申请/专利权人：晶元光电股份有限公司

申请日：2016-07-22

公开（公告）日：2020-10-20

公开（公告）号：CN106374018B

主分类号：H01L33/00(20100101)

分类号：H01L33/00(20100101);H01L33/06(20100101);H01L33/38(20100101)

优先权：["20150724 US 14/808,295"]

专利状态码：有效-授权

法律状态：2020.10.20#授权;2018.08.21#实质审查的生效;2017.02.01#公开

摘要：本发明公开一种发光元件及其制造方法。该发光元件包含一载体；以及一第一发光单元位于载体上，并包含一第一半导体结构及一第二半导体结构，其中第二半导体结构较第一半导体结构更靠近载体，第一半导体结构包含一第一多重量子阱结构以于操作时发出一具有一第一主波长的第一光线，以及第二半导体结构包含一第二多重量子阱结构以于操作时不发出光线。

主权项：1.一种发光元件，包含：载体；第一半导体结构，位于该载体上，且包含第一半导体层，第二半导体层，以及第一活性层形成于该第一半导体层及该第二半导体层之间；第二半导体结构，位于该载体与该第一半导体结构之间，且包含第二活性层；以及反射层，位于该第一半导体结构与该第二半导体结构之间，且该反射层具有与该第二半导体层相同的导电性；其中，当该发光元件在操作时，该第一活性层可发出一第一光线，而该第二活性层不发光。

