技术领域
本发明涉及一种发光二极管及其制作方法，尤其是涉及改善发光二极管的光电特性。
背景技术：
用于固态照明装置的发光二极管(light-emitting diode；LED)具有耗能低、低发热、操作寿命长、防震、体积小、反应速度快以及输出的光波长稳定等良好光电特性，因此发光二极管被广泛地应用于各种照明用途上。当发光二极管在导通的情况下，通过发光二极管的电流被称做顺向操作电流(If)，在通过顺向操作电流下量测发光二极管两端的电压则被称作为顺向电压(Vf)。
发光二极管的优点在于低耗能，但是在日常生活中更需要的是足够的亮光。除了增加所使用的发光二极管之外，也可增加发光二极管的操作电流以提升每个发光二极管的发光强度。但是在增加发光二极管的顺向电流时，同时会造成顺向电压与顺向电流的乘积增加，连带增加了被消耗成热能的能量。为了能让发光二极管被使用在低耗能的状况下，又同时让发光二极管能维持在足够的发光强度，降低发光二极管的顺向电压避免顺向电压与顺向电流的乘积过大，过多的能量被消耗成热能，成为促使发光二极管广泛被应用的重要研究方向。
前述的发光二极管可以与其他元件组合连接以形成一发光装置，在发光装置内的元件包含了具有电路的次载体、粘结发光二极管于次载体上并使发光二极管的基板与次载体上的电路电连接的焊料，以及电连接发光二极管的电极与次载体电路的电连接结构。其中，上述的次载体可以是导线架或大尺寸镶嵌基底，以方便发光装置的电路规划并提高其发光二极管的散热效果。
技术实现要素：
为解决上述问题，本发明提供一种发光二极管，其包含第一半导体层、一位于第一半导体层之上的活性层、位于活性层之上的第二半导体层以及位于第二半导体层之上的半导体接触层。第二半导体层包含有第一次层与形成于第一次层之上的第二次层，其中第二次层的材料包含AlxGa1-xN(0<x<1)，且第二次层的表面包含不规则分布的孔洞结构。
本发明公开一种发光二极管的制作方法，包含提供一基板，形成一第一半导体层于基板之上，接着形成一活性层于第一半导体层之上，再外延形成包含AlxGa1-xN(0<x<1)的一第二半导体层于活性层之上；其中，第二半导体层的表面包含不规则分布的孔洞结构。
附图说明
图1所示为本发明所公开的第一发光二极管叠层的实施例；
图2所示为本发明所公开的第二半导体层的实施例；
图3所示为本发明所公开的第二发光二极管叠层的实施例；
图4所示为本发明所公开的第三发光二极管叠层的实施例。
主要元件符号说明
100、200、300:发光二极管叠层
102:基板
104:超晶格层
106:第一半导体层
108:应变层
110:活性层
112:电子阻挡层
114:第二半导体层
1141:第一次层
1142:第一次层
1143:第二次层
1144:第三次层
1146:第二次层
116、118:半导体接触层
120:透明导电氧化层
具体实施方式
图1是根据本发明第一实施例的第一发光二极管叠层100的剖视图，第一发光二极管叠层100包含有基板102、超晶格层104、第一半导体层106、活性层110、第二半导体层114、半导体接触层116与透明导电氧化层120。基板102的材料可包含有Ga、As、Si、C、P、Al、N、Zn、O、Li等元素或者这些元素的组合但不限于这些元素，基板102可以是导电基板、绝缘性基板或是复合基板，其中的导电基板可以是金属基板，例如包含有铝或是硅的基板；而绝缘基板可以是蓝宝石(Sapphire)基板或者是兼具导热与绝缘的陶瓷基板；又或者是复合基板，例如结合导电材料与绝缘材料以达到改变电流分布以解决电流拥挤(current crowding)的现象或改善基板上的反射效果以减少内部吸光的情形。此外，基板102也可以是表面上具有图形的图案化基板。基板102与第一半导体层106之间具有超晶格层104，而超晶格层104是为了减少基板102与第一半导体层106之间因为晶格常数差异所造成的应力而使用的缓冲层，以避免因为两者之间的应力造成外延结构受到破坏或者不稳固。而在其他实施例中，基板102与第一半导体层106之间更包含作为连结用途的粘着层(未绘示于图中)，以强化基板102与第一半导体层106之间的结合。当第一半导体层106为p型半导体时，第二半导体层114为相异电性的n型半导体；反之，当第一半导体层106为n型半导体时，第二半导体层114为相异电性的p型半导体，其中第一半导体层106与第二半导体层114可作为束缚层。活性层110位于第一半导体层106与第二半导体层114之间，可以是单层结构或者是由多个阱层和障壁层组成的多重量子阱层结构以发出特定波长的光线。在本实施例中，活性层110发出一主波长介于440～470nm的蓝光，并且是一非同调性的光。
