TW201330315A - 具ｐ型摻雜層之發光裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示一種發光二極體(light emitting diode，LED)，其包含一n型III-V族半導體層、與該n型半導體層相鄰的一活性層以及與該活性層相鄰的一p型III-V族半導體層。該活性層包含一或多個V凹點。該p型III-V族半導體層的一部分位於該等V凹點內。在該p型III-V族層形成期間提供一p型摻雜物注射層，幫助提供該等V凹點內該p型摻雜物的一預定濃度、分布及/或均勻度。

Description

具P型摻雜層之發光裝置 【交叉參考資料】
本申請案主張於2011年9月29日申請，申請案號為13/248,821的美國專利申請案之優先權，並且在此完整併入當成參考。
本發明關於一種發光裝置及其製造方法。
照明應用通常使用螢光或充氣式燈泡，這種燈泡的使用壽命通常不長，因此需要經常更換。充氣式燈管，例如日光燈管或霓虹燈管，具有較長的使用壽命，但是需要高電壓才能運作並且相對昂貴。進一步，燈泡與充氣式燈管都會消耗大量能量。
發光二極體(light emitting diode，LED)為依靠電子與電洞在該LED活性層內重新結合來發出光線的裝置。LED通常包括摻雜雜質來建立p-n接面的半導體材料晶片。電流從p側或陽極流向n側或陰極。電荷載體一電子與電洞一從具有不同電壓的電極流入該p-n接面。電子遇到電洞時，電子與電洞進行重新結合過程，造成以一或多個光子型態輻射能量(h ν)。光子或光線射出LED並且用於許多應用，例如照明應用以及電子應用。
相較於螢光燈或充氣式燈泡，LED相對便宜、低操作電壓並且具有長使用壽命。此外，LED消耗相對較少功率並且體積小。這些屬性讓LED就是吾人想要的並且適用於許多應用。
儘管LED有這些優點，不過這種裝置還是伴隨許多限制。這些限制包括會限制LED效率的材料限制、會限制LED所產生光線傳輸出該裝置的結構限制以及會導致高處理成本的製造限制。因此，需要有改善的LED以及製造LED的方法。
本發明的一個態樣提供發光裝置，例如發光二極體(LED)。在具體實施例中，一發光二極體包含一n型氮化鎵(GaN)層，其摻雜一n型摻雜物，以及與該n型GaN層相鄰的一活性層。該活性層可具有一或多個V凹點。一p型GaN層與該活性層相鄰，該p型GaN層摻雜p型摻雜物。該p型GaN層包含一第一部分及由該等一或多個V凹點側向限界的一第二部分。該第一部分位於該活性層之上。該第二部分具有濃度一致的一p型摻雜物。
在另一具體實施例中，一發光二極體(LED)包含一矽基板以及與該矽基板相鄰的一n-GaN層。一活性層與該n-GaN層相鄰，並且一電子阻擋層與該活性層相鄰。一p-GaN層與該電子阻擋層相鄰。該LED包含位於該電子阻擋層與該p-GaN層之間一介面上的Mg和In。
在另一具體實施例中，一發光裝置包含一第一層，其具有n型氮化鎵(GaN)，以及與該第一層相鄰的一第二層。該第二層包含一活性材料，設置成電子與電洞重新結合時產生光線。該第二層進一步包含一或多個V凹點。一第三層與該第二層相鄰，該第三層包含一p型GaN，其具有均勻分布的p型摻雜物，通過延伸進入一或多個V凹點的該第三層一部分。
在另一具體實施例中，一發光二極體(LED)包含一第一層，其具有n型氮化鎵(GaN)，以及與該第一層相鄰的一第二層。該第二層包含一活性材料，設置成電子與電洞重新結合時產生光線。一第三層與該第二層相鄰，該第三層包含一p型摻雜物，以及設置成可 讓該p型摻雜物均勻分布在該第三層內的一潤濕材料(wetting material)。
在另一具體實施例中，一發光二極體包含一n型氮化鎵(GaN)層，以及與該n型GaN層相鄰的一活性層。該活性層可具有一或多個V凹點。一p型GaN層與該活性層相鄰，該p型GaN層包含一第一部分及由該等一或多個V凹點側向限界的一第二部分。該第一部分位於該活性層之上。該第二部分具有至少大約1x1019 cm-3的一p型摻雜物濃度。
在另一具體實施例中，一發光二極體包含一第一層，其具有一n型氮化鎵(GaN)或一p型GaN，以及一活性層。該活性層與該第一層相鄰，並且可具有一或多個V凹點。該發光二極體進一步包含一第二層，其具有該第一層未使用的該n型GaN或p型GaN。換言之，該第一和第二層每一層都具有不同的該n型GaN或p型GaN材料。該第二層包含一第一部份與一第二部份，該第二部分由該一或多個V凹點側向限界。該第一部分位於該活性層之上。該第二部分具有濃度一致的一p型摻雜物。
在另一具體實施例中，一發光裝置包含一第一層，其具有一n型III-V族半導體或一p型III-V族半導體，以及一活性層。該活性層與該第一層相鄰，並且可具有一或多個V凹點(V-pits)。該發光二極體進一步包含一第二層，其具有該第一層未使用的該n型III-V族半導體或p型III-V族半導體。換言之，該第一層和第二層每一層都具有該p型III-V族半導體或該n型III-V族半導體中不同之一者。該第二層包含一第一部份與一第二部份，該第二部分由該等一或多個V凹點側向限界，並且該第一部分位於該活性層之上。該第二部分具有濃度一致的一p型摻雜物。
本發明的另一個態樣提供用於形成一發光裝置，例如發光二極體的方法。在具體實施例中，用於形成一發光二極體的方法包含使用一p型摻雜物以脈衝型態摻雜(delta doping)一潤濕層(wetting layer)。該潤濕層形成與一電子阻擋層相鄰，並且該電子阻擋層形成與一活性層相鄰。該活性層形成與一n型III-V族半導體層相鄰，並且該n型III-V族半導體層形成與一基板相鄰。在某些具體實施例中，該潤濕層直接與該電子阻擋層接觸。在某些具體實施例中，該電子阻擋層直接與該活性層接觸。在某些具體實施例中，該活性層直接與該n型III-V族半導體層接觸。
在另一具體實施例中，用於形成例如一發光二極體這類發光裝置的方法包含在一反應室內(或若該反應室包含多個反應空間時在反應空間內)一基板之上形成與一活性層相鄰的一p型III-V族半導體層。該p型III-V族半導體層延伸進入該活性層的一或多個V凹點。利用一p型摻雜物以脈衝型態摻雜一潤濕層，並且將一III族物種的來源氣體以及一V族物種的來源氣體導入該反應室內，形成該p型III-V族半導體層。在某些情況下，形成與該活性層相鄰的該潤濕層。在範例中，在該活性層上形成該潤濕層。
從下列詳細說明中，熟悉此項技術人士就可了解本發明的其他態樣與優點，其中只有顯示與說明本發明的例示具體實施例。如所瞭解，本發明可包含其他及不同的具體實施例，並且在不悖離本發明的情況下，許多細節都可在許多其他方面修改。因此，圖式與說明僅供說明而不做限制。
在特別並且單獨指示併入參考每一個別出版、專利或專利申請案之下，本說明書將本申請案內提到的所有出版、專利以及專利申請案都併入當成參考。
100‧‧‧LED
105‧‧‧基板
110‧‧‧AlGaN層
115‧‧‧凹點產生層
120‧‧‧n-GaN層
125‧‧‧活性層
130‧‧‧電子阻擋層
135‧‧‧p-GaN層
400‧‧‧發光裝置
405‧‧‧n-GaN層
410‧‧‧凹點產生層
415‧‧‧活性層
