TWI497745B

TWI497745B - 發光元件

Info

Publication number: TWI497745B
Application number: TW097130162A
Authority: TW
Inventors: Chi Wei Lu; Meng Lun Tsai
Original assignee: Epistar Corp
Priority date: 2008-08-06
Filing date: 2008-08-06
Publication date: 2015-08-21
Also published as: US8692227B2; TW201007977A; US20120175592A1; US8164084B2; US20100032648A1

Description

發光元件

本發明係關於一種具有穿隧層結構及電流散佈層之發光元件。

發光元件中如發光二極體，其應用頗為廣泛，例如，可應用於光學顯示裝置、交通號誌、資料儲存裝置、通訊裝置、照明裝置、以及醫療裝置。在此技藝中，目前技術人員重要課題之一為如何提高發光二極體之亮度。

習知技藝中，以磷化鋁鎵銦(AlGaInP)材料系列形成p電極在上之發光二極體，為了增加光取出效率(light extraction efficiency)，會在p型侷限層(材料為p-Al_0.5 In_0.5 P)之上成長一個能隙大於活性層的材料，例如：p-Al_0.7 Ga_0.3 As或是p-GaP的窗戶層(window layer)。為了提升電流散佈(current spreading)效果，通常會增加窗戶層的厚度，例如將p-Al_0.7 Ga_0.3 As成長到7μm，或是利用HVPE將p-GaP成長到50μm。

在古典力學中，一個處於位能較低的粒子不能躍過能量障礙到達另一邊，除非粒子的動能超過能障。但以量子物理的觀點來看，卻有此可能。穿隧效應就是指粒子可穿過比本身總能高的能量障礙。穿隧層結構須具高雜質摻雜濃度，使電子或電洞遷移率變大；且穿隧層結構厚度須很薄，才能增加電子或電洞產生穿隧效應之機率。

本發明提供一種具有穿隧層結構之發光元件及其製造方法，其中穿隧層結構包括一具第一摻雜濃度之第一導電性半導體層及一具第二摻雜濃度之第二導電性半導體層。

本發明提供一種具有穿隧層結構之發光元件及其製造方法，其中穿隧層結構之第一導電性半導體層其厚度為100-500埃，摻雜濃度為6*10¹⁹ /cm³ -1*10²⁰ /cm³ 。

本發明提供一種具有穿隧層結構之發光元件及其製造方法，其中穿隧層結構之第二導電性半導體層其厚度為100-500埃，摻雜濃度為6*10¹⁹ /cm³ -3*10²⁰ /cm³ 。

本發明提供一種具有電流散佈層之發光元件及其製造方法，以提升電流橫向傳遞之效率。

本發明提供一種具有電流散佈層之發光元件及其製造方法，其中電流散佈層位於一穿隧層結構之上，藉由穿隧層與電流散佈層之間產生良好之電連接作用，降低發光二極體之順向電壓，以提高發光亮度。

本發明提供一種具有電流散佈層之發光元件及其製造方法，其中電流散佈層位於一穿隧層結構之上，可達到良好的電流散佈效果。

本發明揭露一種具有穿隧層結構及電流散佈層之發光元件及其製造方法。為了使本發明之敘述更加詳盡與完備，可參照下列描述並配合第1圖至第12圖之圖示。

請參照第1圖至第5圖，其繪示依照本發明第一實施例之發光元件的製程示意圖。請參照第1圖，本實施例的發光元件，例如一發光二極體100，其結構包含不透光成長基板24，其材料例如為n型砷化鎵(GaAs)；依序於其上成長磊晶結構為蝕刻終止層(Etching Stop Layer)22；下包覆層(Lower Cladding Layer)20，其材料例如為n型磷化鋁銦(n-type Al_x In_1-x P)；活性層(Active Layer)18，其材料例如為磷化鋁鎵銦((Al_x Ga_1-x )_0.5 In_0.5 P)；上包覆層(Upper Cladding Layer)16，其材料例如為p型磷化鋁銦(p-type Al_x In_1-x P)；穿隧層結構(tunneling effect structure)13，其中包括一第一摻雜濃度之第一導電性半導體層14及一第二摻雜濃度第二導電性之半導體層12，例如：第一摻雜濃度之第一導電性半導體層14可為p⁺ -Al_x In_1-x P(其厚度為100-500埃，摻雜濃度為6*10¹⁹ /cm³ -1*10²⁰ /cm³ )及第二摻雜濃度之第二導電性半導體化合物層12可為n⁺ -Al_x In_1-x P(其厚度為100-500埃，摻雜濃度為6*10¹⁹ /cm³ -1*10²⁰ /cm³ )；電流散佈層(current spreading layer)10，其材料例如為n型磷化鋁銦(n-type Al_x In_1-x P)，其厚度範圍為0.1μ m至5μ m之間。當n型磷化鋁銦在摻雜濃度為1*10¹⁸ /cm時，其電子遷移率為211cm² /Vsec，比起習知材料如n-type Al_0.7 Ga_0.3 As(在摻雜濃度為1*10¹⁸ /cm時，其電子遷移率為151cm² /Vsec)和n-type GaP高出許多(在摻雜濃度為1*10¹⁸ /cm時，其電子遷移率為125cm² /Vsec)，所以其電流散佈的效果較佳。此外，磷化鋁銦是間接能隙材料(indirect band gap material)，可減少吸收由活性層所產生的光。

