TWI664746B - 半導體發光元件 - Google Patents

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駱武聰
李世昌
楊宇智
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Abstract

一種半導體發光元件，包含一疊層結構具有一反射層、一第一電性半 導體疊層位於反射層上、一主動層位於第一電性半導體疊層上，以及一第二電性半導體疊層位於主動層上；以及一第一電極位於疊層結構上，其中疊層結構更包含一氧化層不露出於疊層結構之外側壁。

Description

半導體發光元件
本發明係關於一種具有反射層之發光二極體的結構及其製造方法。
傳統的發光二極體其活性層產生的可見光往下入射至成長基板時，如果成長基板的能隙小於活性層的能隙，可見光會被成長基板吸收，而降低發光效率。為了避免可見光被成長基板吸收，習知技術包含加入布拉格反射結構(Distributed Bragg Reflector；DBR)於成長基板上，藉以反射入射向成長基板的可見光，並減少成長基板吸收。然而一般DBR反射結構疊層間的折射率差異不大，反射效果有限。
一種半導體發光元件，包含一疊層結構具有一反射層、一第一電性半導體疊層位於反射層上、一主動層位於第一電性半導體疊層上，以及一第二電性半導體疊層位於主動層上；以及一第一電極位於疊層結構上，其中疊層結構更包含一氧化層不露出於疊層結構之外側壁。
1‧‧‧半導體疊層
1a‧‧‧外側壁
1b‧‧‧上表面
10‧‧‧主動層
11‧‧‧第一電性半導體疊層
111‧‧‧第一限制層
112‧‧‧第一包覆層
12‧‧‧第二電性半導體疊層
121‧‧‧第二限制層
122‧‧‧第二包覆層
123‧‧‧第二出光層
124‧‧‧第二接觸層
14‧‧‧反射層
141‧‧‧第一折射率層
142‧‧‧第二折射率層
15‧‧‧氧化層
15’‧‧‧氧化區
16‧‧‧孔洞
161‧‧‧溝槽孔洞
162‧‧‧圓形孔洞
16a‧‧‧孔壁
17‧‧‧絕緣材料
18‧‧‧切割道
2‧‧‧第一電極
21‧‧‧電流注入區域
22‧‧‧延伸區域
221‧‧‧指狀電極
222‧‧‧環繞電極
23‧‧‧電流阻擋結構
3‧‧‧第二電極
4‧‧‧基板
100‧‧‧半導體發光元件
200‧‧‧半導體發光元件
L‧‧‧邊界
S‧‧‧距離
第1A及1B圖係為依本申請第一實施例之半導體發光元件100示意圖；第2A~2C圖係為依本申請第二實施例之半導體發光元件200之示意圖；第3A~3E圖係為依本申請之半導體發光元件之製程方法示意圖。
第一實施例
第1A及1B圖係為依本申請第一實施例之半導體發光元件100示意圖，其中第1B圖係為半導體發光元件100的上視圖，第1A圖係為第1B圖中沿著剖面線CC’的剖面圖。半導體發光元件100包含一基板4以及一半導體疊層1位於基板4上，，其中半導體疊層1包含一反射層14、一第一電性半導體疊層11、一主動層10位於第一電性半導體疊層11上，以及一第二電性半導體疊層12位於主動層10上；複數個封閉的孔洞16穿透半導體疊層1，從第二電性半導體疊層12的上表面1b延伸至基板4並露出部分的反射層14於孔洞16的側壁，每一個孔洞16皆被半導體疊層1圍繞，孔洞16的直徑介於2μm到20μm之間；一絕緣材料17填入孔洞16中且覆蓋在孔壁16a上以避免短路；一第一電極2位於第二電性半導體疊層12的上表面1b且覆蓋部分的孔洞16；以及一第二電極3設置在基板4相對於半導體疊層1的另一側上，可藉由第一電極2以及第二電極3導入一電流，使主動層10發出一光線。
