专利名称：发光元件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种发光元件的结构及其制作方法。
背景技术：
半导体发光元件的应用颇为广泛，例如可应用于交通信号标志、Blue-DVD 高密度储存、HD-DVD、绿光RCLED(可适用于车用塑胶光纤的内部通 讯与控制系统)、以及医疗装置(UVLEDs)等。发光元件效能的提升，将使发 光元件应用的层面更为广泛，例如可应用于光学显示装置(RGB edge-lit back lightunits)或背投影电视(Rear-projectionTV)。因此，提升元件效能为目前主 要的研究课题。
因发光二极管的发光没有方向性，在光学模块的应用上，由于光展量 (Etendue)的影响，光使用效率亦受到限制。因此使发光二极管发光具有方向 性，进而降低发散角，也是发光二极管效能的提升的方式之一。E. Yablonovitch及S. John在1987年提出具有以电^兹波波长尺度1/2为周期排 列的介质，也就是远红外线到可见光的波长大小(300 700nm),可使得电^兹 波在此具有高度排列秩序的材料中的行为有如电子在晶体中般可被介质的 空间结构、排列周期、结构形式以及介电常数所控制，因此不需要改变介质 本身的化学结构，仅需在介质的波长尺度以及光子能隙进行设计便可制造出 具有不同光特性的元件，此种新式的人工晶体称为光子晶体(Photonic Crystal, PC)。若应用在发光二极管，于其表面蚀刻出二维光子晶体的孔洞 状结构，可使得限制于发光二极管中的光不再向任意方向发射，大幅增加了 光导向上方发射机会，进而降低发光二极管发散角并提升其效率。
光子晶体其组成会在x-y平面呈现周期性的变化，将此结构以二维等效 折射率平面观察，如图l所示，将此结构的等效折射率以二维方式呈现，其 中n,为量子阱内部扩散效应后的折射率，n2为量子阱内部扩散效应前的折射 率。我们将等效折射率差值(n,-n2)定义为An， An=nr+j*nj (1-1)其中nr为等效折射率差值的实部，ni为等效折射率差值的虚部。有源层材料 组成呈现周期性的变化，其nr与ni两参数会同时存在。n,影响的是发光二 极管光取出效率(light extraction efficiency ), nj值则会影响发光二极管内部 量子效应(internal efficiency )。已知作法是在发光二极管表面蚀刻出二维光 子晶体形成类似的二维等效折射率平面，但其An只存在njni为零)，所以 此结构只能影响发光二极管的光取出效率及发散角。
另 一 已知作法是使用传统激光全像术曝光装置(Laser holography apparatus),并利用半导体工艺曝光、显影与蚀刻的方法于发光元件的欧姆接 触层上形成纳米级岛状结构(nano-sized islands),以增加发光元件的光取出效 率。
发明内容
本发明提供一种具有光子晶体结构的发光元件，以发光二极管为例，其 有源层材料的组成会在X-Y平面呈现周期性的变化，能同时增加发光二极管 的内部量子效应和光取出效率。此外，其折射率的周期性变化发生在有源层， 而不是发光二极管表面，依据光子的分布情形，此光子晶体发光二极管只需 微量的折射率变化量即可有效提升其内部量子效应和光取出效率。
图1是显示发光二极其增益区材料的组成会在X-Y平面呈现周期性的变 化图2是显示本发明设计的新型全像术曝光系统结构图3是显示本发明入射光导致局部量子混合效应图4a是显示量子阱内部扩散效应前能带分布图4b是显示量子阱内部扩散效应后能带分布图5是显示本发明光场强度分布图6a是显示本发明实施例的发光二极管外延结构图6b是显示本发明实施例的光子晶体发光二极管；
图7是显示本发明实施例发光二极管中有源层组成随X轴方向分布图8是显示本发明实施例的光子晶体发光二极管结构侧面图。
附图标记说明1生长基板 2 n型半导体层
3多量子阱结构 4 p型半导体层
