TWI740307B - 半導體發光元件 - Google Patents

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Abstract

一種半導體發光元件，其包括半導體發光序列，半導體發光序列包括第一導電類型半導體層、第二導電類型半導體層和兩者之間的發光層；與第一導電類型半導體層電性連接的第一電極；以及與第二導電類型半導體層電性連接的第二電極。第一導電類型半導體層包括鋁鎵銦磷窗口層，鋁鎵銦磷窗口層作為第一電極與第一導電類型半導體層形成接觸的歐姆接觸層。通過鋁鎵銦磷作為歐姆接觸層和窗口層，替代傳統的吸光性歐姆接觸材料，可以有效改善透光性。

Description

半導體發光元件
本發明是有關於一種半導體發光元件，特別是指一種具有打線接合用電極的半導體發光元件。
發光二極管(LED)是一種將電能轉換為光的半導體器件。與螢光燈和白熾燈泡相比較，LED具有諸如低功耗、半永久壽命週期、快速響應時間、安全以及環保的優點。LED越來越多地被用於諸如各種燈和街燈的照明裝置、液晶顯示裝置的照明單元以及其它室內和室外應用的光源。
四元系鋁鎵銦磷基紅光發光二極管已廣泛用於顯示、交通燈、汽車燈等許多方面。但進一步擴大應用市場，進入高端照明，投影等領域，需要繼續提升發光效率，改善電流擁擠問題。
矽襯底的熱導率較砷化鎵高，目前商業化的方法是採用打線接合(wire bonding)工藝，實現四元鋁鎵銦磷外延層轉移至Si襯底。但經過襯底轉移後，n型外延層反轉向上，需要在n型GaAs外延層上設計接觸層及電極層。一方面，電流容易在接觸電極下方尋找最短路徑經過外延層垂直傳導；另一方面，電極下方的發光層發出的光被電極遮擋，導致出光亮度不夠。儘管減小電極設計能減少光遮擋，有利於取光效率提高，但電極設計太小會造成電流擁擠、電壓高的狀況。另一方面，砷化鎵常作為n側電極窗口層，在出光表面會吸光，導致光損失。
為解決電流擁擠、取光效率低的問題，本發明提供如下一種半導體發光元件，其包括： 半導體發光序列，半導體發光序列包括第一導電類型半導體層、第二導電類型半導體層和兩者之間的發光層； 具有與第一導電類型半導體層電性連接的第一電極； 與第二導電類型半導體層電性連接的第二電極； 所述第一導電類型半導體層包括鋁鎵銦磷窗口層，鋁鎵銦磷窗口層作為第一電極與第一導電類型半導體層形成接觸的歐姆接觸層。
更優選的，該鋁鎵銦磷窗口層中具有一低電阻區域及一非低電阻區域，低電阻區域位於第一電極形成接觸的周圍，非低電阻區域較低電阻區更遠離該第一電極，且低電阻區域電阻低於鋁鎵銦磷窗口層中的非低電阻區域。
更優選的，所述低電阻區域從第一電極與鋁鎵銦磷窗口層形成接觸的位置沿鋁鎵銦磷窗口層的厚度方向延伸至鋁鎵銦磷窗口層的相反面。
更優選的，所述的低電阻區域是通過擴散金屬或者離子注入的方式形成。
更優選的，所述的低電阻區域是通過第一電極具有的擴散金屬擴散至鋁鎵銦磷窗口層中形成。
更優選的，所述的離子注入的元素為帶正電荷的離子。
更優選的，所述的鋁鎵銦磷窗口層為Alx1 Ga(1-x1) InP，0.4＜x1≤1。
更優選的，低電阻區域與周圍的鋁鎵銦磷窗口層的非低電阻區域為同質區。同質區定義為材料的成分相同，都為鋁鎵銦磷材料。
更優選的，所述的鋁鎵銦磷窗口層為Alx1 Ga(1-x1) InP ，x1介於0.6~0.8，厚度為2~6 μm。
更優選的，所述的第一電極和第二電極位於半導體發光序列的同側。
更優選的，第二導電類型半導體層一側具有多個開口，多個開口延伸至穿過第二導電類型半導體層、發光層至該等開口底部位於第一導電類型半導體層的鋁鎵銦磷窗口層，第一電極位於第二導電類型半導體層一側並延伸至該等開口底部形成多個第一電接觸。
更優選的，所述第二電極覆蓋第二導電類型半導體層的一側，並露出該等多個開口。
更優選的，第二電極與第一電極之間、第一電極與多個開口側壁之間通過絕緣層絕緣隔離。
更優選的，第二導電類型半導體層包括第二窗口層，第二電極與第二窗口層之間通過多個接觸點形成多個第二電接觸。更優選的，第一窗口層與第二窗口層的厚度比例為大於等於5：1。
更優選的，任意一個第二電接觸與臨近一個第一電接觸的距離為10~30 μm。
更優選的，任意兩個相鄰第二電接觸之間的間距為5~40 μm，任意兩個相鄰第一電接觸之間的間距為30~100 μm。
更優選的，該鋁鎵銦磷窗口層的方塊電阻為0.01~1 Ω/□。
更優選的，該第二導電類型半導體層包括第二窗口層，第二窗口層的方塊電阻為1~10 Ω/□。
更優選的，該鋁鎵銦磷窗口層與第二窗口層的方塊電阻的比例至多為1：10。
