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319916 A7 B7 五、發明説明（ 經濟部中央橾準局負工消费合作社印製 本發明是颺於少數載子半導髏元件的領域。本發明恃 別是鼷於藉由刻意注入雜霣改善發光半導驩元件操作®定 性的方法，Μ及利用這些方法所製造的元件° 半骞齷少數載子元件功能的退化，通常在該元件操作 時*會引起該元件非發光性重新结合效率上的增加。逭棰 功能退化的原因，是依照元件的型別、其構造、材料、W 及操作慵況而定。 第1圖所顯示的是，一種大家所熟知的雙重異質结構 發光二搔鼸（“ LED”）。LED 10包含一層透光性的磷化鎵 <GaP>窗口/¾流散布/接觸層12、一層高能帶陳鋁銦磷（ AllnP)上邊界/注入層14、一層低能箱陳（AlxGai-〇.eIn.eP 活性層16、一層高能帶陳鋁銦《(AllnP)下邊界/注入層 18、以及一塊可由砷化鎵（GaAs〉或磷化鎵（GaP)所组成的 導電性基髓20。再加上P型接酤21和η型接點23就完成了 該LED 〇光線的析出係經由該LED的頂部表面及««面產生。 諸層大致上被摻雑成使得該P-n接面位於靠近或是在該活 性靥之中，並且歐姆性接點21和23被裂成於該元件的P型 和η型匾域上。該结構可Μ藉由各種不同的方法所長成， 而這些方法包含金羼有檐化學汽相沈稹法（“M0CVD” >、 汽相磊晶法（w VPE” >、液相磊晶法（“LPE” >、分子束磊 晶法（“ MBE” >、以及其他。 第2画是在第1圓中所顯示之LED的能帶画。當順向 偏壓時，少數載子有效地注入到活性層16的作用，可藉由 P-n接面的小心配置而逢成。該等少數載子藉由离能帶陳 請 先 閲 讀 背 之 注 項 本衣 頁 訂 線 本紙張尺度逋用中S國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） A7 __ _B7___ 五、發明説明（i) 邊界層14和18*而被限制在LED的活性層之中。重新结合 遇程包含能夠產生所要求發射光的發光性重新结合，以及 不會產生光的非發光性重新结合。非發光性重新结合，可 能是由在LED中的晶鼸瑕班、和其他原因所造成。光線是 透遇LED不同的透明層及表面，而從LED析出，並且可藉由 不同的反射器及透鏡（鼷上未顯示），而被聚焦成一塊可 利用的圃案。 在第1匾中所》示的LED只是一棰少數載子元件的一 健例子。其他各種不同的少數載子元件，包含5棰性霣晶 體、光偵測器、Μ及太陽能霣池，都是基於類似的物理原 則而操作。半導醱雷射器經常具有一種雙重異質結構，Μ 及會同樣地逋遇到發光性及非發光性重新结合的競爭。所 有這些元件的性能和穩定性都視在整銪元件之操作壽命中 ，维持一段長時間的載子重新结合之生命周期輿否而定。 以第1匾的LED而言，輪出功率正比於内部的量子效 率，並且能夠表示爲： η^ϊ -[ΐ+ίτ,,/τ^)]-1 經濟部中央揉準局—工消費合作社印裝 (請先Μ讀背面之注意事項再矿烏本頁) 其中，7)0是内部的*子效率，Μ是外部的量子效率， tr是發光性重新结合的生命馬期，Μ及r nr是非發光性 重新结合的生命周期。r»-與在活性盾中非發光性重新结 合中心的數目成反比。和非發光性重新结合中心濃度 的關係藉由第3圏中的曲線圈來說明，而這儀匯形顯示了 當非發光性重新結合中心的濃度增加時，外部的量子效率 本紙張尺度遑用中國國家揉準（CNS ) Α4规格（210X297公釐） 319916 A7 B7____ 五、發明説明 (3) (請先閲讀背面之注意事項再域為本頁) ηΜ則降低。各棰晶鼸上的瑕班均可成為非發光性重新結 合的中心，而這些瑕疵包含，如絡（Cr〉、銅（Cu)、金（Au> 、鐵<Fe〉、氧（0>之類的取代性或間隙性雜質、Μ及甚至 如矽（Si>、硫（S>、晒（Se>之類的淺性摻雜爾、如自有間 嫌及空隙之原始的酤瑕疵、舆雜霣或摻雜嫌柑鬭之複合物 及沈級物、表面及介面狀態、和錯位、及其他延伸的瑕疵 。而逋些瑕疵會因為殘餘雜質或磊晶瑕疵成形的混入，而 在長晶遇程中出現。 一傾少數載子元件會因為好幾項理由，而在操作時變 差。在一値LED之中，載子的注入效率，或是光的析出效 率，會依特殊元件構造及操作情況而變。降低元件效率最 常見的原因，就是在承受《力時，由活性區中瑕疵的成形 所造成之非發光性重新结合效率上的增加。