CN101276864A

CN101276864A - 发光元件

Info

Publication number: CN101276864A
Application number: CNA2007100919073A
Authority: CN
Inventors: 蔡吉明; 陈锡铭
Original assignee: Epistar Corp
Current assignee: Epistar Corp
Priority date: 2007-03-30
Filing date: 2007-03-30
Publication date: 2008-10-01

Abstract

一种发光元件及其制造方法。此发光元件至少包括镁化物缓冲结构、透明基板及发光外延结构。镁化物缓冲结构具有相对的第一表面和第二表面。透明基板直接设于镁化物缓冲结构的第一表面上。发光外延结构则直接设于镁化物缓冲结构的第二表面上。

Description

发光元件

技术领域

本发明涉及一种发光元件(Nitride Device)及其制造方法，且特别是涉及一种具有镁化物缓冲层(Mg-based Buffer Layer)的发光元件及其制造方法。

背景技术

近年来，许多的焦点集中在以氮化物为主的半导体所形成的发光元件，例如氮化镓(GaN)、氮化铝镓(AlGaN)、氮化铟镓(InGaN)及氮化铝铟镓(AlInGaN)等。此类的发光元件半导体大多成长于不导电的蓝宝石(Sapphire)基板上，而与其他发光元件采用可导电的基板不同。

请参照图1，其所示为传统氮化物发光元件的剖面图。制作氮化物的发光元件100时，先提供透明的蓝宝石基板102。接下来，在蓝宝石基板102的表面上成长氮化铝铟镓缓冲层104，以使后续的发光外延结构106能顺利成长在蓝宝石基板102上。然后，再于氮化铝铟镓缓冲层104的表面上外延成长发光外延结构106，而大致完成发光元件100的制作。

然而，直接在蓝宝石基板102上成长氮化铝铟镓缓冲层104时，在氮化铝铟镓缓冲层104中会产生过多的错位缺陷密度(Dislocation Density)。如此一来，将进一步影响成长于氮化铝铟镓缓冲层104的发光外延结构106的外延品质，而不仅会对发光元件100的电稳定度造成不良影响，而降低发光元件100的操作品质，还会造成发光元件100的操作寿命的缩减。

为了降低蓝宝石基板与发光外延结构之间的缓冲层的错位缺陷密度，目前发展出以横向外延(Epitaxially Laterally Overgrown；ELOG)方式来制作缓冲层。然而，横向外延的方式工艺成本相当高昂，对发光元件的生产成本造成相当大的负担，不利于量产。

发明内容

因此，本发明的目的就是在提供一种发光元件，具有镁化物(Mg-based)缓冲层，故可大幅降低成长于蓝宝石基板上的外延材料的错位缺陷密度。

本发明的另一目的是在提供一种发光元件，在基板与氮化物外延结构之间具有镁化物/氮化镓系列(GaN-based)材料的多层堆叠结构所构成的缓冲层，如此一来可提高外延材料层的品质。因此，不仅可增加发光元件的操作寿命，还可提高发光元件的抗静电(ESD)能力，有效提高发光元件的电品质。

本发明的又一目的是在提供一种发光元件的制造方法，可直接在外延机器中，依次成长镁化物缓冲层与发光外延结构，以降低外延结构的错位缺陷密度。因此，与使用横向外延方式的现有技术相比，本发明的方式可大幅减少工艺成本。

根据本发明的上述目的，提出一种发光元件，至少包括：镁化物缓冲结构，具有相对的第一表面和第二表面；透明基板，直接设于镁化物缓冲结构的第一表面上；和发光外延结构，直接设于镁化物缓冲结构的第二表面上。

依照本发明优选实施例，上述的镁化物缓冲结构包含氮化镁(MgN_x)缓冲层或氮化镁(MgN_x)层/氮化镓系列材料层的多层堆叠结构，且镁化物缓冲结构的厚度约为30nm。

根据本发明的目的，提出一种发光元件的制造方法，至少包括：提供透明基板；形成镁化物缓冲结构于透明基板的表面上；以及形成发光外延结构于镁化物缓冲结构上。

依照本发明优选实施例，上述形成镁化物缓冲结构的步骤与形成发光外延结构的步骤可在同一有机金属化学气相沉积(MOCVD)机器中进行。

通过在透明基板的表面上成长镁化物缓冲结构的方式，无需使用横向外延技术，即可大幅度地降低错位缺陷密度，可进一步提高后续成长的发光外延结构的品质。因此，应用本发明可延长发光元件的操作寿命，并可提高元件的抗静电能力而增进发光元件的操作品质，还可有效降低元件的制作成本。

