TWI736544B - 發光元件及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

一發光元件包含一載體；以及一第一發光單元位於載體上，並包含一第一半導體結構及一第二半導體結構，其中第二半導體結構較第一半導體結構更靠近載體，第一半導體結構包含一第一多重量子井結構以於操作時發出一具有一第一主波長之第一光線，以及第二半導體結構包含一第二多重量子井結構以於操作時不發出光線。

Description

發光元件及其製造方法
本發明係關於一種發光元件，且特別係關於一種可發出多個主波長之發光元件。
發光二極體(Light-Emitting Diode, LED)為被廣泛使用的固態半導體發光元件。發光二極體包含一p型半導體層，一n型半導體層，以及一活性層位於p型半導體層及n型半導體層之間以發出一光線。發光二極體可將電能轉換成光能，其工作原理為提供一電流予發光二極體以注入電子與電洞於活性層中，電子與電洞於活性層中結合後發出光線。
一發光元件包含一載體；以及一第一發光單元位於載體上，並包含一第一半導體結構及一第二半導體結構，其中第二半導體結構較第一半導體結構更靠近載體，第一半導體結構包含一第一多重量子井結構以於操作時發出一具有一第一主波長之第一光線，以及第二半導體結構包含一第二多重量子井結構以於操作時不發出光線。
一發光元件之一製造方法包含提供一成長基板；成長一包含一第一多重量子井結構之第一半導體疊層於成長基板上；成長一包含一第二多重量子井結構之第二半導體疊層於第一半導體疊層上；提供一載體；接合第二導體疊層至載體，其中載體包含一第一區及一鄰接第一區之第二區；移除載體上第二區之第一半導體疊層以露出第二半導體疊層，並保留載體上第一區之第一半導體疊層；藉由移除部分第二半導體疊層以形成一溝槽以將第二半導體疊層分隔為兩個分開的部分；形成一第一頂部電極於載體上之第一區之第一半導體疊層上；以及形成一第二頂部電極於載體上之第二區之第二半導體疊層上，其中載體係共同電連接至第一頂部電極及第二頂部電極。
為了使本發明之敘述更加詳盡與完備，請參照下列實施例之描述並配合相關圖示。惟，以下所示之實施例係用於例示本發明之發光元件，並非將本發明限定於以下之實施例。又，本說明書記載於實施例中的構成零件之尺寸、材質、形狀、相對配置等在沒有限定之記載下，本發明之範圍並非限定於此，而僅是單純之說明而已。且各圖示所示構件之大小或位置關係等，會由於為了明確說明有加以誇大之情形。更且，於以下之描述中，為了適切省略詳細說明，對於同一或同性質之構件用同一名稱、符號顯示。
第1A圖~第1D圖係本發明一實施例中所揭示之一發光元件1的製造方法。如第1A圖所示，發光元件1的製造方法包含藉由磊晶方法以磊晶成長一第一半導體疊層11於成長基板10上，例如有機金屬化學氣相沉積法(MOCVD)、分子束磊晶(MBE)、或氫化物氣相沉積法(HVPE)。成長基板10包含一具有一單晶面之單晶材料以使第一半導體疊層11磊晶成長於成長基板10上，其中單晶面包含藍寶石C面，藍寶石R面，或藍寶石A面。於另一例中，成長基板10包含金屬氧化物或半導體材料，例如碳化矽(SiC)、矽、氧化鋅、砷化鎵、或氮化鎵。第一半導體疊層11包含一具有一第一導電性之第一半導體層111，一具有一第二導電性之第二半導體層113，第二導電性不同於第一導電性，以及一第一活性層112形成於第一半導體層111及第二半導體層113之間。第一活性層112包含單異質結構(single heterostructure, SH)，雙異質結構(double heterostructure, DH)，或多層量子井結構(multi-quantum well, MQW)。於一實施例中，第一半導體層111為n型半導體層以提供電子，第二半導體層113為p型半導體層以提供電洞，電子與電洞於一驅動電流下在第一活性層112複合以發出一光線。於另一實施例中，第一半導體層111可為p型半導體層，第二半導體層113可為n型半導體層。第一活性層112之材料包含Inx Gny Al(1-x-y) N(0 ≤ x, y ≤ 1)可發出一光線具有一主波長位於紫外光與綠光光譜之間，Inx Gay Al(1-x-y) P(0 ≤ x, y ≤ 1)以發出一光線具有一主波長位於黃光與紅光光譜之間，或Inx Gay Al(1-x-y) As(0 ≤ x, y ≤ 1)以發出一光線具有一主波長位於紅外光光譜。
