TWI484663B - 半導體發光元件及其製作方法 - Google Patents

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Description

半導體發光元件及其製作方法
本發明是有關於一種發光元件及其製作方法，且特別是關於一種半導體發光元件及其製作方法。
隨著光電技術的進步，發光二極體(light-emitting diode,LED)的製作與應用已漸趨成熟。由於發光二極體具有低污染、低功率消耗、反應時間(response time)短、使用壽命長等優點，已廣泛應用於各式光源或照明的領域，諸如交通號誌、戶外看板及顯示器背光源等。使發光二極體日漸成為備受矚目的光電產業之一。
一般而言，發光二極體的電極之配置方式可分為水平配置與垂直配置，其中水平配置是指第一與第二電極配置於發光二極體磊晶結構的同一側，而垂直配置是指第一與第二電極分別配置於發光二極體磊晶結構的相對兩側。具體而言，在電極呈水平配置的發光二極體結構中，習知發光二極體之製作方法是在基板上形成第一態摻雜半導體層，例如是N型半導體層，再於其上相繼形成發光層以及第二態摻雜半導體層，例如是P型半導體層，接著，藉由垂直方向的蝕刻移除部份N型半導體層、發光層以及第二態摻雜半導體層，並於P型半導體層與N型半導體層上分別配置第一電極與第二電極。電流經由P型半導體流向N型半導體，由於電流過於集中在此兩電極之間的一小部分區域中，除了導致所發出的光不均勻之外，亦使得因電流通過所產生的熱量過於集中，進而導致發光二極體散熱不易而容易損壞，且容易導致發光二極體的發光效率下降。另外，由於垂直方向的蝕刻所移除的表面為垂直表面，容易造成發光二極體所發出的光在半導體發光元件裡面全反射導致光取出率下降。
本發明提供一種半導體發光元件及其製作方法，其具有高光取出率。
本發明之一實施例提供一種半導體發光元件，包括基板、第一態摻雜半導體層、發光層、第二態摻雜半導體層以及光學微結構層。第一態摻雜半導體層配置於基板上，包括一基底部與一平台部，該基底部具有一上表面，且平台部配置於基底部之上表面上。發光層配置於第一態摻雜半導體層上。第二態摻雜半導體層配置於發光層上。光學微結構層嵌埋於第一態摻雜半導體層中。
本發明之另一實施例提供一種半導體發光元件的製作方法，包括下列步驟。提供基板。在基板上成長第一態摻雜半導體材料，以形成第一態摻雜半導體之基底部。在第一態摻雜半導體之基底部上形成圖案化成長阻絕層，使圖案化成長阻絕層覆蓋第一態摻雜半導體層的第二部分，且暴露出第一態摻雜半導體層的第一部分。在第一部分上繼續成長第一態摻雜半導體材料，以形成第一態摻雜半導體之平台部。在第一態摻雜半導體之平台部上形成發光層。在發光層上形成第二態摻雜半導體層。
基於上述，本發明之實施例藉由改變第一態摻雜半導體層之形狀與結構，例如是提供第一態摻雜半導體層傾斜之平台部，以降低發光二極體所發出的光在半導體發光結構裡面全反射導致光取出率下降的機率，藉此提升光取出率。又或者是提供嵌埋於平台部中之光學微結構層，以改變出光特性。在本發明之實施例中，由於在第一態摻雜半導體之基底部上形成圖案化成長阻絕層以阻絕部分第一態摻雜半導體材料的成長，因此可以不用透過整面成長第一態摻雜半導體層然後再以蝕刻的方式來形成第一態摻雜半導體之平台部，而是可以直接在部分區域上直接形成第一態摻雜半導體之平台部、發光層及第二態摻雜半導體層。如此一來，便可有效降低第一態摻雜半導體之平台部、發光層及第二態摻雜半導體層的應力，進而提升第一態摻雜半導體之平台部、發光層及第二態摻雜半導體層的磊晶品質。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖1A~圖1F為繪示本發明一實施例的半導體發光元件的製作流程的剖面示意圖。
請先參照圖1A，首先，先在基板110上成長第一態摻雜半導體材料，以形成第一態摻雜半導體之基底部120，其中，基板110例如為矽基板、銅基板、碳化矽(silicon carbide,SiC)基板或藍寶石(sapphire)基板，而第一態摻雜半導體材料例如為N型氮化鎵(gallium nitride,GaN)。
請參照圖1B，在成長第一態摻雜半導體之基底部120之後，再在第一態摻雜半導體之基底部120上形成圖案化成長阻絕層130，使圖案化成長阻絕層130覆蓋第一態摻雜半導體之基底部120的第二部分120b，且暴露出第一態摻雜半導體層的第一部分120a，其中圖案化成長阻絕層130的材料例如為二氧化矽(silicon dioxide,SiO2 )或氮化鋁(aluminium nitride，AlN)。
