲基胺(DMH)以做為氮(N)源氣體。如果第二半導體層22包含砷化鎵(GaAs)，則第二半導體層22之一生長條件包含提供三甲基鎵(TMGa)或三乙基鎵(TEGa)以做為鎵(Ga)源氣體，以及提供砷化氫(AsH3
)以做為砷(As)源氣體。
如第1圖所示，第一電極60及第二電極70形成於基板10之同一側。發光元件1可依下游不同封裝應用設計為倒裝晶片(flip chip)結構或是正裝水平晶片(lateral chip)結構。
於本實施例中，藉由移除部分的第二半導體層22、第三半導體層40以及活性層30以露出第二半導體層22。第一電極60形成於第二半導體層22上，並和第二半導體層22形成電連接。第二電極70形成於第三半導體層40上，並和第三半導體層40形成電連接。
第一電極60及第二電極70包含金屬材料，例如鉻(Cr)、鈦(Ti)、鎢(W)、金(Au)、鋁(Al)、銦(In)、錫(Sn)、鎳(Ni)、鉑(Pt)等金屬或上述材料之合金。第一電極60及第二電極70可由單個層或是多個層所組成。例如，第一電極60或第二電極70可包括Ti/Au層、Ti/Pt/Au層、Cr/Au層、Cr/Pt/Au層、Ni/Au層、Ni/Pt/Au層或Cr/Al/Cr/Ni/Au層。第一電極60及第二電極70可做為外部電源供電至第二半導體層22及第三半導體層40之電流路徑。第一電極60及第二電極70包含一厚度介於1~100μm之間，較佳為1.2~60μm之間，更佳為1.5~6μm之間。
於本發明之一實施例中，為了減少接觸電阻並提高電流擴散的效率，發光元件1包含一導電層50位於第三半導體層40和第二電極70之間。導電層50之材料包含對於活性層30所發出的光線為透明的材料，例如具有厚度小於500埃(Å)的金屬材料或透明導電氧化物。透明導電氧化物包含氧化銦錫(ITO)或氧化銦鋅(IZO)。
於本發明之一實施例中，發光元件1包含一或複數個電流侷限層(圖未示)位於第三半導體層40與導電層50之間，並位於第二電極70之下方。電流侷限層係為非導電材料所形成，包含氧化鋁(Al2
O3
)、氮化矽(SiNx
)、氧化矽(SiOx
)、氧化鈦(TiOx
)，或氟化鎂(MgFx
)。電流侷限層可以包括分布式布拉格反射鏡(DBR)，其中分布式布拉格反射鏡具有不同折射率的絕缘材料彼此堆叠。電流侷限層對於活性層30所發出的光線具有80%以上的透光率或80%以上的光反射率。
為了增加發光元件1之出光效率，於本發明之一實施例中，發光元件1包含一反射結構85，位於基板10之下方，以反射來自活性層30的光。反射結構85包含金屬或絕緣材料。例如，可通過層疊SiO2
/TiO2
或SiO2
/Nb2
O5
等層來形成高反射率的絕緣反射結構。當SiO2
/TiO2
或SiO2
/Nb2
O5
形成分布式布拉格反射鏡(DBR)結構時，分布式布拉格反射鏡(DBR)結構的每一個層被設計成活性層30發出的光的波長的四分之一的光學厚度的一或整數倍。分布式布拉格反射鏡(DBR)結構的每一個層的厚度在λ/4的一或整數倍的基礎上可具有±30%的偏差。於另一實施例中，反射結構85可通過一絕緣層或絕緣層疊搭配一金屬層構成全方位反射結構(omnidirectional reflector，ODR)。
第6A圖~第6B圖係本發明一實施例所揭示之第一圖案層20的製造方法。於本實施例中，第一圖案層20的製造方法包含在第一半導體層21形成一第一材料層201，以及藉由一圖案化的罩幕12及蝕刻製程將第一材料層201圖案化為第一圖案層20，其中第一圖案層20包含複數個第一凸部200。第一材料層201包含Ⅴ族元素或Ⅵ族元素的絕緣材料，例如TiOx
、Alx
Ny
、Alx
Oy
、SiOx
或SiNx