更優選的，該第一導電類型半導體層包括第一覆蓋層，該第二導電類型半導體層提供電子或空穴的第二覆蓋層。
更優選的，鋁鎵銦磷窗口層與第一電極形成接觸的面的相反面作為出光表面。
更優選的，鋁鎵銦磷窗口層與第一電極形成接觸的面的相反面作為出光表面，出光表面被不平整化處理該低電阻區域自第一電極與第一導電類型半導體層形成接觸的位置延伸至鋁鎵銦磷窗口層的出光表面，不平整度不同於周圍非低電阻區域的不平整度。
更優選的，半導體發光元件還具有支撐襯底，以支撐半導體發光序列，支撐襯底為導電的或不導電的(絕緣的)。
更優選的，該第一電極與鋁鎵銦磷窗口層之間形成一個或多個條狀的接觸。
更優選的，該半導體發光序列的鋁鎵銦磷窗口層一側具有透明襯底；又更優選的，該半導體發光序列的尺寸介於100 μm~300 μm，如次微米級的mini LED。
更優選的，該半導體發光序列的鋁鎵銦磷窗口層一側無透明襯底；又更優選的，該半導體發光序列的尺寸介於1~2000 μm。
更優選的，該第一導電類型為n或p型。
本發明之功效在於：本發明通過選擇鋁鎵銦磷作為該第一電極與該第一導電類型半導體層形成接觸的歐姆接觸層和窗口層，替代傳統的吸光性歐姆接觸材料，可以有效改善透光性。通過第一電極具有的擴散金屬擴散至鋁鎵銦磷窗口層中、或離子注入的方式形成低電阻區域，可有效改善歐姆接觸；更優選的，低電阻區域形成至鋁鎵銦磷窗口層的表面，低電阻區域有利於電流沿著整個鋁鎵銦磷窗口層的橫向擴展，避免電流集中在第一電極周圍。
下面結合示意圖對本發明的半導體發光元件的結構進行詳細的描述，在進一步介紹本發明之前，應當理解，由於可以對特定的實施例進行改造，因此，本發明並不限於下述的特定實施例。還應當理解，由於本發明的範圍只由所附申請專利範圍限定，因此所採用的實施例只是介紹性的，而不是限制性的。除非另有說明，否則這裡所用的所有技術和科學用語與本領域的普通技術人員所普遍理解的意義相同。
在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。
實施例一
本實施例提供如下一種半導體發光元件，如圖1所示，包括鋁鎵銦磷基半導體發光序列，半導體發光序列包括第一導電類型半導體層22、發光層222和第二導電類型半導體層23；發光層222為能夠提供光輻射的材料，具體的輻射波段介於550~950 nm，如紅、黃、橙、紅外光，具體的為鋁鎵銦磷，鋁鎵銦磷可以為單量子阱或多量子阱；其中半導體發光序列中第一導電類型半導體層22和第二導電類型半導體層23分別包括為發光層222提供電子或空穴的第一覆蓋層221和第二覆蓋層223，如鋁鎵銦磷或鋁銦磷；更優選的，鋁銦磷作為第一覆蓋層221和223；第一導電類型半導體層22或第二導電類型半導體層23分別為n或p型摻雜，n型摻雜有諸如Si、Ge、或者Sn的n型摻雜物。p型被摻雜有諸如Mg、Zn、Ca、 Sr、或者Ba的p型摻雜物，也不排除其他的元素等效替代的摻雜。
該半導體發光元件，包括相對的兩面，其中一面為出光表面，另外一面用於製作第一電極205、第二電極206，其中第一導電類型半導體層22比第二導電類型半導體層23在厚度方向上更接近出光表面，第一導電類型半導體層22的摻雜性質可以是n型摻雜或p型摻雜；第一電極205與第一導電類型半導體層22接觸實現電連接，第二電極206與第二導電類型半導體層23接觸實現電極接觸。
具體的，第一導電類型半導體層22包括第一窗口層220，第一窗口層220提供第一電極205與第一導電類型半導體層22的歐姆接觸以及電流的擴展，第二導電類型半導體層23包括第二窗口層224，第二窗口層224提供第二電極206與第二導電類型半導體層23的歐姆接觸以及電流的擴展。
作為一個實施方式，如表一所示，提供一種發光元件的半導體發光序列的主要部分，其中第一導電類型半導體層22為n型摻雜，包括n型第一覆蓋層221和n型第一窗口層220；第二導電類型半導體層23包括p型第二覆蓋層223和p型第二窗口層224；其中發光層222為多量子阱（MQW），材料為Aln1 Ga(1-n1) InP/Aln2 Ga(1-n2) InP (0≤n1＜n2≤1)的重複堆疊的阱和壘的結構。
表一
元件編號 功能層 材料 (厚度nm) 功能
224 p型第二窗口層 GaP 500~5000 歐姆接觸、電流擴展
223 p型第二覆蓋層 AlInP+Mg 50~5000 提供空穴
222 發光層MQW Aln1 Ga(1-n1) InP/ Aln2 Ga(1-n2) InP (0≤n1＜n2≤1) 2~50對 發光層，決定發光波長及亮度的主要因素
221 n型第一覆蓋層 AlInP+Si 50-5000 提供電子
