TWI396306B - Gallium nitride based light emitting diode structure and its making method - Google Patents

Description

氮化鎵系發光二極體結構及其製作方法

本發明係一種有關於氮化鎵系發光二極體結構及其製作方法之技術領域，尤指一種於發光層之前加入一介面阻隔層結構之高發光效率之氮化鎵系發光二極體及其製作方法。

氮化鎵系發光二極體元件之結構如第一圖所示，係包含一藍寶石基板(10)、一氮化鎵緩衝層(11)、一n型摻雜氮化鎵歐姆接觸層(12)、一氮化銦鎵發光層(13)、一p型摻雜氮化鎵層(14)。接著，經由黃光及蝕刻製程，除去部份之n型摻雜氮化鎵歐姆接觸層(12)、氮化銦鎵發光層(13)及p型摻雜氮化鎵層(14)而露出部份之n型摻雜氮化鎵歐姆接觸層(12)之表面，此道製程步驟一般稱為MESA製程。另，形成一透明導電層(transparent conductive layer)(15)於該p型摻雜氮化鎵接觸層(14)之上；及一p型金屬電極(16)位於該透明導電層(15)之上，一n型金屬電極(17)則位於該n型摻雜氮化鎵歐姆接觸層(12)之表面上，形成所謂傳統的氮化鎵系發光二極體橫向電極結構。

根據習知之技術，為了提升傳統之氮化鎵系發光二極體結構的發光效率，美國專利第6153894號曾揭示一種具有超晶格堆疊結構用以增進磊晶薄膜之品質進而提升發光效率之氮化鎵系發光二極體元件之結構。請參閱第二圖所示，其結構示意圖係包含一藍寶石基板(20)、一氮化鎵緩衝層(21)、一n型摻雜氮化鎵歐姆接觸層(22)、一n型摻雜氮化鋁銦鎵超晶格堆疊結構(23)、一氮化銦鎵發光層(24)、一p型摻雜氮化鎵層(25)、一透明導電層(26)、一p型金屬電極(27)、一n型金屬電極(28)。其中，該n型摻雜氮化鋁銦鎵超晶格堆疊結構(23)係由不同厚度及組成之多層氮化鋁銦鎵所構成，該厚度差小於或等於50。

又，請參閱第三圖所示，係美國專利第6861663號所揭示之另一種提升發光效率之氮化鎵系發光二極體元件之結構示意圖。其包含一藍寶石基板(30)、一氮化鎵緩衝層(31)、一n型摻雜氮化鎵歐姆接觸層(32)、一氮化銦鎵及一氮化鎵所組成之中間層結構(33)、一氮化銦鎵多重量子井發光層(34)、一p型摻雜氮化鋁鎵披覆層(35)、一p型氮化鎵歐姆接觸層(36)、一透明導電層(37)、一p型金屬電極(38)、一n型金屬電極(39)。其中，該中間層結構(33)係由一刻意不摻雜之氮化銦鎵層與一n型摻雜之氮化鎵層所構成，而且該n型摻雜之氮化鎵層之厚度最佳介於100~500且大於該氮化銦鎵多重量子井發光層(34)之障位層(barrier layer)厚度。

再者，請參閱第四圖所示，係美國專利第6881983號所揭示之另一種提升發光效率之氮化鎵系發光二極體元件之結構示意圖。其係包含一厚度週期性變化之氮化銦鎵多重量子井發光層(200)且形成於一n型摻雜氮化鎵層(100)之上。該n型摻雜氮化鎵層(100)係由一磊晶成長溫度介於1000~1050℃之n型摻雜氮化鎵層(100a)及一相對成長溫度介於880~920℃之n型摻雜氮化鎵層(100b)所組成，該多重量子井發光層(200)產生厚度週期性變化係由加入該低溫成長之n型摻雜氮化鎵層(100b)所產生，該n型摻雜氮化鎵層(100b)之較佳厚度約為1000。厚度週期性變化之氮化銦鎵多重量子井發光層(200)之優點係能夠避免注入載子被轉位缺陷(dislocation)所復合進而有效提升發光效率。然而，習用的發光二極體之發光效率仍相當有限，實有改良之必要。

