CN2593370Y - 氮化镓基ⅲ－ⅴ族化合物半导体发光装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种氮化镓基III－V族化合物半导体发光装置，主要系在一基板上成长一多层磊晶结构，藉由一可形成于Ni/Au层上的可透光金属氧化层作为光取出层，并利用Ni/Au层作为光取出层与多层磊晶结构间的欧姆接触层，以构成一LED的发光装置；该发光装置，包括一基板、一多层磊晶结构、一Ni/Au欧姆接触层、一光取出层、一n型金属电极及一p型金属电极等构成。
Description
所属技术领域：
本实用新型涉及一种氮化镓基III-V族化合物半导体发光装置，尤指一种适用于氮化镓基(GaN-based)III-V族材料的发光二极管者(light-emitting diode，简称LED)，主要系在一基板上(substrate)成长一多层磊晶结构(multi-layered epitaxial structure)，藉由一可形成于Ni/Au层上的可透光金属氧化层(metal oxide layer，例如ZnO)作为光取出层(light extraction layer)，并利用Ni/Au层作为光取出层与多层磊晶结构间的欧姆接触(Ohmic Contact)层，以构成一LED的发光装置。
该发光装置，包括一基板、一多层磊晶结构、一Ni/Au欧姆接触层、一光取出层、一n型金属电极(n-type metal contact)及一p型金属电极(p-type metal contact)等构成；其中，该多层磊晶结构又包括缓冲层(buffer layer)、第一半导体层、光产生层(light generating layer)、及第二半导体层等；该Ni/Au层，系形成于第二半导体层上；且该光取出层，系形成于Ni/Au层上，厚度至少在1μm，并具有粗糙表面(RoughSurface)或压花纹路，故有较高的光取出率(light extractionefficiency)。
背景技术：
目前，公知的氮化镓基发光装置，系以Ni/Au结构作为透明电极于P型半导体层表面，而藉以改善发光装置的发光效率；惟，Ni/Au结构本身即具有透光性较为不佳的材质特性，因此，结构特征上，Ni/Au结构的成形厚度极薄，仅可在0.005至0.2μm的间；又，根据临界角度θC(CriticalAngle)原则，透明电极应具有适当厚度(即适度的厚膜化)，方可利于光的逃脱放出，则Ni/Au结构在厚度特征的限制下，其对于透光性的增益，恐仍有未尽理想的处。
再者，以Ni/Au结构作为透明电极的氮化镓基发光装置，因前述的结构特征使然，难以在0.005至0.2μm间的成形厚度上，再施予表面处理而形成更多的侧边，故无法进一步增加光的逃脱放出，而有所缺憾。
实用新型内容：
本实用新型的主要目的，即为提供一种氮化镓基III-V族化合物半导体发光装置；系在Ni/Au层上形成一可透光的金属氧化层作为光取出层，并利用Ni/Au层作为光取出层与多层磊晶结构间的欧姆接触层，以增益透光性，且该光取出层具有适当厚度(即适度的厚膜化)，因此，可施予表面处理，而进一步增加光的逃脱放出。
本实用新型所采取的技术方案为：
一种氮化镓基III-V族化合物半导体发光装置，包括一基板、一多层磊晶结构、一Ni/Au欧姆接触层、一光取出层、一n型金属电极及一p型金属电极等构成，该多层磊晶结构又包括缓冲层、第一半导体层、光产生层、及第二半导体层等；其中：
该基板，系以蓝宝石或碳化硅(SiC)制成；
该缓冲层，系于基板的上表面所形成的LT-GaN/HT-GaN的缓冲层，LT-GaN系为先成长在基板上的低温缓冲层，HT-GaN系为成长在LT-GaN上的高温缓冲层；
该第一半导体层，系成长于缓冲层上的n型GaN基III-V族化合物半导体层；
该光产生层，系成长于第一半导体层上的GaN基III-V族化合物半导体层，或称为活性层，可为GaN多量子井(MQW)；
该第二半导体层，系成长于光产生层上的p型GaN基III-V族化合物半导体层；
该Ni/Au欧姆接触层，系形成于第二半导体层表面；
该光取出层，系形成于Ni/Au层上可透光的金属氧化层，可为ZnO材质，厚度至少在1μm，且具有粗糙表面或压花纹路，并由Ni/Au层作为光取出层与第二半导体层间的欧姆接触层；
该n型金属电极，系设置在第一半导体层的露出面上；
该p型金属电极，系设置在光取出层上；由此，可经由后续的晶粒加工、设置、接线、及树脂灌膜封装，而构成一氮化镓基(GaN-based)的发光二极管。
本实用新型所具有的有益效果为：
