CN100420045C - 氮化镓系发光二极管 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种氮化镓系发光二极管。其结构与现有的氮化镓系发光二极管最主要的差异是，利用氮化硅(SiN)、氮化硅与未掺杂的氮化铟镓(InGaN)形成的短周期(Short Period)超晶格(Superlattice)结构、和氮化硅与未掺杂的氮化铝铟镓(AlGaInN)形成的短周期超晶格结构中的一种，形成位于p型接触层上的薄层。在该薄层上，由于其氮化硅材质的成长，使得氮化镓系发光二极管的表面被微粗化。这样，可以避免氮化镓系发光二极管比空气具有高的折射率导致内部全反射，进而提升氮化镓系发光二极管的外部量子效率以及发光效率。

Description

氮化镓系发光二极管
技术领域
本发明涉及一种氮化镓系发光二极管，特别是涉及一种表面微粗化(Micro-roughened)的高亮度氮化镓系发光二极管。
背景技术
氮化镓(GaN)系发光二极管，由于可以通过控制材料的组成来制作出各种色光的发光二极管，因此其相关技术成为近年来产业界与学术界积极研发的焦点。学术界与产业界对氮化镓系发光二极管的研究重点之一是，了解氮化镓系发光二极管的发光特性，进而提出提升其发光效率与亮度的方法。这种高效率与高亮度的氮化镓系发光二极管，未来将可以有效应用于户外显示看板、车用照明等领域。
氮化镓系发光二极管的发光效率，主要和氮化镓系发光二极管的内部量子效率(Internal Quantum Efficiency)以及外部量子效率(External QuantumEfficiency)有关。前者和氮化镓系发光二极管主动层里电子电洞结合进而释放出光子的机率有关。电子电洞越容易复合，光子越容易产生，内部量子效率就越高，氮化镓系发光二极管的发光效率通常也就越高。后者则和光子不受氮化镓系发光二极管本身的吸收与影响、成功脱离氮化镓系发光二极管的机率有关。越多光子能释放到氮化镓系发光二极管之外，外部量子效率就越高，氮化镓系发光二极管的发光效率通常也就越高。
氮化镓系发光二极管的外部量子效率主要取决于其顶端表层的结构与其折射率。现有的氮化镓系发光二极管与空气的折射率分别是2.5和1。因为现有的氮化镓系发光二极管的折射率较高，很容易形成内部全反射。所产生出来的光子，由于内部全反射的缘故，很不容易释放到氮化镓系发光二极管之外，因而氮化镓系发光二极管的外部量子效率通常受到相当大的限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种氮化镓系发光二极管，其可以实际解决前述相关技术中的限制及缺陷。
为了实现上述目的，本发明提供了一种氮化镓系发光二极管，其包括：
基板，其是由氧化铝单晶、6H-SiC、4H-SiC、Si、ZnO、GaAs、尖晶石(MgAl2O4)和晶格常数接近于氮化物半导体的单晶氧化物所制成；
缓冲层，其位于该基板的一个侧面上，由具有特定组成的氮化铝镓铟(AlaGabIn1-a-bN，0≤a，b＜1，a+b≤1)所构成；
n型接触层，其位于该缓冲层上，由氮化镓系材质所构成；
主动层，其位于该n型接触层上，且覆盖部份该n型接触层的上表面，由氮化铟镓所构成；
负电极，其位于该n型接触层未被该主动层覆盖的上表面上；
p型被覆层，其位于该主动层上，由p型氮化镓系材质所构成；
p型接触层，其位于该p型被覆层上，由p型氮化镓所构成；
微粗化薄层，其位于该p型接触层上，由氮化硅(SiN)、氮化硅与未掺杂的氮化铟镓(InGaN)组成的短周期超晶格结构、以及氮化硅与未掺杂的氮化铝铟镓(AlGaInN)组成的短周期超晶格结构三种材料中的一种所构成；
透明导电层，其是位于该微粗化薄层上、且覆盖其部份表面的金属导电层或者透明氧化层，该金属导电层是由Ni/Au合金、Ni/Pt合金、Ni/Pd合金、Pd/Au合金、Pt/Au合金、Cr/Au合金、Ni/Au/Be合金、Ni/Cr/Au合金、Ni/Pt/Au合金、Ni/Pd/Au合金中的一种所构成，该透明氧化层是由ITO、CTO、ZnO:Al、ZnGa2O4、SnO2:Sb、Ga2O3:Sn、AgInO2:Sn、In2O3:Zn、CuAlO2、LaCuOS、NiO、CuGaO2、SrCu2O2中的一种所构成；以及
