TWI816186B - 發光元件及其製造方法 - Google Patents

Abstract

一種發光元件，包含：一半導體疊層，包含一第一半導體接觸層、一活性層、以及一第二半導體接觸層依序沿一厚度方向堆疊；其中，第一半導體接觸層為一同質材料且包含碳摻雜物具有一碳濃度；第一半導體接觸層沿厚度方向上包含第一區以及第二區；以及其中第一區的碳濃度大於第二區的碳濃度，且碳濃度具有第一峰值位於第一區。

Description

發光元件及其製造方法

本申請案係關於一種發光元件及其製造方法，特別是一種具有較佳半導體疊層磊晶品質的發光元件及其製造方法。

固態半導體元件諸如發光二極體(Light-Emitting Diode, LED)，其優點為功耗低，產生的熱能低，工作壽命長，防震，體積小，反應速度快和具有良好的光電特性，例如穩定的發光波長。因此發光二極體被廣泛應用於家用電器，設備指示燈，及光電產品等。

本申請案揭露一種發光元件，包含：一半導體疊層，包含一第一半導體接觸層、一活性層、以及一第二半導體接觸層依序沿一厚度方向堆疊；其中，第一半導體接觸層為一同質材料且包含碳摻雜物具有一碳濃度；第一半導體接觸層沿厚度方向上包含第一區以及第二區；以及其中第一區的碳濃度大於第二區的碳濃度，且碳濃度具有第一峰值位於第一區。

本申請案揭露一種發光元件製造方法，包含：形成一第一半導體接觸層；形成一活性層於第一半導體接觸層上；以及形成一第二半導體接觸層於活性層上；其中，第一半導體接觸層為一同質材料，且形成第一半導體接觸層之步驟包含：以一第一溫度成長一第一區與以一第二溫度成長一第二區；以及成長第二區的一時間區段大於或等於成長第一區的一時間區段；其中第二溫度高於第一溫度。

以下實施例將伴隨著圖式說明，在圖式或說明中，相似或相同之部分係使用相同之標號，並且在圖式中，元件之形狀或厚度可擴大或縮小。需特別注意的是，圖中未繪示或說明書未描述之元件，可以是本技術領域習知技藝者所知之形式。

在本申請案中，如果沒有特別的說明，通式AlGaN代表Al _aGa _(1-a)N，其中0≤a≤1；通式InGaN代表In _bGa _(1–b)N，其中0≤b≤1；通式AlInGaN代表Al _cIn _dGa _{(1 - c-d)}N，其中0≤c≤1，0≤d≤1。調整元素的含量可以達到不同的目的，例如但不限於，調整能階或是調整發光元件的主發光波長。

本申請案所揭露的發光元件所包含的每一層之組成以及摻雜物可用任何適合的方式分析，例如二次離子質譜儀(secondary ion mass spectrometer，SIMS)。

本申請案所揭露的發光元件所包含的每一層之厚度可用任何適合的方式分析，例如穿透式電子顯微鏡(transmission electron microscopy，TEM)或是掃描式電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)，藉以配合例如於SIMS圖譜上的各層深度位置。

圖1顯示依據本申請案第一實施例發光元件1的剖面圖。發光元件1包含基板10及位於基板10上的半導體疊層12。半導體疊層12在由基板10往上的方向上，也就是其厚度方向上，依序包含緩衝結構40、第一半導體接觸層121、活性區123、電子阻擋區70及第二半導體接觸層122。第一半導體接觸層121包含第一型摻雜物，第二半導體接觸層122包含第二型摻雜物，其中第一型摻雜物和第二型摻雜物使得第一半導體接觸層121與第二半導體接觸層122具有不同的導電型態、電性、極性或用於分別提供電子或電洞。於一實施例中，第一型摻雜物包含矽，第二型摻雜物包含鎂。第一半導體接觸層121包含一表面121u不被活性區123及第二半導體接觸層122所覆蓋。第一電極20位於第一半導體接觸層121之表面121u上並與之電性連接，第二電極30位於第二半導體接觸層122上並與之電性連接。

基板10可以是一成長基板，包括用於磊晶生長磷化鎵銦(AlGaInP)的砷化鎵(GaAs)基板及磷化鎵(GaP)基板，或用於生長氮化銦鎵(InGaN)或氮化鋁鎵(AlGaN)的藍寶石(Al ₂O ₃)基板、氮化鎵(GaN)基板、矽(Si)基板、碳化矽(SiC)基板及氮化鋁(AlN)基板。於一實施例中，基板10可以是一圖案化基板，即，基板10在半導體疊層12所在的表面上具有圖案化結構(圖未示)。從半導體疊層12發射的光可以被基板10的圖案化結構所折射，從而提高發光元件的亮度。或者，於另一實施例中，基板10為一支撐基板，包括導電材料，例如矽(Si)、鋁(Al)、銅(Cu)、鎢(W)、鉬(Mo)、金(Au)、銀(Ag)，碳化矽(SiC)或上述材料之合金，或導熱材料，例如金剛石(diamond)、石墨(graphite)、陶瓷材料、或氮化鋁，或透光材料，例如玻璃、或藍寶石。將原先成長於成長基板上的半導體疊層移轉至前述之支撐基板，再依據應用的需要而選擇性地移除成長基板。

