TWI528592B

TWI528592B - 光電元件

Info

Publication number: TWI528592B
Application number: TW100140238A
Authority: TW
Inventors: 洪詳竣; 陳昭興; 沈建賦; 王佳琨
Original assignee: 晶元光電股份有限公司
Priority date: 2011-11-03
Filing date: 2011-11-03
Publication date: 2016-04-01
Also published as: TW201320401A; US8686462B2; US20130113014A1

Description

光電元件

本發明關於一種光電元件結構及其製造方法，特別是關於一種利用限制電性接觸區域來改善電流侷限的結構及其製造方法。

發光二極體是半導體元件中一種被廣泛使用的光源。相較於傳統的白熾燈泡或螢光燈管，發光二極體具有省電及使用壽命較長的特性，因此逐漸取代傳統光源而應用於各種領域，如交通號誌、背光模組、路燈照明、醫療設備等產業。

隨著發光二極體光源的應用與發展對於亮度的需求越來越高，如何增加其發光效率以提高其亮度，便成為產業界所共同努力的重要方向。

圖1描述了現有技術中用於半導體發光元件的LED封裝體10：包括由封裝結構11封裝的半導體LED晶片12，其中半導體LED晶片12具有一p-n接面13，封裝結構11通常是熱固性材料，例如環氧樹脂(epoxy)或者熱塑膠材料。半導體LED晶片12透過一焊線(wire)14與兩導電支架15、16連接。因為環氧樹脂(epoxy)在高溫中會有劣化(degrading)現象，因此只能在低溫環境運作。此外，環氧樹脂(epoxy)具很高的熱阻(thermal resistance)，使得圖1的結構只提供了半導體LED晶片12高阻值的熱散逸途徑，而限制了LED封裝體10的低功耗應用。

本發明提供一光電元件的結構，包含：一半導體疊層，包含：一第一導電型半導體層、一活性層、及一第二導電型半導體層；一第一電極與第一導電型半導體層電性連接，且第一電極更包含一第一延伸電極；一第二電極與第二導電型半導體層電性連接；及複數個限制電性接觸區域位於半導體疊層與第一延伸電極之間，且複數個限制電性接觸區域以變距離之間隔分布。

本發明提供一光電元件的結構，包含：一半導體疊層，包含：一第一導電型半導體層、一活性層、及一第二導電型半導體層；一第一電極位於半導體疊層之上，且與第一導電型半導體層電性連接，其中第一電極更包含一具有一寬度D2之第一延伸電極；一凹槽位於半導體疊層之間，凹槽自第二導電型半導體層往下延伸至第一導電型半導體層，且凹槽底部露出該第一導電型半導體層；一限制電性接觸區域位於第二導電型半導體層之上並沿著凹槽側壁延伸至凹槽底部部份區域；及一第二導電型接觸層位於第二導電型半導體層與限制電性接觸區域之間且為凹槽所分隔，其中被分隔之第二導電型接觸層相距一距離D1，且D1<D2。

10‧‧‧LED封裝體

11‧‧‧封裝結構

12‧‧‧LED晶片

13‧‧‧p-n接面

14‧‧‧焊線

15，16‧‧‧導電支架

100‧‧‧基板

101‧‧‧第一導電型半導體層

102‧‧‧第一電極

103‧‧‧第一延伸電極

104‧‧‧凹槽

105‧‧‧第二導電型半導體層

106‧‧‧第二電極

107‧‧‧限制電性接觸區域

108‧‧‧第二導電型接觸層

A‧‧‧局部區域

D1‧‧‧位於凹槽二側之第二導電型接觸層距離

D2‧‧‧第一延伸電極之寬度

圖1係習知之發光元件結構圖。

圖2係本發明第一實施例之發光元件上視圖。

圖3A-3B係圖2之區域A放大圖。

圖4A-4C係圖2之區域A另一實施例放大圖。

圖4D係圖4C之剖面圖。

為了使本發明之敘述更加詳盡與完備，請參照下列描述並配合圖2至圖4D之圖式。依據本發明第一實施例之光電元件之上視圖如下：如圖2所示，一光電元件包含一基板100，一第一導電型半導體層101、一第一電極102及一自第一電極102延伸出來的第一延伸電極103。在第一導電型半導體層101之上形成一活性層(未顯示)與一第二導電型半導體層(未顯示)，並在第二導電型半導體層(未顯示)之上形成一第二電極106。於本實施例中，第一延伸電極103為梳子形狀；在其他實施例中，第一延伸電極103可為弧形或其他對稱或不對稱形狀。另外，於一第一導電型半導體層101與一第一延伸電極103之間形成複數個限制電性接觸區域107，其中複數個限制電性接觸區域107以變距離之間隔分布。在一實施例中，複數個限制電性接觸區域107之間隔距離隨其與第一電極102之距離增加而增加，使得愈接近第一電極102之限制電性接觸區域間隔愈小，因此有較少的電流注入；愈遠離第一電極102之限制電性接觸區域間隔愈大，因此有較多的電流注入，進而改善電流侷限(Current Crowding)的問題。

