具有載子提供層的多層量子阱氮化物發光二極體的製作方法

2023-08-05 09:53:21 2

專利名稱：具有載子提供層的多層量子阱氮化物發光二極體的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種氮化物多層量子阱發光二極體，特別涉及一種具有載子提供層的 多層量子阱氮化物發光二極體。
背景技術：
為了提高氮化鎵(GaN)系發光二極體(LED)的亮度，美國專利No. 5，578，839揭示 了一種發光層(或稱主動層)摻雜有n型雜質(例如Si)和/或p型雜質(例如Mg或Zn 等)的InxGai_xN(0 <x< 1)化合物半導體所製成的LED結構。此LED結構的發光層，是夾 在n型GaN系化合物半導體製成的第一包覆層(clad layer)與p型GaN系化合物半導體 製成的第二包覆層中間。LED結構在亮度上的提升，是由於上述發光層內所摻雜的雜質提高 了載子(即，電子和空穴)的密度，因此有更多載子參與重新結合(recombination)所致。相比之下，使用多層量子阱(multi quantum-well，MQW)技術的高亮度LED，通常 在其發光層內是採未加摻雜的阱層(well layer)。一般MQW LED的發光層是包含有多層 阱層，阱層的厚度是小於半導體材料中載子的德布洛依(deBroglie)波長，致使電子和空 穴被局限在阱層內，而可達成更佳的重新結合效率。阱層通常是未加摻雜，因為阱層內的 雜質會導致非輻射性(non-radiative)的重新結合，進而造成發光效率的降低和過多熱 量的產生。另一方面，在2002年五月電機工程師協會量子電子學期刊(IEEE Journal of Quantum Electronics)第 38 冊第 5 期裡，ffu 等人在 Influence of Si doping on the Characteristics of InGaN-GaN Multiple Quantum-Well Blue Light Emitting Diode(Si 攙雜對InGaN-GaN多層量子阱發光二極體之特性方面的影響)一文中建議，InGaN-GaN MQW LED的發光強度和操作電壓，可藉由在MQW發光層的GaN勢壘層(barrier layer)內加入Si 攙雜，而得到顯著的改善。然而，勢壘層內的雜質密度應維持在適當的位準下，否則該LED 的結晶(crystal line)便會受到影響。在LED之發光層攙雜雜質，確實有助於提高載子重新結合效率，但此種改善是要 付出代價。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種多層量子阱氮化物發光二極體結構，能夠 使二極體有較高的內部量子效率與較高亮度。為解決上述技術問題，本發明多層量子阱氮化物發光二極體結構的技術方案是， 至少包含一個基板；一個第一接觸層，位於基板上方，並且第一接觸層是由具有第一導電型的GaN系 材料製成；一個載子提供層，位於第一接觸層的上方，載子提供層由至少兩層阱層與至少兩 層勢壘層交替堆棧而成，阱層與勢壘層各由摻雜有n型雜質的GaN系材料製成，勢壘層具有
5高於該阱層的能帶隙；一個發光層，位於載子提供層上方，發光層是具有由多層的阱層與勢壘層所構成 的MQW結構，阱層與勢壘層各由GaN系材料製成；以及一個第二接觸層，位於發光層上方，第二接觸層是由具有與第一導電型相反的第 二導電型的GaN系材料製成；載子提供層的阱層具有高於發光層的阱層能帶隙。