TW200832764A - Light emitting diode having barrier layer of superlattice structure - Google Patents
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Description
200832764
ZD^^piLdoC 九、發明說明·· 【發明所屬之技術領域】 ' 本發明是關於一種發光二極體（light emitting ' diode)，且更特定言之，是關於一種具有超晶格結構 (superlattice structure )之阻障層（barrier layer )的發光二 極體。 【先前技術】 • 通常’因為諸如GaN、AIN、InGaN及其類似物之第 ΙΠ族元素氮化物具有優良的熱穩定性以及直接遷移式能 帶結構（energy band structure )，所以其最近已進入聚光燈 作為在藍色以及紫外區域中用於發光二極體（LED)之材 料。特定言之，InGaN化合物半導體已歸因於其窄能帶隙 而被絲員者庄思到。使用此基於GaN之化合物半導體的τ ρΉ 用於各種應用中，諸如大尺寸全色平板顯示器（flai pand display)、背光源、交通信號燈、室内照明、高密度光源、 高解析度輸出系統以及光學通信。 • 1為說明習知LED之剖視圖。 麥看圖1，LED包括N型半導體層π、P型半導體層 21，及插入N型半導體層17與！>型半導體層21之間的活 性區域（activeregkm) 19。>^型半導體層以及p型半導體 層由第ΙΠ族元素氮化物半導體（亦即，基於(A1，In, Qa)N ' 之化合物半導體）形成。同時，活性區域19經形成以具有 ‘ 具單井層之單一量子井結構（quantum well structure )， 或具多個井層之多量子井結構，如此圖中所示。藉由交替 200832764 zo^^pif.doc ，層壓MaN井層⑼與⑽随障層⑽來形成具有多 量子井結構之活性區域。井層1Pa由具有比N型半導體層 • Ϊ7#Ρ型半導體層19以及轉層19b窄之能帶隙的半導 •體材料形成，藉此提供使電子與電洞彼此重二 使用諸如金屬有機化學氣相沈積（metd ch刪cal vapor depositi〇4, M〇CVD)之方法將此第 πι 族元 素氮化物半$體層成長於具有六邊形結構之不同類型的基 ⑩ 板11 (諸如監實石或SlC)上。然而，若將第III族元素氮 化物半導體層成長於不同類型的基板n上，則在半導體層 中發生裂痕或翹曲且歸因於晶格常數（副ceconsiant)以 及半導體層與基板之間的熱膨脹係數（thermal expansion coefficient)之差異而產生錯位。 為了防止此等問題，將緩衝層形成於基板n上。緩衝 層逋常包括低溫緩衝層13以及高溫緩衝層15。低溫緩衝 層13通常藉由使用諸如M0CVD之方法由Α1χ(^_χΝ⑼ $χ$1)在4〇〇°C至800t之溫度下形成。接著將高溫緩衝 層15形成於低溫缓衝層13上。高溫缓衝層15由GaN層 在90(TC至120CTC之溫度下形成。因此，Ns (^^^層1?θ、 活性區域19以及Ρ型GaN層21中的晶體缺陷可得以磲菩 移除。 ^ 然而，儘管使用缓衝層13與15，但活性區域19中之 - 晶體缺陷密度仍為高的。特定言之，為了增強電子與電洞 .之重組率，活性區域19經形成以具有具比N型〇必層u 以及P型GaN層19窄之能帶隙的半導體層。另外，^層 7 200832764 ^oj^pif.doc 19a由具有比阻障層19b窄之能帶隙的半導體層形成。具 有乍旎▼隙之半導體層通常包括大量In且因此具有大的 晶格常數。因此，在井層19a與阻障層1%之間以及井層 19a與N型半導體層17之間發生晶格失配（iaftiee mismatch )。諸層之間的此晶格失配引起針孔、表面粗糙以 及晶體結構的降級。 I發明内容】