於本申請案的任一實施例中，執行磊晶成長的方式包含但不限於金屬有機化學氣相沉積(metal-organic chemical vapor deposition，MOCVD)、氫化物氣相磊晶生長法(hydride vapor phase epitaxy，HVPE)、分子束磊晶(molecular beam epitaxy, MBE)、物理氣相沉積(physical vapor deposition, PVD)、液相晶體磊晶(liquid-phase epitaxy，LPE)。較佳的，執行磊晶成長的方式包含MOCVD。

藉由改變半導體疊層12中一層或多層的物理及化學組成以調整發光元件1發出光線的波長。磊晶疊層之材料包含Ⅲ-Ⅴ族半導體材料，例如AlInGaP系列材料、InGaN系列材料、AlGaN系列材料或AlInGaN系列材料。當活性區123之材料為AlInGaP系列材料時，可發出波長介於610 nm及650 nm之間的紅光、或波長介於530 nm及570 nm之間的綠光。當活性區123之材料為InGaN系列材料時，可發出波長介於400 nm及490 nm之間的藍光、波長介於490 nm及530 nm之間的青色光(Cyan)、或波長介於530 nm及570 nm之間的綠光。當活性區123之材料為AlGaN系列或AlInGaN系列材料時，可發出波長介於400 nm及250 nm之間的紫外光。

緩衝結構40可以減少基板10與半導體疊層12之間因晶格不匹配而導致的錯位，從而改善磊晶品質。緩衝結構40包含單一層，或包含多層(圖未示)。在一實施例中，緩衝結構40包含Al _iGa _(1–i)N，其中0≤i≤1。在一實施例中，緩衝結構40的材料包含GaN。在另一實施例中，緩衝結構40的材料包含AlN。緩衝結構40形成的方式可以為MOCVD、MBE、HVPE或PVD。PVD包含濺鍍或是電子束蒸鍍。當緩衝結構40包含多個子層(圖未示)時，子層包括相同材料或不同材料。在一實施例中，緩衝結構40包括兩個子層，其中第一子層的生長方式為濺鍍，第二子層的生長方式為MOCVD。在一實施例中，緩衝結構40另包含第三子層。其中第三子層的生長方式為MOCVD，第二子層的生長溫度高於或低於第三子層的生長溫度。在一實施例中，第一、第二及第三子層包括相同材料，例如AlN，或不同材料，例如AlN、GaN及AlGaN的組合。在其它實施例中，以PVD-氮化鋁(PVD-AlN)做為緩衝層，用以形成PVD-氮化鋁的靶材係由氮化鋁所組成，或者使用由鋁組成的靶材並於氮源的環境下反應性地形成氮化鋁。

在一實施例中，緩衝結構40可以是無摻雜(即，非刻意摻雜)的。在另一實施例中，緩衝結構40可以包含摻雜物例如矽、碳、氫、氧或其組合，且此摻雜物在緩衝結構40中的濃度不小於1×10 ¹⁷/cm ³。在一些實施例中，當緩衝結構40包含多層且包含第一型摻雜物時，靠近第一半導體接觸層121的一層的第一型摻雜物的濃度大於遠離第一半導體接觸層121的一層的第一型摻雜物的濃度。例如，靠近第一半導體接觸層121的一層的第一型摻雜物的濃度大於1×10 ¹⁸/cm ³，遠離第一半導體接觸層121的一層的第一型摻雜物的濃度小於1×10 ¹⁷/cm ³。

第一半導體接觸層121的材料包含Al _xIn _yGa _{(1 - x-y)}N，其中0≦x≦1，0≦y≦1。第一半導體接觸層121與緩衝結構40可為相同或不同的材料，以及不同的摻雜濃度。第一半導體接觸層121的第一型摻雜物濃度大於緩衝結構40的第一型摻雜物濃度。第一半導體接觸層121的第一型摻雜物濃度大於1×10 ¹⁸/cm ³，較佳的，大於1×10 ¹⁹/cm ³，且更佳的，介於1×10 ¹⁹/cm ³以及5×10 ²²/cm ³(兩者皆含)之間。於另一實施例中，第一半導體接觸層121包含一摻雜物，例如碳。摻雜物來源可由磊晶原料本身中存在的或是磊晶成長過程中另外添加的。圖2為本申請案之一實施例中以碳為摻雜物，第一半導體接觸層121中的碳濃度的分布示意圖。第一半導體接觸層121包含第一區121a及第二區121b，於一實施例中，第一區121a及第二區121b包含相同的半導體材料。由圖2的碳濃度分布趨勢來看，第一區121a與第二區121b具有不同的碳濃度。於一實施例中，第一半導體接觸層121包含複數個第一區121a與第二區121b相互交疊設置。第二區121b的厚度大於第一區121a的厚度，較佳的，第二區121b的厚度大於該第一區121a的厚度的兩倍。於一實施例中，第一半導體接觸層121中複數個第一區121a具有相同厚度，及/或複數個第二區121b具有相同厚度。於另一實施例中，複數個第一區121a具有不同的厚度及/或複數個第二區121b具有不同的厚度。如圖2所示，第一區121a的碳濃度大於該第二區121b的碳濃度，且第一區121a的碳濃度沿厚度方向(成長方向)具有變化，例如碳濃度先增加後減少。第一區121a的碳濃度具有一峰值C2，第二區121b的平均碳濃度C1與第一區121a的碳濃度峰值之差值大於或等於1.0×10 ^{1 6}atoms/cm ³。於一實施例中，第一區121a的碳濃度峰值C2與第二區121b的平均碳濃度C1之比值大於或等於1.1且小於6，較佳的，介於1.2-3.0(包含端值)。於一實施例中，第一區121a的碳濃度峰值C2介於5.0×10 ¹⁶-1.6×10 ¹⁸atoms/cm ³(包含端值)，第二區121b的平均碳濃度C1介於7.0×10 ¹⁵-1.2×10 ¹⁸atoms/cm ³(包含端值)。

