TW541718B - Indium gallium nitride smoothing structures for III-nitride devices - Google Patents

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Michael D Camras
Nathan F Gardner
Scott R Kern
Andrew Y Kim
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Description

541718 A7 B7 五、發明説明（i ) 發明背景 發明領域 半導體發光二極體（LEDs)係在目前可用的最有效率光源 中的一種。目前在製造高亮度LED中能夠操作橫跨可見光 頻譜之感興趣的材料系統為III-V族半導體，特別是二元， 二元及四元化的鎵，銘，銦及氮的合金，亦稱之為族气 化物材料。基本上，ΠΪ族氮化物層係磊晶生長在藍寶石， 碳化矽，或氮化鎵基板上。由於藍寶石的廣泛可得，六角 形對稱，及易於處理與預生長清洗，雖然其與Ιπ族氮化物 層具有不良的結構及熱性匹配性，但其經常被用。請來見 例如S. Strite及Η· Morkoc所提出“GaN，Α1Ν及inN岣檢視” (GaN, AIN, and InN: A review) ^ J. Vac. Sci. Technol. B 10(4) 1992年，七月/八月，第1237頁。 為了保證L E D具有良好的效能，例如高亮度，高效率或 南可靠性裝置，該疊層介面的性質必須仔細地考慮。特別 要注意的是在該反應區域之下及之内的該疊層介面。該疊 層介面的品質係由連續疊層所沉積的該生長介面之條件來 控制。在這些條件中會造成不良的生長表面品質者為基板 表面清潔度，基板表面誤方向，不良生長條件及雜質。 一種達成平滑G aN表面形態的方法係在高溫（大約為丨1〇〇 °C )下，及較高的第五族對第三族莫耳氣相濃度比例之下來 生長尽的GaN層。依此方式生長的GaN層相較於在標準 生長條件下生長的GaN層會具有一高的側向對垂直生長速 率比例’其可允許該GaN層來過度生長在粗糙表面上，並 -____- 5 -___ 本紙張尺度適财g目家標準(CNS) A4規格(21GX297公釐) --- 541718 A7 B7 五、發明説明（2 提供一平滑表面來用於後續生長在該GaN層上的裝置層之 生長。但是，為了達到以此方式生長的一平滑及平坦表面 的GaN層，其必須較厚，並需要一較長的生長時間。再 者’在一 LED或雷射二極體中含有銦的反應區域會需要表 面平滑度條件來不同於由上述方法所能提供的條件。 發明概要 根據本發明，一含有銦的梯度平滑區域係預備給反應區 域生長，其係形成在一][Π族氮化物發光裝置的該基板與該 反應區域之間。在一具體實施例中，該梯度平滑區域具有 一梯度的組成。在另一具體實施例中，該梯度的平滑區域 具有一梯度的摻雜物濃度。在一些具體實施例中：該梯度 的平滑區域藉由一具有固定組成及摻雜物濃度的間隔物層 來與該反應區域隔開。本發明的該梯度平滑區域可改進生 長在該梯度平滑區域上的該疊層之表面特性，特別是該反 應區域。 圖式簡單說明 圖1所不為根據本發明之具有一平滑層與一間隔物層的 LED。 圖2所示為具有形成在該平滑層上的n接點之[e D。 圖3所示為圖丨所示之該裝置的疊層之導電帶邊緣能量。 圖4所不為本發明一具體實施例之反應區域，間隔物層及 平滑層。 圖5所示為具有一梯度平滑區域的LED。 圖6A所示為在該平滑區域中具有及不具有組成梯度之裝
