专利名称：高亮度氮化铟镓铝发光二极管及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种高亮度发光二极管的结构及其制造方法，更具体地，涉及一种低工作电压的高亮度氮化铟镓铝发光二极管，且不需使用高掺杂浓度来降低工作电压。
背景技术：
发光二极管(LED)因其发光原理、结构等与传统光源不同，使得LED具有体积小、高可靠度、可大量生产、并且可配合需求制成各种大型元件等特性，通常应用于室内或室外大型显示屏幕。相较于传统光源，LED具有无灯丝、耗电量小、产品反应速度快的优点，亦可广泛应用于通讯、电子等各种领域。提高LED的晶粒亮度，降低元件耗能以增加市场的竞争力，则成为重要的研究方向。
近年来，为了提高发光二极管的亮度，导电透光层(如氧化铟锡、氧化锌等)被广泛的应用在各式各样的光电装置上，例如薄膜晶体管液晶显示器(TFTLCD)、有机发光二极管(OLED)、以及发光二极管等。然而，为了将发光二极管工作时的顺向电压降低并保持稳定，需要与导电透光层形成欧姆接触，这亦是制造高亮度发光二极管时所需要克服的主要问题之一。
氧化铟锡为一种用于导电透光层的现有材料。Oberman等人于美国专利案号5,925,897中公开了一镍/金薄层介于氧化铟锡与p型氮化铟镓层之间。Lin等人于美国专利号6,465,808中公开了点状导电透光层使其吸光面积变小，而增加发光效率。Ludowise等人于美国专利案号6,287,947中公开了一种多层的导电透光层，介于氧化铟锡和p型氮化镓层之间。上述的现有技术会导致顺向电压不佳，因为在不同粗糙表面上进行磊晶不易控制，以及氢钝化效应(hydrogen passivation effect)的影响。
关于降低顺向电压方面，下面现有技术使用一中介层与导电透光层接触。Okazaki等人于美国专利案号5,977,566中公开一些金属中介层(例如镁、镍、金、锌、及钛等)来形成欧姆接触。使用金属作为中介层时，虽然可以与导电透光层形成欧姆接触，但金属层会吸收光线而导致透光性不佳，进而降低了发光效率。Jou等人于美国专利案号6,078,064中公开一种高掺杂浓度(大于5×1018cm-3)的p型接触层来作为中介层，例如砷化镓、砷化铝镓、或磷化镓。Suzuki等人于美国专利案号6,479,836中公开一种选择性p型载流子高掺杂浓度的超晶格层(super-lattice layer)以降低顺向电压，例如氮化铟镓/氮化镓、氮化铝镓/氮化镓等等。且利用氧化铟锡层提供的氧将镍转换成氧化镍以作为中介层。使用高掺杂浓度的中介层虽然可以与导电透光层形成欧姆接触，但高掺杂浓度亦增加载流子扩散形象，进而导致元件稳定性与可靠性降低。
由上所述可知，提供一种同时具有稳定性及可靠性，并于工作时具有良好顺向电压的高亮度发光二极管实有其必要。
发明内容
本发明用于解决现有技术中发光二极管所遇到的各种问题。
本发明一方面在于提供一高亮度发光二极管，并且具有低掺杂浓度的接触层以及稳定且低的工作电压。
本发明另一方面提供一高亮度发光二极管，其工作时导电透光层与第二接触层间产生隧道效应，并藉由第二接触层的厚度控制导电透光层的顺向电压。
本发明又一方面提供一高亮度发光二极管，其接触层使用具有较高透光率的氮化铟镓铝材料。
本发明公开一种高亮度发光二极管，包含衬底、第一导电型氮化物层、活性层、第二导电型氮化物层、第一接触层、第二接触层、以及导电透光层。第一导电型氮化物层位于衬底上以作为一包覆层。活性层位于第一导电型氮化物层上以作为一发光层。第二导电型氮化物层位于活性层上以作为一包覆层。第一接触层具有第一带隙及第一掺杂浓度，并且位于第二导电型氮化物层上。第二接触层具有第二带隙及第二掺杂浓度，并且位于第一接触层上。导电透光层位于第二接触层上。