正电极，其位于该微粗化薄层上的未被该透明导电层覆盖的表面上，由Ni/Au合金、Ni/Pt合金、Ni/Pd合金、Ni/Co合金、Pd/Au合金、Pt/Au合金、Ti/Au合金、Cr/Au合金、Sn/Au合金、Ta/Au合金、TiN、TiWNx(x≥0)、WSiy(y≥0)中的一种所构成。
本发明所提出的氮化镓系发光二极管，其结构与现有的氮化镓系发光二极管最主要的差异是，利用氮化硅(SiN)、氮化硅与未掺杂的氮化铟镓(InGaN)形成的短周期(Short Period)超晶格(Superlattice)结构、和氮化硅与未掺杂的氮化铝铟镓(AlGaInN)形成的短周期超晶格结构中的一种，形成位于p型接触层上的薄层。在该薄层上，由于其氮化硅材质的成长，使得氮化镓系发光二极管的表面被微粗化。这样，可以避免氮化镓系发光二极管比空气具有高的折射率导致内部全反射，进而提升氮化镓系发光二极管的外部量子效率以及发光效率。
图1是现有的以及依据本发明制作的氮化镓系发光二极管在不同的注入电流下的亮度数据图。如图1所示，氮化镓系发光二极管具有前述由氮化硅与未掺杂的氮化铟镓(In0.2Ga0.8N)所形成的短周期超晶格薄层，其显著地要比现有的氮化镓系发光二极管具有更好的发光效率。
除了上述的优点，由于形成该薄层的材料的低能隙特性，还可以使得氮化镓系发光二极管的金属电极以及透明导电层和薄层之间的电阻，要比现有氮化镓系发光二极管的前二者和p型接触层之间的电阻更低，因此也更容易形成欧姆接触。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式，对本发明进行更详细的说明。
图1是现有的以及依据本发明制作的氮化镓系发光二极管在不同的注入电流下的亮度数据图；
图2是本发明的氮化镓系发光二极管的实施例1的示意图；
图3是本发明的氮化镓系发光二极管的实施例2的示意图；
图4是本发明的氮化镓系发光二极管的实施例3的示意图。
具体实施方式
实施例1
图2是本发明的氮化镓系发光二极管的实施例1的示意图。如图2所示，该实施例1是以C-Plane或R-Plane或A-Plane的氧化铝单晶(Sapphire)或碳化硅(6H-SiC或4H-SiC)作为基板10，其它可用于基板10的材质还包括Si、ZnO、GaAs或尖晶石(MgAl2O4)，或是晶格常数接近于氮化物半导体的单晶氧化物。然后，在该基板10的一个侧面形成由具有特定组成的氮化铝镓铟(AlaGabIn1-a-bN，0≤a，b＜1，a+b≤1)所构成的缓冲层20、以及在该缓冲层20上的n型接触层30，该n型接触层30是由氮化镓(GaN)系材质构成。接着，在该n型接触层30上形成主动层40，该主动层40是由氮化铟镓所构成、而且覆盖部份n型接触层30的上表面。在n型接触层30上表面未被主动层40覆盖的部份，另外形成有负电极42。
该实施例1接着在主动层40上形成p型被覆层50。该p型被覆层50是由氮化镓系材质所构成。在该p型被覆层50上，接着是材质为p型氮化镓的p型接触层60。在该p型接触层60上，即为本发明重点的微粗化薄层70。在该实施例1中，微粗化薄层70是由氮化硅(SidNe，0＜d，e＜1)所构成，其厚度介于2～50
Figure C20041008014300072
之间、成长温度介于600℃～1100℃之间。
