TW202414853A - Light-emitting device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本申請案係關於一種發光元件及其製造方法,特別是一種具有提升熱態發光效率的發光元件及其製造方法。The present application relates to a light-emitting element and a manufacturing method thereof, and in particular to a light-emitting element and a manufacturing method thereof with improved thermal light-emitting efficiency.
固態半導體元件諸如發光二極體(Light-Emitting Diode, LED),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。一般來說,在製作發光二極體的方法中,係利用例如磊晶成長等方式將三五族半導體疊層形成於成長基板上,然而,當所選用的成長基板材料與三五族半導體材料為異質材料時,因材料之間的晶格不匹配,可能在半導體疊層內產生缺陷。Solid-state semiconductor components such as light-emitting diodes (LEDs) have the advantages of low power consumption, low heat generation, long service life, shock resistance, small size, fast response speed and good photoelectric properties, such as stable luminous wavelength. Therefore, LEDs are widely used in household appliances, equipment indicator lights, and optoelectronic products. Generally speaking, in the method of manufacturing light-emitting diodes, a III-V semiconductor stack is formed on a growth substrate by using methods such as epitaxial growth. However, when the selected growth substrate material and the III-V semiconductor material are heterogeneous materials, defects may be generated in the semiconductor stack due to the lattice mismatch between the materials.
一種發光元件,包含:一半導體疊層,包含:第一半導體層,具有第一導電型態;中間結構,位於第一半導體層上;活性區,位於中間結構上,包含上表面;第二半導體層,位於活性區上,具有第二導電型態不同於第一導電型態;以及複數個凹部位於活性區中,於活性區之上表面分別具有開口;其中,開口的寬度介於20 nm至100 nm;複數個凹部位於上表面的分佈密度小於2×10
8cm
-2;以及發光元件於75A/cm
2以上的操作電流密度下,其在85℃下之熱態發光效率與其在25℃下之冷態發光效率之比值大於或等於95%。
A light-emitting element comprises: a semiconductor stack, comprising: a first semiconductor layer having a first conductivity type; an intermediate structure located on the first semiconductor layer; an active region located on the intermediate structure and comprising an upper surface; a second semiconductor layer located on the active region and having a second conductivity type different from the first conductivity type; and a plurality of concave portions in the active region, each having an opening on the upper surface of the active region; wherein the width of the opening is between 20 nm and 100 nm; the distribution density of the plurality of concave portions on the upper surface is less than 2×10 8 cm -2 ; and the ratio of the hot luminous efficiency of the light-emitting element at 85°C to the cold luminous efficiency at 25°C is greater than or equal to 95% at an operating current density of more than 75 A/
以下實施例將伴隨著圖式說明,在圖式或說明中,相似或相同之部分係使用相同之標號,並且在圖式中,元件之形狀或厚度可擴大或縮小。需特別注意的是,圖中未繪示或說明書未描述之元件,可以是本技術領域習知技藝者所知之形式。此外,在以下實施例中可以併入其他層/結構或步驟。 例如,「在第一層/結構上形成第二層/結構」的描述可以包含第一層/結構直接接觸第二層/結構的實施例,或者包含第一層/結構間接接觸第二層/結構的實施例,亦即有其他層/結構存在於第一個層/結構和第二個層/結構之間。此外,第一層/結構和第二層/結構間的空間相對關係可以根據裝置的操作或使用而改變,第一層/結構本身不限於單一層或單一結構,第一層中可包含複數子層,第一結構可包含複數子結構。The following embodiments will be accompanied by drawings and descriptions, in which similar or identical parts are labeled with the same reference numerals, and in the drawings, the shape or thickness of the components may be enlarged or reduced. It should be noted that components not shown in the drawings or described in the description may be in forms known to those skilled in the art. In addition, other layers/structures or steps may be incorporated in the following embodiments. For example, the description of "forming a second layer/structure on a first layer/structure" may include an embodiment in which the first layer/structure directly contacts the second layer/structure, or an embodiment in which the first layer/structure indirectly contacts the second layer/structure, that is, other layers/structures exist between the first layer/structure and the second layer/structure. In addition, the spatial relative relationship between the first layer/structure and the second layer/structure may change according to the operation or use of the device. The first layer/structure itself is not limited to a single layer or a single structure. The first layer may include multiple sub-layers, and the first structure may include multiple sub-structures.
另外,針對本申請案中所提及的空間相關的敘述詞彙,例如:「在...之下」,「低」,「下」,「上方」,「之上」,「下」,「頂」,「底」和類似詞彙時,為便於敘述,其用法均在於描述圖式中一個元件或特徵與另一個元件或特徵的相對關係。除了圖式中所顯示的擺向外,這些空間相關詞彙也用來描述半導體疊層和發光元件在使用中以及操作時的可能擺向。隨著半導體元件的擺向的不同(旋轉90度或其它方位),用以描述其擺向的空間相關敘述亦應透過類似的方式予以解釋。In addition, for the spatially related descriptive terms mentioned in this application, such as "under", "low", "below", "above", "upper", "lower", "top", "bottom" and similar terms, for the convenience of description, their usage is to describe the relative relationship between one element or feature and another element or feature in the drawings. In addition to the orientation shown in the drawings, these spatially related terms are also used to describe the possible orientations of the semiconductor stack and the light-emitting element during use and operation. As the orientation of the semiconductor element is different (rotated 90 degrees or other orientations), the spatially related statements used to describe its orientation should also be interpreted in a similar manner.
