TW200921941A - Light emitting device of III-nitride based semiconductor and manufacturing method thereof - Google Patents

Description

200921941 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是關於-種三族氮化合物半導體發光二極體及其 製造方法，尤係關於一種能釋放主動層及N型半導體材料 層間應力之三族氮化合物半導體發光二極體及其製造方 法。 【先前技術】 隨著發光二極體元件之被廣泛應用於不同產品，近年來 製作藍光發光二極體之材料，業已成為當前光電半導體材 料業重要的研發對象。目前藍光發光二極體之材料有砸化 鋅（ZnSe)、碳化矽（SiC)及氮化銦鎵（InGaN)等材料，這些材 料都是寬能隙（band gap)之半導體材料，能隙大約在26eV 以上。由於氮化鎵系列係直接能隙（direct gap)之發光材 料，因此可以產生高亮度之照明光線，且相較於同為直接 能隙之硒化鋅更有壽命長之優點。 目前藍光發光二極體之主動層（發光層）多係採氮化鈒 鎵/氮化鎵（InGaN/GaN)量子井結構，又該量子井結構係夾 設於N型氮化鎵（GaN)層及p型氮化鎵層之間。當In加入 GaN形成inGaN時，因為inGaN與GaN之間的晶格常數不 同，以致於主動層及氮化鎵介面產生應力。該應力會產生 壓電之作用而形成壓電場，從而會影響主動層之發光效率 及波長’因此需要消除應力以避免不良之影響。 圖1係美國第US 6,345,063號專利之發光二極體之剖面 示意圖。發光二極體1〇包含一基板n、一緩衝層12、一 200921941 N型InGaN層13、一主動層14、一第一 p型三五族氮化合 物層15 弟二P型三五族氮化合物層16、一 P型電極 17及一 N型電極18^型111(}^層13和主動層14之InGaN 膜間的晶格常數匹配，因此可消除累積之應力。但該N型 InGaN層13之形成溫度較低，因此會犧牲磊晶品質而取代 原先品質較佳之GaN層。 圖2係美國第us 6,861，27〇號專利之發光二極體之剖面 示意圖。發光二極體20包含一基板21、一 N型氮化鋁鎵 (AlGaK)層22、複數個鎵或鋁之微凸部25、一主動層23及 P型氮化鋁鎵層24。該鎵微凸部25會使得主動層23在能 隙上產生擾動（fluctuati〇n)，於能隙帶較窄的區域之發光效 率會較加’縱使差排（disi〇cati〇n)於該些區域仍會發生。參 見5亥美國專利之發明内容（Summary 〇f the Invention)，其中 明確揭露該能隙帶之擾動係藉由晶格常數不同所產生，因 此本專利並非解決晶格常數不匹配所造成之應力問題。 圖3係美國第US 7，190,001號專利之發光二極體之剖面 示意圖。發光二極體30包含一基板31、一緩衝層32、一 N型披覆層（cladding layer)33、一 A1N非平坦層34、一主 動層35、一 p型披覆層36、一接觸層37、一透明電極38、 一 P型電極391及一 N型電極392。主動層35係形成於 A1N非平坦層34上’因此可簡化主動層35之成長條件， 所以忐加發光效率。然該A1N非平坦層3 4需要特別之熱處 理製程才能形成於N型彼覆層33上，因此容易影響原本底 層之蟲晶品質。 200921941 上所述，市场上亟需要—種確保品質穩定之發光二極 體，俾能改善上述習知技術之各種缺點。 【發明内容】 本發明之主要目的係提供—種具三族氮化合物半導體發 光二極體及其製造方法’因減少磊晶層之應力累積，所以 能降低量子倡限史塔克效應（Quantum confined stark

Effect，QCSE)效應，增加電子及電洞複合機率，從而提高 發光一極體之發光效率。 為達上述目的，本發明揭示一種三族氮化合物半導體發 光一極體’其包含_基板、_第—型半導體材料層、一共 开/主動層及帛一型|導體材料層。該第一㉟半導體材料 層包括-第-表面及—第二表面，其中該第一表面朝向該 基板’該第二表面相對於該第一表面並具有複數個凹部。 該共形主動層係形成於該第二表面上及該複數個凹部内。 該共形主動層及該第一型半導體材料層間之應力可藉由該 複數個凹部釋放。該第二型半導體材料層係設於該共形主 動層上。 上述發光二極體另包含一介於該基板及該第一型半導體 材料層間之緩衝層。 該凹部之深度係大於該共形主動層中一量子井層之厚 度，及小於該第一型半導體材料層之厚度。且該凹部之上 方開口的寬度係大於Ο.ίμηι及小於1〇μιη。該複數個凹部具 有不同尺寸。該複數個不同尺寸之凹部係呈均勻或交錯分 佈。該凹部之開口寬度大於該凹部之底部寬度。 200921941 广、形主動層係單層量子井結構或多層量子井結構。 该第-型半導體材料層係—N料導體材料層，且該 二型半導體材料層係_ p型半導體材料層。 Μ