作為本發明的進一步改進是，至少包含一個基板；一個緩衝層，位於該基板上方，緩衝層以AlaGabInl-a-bN(0彡a,b < l,a+b彡1) 製成；一個第一接觸層，位於緩衝層上方，第一接觸層由具有第一導電型的GaN系材料 製成；一載子提供層，位於第一接觸層的上方並覆蓋第一接觸層的部分上表面，載子提 供層是由至少兩層阱層與至少兩層勢壘層交替堆棧而成，阱層與勢壘層各由摻雜有n型雜 質的AlpInqGal-p-qN(p，q彡0，0彡p+q彡1)製成，勢壘層具有高於阱層的能帶隙；一個第一電極，位於第一接觸層未被載子提供層覆蓋的上表面；一個發光層，位於載子提供層上方，發光層是具有由多層阱層與勢壘層構成的一 個MQW結構，該阱層與該勢壘層各由AlxInyGal-x-yN(x, y彡0，0彡x+y彡1)製成；以及一個第二接觸層，位於發光層上方，第二接觸層是由具有與第一導電型相反的第 二導電型的GaN系材料製成；一個透明導電層，位於第二接觸層的至少一部份上表面，透明導電層是金屬導電 層與透明氧化物層二者之一；以及一個第二電極，是位於透明導電層之上，或位於第二接觸層未被該透明導電層覆 蓋的上表面；該載子提供層的該阱層具有高於該發光層的該阱層的能帶隙。本發明通過其在發光層的一側設置有一載子提供層，以提供額外的載子給發光層 參與重新結合，避免/降低發光層內雜質的使用。


下面結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細的說明圖1為本發明的第一實施例的氮化物MQW LED結構的示意圖；圖2為發明的第二實施例的氮化物MQW LED結構的示意圖；圖3為圖1的LED結構在經過晶片程序後的LED裝置的示意圖。圖中附圖標記說明10為基板，20緩衝層，30為第一接觸層，40為載子提供層，41為阱層，42為勢壘 層，50為發光層，51為阱層，52為勢壘層，60為第二接觸層，70為空穴阻隔層，80為透明導 電層，91為第一電極，92為第二電極。
具體實施例方式圖1所示是依據本發明的第一實施例的氮化物MQW LED結構的示意圖。本說明 書是使用「LED結構」一詞來指稱一個LED的外延結構，另外以「LED裝置」一詞來指稱一個 LED結構形成之後，再經過後續的晶片程序(chip process)在LED結構上形成電極後所得 的半導體裝置。如圖1所示，在上述LED結構的底部，基板10通常是以氧化鋁單晶(藍寶石)或是 具有與LED結構的外延層接近的晶格常數的氧化物單晶製成。該基板10也可由SiC(6H-SiC 或4^比)、31、2110、6￡^8、或1%41204來製成。通常，上述基板10最常見的材料為藍寶石 或SiC。在基板10的上表面，接著形成一由AlaGabInl-a-bN(0彡a，b < l，a+b彡1)製成 的緩衝層(buffer layer)20。在一些實施例中，緩衝層20也可省略。而且，由於在形成本 發明的LED結構的外延層中應用的，大多為本領域一般技術的人員所熟知的半導體製造方 法，為簡化起見，本說明書中將這些方法的細節予以省略，除非某些特定的重要製造條件， 才明白指出。在上述緩衝層20的上表面，形成以第一導電型GaN系材料製成的第一接觸層 (contact layer) 30。在本實施例中，第一接觸層30是以一種n型GaN系材料製成。在某些 其他實施例中，第一接觸層30也可以一種p型GaN系材料製成。設置第一接觸層30的目的， 是為了在後續的晶片程序中，提供所形成的n型電極所需的歐姆接觸(ohmic contact)，以 及為其它後續成長的外延層提供較佳的成長條件。接著，在上述第一接觸層30的上表面，形成載子提供層40。載子提供層40是由至 少兩層阱層41和至少兩層勢壘層(barrier)42交替堆棧形成。載子提供層40的總厚度是 在lnm與500nm之間，而每一個阱層41和勢壘層42的厚度是在5 A與300A之間。這些阱層 41和勢壘層42均是由摻雜有Si或Ge的AlpInqGal-p-qN(p，q彡0,0 ^ p+q ( 1)化合物 半導體製成，而具有在1 X 1017/cm3與5X 1021/cm3之間的電子濃度。這些阱層41和勢壘 層42具有獨立的組成，但勢壘層42具有較阱層41高的能帶隙(Eg)。阱層41和勢壘層42 均是在600°C與1200°C之間的成長溫度下形成，但勢壘層42有較高的成長溫度。接著，在載子提供層40的上表面，形成本實施例的MQW發光層50。MQW發光層50 是由多數的阱層51和多數的勢壘層52交替堆棧形成。