埴镰通程導致 元件特性隨著時間而逐渐劣化*如同钃示在第4H中的曲 線鼸所說明一般。該·形顯示，當該元件處於醮力下的時 藺周期增加時，外部的量子效率即随之降低。 經濟部中央標率局負工消费合作杜印裝 多種物理遇程都會在LED操作時，造成在活性匾中非 發光性重新結合中心的增加。在活性匾之中，或是靠近邊 缘或介面上的重新結合強化或是光強化瑕疵反應，都會造 成逭檯增加。其他的遇程邇包含雜質、原始的點瑕班、撺 雑劑、以及從元件其他區域進到該活性層的錯位（亦稱爲 暗線瑕疵等的擴散或傳播。逭些瑕疵以及殘餘或意外的雜 質，總是被認為對元件性能是有害的，並且有許多努力已 投入，來試圈減少這些瑕疵和雜質的濃度。 本紙張尺度適用中國國家揉準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 經濟部中央橾窣局員工消費合作社印裝 A7 B7 五、發明説明（） 發明之概要 本發明的第一値較佳實施例，包含一_用來改善少數 載子半導鼸元件之操作a定性的方法，而這縝方法是藉由 刻意把雜質引入舆活性區柑鄰的晶層中而完成，其中雜質 作爲對特別是不要《LJ5庙成形及傳播之劣化遇程的屏障。 利用逭值方法所裂迪的半導讎元件，也包含了本發明的第 一實施例。在這但第一較佳實施例的一餡特別例子中，雜 質的引人，是藉由在磊晶性長步《時，刻意地把氧（“〇”） 摻雜的ΙΠ-V族的光霣半導讎元件中而完成。一般而言， 氣被認爲是一種有效的深層陷阱，而且在一健光«元件中 是不希望有的。然而，Μ本文所描述的方式來使用氧，可 Μ在不損及元件效率的情況下，來改善元件的可靠性，這 點將會在下文中，Μ更為詳盡的方式描述之。 本發明現將詳盡地參考下文所列舉與敘述之附圈予Μ 描述。 圖示簡介 第1圜是一傾習知的發光半導鼸元件的横截面圖； 第2画是一傾顯示於第1圖中之發光半導《元件的能 帶國： 第3園是一値顯示於第1圏中該元件的非發光性重新 結合中心的濃度對外部量子效率的曲線躧； 第4圖是一傾願示於第1麵中該元件的受力時間對外 部董子效率的曲線》; 第5團願示在活性層中的氧對η㈣的影«程度； 本紙張尺度遥用中國國家橾準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） ---^------^裝^------订------線 (請先閲讀背面之注意事項再/Η本頁) A 7 B7 五、發明説明（） 第6匾顯示在P型邊界靥中的氧對的彩響程度 9 第7圈是一值顯示本發明第一較佳實施例中所教示的 半導醱元件的每一層中氧的濃度之画表； 第8_是一傾根據本發明所裂造元件之外部量子效率 η%對受力時間的曲線圏。 較佳《施例之詳細描述 經濟部中央標準局貝工消费合作社印袋 离效率可見光LED可Μ利用一種.（AlxGat-xh.diu.oP 的材料糸統而製成。如此的元件在结構上，類似第1圓中 所顯示的LED。基鼸通常不是砷化鎵（GiAsl·，躭是磷化鎵 (GaP>，邊界層是（AUGauK. *Iru.eP (OsXsl)，活性臑 是（AlyGai-yU.druiP ((HLX)，Μ 及窗口層是一層如 鋁鎵砷（AlGaAs)或磷化鎵（GaP>之類的透光性而霣氣上導 «之材料。對於逋些材料，最常用的磊晶生長技術，就是 M0CVD。在逭些材料中，氧的混入最容易發生於包含鋁的 合金之中，並且導致會造成有效的非發光性重新结合之不 要的深層瑕疵，而產生低的起始好幾棰技術*被用 來減少這種在埴些合金中氧的混入情況，包含讓基腰在高 溫下長晶、使用可Μ降低氧的混入效率之基《方位、JiLS 利用一 _离磷遇壓的長晶方式._。 在磊晶结構中氧的數量不但對LED的效率，甚至對元 件的可靠性，都有決定性的彩響。 單玀地變化在磊晶結構各層中的氧濃度，刻意地控制 氧的混入*使氧的準位低到讓氣摻雑層保有其導霣性，逭 本紙張尺度逋用中國國家標準（CNS ) A4规格（210X297公釐） 319916 A7 B7_ 五、發明説明（） (請先閲讀背面之注意事項再練鳥本頁) 些實驗顯示元件的效率視活性區中氧的濺度而定。然而， 元件的可SI性郤依賴在P型邊界層中氣的數量而定。這些 结果都顯示於第5和6圔中。存第5H中的曲線_指出， n 隨著在活性層中氧的增加而第6 Η則顧示，當 在Ρ型邊界靥中的氧增加時，LED的劣化情況減少。