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置的銦組成。 具有及不具有摻雜物遭度梯 圖6B所示為在該平滑區域中 度之裝置的摻雜物組成。 圖6C所示為梯度輪廓的六個範例。 圖7所示為一組成超晶格平滑結構。 圖8所示為圖1，2及5之n型區域的範例。 - 效所示為具有及不具有—平滑層之裝置的相對外部量子 圖10所示為具有及不具有·一 子效率。 平滑層之裝置的相對外部 量 圖UA及11Β所示為ΙΠ族LED多重量子井反應區域的原 子力顯微表面之顯微照相。 μ 圖12所示為根據本發明之具體實施例中加入leDs之顯示 裝置。 不 圖1 3所示為具有結合一刻意誤方向基板之平滑層的該裝 置之相對外部量子效率。 發明詳細說明 根據本發明，一含有銦的平滑結構係加入一 nu^氮化物 裝置，藉以生長具有所想要的表面特性之ΠΙ族氮化物磊晶 層。在一些具體實施例中，一間隔物層隔開該平滑結構與 該反庳區域。此處所使用的ΠI族氮化物半導體層係指由通 式 AlxGayIni.x-yN (〇Sx<l，〇£y£J，〇Sx + y<l)所代表的 化合物，其可進一步包含III族元素，例如彌及銘；，而其中 一些氮可由鱗，神，録或絲所取代。 -____-7 . 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 541718 A7 __B7 五、發明説明（4 ) " 一 圖1所示為一 III族氮化物LED的橫截面，其包含為一單 一層的平滑結構。一η型區域12形成在一基板11上，例如藍 寶石。該平滑層14形成在η型區域12之上。該平滑層基本上 為位在該反應區域之下的一η型層，其係將該基板做為最下 層來觀視該LED，其係在該反應區域的5000埃之内。該平 滑層之厚度範圍由約200埃到數個微米。平滑層14之銦組成 比反應層1 6要低。基本上，平滑層1 4為一含有2 -·1 2 %銦的
InGaN層。在一較佳具體實施例中，該平滑層含有2-6%的 銦。 一間隔物層1 5隔開該反應區域丨6與平滑層1 4。間隔物層 15基本上不含有銦’其可為例如GaN或AlGaN。尽應區域 16基本上為一 AlInGaN或InGaN的多重量子井結構，其銦 組成在5及50%之間，及一鋁組成在〇及5〇%之間。一 p型層 1 7係形成在該反應區域之上。P接點丨9形成在該p型區域！ 7 的上表面上，而一 η接點18形成在η型區域12的一暴露的部 伤上。另外，η接點1 8形成在平滑層1 4的一暴露的部份，如 圖2所示。 圖3所示為圖1所示之該裝置之疊層的該導電帶邊緣能量 之相對位置。如圖3所示，因為平滑層14含有銦，其具有一 帶隙，其小於該η型區域1 2及間隔物層1 5。該平滑層i 4的 帶隙大於該反應區域1 6的帶隙。該間隔物層1 5的高帶隙及 低厚度可最小化在該間隔物層中所吸收放射自該反應區域 的光線。該平滑層14之高於該反應區域的帶隙可降低在該 平滑層中所吸收放射自該反應區域的光線。 ^紙張尺度適用巾® S家料(CNS) A4規格(21GX 297公釐) ---- 五、發明説明（5 在本發明-第_具體實施例中，該平滑層係比該間隔物 層來更為重摻雜。該平滑層摻雜有矽，其濃度在2el7em·3及 2el9 cm之間。在該第一具體實施例中，該間隔物層為η 型，並摻雜例如矽，其濃度在未摻雜及2el8 cm·3之間。在該 第一具體實施例中，該間隔物層之厚度範圍由約1〇埃到1微 米，其典型厚度由150到200埃。該間隔物層的生長允許該 生長條件，例如溫度，來由該平滑層的生長條件調整到該 反應區域的生長條件。該間隔物層的厚度可最佳化成足夠 厚，以在篇反應區域的生長之製造期間可穩定化生長條 件’且其足夠薄，而不會降低在該平滑層上生長的該半導 體層之表面特性上的該平滑層之好處。 該第一具體實施例的間隔物層之摻雜物濃度係低於該η型 區域12，因此該間隔物層為一更高的電阻層，其可協助來 更為均勻地散佈電流到該反應層，而防止電流阻塞在該^接 點與該Ρ接點之間最短的路徑中。該間隔物層的厚度係基於 該間隔物層中摻雜物濃度來選擇，使得該間隔物層不$明 顯地加入該裝置的前向電壓。 圖4所示為本發明一第二具體實施例的該反應區域，間隔 物層及平滑層。該裝置的反應區域16基本上為一多重量子 井結構，其具有至少一阻障層5 1區隔兩個或多個井層5〇。 雖然所示為四個井及三個阻障層，該反 二 : 戈少的井層及阻障層，或為一單一量子井反應區域有= 弟二具體實施例中，該間隔物層15之厚度低於一阻障層的 厚度。阻障層5 1之厚度範圍由25埃到1微米，其典型為約 本紙張尺度適用中國國家標準((：1^3) Α4規格(21〇χ297公釐) 541718 A7 B7 五、發明説明L ) 〇 100到150埃厚度。