TW200950162A - Method for fabrication of semipolar (Al, In, Ga, B)N based light emitting diodes - Google Patents

Method for fabrication of semipolar (Al, In, Ga, B)N based light emitting diodes Download PDF

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Hitoshi Sato
Hirohiko Hirasawa
Roy B Chung
Steven P Denbaars
James S Speck
Shuji Nakamura
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Univ California
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Description

200950162 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】
本發明係關於黃色發光二極體（led)及製造其之方法。 本申請案根據35 U.S.C. Section 119(e)之規定主張由 Hitoshi Sato ' Hirohiko Hirasawa ' Roy B. Chung ' Steven P. DenBaars、James S. Speck及 Shuji Nakamura於 2008年 4 月 4 日申請之題為「METHOD FOR FABRICATION OF SEMIPOLAR (Al，In，Ga,B)N BASED LIGHT EMITTING ® DIODES」、代理人案號為 30794.264-US-P1 (2008-434-1) 之共同待決且已共同讓與之美國臨時專利申請案第 6 1/042,644號之權益，該申請案以引用方式併入本文中。 本申請案係與以下共同待決且已共同讓與之申請案有 關：
由 Hitoshi Sato、Roy B. Chung、Feng Wu、James S. Speck、Steven P. DenBaars 及 Shuji Nakamura 同此於相同日 期申請之題為「MOCVD GROWTH TECHNIQUE FOR PLANAR SEMIPOLAR (Al, In, Ga, B)N BASED LIGHT EMITTING DIODES」、代理人案號為 30794.274-US-U1 ’（2008-534)之美國實用專利申請案第乂乂/乂乂乂，乂\父號，該申請 案根據 35 U.S.C. Section 119(e)之規定主張由 Hitoshi Sato、Roy B. Chung、Feng Wu、James S. Speck、Steven P. DenBaars及Shuji Nakamura於2008年4月4曰申請之題為 「MOCVD GROWTH TECHNIQUE FOR PLANAR SEMIPOLAR (Al，In, Ga, B)N BASED LIGHT EMITTING 139548.doc 200950162 DIODES」、代理人案號為 30794.274-US-P1 (2008-534)之 美國臨時申請案第61/042,639號之權益；及 由 Michael Iza、Hitoshi Sato、Steven P. Denbaars 及 Shuji Nakamura於2007年8月16曰申請之題為「METHOD FOR DEPOSITION OF MAGNESIUM DOPED (Al, In, Ga, B)N LAYERS」、代理人案號為 30794.1 87-US-U1 (2006-678)之美國實用專利申請案第1 1/840,057號，該申請案根 據35 U.S.C. Section 119(e)之規定主張由 Michael Iza、 Hitoshi Sato、Steven P. Denbaars及 Shuji Nakamura於 2006 年 8月 16 日申請之題為「METHOD FOR DEPOSITION OF MAGNESIUM DOPED (Al，In, Ga, B)N LAYERS」、代理 人案號為30794.187-US-P1 (2006-678-1)之美國臨時申請案 第60/822,600號之權益； 該等申請案以引用方式併入本文中。 【先前技術】 (注意：本申請案參考許多不同出版物，其在整篇說明 書中由括號内的一個或多個參考編號指示，例如[X]。可在 下文題為「參考文獻」之部分中找到根據此等參考編號排 序之一該等不同出版物列表。該等出版物中之每一者皆以 引用方式併入本文中。） 用於電子及光電子裝置之當前氮化物技術採用沿極化c 方向生長之氮化物膜。然而，以III族氮化物為主之光電子 及電子裝置中之習用c平面量子井（QW)結構因存在強壓電 及自發極化而遭受不期望之量子侷限史塔克效應（QCSE)。 139548.doc 200950162 沿C方向之強内建電場致使電子與電洞之空間分離，此又 引起受限制的載流子重組效率、減小之振子強度及紅移發 射。 