专利名称：发光半导体器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种发光半导体器件，特别涉及一种高效率发光半导体器件。
背景技术：
发光二极管(Light Emitting Diode，LED)是由III-V族元素化合物所制成的半导体器件，是一种相当基本的电子发光器件，其具有两个电极端子，而在两电极端子之间施加电压，通入一极小的电流，发光二极管即可发出亮光。
发光二极管的发光现象属于冷性发光，而非通过加热或放电所致；其使用寿命长、无须暖灯时间、反应速度快、具有高可靠度、高电光转换率与低耗电量；此外，发光二极管的体积小、适合量产，可配合应用需要而制成极小器件或是阵列式器件，符合目前市场所需的产品轻薄短小的发展趋势。
除上述的种种优势外，近几年来关于可见光的发光二极管的制造技术亦有大幅进展，且包含了红光、绿光、蓝光、红外光与紫外光等的高效率发光二极管亦已相继问世，因而目前发光二极管的应用层面相当广泛，其涵盖了光通信、照明与交通上的应用。
一般而言，发光二极管为一层状结构，其包含了一衬底、一缓冲层、一n型层、一p型层与一发光层；发光二极管的主要部分即为发光层，当注入发光层的电子与空穴复合时，便于该处产生亮光。
在美国专利US 6,233,265号中，揭示了一种短波长可见光的发光半导体器件，其包含了发光二极管与激光二极管；该技术是关于在一氮化铟镓(InGaN)厚层上形成一发光器件的异质结构(heterostructure)，以避免晶格间的不匹配现象，实现了未分离、高铟含量的氮化镓铟发光层，并使该发光二极管具有高发光亮度的优点。请参阅图1，其说明了该专利中所揭示的发光二极管结构，该发光二极管100包含了一单晶衬底105、一第一缓冲层110与一第二缓冲层112、一n型掺杂的厚氮化铟镓层120、一氮化铟镓发光层130，以及一p型掺杂的III-V族第一氮化物层140与一p型掺杂的III-V族第二氮化物层150；而在该p型掺杂的III-V族第二氮化物层150与暴露的该n型掺杂的厚氮化铟镓层120上，则分别具有一p型电极160与一n型电极170。
该第一缓冲层110与该第二缓冲层120具有不同的合金浓度或是在不同条件下成长，以促进所生长膜层的平滑程度，并调和其晶格的不匹配现象；此外，由于该第一氮化物层140具有较高的能隙，因而能够将电子导入并进一步局限于发光区域中。通过这样的设计，克服了发光二极管中氮化镓铟合金分离的问题，提高了其组成的均匀性，并使其能够发出更纯的蓝光、绿光、甚至红光等可见光。
传统的发光二极管芯片即由上述层状结构所切割而成，且其一般封装于一环氧化物材料中。由于该发光二极管芯片结构具有一平面的形状，且其所含膜层的折射率一般皆高于封装材料的折射率(约1.5)，因此传统的发光二极管中容易形成一平面波导而捕捉具有大入射角度的射出光线；此一波导效应与气相生长的发光半导体结构的平面化技术有关，且将进而大幅限制这些发光二极管的光提取(light extraction)效率。
此外，美国专利第US 6,614,060号亦揭示一种提高了发光二极管光提取(light extraction)效率与发光亮度的发光二极管结构与方法；请参阅图2，其为于该专利中所揭示的发光二极管的结构示意图；该发光二极管200主要包含一衬底210、一缓冲层220、一n型接触层230、一发光层240、一p型接触层250，以及一n型电极与一p型电极(图中未示)，而为了进一步减少电子泄漏(leakage)的程度，该发光二极管200还包含一电子阻碍层245于该发光层240与该p型接触层250之间。在该专利中，该发光层240亦可为一膜层序列，其设计为具有非对称隧穿的两阱系统(WW，QW)，这些阱系统包含了由不同铟含量的氮化铟镓所组成的一宽阱(wide well，WW)层241与一发光量子阱(quantum well，QW)层243，而该宽阱层241与该发光量子阱层243之间则经由一共振隧穿阻障(resonance tunneling barrier)层242而耦合，该共振隧穿阻障层242的作用在于让电子隧穿通过于其间，并阻挡空穴的穿越。
通过上述设计，可增加该发光层240所捕捉到的电子数目，降低电子泄漏量，进而提高该发光二极管200的光提取(light extraction)效率与其发光亮度。然而，上述发光层的膜层序列中存在的结构缺陷仍将严重影响到该发光二极管的发光效率，且该发光二极管所产生的光仍具有固定波长，而无法产生白光。
由上述说明可知，传统发光二极管发光效率的限制因子在于生长膜层的平面化结构所产生的平面化波导效应以及发光层中电子泄漏效应。
发明内容
