CN100372135C - 高亮度氮化镓类发光二极管结构 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种高亮度氮化镓类发光二极管的结构。本发明的氮化镓类发光二极管，是在公知氮化镓类发光二极管结构中的p型接触层上，利用氮化硅、氮化镁、或有硅和镁高掺杂的氮化铝镓铟，以有机金属蒸气沉积法形成包含有多个随机分布的群聚的掩模的掩模缓冲层，然后再生长由p型氮化铝镓铟所构成的p型粗糙接触层，该p型粗糙接触层并不是直接生长在掩模缓冲层之上，而是由掩模缓冲层的掩模未遮盖的下方p型接触层的上表面开始生长，向上延伸至超过掩模缓冲层的掩模一定高度便停止生长。此结构可使氮化镓类发光二极管的表面被粗糙化，避免其较空气为高的折射率导致内部全反射，进而提升氮化镓类发光二极管的外部量子效率及发光效率。

Description

高亮度氮化镓类发光二极管结构

技术领域

本发明涉及一种氮化镓类发光二极管，特别是关于一种表面被粗糙化的高亮度氮化镓类发光二极管结构。

背景技术

氮化镓(GaN)类发光二极管，由于可以通过控制材料的组成来制作出各色光的发光二极管，其相关技术因此成为近年来业界和学术界积极研发的焦点。学术界及业界对氮化镓类发光二极管的研究重点之一，是了解氮化镓类发光二极管的发光特性，进而提出提高其发光效率和亮度的方法。这种高效率和高亮度的氮化镓类发光二极管，未来将可以有效应用于户外显示看板、车辆用照明等领域。

氮化镓类发光二极管的发光效率，主要和氮化镓类发光二极管的内部量子效率(Internal Quantum Efficiency)以及外部量子效率(External QuantumEfficiency)有关。前者和氮化镓类发光二极管有源层里电子空穴结合进而释放出光子的几率有关。电子空穴越容易复合，光子越容易产生，内部量子效率就越高，氮化镓类发光二极管的发光效率通常也就越高。后者则和光子不受氮化镓类发光二极管本身的吸收和影响、成功脱离氮化镓类发光二极管的几率有关。越多光子能释放到氮化镓类发光二极管之外，外部量子效率就越高，氮化镓类发光二极管的发光效率通常也就越高。

氮化镓类发光二极管的外部量子效率主要取决于其顶端表层的形态与其折射率。公知的氮化镓类发光二极管和空气的折射率分别是2.5和1。因为公知的氮化镓类发光二极管的折射率较高，很容易形成内部全反射。所产生出来的光子，由于内部全反射的缘故，很难释放到氮化镓类发光二极管之外。氮化镓类发光二极管的外部量子效率因而通常受到相当大的限制。

发明内容

本发明提出一种氮化镓类发光二极管的结构，可以实际解决前述相关技术中的限制及缺失。

本发明所提出的氮化镓类发光二极管，其结构于公知的氮化镓类发光二极管最主要的差异，是在公知氮化镓类发光二极管结构中的p型接触层之上，利用氮化硅(Si_xN_y，x，y≥1)、氮化镁(Mg_wN_z，w，z≥1)、或是有硅与镁高掺杂的氮化铝镓铟(Al_sIn_tGa_1-s-tN，0≤s，t＜1，s+t≤1)，以有机金属蒸气沉积法(MetalOrganic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)形成一掩模缓冲层。该掩模缓冲层是包含有多个随机分布的Si_xN_y、Mg_wN_z、或是Al_sIn_tGa_1-s-tN群聚(Cluster)的掩模。然后再从该掩模缓冲层上，生长由p型氮化铝镓铟(Al_uIn_vGa_1-u-vN，0≤u，v＜1，u+v≤1)所构成的p型粗糙接触层。此p型粗糙接触层也不是直接生长在掩模缓冲层上，而是由掩模缓冲层的Si_xN_y、Mg_wN_z、或是Al_sIn_tGa_1-s-tN掩模未遮盖的下方p型接触层的上表面开始生长，向上延伸直到超过掩模缓冲层的掩模一定高度后便停止生长。

本发明由于采用掩模缓冲层的先行生长，使得氮化镓类发光二极管的表面被粗糙化。如此可以避免氮化镓类发光二极管较空气为高的折射率导致内部全反射，进而提高氮化镓类发光二极管的外部量子效率以及发光效率。

