TW201511328A

TW201511328A - 發光二極體

Info

Publication number: TW201511328A
Application number: TW102133131A
Authority: TW
Inventors: Hsiu-Mei Chou; Jui-Yi Chu
Original assignee: Lextar Electronics Corp
Priority date: 2013-09-13
Filing date: 2013-09-13
Publication date: 2015-03-16
Also published as: US20150076537A1; EP2849236A1

Abstract

一種發光二極體，包括矽基板，具有第一表面與相對的第二表面；緩衝層，設於矽基板之第一表面上，緩衝層包括相互交替堆疊之多個SiC層及多個InxAlyGa(1-x-y)N層，其中0□x□1，0□y□1且0□(x+y)□1，其中一SiC層與矽基板直接接觸；第一半導體層，設於緩衝層上，第一半導體層具有第一導電型態；主動層，設於第一半導體層上；以及第二半導體層，設於主動層上，第二半導體層具有第二導電型態，且第二導電型態與第一導電型態不同。

Description

發光二極體

本發明係有關於發光二極體，特別係有關於一種具有緩衝層之發光二極體。

發光二極體(LEDs)係利用於一基板上形成主動層之且於基板上沉積不同導電和半導電層的方式所形成。利用p-n接面中的電流，電子-電洞對的再結合(recombination)輻射可用於產生電磁輻射(例如光)。在例如GaAs或GaN之直接能隙材料(direct band gap material)形成的順向偏壓的p-n接面中，注入空乏區中的電子-電洞對的再結合導致電磁輻射發光。上述電磁輻射可位於可見光區或非可見光區。可利用具有不同能隙的材料形成不同顏色的發光二極體。

近年來所發展高功率發光二極體多使用藍寶石基板。然而，由於此類高功率發光二極體必須在高電流的條件下操作，例如在電流約為350mA之條件下操作，此高功率發光二極體會產生高熱量，並將熱量累積於基板。由於目前之藍寶石發光二極體無法有效將此高熱量排出，故此藍寶石發光二極體之發光效率將因裝置過熱而降低，導致藍寶石高功率發光二極體目前尚無法普及於一般照明產品。

究其原因，藍寶石高功率發光二極體所產生之熱量無法有效導出係因為藍寶石基板之導熱性差(其導熱係數約為30W/K．m)。另外，藍寶石基板的成本昂貴，製程複雜等不利於工業上大量生產之缺點。因此，業界亟需一種成本低廉、導熱性佳且發光效率高之發光二極體。

本發明提供一種發光二極體，包括矽基板，具有第一表面與相對的第二表面；緩衝層，設於矽基板之第一表面上，緩衝層包括相互交替堆疊之多個SiC層及多個In_xAl_yGa_(1-x-y)N層，其中0x1，0y1且0(x+y)1，其中SiC層與矽基板直接接觸；第一半導體層，設於緩衝層上，第一半導體層具有第一導電型態；主動層，設於第一半導體層上；以及第二半導體層，設於主動層上，第二半導體層具有第二導電型態，且第二導電型態與第一導電型態不同。

為讓本發明之上述和其它目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

50‧‧‧發光二極體

51‧‧‧發光二極體

100‧‧‧矽基板

100a‧‧‧矽基板的第一表面

100b‧‧‧矽基板的第二表面

102‧‧‧緩衝層

104‧‧‧第一半導體層

106‧‧‧主動層

108‧‧‧第二半導體層

110‧‧‧第一電極

112‧‧‧第二電極

第1圖係根據本發明一實施例之發光二極體的剖面圖；第2圖係根據本發明另一實施例之發光二極體的剖面圖；第3圖為相互交替堆疊之SiC層及AlN層之數量與緩衝層之光反射率之關係圖；第4圖為具有差排之緩衝層的顯微鏡分析圖。

以下針對本發明之發光二極體作詳細說明。應了解的是，以下之敘述提供許多不同的實施例或例子，用以實施本發明之不同樣態。以下所述特定的元件及排列方式儘為簡單描述本發明。當然，這些僅用以舉例而非本發明之限定。此外，在不同實施例中可能使用重複的標號或標示。這些重複僅為了簡單清楚地敘述本發明，不代表所討論之不同實施例及/或結構之間具有任何關連性。再者，當述及一第一材料層位於一第二材料層上或之上時，包括第一材料層與第二材料層直接接觸之情形。或者，亦可能間隔有一或更多其它材料層之情形，在此情形中，第一材料層與第二材料層之間可能不直接接觸。

