专利名称：具增进亮度的半导体发光元件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一具有增进亮度的半导体发光元件及其制造方法，特别是涉及一具有增进亮度的LED元件及其制造此LED元件的方法。
背景技术：
自从发光二极管(light emitting diode，LED)问世以来，随着其性能不断的改进，应用的范围也不断地在增加。从早期的光学显示装置，直至通讯装置、医疗装置、甚至于用以取代传统的照明装置。但是，如何增进发光二极管元件的亮度，一直是此研发领域中一个极为重要的课题。元件的亮度并不会随着电流的增加而无限增大，而是受限于先天上元件中饱和电流的因素。
在影响亮度的诸多因素中，元件的尺寸与元件的散热性扮演着关键性的影响力。在相同的发光面积条件下，元件尺寸愈小，理论上总亮度就会愈大。此外，若元件本身具有良好的散热性，不但使用寿命会增加，亦可将其应用领域延伸至高电流需求的产品中。
台湾专利公告号00567618，发明名称「具有粘结反射层的发光二极管及其制法」中揭示一种具有粘结反射层的发光二极管及其制法。藉由一透明粘结层将一发光二极管及一金属反射层粘结在一起，可用来提高发光二极管的亮度。
颁与本发明相同申请人的台湾专利证书号149911发明「将半导体元件表面粗化以提升外部量子效率的方法」，其中提出一表面经控制成长温度而粗化的化合物半导体发光元件。对氮化铝铟镓系列的发光元件而言，此发明得到的效果，相对于对照组，可使亮度提升40％以上。但并未提及在元件尺寸或散热性上的改良。
因此，若能提供一种增进亮度与具有良好的散热性的半导体元件及其制法，就能赋予传统发光二极管更加出色的亮度、使用寿命、以及满足高电流产品严格的需求。
发明内容
本发明目的之一，在于提供一种具有增进亮度的半导体元件。由于具有较小的元件尺寸，理论上在相同的发光面积条件下，总亮度就会增加。
本发明的另一目的，在于提供一种具有增进亮度的半导体元件。由于元件本身具有良好的散热性，所以增加了元件的使用寿命。
本发明的又一目的，即在提供一种具有增进亮度的半导体元件。由于元件本身具有良好的散热性，十分适合应用在高电流需求的产品中。由此方法所获得的半导体元件具有较小的元件尺寸、较长的使用寿命、与更适合应用在高电流需求的产品中。
本发明于是揭示一种具增进亮度的半导体元件，包括一基板(substrate)，具有良好的导电性与导热性；一保护层(passivation layer)，位于此基板上，此保护层包括由选自一合金、一氧化物、一氮化物或其组合的一材料所组成；一反射层，位于此保护层上，对一电磁波具有高反射率；一第一半导体导电层，位于此反射层上；一多层量子阱结构层，位于此第一半导体导电层上；与一第二半导体导电层，位于此多层量子阱结构层上。
另外，本发明尚揭示一种制造一半导体发光元件的方法，包括下列步骤(a)提供一第一基板，具有导电性与导热性；(b)形成一第一半导体导电层，位于此第一基板上；(c)形成一多层量子阱结构层，位于此第一半导体导电层上；(d)形成一第二半导体导电层，位于此多层量子阱结构层上；(e)形成一反射层，位于此第二半导体导电层上，此反射层对一电磁波具有高反射率；(f)形成一保护层，位于此反射层上，此保护层由选自一合金、一氧化物、一氮化物或其组合的一材料所组成；(g)形成一第二基板，位于此保护层上，此第二基板具有高于此第一基板的导电性与导热性；与(h)移除此第一基板。
图1为本发明增进亮度半导体元件的结构示意图；图2为本发明增进亮度半导体元件中，当保护层为导电时，电极位置的示意图；图3为本发明增进亮度半导体元件中，当保护层为不导电时，电极位置的示意图；图4为本发明增进亮度半导体元件的一优选实施例结构示意图；图5A至5C揭示本发明方法制造一半导体发光元件过程的剖面示意图；图6为根据本发明制造方法所制得的半导体发光元件中，当保护层为导电时，电极位置的示意图；以及图7为根据本发明制造方法所制得的半导体发光元件中，当保护层为不导电时，电极位置的示意图。