接下來，以磊晶成長一反射層13於第一半導體疊層11上。反射層13包含一布拉格反射(DBR)結構及Ⅲ-Ⅴ族半導體材料。反射層13具有與第一半導體疊層11之第二半導體層113相同之導電性。接下來，一包含Ⅲ-Ⅴ族半導體材料之穿隧接面(tunnel juntion)14磊晶成長於第一半導體疊層11上。此穿隧接面14包含一pn接面係藉由一具有一第一導電性之第一重摻雜層，例如n型導電性半導體層，及一具有一第二導電性之第二重摻雜層，例如p型導電性半導體層所構成。重摻雜的n型導電性半導體層及重摻雜的p型導電性半導體層具有一摻雜濃度至少高於第一半導體疊層11之半導體層的摻雜濃度一個數量級 (order)以上。構成穿隧接面14之多個重摻雜層較佳為具有高於1018 /cm3 的摻雜濃度，以於操作時提供低阻值的電性接面。具有低電阻的穿隧接面14係做為第一半導體結構11a及於後續製程中形成於第一半導體結構11a上的其他半導體結構之間的電性接面。穿隧接面14的一側係鄰接於第二半導體層113或是反射層13，具有與第二半導體層113或是反射層13相同的導電性。穿隧接面14的另一側係遠離於第二半導體層113或是反射層13，具有與第二半導體層113或是反射層13相反的導電性。
接下來，一蝕刻停止層23磊晶成長於第一半導體疊層11之上。接下來，一第二半導體疊層15藉由磊晶方法以磊晶成長於蝕刻停止層23上，磊晶方法例如為有機金屬化學氣相沉積法(MOCVD)、分子束磊晶(MBE)、或氫化物氣相沉積法(HVPE)。第二半導體疊層15包含一具有一第一導電性之第三半導體層151，一具有一第二導電性之第四半導體層153，第二導電性不同於第一導電性，以及一第二活性層152形成於第三半導體層151及第四半導體層153之間。第二活性層152包含單異質結構(single heterostructure, SH)，雙異質結構(double heterostructure, DH)，或多層量子井結構(multi-quantum well, MQW)。於一實施例中，第三半導體層151為n型半導體層以提供電子，第四半導體層153為p型半導體層以提供電洞，電洞與電子於一驅動電流下在第二活性層152複合以發出一光線。於另一實施例中，第三半導體層151可為p型半導體層，第四半導體層153可為n型半導體層。第二活性層152之材料包含Inx Gny Al(1-x-y) N(0 ≤ x, y ≤ 1)以發出一光線具有一主波長位於紫外光與綠光光譜之間，Inx Gay Al(1-x-y) P(0 ≤ x, y ≤ 1)以發出一光線具有一主波長位於黃光與紅光光譜之間，或Inx Gay Al(1-x-y) As(0 ≤ x, y ≤ 1)以發出一光線具有一主波長位於紅外光光譜。
第一半導體疊層11，反射層13，穿隧接面14，蝕刻停止層23，及第二半導體疊層15係於一磊晶腔體中連續性地成長於成長基板10上以避免汙染，並確保半導體層堆疊的磊晶品質。
如第1B圖所示，發光元件1的製造方法更包含一接合步驟以將上述步驟中的多層結構覆晶接合至一載體20上，接合步驟包含透過一黏結層21接合第二半導體疊層15之第四半導體層153至載體20上，以及一熱壓製程，其中載體20包含一第一區及一鄰接第一區之第二區。做為接合之層的黏結層21包含黏性材料。載體20及黏結層21包含導電材料，例如金屬或焊料。於本實施例之一變化例中，載體20包含導熱材料或絕緣材料。接下來，於第二半導體疊層15之第四半導體層153接合至載體20後，移除成長基板10。