請參照圖1C，在本實施例中，在成長圖案化成長阻絕層130之後，可於第一部分120a上形成光學微結構層140，其中光學微結構層140可以是經一次曝光再蝕刻而成，其材料例如為高溫不裂解之材料，例如為二氧化矽(silicon dioxide,SiO2 )或氮化鋁(aluminium nitride，AlN)。在其他實施例中，亦可不在第一部分120a上形成光學微結構層140。此外，在本實施例中，光學微結構層140可包括複數個不連續之光學微結構141。另外，光學微結構141可進一步包含螢光體142。螢光體在受到較短波長的光的激發後，會發出較長波長的光，其中螢光體照光後所發出螢光的顏色例如為紅、綠或藍。
請參照圖1D，在成長光學微結構層140之後，接著在第一部分120a上繼續成長第一態摻雜半導體材料，以形成第一態摻雜半導體之平台部121，其中光學微結構層140嵌埋於第一態摻雜半導體之平台部121以及第一部分120a之間。於此，第一態摻雜半導體之平台部121與第一態摻雜半導體之基底部120形成一第一態摻雜半導體層122。此外，第一態摻雜半導體之平台部121具有一頂面S1與一側壁面S2，且側壁面S2連接頂面S1與第一態摻雜半導體之基底部120的上表面S3，其中側壁面S2相對於上表面S3傾斜。在本實施例中，側壁面S2相對於上表面S3傾斜的角度θ例如是大於0度且小於90度，即平台部121的剖面為一梯形狀。然而，在其他實施例中，側壁面S2與上表面S3所夾的角度θ亦可實質上為90度。
另外，值得一提的是，本案因光學微結構層140先行形成於第一部分120a上，而後才開始成長第一態摻雜半導體層122之第一態摻雜半導體之平台部121，此時由於橫向再成長磊晶(Epitaxial lateral overgrowth,ELOG)之二次成長效應，其可減少第一摻雜態半導體材料所承受之應力，故本實施例可有較低之疊層缺陷(stacking defaults)或差排(dislocation)之情況發生，進而提升發光效率。
接著，請參照圖1E，在第一態摻雜半導體層122上形成發光層150，且在發光層150上形成第二態摻雜半導體層160，其中發光層150例如為量子井(quantum well)層或多重量子井(multiple quantum well,MQW)層，而第二態摻雜半導體層160之材料例如為P型氮化鎵。在另一實施例中，亦可以是第一態摻雜半導體材料為P型氮化鎵，而第二態摻雜半導體層160之材料為N型氮化鎵。
值得一提的是，由於側壁面S2相對於上表面S3傾斜，因此，由發光層150出射的光入射至側壁面S2時，其入射角度可小於臨界角而直接出射側壁面S2。更詳細的說，本案可藉由改變側壁面S2相對於上表面S3傾斜的角度θ，改善因全反射而產生之光取出率下降的問題。
然後，請參照圖1F，在形成發光層150以及第二態摻雜半導體層160之後，接著移除圖案化成長阻絕層130，並分別在第二部分120b及第二態摻雜半導體層160上形成第一電極170及第二電極180。第一電極170與第二電極180之材料為導電材料以單一層或是多層導電材料堆疊，其中導電材料例如是金、鈦、鋁、鉻、鉑、其他導電材料或這些材料的組合。另外，本發明之電極與半導體層之間可進一部包含高導電度的材料或是具歐姆接觸的材料，而本發明之第一電極170及第二電極180可分別透過高導電度的材料或是具歐姆接觸的材料電性連接到第一態摻雜半導體層122之第二部分120b與第二態摻雜半導體層160，但本發明不以上述為限。至此，半導體發光元件100如上述方式完成，其包括基板110、第一態摻雜半導體層122(包括第一態摻雜半導體之平台部121與第一態摻雜半導體之基底部120)、光學微結構層140、發光層150及第二態摻雜半導體層160。在本實施例中，半導體發光元件100可更包括上述之第一電極170與第二電極180。
值得一提的是，由於圖案化成長阻絕層130形成於第一態摻雜半導體之基底部120上(預留第一電極170之位置)，故相較於習知技術於基板上整面成長面積較大的第一態摻雜半導體，本案之半導體發光結構100所受到的應力較習知技術小。
圖2為本發明之一實施例之半導體發光元件的上視示意圖，而上述之圖1F為沿圖2之A-A’剖線之橫切面圖。如圖2所示，第二部份120b上配置第一電極170，其鄰邊由下至上分別為第一態摻雜半導體之平台部121、發光層150、第二態摻雜半導體層160以及第二電極180。
圖3至圖9繪示圖1F之光學微結構層的各種變化的上視示意圖，為了使圖式較容易讓讀者了解，圖3至圖9皆將半導體發光元件100的第一態摻雜半導體之平台部121上方的其他膜層省略而不繪出，以讓讀者直接看到第一態摻雜半導體之平台部121下方的光學微結構層140。上述光學微結構層140之結構及形狀可有以下之多種變化，例如圖3至圖9所繪示者。
