具有载子提供层的多重量子井氮化物发光二极管的制作方法

专利名称：具有载子提供层的多重量子井氮化物发光二极管的制作方法
技术领域：
本发明是关于氮化物多重量子井发光二极管，特别是关于一种具有 载子提供层的氮化物多重量子井发光二极管，借以提供额外的载子，以 及避免/降低发光层内杂质的使用。
背景技术：
为了提高氮化镓(GaN)系发光二极管(LED)的亮度，美国专利 No.5，578,839揭示了一种发光层(或称主动层)掺杂有n型杂质(例如 Si)和/或p型杂质(例如Mg或Zn等)的I Ga!-xN ((Kx〈)化合物半 导体所制成的LED结构。此LED结构的发光层，是夹在n型GaN系化 合物半导体制成的第一包覆层(clad layer)与p型GaN系化合物半导体 制成的第二包覆层中间。该LED结构在亮度上的提升，是由于上述发光 层内所掺杂的杂质提高了载子(亦即，电子和电洞)的密度，因此有更 多载子参与重新结合(recombination)所致。
相比之下，使用多重量子井(multi quantum-well, MQW)技术的高 亮度LED,通常在其发光层内是采未加掺杂的井层(well layer)。 一般 MQW LED的发光层是包含有多重井层，井层的厚度是小于半导体材料 中载子的德布洛依(deBroglie)波长，致使电子和电洞被局限在井层内， 而可达成更佳的重新结合效率。井层通常是未加掺杂，因为井层内的杂 质会导致非辐射性(non-mdiative)的重新结合，进而造成发光效率的降 低和过多热量的产生。另一方面，在2002年五月电机工程师协会量子电 子学期刊Gffi五五Jbwma/o/0^加wm五fec的m'cs)第38册第5期里，Wu 等人在/"y we"ce o/5V (iop/"g o" C72flra故n'Wcs o//"GaiV-G^ Mw/印/e ^a"m附-恥//祝we Zig/zfZ)/otfe (Si搀杂对InGaN-GaN多重量子 井发光二极管之特性方面的影响) 一文中建议，InGaN-GaN MQW LED 的发光强度和操作电压，可借由在MQW发光层的GaN位障层(barrierlayer)内加入Si搀杂，而得到显著的改善。然而，位障层内的杂质密度 应维持在适当的位准下，否则该LED之结晶(crystalline)便会受到影响。 换言之，在LED之发光层搀杂杂质，确实有助于提高载子重新结合 效率，但此种改善是要付出代价。

发明内容
因此，本发明的主要目的，是提供一种氮化物MQWLED结构，借 以免除现有技术的缺点。
本发明的一项主要特征，是在所提出的LED结构内，于未掺杂的 MQW发光层的一侧提供载子提供层(carrier supply layer)。此载子提供 层是包含有多重且彼此交替重迭的井层和位障层，这些井层和位障层各 具有5 300A的厚度，而使载子提供层总厚度为1~500 nm。井层和位障 层两者均是由掺杂有Si或Ge的AlpInqGa,，qN (p， q20， (^p+q^1)化合 物半导体所制成，但是具有不同的组成，且位障层需具有高于井层的能 带隙(bandgap)。另外，载子提供层的电子浓度为Ixl017 5xl021/Cm3。
载子提供层的设置具有多项优点。首先，额外的电子会被提供进 MQW发光层内以与电洞重新结合，而使本发明的LED结构达成较高的 内部量子效率(internal quantum efficiency)与较高亮度。此外，由于电 子的移动性(mobility)是大于电洞，载子提供层的设置可使电子减速， 以致电子有较高的机会与电洞重新结合，因而可达成较高的重新结合效 率。再者，搀杂进载子提供层内的Si或Ge可在不掺杂发光层的情形下 有效地使本发明的LED结构的操作电压降低，而又可以使发光层有更好 的结晶。
本发明的另一特征，是在载子提供层与发光层中间的设置电洞阻隔 层(hole blocking layer)。此电洞阻隔层是由未掺杂或有Si掺杂的GaN
系材料制成，其具有大于发光层的能带隙以避免电洞逃逸进载子提供层 内、并在该处与电子重新结合。电洞阻隔层具有5人~0.5啤的厚度。
