CN100414723C - 一种发光二极管结构 - Google Patents

Abstract

本发明主要目的在于提供一种具有数字穿透层的氮化镓系发光二极管结构，以改善现有技术发光二极管的缺点与限制，以大幅提升其反向击穿电压与抗静电功能。本发明的另一目的提供一种降低于其中所设透明导电层与P型氮化镓系接触层间电阻的装置，其根据设置于此两层间的一可在其内部进行载流子穿透的数字穿透层，使上述透明导电层或透明导电氧化层与P型氮化镓系接触层之间成为欧姆接触的状态，而可以降低此两层间的电阻。本发明的再一目的为提供一种可在其内进行载流子穿透的材料。在本发明中，是以一种对可见光具有优良透光性的例如铟锡氧化物材料取代传统的镍/金作为透明导电层。

Description

一种发光二极管结构

技术领域

本发明是有关于一种氮化镓系发光二极管，尤其是有关于一种具有高反向击穿电压与高抗静电能力的特性的氮化镓系发光二极管。

背景技术

据了解，目前产业界所使用的影像显示器的种类众多，包括：以传统阴极射线管(CRT)所制成的显示器，在近年来高科技技术所发展制成的液晶显示器(LCD)，以及由发光二极管(LED)所制成的显示器等。通常，液晶显示器适用于显示动态画面，而以发光二极管所制的显示器适用于显示静态画面。

在发光二极管领域中，氮化镓(GaN)系发光二极管的结构为近年来光电产业所致力研究发展发光二极管的一种，其主要特性为可以由控制其材料的组成成份，而将其制作成发出各种颜色的光线。由于此种发光二极管的亮度与发光效率方面的技术获得重大进展，因而大幅扩展其使用领域。

通常，现有技术中使用氮化铟镓(InGaN)/氮化镓(GaN)多重量子井发光二极管(MQW LED)作为发光/照明装置，而广泛地应用于各种静态显示功能用途。例如：电子钟表等消费产品之外，更可应用于各种显示屏幕与广告看板等用途。

当将此种发光二极管使用于户外的显示屏幕与广告看板等用途时，由于较为严格环境操作条件，此种发光二极管必须具有足够高的反向击穿电压(Reverse Withstanding Voltage)与抗静电(Electrostatic Discharge，ESD)功能，才可以维持持久稳定的正常运作，充分发挥其发光/照明的功能。

以下概略说明传统已知氮化镓系发光二极管的结构与其制作方法。

如同图1所示，传统式氮化镓(GaN)系发光二极管(10)的结构，包括：(1)基板11；(2)形成在基板之上的缓冲层12(buffer layer)；(3)形成在缓冲层12之上的N型氮化镓系层13；(4)形成在N型氮化镓系层13之上的发光堆栈层14；及(5)形成在发光堆栈层14之上的P型氮化镓系层15。

(6)然后，利用干式蚀刻技术，向下蚀刻通过P型氮化镓系层15，发光堆栈层14，然后到达N型氮化镓系层13，形成N-金属(N-Metal)形成区16；

(7)随后，在P型氮化镓系层15之上，形成既可作P型欧姆接触使用，且具透明特性的透明导电层17(TCL：Transparent Conductive Layer)；

接着，在N-金属形成区16之上，形成可以作N型欧姆接触使用的N-金属18；最后，在透明导电层17与N-金属18之上，各分别形成焊接垫19。按照上述步骤即可制成传统已知的氮化镓系发光二极管结构。

然而，如同于图4的特性曲线(a)与图5的特性曲线(a)所示：传统式氮化镓(GaN)系发光二极管结构的反向击穿电压与抗静电特性的值偏低，仍不足使该发光二极管结构在户外严格环境条件下维持长时期高位准的发光/照明性能。

本发明的目的在于改善现有技术发光二极管上述的缺点与限制，以大幅提升其反向击穿电压与抗静电功能，且维持其长的使用寿命。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种具有数字穿透层的氮化镓系发光二极管结构，以改善现有技术发光二极管有关于此的缺点与限制，以大幅提升其反向击穿电压与抗静电功能。

本发明的另一目的为提供一种降低于其中所设透明导电层(transparentconductive layer)与P型氮化镓系接触层间电阻的装置，其由设置于此两层间的可在其内部进行载流子穿透的数字穿透层，使上述透明导电层或透明导电氧化层与P型氮化镓系接触层之间成为欧姆接触的状态，而可以降低此两层间的电阻。

