CN100418237C - 氮化镓多重量子阱发光二极管的n型接触层结构 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于氮化镓多重量子阱发光二极管的n型接触层的结构。此n型接触层是通过组合两种组成不同的氮化铝镓所形成的超晶格结构，可以得到高掺杂浓度(＞1×10¹⁹cm^-3)且低电阻的n型氮化镓接触层。此外，利用铝、铟、镓各成份的调配可以得到两两晶格常数相匹配的晶膜，而不会造成在n型接触层内因重掺杂而龟裂，改善重掺杂接触层的品质，且减少n型欧姆接触制造的困难，进而会大大降低整个氮化镓多重量子阱发光二极管的操作电压。

Description

氮化镓多重量子阱发光二极管的n型接触层结构

技术领域

本发明是有关氮化镓多重量子阱发光二极管，特别是有关氮化镓多重量子阱发光二极管中的低电阻n型接触层的结构。

背景技术

由于氮化镓(GaN)发光二极管可以借助控制材料的组成来达到所需的能隙(Band Gap)，因此可以制作出各种色光，尤其是需要高能隙的蓝光或紫光发光二极管。因此氮化镓发光二极管的相关技术成为业界积极研发的重点。

一种公知的氮化镓发光二极管的发光层主要是以氮化镓以及氮化铟镓In_xGa_1-xN，(0≤x≤1)为位阱(Potential Well)的多重量子阱(Multi-quantum Well，MQW)结构，利用电子与空穴在In_xGa_1-xN(0≤x≤1)位阱结合而释放出光子。在此发光层下，一般是采用有n型掺杂(例如，硅)的n型氮化镓接触层。

为使此n型氮化镓接触层达到低电阻的要求，一般是采用掺杂高浓度(＞1×10¹⁹cm^-3)的硅(Si)来制作n型氮化镓接触层。但在实际制造过程中发现，n型氮化镓接触层往往会因硅重掺杂的结果，由于晶格不匹配形成过大的应力，导致易生龟裂，甚至断裂的现象。这些现象不仅影响n型氮化镓接触层的制造品质，还会增加在制程中下一步骤在n型氮化镓接触层上方制作n型欧姆接触电极的困难。这些缺点使得生产出来的氮化镓多重量子阱发光二极管的整体电特性变差或导电不良，甚至成为废品。影响所及，这些氮化镓多重量子阱发光二极管一方面需要较高的操作电压，使得运作时消耗之电功率增加，另一方面是制造的优良率下降，生产成本提高。

此外，硅重掺杂于n型氮化镓接触层的结果也容易形成点缺陷(Pin Hole)，使得氮化镓多重量子阱发光二极管的整体二极管特性变差，而且在操作上会有漏电流的产生。

发明内容

因此，为了克服上述先前技术的缺陷，本发明提出数种n型氮化镓接触层的结构，以解决前述问题。

本发明提供一种氮化镓多重量子阱发光二极管的n型接触层结构，该氮化镓多重量子阱发光二极管从下而上顺序分别包括：

基板，由氧化铝单晶、6H-SiC、4H-SiC、Si、ZnO、GaAs、尖晶石(MgAl₂O₄)与晶格常数接近于氮化物半导体的单晶氧化物之一所制成；

位于该基板的一侧面且由具有特定组成的氮化铝镓铟Al_1-a-bGa_aIn_bN所构成的缓冲层，0≤a，b＜1，a+b≤1；

位于该缓冲层上的该n型接触层；

位于该n型接触层上、覆盖该n型接触层部份表面、由氮化铟镓所构成的发光层；

在该发光层同一侧以及位于该n型接触层表面未被覆盖部份上的负电极；

位于该发光层上、由有镁掺杂、具有一特定组成的氮化铝镓铟Al_1-c-dGa_cIn_dN所构成的p型被覆层，0≤c，d＜1，c+d≤1；

位于该p型被覆层上、由有镁掺杂、具有另一特定组成的氮化铝镓铟Al_1-e-fGa_eIn_fN所构成之p型接触层，0≤e，f＜1，e+f≤1；以及

位于该p型接触层上、覆盖部份p型接触层表面的正电极，

其中，该n型接触层是由总共第一层数、由n型III族氮化物所构成的第一基层，与总共第二层数、由n型III族氮化物的第二基层交互叠加所形成的超晶格结构，该第二基层的能隙比该第一基层为高，其最底层是该第一基层与该第二基层两者之一，其最上层是该第一基层与该第二基层两者之一。

