CN100524850C - 氮化镓发光二极管结构 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种具有高逆向反抗电压以及高抗静电能力的氮化镓发光二极管结构。本发明所提出的氮化镓发光二极管，其结构与公知的氮化镓发光二极管最主要的差异是利用未掺杂的氮化铟镓或是低能隙(Eg＜3.4eV)的未掺杂的氮化铝铟镓两种材料，在公知的氮化镓发光二极管的p型接触层上形成一层抗静电薄层。此抗静电薄层可以使得氮化镓发光二极管的逆向反抗电压以及抗静电能力获得明显改善，进而提高氮化镓发光二极管的使用寿命。

Description

氮化镓发光二极管结构

技术领域

本发明是有关一种发光二极管，特别是有关一种具高逆向反抗电压与高抗静电能力的氮化镓发光二极管结构。

背景技术

由于氮化镓(GaN)发光二极管可以通过控制材料的组成来制作各种色光的发光二极管，因此其相关技术成为近年来业界积极研发的焦点。氮化镓发光二极管，例如除了在各种电子时钟、手机等消费性电子装置的显示功能的传统应用之外，因为其在亮度与发光效率等方面的技术突破，更逐渐应用在户外显示板、车用照明等领域。

当应用在这些户外照明显示设备时，氮化镓发光二极管除了要具有高亮度与高发光效率外，另外很重要的要求就是要具有相当高的逆向反抗电压(Reverse Withstanding Voltage)以及抗静电(Electrostatic Discharge，ESD)能力，以便长时间在户外的苛刻环境下运作，而具有实用价值。

但是，传统的氮化镓发光二极管的公知结构是以氮化镓的氮化物磊晶成长在通常是由蓝宝石(Sapphire)所构成的基板上。氮化镓氮化物和蓝宝石基板的晶格常数的不匹配常会造成过大应力的累积，使得公知的氮化镓发光二极管的磊晶品质不佳，进而影响其承受ESD的能力。

目前最广泛采用的解决方法是采用一种倒装芯片(Flip Chip)的制作工艺，将氮化镓发光二极管和由硅构成的齐纳二极管(Zener Diode)结合在一起。此方法虽然确实有效解决了氮化镓发光二极管承受ESD能力的问题，但是，这种倒装芯片的制作工艺比公知的氮化镓发光二极管的制作工艺复杂许多。

发明内容

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

本发明的氮化镓发光二极管结构包括：

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

缓冲层，位于该基板的一侧面上，由有一特定组成的Al_aGa_bIn_1-a-bN所构成，0≤a<1，0≤b<1，a+b≤1；

n型接触层，位于该缓冲层上，由氮化镓材质构成；

有源层，位于该n型接触层上，且覆盖部份该n型接触层上表面，由氮化铟镓所构成；

负电极，位于该n型接触层未被该有源层覆盖的上表面上；

p型被覆层，位于该有源层上，由p型氮化镓材质所构成；

p型接触层，位于该p型被覆层上，由p型氮化镓所构成；

抗静电薄层，位于该p型接触层上，由未掺杂的氮化铟镓、能隙小于3.4eV的未掺杂之氮化铝铟镓以及由未掺杂之氮化铟镓与能隙小于3.4eV的未掺杂的氮化铝铟镓组成的超晶格结构三种材料之一所构成；

透明导电层，位于该抗静电薄层上、且覆盖其部份表面的金属导电层与透明氧化层二者之一，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，位于该抗静电薄层上、未被该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，x≥0，y≥0。

本发明所提出的氮化镓发光二极管的结构与公知的氮化镓发光二极管的最主要差别是利用未掺杂的氮化铟镓(InGaN)或是低能隙(Eg<3.4eV)的未掺杂的氮化铝铟镓(AlGaInN)这两种材料，在公知的氮化镓发光二极管的p型接触层上形成一层抗静电薄层。该抗静电薄层可以使得氮化镓发光二极管的逆向反抗电压以及抗静电能力获得明显改善，进而提高氮化镓发光二极管的使用寿命。