本發明之主要目的，在於提供一種高發光效率之氮化鎵系發光二極體結構，包含一介面隔離層，其係由至少一n型摻雜超晶格結構層與一n型摻雜氮化鎵層所組成，可有效降低非輻射複合中心密度，進而提升發光效率。

本發明之另一目的，在於提供一種高發光效率之氮化鎵系發光二極體結構，包含一介面隔離層，其係由至少一n型摻雜超晶格結構層與一n型摻雜氮化鎵層所組成，且位於發光層之下方。

本發明之另一目的，在於提供一種高發光效率之氮化鎵系發光二極體結構，包括一基板、一低溫氮化鎵緩衝層、一非摻雜型氮化鎵層、一n型摻雜氮化鎵及氮化鋁鎵超晶格結構層、一n型摻雜氮化鎵歐姆接觸層、一n型摻雜氮化鎵及氮化鋁鎵超晶格結構層、一n型摻雜氮化鎵層、一發光層、一p型摻雜氮化鎵及氮化鋁鎵超晶格結構層，一p型摻雜氮化鎵歐姆接觸層。透過該n型摻雜超晶格結構及n型摻雜氮化鎵層所形成之隔離非輻射複合作用，進而增加其內部之量子效率。

再者，本發明主要係提供一種氮化鎵系發光二極體結構及其製作方法，係包括一基板；至少一氮化鎵系層，其係位於該基板之上方；於該氮化鎵系層之上方，依序形成一n型氮化鎵系超晶格結構與n型氮化鎵系層所組成之介面隔離結構及一氮化鎵系發光層；一p型氮化鎵系層，其係形成於該氮化鎵系發光層之上方。本發明係藉由降低溫度及調整磊晶反應腔環境，於純氮氣且低溫下，磊晶成長該介面隔離結構及該發光層，進而達到提升輻射復合之效率。

此外，本發明主要係提供一種氮化鎵系發光二極體結構，係包括：一基板、至少一氮化鎵系層、一發光層、一p型氮化鎵系層與至少一隔離層。其中，該氮化鎵系層係位於該基板之上方；該發光層係位於該氮化鎵系層之上方；該p型氮化鎵系層係位於該發光層之上方；該隔離層係介於該氮化鎵系層與該發光層之間。

其中，該隔離層係由一n型氮化鎵系超晶格結構與一n型氮化鎵層堆疊所組成。

其中，該隔離層之磊晶成長溫度介於835℃~950℃。

其中，該隔離層組成中之n型氮化鎵層之厚度小於1400。

其中，該隔離層組成中之n型氮化鎵系超晶格結構係由氮化鋁銦鎵層與氮化鎵層交互堆疊所組成。

其中，該n型氮化鎵層之最佳厚度範圍介於300~1400。

其中，該n型氮化鎵系超晶格結構之厚度介於600~800。

其中，該n型氮化鎵系超晶格結構之氮化鋁銦鎵層，其鋁組成比例介於5%~10%。

其中，該n型氮化鎵系超晶格結構更包含一氮化銦鎵層接續於該氮化鎵層之後交互堆疊所組成。

其中，該氮化銦鎵層之銦組成比例小於10%且厚度不大於15。

另外，本發明係提供一種氮化鎵系發光二極體結構，係包括：一基板、一氮化鎵系緩衝層、一第一n型氮化鎵系超晶格結構層、一第一n型氮化鎵系層、一第二n型氮化鎵系超晶格結構層、一第三n型氮化鎵系層、一發光層與一p型氮化鎵系層。其中，該氮化鎵系緩衝層係位於該基板之上方；該第一n型氮化鎵系超晶格結構層係位於該氮化鎵系緩衝層之上方；該第一n型氮化鎵系層係位於該第一n型氮化鎵系超晶格結構層之上方；該第二n型氮化鎵系超晶格結構層係位於該第一n型氮化鎵系層之上方；該第三n型氮化鎵系層係位於該第二n型氮化鎵系超晶格結構層之上方；該發光層係位於該第三n型氮化鎵系層之上方；該p型氮化鎵系層係位於該發光層之上方。