在本申請案中,如果沒有特別的說明,通式AlGaN系列代表Al aGa (1-a)N,其中0≤a≤1;通式InGaN系列代表In bGa (1–b)N,其中0≤b≤1;通式AlInGaN系列代表Al cIn dGa (1 - c-d)N,其中0≤c≤1,0≤d≤1。調整元素的含量可以達到不同的目的,例如但不限於,調整能階或是調整發光元件的主發光波長。 In this application, if there is no special explanation, the general formula AlGaN series represents Al a Ga (1-a) N, where 0≤a≤1; the general formula InGaN series represents In b Ga (1–b) N, where 0≤b≤1; the general formula AlInGaN series represents Al c In d Ga (1 - cd) N, where 0≤c≤1, 0≤d≤1. Adjusting the content of the elements can achieve different purposes, such as but not limited to adjusting the energy level or adjusting the main emission wavelength of the light-emitting element.
本申請案所揭露的發光元件所包含的每一層之組成以及摻雜物可用任何適合的方式分析,例如二次離子質譜儀(secondary ion mass spectrometer,SIMS)。The composition and doping of each layer included in the light-emitting device disclosed in this application can be analyzed by any suitable method, such as secondary ion mass spectrometer (SIMS).
本申請案所揭露的發光元件所包含的每一層之厚度可用任何適合的方式分析,例如穿透式電子顯微鏡(transmission electron microscopy,TEM)或是掃描式電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM),藉以配合例如於SIMS圖譜上的各層深度位置。The thickness of each layer included in the light-emitting element disclosed in this application can be analyzed by any suitable method, such as transmission electron microscopy (TEM) or scanning electron microscope (SEM), so as to match the depth position of each layer on the SIMS spectrum, for example.
圖1顯示依據本申請案第一實施例發光元件1。發光元件1包含基板10及位於基板10上的半導體疊層12。半導體疊層12在由基板10往上的方向上,也就是其厚度方向上,依序包含緩衝結構40、第一半導體接觸層121、中間結構50、活性區123、電子阻擋區70及第二半導體接觸層122。第一半導體接觸層121包含第一導電型雜質,第二半導體接觸層122包含第二導電型雜質,其中第一導電型雜質和第二導電型雜質使得第一半導體接觸層121與第二半導體接觸層122具有不同的導電型態、電性、極性或用於分別提供電子或電洞。於一實施例中,第一導電型雜質包含包含IV族元素,例如矽,第二導電型雜質包含II族元素,例如鎂。第一半導體接觸層121及第二半導體接觸層122分別還可以含一種元素以上的雜質,例如碳、氫、氧或其組合。複數個凹部11位於活性區123中,於活性區123之上表面123a分別具有一開口。於一實施例中,凹部11在活性區上表面123a的開口寬度介於20 nm至100 nm,且複數個V形凹部11位於活性區上表面123a的分佈密度小於2×10
8cm
-2,藉此改善發光元件1的熱態發光效率,細節將於後詳述。第一電極20與第一半導體接觸層121電性連接,第二電極30與第二半導體接觸層122電性連接。
FIG1 shows a light emitting device 1 according to the first embodiment of the present application. The light emitting device 1 comprises a
於一實施例中,半導體疊層12 可以用磊晶成長的方式形成於基板10上。基板10包含藍寶石(Al
2O
3)基板、氮化鎵(GaN)基板、矽(Si)基板、碳化矽(SiC)基板及氮化鋁(AlN)基板。於一實施例中,基板10可以是一圖案化基板,即,基板10在半導體疊層12所在的表面上具有圖案化結構(圖未示)。從半導體疊層12發射的光可以被基板10的圖案化結構所折射、散射或反射,從而提高發光元件的亮度。
In one embodiment, the
於本申請案的任一實施例中,執行磊晶成長的方式包含但不限於金屬有機化學氣相沉積(metal-organic chemical vapor deposition,MOCVD)、氫化物氣相磊晶生長法(hydride vapor phase epitaxy,HVPE)、分子束磊晶(molecular beam epitaxy,MBE)、物理氣相沉積(physical vapor deposition, PVD)、液相晶體磊晶(liquid-phase epitaxy,LPE)。In any embodiment of the present application, the method of performing epitaxial growth includes but is not limited to metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD), hydride vapor phase epitaxy (HVPE), molecular beam epitaxy (MBE), physical vapor deposition (PVD), and liquid-phase epitaxy (LPE).