现配合下列图示、实施例的详细说明及申请的专利范围，详细说明上述及本发明的其它目的和优点。

附图说明

附图所显示的是提供作为具体呈现本说明书中所描述各组成元件的具体实施例，并解释本发明的主要目的以增进对本发明的了解。

图1是根据本发明的高亮度氮化镓类发光二极管结构实施例1的示意图；

图2是根据本发明的高亮度氮化镓类发光二极管结构实施例2的示意图；

图3是根据本发明的高亮度氮化镓类发光二极管结构实施例3的示意图。

图中

10    基板

20    缓冲层

30    n型接触层

40    有源层

42    负电极

50    p型覆盖层

60    p型接触层

70    掩模缓冲层

72    掩模缓冲层

74    掩模缓冲层

80    粗糙接触层

90    透明导电层

92    正电极

具体实施方式

图1是根据本发明的高亮度氮化镓类发光二极管结构实施例1的示意图。如图1所示，该实施例是以C-Plane或R-Plane或A-Plane的氧化铝单晶(Sapphire)或碳化硅(6H-SiC或4H-SiC)为基板10，其他可用于基板10的材质还包括Si、ZnO、GaAs或尖晶石(MgAl₂O₄)，或是晶格常数接近于氮化物半导体的单晶氧化物。然后在该基板10的一个侧面形成一个由有特定组成的氮化铝镓铟(Al_aGa_bIn_1-a-bN，0≤a，b＜1，a+b≤1)所构成的缓冲层20、以及在该缓冲层上的n型接触层30，该n型接触层30是由氮化镓(GaN)类材质构成。然后，在该n型接触层30上形成有源层40，该有源层40是由氮化镓铟所构成。在n型接触层30上表面未被有源层40覆盖的部分，另外形成有负电极42。

此实施例接着在有源层40上形成p型覆盖层50。该p型覆盖层50是由氮化镓类材质所构成。在该p型覆盖层50上，接着是材质为p型氮化镓的p型接触层60。此实施例接着在p型接触层60上，利用具有特定组成的氮化硅(Si_cN_d，c，d≥1)，以有机金属蒸气沉积法(Metal Organic Chemical VaporDeposition，MOCVD)、600℃～1100℃之间的生长温度，形成厚度介于5～100之间的掩模缓冲层70。该掩模缓冲层70其实是包含有多个随机分布的Si_cN_d群聚(Cluster)的掩模。

此实施例然后再以800℃～1100℃的生长温度，生长厚度介于500～10000之间、由p型氮化铝镓铟(Al_eIn_fGa_1-e-fN，0≤e，f＜1，e+f≤1)所构成的p型粗糙接触层80。该p型粗糙接触层80也不是直接成长在掩模缓冲层70的上面，而是由掩模层70的Si_cN_d掩模未遮盖的下方p型接触层60的上表面开始生长，向上延伸直到超过(但未覆盖)掩模缓冲层70的掩模一定高度后便停止生长。

在p型粗糙接触层80上方，此实施例进一步分别形成互不重叠的正电极92与透明导电层90。此正电极92可以是由Ni/Au合金、Ni/Pt合金、Ni/Pd合金、Ni/Co合金、Pd/Au合金、Pt/Au合金、Ti/Au合金、Cr/Au合金、Sn/Au合金、Ta/Au合金、TiN、TiWN_x(x≥0)、WSi_y(y≥0)等其中之一、或其它类似金属材料所构成。此透明导电层90可以是金属导电层或是透明氧化层。此金属导电层是由Ni/Au合金，Ni/Pt合金，Ni/Pd合金，Pd/Au合金，Pt/Au合金，Cr/Au合金，Ni/Au/Be合金，Ni/Cr/Au合金，Ni/Pt/Au合金，Ni/Pd/Au合金及其它类似材料之一所构成。此透明氧化层是由ITO、CTO、ZnO:Al、ZnGa₂O₄、SnO₂:Sb、Ga₂O₃:Sn、AgInO₂:Sn、In₂O₃:Zn、CuAlO₂、LaCuOS、NiO、CuGaO₂、SrCu₂O₂其中之一所构成。

图2是根据本发明的高亮度氮化镓类发光二极管结构实施例2的示意图。如图2所示，此实施例和实施例1有相同的结构与生长方式。唯一的差别是掩模缓冲层所用的材质。此实施例是在p型接触层60之上，利用具有特定组成的氮化镁(Mg_gN_h，g，h≥1)，同样以有机金属蒸气沉积法、600℃～1100℃之间的生长温度，形成厚度介于5～100之间的掩模缓冲层72。此掩模缓冲层72也是包含有多个随机分布的Mg_gN_h群聚的掩模。