如第1C圖所示，發光元件1的製造方法更包含藉由一微影製程以形成一圖案化罩幕(圖未示)於第一半導體疊層11上，及藉由化學性濕式蝕刻或乾蝕刻以蝕刻位於載體20第二區上的第一半導體疊層11，例如未被圖案化罩幕覆蓋之部分第一半導體疊層11，反射層13，以及穿隧接面14以露出蝕刻停止層23，並保留載體20第一區上的第一半導體疊層11。蝕刻停止層23為Ⅲ-Ⅴ族半導體材料，例如磷化銦鎵(InGaP)，於蝕刻步驟中具有一蝕刻率較第一半導體疊層11之一蝕刻率為低。為圖案化罩幕所覆蓋之部分第一半導體疊層11被保留於第二半導體疊層15上以形成一第一半導體結構11a。
如第1D圖所示，發光元件1的製造方法更包含形成一溝槽30以穿過裸露的蝕刻停止層23及第二半導體疊層15。溝槽30分隔第二半導體疊層15為第二半導體結構15a及第三半導體結構15b，其中第二半導體結構15a係形成於載體20及第一半導體結構11a之間，第三半導體結構15b係形成於載體20上及與第二半導體結構15a分隔開來。
接下來，經由製造方法所得的發光元件1之替換例係分別例示於第2圖及第3圖中。
如第2圖或第3圖所示，一底部電極22係位於載體20之背側以電連接至第一半導體結構11a，第二半導體結構15a及第三半導體結構15b。一第一頂部電極17及一第二頂部電極18係分別形成第一半導體結構11a之上側及第三半導體結構15b之上側。
第2圖為發光元件1的製造方法的第一例。製造方法更包含提供一第三頂部電極16於第二半導體結構15a之一裸露表面15s上，及提供一電流跨接第三頂部電極16及底部電極22以擊穿(break down)第二半導體結構15a之二極體特性。具體而言，提供一反向偏壓跨接於第三頂部電極16及底部電極22以超過第二半導體結構15a的逆向崩潰電壓，擊穿第二半導體結構15a之二極體特性，使得所述第二半導體結構15a的第二活性層152不能夠發光。更具體而言，於0.1到0.5秒之一持續區間，將80 A/cm2 與200 A/cm2 之間的電流跨過第三頂部電極16及底部電極22，注入到第二半導體結構15a 以破壞第二半導體結構15a之二極體特性，在此所述二極體特性是指非線性的電流/電壓特性。上述步驟使得第二半導體結構15a轉為一具有線性的電流/電壓特性的結構，使得第二半導體結構15a做為一電阻低於200歐姆(ohms)以下的電阻器，較佳為電阻低於100歐姆(ohms) 以下的電阻器，更佳為電阻低於10歐姆(ohms) 以下的電阻器。因此，即使提供一正向偏壓跨接於第二半導體結構15a上，第二半導體結構15a的第二活性層152之第二多重量子井(MQW)結構實質上係不發光。於上述製程步驟後，完成本發明第一實施例中所揭示之一發光元件1的結構。
第3圖為發光元件1的製造方法的第二例。製造方法更包含直接形成一第三頂部電極16於第二半導體結構15a之一上表面15s及一側表面15s’上，第二半導體結構15a的第二活性層152之第二多重量子井(MQW)結構與第三頂部電極16直接接觸，以於第二半導體結構15a上形成短路。上述製程使第一頂部電極17及底部電極22之間的驅動電流繞過第二半導體結構15a的第二活性層152，使得所述第二半導體結構15a的第二活性層152不能夠發光。於上述製程步驟後，完成本發明第二實施例中所揭示之一發光元件1的結構。
第一頂部電極17，第二頂部電極18，底部電極22，及第三頂部電極16包含具有低電阻率之金屬材料，例如金(Au)、鋁(Al)、鉑(Pt)、鉻(Cr)、鈦(Ti)、鎳(Ni)、鎢(W)，或上述材料的組合，並且可為單層或多層結構。第一頂部電極17，第二頂部電極18，底部電極22，或第三頂部電極16的厚度約為0.1至10微米(μm)。於發光元件1的上視圖觀之，第一頂部電極17和第二頂部電極18各具有一形狀，例如矩形，多邊形，圓形，或橢圓形。第一頂部電極17，第二頂部電極18，底部電極22，及第三頂部電極16可以藉由濺鍍(Sputtering)，蒸鍍(Evoaporation)，或電鍍(Plating)來形成。
