TW201338193A - 具有包含覆蓋結構的銦而以三族氮化物為主之量子井發光裝置結構 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示一種以三族氮化物為主之發光裝置與製造以三族氮化物為主之發光裝置的方法。該等發光裝置包含：一n型三族氮化物層；一以三族氮化物為主之活性區域，其係在該n型三族氮化物層上並且包括至少一個量子井結構；一包含銦之三族氮化物層，其係在該活性區域上；一包含鋁之p型三族氮化物層，其係在包含銦之該三族氮化物層上；一第一接面，其係在該n型三族氮化物層上；與一第二接面，其係在該p型三族氮化物層上。包含銦之該三族氮化物層還可以包含鋁。

Description

具有包含覆蓋結構的銦而以三族氮化物為主之量子井發光裝置結構
本發明係關於微電子裝置及其製造方法，更特定言之，係關於可用於諸如發光二極體(LED)的三族氮化物半導體裝置之結構。
發光二極體已廣泛地用於消費及商業應用。如熟習技術人士所熟知，一發光二極體通常包含一微電子基板上之一二極體區域。該微電子基板可包括(例如)砷化鎵、磷化鎵、其合金、碳化矽及/或藍寶石。LED的持續發展已產生效率高而且機械上強固的光源，其可涵蓋可見光譜及可見光譜之外的部分。該等特徵結合固態裝置之潛在較長使用壽命，可致動各種新的顯示應用，並且可將LED放置在適當位置以與地位穩固的白熾燈競爭。
製造高品質氮化鎵已成為製造以三族氮化物為主之LED(例如以氮化鎵為主之LED)的一個難題。通常將氮化鎵LED製造在藍寶石或碳化矽基板上。此類基板可能會產生基板之晶格與氮化鎵之間的失配。已使用各種技術來克服在藍寶石及/或碳化矽上生長氮化鎵可能遇到的問題。例如，氮化鋁(AlN)可用作一碳化矽基板與一三族活性層(尤其係一氮化鎵活性層)之間的一緩衝層。然而氮化鋁通常具有絕緣性而 非導電性。因此，具有氮化鋁緩衝層的結構通常需要短路接面，其繞過該氮化鋁緩衝層以電連接該導電碳化矽基板至該三族氮化物活性層。
或者，諸如氮化鎵(GaN)、氮化鋁鎵(AlGaN)或氮化鎵與氮化鋁鎵的組合之導電緩衝層材料，可消除通常用於AlN緩衝層之短路接面。消除該短路接面通常可減小磊晶層厚度，降低生產裝置所需要的製造步驟之數量，減小整體晶片尺寸，及/或增加裝置效率。因此，可採用一較低成本生產具有較高性能之三族氮化物裝置。然而，雖然該等導電緩衝材料提供該等優點，但是其晶格與碳化矽的匹配不及氮化鋁之晶格與碳化矽的匹配令人滿意。
在提供高品質氮化鎵中所遇到的上述困難可能會導致較小的裝置效率。嘗試改進以三族氮化物為主之裝置的輸出包含改變該等裝置之活性區域的組態。此類嘗試已包含(例如)使用單一及/或雙重異質結構的活性區域。同樣地，亦已說明具有一或多個三族氮化物量子井之量子井裝置。雖然此類嘗試已改進以三族為主之裝置的效率，但是仍可達到進一步的改進。
本發明之某些具體實施例提供以三族氮化物為主之發光裝置，與製造以三族氮化物為主之發光裝置的方法，該等裝置包含：一n型三族氮化物層；一以三族氮化物為主之活性區域，其係在該n型三族氮化物層上並包含至少一個量子井結構；一包含銦之三族氮化物層，其係在該活性區域上；一包含鋁之p型三族氮化物層，其係在包含銦之該三族氮化物層上；一第一接面，其係在該n型三族氮化物層上；與一第二接面，其係在該p型三族氮化物層上。
在本發明之其他具體實施例中，包含銦之該三族氮化物層還包含鋁。例如，包含銦之該三族氮化物層可包含InAlGaN。包含銦之該三 族氮化物層還可包含InGaN。包含銦之該三族氮化物層的厚度可以從約20至約320 Å。
在本發明之特定具體實施例中，包含銦之該三族氮化物層包含一InAlGaN層，其在遠離該活性區域之一區域中的Al成分高於接近該活性區域之一區域中存在的Al成分。在某些具體實施例中，該InAlGaN層可加以連續分級。在其他具體實施例中，該InAlGaN層可包含具有不同Al及/或In成分的複數個InAlGaN層。
在本發明之其他具體實施例中，包含銦之該三族氮化物層包含一第一InxAlyGa1-x-yN層，其中0<x0.2及0y0.4；與一第二InwAlzGa1-w-zN層，其中0<w0.2及yz<1。該第一層可具有從約10至約200 Å之一厚度，而該第二層可具有從約10至約120 Å之一厚度。在特定具體實施例中，該第一層具有約80 Å之一厚度，x=0.1及y=0.25；而該第二層具有約30 Å之一厚度，w=0.05及z=0.55。
在本發明之另外的具體實施例中，該等發光裝置進一步包含置放在該第二接面與包含鋁之該p型三族氮化物層之間的一p型三族氮化物層。置放在該第二接面與包含鋁之該p型三族氮化物層之間的該p型三族氮化物層還可包含銦。包含鋁之該p型三族氮化物層還可包含銦。
在本發明之某些具體實施例中，該等發光裝置包含置放在該第一接面與該n型三族氮化物層之間的一碳化矽基板。