420‧‧‧電子阻擋層
425‧‧‧p型摻雜物注射層
430‧‧‧p-GaN層
430a‧‧‧第一部分
430b‧‧‧第二部分
435‧‧‧V凹點
500‧‧‧裝置
505‧‧‧基板
510‧‧‧n-GaN層
520‧‧‧活性層
525‧‧‧電子阻擋層
530‧‧‧脈衝型態摻雜層
535‧‧‧p-GaN層
540‧‧‧基板
參考下列公布所例示具體實施例，其中運用本發明原理，以及附圖的詳細說明，將會更徹底了解本發明的特色及優點，其中：第一圖圖解例示一發光二極體；第二圖圖解例示一發光二極體，其具有該活性層的不足摻雜p型氮化鎵(p-GaN)填充V缺陷； 第三圖圖解例示具有與一活性層相鄰的一p-GaN層之一發光二極體；第四圖圖解例示根據具體實施例，具有一脈衝型態摻雜層的一發光裝置；第五圖圖解例示根據具體實施例，具有一脈衝型態摻雜層以及其他裝置層的一發光裝置；第六圖顯示根據具體實施例形成一發光裝置的方法；以及第七圖顯示用於形成一Mg脈衝型態摻雜層與一p-GaN層的壓力相對時間脈衝關係圖。
雖然本說明書中已經說明本發明的許多具體實施例，不過熟悉此項技術人士瞭解所提供的這些具體實施例僅為範例。在不悖離本發明之下，熟悉此項技術人士可了解許多變化、變更以及替換。吾人應該了解，對本說明書中所描述本發明具體實施例的許多改變都可用來實施本發明。
本說明書中使用的「發光裝置」一詞就是設置成在該裝置發光區域(或「活性層」)內電子與電洞重新結合。在某些例子中，發光裝置是一種將電能轉換成光線的固態裝置。發光二極體(light emitting diode，LED)為一種發光裝置。目前有許多LED裝置結構範例由不同材料製成，並且具有不同結構並且以許多方式執行。某些LEDs發出雷射光，而某些產生非單色光。某些LEDs適合特定應用。LED可為俗稱的藍光LED，其包含具有氮化銦鎵的多重量子井(multiple quantum well，MQW)活性層。藍光LED可發出具有波長範圍從大約440奈米至大約500奈米的非單色光，同時具有每平方公分38安培或以上的平均電流強度。然後通常提供螢光粉塗佈，吸收發出的某些藍光。螢光粉依序放螢光發出其他波長的光線，如此整體LED裝置所發出的光線具有寬廣的波長範圍。
本說明書中所使用的「層」一詞代表基板上原子或分子的層。在某些例子中，一層包含一磊晶層或複數層磊晶層。一層可包含一膜或薄膜，或複數層膜或薄膜。在某些情況下，層為裝置(例如發光裝置)的結構組件，產生預定裝置功能，例如活性層設置成產生光線。一層的厚度通常從大約一單原子單層(monolayer，ML)至數十單層、數百單層、數千單層、數百萬單層、數十億單層、數兆單層或更多。在範例中，一層為多層結構，具有大於一單原子單層的厚度。此外，一層可包含多層材料層。在範例中，一多重量子井活性層包含多個井和阻擋層。
本說明書中所使用的「活性區」(或「活性層」)一詞代表設置成產生光線的發光二極體(LED)之發光區。一活性層包含一活性材料，在電子與電洞重新結合時產生光線。一活性層可包含一或複數層。在某些例子中，一活性層包含一阻障層(barrier layer)(或包覆層(cladding layer)，例如GaN)以及一量子井(「井」)層(例如InGaN)。在範例中，一活性層包含多個量子井，在該情況下該活性層可稱為多量子井(multiple quantum well，MQW)活性層。
本說明書中所使用的「已摻雜」一詞代表摻雜一摻雜劑的一結構或一層。一層可摻雜n型摻雜物(本說明書中也稱為「n摻雜」)或p型摻雜物(本說明書中也稱為「p摻雜」)。在某些例子中，一層未摻雜或非故意摻雜(本說明書中也稱為「u摻雜」或「u型」)。在某些情況下，u-GaN(或u型GaN)層包含未摻雜或非故意摻雜的GaN。
本說明書中所使用的「摻雜物」一詞代表一摻雜劑，例如n型摻雜物或p型摻雜物。p型摻雜物包含但不受限於鎂、鋅和碳。n型摻雜物包含但不受限於矽和鍺。p型半導體為摻雜p型摻雜物的半導體，n型半導體為摻雜n型摻雜物的半導體。一n型III-V族半導體包含一摻雜n型，例如n型氮化鎵(「n-GaN」)的一III-V族半導體。一p型III-V族半導體包含一摻雜p型，例如p型GaN的一 III-V族半導體。
本說明書中使用的「相鄰」或「相鄰於」一詞包含「旁邊」、「臨接」、「與之接觸」以及「在其旁邊」。在某些實例中，相鄰組件會由一或多層中間層彼此分隔。例如，該等一或多中間層的厚度小於大約10微公尺(「微米」)、1微米、500奈米(「nm」)、100 nm、50 nm、10 nm、1 nm或更小。在範例中，一第一層與一第二層直接接觸時，該第一層相鄰於該第二層。在其他範例中，一第一層藉由一第三層而與一第二層分隔時，該第一層相鄰於該第二層。
本說明書中所使用的「基板」一詞代表其上要形成膜或薄膜的任何工件。基板包含但不受限於矽、二氧化矽、藍寶石、氧化鋅、碳(例如石墨)、SiC、AlN、GaN、尖晶石(spinel)、塗佈矽(coated silicon)、氧化物上矽、氧化物上碳化矽、玻璃、氮化鎵、氮化銦、二氧化鈦、氮化鋁、一金屬材料(例如鉬、鎢、銅、鋁)以及這些的組合(或合金)。
本說明書中所使用的「注入效率」代表電子與電洞已經注入一發光裝置的活性區而通過該發光裝置之比例。
本說明書中所使用的「內部量子效率」代表在已經輻射(例如產生光子)的一發光裝置活性區內所有電子電洞重新結合之比例。
本說明書中所使用的「萃取效率」代表一發光裝置活性區內所產生的光子脫離該裝置之比例。
本說明書中所使用的「外部量子效率」(EQE)一詞代表從LED發出的光子數與通過LED的電子數之比率，也就是EQE=注入效率x內部量子效率x萃取效率。
LEDs可由許多半導體裝置層所形成。在某些情況下，III-V族半導體LEDs提供優於其他半導體材料的裝置參數(例如光波長、外部量子效率)。氮化鎵(GaN)為二元(binary)III-V族直接帶隙(direct barndgap)半導體，可運用在光電應用以及高功率和高頻率裝置。
III-V族半導體型LEDs可在各種基板上形成，例如矽或藍寶 石。矽提供超過其他基板的許多優點，例如使用當前製程技術的能力，此外使用大尺寸晶圓，幫助將特定時間週期內形成的LED數量最大化。第一圖顯示一LED 100，其具有一基板105、與基板105相鄰的一AlGaN層110、與AlGaN層110相鄰一凹點產生層(pit generation)115、與凹點產生層115相鄰的一n型GaN(「n-GaN」)層120、與n-GaN層120相鄰的一活性層125、與活性層125相鄰的一電子阻擋(例如AlGaN)層130以及與該電子阻擋層130相鄰的一p型GaN(「p-GaN」)層135。電子阻擋層130設置成將p-GaN層135內電子與電洞的重新結合減至最少。基板100可由矽形成。在某些例子中，凹點產生層115包含非故意摻雜的GaN(「u-GaN)。
雖然矽具備許多優點，例如使用適於矽的商業半導體製造技術之能力，不過矽基板上III-V族半導體型LED的形成仍舊受到許多限制。例如，矽與氮化鎵之間的晶格誤配以及熱膨脹係數誤配都會導致結構應力，而在氮化鎵薄膜形成期間產生缺陷，例如線狀(threading)及/或髮夾(hairpin)錯位(本說明書中統稱為「錯位」)。該等缺陷四周成長的薄膜產生V缺陷(或V凹點)，就是在裝置層內的V形或凹陷結構。這種V凹點使其難以到達一致的裝置特性，例如一或多層內摻雜物的分佈。