消除GaN光電子裝置中之自發及壓電極化效應之一個方 . 法係在晶體之非極性平面上生長該等裝置。此等平面含有 若干相等數目之Ga及N原子且係電中性。此外，後續非極 性層係在結晶學上彼此等效，因此晶體將不沿生長方向發 φ 生極化。GaN中之兩個此種對稱等效非極性平面族係統稱 為a平面之{11_2〇}族及統稱為m平面之{^00}族。令人遺 憾地’儘管加利福尼亞大學聖芭芭拉分校（UCSB)之研究員 取得了若干進展，但非極性氮化物之生長仍具有挑戰性且 尚未在III族氮化物工業中得以廣泛採用。 減小或可能地消除GaN光電子裝置中之極化效應之另一 方法係在晶體之半極性平面上生長該等裝置。術語半極性 平面可用於指代擁有兩個非零h、丨或让密勒指數及一非零^ ❿ 密勒指數之各種各樣的平面。c平面GaN異質磊晶中之半 極性平面之某些通常觀察之實例包含{11_22}、”及 • U〇_13}平面，可在凹陷之小平面中找到其。該等平面亦 . 娅巧係作者以平坦膜形式生長之相同平面。wiirtzite晶體 、、-«構中之半極性平面之其他實例包含（但不限於）：丨1 〇_ ){20-21}及{1〇_14丨平面。氮化物晶體之極化向量位於 此等平平面内或法向於此等平面，而非位於相對於該平面 、，表面法線傾斜之某—角度上。例如，“ 〇· Η }及(1 〇_ 13 ) 平面分別與c平面呈62 98。及32〇6。。 139548.doc 200950162 除自發極化外，氮化物中存在之第二種形式之極化係壓 電極化。此在材料經歷一壓縮或拉伸應變時發生，如可在 於一氮化物異質結構中生長若干具有相異組成（且因此不 同晶格常數）之（Al,In，Ga,B)N層時發生。舉例而言，一GaN 模板上之一薄AlGaN層將具有平面内拉伸應變，且一 GaN 模板上之一薄InGaN層將具有平面内壓縮應變，兩者皆歸 因於與GaN之晶格不匹配。因此，對於GaN上之一 InGaN QW而言，壓電極化將沿與InGaN及GaN之自發極化相反之 方向指向。對於一與GaN晶格匹配之AlGaN層而言，壓電 極化將沿與AlGaN及GaN之自發極化相同之方向指向。 在c平面氮化物上使用半極性平面之優點係總極化將減 小。對於特定平面上之特定合金組成而言，甚至可存在零 極化。在進一步科學論文中將對此等情形加以詳細論述。 重要點係與c平面氮化物結構之極化相比較該極化將減 小。一減小之極化場允許一較厚QW之生長。因此，可達 成較高銦（In)組成且因此較長波長發射。已做出諸多努力 以在較長波長發射方案[1-6]中製造以半極性/非極性為主 之氮化物LED。 本揭示内容闡述一達成於半極性（Al,In，Ga,B)N半導體晶 體上製造藍色、綠色及黃色LED之發明。儘管已根據 AlInGaP材料系統報導了來自LED之較長波長發射，但在 氮化物及填化物兩者中在560 nm-570 nm波長範圍中發射 之黃色LED無成功發展。 【發明内容】 139548.doc 200950162 為克服上述先前技術中之限制且克服在_及理解本說 明書時變得顯而易1之其他限制，I發明揭示至少一種黃 色、琥#色或紅色LED，其生長於至少一個以m族氣化物 為主之半極性平面上，具有一長於56〇奈米（n岣之峰發射 . 波長及一在一20毫安（叫電流下大於3.5毫瓦（)之輸出 功率。 該LED通常包括一用於發射光之作用層，其中該半極性 春 t面達成該作用層之一足夠厚的厚度、該作用層之一足夠 高的銦(In)組成及該作用層之一足夠高的晶體品質，以使 得該光具有長於560 nm之峰發射波長及在一 2〇 mA電流下 大於3.5 mW之輸出功率。該作用層通常包括若干包括至少 -個QW之含銦單量子井（SQW)或多量子井（mqw)結構， 且該QW具有足夠高的晶體品質以在2〇 —電流下獲得大於 3.5 mW之輸出功率。在一個實例中，該qw具有在一自2 nm至7 nmK圍中之厚度且/或晶體品質係一為9χΐ〇9 cm_2或 φ 更小之穿透位錯（TD)密度。 本發明進-步揭示-種用於發射多色彩光之多色彩㈣ _ 裝置’其由一黃色、琥轴色或紅色發光LED(例如，生長於 、 一半極性平面上之半極性黃色LED)構成，及一種用於發射 白色光之白色LED裝置’其由一黃色、琥珀色或紅色發光 LED(例如，生長於一半極性平面上之半極性黃色LE〇)構 成。舉例而言，該半極性黃色LED可係—生長於—{ιι_22} 半極性平面上之以ΠΙ族氮化物為主之led。 本發明進-步揭示一種白色LED裝置，其由在生長於一 139548.doc 200950162 個或多個以III族氮化物為主之半極性平面上之一藍色發光 QW及一黃色發光QW構成。通常，該白色LED裝置包括若 干由藍色發光QW及黃色發光QW構成之MQW，該藍色發 光QW係一第一InGaN QW，具有一用於發射藍色光之第一 In組成’且該黃色發光qw係一第二inGaN QW，具有一用 於發生黃色光之第二In組成。 本發明進一步揭示一種藉由在至少一個以ΙΠ族氮化物為 主之半極性平面上生長來製造黃色、琥珀色或紅色led之 方法’以使得§亥LED發射具有一長於560 nm之峰發射波長 及一在一 20 mA電流下大於3.5 mW之輸出功率之光。本發 明亦揭示一種製造一發射白色光之白色LED裝置之方法， 其包括在一個或多個以III族氮化物為主之半極性平面上生 長若干藍色發光量子井及若干黃色發光量子井。