专利名称：半导体化合物发光二极管组件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种发光二极管(Light Emitting Diode；LED)结构，特别是一种有关提高p型-氮化镓的载流子浓度，及利用透明导体氧化层或氮化层高透光率的氮化镓基半导体发光二极管的结构及其制造方法。
背景技术：
发光二极管由于具有亮度高、能耗低、寿命长、结构紧凑、体积小、平面化、重量轻、方向性好、响应快、无辐射以及耐各种恶劣条件等优点，因此极具商业价值。而在全彩的三原色中，蓝色光源二极管是其中最晚被开发出来的。因此如果说蓝色光源二极管是近十年来半导体发光技术研发的重要突破，并不为过。
大约从二十年前开始，就已经有很多研究方向利用GaN做为蓝色发光材料，主要是GaN具有3-4 eV的宽能阶，而且是直接跃迁，很适合用作蓝色发光半导体材料。此外，如果再与能隙为6.3ev的AlN混合，则2.0ev的InN将可以将能阶从2.0ev连续改变到6.3ev，将可以获得从紫外线、紫光、蓝光、绿光到黄光等范围的颜色。但早期有许多问题一直无法克服，例如GaN必须在高温(1000℃)下成长，很容易形成气泡，造成晶格缺陷；其次，很难形成P型的GaN，以致无法以p-n二极管的方法发光；第三则是必须设法做出异质结构，将载流子局限在很薄的发光层中，提高载流子浓度，以提高发光效率。
不过，由于蓝光发光二极管(LED)领域充满商机与潜力，国际上各生产厂家和研究机构无不竞相投入斥巨资进行开发。因此，以上所提到的困难点，近期已经有重大的突破。时至今日，不但GaN高亮度蓝光、绿光LED的开发成功而且己广泛上市，如果再利用高亮度蓝光LED激发萤光物质(phospher)可以产生白光，这将使得户外全彩LED显示器及LED交通信号灯商机一一浮现。
图1显示传统的GaN基LED外延结构层10。包括由下而上依次在一蓝宝石基板2上形成n型GaN基化合物层4、多量子阱活化层(multi-quantum well)6、p型铟化镓(GaN)基化合物层8、由镍、金组成的薄透明接触层12。其中n型GaN基化合物层4及蓝宝石基板2面积比形成于其上的各层大。n型电极5形成于裸露的n型GaN基化合物层4上，此外p型电极15则形成在薄透明接触层12上。
薄透明接触层12的透光率以总厚度10nm而言，约为50％，换句话说，将有一半由活化层6所发出的光会被牺牲掉，付出这个代价的原因是由于p型铟化镓(GaN)基化合物层8不易提高载流子浓度，而薄透明接触层12的低阻值特性，正可提供自阳极(p电极)注入的电流散布在整个面上，使活化层6充分发光。因此，薄透明接触层12仍广泛地被传统LED所利用。
因此，本发明将提供一种新的结构，利用透明导体氧化层透光率达95％的特性解决透光度减少的问题。
发明内容
本发明利用一层铟金属层与透明导体氧化层或氮化层取代传统TCL层(transparent contact layer)，以提高透光度，其中铟金属层可以在退火后与p型-氮化镓化合物形成低阻值的欧姆接触于界面层处，而透明导体氧化层或氮化层则提供良好的电流散布能力与透光率从而提高亮度。
本发明提供一种发光二极管的结构及其制造方法。该结构中包含在一蓝宝石基板上依次形成一个n型氮化镓化合物电极层、一个氮化镓基活化层、一个p型氮化镓基化合物层、一个铟金属层和一个透明导体氧化层(或氮化层)。其中，透明导体氧化层(或氮化层)、铟金属层、p型氮化镓基化合物层、氮化镓基活化层及部分n型氮化镓化合物电极层经蚀刻后使n型氮化镓化合物电极层部分裸露，以便在n型氮化镓化合物电极层上形成n型电极。而透明导体氧化层上则另形成一个p型电极。接着，再经退火处理以使铟金属层与p型氮化镓基化合物层接合的一面形成p型的氮化铟镓基化合物薄层。铟金属层与透明导体氧化层或氮化层接合的另一界面则形成固溶体(solid solution)而互相融合。这样一来就可使欧姆接触阻值大幅降低。
本发明的优点1.本发明的发光二极管，由于以透明导体氧化层或氮化层取代传统的镍/金层，因此亮度可大幅提高。
2.制造过程步骤简单。
本发明的较佳实施例将在后面的说明文字中辅以下列图形做更详细的阐述图1是依据已知技术所制造的发光二极管结构的横截面示意图。
