CN101621100A - 具有反射板的发光二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有反射板的发光二极管，包括：基底、位于基底上方的三族氮化物层、位于三族氮化物层上方的氮化金属层、以及位于氮化金属层上方的发光层。以及另一种具有反射板的发光二极管，包括：一硅基底；一背侧接触层，位于该硅基底下方；一第一氮化镓层，位于该硅基底上方；一氮化金属反射板，位于该第一氮化镓上方；一第二氮化镓层，位于该氮化金属反射板上方；一发光层，位于该第二氮化镓层上方；一第三氮化镓层，位于该发光层上方；以及一顶侧接触层，位于该第三氮化镓层上方且经由该第一、该第二、及该第三氮化镓层而电性连接至该背侧接触层。由此，可以防止发光二极管所发射的一有效部分的光被吸收，改善了发光二极管的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种发光二极管(light-emitting diode)的制造方法，特别涉及一种用于发光二极管的反射板的制造方法，并降低来自反射板的应力。
背景技术
由于三族氮化物(III-nitride/III-N)，例如氮化镓(GaN)及其合金，在电子及光电装置的产品应用前途看好，近年来已受到热切的研究。具有潜力的光电装置包括蓝色发光二极管、激光二极管、及紫外线(UV)侦测器。三族氮化物的大能隙(bandgap)及高电子饱和速度，也使其列入高温高速电力电子(power electronic)产品应用的出色候选名单。
由于氮在其特有的成长温度下的平衡(equilibrium)压力较高，因而相当不易获得GaN结晶块体(bulk crystal)。由于欠缺合适的块体成长方法，GaN通常通过外延(epitaxy)沉积于一基底上，例如碳化硅(SiC)及蓝宝石(sapphire，Al2O3)。然而，现今GaN薄膜制作的问题在于没有易于取得的适当基底材料，其晶格常数(lattice constant)及热膨胀系数须与GaN非常相称。在可能用于GaN的基底之中，被探讨的有硅基底。对于GaN的成长，硅基底之所以能引人注目在于其成本低、直径大、结晶品质及表面品质佳、可控制电子导电率、及高导热性。因此硅晶圆的使用可轻易整合GaN类的光电装置与硅类的电子装置。
图1为示出传统的发光二极管晶片2的剖面示意图，其包括一硅基底4、位于硅基底4上方的缓冲层6(例如，包括：AlN或BP)、以及位于缓冲层6上方的发光二极管8。发光二极管8包括：n型GaN层10、有源(active)层12、以及p型GaN层14。接触层(contact)16形成于p型GaN层14上方。然而，传统的发光二极管具有以下的缺点。有源层12的光朝向上方及下方两个方向发射。向下发射的光穿透n型GaN层10及缓冲层6而抵达硅基底4。硅基底4的光吸收率高，特别是对于波长在400nm至500nm范围的光源。因此，发光二极管所发射的一有效部分的光会被吸收，降低发光二极管的发光效率。因此，须寻求一种改善发光二极管的发光效率的方法。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种发光二极管的制造方法，特别是一种用于发光二极管的反射板的制造方法，并降低来自反射板的应力。
根据本发明的一实施例，提供一种具有反射板的发光二极管，包括：一基底、位于基底上方的一三族氮化物层、位于三族氮化物层上方的一氮化金属层、以及位于氮化金属层上方的一发光层。氮化金属层作为一反射板，以反射发光层所发射的光。
根据本发明的另一实施例，提供一种具有反射板的发光二极管，包括：一半导体基底、位于半导体基底上方的一第一三族氮化物层、位于第一三族氮化物层上方的一氮化金属反射板、位于氮化金属反射板上方且电性连接至第一三族氮化物层的一第二三族氮化物层、位于第二三族氮化物层上方的一发光层、以及位于发光层上方的一第三三族氮化物层。其中，氮化金属反射板用于反射由发光层所发射的光。
