TW201351688A - 發光二極體及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

提供一種高亮度的發光二極體，其不包含P型氮化鎵層。此發光二極體依序包含N型半導體層、多重量子井層、P型氮化銦鎵(lnGaN)層以及氧化銦錫層。氧化銦錫層之晶粒尺寸介於5埃至1000埃間。在此亦提供一種製造高亮度發光二極體的方法。

Description

發光二極體及其製造方法
本發明是有關於一種發光二極體及其製造方法，且特別是有關於一種高亮度發光二極體及其製造方法。
發光二極體(light emitting diode)為一種具有N型半導體與P型半導體接合的光電轉換裝置(photoelectric conversion device)，其係藉由電子與電洞的再結合而發光。目前，因發光二極體的使用壽命長且體積小，故已廣泛地應用於背光模組與照明領域。
其中，又以氮化鎵基底(GaN-based)的發光二極體最具代表性。氮化鎵基底的發光二極體包含N型氮化鎵層、多重量子井層(或主動層)及P型氮化鎵層之發光單元(light emitting cell)。然而，各層材料皆會吸收主動層所發出的光，導致出光率降低。
因此，仍需一種改良之發光二極體及其製造方法，以期能提高發光二極體的出光率，而可解決現有技術所面臨的問題。
本發明之一態樣係提供一種具有高亮度的發光二極體，其不包含P型氮化鎵層。此發光二極體包含N型半導體層、多重量子井層、P型氮化銦鎵層以及氧化銦錫層。此氧化銦錫層之晶粒尺寸介於5埃至1000埃間。N型半導 體層設置於基板上。多重量子井層設置於N型半導體層上。P型氮化銦鎵層設置於多重量子井層上。氧化銦錫層設置於P型氮化銦鎵層上。
本發明之另一態樣是在提供一種製造高亮度的發光二極體的方法，其包含下列步驟：提供一基板。形成N型半導體層於基板上。形成多重量子井層於N型半導體層上。形成P型氮化銦鎵層於多重量子井層上。形成氧化銦錫層於P型氮化銦鎵層上，此氧化銦錫層之晶粒尺寸介於5埃至1000埃間。
以下將以圖式揭露本發明之複數個實施方式，為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本發明。也就是說，在本發明部分實施方式中，這些實務上的細節是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之。
第1圖係顯示依照本發明一實施方式之一種發光二極體的示意圖。本發明之一態樣是在提供一種具有高亮度的發光二極體，且其未包含P型氮化鎵層。發光二極體100依序包含N型半導體層130、多重量子井層140、P型氮化銦鎵(InGaN)層150以及氧化銦錫層170。
N型半導體層130設置於基板110上。基板110之材料可為玻璃、石英、藍寶石、碳化矽、氮化鎵、氮化鋁或其它合適的材料。N型半導體層130可依序使用化學氣相 沈積製程及摻雜製程來形成。N型半導體層130的材料可為III-V族半導體化合物，如摻雜矽之氮化鎵化合物，但不限於此。
在一實施方式中，更包含未摻雜氮化鎵(U-GaN)層120夾設於N型半導體層130及基板110間。未摻雜氮化鎵層120可使用化學氣相沈積製程來形成，其係用以做為緩衝層。
多重量子井層140設置於N型半導體層130上。在一實施方式中，多重量子井層140為氮化銦鎵層與氮化鎵層相互堆疊而形成的結構，可利用化學氣相沈積製程來形成。多重量子井層140係用來侷限載子於量子井中，而可提昇發光強度。
P型氮化銦鎵層150設置於多量子井140層上。P型氮化銦鎵層中的P型雜質係選自由鈹、鎂及其組合所構成之群組。為了降低P型氮化銦鎵層150的光吸收量，因此，在一實施方式中，P型氮化銦鎵層150之厚度介於5埃至1000埃間，較佳為5埃至20埃間。換言之，減薄的P型氮化銦鎵層150有助於大幅降低對光的吸收量，而可提昇發光二極體100的出光率。