电洞阻隔层的设置还具有一些额外的优点。举例而言，实验证明电 洞阻隔层的存在会使崩溃电压(breakdownvoltage)增加，并使本发明的 LED结构的漏泄电流(leakage current)降低。此外，由于载子提供层成长后的表面上会有一些V形的瑕疵形成，电洞阻隔层可弥补这些瑕疵使 后续成长的发光层达成较佳的结晶。在本发明的某些实施例中，电洞阻
隔层是由In掺杂或In/Si共同掺杂的GaN系材料所制成，以达成更佳的 平滑化效果。其原因在于当加入铟原子时，可大幅提升载子提供层的表 面平滑性，进而有效地避免发光层的瑕疵和堆栈层错(stacking faults)。
兹结合所附图、实施例的详细说明以及权利要求保护范围，将上述 以及本发明的其它目的与优点详述于后。然而，当可了解所附图纯是为 解说本发明的精神而设，不应当视为本发明范畴的定义。有关本发明范 畴的定义，请参照所附权利要求。


图1所示是依据本发明的第一实施例的氮化物MQW LED结构的示 意图。
图2所示是依据本发明的第二实施例的氮化物MQW LED结构的示 意图。
图3所示是图1的LED结构在经过芯片程序后的LED装置的示意图。
主要组件符号说明
10基板20缓冲层
30第一接触层40载子提供层
41井层42位障层
50发光层51井层
52位障层60第二接触层
70电洞阻隔层80透明导电层
91第一电极92第二电极
具体实施例方式
图1所示是依据本发明的第一实施例的氮化物MQW LED结构的示 意图。请注意到本说明书是使用「LED结构」 一词来指称一个LED的磊 晶结构，另外以「LED装置」 一词来指称一个LED结构形成之后，再经
过后续的芯片程序(chip process)在LED结构上形成电极后所得的半导 体装置。
如图1所示，在上述LED结构的底部，基板10通常是以氧化铝单 晶(蓝宝石)或是具有与LED结构的磊晶层接近的晶格常数的氧化物单 晶制成。该基板10亦可由SiC (6H画SiC或4H-SiC)、 Si、 ZnO、 GaAs、 或MgAl204来制成。通常，上述基板10最常见的材料为蓝宝石或SiC。 在该基板10的上表面，接着形成由AlaGabIni.a_bN (0Sa， b<l， a+b^l) 制成的缓冲层(buffer layer) 20。请注意到，在一些实施例中，缓冲层 20亦可省略。亦请注意的是，由于在形成本发明的LED结构的磊晶层中 所应用的，多为相关领域具备一般技艺的人员所熟知的半导体制造方法， 为简化起见，本说明书中多将这些方法的细节予以省略，除非某些特定 的重要制造条件，才予以明白指出。
在上述缓冲层20的上表面，形成以第一导电型GaN系材料制成的 第一接触层(contactlayer) 30。在本实施例中，第一接触层30是以一种 n型GaN系材料制成。在某些他型实施例中，第一接触层30也可以一种 p型GaN系材料制成。设置第一接触层30的目的，是为了在后续的芯片 程序中，提供所形成的n型电极所需的奥姆接触(ohmic contact),以及 为其它后续成长的磊晶层提供较佳的成长条件。
接着，在上述第一接触层30的上表面，形成载子提供层40。载子提 供层40是由至少两层井层41和至少两层位障层42交替堆栈形成。载子 提供层40的总厚度是在1 nm与500 nm之间，而每一井层41和位障层 42的厚度是在5 A与300A之间。这些井层41和位障层42均是由掺杂 有Si或Ge的AlpInqGai-p.qN (p， q^)， O^p+q^l)化合物半导体制成，而 具有在lxlO力cr^与5xl0"/crr^之间的电子浓度。这些井层41和位障层 42是具有独立的组成，但位障层42具有较井层41为高的能带隙(Eg)。 井层41和位障层42均是在60(TC与120(TC之间的成长温度下形成，但 位障层42有较高的成长温度。
