半导体发光元件的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种半导体发光元件，包含一外延叠层具有一第一半导体层、一第二半导体层以及一有源层位于该第一半导体层以及该第二半导体层之间用以产生一光波；以及一主要出光面位于该第一半导体层之上，该光波穿透过该主要出光面；其中，该主要出光面包含一第一出光区域、一第二出光区域以及一最大近场发光强度，该第一出光区域内的近场发光强度分布介于该最大近场发光强度的70％到100％之间，该第二出光区域内的近场发光强度分布介于该最大近场发光强度的0％到70％之间。
【专利说明】
半导体发光元件
技术领域
[0001] 本发明设及一种发光二极管的结构设计。
【背景技术】 阳00引请见图1，为一现有的发光二极管100(li曲t-emitting diode)结构的示意图，包 含一基板化、一外延结构化W及两电极2与9b，其中外延结构化包含一第一半导体叠层 1化、一有源层10b W及一第二半导体叠层12b，电极2形成于外延结构化的上表面用W通 过金属导线化连接至外部电源，电极9b形成于基板化下方，电极2 W及电极9b用W传导 外部电流流经有源层10b，使有源层10b中的电子空穴彼此复合（recombination),释放出 一定峰波长的光子而使发光二极管100发光。但是，当发光二极管的体积缩小时，管忍侧壁 因蚀刻造成的晶格缺陷使得非幅射复合效应（non-radiative recombination)的影响变得 显著，使得发光效率下降。
【发明内容】
[0003] 为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种半导体发光元件，包含一外延叠层 具有一第一半导体层、一第二半导体层W及一有源层位于该第一半导体层W及该第二半导 体层之间用W产生一光波；W及一主要出光面位于该第一半导体层之上，该光波穿透过该 主要出光面；其中，该主要出光面包含一第一出光区域、一第二出光区域W及一最大近场发 光强度，该第一出光区域内的近场发光强度分布介于该最大近场发光强度的70%到100% 之间，该第二出光区域内的近场发光强度分布介于该最大近场发光强度的0%到70%之 间。
【附图说明】
[0004] 图1为现有的半导体发光元件结构的示意图； 阳0化]图2A~图2B为本申请第一实施例的半导体发光元件示意图；
[0006] 图3为本申请第一实施例的半导体发光元件的上视图；
[0007] 图4A~图4C为本申请第二实施例的半导体发光元件的示意图。
[000引符号说明
[0009] 1A半导体发光元件
[0010] 1B半导体发光元件
[0011] 1C半导体发光元件
[0012] 100发光二极管
[0013] 1外延结构
[0014] 1S 侧面
[0015] 化外延结构
[0016] 10有源层
[0017] 10b有源层
[0018] 11第一半导体叠层
[0019] 111第一电性限制层
[0020] 112第一电性包覆层
[0021] 113第一电性出光层
[0022] 114第一电性接触层
[0023] 11a上表面
[0024] 1化第一半导体叠层 阳0巧]12第二半导体叠层
[0026] 121第二电性限制层
[0027] 122第二电性包覆层 阳02引 123第二电性出光层
[0029] 124第二电性接触层
[0030] 12a下表面
[0031] 12b第二半导体叠层 阳03引 13控制层 阳〇3引 13a氧化区域
[0034] 13b导电区域 阳03引 2电极
[0036] 21正面电极
[0037] 22第二欧姆接触结构
[0038] 3反射叠层
[0039] 31透明导电层
[0040] 32金属反射层
[0041] 33障蔽层
[00创 4黏着层 阳0创 5基板
[0044] 5b 基板 W45] 6A透明电极
[0046] 6B次基板