。第一材料層201的成膜方式包含濺鍍(Sputtering)或蒸鍍(Evaporation)法。然而，本發明不限於此。
蝕刻製程包含乾蝕刻製程或濕蝕刻製程。乾蝕刻製程例如為電子迴旋共振(electron cyclotron resonance，ECR)、感應耦合式電漿(inductively coupled plasma，ICP)或反應離子蝕刻(reactive ion etch，RIE)。然而，本發明並不限於此。此外，濕蝕刻製程可藉由使用硫酸及/或磷酸來實施。
如第1圖及第6B圖所示，第一圖案層20包含Ⅴ族元素或Ⅵ族元素的絕緣材料，例如TiOx
、Alx
Ny
、Alx
Oy
、SiOx
或SiNx
。第一圖案層20包含複數個第一凸部200位於第一半導體層21上。至少兩相鄰之第一凸部200沿著發光元件1之一方向延伸。複數個第一凸部200可排列成規則的圖案或是不規則排列。自發光元件1之側視圖觀之，複數個第一凸部200包含不規則形、半球形、矩形、梯形或三角形，且複數個第一凸部200各包含一高度位於0.1
之間，較佳位於0.5
之間，更佳位於0.6
之間。自發光元件1之上視圖觀之，複數個第一凸部200包含圓形、條形或多邊形，複數個第一凸部200各包含一寬度位於0.1
之間，較佳位於0.5
之間，更佳位於0.6
之間。複數個第一凸部200可形成為彼此具有相同的形狀，或是複數個第一凸部200可具有不同的尺寸，例如曲率、高度、寬度或直徑。
於本實施例中，複數個第一凸部200以一第一間距彼此分離以露出第一半導體層21的表面。複數個第一凸部200之間的第一間距可為0.01之間，較佳小於2
，更佳小於
。
於本發明之一實施例中，上述的複數個第一凸部200可以替換為複數個第一凹部(圖未示)。
從活性層30射向複數個第一凸部200的光為複數個第一凸部200反射之後，光朝向第一電極60及第二電極70之方向往外發射以增加發光元件1之出光效率。
於本發明之一實施例中，第二半導體層22包含一包含Ⅲ族或是過渡金屬材料的核層251沿著第一圖案層20而形成。核層251可為一連續或一不連續的膜層。於發明之一實施例中，過渡金屬可以為鋅(Zn)，Ⅲ族材料可以為鋁(Al)。
作為本發明之一實施例，核層251包含Ⅲ族材料時，核層251可藉由通入有機鋁反應源，例如三甲基鋁((CH3
)3
Al，TMAl)，使其形成一含鋁的金屬層。接著通入氮源，例如NH3
，其與核層251反應形成含鋁之第二半導體層22，例如AlN。於通入氮源時，亦可選擇性的通入有機鎵反應源，例如三甲基鎵((CH3
)3
Ga，TMGa)，其與核層251反應形成含鋁之第二半導體層22，例如AlGaN。
第2A圖係本發明一實施例所揭示之第1圖之位置A的部分放大圖。作為本發明之一實施例，核層251可為一不連續且包含Ⅲ族元素或是過渡金屬材料的膜層，並沿著第一圖案層20而形成。
第2B圖係本發明一實施例所揭示之第1圖之位置A的部分放大圖。作為本發明之另一實施例，核層251可為一連續且包含Ⅲ族元素或是過渡金屬材料的膜層，並沿著第一圖案層20而形成。核層251包含一厚度介於1
之間，較佳位於5
之間，更佳位於10
之間。
核層251可增加不同半導體層之間的鍵結。具體而言，核層251中的Ⅲ族元素，例如鋁，可以與第一半導體層21和第二半導體層22中的Ⅴ族元素形成鍵結，及/或與第一圖案層20中的Ⅴ族元素或Ⅵ族元素形成鍵結。於一實施例中，核層251中的過渡金屬，例如鋅，可以與第一圖案層20中的Ⅵ族元素，例如氧形成Zn-O鍵結。
第二半導體層22優選地包含AlGaN，更佳包含Ⅲ族元素及/或Ⅴ族元素成分漸變的AlGaN層，例如鋁的濃度於遠離基板10之方向係下降，及/或氮的濃度於遠離基板10之方向係增加。因而，於跨越第二半導體層22之兩側的Alx