藉由改變半導體疊層12中一層或多層的物理及化學組成以調整發光元件1發出光線的波長。磊晶疊層之材料包含Ⅲ-Ⅴ族半導體材料,例如InGaN系列材料、AlGaN系列材料或AlInGaN系列材料。當活性區123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、波長介於490 nm及530 nm之間的青色光(Cyan)、或波長介於530 nm及570 nm之間的綠光。當活性區123之材料為AlGaN系列或AlInGaN系列材料時,可發出波長介於400 nm及250 nm之間的紫外光。The wavelength of light emitted by the light-emitting element 1 is adjusted by changing the physical and chemical composition of one or more layers in the
緩衝結構40可以減少基板10與半導體疊層12之間因晶格不匹配而導致的差排(dislocation),從而改善磊晶品質。緩衝結構40包含單一層,或包含多層(圖未示)。在一實施例中,緩衝結構40包含Al
iGa
(1–i)N,其中0≤i≤1。在一實施例中,緩衝結構40的材料包含GaN。在另一實施例中,緩衝結構40的材料包含AlN。緩衝結構40形成的方式可以為MOCVD、MBE、HVPE或PVD。PVD包含濺鍍或是電子束蒸鍍。當緩衝結構40包含多個層(圖未示)時,各層包括相同材料或不同材料。在一實施例中,緩衝結構40包括兩個層,其中第一層的生長方式為濺鍍,第二層的生長方式為MOCVD。在一實施例中,緩衝結構40另包含第三層。其中第三層的生長方式為MOCVD,第二層的生長溫度高於或低於第三層的生長溫度。在一實施例中,第一、第二及第三層包括相同材料,例如AlN,或不同材料,例如AlN、GaN及AlGaN的組合。在其它實施例中,以PVD-氮化鋁(PVD-AlN)做為緩衝層,用以形成PVD-氮化鋁的靶材係由氮化鋁所組成,或者使用由鋁組成的靶材並於氮源的環境下反應性地形成氮化鋁。
The buffer structure 40 can reduce the dislocation caused by lattice mismatch between the
在一實施例中,緩衝結構40可以是無摻雜(即,非刻意摻雜)的。在另一實施例中,緩衝結構40可以包含摻雜物例如矽、碳、氫、氧或其組合。在一些實施例中,當緩衝結構40包含多層且包含第一導電型雜質時,靠近第一半導體接觸層121的一層的第一導電型雜質的濃度大於遠離第一半導體接觸層121的一層的第一導電型雜質的濃度。例如,靠近第一半導體接觸層121的一層的第一導電型雜質的濃度大於1×10
18/cm
3,遠離第一半導體接觸層121的一層的第一導電型雜質的濃度小於1×10
17/cm
3。緩衝結構40能夠降低因基板10與半導體疊層12之間因晶格不匹配而導致的缺陷D往上傳播到活性區123的機會。當緩衝結構40不包含第一導電型雜質時,可保持緩衝結構40優異的晶體性(crystallinity)。此外,當緩衝結構40不包含第一導電型雜質時,其與基板10之間的熱膨脹係數差異可因而減小,進而降低因磊晶高溫過程造成的應力,降低差排產生的機率。因此,優選的是緩衝結構40不包含第一導電型雜質,並通過增加緩衝結構40的厚度以減少緩衝結構40中的缺陷。但是,如果緩衝結構40的厚度增加至一定程度之上,則緩衝結構40的厚度增加對應其缺陷減少的效應呈現飽和。由此,緩衝結構40的厚度優選地大於或等於2 μm並小於或等於8 μm,較佳小於或等於6 μm,更佳小於或等於4 μm。於一實施例中,當基板10包含圖案化結構,緩衝結構40的厚度優選地比圖案化結構的高度厚以完全覆蓋圖案化結構並形成一平坦的表面。
In one embodiment, the buffer structure 40 may be undoped (i.e., not intentionally doped). In another embodiment, the buffer structure 40 may include dopants such as silicon, carbon, hydrogen, oxygen, or a combination thereof. In some embodiments, when the buffer structure 40 includes multiple layers and includes first conductive type impurities, the concentration of the first conductive type impurities in a layer close to the first
第一半導體接觸層121的材料包含Al
xIn
yGa
(1 - x-y)N,其中0≦x≦1,0≦y≦1。於一實施例中,第一半導體接觸層121包含AlGaN系列材料,不包含銦(In)。第一半導體接觸層121與緩衝結構40可為相同或不同的材料,以及不同的摻雜濃度。第一半導體接觸層121可以是n型半導體層。第一半導體接觸層121的第一導電型雜質濃度大於緩衝結構40的第一導電型雜質濃度。第一半導體接觸層121的第一導電型雜質濃度大於1×10
18/cm
3,較佳的,大於1×10
19/cm
3,且更佳的,介於1×10
19/cm
3以及5×10
22/cm
3(兩者皆含)之間。第一半導體接觸層121可以為單層、或通過複數個生長步驟來形成複數區域。複數區域可具有相同或不同的材料組成,且複數區域可具有相同的厚度或不同的厚度。於一實施例中,第一半導體接觸層121可包含第一接觸子層(圖未示)和第二接觸子層(圖未示)交替堆疊5-40次。其中第一接觸子層包含Al
xGa
(1 − x)N,其中0
x
1;第二接觸子層包含Al
yGa
1 − yN,其中0
y
1且y≠x。例如,第一接觸子層的材料為氮化鎵(GaN),且第二接觸子層為氮化鋁鎵(AlGaN)。第一接觸子層具有較高的第一導電型雜質濃度,第二接觸子層具有較低第一導電型雜質濃度,藉此提高橫向電流分散,進而提升發光元件1的抗靜電(Electrostatic Discharge,ESD)破壞能力以及發光效率。第一接觸子層及第二接觸子層的厚度為10 nm-100 nm。於另一實施例中, 在成長第一半導體接觸層121的過程中,可以調變摻雜濃度、溫度或壓力等生長條件參數。其調變方法可以呈週期性或非週期性,以形成週期性或非週期性的複數個區域。於一實施例中,第一半導體接觸層121可包含第一接觸區域(圖未示)和第二接觸區域(圖未示)交替堆疊複數次,其中第一接觸區域與第二接觸區域包含不同的第一導電型雜質濃度,或其他不同的雜質濃度,例如碳濃度。
The material of the first
