CN115274946A - 紫外光发光二极管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种紫外光发光二极管，包含透明基板及紫外光发光磊晶结构。该紫外光发光磊晶结构包含N型半导体层，设于该透明基板上且具有第一部分与第二部分。该N型半导体层第一部分上设有发光层，P型半导体层设于该发光层上，P型接触层设于P型半导体层上。该N型半导体层第二部分上设有N型半导体薄膜且与发光层分隔开。N型半导体薄膜的能隙小于发光层的能隙。N型接点设于N型半导体薄膜上。P型接点设于P型接触层上。由于N型半导体薄膜的能隙小于发光层的能隙，因此可在N型半导体薄膜上形成具有良好欧姆接触且电阻较低的N型接点。
Description
技术领域
本发明是有关于一种发光二极管，且特别是有关于一种紫外光发光二极管(UVLED)及其制造方法。
背景技术
随着紫外光发光二极管(UV LED)在空气与水的净化、消毒、医疗保健等的广泛应用，使得UV LED备受关注。然而氮化铝镓(AlGaN)基的UV LED存在难以制作出与半导体层之间形成良好欧姆接触的接触电极的问题，而使得UV LED的电学与光学性能无法获得有效提升。
因此，亟需一种UV LED的制作技术，可形成具良好欧姆接触的接触电极，以达到进一步提升UV LED的发光效能的目的。
发明内容
因此，本发明的一目的就是在提供一种紫外光发光二极管(UV LED)及其制造方法，其在除去部分紫外光发光磊晶结构的N型半导体层的暴露部分上先成长能隙小于发光层的N型半导体薄膜，借此可在N型半导体薄膜上形成具有良好欧姆接触且电阻较低的N型接点。
本发明的另一目的是在提供一种UV LED及其制造方法，其N型接点形成后可无需再进行合金化处理或仅需低温合金处理，因此可避免合金化处理的高温影响P型半导体层与P型接触层的品质，甚至劣化其他磊晶层。
根据本发明的上述目的，提出一种UV LED，包含透明基板及紫外光发光磊晶结构。紫外光发光磊晶结构包含N型半导体层设于透明基板上，具有第一部分与第二部分。N型半导体层的第一部分上设有发光层，P型半导体层设于发光层上，P型接触层设于P型半导体层上。N型半导体层的第二部分上设有N型半导体薄膜且与发光层分隔开，其中N型半导体薄膜的能隙小于发光层的能隙。N型接点设于N型半导体薄膜上。P型接点设于P型接触层上。
依据本发明的一实施例，上述N型半导体层、发光层、P型半导体层、以及N型半导体薄膜均包含氮化铝镓，且N型半导体薄膜的铝的含量组成小于发光层的铝的含量组成。
依据本发明的一实施例，上述N型半导体薄膜具有化学式AlxGa1-xN，0≦x<0.4。
依据本发明的一实施例，上述N型半导体薄膜的组成包含氮化镓与氮化镓铟。
依据本发明的一实施例，上述N型半导体薄膜的厚度为1nm至1000nm。
依据本发明的一实施例，上述N型接点包含钛(Ti)、镍(Ni)、铝(Al)、钯(Pd)、铑(Rh)、铂(Pt)、金(Au)、铬(Cr)中任一或其合金结构。
根据本发明的上述目的，另提出一种紫外光发光二极管的制造方法。在此方法中，形成紫外光发光磊晶结构于透明基板上。形成紫外光发光磊晶结构包含形成N型半导体层于透明基板上，其中N型半导体层具有第一部分与第二部分；以及依序形成发光层、P型半导体层、以及P型接触层于N型半导体层的第一部分上。形成N型半导体薄膜于N型半导体层的第二部分上且与发光层、P型半导体层及P型接触层分隔开，其中N型半导体薄膜的能隙小于发光层的能隙。形成P型接点于P型接触层上。形成N型接点于N型半导体薄膜上。
依据本发明的一实施例，上述形成N型半导体薄膜包含利用有机金属化学气相沉积(MOCVD)工艺成长N型氮化镓薄膜，N型氮化镓薄膜的成长温度为500℃至1000℃、以及成长压力为30mbar至1000mbar，且N型氮化镓薄膜的硅掺杂浓度大于1E18 1/cm3。
