CN101840971B - 一种发光二极管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种发光二极管及其制造方法，该发光二极管包含一基板、一N型导电的半导体层、一P型导电的半导体层、一活性层(active region)以及双重应变补偿层(strain-compensating layer)，其中双重应变补偿层位于N型导电的半导体层与活性区之间，以增加电子与空穴的复合机率。
Description
技术领域
本发明涉及一种发光二极管(Light Emitting Diode)结构，尤其是一种具有应变补偿层的发光二极管。
背景技术
发光二极管(Light Emitting Diode)之所以会发光，主要原因是利用半导体在施加电能后转化为光能的物理特性，当半导体的正负极两端施加电压产生电流流经半导体时，会促使半导体内部的电子与空穴相互结合，结合后剩余能量便以光的形式释放。随着半导体工艺技术发展，光电相关产业顺应技术潮流，不断研究开发高亮度发光二极管(High Brightness LED)，不仅是应用在照明上的高亮度白光二极管，也包括了高亮度的各色发光二极管，甚至在未来发光二极管将取代现在传统照明装置，研发人员更是积极努力与研发超高亮度的发光二极管(Ultra High Brightness LED)，来适应未来整个广大照明市场的需求。
发光二极管背光取代手持装置原有的冷光(又称电激发光ElectroLuminescent；EL)以及液晶电视使用冷阴极荧光灯管(Cold CathodeFluorescent Lamp；CCFL)的背光，是目前光电产业的趋势，由于二极管不仅电路设计更简洁容易，且有较高的外力抗受性，因此，用发光二极管背光取代液晶电视原有的冷阴极荧光灯管背光，不仅更环保而且显示更逼真亮丽。用发光二极管照明取代白光灯、卤素灯等照明，不仅更光亮省电，使用也更长效，且点亮反应更快，用于煞车灯时能减少后车追撞率。
所以，发光二极管从过去只能用在电子装置的状态指示灯，进步到成为液晶显示的背光，再扩展到电子照明及公众显示，如车用灯、交通信号灯、看板信息跑马灯、大型影视墙，甚至是投影机内的照明等，其应用范围仍在持续地延伸。很重要的一点是，发光二极管的亮度效率就如同摩尔定律(Moore′s Law)一样，每24个月提高一倍，过去认为白光二极管只能用来取代过于耗电的白炽灯、卤素灯，即发光效率在10～30lm/W内的层次，然而在白光二极管突破60lm/W甚至达100lm/W后，就连荧光灯、高压气体放电灯等，也开始感受到被替换的威胁。
请参考图1A，其为传统发光二极管的典型结构，包括了一基板11、一N型导电的半导体层12、一活性层13以及一P型导电的半导体层14。首先，强化二极管的光转效率，这也是提高亮度最根源之道，现有发光二极管的每瓦用电中，仅有15％～20％被转化成光能，其余都被转化成热能并消散掉(废热)，而提高这一转换效率的重点就在P-N结(P-N junction)上，P-N结是发光二极管主要的发光发热位置，通过P-N结的结构设计改变可提高转化效率。关于发光二极管转化效率的提高，目前多是在P-N结上形成量子阱(Quantum Well；QW)，以此来提高用电能转换成光能的比例，更进一步的方法，朝在P-N结上长成更多的量子阱数来努力，即所谓的多重量子阱(Multiple Quantum Well；MQW)技术。
如果光转效率难再要求，进一步的就必须从出光效率的层面下手，此层面的作法相当多，依据不同的化合材料也有不同，目前HB LED(高亮度)较常使用的两种化合材料是磷化铝铟镓型(AlGaInP)及氮化铟镓型(InGaN)，前者用来产生高亮度的橘红、橙、黄、绿光，后者GaN用来产生绿、翠绿、蓝光，以及用氮化铟镓型产生近紫外线、蓝绿、蓝光。
针对发光二极管的亮度提高技术，美国加州州立大学(The Regents of theUniversity of California)在美国专利US 7091514提出利用新的半导体工艺方法，生成出非极性(Non-polar)氮化镓(GaN)取代传统极性氮化镓材料，在非极性氮化镓底材上长成的量子阱(Quantum Well；QW)，能具有更佳的电能转换成光能效率。该专利主要技术在于制作以r-plane蓝宝石基板取代传统c-plane蓝宝石基板，以制作出非极性氮化镓薄膜。
理论上，非极性量子阱的特性相较传统c-plane制作出极性量子阱，具有较佳的电子空穴复合率。实际上，使用r-plane蓝宝石基板成长出的非极性氮化镓薄膜，虽能消除发光二极管在PN结上电场效应，由于结晶取向(crystal-orientation)的原因，不仅晶体底材(template)成长不易，而最后的氮化镓结晶表面也十分不平整，导致降低整体发光效率。