本发明通过组合两种组成不同的Al_mIn_nGa_1-m-nN和Al_pIn_qGa_1-p-qN(0≤m，n＜1；0＜p，q＜1；m+n＜1；p+q≤1；m＜p)所形成的超晶格结构，可以得到高掺杂浓度(＞1×10¹⁹cm^-3)且低电阻的n型氮化镓接触层。此外，利用铝、铟、镓各组成的调配可以得到两两晶格常数相匹配的晶膜，而不会造成在n型氮化镓接触层内因硅重掺杂而龟裂，改善重掺杂氮化镓接触层的品质，且减少n型欧姆接触制造的困难，进而会大大降低整个氮化镓多重量子阱发光二极管的操作电压。

下面结合下附图、实施例详细说明本发明的上述及其它目的与优点。

附图说明

图1是显示三族氮化物材料的晶格常数与能隙。

图2是依据本发明第一实施例的氮化镓多重量子阱发光二极管的结构示意图。

图3是依据本发明第二实施例的氮化镓多重量子阱发光二极管的结构示意图。

图4是依据本发明第三实施例的氮化镓多重量子阱发光二极管的结构示意图。

图5是依据本发明第四实施例的氮化镓多重量子阱发光二极管的结构示意图。

图中

10    基板

20    缓冲层

30    n型接触层

40    负电极

42    发光层

50    p型被覆层

60    p型接触层

70    正电极

301   有硅掺杂的氮化镓基层

302   有硅掺杂的氮化铝镓基层

具体实施方式

本发明的技术构思可通过图1而清楚揭露出来。图1是显示三族氮化物材料的晶格常数(Lattice Constant)与能隙。如图1所示，GaN(氮化镓)的晶格常数a₀约为3.18

由其晶格匹配线上下延伸，可以发现具有特定组成的Al_xIn_yGa_1-x-yN(氮化铝铟镓，0≤x，y＜1，x+y≤1)拥有相同的晶格常数以及更高的能隙。

图2是依据本发明第一实施例的氮化镓多重量子阱发光二极管的结构示意图。习知的氮化镓发光二极管的结构如图2所示，一般是以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，其它可用于基板的材质还包括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，此结构在基板10的一侧面包含缓冲层20，此缓冲层20是由具有特定组成的氮化铝镓铟Al_1-a-bGa_aIn_bN(0≤a，b＜1，a+b≤1)所构成。在此缓冲层20上，此结构包含n型接触层(contact layer)30，此n型接触层30的结构即是本发明的焦点所在。在此n型接触层30上是覆盖部份n型接触层30表面的发光层(active layer)42，此发光层42是由氮化铟镓(InGaN)所构成。另外，在此发光层同一侧以及在此n型接触层30表面未被覆盖的部份上，此结构还包含负电极40。

在此发光层42上，此结构顺序由下往上堆叠，分别包含p型被覆层(cladding layer)50、p型接触层60以及覆盖部份p型接触层60表面的正电极70。位于活性发光层上的p型被覆层50是由有镁掺杂(Mg-doped)、具有一特定组成的氮化铝镓铟Al_1-c-dGa_cIn_dN所构成，0≤c，d＜1，c+d≤1。位于p型被覆层50上的p型接触层60则是由有镁掺杂的、具有另一特定组成的氮化铝镓铟Al_1-e-fGa_eIn_fN所构成，0≤e，f＜1，e+f≤1。

如图2所示，此实施例的n型接触层30是由多层、有硅掺杂的氮化镓基层301以及有硅掺杂的氮化铝镓基层302交互叠加所构成的超晶格(Supperlattice)结构，其中有硅掺杂的氮化铝镓基层302的能隙比有硅掺杂的氮化镓基层301的能隙大。更明确的说，n型接触层30是在一层有硅掺杂的氮化镓基层301上叠加一层有硅掺杂的氮化铝镓基层302，其上再叠加一层有硅掺杂的氮化镓基层301，以此类推。或者，n型接触层30是在一层有硅掺杂的氮化铝镓基层302上叠加一层有硅掺杂的氮化镓基层301，其上再叠加一层有硅掺杂的氮化铝镓基层302，以此类推。各氮化镓基层的厚度不必相同，但均在20

～200

之间，成长温度在600℃～1200℃之间。各氮化铝镓Al_1-gGa_gN(0＜g＜1)基层的组成(亦即，前列分子式中的参数g)不必相同，厚度不必相同，但均在20

