TW475276B

TW475276B - GaN based III-V compound semiconductor light-emitting device

Info

Publication number: TW475276B
Application number: TW89123451A
Authority: TW
Inventors: Jin-Kuo Ho; Shyi-Ming Pan; Chien-Chia Chiu
Original assignee: Ind Tech Res Inst
Priority date: 2000-11-07
Filing date: 2000-11-07
Publication date: 2002-02-01

Description

4/^/b 五、發明說明（1) 【發明之應用領域】一本發明係關於氮化鎵系列丨丨卜v族化合物半導

It ^ ^ ~ iip 1 # An € # "，J ^ ^ ^ 化鎵系列III-V族化合物半導體發光元件。【發明背景】現今的氮化鎵系列發光二極體（GaN LED )元件的結構，除了Cree公司是使用SiC當基板外，其餘幾乎都是^ 用不具導電性的藍寶石（Sapphire )作為基板的材料。由於s：ic基板的價格十分昂貴，且以Sic基板所製作的

LjD，在亮度上也不如以Sapphire基板為主的GaN [μ，使+ 知SiC基板的GaN LED不如Sapphire基板的GaN LED普遍。然而以Sappire為基板的GaN LED仍存在相當多的缺點，例如，GaN與Sapphlre的晶格常數差異性大，所生長的磊晶層缺陷多，品質不易控制造成製程上的困難。且由於 (

Sapphire基板不導電，所以p電極與n電極必須做在基板的同一面，也增加了製程的複雜性。另Sapphire基板的硬度太咼’不利於晶粒缸切割，亦造成製程的因難度。另一方面，以Sapphire為基板的GaN LED為了增加發光面積必須採取覆晶（F 1 i p C h i p )的封裝方式，而為了降低覆晶封裝時對準上的困難度，並且避免短路（sh〇rt circuit ) 〇發生，而必須增加晶粒的面積’使得每一晶片的總晶粒數減少。此外’傳統G a N L E D當電k >主入元件時，無法在ρ型半導層中進行均勻地擴散，發光區域被局限於金屬電極的四

五、發明說明（2) 周’而不透明的金屬電極合、生 #

GaN LED發光效率無法提昇。曰Ύ的遮1 ’因此造成接觸電極的應用問題，為二決，型GaN半導體層 . , , ? t的解決方法均著重在續全屬帝改盖箄方而 …、條件的改變以及f—隹一製作方式的音圖。「ϊί圖示ΓΓ知的GaN LED元件的結構剖面示心圖。该GaN LED凡件包括：一細⑽…基板^ ^ ^ b β9 ^ , 、 η電極3和一薄金屬Ρ電極4。而通视日日層2係至少由一 η型备"^ / ^ 、一η刑《 π # , Ρ λ I化鎵（n-GaN )半導體層5以及 =虱化叙（P —GaN)半導極4上則可形成有一笳圚釦碍至濁P私、 ^ ^耗圍1又小的金屬墊7 (bonding pa(i )。以薄金屬層作為透明Φ & a & ^ ^ 兒極雖然可達到光穿透效果，但，、透光率仍受到限制，而备降低元件的發光效率。I;:=輸出&成f5午的阻擋， 4至屬層結構的總厚度要低於數制：，甚，要到1 〇〇埃以下，才能達到透，光效果。然而，衣如此溥的金屬結構作為透明電極，會造成製程上的困難，使生產良率無法提昇。此外，該薄金肩層的厚度均勻性不易精準控制，發光的均勻性亦受到限制。另外，該薄立屬易14環i兄中的水氣反應而劣化，降低元件的壽命與可罪度。因此必須額外的鈍態保護層8以保護該薄金屬電極。如此’亦增加了製程的複雜性以及生產的成本。綜上所述，仍有必要對GaN LED元件提出進一步的創新與改良。、