另外，韩国半导体大厂三星电子工业(SamSung)，于2008年1月3日在美国所公开的专利技术US 20080001138A1，揭露出利用半导体工艺上，在氮化镓中掺杂入适当比例的铝(Al)以及铟(In)，制作n-type以氮化铝铟镓型(AlInGaN)四元材料为底材的发光二极管，以减少活性层与底材因应变所产生的极化电场效应(polarization-induced electrostatic fields)，促使该发光二极管能有更高的电子空穴复合率，以致产生更多的光能。但是发光二极管以氮化铝铟镓型四元材料为底材存在着高缺陷密度，这将增加载子被缺陷捕捉的机率，反倒是使得发光二极管的活性区发光效率减弱。此外，铝、铟的掺杂控制技术具有相当的难度，影响发光二极管的亮度颇大。
美国著名的照明公司-克里光电(Cree Lighting，Inc)，在美国专利US6515313中，提出用二极管材料杂质掺杂(impurity doping)技术，将杂质掺杂于披覆层(cladding layer)以减低活性区极化电场效应使得发光二极管发光效率提高。
但是一般氮化镓(GaN)材料的晶格结构，为一立体六角柱结构(wurtzitehexagonal lattice structure)，其晶格结构与底材因晶格的不匹配而产生应变，并且在P-N结上因应变而产生极化电场，将使得材料内部的电子与空穴结合机率降低，影响发光二极管的发光亮度。在发光二极管材料的披覆层掺入IV族的杂质，确实能降低披覆层与活性区因晶格不匹配所造成的极化电场效应，有助于提高发光二极管的发光亮度，但是IV族杂质容易扩散进入发光二极管的活性区(Active region)，反而导致活性区发光特性降低，整体发光亮度下降，甚至影响发光二极管电性。
除了上述专利所提出发光二极管的亮度提高方法，美国照明二极管公司(Lumileds Lighting U.S.，LLC)，在美国专利US 6955933中，说明了利用发光二极管材料的分阶段式(graded)工艺技术，将原本在活性区的量子阱与量子位障(quantum barrier layer)，以分阶段式(graded)的方式成长，目的为因此方式减少活性区内平均铟含量，以致减少整体活性区内因为氮化铟镓与氮化镓晶格不匹配所形成的应变，进而影响电子与空穴的复合效率。
该专利方法能够在发光二极管的活性区，改变原本量子阱结构，以形成分阶段的(graded)量子阱与量子位障，通过舒缓活性区极化电场效应，也能降低材料本身极化电场效应，但是在发光二极管活性区使用该分阶段的(graded)量子阱与量子位障，对量子阱而言其发光波长稳定性不佳，而对量子位障而言则是容易降低其对量子阱内载子局限功能，使得发光效率降低。
另外一方面，艾瑞玛光电公司(Arima Optoelectronics Corporation)在美国专利US 6614060提出利用发光二极管的活性区(Active region)与n-type氮化镓(GaN)之间插入一层功能性材料，其所扮演的角色为电子累积层(electron accumulating layer)，以提高发光二极管的电能转换成光能效率，该种方法确实让亮度提高，但其结果不显著。
因此，本发明人鉴于上述专利会遇到的缺点，发明创作出一种发光二极管的新组成结构，其不仅能达到亮度提高的目的，还能避免上述所涉及的问题。
发明内容
鉴于所述的背景技术中遇到的缺点，并符合光电产业的市场需求，本发明提供一种新结构的发光二极管，用以有效提高发光二极管光电转换效率与亮度。
本发明的发光二极管结构不同于传统发光二极管，其包括了一基板以及一化合物半导体复合层，其中该化合物半导体复合层位于基板上。另外，该化合物半导体复合层还包含了一N型导电的半导体层、一P型导电的半导体层、一活性层(active region)以及双重应变补偿层(strain-compensating layer)，特别是该活性层是位于该N型导电的半导体层与该P型导电的半导体层之间，并且该双重应变补偿层是位于该N型导电的半导体层与该活性层之间。
所述的双重应变补偿层还包含第一应变补偿层与第二应变补偿层，其中第一应变补偿层以及第二应变补偿层，依序位于活性层与N型导电的半导体层之间，其中第一应变补偿层是位于该N型导电的半导体层上，而第二应变补偿层则是位于第一应变补偿层上，另外该活性层位于该第二应变补偿层上。关于各个半导体层的能隙大小，第一应变补偿层为Egf、该第二应变补偿层为Egs、该活性层为Ega，其三者能隙大小关系为Egs＞Egf＞Ega。因此，当发光二极管在高电流密度注入下，位于该双重应变补偿层的第二应变补偿层，可以减少空穴溢流(overflow)的发生。