K. / 本發明另揭示—種三族氮化合物半導體發k極體 Γ法，包竹列步驟：提供—基板；於該餘上成長-=一型半導體材料層，其中該第—型半導體材料層包括一 -表面及-第二表面’該第一表面朝向該基板，該第二 面相對於該第一表面並具有複數個凹部；成長一 動層於該第—型半導體材料層上；以及在該共形主心上 形成一第二型半導體材料層。 曰 。複數個凹部係藉由蝕刻製程形成於該第一 料層之第二表面。 千導體材 一該複數個凹部係藉由控制氮氣、氨氣、氫氣、三甲基鎵、 三乙基鎵、三甲基銦、三乙基銦或有機金屬化合物:流量 而形成於該第二表面之空洞。該複數個凹部係藉由金屬右 機化學氣相沉積製程產生。 金屬有 上述製造方法另包含直接於該基板表面形 層之步驟。 ％衝 【實施方式】 立圖侍發明二族氮化合物半導體發光二極體之剖面示

思圖。發光二極體40包含一基板41、一緩衝層42、— N 型（或稱為第一型）半導體材料層43、-共形主動層44及一 p型（或稱為第二型）半導體材料層45，又於 料層43表面畔古χτ , 干导體材 "有Ν型電極47’及於ρ型半導體材料層45 200921941 表面設有P型電極46。 般而吕’製作此發光二極體40係先提供一基材41， :如：藍寶石（亦即銘氧化合物Al2〇3)、碳切（sic)、石夕、 :::〇)、氡化鎂(Mg〇)及砷化㈣則等，並於該 ^Γ不同之材料層。因為基材41與三族氮化合 物之曰曰格^不匹配，因此需要在基材41上先形成至少一 緩衝層42,該緩衝層42之材料可以是㈣或

AlGaN ’或硬度較習知含 · 3站70常緩衝層為低之超晶格核 (P 層。然後於緩衝I 42上成長一 N型半導體材 料層&其可以利縣晶之方式產生N型氮化鎵接雜石夕薄 I牛導體材枓層43。該心半導體材料層Μ 之上表面並非平坦狀’其包含複數個凹部431及—平坦區 凹P 431之形成仍可以於金屬有機化學氣相沉積 _CVD)爐内完成，其係待N型半導體材料層ο沉積至 -定厚度（1〜5㈣後，再將供應之氮氣、氨氣、氫氣、、三 甲基鎵（wethylgalliaum ; TMGa)、三乙基鎵、三甲基姻 ㈤methylindium;TMIn)、三乙基鋼或有機金屬化合物關 閉或降至低流量’因此表面之蟲晶部分會產生很多空洞之 凹部431。另外，尚可選擇待N料導體材料層㈣成後， 再以银刻製程在N型半導體材料層43表面產生同樣之 431° 然後於N型半導體材料層43上成長單層量子井（㈣k quantum well ; SQW)結構或多層量子井（咖咖相 well ; MQW)結構之共形主動層44，例如_ _ 一 .一層至三十層之 200921941 發光層/電障層（barrierlayer)之多層量子井疊層結構，而又 以六層至十八層之疊層結構為較佳，該共形主動層44為發 光二極體40主要產生光線之部分。該發光層可以是氣化銘 麵鎵（AlxInYGai_x_YN)及電障層可以是氮化銘錮鎵 (AlJnjGu)，而且 〇sx<1、〇gY<h〇 <丨及…又當m];。，：:: I及γ尹j。又氮化銦鎵（InGaN)/氮化鎵 層/電障層之材料。藉由N型半導體㈣層43表^ = 431’可釋放共形主動層料及心半導體材料層μ之間應 力故可增加共形主動層44之發光效率。此外，因係於N 型半導體材料層43上形成凹部431，故不需要再增加不同 ^料的，晶層或沉積金屬微凸部，所以不會減損底部各蟲 曰曰s之質’亦不需採晶格常數匹配但犧牲蟲晶品質之磊 晶層作為Ν型半導體材料層43。 在-开/主動層44上形成至少—ρ型半導體材料層45， 半導_料層45可以為摻雜鎖之氮化鎵與氮化姻嫁 或摻雜鎮之氮化紹鎵與氮化鎵超晶格結構加上摻雜 s D，丄 J、、、D構另外’於N型半導體材料層43 及p型半導體材料層45分別形^型電極47及？型電極 46之圖型，藉此可連接外部之電力。 圖5(a)係本發明發光二-〇上依序形成緩衝層42及刀剖面不思圖。於基板 um 尘半‘體材料層43，該ν型 ’曰3表面有複數個凹部431 一平坦區432。凹 〇之深度以以大於單-量子井層之厚度，及小於Ν 200921941 型半導體材料層43之厚度。另外，凹部43 1之截面略呈倒 梯形’其上方開口之寬度W可大於Ο.ίμηι及小於ι〇μηι。 圖5(b)係圖5(a)中部分發光二極體之上視圖。複數個凹 431之寬度w或直徑並非單一而是大小不一，不同尺寸 之凹部431約略呈均勻或交錯分佈於ν型半導體材料層43 表面。 本發明之技術内容及技術特點已揭示如上，然而熟悉本 項技術之人士仍可能基於本發明之教示及揭示而作種種不 背離本發明精神之替換及修飾。因此，本發明之保護範圍 應不限於實施例所揭示者，而應包括各種不背離本發明之 替換及修飾，並為以下之申請專利範圍所涵蓋。 【圖式簡單說明】 圖1係美國第US 6,345,063號專利之發光二極體之剖面 示意圖； 圖2係美國第US 6,861，270號專利之發光二極體之剖面 示意圖； 圖3係美國第US 7，190,001號專利之發光二極體之剖面 示意圖； 圖4係本發明三族氮化合物半導體發光二極體之剖面示 意圖； 圖5(a)係本發明發光二極體之部分剖面示意圖；以及 圖5(b)係圖5(a)中部分發光二極體之上視圖。 【主要元件符號說明】 10、20、30 發光二極體 12 200921941