因此，在該第二具體實施例中，該間隔 物層典型的厚度範圍由㈣埃到約15()埃。形成—間隔物層 厚度要薄於該反應區域中該轉層較具有好處，因為當該 間隔物層變厚時，在該間隔物層之下的該平滑層，其較少 能夠影響在該平滑層±生長的該疊層之表面特性。 在一第二具體實施例中，一平滑結構係加入在生長於一 誤切割基板上的一裝置。這種裝置可顯示出在裝置效能中 進-步的改進。誤切割基板的準備，使得在開始生長時該 第一表面在方向上偏離於一主要結晶平面有一小角度，例 如該監寶石的（000 1 )c平面。誤切割基版為了不同的目的而 已經使用在數個材料系統中，包含ΙΠ族氮化物。饵是，根 據本發明，具有一平滑層的誤切割基板之組合可比單獨一 個要在裝置效能上有更大的改進，如圖1 3所示。該誤切割 的大小在當實施組合該平滑層與誤切割基板時非常重要。 一般而言，我們預期會有一最佳誤切割角度，其係根據該η 型區域的平滑層厚度，組成及該摻雜物濃度。該最佳誤切 割角度也可根據生長條件。在原理上，組合平滑層與誤切 割基板可用於所有的基板，其包含藍寶石，碳化矽及
GaN。在生長於誤切割藍寶石基板上，與該藍寶石的 (〇〇〇l)C平面具有0.2到2度的範圍之裝置已經可觀察到改進 的裝置效能。 該裝置的一第四具體實施例係示於圖5。在該第四具體實 施例中，該平滑結構為一梯度的平滑區域6〇。梯度的平滑 區域60可具有一梯度的組成，例如銦組成或鋁組成，一梯
541718 A7 B7 五、發明説明（, 度的摻雜物組成，或同時有一梯度的組成及一梯度的摻雜 物噥度。加入有一梯度的平滑區域6〇之裝置在該梯度的平 滑區域及該反應區域之間可包含也可不包含一固定組成及 一固定摻雜物濃度之間隔物層。結合於一梯度的平滑區 域，該間隔物層可為例如摻雜或未摻雜的GaN、A1GaN、 InGaN或AlInGaN。基本上，該梯度的平滑區域之一些部份· 含有銦。 如此處所使用的，該名詞“梯度平滑區域，，代表涵蓋了 以任何方式達到組成及/或摻·雜物濃度之變化的任何結構， 而非在組成及/或摻雜物濃度中的單一步驟。在一範例中， ，梯度的N腎區域為一疊層的堆4，每個疊層與其相鄰的 疊層具有不同的組成及/或摻雜物濃度。如果該疊層為可分 解的厚度，該梯度的平滑區域已知為一步階梯度或指數梯 度的區域。在该個別疊層的厚度接近於零的限制中，該梯 =的平滑，域已知為一連續梯度的區域。構成該梯度的平 滑區域之疊層可配置成在組成及/或摻雜物濃度相對於厚度 之不同輪廓’其包含但不限於線性梯度，抛物線梯度 指數定律梯度。同時，梯度的平滑區域並不限於一單一 度輪廓，但可包含具有不同梯度輪廓的部份，及一或多 具有大體上固定的組成及/或摻雜物濃度區域之部份。 圖6A所示為-不具有組成梯度的裝置之叠層的铜組成 及在圖5的梯度平滑區域6〇中具有銦組成梯度的五個裝置 裝置A為圖1及2所示的裝置。在裝置A中，n型區域12不 有銦’平滑層14含有一些銦，間隔物層。不具有銦，而 # 裝 訂 及 梯 個 具 該 i 11 本紙張尺度制中國國家標準(CNS) A4規格(灿㈣公复) 541718 A7 B7 五、發明説明（< 反應區域具有數個富含銦的井層 母個裝置B c及D在該平滑區域中具有_梯度的麵組 成，及區隔該梯度的平滑區域與該反應區域之固定組成的 -間隔物層。在裝置B中，n型區域12不含有銦。在梯度的 平滑區域60中，該銦組成係逐漸增加通過平滑區域6〇。該 銦組成在生長期間，例如可藉由逐漸地增加該含有鋼的前 驅物氣體的流動速率之比例到該含有嫁的前驅物氣體的流 動速率，或藉由逐漸地降低該生長溫度，而保持該含有鋼 及鎵的前驅物氣體的流動速率之比例成固定。在裝置c中， 該銦組成首先急遽地增加，然後逐漸地降低通過梯度的平 滑區域60。該銦組成可在生長期間，藉由例如逐漸地降低 該含有銦的前驅物氣體之流動速率到該含有鎵的前驅物氣 體之流動速率的比例來降低，及/或藉由逐漸地升高該生長 溫度。該鈿組成可在裝置B&c中改變，例如由〇%到約 12%。間隔物層15係相鄰於該反應區域，並包含少量或沒 有銦。在裝置D中，該銦組成係在該梯度的平滑區域6〇的第 一部份中增加，然後保持固定來通過該梯度的平滑區域之 第二部份來保持固定。 裝置E及F並+具有一固定的組成及相鄰於該反應區域的 摻雜物濃度間隔物層。