本發明之某些具體實施例提供發光裝置與製造發光裝置的方法，該等發光裝置包含：一以n型氮化鎵為主之層，其係在一基板上；一以氮化鎵為主之活性區域，其係在該以n型氮化鎵為主之層上並包含至少一個量子井結構；包含銦之一以氮化鎵為主之層，其係在該活性區域上；包含鋁之一以p型氮化鎵為主之層，其係在包含銦之該以氮化鎵為主之層上；一第一接面，其係在該以n型氮化鎵為主之層上；與一第二接面，其係在該以p型氮化鎵為主之層上。
在本發明之特定具體實施例中，該n型氮化鎵層包含該基板上的一n型AlGaN層與該n型AlGaN層上的一n型GaN層。該以氮化鎵為主之活性區域可包含複數個InGaN/GaN量子井。
在本發明之其他具體實施例中，該以p型氮化鎵為主之層包含：在包括銦之該以氮化鎵為主之層上的一p型AlGaN層，與在該p型AlGaN層上的一p型GaN層。該第二接面係在該p型GaN層上。包含銦之該以氮化鎵為主之層可包含一第一InxAlyGa1-x-yN層，其中0<x0.2及0y0.4；與一第二InwAlzGa1-w-zN層，其中0<w0.2及yz<1，。該第一層可具有從約10至約200 Å之一厚度，而該第二層可具有從約10至約120 Å之一厚度。在本發明之特定具體實施例中，該第一層具有約80 Å之一厚度，x=0.1及y=0.25；而該第二層具有約30 Å之一厚度，w=0.05及z=0.55。
在本發明之其他具體實施例中，該基板為一碳化矽基板，而該第一接面係在與該n型AlGaN層相對的該碳化矽基板上。
10‧‧‧基板
11‧‧‧導電緩衝層
12‧‧‧第一摻雜矽GaN層
14‧‧‧第二摻雜矽GaN層
16‧‧‧超晶格結構
17‧‧‧間隔層
18‧‧‧活性區域
22‧‧‧未摻雜GaN及/或AlGaN層
23‧‧‧n型歐姆接觸
24‧‧‧p型歐姆接觸
30‧‧‧AlGaN層
32‧‧‧GaN接觸層
40‧‧‧發光二極體結構
42‧‧‧AlGaN層
100‧‧‧半導體結構
118‧‧‧阻障層
120‧‧‧量子井層
125、225‧‧‧活性區域
218a‧‧‧井支撐層
218b‧‧‧覆蓋層
220‧‧‧量子井層
221‧‧‧結構
318‧‧‧阻障層
320‧‧‧量子井層
325‧‧‧活性區域
400‧‧‧半導體結構
結合附圖閱讀以上特定具體實施例之詳細說明，將更輕易地瞭解本發明之其他特徵，其中：圖1為併入本發明之具體實施例的一三族氮化物發光二極體之一示意性解說；圖2為併入本發明之其他具體實施例的一三族氮化物發光二極體之一示意性解說；圖3為依據本發明之另外具體實施例的一量子井結構與一多重量子井結構之一示意性解說；以及圖4為併入本發明之其他具體實施例的一三族氮化物發光二極體之一示意性解說。
以下將參考顯示本發明之具體實施例的附圖來更全面地說明本發明。然而本發明不應視為限於本文所提出的具體實施例。更正確地說，所提供的該等具體實施例將使得此揭示內容將更詳盡而完整，並將完全傳達本發明之範疇給熟習技術人士。在圖式中，為了清楚起見而誇大各層與區域的厚度。在所有圖式中，相同數字指相同元件。本文所用的術語"及/或"包含相關聯的列舉項目之一或多個項目的任何及全部組合。
本文所用的術語係僅基於說明特定具體實施例之目的，而不希望限制本發明。希望本文所用的單數形式"一"、"一個"及"該"亦包含複數形式，除非上下文清楚地指示其他情況。應進一步瞭解術語"包括"及/或"包含"在用於此說明書時規定所述特徵、整數、步驟、元件及/或組件之存在，但是並不排除存在或增加一或多個其他特徵、整數、步驟、操作、元件、組件及/或其群組。
應瞭解，當諸如一層、區域或基板之一元件係指"在"或延伸"至"另一元件"上"時，其可直接在或直接延伸至其他元件上，或亦可存在中間元件。相反，當一元件係指"直接在"或"直接延伸至"另一元件"上"時，則不存在中間部件。還應瞭解，當一元件係指"連接"或"耦合"至另一元件時，其可以直接連接或耦合至另一元件，或可存在中間部件。相反，當一元件係指"直接連接"或"直接耦合"至另一元件時，則不存在中間部件。在整個說明書中相同編號指相同元件。
應瞭解，雖然術語第一、第二等可在本文中用以說明各元件、組件、區域、層及/或區段，但是該等術語不應限制該等元件、組件、區域、層及/或區段。該等術語係僅用以將一個元件、組件、區域、層或區段與另一個元件、組件、區域、層或區段區分。因此，以下說明之一第一元件、組件、區域、層或區段可稱為一第二元件、組件、區域、層或區段，而不脫離本發明之教導內容。
此外，例如"較低"或"底部"及"較高"或"頂部"之相對術語，可在本文中用來說明圖式所解說的一個元件與另一個元件的關係。應瞭解，除圖式所描述的方向以外，相對術語也包含該裝置之不同方向。例如，若顛倒圖式中的裝置，則說明為在其他元件之"較低"側上的元件將定向為在該等其他元件之"較高"側上。因此，示範性術語"較低"可包含"較低"及"較高"之方向，此取決於圖式的特定方向。同樣地，若顛倒該等圖式之一圖式中的裝置，則說明為在其他元件"下面"或"下方"之元件將定向為在該等其他元件"上面"。因此示範性術語"下面"或"下方"可包含上面與下面方向。