全文数据：发光元件及其制造方法技术领域[0001]本发明涉及一种发光元件，且特别是涉及一种可发出多个主波长的发光元件。背景技术[0002] 发光二极管Light-EmittingD1de,LED为被广泛使用的固态半导体发光元件。发光二极管包含一P型半导体层，一η型半导体层，以及一活性层位于P型半导体层及η型半导体层之间以发出一光线。发光二极管可将电能转换成光能，其工作原理为提供一电流予发光二极管以注入电子与空穴于活性层中，电子与空穴于活性层中结合后发出光线。发明内容[0003] —种发光元件包含一载体；以及一第一发光单元位于载体上，并包含一第一半导体结构及一第二半导体结构，其中第二半导体结构较第一半导体结构更靠近载体，第一半导体结构包含一第一多重量子阱结构以于操作时发出一具有一第一主波长的第一光线，以及第二半导体结构包含一第二多重量子阱结构以于操作时不发出光线。[0004] —种发光元件的制造方法包含提供一成长基板;成长一包含一第一多重量子阱结构的第一半导体叠层于成长基板上;成长一包含一第二多重量子阱结构的第二半导体叠层于第一半导体叠层上;提供一载体;接合第二导体叠层至载体，其中载体包含一第一区及一邻接第一区的第二区；移除载体上第二区的第一半导体叠层以露出第二半导体叠层，并保留载体上第一区的第一半导体叠层;通过移除部分第二半导体叠层以形成一沟槽以将第二半导体叠层分隔为两个分开的部分;形成一第一顶部电极于载体上的第一区的第一半导体叠层上；以及形成一第二顶部电极于载体上的第二区的第二半导体叠层上，其中载体共同电连接至第一顶部电极及第二顶部电极。附图说明[0005]图1A〜图1D是本发明一实施例中所揭示的一发光元件的制造方法；[0006]图2是本发明第一实施例中所揭示的一发光元件的剖视图；[0007]图3是本发明第二实施例中所揭示的一发光元件的剖视图。[0008] 符号说明[0009] I发光元件[0010] Ia第一发光单元[0011] Ib第二发光单元[0012] 10成长基板[0013] 11第一半导体叠层[0014] Ila第一半导体结构[0015] 111第一半导体层[0016] 112第一活性层[0017] 113第二半导体层[0018] 13反射层[0019] 14穿隧接面[0020] 15第二半导体叠层[0021] 15a第二半导体结构[0022] 15b第三半导体结构[0023] 15s表面[0024] 15s’侧表面[0025] 151第三半导体层[0026] 152第二活性层[0027] 153第四半导体层[0028] 16第三上部电极[0029] 161接触电极[0030] 162跨桥电极[0031] 17第一顶部电极[0032] 18第二顶部电极[0033] 20载体[0034] 21粘结层[0035] 22底部电极[0036] 23蚀刻停止层[0037] 30沟槽[0038] 100电流[0039] 200电流具体实施方式[0040]为了使本发明的叙述更加详尽与完备，请参照下列实施例的描述并配合相关图示。以下所示的实施例是用于例示本发明的发光元件，并非将本发明限定于以下的实施例。又，本说明书记载于实施例中的构成零件的尺寸、材质、形状、相对配置等在没有限定的记载下，本发明的范围并非限定于此，而仅是单纯的说明而已。且各图示所示构件的大小或位置关系等，会由于为了明确说明有加以夸大的情形。更且，在以下的描述中，为了适切省略详细说明，对于同一或同性质的构件用同一名称、符号显示。[0041]图1A〜图1D是本发明一实施例中所揭示的一发光元件I的制造方法。如图1A所示，发光元件I的制造方法包含通过外延方法以外延成长一第一半导体叠层11于成长基板10上，例如有机金属化学气相沉积法MOCVD、分子束外延MBE、或氢化物气相沉积法HVPE。成长基板10包含一具有一单晶面的单晶材料以使第一半导体叠层11外延成长于成长基板10上，其中单晶面包含蓝宝石C面，蓝宝石R面，或蓝宝石A面。于另一例中，成长基板1包含金属氧化物或半导体材料，例如碳化硅SiC、硅、氧化锌、砷化镓、或氮化镓。第一半导体叠层11包含一具有一第一导电性的第一半导体层111，一具有一第二导电性的第二半导体层113，第二导电性不同于第一导电性，以及一第一活性层112形成于第一半导体层111及第二半导体层113之间。第一活性层112包含单异质结构singleheterostructure，SH，双异质结构doubleheterostructure,DH，或多层量子讲结构mult1-quantumwell,MQW。于一实施例中，第一半导体层111为η型半导体层以提供电子，第二半导体层113为P型半导体层以提供空穴，电子与空穴于一驱动电流下在第一活性层112复合以发出一光线。