接着，在载子提供层40的上表面，形成本实施例的MQW发光层50。 MQW发光层50是由多数的井层51和多数的位障层52交替堆栈形成。井层51和位障层52均是由未加掺杂的AlxInyGai.x.yN (x， y^)， 0Sx+y51) 化合物半导体制成，但各具有独立的组成，该位障层52具有较井层51 者为高的能带隙(Eg)。这些井层51和位障层52也是在60(TC与1200°C 之间的不同成长温度下形成，但位障层52有较高的成长温度。载子提供 层40的井层41，是具有适当的AlpInqGa!.p-qN (p， q20， (^p+q^l)组成， 而使其能带隙大于发光层50的井层51的AlxInyGai.x.yN (x， y20， OSx+yS)。请注意到，本实施例的发光层50结构仅属例示，本发明的精 神并不限定发光层50需要一个特定的MQW结构。
载子提供层40的作用在提供额外电子进入MQW发光层50内，以 便与电洞重新结合，而使本发明的LED结构达成较高的内部量子效率并 进而达成较高亮度。此外，由于电子的移动性已知是大于电洞，载子提 供层40的设置亦可使电子减速，使其有较高的机会与电洞重新结合，因 而可达成较高的重新结合效率。更进一步的是，搀杂进载子提供层40内 的Si或Ge可使本发明的LED结构，在不掺杂发光层50的情形下同样 能有效地降低操作电压，此外，载子提供层40复可促使后续成长的发光 层50具有更好的结晶。
最后，在发光层50的上表面，以和第一导电型相反的第二导电型 GaN系材料形成第二接触层60。因此，在本实施例中，第二接触层60 是以一种p型GaN系材料制成(以相对于第一接触层30的n型GaN系 材料)。在某些其它实施例中，第二接触层60也可以n型GaN系材料制 成。设置第二接触层60的目的是为了在后续的芯片程序中，提供后续形 成的p型电极所需的奥姆接触。
图2所示是依据本发明的第二实施例的氮化物MQW LED结构的示 意图。基本上，本实施例在结构上是与第一实施例相类似，唯一不同处 是在于载子提供层40与发光层50之间设置有一层电洞阻隔层70。提供 电洞阻隔层70的两个最重要的理由是(1)避免发光层50的电洞逃逸至 载子提供层40并在该处与电子以非发光方式重新结合；以及(2)在载子提 供层40成长之后，使其表面上所形成的V形瑕疵平滑化，而使后续成长 的发光层50可以达成较佳的结晶。
电洞阻隔层70是在60(TC与120(TC之间的成长温度下，以未加掺杂、 或有Si掺杂、或有In掺杂、或有In/Si共同掺杂的GaN系材料，形成在 载子提供层40的上表面，而具有5A 0.5pm之间的厚度。电洞阻隔层70 的材料在系具有大于发光层50的能带隙，以避免电洞逃逸进入载子提供 层40内。具有In掺杂的目的是进一步提升载子提供层40的表面平滑性， 以有效地避免发光层50的瑕疵和堆栈层错。根据实验证明，电洞阻隔层 70的存在尚具有其它额外的优点，诸如使本发明的LED结构的崩溃电压 (Vb)增加，以及使其漏泄电流(1》降低。
传统上，图1和图2所示的LED结构，接着需经过芯片程序以形成 LED对外电气连结的电极、以及制备该LED以利封装。图3所示是图1 的LED结构在经过该芯片程序后的LED装置的示意图。请注意到是， 相同的芯片程序同样可应用至图2所示的LED结构，但为简化起见，下 文是以图1的LED结构作为范例。
首先，LED结构被适当地加以蚀刻，借以暴露出第一接触层30的部 份上表面。接着，在第一接触层30被暴露区域的上表面，以适当的金属 材料形成第一电极91。另一方面，在第二接触层60的上表面，形成一透 明导电层(transparent conductive layer) 80。此透明导电层80可为一金属 导电层(metallic conductive layer)或透明氧化物层(transparent oxide layer)。该金属导电层系由下列材料、但不仅限于这些材料所制成Ni/Au 合金、Ni/Pt合金、Ni/Pd合金、Pd/Au合金、Pt/Au合金、Cr/Au合金、 M/Au/Be合金、Ni/Cr/Au合金、Ni/Pt/Au合金、和Ni/Pd/Au合金。另一 方面，透明氧化物层系由下列材料、但不仅限于这些材料所制成ITO、 CTO、 ZnO:Al、 ZnGa204、 Sn02:Sb、 Ga203-:Sn、 AgIn02:Sn、 In203:Zn、 CuA102、 LaCuOS、 NiO、 CuGa02、和SrCu202。接下来，在透明导电层 80的上表面、或如图3所示的在透明性导电层80的侧边，形成第二电极 92。第二电极92系由下列材料、但不仅限于这些材料所制成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、 TiWNx(x^))、和WSiy ,。
