TWI445205B - Semiconductor light emitting element - Google Patents

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TWI445205B
TWI445205B TW101109123A TW101109123A TWI445205B TW I445205 B TWI445205 B TW I445205B TW 101109123 A TW101109123 A TW 101109123A TW 101109123 A TW101109123 A TW 101109123A TW I445205 B TWI445205 B TW I445205B
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Katsufumi Kondo
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Description

半導體發光元件
本處說明之實施形態，整體而言係關於半導體發光元件。
照明裝置、顯示裝置、交通號誌等所用之發光二極體(LED)一類半導體發光元件，其需求為光的高輸出。
在半導體發光元件發光層的後方側，設置反射金屬層，可令發光層向後方側放出的光朝前方側反射，藉此提高光取出效率。
然而，當發光層與反射金屬層之間的距離變長，則反射金屬層所反射的光會往橫方向擴散，從前方側取出的光束光量便會降低，產生問題。
本發明之實施形態，係提供一種半導體發光元件，具有較高的光取出效率及亮度。
其中一個實施形態之半導體發光元件，具備：發光層、具有反射金屬層之第1電極、絕緣層、第1導電型層、第2導電型層、及第2電極。
前述發光層由III-V族之化合物半導體所構成。前述絕緣層設置於前述第1電極上，且具有開口部，該開口部內設置前述第1電極的一部分。前述第1導電型層設置於 前述絕緣層和前述第1電極的前述一部分與前述發光層之間，由III-V族之化合物半導體所構成，具有較前述發光層的帶隙能量更大之帶隙能量。前述第1導電型層至少包含第1接觸層、成分漸變層及第1披覆層。前述第2導電型層設置於前述發光層上。前述第2導電型層從前述發光層側開始，依序至少形成有電流擴散層及第2接觸層。前述第2接觸層未與前述絕緣膜的前述開口部重疊，前述電流擴散層的厚度較前述第1接觸層的厚度來得大。前述第2電極具有銲墊部與較細部分。前述銲墊部，係設於前述電流擴散層表面當中未形成前述第2接觸層之區域。前述較細部分從前述銲墊部至前述第2接觸層上延伸存在。
按上述構成，便可提供一種半導體發光元件，具有較高的光取出效率及亮度。
以下一面參照圖面，說明本發明之複數實施形態。圖面中遇有同一符號者，代表同一或類似部分。
圖1A為第1實施形態之半導體發光元件模型示意平面圖。圖1B為沿圖1A的A-A線之模型剖面圖。圖1C為將圖1B的區域EN加以擴大之模型剖面圖。
如圖1B所示，前述第1實施形態之半導體發光元件，具備支撐基板10、設於支撐基板10上的第1電極20、設於第1電極20上的第1導電型層37。前述半導體發光元件又具備設於第1導電型層37上的發光層40、設於發 光層40上的第2導電型層50、以及設於第2導電型層50上的第2電極60。
發光層40係由單層或多層之III-V族化合物半導體所形成，具有多重量子井(MQW)構造。發光層40之成分可為Inx (Ga1-y Aly )1-x P(惟0≦x≦1、0≦y≦1)。在此情形下，III族元素為銦(In)、鎵(Ga)及鋁(Al)，V族元素為磷(P)。此類發光層可放出綠色至紅色波長範圍的光。發光層40的成分亦可為Alz Ga1-z As(惟0≦z≦0.45)。在此情形下，III族元素為Al及Ga，V族元素為As。此類發光層可放出紅色至近紅外光波長範圍的光。
又，發光層40的成分亦可為Ins Ga1-s Ast P1-t (惟0≦s≦1、0≦t≦1)。在此情形下，III族元素為In及Ga，V族元素為As及P。此類發光層可放出近紅外光波長範圍的光。
又，發光層40的成分亦可表示成Inu Gav Al1-u-v N(惟0≦u≦1、0≦v≦1、u+v≦1)。在此情形下，III族元素為In、Ga、Al，V族元素為氮(N)。此類發光層可放出紫外光至綠色波長範圍的光。
第1導電型層37包含第1接觸層32、成分漸變層31、第1披覆層29、及導光層28。第1導電型層37的帶隙能量，較發光層40的帶隙能量來得大。如此一來，能抑制放出光被第1導電型層37吸收，得到較高的光輸出。第1導電型層37可由第1導電型之Ins (Ga1-t Alt )1-s P(惟0≦s≦1、0≦t≦1)所構成。
第1接觸層32係由III-V族化合物半導體所形成，其折射率較MQW構造之發光層40的平均折射率來得低。所謂MQW構造之發光層40的平均折射率，係指塊體(bulk)半導體對於放出光波長之折射率，定義為井層折射率與障壁層折射率之平均值。如圖1C中圖1B的區域EN剖面所示，第1接觸層32例如由GaP所構成，具有第1導電型。第1接觸層32的一部分，介由設置於絕緣層90的複數之矩形開口90a，而與第1電極20中透明導電膜26的一部分接觸。成分漸變層31由III-V族化合物半導體所構成，例如可由第1導電型之Inx (Ga1-y Aly )1-x P(0<x≦1、0<y≦1)來形成。該成分漸變層，隨著愈接近第1接觸層32，In成分比x及Al成分比y會降低。也就是說Ga成分比會愈高，成分上接近GaP。
