CN1571176A - 发光二级管结构及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种发光二极管元件及其制造方法，是在基片表面先成长一层缓冲层，之后再于此缓冲层上成长发光二极管结构，其中该发光二极管结构包含有在p型氮化镓层上的p型量子点磊晶层，因p型量子点磊晶层具有粗化散射效果，可以使InGaN多重量子井结构层形成的发光层所散发出来的光线，改变行进路线，减少内部全反射的机率，因此可有效地简化公知的粗化过程，并能促进发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种发光二极管元件及其制造方法，特别是涉及一种包含p型量子点磊晶层于p型氮化镓层上的发光二极管结构及其制造方法。
背景技术
由于发光二极管材料，三-五族(III-V)氮化镓(GaN)半导体折射系数(n＝2.3)与空气(n＝1)间折射系数的差异很大，使得其全反射临界角约只有25度，造成发光层产生的光，大部分只能在内部全反射而不能逃逸出来，为了要改变这种介面的缺点，在公知技术中，有人提出将半导体表面进行粗化，使光从发光层出来后经过粗化层介面。因粗化层介面的散射特性而改变光的行进路径，这样即使还存在全反射的机率，但是光发散出去的机率增加了，该技术已如文献(IEEE Transcations on ElectronDevices，47(7)，1492，2000)所述。公知技术粗化的方式，主要是在磊晶表面以蚀刻的方法来达成，如在美国专利第5,040,044号中，揭示了利用化学蚀刻以粗化发光元件表面，藉以达成增加发光效率效果。其他相关资料还有美国专利第5,429,954号与第5,898,192号等。然而，以上述制造过程加工的方式只应用在红光发光二极管中，这主要是基于其材料加工特性较容易。但相对于氮化镓系列材料并不适用，这是因为氮化镓系列材料不具有很强的耐酸硷特性，在湿式蚀刻时并不容易控制。而采用乾式蚀刻虽然可以克服前述的湿式蚀刻问题，但却容易造成磊晶层的损伤。尤其p型氮化镓层(p-GaN)极易因此而造成阻值上升，影响电流分布，劣化发光效率。而且p型氮化镓层通常沉积的厚度很薄(0.1～0.3μm)，若直接粗化p型氮化镓层则可能破坏发光层，造成使发光面积减少的缺点。另外，一般适用在氮化镓发光二极管上的透明电极，为了透光良好的缘故，必须维持很薄的厚度(10nm)。在粗化加工时，将遭到破坏并造成透明电极的不连续，同时也会对电流分布造成不良影响，并降低发光效率。因此，除非p型氮化镓层能沉积足够厚的厚度，才有可能进行乾式蚀刻，但是过厚的p型氮化镓层，会使电流分散而造成发光效率降低，因此直接粗化p型氮化镓层的方案显得难以实施。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提出利用磊晶的方式来达成粗化的效果，藉以改善氮化镓系列发光元件的发光效率，本发明揭示了一种粗化氮化镓层发光元件的方法，与公知技术相比较，本发明可获得明显提升的发光效率。
本发明主要目的是：在磊晶成长的发光二极管结构中，于p型氮化镓层表面上成长p型量子点磊晶层，利用氮化镓系列的p型量子点磊晶层的具有粗化散射效果的特性，可以有效地简化公知的为使发光二极管结构具有良好粗化散射效果的粗化过程。
本发明又一目的是：藉由p型量子点磊晶层，可使氮化铟镓(InGaN)多重量子井结构层形成的发光层所散发出来的光线，因p型量子点磊晶层的粗化散射效果而改变光线行进路线，减少内部全反射的机率，促进发光效率。
本发明的内容如下：
本发明的第1项内容是一种发光二极管结构，设置有基片，其特征在于，该结构包含：
于该基片上的缓冲层，该缓冲层的材料是氮化镓(GaN)系列化合物；
于该缓冲层表面的发光二极管结构层，该发光二极管结构层是结合n型氮化镓层、多重量子井结构层、p型氮化铝镓层和p型氮化镓层而构成，
其中，该n型氮化镓层于该缓冲层上，该n型氮化镓层的材料是氮化镓系列III-V族化合物，
该多重量子井结构层于该n型氮化镓层上，该多重量子井结构层的材料是氮化铟镓系列化合物，
该p型氮化铝镓层于该多重量子井结构层上，该p型氮化铝镓层的材料是p型氮化铝镓系列III-V族化合物，
该p型氮化镓层于该p型氮化铝镓层上，该p型氮化镓层的材料是p型氮化镓系列-V族化合物；
于该发光二极管结构层的该p型氮化镓层上的p型量子点磊晶层，该p型量子点磊晶层的材料是氮化铝铟镓系列化合物，其中，该发光二极管结构层的该n型氮化镓层、该多重量子井结构层、该p型氮化铝镓层、该p型氮化镓层与该p型量子点磊晶层，部份均被蚀刻工序所移除；
于该p型量子点磊晶层上且电连接的p型欧姆接触电极，该p型欧姆接触电极的材料是镍/金金属；及