在微粗化薄层70上方，该实施例1进一步分别形成互不重叠的正电极80与透明导电层82。该正电极80可以是由Ni/Au合金、Ni/Pt合金、Ni/Pd合金、Ni/Co合金、Pd/Au合金、Pt/Au合金、Ti/Au合金、Cr/Au合金、Sn/Au合金、Ta/Au合金、TiN、TiWNx(x≥0)、WSiy(y≥0)等中的一种、或其它类似金属材料所构成。该透明导电层82可以是金属导电层或是透明氧化层。该金属导电层是由Ni/Au合金、Ni/Pt合金、Ni/Pd合金、Pd/Au合金、Pt/Au合金、Cr/Au合金、Ni/Au/Be合金、Ni/Cr/Au合金、Ni/Pt/Au合金、Ni/Pd/Au合金及其它类似材料之一所构成。该透明氧化层是由ITO、CTO、ZnO:Al、ZnGa2O4、SnO2:Sb、Ga2O3:Sn、AgInO2:Sn、In2O3:Zn、CuAlO2、LaCuOS、NiO、CuGaO2、SrCu2O2中的一种所构成。
实施例2
图3是本发明的氮化镓系发光二极管的实施例2的示意图。如图3所示，该实施例2和实施例1具有相同的结构与成长方式。唯一的差别是在微粗化薄层所用的材质与结构。在该实施例2中，微粗化薄层72是由氮化硅薄层721与氮化铟镓薄层722交互重复层叠所形成的短周期超晶格结构。每一个氮化硅薄层721，均是由具有其特定组成的氮化硅(SifNgN，0＜f，g＜1)所构成，其厚度均介于2～20之间、成长温度亦均介于600℃～1100℃之间。不同的氮化硅薄层721的氮化硅组成(即前述分子式的参数f，g)不一定相同。每一个氮化铟镓薄层722，均是由未掺杂、具有其特定组成的氮化铟镓(InhGa1-hN，0＜h≤1)所构成，其厚度均介于2
Figure C20041008014300075
～20
Figure C20041008014300076
之间、成长温度亦均介于600℃～1100℃之间。不同的氮化铟镓薄层722的氮化铟镓组成(即前述分子式的参数h)不一定相同。
在该微粗化薄层72中，最底层(即直接位于p型接触层上)可以是氮化硅薄层721，其上再依次层叠氮化铟镓薄层722、氮化硅薄层721，依此类推。或者最底层也可以是氮化铟镓薄层722，其上再依次层叠氮化硅薄层721、氮化铟镓薄层722，依此类推。氮化硅薄层721与氮化铟镓薄层722依此方式交互重复层叠，其重复次数大于或等于二(即氮化硅薄层721的层数与氮化铟镓薄层722的层数均大于或等于二)。微粗化薄层72的总厚度不超过200
Figure C20041008014300081
实施例3
图4是本发明的氮化镓系发光二极管的实施例3的示意图。如图4所示，该实施例3和上述实施例1、2具有相同的结构与成长方式。唯一的差别是在微粗化薄层所用的材质与结构。在该实施例3中，微粗化薄层74是由氮化硅薄层741与氮化铝铟镓薄层742交互重复层叠所形成的短周期超晶格结构。每一个氮化硅薄层741，均是由具有其特定组成的氮化硅(SiiNjN，0＜i，j＜1)所构成，其厚度均介于2
Figure C20041008014300082
～20
Figure C20041008014300083
之间、成长温度亦均介于600℃～1100℃之间。不同的氮化硅薄层741的氮化硅组成(即前述分子式的参数i，j)不一定相同。每一个氮化铝铟镓薄层742，均是由未掺杂、具有其特定组成的氮化铝铟镓(AlmInnGa1-m-nN，0＜m，n＜1，m+n＜1)所构成，其厚度均介于2
Figure C20041008014300084
～20
Figure C20041008014300085
之间、成长温度亦均介于600℃～1100℃之间。不同的氮化铝铟镓薄层742的氮化铝铟镓组成(即前述分子式的参数m，n)不一定相同。
在该微粗化薄层74中，最底层(即直接位于p型接触层上)可以是氮化硅薄层741，其上再依次层叠氮化铝铟镓薄层742、氮化硅薄层741，依此类推。或者最底层也可以是氮化铝铟镓薄层742，其上再依次层叠氮化硅薄层741、氮化铝铟镓薄层742，依此类推。氮化硅薄层741与氮化铝铟镓薄层742依此方式交互重复层叠，其重复次数大于或等于二(即氮化硅薄层741的层数与氮化铝铟镓薄层742的层数均大于或等于二)。微粗化薄层74的总厚度不超过200
Figure C20041008014300086
在前述的三个实施例中，由于微粗化薄层中氮化硅材质的成长，使得氮化镓系发光二极管的表面被微粗化。这样可以避免氮化镓系发光二极管比空气具有高的折射率而导致内部全反射，进而提升氮化镓系发光二极管的外部量子效率以及发光效率。