～200

之间，成长温度亦在600℃～1200℃之间。n型接触层30总厚度在2～5μm之间，总共包含50～500层氮化镓基层301与氮化铝镓基层302，其中至少有一层(不论是氮化镓基层301或氮化铝镓基层302)的硅掺杂浓度大于1×10¹⁹cm^-3。氮化镓基层301与氮化铝镓基层302的层数相同或其层数之差为一。

图3是依据本发明第二实施例的氮化镓多重量子阱发光二极管的结构示意图。如图3所示，此实施例的结构与第一实施例完全相同，唯一的差别是n型接触层32所采用的材质不同。此实施例的n型接触层32是由多层、有铟与硅共同掺杂的氮化镓基层321以及有铟与硅共同掺杂的氮化铝镓基层322交互叠加所构成的超晶格结构，其中有铟与硅共同掺杂的氮化铝镓基层322的能隙比有铟与硅共同掺杂的氮化镓基层321的能隙大。更明确的说，n型接触层32系在一层有铟与硅共同掺杂的氮化镓基层321上叠加一层有铟与硅共同掺杂的氮化铝镓基层322，其上再叠加一层有铟与硅共同掺杂的氮化镓基层321，以此类推。或者，n型接触层32系在一层有铟与硅共同掺杂的氮化铝镓基层322上、叠加一层有铟与硅共同掺杂的氮化镓基层321，其上再叠加一层有铟与硅共同掺杂的氮化铝镓基层322，以此类推。各氮化镓基层的厚度不必相同，但均在20

～200之间，成长温度在600℃～1200℃之间。各氮化铝镓基层的组成不必相同，厚度不必相同，但均在20～200

之间，成长温度亦在600℃～1200℃之间。n型接触层32总厚度在2～5μm之间，总共包含50～500层氮化镓基层321与氮化铝镓基层322，其中至少有一层(不论是氮化镓基层321或氮化铝镓基层322)的铟与硅掺杂浓度大于1×10¹⁹cm^-3。氮化镓基层321与氮化铝镓基层322的层数相同或其层数之差为一。

图4是依据本发明第三实施例的氮化镓多重量子阱发光二极管的结构示意图。如图4所示，此实施例的结构与第一、二实施例完全相同，唯一的差别是n型接触层34所采用的材质不同。此实施例的n型接触层34是由多层、有铟与硅共同掺杂的氮化铝镓基层341以及有铟与硅共同掺杂的氮化铝镓基层342交互叠加所构成的超晶格结构，其中有铟与硅共同掺杂的氮化铝镓基层342的能隙比有铟与硅共同掺杂的氮化铝镓基层341的能隙大。更明确的说，n型接触层34是在一层有铟与硅共同掺杂的氮化铝镓基层341上叠加一层有铟与硅共同掺杂的氮化铝镓基层342，其上再叠加一层有铟与硅共同掺杂的氮化铝镓基层341，以此类推。或者，n型接触层34是在一层有铟与硅共同掺杂的氮化铝镓基层342上叠加一层有铟与硅共同掺杂的氮化铝镓基层341，其上再叠加一层有铟与硅共同掺杂的氮化铝镓基层342，以此类推。各氮化铝镓层的厚度不必相同，但均在20

～200

之间，成长温度在600℃～1200℃之间。相邻的氮化铝镓基层的组成不相同，但不相邻的氮化铝镓基层的组成可以相同，也可以不相同，各层厚度不必相同，但均在20

～200

之间，成长温度亦在600℃～1200℃之间。n型接触层34总厚度在2～5μm之间，总共包含50～500层氮化铝镓基层341与氮化铝镓基层342，其中至少有一层(不论是氮化铝镓基层341或氮化铝镓基层342)的铟与硅掺杂浓度大于1×10¹⁹cm^-3。氮化铝镓基层341与氮化铝镓基层342的层数相同或其层数之差为一。

图5是依据本发明第四实施例的氮化镓多重量子阱发光二极管的结构示意图。如图5所示，此实施例的结构与前述实施例完全相同，唯一的差别是n型接触层36所采用的材质不同。此实施例的n型接触层36是由多层、有硅掺杂的氮化铝铟镓基层361以及有硅掺杂的氮化铝铟镓基层362交互叠加所构成的超晶格结构，其中有硅掺杂的氮化铝铟镓基层362的能隙比有硅掺杂的氮化铝铟镓基层361的能隙大。更明确的说，n型接触层36系在一层有硅掺杂的氮化铝铟镓基层361上叠加一层有硅掺杂的氮化铝铟镓基层362，其上再叠加一层有硅掺杂的氮化铝铟镓基层361，以此类推。或者，n型接触层36是在一层有硅掺杂的氮化铝铟镓基层362上叠加一层有硅掺杂的氮化铝铟镓基层361，其上再叠加一层有硅掺杂的氮化铝铟镓基层362，以此类推。各氮化铝铟镓基层的厚度不必相同，但均在20