本发明的有益效果为：该双重应变补偿层可减少活性区中，因应变所引起的极化电场效应(polarization-induced electrostatic fields)，使电子与空穴的波函数(wave function)重迭(overlap)部分增加，因而增加电子与空穴的复合机率，提高光输出效率，故具有应变补偿层的发光二极管可减少波长的飘移(wavelength shift)，以增加发光波长稳定性。
附图说明
图1A为一传统发光二极管结构示意图；
图1B为本发明发光二极管结构示意图；
图2A为量子阱未受史塔克效应示意图；
图2B为量子阱受到史塔克效应示意图；
图2C为本发明与传统发光二极管表现差异图；
图3A为传统发光二极管的光谱表现图；
图3B为传统发光二极管的波长变化图；
图4A为本发明的光谱表现图；
图4B为本发明的波长变化图；以及
图5为本发明与传统发光二极管光谱表现差异图。
其中，附图标记说明如下：
11、100基板 12、210N型导电的半导体层
13、230活性层 14、240P型导电的半导体层
200化合物半导体复合层 220重应变补偿层
222第一应变补偿层 224第二应变补偿层
具体实施方式
本发明在此所探讨的方向为一种发光二极管。为了能彻底地了解本发明，将在下列描述中提出详尽的步骤及其组成。显然地，本发明的实施并没有限定于发光二极管的技术人员所熟知的特殊细节。另一方面，众所周知的组成或步骤并没有描述于细节中，以避免造成本发明不必要的限制。本发明的较佳实施例会详细描述如下，然而除了这些详细描述之外，本发明还可以广泛地实施在其他的实施例中，且本发明的保护范围不受实施例的限定，其以权利要求书所界定的范围为准。
请参考图1B，其为本发明一发光二极管的结构示意图，该发光二极管主要组成包括了一基板100以及一化合物半导体复合层200。其中该化合物半导体复合层200位于该基板100上，且还包含了一N型导电的半导体层210、一P型导电的半导体层240、一活性层(active region)230与双重应变补偿层(strain-compensating layer)220，其中该双重应变补偿层220还包含一第一应变补偿层222与一第二应变补偿层224，该发光二极管通过双重应变补偿层(strain-compensating layer)220，作为应变补偿的功能，以减少活性区(active region)中根据变化所引起的极化电场效应，而降低该发光二极管因极化电场，产生史塔克效应(Quantum Confinement Stark Effect，QCSE)。
请参考图2A与图2B，图2A为量子阱(Quantum Well；QW)上未受到极化电场影响(F＝0)，能带与波函数呈稳定状态。图2B为该量子阱受到一极化电场F影响，使整个能带与波函数倾斜且移动。熟知本领域的相关人士参考图2C，即可得知本发明提出的双重应变补偿层220，确实使得该发光二极管降低史塔克效应。
所谓的史塔克效应(Quantum Confinement Stark Effect，QCSE)为一名德国科学家约翰尼斯·史塔克(Johannes Stark)，在他的物理实验中获得的推论。当极隧射线粒子在运动过程中，不断与管子中气体分子碰撞，如果动能足够大，应该产生发光现象，发出的光谱会因都卜勒效应而改变频率，例如，如果射线是朝着观察者方向运动，则观察到的光谱线应向紫端移动，其位移会随速度的增大而增大，由此可以确定极隧射线粒子的速度。
史塔克果然在含氢的极隧射线管中发现了这种都卜勒效应。随后他在其它一些化学元素的极隧射线中也证明有所述效应。史塔克在他的实验中看来，光谱的发射是由于价电子的跃迁，电场一定会改变原子内部电荷的分布，从而影响发射频率。他在极隧射线管子中的阴极和另一辅助电极之间加上强电场，强度达到31kV/cm，然后沿平行于或垂直于电场的方向用光谱仪进行观测。氢的极隧射线穿过电场，果然观测到了加宽，经过仔细调整，他终于获得了谱线分裂的证据，并且证明随着谱线序号的增大，分裂的数目也随的增多。
另一方面史塔克还发现，沿电力线成直角的方向观察，所有的分量都是平面偏振光，外面的两根较强，其电场向量与管内电场平行；中间的几根较弱，其电场向量与管内电场垂直。由于史塔克的观测非常精细，得出了如下的结论：各分量到中心线的距离是最小位移的整数倍，而最小位移对所有谱线均相同；位移与电场强度直接成正比。史塔克发现光谱线的电致分裂对原子物理学的发展有重要意义。人们把这一现象称为史塔克效应(QuantumConfinement Stark Effect，QCSE)，并于1919年授予了诺贝尔物理学奖。