未加入一間隔物層的裝置並不必要 具有比加入間隔物層的裝置要較厚的梯度平滑區域6〇。在 裝置E中，一梯度的平滑區域6〇之下方部份具有一固定的銦 組成。在該平滑區域的上方部份之銦組成即可降低，例如 由該平滑區域的下方部份中約12〇/。到相鄰於該反應區域的 12 本故張尺度逋用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐) 541718 A7 ___ — B7 五、發明説明（ ） 9 ’ 該平/3區域之部份中的約0 %。如上所述，在該梯度的平滑 區域中的銦組成，係在生長期間藉由降低該含銦前驅物氣 體的流動速率對於該含鎵前驅物氣體的流動速率之比例， 及/或在5亥生長期間升南溫度來降低。在裝置jp中，該梯度 的平h區域之弟一部份具有一增加的姻組成，一第二部份 具有一固定的銦組成，然後一第三部份具有一降低的銦組 成。 圖6 A中所示的裝置僅為有可能在梯度平滑區域6〇中組成 梯度的範例，其並不是要代表根據本發明在這些疊層中的 組成所可能梯度的所有方式。本技藝專業人士可以瞭解到 其有可能為許多其它的組成梯度方式。舉例而言，組成梯 度不需要是線性，其可為例如拋物線。再者，任何上述的 組成梯度方式可以具有或不具有間隔物層來實施，即可具 有或不具有摻雜物濃度梯度，或除了銦之外的ΙΠ族元素之 組成梯度。 參考以上圖6Α所述的組成梯度，其可提供一些好處。梯 度組成的區域可用來製作該裝置的帶結豆 鄰疊層之間梯度帶隙及壓電電荷。梯度組成區域== 生長中斷來在相鄰疊層之間改變製程條件，因為例如反應 器溫度及前驅物氣體流動速率之製程條件可以通過該梯度 的區域來逐漸地調整。生長中斷可造成雜質的累積，形成 結晶缺陷，及在疊層之間介面處的表面钱刻，所以經由梯 度的區域來移除生長中斷，不僅可減化生長製程，也可藉 由消除在該介面處會降低載子限制及有效地補捉載子之問 -__-13- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210X297公釐)' --- 五、發明説明（10 ) 題，而改進裝置的效能。該組成上梯度的平滑區域必須設 計成可最小化由該反應區域放射光線的吸收。較佳地是， 在該平滑區域内的最小帶隙能量必須大於由該反應區域放 射光線的中子能量。 此外或除了梯度組成，在平滑區域6 〇中摻雜物濃度可以 梯度。圖6B所示為-不具有摻雜物濃度梯度的裝置，及五 個具有摻雜物濃度梯度的裝置。m為例如在第一具體實 施例中所述的裝置。N型區域1 2為高度摻雜，平滑層丨4之 杉雜小於Π型區域1 2，而平滑層1 5之摻雜小於平滑層丨4。 每個η型區域12，平滑層14，及間隔物層]5具有大體上均 勻的摻雜物濃度。 在裝置Β中，η型區域12具有一均勻的摻雜物濃度，而該 摻雜物濃度係經由梯度的平滑區域6〇逐漸地降低。裝置Β包 含在該梯度的平滑區域60及該反應區域（未示出）之間一固 定摻雜物濃度的間隔物層15。在裝置c、D、e&f中，無 間隔物層區隔該平滑區域60與該反應區域（未示出）。在裝 置C中，該摻雜物濃度急遽地降低，然後逐漸地增加通過梯 度的平滑區域6G。在裝置D中，該摻雜物濃度首先逐漸降低 在該平滑區域的第一部份中，然後在相鄰於該反應區域的 該梯度的平滑區域之第二部份中保持固定。在裝置£中，該 摻雜物濃度首先急遽地降低，然後在該平滑區域的第一部 份中保持固定，然後逐漸地增加通過相鄰於該反應區域的 該平滑區域之第二部份。在裝置F中，該摻雜物漠度係在該 平滑區域的第一部份中逐漸降低，然後在該平滑區域的第 541718 A7
541718 A7 B7 五、發明説明（i2 ) 疊層以在該第二組中的疊層（標示為“2”）來交替，其具有 一固定的摻雜物濃度。在輪廓E中，該摻雜物濃度或銦組成 在該第一及第二組疊層中同時增加。但是，在該第一組中 的疊層所增加的不同組成或摻雜物濃度範圍會超過在該第 二組中的疊層，因此整體結構並非單調。在輪廓F中，該摻