附图说明

图1所示为传统氮化物发光元件的剖面图。

图2所示为依照本发明优选实施例的一种发光元件的剖面图。

图3所示为依照本发明另一优选实施例的一种发光元件的剖面图。

简单符号说明

100：发光元件 102：蓝宝石基板

104：氮化铝铟镓缓冲层 106：发光外延结构

200a：发光元件 200b：发光元件

202：透明基板 204a：镁化物缓冲结构

204b：镁化物缓冲结构 206：发光外延结构

208：氮化镁(MgN_x)层 210：氮化镓系列材料层

212：未掺杂氮化物层 214：n型氮化物层

216：有源层 218：p型氮化物层

220：p型氮化物层

具体实施方式

本发明揭示一种发光元件及其制造方法，在基板与发光外延结构之间成长具有镁化物材料层的缓冲结构，因此可有效减少外延结构的错位缺陷，而提高外延结构的品质，进一步达到延长元件的操作寿命与提高元件的操作品质的目的。为了使本发明的叙述更加详尽与完备，可参照下列描述并配合图2与图3的图示。

本发明的发光元件可为氮化物发光二极管，例如氮化镓系列的发光二极管。请参照图2，其所示为依照本发明优选实施例的一种发光元件的剖面图。制作发光元件200a时，先提供透明基板202，其中此透明基板202优选可为例如蓝宝石基板。在本发明的优选实施例中，发光元件200a可利用有机金属化学气相沉积技术来加以制作，因此可将透明基板202置入有机金属化学气相沉积机器内。此时，可选择性地进行透明基板202表面的清洁处理。举例而言，可将氢气通入透明基板202所在的反应室，使透明基板202处于氢气的环境中，再将反应温度提高至约1200℃，以使氢气与透明基板202上的附着物反应，进而达到清洁透明基板202表面的效用。

接着，利用外延方式直接在透明基板202的表面上成长镁化物缓冲结构204a，如图2所示。其中，镁化物缓冲结构204a的厚度优选可约为30nm。例如，可利用有机金属化学气相沉积技术，并将反应温度控制在约520℃，来进行镁化物缓冲结构204a的沉积。在本实施例中，镁化物缓冲结构204a由单一氮化镁(MgN_x)缓冲层所构成，其中此氮化镁(MgN_x)缓冲层可为n型、p型或未掺杂，且氮化镁(MgN_x)缓冲层可为单晶结构、多晶结构或非晶结构。

在本发明的另一优选实施例的发光元件200b中，是在透明基板200的表面上直接成长镁化物缓冲结构204b，其中镁化物缓冲结构204b是由氮化镁(MgN_x)层208与氮化镓系列材料层210依次交错堆叠而成的多层堆叠结构，如图3所示。在本发明中，氮化镁(MgN_x)层208与氮化镓系列材料层210的层数可依工艺或元件需求而定，但与透明基板202的表面直接接触的镁化物缓冲结构204b的最底层为氮化镁(MgN_x)层208。同样地，镁化物缓冲结构204b的厚度优选也可约为30nm。氮化镓系列材料层210的材料优选可为例如氮化铝铟镓。在本发明中，氮化镓系列材料层210可为n型、p型或未掺杂。此外，氮化镁(MgN_x)层208与氮化镓系列材料层210可均为单晶结构、多晶结构或非晶结构。

本发明的特征为在尚未成长发光外延结构前，先直接在透明基板的表面上成长镁化物缓冲结构，因而可获得错位缺陷密度较低的缓冲结构，进一步提高后续成长在此缓冲结构表面上的发光外延结构的品质。因此，可达到延长发光元件的寿命、提高元件的操作品质及增进元件的特性的功效。

请同时参照图2与图3，待于透明基板202的表面上直接成长镁化物缓冲结构204a或镁化物缓冲结构204b后，优选可在同一有机金属化学气相沉积机器中，外延成长发光外延结构206，即可大致上完成发光元件200a或200b的制作。其中，发光外延结构206与透明基板202分别位于镁化物缓冲结构204a或镁化物缓冲结构204b的相对二表面上。随后，即可进行发光元件200a或200b的电极的设置。在本发明的实施例中，成长发光外延结构206时，利用例如有机金属化学气相沉积技术，并将反应温度提高至约1180℃，依次形成未掺杂氮化物层212于镁化物缓冲结构204a或204b上、n型氮化物层214于未掺杂氮化物层212上、有源层216于n型氮化物层214上、p型氮化物层218于有源层216上及p型氮化物层220于p型氮化物层218上。由于发光外延结构206成长在镁化物缓冲结构204a或镁化物缓冲结构204b的表面上，而镁化物缓冲结构204a或镁化物缓冲结构204b具有较低的错位缺陷密度，因此所成长的发光外延结构206具有相当高的品质。