Ga(1- x)
N中的X值優選從0.9下降至0.1，並且更佳的從1下降至0。作為本發明之一實施例，鋁含量可以線性、非線性或階梯式的下降。藉由鋁含量的漸變，從而減少降低半導體層之間的晶格不匹配。
第一半導體層21包含一厚度以降低源自於基板10與第一半導體層21之間的晶格缺陷密度。第二半導體層22包含一厚度至少大於第一凸部200的高度，使在第一圖案層20上生長的第二半導體層22可以平坦化。例如，第一半導體層21包含一厚度位於0.5 μm~10 μm之間，較佳位於0.5 μm~8 μm之間，更佳位於0.5 μm~5 μm之間。第二半導體層22包含一厚度位於0.01 μm~20 μm之間，較佳位於0.5 μm~15 μm之間，更佳位於0.5 μm~10 μm之間。
第3圖係本發明另一實施例所揭示之一發光元件2的側視圖。在第1圖和第3圖中相同的符號用於表示相同的部分，在這裡將省略相同部分的描述。於本實施例中，第一半導體層21包含一第一上表面211與一第二上表面212，且第一上表面211與第二上表面212之間包含一階差H。階差H包含一高度小於500 nm。第一圖案層20位於第一上表面211上，且相較於第二上表面212，第一上表面211係較第二上表面212遠離於基板10之上表面10S。
第6A圖及第6C圖係本發明一實施例所揭示之第一圖案層20的製造方法。於本實施例中，第一圖案層20的製造方法包含在第一半導體層21上形成一第一材料層201，以及藉由一圖案化的罩幕12及蝕刻製程將第一材料層201圖案化為第一圖案層20，其中第一圖案層20包含複數個第一凸部200。第一材料層201包含Ⅴ族元素或Ⅵ族元素的絕緣材料，例如TiOx
、Alx
Ny
、Alx
Oy
、SiOx
或SiNx
。第一材料層201的成膜方式包含濺鍍(Sputtering)或蒸鍍(Evaporation)法。然而，本發明不限於此。
於藉由罩幕12及蝕刻製程將第一材料層201圖案化為第一圖案層20的過程中，部分的第一半導體層21被蝕刻並形成複數個第一平台210及第二上表面212，其中複數個第一平台210各包含第一上表面211。
第4A圖係本發明一實施例所揭示之第3圖之位置A的部分放大圖。第二半導體層22包含一包含Ⅲ族或是過渡金屬材料的核層251沿著第二上表面212、複數個第一平台210及第一圖案層20而形成。
作為本發明之一實施例，核層251包含Ⅲ族材料時，核層251可藉由通入有機鋁反應源，例如三甲基鋁((CH3
)3
Al，TMAl)，使其形成一含鋁的金屬層。接著通入氮源，例如NH3
，其與核層251反應形成含鋁之第二半導體層22，例如AlN。於通入氮源時，亦可選擇性通入有機鎵反應源，例如三甲基鎵((CH3
)3
Ga，TMGa)，與核層251反應形成含鋁之第二半導體層22，例如AlGaN。第4A圖係本發明一實施例所揭示之第3圖之位置A的部分放大圖。如第4A圖所示，核層251可為一不連續且包含Ⅲ族或過渡金屬材料的膜層，並沿著第二上表面212、複數個第一平台210及第一圖案層20而形成。
第4B圖係本發明另一實施例所揭示之第3圖之位置A的部分放大圖。核層251可為一連續且包含Ⅲ族或過渡金屬材料的膜層，並沿著第二上表面212、複數個第一平台210及第一圖案層20而形成。核層251包含一厚度介於
。
核層251可增加不同半導體層之間的鍵結。具體而言，核層251中的Ⅲ族元素，例如鋁，可以與第一半導體層21和第二半導體層22中的Ⅴ族元素形成鍵結，及/或與第一圖案層20中的Ⅴ族元素或Ⅵ族元素形成鍵結。於一實施例中，核層251中的過渡金屬，例如鋅，可以與第一圖案層20中的Ⅵ族元素，例如氧形成Zn-O鍵結。
