TWI437738B - 半導體發光元件 - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種半導體發光元件，且特別是有關於一種垂直式半導體發光元件。
近年來，由於發光二極體的發光效率不斷提升，使得發光二極體在某些領域已漸漸取代日光燈與白熱燈泡，例如需要高速反應的掃描器燈源、液晶顯示器的背光源或前光源汽車的儀表板照明、交通號誌燈，以及一般的照明裝置等。一般常見的發光二極體係屬於一種半導體元件，其材料通常係使用III-V族元素如磷化鎵(GaP)、砷化鎵(GaAs)等。發光二極體的發光原理是將電能轉換為光，也就是對上述之化合物半導體施加電流，透過電子、電洞的結合而將過剩的能量以光的型態釋放出來，進而達到發光的效果。
圖1繪示為習知一種發光二極體晶片的剖面示意圖。請參照圖1，發光二極體晶片200包括一發光結構層110、一接合層120、一導電基板130、n電極142、p電極144、一金屬反射層250以及一透明導電層260。發光結構層110配置於導電基板130上，且接合層120位於發光結構層110與導電基板130之間。發光結構層110具有一p型半導體層112、一n型半導體層114以及一位於p型半導體層112與n型半導體層114之間的發光層116。n電極142與p電極144則分別配置於n型半導體層114與導電基板130遠離半導體層110的表面上。另外，金屬反射層250配置於接合層120與發光結構層110之間，而透明導電層260配置於金屬反射層250與發光結構層110之間。換言之，除了發光結構層110、接合層120、一導電基板130、電極142、電極144以及金屬反射層250以外，發光二極體晶片200更包括配置於金屬反射層250與發光結構110之間的透明導電層260。
在發光二極體晶片200中，金屬反射層250與透明導電層260分別用以提供光反射特性以及歐姆導電特性。然而，由於在發光二極體晶片200的製造過程中，需進行熱處理，而熱處理時容易造成透明導電層260與金屬反射層250之間發生相互擴散(Diffusion)，因此在發光二極體晶片200的製造過程中導致金屬反射層250霧化，進而會降低金屬反射層250反射率，使得發光二極體晶片200的發光效率受到影響。
本發明提供一種半導體發光元件，具有理想的反射特性。
本發明提出一種半導體發光元件，包括一導電基板、一發光結構層、一金屬反射層、一透明導電層、一第一介電質圖案層以及一第二介電質圖案層。發光結構層配置於導電基板上。金屬反射層配置於發光結構層與導電基板之間。透明導電層配置於發光結構層與金屬反射層之間。第一介電質圖案層配置於發光結構層與透明導電層之間。第一介電質圖案層包括多個第一結構單元，其中第一結構單元彼此相隔一第一間距，且透明導電層的一第一部分位於第一間距中。第二介電質圖案層配置於透明導電層與金屬反射層之間，並包括多個第二結構單元，其中第二結構單元彼此相隔一第二間距，且透明導電層的一第二部分位於第二間距中。第一部分與第二部分彼此不重疊。
在本發明之一實施例中，上述之半導體發光元件更包括一第一電極、一第二電極。第一電極配置於發光結構層遠離導電基板的一側。第二電極配置於導電基板遠離發光結構層的一側。
在本發明之一實施例中，上述之第一電極正投影在導電基板上的一電極圖案投影面積以及第一介電質圖案層正投影在導電基板上的一第一介電質圖案投影面積具有大致相同的輪廓。
在本發明之一實施例中，上述之第一介電質圖案層與第二介電質圖案層其中一者為一多層膜介電質圖案層。
在本發明之一實施例中，上述之第一介電質圖案層與第二介電質圖案層其中一者為一單層膜介電質圖案層。
在本發明之一實施例中，上述之第一介電質圖案層與該第二介電質圖案層其中一者為一分散布拉格反射層(Distributed Bragg Reflector,DBR)。
在本發明之一實施例中，上述之透明導電層的第二部分與第二介電質圖案層接觸金屬反射層以構成實質上平坦的一接觸面。
在本發明之一實施例中，上述之發光結構層包括依序疊置的一第一氮化鎵(N-GaN)系列之III-V族化合物半導體層、一主動層以及一第二氮化鎵(N-GaN)系列之III-V族化合物半導體層。
在本發明之一實施例中，上述之發光元件更包括一接合層，其配置於金屬反射層與導電基板之間，以將金屬反射層與導電基板接合在一起。
在本發明之一實施例中，上述之金屬反射層可以是一黏結層。
在本發明之一實施例中，上述之第一介電質圖案層以及第二介電質圖案層分別具有一相對於發光結構層之表面傾斜的側壁。