图2是依据本发明的方法制造的发光二极管退火前横截面示意图。
图3是依据本发明的方法制造的发光二极管退火后横截面示意图。
具体实施例方式
如前所述，影响已知蓝光发光二极管亮度的主要因素之一是p型GaN基化合物层可提供的载流子浓度。一般而言，p型GaN基化合物层可提供的载流子浓度远比n型GaN基化合物层来得低很多，因此为使发光的活化层发挥其效率，通常就需要借助一层透明接触层(transparent contact layer；TCL)形成于p型GaN基化合物层与p型电极之间，以使得电流散布在整个发光层的横截面。然而，已知透明接触层是以镍与金的双薄层(Ni/Au)来提供电流散布的。典型厚度约10nm Ni/Au的TCL约有50％的透光度。也就是说，约有一半的光浪费掉了。鉴于此，本发明将提供一个克服上述问题的发光二极管结构。
本发明利用透明导体氧化层或透明导体氮化层来取代Ni/Au的TCL，但导体氧化层或氮化层与p型GaN基化合物层并不能形成低阻值的欧姆接触，因此，在p型GaN基化合物层上需要一层过渡层铟金属层In，In金属层可以和p型GaN基化合物层产生化合物，且In金属本身也可以溶于导体氧化层或透明导体氮化层，因此将可以形成低阻值的欧姆接触。利用透明导体氧化层或透明导体氮化层95％的透光度将可明显改善已知技术的问题，明显增加亮度。
因此，本发明将提供新的发光二极管结构实施例以解决上述传统发光二极管的缺点。详细说明如下。
首先请先参照图2所示发光二极管的外延结构层100的横截面示意图，包括在蓝宝石基板102上，由下而上依次形成n型GaN基化合物层104、多量子阱活化层(multi-quantum well)106、p-型AlGaN上包覆层(upper cladding layer)107、p型铟化镓(GaN)基化合物层108、铟金属层112及、透明导体氧化层或透明导体氮化层114。其中p-型AlGaN上包覆层107是选择性的(optional)，也就是可以省略的，而铟金属层112的厚度约为5-20nm，透明导体氧化层或透明导体氮化层114的厚度约为5-10000nm。
以较佳的实施例而言，In2O3锡氧化物(SnO2)、镉氧化物类(CdO)、锌氧化物(ZnO)、ITO、镉锡氧化物(CTO)、锑锌氧化物(AZO)、锑锡氧化物(ATO)、锑氧化物都是透明导体氧化层114可以选用的材料。而透明导体氮化层114可以选自钛氮化物(TiN)、钛钨氮化物(TiWN)其中任一种。
随后，再采用显影及蚀刻技术，由上而下依次蚀刻透明导体氧化层或透明导体氮化层114、铟金属层112、p型GaN基化合物层108、p-型AlGaN上包覆层107、多量子阱活化层(multi-quantum well)106、并移除部分厚度的n型GaN基化合物层104，使部分n型GaN基化合物层104因蚀刻而裸露。
紧接着，如图3所示，对基板采用退火处理，以使In铟金属层112与p型GaN基化合物108的界面产生薄层的p型InGaN基化合物113层。退火的温度约为100至800℃。以较佳的实施例而言，薄层的p型InGaN基化合物层113只要约一到五个原子层的厚度即可，因此约为5到25埃的厚度即可。形成较厚的p型InGaN基化合物层113，例如厚度达5到150埃也可以。退火的同时，铟金属层112与透明导体氧化层或氮化层的界面也将形成固溶体(solid solution)而降低阻值。反应后的铟金属层112的厚度约为2-10nm。
最后，再采用传统制造过程在n型GaN基化合物层104上形成n型电极层105，在透明导体氧化层或透明导体氮化层114上形成p型电极层115。
以上所述只是本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的权利要求范围，凡其它在未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，都应包含在下述的权利要求范围内。
附图符号说明2 蓝宝石基板4 n型GaN基化合物层5 n型电极6 GaN基活化层8 p型铟化镓(GaN)基化合物层10 GaN基LED外延结构层12 镍、金组成的薄透明接触层100 GaN基LED外延结构层102 蓝宝石基板104 n型GaN基化合物层