1、本实用新型系以一可形成于Ni/Au层上的可透光金属氧化层(例如ZnO)作为光取出层，因此，远比以Ni/Au结构作为透明电极的氮化镓基发光装置更具有较高的光取出率。
2、本实用新型因利用Ni/Au层作为光取出层与多层磊晶结构间的欧姆接触层，因此，Ni/Au结构的成形厚度极薄亦不致影响光的逃脱放出。
3、本实用新型系以可透光金属氧化层(例如ZnO)作为光取出层，而取代原有的透明电极(Ni/Au结构)，因此，可突破原有透明电极(Ni/Au结构)的厚度限制，使得该光取出层厚度至少在1μm，故可在光取出层上进一步施予表面处理，以形成更多的侧边，而大幅增进光的逃脱放出
本实用新型的特征、技术手段、具体功能、以及具体的实施例，继以图式、图号详细说明如后。
附图说明：
下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
图1为本实用新型较佳实施例的立体示意图；
图2为本实用新型较佳实施例的结构示意图；
图3为本实用新型内光的逃脱放出示意图；
图4至图5为光取出层的表面处理示意图；
图6至图7为压花纹路的另一实施例示意图；
图8为本实用新型第二实施例的结构示意图；
图9为本实用新型第三实施例的结构示意图；
图10为本实用新型第四实施例的结构示意图。
具体实施方式：
请参阅图1至图2所示，在较佳实施例中，本实用新型的发光装置，包括一基板10、一多层磊晶结构20、一Ni/Au欧姆接触层29、一光取出层30、一n型金属电极40及一p型金属电极50等构成，该多层磊晶结构20又包括缓冲层22、第一半导体层24、光产生层26、及第二半导体层28等；其中：
该基板10，系以蓝宝石(sapphire)或碳化硅(SiC)制成，基板厚度可在300至450μm；
该缓冲层22，系于基板10的上表面11所形成的LT-GaN/HT-GaN的缓冲层，LT-GaN系为先成长在基板10上的低温缓冲层，厚度可在30至500，HT-GaN系为成长在LT-GaN上的高温缓冲层，厚度可在0.5至6μm；
该第一半导体层24，系成长于缓冲层22上的n型GaN基III-V族化合物半导体层(n-type gallium nitride-based III-V group compoundsemiconductor)，厚度可在2至6μm，成长温度Tg约在980至1080℃间；
该光产生层26，系成长于第一半导体层24上的GaN基III-V族化合物半导体层(gallium nitride-based III-V group compound semiconductor)，或称为活性层，可为GaN多量子井(Multi-Quantum Well，简称MQW)或InGaN多量子井(MQW)；
该第二半导体层28，系成长于光产生层26上的p型GaN基III-V族化合物半导体层(p-type gallium nitride-based III-V group compoundsemiconductor)，例如：p-GaN、p-InGaN、p-AlInGaN的磊晶沉积层，厚度可在0.2至0.5μm，成长温度Tg约在950至1000℃间；
该Ni/Au欧姆接触层29，系形成于第二半导体层28表面，厚度可在0.005至0.2μm；
该光取出层30，系形成于Ni/Au层29上可透光的金属氧化层(light-transmitting oxide-metallic material)，可为ZnO材质，厚度至少在1μm，且具有粗糙表面301，并由Ni/Au层29作为光取出层30与第二半导体层28间的欧姆接触层；
该n型金属电极40，系设置在第一半导体层24的露出面24a上；
该p型金属电极50，系设置在光取出层30上；
由此，即可构成一具有光取出层30的发光装置，且光取出层30可使从活性区(active region)所散发的光更易于穿透光取出层30的侧边及表面，而增加光(emitted light)的逃脱量，以提升发光装置的光取出率。