220 n型第一窗口層 Alx1 Ga(1-x1) InP 2000~6000 歐姆接觸、電流擴展
其中第一導電類型半導體層22的第一窗口層220直接位於出光表面，該第一窗口層220為鋁鎵銦磷，具體的表達為Alx1 Ga(1-x1) InP，其中x1介於0.4~1，其中高鋁含量可有效降低該窗口層對來自發光層的輻射的吸光效應；更優選的，其中所述的x1介於0.6~0.8，能夠保證鋁鎵銦磷與外延生長襯底(如砷化鎵)的晶格良好匹配，獲得良好生長質量的鋁鎵銦磷；較佳的，為保證電流的橫向擴展，該第一窗口層220的厚度為2~6 μm，更優選的該第一窗口層220的厚度為3~5 μm；第一窗口層220優選摻雜濃度為1E18 atom/cm3 以上，其摻雜類型與第一導電類型半導體層22的摻雜類型是相同的，更優選的為1~2E18 atom/cm3 ，更低的摻雜濃度，則會導致歐姆接觸阻值過高，更高的摻雜濃度則導致吸光現象，降低出光效率。該第一窗口層220為出光表面的材料，更優選的，可以經過粗化處理或表面圖案化處理，以提高出光效率。p型第二窗口層224(GaP)的摻雜濃度優選的為5E17~9E19 atom/cm3 之間。
其中該第一電極205與第一導電類型半導體層22的第一窗口層220電性連接，從第二導電類型半導體層23側開口或製作台面，以暴露第一導電類型半導體層22的第一窗口層220。第一電極205延伸至開口底部或製作在台面上，與第一導電類型半導體層22的第一窗口層220形成接觸。更優選的，為了防止第一電極與第二導電類型半導體層、發光層在開口側壁或形成台面的側壁處接觸，第一電極205可以與開口側壁或形成台面的側壁之間通過一絕緣層絕緣。
如圖1所示，為了讓第一電極205與n型第一窗口層220形成良好的歐姆接觸，n型第一窗口層220中具有位於第一電極205周圍的低電阻區域207以及非低電阻區域208，非低電阻區域208較低電阻區207更遠離該第一電極205，該低電阻區域207比該非低電阻區域208的阻值更低；形成該低電阻區域207的方式可以是第一電極205具有一擴散金屬，該金屬擴散至n型第一窗口層220中並形成在第一電極205周圍。擴散金屬可來自於第一電極205的電極材料，該第一電極205優選的材質包括例如為金、鍺、鎳或這些金屬任意組合的合金或者進一步包括與n型第一窗口層220接觸的單一成分金屬層，如金。在電極製作在開口中或台面後，可通過高溫熔合技術實現金屬擴散獲得低電阻區域207，高溫熔合的溫度在300°C以上，更優選的是420~520°C以上，時間是1~30 min。
其中第二電極206位於第二導電類型半導體層23一側，並且第二電極206與第二導電類型半導體層23側的p型第二窗口層224接觸，第二電極206可以包括金鈹、金鋅等至少之一的合金材料或透明導電材料如ITO、IZO之類材料作為歐姆接觸性材料；更優選的，第二電極206還可包括一反射性金屬，如金或銀，對自發光層222輻射並穿透第二導電類型半導體層23的p型第二窗口層224的部分光進行反射回半導體發光序列，並從出光表面出光。
更優選的，在第二導電類型半導體層23的p型第二窗口層224側形成一絕緣層（圖中未示出），絕緣層具有多個開口，以暴露p型第二窗口層224一側，第二電極206通過絕緣層的多個開口與p型第二窗口層224形成多個接觸；絕緣層優選的是透光的材料製作，絕緣層可以是氟化物、氧化物或氮化物，例如氮化矽、氧化矽、氟化鎂、氟化鈣等至少之一材料。第二電極206通過絕緣層多個開口與p型第二窗口層224接觸，以保證電流在第二電極206與p型第二窗口層224之間的均勻傳遞。更優選的，該第二電極206還包括覆蓋於絕緣層的表面的反射性金屬，如金或銀，反射性金屬與絕緣層可以形成全反射結構，從而提高反射率；反射性金屬與絕緣層之間也可以包括透明導電性的粘附層，如ITO、IZO等至少之一種，增加粘附作用。
第一電極205和第二電極206位於半導體發光序列出光表面的相反側，並且第一電極205和第二電極206可以與外部電連接件進行接觸，形成傳統的倒裝結構。所述的第一電極205和第二電極206還可包括頂部的焊盤金屬，焊盤金屬可以是如金、鋁等至少一層，以實現第一電極205和第二電極206覆晶在封裝或應用的基板上。第一電極205和第二電極206可以等高或不等高，在第一電極和第二電極的厚度方向上，第一電極205和第二電極206的焊盤金屬不重疊。
本實施例結構適用於半導體發光元件具有的半導體發光序列尺寸介於1~2000 μm，尺寸的定義為半導體發光序列在垂直於厚度方向上的投影具有長和寬，長和寬的尺寸都介於1~2000 μm範圍內。具體的如1~100 μm的微型發光二極管或100~300 μm次微米級發光二極管，該微型發光二極管或次微米級發光二極管可以廣泛運用於顯示等領域，該次微米級發光二極管可包括一永久的透明襯底位於出光表面，如藍寶石或玻璃或石英等。
