TWI478381B

TWI478381B - 發光元件及其製造方法

Info

Publication number: TWI478381B
Application number: TW101138172A
Authority: TW
Inventors: Chung Ying Chang; wen jia Huang; Chao Hsu Lai; Tien Kun Lin
Original assignee: Epistar Corp
Priority date: 2009-06-08
Filing date: 2009-06-08
Publication date: 2015-03-21
Also published as: TW201306302A

Description

發光元件及其製造方法

本發明係關於一具有高臨界反向電壓之發光元件及其製造方法。

發光二極體因其元件特性兼具有整流及發光之效果。當施加一正向偏壓(forward bias)於發光二極體時，發光二極體隨施加之正向偏壓提高，電流值亦急速上昇，並發出特定波長之光線，於此電流開始急速上昇之電壓值稱為發光二極體之正向電壓值(Forward Voltage；Vf)；當施加一反向偏壓於發光二極體時，施加之反向偏壓必須達到一臨界值，電流值才會急速上昇，於此電流開始急速上昇之電壓值稱為發光二極體之反向電壓值(Reverse Voltage；Vr)。

一般氮化鎵系列發光二極體之反向電壓值通常介於負15~20伏特左右，反向電壓值不佳之主因為磊晶薄膜本身具有許多缺陷，例如晶格錯位(dislocation)、雜質(Impurity)等造成許多漏電流路徑(leakage path)，而造成元件無法承受較高之反向偏壓，且操作時容易因突然之高電壓而崩潰失效。

本發明提出一具有高臨界反向電壓之發光元件及其製造方法。

本發明在於提出一發光元件具有一發光磊晶結構，其中所述之發光磊晶結構於一反向偏壓之條件下，於負10微安培/毫米² 之電流密度下，對應之臨界反向電壓之絶對值大於50伏特；其中所述之發光磊晶結構於一正向偏壓之條件下，以一150毫安培/毫米² 之電流密度驅動時，具有至少50流明/瓦特之發光效率。本發明所指之“臨界反向電壓”定義為發光磊晶結構於一反向偏壓之條件下，於負10微安培/毫米² 之電流密度下，所測得之反向電壓值。

本發明之另一方面在於提出一發光晶圓，包含複數個發光單元；其中，於負10微安培/毫米² 之電流密度下，所述之複數個發光單元之臨界反向電壓之絶對值之平均值至少大於50伏特。

本發明之另一方面在於提出一交流式發光元件包含複數發光陣列結構形成於一基板上，各複數個發光陣列結構係由至少一個發光單元所組成；所述之發光陣列結構包括複數個整流發光陣列結構及至少一直流發光陣列結構；所述之各整流發光陣列結構包含第一數量之所述之發光單元，並且所述之複數個整流發光陣列結構排列成一惠斯頓電橋形式，並且具有二輸入端以接收一交流電源、以及二輸出端以輸出一直流電源；其中所述之直流發光陣列結構包含第二數量之所述之發光單元連接至所述之二輸出端。其中所述之直流發光陣列結構之發光單元之數量佔所述之交流式發光元件之所有發光單元之數量之比例至少大於50%。

本發明之又一方面在提出一種發光元件之製造方法，其步驟包含：提供一基板；於第一成長條件下於所述之基板上成長一第一磊晶層；於第二成長條件下於所述之第一磊晶層上成長一製程轉換層；於第三成長條件下於所述之製程轉換層上成長一第二磊晶層；其中，所述之第一成長條件與所述之第三成長條件具有一製程變化；且所述之製程轉換層之導電度大於所述之第一磊晶層及/或所述之第二磊晶層之導電度。

於本發明之另一實施例中，所述之發光元件之製造方法更包含：於一第四成長條件下於所述之製程轉換層上形成一第二製程轉換層；以及於一第五成長條件下於所述之第二製程轉換層上形成一第三磊晶層；其中，所述之第三成長條件與所述之第五成長條件具有一製程變化；且所述之第二製程轉換層之導電度大於所述之第二磊晶層及/或所述之第三磊晶層。

