TWI699906B - 半導體發光元件 - Google Patents

Abstract

一種半導體發光元件，包含一磊晶疊層具有一第一半導體層、一第二半導體層以及一主動層位於該第一半導體層以及該第二半導體層之間用以產生一光波；以及一主要出光面位於該第一半導體層之上，該光波穿透過該主要出光面；其中，該主要出光面包含一第一出光區域、一第二出光區域以及一最大近場發光強度，該第一出光區域內的近場發光強度分佈介於該最大近場發光強度的70%到100%之間，該第二出光區域內的近場發光強度分佈介於該最大近場發光強度的0%到70%之間。

Description

半導體發光元件

本發明係關於一種發光二極體的結構設計。

請見第1圖，為一習知的發光二極體100(light-emitting diode)結構之示意圖，包含一基板5b、一磊晶結構1b以及兩電極2與9b，其中磊晶結構1b包含一第一半導體疊層11b、一主動層10b以及一第二半導體疊層12b，電極2形成於磊晶結構1b的上表面用以透過金屬導線2b連接至外部電源，電極9b形成於基板5b下方’，電極2以及電極9b用以傳導外部電流流經主動層10b，使主動層10b中的電子電洞彼此複合(recombination) ，釋放出一定峰波長的光子而使發光二極體100發光。但是，當發光二極體的體積縮小時，晶粒側壁因蝕刻造成的晶格缺陷使得非幅射複合效應(non-radiative recombination)的影響變得顯著，使得發光效率下降。

本發明在提供一種半導體發光元件，包含一磊晶疊層具有一第一半導體層、一第二半導體層以及一主動層位於該第一半導體層以及該第二半導體層之間用以產生一光波；以及一主要出光面位於該第一半導體層之上，該光波穿透過該主要出光面；其中，該主要出光面包含一第一出光區域、一第二出光區域以及一最大近場發光強度，該第一出光區域內的近場發光強度分佈介於該最大近場發光強度的70%到100%之間，該第二出光區域內的近場發光強度分佈介於該最大近場發光強度的0%到70%之間。

第一實施例

第2A圖係為依本申請第一實施例之半導體發光元件1A示意圖。半導體發光元件1A包含一磊晶結構1，其中磊晶結構1包含一第一半導體疊層11、一主動層10以及一第二半導體疊層12；一正面電極21位於第一半導體疊層11的上表面11a的中心位置，與第一半導體疊層11形成歐姆接觸，第一半導體疊層11的上表面11a未被正面電極21覆蓋的部分係為一粗化表面用以提高光取出率；一第二歐姆接觸結構22位於第二半導體疊層12的下表面12a的中心位置，與第二半導體疊層12形成歐姆接觸；一反射疊層3位於第二半導體疊層12的下表面12a上，覆蓋第二半導體疊層12以及第二歐姆接觸結構22，其中反射疊層3包含一透明導電層31覆蓋第二半導體疊層12以及第二歐姆接觸結構22、一金屬反射層32覆蓋透明導電層31以及一障蔽層33覆蓋在金屬反射層32上；一導電基板5藉由一黏著層4與反射疊層3黏合；以及一背電極9設置在導電基板5相對於反射疊層3的另一側上，其中可藉由正面電極21以及背電極9導入一電流，使主動層10發出一光線，此光線可穿透第一半導體疊層11以及第二半導體疊層12，第一半導體疊層11以及第二半導體疊層12的能隙大於主動層10之能隙，因此，第一半導體疊層11以及第二半導體疊層12對於主動層10發出之光線的透明度超過50%，光線可直接穿透第一半導體疊層11從上表面11a或磊晶結構1的側面1S射出，或是先經由反射疊層3反射後從磊晶結構1的上表面11a或者磊晶結構1的側面1S射出。