该实施例然后再以800℃～1100℃的生长温度，生长厚度介于500～10000之间、由p型氮化铝镓铟(Al_iIn_jGa_1-i-jN，0≤i，j＜1，i+j≤1)所构成的p型粗糙接触层80。该p型粗糙接触层80也不是直接生长在掩模缓冲层72之上，而是由掩模缓冲层72的Mg_gN_h掩模未遮盖的下方p型接触层60的上表面开始生长，向上延伸直到超过(但未覆盖)掩模缓冲层72的掩模一定高度后便停止生长。此实施例的其它各层均和实施例相同编号的各层的材质、生长方式完全相同，因此不再赘述。

图3是根据本发明的高亮度氮化镓类发光二极管结构实施例3的示意图。如图3所示，该实施例和上述两个实施例有相同的结构和生长方式。唯一的差别是掩模缓冲层所用的材质。此实施例是在p型接触层60之上，利用具有高掺杂浓度(＞1×10²⁰cm^-3)的Si掺杂或Mg掺杂或Si和Mg共同掺杂的特定组成的氮化铝镓铟(Al_kIn_lGa_1-k-lN，0≤k，l＜1，k+l≤1)，同样以有机金属蒸气沉积法、600℃～1100℃之间的生长温度，形成厚度介于5～100之间的掩模缓冲层74。此掩模缓冲层74也是包含有多个随机分布的Al_kIn_lGa_1-k-lN群聚的掩模。

该实施例然后再以800℃～1100℃的生长温度，生长厚度介于500～10000之间、由p型氮化铝镓铟(Al_mIn_nGa_1-m-nN，0≤m，n＜1，m+n≤1)所构成的p型粗糙接触层80。此p型粗糙接触层80也不是直接生长在掩模缓冲层74之上，而是由掩模缓冲层74的氮化铝镓铟掩模未遮盖的下方p型接触层60的上表面开始生长，向上延伸直到超过(但未覆盖)掩模缓冲层74的掩模一定高度后便停止生长。此实施例的其它各层均和前述两个实施例相同编号的各层的材质、生长方式完全相同，因此不再赘述。

在上述的三个实施例中，掩模缓冲层与粗糙接触层二者共同使得氮化镓类发光二极管的表面粗糙化。这样可以避免氮化镓类发光二极管比空气高的折射率导致内部全反射，进而提升氮化镓类发光二极管的外部量子效率以及发光效率。

以上所述的仅为用以解释本发明的较佳实施例，并不对本发明起任何形式上的限制，因此，凡有在相同的发明精神下所作的有关本发明的任何修饰或变更，都包括在本发明意图保护的范围。

Claims (9)

1.一种高亮度氮化镓类发光二极管结构，包括：

基板，其由晶格常数接近于氮化物半导体的单晶氧化物、6H-SiC、4H-SiC、Si及GaAs之一制成；

缓冲层，该缓冲层位于上述基板的一个侧面之上，由有特定组成的氮化铝镓铟Al_aGa_bIn_1-a-bN所构成，其中0≤a，b＜1，a+b≤1；

n型接触层，位于上述缓冲层之上，由氮化镓类材质构成；

有源层，位于上述n型接触层之上，由氮化镓铟所构成；

负电极，位于上述n型接触层未被该有源层覆盖的上表面上；

p型覆盖层，位于上述有源层之上，由p型氮化镓类材质所构成；

p型接触层，位于上述p型覆盖层之上，由p型氮化镓所构成；

掩模缓冲层，位于上述p型接触层之上，厚度介于5～100之间，是包含有多个随机分布的二元氮化物群聚的掩模；

p型粗糙接触层，由p型氮化铝镓铟Al_eIn_fGa_1-e-fN所构成，其中0≤e，f＜1，e+f≤1，位于上述掩模缓冲层的掩模所未遮盖的上述p型接触层的上表面上，向上延伸介于500～10000之间的厚度，超过但未覆盖上述掩模缓冲层的掩模；

透明导电层，是位于上述p型粗糙接触层之上、且覆盖其部分表面的金属导电层或透明氧化层，该金属导电层由Ni/Au合金，Ni/Pt合金，Ni/Pd合金，Pd/Au合金，Pt/Au合金，Cr/Au合金，Ni/Au/Be合金，Ni/Cr/Au合金，Ni/Pt/Au合金，Ni/Pd/Au合金其中之一所构成，该透明氧化层是由ITO、CTO、ZnO:Al、ZnGa₂O₄、SnO₂:Sb、Ga₂O₃:Sn、AgInO₂:Sn、In₂O₃:Zn、CuAlO₂、LaCuOS、NiO、CuGaO₂、SrCu₂O₂其中之一所构成；以及