本文參考為本發明之理想具體實施例之示意性解說的斷面圖解來說明本發明之具體實施例。同樣地，可預期圖解的形狀因(例如)製造技術及/或公差而發生變化。因此本發明之具體實施例不應解釋為受限於本文所解說的特定區域形狀，而應包含(例如)因製造而產生的形狀偏差。例如，解說或說明為矩形的蝕刻區域將通常具有圓形或彎曲特徵。因此，圖中解說的區域本質上為示意性，而且其形狀並不說明一裝置區域之精確形狀及限制本發明之範疇。
除非另外定義，否則本文所用的全部術語(包含技術及科學術語)具有與熟習本發明所屬技術之人士所共同瞭解者相同的含意。應進一步瞭解，術語(例如通用詞典所定義的術語)應視為具有與其在相關技術之背景中的含意一致之含意，而且將不視為具有理想或過度正式的意義，除非本文如此清楚地定義。
熟習技術人士亦應瞭解，對置放成"鄰近於"另一部件的結構或特徵之參考，可具有與鄰近部件重疊或在其下面的部分。
雖然本文所揭示的LED之各具體實施例包含一基板，但是熟習技術人士應瞭解，可以移除其上生長包括一LED之磊晶層的晶體磊晶生長基板，並且可將獨立式磊晶層安裝於可具有優於原始基板之熱、電 性、結構及/或光學特徵的替代載體基板或子基板上。本文說明的本發明不限於具有晶體磊晶生長基板之結構，而可結合磊晶層已從其原始生長基板移除並且焊接於替代載體基板的結構來加以利用。
將參考解說一發光二極體(LED)結構40之圖1來說明本發明之具體實施例。圖1之LED結構40包含一基板10，其較佳為4H或6H n型碳化矽。基板10亦可包括藍寶石、塊狀氮化鎵或另一合適的基板。圖1之LED結構40中也包含一層狀半導體結構，其包括基板10上的以氮化鎵為主之半導體層。也就是說，所解說的該LED結構40包含以下各層：一導電緩衝層11、一第一摻雜矽GaN層12、一第二摻雜矽GaN層14、包含交替摻雜矽GaN及/或InGaN層之一超晶格結構16、可由一多重量子井結構所提供之一活性區域18、一未摻雜GaN及/或AlGaN層22、採用一p型雜質摻雜之一AlGaN層30、與亦採用一p型雜質摻雜之一GaN接觸層32。該結構進一步包含該基板10上之一n型歐姆接觸23，與該接觸層32上之一p型歐姆接觸24。
緩衝層11較佳為n型AlGaN。碳化矽材料與三族氮化物材料之間的緩衝層之範例係提供在美國專利第5,393,993及5,523,589號，以及讓渡給本發明之受讓人的美國申請案序號09/154,363中，該申請案標題為"垂直幾何結構InGaN發光二極體(Vertical Geometry InGaN Light Emitting Diode)"，其全部揭示內容係以引用的方式併入本文中。同樣地，本發明之具體實施例還可包含以下結構：例如美國專利第6,201,262號中所說明的結構，標題為"具有導電緩衝中間結構之碳化矽基板上的三族氮化物光子裝置(Group III Nitride Photonic Devices on Silicon Carbide Substrates With Conductive Buffer Interlay Structure)"，其全部揭示內容係以引用的方式併入本文中。
GaN層12的厚度較佳在約500與4000nm之間(包含500與4000nm)，而且最佳為約1500nm。可採用具有約5×1017至5×1018cm-3之 一位準的矽來摻雜GaN層12。GaN層14的厚度較佳在約10與500 Å之間(包含10與500 Å)，而且最佳為約80 Å。可採用具有小於約5×1019cm-3之一位準的矽來摻雜GaN層14。
如圖1所解說，依據本發明之具體實施例的一超晶格結構16包含交替InXGa1-XN及InYGa1-YN的層，其中X係在0與1之間(包含0與1)，並且X不等於Y。較佳而言，X=0並且交替InGaN層之各層的厚度為約5至40 Å(包含5及40 Å)，而交替GaN層之各層的厚度為約5至100 Å(包含5及100 Å)。在某些具體實施例中，GaN層的厚度為約30 Å，而InGaN層的厚度為約15 Å。該超晶格結構16可包含從約5至約50個週期(其中一個週期等於包括超晶格的InXGa1-XN層及InYGa1-YN層之各層的一次重複)。在一項具體實施例中，該超晶格結構16包括25個週期。在另一項具體實施例中，該超晶格結構16包括10個週期。然而，可藉由(例如)增加個別層的厚度而減小週期的數量。因此，舉例而言，雙倍的層厚度可用於半數的週期。或者，該等週期的數量與厚度可以彼此不相關。