蝕刻終止層22之材料可以是任何III-V族元素之化合物半導體，只要其晶格常數可以和不透光成長基板24大致上相匹配，且蝕刻速率遠低於不透光成長基板24即可。本實施例中蝕刻終止層22之較佳材料為磷化銦鎵(InGaP)或砷化鋁鎵(AlGaAs)。此外，若下包覆層20的蝕刻速率遠低於不透光成長基板24，只要其具有足夠厚度，即可以作為蝕刻終止層，而無須另一層蝕刻終止層。

本發明另提供如第2圖所示之結構，此結構包括一暫時基板2和一接合層4。暫時基板2之材料可為藍寶石(Sapphire)、玻璃(Glass)、磷化鎵(GaP)、磷砷化鎵(GaAsP)、硒化鋅(ZnSe)、硫化鋅(ZnS)、硒化鋅硫(ZnSSe)。接合層4可為高分子接合層，其材料可為環氧樹脂(Epoxy)、聚醯亞胺(Polyimide；PI)、過氟環丁烷(Perfluorocyclobutane；PFCB)、苯并環丁烯(Benzocyclobutene；BCB)、旋塗式玻璃(Spin-on glass；SOG)或矽樹脂(Silicone)。接合層4之材料也可為焊錫、低溫金屬、金屬矽化物、自發性導電高分子或高分子中摻雜如鋁、金、鉑、鋅、銀、鎳、鍺、銦、錫、鈦、鉛、銅、鈀或其合金所組成之導電材質。

接著，使電流散佈層10面對接合層4，將如第1圖所示具有電流散佈層10的發光二極體接合於如第2圖所示的暫時基板2，再以蝕刻液(例如5H₃ PO₄ ：3H₂ O₂ ：3H₂ O或1NH₄ OH：35H₂ O₂ )去除不透光成長基板24以裸露下包覆層20。若使用InGaP或AlGaAs作為蝕刻終止層22，因其仍會吸收活性層產生的光，所以也須以蝕刻液去除，其結構如第3圖所示。

再提供如第4圖所示之結構，此結構包括一導電性永久基板6和一黏結層8。導電性永久基板6之材料可為矽、銅、鋁、鉬、金、銀、碳化矽。黏結層8之材料可為焊錫、低溫金屬、金屬矽化物、自發性導電高分子或高分子中摻雜如鋁、金、鉑、鋅、銀、鎳、鍺、銦、錫、鈦、鉛、銅、鈀或其合金所組成之導電材質。

使下包覆層20面對黏結層8，將如第3圖所示具有下包覆層20的發光二極體黏結於如第4圖所示的導電性永久基板6。再移除暫時基板2和接合層4(圖未示)，再分別於導電性永久基板6下方及電流散佈層10上方形成歐姆接觸電極25、26，即形成發光二極體100，如第5圖所示。

請參照第6圖至第12圖，其繪示依照本發明第二實施例之發光元件的製程示意圖。請參照第6圖，本實施例的發光元件，例如一發光二極體200，其結構包含透光成長基板44，其材料例如為氧化鋁(Sapphire)；依序於其上成長磊晶結構為緩衝層(Buffer Layer)42、下包覆層(Lower Cladding Layer)40，其材料例如為n型氮化鎵(n type-GaN)或n型氮化鋁銦(n type-AlInN)、活性層(Active Layer)38，其材料例如為氮化鋁鎵銦(AlGaInN)或氮化銦鎵(InGaN)、上包覆層(Upper Cladding Layer)36，其材料例如為p型氮化鎵(p-type GaN)或p型氮化鋁銦(p type-AlInN)、穿隧層結構(tunneling effect structure)33，其中包括一第一摻雜濃度之第一導電性半導體層34及一第二摻雜濃度之第二導電性半導體32，例如：第一摻雜濃度之第一導電性半導體層34可為p⁺ -Al_x In_1-x N或p⁺ -GaN(其厚度為100-500埃，摻雜濃度為6*10¹⁹ /cm³ -1*10²⁰ /cm³ )及第二摻雜濃度之第二導電性半導體層32可為n⁺ -Al_x In_1-x N或n⁺ -GaN(其厚度為100-500埃，摻雜濃度為2*10²⁰ /cm³ -3*10²⁹ /cm³ )、及電流散佈層(current spreading layer)30，其材料例如為n型氮化鋁銦(n-type Al_x In_1-x N)或n型氮化鎵(n-type GaN)，其厚度範圍為0.1μ m至5μ m之間。

