发光元件及其制造方法与流程

本发明涉及一发光元件及其制造方法，尤其是涉及一具有一扩散区域及一非扩散区域的一透明导电氧化层的发光元件及其制造方法。

背景技术：

发光二极管(led)是一种固态半导体元件，发光二极管(led)的结构包含一p型半导体层、一n型半导体层与一发光层，其中发光层形成于p型半导体层与n型半导体层之间。led的结构包含由ⅲ-ⅴ族元素组成的化合物半导体，例如磷化镓(gap)、砷化镓(gaas)、氮化镓(gan)，其发光原理是在一外加电场作用下，利用n型半导体层所提供的电子与p型半导体层所提供的空穴在发光层的p-n接面附近复合，将电能转换成光能。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种发光元件，其具有较低的顺向电压，较低的片阻值，及较高的光取出效率等。

为达上述目的，本发明提供一种发光元件，包含：第一半导体层；以及透明导电氧化层，包含具有第一金属材料的扩散区域以及不包含该第一金属材料的非扩散区域，其中该非扩散区域比该扩散区域更靠近该第一半导体层。

在该扩散区域中的该第一金属材料的浓度于朝向该第一半导体层的方向上逐步递减。

该第一金属材料包含一元素，选自于iia族元素及iiia族元素所构成的群组。

所述发光元件还包含第一金属材料氧化物，形成于该透明导电氧化层中。

该透明导电氧化层包含不同于该第一金属材料的第二金属材料。

所述的发光元件还包含第二半导体层，主动层形成于该第一半导体层及该第二半导体层之间，以及金属层形成于该透明导电氧化层上，其中该金属层对于该主动层所发出的一光线是透明。

该金属层为一不连续层，及/或该金属层的厚度小于

所述的发光元件还包含电极结构，具有一布局或一形状，且电连接至该第一半导体层及该第二半导体层。

该金属层包含一图案，对应于该电极结构的该布局或该形状。

该电极结构在该透明导电氧化层上包含具有较高电流密度的第一区域及具有较低电流密度的第二区域，其中该金属层的该图案于该第二区域较密集，于该第一区域较稀疏。

附图说明

图1a-1c是本发明一实施例的一发光元件的制造方法；

图1d是本发明另一实施例的一发光元件的剖视图；

图2是本发明一实施例的一发光元件的制造方法的一步骤；

图3a-3c是本发明一实施例的一发光元件的制造方法的步骤；

图4是本发明一实施例的一发光元件的放大剖视图；

图5是本发明一实施例的一发光元件的示意图。

符号说明

发光元件1、2、400

基板10、43

半导体叠层20、40

第一半导体层13、33

第二半导体层11

主动(有源)层12

透明导电氧化层14、34、44

半导体叠层20

金属层15、25、35、45

上表面s1、s2、s3

扩散区域151、152、251、252

非扩散区域141、142、241、242

导电基板21

第一电极63、402

第二电极62、404

第一电极垫402a

第二电极垫404a

第一延伸电极402b

第二延伸电极404b

第一边400a

第二边400b

第一区域401

第二区域403

余留金属层153、253

具体实施方式

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图作详细说明如下。在附图或说明中，相似或相同的部分是使用相同的标号，并且在附图中，元件的形状或厚度可扩大或缩小。需特别注意的是，图中未绘示或描述的元件，可以是熟习此技术的人士所知的形式。

图1a-1c是本发明第一实施例的一发光元件1的制造方法。制造方法包含如下步骤：

第一步骤：

提供一基板10，例如蓝宝石基板。一半导体叠层20包含一具有一第一极性的第一半导体层13，一具有一第二极性的第二半导体层11，以及一主动层12，形成于基板10上。主动层12具有一结构，例如以铟镓氮为主的多重量子井(mqw)结构，形成于第一半导体层13以及第二半导体层11之间。

于本实施例的一例中，第一半导体层13可为一n型氮化镓(gan)层，第二半导体层11可为一p型氮化镓(gan)层。

通过一外延方法，例如有机金属化学气相沉积法(mocvd)，分子束外延(mbe)，或是氢化物气相沉积法(hvpe)，以形成第一半导体层13，第二半导体层11，或主动层12。

第二步骤：

于第二步骤中，一透明导电氧化层14形成于半导体叠层20上。

接下来，于透明导电氧化层14形成于半导体叠层20上之后，一金属层15形成于透明导电氧化层14的一上表面s1上。

金属层15包含一第一金属材料，其包含一元素选自于iia族及iiia族所构成的群组。金属层15可通过蒸镀沉积的方法，于接近室温及压力在1×10^-5托(torr)及1×10^-7托(torr)之间，较佳为接近2.9×10^-6托(torr)的腔体环境下，以一预定的厚度形成，例如小于