較佳的係採用一n型雜質來摻雜該超晶格16，該雜質例如可為具有從約1×1017cm-3至約5×1019cm-3之位準的矽。此類摻雜位準可以為該超晶格16之該等層的實際摻雜或平均摻雜。若此類摻雜位準為一平均摻雜位準，則其可有利於提供鄰近於該超晶格結構16之摻雜層，該等摻雜層提供所需的平均摻雜，該等鄰近層係在該等鄰近層與該超晶格結構16上予以平均摻雜。藉由提供基板10與活性區域18之間的該超晶格16，可提供一較佳表面，其上生長以InGaN為主之活性區域18。雖然不希望受到任何操作理論的約束，但是本發明者咸信該超晶格結構16中的應變效應可提供一生長表面，其有益於生長包含一高品質InGaN的活性區域。此外，已知該超晶格會影響該裝置之工作電壓。適當地選擇超晶格厚度及成分參數可以降低工作電壓並增加光學效率。
該超晶格結構16可在一氮氣或其它氣體環境中生長，此致動該結構中較高品質InGaN層的生長。藉由在一氮氣環境中的一摻雜矽GaN層上生長一摻雜矽InGaN/GaN超晶格，可實現在最佳化應變下具有改良結晶性及導電率之結構。
在本發明之某些具體實施例中，該活性區域18可包括一單一或多個量子井結構，以及單一或雙重異質接面活性區域。在本發明之特定具體實施例中，該活性區域18包括一多重量子井結構，其包含由阻障層(圖1中未顯示)所分離的多個InGaN量子井層。
層22係提供在活性區域18上並較佳為厚度在0與120 Å(包含0與120 Å)之間的未摻雜GaN或AlGaN。本文所用的未摻雜指未有意摻雜。層22的厚度較佳為約35 Å。若層22包括AlGaN，則此層中的鋁百分比較佳為約10至30%，最佳為約24%。層22中的鋁位準也可以逐步或連續降低的方式加以分級。層22可以在高於量子井區域中的生長溫度之溫度下加以生長，以便改進層22之晶體品質。可將另外的未摻雜GaN或AlGaN層包含在層22附近。例如，LED 1可包含該活性區域18與該層22之間的另一未摻雜AlGaN層，其厚度約6至9 Å。
將採用一p型雜質(例如鎂)摻雜之一AlGaN層30提供在層22上。AlGaN層30的厚度可以在約0與300 Å之間(包含0與300 Å)，較佳為約130 Å。一p型GaN接觸層32係提供在該層30上並且其厚度較佳為約1800 Å。將歐姆接觸24及25分別提供在該p-GaN接觸層32及該基板10上。
圖2解說併入一多重量子井活性區域的本發明之其他具體實施例。圖2解說的本發明之具體實施例包含一層狀半導體結構100，其包括生長在一基板10上的以氮化鎵為主之半導體層。如以上所說明，該基板10可以為SiC、藍寶石或塊狀氮化鎵。如圖2所解說，依據本發明之特定具體實施例的LED可包含一導電緩衝層11、一第一摻雜矽GaN 層12、一第二摻雜矽GaN層14、包括交替摻雜矽GaN及/或InGaN層之一超晶格結構16、包括一多重量子井結構之一活性區域125、一未摻雜GaN或AlGaN層22、採用一p型雜質摻雜之一AlGaN層30、及亦採用一p型雜質摻雜之一GaN接觸層32。該等LED可進一步包含該基板10上之一n型歐姆接觸23，與該接觸層32上之一p型歐姆接觸24。在該基板10為藍寶石的本發明之具體實施例中，將該n型歐姆接觸23提供在n型GaN層12及/或n型GaN層14上。
如以上參考圖1所說明，緩衝層11較佳為n型AlGaN。同樣地，GaN層12的厚度較佳係在約500與4000 nm之間(包含500與4000 nm)，並且最佳為約1500 nm。可以採用具有約5×1017至5×1018cm-3之一位準的矽來摻雜GaN層12。GaN層14的厚度較佳係在約10與500 Å之間(包含10與500 Å)，並且最佳為約80 Å。可採用具有小於約5×1019cm-3之一位準的矽來摻雜GaN層14。如以上參考圖1所說明，還可提供該超晶格結構16。
該活性區域125包括一多重量子井結構，其包含由阻障層118所分離的多個InGaN量子井層120。該等阻障層118包括InXGa1-XN，其中1X<1。該等阻障層118之銦成分較佳的係少於該等量子井層120之銦成分，以便該等阻障層118具有一高於該等量子井層120之帶隙。該等阻障層118與量子井層120可以為未摻雜層(也就是說未有意採用諸如矽或鎂之雜質原子加以摻雜)。然而，需要採用具有小於5×1019cm-3之位準的矽來摻雜該等阻障層118，尤其係在需要紫外線發光的情況下。
在本發明之其他具體實施例中，該等阻障層118包括AlXInYGa1-X-YN，其中0<X<1、1Y<1以及X+Y1。藉由將鋁包含在該等阻障層118之晶體中，該等阻障層118可與該等量子井層120進行晶格匹配，從而提供該等量子井層120中改進的晶體品質，此會增加該裝置之發光效率。