第1圖揭示符合本發明發光元件之發光磊晶結構之第一實施例，發光磊晶結構1包括一成長基板10、一接觸層20形成於成長基板10之上、一製程轉換層31形成於接觸層20之上、一n型束縛層(cladding layer)40形成於製程轉換層31之上、一活性層(active layer)50形成於n型束縛層40之上、以及一p型束縛層60形成於活性層50之上。形成發光磊晶結構1之方法包括提供一成長基板10；接著，於成長基板10上以有機金屬化學氣相沉積法(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition)磊晶成長一接觸層20，如果接觸層20與成長基板10之晶格常數具有一差異，可在接觸層20與成長基板10之間成長一晶格緩衝層(未繪示)，其中，晶格緩衝層之晶格常數介於接觸層20與成長基板10之間以提高磊晶品質及降低晶格缺陷。磊晶成長接觸層20之條件，例如反應器溫度設定值介於900~1200℃；反應器壓力設定值介於300~450毫巴(mbar)；並於磊晶成長接觸層20同時摻雜一n型摻雜質至一摻雜濃度介於1*10¹⁷ ~1*10¹⁸ cm^-3 。於完成接觸層20之成長後，接續成長製程轉換層31及n型束縛層40；n型束縛層40具有一n型摻雜質及一摻雜濃度。其中，n型束縛層40以及接觸層20於成長條件上具有一製程變化，或較佳為劇烈變化，以致於直接成長n型束縛層40於接觸層20上時產生薄膜缺陷，導致磊晶品質降低。因此，製程轉換層31之目的在修補製程轉換層31因其前後層之成長條件之製程變化所造成之缺陷，進而提高磊晶品質。於本發明之定義，“成長條件”一詞係為包括至少一製程參數設定值選自於溫度、壓力及氣體流量、及其他製程參數設定值所組成之群組；“製程變化”係指製程轉換層31之前一層之一成長條件，相較後一層之對應之成長條件，至少存在3%之差異；而“劇烈變化”係指製程轉換層31之前一層之一成長條件，相較後一層之對應之成長條件，至少存在10%之差異。例如，n型束縛層40之反應器溫度設定值介於700~1000℃；反應器壓力設定值介於200~350毫巴，並且其溫度設定值或壓力設定值之至少其中之一與接觸層20之對應設定值差異至少3%，或較佳為差異至少10%。製程轉換層31之成長條件大約介於接觸層20及n型束縛層40之對應成長條件之間；較佳為接近n型束縛層40之成長條件；更佳為相同於n型束縛層40之成長條件；並且製程轉換層31具有一n型摻雜質及一摻雜濃度大於接觸層20及n型束縛層40二者之一之摻雜濃度，例如摻雜濃度介於5*10¹⁷ ~1*10²⁰ cm^-3 ；較佳為，製程轉換層31之摻雜濃度大於接觸層20及n型束縛層40之摻雜濃度，使得製程轉換層31之導電度大於接觸層20及/或n型束縛層40。於完成n型束縛層成長，接續成長活性層50及p型束縛層60以完成發光元件之發光磊晶結構。

第2圖揭示符合本發明發光元件之發光磊晶結構之第二實施例，發光磊晶結構2包括一成長基板10、一接觸層20形成於成長基板10之上、一n型束縛層40形成於接觸層20之上、一製程轉換層32形成於n型束縛層40之上、一活性層50形成於製程轉換層32之上、以及一p型束縛層60形成於活性層50之上。與前述實施例(第1圖)之差異在於製程轉換層32係形成於n型束縛層40及活性層50之間。形成發光磊晶結構2之方法包括首先提供一成長基板10。接著，於成長基板10上以有機金屬化學氣相沉積法磊晶成長一接觸層20，如果接觸層20與成長基板10之晶格常數具有一差異，可在接觸層20與成長基板10之間成長一晶格緩衝層(未繪示)，其中，晶格緩衝層之晶格常數介於接觸層20與成長基板10之間以提高磊晶品質及降低晶格缺陷。於完成接觸層20之成長後，接續成長n型束縛層40；n型束縛層40具有一n型摻雜質及一摻雜濃度。磊晶成長n型束縛層40之條件，例如反應器溫度設定值介於700~1000℃；反應器壓力設定值介於200~350毫巴；並於磊晶成長n型束縛層40同時摻雜一n型摻雜質至一摻雜濃度介於1*10¹⁷ ~5*10¹⁸ cm^-3 。於完成n型束縛層40之成長後，接續成長製程轉換層32及活性層50，其中，n型束縛層40以及活性層50於成長條件上具有一製程變化，或較佳為劇烈變化，以致於直接成長活性層50於n型束縛層40上時產生薄膜缺陷，導致磊晶品質降低。因此，製程轉換層32之目的在修補因製程轉換層32其前後層之成長條件製程變化所造成之缺陷，進而提高磊晶品質。例如，活性層50之反應器溫度設定值介於850~1100℃；反應器壓力設定值介於200~350毫巴，並且其溫度設定值或壓力設定值之至少其中之一與n型束縛層40之對應設定值差異至少3%，或較佳為差異至少10%。製程轉換層32之成長條件大約介於n型束縛層40及活性層50之對應成長條件之間；較佳為接近活性層50之成長條件；更佳為相同於活性層50之成長條件。製程轉換層32具有一n型摻雜質及一摻雜濃度大於n型束縛層40及活性層50二者之一之摻雜濃度，例如摻雜濃度介於5*10¹⁷ ~1*10¹⁹ cm^-3 ；較佳為，製程轉換層32之摻雜濃度大於n型束縛層40及活性層50，使得製程轉換層32之導電度大於n型束縛層40及/或活性層50之導電度。於完成活性層50之成長後，接續p型束縛層60以完成發光元件之發光磊晶結構。其中，活性層結構包括多重量子井結構，以提高發光元件之內部量子效率。