其中，該第二n型氮化鎵系超晶格結構與第三n型氮化鎵層堆疊組成一介面隔離層。

其中，該p型氮化鎵系層係由一p型披覆層及一p型歐姆接觸層所組成。

其中，該p型披覆層係由一p型氮化鎵系層所組成之超晶格結構。

再者，本發明係提供一種氮化鎵系發光二極體結構製作方法，係包括下列步驟：

a.提供一基板；

b.形成一氮化鎵系緩衝層於該基板之上方；

c.形成一第一n型氮化鎵系結構層於該氮化鎵系緩衝層之上方；

d.中斷成長並降低磊晶成長溫度且同時轉換反應腔為純氮氣的環境；

e.形成一n型介面隔離層及一發光層於該第一n型氮化鎵系結構層之上方；以及，

f.中斷成長並加入氫氣以轉換反應腔為氮及氫氣混合的環境並形成一p型氮化鎵系層，該p型氮化鎵系層係位於該發光層之上方。

其中，該第一n型氮化鎵系結構層係於磊晶成長溫度介於980℃~1030℃所形成且該n型介面隔離層係於磊晶成長溫度介於835℃~950℃所形成。

其中，形成厚度介於600~800之超晶格結構，其係由鋁組成比例介於5%~10%之n型氮化鋁銦鎵層與n型氮化鎵層交互堆疊而成，之後，再形成一厚度介於300~1400之n型氮化鎵層，如此形成一n型介面隔離層以達到提升發光效率之功效。

有關本發明所採用之技術、手段及其功效，茲舉較佳實施例並配合圖式詳細說明如后，相信本發明上述之目的、構造及其特徵，當可由之得一深入而具體的瞭解。

請參閱第五圖至第十圖所示，本發明係提供一種氮化鎵系發光二極體結構及其製作方法，首先，請參閱第五圖，其係為本發明之較佳參考例之發光二極體結構之剖面示意圖。該發光二極體結構主要係由一基板(40)、一低溫氮化鎵緩衝層(41)、一非摻雜型高溫氮化鎵層(42)、一n型摻雜型高溫氮化鎵歐姆接觸層(43)、一發光層(44)、一p型摻雜氮化鋁鎵披覆層(45)及一p型摻雜氮化鎵歐姆接觸層(46)所構成。其中，該基板(40)的材質係選自於藍寶石、碳化矽、氧化鋅、二硼化鋯、尖晶石、鎵酸鋰、鋁酸鋰、三氧化二鎵或矽材料之其中之一者。首先，在基板(40)之上以有機金屬氣相磊晶法形成厚度約250之低溫氮化鎵緩衝層(41)及厚度約1.2μm之非摻雜型高溫氮化鎵層(42)之後，接續氮化鎵層(42)之上磊晶形成一n型載子摻雜濃度約4xe⁺¹⁸ cm^-3 之氮化鎵歐姆接觸層(43)，其成長厚度約4μm，接著，形成一厚度約25之不含載子摻雜之氮化銦鎵量子井及厚度約125之氮化鎵位障層所組成之多重量子井發光層(44)，當完成發光層(44)之磊晶成長後成長一厚度約400及p型載子摻雜濃度約8xe⁺¹⁹ cm^-3 之氮化鋁鎵所組成之披覆層(45)及一厚度約2500及載子摻雜濃度約1xe⁺²⁰ cm^-3 之p型氮化鎵歐姆接觸層(46)。當完成整個發光二極體之磊晶成長後，接著以習知之橫向電極晶粒製程方法，將部份n型氮化鎵歐姆接觸層表面、部份發光層、及部份p型氮化鋁鎵披覆層及氮化鎵歐姆接觸層蝕刻移除，並於p型氮化鎵歐姆接觸層之上沉積一透光導電層(47)，並製作一p型金屬電極(48)及一n型金屬電極(49)。當完成發光二極體晶粒製程後，並將基板(40)研磨至約90um的厚度並以習知之雷射切割製程及劈裂方法製作成尺寸為325umx325um之發光二極體晶粒。完成該發光二極體晶粒製程之後，將晶粒固定於TO-can上並以金線分別連接p型及n型金屬電極至TO-can上之電極，之後，放置於積分球內並施以直流20毫安培驅動之，得到電激發強度(EL intensity)約為4.5x10^-7 相當於輸出功率約為4.2mW。

