TWI469390B - 半導體發光裝置之反射電極 - Google Patents

Description

半導體發光裝置之反射電極

本發明大體上關於半導體發光元件，且更明確地是關於半導體發光元件之反射電極。

半導體發光元件諸如發光元件(LED's)者可提供有效率之光源，而且比白熾燈燈泡及螢光燈管更為堅固耐用。LED技術及處理上之進步有助於例如在產業及家庭照明應用中使用該等元件以取代傳統照明源。

用於照明應用之LED大體上包括一反射電極，其將元件所產生之光之一部分反射且亦作為一接觸件功能，以提供一驅動電流至該元件。該電極材料大體上包括一金屬。對於某些半導體材料而言，吾人難以找到一反射電極之金屬可對該半導體材料提供良好電氣接觸、良好反射率、及良好黏接性。對於這些半導體材料而言，複數層可用於構成該反射電極。例如，該反射電極可包括一用於提供良好黏接性及良好電氣接觸之第一層、及一用於提供高反射率之第二層。不利的是，該第一層會在光到達該第二反射層之前將光大幅減弱，因而降低該LED之效率。

因此吾人對於半導體發光元件之改良反射電極及形成該等電極之改良方法仍有一需求。

根據本發明之一態樣，其提供一種用於在一半導體發光元件上形成一反射電極之方法，該發光元件具有一用於產生光之活性層及一與該活性層電氣接觸之披覆層。該方法包括將一導電材料中間層沉積於該披覆層上，及將該導電材料之至少一部分擴散至該披覆層內。該方法進一步包括將一反射層沉積於該中間層上，該反射層係呈導電性的且與該中間層電氣接觸。

該方法包括在將該反射層沉積之前先移除該中間層之一部分。

在將該導電材料擴散至該披覆層內之後，該中間層包括一擴散至該披覆層內之第一部分及一仍留在該披覆層上之第二部分，及該移除步驟包括將該中間層之該第二部分之大部分移除。

將該導電材料之至少一部分擴散至該披覆層內之步驟包括將該發光元件退火。

該退火步驟包括以一持續時間及一溫度將該發光元件退火，其足以將該導電材料擴散至該披覆層內一大約50奈米之擴散深度。

該披覆層包括p型半導體材料，及其中將該中間層沉積之步驟包括將一具有功函數盡量接近於該p型半導體材料之一電子親和能及一帶隙能量總和的材料沉積。

將該材料沉積之步驟包括將一選自以銠、鈀、鎳、鉑、金、銥及錸組成之群組中的金屬沉積。

將該材料沉積之步驟包含將一導電氧化物沉積。

該披覆層包括n型半導體材料，及其中將該中間層沉積之步驟包括將一具有功函數接近於或小於該n型半導體材料之一電子親和能的材料沉積。

將該材料沉積之步驟包括將一選自以鋁、鈦、鉻、釩及鉭組成之群組中的金屬沉積。

該活性層在操作上係組態用於以一第一波長發射光，及其中將該反射層沉積之步驟包括將一在該第一波長時具有一增大反射率之材料沉積。

將該反射層沉積之步驟包括將至少一選自以鋁、銠、鈀、銀、金、鎂及鎳組成之群組中的金屬沉積。

根據本發明之另一態樣，其提供一種使用在一半導體發光裝置中之結構。該結構包括一第一披覆層及一與該第一披覆層電氣接觸之活性層，該活性層可經操作以產生光。該裝置亦包括一與該活性層電氣接觸之第二披覆層，該第二披覆層具有一外表面。該裝置進一步包括一設於該第二披覆層之該外表面上的反射電極，該反射電極包括一導電材料中間層，該導電材料係至少部分地擴散至該第二披覆層內。該反射電極亦包括一反射層，其設於該中間層上，該反射層係呈導電性的且與該中間層電氣接觸，該反射層可經操作以將該活性層內產生之光反射通過該第二披覆層、該活性層及該第一披覆層。

該結構進一步包括一與該第一披覆層接觸之基板，該基板在操作上係組態用於容許該光經由該基板以離開該結構。

該中間層包括一設在該第二披覆層內之該導電材料擴散部分及一設在該第二披覆層上之該導電材料未擴散部分，該未擴散部分係薄到足以容許該活性層內產生之光透射通過該未擴散部分，而未大幅衰減。