依据本发明的一实施例，上述方法还包含形成紫外光发光磊晶结构后，移除部分的紫外光发光磊晶结构，使N型半导体层、发光层、P型半导体层及P型接触层部分露出，其中N型半导体层的露出部分即第二部分；形成绝缘保护层覆盖N型半导体层、发光层、P型半导体层及P型接触层的露出部分；移除部分的绝缘保护层，使N型半导体层的第二部分露出；以及形成N型半导体薄膜于N型半导体层露出的第二部分上。
依据本发明的一实施例，上述绝缘保护层的材料包含氧化物或氮化物，氧化物为二氧化硅(SiO2)或氧化铝(Al2O3)，氮化物为氮化硅(SiN)或氮化铝(AlN)。
附图说明
为让本发明的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，附图说明如下：
图1是依照本发明的一实施方式的一种UV LED的剖面示意图；
图2A至图2D是依照本发明的一实施方式的一种UV LED的工艺剖面示意图；以及
图3是依照本发明的一实施方式的一种透明基板的剖面示意图。
具体实施方式
请参照图1，依照本发明的一实施方式的一种UV LED的剖面示意图。紫外光发光二极管100可发出紫外光，其波长落在100nm至400nm的范围。举例而言，紫外光发光二极管100可为发光波长为320nm至400nm的UVA发光二极管、发光波长为280nm至320nm的UVB发光二极管、或发光波长为100nm至280nm的UVC发光二极管。紫外光发光二极管100主要可包含透明基板110、紫外光发光磊晶结构120、N型半导体薄膜130、N型接点140、以及P型接点150。
透明基板110包含第一表面112、第二表面114、以及数个侧表面116，其中第一表面112与第二表面114分别位于透明基板110的相对二侧，侧表面116则环设在第一表面112与第二表面114之间。透明基板110的材料可例如为蓝宝石、氮化铝、或碳化硅。
如图1所示，紫外光发光磊晶结构120设于透明基板110的第一表面112上。在一些实施例中，紫外光发光磊晶结构120主要包含N型半导体层121、发光层122、P型半导体层123、以及P型接触层124。N型半导体层121设于透明基板110的第一表面112上，且包含第一部分121a与第二部分121b。紫外光发光磊晶结构120还可选择性地包含缓冲层125设于透明基板110与N型半导体层121之间，以利N型半导体层121的磊晶成长。发光层122位于N型半导体层121的第一部分121a上。发光层122可发出紫外光。在一些实施例中，发光层122可包含多重量子井结构(MQW)。P型半导体层123位于发光层122上，而发光层122夹设在P型半导体层123与N型半导体层121的第一部分121a之间。P型接触层124设于P型半导体层123上。
举例而言，N型半导体层121的材料可包含N型氮化铝镓(AlyGa1-yN)，发光层122的材料可包含氮化铝镓(AlzGa1-zN)，P型半导体层123的材料可包含P型氮化铝镓(AlGaN)，P型接触层124的材料可包含P型氮化镓(GaN)，缓冲层125的材料可包含氮化铝(AlN)。在紫外光发光二极管100为覆晶式(flip chip type)UVB LED或UVC LED，N型半导体层121的N型氮化铝镓(AlyGa1-yN)中的铝含量通常高于发光层122的氮化铝镓(AlzGa1-zN)的铝含量，即y>z。在一些实施例中，紫外光发光磊晶结构120亦可包含超晶格结构(未绘示)，其中超晶格结构位于缓冲层125与N型半导体层121之间。
请继续参照图1，N型半导体薄膜130设于N型半导体层121的第二部分121b上且与发光层122、P型半导体层123、及P型接触层124分隔开。N型半导体薄膜130的厚度可例如为1nm至1000nm。N型半导体薄膜130的能隙小于发光层122的能隙，而发光层122的能隙小于N型半导体层121的能隙。在一些实施例中，N型半导体薄膜130为N型氮化镓薄膜。举例而言，N型半导体层121、发光层122、以及P型半导体层123均包含氮化铝镓，构成N型半导体薄膜130的N型氮化镓薄膜还可包含铝，且此N型氮化镓薄膜的铝的含量组成小于发光层122的氮化铝镓的铝的含量组成。在另一些实施例中，N型半导体薄膜130的材料包含氮化铝镓，其具有化学式N-AlxGa1-xN，且0≦x<0.4。在又一些实施例中，N型半导体薄膜130的组成包含氮化镓与氮化镓铟。