請參閱第六圖，其係為本發明之一較佳實施例之發光二極體結構之剖面示意圖。發光二極體結構主要係由基板(50)、一低溫氮化鎵緩衝層(51)、一非摻雜型高溫氮化鎵層(52)、一n型摻雜高溫氮化鎵及氮化鋁鎵所組成之超晶格結構層(53)、一n型摻雜氮化鎵歐姆接觸層(54)、一n型摻雜之氮化鎵及氮化鋁鎵超晶格結構層(55)、一發光層(56)、一p型摻雜之氮化鋁鎵披覆層(57)、一p型摻雜之氮化鎵歐姆接觸層(58)、一透光導電層(59)、一p型金屬電極(60)及一n型金屬電極(61)所構成。首先，在基板(50)之上以有機金屬氣相磊晶法形成厚度約250之低溫氮化鎵緩衝層(51)及厚度約1.2μm之非摻雜型高溫氮化鎵層(52)之後，接續氮化鎵層(52)之上磊晶形成一n型載子摻雜濃度約6xe⁺¹⁸ cm^-3 之高溫氮化鎵及氮化鋁鎵所組成之超晶格結構層(53)，其厚度各為20並交疊重複成長15次之後，於該超晶格結構層(53)之上磊晶形成一n型氮化鎵歐姆接觸層(54)，其成長厚度約4μm及n型載子摻雜濃度約4xe⁺¹⁸ cm^-3 ，接著，重複磊晶成長一超晶格結構層(53)，並改變其n型載子摻雜濃度約1xe⁺¹⁸ cm^-3 而形成另一超晶格結構層(55)，接續，形成一厚度約25之不含載子摻雜之氮化銦鎵量子井及厚度約125之氮化鎵位障層所組成之多重量子井發光層(56)，當完成發光層之磊晶成長後成長載子摻雜濃度約8xe⁺¹⁹ cm-3且厚度約為400之p型氮化鋁鎵披覆層(57)，最後，形成一厚度約2500及載子摻雜濃度約1xe⁺²⁰ cm^-3 之p型氮化鎵歐姆接觸層(58)。依據上述較佳參考例所揭露之晶粒製程方法而完成尺寸為325umx325um之發光二極體晶粒，施以直流20毫安培，得到電激發強度(EL intensity)約為4.9x10^-7 相當於輸出功率約為4.65mw，其輸出功率約提高10%。

請參閱第七圖，其係為本發明之另一較佳實施例之發光二極體結構之剖面示意圖。發光二極體結構主要係依據第六圖所示之實施例中，將一厚度約20之p型摻雜氮化鋁鎵層(57a)及一厚度約20之p型摻雜氮化鎵層(57b)並交疊重複成長20次之p型超晶格結構取代該p型摻雜之氮化鋁鎵披覆層(57)。除此之外，其餘結構之磊晶成長溫度、厚度及載子摻雜濃度均維持相同。依據上述較佳參考例所揭露所完成尺寸為325umx325um之發光二極體晶粒，施以直流20毫安培，得到電激發強度(EL intensity)約為5.83x10^-7 相當於輸出功率約為5.45mW，其輸出功率比第五圖之實施例約提高30%。