另外，本 發明揭示一種自一 LED發射白色光之方法，其包括自若干 藍色發光量子井發射藍色光且自若干黃色發光量子井發射 黃色光，其中該等藍色發光量子井及該等黃色發光量子井 係生長於一個或多個以III族氮化物為主之半極性平面上。 【貫施方式】 在較佳實施例之以下闡述中，參照形成其一部分之隨附 圖式’且其中以圖解說明方式顯示一其中可實踐本發明特 定實施例。應理解’可利用其他實施例且可在不背離本發 明之範疇之情形下做出若干結構改變。 概述 本發明闡述一種用於具有一塊狀半極性GaN基板（例如， 139548.doc -8 - 200950162 {10-1-1}、{11-2 2}及其他平面）之藍色、綠色、黃色、白 色及其他色彩LED之製造之方法。如先前揭示内容中所 述’半極性（八1，111，0&，3州半導體晶體允許—具有因該結構 内之内部極化中斷而產生之零或減小之内部電場之多層結 構之製造。本發明闡述以ΠΙ族氮化物為主之光電子器件中 之第一黃色LED。另外，本發明併入η型GaN之一低溫生 長，從而導致膜品質改良。使用一半極性（Al，In,Ga，B)；[^^ 導體疋向導致減小之内部電場，且因此相對於[〇〇〇丨]氮化 物半導體用於較長波長發射之一較厚QW及較高In組成。 黃色LED之發明允許高功率白色led之製造。 技術闞述 製程步驟 本發明闡述一種用於半極性UO-U)及{11_22}GaN經由 有機金屬氣相沈積（MOCVD)之生長且黃色LED之製造之方 法。圖1係一根據本發明之一在以下段落中闡述之實施例 φ 圖解說明一用於一 U〇-l-l}或{11-22}塊狀GaN基板上之半 極性GaN薄膜之MOCVD生長製程之步驟之流程圖。 塊100表示將一基板加載至一反應器中。舉例而言，對 於一半極性LED結構之生長而言，將一塊狀 {ll-22}GaN基板加載至一 m〇CVD反應器中。 塊102表示在氫氣及/或氮氣及/或氨氣環境下加熱該基 板。開啟該反應器之加熱器並使其斜升至一設定點溫度以 在氫氣及/或氮氣環境下加熱該基板◊一般而言，氮氣及/ 或氫氣在大氣壓力下在該基板上方流動。 139548.doc -9· 200950162 塊104表示在該基板上沈積一 η型氮化物半導體膜/層（在 此情形下，η型GaN)。在塊2之加熱步驟後，將溫度設定為 11 00 °C，且將54 pmol/minute(微莫耳/分鐘）之三甲基鎵 (TMGa)與二矽烷一起引入至該反應器中達30分鐘以發起η 型GaN之生長。在此階段亦引入4 slm(標準公升/分鐘）之氨 氣（NH3)，且使其保持相同含量直至生長結束。 塊106表示在該η型氮化物層上沈積一氮化物MQW。一 旦達成塊104之所期望η型GaN厚度，即將該反應器之溫度 設定點減少至8 1 5 °C，且將6.9微莫耳/分鐘之三乙基鋁 (TEGa)引入至該反應器中並生長一20 nm厚GaN障壁層。 一旦達成所期望GaN障壁厚度，即將10.9微莫耳/分鐘之三 曱基銦（TMIn)引入至該反應器中以沈積一 3 nm厚InGaN SQW。在該InGaN層之沈積後，再次將6.9微莫耳/分鐘之 TEGa引入至該反應器中用於GaN之生長以完成該QW結 構。可將此步驟重複數次以形成一 MQW。 塊108表示沈積一電子阻擋層。一旦已沈積SQW/MQW， 即將3.6微莫耳/分鐘之TMGa、0.7微莫耳/分鐘之三甲基鋁 (TMA1)及2.36xl0_2微莫耳/分鐘之Cp2Mg引入至該反應器中 以形成一稍微摻雜有Mg之10nm厚AlGaN電子阻擋層。 塊110表示在SQW/MQW上沈積一低溫氮化物p型半導體 膜。一旦在塊108中已達成一所期望AlGaN厚度，即使該 反應器之設定點溫度維持在820°C達10分鐘。在此間隔之 前3分鐘，將12.6微莫耳/分鐘之TMGa及9.8xl0_2微莫耳/分 鐘之Cp2Mg引入至該反應器中。在最後7分鐘，使Cp2Mg之 139548.doc -10· 200950162 流動加彳。。然後，在丨分鐘内使溫度斜升至875艽，且在此 斜升時間期間，使TMGa流動保持值定且使〜吨減小回 至9.8ΧΗΓ2微莫耳/分鐘。在875t下繼續之生長達另 一 1分鐘。 • 塊U2表不在一氫氣不足環境氣體中退火該膜（特定而 〇 P GaN)。一旦該反應器已冷卻，即移除在塊100-110中 形成之氮化物二極體結構並使其在一 7001溫度下在一氫氣 φ 不足環1兄中退火達15分鐘以激活摻雜有Mg之GaN(p-GaN)。 塊114表不该方法之最終結果，一具有較長波長發射之 (A卜Ga、In、B)N二極體膜，其中在塊1〇411〇中生長之 層通常例如藉由在塊100之基板之一半極性平面上生長而 沿一半極性定向生長。舉例而言，此方法可用於製造一黃 色、破轴色或紅色LED，其包括在至少一個以⑴族氮化物 為主之半極性平面上生長該LED，以使得該led發射具有 一長於560 nm之峰發射波長及一在2〇瓜八電流下大於35 ❹ mW之輸出功率之光°通常’該半極性平面達成該作用層 之一足夠厚的厚度’該作用層之一足夠高的銦（in)組成及 该作用層之一足夠高的晶體品質，以使得該光具有一長於 560 nm之峰發射波長及一在2〇 mA電流下大於3·5瓜界之輸 • 出功率。