简单符号说明1第一基板 10基板11、41、63第一电极12第二基板13、43、61第二电极20保护层30反射层 40、62第一半导体导电层50多层量子阱结构层42、60第二半导体导电层70透明导电层 80粘接层具体实施方式
藉由参考本发明图式与下列说明，本领域技术人员将可更容易理解及掌握本发明的各细节的与所伴随的优点。然而，本领域技术人员应了解到，本发明的保护范围不仅限于说明书中的具体例示。
于本发明的方法中建立在基材上的各层物质，可以经由本领域技术人员所知悉的方法来执行，例如有机气相分子沉积(MOCVD)、分子束外延成长(molecular beam epitaxy，MBE)工艺、氢化物气相外延成长(hydride vaporphase epitaxy，HVPE)工艺、液态外延(LPE)或蒸镀法。而层与层间的接合可用共融键结法(eutectic bonding)来达成。
本发明首先涉及一具有增进亮度的半导体元件，其结构如图1所示，包括一基板10、一保护层20、一反射层30、一第一半导体导电层40、一多层量子阱结构层50、与一第二半导体导电层60。
上述结构中的基板10，优选具有良好的导电性与导热性，举例来说，高于蓝宝石(sapphire)、锂铝氧化物(LAO)、锂镓氧化物(LGO)、镁铝氧化物(AlMgO)等材料的导电性与导热性，例如，硅、氮化镓、碳化硅、或铜、铝等各种金属。此等材料的性质与种类，为本领域技术人员所共知。位于基板10上的保护层20，包括由选自一合金、一氧化物、一氮化物或其组合的一材料。保护层20的性质可分为导电或不导电，导电性保护层材料例如Ni、W、Pt、Ti等金属及其合金、铟锡氧化物(ITO)、锌氧化物、氮化钛或钛钨氮化物等，不导电性保护层材料，例如聚酰亚胺、BCB(bisbenzocyclobutadiene)等有机材料、或氧化硅、氮化硅等无机材料等。位于此保护层20上的反射层30，对一电磁波具有高反射率，例如Ag、Al、Rh、Au等金属。此处所指的电磁波，优选包括红外线光区、可见光区与紫外线光区等，反射率优选高于90％以上。位于反射层30上的一第一半导体导电层40、一多层量子阱结构层50、或一第二半导体导电层60等的半导体导电层，可包括任何现有或未来中可见者的半导体材料，优选者为III-V(三/五)族化合物半导体，例如氮化铝镓铟(AlxGayIn1-x-yN)，其中(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1)，并视情况还被P/N型掺杂剂所掺杂。此等材料的性质与种类，为本领域技术人员所共知。
于建立本发明半导体元件的结构时，可先于一般现有的底层基材(basesubstrate)上建立一材料如氮化镓的缓冲层。随后再建立一第二半导体导电层60、一多层量子阱结构层50、一第一半导体导电层40、一反射层30、与一保护层20后，再将所选用的基板10建立在保护层20上，并除去先前建立的底层基材，以完成本发明的半导体元件结构。
当保护层为导电时，基板10可还包括一第一电极11，第二半导体导电层60可还包括一第二电极61，且第一电极与第二电极位于半导体发光元件的同侧或异侧，优选为异侧，如图2所示。元件如此排列可使其具有较小的元件尺寸，理论上在相同的发光面积条件下，元件数量增加，总亮度就会增加。
当保护层的性质为不导电时，第一半导体导电层40还包括一第一电极41，第二半导体导电层60还包括一第二电极61，且第一电极41与第二电极61位于半导体发光元件的同侧，如图3所示，或异侧。若为异侧时，优选制作通道(channel)使之导通。