于另一实施例中，第一半导体层111可为P型半导体层，第二半导体层113可为η型半导体层。第一活性层112的材料包含InxGnyAlatyN0彡x，y彡I可发出一光线具有一主波长位于紫外光与绿光光谱之间，InxGayAl1-x-yPXx，yI以发出一光线具有一主波长位于黄光与红光光谱之间，或InxGayAlu-x-y:iAsXx，yl以发出一光线具有一主波长位于红外光光谱。[0042]接下来，以外延成长一反射层13于第一半导体叠层11上。反射层13包含一布拉格反射DBR结构及m-V族半导体材料。反射层13具有与第一半导体叠层11的第二半导体层113相同的导电性。接下来，一包含ΙΠ-V族半导体材料的穿隧接面tunneljunt1n14外延成长于第一半导体叠层11上。此穿隧接面14包含一pn接面是通过一具有一第一导电性的第一重掺杂层，例如η型导电性半导体层，及一具有一第二导电性的第二重掺杂层，例如P型导电性半导体层所构成。重掺杂的η型导电性半导体层及重掺杂的P型导电性半导体层具有一掺杂浓度至少高于第一半导体叠层11的半导体层的掺杂浓度一个数量级order以上。构成穿隧接面14的多个重掺杂层较佳为具有高于11Vcm3的掺杂浓度，以于操作时提供低阻值的电性接面。具有低电阻的穿隧接面14是做为第一半导体结构Ila及于后续制作工艺中形成于第一半导体结构Ila上的其他半导体结构之间的电性接面。穿隧接面14的一侧邻接于第二半导体层113或是反射层13，具有与第二半导体层113或是反射层13相同的导电性。穿隧接面14的另一侧远离于第二半导体层113或是反射层13，具有与第二半导体层113或是反射层13相反的导电性。[0043]接下来，一蚀刻停止层23外延成长于第一半导体叠层11之上。接下来，一第二半导体叠层15通过外延方法以外延成长于蚀刻停止层23上，外延方法例如为有机金属化学气相沉积法MOCVD、分子束外延MBE、或氢化物气相沉积法HVPE。第二半导体叠层15包含一具有一第一导电性的第三半导体层151，一具有一第二导电性的第四半导体层153，第二导电性不同于第一导电性，以及一第二活性层152形成于第三半导体层151及第四半导体层153之间。第二活性层152包含单异质结构singIeheterostructure，SH，双异质结构doubleheterostructure，DH，或多层量子讲结构mult1-quantumwell,MQff。于一实施例中，第三半导体层151为η型半导体层以提供电子，第四半导体层153为P型半导体层以提供空穴，空穴与电子于一驱动电流下在第二活性层152复合以发出一光线。于另一实施例中，第三半导体层151可为P型半导体层，第四半导体层153可为η型半导体层。第二活性层152的材料包含InxGnyAl1-x-yN0彡X，y彡I以发出一光线具有一主波长位于紫外光与绿光光谱之间，InxGayAl1-x-yPXx，yI以发出一光线具有一主波长位于黄光与红光光谱之间，或InxGayAl1-x-yAsXx，yl以发出一光线具有一主波长位于红外光光谱。[0044]第一半导体叠层11，反射层13，穿隧接面14，蚀刻停止层23，及第二半导体叠层15于一外延腔体中连续性地成长于成长基板10上以避免污染，并确保半导体层堆叠的外延品质。[0045]如图1B所示，发光元件I的制造方法还包含一接合步骤以将上述步骤中的多层结构倒装接合至一载体20上，接合步骤包含透过一粘结层21接合第二半导体叠层15的第四半导体层153至载体20上，以及一热压制作工艺，其中载体20包含一第一区及一邻接第一区的第二区。做为接合之层的粘结层21包含黏性材料。载体20及粘结层21包含导电材料，例如金属或焊料。于本实施例的一变化例中，载体20包含导热材料或绝缘材料。接下来，于第二半导体叠层15的第四半导体层153接合至载体20后，移除成长基板10。[0046]如图1C所示，发光元件I的制造方法还包含通过一光刻制作工艺以形成一图案化掩模图未示于第一半导体叠层11上，及通过化学性湿式蚀刻或干蚀刻以蚀刻位于载体20第二区上的第一半导体叠层11，例如未被图案化掩模覆盖的部分第一半导体叠层11，反射层13，以及穿隧接面14以露出蚀刻停止层23，并保留载体20第一区上的第一半导体叠层11。蚀刻停止层23为m-V族半导体材料，例如磷化铟镓InGaP，在蚀刻步骤中具有一蚀刻率较第一半导体叠层11的一蚀刻率为低。为图案化掩模所覆盖的部分第一半导体叠层11被保留于第二半导体叠层15上以形成一第一半导体结构11a。[0047]如图1D所示，发光元件I的制造方法还包含形成一沟槽30以穿过裸露的蚀刻停止层23及第二半导体叠层15。