为了改善传统发光二极管的上述缺点，本发明提出一种新颖的NPBL(nano-particle buffer layer)以及ANPL(active layer with light emitting andcurrent blocking nano-particles)发光半导体器件结构及其形成方法。相较于公知结构，本发明通过添加纳米粒子于发光半导体器件结构的发光层中，而达到降低漏电流(leakage currents)量的目的，且本发明亦配合一般的平面化技术制程，所制得的发光半导体器件于宏观上具有平面化的结构，然就微观上而言，其膜层间并非平滑的平面，借以破坏寄生的波导效应，以增进该半导体发光器件的光提取效率。除此之外，通过本发明，亦可以一种简单的方式来制成极具产业竞争性的白光发光半导体器件。
本发明的第一构想在于提供一种发光半导体器件，其包含一衬底；一缓冲层，位于该衬底上；一第一接触层，位于该缓冲层上，其具有一第一掺杂层；一发光层，位于该第一接触层上，其中该发光层内具有多个第一纳米粒子；以及一第二接触层，位于该发光层上，其具有一第二掺杂层。
根据上述构想，其中该衬底为一氧化铝衬底。
根据上述构想，其中该缓冲层的材质为氮化镓。
根据上述构想，其中该第一接触层的材质为含硅掺杂的氮化镓。
根据上述构想，其中该第一掺杂层为一n型掺杂层。
根据上述构想，其中该第二掺杂层为一p型掺杂层。
根据上述构想，其中该发光层的材质为一半导体材料。
根据上述构想，其中该半导体材料选自一氮化镓与一硼铝镓氮化物其中之一。
根据上述构想，其中所述第一纳米粒子的材质为氮化铟镓。
根据上述构想，其中所述第一纳米粒子外还包含一覆层(cladding layer)。
根据上述构想，其中所述第一纳米粒子外的该覆层的材质选自一硼铝镓氮化物、一硅氧化物与一硅氮化物其中之一。
根据上述构想，其中该发光层内还具有多个第二纳米粒子。
根据上述构想，其中所述第二纳米粒子的材质为硼铝镓氮化物。
根据上述构想，其中所述第二纳米粒子外还包含一覆层。
根据上述构想，其中所述第二纳米粒子外的该覆层的材质选自一硼铝镓氮化物、一硅氧化物与一硅氮化物其中之一。
根据上述构想，其中所述纳米粒子的粒径范围为10纳米至1000纳米。
根据上述构想，其中该第二接触层的材质为含镁掺杂的氮化镓。
根据上述构想，该发光半导体器件还包含一第一覆层，其位于该第一接触层与该发光层之间，且该第一覆层具有一第三掺杂层，其具有的掺杂类型与该第一掺杂层相同。
根据上述构想，该发光半导体器件还包含一第二覆层，其位于该发光层与该第二接触层之间，且该第二覆层具有一第四掺杂层，其具有的掺杂类型与该第二掺杂层相同。
本发明的第二构想在于提供一种发光半导体器件，其包含一衬底；一第一缓冲层，位于该衬底上，其中该第一缓冲层中具有多个纳米粒子；一第一接触层，位于该缓冲层上，其具有一第一掺杂层；一发光层，位于该第一接触层上，其具有一量子阱(Quantum Well)结构；以及一第二接触层，位于该发光层上，其具有一第二掺杂层，该二掺杂层的掺杂类型与该第一掺杂层的掺杂类型不同。
根据上述构想，其中该第一缓冲层的材质选自一掺杂半导体材料与一未掺杂半导体材料其中之一。
根据上述构想，其中该掺杂半导体材料为含硅掺杂的氮化镓。
根据上述构想，该发光半导体还包含一第二缓冲层，位于该衬底与该第一缓冲层之间。
根据上述构想，其中该第一掺杂层为一n型掺杂层。
根据上述构想，其中该第二掺杂层为一p型掺杂层。
根据上述构想，其中所述纳米粒子选自一硅氧化物、一硅氮化物、一铝氧化物、一镓氧化物与一硼氮化物其中之一。
根据上述构想，其中所述纳米粒子为一中空的纳米粒子。
根据上述构想，其中所述中空的纳米粒子中还含有一磷化物。
根据上述构想，其中该发光层的材质为一镓铝铟磷化合物。
本发明的第三构想在于提供一种用于形成一发光半导体器件的方法，该方法包含下列步骤提供一衬底；形成一缓冲层于该衬底上；形成一第一接触层于该缓冲层上，其中该第一接触层含有一第一掺杂层；形成一发光层于该第一接触层上，其中该发光层内具有多个纳米粒子；形成一第二接触层于该第一发光层上，其中该第二接触层含有一第二掺杂层，且该二掺杂层的掺杂类型与该第一掺杂层的掺杂类型不同；形成一金属层于该第二接触层上；移除至少部分的该金属层、该第二接触层、该发光层与该第一接触层，以暴露至少部分的该第一接触层；以及形成一第三接触层于所暴露的该第一接触层上。
本发明的第四构想在于提供一种用于形成一发光半导体器件的方法，该方法包含下列步骤提供一衬底；形成一含有多个纳米粒子的缓冲层于该衬底的一上表面；形成一第一接触层于该缓冲层上，其中该第一接触层含有一第一掺杂层；形成一发光层于该第一接触层上，其中该发光层具有一量子阱(Quantum Well)结构；以及形成一第二接触层于该发光层上，其中该第二接触层含有一第二掺杂层，该第二掺杂层的掺杂类型与该第一掺杂层的掺杂类型不同。