如圖1所示,中間結構50位於第一半導體接觸層121與活性區123之間。中間結構50由下往上依序包含第二中間層50a、應力緩衝層50c及第一中間層50b。於一實施例中,第一半導體接觸層121的成長條件,例如溫度、壓力、有機金屬反應源的比例及流量等,和活性區123的條件不同,因此,為了減少第一半導體接觸層121與活性區123之間因成長條件差異而產生成長環境的不穩定性,避免因產生新的差排於其中,進而影響磊晶品質,可藉由中間結構50作為第一半導體接觸層121與活性區123之間的轉換結構,以維持良好磊晶品質。於一實施例中,緩衝結構40與第一半導體接觸層121在第一溫度條件下,以第一成長速率(growth rate)成長。中間結構50在第二溫度條件下,以第二成長速率成長。活性區123在第三溫度條件下,以第三成長速率成長。其中,第一溫度高於第二溫度,第二溫度高於或等於第三溫度。於一實施例中,第一溫度介於1000度至1300度的高溫。在成長活性區123之前,可將成長溫度調整至較低溫環境下,以和緩的銜接活性區123成長,維持活性區123的磊晶品質。於一實施例中,可藉由中間結構50作為第一半導體接觸層121和活性區123成長溫度轉換的過渡區域。中間結構50的成長溫度比緩衝結構40或第一半導體接觸層121的成長溫度低150-350度,例如介於700-950度。於一實施例中,中間結構50的成長溫度和活性區123的成長溫度相近或相同;例如,中間結構50的最高成長溫度和活性區123的最高成長溫度之差異不超過100度,中間結構50的最低成長溫度和活性區123的最低成長溫度之差異不超過100度。於另一實施例中,緩衝結構40與基板10之間因晶格常數不匹配使得緩衝結構40中存在許多差排(dislocation),部分差排在後續成長第一半導體接觸層121時會延伸至其中。此外在後續的磊晶層成長中因為成長條件、材料或摻雜濃度的差異,使得應力累積於磊晶疊層中,當一定的應力累積後,磊晶層中逐漸形成V形凹部。底層的V形凹部會延伸至上層,例如活性區123中的複數個凹部11。當半導體疊層中存在過多的V形凹部及/或V形凹部尺寸過大時,V形凹部可能形成漏電路徑,發光元件於大電流操作下易隨操作溫度升高而發光效率下降,且隨著操作電流密度增加而發光效率損耗更為嚴重。然而,V形凹部也可作為元件遭受靜電突波或大電流注入時的載子宣洩路徑,當半導體疊層中的V形凹部過少或不存在V形凹部,及/或V形凹部尺寸過小時,對元件可靠度會造成影響。因此藉由調整差排及/或磊晶層中的應力,可進而控制V形凹部的產生,及V形凹部的多寡及大小。於一實施例中,為了抑制及減緩V形凹部的形成及減小V形凹部的尺寸及數量,第一成長速率大於第二成長速率及第三成長速率。於另一實施例中,第一成長速率大於第二成長速率,且第二成長速率大於或等於第三成長速率。藉由中間結構50較低速的成長,以填平或減小緩衝結構40與第一半導體接觸層121因高速成長造成的差排。於一實施例中,中間結構50的成長速率不大於50Å/min,於一實施例中,不大於30Å/min;於一實施例中,不大於10Å/min。As shown in FIG1 , the intermediate structure 50 is located between the first
中間結構50的材料包含Al
xIn
yGa
(1-x-y)N,其中0≦x≦1,0≦y≦1。中間結構50更包含第一導電型雜質,中間結構50的第一導電型雜質濃度小於第一半導體接觸層121的第一導電型雜質濃度。於一實施例中,第二中間層50a材料包含Al
xIn
yGa
(1-x-y)N,其中0≦x≦1,0≦y≦1;於一實施例中,第二中間層50a中第一導電型雜質濃度小於1×10
19/cm
3,且包含與第一半導體接觸層121相同的材料。應力緩衝層50c可包含第一子層(圖未示)和第二子層(圖未示)交替堆疊複數次,其中第一子層及第二子層具有不同的晶格常數,第一子層之的能隙高於第二子層能隙。第一子層包含Al
x1In
y1Ga
(1-x1-y1)N,第二子層包含Al
x2In
y2Ga
(1-x2-y2)N,其中0≦x1、x2、y1、y2<1,且y1<y2。例如,第一子層的材料為氮化鎵(GaN),且第二子層為氮化銦鎵(InGaN),於一實施例中,交替堆疊5-40次。藉由交互堆疊不同晶格常數的第一子層及第二子層,自緩衝結構40成長時所磊晶的應力得以減緩。於一實施例中,第一子層與第二中間層50a包含相同材料。此外,應力緩衝層50c具有較低的第一導電型雜質濃度或未刻意摻雜第一導電型雜質,可以減少應力並進一步抑制新的差排產生。於一實施例中,應力緩衝層50c的第一導電型雜質小於1×10
17/cm
3,於一實施例中,小於5×10
16/cm
3。於一實施例中,應力緩衝層50c的第一子層及第二子層皆未刻意摻雜第一導電型雜質。於另一實施例中,第一子層包含第一導電型雜質,且其第一導電型雜質濃度小於1×10
17/cm
3,而第二子層未刻意摻雜第一導電型雜質。於另一實施例中,第一子層及第二子層皆包含第一導電型雜質,且第二子層中第一導電型雜質濃度低於第一子層中第一導電型雜質濃度。於一實施例中,第一子層及第二子層的厚度不大於20 nm,於一實施例中,介於0.5 nm-10 nm。倘若半導體疊層中從基板側產生的差排,在第二中間層50a中觸發產生V形凹部時,可藉由例如調整應力緩衝層50c的厚度或其成長條件來控制V形凹部的尺寸。於一實施例中,應力緩衝層50c包含第一子層及第二子層時,藉由調整第一子層及第二子層的厚度可以決定V形凹部的尺寸。於一實施例中,依前述將第一子層及第二子層的厚度設定為0.5 nm-10 nm,可以控制V形凹部的尺寸在特定範圍內。於其他實施例中,應力緩衝層50c亦可以由具有相同功效的多層不同材料組成的半導體疊層構成,例如III族元素組成漸變的多層結構。
The material of the intermediate structure 50 includes AlxInyGa (1-xy) N, wherein 0≦x≦1, 0≦y≦1. The intermediate structure 50 further includes first conductivity type impurities, and the first conductivity type impurity concentration of the intermediate structure 50 is less than the first conductivity type impurity concentration of the first
第一中間層50b材料包含Al
xIn
yGa
(1-x-y)N,其中0≦x≦1,0≦y≦1;第一中間層50b包含第一導電型雜質,且其第一導電型雜質濃度介於1×10
18/cm
3至1×10
20/cm
3,於一實施例中,小於1×10
19/cm