阱層51和勢壘層52都是由未加摻 雜的AlxInyGal-x-yNU，y彡0，0彡x+y彡1)化合物半導體製成，但各具有獨立的組成， 該勢壘層52具有較阱層51者高的能帶隙(Eg)。這些阱層51和勢壘層52也是在600°C與 1200°C之間的不同成長溫度下形成，但勢壘層52有較高的成長溫度。載子提供層40的阱 層41，是由具有適當的AlpInqGal-p-qN(p，q彡0，0彡p+q彡1)組成，而使其能帶隙大於 發光層50的阱層51的AlxInyGal-x-yN(x, y彡0，0彡x+y彡1)。請注意到，本實施例的 發光層50結構僅屬例示，本發明的並不限定發光層50需要一個特定的MQW結構。載子提供層40的作用是提供額外電子進入MQW發光層50內，以便與空穴(hole) 重新結合，而使本發明的LED結構達成較高的內部量子效率並進而達成較高亮度。此外，由 於電子的移動性已知是大於空穴，載子提供層40的設置也可使電子減速，使其有較高的機 會與空穴重新結合，因而可達成較高的重新結合效率。更進一步的是，攙雜進載子提供層40 內的Si或Ge可使本發明的LED結構，在不摻雜發光層50的情形下同樣能有效地降低操作 電壓，此外，載子提供層40還可促使後續成長的發光層50具有更好的結晶。
7
最後，在發光層50的上表面，以和第一導電型相反的第二導電型GaN系材料形成 第二接觸層60。因此，在本實施例中，第二接觸層60是以一種ρ型GaN系材料製成(以相 對於第一接觸層30的η型GaN系材料)。在某些其它實施例中，第二接觸層60也可以η型 GaN系材料製成。設置第二接觸層60的目的是為了在後續的晶片程序中，提供後續形成的 P型電極所需的奧姆接觸。
圖2所示是依據本發明的第二實施例的氮化物MQW LED結構的示意圖。本實施例 在結構上與第一實施例相類似，唯一不同的是載子提供層40與發光層50之間設置有一層 空穴阻隔層70。提供空穴阻隔層70的兩個最重要的理由是(1)避免發光層50的空穴逃 逸至載子提供層40並在該處與電子以非發光方式重新結合；(2)在載子提供層40成長之 後，使其表面上所形成的V形瑕疵平滑化，而使後續成長的發光層50可以達成較佳的結晶。空穴阻隔層70是在600°C與1200°C之間的成長溫度下，以未加摻雜、或Si摻雜、 或In摻雜、或In/Si共同摻雜的GaN系材料，形成在載子提供層40的上表面，而具有5 A -0. 5 μ m之間的厚度。空穴阻隔層70的材料具有大於發光層50的能帶隙，以避免空穴逃逸 進入載子提供層40內。具有In摻雜的目的是進一步提升載子提供層40的表面平滑性，以 有效地避免發光層50的瑕疵和堆棧層錯。根據實驗證明，空穴阻隔層70的存在尚具有其 它優點，諸如使本發明的LED結構的擊穿電壓(Vb)增加，以及使其反向漏電流(Ir)降低。傳統上，圖1和圖2所示的LED結構，接著需經過晶片程序以形成LED對外電氣連 結的電極、以及製備該LED以利封裝。圖3所示是圖1的LED結構在經過該晶片程序後的 LED裝置的示意圖。相同的晶片程序同樣可應用至圖2所示的LED結構，但為簡化起見，下 文是以圖1的LED結構作為範例。首先，LED結構被適當地加以蝕刻，以暴露出第一接觸層30的一部份上表面。接 著，在第一接觸層30被暴露區域的上表面，以適當的金屬材料形成第一電極91。另一方面， 在第二接觸層60的上表面，形成透明導電層(transparent conductive layer)80。此透明 導電層80可為金屬導電層(metallic conductive layer)或透明氧化物層(transparent oxide layer)。該金屬導電層由下列材料、但不僅限於這些材料所製成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、和Ni/Pd/Au合金。