該中間層包括一導電材料擴散層，其延伸至該第二披覆層內一大約50奈米之擴散深度。

該第二披覆層包括p型半導體材料，及該中間層包含一具有功函數盡量接近於該p型半導體材料之一電子親和能及一帶隙能量總和的材料。

該金屬包括一選自以銠、鈀、鎳、鉑、金、銥及錸組成之群組中的金屬。

該材料包括一導電氧化物。

該第二披覆層包括n型半導體材料，及該中間層包含一具有功函數接近於或小於該n型半導體材料之一電子親和能的金屬。

該金屬包含一選自以鋁、鈦、鉻、釩及鉭組成之群組中的金屬。

該第一及第二披覆層及該活性層包括III族氮化物半導體材料。

該活性層在操作上係組態用於以一第一波長發射光，及該反射層包括一在該第一波長時具有一增大反射率之材料。

該反射層包括至少一選自以鋁、銠、鈀、銀、金、鎂及鎳組成之群組中的金屬。

根據本發明之又一態樣，其提供一種半導體發光裝置，其包括上述半導體發光結構。該半導體發光裝置進一步包括一與該第一披覆層電氣接觸之電極。當一電壓施加於該電極及該反射電極之間，以致使一前向偏壓電流流過該活性層時，光即產生於該活性層內。

本發明之其他態樣及特性可由熟習本技術者人士在審視過本發明特定實施例之以下說明及配合附圖中獲得瞭解。

請參閱圖1，根據本發明之一第一具體實施例，一種用於一半導體發光裝置之半導體發光結構大體上以10標示之。

結構10包括一基板12及一設於該基板上之第一披覆層14。結構10亦包括一活性層16，其係與該第一披覆層14電氣接觸。活性層16可經操作以產生光。結構10進一步包括一第二披覆層18，其係與該活性層16電氣接觸。結構10亦包括一反射電極20，其設於第二披覆層18之一外表面22上。

反射電極20包括一由導電材料構成之中間層24。中間層24至少部分地擴散至第二披覆層18內。反射電極20進一步包括一設於中間層24上之反射層26，該反射層係呈導電性的且與該中間層電氣接觸。反射層26可經操作以將活性層16內所產生之光反射回去通過第二披覆層18、活性層16及第一披覆層14，以透過基板12而離開結構10。

中間層24可包括一導電材料，該導電材料可經操作以提供反射層26及第二披覆層18之間良好之歐姆接觸和良好之黏接性。

反射電極20係詳細說明於圖2中。請參閱圖2，在一具體實施例中，中間層24包括一設於第二披覆層18內之擴散部分30及一設於該第二披覆層上之未擴散部分32。

於基板上之n型材料生長

請即參閱圖1，在一具體實施例中，第一披覆層14包括一n型半導體材料，第二披覆層18則包括一p型半導體材料。在此具體實施例中，為了提供反射電極20及p型第二披覆層18之間良好之歐姆接觸，該導電材料應該具有一接近於或大於該p型半導體材料之一電子親和能及一帶隙能量之總和的功函數。在半導體發光元件中所用之半導體材料典型上有大帶隙能量(例如以III族氮化物材料而言，其帶隙能量範圍在0.7 eV至6 eV(電子伏特)間，此依該材料之銦及鋁成分而定)。p型材料之一典型電子親和力係在4 eV區域內，因此許多III族氮化物材料之電子親和能及帶隙能量之總和可在4.7 eV至10 eV的範圍內。最適當之金屬具有一在4.9 eV至5.6 eV範圍內之功函數，但是這在尋求一可在p型材料及該等導電電極之間提供實際歐姆接觸之適當材料上卻有問題。據此，一具有一功函數盡可能接近於該p型半導體材料之電子親和能及帶隙能量總和之材料大體上應該被選擇用於中間層24。

