TW201639188A - 磊晶晶圓以及發光二極體 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種磊晶晶圓，能改善在發光波長為670nm以上且690nm以下的範圍，自AlGaInp系材料所構成的發光部的發光效率。本發明的磊晶晶圓包含一發光層，係由以化學式（Alx Ga1-x ）y In1-y P所表示的化合物半導體所構成的一第一導電型包覆層、一活性層以及一第二導電型包覆層所積層而成，其中0≦x≦1，0≦y≦1，該發光層的發光波長為670nm以上且690nm以下，該活性層係為井層與障壁層交互積層而成的量子井構造，該障壁層的組成為0.20≦x≦0.45，0＜y＜1。

Description

磊晶晶圓以及發光二極體
本發明係關於一種磊晶晶圓以及使用此種磊晶晶圓所製造的發光二極體。
使用藉由省能源、長壽命並且可小型化的發光二極體的照明的栽培方法受到矚目。從至今的研究結果，作為適用於植物育成（光合成）用的光源，660~670nm的範圍的紅色光的效果受到確認，特別是發光波長為660nm的光在光合成的反應效率為受高度滿意的光源。另一方面，綠色植物的光的吸收在680nm為高峰，故發光波長為680nm的光係作為光合成的反應效率更高的光源而備受期待。
在具有由AlGaInP（（Alx Ga1-x ）y In1-y P，0≦x≦1，0≦y≦1）系材料所構成的發光層的化合物半導體的發光二極體中，雖然具有Ga0.5 In0.5 P的組成的發光層的波長為最長，但是此以發光層所得到的發光波長（峰值波長）為650nm附近。因此，比650nm長的波長範圍係藉由使用應變發光層而實現。但是，由於發光波長變長則應變量隨之變大的緣故，發光層內部的結晶缺陷增加，難以實用化與高效率化。
為了解決這些問題，專利文獻1記載的方法，在活性層係為應變發光層與障壁層交互地積層的積層構造中，藉由在障壁層施加與應變發光層為逆向的應變，而緩和在發光層發生的應變，抑制在應變發光層的內部的結晶缺陷的發生，從而得到高發光效率。再者，專利文獻2記載的方法，其中活性層係為應變發光層與障壁層交互地積層的積層構造，應變發光層的層數為1~7，以及膜厚度為250nm以下，使應變量變小從而得到高發光效率。 ［先前技術文獻］ ［專利文獻］
［專利文獻1］日本特開2012-18986號公報 ［專利文獻2］日本特開2012-039049號公報
［發明所欲解決之問題］
如同上述，對於在發光波長為650nm以上的波長範圍得到高發光效率的課題，雖然專利文獻1與2皆有記載，但是在發光波長為670nm以上的情況下，應變量變大的緣故，發光層的內部的結晶缺陷增加，無法斷言必定能得到高發光效率。
由於以上的情況，在使用AlGaInP系材料的發光元件之中，特別是期望提升發光波長為670nm以上的波長範圍的發光效率的緣故，必須最佳化活性層的構造的參數。
有鑒於上述的問題點，本發明的目的在於提供一種磊晶晶圓，能改善發光二極體的發光波長為670nm以上且690nm以下的範圍內，並且由AlGaInP系的材料所構成的發光部的發光效率。 ［解決問題之技術手段］
為達成上述目的，本發明係提供一種磊晶晶圓，包含一發光層，該發光層係由以化學式（Alx Ga1-x ）y In1-y P（其中，0≦x≦1，0≦y≦1）所表示的化合物半導體所構成的一第一導電型包覆層、一活性層以及一第二導電型包覆層所積層而成，該發光層的發光波長為670nm以上且690nm以下。其中，該活性層係為井層與障壁層交互積層而成的量子井構造，該障壁層的組成為0.20≦x≦0.45，0＜y＜1。
藉由如此將障壁層的組成構成為0.20≦x≦0.45，0＜y＜1，發光波長為670~690nm的發光二極體可得到高發光效率。