活性區123位於第一半導體接觸層121與第二半導體接觸層122之間。電子與電洞在電流驅動下在活性區123中結合，將電能轉換成光能以發光。活性區123可以是單異質結構(single heterostructure；SH)、雙異質結構(double heterostructure； DH)、雙面雙異質結構(double-side double heterostructure；DDH)、多重量子井(multi-quantum well；MQW)。於一實施例中，活性區123包含多重量子井，由複數個井層(well)(圖未示)以及複數個個阻障層(barrier)(圖未示)相互交疊組成。活性區123的材料可以是i型、p型或n型半導體。可藉由改變半導體疊層12中一個或多個層別的物理特性和化學組成，來調整半導體疊層12所發出的光之波長。於一實施例中，半導體疊層12更可包含其他層位於第一半導體接觸層121與活性區123之間。例如，為了縮小第一半導體接觸層121與活性區123之間的晶格差異以減少磊晶缺陷，還可以在第一半導體接觸層121與活性區123之間形成應力釋放結構(圖未示)，應力釋放層例如是超晶格結構，其由不同材料組成的兩種半導體層相互交疊而成，兩種半導體層例如是氮化銦鎵層(InGaN)與氮化鎵(GaN)層，或氮化鋁鎵層(AlGaN)與氮化鎵(GaN)層。應力釋放結構亦可以由具有相同功效的多層不同材料組成的半導體疊層構成，例如III族元素組成漸變的多層結構。

電子阻擋區70位於活性區123與第二半導體接觸層122之間。電子阻擋區70可以阻擋由第一半導體接觸層121注入至活性區123的電子，未在活性區123中的井層(圖未示)結合便流出進入第二半導體接觸層122。電子阻擋區70具有比活性區123中的阻障層更高的能隙。電子阻擋區70可包含單一層、多個子層、或複數個交替的第一子層以及第二子層。於一實施例中，複數個交替的第一子層以及第二子層組成超晶格結構。於一實施例中，電子阻擋區70包含第二型摻雜物，且其摻雜濃度大於1×10 ¹⁷/cm ³，且/或不超過1×10 ²¹/cm ³。

第二半導體接觸層122位於電子阻擋區70上。在一些實施例中，第二半導體接觸層122中的第二型摻雜物的摻雜濃度不小於1×10 ¹⁸/cm ³，較佳的，不小於1×10 ¹⁹/cm ³，更佳的，介於1×10 ¹⁹/cm ³和1×10 ²¹/cm ³之間(包含端值)。在一實施例中，第二半導體接觸層122包含Al _x1In _x2Ga _(1–x1-x2)N，其中0≦x1≦1，0≦x2≦1。於一實施例中，x2=0，0＜x1≦0.1，且較佳的，0＜x1≦0.05，藉以提升發光效率。於另一實施例中，第二半導體接觸層122包含GaN。第二半導體接觸層122具有一不超過15 nm的厚度，且較佳的，超過3 nm。於一實施例中，第二半導體接觸層122中更包含第一型摻雜物，例如Si，其中第二型摻雜物的摻雜濃度大於第一型摻雜物的摻雜濃度。在一些實施例中，第二半導體接觸層122包含多層結構，例如超晶格結構。藉由多層結構的調整使得其自電子阻擋區70至第二半導體接觸層122最外層的摻雜濃度或材料組成漸變調整，使得第二半導體接觸層122磊晶品質提升。於一實施例中，活性區123與第二半導體接觸層122之間除了電子阻擋區70之外更可包含其他一或多層結構。例如，位於電子阻擋區70與活性區123之間的擴散防止層(圖未示)，擴散防止層用於防止第二半導體接觸層122或電子阻擋區70的第二型摻雜物擴散進入活性區123，避免活性區123磊晶品質劣化或者效率變差。