11、21、31 基材 13 N 型 InGaN 層 15第一 P型三五族氮化合物層 16第二P型三五族氮化合物層 17 、391 P型電極 22 N型氮化鋁鎵層 25 鎵微凸部 34 A1N非平垣層 37 接觸層 40 發光二極體 42 緩衝層 44 共形主動層 46 P型電極 431 四部 12、32 緩衝層 14、23 ' 35共形主動層 18 ' 392 N型電極 24 p型氮化鋁鎵層 33 N型披覆層 36 P型披覆層 38 透明電極 41 基板 43 N型半導體材料層 45 P型半導體材料層 47 N型電極 432 平坦區

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Claims (1)

1. 200921941 十、申請專利範圍： 1. -種三族氮化合物半導體發光二極體，包含： 一基板； 第-型半導體材料層，包括一第一表面及一第二表 面其中邊第-表面朝向該基板，該第二表面相對於該第 一表面並具有複數個凹部； 共形主動層’係形成於該第二表面上及該複數個凹 部内；以及 第一型半導體材料層，設於該共形主動層上。 2·根據喷求項1之二族氮化合物半導體發光二極體，其另包 3 "於該基板及該第—㉟半導體材料層間之緩衝層。 3. 根據„月求項！之二族氮化合物半導體發光二極體，其中該 凹部之深度係大於該共形主動層中—量子井層之厚度，及 小於該第一型半導體材料層之厚度。 4. 根據明求項i之二族氮化合物半導體發光二極體，其中該 凹。卩之上方開口的寬度係大於〇 及小於1〇^瓜。 5. 根據明求項!之二族氮化合物半導體發光二極體，其中該 複數個凹部具有不同尺寸。 6·根據叫求項5之二族氮化合物半導體發光二極體，其中該 複數個不同尺寸之凹部係呈均勻或交錯分佈。 7.根據叫求項丨之二族氮化合物半導體發光二極體，其中該 凹部之開口寬度大於該凹部之底部寬度。 .根據响求項1之二族氮化合物半導體發光二極體，其中該 基材之材料係藍寶石、碳化矽（sic)、矽、氧化鋅（Zn⑺、 200921941 氧化鎂（Mg〇)或砷化鎵（GaAs)。 9. 根據請求項1之三族氮化合物半導體發光二極體，其中該 共形主動層係單層量子井結構或多層量子井結構。 10. 根據請求項9之三族氮化合物半導體發光二極體，其中該 多層量子井結構係二層至三十層之發光層/電障層之疊層 結構。 11·根據請求項9之三族氮化合物半導體發光二極體，其中該 多層量子井結構係六層至十八層之發光層/電障層之疊層 Π 結構。 12. 根據請求項1〇或丨丨之三族氮化合物半導體發光二極體，其 中該發光層/電障層係氮化鋁銦鎵（AlxInYGai x_YN)/氮化 銘錮鎵（AhlnjGh小jN)，其中 〇gX< !、〇$γ< !、 1及0SJ< 1，X+Y< ^I+J< 丄；又當χ、γ、卜 J>〇，則 X參I及Y关J。 13. 根據請求項1〇或u之三族氮化合物半導體發光二極體，其 ^ 中該發光層/電障層係氮化銦鎵（InGaN)/氮化鎵（GaN)。 