根据本发明的另一实施例，提供一种具有反射板的发光二极管，包括：一硅基底、位于硅基底下方的一背侧接触层、位于硅基底上方的一第一氮化镓层、位于第一氮化镓层上方的一氮化金属反射板、位于氮化金属反射板上方的一第二氮化镓层、位于第二氮化镓层上方的一发光层、位于发光层上方的一第三氮化镓层、以及位于第三氮化镓层上方且经由第一、第二、及第三氮化镓层而电性连接至一背侧接触层的一顶侧接触层。其中，第一氮化镓层具有一第一厚度，其实质上不小于第二氮化镓层的一第二厚度。此外，氮化金属反射板用于反射由发光层所发射的光。
因此，根据本发明，可以防止发光二极管所发射的一有效部分的光被吸收，改善了发光二极管的发光效率。
附图说明
图1为示出传统发光二极管晶片的剖面示意图。
图2为示出本发明一实施例的剖面示意图，其中一金属反射板形成于发光二极管与下方的基底之间。
其中，附图标记说明如下：
4～硅基底 6～缓冲层
8～发光二极管 10～n型GaN层
12～主动有源层 14～p型GaN层
16～接触层 20～基底
22～背侧接触层 24～铝层
26～应力补偿层 28～反射板
30～下披覆层 32～发光层
34～上披覆层 36～顶侧接触层
40～光学装置 T1、T2、T3～厚度
具体实施方式
以下说明本发明较佳实施例的制作与使用。然而，必须了解的是本发明提供许多适当的实施例的发明概念，可实施于不同的特定背景。述及的特定实施例仅用于说明以特定的方法来制作及使用本发明，而并非用以局限本发明的范围。
以下提供一种新的半导体结构，其包括一光学装置及一反射板并说明本发明较佳实施例中间的制造过程。以下也说明各种不同的实施例。在本发明各个实施例中，相同的部件使用相同的标号。
请参照图2，提供一基底20。在一实施例中，基底20为一硅(100)基底，其具有(100)表面取向(orientation)。在其他实施例中，基底20可包括具有(100)或(111)表面取向的硅。在其他实施例中，基底20可由其他半导体材料所构成，例如碳化硅。基底较佳为块体(bulk)基底。
在由半导体材料，例如硅，构成基底20的情形之下，基底20较佳掺杂有p型或n型的杂质，例如硼、铟、磷、砷等等。此外，背侧接触层22形成于基底20的背侧。在一实施例中，背侧接触层22为一重掺杂的半导体层，其中杂质的导电型与基底20中的杂质相同。一硅化层(未示出)可形成于背侧接触层22的底侧。另外，背侧接触层22可包括一合金，例如铝锑合金。
可选择在基底20上沉积一铝层24。在一实施例中，铝层24可通过溅镀法(sputter)或物理气相沉积(physical vapor deposition，PVD)形成上述铝层24，其厚度约在10nm至30nm的范围。
接着，形成一应力补偿层26。在一实施例中，应力补偿层26可由氮化镓(GaN)所构成。在其他实施例中，应力补偿层26包括其他三族氮化物，例如AlGaN、InGaN等等。应力补偿层26的形成方法包括金属有机化学气相沉积(metal organic chemical vapor deposition，MOCVD)或其他合适的沉积方法。应力补偿层26可于高温下形成，例如约在700℃至1100℃的范围。另外，应力补偿层26也可于低温下形成，例如，约在300℃至700℃的范围。因此，应力补偿层26可为高温三族氮化物层或低温三族氮化物层，取决于形成的温度。应力补偿层26较佳的厚度T1与后续形成的下披覆(cladding)层30的厚度有关，将于本文稍后说明。在一实施例中，厚度T1大于10nm，且较佳厚度约在50nm至1000nm的范围。应力补偿层26可掺杂p型或n型的杂质，或实质上不掺杂。此外，可在应力补偿层26内掺杂硅。应力补偿层26的消光系数(extinction coefficient)(或称为虚折射率(imaginaryrefractive index))较佳为大于0.5。