正电极，是位于上述p型粗糙接触层之上、未被上述透明导电层覆盖的表面上，由Ni/Au合金、Ni/Pt合金、Ni/Pd合金、Ni/Co合金、Pd/Au合金、Pt/Au合金、Ti/Au合金、Cr/Au合金、Sn/Au合金、Ta/Au合金、TiN、TiWN_x、WSi_y其中之一所构成，其中x≥0、y≥0。

2.如权利要求1所述的高亮度氮化镓类发光二极管结构，其中，所述基板由氧化铝单晶(Sapphire)、ZnO及尖晶石(MgAl₂O₄)之一来制成。

3.如权利要求1或2所述的高亮度氮化镓类发光二极管结构，其中，所述二元氮化物是具有特定组成的氮化硅Si_cN_d，其中c，d≥1。

4.如权利要求1或2所述的高亮度氮化镓类发光二极管结构，其中，所述二元氮化物是具有特定组成的氮化镁M_gN_h，其中g，h≥1。

5.一种高亮度氮化镓类发光二极管结构，包括：

基板，其是由晶格常数接近于氮化物半导体的单晶氧化物、6H-SiC、4H-SiC、Si及GaAs之一所制成；

缓冲层，位于上述基板的一个侧面之上，由有特定组成的氮化铝镓铟Al_aGa_bIn_1-a-bN所构成，其中0≤a，b＜1，a+b≤1；

n型接触层，位于上述缓冲层之上，由氮化镓类材质构成；

有源层，位于上述n型接触层之上，由氮化镓铟所构成；

负电极，位于上述n型接触层未被上述有源层覆盖的上表面上；

p型覆盖层，位于上述有源层之上，由p型氮化镓类材质所构成；

p型接触层，位于上述p型覆盖层之上，由p型氮化镓所构成；

掩模缓冲层，位于上述p型接触层之上，由有一特定组成且有至少一种选自II族和IV族元素以高于1×10²⁰cm^-3的浓度掺杂的氮化铝镓铟Al_kIn_lGa_1-k-lN所构成，其中0≤k，l＜1，k+l≤1，厚度介于5～100之间，是包含有多个随机分布的氮化铝镓铟群聚的掩模；

p型粗糙接触层，由p型氮化铝镓铟Al_eIn_fGa_1-e-fN所构成，其中0≤e，f＜1，e+f≤1，位于上述掩模缓冲层的掩模所未遮盖的上述p型接触层的上表面上，向上延伸介于500～10000之间的厚度，超过但未覆盖上述掩模缓冲层的掩模；

透明导电层，是位于上述p型粗糙接触层之上、且覆盖其部分表面的金属导电层或透明氧化层，该金属导电层是由Ni/Au合金，Ni/Pt合金，Ni/Pd合金，Pd/Au合金，Pt/Au合金，Cr/Au合金，Ni/Au/Be合金，Ni/Cr/Au合金，Ni/Pt/Au合金，Ni/Pd/Au合金其中之一所构成，该透明氧化层是由ITO、CTO、ZnO:Al、ZnGa₂O₄、SnO₂:Sb、Ga₂O₃:Sn、AgInO₂:Sn、In₂O₃:Zn、CuAlO₂、LaCuOS、NiO、CuGaO₂、SrCu₂O₂其中之一所构成；以及

正电极，位于上述p型粗糙接触层之上、未被上述透明导电层覆盖的表面上，由Ni/Au合金、Ni/Pt合金、Ni/Pd合金、Ni/Co合金、Pd/Au合金、Pt/Au合金、Ti/Au合金、Cr/Au合金、Sn/Au合金、Ta/Au合金、TiN、TiWN_x、WSi_y其中之一所构成，其中x≥0、y≥0。

6.如权利要求5所述的高亮度氮化镓类发光二极管结构，其中，所述基板由氧化铝单晶(Sapphire)、ZnO及尖晶石(MgAl₂O₄)之一所制成。

7.如权利要求5或6所述的高亮度氮化镓类发光二极管结构，其中，所述元素是硅。

8.如权利要求5或6所述的高亮度氮化镓类发光二极管结构，其中，所述元素是镁。

9.如权利要求5或6所述的高亮度氮化镓类发光二极管结构，其中，所述元素是硅和镁。

Images