第2圖係本發明第一實施例中所揭示之一發光元件1的剖面圖。發光元件1包含一第一發光單元1a及一第二發光單元1b。第一發光單元1a包含第一半導體結構11a及第二半導體結構15a，第二發光單元1b包含第三半導體結構15b。第一發光單元1a及第二發光單元1b兩者皆位於載體20上。第一發光單元1a包含第一半導體結構11a，以及第二半導體結構15a位於第一半導體結構11a及載體20之間。第一發光單元1a所包含的第一半導體結構11a具有第一活性層112，其包含一第一多重量子井(MQW)結構可為通過第一頂部電極17及底部電極22間之一電流所驅動而發出具有第一主波長λ1 之光線。當第一發光單元1a被驅動以發出具有第一主波長λ1 之光線時，第一發光單元1a之第二半導體結構15a的第二活性層152所包含之第二多重量子井(MQW)結構不發光。第二發光單元1b包含第三半導體結構15b位於載體20上並鄰接於第一發光單元1a，其中第三半導體結構15b之第二活性層152包含與第二半導體結構15a之第二活性層152相同的第二多重量子井(MQW)結構，且第三半導體結構15b之第二活性層152所包含之第二多重量子井(MQW)結構為第二頂部電極18及底部電極22驅動而發出具有第二主波長λ2 之光線。第一半導體結構11a之第一多重量子井(MQW)結構所包含之材料組成與第二半導體結構15a之第二多重量子井(MQW)結構或第三半導體結構15b之第二多重量子井(MQW)結構之材料組成不同。第一主波長λ1 係不同於第二主波長λ2 。於本實施例之一例中，第一主波長λ1 係較第二主波長λ2 為長。於本實施例之另一例中，第一主波長λ1 係位於紅外線波段，及第二主波長λ2 係位於紅光波段。於本實施例之另一例中，第一主波長λ1 及第二主波長λ2 係位於紅光波段。於本實施例之另一例中，第一主波長λ1 及第二主波長λ2 係位於紅外線波段。
第三頂部電極16係位於第二半導體結構15a之表面15s上。提供一第一電流於第一頂部電極17及底部電極22以正向驅動第一半導體結構11a之第一活性層112的第一多重量子井(MQW)結構以發出具有第一主波長λ1 之光線。提供一第二電流於第二頂部電極18及底部電極22以正向驅動第三半導體結構15b之第二活性層152的第二多重量子井(MQW)結構以發出具有第二主波長λ2 之光線，其中波長λ1 與波長λ2 不同。更具體而言，當電流100通過串連連接的第一多重量子井(MQW)結構及第二多重量子井(MQW)結構時，第一發光單元1a之第一多重量子井(MQW)結構僅發出第一主波長，其中即使正向驅動第二半導體結構15a，第二半導體結構15a之第二活性層152的第二多重量子井(MQW)結構係不發光。
第3圖係本發明第二實施例中所揭示之一發光元件1的剖面圖。第3圖與第2圖中具有相同名稱、標號之構造，係表示為相同之結構、具有相同之材料、或具有相同之功能，在此會適當省略說明或是不再贅述。
如第3圖所示，第一半導體結構11a之一側表面及第二半導體結構15a之一表面15s形成一階梯型結構。第三頂部電極16包含一接觸電極161形成於第二半導體結構15a之上表面15s上，以及一跨橋電極162形成於第二半導體結構15a之側表面15s’上。具體而言，第三頂部電極16緊鄰於第二半導體結構15a之表面。接觸電極161位於第二半導體結構15a之表面15s上，跨橋電極162自接觸電極161延伸至載體20或黏結層21。第三頂部電極16構成為第二半導體結構15a之一電流通過路徑，因而使得第二半導體結構15a之第二活性層152的第二多重量子井(MQW)結構未有電流通過而不發光。