沟槽30分隔第二半导体叠层15为第二半导体结构15a及第三半导体结构15b，其中第二半导体结构15a形成于载体20及第一半导体结构IIa之间，第三半导体结构15b形成于载体20上及与第二半导体结构15a分隔开来。[0048]接下来，经由制造方法所得的发光元件I的替换例分别例示于图2及图3中。[0049]如图2或图3所示，一底部电极22位于载体20的背侧以电连接至第一半导体结构11a，第二半导体结构15a及第三半导体结构15b。一第一顶部电极17及一第二顶部电极18分别形成第一半导体结构Ila的上侧及第三半导体结构15b的上侧。[0050]图2为发光元件I的制造方法的第一例。制造方法还包含提供一第三顶部电极16于第二半导体结构15a的一裸露表面15s上，及提供一电流跨接第三顶部电极16及底部电极22以击穿breakdown第二半导体结构15a的二极管特性。具体而言，提供一反向偏压跨接于第三顶部电极16及底部电极22以超过第二半导体结构15a的逆向击穿电压，击穿第二半导体结构15a的二极管特性，使得所述第二半导体结构15a的第二活性层152不能够发光。更具体而言，于0.1到0.5秒的一持续区间，将80Acm2与200Acm2之间的电流跨过第三顶部电极16及底部电极22，注入到第二半导体结构15a以破坏第二半导体结构15a的二极管特性，在此所述二极管特性是指非线性的电流电压特性。上述步骤使得第二半导体结构15a转为一具有线性的电流电压特性的结构，使得第二半导体结构15a做为一电阻低于200欧姆ohms以下的电阻器，较佳为电阻低于100欧姆ohms以下的电阻器，更佳为电阻低于10欧姆ohms以下的电阻器。因此，即使提供一正向偏压跨接于第二半导体结构15a上，第二半导体结构15a的第二活性层152的第二多重量子阱MQW结构实质上不发光。在上述制作工艺步骤后，完成本发明第一实施例中所揭示的一发光元件I的结构。[0051]图3为发光元件I的制造方法的第二例。制造方法还包含直接形成一第三顶部电极16于第二半导体结构15a的一上表面15s及一侧表面15s’上，第二半导体结构15a的第二活性层152的第二多重量子阱MQW结构与第三顶部电极16直接接触，以于第二半导体结构15a上形成短路。上述制作工艺使第一顶部电极17及底部电极22之间的驱动电流绕过第二半导体结构15a的第二活性层152，使得所述第二半导体结构15a的第二活性层152不能够发光。于上述制作工艺步骤后，完成本发明第二实施例中所揭示的一发光元件I的结构。[0052]第一顶部电极17，第二顶部电极18，底部电极22，及第三顶部电极16包含具有低电阻率的金属材料，例如金Au、铝Al、铂Pt、铬Cr、钛Ti、镍Ni、钨W，或上述材料的组合，并且可为单层或多层结构。第一顶部电极17，第二顶部电极18，底部电极22，或第三顶部电极16的厚度约为0.1至10微米μπι。于发光元件I的上视图观之，第一顶部电极17和第二顶部电极18各具有一形状，例如矩形，多边形，圆形，或椭圆形。第一顶部电极17，第二顶部电极18，底部电极22，及第三顶部电极16可以通过派镀Sputtering，蒸镀Evoaporat1n，或电镀Plating来形成。[0053]图2是本发明第一实施例中所揭示的一发光元件I的剖视图。发光元件I包含一第一发光单元Ia及一第二发光单元lb。第一发光单元Ia包含第一半导体结构IIa及第二半导体结构15a，第二发光单元Ib包含第三半导体结构15b。第一发光单元Ia及第二发光单元Ib两者皆位于载体20上。第一发光单元Ia包含第一半导体结构11a，以及第二半导体结构15a位于第一半导体结构Ila及载体20之间。第一发光单元Ia所包含的第一半导体结构Ila具有第一活性层112，其包含一第一多重量子阱MQW结构可为通过第一顶部电极17及底部电极22间的一电流所驱动而发出具有第一主波长A1的光线。当第一发光单元Ia被驱动以发出具有第一主波长&的光线时，第一发光单元Ia的第二半导体结构15a的第二活性层152所包含的第二多重量子阱MQW结构不发光。第二发光单元Ib包含第三半导体结构15b位于载体20上并邻接于第一发光单元la，其中第三半导体结构15b的第二活性层152包含与第二半导体结构15a的第二活性层152相同的第二多重量子阱MQW结构，且第三半导体结构15b的第二活性层152所包含的第二多重量子阱MQW结构为第二顶部电极18及底部电极22驱动而发出具有第二主波长λ2的光线。第一半导体结构Ila的第一多重量子阱MQW结构所包含的材料组成与第二半导体结构15a的第二多重量子阱MQW结构或第三半导体结构15b的第二多重量子阱MQW结构的材料组成不同。第一主波长A1不同于第二主波长λ2。在本实施例的一例中，第一主波长入1较第二主波长λ2为长。