TW468285B - GaN LED grown by MBE to have high hole concentration without thermal annealing - Google Patents

Description

468285 案號 89111835 曰 修正 五、發明說明（1) 發明領域 本發明係利用分子束蟲晶（Molecular Beam Epitaxy)系統之高潔淨、超高真空的盘晶成長腔室，成 長不需熱退火活化處理就能夠得到高電洞濃度的發光二# 體之P型GaN接觸層。 習知技術說明 美國專利第5385862號及第5633 1 92號揭露出使用分子 束磊晶成長發光二極體的方法，但是此發光二極體的磊晶 品質不佳，造成元件特性不佳。另美國專利第5306662號 及第5385862號揭露出使用有機金屬化學氣相沉積法製造P 型GaN，但必須加以攝氏6 00- 1 200度熱退火處理才能獲致 高電洞濃度的P型GaN接觸層的方法。 因為使用有機金屬氣相沉積法在1000〜1200 °C成長P型 GaN接觸層後，必需於溫度600-800 °C、惰性氣餿的環境下 退火處理，來打斷因Mg-Η鍵所造成的不活化現象。縱使在 材料中成功的摻雜了高濃度的Mg，也無法經由退火處理將 所有的Mg活化，進而得到高電洞濃度的p型GaN接觸層。 發明概要 本發明的目的再提供一不需退火處理，即能獲至高電 洞濃度之P型GaN接觸層的方法。發明中涵蓋使用兩種不同 設備、兩階段不同的磊晶成長方式》第一階段以有機金屬 氣相沉積法製造N型GaN、InXGa卜xN活性層（X<1)，最後再

4 6 8 28 5 n ____案號 89111835___年月日_修正__ 五、發明說明（2) 成長厚度數奈米（nm)的p型GaN保護層（Capping Layer)， 來保護In XGal-xN活性層中的in原子，避免在第二階段的 分子束磊晶成長時發生In原子擴散揮發（out diffusion) 的現象，造成InXGal-χΝ活性層組成比例的改變及污染分 子束遙晶成長腔° 第二階段則以分子束磊晶成長法來成長P型GaN層。由 於分子束磊晶成長法是在一高潔淨度且高真空的環境下成 膜’因此’用來成長P型GaN層時，摻雜物鎂會以鎂離子的 型態存在於GaN之中，而無氫原子與其鍵結，而造成不活 化現象；如此就不需要經過退火處理，即可得到高電洞濃 度的P型GaN。免除熱退火處理的優點是保有結構的完整 性*不會使發光效率降低，獲致比以往更高的電洞濃度； 此外分子束遙晶系統乃為低溫成長技術，使基板與遙晶曾 因熱膨脹係數不同造成之熱應力降低，比較容易獲得高品 質的磊晶薄膜。 較佳具體實例的詳述 本實施例之發光二極體分為二階段磊晶成長；第一階 段為利用有機金屬化學氣相沉積法蟲晶，第二階段為利用 分子束磊晶系統磊晶。 第一階段以有機金屬氣相沉積法製造GaN系發光二極 體。首先’分別將氨氣及以氫氣為載器將三甲基鎵（TMGa) 攜入反應腔，在溫度1050 °C，V/III比為6000的條件下成 長厚為4微米的N型GaN，其成長速率為每小時4微米，N型