主動層10包含一多重量子井(Multiple Quantum Wells) 結構；第一半導體疊層11包含第一電性限制層（confining layer）111、第一電性包覆層（cladding layer）112、第一電性窗口層（window layer）113、以及第一電性接觸層（contact layer）114；第二半導體疊層12包含第二電性限制層121、第二電性包覆層122、第二電性窗口層123、以及第二電性接觸層124；其中，第一及第二電性包覆層112、122可分別提供電子、電洞於主動層10中復合以發光並具有比主動層10較大之能隙；第一及第二電性限制層111、121用以提升電子、電洞於主動層10中復合的機率並具有比主動層10較大之能隙；第一及第二電性窗口層113、123具有比包覆層較小之片電阻(sheet resistance) 以提高電流分散以及從主動層10射出之光線取出率；第一及第二電性接觸層114、124分別與正面電極21及第二歐姆接觸結構22形成歐姆接觸。第一半導體疊層11、主動層10以及第二半導體疊層12之材料可包含Ⅲ-Ⅴ族半導體材料，例如Al_x In_y Ga_(1-x-y) N或Al_x In_y Ga_(1-x-y) P，0≦x, y≦1；(x+y)≦1，其中第一電性以及第二電性係依據摻雜不同的元素而可帶有不同的電性，例如第一電性係為n型，第二電性係為p型；或第一半導體疊層11係為一n型半導體，第二半導體疊層12係為一p型半導體。依據主動層10之材料，磊晶結構1可發出峰波長介於610 nm及650 nm之間的紅光，峰波長介於530 nm及570 nm之間的綠光，或是峰波長介於440 nm及490 nm之間的藍光。

第3圖係為依本實施例之半導體發光元件1A之上視圖，半導體發光元件1A具有一邊緣8以界定上表面11a的形狀，上表面11a的形狀於本實施例為圓形，在其他的實施例中，上表面11a的形狀亦可為多邊形，例如長方形、不等長五邊形、不等長六邊形等，或者正多邊形，例如正方形、正五邊形、正六邊形等。正面電極21與第二歐姆接觸結構22分別位於上表面11a與下表面12a的中心位置，以減少電流流經磊晶結構1側面1S比例；在本實施例中，正面電極21與第二歐姆接觸結構22的面積分別佔第一半導體疊層11之上表面11a與第二半導體疊層12之下表面12a的面積約1%~10%之間，以避免正面電極21與第二歐姆接觸結構22的面積過大造成遮光，以及避免正面電極21過小造成正向起始電壓(forward threshold voltage)過高使發光效率降低，其中當正面電極21以及第二歐姆接觸結構22的面積分別佔上表面11a與下表面12a的面積約2%時，能夠獲得最佳的發光效率。

本實施例中，半導體發光元件1A的上表面11a的面積小於10000μm² ，或上表面11a的周長小於400μm，正面電極21位於上表面11a的中心且正面電極21與邊緣8之間的最小距離小於50μm，當磊晶結構1的厚度為10μm以上時，磊晶疊層1厚度與上表面11a周長的比例至少大於2.5%，電流在磊晶結構1內容易散佈開，使得流經半導體發光元件1A之磊晶結構1側面1S的電流比例增大。本實施例中，磊晶結構1的總厚度減薄至小於3μm以下或介於1μm~3μm之間，較佳的是介於1μm~2μm之間，使磊晶結構1厚度與上表面11a周長的比例減少到至少小於0.75%， 用以降低半導體發光元件1A的非輻射複合效應，提升發光效率。第一半導體疊層11的總厚度係為主動層10以上、上表面11a以下之間所有磊晶結構的總厚度，第二半導體疊層12的總厚度係為主動層10以下、下表面12a以上之間所有磊晶結構的總厚度，本實施例中，第一半導體疊層11的總厚度介於不大於1μm或較佳地1000 Å~5000 Å之間及/或第二半導體疊層12的總厚度不大於1μm或較佳地介於1000 Å~5000 Å之間，其中，第一半導體疊層11之第一電性限制層111，第一電性包覆層112以及第一電性窗口層113各層之厚度不大於2000 Å或較佳地介於500 Å ~1500 Å之間；第二半導體疊層12之第二電性限制層121，第二電性包覆層122以及第二電性窗口層123各層之厚度不大於2000 Å或較佳地介於500 Å ~1500 Å之間。第一、第二電性接觸層114、124之厚度不大於2000 Å或較佳地介於300 Å ~1500 Å之間。由於第一半導體疊層11的總厚度介於1000 Å~5000 Å之間，第一半導體疊層11之粗化表面係可採用濕蝕刻或乾蝕刻製程，並且為較精準掌握蝕刻的深度，可以電感耦合等離子體(ICP, Inductively Coupled Plasma)蝕刻法以避免蝕刻深度控制不佳造成穿透第一半導體疊層11的結構而產生漏電路徑，其中，第一半導體疊層11的粗化表面上，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。