從圖1B的上方往下方觀之，複數之第2接觸層56的設置方式，係不與第1接觸層32和透明導電膜26的接觸面重疊。電流如圖1A及圖1B所示，經由絕緣層90的複數開口部90a，於第1電極20與第2電極60之間流動。第2電極60的複數細線部60b(較細部分)，與絕緣層90的開口部90a端部之間的最短距離，從圖1B上方觀之，例如可為5μm。如圖1A所示，複數細線部60b分別形成於前述複數第2接觸層56上。這些細線部60b接觸於前述複數第2接觸層56，以及接觸於電流擴散層54上一部分未形成凹凸的表面，且設置成與銲墊部60a及前述第2接觸層56連接，於前述第2接觸層56上延伸存在。
第1實施形態中，載子(carrier)從構成第2電極60的複數細線部60b注入，藉由電流擴散層54而朝橫方向擴散，同時產生流入發光層40的載子流F2。另一方面，從第1電極20所注入的載子，其於橫方向的擴散受到抑制，而產生流入發光層40的載子流F1。是故第1電極20與發光層40之間，無需設置雜質濃度高的電流擴散層。
又，從圖1B上方觀之，第1接觸層32亦可如圖1A所示般，由分散設置於細線部60b延伸存在方向的複數區域所構成。依此構成，那麼沿細線部60b延伸存在方向，可以減低第1接觸層32內的載子擴散。因此可進一步提升有效的電流注入效率。發光層40內，發光復合的增加程度大約與載子密度平方成比例，非發光復合的增加程度大約與載子密度成比例。因此整體而言，電流載子密度愈高，有用的發光復合比率愈增加，愈容易獲得高發光效率。
如圖1A所示，絕緣層90的複數開口部90a係呈矩形，但開口部90a的平面形狀並不限定於此，亦可為圓形、橢圓形、多角形等形狀。
圖2A至圖2E為第1實施形態之半導體發光元件，其製造方法一例之製程剖面圖。圖2A所示者，為晶圓狀態下之半導體發光元件的半導體層模型示意圖。圖2B為對絕緣層圖樣成形(patterning)後所得之晶圓模型示意圖。圖2C為形成透明導電膜後所得之晶圓模型示意圖。圖2D為前述晶圓之黏著製程模型示意圖。圖2E為分割前述晶圓 後所得之晶片狀態下的半導體發光元件模型示意圖。
圖2A中，在用以進行結晶成長之砷化鎵(GaAs)所構成的基板70上，如圖1A所示，依序層積：具有下述結構之第2導電型層50、發光層40、以及具有下述結構之第1導電型層37。具體來說，係如圖2A所示，藉由結晶成長依序形成：n型GaAs之第2接觸層56(載子濃度：1×1018 cm-3 )、n型In0.5 (Ga0.3 Al0.7 )0.5 P之電流擴散層54(載子濃度：4×1017 cm-3 )、n型In0.5 Al0.5 P之第2披覆層52(載子濃度：3×1017 cm-3 )、以及n型InGaAlP之導光層51，共同構成第2導電型層50。結晶成長例如可採用MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition，有機金屬化學氣相沉積)法或MBE(Molecular Beam Epitaxy，分子束磊晶)法。
導光層51上形成有發光層40，其由複數井層及複數障壁層薄膜層積體所構成。發光層40在本實施例中，例如為In0.5 Ga0.5 P所構成之4nm厚的20個井層、以及In0.5 (Ga0.4 Al0.6 )0.5 P所構成之7nm厚的21個障壁層，所組成的MQW構造薄膜層積體。但，發光層40的構造並不限定於此。
其後，在發光層40上依序形成：p型InGaAlP之導光層28、p型In0.5 Al0.5 P之第1披覆層29(載子濃度：3×1017 cm-3 )、p型Inx (Ga1-y Aly )1-x P(0<x≦1、0<y≦1)所構成之成分漸變層(載子濃度：1×1019 cm-3 )31、以及p型GaP所構成之第1接觸層(載子濃度：1×1019 cm-3 )32，共 同構成第1導電型層37。有時，亦可不必設置導光層28。
像是In0.5 Al0.5 P之類材料所構成之第1披覆層29、或是像In0.5 (Ga0.3 Al0.7 )0.5 P之類材料的最下層表面中，具有較發光波長來得短的帶隙波長λg，若是藉由結晶成長來設置平均折射率與發光層40相同或折射率較低之GaP層，那麼會因晶格失配較大而容易產生晶格缺陷。不過，若是在層29或最下層表面與GaP之間設置成分漸變層31，令III族元素的成分比於層積方向變化，使層29或最下層的成分至第1接觸層的成分逐漸變化，便可減低晶格缺陷。換言之，若設置成分漸變層31，其由p型Inx (Ga1-y Aly )1-x P(0<x≦1、0<y≦1)所構成，且In成分比x及Al成分比y愈接近GaP層愈降低，便可減低晶格缺陷。成分漸變層31的Ga成分比會逐漸變高，成分上逐漸接近GaP。要令混晶元素的成分比產生連續性變化，可採用MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法。舉例來說，可容易地令前述In的成分比x及前述Al的成分比y，呈現直線狀、2次函數狀、階梯狀之變化。只要對原料氣體供應進行自動控制，藉此，便可令In的成分比x或Al的成分比y，隨著接近第1接觸層32而高精度地降低。