圖3A顯示本申請案一實施例之半導體疊層12的成長方法。更具體地，圖3A為本申請案一實施例之形成緩衝結構40及第一半導體接觸層121的溫度與時間關係圖。第一半導體接觸層121中第一區121a係在第一成長條件下成長，第二區121b在第二成長條件下成長。於一實施例中，第一成長條件與第二成長條件包含不同的成長溫度。參照圖3A，首先，在溫度T2下成長緩衝結構40，並在緩衝結構40形成之後，也就是在時間t1開始至時間t2區段，同樣以溫度T2成長第一半導體接觸層121的第二區121b。於時間t2至t3區段，以邊調溫邊成長的方式成長第一半導體接觸層121的第一區121a。其中，當時間到達t2，第二區121b成長結束時，開始降溫同時成長第一區121a。當下降至溫度T1時，維持溫度T1至一時間區段，也就是由時間t21至t22的時間區段繼續成長第一區121a。接著，在時間t22至t3的時間區段，開始從溫度T1升溫至T2，同時成長第一區121a。第一半導體接觸層121為一同質材料，即，第一區121a及第二區121b包含相同比例元素所組成的半導體材料。溫度T2高於溫度T1，於一實施例中，溫度T2介於900℃至1200℃，溫度T1介於800℃至1100℃。於一實施例中，T2與T1之差值大於或等於30℃。於一實施例中，T2與T1之差值介於30℃至100℃。當T2與T1之差值小於30℃時，無法有效地釋放半導體疊層的應力。於另一實施例中，緩衝結構40的成長溫度可以不同於第二區121b的成長溫度，但高於第一區121a的成長溫度，例如緩衝結構40的成長溫度T，其中T1＜T＜T2或T1＜T2＜T，較佳地，溫度T介於900℃至1200℃。上述溫度範圍皆可包含端值。第二區121b的成長時間(時間t1至t2的時間區段)大於或等於第一區121a的成長時間(時間t2至t3的時間區段)，在同樣成長速率(growth rate)下所形成的第二區121b的厚度大於或等於第一區121a的厚度。較佳地，第二區121b的成長時間大於或等於第一區121a的成長時間的兩倍，第二區121b的厚度大於或等於第一區121a的厚度的兩倍。當第二區121b的成長時間小於第一區121a的成長時間，或是第二區121b的厚度小於第一區121a的厚度時，容易造成半導體疊層磊晶品質不佳，而使發光元件1的亮度降低。

如圖3A所示，第一半導體接觸層121之成長方式包含重複實施第一區121a與第二區121b的成長。但本實施例並不限於此，第一半導體接觸層121之成長方式可包含僅成長一第一區121a與一第二區121b。於另一實施例中，當複數個第一區121a與第二區121b相互交疊設置時，成長複數個第一區121a的時間可以不同，及/或成長複數個第二區121b的時間可以不同。例如，成長第一個第一區121a的t2至t3的時間區段長度可以不同於成長第二個第一區121a的t4至t5的時間區段長度，及/或成長第一個第二區121b的t1至t2的時間長度可以不同於成長第二個第二區121b的t3至t4的時間長度。於另一實施例中，以成長第一個第一區121a為例，t2至t21的降溫時間區段、t21至t22的持溫時間區段與t22至t3的升溫時間區段長度可以相同或不同。於一實施例中，降溫時間區段長度等於升溫時間區段長度，且大於持溫時間區段長度。於一實施例中，降溫時間區段長度大於升溫時間區段長度，且升溫時間區段長度大於持溫時間區段長度。於一實施例中，升溫時間區段長度大於降溫時間區段長度，且降溫時間區段長度大於持溫時間區段長度。成長第二個第一區121a的時間、溫度調整方式可以和成長第一個第一區121a的方式相同或不同。例如，成長第二個第一區121a的持溫溫度可以不同於成長第一個第一區121a的持溫溫度。

圖3B顯示本申請案另一實施例之半導體疊層成長方法。不同於圖3A所述之方法，圖3B顯示在緩衝結構40形成之後，先進行第一區121a的成長。在溫度T2下成長緩衝結構40，並在緩衝結構40形成之後，也就是在時間t1開始，開始降溫並成長第一區121a。當下降至溫度T1時，維持一時間區段，也就是由時間t11至t12的時間區段，接著開始從溫度T1升溫至T2，於時間t1至t2成長第一半導體接觸層121的第一區121a。接著，在溫度T2下持續t2至t3時間區段，成長第一半導體接觸層121的第二區121b。類似圖3A所述之方法，第二區121b的成長時間(時間t2至t3的時間區段)大於或等於第一區121a的成長時間(時間t1至t2的時間區段)。如圖3B所示，第一半導體接觸層121之成長方式包含重複實施第一區121a與第二區121b的成長。但本實施例並不限於此，第一半導體接觸層121之成長方式可包含僅成長一第一區121a與一第二區121b。於另一實施例中，重複成長第一區121a的時間可以不同，及/或重複成長第二區121b的時間可以不同。例如，t1至t2的時間長度可以不同於t3至t4的時間長度，及/或t2至t3的時間長度可以不同於t4至t5的時間長度。於另一實施例中，如同前述圖3A實施例，以成長一個第一區121a為例，t1至t11的降溫時間區段、t11至t12的持溫時間區段與t12至t2的升溫時間區段長度可以相同或不同。成長其中之一個第一區121a的時間、溫度調整方式可以和成長其中另一個第一區121a的方式相同或不同。

於另一實施例中(圖未示)，在成長第一半導體接觸層121中第一區121a時，在溫度變化的時間區段(例如圖3A中的t2至21及t22至t3，或圖3B中的t1至t11及t12至t2)內實施中斷成長。於此實施例中，例如於圖3A中的t2至t21及/或t22至t3的中斷成長時間區段，反應器中無III族或V族反應源進入，不進行第一區121a成長，或是反應器中殘餘的III族和V族反應源反應成長一中間層，其組成不同於第一區121a的組成。第一區121a的成長時間可視為持溫的時間區段，例如圖3A中的t21至t22，或圖3B中的t11至t12的時間區段，反應器之溫度設定並維持在T1成長溫度成長第一區121a。

圖4顯示本申請案一實施例之形成緩衝結構40及第一半導體接觸層121時，其中第一型摻雜物流量與時間關係圖。於一實施例中，如圖4的變化例A所示，在成長第一區121a與第二區121b時，所通入的第一型摻雜物流量實質上相等，第一型摻雜物的摻雜源例如是矽烷(silane, SiH4)。如此一來，依本實施例成長方法所形成的第一半導體接觸層121中，第一區121a與第二區121b包含實質上相同的第一型摻雜物濃度。