透明导电氧化层14，包含一第二金属材料，其包含一或多种元素选自于过渡金属，iiia族及iva族所构成的群组，例如氧化铟锡(ito)。透明导电氧化层14可通过蒸镀沉积的方法，于接近室温，氮气环境及压力在1×10^-4托(torr)及1×10^-2托(torr)之间，较佳为接近5×10^-3托(torr)的腔体环境下，以一预定的厚度形成，例如小于

金属层15的第一金属材料与透明导电氧化层14的第二金属材料不同。于本实施例的一例中，第一金属材料包含铝(al)、铌(nb)、钽(ta)、钇(y)或上述的组合。第二金属材料包含铟(in)或锡(sn)。第一金属材料比第二金属材料容易与氧反应。

第三步骤：

温度介于200℃及700℃之间，较佳介于500℃～600℃之间，实质上无氧的环境，例如氮气环境下，热处理透明导电氧化层14及金属层15，使金属层15中的第一金属材料扩散进入到透明导电氧化层14以形成一扩散区域151，如图1b所示，其中透明导电氧化层14包含具有第一金属材料的扩散区域151及一实质上不具有第一金属材料的非扩散区域141，如图1b所示。具体而言，扩散区域151及非扩散区域141的划分可以通过元素分析的方式来定义，举例来说”实质上不具有第一金属材料的非扩散区域141”可指于非扩散区域141的第一金属材料浓度低于欧杰电子能谱仪所能量测到第一金属元素信号的极限。第一金属材料可与透明导电氧化层14中的氧反应形成一金属氧化物，例如五氧化二钽(ta2o5)、氧化铝(al2o3)、五氧化二铌(nd2o5)、氧化钇(y2o3)、或上述的组合，其可于透明导电氧化层14、透明导电氧化层14的上表面s1、及/或透明导电氧化层14与第二半导体层11之间的界面被侦测到。因为透明导电氧化层14中的氧被提供给第一金属材料，因此有较多的金属离子存在于透明导电氧化层14中，可提升透明导电氧化层14的导电率。

第四步骤：

利用感应耦合等离子体蚀刻的方式形成一平台30以露出第二半导体层11的一上表面s2，如图1c所示。

第五步骤：

一第一电极61形成于第二半导体层11的上表面s2上及一第二电极62形成于透明导电氧化层14的上表面s1上以形成一水平式的发光元件1，如图1c所示。

基板10可为一绝缘基板，例如蓝宝石基板。图1d是本发明另一实施例的一垂直式发光元件2。发光元件2包含一导电基板21，其包含一导电材料，例如金属或半导体。垂直式发光元件2的制造方法包含了上述相似的步骤，例如第一步骤到第三步骤，其中基板10被置换成导电基板21。与发光元件1不同的步骤在于导电基板21的相对侧形成一第一电极63及一第二电极62。

第一半导体层13，主动层12，以及第二半导体层11的材料包含一元素选自于ⅲ-ⅴ族半导体材料，例如砷(as)、镓(ga)、铝(al)、铟(in)、磷(p)、或氮(n)。

透明导电氧化层14的材料包含透明导电氧化材料，例如氧化铟锡(ito)、镉锡氧化物(cto)、锑氧化锡、氧化铟锌、氧化锌铝、氧化锌或锌锡氧化物。

依据图1a-1c所述的第一实施例，金属层15于热处理前为一厚度小于的薄层，且为一不连续层，其具有多个金属管芯个别地分布于透明导电氧化层14上。金属层15于热处理后则完全扩散进入透明导电氧化层14以形成扩散区域151。

于图2所示第一实施例的一变化例中，金属层15的第一金属材料是通过热处理部分扩散进入到透明导电氧化层14中以形成一扩散区域152，其中透明导电氧化层14包含具有第一金属材料的扩散区域152及一实质上不具有第一金属材料的非扩散区域142。一余留金属层153具有一缩减的尺寸余留于透明导电氧化层14的上表面s1上。余留金属层153的厚度较佳为小于以使来自于主动层12的光线可以穿透。扩散区域152的厚度较佳大于

