专利名称：发光元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种发光元件(Nitride Device)及其制造方法，且特别是涉及 一种具有镁化物緩冲层(Mg-based Buffer Layer)的发光元件及其制造方法。
背景技术：
近年来，许多的焦点集中在以氮化物为主的半导体所形成的发光元件， 例如氮化镓(GaN)、氮化铝镓(AlGaN)、氮化铟镓(InGaN)及氮化铝铟镓 (AlInGaN)等。此类的发光元件半导体大多成长于不导电的蓝宝石(Sapphire) 基板上，而与其他发光元件采用可导电的基板不同。请参照图1,其所示为传统氮化物发光元件的剖面图。制作氮化物的发 光元件100时，先提供透明的蓝宝石基板102。接下来，在蓝宝石基板102 的表面上成长氮化铝铟镓緩沖层104,以使后续的发光外延结构106能顺利 成长在蓝宝石基板102上。然后，再于氮化铝铟镓缓冲层104的表面上外延 成长发光外延结构106,而大致完成发光元件100的制作。然而，直接在蓝宝石基板102上成长氮化铝铟镓緩冲层104时，在氮化 铝铟镓緩冲层104中会产生过多的错位缺陷密度(Dislocation Density)。如此 一来，将进一步影响成长于氮化铝铟镓緩冲层104的发光外延结构106的外 延品质，而不仅会对发光元件100的电稳定度造成不良影响，而降低发光元 件100的操作品质，还会造成发光元件100的操作寿命的缩减。为了降低蓝宝石基板与发光外延结构之间的緩冲层的错位缺陷密度，目 前发展出以橫向外延(Epitaxially Laterally Overgrown; ELOG)方式来制作緩 冲层。然而，横向外延的方式工艺成本相当高昂，对发光元件的生产成本造 成相当大的负担，不利于量产。发明内容因此，本发明的目的就是在:^是供一种发光元件，具有4美化物(Mg-based) 缓沖层，故可大幅降低成长于蓝宝石基板上的外延材料的错位缺陷密度。本发明的另一目的是在提供一种发光元件，在基板与氮化物外延结构之间具有镁化物/氮化镓系列(GaN-based)材料的多层堆叠结构所构成的緩沖 层，如此一来可提高外延材料层的品质。因此，不仅可增加发光元件的操作 寿命，还可提高发光元件的抗静电(ESD)能力，有效提高发光元件的电品质。 本发明的又一目的是在提供一种发光元件的制造方法，可直接在外延机 器中，依次成长镁化物緩沖层与发光外延结构，以降低外延结构的错位缺陷 密度。因此，与使用橫向外延方式的现有技术相比，本发明的方式可大幅减 少工艺成本。根据本发明的上述目的，提出一种发光元件，至少包括镁化物緩冲结 构，具有相对的第一表面和第二表面；透明基板，直接设于镁化物緩沖结构 的第一表面上；和发光外延结构，直接设于镁化物緩冲结构的第二表面上。依照本发明优选实施例，上述的镁化物緩沖结构包含氮化镁(MgHO緩沖 层或氮化镁(MgNJ层/氮化镓系列材料层的多层堆叠结构，且镁化物緩冲结 构的厚度约为30nm。根据本发明的目的，提出一种发光元件的制造方法，至少包括提供透 明基板；形成镁化物缓冲结构于透明基板的表面上；以及形成发光外延结构 于镁化物緩沖结构上。依照本发明优选实施例，上述形成镁化物緩沖结构的步骤与形成发光外 延结构的步骤可在同 一有机金属化学气相沉积(MOCVD)机器中进行。通过在透明基板的表面上成长镁化物緩冲结构的方式，无需使用横向外 延技术，即可大幅度地降低错位缺陷密度，可进一步提高后续成长的发光外 延结构的品质。因此，应用本发明可延长发光元件的操作寿命，并可提高元 件的抗静电能力而增进发光元件的操作品质，还可有效降低元件的制作成 本。
图1所示为传统氮化物发光元件的剖面图。图2所示为依照本发明优选实施例的一种发光元件的剖面图。图3所示为依照本发明另一优选实施例的一种发光元件的剖面图。简单符号说明100:发光元件 102:蓝宝石基板104:氮化铝铟镓緩沖层 200a:发光元件 202:透明基板 204b:镁化物缓冲结构 208:氮化镁(MgNJ层 212:未掺杂氮化物层 216:有源层 220: p型氮化物层具体实施方式