氧化銦錫層170設置於P型氮化銦鎵層150上。氧化銦錫層170用以使電流能夠均勻分布。由上述可知，為了減少P型氮化銦鎵層150的光吸收量，而降低了P型氮化銦鎵層150的厚度，但會因此喪失電流散佈的功能。所以，在一實施方式中，氧化銦錫層170係以濺鍍製程形成。這是因為與蒸鍍製程相較之下，濺鍍製程可形成品質較佳且較為緻密的氧化銦錫層170，而有助於大幅提昇電流均勻 分布的功能。在一實施方式中，氧化銦錫層170之晶粒尺寸介於5埃至1000埃間。並且在形成相同氧化銦錫層170的厚度之下，以濺鍍製程形成的氧化銦錫層170的表面電阻會比以蒸鍍製程形成的氧化銦錫層170的表面電阻更低。因此，在一實施方式中，氧化銦錫層170之表面電阻介於100歐姆/平方至5歐姆/平方間。在一實施方式中，氧化銦錫層170之厚度介於5埃至1000埃間。換言之，減薄的氧化銦錫層170可減少吸光，並且又具有足夠低的表面電阻與良好的電流散佈效果。此外，氧化銦錫層170與P型氮化銦鎵層150間具有良好的歐姆接觸。
在一實施方式中，更包含鹼土金屬合金層160夾設於P型氮化銦鎵層150及氧化銦錫層170間，如第2圖所示。鹼土金屬合金層160之材料係選自由金鈹(AuBe)合金及金鎂(AuMg)合金及其組合所構成之群組。這是因為在形成P型氮化銦鎵層150的過程中，需要退火鹼土金屬合金層160來使鹼土金屬離子擴散進入未摻雜的氮化銦鎵層。下述製程方法中將詳細說明此退火步驟。
P型接觸墊182以及N型接觸墊184分別設置於氧化銦錫層170和露出的N型半導體層130上，如第1圖及第2圖所示。
第3圖係顯示依照本發明一實施方式之一種製造發光二極體的方法的流程圖。本發明之另一態樣是在提供一種製造高亮度的發光二極體的方法，其包含下列步驟。
在步驟310中，提供基板110。在一實施方式中，更包含形成未摻雜氮化鎵層120於基板110上。基板110與 未摻雜氮化鎵層120的具體實施方式可與第1圖中的基板110與未摻雜氮化鎵層120的具體實施方式相同。
在步驟320中，形成N型半導體層130於基板110上。N型半導體層130的具體實施方式可與第1圖中的N型半導體層130的具體實施方式相同。
在步驟330中，形成多重量子井層140於N型半導體層130上。多重量子井層140的具體實施方式可與第1圖中的多重量子井層140的具體實施方式相同。
在步驟340中，形成P型氮化銦鎵層150於多重量子井層140上。形成P型氮化銦鎵層150的方法例如可為有機金屬化學氣相沈積(metal chemical vapor deposition)、離子佈植(ion implantation)或熱擴散(thermal diffusion)方式，下述將詳細說明。
在一實施方式中，步驟330包含形成複數個氮化銦鎵中間層142與複數個氮化鎵中間層144交互堆疊，且最後形成一頂層146，如第4圖所示。頂層146與氮化銦鎵中間層142可為相同的材料，差異僅在於設置的位置。例如可使用有機金屬化學氣相沈積方式形成厚度小於20埃的頂層146。詳細而言，可利用有機金屬化學氣相沈積法，同步(in-situ)摻雜P型雜質150a於頂層146中，以將頂層146轉變為P型氧化銦鎵層150。P型雜質150a係選自由有機鹼土金屬、鈹、鎂及其組合所構成之群組。有機鹼土金屬之材料係選自由二茂基鈹([bis(cyclopentadienyl)beryllium],Cp2Be)及二茂基鎂([bis(cyclopentadienyl)magnesium],Cp2Mg)及其組合所構成之群組。例如可使用 濃度1019 cm-3以上的二茂基鎂來進行上述沈積P型雜質150a步驟。
在另一實施方式中，如第5圖所示，步驟340包含有機金屬化學氣相沈積未摻雜氮化銦鎵層148於多重量子井層130上。然後，植入P型雜質150b至未摻雜氮化銦鎵層148中。P型雜質150b係選自由鎂離子(Mg+)、鈹離子(Be+)及其組合所構成之群組。例如可使用有機金屬化學氣相沈積方式形成厚度小於20埃的未摻雜氮化銦鎵層148。接著，使用濃度1019 cm-3以上的鎂離子來進行上述植入P型雜質150b步驟。