舉例而言，該晶體品質可係一為9xl〇9 em-2或更 小之位錯密度（例如，TD)。舉例而言，該量子井可具有在 一自2 nm至7 nm範圍内之厚度。 此方法亦可用於製造一發射白色光之白色LED裝置，其 包括在一個或多個以m族氮化物為主之半極性平面上生長 139548.doc -11· 200950162 若干藍色發光及黃色發光QW。 在完成該生長後，將塊114之半極性GaN處理成一LED。 首先，藉助一用於一P型觸點之電子束蒸發器在塊110之P-GaN上沈積2000埃（A)至2500埃厚氧化銦錫（ITO)。與習用 金屬p型觸點（例如，鎳（Ni)/金（Au)或Ni/Au，其在相同波 長範圍中具有約40%之透明度）相比較，ITO對於在350 nm 至800 nm之間的光波長具有大於90%之較高透明度。期盼 該ITO觸點具有較高光抽取。 一旦已沈積ITO，即藉助幹式蝕刻技術使用Cl2氣體達1 至3分鐘曝光η型GaN而在塊114之膜中形成一臺面。然 後，在N2及02環境下在一 500°C至700°C溫度下退火該ITO 層達5至10分鐘以使該ITO變得透明。為與η型GaN層形成 一歐姆接觸（η觸點），藉助電子束蒸發器在該n-GaN層上沈 積與鈦（Ti)、鋁（Al)、Ni及Au層之若干金屬觸點。亦在N2 環境下在一為300°C -500°C之溫度下退火若干N觸點達3-5 分鐘。LED製造之最後步驟係出於封裝目的而藉助電子束 蒸發在該η觸點及ITO上沈積一 3000埃至6000埃厚Au層。 優點及改良 現有實踐係在c平面平行於表面之情形下生長GaN。與 當前c平面氮化物技術相比較，在本發明中存在數個有利 突出點。圖2顯示本發明之一實施例之溫度曲線（溫度對時 間），其顯示摻雜有矽之GaN(GaN:Si)在1000°C下之生長， 後跟一 SQW結構在800 °C下之生長（第一 GaN障壁層、 InGaN層及第二GaN障壁層），後跟一 AlGaN電子阻擋層在 139548.doc -12· 200950162 800°C下之生長，後跟摻雜有Mg之GaN(GaN:Mg)在805°C 及850°C下之生長。 一般’通常在一 1050。(：溫度下沈積/生長一 c平面GaN膜 之n-GaN。然而，圖2顯示本發明在一低溫（比用於^平面ΙΠ . 族氮化物（例如，GaN)之生長之溫度低1〇_5〇。(：）下沈積/生 長η型III族氮化物（例如，塊1〇4之n_GaN);因此，採用低 溫生長之n-GaN以及低溫生長之p_GaN。圖2亦顯示以一比 ❹ 用於c平面HI族氮化物或GaN之生長之溫度低多達250。(：之 溫度下生長該等MQW上之p型III族氮化物層（例如，塊no 之p-GaN) 〇 使用3,9 - 8 · 6微莫耳/分鐘之TMIn生長當前c平面藍色 LED，從而產生2-2.5 nm之典型QW厚度。在本發明之SQW 沈積（塊106)期間，使用10.6微莫耳/分鐘之一較高TMIn流 動速率及較低溫度（低l〇-40°C )並生長一較厚QW。因此， 以一比用於生長以(：平面氮化物為主之發光QW層之生長速 φ 率快的生長速率’及/或一比用於生長以c平面氮化物為主 之發光QW結構之一溫度低的溫度（低1〇_4〇。〇，在該n型層 上生長塊106之若干含in QW或MQW達一比以c平面氮化物 為主之發光QW層之厚度厚的厚度。結果係允許較長波長 • 發射之一較高InN組成及較高品質作用區域。 現有實踐尚不能夠產生黃色LED。圖3關於所發射之峰 波長圖解說明c平面UCSB LED、非極性UCSB LED、c平面 InGaN LED、（AlxGa丨_x)〇.52In〇.48P LED及Nichia之IWN06之 當前可用LED之外部量子效率（EQE)。表1概述琥珀色區域 139548.doc -13· 200950162 中商業可用以AlInGaP為主之led。如圖3及表1中可見， 在III磷化物或In氮化物材料系統中，尚不存在以560 nm-5 80 nm之峰波長發射之黃色led。紅色及琥珀色LED已暫 時由AlInGaP材料系統產生，在可見光譜之紫外線、藍色 及綠色區域中發射光之LED已由（Al、In、Ga)N合金（c平面 UCSB、非極性UCSB及c平面InGaN)產生。然而，在本發 明之前’尚未在任一材料系統中在處於560 nm-580 nm波 長之間的黃色區域中製成LED。 首次，本發明已達成在可與來自以AlInGaP為主之商業 LED之較長波長光發射相比較之輸出功率之情形下以較長 波長發射光之氮化物LED(本發明之以564 nm波長發射5.9 mW ’且以575.7 nm波長發射3 5 mW之LED係由圖3中之 「半極性UCSB」所指示）。對於發射波長564nm之光之 LED及發射波長575.7 nm之光之LED而言，外部量子效率 分別係13.40/〇及8.2%[6]。如圖3中所示，已由1^88發展出 使用{11-22}及/或{10-11}平面之以45〇 nm波長發射光之藍 色LED及以52〇 nm波長發射光之綠色[ED(半極性平面上之 LED)。 之效能，其中TO-46及5s-PKG指示所採用之封裝技術 峰波長 TO-46 5s-PKG 595 nm 2.8 mW ... 4.3 mW 625 nm 6.5 mW _ > 10 mW 635 nm >7 mW > 10 mW 660 nm >7 mW >10 mW 圖4(a)顯示LED之輸出功率及發射之峰波長對qw數目之