【技術問題】 本發明之目標為提供一種能夠減少活性區域中之晶體 缺陷之發生的LED。 本發明之另-目標為提供一種活性區域之表面粗糙度 得以改良的LED。 【技術解決方案】 立用於達成目標之本發明提供—種射具超晶格結構之 阻障層的LED。根據本制之紐的L£D具有插入基於 GaN之N型化合物半導體層與基於日必之p型化合物半 導體層之間的活性區域，其中活性區域包括井層以及具有 ，晶格結狀轉層。當❹具有超晶格結構之阻障層 日守’有可能減少由井層與阻障層之間的晶格失配引起之缺 "可由形成，且阻障層可經形成以具有交， 由运塗InGaN與GaN之超晶格結構。在此狀況下，井^ 之InGaN包括比阻障層中之Ιη(}&Ν更大量的&。因此 有可能提供藉纽㈣層巾之In含量而發射具有可見夕 200832764 20D44piI.doc 區域中之各種波長之光的LED。 同時，因為阻障層中之InGaN包括大量In，所以針孔 ° (Pin holes)之數目減少，但可能產生壘石（hillr〇ck )。應瞭 • 解，此是因為針孔被填充In以防止其發生，但若In過度 地增加，則壘石由剩餘的In產生。因此，阻障層中之InGaN 的In含量經適當選擇以防止針孔.以及壘石發生。 在一些貫施例中，井層由InxGa(1_x)N形成，且阻障層 • 包括具有交替層壓之IiiyGaowN與GaN的下部超晶格、具 有交替層壓之InyGa^N與GaN的上部超晶格，以及插入 下部超晶格與上部超晶格之間且具有交替層壓之 IiizGao-QN 與 GaN 的中間超晶格。此處，〇<χ<ι，〇<^〈〇 ， 0<ζ<0·1且y<z<x。根據此等實施例，具有大的迅含量之 超晶格安置於具有小的In含量之超晶格之間。因此，層壓 具有不同h含量之超晶格，藉此防止針孔以及壘石發生。 在不同實施例中，井層與具有超晶格結構之阻障層中 InGaN 的組成比可為 0<x<1，〇<y<〇1，〇<z<〇 〇5 且 ζ<^χ。 ⑩ 亦gP，與上述實施例不同，將具有小的Ιη含量之超晶格結 構安置於具有大的：[η含量之超晶格結構之間以藉此防止 針孔以及壘石發生。 超晶格結構中之每一層通常具有3〇 Λ或更小之厚 度。在此等實施例中，阻障層中之inyGa(]一、⑽以及 - 1化(}3<1-2)]^中的每一者可具有2.5人至20人之厚度。另外， ’ 轉層巾之各別層可經形成以具有幾乎姻的厚度。 另外，下部超晶格可具有經交替層壓4至次之 9 200832764 Z0O44pif.doc I=yGa(1_y)N與GaN，中間超晶格可具有經交替層壓6至2〇 人之Inz=a(1_z)N與GaN，且上部超晶格可具有、經交替層壓 4至10次之inyGaiy#與〇祕。經層壓之與 的數目，設定以使得阻障層之厚度不過度地增加且防止針 孔以及憂石發生。 以具有單一或多量子井結 ’可交替地層壓井層與具有
同時，活性區域可經形成 構。在多量子井結構之狀況下 超晶格結構之阻障層。 另外’可將井層插入具有超晶格結構之阻障層之間。 因此，有可能減少型或P型化合物半導體層與井層之 間的晶格失配引起之應變。 曰 【有利效應】 根據本發明之實施例，有可能提供一 格結構之轉層的咖，藉此W随射之 (諸如，且改良表面粗糙度。另外，可提供 孔以及翌石在活性區域中發生的LED。 、v 【實施方式】 【本發明之模式】 下文將參看_圖式來詳蝴述本發明之較佳 例。僅為達成制之目的而提供以下實齡m使得熟= 項技術者可充分理解本發明之精神。目此，本發二 以下實施例，而是可實施為其他形式。在圖式、； 月’可誇示元ί之寬度:長度、厚度以及其類似:便 貝牙說明書以及圖式，相同參考數字指示相同元件。 10 200832764 二 啊pif.doc 圖2為說明根據本發明之實施例之LED的剖視圖。 參看圖2，N型化合物半導體層57定位於基板51上。 另外，缓衝層可插入基板51與]^型化合物半導體層.57之 間。緩衝層可包括低溫緩衝層53以及高溫緩衝層55。基 板51不特定受限，但可為（例如）藍寶石基板、尖晶石基 板、SiC基板或其類似物。同時，低溫緩衝層兄可通常由
AlxGa]_xN(〇$x$i)形成，且高溫缓衝層％可由（例如）
未經摻雜之GaN或摻雜有！!型雜質inMGaN形成。 P型化合物半導體層61定位於N型化合物半導體層 57上，且活性區域59插入N型化合物半導體層57與p 型化合物半導體層61之間。N型化合物半導體層、活性區 域以及p型化合物半導體層形成有基於(A1，匕，Ga)N之第 III私氮化物半導體層。舉例而言，N型化合物半導體層π 以及Ρ型化合物半導體層61可分別為Ν型以及ρ刑 GaN。 土 =時，活性區域59包括井層59a以及具有超晶格結; 之阻障層59b。活性區域59可經形成以具有具單一井層5( 之單一量子井結構。在此狀況下，具有超晶格結構^阻; 層59b定位於井層59a之頂部及/或底部上。如此圖中， 示活性區域59可經形成以具有交替層壓井層5如與具 超晶格結構之阻障層5%的多量子井結構。亦即，/ 井層59a與阻障層5卯交替層壓於Ν型化合物半導體層 上且阻卩早層59b具有交替層壓in(}aN與GaN之超晶 結構。井層59a中之InGaN具有比阻障層59b中之:曰 200832764