本發明另提供如第7圖所示之結構，此結構包括一暫時基板2 和一接合層4。暫時基板2之材料可為玻璃(Glass)、磷化鎵(GaP)、磷砷化鎵(GaAsP)、硒化鋅(ZnSe)、硫化鋅(ZnS)、硒化鋅硫(ZnSSe)。接合層4可為高分子接合層，其材料可為環氧樹脂(Epoxy)、聚醯亞胺(Polyimide；PI)、過氟環丁烷(Perfluorocyclobutane；PFCB)、苯并環丁烯(Benzocyclobutene；BCB)、旋塗式玻璃(Spin-on glass；SOG)或矽樹脂(Silicone)。接合層4之材料也可為焊錫、低溫金屬、金屬矽化物、自發性導電高分子或高分子中摻雜如鋁、金、鉑、鋅、銀、鎳、鍺、銦、錫、鈦、鉛、銅、鈀或其合金所組成之導電材質。

接著，使電流散佈層30面對接合層4，將如第6圖所示具有電流散佈層30的發光二極體接合於如第7圖所示的暫時基板2，再以蝕刻液或雷射去除透光成長基板44及緩衝層42以裸露下包覆層40。其結構如第8圖所示。

再提供如第9圖所示之結構，此結構包括一導電性永久基板6、一絕緣層7和一黏結層8。導電性永久基板6之材料可為矽、銅、鋁、鉬、金、銀、碳化矽、氮化鋁、氮化鎵。絕緣層7由一單層或多層之絕緣材料組成，其材料可為氧化鋁、氧化矽、氮化矽、氮化鋁等。黏結層8可為高分子接合層，其材料可為環氧樹脂(Epoxy)、聚醯亞胺(Polyimide；PI)、過氟環丁烷(Perfluorocyclobutane；PFCB)、苯并環丁烯(Benzocyclobutene；BCB)、旋塗式玻璃(Spin-on glass；SOG)或矽樹脂(Silicone)。黏結層8之材料也可為焊錫、低溫金屬、金屬矽化物、自發性導電高分子或高分子中摻雜如鋁、金、鉑、鋅、銀、鎳、鍺、銦、錫、鈦、鉛、銅、鈀或其合金所組成之導電材質。

接著，使下包覆層40面對黏結層8，將如第8圖所示具有下包覆層40的發光二極體接合於如第9圖所示的導電性永久基板6，如第10圖結構。再將暫時基板2及接合層4移除(如第11圖所示)，露出電流散佈層30之上表面。接著依序蝕刻移除部份電流散佈層30、第二摻雜濃度之第二導電性半導體層32、第一摻雜濃度之第一導電性半導體層34、上包覆層36、活性層38至露出下包覆層40之一部分為止，再分別於下包覆層40上方及電流散佈層30上方形成歐姆接觸電極25、26，即形成發光二極體200，如第12圖所示。

