TWI420699B - 具有縱向結構的發光器件及其製造方法 - Google Patents

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Description

具有縱向結構的發光器件及其製造方法
本發明係關於一種具有縱向結構的發光器件，尤指具有能夠實現增強光逸效率的縱向結構的發光器件及其製造方法。
發光二極體(Light Emitting Diodes,LEDs)，眾所周知的是一種將電流轉換成光以發光的半導體發光器件。由於使用了GaAsP化合物半導體的紅色LED在1962年即有商業應用，所以其與GaP：N基的綠色LED一起被用為電子設備中的圖像顯示光源。
從這樣的LED中發出的光，其波長取決於製造該LED的半導體材料；這是因為發光的波長係以半導體材料的帶隙而定，該帶隙表現價帶電子和導帶電子之間能量差異。
氮化鎵(GaN)化合物半導體是傑出的，其傑出的原因之一是藉由使用GaN結合其他如銦(In)、鋁(Al)等元素，可能製造出能夠發出綠色、藍色或白色光的半導體層。
因此，藉由使用結合其他適當元素的GaN，有可能調整發出光的波長。緣此，當使用了GaN，則可依LED所應用的裝置特性，而能適當地確定該所需LED的材料。例如，可能製造對於光記錄有用的藍色LED或者代替白熾燈的白色LED。
在另一方面，最初發展的綠色LED使用GaP製造。由於GaP是會引起效率降低的間接相變材料，由此種材料所製造的綠色LED實際上並無法產生純綠色光。然而，由於近期InGaN薄膜生長技術的成功，使得能製造高亮度的綠色LED。
由於GaN基LED的上述和其他優點，使GaN基LED市場得以迅速成長。再者，因GaN基LED在1994年便已商業應用，也讓與GaN基電光器件有關的技術快速發展。
GaN基LED已經發展到優於白熾燈的發光效率。目前，GaN基LED的效率大體上等於螢光燈的效率。因此，GaN基LED市場顯著增長是可期待的。
雖然GaN基半導體器件在技術中取得了快速的進步，但GaN基器件的製造卻蒙受了高生產成本的巨大缺失。該缺失與GaN薄膜(外延層)的生長和隨後對完成的GaN基器件的切割困難有密切關係。
該GaN基器件通常在藍寶石(Al2 O3 )基板上製造。這是因為藍寶石晶圓在尺寸的商業應用上適於GaN基器件的大量生產，可支持GaN以相對較高的質量外延生長，並呈現在較寬溫度範圍內的高可生產性。
此外，藍寶石化學性及熱性穩定，且具有能完成高溫製程的高熔點。再者，藍寶石具有高的結合能(122.4千卡/摩爾)和高介電常數。在化學結構方面，藍寶石是氧化鋁晶體(Al2 O3 )。
同時，因為藍寶石是絕緣材料，所以使用藍寶石基板(或其他絕緣基板)所製造的LED器件實際上被限制於橫向結構或是縱向結構。
在橫向結構中，於電流注入LED時，所有金屬接點被置於器件結構的頂面(或在同一個基板表面)。反之，在縱向結構中，一個金屬接點設置在頂面，並在移去藍寶石(絕緣)基板後，在器件結構的底面設置其他接點。
另外，覆晶接合法也被廣泛使用。依照該覆晶接合法，單獨準備好的LED晶片在其倒轉的條件下被置於如矽晶圓或具有良好熱傳導性的陶瓷基板的分底座(sub－mount)上。
然而，橫向結構或覆晶接合法因藍寶石基板的熱傳導率大約為27W/mK，而有散熱效率不良的問題，因此導致了非常高的耐熱性。此外，覆晶接合法因需大量的平版印刷製程，而有製程複雜的缺失。
就此點而言，具有縱向結構的LED，由於該縱向結構移除了藍寶石基板而顯得較傑出。
於此縱向LED結構的製程中，使用雷射剝離(Laser Lift Off,LLO)方法來移去藍寶石基板，從而解決藍寶石基板所引起的問題。
如第一圖所示，在藍寶石基板1之上形成了包括n型GaN層2、活性層3以及p型 GaN層4的GaN薄膜。而一p型電極5形成於該GaN薄膜之上。