～200之间，成长温度在600℃～1200℃之间。相邻的氮化铝铟镓基层的组成不相同，但不相邻的氮化铝铟镓层的组成可以相同，也可以不相同，各层厚度不必相同，但均在20

～200

之间，成长温度亦在600℃～1200℃之间。n型接触层36总厚度在2～5μm之间，总共包含50～500层氮化铝铟镓基层361与氮化铝铟镓基层362，其中至少有一层(不论是氮化铝铟镓基层361或氮化铝铟镓基层362)的硅掺杂浓度大于1×10¹⁹cm^-3。氮化铝铟镓基层361与氮化铝铟镓基层362的层数相同或其层数之差为一。

在此实施例中，通过组合两种组成不同的氮化铝铟镓Al_mIn_nGa_1-m-nN和Al_pIn_qGa_1-p-qN(0≤m，n＜1；0＜p，q＜1；m+n＜1；p+q≤1；m＜p)所形成的超晶格结构可以得到高掺杂浓度(＞1×10¹⁹cm^-3)且低电阻的n型氮化镓接触层。此外，利用铝、铟、镓各组成的调配可以得到两两晶格常数相匹配的晶膜，而不会造成在n型氮化镓接触层内因硅重掺杂而龟裂，改善重掺杂氮化镓接触层的品质，且减少n型欧姆接触制造的困难，进而会大大降低整个氮化镓多重量子阱发光二极管的操作电压。

上述内容仅是本发明的较佳实施例，不应当以此限定本发明实施的范围，凡是根据本发明的范围所作的均等变化与修改均应属于本发明涵盖的范围内。

Claims (4)

1. 一种氮化镓多重量子阱发光二极管的n型接触层结构，该氮化镓多重量子阱发光二极管从下而上顺序分别包括：

基板，由单晶氧化物所制成；

位于该基板的一侧面且由具有特定组成的氮化铝镓铟Al_1-a-bGa_aIn_bN所构成的缓冲层，0≤a，b＜1，a+b≤1；

位于该缓冲层上的该n型接触层；

位于该n型接触层上、覆盖该n型接触层部份表面、由氮化铟镓所构成的发光层；

在该发光层同一侧以及位于该n型接触层表面未被覆盖部份上的负电极；

位于该发光层上、由有镁掺杂的、具有一特定组成的氮化铝镓铟Al_1-c-dGa_cIn_dN所构成的p型被覆层，0≤c，d＜1，c+d≤1；

位于该p型被覆层上、由有镁掺杂的、具有另一特定组成的氮化铝镓铟Al_1-e-fGa_eIn_fN所构成之p型接触层，0≤e，f＜1，e+f≤1；以及

位于该p型接触层上、覆盖部份p型接触层表面的正电极，

其中，该n型接触层是由总共第一层数、由n型III族氮化物所构成的第一基层，与总共第二层数、由n型III族氮化物的第二基层交互叠加所形成的超晶格结构，该第二基层的能隙比该第一基层为高，其最底层是该第一基层与该第二基层两者之一，其最上层是该第一基层与该第二基层两者之一；

其特征在于，该第一基层各层是由有各自浓度的铟与硅掺杂、且有各自成份组成的氮化镓或氮化铝镓所构成，该第二基层各层是由有各自浓度的铟与硅掺杂、且有各自成份组成的氮化铝镓构成；其中，

该第一基层与该第二基层中至少有一基层的硅掺杂浓度大于1×10¹⁹cm^-3或至少有一基层的铟与硅掺杂浓度大于1×10¹⁹cm^-3。

2. 根据权利要求1的所述氮化镓多重量子阱发光二极管的n型接触层结构，其特征在于，该n型接触层厚度在2～5μm之间。

3. 根据权利要求1的所述氮化镓多重量子阱发光二极管的n型接触层结构，其特征在于，该第一层数与该第二层数之和在50～500之间，该第一层数与该第二层数之差不大于一。

4. 根据权利要求1的所述氮化镓多重量子阱发光二极管的n型接触层结构，其特征在于，该第一基层与第二基层的各层各具有介于20

～200之间的独立厚度。

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