专利名称：光电元件及其制造方法
技术领域：
本发明主要是披露一种光电元件，更特别地是提供具有雾化层的基 底，以改变基底的晶格结构并且可以增加整个光电元件的光电效率。
背景技术：
为了改善氮化镓化合物层的结晶品质，必需解决在蓝宝石(sapphire) 与做为发光层的氮化镓化合物层之间的晶格匹配的问题。因此，在公知技 术中，例如美国专利公告号5,122,845(如图1所示)是在基底100与氮化镓 层102之间形成以氮化铝(AlN)为主的缓冲层(buffer layer)101，且此缓冲层 101的结晶结构是以微结晶(microcrystal)或是多结晶(polycrystal)且在非结 晶硅的状态下混合，从而缓冲层101的结晶结构可以改善在氮化镓化合物 层103之间的晶格不匹配(crystal mismatching)的问题。又如美国专利公告 号5，290，393(如图2所示)所示，其光电元件是以氮化镓为主的化合物半导 体层202，例如GaxAl"N (0<xSl)。然而，在基底200上以磊晶的方式 形成化合物半导体层202时，在基底200上的晶格表面图案不佳且会影响 到后续制造蓝光光电元件的品质，因此通过缓冲层201例如GaxAl^N来 改善基底200与化合物半导体202之间的晶格匹配问题。此外，请参照美 国专利公告号5，929，466或是美国专利公告号5,909,040(如图3所示)所揭 示，为了减少晶格不匹配的问题是以氮化铝301做为第一缓冲层形成在基 底300上、氮化铟(InN)层302做为第二缓冲层形成在第一缓冲层301上， 以改善与基底300之间的晶格不匹配的问题。
发明内容
鉴于以上的问题，本发明的主要目的在于利用激光可以聚集能量在基
底的一定深度，利用高能量使得基底的材料产生以多晶硅或非晶硅的晶格
排列方式、且在基底内成雾化层(atomization layer),从而，可以将基底上 层光电元件所发出的光散射出光电元件外部，以减少全反射效应且达到增 加光电效率。
本发明的另一目的是提供具有多层半导体结构的光电元件，从而多层 半导体结构可以减少发光层与第一半导体结构层的晶格不匹配的问题。
根据上述的目的，本发明披露一种光电半导体结构，包含基底，具 有第一表面及第二表面，且在第一表面与第二表面之间具有雾化层 (atomization layer);多层半导体结构在基底的第一表面上，其至少包含 第一半导体结构层形成在基底上、第二半导体结构层、及主动层介于第一 半导体结构层与第二半导体结构层之间。
本发明还披露一种光电元件，包含第一电极；基底，形成在第一电 极之上且具有第一表面及第二表面，在第一表面与第二表面之间具有雾化 层；多层半导体结构层形成在基底的第一表面上，且多层半导体结构层至 少包含第一半导体结构层、第二半导体结构层及主动层形成在第一半导 体结构层及第二半导体结构层之间；透明导电层形成在第二半导体结构层 上及第二电极形成在透明导电层上。
有关本发明的特征与实施例，兹配合附图作最佳实施例详细说明如 下。(为使对本发明的目的、构造、特征、及其功能有进一步的了解，兹 配合实施例详细说明如下。)
图l是根据公知技术中所披露的技术，表示光电元件的剖面示意图2是根据公知技术中所披露的技术，表示以磊晶成长的磊晶晶片的 剖面示意图3是根据公知技术中所披露的技术，表示光电元件的剖面示意图4A及图4B是根据本发明所披露的技术，表示光电半导体结构的两 个具体实施例的两个剖面示意图5A及图5B是根据本发明所披露的技术，表示光电半导体结构的另 外两个具体实施例的两个剖面示意图6A及图6B是根据本发明所披露的技术，表示光电元件的两个具体 实施例的两个剖面示意图；及
图7A及图7B是根据本发明所披露的技术，表示光电元件的另外两个 具体实施例的两个剖面示意图。
主要元件标记说明
10基底10A第一表面
10B第二表面12雾化层
20缓冲层22第一含氮化合物层
24五族/二族化合物层26第二含氮化合物层
30多层半导体结构层32第一半导体结构层
34主动层36第二半导体结构层
40透明导电层50第一电极
60第二电极
100基底101缓冲层
102氮化镓层103氮化镓化合物层
200基底201缓冲层
202化合物半导体层300基底
301第一缓冲层302第二缓冲层
具体实施例方式