在又一實施方式中，如第6圖所示，步驟340包含有機金屬化學氣相沈積未摻雜氮化銦鎵層148於多重量子井層140的頂面上，然後形成鹼土金屬合金層160於未摻雜氮化銦鎵層148上。最後，施以一退火程序，使鹼土金屬合金層160中的鹼土金屬離子擴散進入未摻雜氮化銦鎵層148中。在一實施方式中，退火程序是在溫度大於或等於800度C之環境下進行。鹼土金屬合金層之材料係選自由金鈹(AuBe)合金、金鎂(AuMg)合金及其組合所構成之群組。例如可使用有機金屬化學氣相沈積方式形成厚度小於20埃的未摻雜氮化銦鎵層148，再沈積金鈹層於未摻雜氮化銦鎵層148上。然後進行退火步驟，以使鈹離子擴散至未摻雜氮化銦鎵層148中。
在步驟350中，形成氧化銦錫層170於P型氮化銦鎵層150上，如第1圖及第2圖所示。例如可使用濺鍍的方式形成氧化銦錫層170於P型氮化銦鎵層150上。氧化銦 錫層170之晶粒尺寸介於5埃至1000埃間。氧化銦錫層170之表面電阻介於100歐姆/平方至5歐姆/平方間。氧化銦錫層170之厚度介於5埃至1000埃間。此外，氧化銦錫層170與P型氮化銦鎵層150間具有良好的歐姆接觸。
然後，可利用蝕刻製程讓N型半導體層130露出一部分，如第1圖及第2圖所示。
最後，分別形成P型接觸墊182及N型接觸墊184於氧化銦錫層170和露出部分的N型半導體層130上，如第1圖及第2圖所示，而完成了發光二極體100,200的製作。例如可使用電鍍或沈積方式來形成P型接觸墊182以及N型接觸墊184。
由此可知，上述發光二極體不包含P型氮化鎵層。並且，本發明之實施方式使用非常薄的P型氮化銦鎵層搭配小晶粒尺寸的高品質氧化銦錫層，以減少光吸收量以及幫助電流散佈。此外，高品質氧化銦錫層也可減薄，而可減少吸光，同時又具有足夠低的表面電阻與良好的電流散佈效果。因此，此高出光率的發光二極體及其製造方法能夠有效地解決上述問題。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100、200‧‧‧發光二極體
110‧‧‧基板
120‧‧‧未摻雜氮化鎵層
130‧‧‧N型半導體層
140‧‧‧多重量子井層
142‧‧‧氮化銦鎵中間層
144‧‧‧氮化鎵中間層
146‧‧‧頂層
148‧‧‧未摻雜氮化銦鎵層
150‧‧‧P型氮化銦鎵層
150a‧‧‧P型雜質
150b‧‧‧P型雜質
150c‧‧‧鹼土金屬離子
160‧‧‧鹼土金屬合金層
170‧‧‧氧化銦錫層
182‧‧‧P型接觸墊
184‧‧‧N型接觸墊
300‧‧‧製造發光二極體的方法
310、320、330、340、350‧‧‧步驟
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例 能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：第1圖係顯示依照本發明一實施方式之一種發光二極體的示意圖。
第2圖係顯示依照本發明另一實施方式之一種發光二極體的示意圖。
第3圖係顯示依照本發明一實施方式之一種製造發光二極體的方法的流程圖。
第4圖係顯示依照本發明一實施方式之一種製造發光二極體的方法中各製程階段的示意圖。
第5圖係顯示依照本發明另實施方式之一種製造發光二極體的方法中各製程階段的示意圖。
第6圖係顯示依照本發明又實施方式之一種製造發光二極體的方法中各製程階段的示意圖。
100‧‧‧發光二極體
110‧‧‧基板
120‧‧‧未摻雜氮化鎵層
130‧‧‧N型半導體層
140‧‧‧多重量子井層
150‧‧‧P型氮化銦鎵層
170‧‧‧氧化銦錫層
182‧‧‧P型接觸墊
184‧‧‧N型接觸墊

Claims (25)