在前述圖3A及圖3B的成長方法中，在成長第一區121a與第二區121b時，所通入的第一型摻雜物流量可以不同。參照圖4的變化例B，成長第一區121a時所通入的第一型摻雜物流量低於成長第二區121b時所通入的第一型摻雜物流量，且高於成長緩衝結構40時所通入的第一型摻雜物流量。如此一來，依本實施例成長方法所形成的第一半導體接觸層121中，第一區121a的第一型摻雜物濃度小於第二區121b的第一型摻雜物濃度。其中，第一區121a的第一型摻雜物濃度大於緩衝結構40的第一型摻雜物濃度。

參照圖4的變化例C，成長第一區121a時所通入的第一型摻雜物流量高於成長第二區121b時所通入的第一型摻雜物流量，且成長第二區121b時所通入的第一型摻雜物流量高於成長緩衝結構40時所通入的第一型摻雜物流量。如此一來，依本實施例成長方法所形成的第一半導體接觸層121中，第一區121a的第一型摻雜物濃度大於第二區121b的第一型摻雜物濃度。其中，第二區121b的第一型摻雜物濃度大於緩衝結構40的第一型摻雜物濃度。在變化例B及變化例C中，第二區121b及第一區121a具有不同的阻值。藉由第二區121b及第一區121a具有不同的阻值，使得注入電流在第一半導體層121內能有較佳的橫向電流分散，進而提升發光元件1抗靜電(Electrostatic Discharge, ESD)破壞能力，以及提升發光元件1的發光效率。一般來說，高溫或高摻雜的磊晶過程較容易產生應力，因此在變化例C中，具有較低第一型摻雜物濃度的第二區121b係在較高溫下成長，以提升其磊晶品質。而具有較高第一型摻雜物濃度的第一區121a係在較低溫下成長，以減緩其應力。藉由高磊晶品質的第二區121b，搭配高摻雜低阻值的第一區121a可以使半導體疊層12具有較佳的電流分散，並兼顧磊晶品質。

於圖4所示第一型摻雜物流量與時間關係圖中，時間t1、t2、t21...係與圖3A中的時間t1、t2、t21...對應。於另一實施例中，變化例B中第一型摻雜物流量漸減的t2至t21的時間區段、第一型摻雜物流量維持的t21至t22的時間區段與第一型摻雜物流量漸增的t22至t3的時間區段，三者時間區段的長度可以相同或不同。反之，於變化例C中，亦是如此。於一實施例中，流量漸減的時間區段長度等於流量漸增的時間區段長度，且大於流量維持的時間區段長度。於一實施例中，流量漸減的時間區段長度大於流量漸增的時間區段長度，且流量漸增的時間區段長度大於流量維持的時間區段長度。於一實施例中，流量漸增的時間區段長度大於流量漸減的時間區段長度，且流量漸減的時間區段長度大於流量維持的時間區段長度。於一實施例中，流量維持的時間區段長度大於流量漸減的時間區段長度，且流量漸減的時間區段長度大於流量漸增的時間區段長度。於一實施例中，流量維持的時間區段長度大於流量漸增的時間區段長度，且流量漸增的時間區段長度大於流量漸減的時間區段長度。

於另一實施例(圖未示)中，不存在流量增加或減少時間區段，也就是說，在圖4變化例B中，在成長第一區121a之前，第一型摻雜物的流量已經先調整穩定至一固定流量，例如調整至比於第二區121b流量還低的固定流量。在時間區段t2至t3及時間t4至t5中，皆維持此一較低的第一型摻雜物固定流量；或是在圖4變化例C中，時間t2至t3及時間t4至t5，皆維持相比於第二區121b流量來得高的第一型摻雜物流量。

於另一實施例(圖未示)中，成長第二個第一區121a所通入的第一型摻雜物流量可以和成長第一個第一區121a所通入的第一型摻雜物流量相同或不同。同樣地，成長第二個第二區121b所通入的第一型摻雜物流量可以和成長第一個第二區121b所通入的第一型摻雜物流量相同或不同。

在第一半導體接觸層的磊晶成長過程中，通常係處於高溫及高摻雜的成長環境。因為在高溫及高摻雜之成長磊晶過程中，會使基板形變量變大而累積應力產生於半導體疊層中。本實施例成長方法，在第一半導體接觸層成長過程中，利用不同溫度進行成長，釋放半導體疊層的應力，同時維持磊晶品質。此外，緩衝結構40同樣也在高溫下成長，假設接續以高溫成長第一半導體接觸層121，連續的高溫在半導體疊層12中所造成的應力會持續累積，而使磊晶晶圓因溫度應力造成翹曲，劣化磊晶品質。因此，於本實施例中，在半導體疊層高溫成長區域的中間階段，例如緩衝結構40形成之後，成長第一半導體接觸層121時，藉由分段升降溫改變第一區121a及第二區121b的成長溫度，釋放半導體疊層的應力，以維持接下來成長的磊晶層品質。依本實施例成長方法所形成的第一半導體接觸層121，其中的碳濃度的分布示意圖如前述圖2所示。在圖1中，發光元件1的第一半導體接觸層121暴露出與第一電極20電性連接的表面121u為第一區121a或第二區121b暴露出的一表面，於第一電極20與緩衝結構40之間第一半導體接觸層121的部分，存在有第一區121a與第二區121b。