裝 雜物濃度或銦組成在該第一組疊層中降低，而在該第二組 疊層中增加。 在本發明的第五具體實施例中，該平滑結構為一組成超 晶格，即，以不同組成交替有薄層的GaN為主的材料之堆 豐。圖7所示為根據該第五具體實施例的一平滑超晶格。該 超晶格係由交替具有高銦組成材料及低銦組成材料之疊層 14a及14b所構成。例如，高銦組成材料14a約為1〇到3〇埃 的厚度，而其銦組成係在約3到12%之間。例如，低銦組成 訂
線 材料14b約為30到1〇〇埃的厚度，而其銦組成係在約〇到6% 之間。 在一些具體實施例中，一裝置可加入數個平滑層，藉以 達到所需要的表面平滑度。圖8所示為更為詳細的圖丨、2 及5之η型區域12的範例。N型區域12可包含形成在基板n 之上的一成核層12a。一具有厚度約為的未摻雜GaN 層12b覆盍了成核化層i2a。摻雜的GaN層12c及12d覆蓋未 摻雜層12b。疊層12c為一適當地摻雜有GaN的疊層，其厚 度約為l#m，而一n型摻雜物濃度約為lel8 cm_3。疊層nd 係為一更加重摻雜疊層接點層，其厚度約為2#m，而一η型 摻雜物濃度約為lel9 cm·3。額外的含有銦之平滑結構可置於 541718 A7 ____B7 五、發明説明（i3 ) 疊層12a及12b之間，疊層12b及12c之間，及疊層12c及 12d之間，或在任何疊層之内。在疊層之間或該裝置的疊層 之内的介面處加入多重平滑層的具體實施例中，較佳地是 用至少100埃的III族氮化物材料來區隔該平滑層。‘ 圖1所示的裝置之製造係首先研磨基板1 1，例如s i C、藍 寶石、GaN或任何其它適當的基板，其係在一側或兩側 上’然後以不同方式清洗基板來預備用於生長。然後， GaN為主的半導體層12、 14、15、 16及17即經由金屬有 機化學氣相沉積，分子束磊晶或其它磊晶技術來磊晶地生 長在該基板1 1上。該基板係置於一反應器中，並引入像是 三曱基鎵及氨的前驅物氣體，其會在該基板的秦面上反 應’以形成GaN。首先，一像是AIN、GaN或InGaN的III 族氮化物成核層可生長於基板11之上。N型區域12摻雜有 例如Si，Ge或Ο，即製造於該成核層之上。n型區域12基本 上是在1 050°C下形成。 根據該第一，第二或第三具體實施例的平滑層1 4可藉由 例如從該反應器中移除該三曱基鎵，然後引入三甲基銦， 二乙基鎵，及氨到該反應器中來形成。平滑層1 4之生長溫 度低於該η型區域（生長在約1050 °C)，而高於該反應區域 (生長在70 0及900 °C之間），例如為960 °C。該平滑層的形 成溫度高於該反應區域基本上會造成該平滑層的表面特性 較佳，因此該疊層可生長在該平滑層之上。在結束平滑層 生長之後，即移除該含銦氣體，並形成GaN或AlGaN間隔 物層1 5。該間隔物層1 5的第一部份係在將溫度由該平滑層 __-17·__ 本紙張尺度逋用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) "' 541718
五、發明説明（ A7 B7 生長溫度降低到該反應區域生長溫度時來製造，其基本上 在70 0及9 0〇°c之間。該間隔物層15的第二部份係在該反應 區域生長溫度下來製造，以穩定該反應區域生長的生長溫 度。 根據本發明第四具體實施例的梯度平滑區域，其係藉由 改變上述的製程條件來生長，如參考圖6人及68中所述。舉 例而s，一銦組成梯度的平滑區域可藉由在生長期間逐漸 地改變溫度，及/或該含銦前驅物氣體到含鎵前驅物氣體的 流動速率.比例來生長。一摻雜物濃度梯度的區域可藉由在 生長期間逐漸地改變一含有摻雜物氣體的流動速率與該含 有I π族氣體的流動速率之比例來生長。 *間隔物層1 5結束生長時，該含銦及含鎵的前驅物氣體 之流動速率即可調整來形成該反應區域丨6的該井及阻障 層。該生長溫度影響了有多少銦會加入到一疊層中，雖然 一疊層的組成也可由其它製程條件來控制，例如該含銦及 含鎵前驅物氣體的流動速率之比例。基本上，該溫度愈 高，即加入愈少的銦。因為平滑層14及反應區域16基本上 皆含有銦，如果該裝置並未包含一間隔物層15，在形成平 滑層14之後將會停止生長，以允許該反應器來冷卻，藉以 形成具有適當的銦組成之反應區域16。停止生長來允許該 反應為冷卻可允許在該平滑層的表面處發生雜質累積或表 面姓刻，其會危害的平滑層及後續疊層表面特性及裝置效 能。 在形成該反應區域之後，可加入及/或移除其它前驅物氣 -18- 本紙浪尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐)