再者，本發明提供一種發光二極體，係使用上述的磊晶晶圓所製造。
若為如此的發光二極體，可成為在發光波長為670~690nm的範圍內得到高發光效率的發光二極體。 〔對照先前技術之功效〕
如同上述，本發明的磊晶晶圓，在發光波長為670~690nm的發光二極體係可得到高發光效率。再者，若為本發明的發光二極體，可作為在發光波長為670~690nm的範圍內得到高發光效率的發光二極體。
如同前述，使用AlGaInP系材料的發光元件，特別是為了提升發光波長為670nm以上的波長範圍的發光效率，必須最佳化活性層的構造的參數。
緣此，本發明人們對於能改善發光波長為670nm以上、690nm以下的範圍且自AlGaInP係材料所構成的發光層的發光效率的磊晶晶圓努力地進行研究。結果發現藉由將障壁層的組成在（Alx Ga1-x ）y In1-y P的化學式中設為0.20≦x≦0.45，0＜y＜1，而能於發光波長為670~690nm的發光二極體得到高發光效率，完成了本發明。
以下，參考圖式對本發明的實施方式的一範例進行詳細的說明，但本發明不限定於此。
首先，參考第1圖對本發明的磊晶晶圓進行說明。
如第1圖所示，本實施例的磊晶晶圓10具有設置於GaAs基板12上的pn接面型的發光部28，發光部28內則含有作為發光層的一部分的量子井活性層17。
具體為，磊晶晶圓10係為於GaAs基板12上經依序磊晶成長第一導電型蝕刻停止層13、第一導電型接觸層14以及發光部28之物。發光部28係具有第一導電型電流擴散層15、設置於第一導電型電流擴散層15之上的發光層27以及設置於發光層27之上的第二導電型電流擴散層19。
發光層27係具有第一導電型包覆層16、設置於第一導電型包覆層16之上的量子井活性層17以及設置於量子井活性層17之上的第二導電型包覆層18。量子井活性層17係為井層17a與障壁層17b交互積層而成。
於此，例如，第一導電型為p型，第二導電型為n型。此情況，詳細為，第一導電型蝕刻停止層13為p-（Alx Ga1-x ）y In1-y P（但是，0≦x≦1，0＜y＜1），第一導電型接觸層14為p-GaAs，第一導電型電流擴散層15為p-（Alx Ga1-x ）y In1-y P（但是，0≦x≦1，0＜y＜1），第一導電型包覆層16為p-（Alx Ga1-x ）y In1-y P（但是，0≦x≦1，0＜y＜1），量子井活性層17之中的井層17a為i-Gay In1-y P（但是，0＜y＜1），量子井活性層17之中的障壁層17b為i-（Alx Ga1-x ）y In1-y P（但是，0.2≦x≦0.45，0＜y＜1），第二導電型包覆層18為n-（Alx Ga1-x ）y In1-y P（但是，0≦x≦1，0＜y＜1），第二導電型電流擴散層19為n-GaP層。此情況，能將量子井活性層17的井層17a的Ga組成y為可變而變成期望的發光波長。本發明的磊晶晶圓的發光波長為670nm以上且690nm以下，故量子井活性層17的井層17a的Ga組成y係經設定而使發光波長為670nm以上且690nm以下。
本發明的磊晶晶圓係藉由使量子井活性層17的障壁層17b的組成為0.20≦x≦0.45，0＜y＜1，使發光波長為670~690nm的發光二極體能得到高發光效率。
接下來，參考第2圖對本發明的發光二極體進行說明。
如第2圖所示，本實施方式的發光二極體11係具有發光部28、第一導電型側（例如p型側）的第一歐姆線狀電極20與焊墊電極（未圖示）、第二導電型側（例如n型側）的第二歐姆線狀電極21、透明氧化膜層22、反射金屬層23、接合金屬層24、導電性支承基板25以及導電性歐姆電極26。發光二極體11係為於導電性支承基板25上依序設置有接合金屬層24、反射金屬層23、透明氧化膜層22以及發光部28，第一歐姆線狀電極20以及焊墊電極係透過第一導電型接觸層14而設置於發光部28之上，第二歐姆線狀電極21係設置於透明氧化膜層22之中，導電性歐姆電極26係設置於導電性支承基板25的下表面上。構成發光部28的第一導電型電流擴散層15、發光層27（第一導電型包覆層16、量子井活性層17以及第二導電型包覆層18）、第二導電型電流擴散層19係與於第1圖所示的構件相同。再者，第一歐姆線狀電極20與第二歐姆線狀電極21係配置為自上方觀看不互相重疊的位置。