4/^276 五、發明說明（3) 【發明之目的及概述

據此’本發明的目的仍是為了以提昇發丄… ro W x疋致率根據上述目的，本發明的一種(^^ LED 降低製程困難度，而提供一種新的GaN LED元件的处極與—n電極設計於基板的不同面，且該P電將Y，電極u咖r electr〇de)，因而可簡化製作、m巧發光效率。該GaN LED元件包括：1型透明半’導L = $歼 5J::磊晶面以及一電極接觸®;-半導體元：二構，成長於該η型透明半導體基板之該磊晶面上，午冓一 =冓二由二1 τ氮化鎵系列111 _ V族化合物”導二 P i虱化鎵糸列I II —V族化合物半導體所組一接觸電極膜，开)成於該半導體元件結構上，並與該二化鎵系列I 11 -V族化合物半導體形成低電阻歐姆接^ 二反射鏡金屬p電極，形成於該p透明接觸電極獏上·以及〜，一金屬η電極’形成於該電極接觸面上。可勺i:二=鎵系列⑴―V族化合物半導體之最外層可已括P iA1xGay InzN/AlpGaq ΙηΓΝ超晶格半導，，豆中η 隙大於AlpGaqInrN，且最外層為AlpGaqInrN。如此可直接與該反射鏡P電極形成良好的低電阻歐姆接觸，而要該p透明接觸電極膜。而根ϊ ΐ ί本發明的目的，該n型透明半導體基板之側面可具有乂斜面，亦'即該側面有部份或全部之面傾斜於該 η.型透明半導體基板之該磊晶面與該電極接觸面。另外，

4/yz/b

該i〜極接觸面與該側面可為粗糙化之表面，如此可減少全反射’而提南發光效率。為使對本發明的目的、構造特徵及其功能有進一步的瞭解’兹配合圖示詳細說明如下：【實施例詳細說明】參考「第2A圖」，繪示根據本發明的一種GaN LED元件的結構。該GaN LED元件主要由一透明導電基板n、一半$體元件結構1 2、一p透明接觸電極膜丨3、一反射鏡p電才以及一金屬η電極1 5所組成。在本實施例中，該透明導電基板11為一η型GaN導電基板，用以當作窗戶層 (window layer )。然而該透明導電基板u亦可選用其它的材質:例如，n-ZnO、n-SiC、n-LiA102、n-LiGa02 等。該透明V電基板1 1具有一蠢晶面1 1 1及一電極接觸面1 1 2。該半導體元件結構1 2係磊晶成長於該磊晶面丨u上，而該金屬η電極1 5則形成於該電極接觸面丨丨2上，作為對外電性連接之用，該金屬n電極15的材質可包括Au或人丨等。該電極接觸面112並可具有一n透明導電膜16，例如為一 IT〇透明導電膜，該I TO透明導電膜具有良好的透光性，且可與 η-GaN基板形成良好的歐姆接觸，接觸電阻率可低至5 χ 104Ω (J.K.Sheu et al,M Indium tin oxide ohmic contact to highly doped n-GaNM, Solid-State

Electronics，Vol· 43，1999，pp· 2081-2084 )。成長於該磊晶面1 1 1的該半導體元件結構丨2至少包括一 η型氮化鎵（GaN )系列I π -V族化合物半導體1 2 1 (以下