圖3A為圖2局部區域A之放大圖，如圖3A所示：從第二導電型半導體層105向下蝕刻活性層(未顯示)至暴露出第一導電型半導體層101以形成一凹槽104，並於凹槽之預定位置形成複數個限制電性接觸區域107以達到此些區域為隔絕電接觸，再於限制電性接觸區域107與暴露出第一導電型半導體層101之上形成一第一延伸電極103。圖3B為圖2局部區域A另一實施例之放大圖，如圖3B所示：從第二導電型半導體層105部份區域向下蝕刻活性層(未顯示)至暴露出第一導電型半導體層101，以保留部份第二導電型半導體層105及部份活性層(未顯示)，再於部份暴露出第一導電型半導體層101區域及部份第二導電型半導體層105之上形成複數個限制電性接觸區域107，再於限制電性接觸區域107與暴露出第一導電型半導體層101之上形成一第一延伸電極103。

圖4A-4D為圖2局部區域A另一實施例之放大圖。如圖4A所示，於部份第二導電型半導體層105之上形成一第二導電型接觸層108，並從第二導電型接觸層108部份區域向下蝕刻第二導電型半導體層105、活性層(未顯示)至暴露出第一導電型半導體層101，以保留部份第二導電型接觸層108、第二導電型半導體層105及活性層(未顯示)。如圖4B所示，再於第二導電型接觸層108之上形成一限制電性接觸區域107，但如圖4A暴露出第一導電型半導體層101未被限制電性接觸區域107所覆蓋之區域。如圖4C所示，再於限制電性接觸區域107上形成一第一延伸電極103，且第一延伸電極103覆蓋如圖4A暴露之第一導電型半導體層101區域，其中第一延伸電極103與第一導電型半導體層101形成電性連接。圖4D為圖4C之剖面圖。如圖4D所示，其中如圖4A暴露之第一導電型半導體層101區域具有一凹槽104，此凹槽104自第二導電型半導體層105往下延伸至第一導電型半導體層101，且凹槽底部露出第一導電型半導體層101。限制電性接觸區域107位於第二導電型半導體層105之上並沿著凹槽104側壁延伸至凹槽底部部份區域；一第二導電型接觸層108位於第二導電型半導體層105與限制電性接觸區域107之間。分別位於凹槽二側之第二導電型接觸層108具有一距離D₁(即a、b二點間)，且第一延伸電極103之寬度為D₂。當D₁<D₂時，可改善電流侷限(Current Crowding)的問題。其中第一延伸電極103之寬度D₂可介於5μm~100μm、或5μm~80μm、或5μm~60μm、或5μm~40μm、或5μm~20μm、或5μm~10μm。且當D₂愈大時，光電元件的驅動電壓V_f有下降的趨勢。

上述第一電極102、第一延伸電極103、及第二電極106之材料可選自：鉻(Cr)、鈦(Ti)、鎳(Ni)、鉑(Pt)、銅(Cu)、金(Au)、鋁(Al)、鎢(W)、錫(Sn)、或銀(Ag)等金屬材料。上述限制電性接觸區域107之材料可為氧化矽，氮化矽，氧化鋁，氧化鋯，或氧化鈦等介電材料。

具體而言，光電元件係包含發光二極體(LED)、光電二極體(photodiode)、光敏電阻(photo resister)、雷射(laser)、紅外線發射體(infrared emitter)、有機發光二極體(organic light-emitting diode)及太陽能電池(solar cell)中至少其一。基板100係為一成長及/或承載基礎。候選材料可包含導電基板或不導電基板、透光基板或不透光基板。其中導電基板材料可為金屬，例如：銅(Cu)或鍺(Ge)；或砷化鎵(GaAs)、銦化磷(InP)、碳化矽(SiC)、矽(Si)、鋁酸鋰(LiAlO2)、氧化鋅(ZnO)、氮化鎵(GaN)、氮化鋁(AlN)。透光基板材料可為藍寶石(Sapphire)、鋁酸鋰(LiAlO2)、氧化鋅(ZnO)、氮化鎵(GaN)、氮化鋁(AlN)、玻璃、鑽石、CVD鑽石、類鑽碳(Diamond-Like Carbon；DLC)、尖晶石(spinel,MgAl₂O₄)、氧化矽(SiO_X)及鎵酸鋰(LiGaO₂)。