借由以上较佳具体实施例的详述，是希望能更加清楚描述本本发明 的特征与精神，而并非以上述所揭露的较佳具体实施例来对本发明的范 畴加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排 于本发明所欲申请的权利要求的范畴内。
权利要求
1.一种氮化物MQW LED结构，至少包含基板；第一接触层，是位于该基板上方，该第一接触层是由具有第一导电型的GaN系材料制成；载子提供层，是位于该第一接触层的上方，该载子提供层是由至少两层井层与至少两层位障层交替堆栈而成，该井层与该位障层各由掺杂有n型杂质的GaN系材料制成，该位障层具有高于该井层的能带隙；发光层，是位于该载子提供层上方，该发光层是具有由复数层的井层与位障层所构成的MQW结构，该井层与该位障层各由GaN系材料制成；以及第二接触层，是位于该发光层上方，该第二接触层是由具有与该第一导电型相反的第二导电型的GaN系材料制成；其中，该载子提供层的该井层具有高于该发光层的该井层的能带隙。
2. 根据权利要求1所述的氮化物MQW LED结构，进一步包含缓冲 层，是位于该基板与该第一接触层之间，该缓冲层是以GaN系材料制成。
3. 根据权利要求2所述的氮化物MQWLED结构，其中，该缓冲层 的该GaN系材料是AlaGabln1-a-bN (0≤a， b<l， a+b≤l)。
4. 根据权利要求1所述的氮化物MQWLED结构，其中，该载子提 供层的该井层与该位障层的该n型杂质是Si与Ge 二者之一。
5. 根据权利要求1项所述的氮化物MQWLED结构，其中，该载子 提供层的该井层与位障层是各具有5 300 之间的厚度。
6. 根据权利要求1项所述的氮化物MQWLED结构，其中，该载子 提供层是具有1 nm 500nm之间的厚度。
7. 根据权利要求1项所述的氮化物MQWLED结构，其中，该载子 提供层是具有1 X ten to podwer of senventeen/cm3 5X ten to podwer of twenty-one/cm3之间的电子浓度。
8. 根据权利要求1项所述的氮化物MQWLED结构，其中，该发光 层的该井层与该位障层的该GaN系材料是AlxInyGaj-x-yN (x， y≥20，0≤x+y≤1)。
9. 根据权利要求1项所述的氮化物MQWLED结构，其中，该发光 层的该井层与该位障层的该GaN系材料是未加掺杂。
10. 根据权利要求1所述的氮化物MQW LED结构，其中，该发光 层的该井层与该位障层的该GaN系材料是AlpInqGa1－p－qN (p，q≥0，0≤p+q≤1)。
11. 根据权利要求1所述的氮化物MQW LED结构，进一步包含位 于该载子提供层与该发光层之间的电洞阻隔层，该电洞阻隔层是由具有 高于该发光层的能带隙的GaN系材料制成。
12. 根据权利要求11所述的氮化物MQWLED结构，其中，该电洞 阻隔层是具有5 A 0.5um之间的厚度。
13. 根据权利要求11项所述的氮化物MQWLED结构，其中，该电 洞阻隔层的该GaN系材料是未加掺杂。
14. 根据权利要求11所述的氮化物MQWLED结构，其中，该电洞 阻隔层的该GaN系材料掺杂有一杂质，该杂质是Si、 In、与Si/In三者之一。