第6頁 4 6 8 28 5 _案號 89111835_年月 a_^____ 五、發明說明（3) 的摻質原料為矽烷（Si HJ。將溫度降至850 1，以氫氣為 載氣將三甲基鎵（TMGa)及三甲基銦（TM In)攜入反應腔内與 通入的氨氣（NH3)反應成長40min，得到厚度為〇.4微米的-InGaN活化層。再將溫度上升至900。(：，除了以氫氣為載象 將三甲基鎵（TMGa)外’亦將雙環戊烯鎂（Cp2Mg)攜入反應— 腔内與通入的氨氣（NH3)反應成長1〇奈米的p型（；aN當作保 護層，來確保InGaN活性層中的In原子不會在第二階段以 分子束磊晶法成長P型GaN時，因溫度的效應造成揮發擴 散，而改變其組成。 不使用AlXInYGal-X-YN作為保護層的原因在於，若為 含鋁或銦的材料，在分子束磊晶系統内加溫後會從表面揮 發破壞成長腔的真空度和潔淨度，會使得磊晶的品質變 差，增加缺陷濃度。 第二階段以分子束磊晶系統製造GaN系發光二極體為 一習知技藝。自有機金屬化學氣相沉積系統之成長腔室取 出磊晶片後，使用酸液：鹽酸或硝酸和水的混和液約1 : 1，清洗表面的氧化物和雜質5到1 〇分鐘後，再使用純水清 洗磊晶片、氮氣吹乾。將酸洗處理完成的磊晶片置入分子 束磊晶系統的成長腔室内的鉬轉盤上，然後開始抽真空； 加溫系統腔壁到1 5 0 - 2 0 0度’使腔室壓力更能順利降低β 保持真空壓力在1 0·9 tor r ’於充分供應氮原子的情況下， 將基板逐漸升溫到600-900 °C，升溫速率為每分鐘10 — 20 °C ^此時使用較低能量轟擊磊晶基板表面，將表面做氮化 處理’清除不純物’同時也使得磊晶基板表面氮的

第7頁 SS 89111835 28 5 修正 曰 五、發明說明（4) ，逸為最低：此步驟能有效降低缺陷濃度。持績保持此固 定溫度30分鐘而到達穩定後，同時打開鎵與鎂的供應源， 開始成長P型GaN接觸層10^成長p型GaN接觸層1〇8期間， 錄與鎮的供應源溫度分別控制在85〇_95〇i與1〇〇15〇。(：之 間，鎵的流率為1· 0-3. 〇 X 1〇-7 t〇rr、氮的流率為1〇_3_1〇_5 t〇rr ’其蟲晶成長速率約為每小時〇卜〇 2微米。待成長 至適宜厚度之後，約〇 _ 3 - 4微米，本實施例為2微米；關閉 鎵與鎮的供應源並逐漸降溫；並且在降温期間仍舊充分供 應氛原子’防止氮化鎵表面氮的散失。降溫速率為每分鐘 30 °C，於破真空之後取出磊晶片，其結構如圖1所示。 自分子束磊晶系統成長腔中取出後，以習知技藝的反 應離子蚀刻（Reactive Ion Etching，RIE )將磊晶片蝕 刻至N型GaN接觸層露出為止，如圖2所示。再分別於p型接 觸層108和N型接觸層102上蒸鍍N型金屬電極112和P型金屬 電極110，製成如圖3所示的氮化鎵系發光二極體120。經 過量測得知’ P型GaN接觸層108不需熱退火活化，其電洞 濃度最高可達到5.2xl018cnr3以上；如圖4所示。經過量 測後，其電流電壓關係與輸出特性如圖5所示。 本實施例雖然只使用電子迴旋磁力加速共振分子束磊 晶系統（Electron Cyclotron Resonace Molecular Beam Epitaxy，ECR-MBE)，但是也適用於其他形式的分子束磊 晶系統；如射頻電漿辅助分子束磊晶系統（Radio Frequency Plasma Assisted Molecular Beam Epitaxy，

、ί P 28 5 _案號89111835_年月日 修正_ 五、發明說明（5) RF-MBE)和氣源分子束蟲晶系統（Gas Source Molecular Beam Epitaxy, GS-MBE)等。因此，其他的材料種類或類 似的條件，也在本發明所附之申請專利範圍的範圍和精神 之中。

