TWI614916B - 光電元件及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

一種光電元件，包含：一半導體疊層；一第一金屬層形成於該半導體疊層之上，其中該第一金屬層具有一第一主平面且該第一金屬層之兩邊緣的厚度為漸薄；及一第二金屬層形成於該第一金屬層之上，其中該第二金屬層具有一與該第一主平面平行之第二主平面且該第二金屬層之兩邊緣的厚度為漸薄，且該第二金屬層之邊緣超過該第一金屬層之邊緣。

Description

光電元件及其製造方法
本發明係關於一種光電元件，尤其是關於一種光電元件的電極設計。
發光二極體(light-emitting diode,LED)的發光原理是利用電子在n型半導體與p型半導體間移動的能量差，以光的形式將能量釋放，這樣的發光原理係有別於白熾燈發熱的發光原理，因此發光二極體被稱為冷光源。此外，發光二極體具有高耐久性、壽命長、輕巧、耗電量低等優點，因此現今的照明市場對於發光二極體寄予厚望，將其視為新一代的照明工具，已逐漸取代傳統光源，並且應用於各種領域，如交通號誌、背光模組、路燈照明、醫療設備等。
第1A圖係習知之發光元件結構示意圖，如第1A圖所示，習知之發光元件100，包含有一透明基板10、一位於透明基板10上之半導體疊層12，以及至少一電極14位於上述半導體疊層12上，其中上述之半導體疊層12由上而下至少包含一第一導電型半導體層120、一活性層122，以及一第二導電型半導體層124。
第1B圖係習知之發光元件電極結構示意圖，如第1B圖所示，習知之發光元件100，包含有一透明基板10、一位於透明基板10上之半導體疊層12，以及至少一電極14位於上述半導體疊層12上，其中電極14可包含一反射電極141及一擴散阻障層142。但因為擴散阻障層142可能反射率不佳，而降低了發光元件100的出光效率。
此外，上述之發光元件100更可以進一步地與其他元件組合連接以形成一發光裝置(light-emitting apparatus)。第2圖為習知之發光裝置結 構示意圖，如第2圖所示，一發光裝置200包含一具有至少一電路202之次載體(sub-mount)20；至少一焊料(solder)22位於上述次載體20上，藉由此焊料22將上述發光元件100黏結固定於次載體20上並使發光元件100之基板10與次載體20上之電路202形成電連接；以及，一電性連接結構24，以電性連接發光元件100之電極14與次載體20上之電路202；其中，上述之次載體20可以是導線架(lead frame)或大尺寸鑲嵌基底(mounting substrate)，以方便發光裝置200之電路規劃並提高其散熱效果。
一種光電元件，包含：一半導體疊層；一第一金屬層形成於半導體疊層之上，其中第一金屬層具有一第一主平面且第一金屬層之兩邊緣的厚度為逐漸減薄；及一第二金屬層形成於第一金屬層之上，其中第二金屬層具有一與第一主平面平行之第二主平面且第二金屬層之兩邊緣的厚度為逐漸減薄，且第二金屬層之邊緣超過第一金屬層之邊緣。
第1A-1B圖為一結構圖，顯示一習知陣列發光二極體元件側視結構圖；第2圖為一示意圖，顯示一習知發光裝置結構示意圖；第3A-3E圖為本發明第一實施例製造流程結構示意圖；第4A-4B圖係顯示本發明電極設計之二次電子顯微鏡圖；第5A圖至第5C圖係繪示出一發光模組示意圖；第6A-6B圖係繪示出一光源產生裝置示意圖；及第7圖係繪示一燈泡示意圖。
本發明揭示一種發光元件及其製造方法，為了使本發明之敘述更加詳盡與完備，請參照下列描述並配合第3A圖至第7圖之圖示。
第3A圖至第3E圖為本發明第一實施例製造流程結構示意圖，如第3A圖所示，提供一基板30，接著形成一半導體磊晶疊層32於此基板30之上，其中半導體磊晶疊層32由下而上至少包含一第一導電型半導體層、一活性層，以及一第二導電型半導體層，且半導體磊晶疊層32具有一未與基板30相鄰之上表面321，其中此上表面包含一第一區3211與第二區3212。