ZD3^pif.d〇C 大的In含量，以使得形成量子井。 阻障層59b經形成以具有 ^ τ r XT ^ a ^ 、頁％昍格結構5猎此防止歸因 轉層之間的晶格失配之晶體缺陷 m二}發生。叫若阻障層视中之InGaN =有可能防止產生針孔’㈣石發生。應 3晶此疋因細於殘留於InGaN層上之剩餘的in而 y成土石。因此，可猎由適當控制阻障層59b中之In含量
^方止針孔以及Μ發生，且可在_至ο]之範圍中調 整In組成比。 同時，在本發明之一些實施例中，用於防止針孔以及 壘f發生之具有超晶格結構的阻障層可包括具有不同迅 含量之InGaN。下文將詳細描述此。 圖3為圖2中之活性區域的放大剖視圖，其說 本發明之實關之包括«不㈣含量之InGaNj^ 超晶格結構的阻障層。 #看圖3 ’井層59a可由InxGa(i_x)N表示，其中〇<χ<ι。 同時’具有超晶格結構之阻障層59b包括具有交替層壓之 71a與GaN 71b的下部超晶格71、具有交替層 壓之75a與GaN 75b的上部超晶格75，以及插 入下部超晶格71與上部超晶格75之間的中間超晶格73。 藉由交替地層壓InzGa(1-z)N與GaN來形成中間超晶格73。 此處，0<χ<1，〇<γ<〇·〇5，〇<ζ<0·1 且 y<z<x。
下部超晶格以及上部超晶格中之每一者中的 hyGa(1_y)N 7la或75a具有比中間超晶格中之InzGa(]_z)N 12 200832764 26544pii.doc 73a小的In含量。因此’可在形成下部超晶格？！之 中形成精細針孔。然而，其後形成之中間超隸73包杆剩 餘的化，因此用剩餘的In填充針孔以藉此移除針孔同 時，中間超晶格73巾之剩餘的In可產生量石。此 Μ由上部超晶格75 _。根據此實施例，可藉由使用包 括具^的In含量之InGaN的超晶格以及包括具有 In含里之InGaN的超晶格來防止針孔以及壘石發生。
父替地層屢下部超晶格7卜中間超晶格73以及 超晶格75中之每一者中的InGaN以及GaN。一對邮祝 與GaN可在下部超晶格71中重複經層壓4至次，在 間超晶格73巾重複經層壓6至2〇 :欠且在上部超晶柊乃 中重複經層壓4至10次。經層屢之祕咖與⑽的㈣ 可視InGaN與GaN之厚度以及InGaN中之In含量而變 化，且經設定以控制針孔以及壘石的發生。 欠 儘管在此實施例中已描述下部超晶格71以及上部超 晶格^中之InGaN具有比中間超晶格73中之InGaN小的
In含置，但下部超晶格71以及上部超晶格75中之 可具有比中間超晶格73中之InGaN大的In含量。亦即， 井層與阻障層中之1n組成比可滿足0<χ<1，OcycOj， 〇<ζ<0·05 且 z<y<x 〇 可使用MOCVD方法在80CTC至900°C之溫度下形成 下部超晶格71、中間超晶格73以及上部超晶格乃中之每 一者中的LiGaN以及GaN。阻障層59b中之InGaN以及 GaN中的每一者可具有2.5 A至20 Λ之厚度且其可經形成 13
200832764 25!>44pif.d〇C 以具有幾乎相同的厚度。 同時，儘管在圖3中已展示N型化合物半導體層57 與井層59a彼此接觸，但如參看圖3所描述之具有超晶格 結構的阻障層5%可插入n型化合物半導體層57與井層 59a之間，如圖4中所示。插入N型化合物半導體層57 與井層59a之間的阻障層5%減少由N型化合物半導體層 户/、井層59a之間的晶格失配引起之應變，藉此防止晶體 缺陷在井層59a中發生。 在本發明之實施例中，可使N型化合物半導體層57 以及P型化合物半導體層61之位置彼此改變。 〈實驗性實例> 圖5為展不根據先前技術之在將緩衝層形成於藍寶石 ，板上且接著將N型GaN層形成於緩衝層上之狀態下，N 型⑽旦層之表面的原子力顯微鏡（atomic force microscope， 1=)〜像。圖6為展示根據先前技術之在將InGaN井層 ^叫層四次交替層壓於圖5之N型GaN層上的狀 :义面的AFM影像。圖7為展示在將InGaN井層與呈 3晶：結構之阻障層四次交替層壓於圖5之GaN層上的 丄二下:面的AFM影像，其中藉由重複地層壓InGaN/GaN =而形成具有超晶格結構之轉層。