能理解的是，雖然在此可使用用語「第一」、「第二」、「第三」等來敘述各種元件、組成成分、區域、層、及/或部分，這些元件、組成成分、區域、層、及/或部分不應被這些用語限定，且這些用語僅是用來區別不同的元件、組成成分、區域、層、及/或部分。因此，以下討論的一第一元件、組成成分、區域、層、及/或部分可在不偏離本發明之教示的情況下被稱為一第二元件、組成成分、區域、層、及/或部分。

除非另外定義，在此使用的全部用語(包括技術及科學用語)具有與此篇揭露所屬之一般技藝者所通常理解的相同涵義。能理解的是這些用語，例如在通常使用的字典中定義的用語，應被解讀成具有一與相關技術及本揭露的背景或上下文一致的意思，而不應以一理想化或過度正式的方式解讀，除非在此特別定義。

在此，「約」、「大約」之用語通常表示在一給定值或範圍的20%之內，較佳是10%之內，且更佳是5%之內。在此給定的數量為大約的數量，表示在沒有特定說明的情況下，其可隱含「約」、「大約」之用語。

本發明提供之發光二極體，係使用具有高導熱性且低成本之矽基板，並配合設置於矽基板與半導體層之間的緩衝層而製得導熱性良好、成本低、半導體層成膜品質良好且緩衝層之光反射率高的發光二極體。

參見第1圖，發光二極體50包括矽基板100。矽基板100具有第一表面100a與相對的第二表面100b。相較於藍寶石基板(導熱係數約為30W/K．m)，本發明之矽基板具有較佳之熱傳導性(導熱係數約為150W/K．m)。當應用於高功率發光二極體時，矽基板可有效地將產生的高熱量排出，使高功率發光二極體之功率不會因為過多的熱量累積於基板而降低。另外，矽基板之成本低，相較於成本較為昂貴之藍寶石基板，矽基板可減少高達75%的成本，因此使用矽基板將更有利於工業上之大量生產。

以往使用矽基板之發光二極體會面臨兩個問題。第一，矽基板與半導體層之熱膨脹係數及不同，且矽基板與半導體層之間具有晶格失配(Lattice mismatch)，導致形成於矽基板上的半導體層產生應力，進而造成半導體層彎曲、破裂或其薄膜厚度不均的問題。第二，矽基板會吸收部分發光二極體所發出之藍光，造成發光二極體的發光效率降低，以往解決此問題之方法係為在製程後期將基板更換成不會吸收藍光之基板，或是在製程後期形成一高反射率金屬層並將另一個矽基板結合至此發光二極體的高反射率金屬層上。然而，上述兩種方法皆會有成本上升、製程良率下降的問題。為能有效地同時解決上述製程問題，本發明係於矽基板上形成具有高反射率及高緩衝性之緩衝層。

如第1圖所示，矽基板100之第一表面100a上設有緩衝層102。緩衝層102係用以提升後續形成於其上之第一半導體層104的品質，另外，緩衝層102亦用於反射發光二極體50操作時朝向基板100發射的光，使朝向基板發射的光可反射並射出發光二極體50，增加發光二極體50之發光效率。

緩衝層102包括相互交替堆疊之多個SiC層及多個In_xAl_yGa_(1-x-y)N層，其中0x1，0y1且0(x+y)1。另外，其中一SiC層與矽基板100直接接觸。在某些實施例中，In_xAl_yGa_(1-x-y)N層可為GaN、InN、AlN、In_0.5Ga_0.5N、Al_0.5Ga_0.5N、Al_0.5In_0.5N、Al_0.3In_0.3Ga_0.4N或其它類似的材料。緩衝層102可藉由例如金屬有機物化學氣相沉積法(MOCVD)、金屬有機物化學氣相磊晶法(MOVPE)、電漿增強型化學氣相沉積法(plasma-enhanced CVD)、遙控電漿化學氣相沉積法(RP-CVD)、分子束磊晶法(MBE)、氫化物氣相磊晶法(HVPE)、液相磊晶法(LPE)、氯化物氣相磊晶法(Cl-VPE)或類似的方法形成。另外，緩衝層102可完全覆蓋矽基板100，或是僅蓋部分基板100。例如，如第1圖所示，緩衝層102可完全覆蓋矽基板 100。