3,且包含與第一半導體接觸層121相同的材料。藉由調整第一中間層50b的摻雜濃度,可以改變整體能帶,藉此改善半導體疊層12中的電洞溢流,並將第一中間層50b的厚度設定為0.1 nm至2 nm,可以抑制V型凹部的產生。於一實施例中,第一中間層50b的厚度和應力緩衝層50c中的第一子層及/或第二子層的厚度為同一數量級,意即,兩者之厚度比值大於等於1,但不大於10。於另一實施例中,第一中間層50b的第一導電型雜質濃度是應力緩衝層50c中第一子層及/或第二子層的第一導電型雜質濃度100倍以上。第二中間層50a的厚度為第一中間層50b的厚度五倍以上。於另一實施例中,半導體疊層12更包含其他一或多層結構位於中間結構50與第一半導體接觸層121之間,例如,包含一低摻雜層(圖未示)位於中間結構50與第一半導體接觸層121之間。低摻雜層的第一導電型雜質濃度小於第一半導體接觸層121的第一導電型雜質濃度,可以降低順向電壓並改善發光元件1的抗靜電能力。於一實施例中,低摻雜層中第一導電型雜質濃度至少小於第一半導體接觸層121的第一導電型雜質濃度一個數量級。在一實施例中,低摻雜層中第一導電型雜質濃度不小於1×10
17/cm
3,且較佳的,不超過5×10
18/cm
3。在一實施例中,低摻雜層中第一導電型雜質濃度同時小於第二中間層50a中第一導電型雜質濃度。在一些實施例中,低摻雜層具有一厚度不小於50 nm,且/或不大於1000 nm;於一實施例中,介於100 nm和500 nm之間(包含端值)。如果低摻雜層的厚度小於50 nm,則發光元件1的抗靜電能力會變差,且發光元件1的順向電壓會變高。於一實施例中,活性區上表面123a的V形凹部11開口寬度可調整至較小尺寸及較小的分布密度,例如開口寬度介於20 nm至100 nm,且分佈密度小於2×10
8cm
-2,再藉由上述低摻雜層與較高摻雜的第二中間層50a及高摻雜的第一半導體接觸層121搭配,可在小尺寸及較小的分布密度的V形凹部11下,仍能達到降低發光元件順向電壓及提升發光元件抗靜電能力的效果。
The material of the first intermediate layer 50b includes AlxInyGa (1-xy) N, wherein 0≦x≦1, 0≦y≦1; the first intermediate layer 50b includes first conductivity type impurities, and the first conductivity type impurity concentration thereof is between 1× 1018 / cm3 and 1× 1020 / cm3 , and in one embodiment, is less than 1× 1019 / cm3 , and includes the same material as the first
活性區123包含複數個量子井層(圖未示)與複數個障壁層(圖未示)交替堆疊而成,其中障壁層的能隙大於量子井層的能隙。量子井層包含銦(In),例如Al
x1In
y1Ga
(1-x1-y1)N,其中0≤x1≤1且0<y1≤1,於一實施例中為In
y1Ga
(1-y1)N,其中0<y1<0.25。障壁層包含銦(In)組成比例低於量子井層的銦(In)組成比例的氮化物層,例如Al
x2In
y2Ga
(1-x2-y2)N,其中0≤x2≤0.1,0≤y2≤0.1,優選地0≤x2≤0.08,更優選地0≤x2≤0.05。量子井層和障壁層交替堆疊的週期數量可例如為2至20,較佳為3至15,更佳為4至12。若週期數量過大,則會導致活性區的厚度過厚,磊晶品質下降,進而降低發光元件的發光效率。此外,週期數量大會造成磊晶厚度過厚,會增加V形凹部11開口形成的機率,而原來以存在的V形凹部11開口會因活性區123厚度增加,使得V形凹部11開口過大。若週期數量過小,活性結區的厚度過薄,無法有效達到電子與電洞的複合,進而降低發光元件的發光效率。
The
為了抑制及減緩V形凹部11的形成及減小V形凹部11的尺寸及數量,於本實施例中,活性區123係以低速成長。具體而言,活性區123的成長速度低於緩衝結構40與第一半導體接觸層121的成長速度。於一實施例中,活性區123的成長速率不大於30Å/min,於一實施例中,不大於10Å/min。此外,活性區123具有較低的第一導電型雜質濃度或未刻意摻雜第一導電型雜質,可以減少雜質造成缺陷產生,進一步抑制新的差排產生。於一實施例中,活性區123的第一導電型雜質小於1×10
17/cm
3,於一實施例中,小於5×10
16/cm
3。於一實施例中,量子井層及障壁層皆未刻意摻雜第一導電型雜質。於另一實施例中,障壁層包含第一導電型雜質,且其第一導電型雜質濃度小於1×10
17/cm
3,而量子井層未刻意摻雜第一導電型雜質。於另一實施例中,量子井層及障壁層皆包含第一導電型雜質,且量子井層中第一導電型雜質濃度低於障壁層中第一導電型雜質濃度。於另一實施例中,量子井層及障壁層中第一導電型雜質濃度為第一中間層50b中第一導電型雜質濃度的0.01倍以下。在活性區123具有較低的第一導電型雜質濃度或未刻意摻雜第一導電型雜質的基礎下,並將一個量子井層的厚度及一個障壁層的厚度為10 nm以下,於一實施例中,介於1 nm-5 nm,如此一來,更可以抑制新的差排產生。
In order to suppress and slow down the formation of the V-shaped recess 11 and reduce the size and number of the V-shaped recess 11, in this embodiment, the
依本請案實施例發光元件及其製造方法,在活性區123成長完畢後,可在活性區中形成複數個V形凹部11,V形凹部11在活性區123的上表面123a分別具有一開口。於一剖視圖中,V形凹部11呈V形,且V形凹部11包含一底端位於活性區123中。V形凹部11具有一連續的斜面,位於此斜面下方的障壁層與量子井層之厚度相較位於V形凹部11以外的平面上的厚度薄。以成長基板為藍寶石基板為例,成長基板磊晶成長半導體疊層12的面為極性面(C面),於V形凹部11的斜面為半極性面,進而使得電洞較容易穿隧障壁層與量子井層,故可增加電洞的注入以提升發光效率。再者,V形凹部11的形成增加了電流傳導分散的路徑,因此提升半導體疊層抗靜電放電的能力。此外,適當數量及大小的V形凹部11可降低載子掉落於缺陷的機率,進而降低缺陷的傳導能力以及活性,以減少非輻射復合的機率。然而,當V形凹部11的尺寸大及/或分佈密度高時,過多的電流傳導分散路徑造成漏電效應,使得發光元件在熱態時載子損失或載子侷限能力變差,導致發光元件熱態發光效率下降。因此,依本申請案實施例之發光元件1及其製造方法,所形成的V形凹部11在活性區上表面123a的開口寬度介於20 nm至100 nm,且複數個V形凹部11位於活性區上表面123a的分佈密度小於2×10
8cm
-2,藉此改善發光元件1的熱態發光效率。圖2A顯示一比較例發光元件的掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope,SEM)影像,圖2B顯示本申請案實施例發光元件1的掃描電子顯微鏡影像。圖2A及圖2B皆是在活性區成長完畢後,由活性區上表面123a所拍攝。相較於圖2A的比較例,圖2B所拍攝到的V形凹部11具有較小的尺寸以及較低的分布密度。