第三頂部電極16包含低電阻率之金屬材料，例如金(Au)、鋁(Al)、鉑(Pt)、鉻(Cr)、鈦(Ti)、鎳(Ni)、鎢(W)，或上述材料的組合，並且可為單層或多層結構。第三頂部電極16提供第一頂部電極17及底部電極22之間的串連連接。第三頂部電極16直接形成於第二半導體結構15a之上表面及側表面上，於第二半導體結構15a上形成短路，以至於第一頂部電極17及底部電極22間之驅動電流繞過第二半導體結構15a之第二活性層152，使得第二半導體結構15a之第二活性層152於操作時不發光。第一半導體結構11a之第一活性層112的第一多重量子井(MQW)結構為第一頂部電極17及底部電極22間所驅動而發出具有第一主波長λ1 之光線。更具體而言，當電流200通過串連的第一多重量子井(MQW)結構及第二多重量子井(MQW)結構時，第一發光單元1a之第一多重量子井(MQW)結構僅發出第一主波長，其中第二多重量子井(MQW)結構不發光。
如第2、3圖所示，發光元件1之黏結層21包含金屬材料，例如銅(Cu)、鋁(Al)、鉑(Pt)、鈦(Ti)、鎢(W) 、 銀(Ag)，或上述材料的組合。黏結層21形成於第一發光單元1a及載體20之間，及/或形成於第二發光單元1b及載體20之間以反射第一發光單元1a之第一活性層112所產生之光線並朝向遠離於載體20之第一發光單元1a之光摘出面，及/或反射第二發光單元1b之第二活性層152所產生之光線以朝向第二發光單元1b之光摘出面。於本發明之一實施例中，第一發光單元1a及第二發光單元1b之光摘出效率可藉由黏結層21而改善。
進一步來說，跨接於第三頂部電極16及底部電極22的反向偏壓未超過第二半導體結構15a的逆向崩潰電壓，因而使得第一發光單元1a之第二半導體結構15a的二極體特性於第一實施例中未被擊穿，或是第三頂部電極16(接觸電極161及跨橋電極162)的短路電流未能完全阻隔電流流經第二實施例中的第一發光單元1a之第二半導體結構15a的第二活性層152。部分光線可能會產生並經由第一發光單元1a之第二半導體結構15a的第二活性層152射出。因此，反射層13形成於第一發光單元1a之第二半導體結構15a的第三半導體層151及第一發光單元1a之第一半導體結構11a的第二半導體層113之間以反射第一發光單元1a之第一半導體結構11a的第一活性層112產生之光線，並朝向第一發光單元1a之第一半導體結構11a的光摘出面射出，以及反射第一發光單元1a之第二半導體結構15a的第二活性層152產生之光線，並遠離第一發光單元1a之第一半導體結構11a的光摘出面。於此些例示中，第一發光單元1a之第二半導體結構15a的第二活性層152所發出之光輸出為發光元件1的總光輸出的10%。
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‧‧‧發光元件 1a‧‧‧第一發光單元 1b‧‧‧第二發光單元 10‧‧‧成長基板 11‧‧‧第一半導體疊層 11a‧‧‧第一半導體結構 111‧‧‧第一半導體層 112‧‧‧第一活性層 113‧‧‧第二半導體層 13‧‧‧反射層 14‧‧‧穿隧接面 15‧‧‧第二半導體疊層 15a‧‧‧第二半導體結構 15b‧‧‧第三半導體結構 15s‧‧‧表面 15s’‧‧‧側表面 151‧‧‧第三半導體層 152‧‧‧第二活性層 153‧‧‧第四半導體層 16‧‧‧第三上部電極 161‧‧‧接觸電極 162‧‧‧跨橋電極 17‧‧‧第一頂部電極 18‧‧‧第二頂部電極 20‧‧‧載體 21‧‧‧黏結層 22‧‧‧底部電極 23‧‧‧蝕刻停止層 30‧‧‧溝槽 100‧‧‧電流 200‧‧‧電流
第1A圖~第1D圖係本發明一實施例中所揭示之一發光元件的製造方法。
第2圖係本發明第一實施例中所揭示之一發光元件的剖面圖。