4 6 8 28 號 89111835 年月曰 修正 圖式簡單說明 圖式簡單說明 圖1.本實施例之磊晶片結構截面圖。 圖2.本實施例之磊晶片經過蝕刻後示意截面圖。 圖3.本實施例之發光二極體結構示意截面圖。 圖4.本實施例之P型接觸濃度對深度關係圖。 圖5.本實施例之電流與輸出特性圖。 圖號編號說明 100 半導體或絕緣體基板 102 N型GaN接觸層 104 InXGal-XN之活性層 106 P型GaN保護層 108 P型GaN接觸層 110 P型金屬電極 112 N型金屬電極 120 GaN系之發光二極體

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Claims (1)

1. ^ 8 285 修正 案號 89111835 六、申請專利範圍 J種利用分子束磊晶系統成長不需熱退火活化處理即有 高電洞濃度的GaN系發光二極體，其包括： 一半導體基板； 一利用有機金屬化學氣相沉積法成長的N型GaN接觸 層； 一利用有機金屬化學氣相沉積法成長的InXGal _χΝ活 性層； 一利用有機金屬化學氣相沉積法成長的^以保護層； 一利用分子束磊晶系統成長的p型GaN接觸層； 一位於P型GaN接觸層之上的歐姆接觸電極； —位於經蝕刻後在N型GaN接觸層之上的歐姆接觸電 極。 2. 如申請專利範圍第1項之GaN系發光二極體，其中n型或p 型接觸層為AlxGaylnl-x-yN (0<x，y<l) (x+y=i)。 3. 如申請專利範圍第1項之(jaN系發光二極體，其中活性層 進一步為AlxGaylnl-x-yN (0<x，y<l) (x + y = i)或已習知的 多重量子井結構（MQW)AlxGaylnl-x-yN (0<x，y<l) (x+y=1) ° 4. 如申請專利範圍第1項之GaN系發光二極體，其中基板可 以是（100) (111) Si、GaAs、SiC、（0001) (1 卜20) (1 -1 0 2 ) S a p p h i r e、Ζ η Ο 〇

   第11頁 3 285 ---案號 89111 _年月日_______ 六、申請專利範圍 5.如申請專利範圍第1項之GaN系發光二極體’其中利用分 子遙晶系統成長的p型GaN接觸層、進一步之P型導光層 AlxGaylnl-x-yN和p型彼覆層AlxGaylnl-x-yN的摻雜雜質 可以是 Mg、Zn、Be、Ca、Sr ' Ba、Cd。 6_如申請專利範圍第i項之GaN系發光二極體，其中利用有 機金屬化學氣相沉積法成長的N型GaN接觸層、進一步之n 型導光層AlxGaylnl-x-yN和N型披覆層AlxGaylnl-x-yN的 摻雜雜質可以是Si、Ge、C、0、Sn、Pb。 7. 如申請專利範圍第1項之GaN系發光二極體，其中利用分 子磊晶系統成長的P型GaN接觸層前，重覆延續成長P型 AlxGaylnl-x-yN 保護層。 8. —種利用分子束磊晶系統成長不需熱退火活化處理即有 高電洞濃度的GaN系發光二極體，其包括： 一半導體或絕緣體基板； 一利用有機金屬化學氣相沉積法成長的N型GaN接觸 層； 一利用有機金屬化學氣相沉積法成長的N型 AlxGaylnl-x-yN 披覆層； 一利用有機金屬化學氣相沉積法成長的未摻雜的 AlxGaylnl-x-yN活性層；