本发明的再一目的为提供一种可在其内进行载流子穿透的材料。

在本发明中，以一种对可见光具有优良透光性的例如铟锡氧化物材料取代传统的镍/金作为透明导电层。但是，由于在此种铟锡氧化物材料与P型氮化镓系材料之间并非呈欧姆接触，因此必须在二者之间加入一数字穿透层(Digital Penetration Layer)，其结构如第3图中所示，其利用该层的载流子穿透效应，使该两层间形成欧姆接触，以降低两者间的电阻。

如同以上说明，本发明的目的在于提供一种具有数字穿透层的氮化镓系发光二极管结构。其具体步骤为：首先，提供一基板；然后，在该基板上形成一系列半导体叠层，此系列半导体叠层由下至上依序堆栈而设有：一缓冲层、一N型氮化镓系接触层、一发光堆栈层、以及一P型氮化镓系接触层；接着，在P型氮化镓系接触层上形成一数字穿透层；

随后，再使用干蚀刻法向下依序蚀刻经由数字穿透层、P型氮化镓系接触层、发光堆栈层、并终止于N型氮化镓系接触层之上；

最后，在该数字穿透层上、未被该透明导电层覆盖的表面上形成一第一欧姆接触电极，以作为P型欧姆接触；以及在该N型氮化镓系接触层上形成第二欧姆接触电极，作为N型欧姆接触。以此方法制成本发明具有大幅提升其反向击穿电压与抗静电功能的发光二极管结构。

本发明的目的及多项优点将由下列具体实施例的详细说明，以及参考附图而更加明显。

附图说明

图1为现有技术的氮化镓系发光二极管结构；

图2为根据本发明实施例的氮化镓系发光二极管结构；

图3为根据本发明实施例的氮化镓系发光二极管结构的数字穿透层的结构；

图4为根据本发明实施例具有数字穿透层的氮化镓系发光二极管结构和现有技术的氮化镓系发光二极管结构的反向击穿电压的特性曲线比较图；

图5为根据本发明实施例具有数字穿透层的氮化镓系发光二极管结构和现有技术的氮化镓系发光二极管结构的抗静电功能的特性曲线比较图。

图中

10   发光二极管结构

11   基板

12   缓冲层

13   N型氮化镓系层

14   发光堆栈层

15   P型氮化镓系层

16   N-金属形成区

17   透明导电层

18   N-金属

19   焊接垫

20   发光二极管结构

21   基板

22   缓冲层

23   N型氮化镓系层

24   发光堆栈层

25   P型氮化镓系层

26   数字穿透层

27   a透明导电层

27   b透明导电氧化层

28   第一欧姆接触电极

29   第二欧姆接触电极

30   穿透层

3001 穿透层的次层

3002 穿透层的次层

3003 穿透层的次层

3004 穿透层的次层

3005 穿透层的次层

3006 穿透层的次层

具体实施方式

现在参考附图说明本发明的各实施例。其中，某些组件的不同部份并没有依照实际尺寸绘制。某些尺寸与其它部份相关的尺寸比被夸张的显示以提供更清楚的描述以协助熟悉此技艺的相关人士了解本发明。

首先，请参考图2。图2中显示根据本发明实施例的具有提升反向击穿电压与抗静电功能的氮化镓系发光二极管结构20，其包括：基板21、缓冲层22、N型氮化镓系(GaN)层23、发光堆栈层24、P型氮化镓系(GaN)层25、数字穿透层26、透明导电层27a或透明导电的氧化层27b、第一欧姆电极28、以及第二欧姆电极29。

在上述结构中，此发光二极管的最底层为基板21，其材质为下列之一所构成：氧化铝单晶(Sapphire)、6H-SiC、4H-SiC、Si、ZnO、GaAs、尖晶石(MgAl₂O₄)、一晶格常数接近于氮化物半导体的单晶氧化物。

其次，形成于基板21之上为缓冲层22，其材质为具有一特定组成的氮化铝镓铟Al_1-a-bGa_aIn_bN，其中，0≤a，b＜1，a+b≤1。

然后，N型氮化镓系层23形成在该缓冲层22上，此层为接触层，其成长温度为900-1200℃，其厚度为2～5μm。

再其次，发光堆栈层24，形成于该N型氮化镓系层上，其材质为特定的氮化铝镓铟Al_1-x-yGa_xIn_yN，其中0＜x，y＜1，x+y≤1，通常为氮化铟镓(InGaN)，成长温度为700～900℃。