例如，形成氮化鋁鎵(AlGaN)層之後在V缺陷凹點(本說明書中統稱為「V凹點」)內成長的GaN之p型摻雜，並不足以從該活性區內填入該V缺陷的該材料中有效發出電洞。此問題係由於薄膜形成期間，該p型摻雜物(例如Mg)相對於切面V缺陷AlGaN表面的一AlGaN表面之該c平面分離之傾向。V缺陷切面表面上該p型摻雜物的吸收相對於該氣態p型摻雜前驅物濃度較不敏感。該p型摻雜物的摻入主要沿著該c平面表面。第二圖顯示該結果LED的範例。填入該凹點的該GaN材料為不足量摻雜，導致裝置效能不佳(例如低亮度、高電源輸入)及/或通過該LED不均勻的光輸出。也就是，在其中在該p型GaN(p-GaN)層內p型摻雜物的該摻雜分布不均勻 之例子中，該LED的電子結構(或能帶圖)通過該裝置而變，造成不均勻的發光分布。在例示的範例中，該V缺陷內該p型層的一部分未摻雜，因此缺少所要(或一致)裝置效能所需的一p型摻雜物(例如Mg)之濃度。該等V凹點內該p型層的該部分已不足量摻雜，具有一p型摻雜物濃度，係小於該等V凹點之外該p-GaN層內該p型摻雜物的濃度。在範例中，該等V凹點內的該p-GaN層具有一p型摻雜物濃度，其至多為該等V凹點之外該p-GaN層內該p型摻雜物濃度的1%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%或95%。
解決這種問題的方式包含直接在該AlGaN之前的該V缺陷凹點活性區上成長具有低銦濃度的p-GaN，藉此減少一AlGaN表面上p型摻雜物(例如Mg)分離的問題。第三圖圖解顯示具有這種結構的發光裝置。雖然達到電洞注射效率，不過會喪失藉由在該活性層與該p-GaN之間具有一中間電子阻擋層所獲得之至少某些利益。
另一種解決此問題的方式為使該LED內之V凹點濃度降至最低。例如，該活性層可形成具有低或大體上低的缺陷密度，這有助於降低V凹點的覆蓋率(或密度)。不過這種方式在商業上行不通及/或難以搭配目前用來形成LED的方法來實施。例如，低缺陷密度LED組件層(例如活性層)的形成是一項緩慢並且耗費資源的過程，導致高製程成本以及不足的裝置轉換率，而不符LED裝置的商業需求。
本說明書中提供用於減少(若未消除)V凹點內摻雜物濃度不足問題之裝置結構及方法。本說明書中提供的裝置及方法利用補償許多LED組件層內摻雜物濃度不佳及/或不均勻的問題，有利地排除形成低缺陷密度的LED組件層之需求。
本發明許多具體實施例中描述的發光裝置及方法，解決了該p-GaN層形成期間p型摻雜物與一AlGaN表面的該c平面分離所造成V凹點內p型摻雜不足之問題。本說明書中描述的方法及結構提 供高電洞注射效率，但不用該AlGaN電子阻擋層底下的一p型半導體層(請參閱第三圖)。
發光裝置
在本發明的態樣中，提供具有改善V凹點內摻雜物濃度的發光裝置。這種裝置結構排除形成或最大限度降低具有最低缺陷密度的發光裝置結構之需求。在本說明書所提供結構的幫助之下，可使用具有相對緩和缺陷密度(因此V凹點)的裝置結構，有利地降低製程成本。
在一些具體實施例中，例如發光二極體(LED)這類發光裝置包含一n型III-V族半導體層和一p型III-V族半導體層之中一者的一第一層、與該第一層相鄰的一活性層，以及與該活性層相鄰的該n型III-V族半導體層和該p型III-V族半導體層之中另一者的一第二層。該n型III-V族半導體包含摻雜一n型摻雜物的一III-V族半導體。該p型III-V族半導體包含摻雜一p型摻雜物的一III-V族半導體。該活性層包含一或多個V凹點。該第二層具有一第一部分及由該等一或多個V凹點側向限界的一第二部分。該第一部分位於該活性層之上。該第二部分具有濃度一致的一n型或p型摻雜物。在範例中，該III-V族半導體材料為氮化鎵。在某些具體實施例中，該活性層具有介於大約1x108 cm-2與5x109 cm-2之間的缺陷密度。在其他具體實施例中，該活性層具有介於大約1x109 cm-2與2x109 cm-2之間的缺陷密度。
該III-V族半導體包含一III族物種與一V族物種。在某些具體實施例中，該III族物種為鎵並且該V族物種為氮。在某些具體實施例中，該III族物種包含鎵及/或銦。在其他具體實施例中，該III族物種包含鎵、銦及/或鋁。
在一些具體實施例中，一發光裝置包含具有一n型摻雜物的一n型氮化鎵(GaN)層。該n-GaN層位於與具有一或多個V凹點的一活性層相鄰。也就是，所形成的該活性層顯現出一或多個V形狀的 凹點(或缺陷)。該活性層與具有一p型摻雜物的一p型GaN相鄰。該p-GaN層具有一第一部份與一第二部份，該第二部分由該一或多個V凹點側向限界。該第一部分位於該活性層之上，並且未由該等一或多個V凹點側向限界。在具體實施例中，該發光裝置為一新式發光裝置，需要額外製程及/或裝置結構來完成。
在一些例子中，該p-GaN層具有範圍介於大約10奈米(「nm」)與1000 nm之間的厚度。在其他具體實施例中，該p-GaN層具有範圍介於大約50 nm與500 nm之間的厚度。該p-GaN層的厚度經過選擇，如此提供具有預定操作情況的一發光裝置。
在一些例子中，該n-GaN層具有範圍介於大約100 nm與8微米之間的厚度，而在其他具體實施例中，該n-GaN層具有範圍介於大約500 nm與6微米之間的厚度。而在其他具體實施例中，該n-GaN層的厚度範圍介於大約1微米與4微米之間。該n-GaN層的厚度經過選擇，如此提供具有預定操作情況的一發光裝置。
在具體實施例中，該p型摻雜物包含鎂、碳和鋅中一或多種。在特定實施當中，該p型摻雜物為鎂。
在具體實施例中，該n型摻雜物包含矽和鍺的一或多者。在特定實施當中，該n型摻雜物為矽。
在一些情況下，該p-GaN層進一步包含一潤濕材料，幫助該p-GaN層的摻雜。在某些例子中，該潤濕材料可在形成該p-GaN層之前，讓該p型摻雜物均勻分布在該潤濕材料的一層(請參閱底下)。在某些情況下，該潤濕材料為銦(In)。
在一些具體實施例中，該第二部分具有濃度一致的該p型摻雜物。在一些例子中，該第二部分內該p型摻雜物的濃度接近或大體上等於該p-GaN層第一部分內該p型摻雜物(或另一p型摻雜物)之濃度。在具體實施例中，該第二部分內該p型摻雜物的濃度為該第一部分內該p型摻雜物濃度的大約90%、80%、70%、60%、50%、40%、30%、20%、10%、5%、1%、0.1%、0.01%或0.001%。
在具體實施例中，該第二部分大體上摻雜一p型摻雜物。該第一部分與該第二部分內該p型摻雜物的濃度介於大約1x1018 cm-3與1x1022 cm-3之間。在其他具體實施例中，該第一部分與該第二部分內該p型摻雜物的濃度介於大約1x1019 cm-3與1x1021 cm-3之間，而在其他具體實施例中，該第一部分與該第二部分內該p型摻雜物的濃度則介於大約1x1020 cm-3與5x1020 cm-3之間。