此间应予以说明者，乃在于：在较佳实施例中，该发光装置的制成方式如下：先在蓝宝石(sapphire)或碳化硅(SiC)基板10的上表面11形成一缓冲层后，再成长一n-GaN系的磊晶沉积层21；再于n-GaN系的磊晶沉积层21上形成一MQW的活性层23；再于MQW活性层23上形成一层p-GaN系(p-GaN-based，例如：p-GaN、p-InGaN、p-AlInGaN)的磊晶沉积层25，且以蚀刻法(Etching)将部份n-GaN层21表面、部份MQW活性层23、及部份p-GaN层25移除，使n-GaN层21具有一露出面21a，且可在蚀刻后剩余的p-GaN层25表面，镀上一层极薄的Ni/Au层27；再于Ni/Au层27表面镀上至少在1μm厚度的ZnO系窗口层31，并由Ni/Au层27作为ZnO系窗口层31与p-GaN层25间的欧姆接触层；再于在n-GaN层21的露出面21a上设置一n型金属电极40，并在ZnO系窗口层31上设置一p型金属电极50，且因ZnO系窗口层31具有至少1μm厚度，故可在ZnO系窗口层31的裸露表面(即ZnO系窗口层31表面不含与p型金属电极50接触的部份)，进一步施予表面处理而使其粗糙化；由此，即可构成一LED的发光装置，且ZnO系窗口层31将具有适当的厚度及更多的侧边，而形成一较佳的光取出层，以增益光的逃脱放出。
此间应再予以说明者，乃在于：该光产生层26(即活性层)，亦可仅包括一磊晶层(epitaxial layer)，且该磊晶层，系由AlGaInN基III-V族化合物半导体层(aluminum-gallium-indium-nitride-based III-Vgroup compound semiconductor)所构成。
此间拟再予提出说明者，乃在于：前述的发光装置，经由晶粒加工后可设置在脚架(图未出示)上，且接线后可由树脂灌膜封装，而制成一完整的LED。
请参阅图3所示，该光取出层30，厚度实施的范围可在50至50μm，故可厚膜化；由于LED的发光装置内，只有在临界角度θC(CriticalAngle)以内的光才能逃脱放出，所以，具有适当厚度的光取出层，可提升发光装置的光取出率；如图所示，若该光取出层30的厚度至少在1μm，则从活性区所散发的光更易于穿透光取出层30，而具有较佳光取出率；再者，该光取出层30又具有粗糙表面301，因此，具有更多的侧边302，而可大幅增加光的逃脱放出。
请参阅图4至图5所示，承前所述，该光取出层30的表面，进一步亦可施予压花处理，而形成压花纹路，同样地，该压花纹路亦可使光取出层30具有更多的侧边，而大幅增加光的逃脱放出；如第5图所示，该压花纹路303，可为圆锥体或三角锥体者；如图5所示，该压花纹路305，可为四角锥体(金字塔体)等；且其它几何锥体的变化者亦为本实用新型压花纹路的可行方式。
请参阅图6至图7所示，系为压花纹路的另一实施例平面示意图及部份立体示意图；其中，该压花纹路，进一步亦可由多数个凹槽307所布设而成，且凹槽307的布设方式可排列呈三角形、矩形、菱形、及多边形等，凹槽307间并具有适当间隔距离，以供电流导通，且其它几何形状的排列变化者亦为本发明可行的方式。
请参阅图8所示，在第二实施例中，该光取出层30，进一步亦可为厚度至少在1μm的InxZn1-xO系窗口层32(0≤X≤1)，且可在InxZn1-xO系窗口层32的裸露表面(即InxZn1-xO系窗口层32表面不含与p型金属电极50接触的部份)，进一步施予表面处理，而具有粗糙表面321或压花纹路。
请参阅图9所示，在第三实施例中，该光取出层30，进一步亦可为厚度至少在1μm的SnxZn1-xO系窗口层33(0≤X≤1)，且可在SnxZn1-xO系窗口层33的裸露表面(即SnxZn1-xO系窗口层33表面不含与p型金属电极50接触的部份)，进一步施予表面处理，而具有粗糙表面331或压花纹路。
请参阅图10所示，在第四实施例中，该光取出层30，进一步亦可为厚度至少在1μm的InxSnyZn1-x-yO系窗口层34(0≤X≤1，且0≤Y≤1，且0≤X+Y≤1)，并可在InxSnyZn1-x-yO系窗口层34的裸露表面(即InxSnyZn1-x-yO系窗口层34表面不含与p型金属电极50接触的部份)，进一步施予表面处理，而具有粗糙表面341或压花纹路。
此间应再予以说明者，乃在于：该光取出层30，亦可为折射率(refractive index)至少在1.5的金属氧化层者；或可为n型传导(n-typeconduction)或p型传导(p-type conduction)的金属氧化层者；或可为掺杂有稀土元素(rare earth-doped)的金属氧化层者；或可为具有较佳的可见光透光性范围(transparency in visible range)的金属氧化层者，例如：范围约在400至700nm者；且以上所述，皆为本实用新型发光装置的可行方式。
此间拟提出说明者，乃在于：本实用新型发光装置的磊晶结构，系可由溅镀自我组织(self-texturing by sputtering)法所形成，或可由物理气相沉积(physical vapor deposition)法所形成，或可由离子电镀(ion plating)法所形成，或可由脉冲雷射蒸镀(pulsed laserevaporation)法所形成，或可由化学气相沉积(chemical vapordeposition)法所形成，或可由分子束磊晶成长(molecular beamepitaxy)法所形成。