請參閱第八圖，其係為本發明之一另一較佳實施例之發光二極體結構之剖面示意圖。該發光二極體結構主要係以第七圖所揭示之結構所加以改良而得到本發明之較佳結果。根據習知之技藝，一般而言，以有機金屬氣相磊晶法成長氮化鎵系發光二極體結構時，所謂高溫成長層，其係指成長反應腔之溫度約為980~1050℃而稱之，而當成長氮化銦鎵發光層結構時，反應腔之成長溫度必須降至700~835℃以控制發光層中之銦原子組成而達到能夠發出藍~綠波長範圍之發光二極體元件。有鑑於此，當成長反應腔之溫度從980~1050℃降至700~835℃之過程中，將於接續氮化銦鎵發光層之成長介面產生額外之空缺鍵結而不利於後續成長高品質之氮化銦鎵發光層。是故，本實施例係利用一隔離層阻隔該空缺鍵結所產生之缺點，進而得到較佳之氮化銦鎵/氮化鎵多重量子井發光層。較佳之實施方式如下所述：在基板(70)之上以有機金屬氣相磊晶法形成厚度約250之低溫氮化鎵緩衝層(71)及厚度約1.2μm之非摻雜型高溫氮化鎵層(72)之後，接續氮化鎵層(72)之上磊晶形成一n型載子摻雜濃度約6xe⁺¹⁸ cm^-3 之高溫氮化鎵及氮化鋁鎵所組成之超晶格結構層(73)，其厚度各為20並交疊重複成長15次之後，於該超晶格結構層(73)之上磊晶形成一n型氮化鎵歐姆接觸層(74)，其成長厚度約4μm及n型載子摻雜濃度約4xe⁺¹⁸ cm^-3 ，接著，將成長反應腔之溫度從約1030℃降至約835℃，較佳之範圍介於835℃~950℃，於降低溫度過程中，同時減少氫氣流量及增加氮氣流量至磊晶成長環境完全地切換至純氮氣，待反應腔流量、壓力及溫度穩定後，接續重複超晶格結構層(73)之磊晶條件，只改變其n型載子摻雜濃度至1xe⁺¹⁸ cm^-3 而形成另一超晶格結構層(75)，之後，分別加入不同厚度之另一n型摻雜氮化鎵層(300)而形成所謂之介面阻隔層(400)，接續，形成一厚度約25之不含載子摻雜之氮化銦鎵量子井及厚度約125之氮化鎵位障層所組成之多重量子井發光層(76)，當完成發光層之磊晶成長後，其餘結構之磊晶條件及結構均維持與第七圖所揭示之相同。依據上述較佳參考例所揭露之晶粒製程方法而完成尺寸為325umx325um之發光二極體晶粒。本實施例中不同厚度之n型摻雜氮化鎵層(300)之實驗結果如第九圖所示。當厚度約700時，施以直流20毫安培，得到電激發強度(EL intensity)約為7.1x10^-7 相當於輸出功率約為6.64mW，其輸出功率比第七圖之實施例約提高20%。

請參閱第十圖為本發明多重量子井發光層截面之TEM圖，本發明並無厚度週期性變化之特性，故不同於習知之技術，其具有其進步性。

前文係針對本發明之可行實施例為本發明之技術特徵進行具體說明；惟，熟悉此項技術之人士當可在不脫離本發明之精神與原則下對本發明進行變更與修改，而該等變更與修改，皆應涵蓋於如下申請專利範圍所界定之範疇中。