本實施例中，半導體發光元件1A之上表面11a的形狀較佳地係為一圓形，且磊晶結構1之側面1S係經由ICP蝕刻製程轟擊而形成，因此磊晶結構1的側面1S係為一粗糙或不平整表面，使得流經半導體發光元件1A之磊晶結構1側面1S的電流比例增大，表面非輻射複合效應的影響增加，導致發光效率降低。為了減少磊晶結構1側面1S的面積，對於上表面11a的面積皆為10000μm² 的半導體發光元件1A來說，當上表面11a的形狀為圓形時，周長約為354μm，小於當上表面11a的形狀為周長為400μm的正方形，周長越短，磊晶結構1側面1S的面積越小，可降低粗糙側面1S的非輻射複合效應；且當上表面11a的形狀為圓形時，上表面11a中心的正面電極21與邊緣8之間的距離相同，亦有助於控制電流路徑侷限在磊晶結構1的內部區域。

如第3圖所示，半導體發光元件1A的上表面11a包含第一出光區域71與第二出光區域72，其中第一出光區域71位於上表面11a的中央部分，第二出光區域72位於第一出光區域71與邊緣8之間。當發光元件1A應用於顯示面板等小電流驅動裝置時，例如驅動電流密度介於0.1~1A/cm² 之間，上表面11a具有一近場發光強度（near-field luminous intensity）分佈S，最大近場發光強度100%位於第一出光區域71內，且第一出光區域71內的近場發光強度皆大於最大近場發光強度的70%，第二出光區域72內的近場發光強度介於最大近場發光強度的30%到70%之間；本實施例中，由於磊晶結構1總厚度大幅地縮小，減少了電流通過磊晶結構1的距離，可侷限電流在磊晶結構1內部而不易擴散至側邊；以及正面電極21與第二歐姆接觸結構22分別位於上表面11a與下表面12a的中心位置，可減少電流擴散至磊晶結構1側面1S的比例，以降低非輻射複合造成的發光效率損失。第一出光區域71的形狀近似於上表面11a的形狀為一圓形，且第一出光區域71與第二出光區域72的面積比介於0.25~0.45。