基於上述，本發明的發光元件中，透明導電層接近發光結構的一側以及透明導電層接近金屬反射層的一側都局部地配置有介電質圖案。因此，透明導電層與金屬反射層的接觸面積縮小而可避免金屬反射層的反射特性因後續熱製程的作用而變差。此外，由於半導體發光元件上的介電質圖案層的配置位置對應於第一電極配置位置，因此有助於使透明導電層中的電流分佈變得均勻。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖2繪示為本發明之一實施例的半導體發光元件的剖面示意圖。請參照圖2，半導體發光元件300包括一導電基板310、一發光結構層320、一第一電極330、一第二電極340、一金屬反射層350、一透明導電層360、一第一介電質圖案層372、一第二介電質圖案層374以及一接合層380。值得一提的是，以上所描述的元件並非用以限定本發明，在其他的實施方式中，半導體發光元件300可不僅包括上述元件。
進一步而言，半導體發光元件300的製作方式例如是先於一磊晶基板(未繪示)上形成發光結構層320。發光結構層320包括依序疊置的一第一半導體層322、一主動層324以及一第二半導體層326。一般來說，第一半導體層322以及第二半導體層326分別為不同摻雜型態的半導體層，例如p型半導體層以及n型半導體層。主動層324則例如是一主動量子井層。此外，還可以將不同摻雜濃度的其他半導體層或是其他膜層配置於第一半導體層322、主動層324以及第二半導體層326任兩者之間。舉例而言，發光結構層320中的第一半導體層322例如為一第一氮化鎵(N-GaN)系列之III-V族化合物半導體層，而第二半導體層326例如為第二氮化鎵(N-GaN)系列之III-V族化合物半導體層。
然後，將第一介電質圖案層372製作於磊晶基板(未繪示)的發光結構層320上，其中第一介電質圖案層372配置於第二半導體層326上。換言之，第二半導體層326位於主動層324與第一介電質圖案層372之間。在本實施例中，第一介電質圖案層372構成特定的圖案，且發光結構層320局部地被第一介電質圖案層370暴露出來。也就是說，第一介電質圖案層372包括多個結構單元(例如圖中梯形圖案所繪示的結構)，其中這些結構單元彼此相隔一間距d。此外，第一介電質圖案層372例如具有相對於發光結構層320之表面傾斜的側壁372a。第一介電質圖案層372的材質例如是Ta2
O5
、SiNx
、TiO2
或SiO2
。第一介電質圖案層372可以是一多層膜介電質圖案層，其例如是具有兩種或兩種以上折射率相異材質交互堆疊之多層膜結構。第一介電質圖案層372也可以是分散布拉格反射層或是由常見的介電質材料所構成的圖案。當然，第一介電質圖案層372也可以是一單層膜介電質圖案層。
接著，在第一介電質圖案層372上形成透明導電層360，其中透明導電層360例如是由銦錫氧化物、銦鎵氧化物等材料所構成的一透明導電層以提供良好的歐姆導電特性。在本實施例中，發光結構層320局部地被第一介電質圖案層372暴露出來且第一介電質圖案層372構成特定的圖案。透明導電層360並非配置於同一平面上而是沿著側壁372a配置以構成不平坦的起伏結構。因此，透明導電層360可劃分成至少一第一部分362以及至少一第二部分364。透明導電層360的一第一部分位於間距d中。第一部份362配置於發光結構層320上，而第二部分364配置於第一介電質圖案層372上。此外，彼此不重疊的第一部分362與第二部分364係交替地分布。
之後，在透明導電層360遠離第一介電質圖案層372的一側形成第二介電質圖案層374。在本實施例中，第二介電質圖案層374例如配置於透明導電層360的第一部份362上。第二介電質圖案層374也例如包括多個結構單元(例如圖中梯形圖案所繪示的結構)，其中這些結構單元彼此相隔一間距，且透明導電層360的第二部份364位在第二介電質圖案層374的結構單元之間。此外，第二介電質圖案層374也可具有相對於發光結構層320之表面傾斜的側壁374a以使透明導電層360沿著側壁374a分布。如此一來，第二部分364與第二介電質圖案層374構成實質上平坦的一接觸面S。實質上平坦的接觸面S有利於後續元件的製作過程並有助於提高半導體發光元件300的特性。
第二介電質圖案層374可以是一多層膜介電質圖案層，其例如是具有兩種或兩種以上折射率相異材質交互堆疊之多層膜結構。此外，第二介電質圖案層374也可以是分散布拉格反射層或是由常見的介電質材料所構成的圖案。當然，第二介電質圖案層374也可以是一單層膜介電質圖案層。在一實施例中，第一介電質圖案層372與第二介電質圖案層374可以同時為多層膜介電質圖案層或是分散布拉格反射層。換言之，第一介電質圖案層372與第二介電質圖案層374可以同樣地具有多層膜結構。
接著，在實質上平坦的接觸面S上形成金屬反射層350，其中透明導電層360的第二部分364與第二介電質圖案層374在接觸面S交替地接觸金屬反射層350。當然，在形成金屬反射層350之前若先形成有其他材料層，則此一材料層可以為平坦的，且透明導電層360的第二部分364與第二介電質圖案層374會在接觸面S交替地接觸此一材料層。也就是說，本實施例並不限定透明導電層360的第二部分364與第二介電質圖案層374在接觸面S交替地與金屬反射層350接觸。