本发明所提供的发光半导体器件及其形成方法是通过一含有纳米粒子的发光层(亦即ANPL发光层)的作用，而提高发光半导体器件的光提取效率。在本发明中，该ANPL发光层所含的两种不同的纳米粒子分别作为发光粒子(氮化铟镓粒子)与电流阻碍粒子(氮化镓铝、硼镓铝氮化物)，用以取代传统发光半导体的发光层中的发光量子阱结构。相较于公知结构，本发明的发光半导体器件通过ANPL发光层中所述纳米粒子的作用而具有相当的优势。
图1为根据公知技术的传统发光二极管的结构示意图；图2为根据公知技术的另一种传统发光二极管的结构示意图；图3为本发明的发光器件中所含有的纳米粒子缓冲层(nano-particlebuffer layer，NPBL)的结构示意图；图4为根据本发明的第一较佳实施例，说明一含有NPBL结构的蓝光二极管结构示意图；图5为根据本发明的第二较佳实施例，说明一含有NPBL结构的白光二极管结构示意图；图6为根据本发明的第三较佳实施例，说明一含有NPBL结构的红光二极管结构示意图；图7为根据本发明的第四较佳实施例，说明一含有NPBL结构的激光二极管结构示意图；图8为根据本发明的较佳实施例，说明用以形成本发明的含有NPBL结构的发光半导体器件的方法流程图；图9为根据本发明的较佳实施例，说明用以形成本发明的含有NPBL结构的红光二极管的方法流程图；图10为本发明的发光器件中所含有的纳米粒子(active layer with lightemitting and current blocking nano-particles，ANPL)的发光层结构示意图；图11为根据本发明的第五较佳实施例，说明一含有ANPL结构的蓝光二极管结构示意图；图12为根据本发明的第六较佳实施例，说明一含有ANPL结构的白光二极管结构示意图；图13为根据本发明的第七较佳实施例，说明含有ANPL结构的另一白光二极管结构示意图；以及图14为根据本发明的较佳实施例，说明用以形成本发明的含有ANPL结构的发光半导体器件的方法流程图。
其中，附图标记说明如下100发光二极管105衬底110第一缓冲层112第二缓冲层
120氮化铟镓层 130发光层140第一氮化物层 150第二氮化物层160p型电极170n型电极200发光二极管 210衬底220缓冲层 230n型接触层240发光层 241宽阱层242共振隧穿阻障层 243发光量子阱层245电子阻碍层 250p型接触层30 纳米粒子缓冲层301主要层 302内米粒子4 蓝光二极管 41 衬底42 第一缓冲层 43 第二缓冲层431含硅掺杂的氮化镓层 432二氧化硅纳米粒子44 第一接触层 45 发光层46 第二接触层 47 第一电极48 第二电极5 白光二极管 51 衬底52 第一缓冲层 53 第二缓冲层531含硅掺杂的氮化镓层 532氧化硅纳米粒子533磷化物 54 第一接触层55 发光层 56 第二接触层57 第一电极 58 第二电极6 红光二极管 61 第一电极62 衬底 63 缓冲层631含掺杂的磷化镓铝层 632氧化硅纳米粒子64 第一接触层 65 发光层66 第二接触层 67 第二电极7 激光二极管 71 衬底72 第一缓冲层 73 第二缓冲层
731 含硅掺杂的氮化镓层 732二氧化硅纳米粒子74第一接触层 75 第一覆层76发光层 77 第二覆层78第二接触层 791第一电极792 第二电极801～809 步骤901～907 步骤1020 发光层 1021 主要材料层1022 第一纳米粒子1023 第二纳米粒子1130 蓝光二极管 1131 衬底1132 缓冲层 1133 第一接触层1134 电子射出层 1135 发光层11351 主要材料层 11352 第一纳米粒子11353 第二纳米粒子1136 第二接触层1137 第一电极1138 第二电极1240 白光二极管 1241 第一电极1242 衬底1243 第一接触层1244 发光层 12441 主要材料层12442 第一纳米粒子12443 第二纳米粒子1245 第二接触层 1246 第二电极1350 光二极管1351 第一电极1352 第一接触层 1353 发光层13531 主要材料层 13532 第一纳米粒子13533 第二纳米粒子1354 第二接触层1355 第二电极1401～1408步骤具体实施方式
请参阅图3，为本发明的发光器件中所含有的纳米粒子缓冲层(nano-particle buffer layer，NPBL)的结构示意图；该纳米粒子缓冲层30是由一主要层301与多个纳米粒子302所组成，其中该主要层301为一半导体材料的结晶层，而所述纳米粒子302是包含了硅氧化物、硅氮化物、铝氧化物、镓氧化物与硼氮化物材料的结晶性、多晶性或非晶性的纳米粒子。
请参阅图4，其为根据本发明的第一较佳实施例，说明含有NPBL结构的一蓝光二极管结构示意图；该蓝光二极管4包含了一衬底41、一第一缓冲层42、一第二缓冲层43、一第一接触层44、一发光层45与一第二接触层46，于暴露的该第一接触层44上与该第二接触层46上则分别形成有一第一电极47与一第二电极48。