N型接点140设于N型半导体薄膜130上。举例而言，N型接点140可包含钛、镍、铝、钯、铑、铂、金、铬中任一或其合金结构。在一些示范例子中，N型接点140可为钛/铝/钛/金堆叠结构、铬/铂/金堆叠结构、或铬/铝/钛/金堆叠结构，其中金薄膜在这些堆叠结构中位于顶部。P型接点150则设于部分的P型接触层124上。P型接触层124的材料可为金属。N型接触层140与P型接触层150又可分别称为N型接触金属层与P型接触金属层。
通过先于N型半导体层121露出的第二部分121b上成长能隙小于发光层122的N型半导体薄膜130，可在N型半导体薄膜130上形成具有良好欧姆接触且电阻低的N型接触层140。
请参照图2A至图2D，依照本发明的一实施方式的一种UV LED的工艺剖面示意图。制作如图1的紫外光发光二极管100时，可先提供透明基板110，再利用例如有机金属化学气相沉积工艺形成紫外光发光磊晶结构120于透明基板110的第一表面112上。举例而言，如图2A所示，形成紫外光发光磊晶结构120包含于透明基板110的第一表面112上形成缓冲层125，再于缓冲层125上成长N型半导体层121，接下来于N型半导体层121上成长发光层121，接着于发光层121上成长P型半导体层123，随后于P型半导体层123上成长P型接触层124。
如图2B所示，形成紫外光发光磊晶结构120后，可利用例如光刻与蚀刻工艺移除紫外光发光磊晶结构120的N型半导体层121、发光层122、P型半导体层123、及P型接触层124的一部分，而暴露出部分的N型半导体层121、发光层122、P型半导体层123、及P型接触层124，其中N型半导体层121的露出部分即N型半导体层121的第二部分121b。即，移除N型半导体层121的第二部分121b上的N型半导体层121、发光层122、P型半导体层123、及P型接触层124，而留下N型半导体层121的第一部分121a上的N型半导体层121、发光层122、P型半导体层123、及P型接触层124。
接着，请继续参照图2B，可利用例如离子增长型化学气相沉积(PECVD)工艺形成绝缘保护层160覆盖N型半导体层121、发光层122、P型半导体层123、及P型接触层124的露出部分。举例而言，绝缘保护层160的材料可包含氧化物或氮化物，其中氧化物可为二氧化硅或氧化铝，氮化物可为氮化硅或氮化铝。接下来，利用例如光刻与蚀刻工艺移除部分的绝缘保护层160，以暴露出部分的N型半导体层121的第二部分121b，并完成对非要成长N型半导体薄膜130的区域的适当保护。
随后，如图2C所示，形成N型半导体薄膜130于N型半导体层121的暴露出的第二部分121b上。在绝缘保护层160的保护与隔离下，所形成的N型半导体薄膜130与发光层122、P型半导体层123、及P型接触层124分隔开。N型半导体薄膜130的能隙小于发光层122的能隙。在一些示范例子中，N型半导体薄膜130的组成可包含氮化镓、具铝含量组成小于发光层122的氮化铝镓的铝含量组成的氮化铝镓、或氮化镓与铟。举例而言，N型半导体薄膜130的材料具有化学式N-AlxGa1-xN，且0≦x<0.4。
可采用有机金属化学气相沉积工艺、其他化学气相沉积工艺、氢化物气相磊晶(HVPE)工艺、或溅镀(sputtering)工艺来成长N型半导体薄膜130。此外，N型半导体薄膜130的掺质可包含硅、锗(Ge)、与氧(O)。在一些示范例子中，形成N型半导体薄膜130时包含利用有机金属化学气相沉积工艺成长N型氮化镓薄膜，此N型氮化镓薄膜的成长温度控制在500℃至1000℃、以及成长压力控制在30mbar至1000mbar，且使N型氮化镓薄膜的硅掺杂浓度大于1E18 1/cm3。