475276 五、發明說明（5) 簡稱為n型氮化物半導體）以及一P型氮化鎵（GaN )系列 Π I -V族化合物半導體丨2 2 (以下簡稱為p型氮化物半導體 )。該P透明接觸電極膜13，例如為NiO或;NjO/Au，係形成於該P型氮化物半導體丨22上，可與該p型氮化物半導體122 形成良好的歐姆接觸，使電流均勻擴散至整個p型氮化物半導體層表面，並具良好的透光性（何晉國，鍾長祥，鄭振雄，黃兆年，陳金源，邱建嘉，史國光，，’半導體之歐姆接觸^ 其製作方法'中華民國專利，公告第386286號）。該反射鏡p電極1 4，例如為A g或A 1電極，形成於該p透明接觸電極膜13上，用以反射該GaN LED所產生的光線，藉由該p透明接觸電極膜13以及該反射鏡p電極14可有效辦加該GaN LED的發光效率。且該反射鏡p電極14與該金屬n曰電極1 5在不同面，更可簡化製程與降低生產成本。 t 另外，如「第2Β圖」所示，若該ρ型氮化物半導體122 之最外層具一超晶格半導體，其能隙大於AlpGaqInrN，且最外層為AlpGaqInrN。則該^型2氮化物半導體1 2 2可直接與該反射鏡ρ電極1 4形成良好的低+ 阻歐姆接觸，而可不需要在該反射鏡ρ電極丨4與該ρ型氣化物半導體122之間形成該ρ透明接觸電極膜。 11 麥考「第3圖」為本發明的另一個實施例，該透明曾電基板11的該電極接觸面1 1 2可加以粗糙化，孚沾^ ^ ¥ 丁叾弓租f造度 ==3 0 0埃’以減少内部全反射而增加發光效率。其中，^ 極接觸面112的粗糙化可以是無序的（rand〇m)亦可^電

五、發明說明（6) 定的紋理（texture )。另外，如「 * 糙化的電極接觸面112上回」所-不’该粗. 16。 j Ώ j化成有一η透明導電膜芩考「第5Α、5Β圖」為本發明的另明導電基板11的側面123可呈有傾们Λ &例，3亥透部份式入邶可彻外中」/、令1其针面，亦即該侧面1 23之 π伤或王部可與s亥電極接觸面丨12及而呈傾斜之角度，該傾斜面不限m:垂直不規則面。其中該電極接觸=1?%為+面，亦可為曲面或該透明導電基板丨丨呈上窄下寬的妒狀於/亥；日日面111，使 d王反射的機率而增加光穿透的機會:另外，如化接觸面112亦可加以粗棱化，而該粗縫透明導電膜16可如「第7 :成;1透導電膜16。另該η 電基板Η的側面113。」“^’延伸至該透明導導+ ί fit第9圖」所繪示之_ UD元件結構。該透明板u的側面113為傾斜面，且該電極接觸面112大於〜. 邊猫日日面111 ,使該透明導電基板丨丨呈上寬下窄的形^大。 =也'減少内部全反射而增加發光效率。而該電極接觸「一同樣可加以粗糙化，亦可形成該η透明導電膜ί6而如弟10圖」中所繪之結構。 , ( 以上所述者，僅為本發明其中的較佳實施例而已，並 =用來限定本發明的實施範圍，熟習該項技術者當可作適吾的修飾與更改，例如，該金屬11電極除了可為Au、A1 外’亦可為Pt、Pd、Ag、Co、Ni、Ti、Zr、Hf、V、Nb、

475276 五、發明說明（7)

Ta、Cr、Mo、Cu。而該反射鏡p電極可為Ag、A1以外的材質，如Mg 、Pt 、Pd 、Au 、C〇、Ni 、π 、Zr 、Hf 、V 、Mb 、 Ta、Cr、Mo等。另外，可與該p型GaN半導體形成良好歐姆接觸的透明導電膜’除了 Ni〇外，亦可選用MnO、FeO、 C〇0、PdO、M〇02、Μη02、Fe2〇3、Co3〇4、cr2〇3、Cr02、

Rh2〇3、CuA 1 02、SrCu2 02。而可與該11型透明半導體基板形成良好歐姆接觸的透明導電膜除了 IT0外，亦可選用Zn〇、

Sn02、Ιη2 03、Τ12〇3、CdO、In4Sn3012、ZnSn03、SnZn2 04、 Zn2In2 05 ZnGa2〇4、cdSb2 06、Galn03、Mgln04、Agln02、

MIn2〇4 (M = Mg、Ca、&、Ba)等材質。故凡依本發明申請專利範圍所作的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。

II J厶 m

【圖式簡單說明】第1圖，繪示一種習4π Μ Γ λτ Τ Γ η & t u ^ 自夫的GaN LED發光元件剖面示意圖，該舍光兀件的p電極與n電極在基板的同一面，且該p 電極為薄金屬雷搞。第2A圖，j示根據本發明的一種GaN [ed發光元件剖面示心圖σ亥發光元件的P電極與η電極在基板的不同面，且該ρ電極為一反射鏡電極，位於該發光元件的Ρ型GaN半導體層上並形成有_ρ透明接觸電極膜。