Claims (12)
1.一种氮化镓基III-V族化合物半导体发光装置，包括一基板、一多层磊晶结构、一Ni/Au欧姆接触层、一光取出层、一n型金属电极及一p型金属电极等构成，该多层磊晶结构又包括缓冲层、第一半导体层、光产生层、及第二半导体层等；其特征在于：
该基板，系可为蓝宝石(sapphire)材质，且基板的上表面可成长一缓冲层；
该第一半导体层，系成长于缓冲层上的n型GaN基III-V族化合物半导体层；
该光产生层，系成长于第一半导体层上的GaN基III-V族化合物半导体层，或称为活性层，可为GaN多量子井(MQW)；
该第二半导体层，系成长于光产生层上的p型GaN基III-V族化合物半导体层；
该Ni/Au欧姆接触层，系形成于第二半导体层表面；
该光取出层，系形成于Ni/Au层上可透光的金属氧化层，可为ZnO系材质，厚度至少在1μm，且具有粗糙表面或压花纹路，并由Ni/Au层作为光取出层与第二半导体层间的欧姆接触层；
该n型金属电极，系设置在第一半导体层的露出面上；
该p型金属电极，系设置在光取出层上；由此，可经由后续的晶粒加工、设置、接线、及树脂灌膜封装，而构成一氮化镓基III-V族化合物半导体发光装置。
2.根据权利要求1所述的氮化镓基III-V族化合物半导体发光装置，其特征在于：该基板，亦可为碳化硅(SiC)材质。
3.根据权利要求1所述的氮化镓基III-V族化合物半导体发光装置，其特征在于：该基板的厚度，可在300至450μm。
4.根据权利要求1所述的氮化镓基III-V族化合物半导体发光装置，其特征在于：该缓冲层，系于基板的上表面所形成的LT-GaN/HT-GaN的缓冲层，LT-GaN系为先成长在基板上的低温缓冲层，LT-GaN的厚度可在30至500，HT-GaN系为成长在LT-GaN上的高温缓冲层，HT-GaN的厚度可在0.5至6μm。
5.根据权利要求1所述的氮化镓基III-V族化合物半导体发光装置，其特征在于：该第一半导体层的厚度，可在2至6μm；该第二半导体层，可为p-GaN、p-InGaN、p-AlInGaN的磊晶沉积层，厚度可在0.2至0.5μm。
6.根据权利要求1所述的氮化镓基III-V族化合物半导体发光装置，其特征在于：该光产生层，亦可为InGaN多量子井(MQW)。
7.根据权利要求1所述的氮化镓基III-V族化合物半导体发光装置，其特征在于：该光产生层，进一步亦可仅包括一磊晶层，且该磊晶层，系由AlGaInN基III-V族化合物半导体层所构成。
8.根据权利要求1所述的氮化镓基III-V族化合物半导体发光装置，其特征在于：该光取出层，亦可InxZn1-xO、或SnxZn1-xO、或InxSnyZn1-x-yO等材质，且0≤X≤1，且0≤Y≤1，且0≤X+Y≤1。
9.根据权利要求1所述的氮化镓基III-V族化合物半导体发光装置，其特征在于：该光取出层，可为折射率至少在1.5的金属氧化层；或可为掺杂有稀土元素的金属氧化层；或可为具有较佳的可见光透光性范围约在400至700nm间的金属氧化层；或可为n型传导或p型传导的金属氧化层者。
10.根据权利要求1所述的氮化镓基III-V族化合物半导体发光装置，其特征在于：该压花纹路，系可由圆锥体所构成，或可由三角锥体所构成，或可由四角锥体所构成，或可由任一几何锥体所构成者者。
11.根据权利要求1所述的氮化镓基III-V族化合物半导体发光装置，其特征在于：该压花纹路，系可由多数个凹槽所布设而成，且凹槽的布设方式可排列呈三角形，或可排列呈矩形，或可排列呈菱形，或可排列呈多边形，或可排列呈任一几何形状，且凹槽间并具有适当间隔距离，以供电流导通。
12.根据权利要求1所述的氮化镓基III-V族化合物半导体发光装置，其特征在于：该发光装置的磊晶结构，系可由溅镀自我组织(self-texturing by sputtering)法所形成，或可由物理气相沉积(physical vapor deposition)法所形成，或可由离子电镀(ionplating)法所形成，或可由脉冲雷射蒸镀(pulsed laserevaporation)法所形成，或可由化学气相沉积(chemical vapordeposition)法所形成，或可由分子束磊晶成长(molecular beamepitaxy)法所形成。
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