以上所述的仅为用以解释本发明的较佳实施例，并非以任何方式对本发明进行限制，因此，凡在相同的发明精神下所作的有关本发明的任何修饰或变更，均仍应包括在本发明的保护范畴内。

Claims (3)

1. 一种氮化镓系发光二极管，其特征在于，包括：
基板，其是由氧化铝单晶、6H-SiC、4H-SiC、Si、ZnO、GaAs、尖晶石MgAl2O4和晶格常数接近于氮化物半导体的单晶氧化物所制成；
缓冲层，其位于该基板的一个侧面上，由具有特定组成的氮化铝镓铟AlaGabIn1-a-bN所构成，其中，0≤a，b＜1，a+b≤1；
n型接触层，其位于该缓冲层上，由氮化镓系材质所构成；
主动层，其位于该n型接触层上，且覆盖部份该n型接触层的上表面，由氮化铟镓所构成；
负电极，其位于该n型接触层未被该主动层覆盖的上表面上；
p型被覆层，其位于该主动层上，由p型氮化镓系材质所构成；
p型接触层，其位于该p型被覆层上，由p型氮化镓所构成；
微粗化薄层，其位于该p型接触层上，
由具有特定组成的氮化硅SidNe所构成，厚度介于
Figure C2004100801430002C1
之间，其中0＜d，e＜1，
或者由各自具有特定组成的氮化硅SifNgN与未掺杂的具有特定组成的氮化铟镓InhGa1-hN层叠形成的短周期超晶格结构所构成，其中0＜f，g＜1，0＜h≤1，
或者由具有特定组成的氮化硅SiiNjN与未掺杂的具有特定组成的氮化铝铟镓AlmInnGa1-m-nN层叠形成的短周期超晶格结构所构成，其中0＜i，j＜1，0＜m，n＜1，m+n＜1，
并且，所述微粗化薄层的总厚度不超过
Figure C2004100801430002C2
透明导电层，其是位于该微粗化薄层上、且覆盖该微粗化薄层部份表面的金属导电层或者透明氧化层，该金属导电层是由Ni/Au合金、Ni/Pt合金、Ni/Pd合金、Pd/Au合金、Pt/Au合金、Cr/Au合金、Ni/Au/Be合金、Ni/Cr/Au合金、Ni/Pt/Au合金、Ni/Pd/Au合金中的一种所构成，该透明氧化层是由ITO、CTO、ZnO:Al、ZnGa2O4、SnO2:Sb、Ga2O3:Sn、AgInO2:Sn、In2O3:Zn、CuAlO2、LaCuOS、NiO、CuGaO2、SrCu2O2中的一种所构成；以及
正电极，其位于该微粗化薄层上的未被该透明导电层覆盖的表面上，由Ni/Au合金、Ni/Pt合金、Ni/Pd合金、Ni/Co合金、Pd/Au合金、Pt/Au合金、Ti/Au合金、Cr/Au合金、Sn/Au合金、Ta/Au合金、TiN、TiWNx、WSiy中的一种所构成，其中x≥0，y≥0。
2. 根据权利要求1所述的氮化镓系发光二极管，其中，该微粗化薄层是由具有特定组成的氮化硅SifNgN薄层与具有特定组成的氮化铟镓InhGa1-hN薄层交互重复层叠所形成的短周期超晶格结构，其重复次数至少为二次，且总厚度不超过
Figure C2004100801430003C1
每一个氮化硅SifNgN薄层的厚度均介于
Figure C2004100801430003C2
之间，每一个氮化铟镓InhGa1-hN薄层的厚度均介于之间，其中0＜f，g＜1，0＜h≤1。
3. 根据权利要求1所述的氮化镓系发光二极管，其中，该微粗化薄层是由具有特定组成的氮化硅SiiNjN薄层与具有特定组成的氮化铝铟镓AlmInnGa1-m-nN薄层交互重复层叠所形成的短周期超晶格结构，其重复次数至少为二次，且总厚度不超过
Figure C2004100801430003C4
每一个氮化硅SiiNjN薄层的厚度均介于
Figure C2004100801430003C5
之间，每一个氮化铝铟镓AlmInnGa1-m-nN薄层的厚度均介于
Figure C2004100801430003C6
之间，其中0＜i，j＜1，0＜m，n＜1，m+n＜1。
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