三族氮化合物半導體發(fā)光二極管和其制造方法

文檔序號：7238015閱讀：172來源：國知局

專利名稱：三族氮化合物半導體發(fā)光二極管和其制造方法
三族氮化合物半導體發(fā)光二極管和其制造方法
絲鄉(xiāng)
本發(fā)明是關于一種三族氮化合物半導體發(fā)光二極管和其制造方法，尤
其關于一種能釋放活性層與N型半導體材料層之間應力的三族氮化合物半導體發(fā)光二極管和其制造方法。
賴粉
隨著發(fā)光二極管元件的被廣泛應用于不同產(chǎn)品，近年來制作藍光發(fā)光二極管的材料，已成為當前光電半導體材料業(yè)重要的研發(fā)對象。目前藍光發(fā)光二極管的材料有硒化鋅(ZnSe)、碳化硅(SiC)和氮化銦鎵(InGaN)等材料，這些材料都是寬能隙(bandgap)的半導體材料，能隙大約在2.6eV以上。由于氮化鎵系列是直接能斷direct gap)的發(fā)光材料，因此可以產(chǎn)生高亮度的照明光線，且相比于同為直接能隙的硒化鋅具有壽命長的優(yōu)點。
目前藍光發(fā)光二極管的活性層(發(fā)光層)多采用氮化銦鎵/氮化鎵 (InGaN/GaN)量子阱結構，所述量子阱結構是夾設于N型氮化鎵(GaN)層與 P型氮化鎵層之間的。當In加入GaN形成InGaN時，由于InGaN與GaN 之間的晶格常數(shù)不同，以致于活性層和氮化鎵界面產(chǎn)生應力。所述應力會產(chǎn)生壓電的作用而形成壓電場，從而會影響活性層的發(fā)光效率和波長，因此需要消除應力以避免不良的影響。
圖1是美國專利US 6,345,063的發(fā)光二極管的剖面示意圖。發(fā)光二極管IO包含襯底11、緩沖層12、 N型InGaN層13、活性層14、第一 P型三五族氮化合物層15、第二 P型三五族氮化合物層16、 P型電極17和N型電極18。 N型InGaN層13和活性層14的InGaN膜間的晶格常數(shù)匹配，因此可消除累積的應力。但所述N型InGaN層13的形成溫度較低，因此會犧牲晶體外延生長質(zhì)量而取代原先質(zhì)量較佳的GaN層。
圖2是美國專利US 6,861,270的發(fā)光二極管的剖面示意圖。發(fā)光二極管20包含襯底21、 N型氮化鋁鎵(AlGaN)層22、多個鎵或鋁的微凸部25、活性層23和P型氮化鋁鎵層24。所述鎵微凸部25會使得活性層23在能隙上產(chǎn)生波動(fluctuation)，在能隙帶較窄的區(qū)域的發(fā)光效率會增加，即使位錯(dislocation)在所述區(qū)域仍會發(fā)生。參見所述美國專利的
發(fā)明內(nèi)容
(Summary of the Invention),其中明確揭示所述能隙帶的波動是通過晶格常數(shù)不同所產(chǎn)生，因此本專利并非解決晶格常數(shù)不匹配所造成的應力問題。
圖3是美國專利US 7,190,001的發(fā)光二極管的剖面示意圖。發(fā)光二極管30包含襯底31、緩沖層32、 N型覆蓋層(cladding layer)33、 A1N非平坦層34、活性層35、 P型覆蓋層36、接觸層37、透明電極38、 P型電極391 和N型電極392?；钚詫?5形成于A1N非平坦層34上，因此可簡化活性層35的生長條件，從而增加發(fā)光效率。然而所述A1N非平坦層34需要特別的熱處理工藝才能形成于N型覆蓋層33上，因此容易影響原本底層的晶體外延生長質(zhì)量。
綜上所述，市場上急需一種確保質(zhì)量穩(wěn)定的發(fā)光二極管，才能改善上述常規(guī)技術的各種缺點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的是提供一種三族氮化合物半導體發(fā)光二極管和其制造方法，其可以減少晶體外延生長層的應力累積，因而能降低量子限制 Stark效應(Quantum Confined Stark Effect; QCSE)，增加電子和空穴復合機率，從而提高發(fā)光二極管的發(fā)光效率。
為達上述目的，本發(fā)明揭示一種三族氮化合物半導體發(fā)光二極管，其包含襯底、第一型半導體材料層、共形(conformation)活性層和第二型半導體材料層。所述第一型半導體材料層包括第一表面和第二表面，其中所述第一表面朝向所述襯底，所述第二表面相對于所述第一表面并具有多個凹部。所述共形活性層形成于所述第二表面上和所述多個凹部內(nèi)。所述共形活性層與所述第一型半導體材料層之間的應力可通過所述多個凹部釋放。所述第二型半導體材料層設置于所述共形活性層上。