請參考第1B圖，複數個孔洞16係均勻地分散在上表面1b，第一電極2包含一電流注入區域21與複數延伸區域22自電流注入區域21向外延伸，其中，電流注入區域21位於上表面1b的中央且覆蓋部分的孔洞16，用以打線引入外部電流；延伸區域22與第二電性半導體疊層12形成歐姆接觸，且延伸至該上表面1b的一邊界L並覆蓋部分的孔洞16，用以將電流散佈至半導體疊層1中，其餘未被第一電極2覆蓋的孔洞16露出於上表面1b。第二電性半導體疊層12的上表面1b未被第一電極2覆蓋的部分係為一出光面，並可為一粗化表面用以散射主動層10發出之光線以提高光取出率，粗化表面上相鄰的一高點與一低點在垂直方向上的距離介於500Å及3000Å之間。在本實施例中，基板4包含一單晶基板用於磊晶成長半導體疊層1或一接合基板透過接合製程與半導體疊層1接合。基板4包含一導電材料如半導體或金屬，其中半導體材料包含砷化鎵(GaAs)、矽(Si)、磷化銦(InP)或氮化鎵(GaN)；金屬材料包含鍺(Ge)、銅(Cu)或銅鎢(CuW)。第一電極2係由金屬材料所構成，包含鍺(Ge)、金(Au)、鎳(Ni)、鍺金合金、或鍺金鎳合金；第二電極3係由金屬材料所構成，包含鍺(Ge)、金(Au)、鎳(Ni)、鍺金合金、或鍺金鎳合金。絕緣材料17包含氮化鋁(AlNx)、氧化鋁(AlOx)、氧化矽(SiOx)、氮化矽(SiNx)或苯并環丁烯(BCB)。
由於第一電性半導體疊層11以及第二電性半導體疊層12的能隙大於主動層10之能隙，因此可有效限制電子及電洞於主動層內以提高發光效率，並且光線可直接穿透第二電性半導體疊層12從上表面1b或半導體疊層1的外側壁1a射出，或是先經由反射層14反射後從半導體疊層1的上表面1b或者半導體疊層1的外側壁1a射出。
第一電性半導體疊層11包含第一限制層(confining layer)111以及第一包覆層(cladding layer)112，第二電性半導體疊層12包含第二限制層121、第二包覆層122、第二出光層(window layer)123以及第二接觸層(contact layer)124，其中第一及第二包覆層112、122可分別提供電子、電洞於主動層10中復合以發光，第一及第二限制層111、121用以提升電子、電洞於主動層10中復合的機率，第二出光層123用以提高從主動層10射出之光線取出率，第二接觸層124與第一電極2形成歐姆接觸，在本實施例中，第二電性半導體疊層12未包含布拉格反射層(Distributed Bragg reflector,DBR)在主動層10上方，與一般的雷射二極體有所差異。第一電性半導體疊層11、主動層10以及第二電性半導體疊層12之材料可包含Ⅲ-V族半導體材料，例如AlxInyGa(1-x-y)As或AlxInyGa(1-x-y)P，0≦x,y≦1；(x+y)≦1，其中第一電性半導體疊層11以及第二電性半導體疊層12依據摻雜不同的元素可帶有不同的電性，本實施例中，第一電性半導體疊層11係為一n型半導體，第二電性半導體疊層12係為一p型半導體。依據主動層10之材料，主動層10可發出峰波長介於550nm及600之間的黃光、峰波長介於600nm及720nm之間的紅光，或是峰波長大於720nm的紅外光。
位於基板4與第一電性半導體疊層11之間的反射層14可為布拉格反射層(Distributed Bragg reflector,DBR)，由複數對折射率相異的第一折射率層141與第二折射率層142交互堆疊所組成，此對數介於5到50之間。第一折射率層141的材料可為AlaGa1-aAs，0.8≦a≦1，第一折射率層141對於主動層10發出之光線的折射率介於3到3.4之間；第二折射率層142的材料可為AlbGa1-bAs，0≦b<0.8，或(AlbGa1-b)0.5In0.5P，0≦b<0.8，其中當第二折射率層142的材料為 AlbGa1-bAs，0≦b<0.8時，對於主動層10發出之折射率介於3.4到3.8之間，當第二折射率層142的材料為(AlvGa1-v)0.5In0.5P，0≦v<0.8時，對於主動層10發出之折射率介於2.8到3.2之間；藉由第一折射率層141與第二折射率層142兩者之間的折射率差異造成的全反射介面，反射層14對於從主動層10發出之光線的反射率大於80%。由於第一折射率層141的材料為AlaGa1-aAs，0.8≦a≦1，含有高濃度的Al含量因此易於氧化，因此在一溼式氧化製程(wet oxidation process)中，第一折射率層141自每一個複數個孔洞16的孔壁16a向內氧化形成氧化層15，如第1B圖半導體發光元件100的上視圖所示，氧化層15包含複數個氧化區15’環繞每一個孔洞16，氧化層15的面積為半導體疊層1之上表面1b的上視投影面積的30%到70%之間。相鄰的孔洞16之間仍保有部分未被氧化的第一折射率層141介於兩氧化區15’之間，其中未被氧化的第一折射率層141具有一寬度介於20%到80%的相鄰的孔洞16之間之距離S。經過溼式氧化製程形成的氧化層15之折射係數介於1.6到1.8之間，而第二折射率層142之折射係數大於2.8，二者折射係數差異至少大於1以上，因此氧化層15與第二折射率層142之間折射率差異所形成之複數個全反射界面使得反射層14對於主動層10所射出之光線的反射率超過90%；且每一個氧化層15與第二折射率層142之間之臨界角超過32度，大於第一折射率層141與第二折射率層142之間之臨界角。