15. —种氮化物MQWLED装置，至少包含 基板；缓冲层，是位于该基板上方，该缓冲层是以AlaGabIn1-a－bN(0≤a， b<l， a+b≤l)制成；第一接触层，是位于该缓冲层上方，该第一接触层是由具有第一导 电型的GaN系材料制成；载子提供层，是位于该第一接触层的上方并覆盖该第一接触层的部 分上表面，该载子提供层是由至少两层井层与至少两层位障层交替堆栈 而成，该井层与该位障层各由掺杂有n型杂质的AlpInqGa1－p－qN (p，q≥0，0≤p+q≤1)。制成，该位障层具有高于该井层的能带隙；第一电极，是位该第一接触层未被该载子提供层覆盖的上表面；发光层，是位于该载子提供层上方，该发光层是具有由复数层的井 层与位障层所构成的MQW结构，该井层与该位障层是各由AlxInyGa1-x-yN(x， y≥0)， 0≤x+y≤l)制成；以及第二接触层，是位于该发光层上方，该第二接触层是由具有与该第 一导电型相反的第二导电型的GaN系材料制成；透明导电层，是位于该第二接触层的至少一部份上表面，该透明导 电层是一金属导电层与透明氧化物层二者之一；以及第二电极，是位于该透明导电层之上，或位于该第二接触层未被该 透明导电层覆盖的上表面；其中，该载子提供层的该井层具有高于该发光层的该井层的能带隙。
16. 根据权利要求15所述的氮化物MQWLED装置，其中，该载子 提供层的该井层与该位障层的该n型杂质是Si与Ge 二者之一。
17. 根据权利要求15所述的氮化物MQWLED装置，其中，该载子 提供层的该井层与位障层，是各具有5A 300A之间的厚度。
18. 根据权利要求15所述的氮化物MQWLED装置，其中，该载子 提供层是具有1 nm~500 nm之间的厚度。
19. 根据权利要求15所述的氮化物MQWLED装置，其中，该载子 提供层是具有1 X 10117/cm3 5X 1021/cm3之间的电子浓度。
20. 根据权利要求15所述的氮化物MQWLED装置，其中，该发光 层的该井层与该位障层的该GaN系材料是未加掺杂。
21. 根据权利要求15项所述的氮化物MQWLED装置，进一步包含 位于该载子提供层与该发光层之间的电洞阻隔层，该电洞阻隔层是由具 有高于该发光层的能带隙的GaN系材料制成。
22. 根据权利要求21所述的氮化物MQWLED装置，其中，该电洞 阻隔层是具有5 A 0.5pm之间的厚度。
23. 根据权利要求21所述的氮化物MQWLED装置，其中，该电洞 阻隔层的该GaN系材料是未加掺杂。
24. 根据权利要求21的所述的氮化物MQWLED装置，其中，该电 洞阻隔层的该GaN系材料掺杂有一杂质，该杂质是Si、 In、与Si/In三者 之一。
25. 根据权利要求15所述的氮化物MQWLED装置，其中，该金属导电层是由选自下列集合之一材料所构成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. 根据权利要求15所述的氮化物MQWLED装置，其中，该透明氧化物层是由选自下列集合之一材料所构成ITO、 CTO、 ZnO:Al、 ZnGa204、 Sn02:Sb、 Ga203:Sn、 AgIn02:Sn、 In203:Zn、 CuA102、 LaCuOS、 NiO、 CuGa02以及SrCu202。
27. 根据权利要求15所述的氮化物MQWLED装置，其中，该第二电极是由选自下列集合之一材料所构成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、 TiWNx (x三O)以及WSiy (y^0)。
全文摘要
本发明提供一种多重量子井发光二极管结构，其在发光层的一侧设置有载子提供层，以提供额外的载子给发光层参与重新结合，因此可以避免/降低在发光层内杂质的使用。该载子提供层是包含有多重交替堆栈的井层和位障层，这些井层和位障层各具有5～300的厚度，而使载子提供层总厚度为1～500nm。井层和位障层均是由掺杂Si或Ge的Al_pIn_qGa_1-p-qN(p，q≥0，0≤p+q≤1)化合物半导体所制成，但各具有不同的组成，其中位障层具有高于井层的能带隙。载子提供层的电子浓度是在1×10¹⁷～5×10²¹/cm³之间。
文档编号H01L33/00GK101174662SQ20061014273
公开日2008年5月7日 申请日期2006年10月30日 优先权日2006年10月30日
发明者武良文, 简奉任 申请人:璨圆光电股份有限公司