另一方面，透明氧化物層由下列材料、但不僅限於這些材料 所製成IT0、CTO、ZnO:Al, ZnGa204、Sn02:Sb、Ga203_:Sn、AgIn02:Sn、In203:Zn、CuA102、 LaCuOS, NiO、CuGa02、和SrCu202。接下來，在透明導電層80的上表面、或如圖3所示的在 透明性導電層80的側邊，形成第二電極92。第二電極92由下列材料、但不僅限於這些材料 所製成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, TiffNx (χ 彡 0)、和 WSiy (y 彡 0)。以上通過實施例，對本發明進行了詳細的說明，但這些並非構成對本發明的限制。 在不脫離本發明原理的情況下，本領域的技術人員還可以做出許多變形和改進，這些也應 視為本發明的保護範圍。
權利要求
一種多層量子阱氮化物發光二極體結構，至少包含一個基板；一個第一接觸層，位於基板上方，並且第一接觸層是由具有第一導電型的GaN系材料製成；一個載子提供層，位於第一接觸層的上方，載子提供層由至少兩層阱層與至少兩層勢壘層交替堆棧而成，阱層與勢壘層各由摻雜有n型雜質的GaN系材料製成，勢壘層具有高於該阱層的能帶隙；一個發光層，位於載子提供層上方，發光層是具有由多層的阱層與勢壘層所構成的MQW結構，阱層與勢壘層各由GaN系材料製成；以及一個第二接觸層，位於發光層上方，第二接觸層是由具有與第一導電型相反的第二導電型的GaN系材料製成；其特徵是載子提供層的阱層具有高於發光層的阱層能帶隙。
2.根據權利要求1所述的多層量子阱氮化物發光二極體結構，其特徵是進一步包含 一個緩衝層，位於基板與第一接觸層之間，緩衝層以GaN系材料製成。
3.根據權利要求2所述的多層量子阱氮化物發光二極體結構，其特徵是緩衝層的GaN 系材料是 AlaGabIni_a_bN(0 彡 a，b < 1，a+b 彡 1)。
4.根據權利要求1所述的多層量子阱氮化物發光二極體結構，其特徵是載子提供層 的阱層與勢壘層的n型雜質是Si與Ge 二者之一。
5.根據權利要求1所述的多層量子阱氮化物發光二極體結構，其特徵是載子提供層 的阱層與勢壘層各具有5A-300A的厚度。
6.根據權利要求1所述的多層量子阱氮化物發光二極體結構，其特徵是載子提供層 具有lnm-500nm的厚度。
7.根據權利要求1所述的多層量子阱氮化物發光二極體結構，其特徵是載子提供層 具有1 X 1017/cm3 5X1021/cm3的電子濃度。
8.根據權利要求1所述的多層量子阱氮化物發光二極體結構，其特徵是發光層的阱 層與勢壘層的GaN系材料是AlxInyGai_x_yN(x，y彡0，0彡x+y彡1)。
9.根據權利要求1所述的多層量子阱氮化物發光二極體結構，其特徵是發光層的阱 層與勢壘層的GaN系材料未加摻雜。
10.根據權利要求1所述的多層量子阱氮化物發光二極體結構，其特徵是發光層的阱 層與勢壘層的GaN系材料是AlpInqGai_p_qN(p，q彡0，0彡p+q彡1)。
11.根據權利要求1所述的多層量子阱氮化物發光二極體結構，其特徵是進一步包含 位於載子提供層與發光層之間的一個空穴阻隔層，空穴阻隔層由具有高於發光層的能帶隙 的GaN系材料製成。
12.根據權利要求11所述的多層量子阱氮化物發光二極體結構，其特徵是空穴阻隔 層具有5 A-0.5 ym的厚度。
13.根據權利要求11所述的多層量子阱氮化物發光二極體結構，其特徵是空穴阻隔 層的GaN系材料未加摻雜。
14.根據權利要求11所述的多層量子阱氮化物發光二極體結構，其特徵是空穴阻隔 層的GaN系材料摻雜有雜質，該雜質是Si、In、與Si/In三者之一。