于该发光二极管结构层的该n型氮化镓层上且电连接的n型欧姆接触电极，该n型欧姆接触电极的材料是钛/铝金属；藉此能够于该发光二极管结构设置一顺向偏压。
本发明的第2项内容是一种发光二极管的制造方法，其特征在于，包含以下步骤：
设置基片；
于该基片表面成长一层缓冲层；
于该缓冲层表面成长发光二极管结构层，该发光二极管结构层是结合n型氮化镓层、多重量子井结构层、p型氮化铝镓层和p型氮化镓层而构成；
于该发光二极管结构层的该p型氮化镓层表面上，成长p型量子点磊晶层，该p型量子点磊晶层与p型欧姆接触电极电连接，该p型欧姆接触电极的材料是镍/金(Ni/Au)金属，该n型氮化镓层与n型欧姆接触电极电连接，该n型欧姆接触电极的材料是钛/铝(Ti/Al)金属，藉此得以设置一顺向偏压。
本发明的第3项内容是，在第2项所述的发光二极管元件的制造方法中，该p型量子点磊晶层是氮化铝铟镓(AlxGa(1-x-y)InvN)薄膜，0 x，y＜1，0 x+y＜1。
本发明的第4项内容是，在第2项所述的发光二极管元件的制造方法中，该基片是蓝宝石(Sapphire)、碳化硅(SiC)、硅(Si)、砷化镓(GaAs)、偏铝酸锂(LiAlO2)、镓酸锂(LiGaO2)和氮化铝(AlN)基片其中之一。
本发明的第5项内容是，在第2项所述的发光二极管元件的制造方法中，该p型量子点磊晶层的厚度大于10埃()。
本发明的第6项内容是，在第2项所述的发光二极管元件的制造方法中，该p型量子点磊晶层的平均粗糙度大于10埃()。
附图说明
图1是根据本发明实施例的一种发光二极管结构示意图。
图2是根据本发明实施例的一种发光二极管的制造方法流程图。图中
101 基片 102 缓冲层
103 发光二极管结构层 1030 n型氮化镓层
1032 多重量子井结构层 1034 p型氮化铝镓层
1036 p型氮化镓层 107 p型量子点磊晶层
108 p型欧姆接触电极 109 n型欧姆接触电极
201 成长缓冲层 203 成长发光二极管结构层
205 成长量量子点磊晶层 207 形成电极
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加明显，以下通过详细描述具体实施例并结合附图进行说明。
图1是根据本发明实施例的一种发光二极管结构示意图。将蓝宝石(sapphire)基片101置于金属有机化学汽相沉积(MOCVD)系统中，基片101除为蓝宝石(Sapphire)材料外，也可以是碳化硅(SiC)、硅(Si)、砷化镓(GaAs)、偏铝酸锂(LiAlO2)、镓酸锂(LiGaO2)和氮化铝(AlN)其中之一。
首先于500～600，成长一层20～50纳米(nm)厚的氮化镓(GaN)缓冲层(buffer layer)102，接着于该缓冲层102表面成长发光二极管结构层103，该发光二极管结构层103包含n型氮化镓层1030、多重量子井结构层1032、p型氮化铝镓层1034和p型氮化镓层1036，其中该n型氮化镓层1030于该缓冲层102上，该n型氮化镓层1030的材料是氮化镓系列III-V族化合物。
将基片温度升至1000～1200，成长一层1～2微米(μm)厚的掺入硅(Si)杂质的n型氮化镓层(n-type GaN)1030，n型氮化镓层1030的材料是氮化镓系列III-V族化合物，之后将试片取出，置入金属有机化学汽相沉积(MOCVD)中，并将基片101温度升至700～900，成长氮化铟镓(InGaN)多重量子井结构层1032作为发光层，接著成长一层镁掺杂(Mg doped)的p型氮化铝镓层1034，之后再成长一层镁掺杂的p型氮化镓层1036，最后再成长一层镁掺杂的p型量子点磊晶层107，p型量子点磊晶层107的材料是氮化铝铟镓系列化合物，平均粗糙度大于10埃()，是一层氮化铝铟镓(AlxGa(1-x-y)InvN)薄膜，0 x，y＜1，0 x+y＜1。这样便制作完成了发光二极管磊晶片。
将此磊晶片利用乾式蚀刻的感应耦合等离子体-反应式离子蚀刻(inductively coupled plasma-reactive ion etching，ICP-RIE)程序，将部分p型量子点磊晶层107、p型氮化镓层1036、p型氮化铝镓层1034、氮化铟镓(InGaN)多重量子井结构层1032去除，并露出n型氮化镓层1030表面。再将镍/金(Ni/Au)金属制作于p型量子点磊晶层107表面且电连接，作为p型欧姆接触电极108。而将钛/铝(Ti/Al)金属制作于n型氮化镓层103表面且电连接，作为n型欧姆接触电极109。藉此能够设置一顺向偏压，按照上述步骤便制作完成了本发明的晶粒结构。