第3圖揭示符合本發明發光元件之發光磊晶結構之第三實施例，與前述之第一及第二實施例相較，其差異在於發光磊晶結構3同時包含相同於第一實施例之第一製程轉換層33形成於接觸層20及n型束縛層40之間以及相同於第二實施例之第二製程轉換層34形成於n型束縛層40及活性層50之間，以進一步提高發光元件之磊晶品質。

第4圖揭示符合本發明發光元件之第一實施例，發光元件4係將前述實施例所形成之發光磊晶結構，以第3圖所示之發光磊晶結構3為例，利用晶粒製程自基板上形成複數個彼此隔開之發光單元，例如圖上所示之發光單元4a及4b，並且分別形成一第一電極21於裸露出之接觸層20上以及一第二電極61於p型束縛層60上。於完成晶粒製程後，可對成長基板進行切割(如虛線所示)以分開發光單元4a及4b形成個別之發光元件。於本發明之另一實施例，所述之發光元件更包括一接觸層形成於所述之第二電極與所述之p型束縛層之間，以降低所述之第二電極與所述之p型束縛層之間之接觸電阻；或者更包括一電流分散層以使電流均勻分佈於所述之發光磊晶結構。

依本發明實施例所形成之發光元件，其所述之成長基板尺寸大小例如為10mil乘10mil，於一反向偏壓之條件下，於負10微安培/毫米² 之電流密度下，所測得之臨界反向電壓之絶對值至少大於50伏特；並且，於一正向偏壓之條件下，以一150毫安培/毫米² 之電流密度驅動時，具有至少50流明/瓦特之發光效率。依本發明之另一實施例，所述之發光元件可藉由調整製程轉換層之成長條作及摻雜濃度，以得到較佳之臨界反向電壓，例如大於60伏特或、更佳為大於70伏特、或最佳為大於100伏特。

第6圖揭示依本發明實施例所形成之發光元件所測得之電壓-電流曲線圖，本發明發光元件之發光磊晶結構於一反向偏壓之條件下，於負10微安培/毫米² 之電流密度下，對應之電壓值之絶對值約為102伏特(如虛線所示；圖中之數值已轉換為正值)；並且於一正向偏壓之條件下，以一150毫安培/毫米² 之電流密度驅動時，可發出至少50流明/瓦特之光線。本發明之發光元件兼具有高臨界反向電壓值及高亮度之特性。

第5圖揭示依本發明實施例所形成之串聯式發光元件，串聯式發光元件5之形成方法類似於第4圖所示之實施例，於完成晶粒製程後，對各發光單元進行電性連接，如第5圖所示，係形成一導電層70於發光單元4a之第一電極及發光單元4b之第二電極之間以使發光單元4a及4b形成串聯連接之發光陣列結構。發光元件5更包含一絶緣層80形於導電層70與發光單元4a及4b及基板之間，以避免造成發光元件短路。