本发明揭示一种发光元件及其制造方法，在基板与发光外延结构之间成 长具有镁化物材料层的緩冲结构，因此可有效减少外延结构的错位缺陷，而 提高外延结构的品质，进一步达到延长元件的操作寿命与提高元件的操作品 质的目的。为了使本发明的叙述更加详尽与完备，可参照下列描述并配合图 2与图3的图示。本发明的发光元件可为氮化物发光二极管，例如氮化镓系列的发光二极 管。请参照图2,其所示为依照本发明优选实施例的一种发光元件的剖面图。 制作发光元件200a时，先提供透明基板202，其中此透明基板202优选可为 例如蓝宝石基板。在本发明的优选实施例中，发光元件200a可利用有机金 属化学气相沉积技术来加以制作，因此可将透明基板202置入有机金属化学 气相沉积机器内。此时，可选择性地进行透明基板202表面的清洁处理。举 例而言，可将氢气通入透明基板202所在的反应室，使透明基板202处于氢 气的环境中，再将反应温度提高至约1200°C,以使氢气与透明基板202上的 附着物反应，进而达到清洁透明基板202表面的效用。接着，利用外延方式直接在透明基板202的表面上成长镁化物緩冲结构 204a，如图2所示。其中，镁化物緩冲结构204a的厚度优选可约为30nm。 例如，可利用有机金属化学气相沉积技术，并将反应温度控制在约520°C, 来进行镁化物緩沖结构204a的沉积。在本实施例中，^:化物緩沖结构204a 由单一氮化镁(MgNx)緩沖层所构成，其中此氮化镁(MgN》緩沖层可为n型、 p型或未掺杂，且氮化镁(MgHO緩冲层可为单晶结构、多晶结构或非晶结构。在本发明的另 一优选实施例的发光元件200b中，是在透明基板200的106:发光外延结构 200b:发光元件 204a:镁化物緩沖结构 206:发光外延结构 210:氮化镓系列材料层 214: n型氮化物层 218: p型氮化物层表面上直接成长镁化物緩冲结构204b，其中镁化物緩沖结构204b是由氮化 镁(MgN》层208与氮化镓系列材料层210依次交错堆叠而成的多层堆叠结 构，如图3所示。在本发明中，氮化镁(MgNO层208与氮化镓系列材料层 210的层数可依工艺或元件需求而定，但与透明基板202的表面直接接触的 镁化物緩冲结构204b的最底层为氮化镁(MgNx)层208。同样地，镁化物緩 沖结构204b的厚度优选也可约为30nm。氮化镓系列材料层210的材料优选 可为例如氮化铝铟4家。在本发明中，氮化镓系列材料层210可为n型、p型 或未掺杂。此外，氮化镁(MgNJ层208与氮化镓系列材料层210可均为单晶 结构、 多晶 结构或非晶结构。本发明的特征为在尚未成长发光外延结构前，先直接在透明基板的表面 上成长镁化物緩冲结构，因而可获得错位缺陷密度较低的緩沖结构，进一步 提高后续成长在此缓沖结构表面上的发光外延结构的品质。因此，可达到延 长发光元件的寿命、提高元件的操作品质及增进元件的特性的功效。请同时参照图2与图3,待于透明基板202的表面上直接成长镁化物緩 沖结构204a或镁化物緩冲结构204b后，优选可在同一有机金属化学气相沉 积机器中，外延成长发光外延结构206，即可大致上完成发光元件200a或 200b的制作。其中，发光外延结构206与透明基板202分别位于镁化物緩冲 结构204a或镁化物緩冲结构204b的相对二表面上。随后，即可进行发光元 件200a或200b的电极的设置。在本发明的实施例中，成长发光外延结构206 时，利用例如有机金属化学气相沉积技术，并将反应温度提高至约1180°C, 依次形成未掺杂氮化物层212于镁化物緩冲结构204a或204b上、n型氮化 物层214于未掺杂氮化物层212上、有源层216于n型氮化物层214上、p 型氮化物层218于有源层216上及p型氮化物层220于p型氮化物层218上。 由于发光外延结构206成长在镁化物緩沖结构204a或镁化物緩沖结构204b 的表面上，而镁化物緩冲结构204a或镁化物緩沖结构204b具有较低的错位 缺陷密度，因此所成长的发光外延结构206具有相当高的品质。