第5A圖係本發明一實施例所揭示之第一圖案層20及基板10的上視圖。如第5A圖所示，第一圖案層20的複數個第一凸部200係部分重疊於基板10之複數個凸部100，且部分錯置於基板10之複數個凸部100上。於本實施中，第一圖案層20之第一凸部200與基板10之凸部100具有相同或不相同的形狀。第一凸部200包含一寬度或一直徑小於、等於或大於凸部100之一寬度或一直徑。
第5B圖係本發明一實施例所揭示之第一圖案層20及基板10的上視圖。如第5B圖所示，第一圖案層20的複數個第一凸部200與基板10之複數個凸部100互不重疊。於本實施例中，第一圖案層20之第一凸部200與基板10之凸部100具有相同或不相同的形狀。第一凸部200包含一寬度或一直徑小於、等於或大於凸部100之一寬度或一直徑。
第5C圖係本發明一實施例所揭示之第一圖案層20及基板10的上視圖。如第5C圖所示，第一圖案層20的複數個第一凸部200係分別對應於基板10之複數個凸部100。於本實施中，第一圖案層20之第一凸部200與基板10之凸部100具有相同或不相同的形狀。第一凸部200包含一寬度或一直徑小於、等於或大於凸部100之一寬度或一直徑。
第7A圖係本發明一實施例所揭示之發光元件3a，3b及3c的製造方法。第7B圖、第7C圖及第7D圖係本發明一實施例所揭示之發光元件3a，3b及3c的側視圖，在第1圖、第3圖和第7A圖、第7B圖、第7C圖及第7D圖中相同的符號用於表示相同的部分，在這裡將省略相同部分的描述。如第7A圖、第7B圖、第7C圖及第7D圖所示，發光元件3a，3b及3c的製造方法包含提供一基板10；成長一第一半導體層21於基板10上；形成一第一圖案層20於第一半導體層21上；成長一第二半導體層22於第一半導體層21上；成長一活性層30於第二半導體層22上；成長一第三半導體層40於活性層30上；接合第三半導體層40與一承載基板80；移除基板10；以及形成一電極90於第一半導體層21或第二半導體層22上。
作為本發明之一實施例，如第2A圖所示，第二半導體層22包含一包含Ⅲ族或過渡金屬材料的核層沿著第一圖案層20而形成，其中核層251可為一不連續的膜層。
作為本發明之另一實施例，如第2B圖所示，核層251可為一連續且包含Ⅲ族或過渡金屬材料的膜層，並沿著第一圖案層20而形成。核層251包含一厚度介於1 Å ~1000 Å之間，較佳位於5 Å~500 Å之間，更佳位於10 Å~100 Å之間。
作為本發明之另一實施例，如第4A圖所示，第一半導體層21包含複數個第一平台210及第二上表面212，其中複數個第一平台210各包含第一上表面211。一包含Ⅲ族或過渡金屬材料的核層251沿著第二上表面212、複數個第一平台210及第一圖案層20而形成。核層251可為一不連續的膜層。
作為本發明之另一實施例，如第4B圖所示，第一半導體層21包含複數個第一平台210及第二上表面212，其中複數個第一平台210各包含第一上表面211。核層251可為一連續且包含Ⅲ族或過渡金屬材料的膜層，並沿著第二上表面212、複數個第一平台210及第一圖案層20而形成。核層251包含一厚度介於1之間，較佳位於5之間，更佳位於10之間。
本發明藉由物理或者化學製程來移除基板10，並回收使用。避免含鎵之藍寶石基板任意丟棄並對人體與環境產生危害之外，同時亦可達到其所含的有價資源永續循環之功效。
移除基板10之方法包含鐳射剝離（Laser Lift Off)，其以發射高能量的鐳射於藍寶石基板與GaN層之間的介面。鐳射的高溫可以讓GaN層形成液態金屬Ga和氣態的N而被分解。
移除基板10之方法亦可藉由化學濕式蝕刻來達成。化學濕式蝕刻包含可與III族氮化物反應的化學溶液。當化學溶液滲入III族氮化物與藍寶石基板的介面，即可將藍寶石基板與半導體層分開。