第7A圖及第7B圖揭示依本發明之交流式發光元件，交流式發光元件7主要應用於一交流式(Alternating Current；AC)電源，包含複數個整流發光陣列結構R1~R4及至少一直流發光陣列結構E1共同位於成長基板10上，所述之每一整流或直流發光陣列結構由如第5圖所示之複數個彼此串聯連接之發光單元所組成，整流發光陣列結構R1~R4係由一第二連接層71及第一~第四導線墊91~94以一惠斯頓電橋形式電性連接以形成一整流結構。請同時參考第7B圖，整流發光陣列結構R1連接於第一導線墊91及第四導線墊94之間；整流發光陣列結構R2連接於第一導線墊91及第二導線墊92之間；整流發光陣列結構R3連接於第三導線墊93及第四導線墊94之間；整流發光陣列結構R4連接於第二導線墊92及第三導線墊93之間；第一導線墊91及第三導線墊93分別外接至一交流式電源之正端及負端以接收一交流電壓訊號，並且經整流發光陣列結構R1~R4整流後，於第二導線墊92及第四導線墊94輸出一直流電壓訊號。直流發光陣列結構E1係連接於於第二導線墊92及第四導線墊94之間，並接收所輸出之所述之直流電壓訊號。於交流電壓訊號之正向半週期，電流依序流經交流式發光元件7之發光陣列結構R1、E1、及R4(如第7A圖之虛線所示)，並發出光線；於交流電壓訊號之負向半週期，電流依序流經交流式發光元件7之發光陣列結構R3、E1、及R2，並發出光線；其中整流發光陣列結構R1~R4各自於正向偏壓之半週期發光，另一半週期則處於反向偏壓而不發光，亦即整流發光陣列R1~R4係於施加交流訊號期間輪流發光；直流發光陣列結構E1，因接收經整流後之所述之直流電壓訊號，所以於正向及負向半週期均可發光。

本發明實施例形成之所述之發光單元，因具有高臨界反向電壓值，有效提昇發光單元承受反向偏壓之能力，大幅減少所述之整流發光陣列結構之發光單元之數量，同時增加所述之直流發光陣列結構之發光單元之數量，達到提高發光效率之目的。茲以交流式電源為110V及60赫茲之交流頻率為例，各發光單元例如為一氮化鎵系列為主之發光磊晶結構且具有相同之面積，每一發光單元造成約3V之電壓降(Voltage Drop)以及具有一臨界反向電壓值絶對值y，各正向或負向半週期流經之發光單元之總數(跨不同之發光陣列結構)約37個，以符合110V之供應電源。各整流發光陣列結構R1~R4具有相同之發光單元之數量m個，直流發光陣列結構E1具有之發光單元之數量n個，則直流發光陣列結構E1之發光單元之數量佔所述之發光元件之所有發光單元數量之比例約為n/(4m+n)^＊ 100%。於正向半週期時，跨導線墊91及92兩端之整流發光陣列結構R2(處於反向偏壓)之電位差應與相同為跨導線墊91及92兩端之整流發光陣列結構R1與直流發光陣列結構E1(均處於正向偏壓)之電位差相同為3^＊ (m+n)伏特，為使處於反向偏壓之整流發光陣列結構R2不致崩潰失效，y必須大於[3^＊ (m+n)]/m至少35以上避免電性操作之變異及其他外在因素而使元件失效，亦即y必須滿足以下方程式：

下表列出依本發明實施例所形成之交流式發光元件之各發光陣列結構數量之組合：

依據所例示之各組合實施例，直流發光陣列結構之發光單元之數量佔交流式發光元件之所有發光單元之數量之比例至少大於50%，較佳為大於60%、更佳為大於70%、或大於80%，最佳為大於90%以得到更佳之交流發光效率實施例。於本發明之另一方面，發光單元之臨界反向電壓值至少大於50伏特，較佳為大於60伏特、更佳為大於70伏特、最佳為大於100伏特，以提高發光元件之可靠性。於本發明之另一實施例，各所述之整流發光陣列結構之所述之發光單元之面積係小於各所述之直流發光陣列結構之所述之發光單元之面積，以進一步提高發光元件之反向偏壓效能。另外，除第7A圖及第7B圖所例示之橋式連接之交流式發光元件，本發明之交流式發光元件亦可包含其他連接型式之交流式發光元件，例如反向並聯(anti-parallel)型式，或其他連接型式之交流式發光元件。

第8圖揭示一符合本發明之一發光晶圓(wafer)。發光晶圓8包含複數個發光單元81，各發光單元81具有一發光磊晶結構，例如為相同於第4圖所示之發光單元4a或4b。各發光單元81於負10微安培/毫米² 之電流密度下具有一臨界反向電壓；以及，各發光單元81以一150毫安培/毫米² 之電流密度驅動時，具有一發光效率；並且，複數個發光單元81之臨界反向電壓之絶對值之平均值至少大於50伏特，較佳為大於60伏特、更佳為大於70伏特、最佳為大於100伏特；以及複數個發光單元81之發光效率之平均值至少50流明/瓦特。於另一實施例中，所述之複數個發光單元之所述之臨界反向電壓值依大小係呈一分佈，並且扣除臨界反向電壓值之絶對值位於分佈之前後25%之該些發光單元之後，位於中間50%之剩餘之發光單元之臨界反向電壓值之絶對值之平均值係至少大於50伏特，較佳為大於60伏特、更佳為大於70伏特、最佳為大於100伏特；並且於一正向偏壓之條件下以一150毫安培/毫米² 之電流密度驅動時，位於中間50%之剩餘之發光單元之發光效率之平均值至少50流明/瓦特。