然后，在该发光堆栈层上形成P型氮化镓系层25，其为接触层，其成长温度为900～1200℃，其厚度不大于5000。

其次，数字穿透层26形成于P型氮化镓系接触层上，此为本发明特别设置的层，其对于波长365nm～560nm的光线具有大于80％的穿透率，且在其内可利用载流子穿透效应以进行载流子穿透，其目的与功能在于使得：该P型氮化镓系层25与以下将说明的透明导电层27a或透明导电的氧化层27b间的接触为欧姆接触。随后，使用干式蚀刻法从此数字穿透层向下蚀刻，经由P型氮化镓系层、发光堆栈层、而至N型氮化镓系层上。

然后，在此数字穿透层26上形成透明导电层27a，其材质为以下之一：Ni/Au、Ni/Pt、Ni/Pd、Pd/Au、Pt/Au、Cr/Au、Ni/AuBe、Ni/Cr/Au、Ni/Pt/Au、Ni/Pd/Au以及其它类似材料；或透明导电的氧化层27b(TCO：transparentconductive oxide layer)，其材质包为以下之一：ITO、CTO、ZnO、InO、以及其它类似材料。

其次，于该数字穿透层26上、未被该透明导电层覆盖的表面上形成第一欧姆接触电极28，其作用为P型欧姆接触，其材质为以下之一：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)。

最后，于该N型氮化镓系接触层23上形成第二欧姆接触电极29，其作用为N型欧姆接触，其材质由Ti/Al合金、Ti/Al/Ti/Au合金、Ti/Al/Ni/Au合金、Ti/Al/Pt/Au合金、Ti/Au合金、Cr/Au合金其中之一所构成。

经由以上说明可以制成：本发明的具有提升反向击穿电压与抗静电功能的氮化镓系发光二极管结构。其中，该数字穿透层26的进一步更详细结构为：由二种厚度渐增(2埃到20埃)/渐减(20埃到2埃)的材料Al_xIn_yGa_1-x-yN_zP_1-z/Al_pIn_qGa_1-p-qN_rP_1-r所构成的次层(sub-layer)两两交替堆栈而成，其重复次数大于2，而其整个厚度不大于100埃，且0≤x、y、z、p、q、r≤1。此Al_xIn_yGa_1-x-yN_zP_1-z能隙宽度必须大于Al_pIn_qGa_1-p-qN_rP_1-r的能隙宽度，其导电性可以为P型，N型，或I型；但并无须同时为P型，N型，或I型。经实验证实，此图3中所示数字穿透层100的各次层的最适结构成份与厚度为如下所示：

次层3001：由I型氮化镓(undoped GaN)所形成，其厚度为20

；

次层3002：由N型氮化铟镓(N-InGaN)所形成，其厚度为5；

次层3003：由N型氮化镓(N-GaN)所形成，其厚度为10

；

次层3004：由N型氮化铟镓(N-InGaN)所形成，其厚度为10

；

次层3005：由N型氮化镓(N-GaN)所形成，其厚度为5

；以及

次层3006：由I型氮化铟镓(undoped InGaN)所形成，其厚度为20

。

上述图2中，该数字穿透层26是形成于P型氮化镓系层25与透明导电层27a或透明导电的氧化层27b间，该数字穿透层可在其内部进行载流子穿透，以使得此P型氮化镓系层与透明导电层之间形成欧姆接触的状态。因而使得本发明的发光二极管(LED)结构具有大幅提升的反向击穿电压与抗静电功能。现根据图4与图5中的特性曲线说明如下。

图4中所示为发光二极管(LED)的反向击穿电压(V)(横轴)相对于注入电流(μA)(纵轴)的特性曲线。曲线(a)为传统式发光二极管的特性曲线。曲线(b)为本发明具有数字透射层(DPL：Digital Penetration Layer)的发光二极管的特性曲线。由此两曲线可明显地看出，本发明的发光二极管于此注入电流为0～10μA的范围中，其反向击穿电压的绝对值大于现有技术所制发光二极管的反向击穿电压的绝对值。

图5中所示为发光二极管(LED)的漏电电流(mA)(纵轴)相对于ESD振幅(V)(横轴)的特性曲线。其中，曲线(a)为现有技术的发光二极管的特性曲线，曲线(b)为本发明的发光二极管的特性曲线。由此图中的两曲线可以看出：现有技术发光二极管在ESD振幅范围0～2000V的1000V处的漏电电流大幅增加至1.0mA，而本发明的发光二极管在此整个ESD振幅范围0～2000V中的漏电电流均保持为0mA，且小于未设有数字穿透层的发光二极管结构的漏电电流。