[0047] 71第一出光区域 W4引 72第二出光区域
[0049] 8 边缘
[0050] 9背电极 W51] 9b电极
[0052] S近场发光强度分布
【具体实施方式】
[0053] 第一实施例
[0054] 图2A为本申请第一实施例的半导体发光元件ΙΑ示意图。半导体发光元件ΙΑ包 含一外延结构1，其中外延结构1包含一第一半导体叠层11、一有源层10 W及一第二半导 体叠层12 ;-正面电极21位于第一半导体叠层11的上表面11a的中屯、位置，与第一半导 体叠层11形成欧姆接触，第一半导体叠层11的上表面11a未被正面电极21覆盖的部分为 一粗化表面用W提高光取出率；一第二欧姆接触结构22位于第二半导体叠层12的下表面 12a的中屯、位置，与第二半导体叠层12形成欧姆接触；一反射叠层3位于第二半导体叠层 12的下表面12a上，覆盖第二半导体叠层12 W及第二欧姆接触结构22,其中反射叠层3包 含一透明导电层31覆盖第二半导体叠层12 W及第二欧姆接触结构22、一金属反射层32覆 盖透明导电层31 W及一障蔽层33覆盖在金属反射层32上；一导电基板5通过一黏着层4 与反射叠层3黏合；W及一背电极9设置在导电基板5相对于反射叠层3的另一侧上，其中 可通过正面电极21 W及背电极9导入一电流，使有源层10发出一光线，此光线可穿透第一 半导体叠层11 W及第二半导体叠层12,第一半导体叠层11 W及第二半导体叠层12的能隙 大于有源层10的能隙，因此，第一半导体叠层11 W及第二半导体叠层12对于有源层10发 出的光线的透明度超过50 %，光线可直接穿透第一半导体叠层11从上表面1 la或外延结构 1的侧面1S射出，或是先经由反射叠层3反射后从外延结构1的上表面11a或者外延结构 1的侧面1S射出。 阳化日]有源层10包含一多重量子阱（Multiple如antum Wells)结构；第一半导体叠层 11 包含第一电性限制层（confining layer) 111、第一电性包覆层（cladding layer) 112、 第一电性窗口层（window laye;r)113、W及第一电性接触层（contact laye;r)114;第二半导 体叠层12包含第二电性限制层121、第二电性包覆层122、第二电性窗口层123、W及第二 电性接触层124 ;其中，第一及第二电性包覆层112、122可分别提供电子、空穴于有源层10 中复合W发光并具有比有源层10较大的能隙；第一及第二电性限制层11U121用W提升电 子、空穴于有源层10中复合的机率并具有比有源层10较大的能隙；第一及第二电性窗口层 113、123具有比包覆层较小的片电阻（sheet resistance) W提高电流分散W及从有源层 10射出的光线取出率；第一及第二电性接触层114、124分别与正面电极21及第二欧姆接 触结构22形成欧姆接触。第一半导体叠层11、有源层10 W及第二半导体叠层12的材料可 包含III- V族半导体材料，例如 AlxIriyGa。X yjN或AlxInyGa<i X y护Ox, y 1 ; (x+y) 1，其中第一 电性W及第二电性依据渗杂不同的元素而可带有不同的电性，例如第一电性为η型，第二 电性为Ρ型；或第一半导体叠层11为一 η型半导体，第二半导体叠层12为一 Ρ型半导体。 依据有源层10的材料，夕F延结构1可发出峰波长介于610皿及650皿之间的红光，峰波长 介于530nm及570nm之间的绿光，或是峰波长介于440nm及490nm之间的蓝光。