由於 眾所周知，氧會形成在（AlxGai-x)e.eIne.eP活性匾中導 致非發光性重新结合的深靥陷阱，所Μ皤著在活性層中氧 含ft的增加，而使降低的趨勢是受預期的。然而，» 箸在Ρ型上邊界層中氧含置的提升而改善元件S定性的结 果，卻是不被期望的。逭些结果卻容許藉由正確地調整磊 晶结構中氧的_鄹，而對元件效率及可靠性同時予以最佳 化。 由於LED劣化機制的確切特袢畢去如的，所以逭種利 用氧的摻雜來改善元件穩定性的確切緒是未知I 。氣可能會限制或滅緩其他雜質、原姶的點瑕疵、取代性 或間陳性的摻雜劑、或者是錯位的傳播，否則它們邸會從 邊界層、基讎、金屬接酤、不匹配的介面、邊缘、或是磊 晶瑕疵傅播到活性層而造成元件的劣化。 經濟部中央橾率局負工消费合作社印裝 在III-V族半導*材料中，氧可Μ是一棰深層雜質， 一棰可Μ吸收或鈍化其他雑質的反應性雜質，或者是一檯 淺補傖性雜質。本文所描述之元件可靠性上的改善，是因 為一種或是多棰逭類持性所造成。類似的結果可Μ藉由灌 擇擁有類似特性之其他一般所不想要的雜質來達成。其他 的深層雜質包含過渡金颺，例如：鉻（G)、鐵（Fe>、鈷（Co) 本紙張尺度逋用t國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） A7 B7 經濟部中央標準局貝工消费合作社印装 五、發明説明（） 、銅（Cu)、金（Au>等等。其他具有吸收或鈍化特性的反醮 性雜質，包含* (H)、硝（C)、硫（S)、氩（C1)和氰<F>。淺 補僂性雜質的逸择，則視半導體材料的導霣類型而定。在 P型區域中，淺補償性雜質是淺性施饈，而在η型匾域中 ，淺補償性雜質是淺性受鱧。在Ρ型III-V族半導觼中， 淺補償性雜質是在周期表上第IVA和VI Α行中的元素，特別 是施《氧（〇)、疏（S)、硒（Se)、碲（Te)、磺（C>、矽（Si) 、绪（Ge>、和錫（Sr〇。 本發明第一較佳實施例的概示画顯示於第7圖中。某 些或是全部強調僮可能使活性層免於氣存在其中，而用來 降低在該結構中氧濃度的可行方法會被採用。在M0CVD的 情況中，用來降低氧含量的技巧，包含高溫長晶、高P過 壓、適當的基•方位〔例如，《向（ΠΙΑ)的（100)誤定位〕 、來源纯度、反應器澝潔度、漏霣的完整度等等。 在（AUGanh.elne.eP LED的情況下，一健氣的摻 雜源被用來可控制性地把氧引入P型邊界層14，Μ改善可 靠性。依照主要的劣化機制和元件構造，其他晶層可以於 其他元件之中摻雜。氧摻雜源可能是氧氣（0,>、水（Ha〇〉 、如二甲醇鋁及/或二乙酵鋁的垸氧基源、或者是其他含 氧的化合物。當P型邊界層14中，氧的摻雜濃度爲至少1 X 10ie cm·3，Μ及至多5X 101* c·-8時，躭可以改善元 件的穩定度了。當P型邊界層14中，氧的摻雜濃度為大約 IX 10〃 C·-3時，邸可產生最佳的结果。在逭棰材料条统 中*氧的摻雜上限取決於在邊界層中導霣/絕续的變化。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4规格（210X297公釐） ~ (請先閱讀背面之注意事項再*/-為本頁) •裝. 訂 線 經濟部中央櫺準局属工消费合作社印製 Α7 Β7 五、發明説明（） 在其他的元件和材料条统中，造些範圃則當然會變化。在 某些應用中》有時候改變在P型邊界層中氧的翰》，可能 是比較適當的。 對願示於第7圔中之元件的氧輪麻，作審慎的最佳化 處理*會在既保持高的起始的情況下，更造成元件可 靠性改善的結果。逋點可藉由顯示於第8圃中的曲線來 說明，而逭值曲線圓說明了在施Μ外壓一段增長的時間之 後，在Ρ型邊界層14中較高的氧濃度，如何造成較高的 〇 在造個較佳資施例中，氧當作磊晶生畏遇程的一部分 而被引入。如離子植入或擴散之類的其他方法，也同樣可 Μ採用。 在導引出本發明的此項硏究之前，III-V族半導鼸的 氧摻雜作法均只被用於硏究舆氧枏關的深層瑕疵，Μ及生 長半絕缘材料而己。如同前文所言，在活性匾的氧，總是 被公認為會降低效率。Μ前並無任何已知的文獻建議，把 氧摻雜到邊界層内Μ改菩元件性能¥作法。本發明的教示 内容，可Μ進一步用於半導鼸雷射器、光偵拥器、太隈能 霣池、雙極性接面霣晶疆和其他少數載子半導鑀元件的裂 造上。 本纸張尺度適用中國國家揉準（CNS ) Α4规格（210X297公釐） J,---------^------1Τ------0 { (請先閲讀背面之注意事項再Jrcic本頁) A7 B7 319916 五、發明説明（） 元件檷號對照