在此具體實施例中，其中反射電極20係形成於該p型半導體材料上，用於中間層24之適當材料包括但不限於，銠(功函數大約5 eV)、鈀(5.1 eV)、鎳(5.2 eV)、鉑(5.6 eV)、金(5.1 eV)、銥(5.3 eV)及錸(4.95 eV)，或其組合。或者，中間層24可包括一導電氧化物，例如銦錫氧化物或摻雜之氧化亞銅(Cu₂ O)。

在此具體實施例中，結構10進一步包括一電極28，其與第一披覆層14之一部分電氣接觸。當一前向偏壓電壓施加於半導體發光結構10時(亦即，反射電極20比電極28更呈正電性)，一前向偏壓電流即流過p型第二披覆層18、活性層16及n型第一披覆層14，且光子產生於該活性層內。產生於活性層16內之光子係以所有方向入射，而入射在反射電極20上之光子則反射通過第二披覆層18、活性層16及第一披覆層14，且如同來自基板12的光般射出。來自活性層16且直接入射至第一披覆層14上之其他光子通過該第一披覆層，且如同來自基板12的光般射出。

大體上，結構10被組態用於發射出一所需波長頻帶範圍內之光，且反射層26係使用一在該已組態之波長頻帶處有增大反射率之材料構成。例如，當披覆層14、18及活性層16為III族氮化物半導體材料時，結構10可發射出一在紅外線波長至深紫外線(UV)波長範圍內之光，且其依該半導體材料之合金成分而定。例如，當該半導體材料係組態用於發射一UV波長之光時，該反射層可包含鋁，鋁在UV及可見波長頻帶處有一增大之反射率。

然而，由於鋁具有一大約4.3 eV的功函數，鋁材料無法與p型披覆層18形成一良好之歐姆接觸，因而在通過接觸面時產生一較大之電壓降，且造成結構10之效率降低。在一具體實施例中，中間層24包括銠，其具有一大約5 eV功函數且當其與一包括有鋁之反射層26配合使用時，生成之反射電極將與第二披覆層18有良好之歐姆接觸且在UV波長頻帶中也有增大之反射率。反射層26也可包括例如銠、鈀、鎂、金或鎳等材料。或者，反射層26也可包括上述及/或其他金屬之組合型態。

另外，反射層26可包括銀，其在近UV及可見波長頻帶中有一良好反射率。銀具有一大約4.3 eV的功函數，且其不與p型披覆層18形成良好之歐姆接觸。再者，銀材料也遭遇到與氮化物半導體材料黏接性不良的問題。藉由包括一根據本發明而沉積之中間層24，可形成一在近UV及可見波長頻帶中有良好歐姆接觸及高反射率之反射性銀電極。

覆晶式黏著

在圖1所示之具體實施例中，結構10係組態用於覆晶式黏著於一子基板40，以形成一半導體發光裝置。子基板40包括電接觸區42及44，其分別對應於電極28及20。覆晶式黏著是關於一項黏著技術，其中半導體發光結構10製成於一基板上(例如基板12)，隨後翻轉該結構，且電極20及28利用導電材料珠粒46(例如一金錫合金)焊接於子基板40之電接觸區42及44。該項焊接包含將結構10加熱至一高於導電材料珠粒46之熔點以上的溫度，使該等珠粒熔化或回焊，因而將電極28及20焊接於電接觸區42及44。或者，在一些具體實施例中，該項焊接也可能包含例如熱壓縮、摩擦式焊接或擴散式焊接。反射層26可具有一在大約100奈米及大約1微米之間之厚度，以用於覆晶式焊接。

在一些具體實施例中，可以在將該結構覆晶式黏著之前或之後移除基板12。基板12可以藉由雷射感應式分離或化學蝕刻移除，在此情況下，活性層16內所產生之光係通過第一披覆層14而離開結構10。

生長於基板上之p型材料

再參閱圖1，在另一具體實施例中，第一披覆層14包括一p型半導體材料且第二披覆層18包括一n型半導體材料。在此例中，為了提供反射電極20及n型第二披覆層18之間良好之歐姆接觸，用於中間層24之導電材料應該具有一接近於或小於該n型半導體材料之一電子親和能的功函數。n型材料之一典型電子親和力係在4 eV區域內，而且為了良好之歐姆接觸，用於中間層24之適當金屬應具有一低功函數，例如鋁(4.3 eV)、鈦(4.3 eV)、鉻(4.5 eV)、釩(4.3 eV)及鉭(4.2 eV)。