另外，第2圖的發光二極體11，如同後述，係使用第1圖的磊晶晶圓10所製造。若為第2圖的發光二極體，可成為在發光波長670~690nm的範圍內得到高發光效率的發光二極體。
接下來，對於製造本發明的磊晶晶圓的方法的一範例進行說明。
藉由MOVPE法，於第1圖所示的n-GaAs基板12上形成複數個AlGaInP系材料的半導體積層構造。具體為，藉由MOVPE法，於n-GaAs基板12之上依序堆積有自p-Ga0.5 In0.5 P所構成的p型蝕刻停止層13、自p-GaAs所構成的p型接觸層14、自p-（Al0.4 Ga0.6 ）0.5 In0.5 P所構成的p型電流擴散層15、自p-Al0.5 In0.5 P所構成的p型包覆層16、自無參雜的Ga0.3 In0.7 P的井層17a（膜厚度為8nm）與無參雜的（Al0.4 Ga0.6 ）0.5 In0.5 P的障壁層17b（膜厚度為7.7nm）所構成配對數為4（井層數5，障壁層數4）的量子井活性層17（記載發光波長為680nm的情況）、自n-Al0.5 In0.5 P所構成的n型包覆層18以及自n-GaP所構成的n型電流擴散層19。藉此形成如第1圖所示的磊晶晶圓10。
於此，用於MOVPE法的原料，可使用三甲基鎵（TMGa）、三乙基镓（TEGa）、三甲基鋁（TMAl）、三甲基銦（TMIn）等的有機金屬化合物，以及砷化氫（AsH3 ）、磷化氫（PH3 ）等的氫化物氣體。更進一步，n型參雜物的原料可使用甲矽烷（SiH4 ），p型參雜物的原料可使用二茂鎂（Cp2 Mg）。再者，作為n型參雜物的原料，使用硒化氫（H2 Se）、乙矽烷（Si2 H6 ）、二乙基碲（DETe）或是二甲基碲（DMTe）亦可。然後，為p型參雜物的原料，使用二甲基鋅（DMZn）或是二乙基鋅（DEZn）亦可。
接下來，參考第3圖對製造本發明的發光二極體的方法的一範例進行說明。
首先，於如同上述所形成的磊晶晶圓10的n型電流擴散層19的表面形成透明氧化膜層22，並且於透明氧化膜層22之中形成n型側的第二歐姆線狀電極21（參考第3圖（a）與第3圖（b））。具體為，使用電漿CVD（Chemical Vapor Deposition）裝置，形成透明氧化膜層22（例如SiO2 膜）後，使用光刻法與蝕刻法而於透明氧化膜層22設置開口部。更詳細為，利用作為蝕刻液的氟酸系的蝕刻劑，藉由將未形成有抗蝕圖案的區域的透明氧化膜層22去除而設置開口部。接著利用真空蒸鍍法，於開口部內將構成n型側的第二歐姆線狀電極21的材料的AuSi合金予以形成。
接下來，利用真空蒸鍍法或是濺鍍法而形成作為反射層的Al層、作為障壁層的Ti層以及作為接合層的Au層。藉此形成反射金屬層23（參考第3圖（c））。另外，構成反射金屬層23的材料可選擇對量子井活性層17所發出的光的波長具有高反射率的材料。藉此得到半導體積層構造體29。
接下來，利用真空蒸鍍法，於導電性支承基板25（例如Si基板）上將作為導電性歐姆的接合金屬層24的作為接觸電極的Ti、作為障壁層的Ni以及作為接合層的Au予以形成，而準備支承基板30。藉由將此支承基板30與表示於第3圖（c）的半導體積層構造體29予以貼合，而形成機械地且電氣地連接的接合構造體31（參考第3圖（d））。於此，晶圓的貼合係於貼合裝置內施加規定的壓力後，透過治具對重疊的半導體積層構造體29與支承基板30施加壓力，同時加熱至規定的溫度。具體為，以壓力90N/cm2 ，溫度350℃進行30分鐘。