第3圖係本發明第二實施例中所揭示之一發光元件的剖面圖。
1‧‧‧發光元件
1a‧‧‧第一發光單元
1b‧‧‧第二發光單元
11a‧‧‧第一半導體結構
111‧‧‧第一半導體層
112‧‧‧第一活性層
113‧‧‧第二半導體層
13‧‧‧反射層
14‧‧‧穿隧接面
15a‧‧‧第二半導體結構
15b‧‧‧第三半導體結構
151‧‧‧第三半導體層
152‧‧‧第二活性層
153‧‧‧第四半導體層
15s‧‧‧表面
15s’‧‧‧側表面
16‧‧‧第三頂部電極
161‧‧‧接觸電極
162‧‧‧跨橋電極
17‧‧‧第一頂部電極
18‧‧‧第二頂部電極
20‧‧‧載體
21‧‧‧黏結層
200‧‧‧電流
22‧‧‧底部電極
23‧‧‧蝕刻停止層
30‧‧‧溝槽

Claims (10)

  1. 一種發光元件，包含：一載體；一第一半導體結構，位於該載體上並包含一第一半導體層、第二半導體層以及一第一活性層介於該第一半導體層及該第二半導體層之間；一第二半導體結構，位於該載體及該第一半導體結構之間並包含一第二活性層；以及一反射層，位於該第一半導體結構及該第二半導體結構之間，且該反射層具有與該第二半導體層相同的導電性；其中，於操作時，該第一活性層發出具有一第一主波長之一第一光線，且該第二活性層不發出光。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的發光元件，其中該反射層包含一布拉格反射結構。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的發光元件，其中該第一半導體層的導電性為n型，且該第二半導體層的導電性為p型。
  4. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的發光元件，更包含一第一頂部電極位於該第一半導體結構上、一底部電極位於該載體下、以及一第二頂部電極位於該第二半導體結構上。
  5. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的發光元件，更包含一接觸電極位於該第二半導體結構之一上表面上，以及一跨橋電極位於該第二半導體結構之一側表面上。
  6. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的發光元件，其中該第二半導體結構之電阻低於200歐姆以下。
  7. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的發光元件，其中該第一活性層包含InxGayAl(1-x-y)As，其中0
    Figure 105122838-A0305-02-0015-1
    x,y
    Figure 105122838-A0305-02-0015-2
    1，該第二活性層包含InaGabAl(1-a-b)P，其中0
    Figure 105122838-A0305-02-0015-3
    a,b
    Figure 105122838-A0305-02-0015-4
    1。
  8. 一種發光元件，包含：一載體；一第一活性層，位於該載體上；一第二活性層，位於該載體及該第一活性層之間；一反射層，位於該第一活性層及該第二活性層之間；一半導體層，位於該反射層及該第二活性層之間，且具有一側表面；以及一跨橋電極，覆蓋於該側表面上。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的發光元件，其中該反射層包含一布拉格反射結構。
  10. 如申請專利範圍第8項或第9項所述的發光元件，更包含一黏結層，位於該載體以及該第二活性層之間。
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