參考圖3，其解說提供一以氮化鎵為主之裝置之一多重量子井結構的本發明之具體實施例。圖3所解說的該多重量子井結構可提供圖1及/或圖2所解說的該等LED之該活性區域。如圖3所示，一活性區域225包括一週期性重複結構221，其包括具有高晶體品質之一井支撐層218a、一量子井層220與一覆蓋層218b，其作為用於該量子井層220之一保護性覆蓋層。當生長結構221時，該覆蓋層218b與該井支撐層218a一起形成鄰近量子井220之間的該阻障層。該高品質井支撐層218a較佳的係在高於生長該InGaN量子井層220所用的溫度之一溫度下生長。在本發明之某些具體實施例中，採用比該覆蓋層218b慢的生長速率生長該井支撐層218a。在其他具體實施例中，可在較低溫度生長程序期間使用較低的生長速率，而在較高溫度生長程序期間使用較高的生長速率。例如，為了達到用於生長該InGaN量子井層220之一較高品質表面，該井支撐層218a可在約700與900℃之間的一生長溫度下生長。接著，將生長室的溫度降低約0至約200℃，以允許生長高品質InGaN量子井層220。然後，在將溫度保持在較低InGaN生長溫度時，可生長該覆蓋層218b。依此方式，可製造包括高品質InGaN層之一多重量子井區域。
圖2及3之該等活性區域125及225較佳係在一氮氣環境中生長，此可提供較高的InGaN晶體品質。該阻障層118、該井支撐層218a及/或該覆蓋層218b的厚度可在約50至400 Å之間(包含50與400 Å)。該等井支撐層218a及該等覆蓋層218b之對應層的組合厚度可以從約50至400 Å(包含50與400 Å)。該等阻障層118、該等井支撐層218a及/或該等覆蓋層218b的厚度較佳的係大於約90 Å，而且最佳為約225 Å。此外，該等井支撐層218a較佳的係比該等覆蓋層218b厚。因此，該等覆蓋層218b較佳的係盡可能薄，同時仍可減少銦從該等量子井層220的脫附或該等量子井層的降級。該等量子井層120及220的厚度可以在約10至50 Å之 間(包含10與50 Å)。該等量子井層120及220的厚度較佳的係大於20 Å，而且最佳為約25 Å。可改變該等量子井層120及220中的銦厚度及百分比以產生具有一所需波長之光線。量子井層120及220中的該銦百分比通常為約25%至30%；然而根據所需的波長，該銦百分比已從約5%改變為約50%。
在本發明之較佳具體實施例中，該超晶格結構16之帶隙超過該等量子井層120之帶隙。達到此點可藉由調整該超晶格16中銦之平均百分比。應選擇該等超晶格層之厚度(或週期)與該等層之平均銦百分比，以便該超晶格結構16之帶隙大於該等量子井120之帶隙。藉由將該超晶格16之該帶隙保持為高於該等量子井120之該帶隙，可以最小化該裝置中不合需要的吸收並可最大化光發射。該超晶格16之該帶隙可以從約2.95 eV至約3.35 eV。在一較佳具體實施例中，該超晶格16之帶隙可以為約3.15 eV。
在本發明之另外的具體實施例中，圖2所解說的該LED結構包含置放在該超晶格16與該活性區域125之間的一間隔層17。該間隔層17較佳的係包括未摻雜GaN。該摻雜超晶格16與該活性區域125之間的該選擇性間隔層17之存在可阻止矽雜質被併入該活性區域125中。此依次可改進該活性區域125之材料品質，此提供更一致的裝置性能與較佳的均勻性。同樣地，還可將一間隔層提供在圖1所解說的該LED結構中，該間隔層其係在該超晶格16與該活性區域18之間。
返回至圖2，可將該層22提供在該活性區域125上，層22較佳為厚度在約0與120 Å之間(包含0與120 Å)的未摻雜GaN或AlGaN層。該層22的厚度較佳為約35 Å。若該層22包括AlGaN，則此類層中的鋁百分比較佳為約10%至30%，並且最佳為約24%。該層22中的鋁位準也可以逐步或連續降低方式加以分級。層22可以在高於該活性區域125中的生長溫度之一溫度下生長，以便改進該層22之晶體品質。可以將另外的未 摻雜GaN或AlGaN層包含在層22附近。例如，圖2所解說的該LED可包含厚度約6至9 Å之另一未摻雜AlGaN層，其係在該等活性區域125與該層22之間。
將採用一p型雜質(例如鎂)摻雜之一AlGaN層30提供在層22上。該AlGaN層30的厚度可以在約0與300 Å之間(包括0與300 Å)，並且較佳為約130 Å。一p型GaN接觸層32係提供在該層30上並且其厚度較佳為約1800 Å。將歐姆接觸24及25分別提供在該p-GaN接觸層32及該基板10上。
圖4解說併入三族氮化物層的本發明之其他具體實施例，該氮化物層併入該裝置之該活性區域上的銦。例如，可提供一InAlGaN覆蓋結構。圖4所解說的本發明之具體實施例包含一層狀半導體結構400，其包括生長在一基板10上的以氮化鎵為主之半導體層。如上所說明，該基板10可以為SiC、藍寶石或塊狀氮化鎵。在本發明之特定具體實施例中，該基板10為一SiC基板，其具有從約50至約800 μm之一厚度，並且在某些具體實施例中該厚度為約100 μm。