5量子阱内部扩散效应前的组成6 量子阱内部扩散效应后的组成
7电流散布层 8 n型电极
9 p型电极 201 激光光源(laser source)
202 1比10分光镜(splitter) 203 1比1分光镜(splitter)
204 100 。/。紫外光镜(UV mirror) 205 电源监控器(power monitor)
206 自动快门(automatic shutter)
207 双轴电控器(X画Y motion controller)
208 晶片厚义座;j走转架(rotation stage)
209 旋转器A(rotator) 210旋转器B(rotator)
a 入射光1 c 高光强度区域
211 晶片试片 b入射光2 d低光强度区域 Ec传导带能量 Eg、 Eg， 能带差
1比1分光镜与100%紫外光镜的距离 化甚
E、
n,量子阱内部扩散效应后的折射率
价电带犯
n2量子阱内部扩散效应前的折射率
八光强度分布的周期 甲二次量子阱内部扩散效应的夹角
具体实施例方式
为了避免蚀刻过程对外延结构中有源层区域造成伤害，现以一如图2所 示的新型全像术曝光系统说明本发明实施例。以1比1分光镜(Splitter) 203 取代传统系统中的光延展器(Beam Expander),并将晶片承座旋转架208设于 精密双轴电控器(X-Y Motion Controller) 207上。具有光程差的两道入射光a 与b，会在发光二极管晶片211表面形成一维周期性的光强度分布，如图3
所示。光强度分布的周期A,可由l-2式所决定。其中，？Maser为激光的波长，
山为1比1分光镜与100%紫外光镜的距离，"为分光所造成的光程差因子， m为两道光干涉的阶数，"与m为整数。<formula>formula see original document page 5</formula>
并通过AFM量测干涉周期A,反推光程差因子"，再通过旋转器A (Rotator)209改变角度0决定周期A,其中P可介于20-80度。
本发明4吏用两道入射光干涉，达到周期为200 nm~1000 nm的光强度变 化，再通过控制光强度以及入射光时间的长短，以控制不同程度的能隙变化 量与折射率的变化量。当入射光穿透光电元件的限制层且被量子阱吸收，使
得量子阱局部迅速升温，造成内部的各成分原子因吸热而变得不稳定，当原 子吸收过多的热能时，会挣脱原本束绰的共价键，开始往浓度较低处扩散， 此效应称为量子阱内部扩散效应(Quantum Well Interdiffusion, QWI)。 一般而 言，有源层中量子阱的能带图为矩形阱状(如图4a)，在经过内部扩散效应 后，量子阱的能带分布呈较平滑的圆弧形状(如图4b)，而能带差Eg，也变得 较大。发光波长往短波长方向移动，折射率也会随之变小。两道入射光干涉 会产生一维且周期相等的光强度分布，若要制作二维光子晶体，可进行两次 千涉步骤，并利用图2的旋转器B (Rotator) 210决定两次量子阱内部扩散效 应的夹角W(可介于20-90度)，同时通过控制光强度，使重复量子阱内部扩 散效应的区域(交错处)有较大能量差(如图5的c点区域)，进而产生折射率的 变化量。此变化量具有二維空间周期性，且此二维的周期并不需要一致。依 此法制作二维光子晶体发光二极管时，需控制两次干涉之间所相隔的时间差 以避免时间差过久造成降温而影响量子阱内部扩散效应。此外，亦可在发光 二极管晶片的载具上加温，提升量子阱内部扩散效应的效果。 一般激光光束 的大小约在lmm等级，所能造成量子阱内部扩散效应的面积有限，因此于 另一实施例中，是将发光二极管晶片承座旋转架设于精密双轴电控器上，以 步进式的方式制作大面积的光子晶体发光二极管，如图6b所示。图7为发 光元件经过一次量子阱内部扩散效应后的有源层组成(y)随X轴分布情形。 由于光能量分布会随空间(X-Y)呈现周期且渐变的变化情形，所以经过二次 量子阱内部扩散效应后的有源层组成(y)也会随空间(X-Y)呈现周期且渐变的 变化情形，进而增加发光二极管的光学限制(optical confinement)与电流限制 (current confinement)。