上述之諸實施例，其中，所述之接觸層、n型束縛層、製程轉換層、p型束縛層、以及活性層之材料係包含III-V族化合物，例如氮化鎵系列或磷化鎵系列之材料。所述之成長基板例如為包括至少一種材料選自於藍寶石、碳化矽、氮化鎵、以及氮化鋁所組成之群組。所述之接觸層、n型束縛層、p型束縛層、以及活性層可為單層或多層結構，例如為超晶格結構。另外，本發明之所述之發光磊晶結構並不限於以成長方式成長所述之成長基板之上，其他形成方式，例如以接合方式直接接合或藉由一介質接合至一導熱或導電基板亦屬本發明之範圍。

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、3‧‧‧發光磊晶結構

4、5、7‧‧‧發光元件

4a、4b‧‧‧發光單元

10‧‧‧成長基板

20‧‧‧接觸層

21‧‧‧第一電極

31、33‧‧‧製程轉換層

32、34‧‧‧第二製程轉換層

40‧‧‧n型束縛層

50‧‧‧活性層

60‧‧‧p型束縛層

61‧‧‧第二電極

70‧‧‧第一連接層

71‧‧‧第二連接層

80‧‧‧絕緣層

8‧‧‧發光晶圓

81‧‧‧發光單元

91~94‧‧‧第一~第四導線墊

AC‧‧‧交流式電源

R1、R2、R3、R4‧‧‧整流發光陣列結構

E1‧‧‧直流發光陣列結構

第1圖顯示依本發明發光元件之發光磊晶結構之第一實施例；第2圖顯示依本發明發光元件之發光磊晶結構之第二實施例；第3圖顯示依本發明發光元件之發光磊晶結構之第三實施例；第4圖顯示依本發明之發光元件之第一實施例；第5圖顯示依本發明之發光元件之第二實施例；第6圖顯示依本發明實施例之電壓-電流曲線圖；第7A圖顯示依本發明之交流式發光元件之上視圖；第7B圖顯示依本發明之交流式發光元件之電路示意圖；第8圖顯示依本發明之發光晶圓之示意圖。

Claims

一種發光元件之製造方法，其步驟包含：提供一基板；於一第一成長條件下成長一第一磊晶層於該基板上；於一第二成長條件下於該第一磊晶層上直接成長一製程轉換層；於一第三成長條件下於該製程轉換層上直接成長一第二磊晶層；其中，該第一成長條件之至少一製程參數值與該第三成長條件之相應之製程參數值至少具有3%之差異；且該製程轉換層具有一導電度大於該第一磊晶層及/或該第二磊晶層之導電度，其中該第一磊晶層係為一接觸層、該第二磊晶層係為一n型束縛層。
如申請專利範圍第1項所述之製造方法，其中該製程參數選自於溫度、壓力、及氣體流量所組成之群組。
如申請專利範圍第1項所述之製造方法，其中該第一磊晶層、該製程轉換層、及該第二磊晶層之材質包括氮化鎵系列或磷化鎵系列材質。
如申請專利範圍第1項所述之製造方法，更包含：於一第四成長條件下於該第二磊晶層上直接形成一第二製程轉換層；以及於一第五成長條件下於該第二製程轉換層上直接形成一第三磊晶層；其中，該第三成長條件之至少一製程參數值與該第五成長條件之相應之製程參數值至少具有3%之差異；且該第二製程轉換層具有一導電度大於該第二磊晶層及/或該第三磊晶層之導電度。
如申請專利範圍第4項所述之製造方法，其中該第三磊晶層係為活性層。
如申請專利範圍第1項所述之製造方法，其中該製程轉換層具有一摻雜質以及一摻雜濃度大於該第一磊晶層及/或該第二磊晶層之摻雜濃度。
如申請專利範圍第4項所述之製造方法，其中該第二製程轉換層具有一摻雜質以及一摻雜濃度大於該第二磊晶層及/或該第三磊晶層之摻雜濃度。
如申請專利範圍第1項所述之製造方法，其中，該第一成長條件之至少一製程參數值與該第三成長條件之相應之製程參數值至少具有10%之差異。
如申請專利範圍第4項所述之製造方法，其中，該第三成長條件之至少一製程參數值與該第五成長條件之相應之製程參數值至少具有10%之差異。