由於接觸面S為平坦的，金屬反射層350可以平整地形成於透明導電層360的第二部分364與第二介電質圖案層374上。所以，金屬反射層350可以提供理想的導電特性。此外，本實施例的金屬反射層350僅局部地接觸透明導電層360，可減緩後續製程中的高溫環境對金屬反射層350的反射特性造成負面影響，尤其是金屬反射層350與透明導電層360之間的擴散作用可有效地被抑止。因此，金屬反射層350可保有良好的反射特性而使半導體發光元件300具有理想的光取出效率。
在完成上述步驟後，磊晶基板(未繪示)上具有發光結構層320、第一介電質圖案層372、透明導電層360、第二介電質圖案層374以及金屬反射層350所堆疊成的結構。然後，進行一接合製程將此堆疊的結構藉由接合層380接合於導電基板310上並將此堆疊的結構自磊晶基板(未繪示)移除。具體來說，導電基板310可以是矽基板、電路板、金屬基板等。接合層380係配置於金屬反射層350與導電基板310之間以提供所需的接合作用。金屬反射層350可以選用具有高光反射性之金屬，諸如銀、鋁、金及其合金等材料，並且利用金屬共晶鑑合(Eutectic bonding)技術形成，使得金屬反射層350同時具有黏結層之功能。但需要指出的是，本發明並不以金屬反射層350同時具有黏結作用為限。上述接合層380之材質可以是金屬材料或具有導電粒子的有機材料。上述透明導電層360之材質可以是透明金屬氧化材料，諸如ITO、CTO、ZnO、In2
O3
、SnO2
、CuAlO2
、CuGaO2
、SrCu2
O2
，在本實施例中，透明導電層360之材質係為ITO。
此外，在磊晶基板(未繪示)移除後，第一半導體層322遠離主動層324的一側例如具有一粗糙表面R，不過本發明並不限定第一半導體層322必須具有粗糙表面R。
隨後，在發光結構層320以及導電基板310的外側配置第一電極330與第二電極340便完成了半導體發光元件300。在半導體發光元件300中，發光結構層320配置於導電基板310上。金屬反射層350配置於發光結構層320與導電基板310之間。透明導電層360配置於發光結構層320與金屬反射層350之間。第一介電質圖案層372配置於發光結構層320與透明導電層360之間，且透明導電層360的第一部分362與第一介電質圖案層372交替地配置於發光結構層320的一側。第二介電質圖案層374配置於透明導電層360與金屬反射層350之間，且透明導電層360的第二部分364與第二介電質圖案層374交替地配置於金屬反射層350的一側。
如此一來，金屬反射層350僅局部地接觸透明導電層360，而有助於減緩製程(例如接合製程)中的高溫環境對金屬反射層350的反射特性造成的負面影響。因此，金屬反射層350可保有良好的反射特性而使半導體發光元件300具有理想的光取出效率。另外，金屬反射層350配置於實質上平坦的接觸面S上，而可以具有平坦的結構以維持良好的導電特性。
更進一步而言，第一介電質圖案層372與第二介電質圖案層374交替地分佈，尤其是第一介電質圖案層372的配置位置對應於第一電極330的配置位置。因此，電流在金屬反射層350與發光結構層320之間傳輸時可以由第一部分362側向地傳導至第二部分364或是由第二部分364側向地傳導至第一部分362。也就是說，第一電極330之電流不會垂直地傳輸而侷限在第二部分364中，而有助於分散電流的分佈，提高電流分布密度的均勻性。半導體發光元件300不易因為電流過於集中而使得發光效率受限，因此半導體發光元件300具有理想的工作效率(光電轉換效率)。
在本實施例中，第一電極330配置於發光結構層320遠離導電基板310的一側。第二電極340配置於導電基板310遠離發光結構層320的一側。亦即，第一電極330與第二電極340分別位於半導體發光元件300的相對兩側。在這樣的配置方式下，半導體發光元件300例如是一垂直式半導體發光元件。
值得一提的是，第一電極330例如是由圖案化的導電電極所構成，其中第一電極330與第一介電質圖案層372的圖案相互對應。舉例而言，圖3繪示為本發明之一實施例的半導體發光元件的俯視示意圖。請同時參照圖2與圖3，第一電極330正投影在導電基板310上的一電極圖案投影面積A330遮蔽住且重疊於第一介電質圖案層372正投影在導電基板310上的一第一介電質圖案投影面積A372。也就是說，電極圖案投影面積A330的輪廓與第一介電質圖案投影面積A372的輪廓一致。另外，第二介電質圖案層374正投影在導電基板310上的一第二介電質圖案投影面積A374則與電極圖案投影面積A330具有不一樣的圖案輪廓。當然，在其他的實施例中，電極圖案投影面積A330也可選擇性地小於第一介電質圖案投影面積A372而局部地暴露出第一介電質圖案投影面積A372。不過，電極圖案投影面積A330的輪廓與第一介電質圖案投影面積A372的輪廓實質上相似。