在应力补偿层26上形成一反射板28。在一较佳实施例中，反射板28的材料由一半导体及导体所构成，且能够反射来自上方光学装置40所发射的光。因此，反射板28的材料可依据被吸收光的波长来作选择。此外，反射板28尽量选择其晶格常数接近与应力补偿层26相配的材料。反射板28的材料包括：钛、氮化钛、钽、氮化钽或其组合。反射板28也可包括一上方有氮化钛层的氮化钽层或是一上方有氮化钽层的氮化钛层。反射板28的形成方法可包括溅镀法或PVD等等。
在反射板28上形成一下披覆层30。在一实施例中，下披覆层30包括n型(GaN)。在此种情形下，下披覆层30可在高温下，例如，高于400℃，较佳约在700℃至1100℃的范围，通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)或远距等离子体辅助化学气相沉积(remote plasma enhance chemical vapordeposition，RPECVD)而形成。其前驱物(precursor)可包括三甲基镓(trimethylgallium，(CH3)3Ga)及二甲基联胺(dimethylhydrazine)。下披覆层30的厚度T2可约在500nm至3000nm的范围。
在下披覆层30上形成一发光层32(也可称作有源层)。在一实施例中，发光层32包括未掺杂n型镓铟氮化物(GaaInbN(1-a-b))，其中用以形成发光层32的前驱物包括三甲基铟(trimethylindium，(CH3)3In)、三甲基镓((CH3)3Ga)、及二甲基联胺。在其他实施例中，发光层32可包括其他常用的材料，例如AlxInyGa(1-x-y)N。而形成的方法包括MOCVD或其他合适的CVD方法。形成的温度在500℃至1000℃的范围。发光层32的厚度可约在30nm至500nm的范围。
在发光层32上形成一上披覆层34。在一实施例中，上披覆层34包括一相似于下披覆层30的材料，例如GaN，除了上披覆层34掺杂p型杂质之外。上披覆层34的形成方法实质上相同于形成下披覆层30的方法。上披覆层34的厚度T3可约在100nm至300nm的范围。
在上披覆层34上形成一顶侧接触层36并图案化。顶侧接触层36可由p型欧姆(ohmic)材料所构成，例如Ni/Au、Ni/AuZn合金。在图2所示的结构中，下披覆层30、发光层32、上披覆层34构成光学装置(发光二极管)40，其在电激活(electrically activated)时发射光。在另一实施例中，光学装置40可具有不同的结构且包括不同于GAN的三族氮化物，例如InGaN或AlInGaN。
反射板28有助于反射光学装置40所发射的光，因而光不会被下方的基底20吸收。因此光学装置40的发光效率得以改善。然而，反射板28的热膨胀系数(coefficient of thermal expansion，CTE)通常与上方的下披覆层30、发光层32、及上披覆层34的CTE不匹配。不匹配的CTE将导致各个半导体晶片100发生弯折。通过在反射板28下方加入一应力补偿层26，可减低且可能实质上消除上方各层所引起的弯折问题。举例而言，假设反射板28与下披覆层30之间不匹配的CTE造成半导体晶片100发生弯曲，其边缘部高于中心部，而应力补偿层26具有将半导体晶片100边缘部向下弯曲的作用。