上述發(fā)光二極管另外包含介于所述襯底與所述第一型半導體材料層之間的緩沖層。
所述凹部的深度大于所述共形活性層中量子阱層的厚度，且小于所述第一型半導體材料層的厚度。且所述凹部的上方開口的寬度大于O.lpm且小于l(Him。所述多個凹部具有不同尺寸。所述多個不同尺寸的凹部呈均勻或交錯分布。所述凹部的開口寬度大于所述凹部的底部寬度。所述共形活性層是單層量子阱結構或多層量子阱結構。所述第一型半導體材料層是N型半導體材料層，且所述第二型半導體材料層是P型半導體材料層。
本發(fā)明還揭示一種三族氮化合物半導體發(fā)光二極管的制造方法，包含下列步驟提供襯底；在所述襯底上生長第一型半導體材料層，其中所述第一型半導體材料層包括第一表面和第二表面，所述第一表面朝向所述襯底，所述第二表面相對于所述第一表面并具有多個凹部；生長共形活性層于所述第一型半導體材料層上；以及在所述共形活性層上形成第二型半導體材料層。
所述多個凹部是通過蝕刻工藝形成于所述第一型半導體材料層的第二表面。
所述多個凹部是通過控制氮氣、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的流量而形成于所述第二表面的空洞。所述多個凹部是通過金屬有機化學氣相沉積工藝產(chǎn)生。
上述制造方法另外包含直接在所述襯底表面形成至少一緩沖層的步驟。
通過上述設計，本發(fā)明第一型半導體材料層表面并具有多個凹部，共形活性層形成于所述表面上和所述多個凹部內(nèi)。因此所述共形活性層與所述第一型半導體材料層之間的應力可通過所述多個凹部釋放，從而增加電子和空穴復合機率，以提高發(fā)光二極管的發(fā)光效率。

圖1是美國第US 6，345，063號專利的發(fā)光二極管的剖面示意圖；圖2是美國第US 6,861,270號專利的發(fā)光二極管的剖面示意圖；圖3是美國第US 7,190,001號專利的發(fā)光二極管的剖面示意圖；圖4是本發(fā)明三族氮化合物半導體發(fā)光二極管的剖面示意圖；圖5A是本發(fā)明發(fā)光二極管的部分剖面示意圖；以及圖5B是圖5A中部分發(fā)光二極管的上視圖。
具體實施例方式
圖4是本發(fā)明三族氮化合物半導體發(fā)光二極管的剖面示意圖。發(fā)光二極管40包含襯底41、緩沖層42、 N型(或稱為第一型)半導體材料層43、共形活性層44和P型(或稱為第二型)半導體材料層45，又在N型半導體材料層43表面設置有N型電極47，和在P型半導體材料層45表面設置有P 型電極46。
一般來說，制作此發(fā)光二極管40是先提供基材41，例如藍寶石(即鋁氧化合物入1203)、碳化硅(SiC)、硅、氧化鋅(ZnO)、氧化鎂(MgO)和砷化鎵(GaAs)等，并在所述基材41上形成不同的材料層。因為基材41與三族氮化合物的晶格常數(shù)不匹配，因此需要在基材41上先形成至少一緩沖層 42，所述緩沖層42的材料可以是GaN、 InGaN或AlGaN，或硬度比常規(guī)含鋁元素緩沖層低的超晶格(Superlattice)層。然后在緩沖層42上生長N型半導體材料層43，其可以利用晶體外延生長的方式產(chǎn)生N型氮化鎵摻雜硅薄膜以作為N型半導體材料層43。所述N型半導體材料層43的上表面并非平坦狀，其包含多個凹部431和一平坦區(qū)432。凹部431的形成仍可以在金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)爐內(nèi)完成，其是在N型半導體材料層43 沉積到達一定厚度(l 5pm)之后，再將供應的氮氣、氨氣、氫氣、三甲基鎵(trimethylgalliaum; TMGa)、三乙基鎵、三甲基銦(trimethylindium; TMIn)、三乙基銦或有機金屬化合物關閉或降至低流量，因此表面的晶體外延生長部分會產(chǎn)生很多空洞的凹部431。另外，還可選擇在N型半導體材料層43 形成之后，再以蝕刻工藝在N型半導體材料層43表面產(chǎn)生同樣的凹部431 。
然后在N型半導體材料層43上生長單層量子阱(single quantum well; SQW)結構或多層量子阱(multiquantum well; MQW)結構的共形活性層44, 例如二層至三十層的發(fā)光層/阻擋層(barrierlayer)的多層量子阱疊層結構，而又以六層至十八層的疊層結構為優(yōu)選，所述共形活性層44為發(fā)光二極管 40主要產(chǎn)生光線的部分。所述發(fā)光層可以是氮化鋁銦鎵(AlxInyGaLx.YN)且阻擋層可以是氮化鋁銦鎵(AWnjGaLwN)，而且0$X<1、 0^Y<1、 0^1 <1和0^J<1， X+Y<1和I + J<1;又當X、 Y、 I、 J>0，則X^I禾卩Y#J。又氮化銦鎵(InGaN)/氮化鎵(GaN)也可作為發(fā)光層/阻擋層的材料。通過N