15.一種多層量子阱氮化物發光二極體裝置，至少包含 一個基板；一個緩衝層，位於該基板上方，緩衝層以AlaGabInl-a-bN(0彡a，b < 1，a+b ( 1)製成；一個第一接觸層，位於緩衝層上方，第一接觸層由具有第一導電型的GaN系材料製成； 一載子提供層，位於第一接觸層的上方並覆蓋第一接觸層的部分上表面，載子提供層 是由至少兩層阱層與至少兩層勢壘層交替堆棧而成，阱層與勢壘層各由摻雜有n型雜質的 AlpInqGal-p-qN(p, q彡0，0彡p+q彡1)製成，勢壘層具有高於阱層的能帶隙； 一個第一電極，位於第一接觸層未被載子提供層覆蓋的上表面； 一個發光層，位於載子提供層上方，發光層是具有由多層阱層與勢壘層構成的一個MQW 結構，該阱層與該勢壘層各由AlxInyGal-x-yN(x, y彡0，0彡x+y彡1)製成；以及一個第二接觸層，位於發光層上方，第二接觸層是由具有與第一導電型相反的第二導 電型的GaN系材料製成；一個透明導電層，位於第二接觸層的至少一部份上表面，透明導電層是金屬導電層與 透明氧化物層二者之一；以及一個第二電極，是位於透明導電層之上，或位於第二接觸層未被該透明導電層覆蓋的 上表面；其特徵是該載子提供層的該阱層具有高於該發光層的該阱層的能帶隙。
16.根據權利要求15所述的多層量子阱氮化物發光二極體裝置，其特徵是載子提供 層的阱層與勢壘層的n型雜質是Si與Ge 二者之一。
17.根據權利要求15所述的多層量子阱氮化物發光二極體裝置，其特徵是載子提供 層的阱層與勢壘層，各具有5A-300A的厚度。
18.根據權利要求15所述的多層量子阱氮化物發光二極體裝置，其特徵是載子提供 層具有lnm-500nm的厚度。
19.根據權利要求15所述的多層量子阱氮化物發光二極體裝置，其特徵是載子提供 層具有lX1017/cm3-5X1021/cm3的電子濃度。
20.根據權利要求15所述的多層量子阱氮化物發光二極體裝置，其特徵是發光層的 阱層與勢壘層的GaN系材料未加摻雜。
21.根據權利要求15所述的多層量子阱氮化物發光二極體裝置，其特徵是進一步包 含位於載子提供層與發光層之間的一個空穴阻隔層，空穴阻隔層是由具有高於發光層的能 帶隙的GaN系材料製成。
22.根據權利要求21所述的多層量子阱氮化物發光二極體裝置，其特徵是空穴阻隔 層是具有5A -0.5i!m的厚度。
23.根據權利要求21所述的多層量子阱氮化物發光二極體裝置，其特徵是空穴阻隔 層的GaN系材料未加摻雜。
24.根據權利要求21所述的多層量子阱氮化物發光二極體裝置，其特徵是空穴阻隔 層的GaN系材料摻雜有雜質，該雜質是Si、In、與Si/In三者之一。
25.根據權利要求15所述的多層量子阱氮化物發光二極體裝置，其特徵是金屬導電 層是由下列集合之一材料所構成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合金以及Ni/Pd/Au合金。
26.根據權利要求15所述的多層量子阱氮化物發光二極體裝置，其特徵是透明氧化 物層由下列材料之一所構成IT0、CTO、ZnO:Al、ZnGa204、Sn02:Sb、Ga203:Sn、AgIn02:Sn、 In203:Zn、CuA102、LaCu0S、Ni0、CuGa02 以及 SrCu202。
27.根據權利要求15所述的多層量子阱氮化物發光二極體裝置，其特徵是第二電 極由下列材料之一構成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、TiffNx(x 彡 0)以及 WSiy(y 彡 0)。
全文摘要
本發明公開了一種多層量子阱發光二極體結構，其在發光層的一側設置有一載子提供層，以提供額外的載子給發光層參與重新結合，該載子提供層包含有多層交替堆棧的阱層和勢壘層，這些阱層和勢壘層各具有的厚度，載子提供層總厚度為1nm-500nm。阱層和勢壘層都是由摻雜Si或Ge的AlpInqGa1-p-qN(p，q≥0，0≤p+q≤1)化合物半導體所製成，但各具有不同的組成，其中勢壘層具有高於井層的能帶隙。載子提供層的電子濃度是在1×1017-5×1021/cm3之間。本發明的多層量子阱發光二極體結構可以避免/降低發光層內雜質的使用。
文檔編號H01L33/00GK101859825SQ200910057040
公開日2010年10月13日 申請日期2009年4月7日 優先權日2009年4月7日
發明者武良文, 簡奉任 申請人:山東璨圓光電科技有限公司