TW558845B - III-Nitride light emitting devices with low driving voltage - Google Patents

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TW558845B TW091111395A TW91111395A TW558845B TW 558845 B TW558845 B TW 558845B TW 091111395 A TW091111395 A TW 091111395A TW 91111395 A TW91111395 A TW 91111395A TW 558845 B TW558845 B TW 558845B
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Werner K Goetz
Nathan F Gardner
R Scott Kern
Andrew Y Kim
Anneli Munkholm
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Lumileds Lighting Llc
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Description

558845 A7 B7 五、發明説明（, 本發明有關半導體發光裝置，更特別的是有關第三族氤 化物發光裝置。 第三族氮化物半導體是一種重要的III-V族化合物半導 體。第三族氮化物發光裝置是以氮與週期表第三族元素的 半導體合金為底質。此種第三族氮化物裝置包括 InxAlyGa 丨·Χ々Ν(0 S 1，0 S y $ 1，χ+y $ 1)為底質發光二 極體（LED)與雷射二極體（LD)。此等第三族氮化物發光裝 置係具有商業價值的高亮度光源’例如紫外線、藍光與綠 光。 發光裝置的综合能源效率係該裝置偶聯出的光功率對於 供應至該裝置的電功率比。以所需電流If驅動時，LED或 L D的综合能源效率與必須供應至該裝置的驅動（正向）電壓 Vf成反比。Vf的理論下限係由該裝置所發出的質子能量決 疋。不幸的疋’習用第二族氮化物發光裝置的驅動電壓通 常遠大於該下限。 習用第三族氮化物發光裝置的高驅動電壓其中一部分係 由η型第三族氮化物裝置層中的高串聯電阻所致。具有電 觸點（通常為金屬）的η型半導體裝置層界面處之位能障壁 (η觸點障壁）亦會造成此等高驅動電壓。 藉由提高第三族氮化物層中之電子施體雜質（通常為矽 原子），可以降低η型第三族氮化物層的串聯電阻與伴隨此 等層的η觸點障壁。就平面裝置而言，亦可藉由增加該11型 第三族氮化物層的厚度降低串聯電阻。不過，將碎原子混 入第三族氮化物層中會在該層中產生平面内抗拉應變。矽
裝 -5- 558845 A7 B7 五、發明説明（ 摻雜密度夠高時，該抗拉應變會造成第三族氮化物層龜 裂，因此使其不適於作為發光裝置。當第三族氮化物層變 厚時，使其發生龜裂的矽摻雜密度降低。
裝 圖1 A顯示石夕摻雜密度、第三族氮化物層厚度與龜裂之間 的關係。矽摻雜濃度與層厚度形成未龜裂層至龜裂層的過 渡區。線1表示石夕掺雜密度與G aN層厚度的組合，其位於 龜裂與未龜裂GaN層間的過渡區，該GaN層係以習用「兩 步驟」生長法製備’其中以金屬有機化學氣相沈積獲得 (MOCVD)將该GaN層直接生長成低溫核晶層上。以該習用 方法製備’而且石夕掺雜密度與厚度組合高於線1的GaN層通 常會龜裂。例如，就1微米（μ m)厚GaN層而言，以習用兩 步驟方法製備之GaN層受龜裂所限制的矽摻雜濃度低於1 X 1019每厘米立方（cm·3)。提高矽摻雜濃度或是增加該層厚 度會使該層龜裂。 本發明人及其他人可觀察到習用兩步驟生長之矽摻雜 GaN層的此等摻雜/厚度限制。（資料點3來自Murakami等人 J· Crystal Growth 1 15( 1991) 648-651 。）不過，s· Nakamura 等人於 Japanese journai 0f Appiie(j phySics 31, 2883-28 8 8( 1992)中已發表，在低溫核晶層上直接形成未龜 裂之4 μπι厚GaN層，其矽摻雜濃度為〜2χΐ〇ΐ9 cm-3。 