  1. 一種發光二極體，包含：一N型半導體層，設置於一基板上；一多重量子井層，設置於該N型半導體層上；一P型氮化銦鎵(InGaN)層，設置於該多重量子井層上；以及一氧化銦錫層，設置於該P型氮化銦鎵層上，該氧化銦錫層之晶粒尺寸(grain size)介於5埃至1000埃間。
  2. 如請求項1所述之發光二極體，其中該P型氮化銦鎵層之P型雜質係選自由鈹、鎂及其組合所構成之群組。
  3. 如請求項1所述之發光二極體，其中該氧化銦錫層係以濺鍍製程形成。
  4. 如請求項1所述之發光二極體，更包含一鹼土金屬合金層夾設於該P型氮化銦鎵層及該氧化銦錫層間。
  5. 如請求項4所述之發光二極體，其中該鹼土金屬合金層之材料係選自由金鈹(AuBe)合金、金鎂(AuMg)合金及其組合所構成之群組。
  6. 如請求項1所述之發光二極體，更包含一未摻雜氮化鎵(U-GaN)層夾設於該N型半導體層及該基板間。
  7. 如請求項1至6項中任一項所述之發光二極體，其中該P型氮化銦鎵層之厚度介於5埃至1000埃間。
  8. 如請求項7所述之發光二極體，其中該P型氮化銦鎵層之厚度介於5埃至20埃間。
  9. 如請求項7所述之發光二極體，其中該氧化銦錫層之厚度介於5埃至1000埃間。
  10. 如請求項7所述之發光二極體，其中該氧化銦錫層之表面電阻介於100歐姆至5歐姆間。
  11. 一種發光二極體的製造方法，包含：提供一基板；形成一N型半導體層於該基板上；形成一多重量子井層於該N型半導體層上；形成一P型氮化銦鎵層於該多重量子井層上；以及形成一氧化銦錫層於該P型氮化銦鎵層上，該氧化銦錫層之晶粒尺寸(grain size)介於5埃至1000埃間。
  12. 如請求項11所述之方法，其中該多重量子井層係由複數個氮化銦鎵中間層與複數個氮化鎵中間層交互堆疊而成，且該多重量子井層之頂層為一氮化銦鎵層。
  13. 如請求項12所述之方法，其中形成該P型氮化銦鎵層步驟係藉由有機金屬化學氣相沈積法，同步(in-situ)摻 雜一P型雜質於該頂層中，以將該頂層轉變為該P型氮化銦鎵層。
  14. 如請求項13之方法，其中該P型雜質係選自有機鹼土金屬、鈹、鎂及其組合所構成之群組。
  15. 如請求項14所述之方法，其中該有機鹼土金屬之材料係選自由二茂基鈹(Cp2Be)、二茂基鎂(Cp2Mg)及其組合所構成之群組。
  16. 如請求項11所述之方法，其中形成該P型氮化銦鎵層步驟包含：利用有機金屬化學氣相沈積一未摻雜的氮化銦鎵層於該多重量子井層之一頂面上；以及將P型雜質植入該未摻雜氮化銦鎵層中。
  17. 如請求項16所述之方法，其中該P型雜質係選自由鎂離子(Mg+)、鈹離子(Be+)及其組合所構成之群組。
  18. 如請求項11所述之方法，其中形成該P型氮化銦鎵層步驟包含：利用有機金屬化學氣相沈積一未摻雜的氮化銦鎵層於該多重量子井層之該頂面上；形成一鹼土金屬合金層於該未摻雜氮化銦鎵層上；以及 施以一退火程序，使該鹼土金屬合金層中之鹼土金屬離子擴散進入該未摻雜氮化銦鎵層中。
  19. 如請求項18所述之方法，其中該退火程序是於溫度大於或等於800度C之環境下進行。
  20. 如請求項18所述之方法，其中該鹼土金屬合金層之材料係選自由金鈹(AuBe)合金、金鎂(AuMg)合金及其組合所構成之群組。
  21. 如請求項11至20項中任一項所述之方法，其中該氧化銦錫層係以濺鍍法形成。
  22. 如請求項21所述之方法，其中該P型氮化銦鎵層之厚度介於5埃至1000埃間。
  23. 如請求項22所述之方法，其中該P型氮化銦鎵層之厚度介於5埃至20埃間。
  24. 如請求項22所述之方法，其中該氧化銦錫層之厚度介於5埃至1000埃間。
  25. 如請求項22所述之方法，其中該氧化銦錫層之表面電阻介於100歐姆至5歐姆間。
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