製程

一種用於在第二披覆層18上形成反射電極20之方法係參考圖3說明於後。

請參閱圖3A，一半導體發光裝置之一部分係以數字60表示。裝置60包括一磊晶生長於一基板(圖3中未示)上之第一披覆層62。裝置60亦包括一磊晶生長於第一披覆層62上之活性層64及一磊晶生長於活性層64上之第二披覆層66。

請參閱圖3B，該製程開始於將一中間層68沉積於第二披覆層66上。在一具體實施例中，中間層68包含一金屬，例如銠，其提供了與第二披覆層66之間良好之歐姆接觸，如上所述。該金屬可以使用一熱蒸鍍機(圖中未示)而沉積於第二披覆層66上。或者，該金屬可以藉由電子束蒸鍍、或藉由噴濺而沉積於第二披覆層66上。

請參閱圖3C，將該中間層沉積後，裝置60係以一高溫退火，使中間層68內之材料至少部分地擴散至第二披覆層66內，而形成中間層68之一擴散部分70及一未擴散部分72。在一具體實施例中，該項退火係以一大約500℃溫度執行一大約30分鐘之擴散時間，造成擴散部分70有一大約50奈米之擴散層深度d。或者，該退火溫度可以在400℃至600℃的範圍內，且該擴散時間可經改變以達成一小於或大於50奈米之擴散層深度d。

吾人咸信中間層68擴散至第二披覆層66會使導電材料原子逐漸整合於該第二披覆層之晶格內，甚至也可採用具有較高反射率之導電材料，而且在通過中間層68之擴散部分70時並無實質之光衰減。

請參閱圖3D，在此具體實施例中，裝置60接著被蝕刻以移除大部分之未擴散部分72，僅留下一薄形未擴散層74。擴散部分70及薄形未擴散層74有如一已修正之中間層76。在此具體實施例中，未擴散層74係相當薄，其亦僅導致微量之光衰減。大體而言，在中間層76內光的任何衰減效應皆被突顯出來，因為朝向反射電極80之光係在由反射層78反射之前及之後皆通過中間層76。薄形未擴散層74及擴散部分70之組合型態有助於將一較廣範圍之導電材料使用於中間層68，因為被選用於中間層76之材料之反射率並沒有比其歐姆接觸特性及其對於第二披覆層66之黏接性來得重要。

請參閱圖3E，該製程接著進行一反射性材料之沉積，以在中間層76上形成反射層78。在一具體實施例中，反射層78包含一利用一熱蒸鍍機沉積之金屬。或者，該金屬可以藉由電子束蒸鍍或藉由噴濺而沉積。中間層76及反射層78合併形成一反射電極80。

在所示之具體實施例中，薄形未擴散層74也可作為一擴散障壁層，用於減少及/或防止反射層78擴散至第二披覆層66內。某些可以使用於反射層78之材料可能在裝置60之高溫及/或高電流操作下有一擴散至第二披覆層66內之傾向。長時間後，此一擴散可能造成裝置60降低效率及/或過早失效。

有利的是，良好之歐姆接觸會因反射電極80而降低一前向電壓降，且良好之反射率可將該反射電極處之光衰減減到最小，二者皆能提昇裝置60之效率。

該製程係參考於以下之非限制性範例而進一步說明，其中該等樣品係根據本發明之態樣而製成，並且和根據先前技術製成之樣品進行比較。

範例1

在一第一範例中，於以下製備樣品之間比較反射率特性：樣品1：一第一先前技術樣品被製成，其包含一設於一第二披覆層上之50奈米厚銠反射電極(亦即，無中間層)；樣品2：一第二先前技術樣品被製成，其包含一沉積於該第二披覆層上之2.5奈米銠層及一沉積於銠層上之200奈米鋁反射層(亦即，無退火)；及樣品3：根據圖3所示之本發明態樣而製成一樣品。該樣品具有一設於該第二披覆層上之2.5奈米銠層且以一大約500℃之溫度退火約30分鐘，隨後再進行濕蝕刻而留下不超過0.5奈米未擴散之銠。一200奈米鋁反射層接著沉積於該銠層上。