按發明者實驗結果，令成分漸變層31厚度TG(如圖1所示)在0.01μm以上、0.1μm以下，更理想是在0.01μm以上、0.05μm以下，藉此，第1接觸層32的結晶性獲得改善。又，實驗結果亦得知，令第1接觸層32的厚度在 0.02μm以上、1μm以下時，可使第1接觸層32與透明導電膜26的接觸電阻保持在低值。欲匹配晶格，無需設置較厚的接觸層。
其後如圖2B般，於第1接觸層32上形成絕緣層90，再於絕緣層90上形成開口部90a。接著如圖2C般，在因開口部90a而露出的第1接觸層32的一部分及絕緣層90上，形成由氧化銦錫(ITO：Indium Tin Oxide)、氧化錫、氧化鋅等材料所構成之透明導電膜26。
如圖2D所示，在透明導電膜26上，依序形成：反射金屬層25，其至少包含金(Au)、銀(Ag)、或添加了銦(In)、銅(Cu)、鉻(Cr)等的Ag合金的其中一種；及屏蔽金屬層24，其至少包含鈦(Ti)、鉑(Pt)、鎳(Ni)等材料的其中一種；及第2接合金屬層23，其包含Au及AuIn等。另一方面，準備好如導電性Si之類材料所構成的支撐基板10，並在該支撐基板10上形成如AuIn之類的第1接合金屬層22。
接下來，令基板70上方形成的半導體層側的第2接合金屬層23表面，與支撐基板10側的第1接合金屬層22彼此重合，予以加熱及加壓，藉此進行晶圓黏著。矽(Si)基板的線膨張係數為4×10-6 /℃，與GaAs基板的線膨張係數6×10-6 /℃相近。因此，會減低晶圓黏著製程中的應力。又，金屬間的接合溫度能夠比半導體材料間的接合溫度來得低，故還能抑制晶圓的破裂或破損。又，使用Si基板，那麼以晶圓切割等將晶圓分割成複數晶片的製程會變 得容易。
接下來除去基板70，僅在後續欲形成第2電極60的複數細線部60b的對應區域，留下第2接觸層56。如圖2E所示，在圖樣成形之第2接觸層56上，複數細線部60b延伸存在。與該些細線部60b連接之銲墊部60a，係在不形成第2接觸層56的區域中，形成於電流擴散層54上。可令包含銲墊部60a與細線部60b的第2電極60，從電流擴散層54側開始，為AuGe/Ti/(Ni)/Pt/Au的層積構造。
又，在半導體層表面中，未形成第2電極60，而構成電流擴散層54的部分，利用RIE(Reactive Ion Etching，反應性離子蝕刻)法或濕式蝕刻法，來設置微小的凹凸54a。表面呈平坦的電流擴散層54，與空氣層及密封樹脂層(折射率：約1.5)的交界面，會發生全反射。因此，在不考慮後方反射的情形下，光取出效率為十數%以下。又，即使考慮反射金屬層25的後方反射，光取出效率仍只有二十數%以下。但，若在電流擴散層54表面設置微小的凹凸54a，便可提高光取出效率。如圖2E所示，在支撐基板10的背面，形成有由Ti/Pt/Au所構成之背面側電極62。
反射金屬層25，例如Au層，亦可令其不中介透明導電膜26，而與第1接觸層32接觸。但在該情形下，於第2電極60的燒結製程中，例如GaP所構成的第1接觸層32，與例如Au所構成的反射金屬層25，兩者之交界面會形成合金層，放出光的一部分可能會被前述合金層吸收。 其結果會導致亮度降低。
相對於此，若在第1接觸層32摻入1×1019 cm-3 的碳(C)，則在第1接觸層32與透明導電膜26之間，可獲得1至2×10-4 Ω．cm2 的低接觸電阻。該情形下，例如氧化銦錫(ITO)所構成的透明導電膜26，與例如GaP所構成的第1接觸層32，便不易形成合金層，放出光被合金層吸收的情況較少。
亦可使用Ag來作為反射金屬層25。當發光波長在0.6μm以下時，Au的光反射率降低情形比Ag來得嚴重，故使用Ag較能做成高亮度。又，使用Ag合金，可以提高耐濕性等耐環境性。如圖1B所示，對反射金屬層25進行圖樣成形，使其構造成為半導體發光元件的側面不會露出Ag或Ag合金所構成的反射金屬層25，那麼便可抑制氣體或水分侵入，減少因硫化而導致反射率降低。
圖3為第1實施形態之半導體發光元件的帶隙能量及折射率示意圖表。
實線為折射率分布，虛線為帶隙能量(eV)分布。以n型In0.5 (Ga0.3 Al0.7 )0.5 P(波長0.6μm情形下之折射率約為3.2)來構成電流擴散層54。以n型In0.5 Al0.5 P(發光波長0.6μm情形下之折射率約為3.1)來構成第2披覆層52。
舉例來說，GaP所構成之第1接觸層32，其帶隙能量約為2.26eV，較發光層40的帶隙能量來得高，約0.55μm以上的波長範圍的光不會被吸收，而會穿透。GaP所構成之第1接觸層32的折射率，對於0.6μm的發光波長，約 為3.4。舉例來說，Inx (Ga1-y Aly )1-x P(0<x≦1、0<y≦1)所構成之成分漸變層31，其折射率隨成分變化而變化，逐漸接近GaP的折射率。
圖4為第1實施形態之半導體發光元件效用示意模型圖。
發光層40放出的光，在圖中會朝向上方(前方)、側方、及下方(後方)放出。朝向下方的光當中，入射角大於臨界角的光，會在折射率高側變化至低側的交界面全反射，轉向上方及側方。另一方面，入射角小於臨界角的光，會穿過導光層28、第1披覆層29、第1接觸層32、透明導電膜26，而被反射金屬層25反射，轉向上方及側方。
本實施形態中，成分漸變層31的厚度TG及第1接觸層32的厚度TC能夠做得較薄，故可減低圖4中光朝向橫方向的擴散距離DL。若將第1接觸層32的厚度TC做成較電流擴散層54的厚度TS來得小，那麼來自複數細線部60b的載子，會在電流擴散層54內一面朝橫方向且外側擴散，一面注入發光層40。另一方面，來自第1電極20的載子，至發光層40的距離較短，因此橫方向的擴散會一面受到抑制，一面注入發光層40。如此一來，可增加朝向上方的光G1，提高光取出效率及亮度。