表1 ·處於較長發射波長之商業可用以AlInGaP為主之LED 139548.doc •14- 200950162 相依性。半極性LED之輸出功率係藉由使用一矽光偵測器 透過基板之背面量測光輸出來估計。重要的是注意：峰波 長中僅存在一小的移位且輸出功率改變係在〇. 1 mW内，此 指示由前文所論述之生長條件所體現之高QW品質。另 . 外’此結果指示在更少生長時間之情形下之更有效生長， 且因此可極大地減少InGaN之熱預算。本發明相信此係黃 色LED之成功製造之一個原因。 ❹ 圖4(b)闡述一組觀察QW之厚度與自半極性LED發射之輸 出功率及峰波長之間的關係之實驗的結果。由於作用層中 之銦組成變得較高’因此峰發射波長隨著qW厚度之增加 而增加。然而，與載流子重組之效率直接有關之輸出功率 對此特定樣本顯示3 nm之一最佳厚度，且其快速下降。此 行為最可能係因具有較高In組成之作用層之不良晶體品質 引起。藉由組合若干高品質QW及3 nm之經最佳化之(^霤厚 度，本發明能夠產生發射具有一在範圍56〇 11111至58〇 參 之峰波長之光之高功率LED。 圖4(a)、圖4(b)、圖5(a)及圖5(b)圖解說明至少一種黃 色、琥珀色或紅色LED，其生長於至少一個以ΠΙ族氮化物 為主之半極性平面上，具有一長於56〇 nm2峰發射波長及 在一 20 mA電流下大於35 mW之輸出功率。圖4(句、圖 4(b)、圖5(a)及圖5(b)圖解說明該等LED通常包括一用於發 射光之作用層，其中該半極性平面達成該作用層之一足夠 厚的厚度、該作用層之一足夠高的In組成及該作用層之一 足夠高的晶體品質，以使得該光具有一長於560 nm之峰發 139548.doc 15 200950162 射波長及在一 20 mA電流下大於3.5 mW之輸出功率。 LED結構 圖6亦圖解說明至少一種黃色、破站色或紅色LED 600， 其生長於至少一個以III族氮化物為主之半極性平面602 上，具有一長於560 nm之峰發射波長及一在一20 mA電流 下大於3.5 mW之輸出功率。半極性平面602係一具有一半 極性定向（例如，沿一半極性方向608生長）之GaN或III族氮 化物基板606之一頂表面604(或在其上生長若干後續層之 表面）。舉例而言，以ΠΙ族氮化物為主之半極性平面6〇2可 係一 {11_22}或一 {10-1-1}半極性平面，然而，其他半極性 平面亦可形。 LED 600包括一作用層，且LED 600之該作用層係由一 含In SQW結構610(包括一 QW 612，例如，一 GaN障壁層 614與一 GaN障壁層616之間的InGaN QW 612)或一 MQW結 構618(例如，包括一包括QW 612及QW 620之兩週期MQW 結構618，例如，GaN障壁層614與616之間的InGaN QW 612及GaN障壁層616與622之間的InGaN QW層620，然 而，MQW結構61 8亦可包括多於兩個週期以使得該等MQW 結構包括兩個或更多個QW 612、620)構成。 QW 612、620係用於發射具有峰發射波長及輸出功率之 光。峰發射波長隨著QW 612、620中In量的增加而增加； 增加QW 612及620之一厚度624及626增加QW 612及620中 銦量。因此，QW 612及620具有足夠厚的厚度624及626 ’ 以獲得足夠高的In量以發射具有長於560 nm之峰發射波長 139548.doc -16- 200950162 之光（例如，琥珀色、黃色或琥珀色光）。該等QW通常具 有2 nm至7 nm之厚度624及626(亦即，厚度624及626各自 為2 nm-7 nm厚）。QW 612、620較厚，且因此與以c平面 (八1，111,〇3 3)>^為主之(5^^相比較可發射具有一更長波長之 光。在一個實例中，LED 600中QW 612、620之數目及/或 厚度624、626可經選定以藉由選擇QW 612、620之對應於 圖4(a)及圖4(b)中輸出功率及EL峰波長曲線交點之厚度 624、626及數目來最佳化（亦即，最大化）波長發射及輸出 功率。 QW結構610或MQW結構61 8係位於一 p型氮化物（例如， GaN)層628及一 η型氮化物（例如，GaN)層630之間。p-GaN 628及n-GaN 630分別向QW 612、620提供電洞及電子以便 該等電子及電洞可在QW 612中重組以發射具有一對應於 QW 612之帶隙能量之最小光子能量之光。併入QW 612中 之In量確定該QW之帶隙，此又確定該等光子之最小能 量，且因此該等光子所發射之波長。 LED 600通常進一步包括一與p型GaN層628進行歐姆接 觸之P型接觸層（例如，ITO)632及一與η型GaN層630進行歐 姆接觸之η型接觸層（例如，Ti/Al/Ni/Au)634。一外部電源 可在p接觸層632與η接觸層634之間供應電流或跨越p接觸 層632及η接觸層634供應電壓，因此供應將該等電子及電 洞驅入至QW 612中所需之功率以使得該等電子及電洞可 重組以發射光。金屬化層（例如，Au)636及638可位於ρ接 觸層63 2及η接觸層634上以改良LED 600與該外部電源之間 139548.doc -17- 200950162 的電/機械接觸。 