首先请参照图4A，是表示根据本发明所披露的光电半导体结构的剖 视图。光电半导体结构包含基底10，具有第一表面IOA及第二表面IOB、 且具有雾化层12位于第一表面IOA与第二表面IOB之间，及多层半导体 结构层30，其中多层半导体结构层30至少包含第一半导体结构层32、
第二半导体结构层36及主动层34位于第一半导体结构层32及第二半导 体结构层36之间。在此，第一半导体结构层32可以是n-type的半导体层, 及第二半导体结构层36可以是P-type的半导体层。主动层34可以是多层 量子阱(MQW; Multiple Quantum Well)或是量子阱(QW; Quantum Well)。
在本实施例中，是利用激光(laser)内雕技术，利用激光可以聚集能量 在基底10的一定深度，使得在基底10的内部形成雾化层(atomization layer) 12，在此，基底10内的雾化层12可以做为光散射层，可以将基底10上 的发光元件所发出的光散射出光电元件外部，从而可以减少全反射效应及 增加光取出效果。
另外，在执行激光内雕的过程中，不会破坏基底10的表面，也不会 影响后续磊晶成长的磊晶品质。再者，通过激光所产生的能量，促使在基 底10内部(即第一表面10A与第二表面10B之间)的晶格结构重新排列， 其晶格排列的方式可以晶硅(polycrystal)或是非多晶硅(amorphous)结构形 成重排，可以增加光电元件的发光效率。在此，雾化层12的深度可以通 过激光焦距来控制，可以配合发光波长来设计最佳深度。例如，以波长 355nm激光光源，频率在70kHz至250kHz之间，调整适当的光学聚焦模 块将激光光源聚焦在蓝宝石基底10表面下约10um至30urn之间的深度进 行约3um厚度雾化层处理。此基底10上以磊晶方式依次形成第一半导体 结构层(n型氮化镓半导体层)32、主动层34及第二半导体结构层(p型氮化 镓半导体层)36的光电半导体结构30，此光电半导体结构30在具有雾化 层12的基底10的发光效率比一般基底的发光效率高约15%。
另外，根据本实施例所披露的光电半导体结构中，还可以包含缓冲层 20形成在基底10与多层半导体结构层30之间，如图4B所示。此缓冲层 20可以是含氮化镓(GaN)的化合物层，或是以第一含氮化合物层22/五族/ 二族化合物层24/第二含氮化合物层26所构成化合物层来做为缓冲层20， 其中第一含氮化合物层22可以是氮化铟镓铝(AlInGaN)层、氮化铟镓 (InGaN)层、氮化铝镓(AlGaN)层及氮化铝铟(AlInN)层。第二含氮化合物层 26的材料选自于下列的群组氮化铝镓(AlGaN)及氮化镓(GaN)。五族/二 族化合物层24中的二族的材料是选自于下列群组铍(Be)、镁(Mg)、钙
(Ca)、锶(Sr)、钡(Ba)、镭(Ra)、锌(Zn)、镉(Cd)及汞(Hg);以及五族的材 料是选自于下列的群组氮(N)、磷(P)、砷(As)、锑(Sb)及铋(Bi)。
因此，通过第一含氮化合物层22、五族/二族化合物层24及第二含氮 化合物层26所构成的缓冲层20为多层应力缓冲层结构(multi-strain releasing layer structure),通过此多层应力缓冲层结构可以做为后续利用磊 晶成长的磊晶堆叠结构的起始层。另外，此多层应力缓冲层结构(即缓冲 层)20与多层半导体结构层30中的第一半导体结构层32之间有良好的晶 格匹配，并且得到品质良好的含氮化镓的半导体层。
接着，请参照图5A及图5B，是表示本发明所披露的光电半导体结构 的另一具体实施例的剖视图。在图5A及图5B中，基底10及多层半导体 结构层30的形成方法、结构及特性均与图4A及图4B相同，因此不再重 复陈述。图5A及图5B与图4A及图4B的差异性在于，在具有雾化层12 的基底10的上方，依次以磊晶方式形成第一半导体结构层32、主动层34 及第二半导体结构层36之后，使用蚀刻制造工艺以移除部份的第二半导 体结构层36、主动层34及第一半导体结构层32以裸露出部份的第一半导 体结构层32以完成光电元件的结构。