图2是根据本发明实施例的一种发光二极管的制造方法流程图。首先在步骤201中成长缓冲层：将蓝宝石(sapphire)基片101置于金属有机化学汽相沉积(MOCVD)系统中，于500～600成长一层20～50纳米(nm)厚的氮化镓(GaN)缓冲层(buffer layer)102。
接着在步骤203中，成长发光二极管结构层103：将基片101温度升至1000～1200成长一层1～2微米(μm)厚的掺入硅(Si)杂质的n型氮化镓层(n-type GaN)1030，之后将试片取出，置入金属有机化学汽相沉积(MOCVD)中，并将基片温度升至700～900，成长氮化铟镓(InGaN)多重量子井结构层1032作为发光层，接着成长一层镁掺杂的p型氮化铝镓层1034，之后再成长一层镁掺杂的p型氮化镓层1036。
最后在步骤205中，于p型氮化镓层1036上成长一层镁掺杂的p型量子点磊晶层107，这样便制作完成了发光二极管磊晶片。
在步骤207中，形成电极108、109：将此磊晶片利用乾式蚀刻的感应耦合等离子体-反应式离子蚀刻(inductively coupled plasma-reactive ionetching，ICP-RIE)程序将部分p型量子点磊晶层107、p型氮化镓层1036、p型氮化铝镓层1034、氮化铟镓(InGaN)多重量子井结构层1032去除，并露出n型氮化镓层1030表面，再将镍/金(Ni/Au)金属制作于p型量子点磊晶层107表面作为p型欧姆接触电极108，而将钛/铝(Ti/Al)金属制制作于n型氮化镓层1030表面作为n型欧姆接触电极109，按照上述步骤便制作完成了本发明的晶粒结构。
虽然以上以一较佳实施例揭示了本发明，但其并非用来限定本发明。任何本技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神与范围内，应当能够作各种变更与改进，但其所作出的各种变更与改进仍不脱离本发明申请所要求保护的范围。
Claims (6)
1.一种发光二极管结构，设置有基片，其特征在于，该结构包含：
于该基片上的缓冲层，该缓冲层的材料是氮化镓(GaN)系列化合物；
于该缓冲层表面的发光二极管结构层，该发光二极管结构层是结合n型氮化镓层、多重量子井结构层、p型氮化铝镓层和p型氮化镓层而构成，
其中，该n型氮化镓层于该缓冲层上，该n型氮化镓层的材料是氮化镓系列III-V族化合物，
该多重量子井结构层于该n型氮化镓层上，该多重量子井结构层的材料是氮化铟镓系列化合物，
该p型氮化铝镓层于该多重量子井结构层上，该p型氮化铝镓层的材料是p型氮化铝镓系列III-V族化合物，
该p型氮化镓层于该p型氮化铝镓层上，该p型氮化镓层的材料是p型氮化镓系列-V族化合物；
于该发光二极管结构层的该p型氮化镓层上的p型量子点磊晶层，该p型量子点磊晶层的材料是氮化铝铟镓系列化合物，其中，该发光二极管结构层的该n型氮化镓层、该多重量子井结构层、该p型氮化铝镓层、该p型氮化镓层与该p型量子点磊晶层，部份均被蚀刻工序所移除；
于该p型量子点磊晶层上且电连接的p型欧姆接触电极，该p型欧姆接触电极的材料是镍/金金属；及
于该发光二极管结构层的该n型氮化镓层上且电连接的n型欧姆接触电极，该n型欧姆接触电极的材料是钛/铝金属；藉此能够于该发光二极管结构设置一顺向偏压。
2.一种发光二极管的制造方法，其特征在于，包含以下步骤：设置基片；
于该基片表面成长一层缓冲层；
于该缓冲层表面成长发光二极管结构层，该发光二极管结构层是结合n型氮化镓层、多重量子井结构层、p型氮化铝镓层和p型氮化镓层而构成；
于该发光二极管结构层的该p型氮化镓层表面上，成长p型量子点磊晶层，该p型量子点磊晶层与p型欧姆接触电极电连接，该p型欧姆接触电极的材料是镍/金(Ni/Au)金属，该n型氮化镓层与n型欧姆接触电极电连接，该n型欧姆接触电极的材料是钛/铝(Ti/Al)金属，藉此得以设置一顺向偏压。
3.根据权利要求2所述的发光二极管元件的制造方法，其特征在于，该p型量子点磊晶层是氮化铝铟镓(AlxGa(1-x-y)InvN)薄膜，0x，y＜1，0x+y＜1。
4.根据权利要求2所述的发光二极管元件的制造方法，其特征在于，该基片是蓝宝石(Sapphire)、碳化硅(SiC)、硅(Si)、砷化镓(GaAs)、偏铝酸锂(LiAlO2)、镓酸锂(LiGaO2)和氮化铝(AlN)基片其中之一。
5.根据权利要求2所述的发光二极管元件的制造方法，其特征在于，该p型量子点磊晶层的厚度大于10埃()。
6.根据权利要求2所述的发光二极管元件的制造方法，其特征在于，该p型量子点磊晶层的平均粗糙度大于10埃()。
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