實施例二
本實施例提供一種適用於電極側支撐襯底的發光二極管，具體的半導體發光序列的尺寸介於1~2000 μm，更佳的尺寸的定義為半導體發光序列在垂直於厚度方向上的投影具有長和寬，長和寬的尺寸都大於300 μm，更優選的尺寸為700 μm以上。
該半導體發光元件的結構如圖2所示，其包括半導體發光序列，半導體發光序列包括第一導電類型半導體層22、發光層222和第二導電類型半導體層23；第一導電類型半導體層22包括n型第一窗口層220和n型第一覆蓋層221，發光層222為多量子阱，第二導電類型半導體層23包括p型第二覆蓋層223和p型第二窗口層224，第一導電類型半導體層22的n型第一窗口層220為出光表面，第一電極706和第二電極70分別與n型第一窗口層220和p型第二窗口層224電性接觸，並且都位於出光表面的相反面，由此第一電極706和第二電極70不會對出光表面的輻射形成阻擋。
半導體發光序列的主要成分具體參考表二：
表二
元件編號 功能層 材料 (厚度nm) 功能
224 p型第二窗口層 GaP 500~5000 歐姆接觸、電流擴展
223 p型第二覆蓋層 AlInP+Mg 50~5000 提供空穴
222 發光層MQW Aln1 Ga(1-n1) InP/ Aln2 Ga(1-n2) InP (0≤n1＜n2≤1) 2~50對 發光層，決定發光波長及亮度的主要因素
221 n型第一覆蓋層 AlInP+Si 50-5000 提供電子
220 n型第一窗口層 Alx1 Ga(1-x1) InP 2000~6000 歐姆接觸、電流擴展
其中n型第一窗口層220為Alx1 Ga(1-x1) InP，優選x1取值為0.4~1，更佳的為0.6，n型第一窗口層220的厚度優選為2~6 μm，更佳的為3~5 μm；p型第二窗口層224為GaP，更優選的為0.5~5 μm，更佳的0.5~2 μm，n型摻雜濃度為1E18 atom/cm3 以上，更優選的為1~2E18 atom/cm3 ；p型第二窗口層224(GaP)的摻雜濃度為5E17~9E19 atom/cm3 之間。
如圖2所示，第二導電類型半導體層23一側具有多個開口，多個開口延伸至穿過第二導電類型半導體層23、發光層222，並且開口底部位於第一導電類型半導體層22的n型第一窗口層220。第一電極706包括多個填充於開口內且從開口內延伸出來的延伸部分以及一個垂直於該等延伸部分並連接該等延伸部分的主體。這些延伸部分在開口底部形成多個第一電接觸。多個第一電接觸的形狀為點狀，具體的可以是圓形、方形、橢圓形或多邊形，多個第一電接觸均勻地或非均勻的分散在n型第一窗口層220一側。每一第一電接觸的尺寸為1~20 μm（第一電接觸接觸面的最大直徑），多個第一電接觸形成的總面積占n型第一窗口層220一側橫截面積的0.5~20%，相鄰第一電接觸之間的間距為30~100 μm。
參閱圖2，第二電極70在第二導電類型半導體層23的一側形成歐姆接觸，包括一歐姆接觸層702和反射層703，歐姆接觸層702可以是金屬金、鈹、鋅等材料的組合，或者是透明導電氧化物如ITO或IZO等。反射層703用於反射輻射且形成在相反於第二導電類型半導體層23的歐姆接觸層702側面上，反射層的材料為金屬如金或銀或金屬透明導電層的組合等。該第二電極70於反射層703下面還可包括擴散阻擋的金屬層704，如鈦、鉑、鉻等金屬材料的組合。
第二電極70(包含歐姆接觸層702、反射層703及金屬層704)具有一對彼此相反的兩側(也就是歐姆接觸層702側及金屬層704側)，其中歐姆接觸層702側覆蓋第二導電類型半導體層23的p型第二窗口層224；而金屬層704側與第一電極706之間設置有一絕緣層705並形成夾層結構；絕緣層705分別與第一電極706和第二電極70接觸，以實現第一電極706與第二電極70之間的絕緣隔離。絕緣層705同時環繞開口側壁，並位於第一電極706的延伸部分與開口側壁和第二電極70之間。絕緣層705的具體材料可以是氮化物、氧化物，具體的如氮化矽、氧化矽、氧化鋅之類的絕緣層材料。
參閱圖3，第二導電類型半導體層23的一側還可包括絕緣層701，絕緣層701包括多個開口，絕緣層701的具體材料可以是氮化物、氧化物，具體的如氮化矽、氧化矽、氧化鋅之類的絕緣層材料。歐姆接觸層702填充在絕緣層701的多個開口中形成多個第二電接觸。多個第二電接觸通過絕緣層701的多個開口形成的形狀為點狀，具體的點狀可以是圓形、方形、橢圓形或多邊形，多個第二電接觸均勻地或非均勻的分散在第二窗口層一側，優選均勻的分散方式。每一第二電接觸的尺寸為1~300 μm（每一第二電接觸接觸面的最大直徑），多個第二電接觸形成的總面積占第二窗口層一側橫截面積的面積的0.5~20%。