第一掺杂浓度与第二掺杂浓度分别大于一预定浓度，且第一带隙小于第二带隙。第二接触层小于一预定厚度，使导电透光层与第二接触层之间在发光二极管工作时产生一隧道效应。本发明公开的发光二极管结构可降低工作电压，并且在一般电压供应来源下可以稳定运作。接触层不需使用高掺杂浓度，可进一步降低载流子扩散效应并使顺向电压保持稳定。此外，工作电压可藉由第二接触层的厚度来控制，而第二接触层可藉由磊晶技术而控制在理想的范围，这使得工艺上的复杂度与问题明显地减少。
图1A为依照本发明一具体实施例的高亮度发光二极管的示意图；图1B为图1A中所示高亮度发光二极管的能阶示意图；图2A为依照本发明另一具体实施例的高亮度发光二极管的示意图；图2B为图2A中所示高亮度发光二极管的能阶示意图；以及图3为依照本发明又一具体实施例的高亮度发光二极管的示意图。
附图标记说明10 高亮度发光二极管 102 衬底104 第一导电型氮化物层106 活性层108 第二导电型氮化物层110 第一接触层112 第二接触层114 导电透光层20 高亮度发光二极管 202 衬底204 N型氮化镓层 206 活性层208 P型氮化镓层 210 第一接触层212 第二接触层214 氧化铟锡层30 高亮度发光二极管 302 衬底304 P型氮化铝镓层 306 活性层308 N型氮化铝镓层 310 第一接触层312 第二接触层314 氧化锌层具体实施方式
图1A为依照本发明一具体实施例的高亮度发光二极管10的示意图。图1B为图1A中所示高亮度发光二极管的能阶示意图。参照图1A，高亮度发光二极管10包含衬底102、第一导电型氮化物层104、活性层106、第二导电型氮化物层108、第一接触层110、第二接触层112、以及导电透光层114。衬底102的材料包含任何现有的材料，例如硅衬底、碳化硅、砷化镓等等。第一导电型氮化物层104位于衬底102上以作为一包覆层、活性层106位于第一导电型氮化物层104上以作为一发光层、第二导电型氮化物层108位于活性层106上以作为一包覆层。第一导电型氮化物层104、活性层106、第二导电型氮化层108包含任何现有的材料。在此实施例中，第一导电型氮化物层104为一P型氮化镓层、第二导电型氮化物层108为一N型氮化镓层、且活性层106为一氮化铟镓层。活性层106作为一本发明高亮度发光二极管的发光层，其发光原理与机制为现有的技术，在此不再赘述。
第一接触层110位于第二导电型氮化物层108上，且具有一第一带隙与一第一掺杂浓度。第二接触层112位于第一接触层110上，且具有一第二带隙与一第二掺杂浓度。导电透光层114位于第二接触层112上。导电透光层114的材料包含现有的材料，例如氧化铟锡、氧化锌、氧化铟、氧化锆等。第一接触层110与第二接触层112的材料包含氮化铟镓铝，其组成为InxGayAlzN，且x+y+z＝1，0≤x，y，z≤1。其中第一接触层110的第一带隙小于第二接触层112的第二带隙、第一掺杂浓度与第二掺杂浓度分别大于5×1016cm-3，且第二接触层112的厚度小于20埃(Angstrom)。在此实施例中，第一接触层110与第二接触层112为P型掺杂。藉由第一接触层110与第二接触层112的特性，当发光二极管10工作时，导电透光层114与第二接触层112之间产生一隧道效应。