图1A与1B分别表示三种不同材质的抗静电薄层的抗静电电压与逆向反抗电压对不同的抗静电薄层厚度的实验数据图。如图1A与1B所示，以未掺杂的In_0.2Ga_0.8N所形成的、厚度介于

之间的抗静电薄层显著地要比同样采用In_0.2Ga_0.8N、相同厚度、但是有硅(Si)与镁(Mg)掺杂的抗静电薄层有更佳的抗静电能力与逆向反抗电压。

除了上述的优点外，利用未掺杂的氮化铟镓或是低能隙的未掺杂的氮化铝铟镓形成的抗静电薄层，由于这种材料的低能隙特性，还可以使得抗静电薄层与其上的金属电极或透明导电电极之间的电阻比金属电极或透明导电电极和p型接触层更低，也因此更容易形成欧姆接触。

下面结合附图和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

附图表示作为具体体现本说明书中所描述的各组成组件的具体化实施例，并解释本发明的主要目的以增进对本发明的了解。

图1A、1B分别表示三种不同材质的抗静电薄层的抗静电电压与逆向反抗电压对不同的抗静电薄层厚度的实验数据图。

图2是依据本发明的氮化镓发光二极管结构第一实施例的示意图。

图3是依据本发明的氮化镓发光二极管结构第二实施例的示意图。

图4是依据本发明的氮化镓发光二极管结构第三实施例的示意图。

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型被覆层

60          p型接触层

70          抗静电薄层

72          抗静电薄层

74          抗静电薄层

741         氮化铟镓薄层

742    氮化铝铟镓薄层

80     正电极

82     透明导电层

具体实施方式

图2是依据本发明的氮化镓发光二极管结构第一实施例的示意图。如图2所示，此实施例是以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，其它可用于基板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。然后在此基板10的一侧面形成由有一特定组成的Al_aGa_bIn_1-a-bN所构成的缓冲层20，0≤a<1，0≤b<1，a+b≤1，以及在此缓冲层上的n型接触层30，此n型接触层是由氮化镓(GaN)材质构成。然后，在此n型接触层30上形成有源层40，此有源层40是由氮化铟镓所构成，而且覆盖部份n型接触层30的上表面。在n型接触层30上表面未被有源层40覆盖的部份另外形成负电极42。

根据此实施例，接着在有源层40上形成p型被覆层50。此p型被覆层50是由氮化镓材质所构成。在此p型被覆层50上接着是材质为p型氮化镓的p型接触层60。在此p型接触层60上即为本发明重点的抗静电薄层70。在此实施例中，抗静电薄层70是由未掺杂的、具有一特定组成的In_dGa_1-dN所构成，0<d≤1，其厚度介于

之间，成长温度介于600℃～1100℃之间。

根据此实施例，在抗静电薄层70上方进一步分别形成互不重叠的正电极80与透明导电层82。此正电极80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、WSi_y等其中之一或其它类似金属材料所构成，x≥0，y≥0。此透明导电层82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3是依据本发明的氮化镓发光二极管结构第二实施例的示意图。如图3所示，此实施例和第一实施例有相同的结构与成长方式。唯一的差别是抗静电薄层所用的材质。在此实施例中，抗静电薄层72是由未掺杂、具有一特定组成、能隙小于3.4eV的氮化铝铟镓Al_eIn_fGa_1-e-fN所构成，0<e<1，0<f<1，e+f<1，其厚度介于

之间，成长温度介于600℃～1100℃之间。

图4是本发明的氮化镓发光二极管结构第三实施例的示意图。如图4所示，此实施例和第一、第二实施例有相同的结构与成长方式。唯一的差别是抗静电薄层的结构、材质与成长方式。在此实施例中，抗静电薄层74是由氮化铟镓薄层741与氮化铝铟镓薄层742交互重复堆叠所形成的超晶格结构。每个氮化铟镓薄层741均由未掺杂的、具有一特定组成的In_gGa_1-gN所构成，0<g≤1，其厚度均介于