完成N型半导体薄膜130后，可先利用例如蚀刻工艺移除绝缘保护层160。接着，如图2D所示，可利用例如蒸镀工艺形成N型接点140于N型半导体薄膜130上。并同样可利用例如蒸镀工艺形成P型接点150于P型接触层124上，而大致完成紫外光发光二极管100的制作。
运用上述实施方式可在N型半导体薄膜130上形成具有良好欧姆接触与电阻低的N型接触层140，且于N型接触层140形成后无需再进行合金化处理或仅需低温合金处理，例如小于500℃。因此，可避免合金化处理的温度影响P型半导体层123与P型接触层124的品质。
请参照图3，依照本发明的一实施方式的一种透明基板的剖面示意图。此透明基板200可取代上述实施方式的透明基板110。透明基板200的材料可例如为蓝宝石、氮化铝、或碳化硅。透明基板200具有彼此相对的第一表面202与第二表面204。紫外光发光磊晶结构120可在透明基板200的第一表面202上成长。透明基板200的第一表面202设有数个空腔210。
如图3所示，这些空腔210可彼此隔开，且以预设间距规则排列，即周期性排列。此预设间距可例如为约0.5μm至约5μm。在一些实施例中，每个空腔520包含依序邻接的第一倾斜面212、第二倾斜面214、与底面216。第一倾斜面212相对于底面216倾斜第一角度θ1，第二倾斜面214相对于底面216倾斜第二角度θ2，其中第一角度θ1不同于第二角度θ2。在一些示范例子中，第一角度θ1小于第二角度θ2。举例而言，第一角度θ1可为约30度至约90度，第二角度θ2可为约75度至约90度。
本实施方式的透明基板的空腔可不限于包含二倾斜表面，每个空腔亦可设计成包含三个或更多的倾斜面。借由在透明基板200的第一表面202上设置规则排列的空腔210，可提升在第一表面202成长的紫外光发光磊晶结构120的品质，提高紫外光发光磊晶结构120良率，节省成本。
请继续参照图1，在一些实施例中，可于紫外光发光二极管100的透明基板110的第二表面114设置透明结构，其中此透明结构的折射率介于透明基板的折射率与空气的折射率之间。借由透明结构的设置可提高光在UV LED内部的折射量，进而可增加UV LED的出光量。透明结构可为单层结构或多层薄膜堆叠而成的结构。单层的透明结构可具有单一折射率，或可具有折射率由透明基板110的第二表面114朝透明结构的与第二表面114相对的表面的方向递减的渐变折射率。在多层薄膜堆叠的透明结构中，这些薄膜可依产生的光的条件，而有多种膜厚与折射率的搭配组合。
在另一些实施例中，透明基板110的第二表面114可设置数个立体结构，以破坏光在UV LED内部的全反射面，进而可增加UV LED的光取出率。
在又一些实施例中，可利用隐形切割在透明基板110的侧表面116形成数个纵向排列的隐切刀痕，以增加透明基板110的侧表面116的粗糙度，借此可提高UV LED的侧向光取出率。
在再一些实施例中，可增加透明基板的厚度，借以使UV LED的高度大于其长度及/或宽度，来增加UV LED的侧向出光面积，进而可提高UV LED的整体出光量。
由上述的实施方式可知，本发明的一优点就是因为本发明在紫外光发光磊晶结构的N型半导体层的暴露部分上先成长能隙小于发光层的N型半导体薄膜，借此可在N型半导体薄膜上形成具有良好欧姆接触且较低电阻的N型接触。
由上述的实施方式可知，本发明的另一优点就是因为本发明的UV LED的N型接触形成后可无需再进行合金化处理或仅需低温合金处理，因此可避免合金化处理的高温影响P型半导体层与P型接触层的品质。
虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何在此技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当以申请专利范围所界定者为准。