在此一实施例中，该衬底41为一般的氧化铝(Al2O3)衬底；该第一缓冲层42为一氮化镓(GaN)，其厚度为200；该第二缓冲层43包含了含硅掺杂的氮化镓层431与分布于其中的二氧化硅纳米粒子432，其中该含硅掺杂的氮化镓层431的厚度为1～2μm，而所述二氧化硅纳米粒子432为球型且具有的直径为10～1000nm；在本发明中，纳米粒子的分布浓度N对应于所分布的纳米粒子的直径，亦即N＝0.001/d3～0.1/d3；该第一接触层44为一n型接触层，其是由一含有硅掺杂的n型氮化镓所组成，该n型接触层的厚度为1～2μm，而其硅掺杂量为5×1018至5×1019cm-3；在该第一接触层44上为该发光层45，该发光层45中具有氮化铟镓(InGaN)的量子阱(quantum well)，而蓝光即于此处产生。
该发光层45上为该第二接触层46，其是由含镁掺杂的p型氮化镓所组成的一p型接触层，该p型接触层的厚度为0.5μm，且其镁掺杂量为1018至1021cm-3；该第一电极47位于经蚀刻暴露的该第一接触层44上，且其为一n型接触，而该第二电极48位于该第二接触层46上，且其为一透明的金属合金接触。
在本实施例中，该蓝光二极管4所捕捉的侧向蓝光可通过该第二缓冲层43(即纳米粒子缓冲层)中所含的所述二氧化硅纳米粒子432的作用而被散射，并进而转换成可自该蓝光二极管4垂直发出的垂直蓝光，因而提高了该蓝光二极管4的光提取效率。
请参阅图5，其为根据本发明的第二较佳实施例，说明含有NPBL结构的一白光二极管结构示意图；该白光二极管5所具有的膜层结构与图4中所示的蓝光二极管4的膜层结构相似，该白光二极管5包含了一衬底51、一第一缓冲层52、一第二缓冲层53、一第一接触层54、一发光层55，与一第二接触层56，于暴露的该第一接触层54上与该第二接触层56上则分别形成有一第一电极57与一第二电极58。
在此一实施例中，该第二缓冲层53包含了含硅掺杂的氮化镓层531，以及分布于其中的二氧化硅纳米粒子532，其中该含硅掺杂的氮化镓层531的厚度为1～2μm，且其硅掺杂量为1017至1019cm-3；而所述二氧化硅纳米粒子532为中空球型，其直径为10～1000nm，且在所述二氧化硅纳米粒子532的中空部分还包含一磷化物533；在本发明中，纳米粒子的分布浓度N对应于所分布的纳米粒子的直径，亦即N＝0.001/d3～0.1/d3。
除了上述的该第二缓冲层53中的纳米粒子之外，该白光二极管5所含的其余膜层皆与图3中所对应的膜层相同，因而不在此一一加以赘述。
在本实施例中，所述磷化物533的作用在于将该发光层55所产生的紫外光转化为白光；此外，该白光二极管5所捕捉的侧向白光亦可通过该第二缓冲层53(即纳米粒子缓冲层)中所含的所述二氧化硅纳米粒子532的作用而被散射，并进而转换为可自该白光二极管5垂直发出的垂直白光，以提高该白光二极管5的光提取效率。
请参阅图6，其为根据本发明的第三较佳实施例，说明含有NPBL结构的一红光二极管结构示意图；该红光二极管6包含了一第一电极61、与该第一电极61贴合的一衬底62、一缓冲层63、一第一接触层64、一发光层65，与一第二接触层66，于该第二接触层66上则具有一第二电极67。
在此一实施例中，该第一电极61是由金属合金接触所构成；该衬底62为一n型砷化镓(GaAs)衬底，其厚度为100～300μm；该缓冲层63包含了掺杂的磷化镓铝(Al0.5Ga0.5P)层631与分布于其中的二氧化硅纳米粒子632，其中该掺杂的磷化铟铝(Al0.5In0.5P)层631的厚度为1～2μm，且其掺杂量为1017至1019cm-3；而所述二氧化硅纳米粒子632为球型且具有的直径为10～1000nm；在本发明中，纳米粒子的分布浓度N对应于所分布的纳米粒子的直径，即N＝0.001/d3；该第一接触层64为一n型接触层，其是由一含有掺杂的n型磷化铟铝所组成，该n型接触层的厚度为0.5μm，而其掺杂量为5×1018至5×1019cm-3；在该第一接触层64上为该发光层65，该发光层65中具有磷化铟镓铝(AlXIn0.5-XGa0.5P)的量子阱(quantum well)，而红光即于此处产生。
该发光层65上为该第二接触层66，其是由掺杂的p型氮化铟铝所组成的一p型接触层，该p型接触层的厚度为0.5μm，且其掺杂量为1018cm-3；而该第二电极67位于该第二接触层66上，且其为一透明的金属合金接触。
在本实施例中，该红光二极管6所捕捉的侧向红光与背向红光可通过该缓冲层63(即纳米粒子缓冲层)中所含的所述二氧化硅纳米粒子632的作用而被散射，并进而转换成可自该红光二极管6垂直发出的垂直红光，因而提高了具有不透光砷化镓衬底62的该红光二极管6的光提取效率。