在其他情況下，該第一部分內該p型摻雜物的濃度在該活性層上最高或在該活性層附近最高，並且朝向該第二部分下降。在其他情況下，沿著與該p-GaN層與該活性層之間表面平行的方向(也稱為「橫向軸」)，以及沿著與該p-GaN層與該活性層之間表面垂直的方向(也稱為「縱向軸」)，該第一部分內該p型摻雜物的濃度一致或大體上一致。
在特定實施中，該第二部分內該p型摻雜物的濃度沿著該等V凹點縱方向一致。在一些具體實施例中，依照沿著該發光裝置縱軸所測量，該等V凹點內該p型摻雜物的濃度最多改變大約50%、40%、30%、20%、10%、5%、1%、0.1%、0.01%、0.001%或0.0001%。在其他例子中，該第二部分內該p型摻雜物的濃度沿著該等V凹點橫方向一致。在一些具體實施例中，依照沿著該發光裝置橫軸所測量，該等V凹點內該p型摻雜物的濃度最多改變大約50%、40%、30%、20%、10%、5%、1%、0.1%、0.01%、0.001%或0.0001%。
該發光裝置進一步包含與該n型或p型GaN層相鄰的一基板。在範例中，該基板包含矽，例如n型矽，或藍寶石。在一些例子中，該基板用於該完成的發光裝置內。在其他例子中，該基板為一載體基板，在這種例子中該完成的發光裝置將包含其他基板。在某些具體實施例中，該基板具有範圍介於大約200微米(μm)與2毫米(mm)之間的厚度。
在一些具體實施例中，該發光裝置包含一凹點產生層。在某些例子中，該凹點產生層與該n型GaN層相鄰，例如在該n型GaN 層與該活性層之下。在某些例子中，該凹點產生層介於該n型GaN層與該活性層之間。該凹點產生層在該活性層形成期間，以及在某些例子中於該活性層之上形成其他層期間，幫助一或多個V凹點的成長。
在一些具體實施例中，該凹點產生層具有介於大約1x108 cm-2與5x109 cm-2之間的缺陷密度，而在其他具體實施例中，該凹點產生層具有介於大約1x109 cm-2與2x109之間的缺陷密度。在一些具體實施例中，該凹點產生層具有介於大約10 nm與1000 nm之間的厚度，而在其他具體實施例中，該凹點產生層具有介於大約50 nm與500 nm之間的厚度。
該發光裝置包含一電極，其利用直接與該n-GaN層接觸或透過一或多層中間層，與該n-GaN層電連通。該發光裝置進一步包含一電極，其利用直接與該p-GaN層接觸或透過一或多層中間層，與該p-GaN層電連通(或電耦合)。在某些例子中，一或多個該等電極具有經過選擇的形狀與設置(例如該發光裝置上的位置)，以便使對於該發光裝置所發出光線的阻礙減少至最低。
該活性層可為一量子井活性層，例如一多重量子井(MQW)活性層。在具體實施例中，該活性層包含由氮化銦鎵及/或氮化銦鋁鎵形成的一井層。包含該活性層的該材料可用包含該活性層的二或多個元素進行成份分級(本說明書內也稱為「分級」)。在範例中，該活性層由分級的氮化銦鎵InxGa1-xN形成，其中「x」為介於0與1間之數，並且一阻障(或包覆)層由GaN形成。這種層的成份可從該層的第一邊變化至第二邊。在一些具體實施例中，該井或阻障材料從氮化鎵、InAlGaN的許多成份(或化學量)及AlGaN的許多成份當中選擇。在一些具體實施例中，該活性層具有介於大約10 nm與1000 nm之間的厚度，而在其他具體實施例中，該活性層具有介於大約50 nm與200 nm之間的厚度。
在一些具體實施例中，該活性層具有介於大約1x108 cm-2與 5x109 cm-2之間的缺陷密度，而在其他具體實施例中，該活性層具有介於大約1x109 cm-2與2x109之間的缺陷密度。在一些具體實施例中，該活性層具有大於大約1x106 cm-2之間、大於大約1x107 cm-2之間、大於大約1x108 cm-2之間或大於大約1x109 cm-2之間的缺陷密度。
在一些具體實施例中，該n-GaN層與該p-GaN層之間該發光裝置的厚度小於大約4微米、小於大約3微米、小於大約2微米、小於大約1微米或小於大約500 nm。該n-GaN層和該p-GaN層之間的該區域包含該活性層。
在一些例子中，該發光裝置在該活性層與該p-GaN層之間包含一電子阻擋層。該電子阻擋層設置成使並非在想要該活性層發光時所要的該p-GaN層內電子與電洞的重新結合降至最低。在範例中，該電子阻擋層由氮化銦鎵或氮化銦鋁鎵所形成。該電子阻擋層可用該電子阻擋層的二或多個元素進行成份分級(本說明書內也稱為「分級」)。例如，該電子阻擋層由分級的氮化鋁鎵AlxGa1-xN形成，其中「x」為介於0與1間之數，或氮化鋁銦鎵AlxInyGa1-x-yN形成，其中「x」和「y」為介於0與1間之數。這種層的成份可從該層的第一邊變化至第二邊。在某些具體實施例中，該電子阻擋層的厚度介於大約1 nm與1000 nm之間或介於大約10 nm與100 nm之間。
在一些具體實施例中，該發光裝置在該活性層與該p-GaN層之間進一步包含一p型摻雜物注射層。該p型摻雜物注射層設置成在該p-GaN層形成期間，提供一p型摻雜物給該p-GaN層的該第二部分。該p型摻雜物注射層有利於幫助在該等V凹點內提供所要或預定的p型摻雜物密度，這幫助使(若未消除時)該p-GaN層摻雜區不足所帶來的問題消弭至最小。該p型摻雜物注射層包含一p型摻雜物以及在一些例子中一潤濕材料。在一些具體實施例中，該p型摻雜物為鎂(Mg)。在一些具體實施例中，該潤濕材料為銦(In)。該潤濕材料設置成可讓該p型摻雜物均勻覆蓋該p型摻雜物注射層。在一些例子中，該潤濕材料可留在該p-GaN層與該電子阻擋層或活 性層(若已排除該電子阻擋層時)之間該介面上。
在一些具體實施例中，該p型摻雜物注射層具有小於大約100 nm、小於大約50 nm、小於大約10 nm、小於大約1 nm或更小的厚度。在一些例子中，該p型摻雜物注射層的厚度用單原子單層(monoatomic monolayer，ML)一詞來描述。在一些具體實施例中，該p型摻雜物注射層的厚度介於大約0.1 ML與10 ML之間。在其他具體實施例中，該p型摻雜物注射層具有小於或等於大約10 ML、小於或等於大約5 ML、小於或等於大約4 ML、小於或等於大約3 ML、小於或等於大約2 ML、小於或等於大約1 ML、小於或等於大約0.5 ML或更小的厚度。
在一些具體實施例中，一發光二極體(LED)包含一n型氮化鎵(GaN)層、與該n型GaN層相鄰的一活性層以及與該活性層相鄰的一p型GaN層。該活性層包含一或多個V凹點。該p型GaN層包含一第一部分與一第二部分。該第二部分由該一或多個V凹點側向限界。該第一部分位於該活性層之上，並且具有至少大約1x1018 cm-3、至少大約1x1019 cm-3、至少大約1x1020 cm-3、至少大約1x1021 cm-3或至少大約1x1022 cm-3的一p型摻雜物濃度。在某些例子中，該p型摻雜物濃度介於大約1x1018 cm-3與1x1022 cm-3之間、介於大約1x1019 cm-3與1x1021 cm-3之間或介於大約1x1020 cm-3與5x1020 cm-3之間。
在一些具體實施例中，一發光二極體(LED)包含n型氮化鎵(GaN)與p型GaN之一者的一第一層，以及與該第一層相鄰的一活性層，該活性層具有一或多個V凹點。該LED進一步包含n型氮化鎵(GaN)與p型GaN中另一者的一第二層，該第二層具有一第一部分及由該等一或多個V凹點側向限界的一第二部分。該第一部分位於該活性層之上。該第二部分具有濃度一致的一n型或p型摻雜物。
