CN1333471C - 发光半导体装置的缓冲层 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种发光半导体装置的缓冲层，是由复数层氮化金属层堆叠形成于蓝宝石基板上所构成。此缓冲层为先在高温下以氨气使蓝宝石(sapphire)基板表面进行氮化，以形成一氮化铝(AlN)金属层，接着再于此氮化铝(AlN)金属层上，通过有机金属原料与氨气于高温下反应，以成长出复数层氮化金属层，从而获得高品质、低缺陷的缓冲层。
Description
技术领域
本发明是关于一种发光半导体的缓冲层，尤其是一种具有多层结构的发光半导体缓冲层，可以提升发光半导体的发光效率。
背景技术
氮化镓(GaN)为一种已知且广泛应用于半导体的材料。近年来，应用氮化镓(GaN)、氮化铟镓(InGaN)、氮化铟(InN)、氮化铝镓(AlGaN)、氮化铝铟(AlInN)等材料，制作蓝光的发光半导体装置已越来越普遍。这类的发光半导体装置大多使用一蓝宝石(sapphire)基板，制造时系先在此基板上形成一缓冲层(buffer layer)，之后再于缓冲层上形成N型氮化镓(GaN)、氮化铟镓(InGaN)，或氮化铝铟镓(AlInGaN)等半导体层等。
图1为已知的发光半导体装置10的剖面示意图。如图中所示，基板101上的缓冲层102，其材料一般包括氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)、氮化铟(InN)、氮化铟镓(InGaN)、氮化铝铟(AlInN)，或氮化铝铟镓(AlInGaN)等，通过在蓝宝石基板上进行异质磊晶成长，以获得单晶的氮化金属层。更进一步的说，其形成方法是对位于有机金属化学气相沉积(Metalorganic chemical vapor deposition，MOCVD)反应室中的基板101，同时施予有机金属气体(MO)，例如三甲基镓(TMG)、三甲基铝(TMA)、三甲基铟(TMI)，与氨气(NH3)等气体，并加热以形成上述的缓冲层102。之后，再于缓冲层102上依序形成下束缚层103、发光层104、上束缚层105及接触层106。另外，再分别于接触层106及下束缚层103上分别形成电极107及108。
在上述所述的方法中，由于氮化镓及蓝宝石间具有晶格匹配差异，以及很大的热膨胀系数差异，加上氮化镓为六方晶体，于蓝宝石基板上以高温直接成长时，会出现凹凸不平的六角形小丘状的成长模式，表面非常不平坦，故而要成长高品质且表面平坦的氮化镓薄膜是极为困难的，因此致使发光半导体装置的发光效率不佳。
因此，本发明即致力于克服上述的缺点，提供一种具有高品质、低缺陷且表面平坦的缓冲层，以有效改善发光二极管的发光效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有高品质、低缺陷且表面平坦的缓冲层，以有效改善发光半导体的发光效率。
本发明的另一目的，是提供一种发光半导体装置的缓冲层，以获得高的电子移动率，改善发光半导体的发光效率。
本发明的再一目的，是提供一种发光半导体装置的缓冲层，以降低发光半导体装置的组件操作电压。
为达到并符合本发明上述的目的，根据本发明所提出的一种发光半导体装置的缓冲层，是在基板上连续形成的复数层氮化金属层的结构。其是通过在高温下于基板上先形成一氮化铝(AlN)金属层，接着再于此氮化铝(AlN)金属层上在高温下成长复数层氮化金属层，得以获得高品质、低缺陷的缓冲层。
根据本发明所提出的一种发光半导体装置的缓冲层，其结构包括一氮化铝(AlN)金属层及形成于此氮化铝(AlN)金属层上的复数层氮化金属层，其中此氮化铝(AlN)金属层是通过氨气(NH3)于高温下与蓝宝石基板(Al2O3)的铝分子氮化(nitridation)形成于此蓝宝石基板上，其反应式可由下列化学方程式所表示：
2Al2O3+4NH3→4AlN+6H2+3O2
此外，复数层氮化金属层可由有机金属原料与氨气于高温下反应所形成。
上述所指出的复数层氮化金属层，可由氮化铟(InN)、氮化铟镓(InGaN)、氮化铝镓(AlGaN)或氮化镓(GaN)等氮化金属堆叠而成，但并不仅限于此。其中，各氮化金属层的厚度范围分别在0.1～50纳米(nanometer)之间。