为了将应力补偿层的作用增加至最大限度，应力补偿层26的厚度T1至少不小于下披覆层30的厚度。在一实施例中，应力补偿层26的厚度T1大于下披覆层30的厚度的10％，而较佳为80％至150％的范围。由于下披覆层30与上披覆层34具有实质上相同的CTE，故应力补偿层26的厚度T1也可大于上披覆层34的厚度，且实质上相等或小于下披覆层30与上披覆层34的总厚度(T2+T3)。另外，应力补偿层26的CTE最好是实质上相同于下披覆层30的CTE。因此，应力补偿层26与下披覆层30最好具有实质上相同的形成温度，使应力补偿层26与下披覆层30施加于反射板28的应力大小实质上相同，因而相互抵销。在一实施例中，应力补偿层26的CTE约为下披覆层30的CTE的50％至150％的范围。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，当可作更改与修饰，因此本发明的保护范围当视所附权利要求书所限定的范围为准。
Claims (15)
1.一种具有反射板的发光二极管，包括：
一基底；
一三族氮化物层，位于该基底上方；
一氮化金属层，位于该三族氮化物层上方；以及
一发光层，位于该氮化金属层上方。
2.如权利要求1所述的发光二极管，其中该氮化金属层包括一选自由钛、氮化钛、钽、氮化钽、及上述物质的任意组合所形成的群组的材料。
3.如权利要求1所述的发光二极管，其中该三族氮化物层包括氮化镓。
4.如权利要求1所述的发光二极管，还包括一下披覆层，该下披覆层位于该氮化金属层与该发光层之间，其中该下披覆层与该三族氮化物层具有相同的热膨胀系数。
5.如权利要求4所述的发光二极管，其中该三族氮化物层的厚度大于等于该下披覆层的厚度。
6.如权利要求5所述的发光二极管，还包括一上披覆层，位于该发光层上方，其中该三族氮化物层的厚度大于该下披覆层的厚度，且小于等于该下披覆层与该上披覆层的总厚度。
7.如权利要求1所述的发光二极管，还包括：位于该基底下方的一背侧接触层，及位于该发光层上方的一顶侧接触层，其中该背侧接触层与该顶侧接触层电性连接。
8.一种具有反射板的发光二极管，包括：
一半导体基底；
一第一三族氮化物层，位于该半导体基底上方；
一氮化金属反射板，位于该第一三族氮化物层上方；
一第二三族氮化物层，位于该氮化金属反射板上方且电性连接至该第一三族氮化物层；
一发光层，位于该第二三族氮化物层上方，其中该氮化金属反射板用于反射由该发光层所发射的光；以及
一第三三族氮化物层，位于该发光层上方。
9.如权利要求8所述的发光二极管，其中该第二三族氮化物层为n型，而该第三三族氮化物层为p型。
10.如权利要求8所述的发光二极管，还包括一铝层，位于该半导体基底与该第一三族氮化物层之间。
11.如权利要求8所述的发光二极管，其中该第一三族氮化物层具有一第一热膨胀系数，该第一热膨胀系数与该第二三族氮化物层的一第二热膨胀系数相同，且其中该第一三族氮化物层具有一第一厚度，该第一厚度大于等于该第二三族氮化物层的一第二厚度。
12.如权利要求11所述的发光二极管，其中该第一热膨胀系数不同于该氮化金属反射板的一第三热膨胀系数。
13.一种具有反射板的发光二极管，包括：
一硅基底；
一背侧接触层，位于该硅基底下方；
一第一氮化镓层，位于该硅基底上方；
一氮化金属反射板，位于该第一氮化镓上方；
一第二氮化镓层，位于该氮化金属反射板上方，其中该第一氮化镓层具有一第一厚度，该第一厚度大于等于该第二氮化镓层的一第二厚度；
一发光层，位于该第二氮化镓层上方，其中该氮化金属反射板用于反射由该发光层所发射的光；
一第三氮化镓层，位于该发光层上方；以及
一顶侧接触层，位于该第三氮化镓层上方且经由该第一氮化镓层、该第二氮化镓层、及该第三氮化镓层而电性连接至该背侧接触层。
14.如权利要求13所述的发光二极管，其中该氮化金属反射板包括一选自由钛、氮化钛、钽、氮化钽、及上述物质的任意组合所形成的群组的材料。
15.如权利要求13所述的发光二极管，还包括一铝层，该铝层位于该硅基底与该第一氮化镓层之间。
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