According to the light emitting element and the manufacturing method thereof of the embodiment of the present application, after the
電子阻擋區70位於活性區123與第二半導體接觸層122之間。電子阻擋區70可以阻擋由第一半導體接觸層121注入至活性區123的電子,減少尚未在活性區123中的量子井層與電洞結合便流出進入第二半導體接觸層122的情況。在一實施例中,電子阻擋區70可具有比活性區123中的障壁層更高的能隙。電子阻擋區70可包含單一層、多個子層、或複數個交替的第一子層以及第二子層。於一實施例中,電子阻擋區70是由複數個交替的第一子層以及第二子層組成超晶格結構。電子阻擋區70可以是p型、n型或i型半導體層。在一實施例中,電子阻擋區70包含第二導電型雜質,且其第二導電型雜質濃度大於1×10
17/cm
3,在一實施例中,大於或等於1×10
19/cm
3且不超過1×10
21/cm
3。在一實施例中,電子阻擋區70包含第二導電型雜質及第一導電型雜質共摻雜,其中第二導電型雜質濃度大於1×10
18/cm
3,第一導電型雜質濃度小於1×10
18/cm
3。於一實施例中,電子阻擋區70的成長速率不大於30Å/min,於一實施例中,不大於10Å/min。藉由控制電子阻擋區70的成長速度不大於活性區123的成長速度,可減緩已在活性區123中形成的V形凹部11持續增大下,在電子阻擋區70成長過程中逐漸被填平。於一實施例中,電子阻擋區70可在氫氣環境下磊晶成長,有利於電子阻擋區70的二維磊晶成長並填平 V形凹部11。
The electron blocking region 70 is located between the
第二半導體接觸層122位於電子阻擋區70上。在一些實施例中,第二半導體接觸層122中的第二型摻雜物的摻雜濃度不小於1×10
18/cm
3,較佳的,不小於1×10
19/cm
3,更佳的,介於1×10
19/cm
3和1×10
21/cm
3之間(包含端值)。在一實施例中,第二半導體接觸層122包含Al
x1In
x2Ga
(1–x1-x2)N,其中0≦x1≦1,0≦x2≦1。於一實施例中,x2=0,0<x1≦0.1,且較佳的,0<x1≦0.05,藉以提升發光效率。於另一實施例中,第二半導體接觸層122包含GaN。第二半導體接觸層122具有一不超過15 nm的厚度,且較佳的,超過3 nm。於一實施例中,第二半導體接觸層122中更包含第一導電型雜質,例如矽,其中第二導電型雜質濃度大於第一導電型雜質濃度。在一些實施例中,第二半導體接觸層122包含多層結構,例如超晶格結構。藉由多層結構的調整使得其自電子阻擋區70至第二半導體接觸層122最外層的摻雜濃度或材料組成漸變調整,使得第二半導體接觸層122磊晶品質提升。於另一實施例中,第二半導體接觸層122包含下部接觸層(圖未示)以及上部接觸層(圖未示),其中下部接觸層位於上部接觸層及電子阻擋區70之間。上部接觸層為未摻雜或是包含第一型摻雜物,用以和下文所述的透明導電層接觸。於一實施例中,上部接觸層中的第一型摻雜物濃度不小於1×10
18/cm
3,較佳的,不小於1×10
19/cm
3,更佳的,介於1×10
19/cm
3和1×10
21/cm
3之間(包含端值)。上部接觸層的厚度小於下部接觸層的厚度,於一實施例中,上部接觸層的厚度不大於10 nm;於一實施例中,上部接觸層的厚度介於0.1 nm至3 nm。於一實施例中,活性區123與第二半導體接觸層122之間除了電子阻擋區70之外更可包含其他一或多層結構。例如,位於電子阻擋區70與活性區123之間的擴散防止層(圖未示),擴散防止層用於防止第二半導體接觸層122或電子阻擋區70的第二型摻雜物擴散進入活性區123,避免活性區123磊晶品質劣化或者效率變差。
The second
於本申請案中,任一實施例的發光元件1在磊晶成長半導體疊層12後,藉由蝕刻製程移除部分半導體疊層12,使第一半導體接觸層121的表面121a露出。於表面121a上形成第一電極20使其與第一半導體接觸層121電性連接,於第二半導體接觸層122上形成第二電極30並與之電性連接。第一電極20以及第二電極30用於與一外接電源或其他電子元件連接且傳導在兩者之間的電流。第一電極20以及第二電極30的材料包含金屬材料。金屬材料包含鉻(Cr)、金(Au)、鋁(Al)、銅(Cu)、銀(Ag)、錫(Sn)、鎳(Ni)、銠(Rh)、鉑(Pt)、鈦(Ti)、鋁(Al)、鎢(W)等或上述材料的合金。在一些實施例中,第一電極20及第二電極30為一單層,或包含複數層的結構諸如包含Ti/Au層、Ti/Al 層、Ti/Pt/Au層、Cr/Au層、Cr/Pt/Au層、Ni/Au層、Ni/Pt/Au層、Ti/Al/Ti/Au層、Cr/Ti/Al/Au層、Cr/Al/Ti/Au層、Cr/Al/Ti/Pt層或Cr/Al/Cr/Ni/Au層、或其組合。於一實施例中,發光元件1在第二電極30與第二半導體接觸層122之間,更設置有透明導電層(圖未示)。透明導電層的材料包含透明導電氧化物或可透光的薄金屬。其中透明導電材料例如為氧化銦錫(ITO)、氧化銦(InO)、氧化錫(SnO)、氧化鎘錫(CTO)、氧化銻錫(ATO)、氧化鋁鋅(AZO)、氧化鋅錫(ZTO)、氧化鋅(ZnO)或氧化銦鋅(IZO)等。In the present application, after epitaxially growing the
於另一實施例中(圖未示),任一實施例的發光元件1在磊晶成長半導體疊層12後,可利用晶圓轉移(Wafer transfer)製程,將半導體疊層12中第二半導體接觸層122之一側固定於一轉置基板,接著將基板10與半導體疊層12分離。轉置基板包含導電材料,可作為電性連接第二半導體接觸層122的第二電極。並於半導體疊層12中第一半導體接觸層121之一側形成第一電極20,第一電極20以及第二電極30分別位在轉置基板的相反兩側以形成一垂直式發光元件。於另一實施中(圖未示),基板10包含導電材料,第一電極20以及第二電極30分別位在基板10的相反兩側,以形成一垂直式發光元件。In another embodiment (not shown), after the
圖3係為依本發明一實施例之發光裝置2之示意圖。將前述實施例中的發光元件1以倒裝晶片(flip-chip)之形式安裝於載板101上。為了使圖示簡潔,圖3中未繪示半導體疊層12中所有半導體層。發光元件1的第一電極20及第二電極30可以利用金屬接合層,例如為共晶層或是焊料90,與載板101上的電極墊片80接合。此外,第一電極20、第二電極30與半導體疊層12之間設置有絕緣層26,絕緣層包含開口261及262,第一電極20及第二電極30分別填入開口261及262與第一半導體接觸層121及第二半導體接觸層122電性連接。發光元件1光線可經由基板10相反於半導體疊層12之表面及/或基板10的側表面所摘出。於一實施例中,發光裝置2更包含封裝材料(圖未示)覆蓋發光元件1,其中封裝材料包含環氧樹脂(epoxy)、壓克力以及矽膠(silicone)等。FIG3 is a schematic diagram of a