8型半導體材料層43表面的凹部431，可釋放共形活性層44與N型半導體材料層43之間的應力，因此可增加共形活性層44的發(fā)光效率。此外，因為是在N型半導體材料層43上形成凹部431，所以不需要再增加不同材料的晶體外延生長層或沉積金屬微凸部，所以不會降低底部各晶體外延生長層的質(zhì)量，也不需采用晶格常數(shù)匹配但犧牲晶體外延生長質(zhì)量的晶體外延生長層作為N型半導體材料層43。
在共形活性層44上形成至少一 P型半導體材料層45，所述P型半導體材料層45可以為摻雜鎂的氮化鎵與氮化銦鎵的疊層或摻雜鎂的氮化鋁鎵與氮化鎵超晶格結構加上摻雜鎂的氮化鎵等不同結構。另外，在N型半導體材料層43和P型半導體材料層45分別形成N型電極47和P型電極 46的圖型，借此可連接外部的電力。
圖5A是本發(fā)明發(fā)光二極管的部分剖面示意圖。在襯底41上依序形成緩沖層42和N型半導體材料層43，所述N型半導體材料層43表面有多個凹部431和一平坦區(qū)432。凹部431的深度h可以大于單一量子阱層的厚度，且小于N型半導體材料層43的厚度。另外，凹部431的截面略呈倒梯形，其上方開口的寬度W可大于0.1pm且小于l(Him。
圖5B是圖5A中部分發(fā)光二極管的上視圖。多個凹部431的寬度W或直徑并非單一而是大小不一，不同尺寸的凹部431約略呈均勻或交錯分布于N型半導體材料層43表面。
本發(fā)明的技術內(nèi)容和技術特點已揭示如上，然而所屬領域的技術人員仍可能基于本發(fā)明的教導和公開而作種種不背離本發(fā)明精神的替換和修飾。因此，本發(fā)明的保護范圍應不限于實施例所公開的范圍，而應包括各種不背離本發(fā)明的替換和修飾，并為所附的權利要求書所涵蓋。
權利要求
1. 一種三族氮化合物半導體發(fā)光二極管，其特征在于包含襯底；第一型半導體材料層，包括第一表面和第二表面，其中所述第一表面朝向所述襯底，所述第二表面相對于所述第一表面并具有多個凹部；共形活性層，其形成于所述第二表面上和所述多個凹部內(nèi)；以及第二型半導體材料層，其設置于所述共形活性層上。
2. —種三族氮化合物半導體發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于包含下列步驟提供襯底；在所述襯底上生長第一型半導體材料層，其中所述第一型半導體材料層包括第一表面和第二表面，所述第一表面朝向所述襯底，所述第二表面相對于所述第一表面并具有多個凹部；生長共形活性層于所述第一型半導體材料層上；以及在所述共形活性層上形成第二型半導體材料層。
3. 根據(jù)權利要求2所述的三族氮化合物半導體發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于所述多個凹部是通過蝕刻工藝形成于所述第一型半導體材料層的第二表面。
4. 根據(jù)權利要求2所述的三族氮化合物半導體發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于所述多個凹部是通過控制供應所述第一型半導體材料層長成的有機金屬化合物或氣體的流量而產(chǎn)生。
5. 根據(jù)權利要求4所述的三族氮化合物半導體發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于所述多個凹部是通過控制氮氣、氨氣、氫氣、三甲基鎵、三乙基鎵、三甲基銦或三乙基銦的流量而形成于所述第二表面的空洞。
6. 根據(jù)權利要求5所述的三族氮化合物半導體發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于所述多個凹部是通過金屬有機化學氣相沉積工藝產(chǎn)生。
7. 根據(jù)權利要求1所述的三族氮化合物半導體發(fā)光二極管或權利要求 2所述的三族氮化合物半導體發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于所述凹部的深度大于所述共形活性層中量子阱層的厚度，且小于所述第一型半導體材料層的厚度。