LED 600亦可包括一位於障壁層622與p型GaN層628之間 的電子阻擋層640(例如，AlGaN)。 通常，層630、610、618、640及628係沿方向608且在基 板606上磊晶生長於彼此頂部上（例如，層630在層606上、 層614在層630上、層612在層614上、層616在層612上等 等）。以此方式，QW層612及620分別具有一半極性定向或 一頂表面642及644，其具有半極性平面602之半極性定 向。通常，η型層630、障壁層614、障壁層616、障壁層 622、阻擋層640及ρ型層628分別具有一半極性定向或一頂 表面646、648、650、652、654及656，其具有半極性平面 602之半極性定向。 一黃色LED之成功製造已擴寬以半極性為主之LED之光 譜。圖7中之色度圖顯示製造於一半極性GaN基板上之多 色彩LED之可能性。當前白色LED係使用一 YAG磷光體製 成，其中若干450 nm(藍色）LED在該YAG磷光體上發光。 儘管此係用於白色LED製造之最常用技術，但此技術之最 大缺點係磷光體膜中之50%轉換損失。用於產生白色LED 之另一方法係組合若干不同色彩之LED。如由圖7所示， 組合若干藍色及黃色LED，將可僅基於氮化物技術來製造 高功率及高效率白色LED。另外’藉由組合若干藍色、綠 色及黃色以半極性為主之氮化物LED及紅色AlInGaP LED，高功率多色彩LED現可行。 圖7顯示黃色LED之發明現允許多色彩LED藉由若干藍 139548.doc -18- 200950162 色、綠色及黃色LED之組合之形成，且可藉由組合若干藍 色及黃色LED實現高功率白色LED。如圖3中所示，已由 UCSB發展出使用{11-22}及/或{10-11}平面之以450 nm波 長發射光之藍色LED及以520 nm波長發射光之綠色LED(半 極性平面上之LED)[3, 5]。圖7中之三角形700内之區顯示 可藉由若干組合UCSB半極性藍色（例如，發射波長 λ=433.5 nm之光）、綠色（例如，發射λ=5 19.2 nm之光）及黃 色（例如，發射波長λ=564 nm之光）LED而產生之若干可能 色彩。因此，發射多色彩光之多色彩LED裝置係由LED 600(例如，至少一個生長於一以III族氮化物為主之半極性 平面602(例如，一 {11-22}平面）上且發射黃色光之以III族 氮化物為主之半極性黃色LED 600)及其他若干發射藍色、 綠色、紅色及/或其他色彩光之以氮化物為主（或以非氮化 物為主）之LED構成。類似地，一發射白色光之白色LED裝 置可係由LED 600(例如，至少一個生長於一以III族氮化物 φ 為主之半極性平面（例如，一 {11-22}平面）上且發射黃色光 之以III族氮化物為主之半極性黃色LED 600)及其他若干發 射藍色、綠色、紅色及/或其他色彩光之以氮化物或非氮 ' 化物為主之LED構成，以使得由該等LED所發射之光的組 • 合係白色光。舉例而言，該白色發光LED裝置可包括一藍 色發光LED及一黃色發光LED。 在一寬廣可見光譜範圍中發射之高品質QW由一個材料 系統（Al,In，Ga,B)N之生長建議另一可能技術。可採用在一 裝置内生長若干具有不同帶隙之InGaN作用層來形成一單 139548.doc -19- 200950162 個白色LED結構。圖8中顯示此一白色LED結構800之帶結 構，其圖解説明導帶Ec、價帶Ev、一半極性η型GaN(n-〇乱1^)層804與半極性？型〇31^(?-(^1^)層806之間的]^()1結 構802，其中MQW結構802包括一用於發射藍色光810之 QW 808(具有一 In組成X ’例如，InxGabxN)及用於發射黃 色光816、818之QW 812、8 14(具有一 In組成X ’例如’ InxGai.xN)及障壁層 820、822(例如 ’ GaN)。QW 808 之帶 結構經仔細設計以使將藍色作用區域808中之In解離最小 化且黃色作用區域812、814具有較高電洞注入。可將一 SQW用於藍色作用區域808 ’且將若干MQW用於黃色作用 區域812、814以增加黃色發射816、818之效率。藉助一覆 晶封裝技術及此帶結構’可在一單個裝置上實現一白色 LED。以一等於至少QW 808中之帶隙能量（Ec-Ev)之能量發 射藍色光810’且以一等於至少QW 812、814中之帶隙能 量（Ec-Ev)之能量發射黃色光816、818。 基於圖6之圖9圖解說明一白色LED 900，例如其由一單 個生長結構中生長於一個或多個以111族氮化物為主之半極 性平面602上之一個或多個藍色發光QW 902及一個或多個 黃色發光QW 612、620構成。同樣地，LED 900包括若干 由藍色發光QW 902及黃色發光QW 612構成之MQW。通 常，LED 900之藍色作用區域904包括至少一個用於在一第 一 GaN障壁層906與一第二GaN障壁層614之間發射藍色光 之藍色發光QW 902(例如，一具有用於發射藍色光之一第 一 In組成及厚度908之第一 InGaN QW);黃色作用區域610 139548.doc -20- 200950162 包括一用於在第二GaN障壁層614與一第三GaN障壁層616 之間發射黃色光之黃色發光QW 612(例如，一具有用於發 射黃色光之一第二1n組成及厚度624、626之第二InGaN QW);且一個或多個III族氮化物半極性平面602係一 III族 . 