在第二半导体层114内分为第一次层1141与位于第一次层1141之上的第二次层1143，且一半导体接触层116覆盖在第二次层1143之上，其中第二半导体层114的组成包含III-V族材料，且第二次层1143的材料为AlxGa1-xN，其中0<x<1。在邻接第二次层1143与半导体接触层116之间的一面为不规则的表面，如图1所示，并且在这不规则的表面上有不规则的孔洞结构。这些不规则表面以及不规则分布的孔洞，是以外延方式形成由AlxGa1-xN组成的第二次层1143时同时形成，这些孔洞以不规则且深度不一的型态散布在前述的不规则表面上。于本实施例中，这些因为外延成长方式形成AlxGa1-xN而同时造成的孔洞结构不仅分布在表面，还包含多个向下延伸的六角孔穴构造，其中至少一六角孔穴会延伸至作为束缚层的第二半导体层114的内部(未绘示于图中)。
在半导体接触层116之上是透明导电氧化层120，在透明导电氧化层120之上则有一电极层(未绘示于图中)。透明导电氧化层120所使用的材料可以是ITO；半导体接触层116的材料包含能隙低于第二半导体层的材料，例如AlGaN或者InGaN，通过重度掺杂载流子的方式，可降低半导体接触层116的能隙，使得半导体接触层116在透明导电氧化层120与第二半导体层114之间形成良好的欧姆接触(Ohmic contact)。
本实施例中，第一半导体层106具有第一晶格常数，位于第一半导体层106之上的活性层110具有第二晶格常数，而位于活性层110之上的第二半导体层114具有第三晶格常数。因第二晶格常数大于第一晶格常数，造成活性层110受到来自于第一半导体层106向外的应力，使得外延品质不佳。为了改善活性层110所受到的应力，通过选择不同的材料使第二半导体层114具有的第三晶格常数小于第一晶格常数，以对活性层110形成向内的应力，使第一发光二极管叠层100的内部达到应力平衡，提升外延品质。换句话说，第一半导体层106具有的第一晶格常数介于活性层110的第二晶格常数与第二半导体层114的第三晶格常数之间，以形成良好的外延品质，降低第一发光二极管叠层100操作时的顺向电压(Vf)。
在本实施例中，位于活性层110之上的第二半导体层114包含多个具有不同杂质浓度但电性相同的次层，如图2所示。在这些多个次层中，第一次层1142最接近活性层110，第二次层1146则位于第一次层1142之上，而第三次层1144位于第一次层1142与第二次层1146之间。其中第二次层1146最接近半导体接触层116，并且在第二次层1146最接近半导体接触层116的外表面上包含有不规则分布的孔洞结构。第一次层1142与第二次层1146的材料包含铝，其中第一次层1142与第二次层1146包含有AlyGa1-yN，其中0<y<0.3；于另一实施例中，为配合邻接第二半导体层114的活性层110与半导体接触层116具有不同晶格常数，例如当活性层110与半导体接触层116晶格常数更大时，便选择更小的y值介于0～0.1之间，使得第一次层1142与第二次层1146具有较大的晶格常数，以减少两个叠层之间相对的应力。这些次层虽然具有相同的导电性但是所具有的杂质浓度不相同，其中第三次层1144具有的第三杂质浓度介于第一次层1142具有的第一杂质浓度以及第二次层1146具有的第二杂质浓度之间。在本实施例中，第一杂质浓度约为5*1018㎝3、第三杂质浓度约为3*1019㎝3、第二杂质浓度约为1*1020㎝3。此外，三个次层的厚度也不相同，第三次层1144的厚度大于第一次层1142与第二次层1146的厚度。于另一实施例中，第三次层1144由不含有铝成分的材料组成，而第一次层1142与第二次层1146包含有铝的成分。