上述所指出的复数层氮化金属层，其结构堆栈方式，举例来说可为形成一氮化铟(InN)金属层于前述氮化铝(AlN)层上，再于此氮化铟(InN)金属层上依序形成氮化铟镓(InGaN)、氮化铝镓(AlGaN)及氮化镓(GaN)，以构成根据本发明所指出的发光半导体装置的缓冲层。另一种实施方式为于氮化铟(InN)金属层上依序形成氮化铟镓(InGaN)、氮化铟(InN)、氮化铝镓(AlGaN)及氮化镓(GaN)。或是于氮化铟(InN)金属层上依序形成氮化铟镓(InGaN)及氮化镓(GaN)。亦或是于氮化铟(InN)金属层上依序形成氮化铟镓(InGaN)、氮化铟(InN)及氮化镓(GaN)。在此所指出根据本发明所指出的缓冲层中氮化金属层可能的堆叠方式，仅为发明人用以解释本发明所举出的实施例，但并不限制本发明的权利范围。
上述的氮化铟镓(InGaN)可以InxGa1-xN的化学分子式表示，其中0≤x≤1。而氮化铝镓(AlGaN)可以AlyGa1-yN的化学分子式表示，其中0≤y≤1。
本发明将参考下列的实施例做进一步的说明，这些实施例并不限制本发明前面所揭示的内容。熟知本发明的技艺者，可做些改良与修饰，但仍不脱离本发明的范畴。
附图说明
图1为显示已知的发光半导体装置的剖面示意图；
图2为显示根据本发明所指出的发光半导体装置缓冲层的实施例剖面示意图；
图3为显示根据本发明所指出的发光半导体装置缓冲层的另一实施例剖面示意图；
图4为显示根据本发明所指出的发光半导体装置缓冲层的又一实施例剖面示意图；
图5为显示根据本发明所指出的发光半导体装置缓冲层的再一实施例剖面示意图；
图6为显示于蓝宝石基板上形成氧化铝金属层的图解示意图；
图7为显示具有根据本发明所指出的缓冲层的发光半导体装置以二次离子质谱仪(SIMS)分析所得的分析图。
图8为显示具有根据本发明所指出的缓冲层的发光半导体装置与已知发光半导体装置的电流-亮度特性测试结果比较图；
▲：已知的发光二极管结构；
■：本发明的发光二极管结构。
图9为显示具有根据本发明所指出的缓冲层的发光半导体装置与已知发光半导体装置的电流-电压特性测试结果比较图。
▲：已知的发光二极管结构；
■：本发明的发光二极管结构。
图中
10发光半导体装置 101基板
102缓冲层 103下束缚层
104发光层 105上束缚层
106接触层 107电极
108电极 20缓冲层
21氮化铝 22氮化金属层
221氮化铟 222氮化铟镓
223氮化铝镓 224氮化镓
30蓝宝石基板 40氧化铝
50氨气
具体实施方式
为更清楚地说明本发明的目的、特征及优点，现配合所附图式做进一步详细说明如下：
根据本发明所指出的一种发光半导体装置的缓冲层，其包括一氮化铝(AlN)金属层及形成于此氮化铝(AlN)金属层上的复数层氮化金属层，其中由于构成其基板的蓝宝石主要成分为氧化铝(Al2O3)，因此氮化铝(AlN)金属层是由氨气(NH3)于高温下与蓝宝石基板的铝分子进行氮化(nitridation)反应而形成于此蓝宝石基板上。此外，复数层氮化金属层可由有机金属原料与氨气于高温下反应所形成。
同时参阅图2至图5，为根据本发明所指出的发光半导体装置的缓冲层20的实施例。此缓冲层20先由氨气(NH3)于高温下与蓝宝石基板(未显示)的铝分子进行氮化反应，以于此蓝宝石基板上(未显示)形成一金属层21。接着，于此氮化铝21金属层上由有机金属原料与氨气于高温下反应以形成复数层氮化金属层22。其中，此氮化金属层22可依序通过氮化铟(InN)221、氮化铟镓(InGaN)222、氮化铝镓(AlGaN)223及氮化镓(GaN)224所堆叠而成，以构成根据本发明所指出的发光半导体装置的缓冲层20，如图2所示；或于氮化铟(InN)221金属层上依序形成氮化铟镓(InGaN)222、氮化铟(InN)221、氮化铝镓(AlGaN)223及氮化镓(GaN)224，如图3中所示；或是于氮化铟(InN)221金属层上依序形成氮化铟镓(InGaN)222及氮化镓(GaN)224，如图4所示；亦或是于氮化铟(InN)221金属层上依序形成氮化铟镓(InGaN)222、氮化铟(InN)221及氮化镓(GaN)224，如图5所示。前述所举的例子仅为实例说明，并不限制本发明的权利范围。
参阅图6，为根据本发明所指出的发光半导体装置的缓冲层中，于蓝宝石基板30上形成氧化铝(Al2O3)40金属层的图解示意图。氧化铝(Al2O3)40金属层是通过于高温下通入氨气50至蓝宝石基板30上，使其与蓝宝石基板30的铝分子进行氮化反应，而形成一氮化铝(Al2O3)40金属薄膜层于蓝宝石基板30上。对蓝宝石基板30进行氮化反应生成氮化铝(AlN)的化学反应式可由下列化学方程式所表示：