【符号说明】
100:紫外光发光二极管
110:透明基板
112:第一表面
114:第二表面
116:侧表面
120:紫外光发光磊晶结构
121:N型半导体层
121a:第一部分
121b:第二部分
122:发光层
123:P型半导体层
124:P型接触层
125:缓冲层
130:N型半导体薄膜
140:N型接点
150:P型接点
160:绝缘保护层
200:透明基板
202:第一表面
204:第二表面
210:空腔
212:第一倾斜面
214:第二倾斜面
216:底面
θ1:第一角度
θ2:第二角度。
Claims (10)
1.一种紫外光发光二极管，其特征在于，该紫外光发光二极管包含：
透明基板；
N型半导体层，设于该透明基板上，其中该N型半导体层具有第一部分与第二部分；
发光层、P型半导体层、P型接触层、以及P型接点，依序叠设于该N型半导体层的该第一部分上；
N型半导体薄膜，设于该N型半导体层的该第二部分上且与该发光层分隔开，其中该N型半导体薄膜的能隙小于该发光层的能隙；以及
N型接点，设于该N型半导体薄膜上。
2.如权利要求1所述的紫外光发光二极管，其特征在于，该N型半导体层、该发光层、该P型半导体层、以及该N型半导体薄膜均包含氮化铝镓，且该N型半导体薄膜的铝的含量组成小于该发光层的铝的含量组成。
3.如权利要求1所述的紫外光发光二极管，其特征在于，该N型半导体薄膜具有化学式AlxGa1-xN，0≦x<0.4。
4.如权利要求1所述的紫外光发光二极管，其特征在于，该N型半导体薄膜的组成包含氮化镓与氮化镓铟。
5.如权利要求1所述的紫外光发光二极管，其特征在于，该N型半导体薄膜的厚度为1nm至1000nm。
6.一种紫外光发光二极管的制造方法，其特征在于，该方法包含：
形成紫外光发光磊晶结构于透明基板上，其中形成该紫外光发光磊晶结构包含：
形成N型半导体层于该透明基板上，其中该N型半导体层具有第一部分与第二部分；以及
依序形成发光层、P型半导体层、以及P型接触层于该N型半导体层的该第一部分上；
形成N型半导体薄膜于该N型半导体层的该第二部分上且与该发光层、该P型半导体层及该P型接触层分隔开，其中该N型半导体薄膜的能隙小于该发光层的能隙；
形成P型接点于该P型接触层上；以及
形成N型接点于该N型半导体薄膜上。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，该N型半导体层、该发光层、该P型半导体层、以及该N型半导体薄膜均包含氮化铝镓，且该N型半导体薄膜的铝的含量组成小于该发光层的铝的含量组成。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，该N型半导体薄膜的组成包含氮化镓与氮化镓铟。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，形成该N型半导体薄膜包含利用有机金属化学气相沉积工艺成长N型氮化镓薄膜，该N型氮化镓薄膜的成长温度为500℃至1000℃、以及成长压力为30mbar至1000mbar，且该N型氮化镓薄膜的硅掺杂浓度大于1E18 1/cm3。
10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，该方法还包含：
形成该紫外光发光磊晶结构后，移除部分的该紫外光发光磊晶结构，使该N型半导体层、该发光层、该P型半导体层及该P型接触层部分露出，其中该N型半导体层的该露出部分即该第二部分；
形成绝缘保护层覆盖该N型半导体层、该发光层、该P型半导体层及该P型接触层的该些露出部分；
移除部分的该绝缘保护层，使该N型半导体层的该第二部分露出；以及
形成该N型半导体薄膜于该N型半导体层露出的该第二部分上。
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