如图3所示，本发明另一实施例第二发光二极管叠层200包含有基板102、超晶格层104、第一半导体层106、应变层108、活性层110、第二半导体层114、电子阻挡层112、半导体接触层116与透明导电氧化层120。在本实施例中，通过超晶格层104减少第二半导体层106与基板102之间因为晶格常数不匹配形成的应力，避免后续形成半导体叠层时受应力影响而造成变形。当活性层110为多重量子阱时，最接近第二半导体层114的一障层包含有氮化铟镓，亦即最接近第一次层1142的障层包含有氮化铟镓。
在本实施例中，形成多重量子阱之前先在第一半导体层106上形成一应变层108，而在本实施例中应变层108的材料与活性层110同样由III-V族的材料组成，但是应变层108的杂质浓度小于活性层110，以减少活性层110中多重量子阱与第一半导体层106之间由于晶格常数不同造成差排而产生的应力，以提升活性层110的外延品质。本实施例中，活性层110发出一主波长介于440～470nm的蓝光，并且为一非同调性的光。而本实施例中第一半导体层106、活性层110、第二半导体层114以及应变层108的材料选自包含有Al、In、Ga、以及N等元素的III-V族材料组成不同的叠层，例如InGaN与GaN组成的叠层或是AlGaN和InGaN组成的叠层，使得叠层之间的晶格常数差异在一预定的范围内，以达到减少叠层之间应力的效果。应变层108的材料虽然与活性层110同样以III-V族材料组成，但是组成的成分与活性层110的成分不同，使得应变层108的晶格常数介于活性层110以及第一半导体层106之间，以改善成长于第一半导体层106之上的外延叠层的外延品质，并改善发光效率。
在本实施例中，第一半导体层106为n型半导体，而第二半导体层114为p型，在活性层110与第二半导体层114之间形成电子阻挡层112，以避免第一半导体层106往活性层110移动的电子溢流到第二半导体层114造成电子在活性层110以外的地方结合而降低发光效率。要达到这个效果，必须让电子阻挡层112的杂质浓度高于第二半导体层114的杂质浓度，或者是高于第二半导体层114所包含的第二次层1146所具有的第二杂质浓度，而电子阻挡层112的材料可以包含III-V族材料例如是AlzGa1-zN，其中0.15<z<0.4，可以通过增加Al的含量以增加阻挡电子的效果。
在图3中，第二半导体层114更可以包含多个具有不同Al浓度而由AlGaN组成的次层，这些次层也具有不同的晶格常数。而其中第二半导体层114的晶格常数介于电子阻挡层112与活性层110的晶格常数之间，且活性层110的晶格常数大于电子阻挡层112以及第二半导体层114，除了可避免活性层110直接接触晶格常数差异较大的第二半导体层114，更可以通过电子阻挡层112改善原本活性层110与第二半导体层114晶格常数差异过大时造成的应力。而第二半导体层114内包含的多个具有不同晶格常数的次层与相邻的电子阻挡层112之间的应力也不至于过大，因此可以达到改善外延的品质进而降低第二发光二极管叠层200的顺向电压(Vf)。
图4是根据本发明的另一实施例，第三发光二极管叠层300的剖视图，第三发光二极管叠层300具有与图3中第二发光二极管叠层200类似的结构，但是基板102、第一半导体层106以及超晶格层104与其他层相比具有较大的面积，使得其他各层仅覆盖第一半导体层106部分的面积。而第三发光二极管叠层300中，半导体接触层118形成于第二半导体层114之上，并且至少覆盖第一半导体层106的部分面积上，后续更可以形成电极层(未绘示于图中)于半导体接触层118之上。