發光元件的溫度特性可用熱態發光效率與冷態發光效率之比值來衡量。一般來說,發光元件的工作溫度越高,發光元件的熱態光發光效率越下降。依據本申請案實施例之發光元件,即使在大電流密度例如75 A/cm
2以上的操作電流密度下,仍可維持良好溫度特性,即,其冷熱因素值(hot/cold factor, H/C factor)至少可維持在95%以上。以表1為例,其顯示依據本申請案實施例之發光元件1在1安培操作電流下所測得的實驗數據,其中H/C factor係表示發光元件1於高溫85℃下所測的熱態發光效率與室溫25℃下所測的冷態發光效率之比值。此外,一般來說,當發光元件在低溫下工作,順向電壓(Vf)變高且電流減少,處於恆壓運作將可能無法達到需要的發光強度。依據本申請案實施例之發光元件1,除了上述良好溫度特性之外,發光元件1在-40 ℃時之順向電壓與25 ℃時之順向電壓之差值≦0.21 V,意味著即使在低溫操作下,發光元件1的啟動狀態幾乎可以維持與室溫操作下一樣的光電特性。
[表 1]
圖4係為依本發明一實施例之發光裝置4之示意圖。於一實施例中,發光裝置4為用於汽車的LED燈泡,可以插接固定在汽車大燈總成的後殼上的安裝通孔中。發光裝置4包括用於近光燈發光的第一LED晶片4100或遠光燈發光的第二LED晶片4200 、長柱狀的燈柱4300、驅動電源電路板4400、用於散熱的散熱鰭片(圖未示)、用於散熱的風扇(圖未示)、用於罩護所述風扇的風扇罩(圖未示)、用於與車載電池電連接的電源線(圖未示),設置於電源線末端的插頭(圖未示)。發光裝置4中的第一LED晶片4100或第二LED晶片4200可以包含前述之發光元件1及發光裝置2之任一個或多個。FIG4 is a schematic diagram of a light-emitting device 4 according to an embodiment of the present invention. In one embodiment, the light-emitting device 4 is an LED bulb for automobiles, which can be plugged and fixed in a mounting through hole on the rear housing of the automobile headlight assembly. The light-emitting device 4 includes a first LED chip 4100 for low beam light emission or a second LED chip 4200 for high beam light emission, a long columnar lamp post 4300, a driving power circuit board 4400, a heat dissipation fin for heat dissipation (not shown), a fan for heat dissipation (not shown), a fan cover for protecting the fan (not shown), a power cord for electrical connection with a vehicle battery (not shown), and a plug disposed at the end of the power cord (not shown). The first LED chip 4100 or the second LED chip 4200 in the light-emitting device 4 may include any one or more of the light-emitting element 1 and the light-emitting
圖5係為依本發明一實施例之發光裝置5之示意圖。於一實施例中,發光裝置5可以為車用照明燈500,可以被應用在日行燈、頭燈、尾燈、或方向燈。主照明燈510在車用照明燈500中可以是主發光燈,例如,在車用照明燈500被利用為車前燈的情況下,主照明燈510可以具有照亮車輛的前方的頭燈的功能。組合照明燈520可以具有至少兩種功能。例如,在車輛用照明燈被利用為車前燈的情況下,組合照明燈520可以執行日間行車燈(daytime running light;DRL)及方向指示燈的功能。主照明燈510或組合照明燈520可以包含前述之發光元件1、發光裝置2及發光裝置4之任一個或多個。FIG5 is a schematic diagram of a light-emitting device 5 according to an embodiment of the present invention. In one embodiment, the light-emitting device 5 may be a vehicle lighting lamp 500, which may be applied to daytime running lights, headlights, taillights, or turn signals. The main lighting lamp 510 may be a main lighting lamp in the vehicle lighting lamp 500. For example, when the vehicle lighting lamp 500 is used as a headlight, the main lighting lamp 510 may have the function of a headlight that illuminates the front of the vehicle. The combination lighting lamp 520 may have at least two functions. For example, when the vehicle lighting lamp is used as a headlight, the combination lighting lamp 520 may perform the functions of a daytime running light (DRL) and a turn signal lamp. The main lighting lamp 510 or the combination lighting lamp 520 may include any one or more of the aforementioned light-emitting element 1, light-emitting