请继续参照图6A，是表示根据本发明所披露的光电元件的剖视图。 同样地，图6A中所揭示的元件的结构、形成方法及特性均与图4A相同， 因此不再重复叙述。如图6A所述，光电元件包括第一电极50;具有雾 化层12的基底10形成在第一电极50上方；多层半导体结构层30在基底 IO上方，其中，多层半导体结构层30至少包含第一半导体结构层32、 第二半导体结构层36及主动层34介于第一半导体结构层32及第二半导 体结构层36之间；接着，透明导电层40形成在多层半导体结构层30之 上；最后，第二电极60形成在透明导电层40之上。在此实施例中，形成 透明导电层50的方式是在多层半导体结构层30形成在基底10上方之后， 将反应容器温度降低至室温，然后由反应容器中取出磊晶芯片，并且在多 层半导体结构层30的第二半导体结构层36的表面上形成某一特定形状的 光罩图样，然后再于反应性离子蚀刻(RIE)装置中进行蚀刻。在蚀刻之后， 再在整个第二半导体结构层36上形成透明导电层50，其厚度约为2500
埃，且材料可以选自于下列的群组Ni/Au、 NiO/Au、 Ta/Au、 TiWN、 TiN、氧化铟锡、氧化铬锡、氧化锑锡、氧化锌铝及氧化锌锡。
接着，在透明导电层40上形成一层厚度约为2000um的第二电极60。 在本实施例中，第二半导体结构层36为p型氮化物半导体层，因此第二 电极60的材料可以由Au/Ge/Ni、Ti/Al、Tl/Al/Ti/Au或Cr/Au合金所构成。 最后在基底10上形成第一 电极50，此第一 电极50的材料可以是Au/Ge/Ni、 Ti/Al、 Tl/Al/Ti/Au或Cr/Au合金或是W/A1合金。因此，根据以上所述， 即可以得到一个具体的光电元件，在此要说明的是由于第一电极50及第 二电极60在光电元件的制造工艺中为公知技术，因此在本发明中不再进 一步的叙述。
在此要说明的是，在图6A所表示的光电元件中，还可以包含缓冲层 20形成在具有雾化层12的基底10的上方，如图6B所示，其缓冲层20 可以是含氮化镓层、或是由第一含氮化合物层22/五族/二族化合物层24/ 第二含氮化合物层26所构成的多层应力缓冲层结构20，通过此缓冲层20 可以做为后续利用磊晶成长的磊晶堆叠结构的起始层。另外，此多层应力 缓冲层结构(即缓冲层)20与多层半导体结构层30的第一半导体结构层32 之间有良好的晶格匹配，并且得到品质良好的含氮化镓的半导体层。
请参照图7A，是表示根据本发明所披露的光电元件的另一具体实施 例的剖视图。在此，图7A中所揭示的部份元件的结构、形成方法及特性 均与图6A相同，因此不再重复叙述。如图7A所示，光电元件包含具 有雾化层12的基底10;多层半导体结构层30在基底10上方，其中，多 层半导体结构层30至少包含第一半导体结构层32、主动层34形成在第 一半导体结构层32上、第二半导体结构层36形成在主动层34上；接下 来，使用蚀刻制造工艺以移除部份第二半导体结构层36、部份主动层34 及部份第一半导体结构层32，以裸露出部份第一半导体结构层32，在此 第一半导体结构层32所裸露出的部份为第二部份，而由主动层34及第二 半导体结构层36覆盖的部份为第一部份，且第一部份远离第二部份；接 着，透明导电层40形成在多层半导体结构层30之上；接着，第一电极50 形成在第一半导体结构层32的第二部份之上，及第二电极60形成在透
导电层40之上。
同样地，在图7A所表示的光电元件中，还可以包含缓冲层20形成在 具有雾化层12的基底10的上方，如图7B所示，其缓冲层20可以是含氮 化镓层、或是由第一含氮化合物层22/五族/二族化合物层24/第二含氮化 合物层26所构成的多层应力缓冲层结构20，通过此缓冲层20可以做为后 续利用磊晶成长的磊晶堆叠结构的起始层。另外，此多层应力缓冲层结构 (即缓冲层)20与多层半导体结构层30的第一半导体结构层32之间有良好 的晶格匹配，并且得到品质良好的含氮化镓的半导体层。
虽然本发明以前述的较佳实施例披露如上，然其并非用以限定本发 明，所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作 些许的变更与改进，因此本发明的专利保护范围须视本说明书所附权利要 求为准。
权利要求
1. 一种光电半导体磊晶结构，包含基底，具有第一表面及第二表面，在该第一表面及该第二表面之间具有雾化层；缓冲层，至少包含第一含氮化合物层/五族/二族化合物层/第二含氮化合物层，形成在该基底之上；及多层半导体结构层，形成在该基底的该第一表面上，其中该多层半导体结构层至少包含第一半导体结构层，形成在该基底上，该第一半导体结构层至少具有第一部份及裸露的该第二部份，且该第一部份远离该第二部份；第二半导体结构层；及多层量子阱，形成在该第一半导体结构层及该第二半导体结构层之间，该多层量子阱具有多个不规则且高低起伏的表面。