8. 根據(jù)權利要求1所述的三族氮化合物半導體發(fā)光二極管或權利要求 2所述的三族氮化合物半導體發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于所述凹部的上方開口的寬度大于0.1pm且小于10pm。
9. 根據(jù)權利要求1所述的三族氮化合物半導體發(fā)光二極管或權利要求 2所述的三族氮化合物半導體發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于所述多個凹部具有不同尺寸。
10. 根據(jù)權利要求9所述的三族氮化合物半導體發(fā)光二極管或三族氮化合物半導體發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于所述多個不同尺寸的凹部呈均勻或交錯分布。
11. 根據(jù)權利要求1所述的三族氮化合物半導體發(fā)光二極管或權利要求2所述的三族氮化合物半導體發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于所述凹部的開口寬度大于所述凹部的底部寬度。
12. 根據(jù)權利要求1所述的三族氮化合物半導體發(fā)光二極管或權利要求2所述的三族氮化合物半導體發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于所述共形活性層是單層量子阱結構或多層量子阱結構。
13. 根據(jù)權利要求12所述的三族氮化合物半導體發(fā)光二極管或三族氮化合物半導體發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于所述多層量子阱結構是二層至三十層的發(fā)光層/阻擋層的疊層結構。
14. 根據(jù)權利要求12所述的三族氮化合物半導體發(fā)光二極管或三族氮化合物半導體發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于所述多層量子阱結構是六層至十八層的發(fā)光層/阻擋層的疊層結構。
15. 根據(jù)權利要求14所述的三族氮化合物半導體發(fā)光二極管或三族氮化合物半導體發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于所述發(fā)光層/阻擋層是 AlxInYGa!國x國yN/ AWnjGau陽jN，其中0^X<1、 0^Y<1、 0^1<1和0芻J <1， X+Y〈1和I+J〈1;又當X、 Y、 I、 J>0，則X^I且Y^T。
16. 根據(jù)權利要求1所述的三族氮化合物半導體發(fā)光二極管或權利要求2所述的三族氮化合物半導體發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于另外包含介于所述襯底與所述第一型半導體材料層之間的緩沖層，所述基材的材料是藍寶石、碳化硅、硅、氧化鋅、氧化鎂或砷化鎵，以及于所述發(fā)光層/阻擋層是氮化銦鎵/氮化鎵。
17.根據(jù)權利要求1所述的三族氮化合物半導體發(fā)光二極管或權利要求2所述的三族氮化合物半導體發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于所述第一型半導體材料層是N型半導體材料層，且所述第二型半導體材料層是 P型半導體材料層，所述第一型半導體材料層是N型氮化鎵摻雜硅薄膜，所述第二型半導體材料層可以是摻雜鎂的氮化鎵與氮化銦鎵的疊層，或者是摻雜鎂的氮化鋁鎵與氮化鎵超晶格結構加上摻雜鎂的氮化鎵的疊層，以及另外包含第一型電極和第二型電極，其中所述第一型電極設置于所述第一型半導體材料層上，且所述第二型電極設置于所述第二型半導體材料層上。
全文摘要
一種三族氮化合物半導體發(fā)光二極管，其包含襯底、緩沖層、N型半導體材料層、共形活性層和P型半導體材料層。所述N型半導體材料層具有第一表面和第二表面，所述第一表面直接接觸所述緩沖層。所述第二表面具有多個凹部，所述共形活性層形成于所述第二表面上和所述多個凹部內(nèi)。所述共形活性層與所述N型半導體材料層之間的應力可通過所述多個凹部釋放。
文檔編號H01L33/00GK101452980SQ200710195850
公開日2009年6月10日申請日期2007年11月30日優(yōu)先權日2007年11月30日
發(fā)明者葉穎超, 吳芃逸, 徐智鵬, 林文禹, 涂博閔, 詹世雄, 黃世晟申請人:先進開發(fā)光電股份有限公司

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