第四圖圖解例示根據本發明具體實施例的一發光裝置(「裝置」) 400。在範例中，發光裝置400為一發光二極體。該發光裝置400由下到上包含一n摻雜(或「n型」)的GaN層(「n-GaN層」)405、與n-GaN層405相鄰的一凹點產生層410、與凹點產生層410相鄰的一活性層415、與活性層415相鄰的一電子阻擋層420、與電子阻擋層420相鄰的一p型摻雜注射層425以及與p型摻雜注射層425相鄰的一p-GaN層430。裝置400包含複數個V凹點435(顯示兩個)，其由凹點產生層410、活性層415和電子阻擋層420這些逐層形成的該材料層內之缺陷(例如錯位)所形成。p-GaN層430包含一第一部分430a以及一第二部分430b，該第二部分430b位於V凹點435內。該p型摻雜物注射層包含一p型摻雜物以及在某些例子中一潤濕材料。該p型摻雜物注射層幫助形成該第二部分430b，具有第二部分430b內該p型摻雜物所要(或預定)均勻度、分布及/或濃度。
在一些具體實施例中，活性層415為一多重量子井活性層。在具體實施例中，該活性層由一井層與一阻障層的交錯層所形成，例如氮化銦鎵與氮化鎵的交錯層，或氮化銦鋁鎵與氮化鎵的交錯層。兩例子中的氮化鎵可當成該阻障層材料。氮化銦鎵或氮化銦鋁鎵可當成一井層材料。
在範例中，活性層415由交錯的氮化鋁鎵層與氮化鎵層所形成、電子阻擋層420由氮化鋁鎵所形成並且p型摻雜物注射層425由鎂和銦所形成。在這種例子中，銦當成該潤濕材料。另外，電子阻擋層420由一四元材料所形成，例如氮化鋁銦鎵。在某些例子中，電子阻擋層420依照成份分級。在其他例子中，電子阻擋層420具有一致的成份。
裝置400形成於一基板(未顯示)上。該基板與n-GaN層405或p-GaN層430相鄰。在具體實施例中，該基板由矽或藍寶石形成。在某些案子中，該基板與n-GaN層405相鄰，並且在該基板與n-GaN層405之間形成具有一AlN層和一AlGaN層的一緩衝層。該AlN 層與該基板相鄰，並且該AlGaN層與該AlN層和該n-GaN層405相鄰。
在實施當中，由矽形成與n-GaN層405相鄰的該基板。該基板可用於將該等層405-430轉移至另一基板，例如矽。在這種例子中，該等層405-430形成於與該n-GaN層相鄰的一第一基板上，轉移之後，該等層405-430位於與該p-GaN層相鄰的一第二基板上。
第五圖圖解例示根據本發明的具體實施例，具有一基板505上所形成複數層510-535之裝置500。裝置500為一發光裝置，例如一發光二極體。裝置500由下至上(「下」代表與基板505相鄰的位置)包含一n-GaN層510、一凹點產生層515、一活性層520、一電子阻擋層525、一脈衝型態摻雜層(delta doped layer)530以及一p-GaN層535。p-GaN層535包含一第一部分與一第二部分(未顯示)。該第二部分形成於凹點產生層515、活性層520和電子阻擋層525中一或多個V凹點內(請參閱第四圖)。脈衝型態摻雜層530包含一p型摻雜物，例如鎂，以及一潤濕材料，例如銦。在某些情況下，該潤濕材料降低該脈衝型態摻雜層表面上一p型摻雜物遷徙的阻礙，讓該p型材料均勻覆蓋該脈衝型態摻雜層。該潤濕材料可減少該V缺陷上該p型摻雜物(例如Mg)的表面能量。如底下所述，利用將該p型摻雜物的來源氣體以脈衝型態加入具有基板505的一反應室內，以提供該p型摻雜物於該脈衝型態摻雜層530內。
在範例中，該脈衝型態摻雜層530包含一潤濕材料，例如銦，其減少該V缺陷切面上一p摻雜物(例如Mg)的表面能量，藉此將該p型摻雜物併入該潤濕層內。該脈衝型態摻雜層530內的該p型摻雜物提供該p型摻雜物來源，用於後續併入活性層520與電子阻擋層525的一或多個V凹點內該GaN層的一部分。這幫助在該等一或多個V凹點內形成p-GaN層535的該部分。
在一些具體實施例中，裝置500包含與n-GaN層510電連通的一第一電極，以及與p-GaN層535電連通的一第二電極。該等電極 可讓一電位(電壓)通過活性層520。在某些情況下，該等第一和第二電極分別與n-GaN層510和p-GaN層535電接觸。在其他例子中，該等第一和第二電極之一或二者透過一或多層中間層與n-GaN層510和p-GaN層535電接觸。在範例中，該第二電極透過一透明導電層(未顯示)，例如一氧化銦錫(ITO)層，與該p-GaN層電連通。
活性層520內電子與電洞的重新結合，例如施加電位通過活性層520，產生往遠離基板502的方向傳輸出該裝置之光線。另外，該等層505-535轉移至另一基板540，接著移除基板505。活性層520內電子與電洞的重新結合產生光線，之後該光線沿著遠離基板540的方向通過該n-GaN層從裝置500射出。在一些例子中，裝置500包含p-GaN層535與基板540之間的額外層。
在一些具體實施例中，基板505由矽、二氧化矽、藍寶石、氧化鋅、碳(例如石墨)、SiC、AlN、GaN、尖晶石(spinel)、塗佈矽(coated silicon)、氧化物上矽、氧化物上碳化矽、玻璃、氮化鎵、氮化銦、二氧化鈦、氮化鋁、一金屬材料(例如銅)以及這些的組合(或合金)中一或多種所形成。在一些情況下，基板505由矽形成。在範例中，基板505可由n型矽形成。在這種例子中，可形成一電極與基板505接觸，也就是與n-GaN層510電連通。
在一些情況下，裝置500包含基板505與n-GaN層510之間的一或多層額外層。該等一或多層額外層可包含緩衝層、應力釋放層或應力產生層。在具體實施例中，裝置500包含與該基板相鄰的一氮化鋁鎵層，以及與該氮化鋁鎵層相鄰的一或多層u型GaN(即是未摻雜或非故意摻雜的GaN)層。該等一或多層u-GaN層與n-GaN層510相鄰。
在一些情況下，電子阻擋層525由氮化鋁鎵(AlGaN)形成。在某些例子中，該AlGaN層依照鋁和鎵分級組成。
在一些具體實施例中，該脈衝型態摻雜層530位於電子阻擋層525與p-GaN層535之間一介面上。在一些例子中，在電子阻擋層 525與p-GaN層535之間的該介面上，裝置500具有一二次離子質譜輪廓(secondary ion mass spectrometry(SIMS)profile)，顯示重合的Mg與In峰值。
在一些例子中，依照SIMS測量，在脈衝型態摻雜層530內觀察到的該峰值銦強度，為活性層520中該等獨立量子井內所觀察到該峰值銦強度(或濃度)的1/100倍以下。該峰值銦濃度的位置與該峰值鎂濃度的位置於該AlGaN層與p-GaN層535之間的介面上重合。
在一些具體實施例中，含V凹點(或V缺陷)的發光裝置在該發光裝置的一p-GaN層內具有均勻的p型摻雜物分布。這有利於使用中度至高度缺陷密度的裝置結構(例如活性層)，使本說明書中所提供這種裝置結構伴隨的問題在未消除之下降至最低，例如不均勻的摻雜物濃度。
形成發光裝置之方法
在本發明的其他態樣中，提供形成一發光裝置的方法。這種方法用於本說明書中所描述的裝置形成，例如發光二極體，包含III-V族LEDs(例如GaN型LEDs)。