部分的氧化區15’對應部分的孔洞16位於電流注入區域21與延伸區域22的正下方，氧化層15的材質例如為氧化鋁，係為一電絕緣材料，可當作電流阻擋層(Current blocking)以避免電流集中在電流注入區域21與延伸區域22的正下方流過半導體疊層1，達到強迫電流分散的效果以提高發光效率，且氧化區 15’與第二折射率層142之間之全反射界面的反射率較未氧化的第一折射率層141與第二折射率層142之間之全反射界面的反射率為高。此外，氧化區15’及孔洞16均勻散佈在半導體疊層1中，可增加光線被反射離開半導體疊層1的機率。本實施例的氧化區15’未露出於半導體疊層1之外側壁1a，亦即每一個氧化區15’皆被第一折射率層141所環繞，可減少氧化區15’與第二折射率層142之界面因露出於外側壁1a而導致界面容易剝離的現象，並且可降低在後段的切割作業中裂片的現象，提升元件的信頼度及良率。氧化層的面積與半導體疊層1之上表面1b的上視投影面積比例，例如介於30%到70%之間，以提升半導體發光的亮度。於本發明之一實施例中，發光元件未包含一布拉格反射層(Distributed Bragg reflector,DBR)位於主動層10上方，以發出一非同調光(incoherent light)具有一遠場光學角度(far field angle)大於100度。
第二實施例
第2A到2C圖係為依本申請第二實施例之半導體發光元件200示意圖，其中第2B圖係為半導體發光元件200的上視圖之一實施例，第2A圖係為第2B圖中沿著虛線AA’的剖面圖。第二實施例與第一實施例的差異在於複數個孔洞16全部露出於半導體疊層1之上表面1b，並沿著延伸區域22排列，如第2B圖的上視圖所示，複數個孔洞16的上視形狀包含複數個線型溝槽161沿著延伸區域22排列，其中，延伸區域22包含指狀電極221以及環繞電極222，其中指狀電極221的自電流注入區域21向邊界L延伸且與邊界L垂直，環繞電極222與指狀電極221的端點連接且與邊界L平行，具有與邊界L相同的形狀。第2C圖係為半導體發光元件200的上視圖之另一實施例，第2A圖係為第2C圖中沿著虛線BB’的剖面圖， 其中，複數個孔洞16的上視形狀包含複數個圓形孔洞162沿著延伸區域22排列。在本實施例中，圍繞每一個複數個孔洞16的氧化區15’至少延伸至延伸區域22的正下方，用以強迫電流分散，避免電流集中在延伸區域22的正下方流過半導體疊層1。一電流阻擋結構23可選擇性形成在電流注入區域21與第二電性半導體疊層12之間，用以強迫電流分散，避免電流集中在電流注入區域21的正下方流過半導體疊層1，電流阻擋結構23的材料係為一電絕緣材料，例如氮化鋁(AlNx)、氧化鋁(AlOx)、氧化矽(SiOx)或氮化矽(SiNx)。
第三實施例
第3A到3E圖係依本發明實施例之製程方法於各步驟之對應結構示意圖。請參閱第3A圖以及第3B圖，根據本發明所揭露的半導體發光元件之製程方法包括提供一基板4，接著在基板4上磊晶成長一半導體疊層1，半導體疊層1包含一反射層14、一第一電性半導體疊層11、一主動層10位於第一電性半導體疊層11上，以及一第二電性半導體疊層12位於主動層10上，其中反射層14由數對折射率相異的第一折射率層141與第二折射率層142交互堆疊所組成，本實施例中，此對數介於5到50之間。第一折射率層141的材料可為AlaGa1-aAs，0.8≦a≦1，第一折射率層141對於主動層10發出之光線的折射率介於3到3.4之間；第二折射率層142的材料可為AlbGa1-bAs，0≦b<0.8，或(AlbGa1-b)0.5In0.5P，0≦b<0.8，其中當第二折射率層142的材料為AlbGa1-bAs，0≦b<0.8時，對於主動層10發出之折射率介於3.4到3.8之間，當第二折射率層142的材料為(AlvGa1-v)0.5In0.5P，0≦v<0.8時，對於主動層10發出之折射率介於2.8到3.2之間。