图3a-3c是本发明的第二实施例。以一金属层25对比于第一实施例中的金属层15，第一实施例与本实施例之间的差异处在于金属层25为一厚度小于的连续层，金属层25于热处理前实质上完全覆盖于透明导电氧化层14的上表面s1上。金属层25的第一金属材料通过热处理完全扩散进入到透明导电氧化层14中以形成一扩散区域251，其中透明导电氧化层14包含具有第一金属材料的扩散区域251及一实质上不具有第一金属材料的非扩散区域241，如图3b所示。具体而言，扩散区域251及非扩散区域241的划分可以通过元素分析的方式来定义，举例来说”实质上不具有第一金属材料的非扩散区域241”可指于非扩散区域241的第一金属材料浓度低于欧杰电子能谱仪所能量测到第一金属元素信号的极限。于本实施例的另一例中，金属层25的第一金属材料是通过热处理部分扩散进入到透明导电氧化层14中以形成一扩散区域252，其中透明导电氧化层14包含具有第一金属材料的扩散区域252及一实质上不具有第一金属材料的非扩散区域242，如图3c所示。一余留金属层253具有一缩减的尺寸余留于透明导电氧化层14的上表面s1上。余留金属层253的厚度较佳为小于以使来自于主动层12的光线可以穿透。扩散区域252的厚度较佳大于

图4是本发明的第三实施例。第三实施例与上述实施例之间的差异处在于第一半导体层33的一上表面s3为一粗糙面，一透明导电氧化层34及一金属层35于热处理前是顺应地(conformably)形成于第一半导体层33上。

图5是本发明的第四实施例。透明导电氧化层44形成于半导体叠层40上方，一基板43形成于半导体叠层40下方。第四实施例与上述实施例之间的差异处在于金属层45于热处理前以一图案形成于透明导电氧化层44上，且金属层45的图案可被设计成对应于发光元件400的电极布局，例如形状或分布等，但是发光元件400的电极布局不限于本实施例所举。金属层45可包含一第一金属材料，其包含锡(sn)、银(ag)、镍(ni)、其他金属、或上述组合或其合金。金属层45的厚度小于50纳米(nm)，于本实施例中，金属层45的厚度可约为于本实施例中，金属层45可包含格状或网状的图案。金属层格状或网状图案的线宽小于200纳米(nm)，于本实施例中，线宽大约为100纳米(nm)。发光元件400可包含一第一电极402形成于透明导电氧化层44上以及一第二电极404。第一电极402及第二电极404分别电连接至如第一实施例及图1a中所述的一第一半导体层13及一第二半导体层11。第一电极402包含一第一电极垫402a及一第一延伸电极402b，第二电极404包含一第二电极垫404a及一第二延伸电极404b。第一电极垫402a设置于靠近发光元件400的一第一边400a，第二电极垫404a设置于靠近发光元件400的一第二边400b。第一延伸电极402b延伸自第一电极垫402a，为一图案式分布，于透明导电氧化层44的一水平面上定义出一具有一开口401a的第一区域401以及第一区域401以外的一第二区域403。第二延伸电极404b延伸自第二电极垫404a，且第二电极垫404a位于第一区域401。金属层45格状或网状图案的密度于低电流密度的区域较密集，于高电流密度的区域较稀疏。于本实施例中，金属层45的格状或网状图案密度于第二区域403可以比第一区域401密集。具体而言，对应于第一区域401的金属层45的格状图案可由多个区块451组成，每一区块451具有1μmx1μm的尺寸大小，对应于第二区域403的金属层45的格状图案可由多个区块452组成，每一区块452具有0.5μmx0.5μm的尺寸大小，多个区块452于第二区域403的图案密度比多个区块451于第一区域401的图案密度密集。

于本发明的实施例中，扩散区域的第一金属材料浓度自透明导电氧化层的上表面往透明导电氧化层内部逐渐递减，或是扩散区域的第一金属材料浓度随着一距离远离于透明导电氧化层上表面而逐渐递减。于热处理透明导电氧化层及金属层的过程中，金属层中的第一金属材料，例如铝，可能会与存在于透明导电氧化层中的氧反应而形成第一金属材料的氧化物，例如氧化铝。热处理过程中的惰性环境，例如氮气环境，会钝化并保护透明导电氧化层14，使其于接续的制作工艺中，例如感应耦合等离子体蚀刻，不被损害。为了防止第一半导体层与金属层之间的交互扩散，因而损害第一半导体层的外延品质，金属层较佳地形成于透明导电氧化层与第一半导体层相接处的对面，以得到较佳的发光性能，本发明的发光元件可以具有较低的顺向电压，较低的片阻值，及较高的光取出效率。

上述所提及的实施例使用描述技术内容及发明特征，而使现有此技术者可了解本发明的内容并据以实施，其并非用以限制本发明的范围。亦即，任何人对本发明所作的任何显而易见的修饰或变更皆不脱离本发明的精神与范围。例如，电连接方式不限于串联连接。需了解的是，本发明中上述的实施例在适当的情况下，是可互相组合或替换，而非仅限于所描述的特定实施例。

可理解的是，对于熟悉此项技术者，不同修饰或变更皆可应用于本发明中且不脱离本发明的精神与范围。前述的描述，目的在于涵盖本发明的修饰或变更的公开皆落于本发明的专利范围内且与其均等。