第2Β圖會示根據本發明的一種GaN [肋發光元件剖面示 + 思圖’该反射鏡P電極直接形成於該發光元件的P 型GaN半導體層之AlxGay InzN/AlpGaqInrN超晶格半導體表面上。第3圖，繪示根據本發明的一種GaN LED發光元件剖面示意圖’ 5亥透明導電基板的電極接觸.面被粗链化。第4圖，繪示根據本發明的一種GaN LED發光元件剖面示意圖’该透明導電基板的電極接觸面被粗链化，其上並形成有一η透明導電膜。第5 A、5 Β圖，繪示根據本發明的g a ν l E D發光元件剖面示意圖，該透明導電基板的側面具有傾斜面，且電❸ 極接觸面小於磊晶面。第6圖’為「第5A圖」所示之GaN LED發光元件的該電極接觸面加以粗糙化，其上並形成一 η透明導電膜。第7圖’為「第5Α圖」所示之GaN LED發光元件的該電極接

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觸面上形成有η透明導電膜且延伸至該透電基板的你丨而。第8圖，為「第7圖」所不之_ Ltl;奴…叶第9圖電基板的電極接觸面與側面被粗糙化繪示根據本發明的一種GaN LED發光元件剖面圖’該透明導電基板的側面為傾斜面，且♦ 〜第10圖觸面大於蠢晶面。兒σ要，Λ「Λ9,广示之GaN LED發光71件的該透明導电基板的电極接觸面被粗糙化，並上 v 透明導電膜。 ’、 ❿成有一 η 圖式符號說明】 1 Sapphire 基板 2 ^ η電極 4 薄金屬Ρ電極 5 η型氮化鎵半導體層 6 ρ型氮化鎵半導體層 7 金屬墊 8 保護層 11 透明導電基板 12 半導體元件結構 13 ρ透明接觸電極膜 14 反射鏡Ρ電極 15 金屬η電極 475276

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Claims

4/DZ/D

種氮化鎵系列Π T v ^ + U卜V族化合物半導體發光元件一 η型透明半導轉t %體基板，具有一磊晶面以及一

觸面；包含：電極接 f ^體兀件結構，成長於該η型透明半導體基板之 =蠢晶面上’該半導體元件結構至少由一η型氮化叙系列111 -V族化合物半導體以及__ρ型 III-V族化合物半導體所組成；豕糸歹J P透明接觸電極膜’形成於該半導體元件結構上，並人及p型氮化鎵系列I I I _ V族化合物半導體形成低電阻歐姆接觸；一反射鏡金屬P電極，形成於該P透明接觸電極膜上；以及、，一金屬η電極，形成於該電極接觸面上。 2 ·如申請專利範圍第1項所述之氮化鎵系列丨丨丨—V族化合物半導體發光元件，其中該η型透明半導體基板之該電極接觸面上，並具有一η透明導電膜，該^透明導電膜與該 η型透明半導體基板形成低電阻歐姆接觸。、^ 3 ·如申請專利範圍第1項所述之氮化鎵系列I I I -V族化合物半導體發光元件，其中該η型透明半導體基板之材質係選自 n-GaN、n-ZnO、n-SiC、η —LiA102、n-LiGa〇2 所組成之族群中的任何一種。 4 ·如申請專利範圍第1項所述之氮化鎵系列丨丨丨—v族化合物半導體發光元件，其中該半導體元件結構至少具有一組 P-n junction °