詳細而言，圖3為圖1F之上視示意圖。請參照圖3，光學微結構層140例如由呈柱狀之光學微結構141所構成，而光學微結構141之排列例如為實質上呈均勻分佈，其中光學微結構141的剖面圖可參照圖1F。請參照圖4，在另一實施例中，光學微結構層140之至少部分光學微結構141a的面數量密度隨著位置的不同而變化，例如是於光學微結構層140中，光學微結構141a由一側邊到對向側邊呈現密到疏之漸變式的密度分佈。請參照圖5，光學微結構141b的形狀例如是呈條狀。請參照圖6，光學微結構141c的形狀例如是呈島狀。圖7為本發明之一實施例所提出的半導體發光元件的剖面示意圖。請參照圖7，光學微結構141d的形狀例如是呈點狀，其上視示意圖與圖3相似。而在另一實施例中，光學微結構141d的分布例如是如圖4所示，於光學微結構層140中，由一側邊到對向側邊呈現密到疏之漸變式的密度分佈。圖8為本發明之另一實施例所提出的半導體發光元件的剖面示意圖。請參照圖8，光學微結構141e的形狀例如是呈圓錐或多角椎狀，其上視示意圖與圖3相似。而在另一實施例中，光學微結構141e的分布例如是如圖4所示，於光學微結構層140中，由一側邊到對向側邊呈現密到疏之漸變式的密度分佈。或者，在圖9中，光學微結構層可包括光學微結構141a、141b、141c、141d及141e的任意組合。藉由調變不同光學微結構140之結構或密度可增加隨機散射(random scattering)的光，或產生所欲輸出之光形。再者，如圖10所示，本發明之光學微結構層140亦可為一連續式之光學微結構141f。另外，也可藉由調變不同光學微結構140之位置改變電流流經之路徑，因而改善習知技術中電流過於集中在兩電極之間的一小部分區域，所造成之出光不均勻與熱量過於集中而導致散熱不易、半導體發光結構容易損壞且發光效率下降等缺點。
除此之外，上述光學微結構層140在另一實施例中，如圖11所示，亦可替換為分佈式布拉格反射層710(Distributed Bragg Reflector,DBR)，其中分佈式布拉格反射層710為可增加反射率之多層結構，其材料包括一種以上之高折射率的材料，與一種以上之低折射率的材料，在配合以光學鍍膜的方式堆疊組合而成，高折射率材料例如為五氧化二鉭(Ta2 O5 )、二氧化鈦(TiO2 )、五氧化三鈦(Ti3 O5 )或五氧化二鈮(Nb2 O5 )，而低折射率材料例如為二氧化矽(SiO2 )或氟化鎂(MgF2 )。於其他實施例中，光學微結構層140亦可為光學微結構141、分佈式布拉格反射層710之組合。
值得一提的是，由於現行白光發光二極體技術以藍光發光二極體晶片搭配發出黃色光之螢光粉為主，其所產生之紅光波段的光強度較弱，故顯示的光較偏冷色調。本發明之一實施例可藉由在光學微結構層140內添加會發出紅光之螢光粉，提升紅光波段之光強度，進而提升半導體發光結構100的演色性。例如是於光學微結構層140中添加發出黃色及紅色光之螢光粉，且利用半導體發光結構100的發光層150所發出之藍光激發黃色螢光粉，其中藍光與黃光可混合成白光，而藍光激發紅色螢光粉所產生的紅光則可提升紅光波段之光強度，藉此提升演色性。此外，在另一實施例中，發光層150亦可設計成發出紫外光，而螢光粉可包括紅色、綠色及藍色螢光粉，如此紫外光可激發出紅光、綠光及藍光，而這三種顏色的光可混合成白光。
綜上所述，本發明之實施例所提出的半導體發光結構及其製造方法，藉由提供第一態摻雜半導體之平台部傾斜角度改善習知技術垂直表面所造成之全反射而導致光取出率下降的問題。另外，藉由圖案化成長阻絕層降低半導體發光結構於製程時所承受之應力。再者，藉由光學微結構，減少磊晶過程中的疊層缺陷或差排之情況發生，進而提升發光效率。此外，藉由添加螢光粉於半導體發光結構中，增加輸出光之演色性，或是利用分佈式布拉格反射層增加反射率與隨機散射的光，提升光取出率。再者，藉由調變不同光學微結構之形狀、密度或位置，增加隨機散射的光、產生所欲輸出之光形與改善習知技術中出光不均勻、散熱不易、容易損壞且發光效率下降等缺點。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100．．．半導體發光元件
110．．．基板
120．．．第一態摻雜半導體之基底部
120a．．．第一部分
120b．．．第二部分
121．．．第一態摻雜半導體之平台部
122．．．第一態摻雜半導體層
130．．．圖案化成長阻絕層
140．．．光學微結構層
141、141a、141b、141c、141d、141e、141f．．．光學微結構
142．．．螢光體
150．．．發光層
160．．．第二態摻雜半導體層
170．．．第一電極
180．．．第二電極
710．．．分佈式布拉格反射層
S1．．．頂面