在一些實施例中，第一區121a的第一成長條件與第二區121b的第二成長條件，可以包含不同的V-III族進料比、不同磊晶成長速率、不同的成長壓力來調整第一區121a與第二區121b的碳濃度，來達到第一區121a有較高的碳濃度。藉此減少半導體元件1在磊晶過程中產生的表面線狀磊晶缺陷，提升磊晶品質。

圖5顯示依據本申請案第二實施例發光元件2的剖面圖。發光元件2與發光元件1之差別在於，發光元件2之半導體疊層12更包含一插入層60位於緩衝結構40與該第一半導體接觸層121之間。在一些實施例中，插入層60具有調變的功用，可作為第一半導體接觸層121和緩衝結構40之間的調變功用，例如第一半導體接觸層121和緩衝結構40之間因材料的差異，造成晶格不匹配、或材料層之間應力的產生，或者第一半導體接觸層121和緩衝結構40因成長溫度的差異造成磊晶晶圓翹曲問題，藉由插入層60材料的調變、摻雜物的調變、結構的調變、或磊晶成長條件的調變，以減緩第一半導體接觸層121和緩衝結構40之間的差異產生的不良影響。藉由插入層60可減少溫度或應力造成磊晶的缺陷，提高磊晶品質。藉由磊晶品質的提升，進而改善發光元件2的漏電流(Ir)以及提升ESD的能力。在一些實施例中，插入層60包含AlInGaN系列材料。在一些實施例中，插入層60包含GaN或InGaN。在另一些實施例中，插入層60包含Al _z1In _z2Ga _{(1 - z1-z2)}N，其中0≦z2＜z1≦1，z1≧x。在一些實施例中，插入層60包含Al _zGa _(1-z)N，其中0≦z≦1。在一些實施例中，0＜z≦0.1。在一些實施例中，0＜z≦0.05。

插入層60可摻雜或無摻雜(即，非刻意摻雜)。在一些實施例中，插入層60包含第一型摻雜物。在一些實施例中，插入層60中第一型摻雜物的摻雜濃度不等於或等於第一半導體接觸層121中第一型摻雜物的摻雜濃度。在一些實施例中，插入層60中第一型摻雜物的摻雜濃度小於或等於第一半導體接觸層121中第一型摻雜物的摻雜濃度。在一些實施例中，插入層60中第一型摻雜物的摻雜濃度不大於3×10 ¹⁹/cm ³。在一些實施例中，插入層60中第一型摻雜物的摻雜濃度介於1×10 ¹⁸/cm ³及2×10 ¹⁹/cm ³之間(包含端值)。在一些實施例中，插入層60無摻雜，藉由無摻雜的插入層60與其下方的緩衝結構40之間形成一二維電子氣(two-dimensional Electron Gas，2DEG)，可進一步提升元件的電流分散效果。在一些實施例中，插入層60中包含碳，其碳濃度大於第二區121b的碳濃度或大於等於第一區121a的碳濃度。於一實施例中，插入層60的碳濃度具有一峰值C3，大於或等於第一區121a的碳濃度峰值C2。於一實施例中，插入層60的碳濃度峰值C3與第一區121a的碳濃度峰值C2之差值大於或等於3×10 ¹⁶atoms/cm ³。於一實施例中，插入層60的碳濃度峰值C3與第一區121a的碳濃度峰值C2之比值介於1-10，較佳地，介於1.4-3.0(包含端值)。

在一些實施例中，插入層60的厚度小於緩衝結構40及/或第一半導體層121的厚度。較佳地，介於1 nm至 200 nm之間(包含端值)。於一實施例中，插入層60的厚度小於第二區121b的厚度。於一實施例中，插入層60的碳濃度峰值C3大於1×10 ¹⁷atoms/cm ³，較佳地，介於1×10 ¹⁷atoms/cm ³至 8×10 ¹⁸atoms/cm ³(包含端值)。

圖6A至圖6C分別顯示發光元件2依據不同實施例之半導體疊層成長方法。更具體地，圖6A至圖6C分別顯示本申請案不同實施例之形成緩衝結構40、插入層60及第一半導體接觸層121的溫度與時間關係圖。插入層60之成長溫度係低於緩衝結構40及第一半導體接觸層中第二區121b的成長溫度。參照圖6A，首先，在溫度T2下成長緩衝結構40，並在緩衝結構40形成之後，在時間t1開始，以溫度T3開始成長插入層60。其中，溫度T3小於溫度T2。於一實施例中，T3和T2之差值大於或等於30℃；較佳地，T3和T2之差值大於或等於50℃。於一實施例中，T3和T2之差值介於30℃至200℃(包含端值)。於一實施例中，溫度T3小於或等於溫度T1。於一實施中，在成長插入層60的同時，將溫度T3升溫至T2。待插入層60形成後，接著開始成長第一半導體接觸層121的第二區121b和第一區121a。也就是從時間t2開始，以溫度T2成長第一半導體接觸層121的第二區121b。當時間到達t3時，於時間t3至t4成長第一半導體接觸層121的第一區121a。先以降溫成長，當溫度由T2下降至溫度T1後，開始持溫成長一時間區段，也就是由時間t31至t32的時間區段，接著開始從溫度T1升溫至T2的升溫成長。第一半導體接觸層121之成長方式如同前述第一實施例發光元件1，在此不加以贅述。