基板30係為一成長及/或承載基礎。候選材料可包含導電基板或不導電基板、透光基板或不透光基板。其中導電基板材料其一可為鍺(Ge)、砷化鎵(GaAs)、銦化磷(InP)、碳化矽(SiC)、矽(Si)、鋁酸鋰(LiAlO2)、氧化鋅(ZnO)、氮化鎵(GaN)、氮化鋁(AlN)、金屬。透光基板材料其一可為藍寶石(Sapphire)、鋁酸鋰(LiAlO2)、氧化鋅(ZnO)、氮化鎵(GaN)、玻璃、鑽石、CVD鑽石、與類鑽碳(Diamond-Like Carbon；DLC)、尖晶石(spinel,MgAl2O4)、氧化矽(SiOx)及鎵酸鋰(LiGaO2)。上述第一半導體層、活性層以及第二半導體層之材料可包含一種或一種以上之元素選自鎵(Ga)、鋁(Al)、銦(In)、砷(As)、磷(P)、氮(N)以及矽(Si)所構成群組。常用之材料係如磷化鋁鎵銦(AlGaInP)系列、氮化鋁鎵銦(AlGaInN)系列等III族氮化物、氧化鋅(ZnO)系列等。
接著，形成一光阻層33於半導體磊晶疊層32之上表面321之上，且與半導體磊晶疊層32之上表面之第二區3212直接接觸。在此實施例中，此光阻層32可具有一與半導體磊晶疊層之第二區3212直接接觸之第一區331以及未接觸半導體磊晶疊層32之第二區332；即此光阻層可具有一底切(undercut)形狀。
接著，如第3B圖所示，以物理氣相沉積形成一第一金屬層34於半導體磊晶疊層之第一區3211與光阻層33之上，其中此第一金屬層34可分為形成於光阻層33之上的第一區341，以及形成於半導體磊晶疊層第一區3211之上的第二區342。其中第一金屬層的第二區342具有一與半導體磊晶疊層之上表面321平行之第一主平面3421且第一金屬層第二區342之兩邊緣的厚度為逐漸減薄。其中 第一金屬層之材料可選自反射率大於90%的材料。在一實施例中第一金屬層34之材料可選自Ag、Rh、Pd、Al及Pt等金屬材料或其合金。
接下來，如第3C圖所示，同樣使用光阻層33，以物理氣相沉積，如蒸鍍或濺鍍形成一第二金屬層35於上述第一金屬層34之上，其中此第二金屬層35可分為形成於第一金屬層第一區341之上的第一區351，以及形成於第一金屬層第二區342之上的第二區352。其中第二金屬層的第二區352具有一與第一金屬層第一主平面3421平行之第二主平面3521且第二金屬層第二區352之兩邊緣的厚度為漸進式減薄。
在本實施例中，因為第二金屬層35之材料相對第一金屬層34為一具伸張應力之金屬材料，因此在沉積第二金屬層的第一區351於第一金屬層第一區341之上時，上述光阻層33會因為第二金屬層的第一區351沈積之厚度增加而產生形變，且此形變量隨第二金屬層之第一區351沈積之厚度增加而增加。此形變之光阻層33’之形變程度可隨第二金屬層之第一區351沈積之厚度增加而增加。在一實施例中光阻層33’之形變包含往下收縮或往上翹曲。在一實施例中，此第二金屬層35之材料可選自Ti、V、Cr、Ni、Cu、Nb、Ru、Pd、W及上述材料之合金。在一實施例中此第二金屬層35之材料可為Ni及Ti之合金。
在一實施例中，光阻層33’的形變為往上翹曲，而使得第二金屬層第二區352之沉積邊緣可超過第一金屬層第二區342之邊緣。在一實施例中，第二金屬層第二區352之邊緣與第一金屬層第二區342之邊緣的最小距離可為3~10μm。
在一實施例中，如第3C圖所示，第一金屬層第二區342之邊緣與半導體磊晶疊層第一區3211具有一夾角α；第二金屬層第二區352之邊緣與半導體磊晶疊層第一區3211具有一夾角β，且α或β<10°。
在另一實施例中，如第3D圖所示，可選擇性地使用光阻 層33’，以物理氣相沉積，如蒸鍍或濺鍍形成一第三金屬層36於上述第二金屬層35之上，其中此第三金屬層36可分為形成於第二金屬層第一區351之上的第一區361，以及形成於第二金屬層第二區352之上的第二區362。其中第三金屬層的第二區352具有一與第二金屬層第一主平面3521平行之第二主平面3621且第三金屬層第二區362之兩邊緣的厚度為漸進式減薄。在一實施例中第二金屬層35及/或第三金屬層36可作為一擴散阻障層。在一實施例中此第三金屬層36之反射率小於第一金屬層34之反射率。
最後，如第3E圖所示，移除光阻層33’，且形成一第二電極(未顯示)於基板30或半導體磊晶疊層32之上而完成一本發明製程所製作之光電元件300。在本發明中，因為第一金屬層34、第二金屬層35或第三金屬層36皆使用同一光阻層33可簡化製程，且因為第二金屬層35可使光阻層33產生形變，因此可於一次黃光製程中形成第一金屬層34及第二金屬層35，並維持其功能性。換句話說，在本發明中，由於可減少兩次黃光製程需預留的對準偏差線寬，因此可將原本預留之對準偏差線寬用作第一金屬層34的區域以增加反射區域，並相對減少反射較差的第二金屬層35之沉積區域，以漸少對光線的吸收進而增加本發明光電元件300之光取出效率。