如圖4所解說，依據本發明之特定具體實施例的LED可包含一導電緩衝層11、一第一摻雜矽GaN層12、一第二摻雜矽GaN層14、包括交替摻雜矽GaN及/或InGaN層之一超晶格結構16、包括一多重量子井結構之一活性區域125、一未摻雜AlInGaN層40、採用一p型雜質摻雜之一AlGaN層30、與亦採用一p型雜質摻雜之一GaN接觸層32。該等LED可進一步包含該基板10上之一n型歐姆接觸23，與該接觸層32上之一p型歐姆接觸24。在該基板10為藍寶石的本明之具體實施例中，將該n型歐姆接觸23提供在n型GaN層12及/或n型GaN層14上。
如以上參考圖1及2所說明，該緩衝層11可以為n型AlGaN。例如，該緩衝層11可以為採用Si摻雜並具有從約100至約10,000 Å之厚度的AlGaN。在某些具體實施例中，該厚度為約1500 Å。GaN層12可採用 矽摻雜並具有從約5000至約50,000 Å之厚度(包含5000及50,000 Å)，而且在特定具體實施例中，該厚度為約18,000 Å。可以採用具有約5×1017至5×1018cm-3之一位準的矽來摻雜該GaN層12。如以上參考圖1所說明，還可提供該超晶格結構16。例如，該超晶格結構16可具有從3至35個InGaN/GaN週期。該等週期的厚度可以從約30至約100 Å。在本發明之特定具體實施例中，二十五(25)個InGaN/GaN週期具有約70 Å之層週期厚度，及約15 Å之GaN或InGaN層厚度，另一層補充剩餘厚度。
該活性區域325可包含一多重量子井結構，其包含由阻障層318所分離的多個InGaN量子井層320。該等阻障層318包括InXGa1-XN，其中0X<1。該等阻障層318之銦成分較佳的係少於該等量子井層320之銦成分，以便該等阻障層318具有一高於該等量子井層320之帶隙。該等阻障層318與量子井層320可以為未摻雜層(也就是說未有意採用諸如矽或鎂之一雜質原子加以摻雜)。然而，需要採用具有小於5×1019cm-3之一位準的矽來摻雜該等阻障層318，尤其係在需要紫外線發光的情況下。
在本發明之其他具體實施例中，該等阻障層318包括AlXInYGa1-X-YN，其中0<X<1、0Y<1以及X+Y1。藉由將鋁包含在該等阻障層318之晶體中，該等阻障層318可與該等量子井層320進行晶格匹配，從而提供該等量子井層320中改進的晶體品質，此會增加該裝置之發光效率。
如圖3所解說及以上參考圖1至圖3所說明，還可提供該活性區域325。在本發明之特定具體實施例中，該活性區域325包含3或多個量子井，並且在某些具體實施例中，可提供八(8)個量子井。該量子井結構之厚度可以從約30至約250 Å。在本發明之特定具體實施例中，一量子井結構之厚度可以為約120 Å，而該井層之厚度為約25 Å。
圖4所解說的該LED結構還可包含置放在該超晶格16與該活性區 域325之間的一間隔層，如以上所說明。
返回至圖4，可將包含銦之一三族氮化物覆蓋層40提供在該活性區域325上，更明確言之，可將其提供在該活性區域325之該量子井320上。該三族氮化物覆蓋層40可包含InAlGaN，其厚度係在約10與320 Å之間(包含10與320 Å)。該覆蓋層40可具有均勻成分、多層不同成分及/或分級成分。在本發明之特定具體實施例中，該覆蓋層40包含一第一覆蓋層，其具有一InxAlyGa1-x-yN成分，其中0<x0.2及0y0.4，並具有從約10至約200 Å之一厚度；與一第二覆蓋層，其具有一InwAlzGa1-w-zN成分，其中0<w0.2及yz<1，並具有從約10至約120 Å之一厚度。在本發明之某些具體實施例中，該第一覆蓋層具有約80 Å之一厚度，其中x=0.1及y=0.25；而該第二覆蓋層具有約30 Å之一厚度，其中w=0.05及z=0.55。該覆蓋層40可以在高於該活性區域325中的生長溫度之一溫度下生長，以便改進該層40之晶體品質。可以將另外的未摻雜GaN或AlGaN層包含在層40附近。例如，可將一薄GaN層提供在最後量子井層與該覆蓋層40之間。包含銦之該覆蓋層40可與該活性區域325之該等量子井進行更接近的晶格匹配，並可提供從該活性區域325之晶格結構至該等p型層之晶格結構的一轉換。此類結構可產生該裝置之較大亮度。
將採用一p型雜質(例如鎂)摻雜之一AlGaN電洞注入層42提供在該覆蓋層40上。該AlGaN層42的厚度可以在約50與2500 Å之間(包含50與2500 Å)，並且在特定具體實施例中該厚度為約150 Å。該AlGaN層42可具有AlGa1-xN成分，其中0x0.4。在本發明之特定具體實施例中，對於該AlGaN層42而言，x=0.23。可採用鎂摻雜該AlGaN層42。在本發明之某些具體實施例中，該層42還可包含銦。