若以ITO膜作為透明導電膜26，折射率NITP 在0.6μm的發光波長下約為1.7。從透明導電膜26開始，介著第1接觸層32(折射率NCO ：3.4)而至第1披覆層29(折射率NCL ：3.1)為止的區域中，愈往上方，折射率呈階梯狀 升高，故全反射會受到抑制。
若將成分漸變層31做得較薄，則通過成分漸變層31的光，其波動性會增強。因此光路將不再只遵守司乃耳定律。具體來說，若某層的厚度較其介質內的光波長λg(=放出光波長/介質折射率)還來得小，那麼光即使以比臨界角還大的角度射入交界面，全反射仍會減低，穿透率會變大。舉例來說，假設放出光的波長為0.6μm，GaP的折射率為3.4，則介質內的波長λg會成為0.2μm。成分漸變層31的厚度TG為0.01至0.05μm，係對應至該介質內波長λg的長度0.05至0.25。是故反射光會變得容易穿透成分漸變層31。
圖5為第1實施形態之半導體發光元件中，光束對於第1接觸層厚度的相關性實驗結果示意圖表。
縱軸為以50mA驅動電流所產生的光束(lm：流明)，橫軸為第1接觸層的厚度TC(μm)。輸出前述光束的半導體發光元件，為具有圖3所示特性之InGaAlP系材料所構成的元件。成分漸變層31的厚度TG落在0.01至0.1μm範圍內。又，電流擴散層54的厚度的2.5μm。
第1接觸層32的厚度TC為0.02μm的情形下，所輸出的光束為9流明(lm)。當第1接觸層32較0.02μm還薄時，則隨著其厚度TC愈薄，光束愈降低，在厚度TC為例如0.01μm時，光束為7流明(lm)。當厚度TC愈薄，順向電壓會呈指數函數性增加，故厚度TC在0.02μm以上為理想。又，第1接觸層32的厚度TC為0.05μm的情形下 ，50mA驅動電流下的光束約為9.6流明(lm)，來到最大值。厚度TC與電流擴散層54厚度TS同為2.5μm的情形下，光束降低至5流明(lm)，超過此厚度會進一步急遽降低。也就是說，實驗得知令第1接觸層32的厚度TC在0.02μm以上1.0μm以下時，能夠減低發光層40與反射金屬層25之間光朝向側方的擴散距離DL，增加上方可取出的光束，得到高亮度。
圖6A為比較例之半導體發光元件模型示意平面圖。圖6B為沿圖6A的B-B線之模型剖面圖。
構成半導體層158的發光層140，舉例來說，可為In0.5 (Ga1-x Alx )0.5 (0≦x≦1)P所構成之複數井層與In0.5 (Ga1-y Aly )0.5 P(x<y、0≦y≦1)所構成之複數障壁層，彼此交互層積而成之MQW構造。
導光層139係由p型InGaAlP所構成。第1披覆層138係由p型In0.5 Al0.5 P所構成。第1電流擴散層134包含厚度為0.5μm之p型In0.5 (Ga0.3 Al0.7 )0.5 P層134a，及厚度為1.5μm之p型GaP層134b。又，第1接觸層132係由厚度為0.1μm之p型GaP層所構成。在此，令構成第1電流擴散層134的層134a、134b與第1接觸層132厚度的和TCC，大於2.1μm。藉由如此設定，可讓電流在發光層140面內擴散，同時減低與透明導電膜(ITO膜)126之間的接觸電阻。
第2接觸層156係由n型GaAs所構成。第2電流擴散層154為n型In0.5 (Ga0.3 Al0.7 )0.5 P。第2披覆層152為 n型In0.5 Al0.5 P。導光層151為n型InGaAlP。第2電流擴散層154、第2披覆層152、導光層151三者厚度的和為3.2μm。
在第2電流擴散層154及圖樣成形後之第2接觸層156上，形成有銲墊部160a及複數細線部60b，兩者分別構成第2電極160。
比較例中，前述半導體層158與前述第1電極120之間，設置絕緣層190所構成之電流阻障層。分別設置前述透明導電膜126、反射金屬層125、屏蔽金屬層124、第1及第2接合金屬層122、123，它們共同構成第1電極120，且覆蓋從開口部190a露出之第1接觸層132及絕緣層190；又再設置支撐基板110及背面側電極162。
圖7為比較例之半導體發光元件的帶隙能量及折射率示意圖表。
實線為折射率分布，虛線為帶隙能量(eV)分布。發光層140的帶隙能量，較GaP的帶隙能量約2.26eV來得低。又，GaP的折射率在0.6μm波長下約為3.4。
圖8A為逃逸錐面(escape cone)之模型示意圖。圖8B為比較例之效用說明模型圖。
圖8A中，假設交界面S上方(前方)的折射率為n1，交界面S下方(後方)的折射率為n2(n1>n2)。來自上方的入射光Lin，若其入射角Φ較臨界角Θc來得大，會在交界面S發生全反射，而反射光Lo無法射出至上方。另一方面，若入射光Lin的入射角Φ較臨界角Θc來得小，光 會穿透交界面S下方。換言之，對於與交界面S正交的軸，在臨界角Θc所構成的圓錐內部，入射光可以穿透。
圖8B中，朝向下方的光G10會被反射金屬層125反射，從前述上方的光取出面射出。入射角比光G10來得大的光G11，因第1電流擴散層134及第1接觸層132的合計厚度TCC較大(例如為2.1μm)，故往側方的擴散距離DLL會變大。因此，舉例來說，朝向外方向的光會變得容易從元件側面射出，上方的光取出效率會降低。另一方面，朝向內方向的光會被銲墊部遮光，上方的光取出效率會降低。