第4A-4B圖係顯示本發明電極設計之二次電子顯微鏡圖。如第4A圖所示，依本發明製作流程所產生之光阻層33’的形變為往上翹曲，而使得第二金屬層第二區352之沉積邊緣可超過第一金屬層第二區342之邊緣。而第4B圖係第4A圖之進一步放大，而可更清楚的看出第二金屬層第二區352之沉積邊緣可超過第一金屬層第二區342之邊緣。
第5A圖至第5C圖係繪示出一發光模組示意圖，第5A圖係顯示一發光模組外部透視圖，一發光模組500可包含一載體502，產生自本發明任一實施例之發光元件(未顯示)，複數個透鏡504、506、508及510，及兩電源供應終端512及514。
第5B-5C圖係顯示一發光模組剖面圖，且第5C圖係第5B 圖之E區的放大圖。其中載體502可包含一上載體503及下載體501，其中下載體501之一表面可與上載體503接觸，且包含透鏡504及508形成在上載體503之上。上載體503可形成至少一通孔515，且依本發明實施例形成之發光元件300可形成在上述通孔515中並與下載體501接觸，且被膠材521包圍，並在膠材521之上形成一透鏡508。
在一實施例中，通孔515之兩側壁之上可形成一反射層519增加發光元件300之發光效率；下載體501之下表面可形成一金屬層517以增進散熱效率。
第6A-6B圖係繪示出一光源產生裝置示意圖600，一光源產生裝置600可包含一發光模組500、一外殼540、一電源供應系統(未顯示)以供應發光模組600一電流、以及一控制元件(未顯示)，用以控制電源供應系統(未顯示)。光源產生裝置600可以是一照明裝置，例如路燈、車燈或室內照明光源，也可以是交通號誌或一平面顯示器中背光模組的一背光光源。
第7圖係繪示一燈泡示意圖。燈泡900包括一個外殼921，一透鏡922，一照明模組924，一支架925，一散熱器926，一連接部927及一電連接器928。其中照明模組924係包括一載體923，並在載體923上包含至少一個上述實施例中的光電元件300。
於本發明之一實施例中，半導體磊晶疊層32與基板30間尚可選擇性地包含一緩衝層(buffer layer，未顯示)。此緩衝層係介於二種材料系統之間，使基板之材料系統”過渡”至半導體系統之材料系統。對發光二極體之結構而言，一方面，緩衝層係用以降低二種材料間晶格不匹配之材料層。另一方面，緩衝層亦可以是用以結合二種材料或二個分離結構之單層、多層或結構，其可選用之材料係如：有機材料、無機材料、金屬、及半導體等；其可選用之結構係如：反射層、導熱層、導電層、歐姆接觸(ohmic contact)層、抗形變層、應力釋放(stress release)層、應力調整(stress adjustment)層、接合(bonding)層、波長轉換層、及機械固定構造等。
半導體磊晶疊層32上更可選擇性地形成一接觸層(未顯示)。接觸層係設置於半導體磊晶疊層32遠離基板30之一側。具體而言，接觸層可以為光學層、電學層、或其二者之組合。光學層係可以改變來自 於或進入活性層的電磁輻射或光線。在此所稱之「改變」係指改變電磁輻射或光之至少一種光學特性，前述特性係包含但不限於頻率、波長、強度、通量、效率、色溫、演色性(rendering index)、光場(light field)、及可視角(angle of view)。電學層係可以使得接觸層之任一組相對側間之電壓、電阻、電流、電容中至少其一之數值、密度、分布發生變化或有發生變化之趨勢。接觸層之構成材料係包含氧化物、導電氧化物、透明氧化物、具有50%或以上穿透率之氧化物、金屬、相對透光金屬、具有50%或以上穿透率之金屬、有機質、無機質、螢光物、磷光物、陶瓷、半導體、摻雜之半導體、及無摻雜之半導體中至少其一。於某些應用中，接觸層之材料係為氧化銦錫、氧化鎘錫、氧化銻錫、氧化銦鋅、氧化鋅鋁、與氧化鋅錫中至少其一。若為相對透光金屬，其厚度較佳地約為0.005μm~0.6μm。在一實施例中，由於接觸層具有較佳的橫向電流擴散速率，可以用以協助電流均勻擴散到半導體磊晶疊層32之中。一般而言，根據接觸層摻混的雜質與製程的方式不同而有所變動，其能隙的寬度可介於0.5eV至5eV之間。