在一些具體實施例中，用於形成例如一發光二極體(LED)這類發光裝置的方法包含在一反應室內的一基板之上，於一活性層之上(或相鄰)形成一p型III-V族半導體層，該p型III-V族半導體層延伸進入該活性層的一或多個V凹點內，包含該p型III-V族半導體層與該活性層之間的任何中間層(例如一電子阻擋層)。利用一p型摻雜物以脈衝型態摻雜一潤濕層，並且將一III族來源氣體以及一V族來源氣體導入該反應室內，來形成該p型III-V族半導體層。導入一p型摻雜物的來源氣體，來控制該p型III-V族層內該p型摻雜物的濃度。在一n型III-V族半導體層之上(或相鄰)形成該活性層。利用將一III族來源氣體、一V族來源氣體以及一n型摻雜物的來源氣體導入該反應室內，形成該n型III-V族半導體層。
該p型III-V族半導體層包含一III-V族半導體以及一p型摻雜物。該n型III-V族半導體層包含一III-V族半導體以及一n型摻雜物。一III-V族半導體包含一III族物種與一V族物種。在具體實施例中，一III族物種包含鎵及/或銦。在另一具體實施例中，一V族物種為氮。
在一些具體實施例中，用於形成例如一LED這類發光裝置的方法包含在一反應室內的一基板之上，形成與一活性層相鄰的一p型III-V族半導體層，該p型III-V族半導體層延伸進入該活性層的一或多個V凹點內。利用一p型摻雜物以脈衝型態摻雜一潤濕層，並且將一III族物種的來源氣體以及一V族物種的來源氣體導入該反應室內，形成該p型III-V族半導體層。形成與該活性層相鄰的該潤濕層。在一些情況下，形成該潤濕層之前，形成與該活性層相鄰的一電子阻擋層。在具體實施例中，形成與一n型III-V族半導體層相鄰的該活性層。在另一具體實施例中，形成與該基板相鄰的該n型III-V族半導體層。
在特定具體實施例中，用於形成例如一發光二極體(LED)這類發光裝置的方法包含在一反應室內的一基板之上，於一活性層之上(或相鄰)形成一p型氮化鎵(p-GaN)層，該p-GaN層延伸進入該活性層的一或多個V凹點內，包含該p-GaN層與該活性層之間的任何中間層(例如一電子阻擋層)。利用一p型摻雜物以脈衝型態摻雜一潤濕層，並且將一鎵來源氣體以及一氮來源氣體導入該反應室內，來形成該p-GaN層。導入一p型摻雜物的來源氣體，來控制該p-GaN層內該p型摻雜物的濃度。
在具體實施例中，形成與該活性層相鄰的該潤濕層。在一些例子中，該發光裝置在該潤濕層與該活性層之間包含一電子阻擋層。在一些情況下，形成該潤濕層之前，形成與該活性層相鄰的一電子阻擋層。該活性層形成於一n型GaN(「n-GaN」)層之上(或相鄰)。該n-GaN層形成於該基板之上(或相鄰)。
在其他具體實施例中，用於形成一發光二極體(LED)的方法包含形成與一反應室內一基板相鄰的一n-GaN層、在該基板之上形成一活性層、在該活性層之上形成一電子阻擋層以及在該電子阻擋層之上形成一脈衝型態摻雜層。利用一p型摻雜物以脈衝型態摻雜一潤濕層，來形成該脈衝型態摻雜層。
在某些情況下，以脈衝型態摻雜(delta doping)該潤濕層包含將該p型摻雜物的一前驅物加入具有該基板的一反應室內。該p型摻雜物的該前驅物以大約0.01秒與20分鐘之間、大約0.1秒與15分鐘之間或大約1秒與10分鐘之間的持續時間加入。
第六圖圖解例示根據本發明具體實施例，用於形成一發光裝置之方法600的製程流程。在第一步驟605中，在設置用於成長該發光裝置的一或多個裝置結構(或層)之一反應室內提供一基板。在範例中，該反應室為真空或惰性氣體環境之下的容室。
例如，該反應室可為真空室，例如一超高真空(ultrahigh vacuum，UHV)室。在其中想要低壓環境的例子中，該反應室可藉助於擁有一或多個真空幫浦，例如一或多個渦輪分子(「渦輪」)幫浦、一低溫幫浦(cryopump)、一離子幫浦、一擴散幫浦(difusion pum)和一機械幫浦的抽唧系統抽真空。該反應室可包含控制系統，用於調節前驅物流率、基板溫度、反應室壓力以及反應室的抽真空。
接下來在第二步驟610中，在該基板之上形成一n-GaN層。在具體實施例中，利用將一鎵前驅物、一氮前驅物以及一n型摻雜物的前驅物導入該反應室內，來形成該n-GaN層。該鎵前驅物包含三甲鎵(trimethyl gallium，TMG)、三乙鎵(diethylgallium)、二乙基氯化鎵(diethylgallium choride)以及同位的氫化鎵化合物(coordinated hydride compounds)(例如二甲基氯化鎵)中一或多種。該氮前驅物包含氨(NH3)、氮(N2)以及電漿激發的氨及/或N2中一或多種。在一些例子中，該n型摻雜物的該前驅物為矽甲烷(silane)。
在具體實施例中，將該鎵前驅物、該氮前驅物以及該n型摻雜 物的前驅物同時導入該反應室內。在另一具體實施例中，以交錯並且依序的方式，將該鎵前驅物、該氮前驅物以及該n型摻雜物的前驅物導入該反應室內(例如脈衝方式加入)。
接下來在選擇性的第三步驟615中，在該n-GaN層之上形成一凹點產生層。利用將一鎵前驅物和一氮前驅物以及在一些例子中一銦前驅物導入該反應室內，來形成該凹點產生層。在一些情況下，該凹點產生層由GaN、InGaN以及許多組合，包含一InGaN/GaN超晶格所形成。在一些例子中，若使用一多重量子井活性層的一或多層子層來建立凹點，則該凹點產生層為選擇性。
接下來在第四步驟620中，在該n-GaN層或該凹點產生層(或步驟615中已形成)之上形成一活性層。在範例中，該活性層為包含交錯的InGaN井層與GaN阻障層之一多重量子井活性層。該活性層利用在一鎵來源氣體與一氮來源氣體導入該反應室來形成一阻障層期間所形成，並且導入一銦來源氣體以形成一井層。該銦來源氣體包含三甲銦(trimethylindium)、三乙銦(triethylindium)、二乙基氯化銦(diethylindium chloride)以及同位的氫化銦化合物(coordinated indium hydride compounds)(例如二甲基氯化銦(dimethylindium hydride)中一或多種。用於形成該獨立阻障層與井層的來源氣體同時導入該反應室內，或在其他例子中以交錯並依序方式導入。
接下來在第五步驟625中，在該活性層之上形成一電子阻擋層。在其中該電子阻擋層包含氮化鋁鎵的例子中，利用將一鎵來源氣體、一氮來源氣體以及一鋁來源氣體導入該反應室內，來形成該電子阻擋層。在一些情況下，該鋁來源氣體包含三異丁基鋁(TIBAL)、三甲基鋁(TMA)、三乙基鋁(TEA)和氫化二甲基鋁(DMAH)中一或多種。在一些情況下，該電子阻擋層包含氮化鋁銦鎵，在此例子中例如三甲銦(TMI)這類銦來源氣體可用來與其他來源氣體搭配。在其他具體實施例中，在一些例子中已排除該電子阻擋層。
接下來在第六步驟630中，在該電子阻擋層(若已排除該電子 阻擋層時在該活性層)之上形成一潤濕層。利用將一潤濕材料的來源氣體，例如若該潤濕材料為銦時則為三甲銦(TMI)，導入該反應室內，來形成該潤濕層。