本发明于传统的发光二极管中形成一纳米粒子缓冲层(NPBL)，通过该缓冲层中所包含的纳米粒子，可将发光二极管所捕捉的侧向或背向光线加以散射，并进行转换使其能够自发光二极管垂直发出，以提高发光二极管的光提取效率；除此之外，所述纳米粒子亦可阻止在缓冲层、缓冲层与衬底界面间、以及沿膜层生长方向所形成的位错(dislocation)的移动，以增进发光层的晶体性质，进而提高该发光二极管的内部量子效率。
除了上述实施例中所提及的二氧化硅的外，亦可使用其它材料的纳米粒子，例如硅氮化物、铝氧化物、镓氧化物与硼氮化物等，同样可以达到提高发光二极管的光提取效率与阻止位错移动的目的；此外，于缓冲层中使用填充有磷化物的中空二氧化硅纳米粒子，更可将发光二极管原产生的紫外光转化为白光，而形成目前业界亟欲开发的白光二极管。
本发明的纳米粒子缓冲层(NPBL)除可应用于上述的蓝光、白光与红光的发光二极管外，亦可应用于激光二极管中。
请参阅图7，其为根据本发明的第四较佳实施例，说明含有NPBL结构的一激光二极管结构示意图；该激光二极管7包含一衬底71、一第一缓冲层72与一第二缓冲层73、一第一接触层74、一第一覆层75、一发光层76、一第二覆层77，以及一第二接触层78；而于暴露的该第一接触层74上与该第二接触层78上则分别形成有一第一电极791与一第二电极792。
在此一实施例中，该衬底71为一般的氧化铝(Al2O3)衬底；该第一缓冲层72为一氮化镓(GaN)；该第二缓冲层73包含了含硅掺杂的氮化镓层731与分布于其中的二氧化硅纳米粒子732，其中所述二氧化硅纳米粒子732为球型且具有的直径为10～1000nm；在本发明中，纳米粒子的分布浓度N对应于所分布的纳米粒子的直径，亦即N＝0.001/d3～0.1/d3；该第一接触层74为一n型掺杂的接触层；在该第一接触层74上为该第一覆层75，该第一覆层75同样具有一n型掺杂；而位于该第一覆层75上的该发光层76中则具有氮化铟镓(InGaN)的量子阱(quantum well)。
该发光层76上依次为该第二覆层77与该第二接触层78，其皆含有p型掺杂；该第一电极791位于经蚀刻暴露的该第一接触层74上，且其为一n型电极，而该第二电极792则位于该第二接触层78上，且其为一p型电极。
当于该第一电极791(n型电极)与该第二电极792(p型电极)之间施加一正偏压时，导带(conduction band)中的电子将自n型掺杂的该第一接触层74与该第一覆层75流向该发光层76中的一较低能量态，而位于p型掺杂的该第二覆层77与该第二接触层78的价带(valance band)中的空穴亦将流至该发光层76中；通过所述电子与空穴于该发光层76中的复合，便能够产生光。
同样的，通过该第二缓冲层73中所包含的纳米粒子732的作用，可阻止在缓冲层、缓冲层与衬底界面间、以及沿膜层生长方向所形成的位错(dislocation)的移动，以增进发光层的晶体性质，进而提高该激光二极管7内部的量子效率。
请参阅图8，其为根据本发明的上述实施例，说明上述含有NPBL结构的发光半导体器件形成方法流程图。首先提供一衬底，如步骤801所示；形成一第一缓冲层于该衬底上，如步骤802所示；接着，形成一含有多个纳米粒子的第二缓冲层(亦即NPBL层)于该第一缓冲层上，如步骤803所示；于该第二缓冲层上形成一n型掺杂的第一接触层，如步骤804所示；接着，形成一发光层于该第一接触层上，其中该发光层具有一量子阱(Quantum Well)结构，如步骤805所示；形成一p型掺杂的第二接触层于该发光层上，如步骤806所示；形成一金属层于该第二接触层上，如步骤807所示，其中该金属层即一p型电极；最后，分别如步骤808与步骤809所示，利用一般的蚀刻方式移除至少部分的该金属层、该第二接触层、该发光层与该第一接触层，以暴露至少部分的该第一接触层，并于所暴露的该第一接触层上形成一第三接触层，其中该第三接触层即一n型电极。
于上述步骤中，通过所选择的各膜层与纳米粒子材料的不同，即可形成不同的发光半导体器件，例如蓝光二极管、白光二极管，以及激光二极管等。
本发明亦提供了一种用以形成红光二极管的方法，请参阅图9，其说明了该方法的流程图。首先提供一衬底，如步骤901所示；分别于该衬底的上表面与下表面形成一含有多个纳米粒子的缓冲层(亦即NPBL层)与一金属接触层，如步骤902与步骤903所示，其中该金属接触层即为该红光二极管的n型电极；接着，于该缓冲层上形成一n型掺杂的接触层，如步骤904所示；形成一发光层于该n型掺杂的接触层上，如步骤905所示；接着于该发光层上形成一p型掺杂的接触层，如步骤906所示；最后，形成一金属接触层于该p型掺杂的接触层上，其中该金属接触层即为该红光二极管的p型电极，如步骤907所示。