在本发明的示范实施例中，未掺杂氮化物层212的材料可为例如氮化镓，且厚度约为1μm。n型氮化物层214的材料可为例如氮化镓，且厚度约为2μm，其中n型氮化物层214可为硅掺杂。有源层216优选可为氮化铟镓层/氮化镓层多重量子阱(MQW)结构，其中氮化铟镓层的厚度可约为3nm，且氮化镓层的厚度可约为15nm。p型氮化物层218的材料可例如为氮化铝镓，且厚度约为20nm，其中p型氮化物层218可为镁掺杂。p型氮化物层220的材料可例如为氮化镓，且厚度约为0.2μm，其中p型氮化物层220可为镁掺杂。上述发光外延结构206中的各半导体层的材料、厚度与掺杂元素仅为本发明的示范实施例，各半导体层的材料、厚度与掺杂元素可依产品与工艺需求来加以调整，而不限于此实施例所述。

由上述本发明优选实施例可知，本发明的优点就是因为本发光元件具有低错位缺陷密度的镁化物缓冲结构，因此可大幅提高后续成长的外延结构的品质。

由上述本发明较佳实施例可知，本发明的另一优点就是因为本发光元件的镁化物多层堆叠缓冲结构的错位缺陷密度低，而可获得高品质的发光外延结构。因此，不仅可增加发光元件的操作寿命，还可提高发光元件的抗静电能力，达到有效提高发光元件的操作特性的目的。

由上述本发明优选实施例可知，本发明的又一优点就是因为本发光元件的制造方法可直接在外延机器中，依次成长镁化物缓冲层与发光外延结构，来达到提高缓冲层与外延结构的品质的功效。因此，与使用横向外延方式的现有技术相比，本发明的方式可大幅减少工艺成本，而有利于量产。

虽然本发明已以优选实施例揭露如上，然而其并非用以限定本发明，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围以所附权利要求所界定的为准。

Claims

1. 一种发光元件，至少包括：

镁化物缓冲结构，具有相对的第一表面和第二表面；

透明基板，直接设于该镁化物缓冲结构的该第一表面上；及

发光外延结构，直接设于该镁化物缓冲结构的该第二表面上。

2. 如权利要求1所述的发光元件，其中该透明基板是蓝宝石基板。

3. 如权利要求2所述的发光元件，其中该发光元件是氮化物发光二极管。

4. 如权利要求3所述的发光元件，其中该镁化物缓冲结构包含氮化镁(MgN_x)缓冲层，其为未掺杂、n型或p型。

5. 如权利要求3所述的发光元件，其中该氮化镁(MgN_x)缓冲层为单晶结构、多晶结构或非晶结构。

6. 如权利要求3所述的发光元件，其中该镁化物缓冲结构包含氮化镁(MgN_x)层/氮化镓系列材料层的多层堆叠结构。

7. 如权利要求6所述的发光元件，其中该镁化物缓冲结构中的氮化镓系列材料层包括氮化铝铟镓(AlInGaN)。

8. 如权利要求6所述的发光元件，其中该镁化物缓冲结构中的氮化镓系列材料层为n型、p型或未掺杂。

9. 如权利要求6所述的发光元件，其中该镁化物缓冲结构中的氮化镁(MgN_x)层与氮化镓系列材料层均为单晶结构、多晶结构或非晶结构。

10. 如权利要求1所述的发光元件，其中该镁化物缓冲结构的厚度为大致30nm。

11. 如权利要求1所述的发光元件，其中该发光外延结构至少包括：

未掺杂氮化镓层，设于该镁化物缓冲结构的该第二表面上；

n型氮化镓层，设于该未掺杂氮化镓层上；

氮化铟镓层/氮化镓层多重量子阱有源结构，设于该n型氮化镓层上；

p型氮化铝镓层，设于该氮化铟镓层/氮化镓层多重量子阱有源结构上；以及

p型氮化镓层，设于该p型氮化铝镓层上。