本发明半导体元件结构中的反射层30与第一半导体导电层40间，可还包括一透明导电层70，以增加元件的发光效率。此透明导电层70的材料可为厚度不大的金属或是合金，例如Ag或Ni/Au、或者氧化物，如铟锡氧化物(ITO)、锌氧化物、镍氧化物、铟氧化物、锡氧化物或锑氧化物等、或氮化物，如氮化钛或钛钨氮化物等。
另外，本发明半导体元件结构中的基板10与保护层20之间，亦可还包括一粘接层80，用以确保基板与保护层等异质(hetro-materials)材料间的接合稳固。通常是利用会产生共融键结的任何材料来达成此功效，优选者如使用银胶、Au/Sn、In/Au或In/Pd等以形成所需的粘接层80，或是使用有机材料，如聚酰亚胺、BCB等。
若要进一步增进本发明半导体元件的发光效率，本发明半导体元件结构于建立完成后，可适当经过一表面粗化的过程。达成表面粗化的方法，可为蚀刻、或喷砂(sand-blast)。此外，前述的与本发明相同申请人的台湾专利证书号149911发明《将半导体元件表面粗化以提升外部量子效率的方法》中所提出的粗化半导体元件，在此亦列入考虑。一般地，经表面粗化后能降低半导体元件的全反射，进而提升半导体元件的外部量子效率。
为了确保本发明半导体元件结构于除去先前建立的底层基材后的电性与可靠性，本发明半导体元件结构于建立完成后，可经过一能量波的处理。此能量波优选为声波、微波或是准分子激光光。能量波处理是一低温工艺，晶片本身吸收微波能量并不使晶片本身产生高温，因此不会造成反射层、金属层及透明导电层的破坏，以及发光元件组成元素的变异，是一既不破坏整个元件本身组成结构又可修复元件表面结晶缺陷，更进一步又可活化半导体元件中P/N型半导体层的电性，可说是一举三得。
一般相信，利用能量波处理会使得半导体元件表面，由于处理程序中所造成的结晶缺陷因吸收微波能量，让表面的原子移动，自动修复表面的结晶性，恢复原来的半导体特性。
本发明其次关于一种制造一半导体发光元件的方法，可参考图5A至5C的结构剖面示意图，包括下列步骤(a)提供一第一基板1，具有导电性与导热性；(b)形成一第一半导体导电层62，位于此第一基板上；
(c)形成一多层量子阱结构层50，位于此第一半导体导电层62上；(d)形成一第二半导体导电层42，位于此多层量子阱结构层50上；(e)形成一反射层30，位于此第二半导体导电层42上，反射层30对一电磁波具有高反射率；(f)形成一保护层20，位于反射层30上，保护层20由选自一合金、一氧化物、一氮化物或其组合的一材料所组成；(g)形成一第二基板12，位于保护层20上，第二基板12具有高于第一基板1的导电性与导热性；与(h)移除第一基板1。
于此方法中所使用的第一基板1(即为前述的底层基材)、第二基板12(即为前述的基板10)、保护层20、反射层30、第一半导体导电层62、多层量子阱结构层50、与第二半导体导电层42等各材料的性质与种类，详如前述，并为本领域技术人员所共知而不再赘述。
而为了要顺利移除第一基板1，可以使用物理性或是化学性研磨法，或是激光分离法(laser detaching)。而建立保护层20的目的，是在保护反射层30，使之免于工艺中不可避免的破坏与伤害。依据前述方法建立本发明半导体元件的结构时，可先于一般现有的底层基材(base substrate)，即第一基板1上建立一材料如氮化镓的缓冲层。
于本发明制造一半导体发光元件的方法中，在(d)步骤后可还包括(i)形成一透明导电层70，位于第二半导体导电层42上。建立透明导电层70可以增加元件的发光效率。
另外，于本发明制造一半导体发光元件的方法中，于(f)步骤后可还包括(i)形成一粘接层80，位于保护层20上。形成粘接层80的目的，可以确保第二基板12与保护层20间等异质材料间在接合时，增加接合面的机械强度。