由以上说明可知，本发明发光二极管的反向击穿电压与抗静电功能实优于现有技术。因此，本发明具有产业上的利用价值，且符合专利要件。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，其仅用于说明目的而非用以限制本发明与申请专利范围的内容；凡是其它在未偏离本发明所揭示的精神与范围下所作的等效改变或修饰，均应包含在以下所述的权利要求的范围中。

Claims (7)

1. 一种发光二极管结构，其特征在于，包括：

一基板，其由晶格常数接近于氮化物半导体的单晶氧化物之一所构成；

一缓冲层，形成于该基板上，此缓冲层由具有特定组成的氮化铝镓铟Al_1-a-bGa_aIn_bN所构成，其中，0≤a，b＜1，a+b≤1；

一N型氮化镓系接触层，形成于该缓冲层上，此N型氮化镓系接触层，成长温度为900～1200℃，厚度为2～5μm；

一发光堆栈层，形成于该N型氮化镓系接触层上，其材质为特定组成的氮化铝镓铟Al_1-x-yGa_xIn_yN，其中0＜x，y＜1，x+y≤1，成长温度700～900℃；

一P型氮化镓系接触层，形成于该发光堆栈层上，成长温度为900～1200℃，其厚度不大于

一数字穿透层，形成于P型氮化镓系接触层上，且在此层中可利用载流子穿透效应以进行载流子穿透；

一透明导电层，其由以下之一所构成：Ni/Au、Ni/Pt、Ni/Pd、Pd/Au、Pt/Au、Cr/Au、Ni/AuBc、Ni/Cr/Au、Ni/Pt/Au、Ni/Pd/Au的金属导电层，或透明导电氧化层由ITO、CTO、ZnO、InO中之一所构成，而形成在该数字穿透层上；

一第一欧姆接触电极，形成于该数字穿透层上、未被该透明导电层覆盖的表面上，用以作为P型欧姆接触，其由以下之一所构成：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x≥0，y≥0；以及，

一第二欧姆接触电极，形成于该N型氮化镓系接触层上作为N型欧姆接触，其由以下之一所构成：Ti/Al合金、Ti/Al/Ti/Au合金、Ti/Al/Ni/Au合金、Ti/Al/Pt/Au合金、Ti/Au合金、Cr/Au合金。

2. 根据权利要求1所述的发光二极管结构，其中，所述基板由从氧化铝单晶、6II-SiC、4II-SiC、Si、ZnO、GaAs、MgAl₂O₄尖晶石中选择的一种来构成。

3. 根据权利要求1所述的发光二极管结构，其中，

此数字穿透层是由一种厚度从2埃到20埃渐增的材料Al_xIn_yGa_1-x-yN_zP_1-z和一种厚度从20埃到2埃渐减的材料Al_pIn_qGa_1-p-qN_rP_1-r所构成的次层两两交替堆栈而成，其重复次数大于2，而其整个厚度不大于100埃，且0≤x、y、z、p、q、r≤1；此Al_xIn_yGa_1-x-yN_zP_1-z能隙宽度必须大于Al_pIn_qGa_1-p-qN_rP_1-r的能隙宽度，其导电性可以为P型、N型或I型；但并无须同时为P型、N型或I型。

4. 根据权利要求1所述的发光二极管结构，其中，

该数字穿透层所包含各次层的组成成份与厚度各为：

第一次层：由I型氮化镓(undoped GaN)所形成，其厚度为

第二次层：由N型氮化铟镓(N-InGaN)所形成，其厚度为

第三次层：由N型氮化镓(N-GaN)所形成，其厚度为

第四次层：由N型氮化铟镓(N-InGaN)所形成，其厚度为

第五次层：由N型氮化镓(N-GaN)所形成，其厚度为以及

第六次层：由I型氮化铟镓(undoped InGaN)所形成，其厚度为

5. 根据权利要求1所述的发光二极管结构，其中，

该具有数字穿透层的发光二极管结构的反向击穿电压的绝对值在注入电流为0～10μA范围中，均大于未设有数字穿透层的发光二极管装置的反向击穿电压的绝对值。

6. 根据权利要求1所述的发光二极管结构，其中，

该设有数字穿透层的发光二极管结构在此整个抗静电振幅范围0～2000V中的漏电电流均保持为0mA，而小于未设有数字穿透层的发光二极管结构的漏电电流。

7. 根据权利要求1所述的发光二极管结构，其中，所述发光堆栈层为氮化铟镓InGaN。

Images