10···LED 12.. ..視窗/霣流散布/接觸層 14.. ..邊界/注入層（上方> 16.. ..動態層 18.. .•邊界/注入層（下方） 2 0....基底 21——P型接點 23. ... η型接點 請 先 閱 讀 背 面 之 注 意 事

項 h 本千 頁 I 訂 線 經濟部中央橾準局貝工消费合作社印製 本紙張尺度適用中國國家橾準（CNS ) Α4规格（210Χ297公釐） 12

Claims (1)

1. 經濟部中央榡準局員Η消費合作社印製 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 第84109373號申請案申請專利範圍修正本 86.5.14. 1. —種少數載子半導體元件（10)，包含： 一活性區（16)，具有一預定少數載子重新結合的 生命周期； 至少一塊與該活性區相鄰區域（14) *該相鄰區域 被摻以氫_，該經摻雜的相鄰區域在元件操作時，保持 在該活性區中該預定的少數載子重新結合生命周期； 及加諸到該元件上的接點區（23、21)。 2. 如申請專利範圍第1項的少數載子半導體元件（10)， 其中該活性區（16)包含一個發光二極體的一發光區域 ，且該相鄰區域（14)包含一値發光二極體的一注入區。 3. 如申請專利範圍第2項的少數載子半導體元件（1〇)， 其中，該活性區（16)進一步包含一値雙重異質結構發 光二極體，且該相鄰區域（14)進一步包含一個雙重異 質結構發光二極體的一層邊界層。 4. 如申請專利範圍第3項的少數載子半導體元件，其中 氲_之摻雜濃度在1 X 10 1 s cm - 3與5 X 10 1 3 cnr 3間。 5. —種發光半導體元件（10)，包含： 一塊基體（20); 一層覆蓋於該基體（20)上的第一邊界層（18); 一塊用於發光而覆蓋於該第一邊界層（18)上的活 性區（16)，其中重新結合發光效率被預定於一接近調 和之最大值； 一層第二邊界層（14) ’該第二邊界層（14)覆蓋於 該活性區（16)之上； -13 - ( CNS ) A4^ ( 210X297^¥) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

   A8 B8 C8 D8 夂、申請專利範圍 覆蓋於該第二邊界層（14)之上的窗口層（12);及 一些電氣性接點（21、23)，被設置於該基體（20) 及該窗口層（12)之上， 至少有一層邊界層（14、18)被摻雜以氫_，而該經 摻雜之邊界層（14、18)會減少元件在受壓情況下所生 之重新結合發光效率損失。 6 .如申請專利範圍第5項的發光半導體元件（1〇)，其中 該第二邊界層（14)#P型，及在該P型邊界層中氧的 摻雜濃度介於lx l〇16cm_3與5x 1013cm-3間。 7. 如申請專利範圍第6項的發光半導體元件（10)，其中 在該P型邊界層（14)中的氧摻雜濃度大約lx 1018 cm-3。 8. —種在一個少數載子半導體元件（10)中用來改善其可 靠性之方法，該元件包含至少一塊活性區（16)、和至 少一塊相鄰區域（14)，該方法包含下列步驟： 以«雜該至少一相鄰區（14)，而該摻雜會減少 該元件在受壓時所遇之性能劣化狀況。 9 .如申請專利範圍第8項的方法，其中該活性區（16)包 含一個發光二極體的一發光區，而且該相鄰區（14)包 含一個發光二極體的一注入層。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 ------U ^ ! (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 10.如申請專利範圍第9項的方法，其中該活性區（16)進 一步包含一雙重異質結構發光二極體，該相鄰區（14) 進一步包含一値雙重異質結構發光二極體的一邊界層。 11，如申請專利範圍第10項的方法，其中1之摻雜濃度介 於 1 X 101 scnr 3與 5X 1013cm-3間。 -14 - 本紙張又)A4規格（210X297公釐）