氮化物層630或基板606之一表面646、604(然而，半極 性平面602亦可係其他層之表面）。藍色作用區域904及黃 色作用區域610、618通常位於η型層630與p型層628之間。 ©如上所述’黃色作用區域618通常係（但不限於）一 MQW結 構，且圖9中之層610、904、618、640、62 8及630通常磊 晶生長於彼此頂部上並具有一半極性定向608。 在圖6及圖9之實施例中’ QW 612、62〇及902之In含量及 厚度624、626、908確定最小帶隙且因此由qw 612、620 及902所發射光之波長：在彼等實例中，In含量及厚度9〇8 經選定以使得作用層902發射藍色光（或一對應於藍色光之 波長）且In含量及厚度624、626經選定以使得作用層612、 〇 620發射黃色、琥珀色及/或紅色光（或一對應於黃色、琥珀 色及/或紅色光之波長）。然而，可由一發射其他色彩光之 • 作用區域替代藍色作用區域904，或可將若干發射其他色 彩光之額外作用區域引入/生長於η型層630與p型層628中 間間以獲得一發射多色彩（多色彩LED裝置）或白色光（白色 LED裝置）之LED裝置。發射其他色彩光之作用區域需要若 干具有一允許該QW發射其他色彩光之In併入量χ(例如在 InxGai.xN中）及厚度之qw。 圖10顯示一（U-22) GaN基板上之一半極性InGaN QWg 139548.doc 200950162 構之一代表性橫截面TEM影像，其顯示η型GaN:Si層 1000、GaN:Si 1000 上之 InGaN QW 層 1002、InGaN QW 1002上之GaN頂蓋層1004、GaN頂蓋層1004上之AlGaN電 子阻擋層1006、AlGaN電子阻擂層1006上之p型GaN:Mg層 1008、具有陡峭介面1010、1012之低TD密度（<5xl06 cm·2) 且平坦InGaNQW 1002。增加QW612及620之晶體品質增 加裝置600之輸出功率；例如，QW 612及620具有足夠高 的晶體品質以在一20 mA電流下獲得大於3.5 mW之輸出功 率、或在200 mA下獲得大於29.2 mW之輸出功率。圖10圖 解說明晶體品質係或可由TD、一平坦QW及/或一陡峭介面 1012量測。因此，可以TD密度5xl06 cm·2或更小、或甚至 9xl09cm·2或更小在一 20 mA電流下獲得大於3.5 mW之輸 出功率。 參考文獻 下列參考文獻以引用方式併入本文中。 [1] M. 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Lett. 92，p. 221110 (2008) ° 結論 此對本發明之較佳實施例之闡述做出總結。已出於圖解 說明及闡述目的呈現了本發明之一個或多個實施例之上述 闡述。其並不意欲毫無遺漏或將本發明限於所揭示之精確 p 形式。鑒於以上教示，許多修改及變化皆可行。本發明之 範疇並不意欲受此實施方式之限制，而受隨此附加之申請 專利範圍之限制。 【圖式簡單說明】 現參照該等圖式，其中在所有該等圖式中相同參考編號 表示對應部件： 圖1係一根據本發明半極性GaN薄膜之生長製程之一流 程圖。
圖2係一根據本發明之一實施例用於含有若干InGaN 139548.doc -23- 200950162 MQW或一 SQW之以氮化物為主之二極體裝置層之一溫度 曲線（溫度對時間）。 圖3係若干使用LED技術（c平面UCSB、半極性UCSB、c 平面 InxGabxN(其中 〇Sxn)、半極性UCSB、（AlxGau)。” In〇.48P及Nichia LED之國際氮化物半導體研討會（iwn) 2006 (IWN06))之不同材料系統之外部量子效率（EqE)對峰 發射波長（nm)及當前發展狀況之一曲線圖，其中亦顯示人 眼之波長回應（眼敏感度曲線）。 圖4(a)係一緣示來自半極性led之EL之輸出功率（任意單 位，a.u·)及電致發光（el)峰發射波長（nm)對LED(—SQW及 MQW)中之QW數目或MQW週期之相依性之曲線圖。 圖4(b)係一繪示來自半極性led之EL之輸出功率（a.u.)及 峰EL波長（nm)對QW厚度（nm)之相依性之曲線圖。 圖5(a)繪示一生長於（11-22) GaN上之黃色LED之EL峰發 射波長（nm，實心圓形）及EL半峰全寬（FWHM)(nm，空心 三角形）隨自1 mA至100 mA之直流（DC)電流之變化曲線。 圖5(b)繪示一含有若干InGaN QW(實心菱形及圓形）且位 於一半極性平面上之黃色發光LED，及一 AlInGaP LED(空 心三角形）在10%工作循環及〗〇 KHz脈衝電流下輸出功率 (mW)及EQE (%)隨驅動電流（mA)之變化曲線。 圖6係在一生長於一半極性平面上之半極性黃色、琥5白 色或紅色以III族氮化物為主之LED之橫截面示意圖。 圖7係一國際照明委員會（CIE) 1931 (x，y)色度圖’其中 三角形内之區顯示可藉由組合若干UCSB半極性藍色、綠 139548.doc -24- 200950162 色及黃色LED而產生之可能色彩，注意，每一個LED之實 際坐標可不對應於圖7中之坐標，其中沿該三角形週邊延 伸之刻度對應於色彩坐標x,y以奈米（nm)指示光之波長。 圖8係一可使用若干在一單個結構中具有兩個不同帶隙 之QW製成之白色LED之一示意性帶結構，其繪示能量隨 透過該白色LED之層之一位置之變化曲線。