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體來形成AlGaN或GaN的p型區域17，其摻雜有例如Mg。 P型層可為最佳的導電性或歐姆接點形成，而可形成在p型 區域17内。一p金屬化層，其將在稍後形成該p接點，即沉 積在該半導體層之上。該裝置被圖案化，並蝕刻掉部份的 該p金屬化層，該P型半導體層，該反應區域，及該η型半導 體層來暴露η型區域12的一部份。然後接點沉積在η型區 域12的該暴露的部份上。在圖2所示的另一具體實施例中， 該蝕刻並不穿透到η型區域12中，而是暴露11型平滑層“的 一部份。.在此具體實施例中.，該η接點即形成在平滑層工4 上。N接點與p接點可為例如All、Ni、Al、pt、c〇、 Ag、Τι、Pd、Rh、Ru、Re及W，或其合金。 根據本發明，加入含銦平滑結構的裝置可提供幾個好 處。f先，使用一平滑結構可恢復平滑半導體表面的二維 梯度流動形式的生長，即使在不需要的三維島生長已經開 始之後。三維島生長可由大的基板表面誤方向，不良的表 面預備或5又计來降低該結晶差排密度的生長初始化步 騄例如矽分配劑量，所造成。如上所述，表面形態對於 裝置效能有影響；因此平滑結構可同時增進該Ιπ族氮化物 L E D的效率及可靠性。 09所示為生長在誤方向基板上的leds之外部量子效 率，其具有大的誤方向角度（例如距該e平面為2度），並可 具有或不具有平滑層來生長。GaN為主的半導體層基本上 係生長在該藍寶石的c平面（〇〇〇1)之上，因為生長在（〇〇〇1) 監寶石上的GaN會比生長在藍寶石的其它平面上之GaN要 本紙張尺度適财關家料(⑽)A鐵格(2igx29^爱)---
裝 訂
壬現較佳的結晶性。如果該藍寶石基板的GaN生長表面係 月』地與（OOOi)成為誤方向，且該裝置不包含一平滑層， 生長GaN層及裝置效能之表面特性即會受到損害。 圖9所示為一平滑層的能力來消除由在誤方向的基板上：長 所'成的不良裝置效能。以一平滑層生長的裝置比不具有 平滑層所生長的裝置要更加地有效率。 第二，使用在該反應區域之下的一InC}aN平滑層可增加 孩所侍到裝置的允度。圖1〇所示為以具有及不具有 平滑層所製造的裝置之相對效率。該三角形代表具有一 層的裝置’而圓圈代表不具有一工心心平滑層 的裝置、如圖1〇所不，使用一 InGaN平滑層所製填裝置， 其效率為不具有一InGaN平滑層且為相同色彩之裝置的效 率之兩倍。 。亥平滑層在二維生長已經開始之後可以恢復二維生長的 能力即示於圖UA及11B，其說明平滑層對矽分配劑量的影 響。矽分配劑量已經提出為一種在GaN層中降低擴大的結 構缺fe之方法。在生長期間，該GaN層係暴露於矽烷，其 會沉積在該GaN的表面上成為SiN。當再次開始生長時，所 得到的GaN即具有較少的差排。但是，矽分配劑量會造成 一維的島生長。圖11A及11B所示為由led多重量子井 (MQW)結構的分子力顯微量測所得到的顯微照相。在兩個 例子中，該反應層之下的一表面係暴露於矽分配劑量。圖 11B所不為一不具有平滑層的Mqw反應區域。矽分配劑量 會造成二維島生長，而產生相當粗糙的表面。圖11A所示為 I ___- 20 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 541718 A7 B7
五、發明説明 -類似的MQW結構，但在該^分配劑量層與額⑽之間 具有一平滑層。在該MQW之下的該平滑層已經回復該低溫 族氮化物的平滑二維生長。因^，由該Si分配劑量技術 所完成的該降低之缺陷密度的好處可利用於led結構，因 為根據本發明該平滑結構可提供平滑的介面，該兩個以分 配劑量的MQW結構之照明效率係示於表i。 MQW結構 在平滑層下的 Si分配劑量 Si分配劑量， 無平滑層 正規化的光線強度 100% 7% 表面形態 平滑 島狀 該第一結構包含生長在一 Si分配劑量表面上方的一平滑 層。該第-結構呈現明亮的亮度。該第一結構的強度被正 規化為100%。該第二結構為^分配劑量，其並不包含該平 滑層。該照明效率會嚴重地降低。 第二，平滑層可擴大該溫度範圍，其中為具有平滑表面 形態的III族氣化物所生長。習用上，_或八1(3以的 MOCVD生長係限制在一小的溫度裕度，因為高溫基本上會 造成不想要的六面形表面特徵，而低溫會造成坑洞的形 成。最後，平滑層會允許生長平滑的m族氮化物層，而不 會大為增加裝置製造的複雜性。 根據本發明所形成的藍色及綠色LEDs可特別適合於使用 紅，綠及藍色LED做為像素元件的彩色顯示器。這種顯示 為為人所熟知，亚由圖12所表示。一顯示面板分別具有