依据本发明实施例制作的发光二极管叠层100的流程是先提供一基板102，接着在形成第一半导体层106之前，根据第一半导体层106与基板102的晶格常数的差异选择晶格常数介于其中的材料作为超晶格层104形成于基板102之上，在本发明的实施例中是选择III-V族的材料制作第一半导体层106以及超晶格层104，通过加入超晶格层104以减缓基板102与第一半导体层106之间的应力。再形成第一半导体层106于超晶格层104之上，然后形成活性层110在第一半导体层106之上，其中的活性层110也可以是多重量子阱结构。接着在活性层110之上形成包含材料为AlxGa1-xN的第二半导体层114，而其中0<x<1。再接着形成一半导体接触层116于第二半导体层114之上，以及一透明导电氧化层120于半导体接触层116之上。其中，第二半导体层114最接近半导体接触层116的一侧包含AlxGa1-xN(0<x<1)的材料，并在第二半导体层114与半导体接触层116之间有不规则的平面以及在平面上的不规则孔洞结构，这些不规则的孔洞结构是以外延方式形成第二半导体层114时同时形成，并且包含有六角孔穴的构造，其中至少一六角孔穴延伸至第二半导体层114(未绘示于图中)。本实施例中，活性层110发出一主波长介于440～470nm的蓝光，并且为一非同调性的光。
而如图2的结构图所示，第二半导体层114包含第一次层1142、第二次层1146与第三次层1144，形成第二半导体层114的步骤包含以一预定流量通入含有Ga以及N的气体以及含铝的有机金属气体以形成AlGaN，其中通入含铝的有机金属气体的制作工艺条件是在环境温度900～1100℃之间，以压力范围300～500Torr的条件通入30～300sccm的有机金属气体，而含有铝的有机金属气体可以是含有铝的三甲基铝((CH3)3Al，TMAl)。而如前面所述，第一次层1142、第二次层1146与第三次层1144的杂质浓度不同，因此在形成第二次层1146时所通入的具有杂质的气体浓度要大于形成第一次层1142时所通入的气体浓度，接着在形成第三次层1144时更进一步提高所通入的具有杂质的气体浓度，使得各次层所具有的杂质浓度往远离活性层110的方向而增加。在本发明的实施例中，第二半导体层114为p型半导体，因此形成第二半导体层114时通入二茂镁(Mg(C5H5)2，Magnesocene)以提供镁作为掺杂杂质。
接着再于第二半导体层114上形成半导体接触层116与透明导电氧化层120，其中透明导电氧化层120的材料为ITO，可作为窗户层而增加出光。接着在透明导电氧化层120上形成电极层(未绘示于图中)，而当基板102为导电型材料时，可在基板102上相对于成长半导体叠层的另一侧形成一电极层(未绘示于图中)；或者是先移除基板102之后，再将导电基板与超晶格层104相结合，并在导电基板的另一侧上形成电极层。
图3中，第二发光二极管叠层200与图1中发光二极管叠层100的差异在于形成第二发光二极管叠层200的活性层110之前，先形成应变层108在第一半导体层106之上，接着形成活性层110时会因为应变层108与活性层110之间的晶格常数差异较少使得成长的外延的品质比较好。另一个差异是在形成活性层110之后先形成电子阻挡层112再形成第二半导体层114，使得电子阻挡层112介于活性层110与第二半导体层114之间，而其中电子阻挡层112的材料可以是AlyGa1-yN并且0.15<y<0.4。如前所述，通过电子阻挡层112的加入使得活性层110的晶格常数与第二半导体层114相近，减少外延叠层之间的应力让外延的品质较好而达到降低发光二极管叠层顺向电压的结果。
图4中的第三发光二极管叠层300则是在图3中的第二发光二极管叠层200形成之后，再蚀刻发光叠层直到露出部分的第一半导体层106。接着再于露出的部分第一半导体层106之上形成半导体接触层118，使得半导体接触层118至少覆盖在部分的第一半导体层106之上。然后在图4中的第三发光二极管叠层300的透明导电氧化层120与半导体接触层118之上分别形成两个电极层(未绘示于图中)。
上述实施例仅为例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本发明所属技术领域中具有通常知识者均可在不违背本发明的技术原理及精神的情况下，对上述实施例进行修改及变化。因此本发明的权利保护范围如所述的权利要求所列。