S2．．．側壁面
S3．．．上表面
θ．．．角度
A-A’．．．剖線
圖1A至圖1F為繪示本發明一實施例的半導體發光元件的製作流程的剖面示意圖。
圖2為本發明之一實施例之半導體發光元件的上視示意圖。
圖3至圖6繪示圖1F之光學微結構層的各種變化的上視示意圖。
圖7為本發明之一實施例所提出的半導體發光元件的剖面示意圖。
圖8為本發明之另一實施例所提出的半導體發光元件的剖面示意圖。
圖9繪示圖1F之光學微結構層的另一變化的上視示意圖。
圖10繪示圖1F之光學微結構層的其他變化的上視示意圖。
圖11為本發明之另一實施例所提出的半導體發光元件的剖面示意圖。
100．．．半導體發光元件
110．．．基板
120．．．第一態摻雜半導體之基底部
120a．．．第一部分
120b．．．第二部分
121．．．第一態摻雜半導體之平台部
122．．．第一態摻雜半導體層
140．．．光學微結構層
141．．．光學微結構
142．．．螢光體
150．．．發光層
160．．．第二態摻雜半導體層
170．．．第一電極
180．．．第二電極
θ．．．角度

Claims (15)

  1. 一種半導體發光元件，包括：一基板；一第一態摻雜半導體層，配置於該基板上，包括一基底部與一平台部，該基底部具有一上表面，且該平台部配置於該基底部之上表面上，其中該平台部具有一頂面與一側壁面，該側壁面連接該頂面與該基底部之該上表面，且該側壁面相對於該基底部之該上表面的傾斜角度大於0度且小於90度；一發光層，配置於該第一態摻雜半導體層上；一第二態摻雜半導體層，配置於該發光層上；以及一光學微結構層，嵌埋於該第一態摻雜半導體層中而不接觸該基板。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光元件，其中該平台部的剖面為一梯形狀。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光元件，其中該發光層配置於該平台部上。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光元件，其中該光學微結構層嵌埋於該平台部以及該基底部之間。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光元件，其中該光學微結構層包括複數個不連續之光學微結構。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光元件，其中該光學微結構層包括一連續式之光學微結構。
  7. 如申請專利範圍第8項所述之半導體發光元件， 其中該些光學微結構呈條狀、點狀、島狀、柱狀、錐狀或其組合。
  8. 如申請專利範圍第8項所述之半導體發光元件，其中至少部分該些光學微結構的面數量密度隨著位置的不同而變化。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之半導體發光元件，其中該些光學微結構實質上呈均勻分佈。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光元件，其中該光學微結構層為一分佈式布拉格反射層。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光元件，其中該光學微結構層中包含螢光體。
  12. 一種半導體發光元件的製作方法，包括：提供一基板；在該基板上成長一第一態摻雜半導體材料，以形成一第一態摻雜半導體之基底部；在該第一態摻雜半導體之基底部上形成一圖案化成長阻絕層，該圖案化成長阻絕層暴露出該第一態摻雜半導體材料層的一第一部分，且覆蓋該第一態摻雜半導體材料層的一第二部分；在該第一部分上繼續成長該第一態摻雜半導體材料，以形成一第一態摻雜半導體之平台部；在該第一態摻雜半導體平台部上形成一發光層；以及在該發光層上形成一第二態摻雜半導體層。
  13. 如申請專利範圍第15項所述之半導體發光元件 的製作方法，更包括：在形成該圖案化成長阻絕層之後且在該第一部分上繼續成長該第一態摻雜半導體材料之前，在該第一部分上形成一光學微結構層。
  14. 如申請專利範圍第16項所述之半導體發光元件的製作方法，其中在該第一部分上繼續成長該第一態摻雜半導體材料的步驟包括使該第一態摻雜半導體材料覆蓋該光學微結構層。
  15. 如申請專利範圍第15項所述之半導體發光元件的製作方法，更包括：在該發光層上形成該第二態摻雜半導體層之後，移除該圖案化成長阻絕層；以及分別在該第二部分及該第二態摻雜半導體層上形成一第一電極及一第二電極。
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