根據先前技術之阻 及有超晶格結構之阻障層經形成以具有相同厚度 、 且使用M0CVD方法在相同條件下形成其他 層0 如圖5中所示，形成於緩衝層上之n型層具有 14 200832764 ZOD^^pif.doc 小的表面姆度，且在其中未觀_諸如針曰 陷。然而，如圖6中所示，可證實在具有InGaN并:脸芬 ，據先前技術形成之GaN阻障層的活性區域巾^ = 里針孔，且活性區域之表面為粗糙的。相反，在具^ 、 形成之超晶格結構之阻障層的活性區〜: 未·]到針孔，且活性_巾之表面粗: 術之活性區域中的表面粗糙度降低。 &則技 【圖式簡單說明】 圖1為說明習知LED之剖視圖。 之阻=為說明根據本發明之實施例之具有具超晶格結構 之阻p早層之LED的剖視圖。 ㈣L3/制根據本發明之實補之具有超晶格結構之 ||早層的剖視圖。 圖4為說明根據本發明之另一實施例之具有具超晶 、、Ό構之隨障層之LED的剖視圖。 圖5為展示在活性區域成長前N型GaN層之表面的 原子力顯微鏡（AFM)影像。 、 圖6為展示根據先前技術形成之活性區域之表而 AFM影像。 衣面的 圖7為展示根據本發明之實施例之活性區域之表面 AFM影像。 衣曲的 【主要元件符號說明】 11 ·基板 13 :低溫缓衝層 15 200832764
Zt044pif.doc 15 :高溫缓衝層 17 : N型半導體層 ^ 19:活性區域 • 19a :井層 19b ··阻障層 21 : P型半導體層 51 :基板 53 :低溫緩衝層 • 55 :高溫緩衝層 57 : N型化合物半導體層 59 :活性區域 59a :井層 59b :阻障層
61 : P型化合物半導體層 71 :下部超晶格 71a · InyGa(1_y)N
• 71b ： GaN 73 :中間超晶格 、 73a · InzGa(1.Z)N .
7 5 .上部超晶格 75a : InyGa(卜y)N . 75b ： GaN 16
Claims (1)
- 200832764 25D44plf.doc 十、申請專利範圍： 1.一種發光二極體（LED)，其具有位於基MQaN2N 型化合物半導體層與基於GaN之P型化合物半導體声之 的活性區域， s 其中所述活性區域包括井層以及具有超晶格結構 之阻障層。2. =申請專利範圍第1項所述之發光二極體（LED)， -中所返井層由InGaN形成，所述阻障層經形成以且有交 替地層盧InGaN與GaN之超晶格結構，且所述井層中之 InGaN與所述阻障層中之InGaN相比包括更大量的^。 3. 如申請專利範圍第2項所述之發光二極體（led)， f中所述井層* WGaoW形成，且所述阻障層包括具有 =替層屢之InyGa〇_y)N^ GaN的下部超晶格、具有交替層 壓之InyGa0_y)N * GaN白勺上部超晶格，以及插入所述下部 超晶格與所述上部超晶格之_中間超晶格，所述中間超 晶格具有交替層壓之InzGa〇z)N與⑽，其中〇<χ<1， 0<y<0.05，〇<z<〇1 且 y<z<x。 4·如申請專利範圍第3項所述之發光二極體（LED)， 其中所述阻障層中之所述Ιη#^)ΝΓ所述GaN以及所述 Μζ(}3<1-Ζ)Ν中的每一者具有2.5 Λ至20 Λ之厚度。 5·如申請專利範圍第3項所述之發光二極體（LED)， 其中所述下部超晶格具有經交替層壓4 i 10次之 Ιη^π_3〇Ν與GaN，所述中間超晶格具有經交替層壓6至 20人之與GaN，且所述上部超晶格具有經交替 17 200832764 20344pif.doc 層壓4至10次之InyGa(]_y)N與GaN。 6·如申％專利範圍第1項所述之發光二極體（LED)， 其中所麵性區域、轉成以具有交替地層壓所述井層與具 有所述赵ag格結構之所述阻障層的多量子井結構。 7·如申請專利範圍第6項所述之發光二極體（led)， 其中所述井層是插人具有超晶格結構之所述阻障層之間。 8·如中明專難圍第2項所述之發光二極體（[肋）， 以井層*InxGa(1-x)N形成，且所述阻障層包括具有 d=之i%Ga( ] _y)N *⑽的下部超晶格、具有交替層 ί與GaN的上部超晶格，以及插入所述下部 曰°於且有/上。卩超阳格之_巾間超晶格，所述中間超 曰^、有=替層壓unz(Vz)N與GaN，其* 〇 ， 〇<y<〇.i，o<z<0.05 且 z<y<x。 18
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