需注意的是,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顯而易見的修飾或變更皆不脫離本發明之精神與範圍。不同實施例中相同或相似的構件,或者不同實施例中具相同標號的構件皆具有相同的物理或化學特性。此外,本發明中上述之實施例在適當的情況下,是可互相組合或替換,而非僅限於所描述之特定實施例。在一實施例中詳細描述之特定構件與其他構件的連接關係亦可以應用於其他實施例中,且均落於如後所述之本發明之權利保護範圍的範疇中。It should be noted that the various embodiments listed in the present invention are only used to illustrate the present invention and are not used to limit the scope of the present invention. Any obvious modifications or changes made to the present invention by anyone do not deviate from the spirit and scope of the present invention. The same or similar components in different embodiments, or components with the same labels in different embodiments all have the same physical or chemical properties. In addition, the above-mentioned embodiments of the present invention can be combined or replaced with each other under appropriate circumstances, and are not limited to the specific embodiments described. The connection relationship between a specific component and other components described in detail in one embodiment can also be applied to other embodiments, and all fall within the scope of the scope of protection of the present invention as described below.
1:發光元件
2、4、5:發光裝置
10:基板
101:載板
11:V形凹部
12:半導體疊層
121:第一半導體接觸層
121a:表面
122:第二半導體接觸層
123:活性區
123a:表面
20:第一電極
30:第二電極
40:緩衝結構
50:中間結構
50a:第二中間層
50b:第一中間層
50c:應力緩衝層
70:電子阻擋區
26:絕緣層
261、262:開口
80:電極墊片
90:焊料
4100:第一LED晶片
4200:第二LED晶片
4300:燈柱
4400:驅動電源電路板
500:車用照明燈
510:主照明燈
520:組合照明燈
D:缺陷
1: light-emitting
﹝圖1﹞顯示本申請案一實施例發光元件1。
﹝圖2A﹞顯示比較例發光元件的掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope,SEM)影像。
﹝圖2B﹞顯示本申請案一實施例發光元件1的掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope,SEM)影像。
﹝圖3﹞顯示依據本申請案一實施例之發光裝置2之示意圖。
﹝圖4﹞顯示依據本申請案一實施例之發光裝置4之示意圖。
﹝圖5﹞顯示依據本申請案一實施例之發光裝置5之示意圖。
﹝Figure 1﹞shows a light-emitting element 1 of an embodiment of the present application.
﹝Figure 2A﹞shows a scanning electron microscope (SEM) image of a comparative light-emitting element.
﹝Figure 2B﹞shows a scanning electron microscope (SEM) image of a light-emitting element 1 of an embodiment of the present application.
﹝Figure 3﹞shows a schematic diagram of a light-emitting
1:發光元件 1: Light-emitting element
10:基板 10: Substrate
11:V形凹部 11: V-shaped concave part
12:半導體疊層 12: Semiconductor stacking
121:第一半導體接觸層 121: First semiconductor contact layer
121a:表面 121a: Surface
122:第二半導體接觸層 122: Second semiconductor contact layer
123:活性區 123: Active area
123a:表面 123a: Surface
20:第一電極 20: First electrode
30:第二電極 30: Second electrode
40:緩衝結構 40: Buffer structure
50:中間結構 50: Middle structure
50a:第二中間層 50a: Second middle layer
50b:第一中間層 50b: First middle layer
50c:應力緩衝層 50c: Stress buffer layer
70:電子阻擋區 70:Electron blocking area
D:缺陷 D: Defect
Claims (10)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
TW202414853A true TW202414853A (en) | 2024-04-01 |
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