2. 根据权利要求1所述的光电半导体结构，其特征是该雾化层的厚度 不小于10埃。
3. —种光电元件，包含-提供第一电极；基底，形成在该第一电极之上且具有第一表面及第二表面，在该第一 表面及该第二表面之间具有雾化层；多层半导体结构层，形成在该基底的该第一表面上，其中该多层半导 体结构层至少包含第一半导体结构层，形成在该基底上；第二半导体结构层；及多层量子阱，形成在该第一半导体结构层及该第二半导体结构层之 间，该多层量子阱具有多个不规则且高低起伏的表面； 缓冲层，形成在该基底及该多层半导体结构层之间； 透明导电层，形成在该第二半导体结构层上；及 第二电极，形成在该透明导电层之上。
4. 一种光电元件，包含提供基底，具有第一表面及第二表面，在该第一表面及该第二表面之 间具有雾化层；缓冲层，形成在该基底之上；第一半导体结构层，形成在该基底上，且具有第一部份及裸露的第二 部份；主动层，形成在该第一半导体结构层的该第一部份，且具有多个不规 则且高低起伏的表面；第二半导体结构层，形成在该主动层上；透明导电层，形成在该第二半导体结构层上；第一电极，形成在该第一半导体结构层的裸露的该第二部份；及第二电极，形成在该透明导电层之上。
5. —种光电半导体结构的制造方法，包含 提供基底，具有第一表面及第二表面；执行激光内雕步骤，使得该基底的晶格结构重新排列，且在该第一表 面及该第二表面之间形成雾化层在该基底内部；形成多层半导体结构层在该基底的该第一表面上，还包含-形成第一半导体结构层在该基底的该第一表面上；形成第二半导体结构层；及形成主动层在该第一半导体结构层及该第二半导体结构层之间，该 主动层具有多个不规则且高低起伏的表面；及形成至少具有五族/二族族化合物的缓冲层在该基底及该多层半导体 结构层之间。
6. 根据权利要求5所述的制造方法，其特征是该基底的晶格结构重新 排列是以多晶硅结构排列。
7. 根据权利要求5所述的制造方法，其特征是该基底的晶格结构重新 排列是以非晶性结构排列。
8. 根据权利要求5所述的制造方法，其特征是在形成该第二半导体结 构层之后，执行蚀刻步骤以移除部份该第二半导体结构层、该主动层及该 第一半导体结构层以裸露部份该第一半导体结构层。
9. 一种光电元件的制造方法，包含 提供第一电极；形成基底在该第一电极上，其中该基底具有第一表面及第二表面；执行激光内雕步骤，使得该基底的晶格结构重新排列，且在该第一表 面及该第二表面之间形成雾化层在该基底内部；形成多层半导体结构层在该基底的该第一表面上，还包含-形成第一半导体结构层在该基底的该第一表面上；形成第二半导体结构层；及形成主动层在该第一半导体结构层及该第二半导体结构层之间，该 主动层具有多个不规则且高低起伏的表面；形成透明导电层在该第二半导体结构层上；及形成第二电极在该透明导电层上。
10. —种光电元件的制造方法，包含 提供基底，具有第一表面及第二表面；执行激光内雕技术，使得该基底的晶格结构重新排列，且在该第一表 面及该第二表面之间形成雾化层在该基底内部；形成第一半导体结构层在该基底的该第一表面上；形成第二半导体结构层； 形成主动层在该第一半导体结构层及该第二半导体结构层之间，其中该主动层具有多个不规则且高低起伏的表面；蚀刻部份该第二半导体结构层、部份该主动层以及部份该第一半导体 结构层以裸露出部份该第一半导体结构层；形成透明导电层在该第二半导体结构层上；形成第一电极在裸露出部份该第一半导体结构层上；及形成第二电极在该透明导电层上。
全文摘要
本发明披露一种光电半导体结构，包含基底，具有第一表面及第二表面，且在第一表面与第二表面之间具有雾化层；多层半导体结构在基底的第一表面上，其至少包含第一半导体结构层形成在基底上、第二半导体结构层、及主动层介于第一半导体结构层与第二半导体结构层之间。
文档编号H01L33/00GK101393951SQ20071015461
公开日2009年3月25日 申请日期2007年9月17日 优先权日2007年9月17日
发明者洪铭锽, 蔡宗良 申请人:广镓光电股份有限公司