一p型GaN接觸層32係提供在該層42上並且其厚度可以為約250至約10,000 Å，而且在某些具體實施例中該厚度可以為約1500 Å。在某 些具體實施例中，該接觸層32還可包含銦。將歐姆接觸24及25分別提供在該p-GaN接觸層32及該基板10上。
在本發明之某些具體實施例中，可將包含銦的覆蓋層40提供在以下發光裝置中：例如美國臨時專利申請案序號＿＿＿(律師檔案號碼5308-463PR)，標題為"用於p型氮化物發光裝置之超薄歐姆接觸(ULTRA-THIN OHMIC CONTACTS FOR P-TYPE NITRIDE LIGHT EMITTING DEVICES)"，並同時於此歸檔；美國專利申請案序號＿＿＿(律師檔案號碼5308-468)，標題為"具有反射焊墊之發光裝置及製造具有反射焊墊之發光裝置的方法(LIGHT EMITTING DEVICES HAVING A REFLECTIVE BOND PAD AND METHODS OF FABRICATING LIGHT EMITTING DEVICES HAVING REFLECTIVE BOND PADS)"，並同時於此歸檔；美國專利第6,664,560號；美國專利申請案序列號＿＿＿(律師檔案號碼5308-457)，標題為"具有電流阻隔結構之發光裝置及製造具有電流阻隔結構之發光裝置的方法(LIGHT EMITTING DEVICES HAVING CURRENT BLOCKING STRUCTURES AND METHODS OF FABRICATING LIGHT EMITTING DEVICES HAVING CURRENT BLOCKING STRUCTURES)"，於2004年6月30日提出申請；美國專利文獻第2003/0123164號，標題為"包含用於光擷取之基板修改的發光二極體及其製造方法(LIGHT EMITTING DIODES INCLUDING SUBSTRATE MODIFICATIONS FOR LIGHT EXTRACTION AND MANUFACTURING METHODS THEREFOR)；及/或美國專利文獻第2003/0168663號，標題為"用於包含實質上由鎳組成的一層之氮化矽的反射歐姆接觸、其製造方法及包含其之發光裝置(REFLECTIVE OHMIC CONTACTS FOR SILICON CARBIDE INCLUDING A LAYER CONSISTING ESSENTIALLY OF NICKEL,METHODS FOR FABRICATING SAME,AND LIGHT EMITTING DEVICES INCLUDING THE SAME"，其全部揭示內容係以引用的方式併入本文中。
對具有帶及不帶含銦覆蓋層(尤其係InAlGaN覆蓋層)的裝置之LED晶圓進行場致發光(EL)測試，如圖4所解說。該EL測試為晶圓上測試，其測量LED磊晶結構之亮度。此測試不受LED製造方法、晶片成形或封裝方法的影響。對大約176個具有包括含銦層的結構之晶圓及615個沒有含銦層的晶圓進行了測試。兩種結構係連續生長於若干反應器上。該等反應器本質上係相同的(也就是說，無一反應器為增加亮度而進行過任何特殊修改，所有反應器已經並繼續適合於生產用途)。來自該等晶圓的資料已得到儲存，並顯示具有含銦層的結構比沒有含銦層的結構亮近1.15至1.25倍。
雖然已採用多個量子井而說明本發明之具體實施例，但是也可在單一量子井結構中達到本發明之原理的利益。因此，例如可提供一發光二極體，而將單一出現的圖3之結構221作為該裝置之活性區域。因此，雖然依據本發明可利用不同數量的量子井，但是量子井之數量範圍通常為1至10。
雖然已參考以氮化鎵為主之裝置而說明本發明之具體實施例，但是亦可在其他三族氮化物中提供本發明之原理及利益。因此，本發明之具體實施例提供以三族氮化物為主之超晶格結構、量子井結構及/或具有超晶格及/或量子井的以三族氮化物為主之發光二極體。
在圖式與說明書中，已揭示本發明之典型較佳具體實施例，雖然使用特定術語，但是所使用的該等術語僅具有一般性及說明性意義，而非基於限制之目的，本發明之範疇係在以下申請專利範圍中提出。
10‧‧‧基板
11‧‧‧導電緩衝層
12‧‧‧第一摻雜矽GaN層
14‧‧‧第二摻雜矽GaN層
16‧‧‧超晶格結構
18‧‧‧活性區域
22‧‧‧未摻雜GaN及/或AlGaN層
23‧‧‧n型歐姆接觸
24‧‧‧p型歐姆接觸
30‧‧‧AlGaN層
32‧‧‧GaN接觸層
40‧‧‧發光二極體結構

Claims (28)

  1. 一種發光二極體，其包括：一n型三族氮化物層；在該n型三族氮化物層上之一三族氮化物發光二極體活性區域，其中由於在其中之載體重新組合，該發光二極體活性區域提供光子發射；及在該發光二極體活性區域上相對於該n型三族氮化物層之一未摻雜四元三族氮化物覆蓋層，其中該未摻雜四元三族氮化物覆蓋層係不同於該活性區域。