105 n型电极106 GaN基活化层107 p-型AlGaN上包覆层112 铟金属层113 p型InGaN基化合物层114 透明导体氮化层或氮化层115 p型电极15 p型电极108 p型铟化镓基化合物层
权利要求
1.一种发光二极管，包含基板；n型氮化镓化合物电极层，形成于所述基板上；氮化镓基活化层，形成于所述n型氮化镓基化合物层上，其中所述活化层面积小于所述n型氮化镓基化合物层，因此所述n型氮化镓基化合物层部分裸露；n型电极，形成于所述裸露的n型氮化镓基化合物层上；p型氮化镓基化合物层，形成于所述氮化镓基活化层上；铟金属层，形成于所述p型氮化镓基化合物层上；透明导体氧化层或氮化层其中之一，形成于所述铟金属层上；及p型电极，形成于所述透明导体氧化层上。
2.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述p型氮化镓基化合物层与铟金属层的界面，还包含通过对所述发光二极管退火而形成的p型氮化铟镓化合物层，形成在所述p型氮化镓基化合物层与所述铟金属层之间。
3.如权利要求2所述的发光二极管，其特征在于，所述的p型氮化铟镓化合物层厚度为5-25埃。
4.如权利要求2所述的发光二极管，其特征在于，所述的p型氮化铟镓化合物层厚度为5-150埃。
5.如权利要求1或2所述的发光二极管，其特征在于，所述的铟金属层厚度为50-100埃。
6.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述的透明导电型氧化层选自由In2O3、锡氧化物、镉氧化物类、锌氧化物、ITO、镉锡氧化物、锑锌氧化物、锑锡氧化物、锑氧化物所组成的族群的其中的一种。
7.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述的透明导电型氮化层选自由钛氮化物、钛钨氮化物所组成的族群的其中的一种。
8.一种氮化镓基发光二极管低欧姆接触p型电极的形成方法，包含以下步骤提供氮化镓基发光二极管外延层，所述发光二极管外延层包含基板、n型氮化镓化合物电极层、活化层、p型氮化镓基化合物层依次堆栈排列；在所述p型氮化镓基化合物层上形成铟金属层；在所述铟金属层上形成透明导体氧化层或氮化层；采用退火处理使所述铟金属层与所述p型氮化镓基化合物层及所述透明导体氧化层或氮化层反应而形成重掺杂p型氮化铟镓基化合物层及低欧姆接触透明电极层。
9.如权利要求8所述的氮化镓基发光二极管低欧姆接触p型电极的形成方法，其特征在于，所述的p型氮化铟镓化合物层厚度为5-25埃。
10.如权利要求8所述的氮化镓基发光二极管低欧姆接触p型电极的形成方法，其特征在于，所述的铟金属层沉积厚度为50-200埃，退火反应后的厚度为20-100埃。
11.如权利要求8所述的氮化镓基发光二极管低欧姆接触p型电极的形成方法，其特征在于，所述的透明导体氧化层选自由In2O3、锡氧化物、镉氧化物类、锌氧化物、ITO、镉锡氧化物、锑锌氧化物、锑锡氧化物、锑氧化物所组成的族群的其中的一种。
12.如权利要求8所述的氮化镓基发光二极管低欧姆接触p型电极的形成方法，其特征在于，所述的透明导体氮化层选自由钛氮化物、钛钨氮化物所组成的族群的其中的一种。
13.如权利要求8所述的氮化镓基发光二极管低欧姆接触p型电极的形成方法，其特征在于，所述的退火的温度为100到800℃。
全文摘要
一种发光二极管的结构及其制造方法，包含在蓝宝石基板上依次形成n型氮化镓化合物电极层、氮化镓基活化层、p型氮化镓基化合物层、铟金属层及透明导体氧化层。其中，透明导体氧化层、铟金属层、p型氮化镓基化合物层、氮化镓基活化层及部分的n型氮化镓化合物电极层经蚀刻后而使部分n型氮化镓化合物电极层裸露，用以在其上形成n型电极。而透明导体氧化层上则另外形成一个p型电极。接着，再经过退火处理使铟金属层与p型氮化镓基化合物层界面形成p型的氮化铟镓基化合物薄层。另一侧的铟金属层则与透明导体氧化层或氮化层的界面互相融合。这样一来就可以使欧姆接触阻值大幅降低。
文档编号H01L33/00GK1763981SQ20041008772
公开日2006年4月26日 申请日期2004年10月22日 优先权日2004年10月22日
发明者蔡宗良, 王百祥, 张智松, 陈泽澎 申请人:国联光电科技股份有限公司