LLO方法被應用於上述方式的晶片製造上，以完全移去藍寶石基板1。
在LLO方法中，以雷射光束入射施壓於GaN薄膜上。為了使藍寶石基板1和GaN薄膜彼此分離，有必要使用具有高能量密度的雷射光束。該雷射光束將GaN分解成金屬元素，即Ga，和氮氣(N2 )。
如上述移去了該基板1後，如第二圖所示，在暴露的n型GaN層2上形成一n型電極7而製成一晶片結構。
如附圖中所示的縱向LED結構中，n型GaN層2被佈置在晶片結構的最上部。由於這個原因，n型GaN層2的接觸域的範圍明顯地影響總發光效率。
雖然減小接觸域的範圍在光逸方面是有利的，但是因為減小的接觸域引起器件總阻力的增加或不充分的電流分佈，因此存在如操作電壓升高的問題。
由於GaN材料的折射率為2.35，所以當GaN材料直接與折射率1的空氣接觸的情形下，來自LED的光無需在該LED內完全反射，因此其向外射出角被限制在偏離垂直線25°。
為此，本發明專指一種具有縱向結構的發光器件和製造該發光器件的方法，以便能實質消除因既知技術的限制及缺失所引起的一個或多個問題。
本發明的目的是提供具有縱向結構的發光器件以及製造該發光器件的方法，其藉由使用層壓在GaN半導體層之上的透明導電氧化物(TCO)以及在GaN(氮化鎵)半導體層和TCO之間形成歐姆接觸(ohmic contact)的吸氣金屬，能夠增強光發射效率和光逸效率(light escape efficiency)。
本發明的其他優點、目的及特徵將於下文中描述，以使本領域具通常知識者在審視或實施本發明時能更清楚。藉由在說明書及其申請專利範圍以及附圖中特別指出的結構，本發明的目的和其他優點將被實現和獲得。
為達到這些目的和其他優點以及依照本發明的目的，如這裏具體表達和廣泛描述的具有縱向結構的發光器件包括：具有第一表面和第二表面的半導體層；佈置在該半導體層的第一表面上的第一電極；佈置在該半導體層的第二表面上的透明導電氧化物(TCO)層；以及佈置在該TCO層上的第二電極。
本發明另一面向，該具有縱向結構的發光器件包括：第一電極；佈置在該第一電極上的半導體層；對形成該半導體層的元素中的至少一種具有反應性的金屬層；佈置在該金屬層上的透明導電氧化物(TCO)層；以及佈置在該TCO層上的第二電極。
本發明的另一面向，一種製造具有縱向結構的發光器件的方法包括：在基板之上形成具有多層結構的半導體層；在該半導體層上形成第一電極；在該第一電極之上形成由金屬或半導體製成的支撐層；將該基板從該半導體層分離；在該半導體層的基板分離表面之上形成透明導電氧化物(TCO)層；以及在該TCO層上形成第二電極。
可以理解的是，本發明的以上概述和以下詳述都是示例性和說明性的，其都是為了提供所要保護的本發明的進一步解釋。
現在將配合附圖詳細描述本發明的較佳實施例。
然而，本發明可以具體表現為許多可替換的形式，並且不應被認為是此處闡明的實施例的限制。緣此，本發明雖易受各種修改和替換形式的影響，但是其特定的實施例會藉由附圖示例出並於此詳細地描述。然而應理解的是，不存在有將本發明限制在所公開的特殊形式上；相反地，本發明將涵蓋申請專利範圍所限定的本發明的精神和範圍內的所有修改、均等物以及替換物。
在對附圖的描述中，相同的數字代表相同的元件。而在圖中，為清楚起見將層和域的厚度變大。
可以理解的是，當如層、域或基板的元件被稱為在另一元件“上”時，其可以是直接在另一元件上，或者也可以間層元件存在。也可以理解，如果元件的一部分，如表面，被稱為“內部”，那麼其與該元件的其他部分比較，將更遠離該器件的外側。
另外，相關術語，如“在……下”以及“在……上面”，在這裏可以用於描述如圖所示的一層或域與另一層或域的關係。