   第12頁 468 285 __89111835 六、申請專利範圍 年月曰

   一利用有機金屬化學氣相沉積法成長的P型 AlxGaylnl-x-yN彼覆層； 一利用有機金屬化學氣相沉積法成長的GaN保護層； 一利用分子束蠢晶系統成長的的P型GaN接觸層。 9.如申請專利範圍第8項之GaN系發光二極體，其中N型咬 型接觸層為AlxGaylnl-x-yN (0<x，y<l) (x + y = i)。 10. 如申請專利範圍第8項之GaN系發光二極體，其中活性 層為AlxGaylnl-x-yN (0<x，y<l) (x + y = l)或已習知的多 | 量子井結構（MQW)AlxGaylnl-x-yN (0<x，y<l) (x + y〇。 11. 如申請專利範圍第8項之GaN系發光二極體，其中基板 可以是（100) (111) Si、GaAs、SiC、（0001) (11-20) (1 - 1 02) Sapphi re ' ZnO。 12.如申請專利範圍第8項之GaN系發光二極體，其令利用 分子蟲晶系統成長的P型GaN接觸層、P型披覆層 摻雜雜質可以是Mg、Zn、Be、Ca、Sr、Ba、Cd。 13.如申請專利範圍第8項之GaN系發光二極體，其中利用 有機金屬化學氣相沉積法成長的N型GaN接觸層、N型披覆 層 AlxGaylnl χ-yN和進一步之n型導光層 AlxGaylnl-x-yN

   4 6 8 28 5 —案號 89111R3R 年月曰 修正 六、申請專利範圍 的摻雜雜質可以是Si、Ge、C、0、Sn、Pb。 14.如申請專利範圍第8項之GaN系發光二極體，其中利用 分子磊晶系統成長的p型GaN接觸層前，重覆延績成長P型 AlxGaylnl-x-yN保護層。 1 5. —種利用分子束磊晶系統成長不需熱退火活化處理即 有高電洞濃度的GaN系發光二極體，其包括： 一半導體或絕緣體基板； 一利用有機金屬化學氣相沉積法成長的N型GaN接觸 層； 一利用有機金屬化學氣相沉積法成長的N型 AlxGaylnl-x-yN導光層； 一利用有機金屬化學氣相沉積法成長的N型 AlxGaylnl-x-yN 披覆層； 一利用有機金屬化學氣相沉積法成長的未摻雜的 AlxGaylnl-x-yN活性層； 一利用有機金屬化學氣相沉積法成長的p型 A1X G a y I η 1 - X - y N 披覆層； 一利用有機金屬化學氣相沉積法成長的N型 AlxGaylnl-x-yN 導光層； 一利用有機金屬化學氣相沉積法成長的GaN保護層； 一利用分子束磊晶系統成長的p型GaN接觸層。 第14頁 4 68 28 5 ___案號89111835_年月曰 修是_ 六、申請專利範圍 16.如申請專利範圍第15項之GaN系發光二極體’其中N型 或P型接觸層為AlxGaylnl-x-yN (0<x，y<l) (x+y=l)。 1 7.如申請專利範圍第1 5項之GaN系發光二極體，其十活性 層為AlxGaylnl-x-yN (0<x，y<l) (x + y= l)或已習知的多重 量子井結構（MQW)AlxGaylnl-x-yN (0<x，y<l) (x + y=l)。 18.如申請專利範圍第15項之GaN系發光二極體，其中基板 可以是（100) (111) Si 、 GaAs 、SiC、 （0001) (11-20) (1-102) Sapphire 、 ZnO 。 19·如申請專利範圍第15項之GaN系發光二極體，其中利用 分子遙晶系統成長的P型GaN接觸層、P型披覆層 AlxGaylnl-x-yN和P型導光層AlxGaylnl-x-yN的摻雜雜質 可以是 Mg、Zn、Be ' Ca、Sr、Ba、Cd。 20. 如申請專利範圍第15項之GaN系發光二極髅，其中利用 有機金屬化學氣相沉積法成長的N型GaN接觸層、N塑披覆 層AlxGaylnl-x-yN和N型導光層△151(^71111_)^”的摻雜雜 質可以是Si 、 Ge、 C、 〇、 Sn、 Pb。 21. 如申凊專利範圍第15項之GaN系發光二極體，其中利用 分子蠢晶系統成長的P型GaN接觸層前，重覆延續成長p型 AlxGaylnl-x-yN保護層。

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