又，反射金屬層125所反射的反射光G13，其射入p型In0.5 (Ga0.3 Al0.7 )0.5 P層134a與p型GaP層134b之交界面的入射角，若大於臨界角70度則會發生全反射，光G13會再次轉向下方，故上方的光取出效率會降低。
若將第1電流擴散層134做得較厚，則從第1電極120注入的載子會朝向內側擴散。其結果，會和從細線部160b注入而朝向外側擴散的載子一起，將發光區域EER過於擴大，使得有效的電流注入密度降低，故無法充分提升光取出效率。
相較於此，第1實施形態中，將成分漸變層31的厚度TG及第1接觸層32的厚度TC做得較小，可抑制從發光層40朝向反射金屬層25的光及其反射光往側方擴散。其結果，上方的光取出效率進一步獲得提升。
圖9A為第1實施形態變形例之半導體發光元件模型 剖面圖。圖9B為將圖9A的一部分EN部分加以擴大之模型剖面圖。圖9C為圖9A之半導體發光元件的帶隙能量及折射率示意圖表。
圖9A及圖9B中，第1導電型層37係第1實施形態所示之結構再加上電流擴散層30。具體來說，是在成分漸變層31與第1披覆層29之間，例如設置p型In0.5 (Ga0.3 Al0.7 )0.5 P構成之層以作為電流擴散層30。在此情形下，為了在發光層40和反射金屬層25之間抑制光朝橫方向擴散，理想是電流擴散層30的厚度較第1接觸層32的厚度TC來得小。成分漸變層31的成分，可令其從In0.5 (Ga0.3 Al0.7 )0.5 P逐漸變化而接近GaP。
圖10A為第2實施形態之半導體發光元件模型平面圖。圖10B為沿圖10A的A-A線之模型剖面圖。
第2實施形態之半導體發光元件係由氮化物系材料所構成。該半導體發光元件具備：支撐基板10、設於支撐基板10上的第1電極20、設於第1電極20上的第1導電型層37、設於第1導電型層37上的發光層94、設於發光層40上的第2導電型層50、以及設於第2導電型層50上的第2電極60。
第1導電型層37中，從第1電極20側開始，依序形成p型GaN所構成之第1接觸層91、p型Al0.15 Ga0.85 N所構成之第1披覆層92、及p型之第1成分漸變層93。又，第2導電型層50中，從發光層94側開始，依序形成n型第2成分漸變層95、n型Al0.15 Ga0.85 N所構成之第2 披覆層96、n型Al0.05 Ga0.95 N所構成之電流擴散層97、及n型GaN所構成之第2接觸層98。
發光層94係為MQW構造，由Inu Gav Al1-u-v N(0≦u≦1、0≦v≦1、u+v≦1)所構成。舉例來說，前述MQW構造中，井層可為In0.1 Ga0.9 N，障壁層可為In0.02 Ga0.98 N。
第1及第2成分漸變層93、95，分別從發光層94側朝向披覆層92、96，其成分從In0.1 Ga0.9 N漸變為Al0.15 Ga0.85 N較理想。按發明者實驗結果，得知令第1成分漸變層93的厚度TG在0.01μm以上、0.1μm以下時，對於GaN較容易晶格匹配，可減低順向電壓。又，若將第1接觸層91厚度TC做成較電流擴散層97的厚度TS來得小，那麼便可抑制第1電極20所反射的光朝橫方向擴散。又，第1接觸層91的厚度TC在0.02μm以上、10μm以下較理想。
圖11A為第3實施形態之半導體發光元件模型平面圖。圖11B為沿圖11A的A-A線之模型剖面圖。
此實施形態之半導體發光元件84具備支撐基板10、設於支撐基板10上的第1電極20a、設於第1電極20a上的第1導電型層37、設於第1導電型層37上的發光層40、設於發光層40上的第2導電型層50、以及設於第2導電型層50上的第2電極60。第1導電型層37、發光層40、及第2導電型層50，與圖9A至圖9C所示之第1實施形態變形例相同。第1電極20a中，從支撐基板10側開始，依序形成第1接合電極22、第2接合電極23、Au膜 27、屏蔽金屬層24、反射金屬層25、及透明導電膜26。
第3實施形態中，反射金屬層25具有藍氏反射(Lambertian reflectance)構造。具體來說，反射金屬層25的表面設置有微小的凹凸。該微小的凹凸可呈規則性亦可呈不規則性，凹凸的節距(pitch)大致為發光層40所放出的光在介質內的波長，若較其還來得長，則還可提高光的擴散效果。
圖11A及圖11B中，第1接觸層32的表面，設置具有開口部90a的絕緣層90。發光層40係由InAlGaP系材料所構成，其發光波長為600nm。前述微小的凹凸的平均深度，例如為50至200nm。反射金屬層25係由Ag或Ag合金之類的材料所構成。反射金屬層25的平均節距例如為350至1200nm。按發明者實驗結果，得知此類構造之半導體發光元件，其亮度較未設置藍氏反射構造的發光元件還高15%以上。
圖12為藍氏反射構造之說明模型圖。
在此情形下，第1接觸層32係由GaP層所構成，透明導電膜26由ITO層所構成。從GaP層(折射率：約3.4)射入ITO層(折射率：約1.7)時，入射角未滿臨界角30度的光，會在射入ITO層之後，如光g1、g2、g3所示，被反射金屬層25反射而擴散。發光層40放出的光為波長600nm，凹凸的平均節距為700nm且平均深度為20nm時，所照射的直線光轉換成擴散光的比例，例如為40%。轉換率會隨著凹凸的平均深度變大而增加。因此可提高亮度 。
圖13A至圖13J分別為第3實施形態之半導體發光元件，其製造方法一例之製程示意剖面圖。圖13A至圖13F所示者，係在進行結晶成長的基板上，直到形成第2接合電極為止之製程。圖13G至圖13J所示者，為晶圓的黏著製程及後續製程。