可以理解的是，除了在圖中描述的方向外，這些術語意指包含該器件的不同方向。最後，術語“直接地”意味著沒有間層元件。如在此使用的，術語“及/或”包括一個或多個相關的列出的元件的任一個或所有的結合。
可以理解，雖然術語第一、第二等可以在此被使用以描述各種元件、元件、域、層及/或部分，但是這些元件、組成件、域、層及/或部分不應該受到這些術語的限制。
這些術語只是用於區別一個域、層或者部分與另一個域、層或者部分。因此，下面描述的第一域、層或者部分能夠用術語第二域、層或者部分表示，同樣地，第二域、層或者部分可以用術語第一域、層或者部分表示，而不背離本發明的教義。
<第一實施例>
在下文中，將結合附圖描述本發明的第一實施例。
如第三圖所示，為了製造依據該實施例的發光器件，在藍寶石基板10之上形成具有多層結構的GaN半導體層20和第一電極30。
可以使用通常的半導體生長方法使半導體層20生長。做為半導體生長的方法如濺鍍的PVD(Physical Vapor Deposition,物理氣相沈積)、使用有機金屬前體的MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition,有機金屬化學氣相沈積)以及離子注入的各種方法，可以依照製程的便利性選擇使用。
該半導體層20包括n型半導體層21，活性層22，以及p型半導體層23。如第三圖所示，該半導體層20可以具有隨著遠離基板10而逐漸減少區域的結構。
如果必要的話，可以在p型半導體層23之上形成一電流擴散層24，如第四圖所示。對於該電流擴散層24可以使用Inx Ga1－x N層或Inx Ga1－x N/GaN超晶格層。
該電流擴散層24能夠用於增強帶電體的活動性，從而使電流平穩流動。緣此，該電流擴散層也被稱為電流傳輸增強層(Current Transport Enhanced Layer,CTEL)。
第一電極30是歐姆電極。這樣的歐姆電極可以使用透明電極結構形成。該第一電極30可以是p型電極，因為其在p型半導體層23之上形成。
在將透明電極用於第一電極30處，如上所述，使用透明導電氧化物(TCO)在電流擴散層24之上形成透明電極是更有利的。
在該結構中，該電流擴散層24的逸出功可以小於當作p型半導體層23的p型GaN半導體層的逸出功，但是可以大於透明電極的逸出功。
電流擴散層24和p型半導體層23的逸出功範圍可以相互部分地重疊。同樣，p型半導體層23和透明電極的逸出功範圍可以相互部分地重疊。
對於該透明電極的TCO，可以使用氧化銦錫(ITO)；也可以使用其他材料，如氧化銦鋅(IZO)、氧化鋁鋅(AZO)、氧化鎂鋅(MZO)或者氧化鎵鋅(GZO)。
為了實現增強反射效率，可以在第一電極30之上形成反射電極40。較佳的是該反射電極40由銀(Ag)或鋁(Al)製成。
同時，如將在後文描述的，也可以設置支撐層以便在將基板10從半導體層20分離的過程中支撐半導體層20。該支撐層由金屬或者包含Si的半導體製成。
在具有以上述次序層壓的半導體層20結構處，該第一電極30係視為p型電極。
在包括如上形成的半導體層20、第一電極30以及反射電極40的發光器件晶片形成後，使用雷射剝離(Laser Lift Off，LLO)方法將該藍寶石基板10從該發光器件晶片完全移去。
在LLO方法中，以雷射光束入射施壓到GaN基的薄膜上。為了將藍寶石基板10和GaN薄膜即半導體層20分離，有必要使用具有高能量密度的雷射光束。該雷射光束將GaN分解成金屬元素，即Ga，及氮氣(N2 )。
除LLO方法外，可以使用其他方法來完成基板的分離，如蝕刻法。
其後，如第五圖所示，在該結構的倒裝狀態下移去基板10之後，在所獲得的結構之上形成TCO層50；在TCO層50上以金屬墊的形式形成第二電極60。