接下來，利用GaAs蝕刻用的蝕刻劑而自接合構造體31選擇性地將GaAs基板12完全地去除，而使自p-Ga0.5 In0.5 P所構成的p型蝕刻停止層13露出。作為GaAs蝕刻用的蝕刻劑係舉氨水與雙氧水的混合液為例。接下來藉由利用特定的蝕刻劑而進行的蝕刻，自經去除GaAs基板的接合構造體31將蝕刻停止層13去除（參考第3圖（e））。在蝕刻停止層13為AlGaInP系材料的化合物半導體所形成的情況下，可使用含有鹽酸的蝕刻劑作為規定的蝕刻劑。
接下來，利用光刻法以及真空蒸鍍法於特定的位置形成p型側的歐姆電極（參考第3圖（f））。p型側的歐姆電極係藉由圓盤電極（未圖示）與線狀電極20所形成，例如以Ti、AuBe、Au的順序蒸鍍而形成。此情況，p型側的歐姆電極係被形成於自上方觀看與第二歐姆線狀電極21不互相重疊的位置。接下來，作為遮罩p型側的歐姆電極，將自p-GaAs所構成的p型接觸層14蝕刻而去除。再者，作為遮罩p型側的歐姆電極，可將p型電流擴散層15進行表面粗糙化處理。再者，去除p型接觸層14之後，可利用規定的蝕刻劑進行表面粗糙化處理。
接下來，藉由真空蒸鍍法，於導電性支承基板25的背面的約略全表面形成導電性歐姆電極26（參考第3圖（g））。背面的歐姆電極26係以Ti、Au的順序並且藉由蒸鍍而形成於導電性支承基板25的底面。之後，施以合金處理，係為使各歐姆電極形成為電氣地接合的合金化處理。作為一範例，在作為不活性氛圍的氮氛圍氣體下進行400℃、5分鐘的熱處理。藉此形成接合構造體31’。
然後，利用具有切割刀的切割裝置，將接合構造體31’分割成元件。藉此形成複數個如第2圖所示的發光二極體11。
以下透過表示實施例與比較例而對本發明進行更具體的說明，但本發明不限定於這些實施例。
［實施例1-9與比較例1-7］ 實施例1-9與比較例1-7係在藉由MOVPE法於直徑50mm的n-GaAs基板12上積層複數層的半導體層的處理中，僅在使量子井活性層17的障壁層17b（在（Alx Ga1-x ）y In1-y P之中，y=0.5的（Alx Ga1-x ）0.5 In0.5 P）的Al組成x在0.1~0.6之間變化，以及使井層17a（在（Alx Ga1-x ）y In1-y P之中，x=0的Gay In1-y P）的Ga組成y變化而對於各Al組成有期望的波長（亦即670nm、680nm、690nm）的點為相異之外，其它的處理係依照如同上述說明的製造方法製造磊晶晶圓。於此，實施例1-9與比較例1-7的Ga組成y係如同表1所示。
［表1］
第4圖係顯示在發光波長為680nm的情況（實施例1-3、比較例1-3）下，障壁層17b的Al組成x與磊晶晶圓的PL強度的關係。於此，PL（Photo Luminescence）法係為一方法，藉由透過光的照射而產生電子電洞對，再經過各種過程而再結合，並且測定此時的發光的光譜，進而測定能帶間隙、材料的結晶性、雜質等的參雜量等。由於磊晶晶圓的PL強度、半峰全寬等可判定材料的結晶性，故PL強度的大小可得知在元件狀態下的約略的亮度的大小。
從第4圖得知，障壁層17b的Al組成x在0.4附近時，PL強度為最大，並且隨著障壁層17b的Al組成x變小，PL強度逐漸降低。雖然Al組成變小，應變量也會變小，但是同時載體的侷限效果變小的緣故，而發生強度的下降。再者，Al組成為0.5以上的情況，應變量變大，發光層內部的結晶缺陷增加的緣故，強度會極端地下降。此時的磊晶晶圓的表面，結晶缺陷起因的凸起被大量觀察到。
實施例1-9與比較例1-7的障壁層17b的Al組成x與磊晶晶圓的表面狀態係顯示於表2。