參照圖6B，與圖6A所示之方法的差別在於，在緩衝結構40形成之後，從時間t1開始，由溫度T2降溫至T3並同時成長插入層60。其中，溫度T1、T2及T3之關係與前述實施例相同，不加以贅述。待插入層60形成後，再成長第一半導體接觸層121。於一實施例中，第一半導體接觸層121成長之前，反應器先中斷成長，由溫度T1升溫至溫度T2，再從時間t2開始，以溫度T2成長第一半導體接觸層121的第二區121b。

參照圖6C，與圖6A及圖6B所示之方法的差別在於，在緩衝結構40形成之後，在時間t1開始，持溫在T3下成長插入層60。其中，溫度T1、T2及T3之關係與前述實施例相同，不加以贅述。待插入層60形成後，再成長第一半導體接觸層121。於一實施例中，第一半導體接觸層121成長之前，反應器先中斷成長，由溫度T3升溫至溫度T2，也就是從時間t2開始，以溫度T2成長第一半導體接觸層121的第二區121b。

在圖6A至圖6C所示之半導體疊層成長方法中，在插入層60形成之後，接續成長第一半導體接觸層121的第二區121b；然而，本實施例並不限於此，在插入層60形成之後，可先成長第一半導體接觸層121的第一區121a，再成長第二區121b。第一區121a、第二區121b的升、降溫方式或成長方式與前述實施例類似，不加以贅述。依本實施例半導體疊層成長方法所形成的半導體疊層12中，如同前述，插入層60的碳濃度具有一峰值C3，大於或等於第一區121a的碳濃度峰值C2。

於本申請案中，任一實施例的發光元件1、2在磊晶成長半導體疊層12後，藉由蝕刻製程移除部分半導體疊層12，使第一半導體接觸層121的表面121u露出。於表面121u上形成第一電極20使其與第一半導體接觸層121電性連接，於第二半導體接觸層122上形成第二電極30並與之電性連接。第一電極20以及第二電極30用於與一外接電源或其他電子元件連接且傳導在兩者之間的電流。第一電極20以及第二電極30的材料包含金屬材料。金屬材料包含鉻(Cr)、金(Au)、鋁(Al)、銅(Cu)、銀(Ag)、錫(Sn)、鎳(Ni)、銠(Rh)、鉑(Pt)、鍺金鎳(GeAuNi)、鈦(Ti)、鈹金(BeAu)、鍺金(GeAu)、鋁(Al)、鋅金(ZnAu)或鎳(Ni)。在一些實施例中，第一電極20及/或第二電極30為一單層，或包含複數層的結構諸如包含Ti/Au層、Ti/Al 層、Ti/Pt/Au層、Cr/Au層、Cr/Pt/Au層、Ni/Au層、Ni/Pt/Au層、Ti/Al/Ti/Au層、Cr/Ti/Al/Au層、Cr/Al/Ti/Au層、Cr/Al/Ti/Pt層或Cr/Al/Cr/Ni/Au層、或其組合。於一實施例中，發光元件1或2在第二電極30與第二半導體接觸層122之間，更設置有透明導電層(圖未示)。透明導電層的材料包含透明導電氧化物或可透光的薄金屬。其中透明導電材料例如為氧化銦錫(ITO)、氧化銦(InO)、氧化錫(SnO)、氧化鎘錫(CTO)、氧化銻錫(ATO)、氧化鋁鋅(AZO)、氧化鋅錫(Zn ₂SnO ₄，ZTO)、鎵摻雜氧化鋅(gallium doped zinc oxide，GZO)，鎢摻雜氧化銦(tungsten doped indium oxide，IWO)、氧化鋅(ZnO)或氧化銦鋅(IZO)。

於另一實施例中，第一電極20以及第二電極30分別位在基板10的相反兩側，此時，基板10包含導電材料。

圖7顯示依據本申請案一實施例的發光元件封裝體100。如圖7所示，發光元件封裝體100包含一具有腔體160的主體16、設置在主體16內的第一導線端子50a和第二導線端子50b、依據本申請案任一實施例之發光元件1或2、導線14和封裝材料23。腔體160可以包含從主體16的頂面呈凹陷的開口結構，於一實施例中，腔體160的側壁可包含反射結構。第一導線端子50a設置在腔體160的底部區域的第一區域中，第二導線端子50b設置在腔體160的底部區域的第二區域中，第一導線端子50a和第二導線端子50b在腔體160內為彼此間隔開。發光元件1或2設置在第一和第二導線端子50a和50b中的至少一個上。例如，發光元件1或2可以設置在第一導線端子50a上，並且利用導線14將發光元件的第一電極20及第二電極30(圖未示)分別電性連接至第一和第二導線端子50a和50b。封裝材料23設置在主體16的腔體160中，並覆蓋發光元件1或2。封裝材料23包含例如矽或環氧樹脂，其結構可為單層或多層。於一實施例中，封裝材料23更可以包含用於改變發光元件1或2所產生的光的波長的波長轉換材料，例如為螢光粉，及/或散射材料等。