第7B圖係本發明一實施例所揭示之一發光元件3a的側視圖。在第1圖、第3圖、第7A圖和第7B圖中相同的符號用於表示相同的部分，在這裡將省略相同部分的描述。如第7B圖所示，將基板10自第一半導體層21移除之後，於第一半導體層21上形成一電極90。於本實施例中，第一半導體層21可以為摻雜的半導體層。
第7C圖係本發明一實施例所揭示之一發光元件3b的側視圖。在第1圖、第3圖、第7A圖和第7C圖中相同的符號用於表示相同的部分，在這裡將省略相同部分的描述。如第7C圖所示，接續第7A圖的製造方法，進一步移除第一半導體層21，並於第二半導體層22上形成一電極90。於本實施例中，第一半導體層21可以為摻雜或未摻雜的半導體層。第二半導體層22可為包含n型電性的半導體。
第7D圖係本發明一實施例所揭示之一發光元件3c的側視圖。在第1圖、第3圖、第7A圖和第7D圖中相同的符號用於表示相同的部分，在這裡將省略相同部分的描述。如第7D圖所示，接續第7A圖的製造方法，進一步移除第一半導體層21及第一圖案層20，並於第二半導體層22上形成一電極90。於本實施例中，於移除第一圖案層20之後，第二半導體層22之一表面包含複數個凹穴203。第二半導體層22可為包含n型電性的半導體。
第8A圖係本發明一實施例所揭示之一發光元件4的製造方法。第8B圖係本發明一實施例所揭示之發光元件4的側視圖。接續第7A圖的製造方法，如第7A圖及第8A圖所示，發光元件4的製造方法包含提供一基板10；成長一第一半導體層21於基板10上；形成一第一圖案層20於第一半導體層21上；成長一第二半導體層22於第一半導體層21上；成長一活性層30於第二半導體層22上；成長一第三半導體層40於活性層30上；將第三半導體層40與一承載基板80貼合；移除基板10；貼合一永久基板81於第一半導體層21上；以及移除承載基板80。
第8B圖係本發明一實施例所揭示之一發光元件4的側視圖。在第1圖、第3圖、第7A圖、第8A圖和第8B圖中相同的符號用於表示相同的部分，在這裡將省略相同部分的描述。如第8B圖所示，將承載基板80移除之後，於第三半導體層40上形成一電極91。於本實施例中，第一半導體層21可以為摻雜的半導體層，第二半導體層22可為包含n型電性的半導體，且第三半導體層40可為包含p型電性的半導體。
於本發明之一實施例中，接續第7A圖之步驟，於貼合永久基板81於第一半導體層21之前，可先藉由蝕刻或研磨第一半導體層21之凹凸表面使成一平坦面，再將永久基板81與第一半導體層21接合。但發明不以此為限，於發明之一實施例中，可以於貼合永久基板81於第一半導體層21之前，可先於第一半導體層21之凹凸表面上形成一黏著層(圖未示)，再藉由黏著層(圖未示)接合第一半導體層21及永久基板81。於發明之另一實施例中，永久基板81可以電鍍方式形成於第一半導體層21之凹凸表面上。
承載基板80、永久基板81包括金屬材料，例如鉬或鎢，或半導體材料，例如鍺及矽。一黏著層(圖未示)用以接合第三半導體層40及承載基板80或用以接合第一半導體層21及永久基板81，並提供良好的導電路徑，黏著層(圖未示)的材料包含金、錫、鉛、銦或其合金。
於發明之另一實施例中，一發光元件(圖未示)，包含第一半導體層21、一第一圖案層20、一第二半導體層22、一活性層30、一第三半導體層40，以及兩電極分別位於第一半導體層21及第三半導體層40上。發光元件不包含基板10或其它承載基板，而是貼附於一暫時支撐結構，例如藍膜上。於一實施例中，發光元件包含微發光二極體(micro LED)，其任一邊之長度大於2μm，較佳大於5μm，更佳大於10μm，但小於80μm，較佳小於40μm，更佳小於20μm。