在本实施例的另一例中，第一主波长λι位于红外线波段，及第二主波长&位于红光波段。在本实施例的另一例中，第一主波长A1及第二主波长入2位于红光波段。在本实施例的另一例中，第一主波长A1及第二主波长λ2位于红外线波段。[0054]第三顶部电极16位于第二半导体结构15a的表面15s上。提供一第一电流于第一顶部电极17及底部电极22以正向驱动第一半导体结构Ila的第一活性层112的第一多重量子阱MQW结构以发出具有第一主波长A1的光线。提供一第二电流于第二顶部电极18及底部电极22以正向驱动第三半导体结构15b的第二活性层152的第二多重量子阱MQW结构以发出具有第二主波长λ2的光线，其中波长A1与波长λ2不同。更具体而言，当电流100通过串连连接的第一多重量子阱MQW结构及第二多重量子阱MQW结构时，第一发光单元Ia的第一多重量子阱MQW结构仅发出第一主波长，其中即使正向驱动第二半导体结构15a，第二半导体结构15a的第二活性层152的第二多重量子阱MQW结构不发光。[0055]图3是本发明第二实施例中所揭示的一发光元件I的剖视图。图3与图2中具有相同名称、标号的构造，是表示为相同的结构、具有相同的材料、或具有相同的功能，在此会适当省略说明或是不再赘述。[0056]如图3所示，第一半导体结构I Ia的一侧表面及第二半导体结构15a的一表面15s形成一阶梯型结构。第三顶部电极16包含一接触电极161形成于第二半导体结构15a的上表面15s上，以及一跨桥电极162形成于第二半导体结构15a的侧表面15s’上。具体而言，第三顶部电极16紧邻于第二半导体结构15a的表面。接触电极161位于第二半导体结构15a的表面15s上，跨桥电极162自接触电极161延伸至载体20或粘结层21。第三顶部电极16构成为第二半导体结构15a的一电流通过路径，因而使得第二半导体结构15a的第二活性层152的第二多重量子讲MQW结构未有电流通过而不发光。第三顶部电极16包含低电阻率的金属材料，例如金Au、铝Al、铂Pt、铬Cr、钛Ti、镍Ni、钨W，或上述材料的组合，并且可为单层或多层结构。第三顶部电极16提供第一顶部电极17及底部电极22之间的串连连接。第三顶部电极16直接形成于第二半导体结构15a的上表面及侧表面上，在第二半导体结构15a上形成短路，以至于第一顶部电极17及底部电极22间的驱动电流绕过第二半导体结构15a的第二活性层152，使得第二半导体结构15a的第二活性层152于操作时不发光。第一半导体结构Ila的第一活性层112的第一多重量子阱MQW结构为第一顶部电极17及底部电极22间所驱动而发出具有第一主波长&的光线。更具体而言，当电流200通过串连的第一多重量子阱MQW结构及第二多重量子阱MQW结构时，第一发光单元Ia的第一多重量子阱MQW结构仅发出第一主波长，其中第二多重量子阱MQW结构不发光。[0057]如图2、图3所示，发光元件I的粘结层21包含金属材料，例如铜Cu、铝Al、铂Pt、钛Ti、钨W、银Ag，或上述材料的组合。粘结层21形成于第一发光单元Ia及载体20之间，及或形成于第二发光单元Ib及载体20之间以反射第一发光单元Ia的第一活性层112所产生的光线并朝向远离于载体20的第一发光单元Ia的光摘出面，及或反射第二发光单元Ib的第二活性层152所产生的光线以朝向第二发光单元Ib的光摘出面。于本发明的一实施例中，第一发光单元Ia及第二发光单元Ib的光摘出效率可通过粘结层21而改善。[0058]进一步来说，跨接于第三顶部电极16及底部电极22的反向偏压未超过第二半导体结构15a的逆向击穿电压，因而使得第一发光单元Ia的第二半导体结构15a的二极管特性于第一实施例中未被击穿，或是第三顶部电极16接触电极161及跨桥电极162的短路电流未能完全阻隔电流流经第二实施例中的第一发光单元Ia的第二半导体结构15a的第二活性层152。部分光线可能会产生并经由第一发光单元Ia的第二半导体结构15a的第二活性层152射出。因此，反射层13形成于第一发光单元Ia的第二半导体结构15a的第三半导体层151及第一发光单元Ia的第一半导体结构Ila的第二半导体层113之间以反射第一发光单元Ia的第一半导体结构Ila的第一活性层112产生的光线，并朝向第一发光单元Ia的第一半导体结构IIa的光摘出面射出，以及反射第一发光单元Ia的第二半导体结构15a的第二活性层152产生的光线，并远离第一发光单元Ia的第一半导体结构Ila的光摘出面。于此些例示中，第一发光单元Ia的第二半导体结构15a的第二活性层152所发出的光输出为发光元件I的总光输出的10%。[0059]本发明所列举的各实施例仅用以说明本发明，并非用以限制本发明的范围。任何人对本发明所作的任何显而易知的修饰或变更皆不脱离本发明的精神与范围。