第14頁 475276 六、申請專利範圍 5 ·如申請專利範圍第1項所述之氮化鎵系列丨丨丨—v族化合物半導體發光元件，其中該p透明接觸電極膜為p型氧化物半導體（p-type metal oxide semiconductor)或是p 型氧化物半導體與貴金屬（noble metal )混合材料。 6 ·如申請專利範圍第5項所述之氮化蘇系列I I I — v族化合物半導體發光元件，其中該p型氧化物係選自Mn〇、Fe〇、 C〇0、NiO、PdO、M〇02、Mn02、Fe2 03、C〇3 04、Cr2〇3、 Cr02、Rh2 03、CuA102、SrCu2 02等所組成之族群中的任何一種。 7·如申請專利範圍第1項所述之氮化鎵系列I I I -V族化合物$ 半導體發光元件，其中該金屬ρ電極係選自Au、A1、 Mg、Pt、Pd、Ag、Co、Ni、Ti、Zr、Hf、V、Nb、丁a、 Cr、Mo、所組成之族群中的任何一種。 8 ·如申請專利範圍第2項所述之氮化鎵系列I I I -V族化合物半導體發光元件，其中該η透明導電膜為透明導電氧化物。 9 ·如申請專利範圍第8項所述之氮化錁系列I I I - V族化合物半導體發光元件，其中該透明導電氧化物係選自I Τ 0、 ZnO、Sn02、Ιη2〇3、丁 ι2〇3、CdO、In4Sn3012、ZnSn03、 S η Z n2 04、Z n21 n2 〇5、Z n G a? 〇4、C d S b2 06、G a I n 03、M g I η 04、 Agln02、MIn2〇4 (M:Mg、Ca、Sr、Ba)等所組成之族群中的任何一種重攙雜之n变半導體氧化物。 1 0 ·如申請專利範圍第1項戶斤述之氮化鎵系列I I I - V族化合物半導體發光元件，其中該金屬η電極係選自Ag、A1、

第15頁六、申請專利範圍 V 、 Nb 、 Ta 、 Cr ^、Pd、Au，，、n、Zr、Hf Mo、⑶所組成之族群中的任何—種。物1項所述之氮化鎵系列⑴—V族化合極件中該η型透明半導體基板之該電接觸面可全部或部份粗糖化，平均粗链度d〇〇埃。广申、請專利範圍第1項所述之氮化鎵系列I II-V族化合物半導體發光元件’其中該n型透明半導體基板之側：具有傾斜面。 1 3 ·如申請專利範圍第1 2項所述之氮化鎵系列I π —V族化合物半導體發光元件，其中該n型透明半導體基板之該電極接觸面大於該磊晶面。 1 4·如申請專利範圍第1 2項所述之氮化鎵系列I I I -V族化合物半導體發光元件，其中該η型透明半導體基板之該電極接觸面小於該磊晶面。 1 5.如申請專利範圍第1 4項所述之氮化鎵系列I I I -V族化合物半導體發光元件，其中該η型透明半導體基板之該電極接觸面與該側面可全部或部份粗糙化，平均粗糙度-3 0 0 埃。 1 6 ·如申請專利範圍第1 4項所述之氮化鎵系列11 I —V族化合物半導體發光元件，其中該η型透明半導體基板之該電極接觸面上，並具有一η透明導電膜，該η透明導電膜與該η型透明半導體基板形成低電阻歐姆接觸。 1 7·如申請專利範圍第1 6項所述之氮化鎵系列111 -V族化合物半導體發光元件，其中該11透明導電膜延伸至該η型透