於圖3中，絕緣層705的設置如同圖2，不同處在於絕緣層705是環繞絕緣層701，並位於第一電極706的延伸部分與絕緣層701和第二電極70之間。
如圖4所示，從第一窗口層220一側俯視，多個第二電接觸圍繞一個第一電接觸的形式設置，較佳的，六個第二電接觸在一個第一電接觸周圍可以等距的形成等邊六邊形或圓形的形狀；任意兩個相鄰第二電接觸之間的間距為5~40 μm。任意一個第二電接觸與相鄰一個第一電接觸的距離為10~30 μm。通過控制相鄰第二電接觸之間的距離以及第二電接觸與相鄰一個第一電接觸的距離，由此可以實現電流儘量均勻橫向擴展，而避免過度集中在第一電接觸周圍。
如圖5所示，在第一電極706的主體側包括支撐襯底708支撐該半導體發光序列，支撐襯底708可以是導電襯底或金屬襯底，導電襯底如矽、碳化矽；金屬襯底如銅、銅鎢合金。導電襯底的背面側可以包括金屬層(圖未示)，用於讓第一電極706與外部形成電性連接。
支撐襯底708可透過一鍵合層707形成在第一電極706的主體側，鍵合層707具體可以是形成多層鍵合金屬並進行高溫高壓鍵合，鍵合金屬選自如鈦、鎳、錫、鉑、金等金屬。當支撐襯底708為導電襯底，鍵合層707需為導電材料，以電性連接第一電極706與支撐襯底708。更優選的，可以在鍵合層707背面側鍍上至少一層金屬作為背面側的外部電性連接。
第二電極70可以水平延伸至半導體發光序列以外並且暴露部分(如圖5的第二電極70中的金屬層704)，第二電極的暴露部分朝向半導體發光序列一側，並包括外部連接的焊線電極，由此可供與出光表面同側的外部打線。
如圖6所示，支撐襯底708可以是絕緣襯底，鍵合層707可以選擇金屬材料或絕緣材料。絕緣材料如氧化鈦、氧化鋁或氧化鋅等一層或多層材料。絕緣襯底可選擇如氮化鋁、藍寶石、石英、玻璃或陶瓷材料。在支撐襯底708為絕緣襯底的情況下，第一電極706在形成夾層的延伸部分可水平延伸至半導體發光序列以外並且暴露部分，第一電極706暴露的部分朝向半導體發光序列一側，並包括外部連接的焊線電極，由此可供與出光表面同側的外部打線。第二電極70的金屬層704水平延伸至半導體發光序列以外並且暴露部分，第二電極的暴露部分朝向半導體發光序列一側，並包括外部連接的焊線電極，由此可供與出光表面同側的外部打線。
如圖2或3所示，為了與n型第一窗口層220形成良好的歐姆接觸，n型第一窗口層220中具有集中在多個第一電接觸的區域周圍的低電阻區域707，該低電阻區域707比周圍的n型第一窗口層220的非低電阻區域的阻值更低，以利於保證第一電極706與第一窗口層220之間的良好歐姆接觸；形成該低電阻區域707的方式可以是第一電極706包括擴散金屬，擴散金屬自第一電極706側擴散至n型第一窗口層220中形成在第一電接觸周圍的低電阻區域707。該第一電極706優選的材質包括例如為金、鍺、鎳或上述金屬任意組合的合金，該合金中包括可擴散的金屬成分，或者進一步包括與n型第一窗口層220接觸的單一成分金屬層，如金。為了獲得低電阻區域707，在第一電極706製作完成後，可通過高溫熔合技術實現金屬擴散，高溫熔合的溫度在300°C以上，更優選的是420~520°C，時間是1~30 min。
實施例三
提供一種實施例二的替代性的實施方式，如圖7所示，更優選的，所述的擴散金屬可以進一步自多個第一電接觸擴散至n型第一窗口層220的出光表面形成低電阻區域707，由此低電阻區域707自多個第一電接觸沿n型第一窗口層220厚度方向貫穿n型第一窗口層220至出光表面。具體的，第一電極706在通過常規的操作如蒸鍍、濺鍍或電鍍沉積完獲得各層金屬之後，需進行高溫熔合步驟獲得低電阻區域707，高溫熔合的溫度條件優選地為460-490°C，15~20 min，實現擴散金屬自第一電極706擴散至n型第一窗口層220厚度方向至出光表面。高溫熔合的溫度和時間可有效保證擴散金屬擴散至n型第一窗口層220表面側。具體的，第一電極706在接近第二導電類型半導體層23的開口底部處至少具有第一層金屬以及第二層金屬合金，第一層金屬如金，厚度為10~50 nm，更優選的是厚度為30~40 nm；第二層金屬合金如金鍺鎳、金鍺，厚度可以是至少50nm，更優選的是厚度80~150 nm之間，或者於第二金屬合金上再疊一層的金屬而讓厚度加厚，該金屬如金，厚度為200~400 nm範圍。