请参考图3A与图3B，即可说明出一般发光二极管的发光波长飘移所造成的蓝移现象。根据史塔克效应(QCSE)，发光二极管因极化电场影响，使得在活化层产生发光现象，其发出的光谱会因都卜勒效应而改变频率，其改变频率与电场强度直接成正比，正是所谓的蓝移(Blue shift)与红移(Red shift)现象。蓝移现象是一个移动的发射源在向观测者接近时，所发射的光波频率会向电磁频谱的蓝色端移动的现象，也就是光波波长缩短。反之，光波的谱线朝红端移动了一段距离，即光波波长变长、频率降低，即为红移现象。
就量子力学而言，发光二极管的量子阱(Quantum well)，其中的电子浓度增加时，由于电子逐渐填满量子阱的能阶，因此使得量子阱中电子的费米能阶(Fermi level)上升，而造成其能带宽度(band gap)将会增大，电子空穴复合(recombination)所产生的光子的能量会变大，光波波长变短，形成蓝移(Blue shift)现象。相对地外加电场增强时，量子阱(Quantum well)的导电带与价电带的转移能量因倾斜而变小，其能带宽度也因此会减小，影响电子与空穴复合的机率，所产生的光子的能量也会变小，造成发光波长呈现红移(Red shift)现象。
另一方面，由于发光二极管因为量子阱(quantum well)与量子位障(quantum barrier)晶格间不匹配所产生的应变作用，使得在氮化铟镓(InGaN)量子阱中会有一极化电场的形成，该压电极化(piezoelectricpolarization)会造成量子阱能带的倾斜，能隙受到史塔克效应(QCSE)影响会有红位移的现象发生。随发光二极管的注入电流(injection current)的升高，该被注入的载子将在空间中对极化电场产生有效的屏蔽(partialscreening)作用，因此，能带结构所受到的极化电场变小，能带倾斜也就随之变小，本来受到量子局限史塔克效应所造成的红位移偏移量也就变小，使得量子阱信号的峰值能量会有蓝位移的现象发生。通过图4A与图4B，即可看出本发明提出的发光二极管，因其中的双重应变补偿层，而减少波长飘移所造成的蓝移现象，因此降低史塔克效应(Quantum Confinement Stark Effect，QCSE)的发生，以增加发光波长的稳定性。
依照发光二极管的工艺的主要三个步骤：首先为晶圆(Wafer)制作与磊晶成长(Epitaxy)工艺，紧接着为扩散工艺(Diffusion)、金属蒸镀(MetalDeposition)与晶粒的制作，最后为产品的封装与应用，即可完成本发明的发光二极管。其中影响发光二极管发光效率最密不可分的，就是磊晶层的组成与设计。因此，本发明的发光二极管的结构与工艺包括了，首先提供一外延基板100，然后形成一N型导电的半导体层210于该基板100之上，紧接着形成双重应变补偿层(strain-compensating layer)220，其中包含的第一应变补偿层222以及第二应变补偿层224，该第一应变补偿层222位于该N型导电的半导体层210上，而该第二应变补偿层224于该第一应变补偿层222上，并且形成一活性层230于该双重应变补偿层之上220，最后形成一P型导电的半导体层240于该活性层230上。将本发明的发光二极管与传统的发光二极管，其发光表现上的差异如图5所示，即让熟知本领域的技术人员明白，本发明确实能提高发光二极管的发光强度。
关于本发明发光二极管的组成方面，所述的双重应变补偿层(strain-compensating layer)220，其所包含的第一应变补偿层222以及第二应变补偿层224，所采取的半导体组成依序分别有下列二种，第一种组成为该第一应变补偿层222为InxGa1-xN，其中0≤x≤1，而该第二应变补偿层224为AlyGa1-yN，其中0≤y≤1。第二种组成为该第一应变补偿层222为AlxInyGa1-x-yN，其中x≥0、y≥0，且x+y≤1，而该第二应变补偿层224为AluInvGa1-u-vN，其中u≥0、v≥0且u+v≤1。关于半导体结构上，其中所述发光二极管的基板100可为蓝宝石基板、碳化硅基板、铝酸锂基板、镓酸锂基板、硅基板、氮化镓基板、氧化锌基板、氧化铝锌基板、砷化镓基板、磷化镓基板、锑化镓基板、磷化铟基板、砷化铟基板或硒化锌基板。有关于发光二极管选用所述哪种材料基板，是依照各种发光二极管外延材料的物理特性来决定。