雖然本發明已以較佳實施例說明如上，然其並非用以限制本發明之範圍。對於本發明所作之各種修飾與變更，皆不脫本發明之精神與範圍。

2‧‧‧暫時基板

4‧‧‧接合層

6‧‧‧導電性永久基板

7‧‧‧絕緣層

8‧‧‧黏結層

10‧‧‧電流散佈層

12‧‧‧第二摻雜濃度之第二導電性半導體層

13‧‧‧穿隧層結構

14‧‧‧第一摻雜濃度之第一導電性半導體層

16‧‧‧上包覆層

18‧‧‧活性層

20‧‧‧下包覆層

22‧‧‧蝕刻終止層

24‧‧‧不透光成長基板

25、26‧‧‧歐姆接觸電極

30‧‧‧電流散佈層

32‧‧‧第二摻雜濃度之第二導電性半導體層

33‧‧‧穿隧層結構

34‧‧‧第一摻雜濃度之第一導電性半導體層

36‧‧‧上包覆層

38‧‧‧活性層

40‧‧‧下包覆層

42‧‧‧緩衝層

44‧‧‧透光成長基板

100、200‧‧‧發光二極體

第1圖至第5圖顯示依本發明一實施例之發光元件的製造流程；第6圖至第12圖顯示依本發明另一實施例之發光元件的製造流程。

6‧‧‧導電性永久基板

8‧‧‧黏結層

10‧‧‧電流散佈層

12‧‧‧第二摻雜濃度之第二導電性之半導體層

13‧‧‧穿隧層結構

14‧‧‧第一摻雜濃度之第一導電性之半導體層

16‧‧‧上包覆層

18‧‧‧活性層

20‧‧‧下包覆層

25、26‧‧‧歐姆接觸電極

100‧‧‧發光二極體

Claims

一發光元件，包含：一導電性永久基板；一黏結層，係位於該導電性永久基板上方；一磊晶層結構，係位於該黏結層上方且藉由該黏結層與該導電性永久基板接合，其中該磊晶層結構包含一活性層；一穿隧層結構，係位於該磊晶層結構上方，其中該穿隧層結構包括：一具第一摻雜濃度之第一導電性半導體層，其組成材料包含第一導電性AlInP或AlInN，其中該第一摻雜濃度範圍至少大於6*10¹⁹ /cm³ ；及一具第二摻雜濃度之第二導電性半導體層，係位於該第一導電性半導體層之上，其組成材料包含第二導電性AlInP或AlInN，其中該第二導電性係與該第一導電性相異，且該第二摻雜濃度範圍至少大於6*10¹⁹ /cm³ ；以及一電流散佈層，係位於該穿隧層結構上方。
如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該磊晶層結構更包括：一下包覆層，其材料可為n-AlInP；及一上包覆層，係位於該活性層之上，其材料可為p-AlInP；其中該活性層係位於該下包覆層以及該上包覆層之間，其材料可為AlGaInP。
如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該導電性永久基板之材料可為矽、銅、鋁、鉬、金、銀、碳化矽、氮化鋁、或氮化鎵。
如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該黏結層之材料可為焊錫、低溫金屬、金屬矽化物、自發性導電高分子或高分子中摻雜如鋁、金、鉑、鋅、銀、鎳、鍺、銦、錫、鈦、鉛、銅、鈀或其合金所組成之導電材質。
如申請專利範圍第2項所述之發光元件，其中該穿隧層結構中該第一導電性半導體層其材料包含p-AlInP。
如申請專利範圍第2項所述之發光元件，其中該穿隧層結構中該第二導電性半導體層其材料包含n-AlInP。
如申請專利範圍第5項所述之發光元件，其中該穿隧層結構中之該第一導電性半導體層之厚度範圍為100至500埃之間，該第一摻雜濃度範圍為6*10¹⁹ /cm³ 至1*10²⁰ /cm³ 之間。
如申請專利範圍第6項所述之發光元件，其中該穿隧層結構中之第二摻雜濃度第二導電性之半導體層之厚度範圍為100至500埃之間，該第二摻雜濃度範圍為6*10¹⁹ /cm³ 至1*10²⁰ /cm³ 之間。
如申請專利範圍第2項所述之發光元件，其中該電流散佈層其材料可為n-AlInP。
如申請專利範圍第9項所述之發光元件，其中該電流散佈層之厚度範圍為0.1μm至5μm之間。
如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該磊晶層結構更包括：一下包覆層，其材料可為n-GaN或n-AlInN；及一上包覆層，係位於該活性層之上，其材料可為p-GaN或p-AlInN；其中該活性層係位於該下包覆層以及該上包覆層之間，其材料可為InGaN或AlGaInN。
如申請專利範圍第11項所述之發光元件，其中該穿隧層結構中該第一導電性半導體層材料包含p-AlInN。