在本发明的示范实施例中，未掺杂氮化物层212的材料可为例如氮化镓， 且厚度约为1 Mm。 n型氮化物层214的材料可为例如氮化镓，且厚度约为 2 Mm，其中n型氮化物层214可为硅掺杂。有源层216优选可为氮化铟镓 层/氮化镓层多重量子阱(MQW)结构，其中氮化铟镓层的厚度可约为3 nm， 且氮化镓层的厚度可约为15 nm。 p型氮化物层218的材料可例如为氮化铝镓，且厚度约为20nm,其中p型氮化物层218可为镁掺杂。p型氮化物层 220的材料可例如为氮化镓，且厚度约为0,2jum,其中p型氮化物层220可 为镁掺杂。上述发光外延结构206中的各半导体层的材料、厚度与掺杂元素 仅为本发明的示范实施例，各半导体层的材料、厚度与掺杂元素可依产品与 工艺需求来加以调整，而不限于此实施例所述。由上述本发明优选实施例可知，本发明的优点就是因为本发光元件具有 低错位缺陷密度的镁化物緩冲结构，因此可大幅提高后续成长的外延结构的品质。由上述本发明较佳实施例可知，本发明的另 一优点就是因为本发光元件 的镁化物多层堆叠緩冲结构的错位缺陷密度低，而可获得高品质的发光外延 结构。因此，不仅可增加发光元件的操作寿命，还可提高发光元件的抗静电 能力，达到有效提高发光元件的操作特性的目的。由上述本发明优选实施例可知，本发明的又一优点就是因为本发光元件 的制造方法可直接在外延机器中，依次成长镁化物緩沖层与发光外延结构， 来达到提高緩冲层与外延结构的品质的功效。因此，与使用横向外延方式的 现有技术相比，本发明的方式可大幅减少工艺成本，而有利于量产。虽然本发明已以优选实施例揭露如上，然而其并非用以限定本发明，任 何本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与 修改，因此本发明的保护范围以所附权利要求所界定的为准。
权利要求
1. 一种发光元件，至少包括镁化物缓冲结构，具有相对的第一表面和第二表面；透明基板，直接设于该镁化物缓冲结构的该第一表面上；及发光外延结构，直接设于该镁化物缓冲结构的该第二表面上。
2. 如权利要求1所述的发光元件，其中该透明基板是蓝宝石基板。
3. 如权利要求2所述的发光元件，其中该发光元件是氮化物发光二极管。
4. 如权利要求3所述的发光元件，其中该镁化物緩冲结构包含氮化镁 (MgHc)緩冲层，其为未掺杂、n型或p型。
5. 如权利要求3所述的发光元件，其中该氮化镁(MgN》緩冲层为单晶 结构、多晶结构或非晶结构。
6. 如权利要求3所述的发光元件，其中该镁化物緩沖结构包含氮化镁 (MgNJ层/氮化镓系列材料层的多层堆叠结构。
7. 如权利要求6所述的发光元件，其中该镁化物緩冲结构中的氮化镓系 列材料层包括氮化铝铟镓(AlInGaN)。
8. 如权利要求6所述的发光元件，其中该镁化物緩沖结构中的氮化镓系 列材料层为n型、p型或未掺杂。
9. 如权利要求6所述的发光元件，其中该镁化物緩沖结构中的氮化镁 (MgNx)层与氮化镓系列材料层均为单晶结构、多晶结构或非晶结构。
10. 如权利要求1所述的发光元件，其中该镁化物缓沖结构的厚度为大 致30亂
11. 如权利要求1所述的发光元件，其中该发光外延结构至少包括 未掺杂氮化镓层，设于该镁化物缓冲结构的该第二表面上； n型氮化镓层，设于该未掺杂氮化镓层上；氮化铟镓层/氮化镓层多重量子阱有源结构，设于该n型氮化镓层上； p型氮化铝镓层，设于该氮化铟镓层/氮化镓层多重量子阱有源结构上；以及p型氮化镓层，设于该p型氮化铝镓层上。
全文摘要
一种发光元件及其制造方法。此发光元件至少包括镁化物缓冲结构、透明基板及发光外延结构。镁化物缓冲结构具有相对的第一表面和第二表面。透明基板直接设于镁化物缓冲结构的第一表面上。发光外延结构则直接设于镁化物缓冲结构的第二表面上。
文档编号H01L33/00GK101276864SQ20071009190
公开日2008年10月1日 申请日期2007年3月30日 优先权日2007年3月30日
发明者蔡吉明, 陈锡铭 申请人:晶元光电股份有限公司