該TCO層50用於有效地供應電流給半導體層20。因此，能實現發光效率的增強、發光範圍的增加以及操作電壓的降低。
也就是說，儘管接觸區域減少，但是該器件的總阻力沒有增加，所以達到擴散有效電流。因此，可能降低操作電壓。
從而，第二電極60能以例如金屬墊的形式形成以具有縮減的區域。因此，第二電極60沒有減小發光區域。
同時，如圖所示，該半導體層20可以具有隨著其從第一電極30延伸到TCO層50而逐漸增加區域的結構。依照這種結構，可能增加光逸角度。
該TCO層50由ZnO製成。同樣，可以使用藉由將Al或In作為摻雜劑添加到ZnO而生成的AlZnO或者InZnO。
雖然ITO可以用於TCO層50，但是TCO層50的效果在這種情況下可能較低，因為在TCO層50和半導體層20的n型半導體層21之間的歐姆接觸可能被不充分地形成。
第六圖示出了ITO和n型GaN半導體在結合前的能帶結構。其中ITO具有大約為4.7eV的逸出功(work function)和大約3.7eV的帶隙Bg(band gap)，而GaN具有大約為3.44eV的帶隙。
當具有上述特點的ITO和n型GaN半導體結合時，ITO的費米能級等於導帶，即n型GaN的費米能級(Fermi level)，如同在傳導金屬中，如第七圖所示。在此情況下，形成阻塞電子流並且帶有1.7eV能級的勢壘(barrier)△Ec 。
也就是說，該能帶結構在結合表面彎曲，如此勢壘形成於結合表面上的導帶中。
當電壓(偏壓)被施加到處於這種狀態的能帶結構時，勢壘維持在1.7eV，但是該能帶結構被進一步彎曲。因此，如第八圖所示，在勢壘處發生穿隧現象(tunneling phenomenon)。結果，電流流動。在這種情況下，當所施加的電壓更高時，因為彎曲度的增加，更多量的電流流動。
當ZnO和n型GaN結合時，也發生類似的現象。這裏，ZnO具有4.2eV的逸出功以及3.37eV的帶隙Bg。
當具有上述特點的ZnO和n型的GaN半導體結合時，ZnO的費米能級等於導帶，即n型GaN的費米能級如同在傳導金屬中，如第十圖所示。在這種情況下，形成阻塞電子流並且帶有1.2eV能級的勢壘△Ec 。
因為依照穿隧現象的電流量與Exp[(△Ec )3/2 ]成比例，所以在ZnO和n型GaN結合的情況下，可能利用低電壓生成具足夠的電流流量。
也就是說，如從上述描述中所看到的，使用ZnO的情況和使用添加了摻雜劑的AlZnO或InZnO的情況在電流流量方面更為有利。
由上述ZnO基材料製成的TCO層50能大大改善光逸角度，藉此，光從GaN材料的內部逸出。
依照簡單的計算，藉由其光能從具有2.35的折射率的GaN直接發逸到GaN的外部(空氣)的光逸角度大約為25°。然而，當ZnO基材料被用為TCO層50時，該光逸角度因“Sin－1 (2.07/2.35)”為61.74°之故而大大增加。
<第二實施例>
在下文中，將結合第十二~十五圖以描述本發明的第二個實施例。在下列描述中，對與第一個實施例中相同的製程將不再贅述。
如第十二圖所示，為了製造按照本實施例的發光器件，在藍寶石基板100上形成GaN基的半導體層200和第一電極300。
如第十二圖所示，該半導體層200包括n型半導體層210，活性層220以及p型半導體層230。為了實現增強反射率，該第一電極300可以包括反射電極400。由金屬或者包含Si的半導體製成的支撐層也可以在第一電極300之上形成。
具有上述順序層壓結構的該半導體層200，其中該第一電極300當作p型電極。
在形成上述發光器件晶片之後，使用雷射剝離(LLO)方法，該藍寶石基板100被從該發光器件晶片上完全移去。
在這樣的LLO方法中，以雷射光束入射施壓到GaN基的薄膜上。為了將藍寶石基板100和GaN薄膜分離，有必要使用具有高能量密度的雷射光束。該雷射光束將GaN分解成金屬元素，即Ga，以及氮氣(N2 )。