(实施例一)
如图6a所示，在生长基板1，其材料可为砷化镓、硅、碳化硅、氧化铝、 磷化铟、磷化镓、氮化铝或氮化镓等，不限制生长基板是透光基板或吸光基 板；以有机金属化学气相外延法依序生长n型半导体层2(如n-GaN，n-AlGalnP)、多量子阱有源层3(如InGaN, AlGalnP)、 p型半导体层4(如 p-GaN, p-AlGalnP)等层，以形成发光二极管外延结构，其中n型半导体层、 p型半导体层可作为限制层。再利用图2的新型全像术曝光系统结构，将两 道入射光直接打在发光二极管整个结构表面形成千涉条紋，当所选用的激光 光源波长介于限制层4 (p型半导体层)与多量子阱有源层结构3所对应波长
之间(^adding〈kse^^W),入射光会穿透限制层(P型半导体层)且被多量子阱有
源层吸收，使得局部量子阱迅速升温，造成芯片内部的各成分原子因吸热而 变得不稳定，当原子吸收过多的热能时，会挣脱原本束绰的共价键，开始往 浓度较低处扩散，产生量子阱内部扩散效应。此两道入射光干涉可达到周期
为200 nm-1000 nm的光强度变化，再通过控制光强度以及入射光时间的长 短，可控制不同程度的能隙变化与折射率的变化量。再依需求利用旋转器 (Rotator) B决定两次量子阱内部扩散效应的夹角屮(可介于20-90度)，同样 通过控制光强度，使重复量子阱内部扩散效应的区域(交错处)有较大能量差， 进而产生折射率的变化量。此变化量具有二维空间周期性，且此二维的周期 并不需要一致，即形成光子晶体发光元件(如图6b)。再于p型半导体层之上 形成电流散布层7，由电流散布层往下蚀刻至n型半导体层后，分别在电流 散布层及n型半导体层之上形成p型电极9及n型电极8，即形成光子晶体 发光二极管元件，如图8所示。
(实施例二)
如图6a所示，在生长基板1，其材料可为砷化镓、硅、碳化硅、氧化铝、 磷化铟、磷化镓、氮化铝或氮化镓等，不限制生长基板是透光基板或吸光基 板；以有机金属化学气相外延法依序生长n型半导体层2(如n-GaN, n匿AlGalnP)、多量子阱有源层3(如InGaN， AlGalnP)、 p型半导体层4(如 p-GaN， p-AlGalnP)等层，以形成发光二极管外延结构，其中n型半导体层、 p型半导体层可作为限制层。再利用图2的新型全像术曝光系统结构，将两 道入射光直接打在发光二极管整个结构表面形成干涉条纟丈，当所选用的激光
光源波长小于限制层4(p型半导体层)所对应波长( Wase^^adding)，入射光则会 被限制层(p型半导体层)表面吸收产生局部高温，通过热扩散产生量子阱内
部扩散效应。此两道入射光干涉可达到周期为 nm-1000 nm的光强度变 化，再通过控制光强度以及入射光时间的长短，可控制不同程度的能隙变化与折射率的变化量。再依需求利用旋转器(Rotator)B决定两次量子阱内部扩 散效应的夹角W(可介于20-90度)，同样通过控制光强度，使重复量子阱内 部扩散效应的区域(交错处)有较大能量差，进而产生折射率的变化量。此变 化量具有二维空间周期性，且此二维的周期并不需要一致，即形成光子晶体 发光元件(如图6b)。再于p型半导体层之上形成电流散布层7，由电流散布 层往下蚀刻至n型半导体层后，分别在电流散布层及n型半导体层之上形成 p型电极9及n型电极8，即形成光子晶体发光二极管元件，如图8所示。
(实施例三)
如图6a所示，在生长基板l，其材料可为砷化镓、硅、碳化硅、氧化铝、 磷化铟、磷化镓、氮化铝或氮化镓等，不限制生长基板是透光基板或吸光基 板；以有机金属化学气相外延法依序生长n型半导体层2(如n-GaN, n-AlGalnP)、多量子阱有源层3(如InGaN, AlGalnP)、 p型半导体层4(如 p-GaN， p-AlGalnP)等层，以形成发光二极管外延结构，其中n型半导体层、 p型半导体层可作为限制层。再利用图2的新型全像术曝光系统结构，将两 道入射光直接打在发光二极管整个结构表面形成干涉条紋，当所选用的激光