以及，在本发明制造一半导体发光元件的方法中，在移除此第一基板后可还包括(m)以一能量波处理此半导体发光元件，此能量波优选为声波、微波或是准分子激光光。利用能量波处理可让表面的原子移动，自动修复表面的结晶性，与恢复原来的半导体特性。
当(f)步骤中所建立的保护层具有导电时，第一半导体导电层62可还包括一第一电极63，第二基板12可还包括一第二电极13，且第一电极63与第二电极13位于半导体发光元件的异侧，如图6所示。元件如此排列可增加总亮度。
若(f)步骤中所建立的保护层不具有实质导电性时，第一半导体导电层62还包括一第一电极63，第二半导体导电层42还包括一第二电极43，且第一电极63与第二电极43位于半导体发光元件的同侧，如图7所示。
金属键结(Metal Bonding)蓝光LED实施例第一实施例将一可直接外延成长的蓝宝石(epitaxy-ready sapphire)基底装载于一有机金属气相外延成长反应炉(此处未示)中。此单晶基底可为氧化铝、碳化硅或砷化镓材料。首先，于1150℃的温度下，将蓝宝石基底预热十分钟。然后，将蓝宝石基底的温度降至约500～600℃左右。当蓝宝石基底的温度处于520℃时，在其表面上成长一厚度为25nm的氮化镓缓冲层。接着，当蓝宝石基底的温度提升至1100℃时，在缓冲层的表面上以约2μm/hr的成长速率长成出一Si掺杂(N型硅掺杂)氮化镓层，其厚度约为4μm。跟着，将蓝宝石基底冷却至约820℃，紧接着于N型硅掺杂氮化镓层表面上成长一氮化铟镓/氮化镓(InGaN/GaN)多层量子阱结构(multiple quantum well structure)。此多层量子阱结构是作为发光有源层之用。之后，升高温度至1100℃，于氮化铟镓/氮化镓多层量子阱结构表面上成长一P型镁掺杂氮化铟镓层，如此便制作完成发光二极管外延晶片(epi-wafer)。然后先在晶片表面蒸镀透明导电层铟锡氧化物(Indium Tin Oxide)，厚度为2650，经通氮气的情况下500℃融合10分钟后，接着蒸镀上反射层金属银(silver)，厚度为2000。保护层铟锡氧化物(Indium Tin Oxide)厚度为3000。最后镀上粘接层的一成份金(Gold)18000。将晶片与镀上25000铟的硅晶片做表面贴合，并置于200℃烤箱内2小时，外加一3kg的重物于贴合晶片上，最后自然冷却一小时以上，确定以达室温再取出晶片。
以能量密度400mJ/cm2，波长248nm，脉冲宽度38ns的准分子激光均匀照射在蓝宝石(Sapphire)基板上，并置于加热板升温至60℃使蓝宝石(Sapphire)基板脱离，以干蚀刻(dry etching)定义出300μm×300μm元件大小，并在N型GaN材料镀上钛及铝(Ti/Al 600/2000)，在硅基板镀上钛及金(Ti/Au 600/2000)做为欧姆电极。
第二实施例如实施例一制作外延晶片后，在晶片表面蒸镀上金属镍(Nickel)，厚度小于50，经通氧气的情况下500℃融合10分钟后，接着蒸镀上反射层金属铝(Al)，厚度为2000，保护层TiWN，厚度为3000，最后镀上粘接层的一成份金(Gold)18000。将晶片与镀上25000铟的硅晶片做表面贴合，并置于200℃烤箱内2小时，外加一3kg的重物于贴合晶片上，最后自然冷却一小时以上，确定以达室温再取出晶片。
以能量密度400mJ/cm2，波长248nm，脉冲宽度38ns的准分子激光均匀照射在蓝宝石(Sapphire)基板上，并置于加热板升温至60℃使蓝宝石(Sapphire)基板脱离，以干蚀刻(dry etching)定义出300μm×300μm元件大小，并在N型GaN材料镀钛及铝(Ti/Al 600/2000)，在硅基板上镀钛及金(Ti/Au600/2000)做为欧姆电极。