权利要求：1.一种发光元件，包含:载体；第一发光单元，位于该载体上，并包含具有第一多重量子阱结构的第一半导体结构及具有第二多重量子阱结构的第二半导体结构；第一顶部电极，位于该第一发光单元的该第一半导体结构上；以及第三顶部电极，位于该第一发光单元的该第二半导体结构上，其中该第二半导体结构较该第一半导体结构靠近该载体，该第一多重量子阱结构具有一线性的电流电压特性，并可发出一具有一第一主波长的第一光线，其中该第二多重量子阱结构具有一非线性的电流电压特性或该第二多重量子阱结构直接与该第三顶部电极相接触。2.如权利要求1所述的发光元件，还包含底部电极，位于该载体上，其中该第三顶部电极及该底部电极构成一电流路径，其中该第三顶部电极电性串连该第一顶部电极及该底部电极。3.如权利要求1所述的发光元件，还包含底部电极，位于该载体上，其中该第三顶部电极及该底部电极构成一电流路径，流经该第一顶部电极及该底部电极的一电流可正向驱动该第一多重量子阱结构以发出该第一光线。4.如权利要求1所述的发光元件，其中该第二多重量子阱结构被击穿而不发出光线。5.如权利要求1所述的发光元件，还包含第二发光单元，位于该载体上，其中该第一发光单元与该第二发光单元物理性地分隔开来，其中该第二发光单元包含第三半导体结构，具有该第二多重量子阱结构，其中该第三半导体结构的该第二多重量子阱结构可发出一具有一第二主波长的第二光线。6.如权利要求5所述的发光元件，其中该第一光线为红外光线，及该第二光线为红光。7.如权利要求1所述的发光元件，其中该第一多重量子讲结构包含InxGayAl ItyAsO彡x，y彡1，该第二多重量子阱结构包含InaGabAld-a—bP0彡a，b彡I。8.如权利要求1所述的发光元件，还包含穿隧接面，位于该第一半导体结构及该第二半导体结构之间;蚀刻停止层，位于该第一半导体结构及该第二半导体结构之间；以及布拉格反射DBR结构，位于该第一半导体结构及该第二半导体结构之间。9.一种发光元件的制造方法，包含:提供一成长基板；成长一包含一第一多重量子阱结构的第一半导体叠层于该成长基板上；成长一包含一第二多重量子阱结构的第二半导体叠层于该第一半导体叠层上；提供一载体；接合该第二导体叠层至该载体，其中该载体包含一第一区及一邻接该第一区的第二区；移除该载体上的该第二区的该第一半导体叠层以露出该第二半导体叠层，并保留该载体上的该第一区的该第一半导体叠层；通过移除部分该第二半导体叠层以形成一沟槽以将该第二半导体叠层分隔为两个分开的部分；形成一第一顶部电极于该载体上的该第一区的该第一半导体叠层上；以及形成一第二顶部电极于该载体上的该第二区的该第二半导体叠层上，其中该载体共同电连接至该第一顶部电极及该第二顶部电极。10.如权利要求9所述的发光元件的制造方法，还包含提供一电流以击穿该载体上的该第一区的该第二多重量子阱结构，其中通过该第一区的该第一多重量子阱结构及该第二多重量子阱结构间的电性串连，该第一区的该第一多重量子阱结构为正向驱动所发光，其中于正向驱动该第一区的该第一多重量子阱结构之前，该第一区的该第二多重量子阱结构被击穿O

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