緩衝層102中之SiC層的折射率及In_xAl_yGa_(1-x-y)N層的折射率不同，因此將上述兩種膜層交互堆疊實質上可作為一分散布拉格反射鏡(distributed brad reflector)。其中相互交替堆疊之SiC層及In_xAl_yGa_(1-x-y)N層之數量與緩衝層102之光反射率有關。當相互交替堆疊之SiC層及In_xAl_yGa_(1-x-y)N層之數量越多，緩衝層102之光反射率越高。緩衝層102可包括4至25對相互交替堆疊之SiC層及In_xAl_yGa_(1-x-y)N層，其光反射率為70%-100%。例如，在一實施例中，緩衝層102包括5至20對相互交替堆疊之SiC層及In_xAl_yGa_(1-x-y)N層，其光反射率為80%-99.99%。第3圖為相互交替堆疊之SiC層及AlN層之數量與緩衝層102之光反射率之關係圖。如第3圖所示，當緩衝層102具有4對相互交替堆疊之SiC層及AlN層時，其光反射率為約70%，而當緩衝層102具有7對相互交替堆疊之SiC層及AlN層時，其光反射率為約90%。藉由將向射向矽基板100的光反射並射出發光二極體50，可增加發光二極體50之發光效率。另外，每一SiC層或In_xAl_yGa_(1-x-y)N層之厚度可為約1nm至約20nm，例如為約5nm至約10nm，而緩衝層102之總厚度可為約5nm至約4μm，例如為約20nm至約1μm。

在一實施例中，緩衝層為N型緩衝層，包括5對相互交替堆疊之摻雜N之SiC層及摻雜Si之In_xAl_yGa_(1-x-y)N層(摻雜濃度各為2x10¹⁹/cm³)，其光反射率為74.78%。

在另一實施例中，緩衝層為P型緩衝層，包括12對相互交替堆疊之摻雜Al之SiC層及摻雜Mg之In_xAl_yGa_(1-x-y)N層 (摻雜濃度各為10¹⁸/cm³)，其光反射率為99.27%。

在又一實施例中，緩衝層為P型緩衝層，包括20對相互交替堆疊之摻雜B之SiC層及摻雜Mg之In_xAl_yGa_(1-x-y)N層(摻雜濃度各為2x10²⁰/cm³)，其光反射率為99.99%。

另外，相互交替堆疊之多個SiC層及多個In_xAl_yGa_(1-x-y)N層之結構可減少緩衝層102內之差排密度(dislocation density)。例如，如第4圖所示，形成於與矽基板直接接觸之SiC層內之差排會停止於此SiC層與下一個In_xAl_yGa_(1-x-y)N層之界面，故此差排將被局限於此SiC層，不會延伸成長於位於此SiC層上之多個SiC層及多個In_xAl_yGa_(1-x-y)N層，因此可減少緩衝層102內之差排密度。

此外，緩衝層102與半導體層104之晶格失配(Lattice mismatch)小，可有效解決矽基板100與半導體層104之間的應力問題。例如SiC層與GaN半導體層之晶格失配僅為約3.3%，SiC層與矽基板之晶格失配小於1%。相比之下，矽基板與GaN半導體層之晶格失配為約16.9%。因此緩衝層102可大幅降低晶格失配並提升形成於其上之第一半導體層104的品質。

接著，繼續參見第1圖，緩衝層102上設置有第一半導體層104，且此第一半導體層104具有第一導電型態。第一半導體層104可包括摻雜或未摻雜之GaN、InN、AlN、In_xGa_(1-x)N、Al_xIn_(1-x)N、Al_xIn_yGa_(1-x-y)N或其它類似的材料，其中0x1，0y1且0(x+y)1。第一半導體層104可為P型半導體層或N型半導體層，且可藉由分子束磊晶(MBE)、金屬有機物化學氣相沉積法(MOCVD)、氫化物氣相磊晶法(HVPE)、液相磊晶法(LPE)或其它類似製程的磊晶成長製程形成。

繼續參見第1圖，第一半導體層104上設置有主動層106，主動層106可包括同質接面(homojunction)、異質接面(heterojunction)、單一量子井(single-quantum well(SQW))、多重量子井(multiple-quantum well(MQW))或其它類似的結構。在一實施例中，主動層106可包括未摻雜的n型In_xGa_(1-x)N。在其它實施例中，主動層106可包括例如Al_xIn_yGa_(1-x-y)N之其它常用的材料。在其它實施例中，主動層106可為包括多重井層(例如為InGaN)和阻障層(例如為GaN)交錯排列之多重量子井結構。再者，主動層106的形成方式可包括金屬有機物化學氣相沉積法(MOCVD)、分子束磊晶法(MBE)、氫化物氣相磊晶法(HVPE)、液相磊晶法(LPE)或其它適當的CVD方式。在一實施例中，主動層106可完全覆蓋第一半導體層104。在另一實施例中，主動層106覆蓋部分第一半導體層104。主動層106的總厚度約介於5nm至400nm之間。