如申請專利範圍第11項所述之發光元件，其中該穿隧層結構中該第二導電性半導體層材料包含n-AlInN。
如申請專利範圍第12項所述之發光元件，其中該穿隧層結構中之該第一導電性半導體層之厚度範圍為100至500埃之間，該第一摻雜濃度範圍為6*10¹⁹ /cm³ 至1*10²⁰ /cm³ 之間。
如申請專利範圍第13項所述之發光元件，其中該穿隧層結構中之該第二導電性半導體層之厚度範圍為100至500埃之間，該第二摻雜濃度範圍為2*10²⁰ /cm³ 至3*10²⁰ /cm³ 之間。
如申請專利範圍第11項所述之發光元件，其中該電流散佈層材料包含n-GaN或n-AlInN。
如申請專利範圍第16項所述之發光元件，其中該電流散佈層之厚度範圍為0.1μm至5μm之間。
一發光元件之製造方法，其包括：提供一成長基板；成長一磊晶結構於該成長基板上方，包括形成一活性層；形成一穿隧層結構於該磊晶結構上方，包括：形成一具第一摻雜濃度之第一導電性半導體層，其組成材料包含第一導電性AlInP或AlInN；及形成一具第二摻雜濃度之第二導電性半導體層，係位於該第一導電性半導體層之上，其組成材料包含第二導電性AlInP或AlInN，其中該第二導電性係與該第一導電性相異；形成一電流散佈層於該穿隧層結構上方；提供一暫時基板；形成一接合層於該暫時基板之上，且藉由該接合層將該暫時基板與該電流散佈層接合；移除該成長基板；提供一導電性基板；形成一黏結層於該導電性基板之上方，且藉由該黏結層將導電性基板與該磊晶結構黏結；移除該暫時基板；以及移除該接合層。
如申請專利範圍第18項所述之發光元件之製造方法，其中形成該磊晶層結構之方法更包括：於形成該活性層之前，形成一下包覆層，該下包覆層之材料可為n-AlInP；及於形成該活性層之後，形成一上包覆層於該活性層之上，該上包覆層之材料可為p-AlInP；其中該活性層之材料可為AlGaInP。
如申請專利範圍第18項所述之發光元件之製造方法，其中該導電性基板之材料可為矽、銅、鋁、鉬、金、銀、碳化矽、氮化鋁、或氮化鎵。
如申請專利範圍第18項所述之發光元件之製造方法，其中該黏結層之材料可為焊錫、低溫金屬或金屬矽化物，例如：金-錫合金、金-銦合金、金-鈹合金、金-矽合金、金-鍺合金、鉛-錫合金、錫、銦。
如申請專利範圍第19項所述之發光元件之製造方法，其中該穿隧層結構中該第一導電性半導體層其材料包含可為p-AlInP。
如申請專利範圍第19項所述之發光元件之製造方法，其中該穿隧層結構中該第二導電性半導體層其材料包含可為n-AlInP。
如申請專利範圍第22項所述之發光元件之製造方法，其中該穿隧層結構中之該第一導電性半導體層之厚度範圍為100至500埃之間，該第一摻雜濃度範圍為6*10¹⁹ /cm³ 至1*10²⁰ /cm³ 之間。
如申請專利範圍第23項所述之發光元件之製造方法，其中該穿隧層結構中之該第二導電性半導體層之厚度範圍為100至500埃之間，該第二摻雜濃度範圍為6*10¹⁹ /cm³ 至3*10²⁰ /cm³ 之間。
如申請專利範圍第19項所述之發光元件之製造方法，其中該電流散佈層其材料可為n-AlInP。
如申請專利範圍第26項所述之發光元件之製造方法，其中該電流散佈層之厚度範圍為0.1μm至5μm之間。
如申請專利範圍第18項所述之發光元件之製造方法，其中形成該磊晶層結構之方法更包括：於形成該活性層之前，形成一下包覆層，該下包覆層之材料可為n-GaN或n-AlInN；及於形成該活性層之後，形成一上包覆層於該活性層之上，該上包覆層之材料可為p-GaN或p-AlInN；其中該活性層之材料可為InGaN或AlGaInN。
如申請專利範圍第28項所述之發光元件之製造方法，其中該穿隧層結構中該第一導電性半導體層材料包含p-AlInN。
如申請專利範圍第28項所述之發光元件之製造方法，其中該穿隧層結構中該第二導電性半導體層材料包含n-AlInN。
如申請專利範圍第29項所述之發光元件之製造方法，其中該穿隧層結構中之該第一導電性半導體層之厚度範圍為100至500埃之間，該第一摻雜濃度範圍為6*10¹⁹ /cm³ 至1*10²⁰ /cm³ 之間。
如申請專利範圍第30項所述之發光元件之製造方法，其中該穿隧層結構中之該第二導電性半導體層之厚度範圍為100至500埃之間，該第二摻雜濃度範圍為2*10²⁰ 至3*10²⁰ /cm³ 之間。
如申請專利範圍第28項所述之發光元件之製造方法，其中該電流散佈層材料包含n-GaN或n-AlInN。
如申請專利範圍第28項所述之發光元件之製造方法，其中該電流散佈層之厚度範圍為0.1μm至5μm之間。