[0056] 图3为依本实施例的半导体发光元件1A的上视图，半导体发光元件1A具有一边 缘8 W界定上表面11a的形状，上表面11a的形状于本实施例为圆形，在其他的实施例中， 上表面11a的形状也可为多边形，例如长方形、不等长五边形、不等长六边形等，或者正多 边形，例如正方形、正五边形、正六边形等。正面电极21与第二欧姆接触结构22分别位于上 表面11a与下表面12a的中屯、位置，W减少电流流经外延结构1侧面1S比例；在本实施例 中，正面电极21与第二欧姆接触结构22的面积分别占第一半导体叠层11的上表面11a与 第二半导体叠层12的下表面12a的面积约1%~10%之间，W避免正面电极21与第二欧姆 接触结构22的面积过大造成遮光，W及避免正面电极21过小造成正向起始电压（forward threshold voltage)过高使发光效率降低，其中当正面电极21 W及第二欧姆接触结构22 的面积分别占上表面11a与下表面12a的面积约2%时，能够获得最佳的发光效率。
[0057] 本实施例中，半导体发光元件1A的上表面11a的面积小于10000 μ m2,或上表面 11a的周长小于400 μ m，正面电极21位于上表面11a的中屯、且正面电极21与边缘8之间 的最小距离小于50 μ m，当外延结构1的厚度为10 μ m W上时，夕F延叠层1厚度与上表面 11a周长的比例至少大于2. 5%，电流在外延结构1内容易散布开，使得流经半导体发光元 件1A的外延结构1侧面1S的电流比例增大。本实施例中，外延结构1的总厚度减薄至小 于3 μηι W下或介于1 μηι~3 μηι之间，优选的是介于1 μηι~2 μηι之间，使外延结构1厚 度与上表面11a周长的比例减少到至少小于0. 75%，用W降低半导体发光元件1Α的非福射 复合效应，提升发光效率。第一半导体叠层11的总厚度为有源层10 W上、上表面11a W下 之间所有外延结构的总厚度，第二半导体叠层12的总厚度为有源层10 W下、下表面12a W 上之间所有外延结构的总厚度，本实施例中，第一半导体叠层11的总厚度介于不大于1 ym 或优选地]000 A~5000 Λ之间及/或第二半导体叠层12的总厚度不大于1 μ m或优选 地介于WOO: A~5000盛之间，其中，第一半导体叠层11的第一电性限制层111，包覆层 112 W及第一电性出光层113各层的厚度不大于2000 A或优选地介于500 A~1500 A 之间；第二半导体叠层12的第二电性限制层121，第二电性包覆层122 W及第二电性出 光层123各层的厚度不大于2000 A或优选地介于5说)Λ~1500 A之间。第一、第二电 性接触层114、124的厚度不大于2000 A或优选地介于300 A~1500 A之间。由于第 一半导体叠层11的总厚度介于1斯识Λ~筑)〇〇 A之间，第一半导体叠层11的粗化表面 可采用湿蚀刻或干蚀刻制作工艺，并且为较精准掌握蚀刻的深度，可W电感禪合等离子体 (ICP, In化ctively Coupled Plasma)蚀刻法W避免蚀刻深度控制不佳造成穿透第一半导 体叠层11的结构而产生漏电路径，其中，第一半导体叠层11的粗化表面上，相邻的一高点 与一低点在垂直方向上的距离介于500A及3000A之间。
[0058] 本实施例中，半导体发光元件1A的上表面11a的形状优选地系为一圆形，且外延 结构1的侧面1S经由ICP蚀刻制作工艺轰击而形成，因此外延结构1的侧面1S为一粗糖 或不平整表面，使得流经半导体发光元件1A的外延结构1侧面1S的电流比例增大，表面非 福射复合效应的影响增加，导致发光效率降低。为了减少外延结构1侧面1S的面积，对于 上表面11a的面积都为10000 μ m2的半导体发光元件1A来说，当上表面11a的形状为圆形 时，周长约为354 μ m，小于当上表面1 la的形状为周长为400 μ m的正方形，周长越短，外延 结构1侧面1S的面积越小，可降低粗糖侧面1S的非福射复合效应；且当上表面11a的形状 为圆形时，上表面11a中屯、的正面电极21与边缘8之间的距离相同，也有助于控制电流路 径局限在外延结构1的内部区域。