本實施例中，半導體發光元件1A的上表面11a的面積小於10000μm² ，當上表面11a的形狀為正方形時，周長小於400μm，當上表面11a的形狀為圓形時，周長約小於354μm，為了導入外部電流，若在上表面11a上以寬度約5~10μm的金屬導線連接至正面電極21時，上表面11a被金屬導線遮蔽的部分將至少佔2.5%以上，減少了正向出光面的面積，因此，如第2B圖所示，半導體發光元件1A於應用時，可進一步以背電極9接合於一次基板(sub-mount) 6B上之一電路結構，例如導線架，以形成一電性連接，並以一外部之透明電極6A連接至半導體發光元件1A之正面電極21以導入外部電流，其中透明電極6A的材料包含導電氧化物，例如氧化銦鋅、氧化銦鋅、氧化銦鎵鋅、氧化鋅或氧化鋁鋅。在其他實施例中，可將複數個半導體發光元件1A與次基板6B上的電路結構電性連接，並透過透明電極6A同時連接複數個半導體發光元件1A之正面電極21以形成並聯、串聯或串並聯。本實施例的第一半導體疊層11例如為n型半導體，透明電極6A與正面電極21形成歐姆接觸。正面電極21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。第二歐姆接觸結構22位於磊晶結構1的相對於上表面11a的下表面12a上，並與第二半導體疊層12歐姆接觸，其中第二半導體疊層12的第二電性第二接觸層124之摻雜濃度約1*10¹⁹ /cm³ ，第二歐姆接觸結構22可採用透明氧化金屬材料，例如氧化銦錫，以與第二半導體疊層12形成歐姆接觸，並可增加光線穿透第二半導體疊層12之下表面12a的比率。第二歐姆接觸結構22上的透明導電層31材料包含但不限於氧化銦鋅、氧化銦鎵鋅、氧化鋅或氧化鋁鋅，在透明導電層31上的金屬反射層32材料包含銀(Ag)、鋁(Al)或金(Au)等對於主動層發出的光線反射率大於95%的材料，其中透明導電層31用以隔開以避免金屬反射層32與第二半導體疊層12直接接觸，避免當半導體發光元件1A在電流長期地驅動下，金屬反射層32與第二半導體疊層12產生物理或化學反應造成反射率或導電率下降，此外透明導電層31可協助將電流散佈至反射疊層3，以避免熱集中在反射疊層3的部分區域；透明導電層31的折射率小於第二半導體疊層12的折射率至少1.0以上，因此，兩者之間的折射率差異造成的全反射介面可反射部分從主動層10發出的光線，未被反射的光線穿透過透明導電層31再被金屬反射層32反射。覆蓋在金屬反射層32上的障蔽層33材料包含鈦(Ti)、鉑(Pt)、金(Au)、鎢(W)、鎘(Cr)、其合金或其疊層，用以隔開金屬反射層32與黏著層4， 維持金屬反射層32的穩定性，避免金屬反射層32與黏著層4產生物理或化學反應造成反射率或導電率下降。黏著層4用以將導電基板5與反射疊層3黏合，並使電流可在反射疊層3與導電基板5之間流通，黏著層4包含銦(In)、鈦(Ti)、鎳(Ni)、錫(Sn)、金(Au)、其疊層或其合金；導電基板5包含但不限於矽(Si)、砷化鎵(GaAs)、銅鎢合金(CuW)、銅(Cu)或鉬(Mo)；設置在導電基板5上相對於反射疊層3另一側上的背電極9包含金(Au)，用以導入外部電流。

第二實施例

第4A與4B圖係為依本申請第二實施例之半導體發光元件1B與1C之示意圖。第二實施例與第一實施例的差異在於磊晶結構1包含一控制層13，其中如第4A圖所示之半導體發光元件1B，控制層13可位於第一半導體疊層11中，或者如第4B圖所示之半導體發光元件1C，控制層13可位於第二半導體疊層12中。控制層13具有一導電區域13b與一氧化區域13a，其中氧化區域13a圍繞導電區域13b並露出於磊晶結構1之側面1S。導電區域13b的材料可為具有導電性的(Al_x Ga_1-x )As，其中0.9＜x≤1；氧化區域13a的材料可為電絕緣的Al_y O，其中0＜y＜1。導電區域13b與正面電極21以及第二歐姆接觸結構22在垂直方向上重疊，用以控制電流分佈在磊晶結構1的局部範圍。如第4C圖之另一實施例之半導體發光元件1D，第二歐姆接觸結構22可整面覆蓋第二半導體疊層12的下表面12a，接著透明導電層31覆蓋第二歐姆接觸結構22，透明導電層31除了橫向擴散電流以外，還可用以黏合第二歐姆接觸結構22以及金屬反射層32。本實施例中，第二歐姆接觸結構22、透明導電層31與金屬反射層32的材料同第一實施例所述。