如第十三圖所示，使用如Ti、Zr或Cr之具有吸氮特性的金屬所形成的吸氣金屬層500隨之被置在移去了基板100的n型半導體層210的表面之上。該吸氣金屬層500能展現對氮(N)的高反應性，該氮是三五族(Group III to Group V)半導體材料中的第五族材料，如GaN。
該如Ti、Zr或Cr吸氣金屬的沉積係藉由在n型半導體層210上或其內少量塗敷或摻雜吸氣金屬而實現。該沉積方法如濺鍍的PVD、使用有機金屬前體的MOCVD以及離子注入等各種方法，可以依照製程的便利性而選擇地使用。
在吸氣金屬層500沉積之後，為了獲得最大的光逸效率，在吸氣金屬層500之上形成具有適當折射率的透明導電氧化物(TCO)層600。
較佳的是TCO層600由氧化銦錫(ITO)製成。
在半導體層200上形成吸氣金屬層500和TCO層600後再執行熱處理，如第十四圖所示。
眾所周知的，如ITO的TCO可能與任何n型GaN和p型GaN不形成有效的歐姆接觸，如第十五圖所示。
然而，如果在折射率方面有效率的TCO層600，能被應用到如上述結構的具有縱向結構的發光器件中的頂層，那麼可以提供相當優良的光逸效果。
如近期的研究結果所示，在熱處理過程中，於ITO/GaN的介面處觀察到Ga－N的分解。據一報告記載，n型GaN的歐姆接觸通常與在Ga－N介面的氮起反應，從而引起該介面的氮不足而形成歐姆接觸。
因此，該氮吸氣金屬層500能藉由移去在Ga－N結構中的氮，而達到改善歐姆特性及器件的穩定性。
眾所周知的，如Ti的金屬能有效地阻止因混合物形成所致的電極特性衰退，因為Ti容易形成Ti－N混合物並展現如同在金屬中的傳導性。
如上的該TCO層600形成之後，在TCO層600之上形成做為n型電極的第二電極700，以完成晶片結構的製造。
緣此，使用ITO做為TCO層600是可能的。而且，藉由從GaN材料內部的光逸，有可能達成大幅改善光逸角度的結果。
依照簡單的計算，光可以直接從2.35折射率的GaN逸至GaN外部(空氣)的光逸角度大約為25°。然而，當使用ITO時，該光逸角度大幅增加到54.78°。
就本領域技術人員而言，在不背離本發明的精神和範圍下，於本發明中的各種修改和變化是顯而易見的。因此，本發明所欲涵蓋者為其在附加的申請專利範圍及其均等範圍內的修改和變化。
 既知技術
1．．．藍寶石基板
2．．．n型GaN層
3．．．活性層
4．．．p型GaN層
5．．．p型電極
7．．．n型電極
發明技術
10、100．．．藍寶石基板
20、200．．．半導體層
21、210．．．n型半導體層
22、220．．．活性層
23、230．．．p型半導體層
24．．．電流擴散層
30、300．．．第一電極
40、400．．．反射電極
50、600．．．透明導電氧化物(TCO)層
60、700．．．第二電極
500．．．吸氣金屬層
被包括以提供本發明進一步的理解並且被合併組成該申請的一部分的附圖將示出本發明的實施例，並且與說明書一起用於解釋本發明的原理。在該附圖中：第一圖是以傳統製程製造一種具有縱向結構的發光器件的一截面圖；第二圖是傳統的具有縱向結構的發光器件的一結構截面圖；第三~十一圖是本發明第一個實施例的截面圖；其中：第三圖是根據本發明的一製程實施例的截面圖；第四圖是根據本發明的另一製程實施例的截面圖；第五圖是依照本發明製造的具有縱向結構的發光器件的一實施結構的截面圖；第六圖是ITO和n型GaN能帶結構的示意圖；第七圖是處於結合狀態的ITO和n型GaN形成的能帶結構的示意圖；第八圖是當電場施加到ITO和n型GaN的結合結構時形成的能帶結構的示意圖；第九圖是ZnO和n型GaN的能帶結構的示意圖；第十圖是處於結合狀態的ZnO和n型GaN形成的能帶結構的示意圖；第十一圖是當電場施加到ZnO和n型GaN的結合結構時形成的能帶結構的示意圖；以及第十二~十五圖是本發明的第二個實施例的截面圖，其中：第十二圖是根據本發明的一製程實施例的截面圖；第十三圖是依照本發明製造的具有縱向結構的發光器件的一實施結構截面圖；第十四圖是熱處理過程的示意圖；以及第十五圖是ITO和GaN的能帶結構的示意圖。