2Al2O3+4NH3→4AlN+6H2+3O2
经由根据本发明所指出的发光半导体装置的缓冲层所堆叠制备后，可获得高品质、低缺陷且表面平坦的缓冲层，进而有效的改善发光半导体的发光效率。
参阅图7，为具有根据本发明所指出的缓冲层的发光半导体装置以二次离子质谱仪(Secondary ion mass spectrometer，SIMS)分析所得的分析图。由图中可以看出箭号A所指处及箭号B所指处各代表铝(Al)和铟(In)的成分。在缓冲层部分可明显看出有铝(Al)和铟(In)的成分存在，其浓度分别为1E+20原子数/毫升(atoms/cc)和6E+18原子数/毫升。显示出据本发明中所述的方法，确实可制备出根据本发明所指出的缓冲层。
参阅图8，为具有根据本发明所指出的缓冲层的发光半导体装置与已知发光半导体装置的电流-亮度特性测试结果比较图。在此由具有如图2中所示的复数层氮化金属层所构成的缓冲层的发光半导体与已知具有氮化镓单晶层的发光半导体进行比较。由图中数据显示，当此二种发光半导体分别通相同电流时，可以看到具有根据本发明所指出的缓冲层的发光半导体装置具有较高的亮度。
参阅图9，为具有根据本发明所指出的缓冲层的发光半导体装置与已知发光半导体装置的电流-电压特性测试结果比较图。在此是由具有如图2中所示的复数层氮化金属层所构成的缓冲层的发光半导体与已知具有氮化镓单晶层的发光半导体进行比较。由图中数据显示，当此二种发光半导体分别通相同电流时，可以看到具有根据本发明所指出的缓冲层的发光半导体装置具有较低的电压。
综上所述，根据本发明所指出的发光二极管，确实能较已知的发光二极管具有较高的发光效率及较低的组件操作电压。
Claims (10)
1.一种发光半导体装置的缓冲层，该发光半导体装置包括基板、位于该基板上的该缓冲层、在该缓冲层上并用以发光的半导体层，以及用以外接电压的电极，其中该缓冲层包括：
形成于该基板上的氮化铝金属层，其中该氮化铝金属层是于高温下通过氨气使该基板表面进行氮化反应所形成；以及
成长于该氮化铝金属层上的复数层氮化金属层，其中，该复数层氮化金属层为至少由氮化铟金属层、氮化铟镓金属层及氮化镓金属层所依序堆叠而成，所述复数层氮化金属层为通过有机金属原料与氨气于高温下反应所成长出金属薄膜。
2.如权利要求1所述的缓冲层，其中该氮化铟镓金属层与该氮化镓金属层之间，进一步包括一氮化铝镓金属层。
3.如权利要求2所述的缓冲层，其中该氮化铟镓金属层与该氮化铝镓金属层之间，进一步包括一氮化铟金属层。
4.如权利要求1所述的缓冲层，其中该氮化铟镓金属层及该氮化镓金属层之间，进一步包括一氮化铟金属层。
5.如权利要求1、3或4项所述的缓冲层，其中该氮化铟金属层的厚度范围都在0.1～50纳米之间。
6.如权利要求1所述的缓冲层，其中该氮化铟镓金属层的材料为InxGa1-xN，其中0＜x＜1。
7.如权利要求6所述的缓冲层，其中该氮化铟镓金属层的厚度范围在0.1～50纳米之间。
8.如权利要求1所述的缓冲层，其中该氮化镓金属层的厚度范围在0.1～50纳米之间。
9.如权利要求2所述的缓冲层，其中该氮化铝镓金属层的材料为AlyGa1-yN，其中0＜y＜1。
10.如权利要求9所述的缓冲层，其中该氮化铝镓金属层的厚度范围在0.1～50纳米之间。
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Effective date of registration: 20161028 Address after: Hsinchu City, Taiwan, China Patentee after: EPISTAR Corp. Address before: Taichung City, Taiwan, China Patentee before: HUGA OPTOTECH INC. |
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Granted publication date: 20070822 |
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