如圖8所示，在半導體發光序列被通電的情況下，電流(電子)在第一導電類型半導體層22一側至第二導電類型半導體層23一側的大致傳遞方向，如圖中箭頭方向所示。低電阻區域707自多個第一電接觸貫穿n型第一窗口層220厚度方向至出光表面。根據電阻的計算公式：R=ρ
Figure 02_image001
(ρ為材料的電阻率，L為材料的厚度，S為材料的面積)，低電阻區域707促進電流(電子)沿著n型第一窗口層220厚度方向縱向傳遞，可以有效增加n型第一窗口層220的橫向電流(電子)傳遞面積，降低n型第一窗口層220的橫向電阻，從而利於電流(電子)自第一電接觸側橫向傳遞，然後縱向傳遞穿過發光層222至p型第二覆蓋層223和p型第二窗口層224，因此可避免電流集中在第一電接觸側所造成的發光區域不均勻狀況。
如圖9所示，當n型第一窗口層220作為出光表面，為增加出光效率，可進行不平整化處理工藝形成具有不平整的表面，不平整化可以是粗化或圖案化處理。當擴散金屬擴散至n型第一窗口層220的出光表面，形成低電阻區域707，對出光表面進行同樣工序或一道工序的粗化或圖案化處理後，低電阻區域707的表面側形成的不平整度會不同於周圍非低電阻區域表面的不平整度。這是由於擴散金屬擴散至n型第一窗口層220中，導致n型第一窗口層一側的材料晶格被破壞，晶格被破壞的區域形成低電阻區域707，低電阻區域707的材料形貌不同於周圍非低電阻區域(也就是無擴散金屬的區域)，當表面被不平整化後，會形成不同的不平整度。
圖10提供了實際半導體發光元件的n型第一窗口層220的出光表面被粗化處理的局部SEM圖，其中虛線區域代表的是一個第一電接觸上方的形成的低電阻區域707，從圖中可以看出低電阻區域707上方的n型第一窗口層220的出光表面粗化度不同於周圍非低電阻區域表面側的粗化度。
實施例四
作為實施例二的一種更佳的實施方式，根據方塊電阻的計算公式：Rs=ρ/L，其中ρ為材料的電阻率，L為材料的厚度，材料的摻雜濃度越大可以降低電阻率從而降低方塊電阻，在材料厚度越大的情況下，方塊電阻越小。因此，優選的n型第一窗口層220的方塊電阻Rs在0.01~1 Ω/☐，更優選為0.03~0.1 Ω/☐，具體可以是0.3 Ω/☐；p型第二窗口層224的方塊電阻Rs為1~10 Ω/☐，具體的可以是4 Ω/☐。更優選的，n型第一窗口層220與第二窗口層224的方塊電阻的比例是至多為1：10，更優選的為1：(10~100)或1：(100~1000)或1：(100~10000)。由於n型第一窗口層220的方塊電阻小，p型第二窗口層224的方塊電阻大，可有利於電流在n型第一窗口層220側的橫向電流擴展，在p型第二窗口層224一側形成縱向電流擴展，從而避免電流集中在第一電接觸區域。
其中n型第一窗口層220與p型第二窗口層224的厚度比例優選為大於等於2：1，更優選的大於等於5：1，更優選的為10：1，p型第二窗口層224的厚度為0.1~2 μm，優選為0.5 μm, n型第一窗口層220的厚度為2~6 μm，更優選的5 μm。
實施例五
為了形成低電阻區域，本實施例提供一種替代第一電極通過高溫熔合形成擴散金屬的方式，離子注入方式；離子注入摻雜離子的是帶正電荷的元素，如鎂離子、鐵離子、鋅離子、矽離子、碳離子等，通過局部離子注入的方式使摻雜離子形成在多個第一電接觸附近形成局部摻雜，即低電阻區域；離子注入的方向可以是自n型第一窗口層220自第一電接觸一側進行注入，注入的深度可進一步控制到穿透n型第一窗口層220到達第一電接觸所在表面的相反表面側，注入的摻雜離子在低電阻區域形成的濃度範圍為1E17~1E20 atom/cm3 。離子注入後可以通過高溫退火(300~600°C)激活摻雜離子。
實施例六
作為實施例二的一種替代方式，第一電極的多個第一電接觸的形狀為條狀，條狀在寬度方向的尺寸為1~20 μm，條狀為至少一個或多個，面積占比為5~30%；第二電極的多個第二電接觸的形狀為點狀，點狀的形狀為圓形、方形、多邊形或橢圓形等至少一種，點狀所佔據的面的最大直徑定義為點狀的尺寸，其大小為5~60 μm；如圖11所示，從n型第一窗口層220一側看出，於第二電極70的歐姆接觸層702所形成的多個第二電接觸(以702表示)位於第一電極706的條狀第一電接觸(以706表示)周圍，相鄰的一個第二電接觸與一個第一電接觸的間距為5~40μm，相鄰多個第二電接觸702可以如圖11所示的每四個點狀圍繞的方形作為重複單元排列在條狀的一側或兩側，也可以是菱形四邊形或六邊形作為重複單元進行排列。
實施例七