如圖13A般，例如在GaAs所構成之基板70上，以MOCVD法形成第2導電型層50、發光層40、及第1導電型層37。具體來說，是在基板70上形成蝕刻阻擋層59、及n型GaAs之第2接觸層56(載子濃度：1×1018 cm-3 )。在第2接觸層56上，同圖2A之製程般，依序形成電流擴散層54、第2披覆層52、及導光層51。又，在導光層51上，同圖2A之製程般，例如以MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法或MBE(Molecular Beam Epitaxy)法等，依序結晶成長出發光層40。在發光層40上，同圖2A之製程般，形成導光層28、第1披覆層29。在第1披覆層29上，形成p型In0.5 (Ga0.3 Al0.7 )0.5 P所構成之電流擴散層30。在電流擴散層30上，如圖2A之製程般，依序形成成分漸變層31、及第1接觸層32。有時，亦可不必設置導光層28。
如圖13B所示，在構成第1導電型層37的第1接觸層32表面上，形成SiO2 之類的絕緣層90，而在欲作為電流路徑的區域，選擇性地設置開口部90a。又，如圖13C般，形成ITO、氧化錫、氧化鋅之類的透明導電膜26，以 包覆露出於開口部90a的一部分第1接觸層32，及開口部90a周圍的絕緣層90。
如圖13D所示，針對透明導電膜26的表面，以藥液處理、RIE等處理，形成凹凸26a。在此情形下，需選擇ITO的厚度與凹部的深度，以使第1接觸層32不會從凹凸26a的底部露出。若第1接觸層32露出，後續形成的反射金屬層會直接與第1接觸層32接觸，並不理想。
另一方面，若透明導電膜26做得太厚，可能導致透明導電膜26內的光吸收增加，亮度會下降10%左右。因此，透明導電膜26的厚度在100至300nm範圍、凹凸26a的平均深度的50至200nm範圍較理想。
接下來如圖13E般，在透明導電膜26所形成的凹凸26a上，依序形成Ag或Ag合金等所構成之反射金屬層25、以及至少包含Ti、Pt、Ni其中一者的屏蔽金屬層24。
其後如圖13F般，以Au膜27之類的金屬來覆蓋屏蔽金屬層24。又，形成由AuIn或Au之類的材料所構成之第2接合金屬層23，以覆蓋Au膜27。或者是，亦可在晶圓切割線區域中，分別除去透明導電膜26、反射金屬膜25、屏蔽金屬層24的一部分後，依序形成Au膜27及第2接合金屬層23，以覆蓋晶圓全面。依此形成，如圖11B般，Ag或Ag合金便不會從發光元件的側面露出，進而抑制Ag的硫化或遷移，更加理想。
如圖13G般，準備好矽(Si)所構成之支撐基板10。在支撐基板10上形成有屏蔽金屬層21，屏蔽金屬層21上形 成有AuIn之類的材料所構成之第1接合金屬層22。支撐基板10，以及一直到圖13F製程為止的複數製程所形成之基板70側的層積體，彼此的第1接合金屬層22與第2接合金屬層23重合且加熱，藉此在晶圓狀態下黏著。雖然第2接合金屬層23的表面仍殘留著對應凹凸26a而生之凹凸，但第2接合金屬層23藉由構成第1及第2接合金屬層22、23之AuIn之類的銲料熔融，仍可高度保持與第1接合金屬層22之間的密合性。
其後如圖13H般，基板70被除去。以藥液處理法除去基板70時，因設置了蝕刻阻擋層59，能確實留下第2接觸層56。基板70除去後，亦除去蝕刻阻擋層59。又，如圖13I般，同圖2F之製程，於電流擴散層54及第2接觸層56的表面上形成第2電極60。亦可在第2導電型層50表面一部分未形成第2電極60的區域，設置凹凸54a。
接著如圖13J般，於凹凸54a上形成矽氧化膜92a。再於支撐基板10背面形成背面電極62，便完成半導體發光元件之晶圓。
圖14A為應用了第3實施形態之半導體發光元件的發光裝置模型剖面圖。圖14B為將圖14A的區域B加以部分擴大之模型剖面圖。圖14C為前述發光裝置於受潮迴焊加速實驗(moisture/reflow sensitivity test)後的亮度變動率圖表。
本實施形態之半導體發光元件84具有安裝構件80。 如圖14A所示，安裝構件80具備樹脂之類的絕緣材料之成形體80a、引線端子80b、台座80c。在成形體80a上設置引線端子80b及台座80c。半導體發光元件84係以導電性黏著劑86而黏著於台座80c上。半導體發光元件84藉由環氧樹脂或矽氧樹脂(silicone)之類的樹脂所構成之密封層88而被密封。
如圖14B所示，半導體發光元件84的第2導電型層50表面當中，在未形成第2電極60的區域上，設置具有厚度TP的矽氧化膜92a(如圖11B所示)。按發明者實驗結果，若半導體發光元件84的第2導電型層50表面直接與樹脂所構成之密封層88鄰接，那麼在260℃下的受潮迴焊加速實驗中，密封層88與第2導電型層50之間因收縮應力S的作用，有時密封層88會發生剝離。此類剥離一旦發生，亮度變動率就會變大。
圖14C為亮度變動率(%)對於前述矽氧化膜厚度TP(nm)的相關性示意圖表。若將矽氧化膜92a的厚度TP做成為25至400nm，則經260℃下的受潮迴焊加速實驗後，亮度變動率可抑制在5%以下。另一方面，不使用矽氧化膜92a，而使用100nm厚的SiON膜時，容易發生剝離，亮度變動率約增大至12%。是故在使用環境條件嚴苛的車輛用途等當中，理想是在第2導電型層50的表面覆蓋厚度為25至400nm範圍的矽氧化膜92a。矽氧化膜92a會與密封層88之間形成氫鍵等，藉此可提高彼此的密合性。