光源波长小于多量子阱有源层结构3所对应波长( Mase^^QW)，此两道入射光
干涉可达到周期为200nm-1000nm的光强度变化，再通过控制光强度以及入 射光时间的长短，可控制不同程度的能隙变化与折射率的变化量。再依需求 利用旋转器(Rotator) B决定两次量子阱内部扩散效应的夹角甲(可介于20-90 度)，同样通过控制光强度，使重复量子阱内部扩散效应的区域(交错处)有较 大能量差，进而产生折射率的变化量。此变化量具有二维空间周期性，且此 二维的周期并不需要一致，即形成光子晶体发光元件(如图6b)。再于p型半 导体层之上形成电流散布层7,由电流散布层往下蚀刻至n型半导体层后， 分别在电流散布层及n型半导体层之上形成p型电极9及n型电极8,即形 成光子晶体发光二极管元件，如图8所示。
虽然本发明已以优选实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，本领 域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因 此本发明的保护范围当^L后附的权利要求所界定的为准。
权利要求
1.一种发光元件，包含基板；以及半导体外延结构位于该基板之上，其中该半导体外延结构具有量子阱有源层，且该量子阱有源层包含在一维或二维空间具有周期性介电常数变化的光子晶体结构。
2. 如权利要求1所述的发光元件，其中该光子晶体结构是以全像术曝光 技术为基础结合两道入射光干涉于该量子阱有源层造成内部扩散效应所形成。
3. 如权利要求1所述的发光元件，其中该半导体外延结构还包含 第 一电性半导体层形成于该基板与该量子阱有源层之间；及 第二电性半导体层形成于该量子阱有源层之上，且该第一电性半导体层及/或该第二电性半导体层可作为限制层。
4. 如权利要求1所述的发光元件，其中该介电常数变化具有一维空间周 期性，其范围为200nm-1000nm。
5. 如权利要求1所述的发光元件，其中该介电常数变化具有二维空间周 期性，其范围为200nm-1000nm，且该二维的周期并不需要一致。
6. 如权利要求2所述的发光元件，其中该全像术曝光技术的激光波长需 小于该量子阱有源层所产生光的波长。
7. 如权利要求3所述的发光元件，其中该光子晶体结构是以全像术曝光 技术为基础结合两道入射光干涉于该量子阱有源层造成内部扩散效应所形 成，且该全像术曝光技术的激光波长需小于该第一半导体层及/或该第二半导 体层所对应的波长。
8. 如权利要求7所述的发光元件，其中该全像术曝光技术的激光波长介 于该第一半导体层及/或该第二半导体层与该量子阱所对应的波长之间。
9. 如权利要求2所述的发光元件，其中该光子晶体结构经二次两道入射 光干涉所造成二次量子阱内部扩散效应，且该二次量子阱内部扩散效应的夹 角介于20-90度，可形成二维光子晶体结构。
10. 如权利要求1所述的发光元件，其中该光子晶体结构具有一维或二 维空间周期性的材料组成变化。
全文摘要
本发明公开一种发光元件及其制造方法。此元件为半导体元件，包含生长基板，生长基板上依序有n型半导体层、量子阱有源层、p型半导体层等外延结构，再以全像术曝光技术为基础，结合量子阱内部扩散效应，使发光元件的量子阱有源层不需经过蚀刻的工艺，即具有二维空间周期性的介电常数变化或材料组成变化的光子晶体。此光子晶体发光元件不仅能增加内部量子效应，也可增加光取出效率。
文档编号H01L33/00GK101587927SQ20081010050
公开日2009年11月25日 申请日期2008年5月20日 优先权日2008年5月20日
发明者姚久琳, 徐大正 申请人:晶元光电股份有限公司