使用實施例1-9與比較例1-7的磊晶晶圓，依照如同上述說明的製造方法製造發光二極體。
對製作的發光二極體測定峰值波長與發光效率。將其結果表示於表2。於此，發光效率（a.u.）係藉由發光效率（%）=輸出（mW）/輸入電力（mW）而計算出，並且以使在障壁層17b的Al組成x為0.4的情況的值作為「1」時的比率來表示。
［表2］
從表2得知，在Al組成x為0.5以上的情況，於磊晶晶圓表面產生大量的凸起，表面凹凸變得過大，無法作到半導體積層構造體29與支承基板30的接合，無法元件化（發光二極體的製作）。在元件化為可能的Al組成x為0.1~0.4的範圍內，發光效率與PL強度結果有相同的傾向，對於比較例1、4、6的0.90以下，實施例1-9則改善為0.94~1.00。
再者，Al組成x為0.5以上（比較例2、3、5、7）的情況，即使元件化為可能，自第4圖的結果推測發光效率會非常地低下。
亦即，實施例1-9藉由使障壁層17b的Al組成x為0.2以上且0.45以下，可在發光層的應變量變大的發光波長670~690nm的範圍內抑制發光層的內部的結晶缺陷，故與比較例相比，可見發光效率的改善，可得到能用於製作具有高發光效率的發光二極體的磊晶晶圓。
此外，本發明並不限定於上述的實施例。上述實施例為舉例說明，凡具有與本發明的申請專利範圍所記載之技術思想實質上同樣之構成，產生相同的功效者，不論為何物皆包含在本發明的技術範圍內。
10‧‧‧磊晶晶圓
11‧‧‧發光二極體
12‧‧‧GaAs基板（n-GaAs基板）
13‧‧‧第一導電型蝕刻停止層（p型蝕刻停止層）
14‧‧‧第一導電型接觸層（p型接觸層）
15‧‧‧第一導電型電流擴散層（p型電流擴散層）
16‧‧‧第一導電型包覆層（p型包覆層）
17‧‧‧量子井活性層
17a‧‧‧井層
17b‧‧‧障壁層
18‧‧‧第二導電型包覆層（n型包覆層）
19‧‧‧第二導電型電流擴散層（n型電流擴散層）
20‧‧‧第一歐姆線狀電極（線狀電極）
21‧‧‧第二歐姆線狀電極
22‧‧‧透明氧化膜層
23‧‧‧反射金屬層
24‧‧‧接合金屬層
25‧‧‧導電性支承基板
26‧‧‧導電性歐姆電極
27‧‧‧發光層
28‧‧‧發光部
29‧‧‧半導體積層構造體
30‧‧‧支承基板
31、31’‧‧‧接合構造體
第1圖係顯示本發明的磊晶晶圓的實施方式的一範例的示意剖面圖。 第2圖係顯示本發明的發光二極體的實施方式的一範例的示意剖面圖。 第3圖係顯示製造本發明的發光二極體的方法的一範例的處理剖面圖。 第4圖係顯示發光波長為680nm時的障壁層的Al組成x與PL強度的關係的圖。
10‧‧‧磊晶晶圓
12‧‧‧GaAs基板(n-GaAs基板)
13‧‧‧第一導電型蝕刻停止層(p型蝕刻停止層)
14‧‧‧第一導電型接觸層(p型接觸層)
15‧‧‧第一導電型電流擴散層(p型電流擴散層)
16‧‧‧第一導電型包覆層(p型包覆層)
17‧‧‧量子井活性層
17a‧‧‧井層
17b‧‧‧障壁層
18‧‧‧第二導電型包覆層(n型包覆層)
19‧‧‧第二導電型電流擴散層(n型電流擴散層)
27‧‧‧發光層
28‧‧‧發光部

Claims (2)

  1. 一種磊晶晶圓，包含： 一發光層，係由將以化學式（Alx Ga1-x ）y In1-y P所表示的化合物半導體所構成的一第一導電型包覆層、一活性層以及一第二導電型包覆層為積層而成，其中0≦x≦1，0≦y≦1，該發光層的發光波長為670nm以上且690nm以下， 其中，該活性層係為將井層及障壁層為交互積層而成的量子井構造，該障壁層的組成為0.20≦x≦0.45，0＜y＜1。
  2. 一種發光二極體，係使用如請求項1所述的磊晶晶圓所製造。
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