圖15為第3實施形態之半導體發光元件中，光束對於第1接觸層32厚度的相關性圖表。
為便於比較，將圖5所示之第1實施形態(無矽氧化膜)光束相關性以○印表示。於第1實施形態之半導體發光元件表面設置矽氧化膜92a的情形下，其光束以■印表示。又，第3實施形態(有矽氧化膜)之光束以▲印表示。
如圖11B所示，若在第2導電型層50表面的凹凸面54a設置矽氧化膜92，則因凹凸的起伏性減低，光束約下降5%。但因反射金屬層25具有凹凸面，故所得之光束相較於無矽氧化膜的第1實施形態，增加約10%。在光取出面設置了矽氧化膜92a的第3實施形態中，能容易地確保可靠性，同時做成高亮度。
第1至第3實施形態及其附隨之變形例之半導體發光元件，可容易地提高光取出效率及亮度，廣泛用於照明裝置、顯示裝置、交通號誌等。
本發明已說明數個實施形態，但這些實施形態係用於舉例而揭示者，並非意圖限定發明之範圍。該些新穎之實施形態，可以其他各式各樣的形態加以實施，只要不脫離發明宗旨之範圍，皆可進行種種省略、置換、變更。該些實施形態或其變形例，係包含於發明之範圍及宗旨中，同時亦包含於申請專利範圍所記載之發明及其均等之範圍內。
10、110‧‧‧支撐基板
20、20a、120‧‧‧第1電極
22、122‧‧‧第1接合金屬層
23、123‧‧‧第2接合金屬層
24、124‧‧‧屏蔽金屬層
25、125‧‧‧反射金屬層
26、126‧‧‧透明導電膜
26a、54a‧‧‧凹凸
27‧‧‧Au膜
28、51、139、151‧‧‧導光層
29、92、138‧‧‧第1披覆層
30、54、97‧‧‧電流擴散層
31‧‧‧成分漸變層
32、132‧‧‧第1接觸層
37‧‧‧第1導電型層
40、94、140‧‧‧發光層
50‧‧‧第2導電型層
52、96、152‧‧‧第2披覆層
56、98、156‧‧‧第2接觸層
58、158‧‧‧半導體層
59‧‧‧蝕刻阻擋層
60、160‧‧‧第2電極
60a、160a‧‧‧銲墊部
60b、160b‧‧‧細線部
62、162‧‧‧背面電極
70‧‧‧基板
80‧‧‧安裝構件
80a‧‧‧成形體
80b‧‧‧引線端子
80c‧‧‧台座
84‧‧‧半導體發光元件
86‧‧‧導電性黏著劑
88‧‧‧密封層
90、190‧‧‧絕緣層
90a‧‧‧開口部
92a‧‧‧矽氧化膜
93‧‧‧第1成分漸變層
95‧‧‧第2成分漸變層
134‧‧‧第1電流擴散層
154‧‧‧第2電流擴散層
ER、EER‧‧‧發光區域
F1、F2‧‧‧載子流
G10~G13、g1~g3‧‧‧光
TC、TCC‧‧‧第1接觸層的厚度
TG‧‧‧成分漸變層的厚度
TP‧‧‧矽氧化膜的厚度
TS、TSS‧‧‧電流擴散層的厚度
圖1A為第1實施形態之半導體發光元件模型平面圖。
圖1B為沿圖1A的A-A線之模型剖面圖。
圖1C為將圖1B的區域EN加以擴大之模型剖面圖。
圖2A為第1實施形態之半導體發光元件，其製造方法一例之製程示意剖面圖。
圖2B為第1實施形態之半導體發光元件，其製造方法一例之製程示意剖面圖。
圖2C為第1實施形態之半導體發光元件，其製造方法一例之製程示意剖面圖。
圖2D為第1實施形態之半導體發光元件，其製造方法一例之製程示意剖面圖。
圖2E為第1實施形態之半導體發光元件，其製造方法一例之製程示意剖面圖。
圖3為第1實施形態之半導體發光元件的帶隙能量及折射率示意圖表。
圖4為第1實施形態之半導體發光元件效用示意模型圖。
圖5為第1實施形態之半導體發光元件中，光束對於第1接觸層厚度的相關性圖表。
圖6A為比較例之半導體發光元件模型平面圖。
圖6B為沿圖6A的B-B線之模型剖面圖。
圖7為比較例之帶隙能量及折射率分布示意圖表。
圖8A為逃逸錐面之模型圖。
圖8B為比較例之效用說明模型圖。
圖9A為第1實施形態變形例之半導體發光元件模型剖面圖。
圖9B為將圖9A的一部分EN部分加以擴大之模型剖面圖。
圖9C為圖9A之半導體發光元件的帶隙能量及折射率示意圖表。
圖10A為第2實施形態之半導體發光元件模型平面圖。
圖10B為沿圖10A的A-A線之模型剖面圖。
圖11A為第3實施形態之半導體發光元件模型平面圖。
圖11B為沿圖11A的A-A線之模型剖面圖。
圖12為藍氏反射構造之說明模型圖。
圖13A為第3實施形態之半導體發光元件，其製造方法一例之製程示意剖面圖。
圖13B為第3實施形態之半導體發光元件，其製造方法一例之製程示意剖面圖。
圖13C為第3實施形態之半導體發光元件，其製造方法一例之製程示意剖面圖。
圖13D為第3實施形態之半導體發光元件，其製造方法一例之製程示意剖面圖。
圖13E為第3實施形態之半導體發光元件，其製造方法一例之製程示意剖面圖。
圖13F為第3實施形態之半導體發光元件，其製造方法一例之製程示意剖面圖。
圖13G為第3實施形態之半導體發光元件，其製造方法一例之製程示意剖面圖。
圖13H為第3實施形態之半導體發光元件，其製造方法一例之製程示意剖面圖。
圖13I為第3實施形態之半導體發光元件，其製造方法一例之製程示意剖面圖。
圖13J為第3實施形態之半導體發光元件，其製造方法一例之製程示意剖面圖。
圖14A為應用了第3實施形態之半導體發光元件的發光裝置模型剖面圖。
圖14B為將圖14A的區域B加以部分擴大之模型剖面圖。
圖14C為前述發光裝置之半導體發光元件的亮度變動率示意圖表。