第一電性半導體疊層11包含第一限制層(confining layer)111以及第一包覆層(cladding layer)112，第二電 性半導體疊層12包含第二限制層121、第二包覆層122、第二出光層(window layer)123以及第二接觸層(contact layer)124，其中第一及第二包覆層112、122可分別提供電子、電洞於主動層10中復合以發光，第一及第二限制層111、121用以提升電子、電洞於主動層10中復合的機率，第二出光層123用以提高從主動層10射出之光線取出率，第二接觸層124與第一電極2形成歐姆接觸。y第一電性半導體疊層11、主動層10以及第二電性半導體疊層12之材料可包含Ⅲ-V族半導體材料，例如AlxInyGa(1-x-y)As或AlxInyGa(1-x-y)P，0≦x,y≦1；(x+y)≦1，其中第一電性半導體疊層11以及第二電性半導體疊層12依據摻雜不同的元素可帶有不同的電性，本實施例中，第一電性半導體疊層11係為一帶負電的n型半導體，第二電性半導體疊層12係為一帶正電的p型半導體。依據主動層10之材料，主動層10可發出峰波長介於550nm及600之間的黃光、峰波長介於600nm及720nm之間的紅光，或是峰波長大於720nm的紅外光。
接續如第3C圖所示，圖形化蝕刻半導體疊層1，形成封閉的複數個孔洞16穿透半導體疊層1或者至少露出部分的反射層14，每一個孔洞16皆被半導體疊層1圍繞，複數個孔洞16從第二電性半導體疊層12的上表面1b延伸至露出基板4或者僅露出部分的反射層14，孔洞16的直徑介於2μm到20μm之間。
接續如第3D圖所示，由於第一折射率層141的特性較第二折射率層142易於氧化，故提供一溼式氧化製程(wet oxidation process)，將每一個複數個孔洞16的孔壁16a暴露於含有水氣的環境中，在高溫約300℃~800℃下，由孔壁16a向內氧化第一折射率層141以形成含有氧化鋁(AlmOn)的氧化層15，其中m 及n為整數。相鄰的孔洞16之間部分仍為未氧化的第一折射率層141。第一折射率層141的氧化速率與溫度及鋁含量成正比。
氧化層15包含複數個氧化區15’環繞每一個孔洞16，兩相鄰的孔洞16之間的距離S上仍保有部分未被氧化的第一折射率層141，其中未被氧化的第一折射率層141部分具有一寬度介於20%到80%的相鄰的孔洞16之間之距離S。氧化層15所含之氧化鋁(AlmOn)的折射係數介於1.6到1.8之間，而第二折射率層142之折射係數大於2.8，二者折射係數差異至少大於1以上，因此氧化層15與第二折射率層142之間折射率差異所形成之複數個全反射界面，使得反射層14對於主動層10所射出之光線的反射率超過90%；且每一個氧化層15與第二折射率層142之間的臨界角超過32度，大於第一折射率層141與第二折射率層142之間的臨界角。
形成一絕緣材料17覆蓋在孔洞16中以避免短路，其中絕緣材料17的材料包含氮化鋁(AlNx)、氧化鋁(AlOx)、氧化矽(SiOx)、氮化矽(SiNx)或苯并環丁烯(BCB)。形成一第一電極2以及一第二電極3，其中第一電極2位於第二電性半導體疊層12的上表面1b且覆蓋部分的複數個孔洞16，以蝕刻的方式去除未被第一電極2覆蓋的第二接觸層124。第二電極3形成在基板4相對於半導體疊層1的另一側上，其中第一電極2及第二電極3皆係金屬材料所構成，包含鍺(Ge)、金(Au)、鎳(Ni)、鍺金合金、或鍺金鎳合金。接著，以蝕刻或切割的方式，在半導體疊層1上形成切割道18並穿過該第一折射率層141未被氧化的部分，以定義出複數個半導體發光元件並露出外側壁1a，氧化區15’隨著複數個孔洞16均勻地分散在半導體疊層1中，每一個氧化區15’皆被第一折射率層141所環繞且未露出於外側壁1a。如第1B圖所示半導體發光元件100的上視圖，複數個孔洞16均勻地分散在上 表面1b，氧化層15的面積為半導體疊層1之上表面1b的上視投影面積之5%到50%之間。