圖9係一由生長於一個或多個以III族氮化物為主之半極 性平面上之一個或多個藍色發光QW及黃色發光QW構成之 白色LED之一橫截面示意圖。 圖10係一（11-22)黃色LED裝置在一 [1-100]橫截面中之一 穿透式電子顯微圖（TEM)影像，其中刻度顯示40 nm之一距 離。 【主要元件符號說明】
600 LED 602 以III族氮化物為主之半極性平面 604 頂表面 606 III族氮化物基板 608 半極性方向 610 含銦SQW結構
612 QW 614 GaN障壁層 616 GaN障壁層 618 MQW結構
620 QW 139548.doc -25- 200950162 622 GaN障壁層 628 P型氮化物層 630 η型氮化物層 632 Ρ型接觸層 634 η型接觸層 636 金屬化層 638 金屬化層 640 電子阻擋層 642 頂表面 646 頂表面 648 頂表面 650 頂表面 652 頂表面 654 頂表面 656 頂表面 800 白色LED結構 802 MQW結構 804 半極性η型GaN(n-GaN)層 806 半極性ρ型GaN(p-GaN)層 808 QW 812 QW 814 QW 820 障壁層 822 障壁層 139548.doc -26- 200950162 900 902 904 906 1000 1002 1004 1006 1008 1010 1012 白色LED 藍色發光QW 藍色作用區域 第一 GaN障壁層 η型 GaN:Si層 InGaN QW層 GaN頂蓋層 電子阻擋層 p型 GaN:Mg層 陡峭介面 陡峭介面 參 139548.doc -27-

Claims (1)

  1. 200950162 七 、申請專利範圍： 1. 一種至少一個黃色、琥珀色或紅色發光二極體（LED)， 其生長於至少一個以III族氮化物為主之半極性平面上， 具有一長於560 nm之峰發射波長及一在一 20 m A電流下 大於3.5 mW之輸出功率。 2. 如請求項1之LED，其進一步包括一用於發射光之作用 層，其中該半極性平面達成該作用層之一足夠厚的厚 參 度，該作用層之一足夠高的銦（In)組成及該作用層之一 足夠高的晶體品質，以使得該光具有長於560 nm之峰發 射波長及在一20 m A電流下大於3.5 mW之輸出功率。 3. 如請求項1之LED，其中該LED之一作用層係由若干包括 至少一個量子井之含銦（In)單或多量子井結構構成，且 該量子井具有足夠高的晶體品質以在該20 mA電流下獲 得大於3.5 mW之輸出功率。 4. 如請求項3之LED，其中該量子井具有在一自2 nm至7 nm 5. 範圍中之厚度。 如請求項3之LED，其中該晶體品質係一為9xl09 cm·2或 更小之位錯密度。 • 6. 一種多色彩LED裝置，其由如請求項1之LED構成。 • 7. 一種白色LED裝置，其由如請求項1之LED構成。 8. 一種多色彩發光二極體（LED)裝置，其由至少一個半極 性黃色LED構成。 9. 如請求項8之多色彩LED裝置，其中該半極性黃色LED係 一生長於一以III族氮化物為主之{11-22}半極性平面上之 139548.doc 200950162 以III族氮化物為主之LED。 10. —種白色發光二極體（led)裝置，其由至少一個半極性 黃色LED構成。 11. 如請求項10之白色LED裝置，其中該半極性黃色led係 一生長於一以III族氮化物為主之{丨i_22}半極性平面上之 以III族氮化物為主之LED。 12. —種白色LED裝置，其由生長於一個或多個以ΠΙ族氮化 物為主之半極性平面上之一藍色發光量子井及一黃色發 光量子井構成。 13. 如請求項12之白色LED裝置，其進一步包括由以下構成 之若干多量子井： 該藍色發光量子井，其係一第一 InGaN量子井，具有 一用於發射藍色光之第一 In組成；及 該黃色發光量子井，其係一第二InGaN量子井，具有 一用於發射黃色光之第二In組成。 14· 一種製造一黃色、琥珀色或紅色發光二極體（LED)之方 法，其包括在至少一個以III族氮化物為主之半極性平面 上生長該LED，以使得該LED發射具有一長於560 nm之 峰發射波長及一在一 20 mA電流下大於3.5 mW之輸出功 率之光。 15· —種製造一發射白色光之白色LED裝置之方法，其包括 在一個或多個以III族氮化物為主之半極性平面上生長若 干藍色發光量子井及若干黃色發光量子井。 16. —種自一 LED發射白色光之方法，其包括自若干藍色發 139548.doc -2- 200950162 光量子井發射藍色光且自 光，其中該等藍色發光量 若干黃色發光量子井發射黃色 子井及該等黃色發光量子井係 生長於一個或多個 以III氮化物為主之半極性平面上 〇
    139548.doc
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