[0059] 如图3所示，半导体发光元件1A的上表面11a包含第一出光区域71与第二出光 区域72,其中第一出光区域71位于上表面11a的中央部分，第二出光区域72位于第一出 光区域71与边缘8之间。当发光元件1A应用于显示面板等小电流驱动装置时，例如驱动 电流密度介于0. 1~lA/cm2之间，上表面11a具有一近场发光强度（near-field luminous intensity)分布S，最大近场发光强度100%位于第一出光区域71内，且第一出光区域71 内的近场发光强度都大于最大近场发光强度的70 %，第二出光区域72内的近场发光强度 介于最大近场发光强度的30%到70%之间；本实施例中，由于外延结构1总厚度大幅地缩 小，减少了电流通过外延结构1的距离，可局限电流在外延结构1内部而不易扩散至侧边； W及正面电极21与第二欧姆接触结构22分别位于上表面11a与下表面12a的中屯、位置， 可减少电流扩散至外延结构1侧面1S的比例，W降低非福射复合造成的发光效率损失。第 一出光区域71的形状近似于上表面11a的形状为一圆形，且第一出光区域71与第二出光 区域72的面积比介于0. 25~0. 45。
[0060] 本实施例中，半导体发光元件1A的上表面11a的面积小于10000 μm2,当上表 面11a的形状为正方形时，周长小于400 μπι，当上表面11a的形状为圆形时，周长约小于 354 μ m，为了导入外部电流，若在上表面11a上W宽度约5~10 μ m的金属导线连接至正面 电极21时，上表面11a被金属导线遮蔽的部分将至少占2.5% W上，减少了正向出光面的 面积，因此，如图2B所示，半导体发光元件1A于应用时，可进一步W背电极9接合于一次基 板（sub-mount)6B上的一电路结构，例如导线架，W形成一电连接，并W-外部的透明电极 6A连接至半导体发光元件1A的电极21 W导入外部电流，其中透明电极6A的材料包含导 电氧化物，例如氧化铜锋、氧化铜锋、氧化铜嫁锋、氧化锋或氧化侣锋。在其他实施例中，可 将多个半导体发光元件1A与次基板6B上的电路结构电连接，并通过透明电极6A同时连接 多个半导体发光元件1A的电极21 W形成并联、串联或串并联。本实施例的第一半导体叠 层11例如为η型半导体，透明电极6A与电极21形成欧姆接触。正面电极21为金属材料 所构成，包含错（Ge)、金（Au)、儀（Ni)、错金合金、或错金儀合金。第二欧姆接触结构22位 于外延结构1的相对于上表面11a的下表面12a上，并与第二半导体叠层12欧姆接触，其 中第二半导体叠层12的第二电性第二接触层124的渗杂浓度约l*l〇i9/cm3,第二欧姆接触 结构22可采用透明氧化金属材料，例如氧化铜锡，W与第二半导体叠层12形成欧姆接触， 并可增加光线穿透第二半导体叠层12的下表面12a的比率。第二欧姆接触结构22上的透 明导电层31材料包含但不限于氧化铜锋、氧化铜嫁锋、氧化锋或氧化侣锋，在透明导电层 31上的金属反射层32材料包含银（Ag)、侣（A1)或金（Au)等对于有源层发出的光线反射 率大于95%的材料，其中透明导电层31用W隔开W避免金属反射层32与第二半导体叠层 12直接接触，避免当半导体发光元件1A在电流长期地驱动下，金属反射层32与第二半导体 叠层12产生物理或化学反应造成反射率或导电率下降，此外透明导电层31可协助将电流 散布至反射叠层3, W避免热集中在反射叠层3的部分区域；透明导电层31的折射率小于 第二半导体叠层12的折射率至少1. 0 W上，因此，两者之间的折射率差异造成的全反射介 面可反射部分从有源层10发出的光线，未被反射的光线穿透过透明导电层31再被金属反 射层32反射。覆盖在金属反射层32上的障蔽层33材料包含铁灯i)、销（Pt)、金（Au)、鹤 (W)、儒（化）、其合金或其叠层，用W隔开金属反射层32与黏着层4,维持金属反射层32的 稳定性，避免金属反射层32与黏着层4产生物理或化学反应造成反射率或导电率下降。黏 着层4用W将导电基板5与反射叠层3黏合，并使电流可在反射叠层3与导电基板5之间 流通，黏着层4包含铜（In)、铁（Ti)、儀（Ni)、锡（Sn)、金（Au)、其叠层或其合金；导电基板 5包含但不限于娃（Si)、神化嫁（GaAs)、铜鹤合金（CuW)、铜（化）或钢（Mo);设置在导电基 板5上相对于反射叠层3另一侧上的背电极9包含金（Au)，用W导入外部电流。