繼續參見第1圖，主動層106上設置有第二半導體層108，且此第二半導體層108具有第二導電型態，且此第二導電型態與第一導電型態不同。第二半導體層108可包括摻雜或未摻雜之GaN、InN、AlN、In_xGa_(1-x)N、Al_xIn_(1-x)N、Al_xIn_yGa_(1-x-y)N或其它類似的材料，其中0x1，0y1且0(x+y)1。第二半導體層108可為P型半導體層或N型半導體層，且可藉由分子束磊晶(MBE)、金屬有機物化學氣相沉積法(MOCVD)、氫化物氣相磊晶法(HVPE)、液相磊晶法(LPE)或其它類似製程的磊晶成長製程形成。

在一實施例中，第一半導體層104為N型半導體層，第二半導體層108為P型半導體層。此時，緩衝層102可更包括摻雜N之SiC層及摻雜Si之In_xAl_yGa_(1-x-y)N層且為N型緩衝層。摻雜N之SiC層及摻雜Si之In_xAl_yGa_(1-x-y)N層中的N及Si的摻雜濃度各為10¹⁵/cm³-10²⁰/cm³，例如為10¹⁷/cm³-10²⁰/cm³。

在另一實施例中，第一半導體層104為P型半導體層，第二半導體層108為N型半導體層。此時，緩衝層102可更包括摻雜Al或B之SiC層及摻雜Mg之In_xAl_yGa_(1-x-y)N層且為P型緩衝層。摻雜Al或B之SiC層及摻雜Mg之In_xAl_yGa_(1-x-y)N層中的Al、B或Mg的摻雜濃度各為10¹⁵/cm³-10²⁰/cm³，例如為10¹⁸/cm³-2x10²⁰/cm³。

繼續參見第1圖，發光二極體可更包括第一電極110及第二電極112，其中第一電極110與第一半導體層104電性連接，第二電極112與第二半導體層108電性連接。第一電極110可設於任何可與第一半導體層104電性連接之位置。在一實施例中，如第1圖所示，係先移除部分的主動層106及第二半導體層108以暴露出部分的第一半導體層104，再於暴露出的部分第一半導體層104上形成第一電極110。第二電極112可設於任何可與第二半導體層108電性連接之位置且可為單一個電極或多個電極。例如，如第1圖所示，第二電極112為單一個電極且設於第二半導體層108上。

第一電極110及第二電極112可為單層或多層之金、鉻、鎳、鉑、鈦、鋁、銥、銠、上述之組合或其它導電性佳的金屬材料。第一電極110及第二電極112可藉由沈積與圖案化製程形成。

另外，儘管以上所述皆以水平式發光二極體為例作說明，然而本發明亦可應用於其它類型的發光二極體，例如垂直式發光二極體。例如，在一實施例中，如第2圖所示，第一電極110可設於矽基板100的第二表面100b。另外，如第2圖所示，第二半導體層108上之電極112可為多個電極，且緩衝層102可覆蓋部分矽基板100。

綜合上述，本發明提供一種之發光二極體係使用矽基板，故其成本低且能有效將熱量導出，利於工業上之大量生產，且用於高功率發光二極體時可使其功率不會因為過多的熱量累積於基板而降低。另外本發明之發光二極體亦使用高反射率及高緩衝性之緩衝層，有效解決以往矽基板與半導體層之間熱膨脹係數的差異、晶格失配(Lattice mismatch)及此矽基板會吸收部分發光二極體所發出之藍光的問題，再者因不需移除矽基板有利於應用在水平式發光二極體。

雖然本發明的實施例及其優點已揭露如上，但應該瞭解的是，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作更動、替代與潤飾。此外，本發明之保護範圍並未侷限於說明書內所述特定實施例中的製程、機器、製造、物質組成、裝置、方法及步驟，任何所屬技術領域中具有通常知識者可從本發明揭示內容中理解現行或未來所發展出的製程、機器、製造、物質組成、裝置、方法及步驟，只要可以在此處所述實施例中實施大抵相同功能或獲得大抵相同結果皆可根據本發明使用。因此，本發明之保護範圍包括上述製程、機器、製造、物質組成、裝置、方法及步驟。另外，每一申請專利範圍構成個別的實施例，且本發明之保護範圍也包括各個申請專利範圍及實施例的組合。

雖然本發明已以數個較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作任意之更動與潤飾，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。此外，每個申請專利範圍建構成一獨立的實施例，且各種申請專利範圍及實施例之組合皆介於本發明之範圍內。