接下來在第七步驟635中，該潤濕層與一p型摻雜物的來源氣體接觸。在實施當中，利用將該p型摻雜物的來源氣體以脈衝方式加入該反應室內，以脈衝型態摻雜該潤濕層。以脈衝方式摻雜該潤濕層形成一脈衝型態摻雜層。在一些例子中，該脈衝型態摻雜層為一p型摻雜注射層。在範例中，該p型摻雜物為鎂，並且利用將雙環戊二烯基鎂(Cp2Mg)導入該反應室內，以脈衝方式摻雜鎂於該潤濕層。
在範例中，於步驟630中一第一溫度之下形成該潤濕層，並且在步驟635中，以相同或類似溫度脈衝型態摻雜該潤濕層，以形成該脈衝型態摻雜層。不過在其他例子中，在一第一溫度之下形成該潤濕層，並且在與該第一溫度不同的一第二溫度之下，該潤濕層以脈衝方式摻雜一p型摻雜物。在具體實施例中，以介於大約700℃與1100℃之間的溫度，形成該潤濕層及/或該脈衝型態摻雜層。在其他具體實施例中，以介於大約800℃與1050℃之間的溫度，形成該潤濕層及/或該脈衝型態摻雜層，而在其他具體實施例中，以介於大約850℃與1000℃之間的溫度，形成該潤濕層及/或該脈衝型態摻雜層。
在範例中，利用將一p型摻雜物的來源氣體以脈衝方式加入該反應室內，以脈衝型態摻雜該潤濕層。在具體實施例中，以介於0.01秒與20分鐘之間的持續時間，以脈衝方式加入該p型摻雜物的來源氣體。在其他具體實施例中，以介於0.1秒與15分鐘之間的持續時間以脈衝方式加入該p型摻雜物的來源氣體，而在其他具體實施例中，以介於1秒與10分鐘之間的持續時間以脈衝方式加入該p型摻雜物的來源氣體。
在例示的範例中，步驟635接著步驟630。不過在一些例子中， 步驟630與635同時執行。也就是，將該潤濕材料的來源氣體以及該p型摻雜物的來源氣體同時導入該反應室內。在範例中，三甲銦(TMI)、雙環戊二烯基鎂(Cp2Mg)以及氨都在一N2攜帶氣體的幫助之下導入該反應室內，並且與步驟625內形成的該電子阻擋層(例如AlGaN)接觸。該Cp2Mg可在提供TMI之前、當時或之後流入該反應室內。在範例中，步驟635在步驟630之前，也就是該電子阻擋層與該p型摻雜物(例如Cp2Mg)的來源接觸，以便在該電子阻擋層之上形成一p型摻雜物層，接著與該潤濕材料(例如TMI)的來源氣體接觸。
接下來在第八步驟640中，在該脈衝型態摻雜層之上(或相鄰)形成一p型氮化鎵(p-GaN)層。在一些具體實施例中，於該脈衝型態摻雜層形成期間，實際上並沒有發生該p-GaN層成長的情況。
利用將一鎵來源氣體(或前驅物)以及一氮來源氣體導入該反應室內，來形成該p-GaN層。在具體實施例中，一p型摻雜物的來源氣體並未導入含有該鎵來源氣體以及該氮來源氣體的該反應室內。在這種例子中，在讓該鎵來源氣體與該氮來源氣體與該脈衝型態摻雜層接觸之下，開始在該脈衝型態摻雜層上形成一GaN層。利用將該脈衝型態摻雜層的該p型摻雜物併入該GaN層，完成該GaN層的成長，藉此利用消耗該p型摻雜物內的該脈衝型態摻雜層，完成該p-GaN層的形成。在預定的時間週期內，將一p型摻雜物的來源氣體導入該反應室內，繼續形成該p-GaN層。在一些例子中，持續流入鎵來源氣體與氮來源氣體來附加該p型摻雜物的來源氣體。該脈衝型態摻雜層可在該活性層與該電子阻擋層內一或多個V凹點內摻雜該GaN層(來形成p-GaN)。後續該p型摻雜物來源氣體的導入用於繼續在該活性層之上的該p-GaN層一部分內(不在該等V凹點內)成長該p-GaN層。
在範例中，一p-GaN層包含一第一部分與一第二部分(請參閱第四圖)。該第一部分位於該等一或多個V凹點之外的該電子阻擋 層之上，並且在該等一或多個V凹點內形成該第二部分。在該第二部分成長期間，該脈衝型態摻雜層提供用於該p-GaN層的該p型摻雜物。在該第二部分形成之後，導入該p型摻雜物的來源氣體(或另一p型摻雜物的來源氣體)，以提供該第一部分內該p型摻雜物的一預定濃度。
在一些情況下，在一攜帶氣體及/或抽唧的幫助之下，將來源氣體導入該反應室內。該攜帶氣體可為惰性氣體，例如H2、Ar及/或N2。在範例中，在N2的幫助之下，將一鎵來源氣體(例如TMG)以及一氮來源氣體(例如NH3)導入該反應室內。在另一範例中，在一抽唧系統(例如渦輪幫浦)的幫助之下，將一鎵來源氣體、一氮來源氣體以及一p型摻雜物的來源氣體導入該反應室內。
在一些或全部該等獨立步驟之間可抽真空該反應室。在一些例子中，借助於一清掃氣體(purge gas)或一真空(抽唧)系統，清掃該反應室。在範例中，在步驟620與625之間借助於清掃氣體來抽真空該反應室。該清掃氣體可與該攜帶氣體相同或類似。在範例中，該清掃氣體為N2，並且利用持續將N2流入該反應室，同時停止流入一或多種來源氣體，來清掃該反應室。在另一範例中，在步驟610與615之間借助於抽唧系統(例如提供真空給該反應室)來抽真空該反應室。在其他例子中，借助於一清掃氣體或一真空系統，清掃一反應室。
雖然以發生於一反應室內來描述方法600，在一些情況下，方法600的一或多個步驟可發生在個別反應室內。在範例中，步驟605和610在一第一反應室內執行、步驟615-625在一第二反應室內執行並且步驟630-640在一第三反應室內執行。該等反應空間可彼此流體隔離，例如在分開的位置內。
第七圖顯示用於在該脈衝型態摻雜層之上形成一脈衝型態摻雜層與一p-GaN層的壓力相對時間脈衝關係圖。所顯示的壓力(y軸)為時間(x軸)函數。該壓力可對應至該反應室內每一來源氣體的 部分壓力。對於一反應室內的一基板，在一第一時間(t1)之下，在N2攜帶氣體的幫助之下，將TMI和NH3導入該反應室內。這在該基板上形成一潤濕層。接下來，在一第二時間(t2)之下將Cp2Mg導入該反應室內，在Cp2Mg的幫助之下以脈衝方式摻雜Mg於該潤濕層。在將Cp2Mg以脈衝方式加入該反應室期間，維持NH3與N2的流率。Cp2Mg曝露的時間週期少於TMI的時間週期；不過在一些情況下，Cp2Mg曝露的時間週期(例如加入脈衝時間)大於或等於TMI曝露的時間週期。該Cp2Mg加入的脈衝時間重疊該TMI加入的脈衝時間。在其他例子中，該Cp2Mg加入的脈衝時間不會重疊該TMI加入的脈衝時間。在範例中，該Cp2Mg加入的脈衝時間在該TMI加入的脈衝時間之前。在另一範例中，該Cp2Mg加入的脈衝時間接在該TMI加入的脈衝時間之後。
接下來，在第三時間(t3)之下，將TMG導入該反應室內。導入TMG之前，停止Cp2Mg的流率，但是維持NH3與N2的流率。接下來在第四時間(t4)之下，將Cp2Mg導入該反應室內，提供用於形成p-GaN層的p型摻雜物。該脈衝型態摻雜層提供一p型摻雜物(Mg)，用於在GaN沈積時併入V凹點，在該等V凹點內形成p-GaN。Cp2Mg的第二劑量提供一p型摻雜物，用於該基板之上與該等V凹點之外該p-GaN層的後續成長。
本說明書中提供的發光裝置中一或多層可由汽相(或汽態)沉積技術形成。在一些具體實施例中，藉由化學汽相沈積(CVD)、原子層沈積(ALD)、電漿增強CVD(PECVD)、電漿增強ALD(PEALD)、金屬有機CVD(MOCVD)、熱線CVD(HWCVD)、初始CVD(iCVD)、改良式CVD(MCVD)、蒸汽軸沈積(Vapor Axial Deposition,VAD)、外部蒸汽沈積(OVD)及/或物理汽相沈積(例如濺鍍沈積、蒸發沈積)，形成本說明書中提供的該發光裝置中一或多層。