由于所述发光二极管外延材料与该基板100之间的晶格常数差异过大，往往需要先在该基板100与该半导体复合层200之间，形成一缓冲层才可以得到较佳的外延品质。在本实施例中，使用的外延材料为III-氮化物，特别是使用氮化镓，而搭配使用的外延基板是目前商业上常见的蓝宝石基板或是碳化硅基板。然而，任何熟悉本项技术的人应能理解，本发明的外延材料的选择并不限定于III-氮化物，或甚至是氮化镓等的材料。任何III-V半导体化合物或是II-VI半导体化合物都可应用在本发明中。
另外，该第一应变补偿层222与该第二应变补偿层224，其各自在发光二极管的厚度范围为。而对于发光二极管的活性层(active region)230，在半导体材料上，为相同性质(Homo Junction)的P-N接面结构，虽然只要加上顺向偏压就可以产生发光作用，但是因为电子和空穴在结相遇而结合的机率变低，造成结的少数载子注入效率太差。所以，该活性层230结构设计上，出现单异质结构(Single Heterostructure)、双异质结构(DoubleHeterostructure)以及双侧双异质结构(Double-side Double Heterostructure)等不同设计，通过这些不同材质的异质(Hetro Hunction)结的结构做成多重量子阱结构(multiple quantum well)，以增加电子和空穴在P-N接面相遇而结合的机率。
另一方面，在P型导电的半导体层240、一活性层(active region)230之间，可以形成一p型导通的电子阻挡层，这个步骤可以是非必需的，p型导通的电子阻挡层可包括第一种III-V族半导体层，以及第二种III-V族半导体层。这两种III-V族半导体层，因能隙不同，且具有周期性地重复沉积在所述主动发光层上，以作为一能障较高的电子阻挡层，用以阻挡过多电子溢流(overflow)到活性层230以外的半导体层。
显然地，依照上面实施例中的描述，本发明可能有许多的修正与差异。因此，需要在其附加的权利要求项的范围内加以理解，除了上述详细的描述外，本发明还可以广泛地在其他的实施例中施行。上述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用以限定本发明的权利要求的范围；凡其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在本发明的权利要求的范围内。
Claims (4)
1.一种发光二极管，包含：
一基板；以及
一化合物半导体复合层，位于该基板上，并且该化合物半导体复合层包含一N型导电的半导体层、一P型导电的半导体层、一活性层、第一应变补偿层与第二应变补偿层，其中该活性层位于该N型导电的半导体层与该P型导电的半导体层之间，该第一应变补偿层与该第二应变补偿层位于该N型导电的半导体层与该活性层之间，其中第一应变补偿层是位于该N型导电的半导体层上，而第二应变补偿层则是位于第一应变补偿层上，另外该活性层位于该第二应变补偿层上，所述第一应变补偿层为InxGa1-xN，其中0≤x≤1，或为AlxInyGa1-x-yN，其中x≥0、y≥0，且x+y≤1，所述第二应变补偿层为AlyGa1-yN，其中0≤y≤1，或为AluInvGa1-u-vN，其中u≥0、v≥0且u+v≤1，所述的第一应变补偿层、该第二应变补偿层与该活性层的能隙分别为Egf，Egs，Ega，并且Egs＞Egf＞Ega。
2.根据权利要求1所述的发光二极管，其中所述的第一应变补偿层的厚度为10～1000
且第二应变补偿层的厚度为10
～1000
3.一种发光二极管的制造方法：
提供一外延基板；
形成一N型导电的半导体层于该基板上；
形成一第一应变补偿层于该N型导电的半导体层上，所述第一应变补偿层为InxGa1-xN，其中0≤x≤1，或为AlxInyGa1-x-yN，其中x≥0、y≥0，且x+y≤1；
形成一第二应变补偿层于该第一应变补偿层上，所述第二应变补偿层为AlyGa1-yN，其中0≤y≤1，或为AluInvGa1-u-vN，其中u≥0、v≥0且u+v≤1；
形成一活性层于该第二应变补偿层上，所述的第一应变补偿层、该第二应变补偿层与该活性层的能隙分别为Egf，Egs，Ega，并且Egs＞Egf＞Ega；以及
形成一P型导电的半导体层于该活性层上。
4.根据权利要求3所述的发光二极管的制造方法，其中所述的第一应变补偿层的厚度为10
～1000且第二应变补偿层的厚度为10
～1000
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