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明半導體基板之該側面。合物半導體發光元件，包 1 8 · 一種氮化鎵系列I I I -V族化括：一 Γ1型透明半導體基板，具有一石日 /、另 π日日面U及一電極接觸面； :半導體7G件結構’成長於該η型透明半導體基板之該磊晶面上，該半導體元件結構至少包含：一η型氮化鎵系列III-V族化合物半導體；以及 —Ρ型氮化鎵系列III-V族化合物半導體，其外層具 Ρ型A lx Gay I nz N/ A lp Gaq I nr Ν超晶格半導體，其中 j 0 S x，y，z，p，q，r $ 1 ’ χ + y + z = 1，p + 卩 + r 二 1， AlxGayInzN的能隙大於AlpGaqInrN，且最外層為 AlpGaqInrN ；反射鏡金屬P電極，形成於該P型 A lx G ay I nz N / A lp G aq I nr N超晶格半導體之該最外層 AlpGaq InrN表面上；以及一金屬η電極，形成於該電極接觸面上。 1 9 ·如申請專利範圍第丨8項所述之氮化鎵系列〗丨〗—ν族化合物半導體發光元件，其中該η型透明半導體基板之該電極接觸面上，並具有一 η透明導電膜，該η透明導電膜%與4 該η型透明半導體基板形成低電阻歐姆接觸。、/' 2 0 ·如申請專利範圍第丨8項所述之氮化鎵系列丨丨丨—ν族化合物半導體發光元件，其中該η型透明半導體基板之材質係選自 n-GaN、n-ZnO、n-SiC、n-Li A102、n-LiGa02 所組

475276 六、申請專利範圍成之族群中的任何一種。 2 1 ·如申請專利範圍第丨8項所述之氮化鎵系列π丨—v族化人物半導體發光元件，其中该半體元件結構至少I有一組P-n junction 〇 22.如申請專利範圍第丨8項所述之氮化鎵系列丨丨丨族化人物半導體發光元件，其中該反射鏡金屬p電極係選自Ό Ag、A1、Mg、Pt、Pd、Au、Co、Ni、Ti、Zr、Hf、ν、 Nb、Ta、Cr、Mo、所組成之族群中的任何一種。 2 3.如申請專利範圍第丨9項所述之氮化鎵系列丨丨族化人物半導體發光元件，其中該η透明導電膜為透明導電" 化物。包羊 24·如申請專利範圍第23項所述之氮化鎵系列11 i-v族化人物半導體發光元件，其中該η透明導電氧化物係選自口 ΙΤ0、ZnO、Sn02、Ιη2〇3、Τΐ2〇3、CdO、ln4Sn3〇i2、 ZnSn03、SnZn2〇4、Zn2ln2〇5、ZnGa2〇4、⑽从、㈤叫、 Mgln04、AgIn〇2、MIn2〇4 、Ca、Sr、Ba )等所^成之族群中的任何一種重攙雜之n型半導體氧化物。 25·如申請專利範圍第18項所述之氮化鎵系列II I-V族化合物半導體發光元件，其中該金屬η電極係選自Au、a丄、 Pt、Pd、Ag、C〇、Ni、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、 M〇、Cu所組成之族群中的任何一種。 2 6 ·如申請專利範圍第1 8項所述之氮化鎵系列I I I - V族化合物半導體發光元件，其中該η型透明半導體基板之該電極接觸面可全部或部份粗链化’平均粗链度^ 3 0 0埃。

第18頁 4/y276 六、申請專利範圍 2 7 ·如申請專利範圍第丨8項所述之氮化鎵系列I π -V族化合物半導體發光元件，其中該η型透明半導體基板之侧面具有傾斜面。 2 8 ·如申請專利範圍第2 ?項所述之氮化鎵系列丨π —ν族化合物半導體發光元件，其中該η型透明半導體基板之該電極接觸面大於該磊晶面。 29·如申請專利範圍第28項所述之氮化鎵系列I I I-V族化合物半導體發光元件，其中該η型透明半導體基板之該電極接觸面小於該磊晶面。 3 0 .如申請專利範圍第2 9項所述之氮化鎵系列I I I -V族化合物半導體發光元件，其中該η型透明半導體基板之該電極接觸面與該側面可全部或部份粗糙化，平均粗链度$ 3 0 0埃。又 3 1 ·如申請專利範圍第2 9項所述之氮化鎵系列I I I -V族化合物半導體發光元件，其中該η型透明半導體基板之該電極接觸面上，並具有一η透明導電膜，該η透明導電膜與該η型透明半導體基板形成低電阻歐姆接觸。 32·如申請專利範圍第31項所述之氮化鎵系列丨丨丨-v族化合物半導體發光元件，其中該η透明導電膜延伸至該η型透明半導體基板之該側面。

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