雖然用具有特定III-V族半導體材料，例如氮化鎵，的發光裝置範疇來說明本發明說明書內提供之方法與結構，不過這些方法與 結構仍舊適用於其他種半導體材料。本說明書中提供的方法及結構可用於具有由氮化鎵(GaN)、氮化銦鎵(InGaN)、硒化鋅(ZnSe)、氮化鋁(AlN)、氮化鋁鎵(AlGaN)、氮化鋁鎵銦(AlGaInN)以及氧化鋅(ZnO)所形成的活性層之發光裝置。
在一些具體實施例中，在一控制器的幫助之下，形成本說明書中提供的層與裝置結構，例如活性層(包含井層與阻障層)、n型III-V族半導體層、p型III-V族半導體層，其中該控制器設置成調節一或多個製程參數，例如該基板溫度、前驅物流率、成長率、氫氣流率以及反應室壓力。該控制器包含一處理器，其設置成幫助執行機械可執行程式碼，該程式碼設置成實施本說明書中提供之方法。
範例
在一反應室內提供具有在一活性層之上一AlGaN電子阻擋層的一基板。該活性層與電子阻擋層包含複數個V凹點。利用一開始形成一脈衝型態p型摻雜層，在該AlGaN電子阻擋層上形成一p-GaN層。在介於大約850℃與1000℃的基板溫度上，於N2攜帶氣體的幫助之下，將三甲銦(TMI)以及氨(NH3)導入該反應室內，並且與該電子阻擋層接觸來形成一潤濕層。接下來，利用將Cp2Mg導入該反應室，並且讓該潤濕層曝露在Cp2Mg之下，以脈衝方式摻雜鎂於該潤濕層。在一些例子中，在TMI流入該反應室內之前、同時或之後，將Cp2Mg提供至該反應室內。接下來，利用將TMG導入該反應室內，在該脈衝型態摻雜層上形成一層GaN。該脈衝型態摻雜層內的該p型摻雜物提供用於併入該等V凹點內該GaN層的p型摻雜物。在該p-GaN層填入該等V凹點之前或之後，搭配TMG與NH3將一p型摻雜物的來源氣體導入該反應室內。該p型摻雜物來源氣體的導入時機經過選擇，以便提供一p型摻雜物濃度、分布及/或依需求的分佈。
除非特別要求，否則整份說明書與申請專利範圍內所使用的單數或複數文字也分別包含複數或單數。此外，文字「其中」、「底下」、 「之上」、「之下」以及匯入本申請案的類似文字為一整體，而非本申請案的任何特定部分。文字「或」用於參考二或多個項目的清單時，該字涵蓋下列所有文字解釋：清單內任何項目、清單內所有項目以及清單內項目的任意組合。
從上述當中可了解，雖然已經例示並描述特定實施，在本說明書中還是可進行許多修改以及補充。本發明也不受限於本申請案內提供的特定範例。雖然已經參考上述申請書來說明本發明，但是本發明具體實施例的說明與例示並沒有限制之意。更進一步，吾人了解，本發明的所有態樣並不受限於本說明書內根據許多狀況與變化所揭示的特定說明、設置或相對比例。熟悉本項技術人士將了解本發明具體實施例中形式與細節的許多修改。因此，假定本發明也應涵蓋任何這種修改、變化與均等手段。
400‧‧‧發光裝置
405‧‧‧n-GaN層
410‧‧‧凹點產生層
415‧‧‧活性層
420‧‧‧電子阻擋層
425‧‧‧p型摻雜物注射層
430‧‧‧p-GaN層
430a‧‧‧第一部分
430b‧‧‧第二部分
435‧‧‧V凹點

Claims (22)

  1. 一種發光二極體(light emitting diode，LED)，包含：一n型氮化鎵(GaN)層，該n型GaN層摻雜一n型摻雜物；一活性層，其與該n型GaN層相鄰，該活性層具有一或多個V凹點；一p型摻雜物注射層，其與該活性層相鄰；以及一p型GaN層，其與該p型摻雜物注射層相鄰，該p型GaN層摻雜一p型摻雜物，該p型GaN層具有一第一部分及由該等一或多個V凹點側向限界的一第二部分，該第一部分位於該活性層之上。
  2. 如申請專利範圍第1項之LED，其中該第一部分及/或該第二部分中該p型摻雜物的濃度至少大約1x1020 cm-3。
  3. 如申請專利範圍第1項之LED，另包含與該n型GaN層相鄰的一基板。
  4. 如申請專利範圍第3項之LED，其中該基板由矽或藍寶石形成。
  5. 如申請專利範圍第1項之LED，另包含該n型GaN層與該活性層之間的一凹點產生層，其中該凹點產生層於該活性層形成期間幫助該等一或多個V凹點的成長。
  6. 如申請專利範圍第1項之LED，另包含該活性層與該p型GaN層之間的一電子阻擋層。
  7. 如申請專利範圍第1項之LED，其中該p型摻雜物注射層包含一潤濕材料。
  8. 如申請專利範圍第7項之LED，其中該潤濕材料為銦(In)。
  9. 如申請專利範圍第1項之LED，其中該p型摻雜物注射層包含一p型摻雜物。
  10. 如申請專利範圍第9項之LED，其中該p型摻雜物注射層 的該p型摻雜物為鎂(Mg)。
  11. 如申請專利範圍第1項之LED，其中該活性層具有介於大約1x108 cm-2與5x109 cm-2之間的錯位密度。
  12. 一種發光二極體(light emitting diode，LED)，包含：一矽基板；一n-GaN層，其與該矽基板相鄰；一活性層，其與該n-GaN層相鄰；一電子阻擋層，其與該活性層相鄰；以及一p-GaN層，其與該電子阻擋層相鄰，其中該LED包含位於該電子阻擋層與該p-GaN層之間一介面上的Mg和In。
  13. 如申請專利範圍第12項之LED，其中該p-GaN層延伸進入該活性層的一或多個V凹點。
  14. 如申請專利範圍第12項之LED，其中該活性層具有介於大約1x108 cm-2與5x109 cm-2之間的錯位密度。
  15. 一種用於形成一發光二極體(LED)之方法，包含：以一p型摻雜物脈衝摻雜(delta doping)一潤濕層，其中該潤濕層形成與一電子阻擋層相鄰，其中該電子阻擋層形成與一活性層相鄰，其中該活性層形成與一n型III-V族半導體層相鄰，以及其中該n型III-V族半導體層形成與一基板相鄰。
  16. 如申請專利範圍第15項之方法，其中脈衝摻雜包含將該p型摻雜物的一前驅物以脈衝型態加入其中具有該基板的一反應室內。
  17. 如申請專利範圍第15項之方法，其中以介於大約0.1秒與15分鐘之間的持續時間，以脈衝型態加入該p型摻雜物的該前驅物。
  18. 如申請專利範圍第15項之方法，其中該n型III-V族半導體層為一n型氮化鎵。
  19. 一種用於形成一發光二極體(LED)之方法，包含：在一反應室內的一基板之上，形成與一活性層相鄰的一p型III-V族半導體層，該p型III-V族半導體層延伸進入該活性層的一或多個V凹點內，其中該p型III-V族半導體層由以下所形成：以一p型摻雜物脈衝摻雜一潤濕層；以及將一III族物種的來源氣體以及一V族物種的來源氣體導入該反應室內。
  20. 如申請專利範圍第19項之方法，其中在形成該潤濕層之前，形成與該活性層相鄰的一電子阻擋層。
  21. 如申請專利範圍第19項之方法，其中該潤濕層包含銦。
  22. 如申請專利範圍第19項之方法，其中該p型摻雜物為鎂。
TW101135814A 2011-09-29 2012-09-28 具ｐ型摻雜層之發光裝置 TWI557937B (zh)

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