電極90，91包含金屬材料，例如鉻(Cr)、鈦(Ti)、鎢(W)、金(Au)、鋁(Al)、銦(In)、錫(Sn)、鎳(Ni)、鉑(Pt)等金屬或上述材料之合金。電極90，91可由單個層或是多個層所組成。例如，電極90，91可包括Ti/Au層、Ti/Pt/Au層、Cr/Au層、Cr/Pt/Au層、Ni/Au層、Ni/Pt/Au層或Cr/Al/Cr/Ni/Au層。電極90，91可做為外部電源供電至發光元件之電流路徑。電極90，91包含一厚度介於1~100μm之間，較佳為1.2~60μm之間，更佳為1.5~6μm之間。
第9圖係為依本發明一實施例之發光裝置5之示意圖。將前述實施例中的發光元件1、2以倒裝晶片之形式安裝於封裝基板51 之第一墊片511、第二墊片512上。第一墊片511、第二墊片512之間藉由一包含絕緣材料之絕緣部53做電性絕緣。以倒裝晶片安裝於封裝基板51上係將與電極墊形成面相對之成長基板側向上設為主要的光取出面。為了增加發光裝置5之光取出效率，可於發光元件1、2之周圍設置一反射單元54。
第10圖係為依本發明一實施例之發光裝置6之示意圖。發光裝置6為一球泡燈包括一燈罩602、一反射鏡604、一發光模組610、一燈座612、一散熱片614、一連接部616以及一電連接元件618。發光模組610包含一承載部606，以及複數個發光單元608位於承載部606上，其中複數個發光體608可為前述實施例中的發光元件1、2、3a~3c、4或發光裝置5。
第11圖係為依本發明一實施例之一背光模組7之示意圖。一種背光模組7，包含一第一框架101；一液晶顯示屏202；一增亮膜300；一光學模組400；一發光模組組件500；以及一第二框架700，其中發光模組組件500包含複數個上述之發光元件或發光裝置5之任一種，以側光式(edge type)或直下式(direct type)出光的方式配置於發光模組組件500中。於發明之另一實施例中，背光模組7更包含一波長轉換結構600位於發光模組組件500上。於發明之另一實施例中，上述之發光元件包含次毫米發光二極體(mini LED)或微發光二極體(micro LED)。
第12圖係為依本發明一實施例之一顯示器8之示意圖。一種顯示器8，包含一LED發光板1000；一電流源(圖未示)；一支架2000以支撐LED發光板1000，其中LED發光板1000包含複數顆上述之發光元件或發光裝置5一種。LED發光板1000中包含多個像素單元(Pixel)，每一像素單元包含複數顆分別發出不同顏色的發光元件或發光裝置，例如每一像素單元包含三顆分別發出紅光、綠光、藍光的發光元件。於發明之另一實施例中，上述之發光元件包含次毫米發光二極體(mini LED)或微發光二極體(micro LED)。
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發明之精神與範圍。
1，2，3a，3b，3c，4:發光元件
5，6:發光裝置
7:背光模組
8:顯示器
10:基板
10S:上表面
11:緩衝層
12:罩幕
20:第一圖案層
21:第一半導體層
22:第二半導體層
30:活性層
40:第三半導體層
50:導電層
51:封裝基板
53:絕緣部
54:反射單元
60:第一電極
70:第二電極
80:承載基板
81:永久基板
85:反射結構
90:電極
91:電極
100:凸部
101:第一框架
200:第一凸部
201:第一材料層
202:液晶顯示屏
203:凹穴
210:第一平台
211:第一上表面
212:第二上表面
251:核層
300:增亮膜
400:光學模組
500:發光模組組件
511:第一墊片
512:第二墊片
600:波長轉換結構
602:燈罩
604:反射鏡
606:承載部
608:發光單元