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。

1A‧‧‧半導體發光元件

1B‧‧‧半導體發光元件

1C‧‧‧半導體發光元件

100‧‧‧發光二極體

1‧‧‧磊晶結構

1S‧‧‧側面

1b‧‧‧磊晶結構

10‧‧‧主動層

10b‧‧‧主動層

11‧‧‧第一半導體疊層

111‧‧‧第一電性限制層

112‧‧‧第一電性包覆層

113‧‧‧第一電性窗口層

114‧‧‧第一電性接觸層

11a‧‧‧上表面

11b‧‧‧第一半導體疊層

12‧‧‧第二半導體疊層

121‧‧‧第二電性限制層

122‧‧‧第二電性包覆層

123‧‧‧第二電性窗口層

124‧‧‧第二電性接觸層

12a‧‧‧下表面

12b‧‧‧第二半導體疊層

13‧‧‧控制層

13a‧‧‧氧化區域

13b‧‧‧導電區域

2‧‧‧電極

21‧‧‧正面電極

22‧‧‧第二歐姆接觸結構

3‧‧‧反射疊層

31‧‧‧透明導電層

32‧‧‧金屬反射層

33‧‧‧障蔽層

4‧‧‧黏著層

5‧‧‧導電基板

5b‧‧‧基板

6A‧‧‧透明電極

6B‧‧‧次基板

71‧‧‧第一出光區域

72‧‧‧第二出光區域

8‧‧‧邊緣

9‧‧‧背電極

9b‧‧‧電極

S‧‧‧近場發光強度分佈

第1圖係為習知的半導體發光元件結構之示意圖；

第2A~2B圖係為依本申請第一實施例之半導體發光元件示意圖；

第3圖係為依本申請第一實施例之半導體發光元件之上視圖；

第4A~4C圖係為依本申請第二實施例之半導體發光元件之示意圖。

無

1A‧‧‧半導體發光元件

1‧‧‧磊晶結構

1S‧‧‧側面

10‧‧‧主動層

11‧‧‧第一半導體疊層

111‧‧‧第一電性限制層

112‧‧‧第一電性包覆層

113‧‧‧第一電性窗口層

114‧‧‧接觸層

11a‧‧‧上表面

12‧‧‧第二半導體疊層

121‧‧‧第二電性限制層

122‧‧‧第二電性包覆層

123‧‧‧第二電性窗口層

124‧‧‧第二電性接觸層

12a‧‧‧下表面

21‧‧‧正面電極

22‧‧‧第二歐姆接觸結構

3‧‧‧反射疊層

31‧‧‧透明導電層

32‧‧‧金屬反射層

33‧‧‧障蔽層

4‧‧‧黏著層

5‧‧‧導電基板

71‧‧‧第一出光區域

72‧‧‧第二出光區域

8‧‧‧邊緣

9‧‧‧背電極

S‧‧‧近場發光強度(near-field luminous intensity)分佈

Claims (10)

1. 一種半導體發光元件，包含：一磊晶結構，具有一第一厚度以及一上表面，且包含：一第一半導體疊層；一主動層，位於該第一半導體疊層上；一第二半導體疊層，位於該主動層上且具有一第二厚度；以及一控制層，具有一導電區域和一圍繞該導電區域之電絕緣區域；其中，該第一厚度小於3μm，且該第二厚度不大於1μm。
2. 如申請專利範圍第1項的半導體發光元件，其中該上表面的面積小於10000μm²。
3. 如申請專利範圍第1項的半導體發光元件，其中該上表面具有一周長，且該周長小於400μm。
4. 如申請專利範圍第1項的半導體發光元件，其中該磊晶結構具有一粗糙或不平整之側面表面。
5. 如申請專利範圍第1項的半導體發光元件，其中該上表面呈圓形或正方形。
6. 一種半導體發光元件，包含：一磊晶結構，具有一第一厚度以及一上表面，且包含：一第一半導體疊層；一主動層，位於該第一半導體疊層上；以及一第二半導體疊層，位於該主動層上且具有一第二厚度；其中，該上表面具有一周長，且該第一厚度與該周長的比例小於0.75%，且該第二厚度不大於1μm。
7. 如申請專利範圍第6項的半導體發光元件，其中該上表面的面積小於10000μm²。
8. 如申請專利範圍第6項的半導體發光元件，其中該周長小於400μm。
9. 如申請專利範圍第6項的半導體發光元件，其中該第一厚度小於3μm。
10. 如申請專利範圍第6項的半導體發光元件，其中該上表面呈圓形或正方形。

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