綜上所述，本發明的半導體發光元件中，金屬反射層與發光結構層之間配置有透明導電層，且透明導電層的兩側分別配置有二介電質圖案層。在此二介電質圖案層的配置下，金屬反射層可配置於平坦的接觸面上，金屬反射層與透明導電層僅局部的接觸，且電流可具有側向流動路徑。因此，金屬反射層可保持良好的反射特性，金屬反射層的導電性也相當不錯。另外，第一介電質圖案層的配置位置對應於第一電極的配置位置有助於使半導體發光元件的電流分布密度更為均勻。整體而言，半導體發光元件可具有理想的工作效率以及理想的光取出效率。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
200．．．發光二極體晶片
110、320．．．發光結構層
112．．．n型半導體層
114．．．p型半導體層
116．．．發光層
120、380．．．接合層
130、310．．．導電基板
142、144．．．電極
250、350．．．金屬反射層
260、360．．．透明導電層
300．．．半導體發光元件
322．．．第一板導體層
324．．．主動層
326．．．第二半導體層
330．．．第一電極
340．．．第二電極
362．．．第一部分
364．．．第二部分
372．．．第一介電質圖案層
372a、374a．．．側壁
374．．．第二介電質圖案層
A330．．．電極圖案投影面積
A372．．．第一介電質圖案投影面積
A374．．．第二介電質圖案投影面積
d．．．間距
R．．．粗糙表面
S．．．接觸面
圖1繪示為習知一種發光二極體晶片的剖面示意圖。
圖2繪示為本發明一實施例的半導體發光元件的剖面示意圖。
圖3繪示為本發明一實施例的半導體發光元件的俯視示意圖。
300．．．半導體發光元件
310．．．導電基板
320．．．發光結構層
322．．．第一板導體層
324．．．主動層
326．．．第二半導體層
330．．．第一電極
340．．．第二電極
350．．．金屬反射層
360．．．透明導電層
362．．．第一部分
364．．．第二部分
372．．．第一介電質圖案層
372a、374a．．．側壁
374．．．第二介電質圖案層
380．．．接合層
d．．．間距
R．．．粗糙表面
S．．．接觸面
Claims (11)
- 一種發光元件，包括：一導電基板；一發光結構層，配置於該導電基板上；一金屬反射層，配置於該發光結構層與該導電基板之間；一透明導電層，配置於該發光結構層與該金屬反射層之間；一第一介電質圖案層，配置於該發光結構層與該透明導電層之間，且該第一介電質圖案層包括多個第一結構單元，其中該些第一結構單元彼此相隔一第一間距，而該透明導電層的一第一部分位於該第一間距中；以及一第二介電質圖案層，配置於該透明導電層與該金屬反射層之間，且該第二介電質圖案層包括多個第二結構單元，其中該些第二結構單元彼此相隔一第二間距，而該透明導電層的一第二部分位於該第二間距中，其中該第一部分與該第二部分彼此不重疊。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，更包括：一第一電極，配置於該發光結構層遠離該導電基板的一側；以及一第二電極，配置於該導電基板遠離該發光結構層的一側。
- 如申請專利範圍第2項所述之發光元件，其中該第一電極正投影在該導電基板上的一電極圖案投影面積以及該第一介電質圖案層正投影在該導電基板上的一第一介電質圖案投影面積具有大致相同的輪廓。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該第一介電質圖案層與該第二介電質圖案層其中一者為一多層膜介電質圖案層。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該第一介電質圖案層與該第二介電質圖案層其中一者為一單層膜介電質圖案層。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該第一介電質圖案層與該第二介電質圖案層其中一者為一分散布拉格反射層。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該透明導電層的該第二部分與該第二介電質圖案層接觸該金屬反射層以構成實質上平坦的一接觸面。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該發光結構層包括依序疊置的一第一氮化鎵(N-GaN)系列之III-V族化合物半導體層、一主動層以及一第二氮化鎵(N-GaN)系列之III-V族化合物半導體層。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，更包括一接合層，配置於該金屬反射層與該導電基板之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該金屬反射層可以是一黏結層。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該第一介電質圖案層以及該第二介電質圖案層分別具有一相對於該發光結構層之表面傾斜的側壁。
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