藉由以上目前被视为本发明优选具体实施例的叙述，希望能更加清楚描述本发明的特征与精神。然而，以上所揭露的优选具体实施例非为本发明所欲保护范畴的限制。相反地，前述的说明及其各种均等性的改变安排皆为本发明所欲受到的保护范畴。因此本发明权利要求的范畴应该根据上述的说明作最宽广的解释，同时涵盖权利要求所述以及其所有可能实质上均等的改变以及均等的安排。
权利要求
1.一种半导体发光元件，包括一基板，具有导电性与导热性；一保护层，位于该基板上，该保护层包括由选自一合金、一氧化物、一氮化物或其组合的一材料所组成；一反射层，位于该保护层上，对一电磁波具有高反射率；一第一半导体导电层，位于该反射层上；一多层量子阱结构层，位于该第一半导体导电层上；与一第二半导体导电层，位于该多层量子阱结构层上。
2.如权利要求1所述的半导体发光元件，其中该反射层与该第一半导体导电层之间还包括一透明导电层。
3.如权利要求1所述的半导体发光元件，其中该基板与该保护层之间还包括一粘接层。
4.如权利要求1所述的半导体发光元件，其中该保护层具有导电性。
5.如权利要求4所述的半导体发光元件，其中该基板还包括一第一电极，该第二半导体导电层还包括一第二电极，且该第一电极与该第二电极位于该半导体发光元件的异侧。
6.如权利要求1所述的半导体发光元件，其中该第一半导体导电层还包括一第一电极，该第二半导体导电层还包括一第二电极，且该第一电极与该第二电极位于该半导体发光元件的同一侧。
7.如权利要求1所述的半导体发光元件，经过一能量波的处理。
8.一种制造一半导体发光元件的方法，包括下列步骤(a)提供一第一基板；(b)形成一第一半导体导电层，位于该第一基板上；(c)形成一多层量子阱结构层，位于该第一半导体导电层上；(d)形成一第二半导体导电层，位于该多层量子阱结构层上；(e)形成一反射层，位于该第二半导体导电层上，该反射层对一电磁波具有高反射率；(f)形成一保护层，位于该反射层上，该保护层由选自一合金、一氧化物、一氮化物或其组合的一材料所组成；(g)形成一第二基板，位于该保护层上，该第二基板具有高于该第一基板的导电性与导热性；与(h)移除该第一基板。
9.如权利要求8所述的方法，其中于该(d)步骤后还包括(i)形成一透明导电层，位于该第二半导体导电层上。
10.如权利要求8所述的方法，其中于该(f)步骤后还包括(j)形成一粘接层，位于该保护层上。
11.如权利要求8所述的方法，其中该保护层不具有导电性。
12.如权利要求8所述的方法，还包括(k)于该第一半导体导电层上形成一第一电极，且于该第二基板上形成一第二电极，其中该第一电极与该第二电极位于该半导体发光元件的异侧。
13.如权利要求11所述的方法，还包括(l)于该第一半导体导电层上形成一第一电极，且于该第二半导体导电层上形成一第二电极，其中该第一电极与该第二电极位于该半导体发光元件的同一侧。
14.如权利要求8所述的方法，还包括(m)以一能量波处理该半导体发光元件。
全文摘要
本发明提供一种具增进亮度的半导体元件及其制法。此半导体元件包括一基板(substrate)；一保护层(passivation layer)，包括由选自一金属合金、一金属氧化物、一金属氮化物、有机材料、无机材料或其组合的一材料所组成；一反射层；一第一半导体导电层；一多层量子阱结构层；与一第二半导体导电层，其中此基板具有良好的导电性与导热性。
文档编号H01L33/00GK1758449SQ20041008492
公开日2006年4月12日 申请日期2004年10月10日 优先权日2004年10月10日
发明者蔡宗良, 张智松, 温伟值, 陈泽澎 申请人:国联光电科技股份有限公司