Claims (1)

  1. 541718 A8 B8 C8 D8
    裝 541718 ABCD — ' 六、申請專利範圍 該平滑區域在該梯度平滑區域的一第一部份中具有_ 第一銦組成，及在該梯度平滑區域的一第二部份中具有 一第二銦組成； 該第一部份比該第二部份更靠近於該11型區域，而該第 二部份比該第一部份更靠近於該反應區域；及 該第一組成係小於該第二組成。 7·如申請專利範圍第1項之發光裝置，其中該梯度的平滑區 域進一步包含： 一具有一固定組成的第一部份；及 一具有一梯度組成的第二部份。 8.如申請專利範圍第i項之發光裝置，其中該基板具有一生 長表面，其係與該基板的一結晶平面誤方向。 9·如申請專利範圍第8項之發光裝置，其中該基板為藍寶 石，該結晶平面為c平面，而該生長表面係與該c平面有 約0.2°到約2°的錯位。 10.—種III族氮化物發光裝置，其包含： 一基板； 一 η型區域，其覆蓋該基板； 一反應區域’其覆蓋該η型區域；及 一含有銦的梯度平滑區域，該梯度平滑區域係位在該 基板與該反應區域之間； 其中泫梯度平滑區域包含一梯度超晶格，該梯度超晶 格包含： 一第一組超晶格層，其中該第一組超晶格層的組成會 -24 - 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210Χ297公釐) 541718 A8 B8 C8 -_— D8 六、申請專利範圍 " 橫跨該第一組超晶格層來改變；及 一第二組超晶格層，其中該第二組超晶格層的組成會 横跨該第二組超晶格層來改變； 其中來自該第一組超晶格層交替於來自該第二組超晶 格層。 11. 如申請專利範圍第1〇項之發光裝置，其中·· 该第一組超晶格層的組成會橫跨該第一組超晶格層而 增加；及 该第一組超晶格層的組成會橫跨該第二組超晶格層而 增加。 12. 如申請專利範圍第1 〇項之發光裝置，其中： . 該第一組超晶格層的組成會橫跨該第一組超晶格層而 增加；及 該第二組超晶格層的組成會横跨該第二組超晶格層而 降低。 13·—種III族氮化物發光裝置，其包含·· 一基板； 一 η型區域，其覆蓋該基板； 一反應區域，覆蓋該η型區域；及 一含有銦的梯度平滑區域，該梯度平滑區域係位在該 ' 基板與該反應區域之間； ~ 其中該梯度平滑區域包含一梯度的摻雜物濃度。 14.如申請專利範圍第13項之發光裝置，進一步包含_位在 該梯度平滑區域及該反應區域之間的一間隔物層，其中 -25 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210X297公釐) 541718 申請專利範圍 該間隔物層具有一大體上固定的摻雜物濃度。 15·如申請專利範圍第14項之發光裝置，其中該間隔物層係 由摻雜的GaN、摻雜的InGaN、摻雜的A1GaN、摻雜的 AlInGaN、未摻雜的GaN、未摻雜的Ιη(ΗΝ、未: AlGaN及未摻雜的AlinGaN中選出。 16.如申請專利範圍第13項之發光裝置，其中該梯度的平严 區域包含一梯度的矽濃度。 q 17·如申請專利範圍第1 3項之發光裝置，其中： 該平.滑區域在該平滑區域的一第一部份中具有一一 摻雜物濃度，及該平滑區域的一第二部份中呈有一 > 一 摻雜物濃度； 〃 弟二 第 該第一部份比該第二部份更靠近於該11型區域，而該 二部份比該第一部份更靠近於該反應區域；及 該第一摻雜物濃度係大於該第二摻雜物濃度。 18.