TW200921941A - Light emitting device of III-nitride based semiconductor and manufacturing method thereof - Google Patents
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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
13
Claims (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
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