根據請求項1之三族氮化合物半導體發光二極體，其中該 第一型半導體材料層係一N型半導體材料層，且該第二型 半導體材料層係一P型半導體材料層。 15·根據請求項丨之三族氮化合物半導體發光二極體，其中該 第一型半導體材料層係一N型氮化鎵摻雜矽薄膜。 16.根據請求項1之三族氮化合物半導體發光二極體，其中該 第二型半導體材料層可以是摻雜鎂之氮化鎵與氮化銦録 的疊層’或者是摻雜鎂之氮化銘鎵與氮化嫁超晶格結構加 200921941 上摻雜鎂之氮化鎵的疊層。 17. 根據請求項丨之三族氮化合物半導體發光二極體，其另包 含於一第一型電極及一第二型電極，其中該第一型電極係 叹於第一型半導體材料層上，又該第二型電極係設於第二 型半導體材料層上。 18. 一種三族氮化合物半導體發光二極體之製造方法，包含下 列步驟： 提供一基板； 於該基板上成長一第一型半導體材料層，其中該第一 型半導體材料層包括一第一表面及一第二表面，該第一表 面朝向該基板，该第二表面相對於該第一表面並具有複數 個凹部； 成長一共形主動層於該第一型半導體材料層上；以及 在該共形主動層上形成一第二型半導體材料層。 19. 根據請求項18之三族氮化合物半導體發光二極體之製造 方法’其中該複數個凹部係藉由蝕刻製程形成於該第一型 半導體材料層之第二表面。 20. 根據相求項18之二族氣化合物半導體發光二極體之製造 方法，其中該複數個凹部係藉由控制供應該第一型半導體 材料層長成之有機金屬化合物或氣體之流量而產生。 21. 根據請求項18之三族氮化合物半導體發光：極體之製造 ^*法’其中該複數個凹部係藉由控制氮氣、氨氣、氮氣、 二甲基鎵、三乙基鎵、三T基錮或三乙基銦之流量而形成 於該第二表面之空洞。 200921941 22. 根據請求項18之三族氮化合物半導體發光二極體之製造 方法，其中該複數個凹部係藉由金屬有機化學氣相沉積製 程產生。 23. 根據請求項18之三族氮化合物半導體發光二極體之製造 方法其另包含直接於該基板表面形成至少一缓衝層之步 驟。 24. 根據請求項18之三族氮化合物半導體發光二極體之製造 方法，其中該凹部之深度係大於該共形主動層中一量子井 層之厚度，及小於該第一型半導體材料層之厚度。 25. 根據請求項18之三族氮化合物半導體發光：極體之製造 方法，其中該凹部之上方開口的寬度係大於〇ΐμιη及小於 ΙΟμιη。 26. 根據請求項18之三族氮化合物半導體發光二極體之製造 方法，其中該共形主動層係單層量子井結構或多層量 結構。 27. 根據請求項18之三族氮化合物半㈣發光二極體之製造 ' 該帛型半導體材料層係-Ν型半導體材料 層，且該第二型半導體材料層係一ρ型半導體材料層。 28. 根據請求項18之三族氮化合物半導體發光二極體之製造 方法’其中該第-型半導體材料層係一_氮化嫁 薄膜。 29. 根據μ求項18之三族氮化合物半導體發光二極體之製造 方中該第—型半導體材料層可以是摻雜鎮之氮化嫁 與氮化銦鎵的叠層，或者是摻雜鎮之氮化銘嫁與氮化嫁超 200921941 晶格結構加上摻雜鎂之氮化鎵的疊層