針對所有三件樣品之反射率測量顯示出不包括一中間層在內之樣品1具有一從250奈米波長時大約52%改變至450奈米波長時大約63%之入射光反射率。

並未進行退火之樣品2具有一從250奈米波長時大約60%改變至450奈米波長時大約76%之入射光反射率。

樣品3具有一從250奈米波長時大約72%改變至450奈米波長時大約89%之入射光反射率，其顯示出比該等先前技術樣品有一至少12%之反射率提昇。

範例2

在一第二範例中，於以下先前技術樣品4及根據本發明態樣而製成之樣品5－7之間比較前向電壓特徵：樣品4：一先前技術樣品包含一設於一第二披覆層上之50奈米厚鎳點狀電極(亦即，無中間層)；樣品5：含有鋁反射層之擴散狀鎳中間層(150奈米)；樣品6：含有鋁反射層之擴散狀鈀中間層(150奈米)；及樣品7：含有鋁反射層之擴散狀銠中間層(150奈米)。

針對樣品4－7各者之前向電極電壓係在施加電流後5分鐘之400 Acm^－2 過電流狀態下測量。

先前技術樣品4具有一大約5.2 V之前向電極電壓。

根據本發明態樣而製備之樣品則具有前向電壓如下：樣品5：大約4.8 V樣品6：大約5.7 V；及樣品7：大約4.7 V。

因此，根據本發明製備之樣品5及7呈現出一至少0.4 V之前向電壓的減少。

儘管本發明之具體實施例係以發光結構10之覆晶式黏著說明之，但亦可使用其他技術用於黏著該結構。例如，在一垂直注入之發光結構中，基板被移除、反射性p及n電極接觸件被沉積且該結構可黏著成令p電極朝下。

儘管已說明及闡述本發明之特定具體實施例，但該等具體實施例應該僅被視為本發明之說明而非限制，本發明僅由文後之請求項限制。

10．．．半導體發光結構

12．．．基板

14．．．第一披覆層

16．．．活性層

18．．．第二披覆層

20．．．反射電極

22．．．外表面

24．．．中間層

26．．．反射層

28．．．電極

30．．．擴散部分

32．．．未擴散部分

40．．．子基板

42．．．電接觸區

44．．．電接觸區

46．．．導電材料珠粒

60．．．半導體發光裝置

62．．．第一披覆層

64．．．活性層

66．．．第二披覆層

68．．．中間層

70．．．擴散部分

72．．．未擴散部分

74．．．未擴散層

76．．．中間層

78．．．反射層

80．．．反射電極

在揭示本發明具體實施例之圖式中，圖1係根據本發明之一第一具體實施例之一半導體發光結構之示意截面圖；圖2係圖1中所示發光結構之一部分之示意截面圖；及圖3A－3E係一系列截面圖，說明根據本發明之一具體實施例之一發光結構之處理過程。

10．．．半導體發光結構

12．．．基板

14．．．第一披覆層

16．．．活性層

18．．．第二披覆層

20．．．反射電極

22．．．外表面

24．．．中間層

26．．．反射層

28．．．電極

40．．．子基板

42．．．電接觸區

44．．．電接觸區

46．．．導電材料珠粒

Claims (22)