  2. 如請求項1之發光二極體，其中該四元三族氮化物覆蓋層係直接在一二元三族氮化物層上。
  3. 如請求項2之發光二極體，進一步包括：在該四元三族氮化物覆蓋層上且遠離該三族氮化物發光二極體活性區域之一三元p型三族氮化物層。
  4. 如請求項3之發光二極體，其中該未摻雜四元三族氮化物覆蓋層包括銦。
  5. 如請求項4之發光二極體，其中該未摻雜四元三族氮化物覆蓋層進一步包括鋁。
  6. 如請求項5之發光二極體，其中該未摻雜四元三族氮化物覆蓋層包括一未摻雜氮化銦鋁鎵InAlGaN層。
  7. 如請求項6之發光二極體，其中該二元三族氮化物層包括介於該發光二極體活性區域與該未摻雜四元三族氮化物覆蓋層之間之一未摻雜氮化鎵GaN層。
  8. 如請求項6之發光二極體，其中該未摻雜InAlGaN層得以連續分級。
  9. 如請求項6之發光二極體，其中該未摻雜InAlGaN層包括具有不同鋁Al成分之複數個未摻雜InAlGaN子層。
  10. 如請求項9之發光二極體，其中遠離該發光二極體活性區域之該複數個未摻雜InAlGaN子層之至少一者具有一鋁Al成分，其大於目前在近接該發光二極體活性區域之該複數個未摻雜InAlGaN子層之至少一者中之一鋁成分。
  11. 如請求項9之發光二極體，其中該三元p型三族氮化物層之一Al成分係小於直接在該複數個未摻雜InAlGaN子層上之一者之一Al成分。
  12. 如請求項3之發光二極體，其中該四元三族氮化物覆蓋層提供從該發光二極體活性區域之一晶格結構至在該三元p型層上之一晶格結構之一轉換，及其中由於在其中之載體重新組合，該四元三族氮化物覆蓋層不提供光子發射。
  13. 如請求項3之發光二極體，進一步包括：在相對於該未摻雜四元三族氮化物覆蓋層之該三元p型三族氮化物層上之一二元p型三族氮化物層；及在相對於該三元p型三族氮化物層之該二元p型三族氮化物層上之一第二接觸。
  14. 如請求項2之發光二極體，其中該發光二極體活性區域包括一包含交替氮化銦鎵InGaN/氮化鎵GaN層之多量子井結構，及其中該二元三族氮化物層包括該多量子井結構之一GaN層。
  15. 如請求項1之發光二極體，其中該發光二極體活性區域包括至少一量子井層，及其中該未摻雜四元三族氮化物覆蓋層具有一帶隙，其高於該發光二極體活性區域之該至少一量子井結構之一帶隙。
  16. 如請求項1之發光二極體，其中該未摻雜四元三族氮化物覆蓋層 具有一晶體品質，其高於該發光二極體活性區域之一晶體品質。
  17. 如請求項1之發光二極體，進一步包括：一以三族氮化物為主之超晶格，其包含介於該n型三族氮化物層與該活性區域之間之以交替三族氮化物為主之層的至少二個週期，其中該以交替三族氮化物為主之層的至少一者包括銦。
  18. 一種發光二極體，其包括：一n型三族氮化物層；在該n型三族氮化物層上之一三族氮化物發光二極體活性區域，該發光二極體活性區域包括一包含交替量子井層與四元阻障層之多量子井結構；及在該發光二極體活性區域上相對於該n型三族氮化物層之一四元三族氮化物覆蓋層。
  19. 如請求項18之發光二極體，其中該四元三族氮化物覆蓋層係直接在該發光二極體活性區域之一四元阻障層上。
  20. 如請求項19之發光二極體，進一步包括：直接在該四元三族氮化物覆蓋層上且遠離該發光二極體活性區域之一三元p型三族氮化物層。
  21. 如請求項18之發光二極體，進一步包括：介於該發光二極體活性區域與該四元三族氮化物覆蓋層之間的一二元三族氮化物層，其中該四元三族氮化物覆蓋層係直接在該二元三族氮化物層上。
  22. 如請求項21之發光二極體，其中該四元三族氮化物覆蓋層係未摻雜，及其中該二元三族氮化物層包括一未摻雜GaN層。
  23. 如請求項18之發光二極體，其中該四元三族氮化物覆蓋層具有一帶隙，其高於該發光二極體活性區域之該至少一量子井結構之一 帶隙。
  24. 如請求項23之發光二極體，其中該四元三族氮化物覆蓋層包括該發光二極體活性區域之一阻障層。
  25. 如請求項18之發光二極體，其中該等量子井層包括氮化銦鎵InGaN，其中該等四元阻障層包括氮化鋁銦鎵AlInGaN，及其中該等阻障層之一銦In成分係小於該等量子井層之一銦In成分。
  26. 如請求項25之發光二極體，其中該四元三族氮化物覆蓋層包括銦。
  27. 如請求項26之發光二極體，其中該四元三族氮化物覆蓋層進一步包括鋁。
  28. 如請求項25之發光二極體，其中該四元三族氮化物覆蓋層包括一氮化銦鋁鎵InAlGaN層。
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