610:發光模組
612:燈座
614:散熱片
616:連接部
618:電連接元件
700:第二框架
1000:LED發光板
2000:支架
第1圖係本發明一實施例所揭示之一發光元件1的側視圖。
第2A圖係第1圖所揭示之第一圖案層的部分放大圖。
第2B圖係第1圖所揭示之第一圖案層的部分放大圖。
第3圖係本發明一實施例所揭示之一發光元件2的側視圖。
第4A圖係第3圖所揭示之第一圖案層的部分放大圖。
第4B圖係第3圖所揭示之第一圖案層的部分放大圖。
第5A圖係本發明一實施例所揭示之第一圖案層及基板的上視圖。
第5B圖係本發明一實施例所揭示之第一圖案層及基板的上視圖。
第5C圖係本發明一實施例所揭示之第一圖案層及基板的上視圖。
第6A圖~第6C圖係本發明一實施例所揭示之第一圖案層的製造方法。
第7A圖係本發明一實施例所揭示之發光元件3a，3b及3c的製造方法。
第7B圖係本發明一實施例所揭示之一發光元件3a的側視圖。
第7C圖係本發明一實施例所揭示之一發光元件3b的側視圖。
第7D圖係本發明一實施例所揭示之一發光元件3c的側視圖。
第8A圖係本發明一實施例所揭示之一發光元件4的製造方法。
第8B圖係本發明一實施例所揭示之一發光元件4的側視圖。
第9圖係為依本發明一實施例之發光裝置5之示意圖。
第10圖係為依本發明一實施例之發光裝置6之示意圖。
第11圖係為依本發明一實施例之背光模組7之示意圖。
第12圖係為依本發明一實施例之顯示器8之示意圖。
1:發光元件
10:基板
10S:上表面
11:緩衝層
20:第一圖案層
21:第一半導體層
22:第二半導體層
30:活性層
40:第三半導體層
50:導電層
60:第一電極
70:第二電極
85:反射結構
100:凸部
200:第一凸部
Claims (10)
- 一發光元件，包含： 一基板； 一第一半導體層位於該基板上； 一第一圖案層位於該第一半導體層上；以及 一第二半導體層位於該第一半導體層上，其中該第二半導體層包含一包含Ⅲ族或過渡金屬材料的核層沿著該第一圖案層而形成。
- 如申請專利範圍第1項所述的發光元件，其中該核層為一不連續的膜層。
- 如申請專利範圍第1項所述的發光元件，其中該核層為一連續的膜層。
- 如申請專利範圍第1項所述的發光元件，其中該第一半導體層及/或該第二半導體層包含一第一導電型摻雜劑。
- 如申請專利範圍第1項所述的發光元件，更包含一活性層及包含一第二導電型摻雜劑之一第三半導體層位於該第二半導體層上。
- 如申請專利範圍第1項所述的發光元件，其中該第一圖案層包含絕緣材料。
- 如申請專利範圍第6項所述的發光元件，其中該絕緣材料包含TiOx 、Alx Ny 、Alx Oy 、SiOx 或SiNx 。
- 如申請專利範圍第1項所述的發光元件，其中該第一半導體層及該第二半導體層之材料包含氮。
- 如申請專利範圍第1項所述的發光元件，其中該第一半導體層包含一第一上表面與一第二上表面，且該第一上表面與該第二上表面之間包含一階差。
- 如申請專利範圍第9項所述的發光元件，其中該第一圖案層係位於該第一上表面，且該核層位於該第一上表面與該第二上表面上。
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|---|---|---|---|
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| CN202010552107.2 | 2020-06-17 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
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