於本申請案內的另一實施例中，前面所述之實施例中的元件或結構可改變或是互相結合。

需注意的是，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顯而易見的修飾或變更皆不脫離本發明之精神與範圍。不同實施例中相同或相似的構件，或者不同實施例中具相同標號的構件皆具有相同的物理或化學特性。此外，本發明中上述之實施例在適當的情況下，是可互相組合或替換，而非僅限於所描述之特定實施例。在一實施例中詳細描述之特定構件與其他構件的連接關係亦可以應用於其他實施例中，且均落於如後所述之本發明之權利保護範圍的範疇中。

1、2:發光元件 10:基板 100:發光元件封裝體 12:半導體疊層 121:第一半導體接觸層 121a:第一區 121b:第二區 121u:表面 122:第二半導體接觸層 123:活性區 14:導線 16:主體 160:腔體 20:第一電極 30:第二電極 23:封裝材料 40:緩衝結構 50a、50b:導線端子 60:插入層 70:電子阻擋區 C1、C2:濃度 T1、T2、T3:溫度

﹝圖1﹞顯示本申請案第一實施例發光元件1的剖面圖。 ﹝圖2﹞顯示本申請案第一實施例發光元件1中的碳濃度的分布示意圖。 ﹝圖3A﹞顯示本申請案一實施例之半導體疊層12的成長方法。 ﹝圖3B﹞顯示本申請案另一實施例之半導體疊層12的成長方法。 ﹝圖4﹞顯示本申請案一實施例之半導體疊層12的成長方法中第一型摻雜物流量與時間關係圖。 ﹝圖5﹞顯示本申請案第二實施例發光元件2的剖面圖。 ﹝圖6A至圖6C﹞分別顯示發光元件2依據不同實施例之半導體疊層成長方法。 ﹝圖7﹞顯示依據本申請案一實施例發光元件封裝體100。

121a:第一區

121b:第二區

C1、C2:濃度

Claims (17)

1. 一種發光元件，包含：一半導體疊層，包含一第一半導體接觸層、一活性層、以及一第二半導體接觸層依序沿一厚度方向堆疊；其中，該第一半導體接觸層為一同質材料，且包含一第一型摻雜物及一碳摻雜物具有一碳濃度；該第一半導體接觸層沿該厚度方向上包含一第一區以及一第二區；以及其中該第一區的該碳濃度大於該第二區的該碳濃度，且該碳濃度具有一第一峰值位於該第一區。
2. 如請求項1之發光元件，其中該第一半導體接觸層包含複數個該第一區與複數個該第二區相互交疊設置。
3. 如請求項1之發光元件，其中該第二區的厚度大於該第一區的厚度。
4. 如請求項3之發光元件，其中該第二區的厚度大於該第一區的厚度的兩倍。
5. 如請求項1之發光元件，其中該第一峰值與該第二區的一平均碳濃度之差值大於或等於1×10¹⁶atoms/cm³，及/或該第一峰值與該第二區的該平均碳濃度之比值介於1.2-3.0。
6. 如請求項1之發光元件，其中：該第一半導體接觸層包含一表面不被該活性層及該第二半導體接觸層所覆蓋；以及該發光元件更包含一第一電極位於該表面以及一第二電極電性連接該第二半導體接觸層。
7. 如請求項6之發光元件，其中該第一區與該第二區位於該表面的下方。
8. 如請求項1之發光元件，其中該半導體疊層更包含一緩衝結構位於該第一半導體接觸層下，其中該緩衝結構包含該第一型摻雜物，該緩衝結構的該第一型摻雜物濃度小於該第一半導體接觸層的該第一型摻雜物濃度。
9. 如請求項8之發光元件，其中該半導體疊層更包含一插入層位於該緩衝結構與該第一半導體接觸層之間，其中該插入層之厚度小於該第二區之厚度，或該插入層包含一碳摻雜物，具有一碳濃度，該插入層的該碳濃度具有一第二峰值大於該第一峰值。
10. 一種發光元件製造方法，包含：形成一第一半導體接觸層；形成一活性層於該第一半導體接觸層上；以及形成一第二半導體接觸層於該活性層上；其中，該第一半導體接觸層為一同質材料且包含一第一型摻雜物，形成該第一半導體接觸層之步驟包含：以一第一溫度成長一第一區與以一第二溫度成長一第二區；其中成長該第二區的一時間區段大於或等於成長該第一區的一時間區段；其中該第二溫度高於該第一溫度。
11. 如請求項10之發光元件製造方法，其中以該第一溫度成長該第一區與以該第二溫度成長該第二區係重複兩次以上。
12. 如請求項10之發光元件製造方法，其中，成長該第一區的該時間區段包含由該第二溫度降溫至該第一溫度的一時間區段以及由該第一溫度升溫至該第二溫度的時間區段。
13. 如請求項10之發光元件製造方法，其中該第二溫度與該第一溫度之差值大於或等於30℃。
14. 如請求項10之發光元件製造方法，其中在形成該第一半導體接觸層之前，更包含形成一緩衝結構；以及該緩衝結構與該第一半導體接觸層包含不同材料組成及/或不同摻雜濃度。
15. 如請求項14之發光元件製造方法，其中形成該緩衝結構之成長溫度高於該第一溫度，及/或形成該緩衝結構之成長溫度與該第二溫度相同。
16. 如請求項15之發光元件製造方法，其中形成該第一半導體層接觸層之前，先形成一插入層，再接續形成該第二區。
17. 如請求項16之發光元件製造方法，其中形成該插入層之步驟包含：由一第三溫度升溫至該第二溫度並於升溫同時形成該插入層，其中該第三溫度小於或等於該第一溫度。

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