如申請專利範圍第13項之發光裝置，其中：又 該平滑區域在該平滑區域的一第一部份中具有一 # 摻雜物濃度，及該平滑區域的一第二部份中具 ^ 摻雜物濃度； 〃 弟 而該第 該第-部份比該第二部份更靠近於該11型區域 二部份比該第一部份更靠近於該反應區域，·及 該第一#雜物濃度係小於該第二摻雜物濃产。 19·如申請專利範圍第13項之發光裝置，其中該又平滑 一步包含： ^ 一具有一固定摻雜物濃度的第一部份，·及 26 本紙張尺度適用中國國家標竿(CNS) Α4規格(21〇 X 297公着） 六、申請專利範園 一具有一梯度掺雜物濃度的第二部份。 瓜如申請專利範圍第13項之發光裝置，其中該梯度的平滑 區域包含一梯度的組成。 孔如申請專利範圍第13項之發光裝置，其巾該基板具有一 生長表面，其係與該基板的一結晶平面錯位。 及如申請專利範圍第13項之發光裝置，其中該基板為藍寶- 石，該結晶平面為〇平面，而該生長表面係與^平面有 約〇 · 2 °到約2。的錯位。 23.-種形成m族氮化物發光裝置的方法，該方法包含： 生長一 n型區域，以覆蓋一基板； 生長一反應區域，以覆蓋該n型區域的； . 生長一含有銦的平滑區域，其在該反應區域及該基板 之間； 的 單調地改變該平滑區域的一組成及一摻雜物濃度中 一個。 區 说如申請專利範圍第23項之方法，進一步包含在該平滑跑 域及該反應區域之間生長一間隔物層，其中該間隔物層 具有一大體上固定的組成及摻雜物濃度。 的 平 25.如申請專利脑苐23項之方法，其中改㈣平滑區域 -組成及-摻雜物濃度中的_個包含藉由在該生長一 滑區域期間改變-生長溫度來改變在該平滑區域中的一 钢組成。 %如申請專利範圍第23項之方法，其中改變該平滑區域的 -組成及-摻雜物濃度中的一個包含藉由在該生長一平 -27 - 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210x 297公釐） 541718
    穴、申清專利知^園 滑區域期間改變—含有銦的前驅物氣體相對於一含有r 的前驅物氣體之流動速率比例來改變在該平滑區域豕 一銦組成。 、 削請專利範圍第23項之方法，其中改變該平滑區域的 -組成及-摻雜物濃度中的一個包含藉由在該生吾 滑區域期間改變一生長溫度，及一含有銦的前驅物氣體 相對於—含有鎵的前驅物氣體之流動速率比例來改變在 該平滑區域中的一銦組成。 28.如申請.專利範圍第23項之方法，其中改變該平滑區域的 -組成及-摻雜物濃度中的—個包含藉由在該生長一平 滑區域期間改變一含有摻雜物的前驅物氣體與τΐπ族流 動速率的-流動速率比例來改變在該平# 雜物濃度。 Τ ^ 心 541718 第091105905號專利申請案 中文說明書替換頁(92年3月） A7 B7 五 發明説明（18 )
    紅，綠及藍色LED的陣列，其選擇性地由所熟知的電路來 照亮，以顯示一影像。為了簡化，在圖1 2中僅顯示三個像 素。在一具體實施例中，每個主要色彩係配置成欄。在其 它具體實施例中，該主要色彩係配置成其它型式，例如三 角形。該LEDs也可用來背光一LCD顯示器。此外，根據本 發明所形成的藍色或紫外線放射LED可以結合不同的磷質 材料來使用，以產生白色光。 當本發明的特殊具體實施例已經顯示及說明時，本技藝 專業人士將可瞭解到在不背離本發明之廣義角度之下可以 進行變化及修正，因此，所附申請專利範圍係要在其範圍 内來涵蓋在此發明中真實精神及範圍内的所有這種變化及 修正。舉例而言，本發明的該平滑結構並不限於發光裝置 (例如LED及雷射二極體），其可應用到光感測器，電子裝 置，雙極性電晶體，及介面品質非常重要的裝置，例如高 電子活動性場效電晶體。 圖式元件符號說明 11 基板 15 間隔物層 12 n -區域 16 反應區域 12a 成核化層 17 ρ -區域 12b 未摻雜的GaN層 18 η -接點 12c 適當摻雜的GaN層 19 Ρ -接點 12d 加重摻雜的GaN層 50 井層 14 平滑層 5 1 阻障層 14a 高組成層 60 梯度平滑區域 14b 低組成層 -22 - 本纸張尺度適用中國國家樣準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)
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