[0061] 第二实施例
[0062] 图4A与图4B为依本申请第二实施例的半导体发光元件IB与1C的示意图。第二 实施例与第一实施例的差异在于外延结构1包含一控制层13,其中如图4A所示的半导体 发光元件1B，控制层13可位于第一半导体叠层11中，或者如图4B所示的半导体发光元件 1C，控制层13可位于第二半导体叠层12中。控制层13具有一导电区域13b与一氧化区域 13a，其中氧化区域13a围绕导电区域13b并露出于外延结构1的侧面1S。导电区域13b的 材料可为具有导电性的（AlxGai x)As，其中0. 9<x《1 ;氧化区域13a的材料可为电绝缘的 AlyO,其中0勺<1。导电区域13b与正面电极21 W及第二欧姆接触结构22在垂直方向上重 叠，用W控制电流分布在外延结构1的局部范围。如图4C的另一实施例的半导体发光元件 1D，第二欧姆接触结构22可整面覆盖第二半导体叠层12的下表面12曰，接着透明导电层31 覆盖第二欧姆接触结构22,透明导电层31除了横向扩散电流W外，还可用W黏合第二欧姆 接触结构22 W及金属反射层32。本实施例中，第二欧姆接触结构22、透明导电层31与金 属反射层32的材料同第一实施例所述。
[0063] 本发明所列举的各实施例仅用W说明本发明，并非用W限制本发明的范围。任何 人对本发明所作的任何显而易知的修饰或变更都不脱离本发明的精神与范围。
【主权项】
1. 一种半导体发光元件，包含： 外延叠层，具有第一半导体叠层、第二半导体叠层以及有源层，位于该第一半导体叠层 与该第二半导体叠层之间，用以产生一光波；以及 主要出光面，位于该第一半导体叠层之上，该光波穿透过该主要出光面； 其中，该主要出光面包含第一出光区域、第二出光区域以及最大近场发光强度，该第一 出光区域内的近场发光强度分布介于该最大近场发光强度的70%到100%之间，该第二出 光区域内的近场发光强度分布介于该最大近场发光强度的0%到70%之间，该第一出光区 域的面积与该第二出光区域的面积比介于0. 25~0. 45之间。2. 如权利要求1的半导体发光元件，其中该半导体发光元件还包含一边缘，该第二出 光区域位于该第一出光区域以及该边缘之间。3. 如权利要求1的半导体发光元件，其中该主要出光面具有一周长，该外延叠层具有 一厚度，该厚度与该周长的比例大于1%。4. 如权利要求1的半导体发光元件，其中该第一出光区域的形状与该主要出光面的形 状大致相同。5. 如权利要求1的半导体发光元件，还包含正面电极于该第一半导体叠层上以及第二 欧姆接触结构位于该第二半导体叠层上，其中该正面电极以及该第二欧姆接触结构与该主 要出光面的中心点在垂直方向上重叠。。6. 如权利要求5的半导体发光元件，其中该正面电极与该第二欧姆接触结构的面积分 别为该主要出光面的面积的1%~10%之间。7. 如权利要求1的半导体发光元件，其中该第一半导体叠层的厚度以及该第二半导体 叠层的厚度都小于500nm。8. 如权利要求1的半导体发光元件，其中该外延叠层的厚度小于3 μ m。9. 如权利要求1的半导体发光元件，其中该主要出光面的面积小于104 μ m2。10. 如权利要求1的半导体发光元件，还包含一电流密度，通过该外延叠层，该电流密 度介于0. 1~lA/cm2之间。
【文档编号】H01L33/26GK105870285SQ201510029040
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2015年1月21日
【发明人】邱新智, 陈世益, 吕志强
【申请人】晶元光电股份有限公司