如圖12所示，作為實施例一的一種替代方式，提供具有如下一種半導體發光序列的半導體發光元件，半導體發光元件的結構與圖1一致，不同之處在於：半導體發光序列的第一導電類型半導體層24包括p型第一覆蓋層242和p型第一窗口層241，其中p型第一窗口層241直接位於出光表面；第二導電類型半導體層25包括n型第二覆蓋層251和n型第二窗口層252，n型第二窗口層252為GaP或 GaAs。p型第一窗口層241選擇使用Alx1 Ga(1-x1) InP具備更好的透光性，替代傳統的n型GaAs以及p型GaP作為出光表面的窗口層可以有效降低吸光效應，提高出光率；厚度為2~6 μm是較佳的厚度，更優選的為2000~4000 nm，更優選的為2500~4500 nm；為有效保證電流擴展，較佳的摻雜濃度為1E18 atom/cm3 以上。第一電極305的材料包括金/金鋅/金或金/金鈹/金組合的材料，且第一電極305與p型第一窗口層241之間的接觸材料需要是第一層金，第一層金厚度介於1 nm~50 nm之間；優選第一電極305的第一層接觸金厚度為5~20 nm。為了改進該歐姆接觸效果，使用高溫至少300°C以上的熔合技術，更優選的至少480°C的溫度對第一電極305進行熔合形成低電阻區域307，更優選的熔合時間為10~15 min。低電阻區域307可以選擇地進一步延伸至出光表面。圖12的元件編號306代表第二電極。
半導體發光序列的主要成分如表三所示：
表三
元件編號 功能層 材料 (厚度nm) 功能
241 p型第一窗口層 Alx1 Ga(1-x1) InP 2000~4000 歐姆接觸、電流擴展和出光表面
242 p型第一覆蓋層 AlInP+Mg 50~5000 提供空穴
26 發光層MQW Aln1 Ga(1-n1) InP/Aln2 Ga(1-n2) InP (0≤n1＜n2≤1) 2~50對 發光層，決定發光波長及亮度的主要因素
251 n型第二覆蓋層 AlInP+Si 50-5000 提供電子
252 n型第二窗口層 GaP或 GaAs 500~5000 歐姆接觸、電流擴展
綜上所述，本發明通過選擇鋁鎵銦磷作為該第一電極與該第一導電類型半導體層形成接觸的歐姆接觸層和窗口層，替代傳統的吸光性歐姆接觸材料，可以有效改善透光性並提升出光效率，故確實能達成本發明之目的。
上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及範疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。
22:第一導電類型半導體層 220:第一窗口層/n型第一窗口層 221:第一覆蓋層/n型第一覆蓋層 222:發光層 23:第二導電類型半導體層 223:第二覆蓋層/p型第二覆蓋層 224:第二窗口層/p型第二窗口層 205:第一電極 206:第二電極 207:低電阻區域 208:非低電阻區域 70:第二電極 701:絕緣層 702:歐姆接觸層 703:反射層 704:金屬層 705:絕緣層 706:第一電極 707:低電阻區域 24:第一導電類型半導體層 241:第一窗口層/p型第一窗口層 242:第一覆蓋層/p型第一覆蓋層 25:第二導電類型半導體層 251:第二覆蓋層/n型第二覆蓋層 252:第二窗口層/n型第二窗口層 305:第一電極 306:第二電極 307:低電阻區域
本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1是實施例一的半導體發光元件的結構示意圖； 圖2至6是實施例二的半導體發光元件的結構示意圖； 圖7至9是實施例三的半導體發光元件的結構示意圖； 圖10是實施例三的半導體發光元件的局部SEM圖； 圖11是實施例六的半導體發光元件的結構示意圖； 圖12是實施例七的半導體發光元件的結構示意圖。
22:第一導電類型半導體層
220:第一窗口層/n型第一窗口層
221:第一覆蓋層/n型第一覆蓋層
222:發光層
23:第二導電類型半導體層
223:第二覆蓋層/p型第二覆蓋層
224:第二窗口層/p型第二窗口層
70:第二電極
701:絕緣層
702:歐姆接觸層
703:反射層
704:金屬層
705:絕緣層
706:第一電極
707:低電阻區域

Claims (28)

  1. 一種半導體發光元件，其包括：半導體發光序列，半導體發光序列包括第一導電類型半導體層、第二導電類型半導體層和位於兩層之間的發光層；第一電極，與該第一導電類型半導體層電性連接；第二電極，與該第二導電類型半導體層電性連接；其中，該第一導電類型半導體層包括鋁鎵銦磷窗口層，該鋁鎵銦磷窗口層作為該第一電極與該第一導電類型半導體層形成接觸的歐姆接觸層，其中，該第二導電類型半導體層一側具有多個開口，該等開口延伸至穿過該第二導電類型半導體層、該發光層至該等開口底部位於該第一導電類型半導體層的該鋁鎵銦磷窗口層，該第一電極位於該第二導電類型半導體層一側並延伸至該等開口底部形成多個第一電接觸。