在现有技术当中形成欧姆接触的方式，使用一低带隙材料以作为接触层，同时必需具有高掺杂浓度。低带隙的限制减少了接触层材料选择的弹性。例如，一般当接触层中使用铟时，会降低材料的透光性，然而在现有技术中，为了符合接触层的低带隙限制，或多或少需在接触层材料中使用铟。而本发明可以改善这个限制，参照图1B可更清楚地了解本发明的高亮度发光二极管的工作原理。本发明在带隙上只需第一接触层的带隙小于第二接触层的带隙。例如接触层组成为InxGayAlzN，且x+y+z＝1，0≤x，y，z≤1，当x为零时，本发明的接触层不包含铟，提高了使用材料的选择弹性以及优势。另外，现有技术当中需使用高掺杂浓度(大于5×1018cm-3)来达成欧姆接触，然而，提高掺杂浓度时，亦伴随着许多缺点。掺杂浓度提高的同时会使得扩散效应增加，且这些不必要的离子扩散会导致元件的稳定性与可靠性降低。再者，掺杂浓度提高会使得接触层的吸光率增加，导致元件的发光效率降低。另外，高掺杂浓度亦具有容易氧化、钝化(passivation)等缺点。本发明允许在较低掺杂浓度下(大于5×1016cm-3)，即可形成欧姆接触，解决现有技术的不足。
相较于现有技术使用高掺杂浓度来控制工作电压，本发明提供一个工艺上较容易的方式来控制元件的工作电压。本发明藉由将第二接触层112控制于一预定厚度之内，亦即隧道效应的隧道宽度D(标示于图1B)，便可达成控制发光二极管10的工作电压。第二接触层112的厚度一般为小于20埃，便可以有效产生隧道效应，此时电子不需跨越第二接触层112的带隙，而直接藉由隧道效应通过第二接触层112。第二接触层112的厚度可藉由磊晶技术来达成良好的控制。因为控制厚度较掺杂浓度来得容易，因此本发明提供较稳定且可靠的高亮度发光二极管。在此必需注意的是，第一接触层的厚度并不影响本发明的发光二极管的工作电压。
图2A为依照本发明另一具体实施例的高亮度发光二极管20的示意图。图2B为图2A中所示高亮度发光二极管的能阶示意图。参照图2A，高亮度发光二极管20包含衬底202、N型氮化镓层204、活性层206、P型氮化镓层208、第一接触层210、第二接触层212、以及氧化铟锡层214。第一接触层210具有一第一带隙与一第一掺杂浓度。第二接触层212具有一第二带隙与一第二掺杂浓度。第一接触层210与第二接触层212的材料包含氮化铟镓铝，其组成为InxGayAlzN，且x+y+z＝1，0≤x，y，z≤1。其中第一接触层210的第一带隙小于第二接触层212的第二带隙、第一掺杂浓度与第二掺杂浓度分别大于5×1016cm-3。第一接触层210的厚度为10埃，且第二接触层212的厚度为20埃。本发明藉由将第二接触层212控制于一预定厚度之内，亦即隧道效应的隧道宽度D(标示于图2B)，便可达成控制发光二极管20的工作电压。此时空穴不需跨越第二接触层212的带隙，而直接藉由隧道效应通过第二接触层212。在此应注意的是，本领域内的技术人员应当知道本实施例的其它特性与优点与上述的实施例相同，在此不再赘述。
图3为依照本发明另一具体实施例的高亮度发光二极管30的示意图。参照图3，高亮度发光二极管30包含衬底302、P型氮化铝镓层304、活性层306、N型氮化铝镓层308、第一接触层310、第二接触层312、以及氧化锌层314。第一接触层310具有一第一带隙与一第一掺杂浓度。第二接触层312具有一第二带隙与一第二掺杂浓度。第一接触层310与第二接触层312的材料包含氮化铟镓铝，其组成为InxGayAlzN，且x+y+z＝1，0≤x，y，z≤1。其中第一接触层310的第一带隙小于第二接触层3 12的第二带隙、第一掺杂浓度与第二掺杂浓度系分别大于5×1016cm-3。第一接触层310的厚度为600埃，且第二接触层312的厚度为10埃。本发明藉由将第二接触层312控制于一预定厚度之内，便可达成控制发光二极管30的工作电压。在此应注意的是，本领域内的技术人员应当知道本实施例的其它特性与优点与上述的实施例相同，在此不再赘述。