第一電極2包含一電流注入區域21與至少一延伸區域22與電流注入區域21連接，其中，電流注入區域21位於上表面1b的中央覆蓋部分位於上表面1b中央的孔洞16，用以打線引入外部電流；延伸區域22與第二電性半導體疊層12形成歐姆接觸，延伸至該上表面1b的一邊界L且覆蓋部分的孔洞16，用以將電流散佈至半導體疊層1中電流注入區域21以下之其他的區域，其餘未被第一電極2覆蓋的孔洞16露出於上表面1b；第二電性半導體疊層12的上表面1b未被第一電極2覆蓋的部分，係為一粗化表面用以提高光取出率，粗化表面上，相鄰的一高點與一低點在垂直方向上的距離介於500Å及3000Å之間。後續上表面1b的粗化表面以及外側壁1a上，披覆一鈍化層(未顯示)以保護半導體疊層1避免短路。
由第一電極2以及第二電極3導入一電流，使主動層10發出一光線，其中光線係為非同調光(incoherent light)，由於第一電性半導體疊層11以及第二電性半導體疊層12的能隙大於主動層10之能隙，第一電性半導體疊層11以及第二電性半導體疊層12對於主動層10發出之光線的透明度超過50%，光線可直接穿透第二電性半導體疊層12從上表面1b或半導體疊層1的外側壁1a射出，或是先經由反射層14反射後從半導體疊層1的上表面1b或者半導體疊層1的外側壁1a射出。
接續如第3E圖所示，施以一分離製程沿著切割道18形成複數個半導體發光晶粒，每一半導體發光晶粒之結構如前述各實施例詳述之半導體發光元件之結構，其中，分離製程包含劈裂或雷射切割。由於氧化層15隨著孔洞16均勻地分散在半導體疊層1中，可有效地降低氧化區15’產生的應力，且氧化層 區15’沒有外露在半導體疊層1的外側壁1a上，在後段的分離製程中，可降低氧化層15與第二折射率層142之間的介面破裂的機率。
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。

Claims (10)

  1. 一種半導體發光元件，包含：一疊層結構，包含一主動層；複數個孔洞，形成於該疊層結構中且具有一第一部分及一第二部分；一電流阻擋層，形成於該疊層結構中；以及一第一電極，位於該疊層結構上且覆蓋該第一部份而未覆蓋該第二部分。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光元件，其中於該上視圖中，該第一電極包含一電流注入區域與複數個延伸區域，該複數個延伸區域自該電流注入區域向外延伸。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光元件，其中該電流阻擋層包含複數個氧化區，該等氧化區之其中之一與該第一電極於一垂直方向上重疊。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光元件，更包括一基板，其中，該疊層結構位於該基板的一側上且具有一上表面，該複數個孔洞自該上表面延伸至該基板。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光元件，更包含一絕緣材料填入在該複數個孔洞之中。
  6. 如申請專利範圍第3項所述之半導體發光元件，其中該疊層結構包含一反射層，該反射層包含複數個第一折射率層與複數個第二折射率層交互堆疊，該第一折射率層與該第二折射率層的折射率相異。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之半導體發光元件，其中該第一折射率層包含複數個未氧化區及該複數個氧化區。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之半導體發光元件，其中該第一電極與該複數個未氧化區之一於該垂直方向上重疊。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光元件，其中，該疊層結構更包含一出光層，該出光層具有一粗化表面。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光元件，其中該電流阻擋層包含鋁。
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