圖15為第3實施形態之半導體發光元件中，光束對於第1接觸層厚度的相關性圖表。
10‧‧‧支撐基板
20‧‧‧第1電極
22‧‧‧第1接合金屬層
23‧‧‧第2接合金屬層
24‧‧‧屏蔽金屬層
25‧‧‧反射金屬層
26‧‧‧透明導電膜
28、51‧‧‧導光層
29‧‧‧第1披覆層
31‧‧‧成分漸變層
32‧‧‧第1接觸層
37‧‧‧第1導電型層
40‧‧‧發光層
50‧‧‧第2導電型層
52‧‧‧第2披覆層
54‧‧‧電流擴散層
54a‧‧‧凹凸
56‧‧‧第2接觸層
58‧‧‧半導體層
60‧‧‧第2電極
60a‧‧‧銲墊部
60b‧‧‧細線部
62‧‧‧背面電極
90‧‧‧絕緣層
90a‧‧‧開口部
F1‧‧‧載子流
TC‧‧‧第1接觸層的厚度
TG‧‧‧成分漸變層的厚度
TS‧‧‧電流擴散層的厚度

Claims (17)

  1. 一種半導體發光元件，其特徵為具備：發光層，係由III-V族之化合物半導體所構成；第1電極，係具有反射金屬層；絕緣層，係設於前述第1電極上，且具有開口部，該開口部內設置前述第1電極的一部分；第1導電型層，係設於前述絕緣層和前述第1電極的前述一部分與前述發光層之間，由III-V族之化合物半導體所構成，其具有之帶隙能量較前述發光層的帶隙能量來得大，且至少包含第1接觸層、成分漸變層及第1披覆層；第2導電型層，係設於前述發光層上，從前述發光層側開始，至少依序形成有電流擴散層及第2接觸層，前述第2接觸層不與前述絕緣膜的前述開口部重疊，前述電流擴散層的厚度較前述第1接觸層的厚度來得大；及第2電極，係具有銲墊部及較細部分，該銲墊部設於前述電流擴散層表面當中未形成前述第2接觸層之區域，該較細部分從前述銲墊部至前述第2接觸層上延伸存在。
  2. 如申請專利範圍第1項之半導體發光元件，其中，前述第1接觸層的厚度為0.02μm以上，1μm以下。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之半導體發光元件，其中，前述成分漸變層的厚度為0.01μm以上，0.1μm以下。
  4. 如申請專利範圍第1項之半導體發光元件，其中， 前述發光層係由Inz (Ga1-w Alw )1-z P(0≦z≦1、0≦w≦1)、Alq Ga1-q As(0≦q≦0.45)、及Ing Ga1-g Ash P1-h (0≦g≦1、0≦h≦1)的其中一者所構成，前述第1接觸層由GaP(硼化鎵)所構成，前述成分漸變層設置於前述披覆層與前述第1接觸層之間，由Inx (Ga1-y Aly )1-x P(0<x≦1、0<y≦1)所構成，且愈接近前述第1接觸層，In成分比x及Al成分比y愈接近零。
  5. 如申請專利範圍第1項之半導體發光元件，其中，前述發光層係由Inu Gav Al1-u-v N(0≦u≦1、0≦v≦1、u+v≦1)所構成，前述第1接觸層由GaN(氮化鎵)所構成，前述成分漸變層設置於前述發光層與前述第1披覆層之間，由Inu Gav Al1-u-v N(0≦u≦1、0≦v≦1、u+v≦1)所構成，且愈接近前述第1披覆層，其III族成分比愈接近前述第1披覆層之III族成分比。
  6. 如申請專利範圍第1項之半導體發光元件，其中，前述絕緣層具有包含前述開口部在內的複數開口部，前述複數開口部係分散設置於前述較細部分的延伸存在方向。
  7. 如申請專利範圍第1項之半導體發光元件，其中，前述第1電極更具有透明導電膜，該透明導電膜包含氧化銦錫、氧化鋅、氧化錫的任一者，且設於前述反射金屬層及前述第1接觸層之間。
  8. 如申請專利範圍第7項之半導體發光元件，其中， 前述反射金屬層，於前述透明導電膜側具有凹凸面，前述透明導電膜，具有與前述反射金屬層的前述凹凸面相對應之凹凸面。
  9. 如申請專利範圍第8項之半導體發光元件，其中，前述反射金屬層包含Ag、Ag合金、Au當中的任一者。
  10. 如申請專利範圍第1項之半導體發光元件，其中，前述第2導電型層的表面當中還具備矽氧化膜，其至少設於未形成前述第2電極的區域上。
  11. 如申請專利範圍第10項之半導體發光元件，其中，前述第2導電型層的表面當中，前述未形成第2電極的區域係為凹凸面。
  12. 如申請專利範圍第1項之半導體發光元件，其中，前述第2導電型層的表面當中，前述未形成第2電極的區域係為凹凸面。
  13. 如申請專利範圍第7項之半導體發光元件，其中，前述反射金屬層於前述透明導電膜側具有凹凸面，該凹凸面的節距(pitch)與發光層所放出的光在介質內的波長相等，或較其來得長。
  14. 如申請專利範圍第7項之半導體發光元件，其中，前述透明導電膜的厚度做成為100至300nm，前述透明導電膜26的凹凸面平均深度做成為50至200nm。
  15. 如申請專利範圍第10項之半導體發光元件，其中，前述矽氧化膜的厚度為25至400nm。
  16. 如申請專利範圍第1項之半導體發光元件，其中 ，前述第2電極具有包含前述較細部分在內的複數較細部分，該些複數較細部分從前述銲墊部朝向外方向，於前述第2接觸層上延伸存在。
  17. 如申請專利範圍第1項之半導體發光元件，其中，前述第1導電型層，在前述第1披覆層與前述發光層間具有導光層；前述第2導電型層，具有形成於前述電流擴散層上的第2披覆層，及形成於該第2披覆層與前述發光層之間的導光層。
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