上述第一導電型半導體層101及第二導電型半導體層105係彼此中至少二個部分之電性、極性或摻雜物相異、或者係分別用以提供電子與電洞之半導體材料單層或多層(「多層」係指二層或二層以上，以下同。)，其電性選擇可以為p型、n型、及i型中至少任意二者之組合。活性層(未顯示)係位於第一導電型半導體層101及第二導電型半導體層105之間，為電能與光能可能發生轉換或被誘發轉換之區域。電能轉變或誘發光能者係如發光二極體、液晶顯示器、有機發光二極體；光能轉變或誘發電能者係如太陽能電池、光電二極體。上述第一導電型半導體層101、活性層(未顯示)及第二導電型半導體層105其材料包含一種或一種以上之元素選自鎵(Ga)、鋁(Al)、銦(In)、砷(As)、磷(P)、氮(N)以及矽(Si)所構成群組。

依據本發明之另一實施例之光電元件係一發光二極體，其發光頻譜可以藉由改變半導體單層或多層之物理或化學要素進行調整。常用之材料係如磷化鋁鎵銦(AlGaInP)系列、氮化鋁鎵銦(AlGaInN)系列、氧化鋅(ZnO) 系列等。活性層(未顯示)之結構係如：單異質結構(single heterostructure；SH)、雙異質結構(double heterostructure；DH)、雙側雙異質結構(double-side double heterostructure；DDH)、或多層量子井(multi-quantum well；MQW)。再者，調整量子井之對數亦可以改變發光波長。

於本發明之一實施例中，第一導電型半導體層101與基板100間尚可選擇性地包含一緩衝層(buffer layer，圖未示)。此緩衝層係介於二種材料系統之間，使基板之材料系統”過渡”至半導體系統之材料系統。對發光二極體之結構而言，一方面，緩衝層係用以降低二種材料間晶格不匹配之材料層。另一方面，緩衝層亦可以是用以結合二種材料或二個分離結構之單層、多層或結構，其可選用之材料係如：有機材料、無機材料、金屬、及半導體等；其可選用之結構係如：反射層、導熱層、導電層、歐姆接觸(ohmic contact)層、抗形變層、應力釋放(stress release)層、應力調整(stress adjustment)層、接合(bonding)層、波長轉換層、及機械固定構造等。在一實施例中，此緩衝層之材料可為AlN、GaN，且形成方法可為濺鍍(Sputter)或原子層沉積(Atomic Layer Deposition，ALD)。

第二導電型半導體層105上更可選擇性地形成一第二導電型接觸層108。接觸層係設置於第二導電型半導體層遠離活性層(未顯示)之一側。具體而言，第二導電型接觸層可以為光學層、電學層、或其二者之組合。光學層係可以改變來自於或進入活性層(未顯示)的電磁輻射或光線。在此所稱之「改變」係指改變電磁輻射或光之至少一種光學特性，前述特性係包含但不限於頻率、波長、強度、通量、效率、色溫、演色性(rendering index)、光場(light field)、及可視角(angle of view)。電學層係可以使得第二導電型接觸層之任一組相對側間之電壓、電阻、電流、電容中至少其一之數值、密度、分布發生變化或有發生變化之趨勢。第二導電型接觸層108之構成材料係包含氧化物、導電氧化物、透明氧化物、具有50%或以上穿透率之氧化物、金屬、相對透光金屬、具有50%或以上穿透率之金屬、有機質、無機質、螢光物、磷光物、陶瓷、半導體、摻雜之半導體、及無摻雜之半導體中至少其一。於某些應用中，第二導電型接觸層108之材料係為氧化銦錫、氧化鎘錫、氧化銻錫、氧化銦鋅、氧化鋅鋁、與氧化鋅錫中至少其一。若為相對透光金屬，其厚度係約為0.005μm~0.6μm。

以上各圖式與說明雖僅分別對應特定實施例，然而，各個實施例中所說明或揭露之元件、實施方式、設計準則、及技術原理除在彼此顯相衝突、矛盾、或難以共同實施之外，吾人當可依其所需任意參照、交換、搭配、協調、或合併。

雖然本發明已說明如上，然其並非用以限制本發明之範圍、實施順序、或使用之材料與製程方法。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。