之间，成长温度亦均介于600℃～1100℃之间。不同的氮化铟镓薄层741的氮化铟镓组成(即前述分子式的参数g)不一定相同。每个氮化铝铟镓薄层742均由未掺杂的、具有一特定组成、能隙小于3.4eV的氮化铝铟镓Al_hIn_iGa_1-h-iN所构成，0<h<1，0<i<1，h+i<1，其厚度均介于

之间，成长温度亦均介于600℃～1100℃之间。不同的氮化铝铟镓薄层742的氮化铝铟镓组成(即前述分子式的参数h，i)不一定相同。

在此抗静电薄层74中，最底层(亦即直接位于p型接触层上)可以是氮化铟镓薄层741，其上再依次堆叠氮化铝铟镓薄层742、氮化铟镓薄层741，依此类推。或者最底层也可以是氮化铝铟镓薄层742，其上再依次堆叠氮化铟镓薄层741、氮化铝铟镓薄层742，依此类推。氮化铟镓薄层741与氮化铝铟镓薄层742依此方式交互重复堆叠，其重复次数大于或等于二，亦即氮化铟镓薄层741的层数与氮化铝铟镓薄层742的层数均大于或等于二。抗静电薄层74的总厚度不超过。

以上所叙述的仅是用于解释本发明的较佳实施例，并非试图用于对本发明作任何形式上的限制，所以，凡是在相同的发明精神下对本发明所作的任何修改或变更都仍应包括在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种氮化镓发光二极管结构，包括：

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

缓冲层，位于该基板的一侧面上，由有一特定组成的Al_aGa_bIn_1-a-bN所构成，0≤a<1，0≤b<1，a+b≤1；

n型接触层，位于该缓冲层上，由氮化镓材质构成；

有源层，位于该n型接触层上，且覆盖部份该n型接触层上表面，由氮化铟镓所构成；

负电极，位于该n型接触层未被该有源层覆盖的上表面上；

p型被覆层，位于该有源层上，由p型氮化镓材质所构成；

p型接触层，位于该p型被覆层上，由p型氮化镓所构成；

抗静电薄层，位于该p型接触层上，由未掺杂的氮化铟镓、能隙小于3.4eV的未掺杂之氮化铝铟镓以及由未掺杂之氮化铟镓与能隙小于3.4eV的未掺杂的氮化铝铟镓组成的超晶格结构三种材料之一所构成；

透明导电层，位于该抗静电薄层上、且覆盖其部份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，位于该抗静电薄层上、未被该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，x≥0，y≥0。

2.根据权利要求1的所述氮化镓发光二极管结构，其特征在于，该抗静电薄层是由未掺杂的、具有一特定组成的In_dGa_1-dN所构成，0<d≤1，其厚度介于5

～100

之间。

3.根据权利要求1的所述氮化镓发光二极管结构，其特征在于，该抗静电薄层是由未掺杂的、具有一特定组成、能隙小于3.4eV的氮化铝铟镓Al_eIn_fGa_1-e-fN所构成，0<e<1，0<f<1，e+f<1，其厚度介于5

～100

之间。

4.根据权利要求1的所述氮化镓发光二极管结构，其特征在于，该抗静电薄层是由氮化铟镓薄层与氮化铝铟镓薄层交互重复堆叠所形成的超晶格结构，其重复次数至少为二次，且总厚度不超过200

，其中，每个氮化铟镓薄层的厚度均介于5

～20

之间，且均由未掺杂的、各自具有其特定组成的In_kGa_1-kN所构成，0<k≤1，每个氮化铝铟镓薄层的厚度均介于5

～20

之间，且均由未掺杂的、各自具有其特定组成、能隙小于3.4eV的氮化铝铟镓Al_pIn_qGa_1-p-qN所构成，0<p<1，0<q<1，p+q<1。

Images