由上述说明可知，本发明通过一含有纳米粒子的缓冲层(亦即NPBL层)的作用，可提高所述发光半导体器件的光提取效率；相较于公知结构，在本发明中，该NPBL层所含的所述纳米粒子除可散射所述发光半导体器件所捕捉的光线而有效提高所述发光半导体器件的亮度外，更可阻止在所述发光半导体器件的缓冲层、缓冲层与衬底界面间、以及沿膜层生长方向所形成的位错(dislocation)的移动，以增进发光层的晶体性质，进而提高所述发光半导体器件内部的量子效率。
除了上述实施例之外，在本发明中亦可改变发光半导体器件结构中纳米粒子的添加膜层位置(即ANPL层)，以增加捕捉电子数目而降低漏电流(leakage currents)量；下述实施例将对此部分加以详细说明。
请参阅图10，为本发明的发光半导体器件中的ANPL(active layer withlight emitting and current blocking nano-particles)发光层结构示意图；该发光层1020是由一主要材料层1021所形成，该主要材料层1021中分布有多个第一纳米粒子1022与第二纳米粒子1023；其中，该主要材料层1021为一半导体材料层，其材质为选自一氮化镓与一硼铝镓氮化物其中之一；所述第一纳米粒子1022供发光之用，而所述第二纳米粒子1023则供阻碍电流之用，其能隙高于该主要材料层1021的能隙。在本发明中，所使用的所述第一纳米粒子1022的材质为氮化铟镓的结晶性、多晶性或是非晶性粒子，其外部更覆有一硼铝镓氮化物、一硅氧化物或一硅氮化物的覆层(图中未示)；而所述第二纳米粒子1023的材质为一氮化镓铝或是一硼铝镓氮化物的结晶性、多晶性或是非晶性粒子，其外部同样更覆有一硼铝镓氮化物、一硅氧化物或一硅氮化物的覆层(图中未示)。请参阅图11，其为根据本发明的第五较佳实施例，说明一含有APNL结构的蓝光二极管结构示意图；该蓝光二极管1130包含了一衬底1131、一缓冲层1132、一第一接触层1133、一电子射出层1134、一发光层1135与一第二接触层1136，于暴露的该电子射出层1134上与该第二接触层1136上则分别形成有一第一电极1137与一第二电极1138。
在此一实施例中，该衬底1131为一般的氧化铝(Al2O3)衬底；该缓冲层1132为一氮化镓(GaN)，其厚度为200；该第一接触层1133为一n型接触层，其是由一含有硅掺杂的n型氮化镓所组成，该n型接触层的厚度为2～3μm，而其硅掺杂量为5×1018至5×1019cm-3；在该第一接触层1133上为电子射出层1134，其是以外延生长(epitaxially growing)方式所形成的一氮化镓铟(In0.15Ga0.85N)层，且其厚度为500；而该发光层1135即具有如图2中所示的ANPL发光层结构，其中该发光层1135的主要材料层11351为未掺杂的氮化镓，其厚度为10～100nm；而供发光用的第一纳米粒子11352为氮化铟镓粒子，其粒径较佳为10～100nm；供阻碍电流用的第二纳米粒子11353为氮化镓铝、或是硼铝镓氮化物的粒子，且其粒径较佳为5～50nm。
该发光层1135上为该第二接触层1136，其是由含镁掺杂的p型氮化镓所组成的一p型接触层，该p型接触层的厚度为0.5μm，且其镁掺杂量为1018至1021cm-3；该第一电极1137位于经蚀刻暴露的该第一接触层1133上，且其为一n型接触，而该第二电极1138位于该第二接触层1136上，且其为一透明的金属合金接触。
在本实施例中，由于该ANPL发光层中所含的氮化铟镓纳米粒子具有的结构性质较传统的氮化铟镓发光量子阱的结构性质为佳，因而提高了该ANPL发光层的发光效率。此外，由于所述氮化镓铝或硼镓铝氮化物的纳米粒子可抑制该ANPL发光层中的电子与空穴的侧向移动，因此该ANPL发光层的发光效率对于结构缺陷(例如位错)的敏感性亦较传统的发光量子阱低。
请参阅图12，其为根据本发明的第六较佳实施例，说明一白光二极管的结构示意图；该白光二极管1240包含了一第一电极1241、与该第一电极1241贴合的一衬底1242、一第一接触层1243、一发光层1244，与一第二接触层1245，于该第二接触层1245上则具有一第二电极1246。
在此一实施例中，该第一电极1241是由金属合金接触所构成；该衬底1242为一n型氮化镓(GaN)衬底，其厚度为70～150μm；该第一接触层1243为一n型接触层，其是由一含有硅掺杂的n型氮化镓所组成，该n型接触层的厚度为0.5μm，而其掺杂量为5×1018至5×1019cm-3；该发光层1244形成于该第一接触层1243上，其具有如图2中所示的ANPL发光层结构，其中该发光层1244的主要材料层12441为未掺杂的氮化镓，其厚度为10～100nm；而供发光用的第一纳米粒子12442为氮化铟镓粒子，其粒径较佳为10～100nm；供阻碍电流用的第二纳米粒子12443为氮化镓铝、或是硼铝镓氮化物的粒子，且其粒径较佳为5～50nm。