  2. 如請求項1所述的半導體發光元件，其中，該鋁鎵銦磷窗口層中具有一低電阻區域及一非低電阻區域，該低電阻區域位於該第一電極形成接觸的周圍，非低電阻區域較低電阻區更遠離該第一電極，並且電阻低於該鋁鎵銦磷窗口層中的非低電阻區域。
  3. 如請求項2所述的半導體發光元件，其中，該低電阻區域從該第一電極與該鋁鎵銦磷窗口層形成接觸的位置沿該鋁鎵銦磷窗口層的厚度方向延伸至該鋁鎵銦磷窗口層的相反面。
  4. 如請求項2或3所述的半導體發光元件，其中，該低電阻區域是通過擴散金屬或者離子注入的方式形成。
  5. 如請求項4所述的半導體發光元件，其中，該低電阻區域是通過該第一電極具有的擴散金屬擴散至該鋁鎵銦磷窗口層中形成。
  6. 如請求項4所述的半導體發光元件，其中，所述的離子注入的元素為帶正電荷的離子。
  7. 如請求項1或2所述的半導體發光元件，其中，該第一電極和該第二電極位於該半導體發光序列的同側。
  8. 如請求項1所述的半導體發光元件，其中，該第二電極覆蓋該第二導電類型半導體層的一側，並露出該等開口。
  9. 如請求項8所述的半導體發光元件，其中，該第二電極與該第一電極之間、該第一電極與該等開口側壁之間通過一絕緣層絕緣隔離。
  10. 如請求項1所述的半導體發光元件，其中，該鋁鎵銦磷窗口層為Alx1Ga(1-x1)InP，0.4<x1
    Figure 108145837-A0305-02-0028-1
    1。
  11. 如請求項2或3所述的半導體發光元件，其中，該低電阻區域與周圍的該鋁鎵銦磷窗口層的非低電阻區域為同質區。
  12. 如請求項1所述的半導體發光元件，其中，該鋁鎵銦磷窗口層為Alx1Ga(1-x1)InP，x1介於0.6~0.8，厚度為2~6μm。
  13. 如請求項5所述的半導體發光元件，其中，該第二導電類型半導體層包括第二窗口層，該第二電極與該第二窗口層之間通過多個接觸點形成多個第二電接觸。
  14. 如請求項13所述的半導體發光元件，其中，任意一個第二電接觸與臨近一個第一電接觸的距離為10~30μm。
  15. 如請求項14所述的半導體發光元件，其中，任意兩個相鄰第二電接觸之間的間距為5~40μm，任意兩個相鄰第一電接觸之間的間距為30~100μm。
  16. 如請求項1所述的半導體發光元件，其中，該鋁鎵銦磷窗口層的方塊電阻為0.01~1Ω/□。
  17. 如請求項1所述的半導體發光元件，其中，該第二導電類型半導體層包括第二窗口層，該第二窗口層的方塊電阻為1~10Ω/□。
  18. 如請求項17所述的半導體發光元件，其中，該鋁鎵銦磷窗口層與該第二窗口層的方塊電阻的比例至多為1：10。
  19. 如請求項13或17所述的半導體發光元件，其中，該鋁鎵銦磷窗口層與該第二窗口層的厚度比例為大於等於5：1。
  20. 如請求項1所述的半導體發光元件，其中，該第一導電類型半導體層包括第一覆蓋層，該第二導電類型半導體層提供電子或空穴的第二覆蓋層。
  21. 如請求項1、2或3所述的半導體發光元件，其中，該鋁鎵銦磷窗口層與該第一電極形成接觸的面的相反面作為出光表面。
  22. 如請求項3所述的半導體發光元件，其中，該鋁鎵銦磷窗口層與該第一電極形成接觸的面的相反面作為出光表面，該出光表面被不平整化處理；該低電阻區域自該第一電極與該第一導電類型半導體層形成接觸的位置延伸至該鋁鎵 銦磷窗口層的出光表面，不平整度不同於周圍非低電阻區域的不平整度。
  23. 如請求項1或13所述的半導體發光元件，其中，該第一電極與該鋁鎵銦磷窗口層之間形成一個或多個條狀的接觸。
  24. 如請求項1所述的半導體發光元件，其中，該半導體發光序列的鋁鎵銦磷窗口層一側具有透明襯底。
  25. 如請求項24所述的半導體發光元件，其中，該半導體發光序列的尺寸介於100μm~300μm。
  26. 如請求項1所述的半導體發光元件，其中，該半導體發光序列的鋁鎵銦磷窗口層一側無透明襯底。
  27. 如請求項26所述的半導體發光元件，其中，該半導體發光序列的尺寸介於1~2000μm。
  28. 如請求項1所述的半導體發光元件，其中，該第一類型半導體層為n或p型。
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