‧習用部份‧

(10)．．．藍寶石基板

(11)．．．氮化鎵緩衝層

(12)．．．n型摻雜氮化鎵歐姆接觸層

(13)．．．氮化銦鎵發光層

(14)．．．p型摻雜氮化鎵層

(15)．．．透明導電層

(16)．．．P型金屬電極

(17)．．．n型金屬電極

(20)．．．藍寶石基板

(21)．．．氮化鎵緩衝層

(22)．．．n型摻雜氮化鎵歐姆接觸層

(23)．．．n型摻雜氮化鋁銦鎵超晶格堆疊結構

(24)．．．氮化銦鎵發光層

(25)．．．p型摻雜氮化鎵層

(26)．．．透明導電層

(27)．．．p型金屬電極

(28)．．．n型金屬電極

(30)．．．藍寶石基板

(31)．．．氮化鎵緩衝層

(32)．．．n型摻雜氮化鎵歐姆接觸層

(33)．．．中間層結構

(34)．．．氮化銦鎵多重量子井發光層

(35)．．．p型摻雜氮化鋁鎵披覆層

(36)．．．p型氮化鎵歐姆接觸層

(37)．．．透明導電層

(38)．．．p型金屬電極

(39)．．．n型金屬電

(100)．．．n型摻雜氮化鎵層

(100a)．．．n型摻雜氮化鎵層

(100b)．．．n型摻雜氮化鎵層

(200)．．．多重量子井發光層

‧本創作部份‧

(40)．．．基板

(41)．．．低溫氮化鎵緩衝層

(42)．．．非摻雜型高溫氮化鎵層

(43)．．．n型摻雜型高溫氮化鎵歐姆接觸層

(44)．．．發光層

(45)．．．p型摻雜氮化鋁鎵披覆層

(46)．．．p型摻雜氮化鎵歐姆接觸層

(47)．．．透光導電層

(48)．．．p型金屬電極

(49)．．．n型金屬電極

(50)．．．基板

(51)．．．低溫氮化鎵緩衝層

(52)．．．非摻雜型高溫氮化鎵層

(53)．．．超晶格結構層

(54)．．．n型摻雜氮化鎵歐姆接觸層

(55)．．．n型摻雜超晶格結構層

(56)．．．多重量子井發光層

(57)．．．p型氮化鋁鎵披覆層

(57a)．．．p型摻雜氮化鋁鎵層

(57b)．．．p型摻雜氮化鎵層

(58)‧‧‧p型氮化鎵歐姆接觸層

(59)‧‧‧透光導電層

(60)‧‧‧p型金屬電極

(61)‧‧‧n型金屬電極

(70)‧‧‧基板

(71)‧‧‧低溫氮化鎵緩衝層

(72)‧‧‧非摻雜型高溫氮化鎵層

(73)‧‧‧n型摻雜超晶格結構層

(74)‧‧‧n型摻雜氮化鎵歐姆接觸層

(75)‧‧‧n型摻雜超晶格結構層

(76)‧‧‧多重量子井發光層

(300)‧‧‧n型摻雜氮化鎵層

(400)‧‧‧阻隔層

第一圖：係習知技術之發光二極體結構之示意圖。

第二圖：係習知技術之另一發光二極體結構之示意圖。

第三圖：係習知技術之另一發光二極體結構之示意圖。

第四圖：係習知技術之另一發光二極體結構之示意圖。

第五圖：係本發明之較佳參考例之發光二極體結構示意圖。

第六圖：係本發明之實施例之發光二極體結構示意圖。

第七圖：係本發明之另一實施例之發光二極體結構示意圖。

第八圖：係本發明之較佳實施例之發光二極體結構示意圖。

第九圖：係本發明之較佳實施例之電激發強度趨勢比較圖。

第十圖：係本發明之較佳實施例之發光層TEM圖。

(70)．．．基板

(71)．．．低溫氮化鎵緩衝層

(72)．．．非摻雜型高溫氮化鎵層

(73)．．．n型摻雜超晶格結構層

(74)．．．n型摻雜氮化鎵歐姆接觸層

(75)．．．n型摻雜超晶格結構層

(76)．．．多重量子井發光層

(57)．．．p型摻雜氮化鋁鎵披覆層

(300)．．．n型摻雜氮化鎵層

(400)．．．阻隔層

Claims (5)

1. 一種氮化鎵系發光二極體結構，係包括：一基板；至少一氮化鎵系層，該氮化鎵系層係位於該基板之上方；一發光層，該發光層係位於該氮化鎵系層之上方；一p型氮化鎵系層，該p型氮化鎵系層係位於該發光層之上方；以及，至少一隔離層，該隔離層係介於該氮化鎵系層與該發光層之間係由一n型氮化鎵系超晶格結構與一n型氮化鎵層堆疊所組成且成長溫度介於835℃~950℃；其中，該n型氮化鎵系超晶格結構係由氮化鋁銦鎵層與氮化鎵層交互堆疊所組成，其鋁組成比例介於5%~10%；其中，該n型氮化鎵層之厚度範圍介於300Å~1400Å。
2. 如申請專利範圍第1項所述之氮化鎵系發光二極體結構，其中，該n型氮化鎵系超晶格結構之厚度介於600Å~800Å。
3. 如申請專利範圍第1項所述之氮化鎵系發光二極體結構，其中，該n型氮化鎵系超晶格結構更包含一氮化銦鎵層接續於該氮化鎵層之後交互堆疊所組成。
4. 如申請專利範圍第3項所述之氮化鎵系發光二極體結構，其中，該氮化銦鎵層之銦組成比例小於10%且厚度不大於15Å。
5. 一種氮化鎵系發光二極體結構製作方法，係包括：提供一基板；形成一氮化鎵系緩衝層於該基板之上方； 形成一第一n型氮化鎵系結構層於該氮化鎵系緩衝層之上方，其磊晶成長溫度介於980℃~1030℃；中斷成長並降低磊晶成長溫度且同時轉換反應腔為純氮氣的環境；形成一n型介面隔離層及一發光層於該第一n型氮化鎵系結構層之上方，其磊晶成長溫度介於835℃~950℃所形成；以及，中斷成長並加入氫氣以轉換反應腔為氮及氫氣混合的環境並形成一p型氮化鎵系層，該p型氮化鎵系層係位於該發光層之上方。