1. 一種用於在一半導體發光元件上形成一反射電極之方法，該發光元件具有用於產生光之一活性層(active layer)及與該活性層電氣接觸之一披覆層(cladding layer)，該方法包含：-將一導電材料中間層沉積於該披覆層上；-使該導電材料之至少一部分擴散至該披覆層內；-將一反射層沉積於該中間層上，該反射層係呈導電性的且與該中間層電氣接觸；其中使該導電材料之該至少該部分擴散至該披覆層內包含將該發光元件退火(annealing)；及其中該退火包含以一持續時間(duration)及一溫度將該發光元件退火，其足以使該導電材料擴散至該披覆層內一大約50奈米之擴散深度。
2. 如請求項1之方法，進一步包含在沉積該反射層之前，先移除該中間層之一部分。
3. 如請求項2之方法，其中，在使該導電材料擴散至該披覆層內之後，該中間層包含一擴散至該披覆層內之第一部分，及一仍留在該披覆層上之第二部分，且其中該移除步驟包含移除該中間層之該第二部分之大部分。
4. 如請求項1之方法，其中該披覆層包含p型半導體材料，及其中沉積該中間層之步驟包含沉積一具有功函數盡量接近於該p型半導體材料之一電子親和能及一帶隙能量總和的材料。
5. 如請求項4之方法，其中沉積該材料之步驟包含沉積一選自以銠、鈀、鎳、鉑、金、銥及錸組成之群組中的金屬。
6. 如請求項4之方法，其中沉積該材料之步驟包含沉積一導電氧化物。
7. 如請求項1之方法，其中該披覆層包含n型半導體材料，且其中沉積該中間層之步驟包含沉積一具有功函數接近於或小於該n型半導體材料之一電子親和能的金屬。
8. 如請求項7之方法，其中沉積該金屬之步驟包含沉積一選自以鋁、鈦、鉻、釩及鉭組成之群組中的金屬。
9. 如請求項1之方法，其中該活性層在操作上係組態用於以一第一波長發射光，且其中沉積該反射層之步驟包含沉積一在該第一波長處具有一增大之反射率之材料。
10. 如請求項9之方法，其中沉積該反射層之步驟包含沉積至少一選自以鋁、銠、鈀、銀、金、鎂及鎳組成之群組中的金屬。
11. 一種用於一半導體發光裝置中之半導體結構，該結構包含：-一第一披覆層；-一活性層，其與該第一披覆層電氣接觸，該活性層可經操作以產生光；-一第二披覆層，其與該活性層電氣接觸，該第二披覆層具有一外表面；-一反射電極，其在該第二披覆層之該外表面上，該反 射電極包含：-一導電材料中間層，該導電材料係至少部分地擴散至該第二披覆層內；-一反射層，其在該中間層上，該反射層係呈導電性的且與該中間層電氣接觸，該反射層可經操作以將該活性層內產生之光反射通過該第二披覆層、該活性層及該第一披覆層；其中該中間層包含一導電材料之擴散層，其延伸至該第二披覆層內一大約50奈米之擴散深度。
12. 如請求項11之結構，進一步包含一與該第一披覆層接觸之基板，該基板在操作上係組態用於容許該光經由該基板以離開該結構。
13. 如請求項11之結構，其中該中間層包含一設在該第二披覆層內之該導電材料之擴散部分及一設在該第二披覆層上之該導電材料之未擴散部分，該未擴散部分係薄到足以容許該活性層內產生之光透射通過該未擴散部分而不致大幅衰減。
14. 如請求項11之結構，其中該第二披覆層包含p型半導體材料，且其中該中間層包含一具有功函數盡量接近於該p型半導體材料之一電子親和能及一帶隙能量總和的材料。
15. 如請求項14之結構，其中該材料包含一選自以銠、鈀、鎳、鉑、金、銥及錸組成之群組中的金屬。
16. 如請求項14之結構，其中該材料包含一導電氧化物。
17. 如請求項11之結構，其中該第二披覆層包含n型半導體材料，且其中該中間層包含一具有功函數接近於或小於該n型半導體材料之一電子親和能的金屬。
18. 如請求項17之結構，其中該金屬包含一選自以鋁、鈦、鉻、釩及鉭組成之群組中的金屬。
19. 如請求項11之結構，其中該第一及第二披覆層及該活性層包含III族氮化物半導體材料。
20. 如請求項11之結構，其中該活性層在操作上係組態用於以一第一波長發射光，且其中該反射層包含一在該第一波長處具有一增大反射率之材料。
21. 如請求項20之結構，其中該反射層包含至少一選自以鋁、銠、鈀、銀、金、鎂及鎳組成之群組中的金屬。
22. 一種半導體發光裝置，其包含如請求項11之半導體發光結構，且進一步包含與該第一披覆層電氣接觸之一電極，且藉此當有一電壓施加於該電極及該反射電極之間，以致使一前向偏壓電流(forward bias current)流過該活性層時，光即產生於該活性層內。