本发明并公开一种形成氮化铟镓铝发光二极管的方法，包含提供一衬底。形成一第一导电型氮化物层于衬底上，以作为一包覆层。形成一活性层于第一导电型氮化物层上，以作为一发光层。形成一第二导电型氮化物层于活性层上，以作为一包覆层。形成一第一氮化铟镓铝层于第二导电型氮化物层上，且第一氮化铟镓铝层具有一第一带隙及一第一掺杂浓度。形成一第二氮化铟镓铝层于第一氮化铟镓铝层上，且第二氮化铟镓铝层具有一第二带隙及一第二掺杂浓度。第一带隙小于第二带隙，且第一掺杂浓度与第二掺杂浓度大于一预定浓度。形成一导电透光层于该第二氮化铟镓铝层上。第二氮化铟镓铝层小于一预定厚度，使导电透光层与第二氮化铟镓铝层之间在发光二极管工作时产生一隧道效应。
由上所述的具体实施例可知，本发明提供一种同时具有稳定性及可靠性，并于工作时具有良好顺向电压的高亮度发光二极管及其制造方法。但本领域的技术人员应当知道，上述的实施例用以描述本发明，然本发明技术仍可有许多的修改与变化。因此，本发明并不限于以上特定实施例的描述，本发明的权利要求欲包含所有此类修改与变化，以能真正符合本发明的精神与范围。
权利要求
1.一种发光二极管，包含一衬底；一第一导电型氮化物层，位于该衬底上以作为一包覆层；一活性层，位于该第一导电型氮化物层上以作为一发光层；一第二导电型氮化物层，位于该活性层上以作为一包覆层；一第一接触层，位于该第二导电型氮化物层上，该第一接触层具有一第一带隙；一第二接触层，位于该第一接触层上，该第二接触层具有一第二带隙，其中该第一带隙小于该第二带隙；以及一导电透光层，位于该第二接触层上；其中该第二接触层小于一预定厚度，使该导电透光层与该第二接触层之间在该发光二极管工作时产生一隧道效应。
2.如权利要求1所述的发光二极管，其中该第一接触层具有一第一掺杂浓度；以及该第二接触层具有一第二掺杂浓度，且该第一掺杂浓度与该第二掺杂浓度分别大于一预定浓度。
3.如权利要求2所述的发光二极管，其中该预定为5×1016cm-3。
4.如权利要求1所述的发光二极管，其中该预定厚度为20埃。
5.如权利要求1所述的发光二极管，其中该第一接触层为氮化铟镓铝。
6.如权利要求1所述的发光二极管，其中该第二接触层为氮化铟镓铝。
7.如权利要求1所述的发光二极管，其中该导电透光层包含氧化铟锡、氧化锌、氧化铟、氧化锆等。
8.一种形成氮化铟镓铝发光二极管的方法，包含提供一衬底；形成一第一导电型氮化物层于该衬底上，以作为一包覆层；形成一活性层于该第一导电型氮化物层上，以作为一发光层；形成一第二导电型氮化物层于该活性层上，以作为一包覆层；形成一第一氮化铟镓铝层于该第二导电型氮化物层上，该第一氮化铟镓铝层具有一第一带隙及一第一掺杂浓度；形成一第二氮化铟镓铝层于该第一氮化铟镓铝层上，该第二氮化铟镓铝层具有一第二带隙及一第二掺杂浓度，其中该第一带隙小于该第二带隙，且该第一掺杂浓度与该第二掺杂浓度大于一预定浓度；以及形成一导电透光层于该第二氮化铟镓铝层上；其中该第二氮化铟镓铝层小于一预定厚度，使该导电透光层与该第二氮化铟镓铝层之间在该发光二极管工作时产生一隧道效应。
9.如权利要求16所述的方法，其中该预定浓度大于5×1016cm-3。
10.如权利要求16所述的方法，其中该预定厚度为20埃。
全文摘要
本发明公开一种高亮度氮化铟镓铝发光二极管及其制造方法，该发光二极管包含衬底、第一导电型氮化物层、活性层、第二导电型氮化物层、第一接触层、第二接触层、以及导电透光层。第一接触层具有第一带隙及第一掺杂浓度，并且位于第二导电型氮化物层上。第二接触层具有第二带隙及第二掺杂浓度，并且位于第一接触层上。第一掺杂浓度与第二掺杂浓度分别大于一预定浓度，且第一带隙小于第二带隙。第二接触层小于一预定厚度，使导电透光层与第二接触层之间在发光二极管工作时产生一隧道效应。
文档编号H01L33/00GK1758448SQ20041008491
公开日2006年4月12日 申请日期2004年10月10日 优先权日2004年10月10日
发明者吴仁钊, 杜全成, 黄宝亿 申请人:国联光电科技股份有限公司