20．．．半導體層
21．．．n型半導體層
22．．．活性層
23．．．p型半導體層
30．．．第一電極
40．．．反射電極
50．．．透明導電氧化物(TCO)層
60．．．第二電極

Claims (19)

  1. 一種具有縱向結構的發光器件，包括：具有第一表面及第二表面的半導體層，該半導體層具有傾斜的側面；佈置在該半導體層的第一表面上的第一電極；佈置在該半導體層的第二表面上的透明導電氧化物(TCO)層；以及佈置在該TCO層上的第二電極。
  2. 如申請專利範圍第1項的發光器件，其中該半導體層包括：p型半導體層；佈置在該p型半導體層上的活性層；以及佈置在該活性層上的n型半導體層。
  3. 如申請專利範圍第1項的發光器件，進一步包括：佈置在該半導體層和該第一電極之間的電流擴散層。
  4. 如申請專利範圍第3項的發光器件，其中該電流擴散層包括Inx Ga1-x N層或Inx Ga1-x N/GaN超晶格層。
  5. 如申請專利範圍第1項的發光器件，其中該第一電極包括反射電極。
  6. 如申請專利範圍第1項的發光器件，進一步包括：佈置在該第一電極上的支撐層，該支撐層由金屬或包含Si的半導體製成。
  7. 如申請專利範圍第1項的發光器件，其中該半導體層具有隨著該半導體層朝向該TCO層延伸而逐漸擴大的區 域。
  8. 如申請專利範圍第1項的發光器件，其中該TCO層由折射率大於GaN折射率的導電材料製成。
  9. 如申請專利範圍第1項的發光器件，其特徵在於，該TCO層由氧化銦錫(ITO)、ZnO、AlZnO及InZnO中的一種或多種製成。
  10. 如申請專利範圍第1項的發光器件，進一步包括：佈置在該半導體層和該TCO層之間的吸氣金屬層。
  11. 如申請專利範圍第10項的發光器件，其中該吸氣金屬層由Ti、Zr和Cr其中至少一種製成。
  12. 一種具有縱向結構的發光器件，包括：第一電極；佈置在該第一電極上的半導體層，該半導體層的區域隨著遠離一基板而逐漸減少；對形成半導體層的至少一種元素具有反應的金屬層；佈置在該金屬層上的透明導電氧化物(TCO)層；以及佈置在該TCO層上的第二電極。
  13. 如申請專利範圍第12項的發光器件，其中該第一電極包括：反射電極；以及佈置在該反射電極和該半導體層之間的歐姆電極。
  14. 如申請專利範圍第12項的發光器件，其中該金屬層由Ti、Zr和Cr中至少一種製成。
  15. 如申請專利範圍第12項的發光器件，其中該第一電極 在由金屬或包含Si的半導體製成的支撐層上形成。
  16. 一種製造具有縱向結構的發光器件的方法，包括：在基板之上形成具有多層結構的半導體層，該半導體層的區域隨著遠離一基板而逐漸減少；在該半導體層上形成第一電極；在該第一電極之上形成由金屬或半導體製成的支撐層；將該基板與該半導體層分離；在該半導體層的基板分離表面之上形成透明導電氧化物(TCO)層；以及在該TCO層上形成第二電極。
  17. 如申請專利範圍第16項的方法，其中該TCO層的步驟包括在一吸氣金屬層上形成TCO層。
  18. 如申請專利範圍第17項的方法，進一步包括：熱處理該吸氣金屬層。
  19. 如申請專利範圍第17項的方法，其中該吸氣金屬層藉由濺鍍方法、MOCVD方法以及離子注入方法中的一種方法形成。
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