以上各圖式與說明雖僅分別對應特定實施例，然而，各個實施例中所說明或揭露之元件、實施方式、設計準則、及技術原理除在彼此顯相衝突、矛盾、或難以共同實施之外，吾人當可依其所需任意參照、交換、搭配、協調、或合併。雖然本發明已說明如上，然其並非用以限制本發明之範圍、實施順序、或使用之材料與製程方法。對於本發明所作之各種修飾與變更，皆不脫本發明之精神與範圍。

Claims (10)

  1. 一種光電元件，包含：一半導體疊層；一第一金屬層包含一第一金屬材料，形成於該半導體疊層之上，其中該第一金屬層具有一第一主平面及一第一邊緣，該第一金屬層的厚度自該第一主平面朝該第一邊緣漸減；一第二金屬層，形成於該第一金屬層之上，其中該第二金屬層具有一與該第一主平面平行之第二主平面及一第二邊緣；其中該第二金屬層的厚度自該第二主平面朝該第二邊緣漸減，且該第二邊緣超過該第一邊緣，其中該第一邊緣與該半導體疊層具有一夾角小於10度，及該第二邊緣與該半導體疊層具有一夾角小於10度；及一擴散阻障層，形成於該第二金屬層之上，其中該擴散阻障層之反射率小於該第一金屬層之反射率；其中該第二金屬層由一Ni及Ti之合金構成。
  2. 一種光電元件，包含：一半導體疊層；一第一金屬層形成於該半導體疊層之上，其中該第一金屬層具有一第一主平面及一第一邊緣；及一第二金屬層形成於該第一金屬層之上，其中該第二金屬層具有一與該第一主平面平行之第二主平面及一第二邊緣，該第二邊緣超過該第一邊緣且與該第一邊緣的最小距離大於3μm，其中該第 一邊緣與該半導體疊層具有一夾角小於10度，及/或該第二邊緣與該半導體疊層具有一夾角小於10度。
  3. 如請求項第2項所述之光電元件，其中該第一金屬層之材料選自Ag、Rh、Pd、Al、Pt及上述材料之合金所組成之群組；其中該第二金屬層之材料選自Ti、V、Cr、Ni、Cu、Nb、Ru、Pd及上述材料之合金所組成之群組。
  4. 如請求項第2項所述之光電元件，其中更包含一第三金屬層形成於該第二金屬層之上，其中該第三金屬層具有一與該第一主平面平行之第三主平面及一第三邊緣，其中該第三邊緣超過該第二邊緣，該第三金屬層為一擴散阻障層，該第三金屬層之反射率小於該第一金屬層之反射率。
  5. 一種製造一光電元件之方法，包含下列步驟：提供一半導體疊層，包含一第一區域以及一第二區域；形成一光阻層於該半導體疊層之該第一區域上；形成一第一金屬層於該光阻層、及該半導體疊層之該第二區域上，其中位於該第二區域上之該第一金屬層具有一第一主平面和一第一邊緣；及形成一第二金屬層於該第一金屬層上，其中位於該第二區域上之該第二金屬層具有一第二主平面和一第二邊緣；其中該光阻層包含一形變，該形變包含往上翹曲或往下翹曲。
  6. 一種製造一光電元件之方法，包含下列步驟：提供一半導體疊層，包含一第一區域以及一第二區域； 形成一光阻層於該半導體疊層之該第一區域上；形成一第一金屬層於該光阻層、及該半導體疊層之該第二區域上，其中位於該第二區域上之該第一金屬層具有一第一主平面和一第一邊緣；及形成一第二金屬層於該第一金屬層之上，其中位於該第二區域上之該第二金屬層具有一第二主平面和一第二邊緣；其中該光阻層包含一形變，該形變程度隨該第二金屬層之厚度增加而增加。
  7. 一種製造一光電元件之方法，包含下列步驟：提供一半導體疊層，包含一第一區域以及一第二區域；形成一光阻層於該半導體疊層之該第一區域上；形成一第一金屬反射層於該光阻層、及該半導體疊層之該第二區域上，其中位於該第二區域上之該第一金屬反射層具有一第一主平面和一第一邊緣；形成一第二金屬層於該光阻層、該半導體疊層之該第二區域及該第一金屬反射層上，其中位於該第二區域上之該第二金屬層具有一第二主平面和一第二邊緣；及形成一第三金屬層於該光阻層、該半導體疊層之該第二區域及該第二金屬層上，其中位於該第二區域上之該第三金屬層具有一第三主平面和一第三邊緣。
  8. 如請求項第5項至第7項中任一項所述之方法，其中於形成該第二金屬層於該第一金屬反射層上之步驟中，一部分該 第二金屬層形成於該光阻層上；其中該第二金屬層之材料相對該第一金屬反射層為一具伸張應力之金屬材料。
  9. 如請求項第5項至第7項中任一項所述之方法，其中該光阻層具有一底切形狀。
  10. 如請求項第7項所述之方法，其中該第三金屬層為一擴散阻障層，該第三金屬層之反射率小於該第一金屬反射層之反射率。
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