该发光层1244上为该第二接触层1245，其是由含镁掺杂的p型氮化镓所组成的一p型接触层，该p型接触层的厚度为0.5μm，且其镁掺杂量为1018至1021cm-3；而该第二电极1246位于该第二接触层1245上，且其为一透明的金属合金接触。
请参阅图13，其为根据本发明的第七较佳实施例，说明一白光二极管的结构示意图；该白光二极管1350包含了一第一电极1351、一第一接触层1352、一发光层1353，与一第二接触层1354，而于该第二接触层1354上则具有一第二电极1355。
在此一实施例中，该第一电极1351是由金属合金接触所构成；于该第一电极1351上直接为该第一接触层1352，其是由一含掺杂的n型氮化镓所组成的n型接触层；该发光层1353形成于该第一接触层1352上，其具有如图2中所示的ANPL发光层结构，其中该发光层1353的主要材料层13531为未掺杂的氮化镓，其厚度为10～100nm；而供发光用的第一纳米粒子13532为氮化铟镓粒子，其粒径较佳为10～100nm；供阻碍电流用的第二纳米粒子13533为氮化镓铝、或是硼铝镓氮化物的粒子，且其粒径较佳为5～50nm。
同样的，该发光层1353上为该第二接触层1354，其是由含镁掺杂的p型氮化镓所组成的一p型接触层；而该第二电极1355经沉积而形成于该第二接触层1354上，且其为一透明的金属合金接触。
本发明亦提供一种上述的含有ANPL结构的发光半导体器件的形成方法；请参阅图14，其为根据本发明的一较佳实施例，说明用以形成上述发光半导体器件的方法流程图。首先提供一衬底，如步骤1401所示；于该衬底上形成一缓冲层，如步骤1402所示；接着形成一第一接触层于该缓冲层上，如步骤1403所示，其中该第一接触层含有一第一掺杂层，例如一n型掺杂层。形成一发光层于该第一接触层上，其中该发光层内具有多个纳米粒子，如步骤1404所示；接着形成一第二接触层于该第一发光层上，如步骤1405所示，其中该第二接触层含有一第二掺杂层，例如一p型掺杂层。接着于该第二接触层上沉积一金属层，而形成该发光半导体器件的一p型电极，如步骤1406所示；然后以蚀刻方式移除至少部分该金属层、该第二接触层、该发光层与该第一接触层，以暴露至少部分该第一接触层，如步骤1407所示；最后，形成一第三接触层于所暴露的该第一接触层上，以作为该发光半导体的一n型电极，如步骤1408所示。
于上述步骤中，通过所选择的各膜层与纳米粒子材料的不同，即可形成不同的发光半导体器件，例如蓝光二极管、白光二极管，以及激光二极管等。
由上述说明可知，本发明所提供的发光半导体器件及其形成方法是通过一含有纳米粒子的发光层(亦即ANPL发光层)的作用，而提高发光半导体器件的光提取效率。在本发明中，该ANPL发光层所含的两种不同的纳米粒子分别作为发光粒子(氮化铟镓粒子)与电流阻碍粒子(氮化镓铝、硼镓铝氮化物)，用以取代传统发光半导体的发光层中的发光量子阱结构。相较于公知结构，本发明的发光半导体器件通过ANPL发光层中所述纳米粒子的作用而具有相当的优势。
由于纳米粒子的结构性质较传统的发光量子阱结构性质为佳，因此利用纳米粒子作为发光半导体中的发光粒子，可使其具有较高的发光效率。其次，由于在ANPL发光层中的电子与空穴的侧向移动受到电流阻碍粒子的抑制，因而该ANPL发光层的辐射率受到导致非辐射复合的缺陷影响作用十分有限。此外，由于该ANPL发光层能够散射发光半导体器件所捕捉的侧向光线，并转换所述侧向光线，使其能够自该发光半导体器件垂直发出，因而提高了该发光半导体器件的光提取效率。
除上述优势之外，本发明的发光半导体器件通过该ANPL发光层中的纳米粒子可产生具有不同波长的光，进而使得该发光半导体器件能够不需额外使用磷化物，即可产生白光。除此之外，该ANPL发光层中的电流阻碍粒子更能够降低漏电流(leakage currents)量，使得该发光半导体器件的效率能够因此而获得提高。此外，本发明所提出的发光半导体器件的新颖之处可配合一般的平面化技术而完成，毋须增加额外的工序。
本发明可由熟悉本领域的技术人员进行各种修改，但不脱离所附权利要求保护的范围。
权利要求
1.一种半导体器件，其包含一衬底；一缓冲层，位于该衬底上；一第一接触层，位于该缓冲层上，其具有一第一掺杂层；一发光层，位于该第一接触层上，其中该发光层内具有多个第一纳米粒子；以及一第二接触层，位于该发光层上，其具有一第二掺杂层，该二掺杂层的掺杂类型与该第一掺杂层的掺杂类型不同。
2.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于该衬底为一氧化铝衬底；该缓冲层的材质为氮化镓；及/或该第一接触层的材质为含硅掺杂的氮化镓。
3.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于该第一掺杂层为一n型掺杂层；该第二掺杂层为一p型掺杂层；及/或该发光层的材质为一半导体材料，而该半导体材料选自一氮化镓与一硼铝镓氮化物其中之一。
4.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于所述第一纳米粒子的材质为氮化铟镓；及/或所述第一纳米粒子外还包含一覆层，而该覆层的材质选自一硼铝镓氮化物、一硅氧化物与一硅氮化物其中之一。
5.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于该发光层内还具有多个第二纳米粒子，其中所述第二纳米粒子的材质为硼铝镓氮化物；及/或所述第二纳米粒子外还包含一覆层，而该覆层的材质选自一硼铝镓氮化物、一硅氧化物与一硅氮化物其中之一。
6.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于所述纳米粒子的粒径范围为10纳米至1000纳米；及/或该第二接触层的材质为含镁掺杂的氮化镓。
7.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于还包含一第一覆层，其位于该第一接触层与该发光层之间，且该第一覆层具有一第三掺杂层，其具有的掺杂类型与该第一掺杂层相同；及/或一第二覆层，其位于该发光层与该第二接触层之间，且该第二覆层具有一第四掺杂层，其具有的掺杂类型与该第二掺杂层相同。
8.一种半导体器件，其包含一衬底；一第一缓冲层，位于该衬底上，其中该第一缓冲层中具有多个纳米粒子；一第一接触层，位于该缓冲层上，其具有一第一掺杂层；一发光层，位于该第一接触层上，其具有一量子阱结构；以及一第二接触层，位于该发光层上，其具有一第二掺杂层，该二掺杂层的掺杂类型与该第一掺杂层的掺杂类型不同。
9.如权利要求8所述的半导体器件，其特征在于该第一缓冲层的材质选自一掺杂半导体材料与一未掺杂半导体材料其中之一，而该掺杂半导体材料为含硅掺杂的氮化镓；及/或该半导体器件还包含一第二缓冲层，位于该衬底与该第一缓冲层之间。
10.如权利要求8所述的半导体器件，其特征在于所述纳米粒子选自一硅氧化物、一硅氮化物、一铝氧化物、一镓氧化物与一硼氮化物其中之一；所述纳米粒子为一中空的纳米粒子，而所述中空的纳米粒子中还含有一磷化物；及/或该发光层的材质为一镓铝铟磷化合物。
11.一种用于形成一发光半导体器件的方法，其包含下列步骤(a)提供一衬底；(b)形成一缓冲层于该衬底上；(c)形成一第一接触层于该缓冲层上，其中该第一接触层含有一第一掺杂层；(d)形成一发光层于该第一接触层上，其中该发光层内具有多个纳米粒子；(e)形成一第二接触层于该第一发光层上，其中该第二接触层含有一第二掺杂层，且该二掺杂层的掺杂类型与该第一掺杂层的掺杂类型不同；(f)形成一金属层于该第二接触层上；(g)移除至少部分该金属层、该第二接触层、该发光层与该第一接触层，以暴露至少部分该第一接触层；以及(h)形成一第三接触层于所暴露的该第一接触层上。
12.一种用于形成一发光半导体器件的方法，其包含下列步骤(a)提供一衬底；(b)形成一含有多个纳米粒子的缓冲层于该衬底的一上表面；(c)形成一第一接触层于该缓冲层上，其中该第一接触层含有一第一掺杂层；(d)形成一发光层于该第一接触层上，其中该发光层具有一量子阱结构；以及(e)形成一第二接触层于该发光层上，其中该第二接触层含有一第二掺杂层，该第二掺杂层的掺杂类型与该第一掺杂层的掺杂类型不同。
全文摘要
本发明提出一种NPBL(nano－particle bufferlayer)与ANPL(active layer with light emitting and current blocking nano－particles)发光半导体器件结构及其形成方法；该半导体器件包含衬底；缓冲层，位于衬底上；第一接触层，位于缓冲层上，其具有第一掺杂层；发光层，位于第一接触层上，其中发光层内具有多个第一纳米粒子；以及第二接触层，位于发光层上，其具有第二掺杂层，该二掺杂层的掺杂类型与第一掺杂层的掺杂类型不同。其通过添加至该发光半导体器件结构发光层中的纳米粒子的作用而降低漏电流量；且本发明配合一般平面化技术工艺，所制得的发光半导体器件于宏观上具有平面化结构，但就微观上而言，其膜层结构间并非平滑平面，借以破坏寄生波导效应，以增进该半导体发光器件的光提取效率。
文档编号H01S5/00GK1855559SQ20051006665
公开日2006年11月1日 申请日期2005年4月26日 优先权日2005年4月26日
发明者李森田, 优瑞·吉欧吉维奇·史瑞特, 优瑞·图马索维奇·瑞朋, 罗斯南·伊凡诺维奇·葛布诺夫 申请人:华宇电脑股份有限公司