Nakamura等人推斷出，他們使用非習用雙流mqcvD反應_ 器使得他們可以製造具有高矽濃度的無龜裂GaN層。在此 種雙Ά反應器中’結合一種額外垂直副流惰性氣體與水平 噴射來源氣體。此等非習用反應器一般無法取得。 本紙張尺度適用中國國表標準(CNS) Α4規格(210 X 297公着) 558845 A7 B7 五、發明説明（ 習用第三族氮化物發光裝置的高驅動電壓一部分亦肇因 於第三族氮化物晶體結構的壓電性質。該第三族氮化物發 光裝置的作用區通常包括一或多個量子阱與一或多層障 層。此等層的組成通常彼此不同，而且與該裝置周圍層的 組成不同《因此，此等層通常會應變。由於該應變與該第 三族氮化物晶體結構的壓電性質，該第三族氮化物發光裝 置的作用區中之量子阱層與障層界面附近的區域會遭受到 壓電場。此等結合異接面帶補償的壓電場會產生界面能障 壁’其阻礙電子與電洞傳送至作用區内，並且提高該發光 裝置的驅動電壓。 目前需要的是克服習用第三族氮化物裝置上述缺點的第 三族氮化物發光裝置。 本發明提供具有改良性能的發光裝置。在一具體實施例 當中’發光裝置包括一基板、一層位於該基板上之核晶 層、位於該核晶層上的減瑕結構，以及位於該減瑕結構上 的η型第三族氮化物半導體層。該η型層的厚度係例如大於 約一微米，矽摻雜濃度大於或等於約1〇19 cm·3。 在一實例中，該減瑕結構包括一層減瑕層。該減瑕層可 以將η型層中的瑕疵密度降至約2 X 109 cnT2或以下，並提 高該η型第三族氮化物半導體層的壓縮應變，如此a晶格參 數小於3 · 1 87埃（埃）。該減瑕層可由例如來源氣體形成，該 來源氣體包括NH3、三甲基鎵與H2，其中NH3之分壓對三 甲基鎵之分壓比為約200至約1500，而NH3之分壓對仏之分 壓比為約0.05至約0.35。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公發）
裝 % 558845 五、發明説明（ ^其他賢例中，該減瑕結構包括—層第三族氮化物半導 二’其上放置一種含彻。在另-實例中，該減瑕結 H或多層核晶層。在另_實例中，在生長η型層之 ’孩減瑕結構的生長表面很粗糙。藉由例如令斷生長該 第三族氮化物層’並將其曝露於㈣環境下約丨至約麵 秒’可以產生此種粗糙生長表面。 在某些實例中，該發光裝置之作用區中的障層掺雜有受 體及/或施體雜質。該雜質的濃度曲線可為空間均勻或空 間不均勻分佈。 少 在另-實例中，發光裝置包括一個作用區，其包括至少 一層障層’其均勻摻雜一種雜質，或是雜質換雜濃度以大 致與該作用區垂直方向漸變。該雜質濃度可以漸變至至 部分取消該作用區中的壓電場效應。 根據本發明具體實施例的發光裝置顯示出低串聯電阻 η觸點障壁及驅動電壓。有利的是，根據本發明具體實 製 例足發光裝置可於例如習用單向流M〇CVD反應器中 造。 圖1A疋頭示形成龜裂與未龜裂GaN層之厚度與碎濃产 合的圖。 圖1 B是摻雜碎與無摻雜之GaN層的晶格參數圖。 具 圖2概略顯示使用減瑕結構，其包括—層根據本發明 體實施例的減瑕層。 具 圖3概略顯示使用減瑕結構，其包括根據本發明其他 體實施例的小型遮罩。 本紙張尺度通用中國國家搮準(CMS) A4規·格(21〇 X 297公费） -8- 五、發明説明（ 圖4概略顯示使用減瑕結構，其包括根據本發明其他異 體貫施例的多層核晶層。 圖5概略顯示使用減瑕結構，其包括根據本發明立他且 體實施例之具有粗糖表面的第三族氮化物層。 、 圖6概略顯示根據本發明-具體實施例之發光二極體。 圖7概略顯示根據本發明具體實施例之發光二極體的作 用區。 圖8疋根據本發明一具體實施例之發光二極體的驅動電 [相對於其作用區障層中之碎濃度的圖。 圖9概略顯示根據本發明具體實施例之發光二極體的作 用區中的矽濃度曲線。 圖10概略顯示根據本發明另一具體實施例發光二極體之 作用區中的矽濃度曲線。 ^11是根據本發明數個具體實施例之發光二極體的電流 被度相對於驅動電壓曲線的圖。 =12是根據本發明數個具體實施例之發光：極體的傳導 帶邊緣能量相對於、位置的圖。 ^是-η型GaN層中串聯電阻^觸點障壁高度相對於 矽摻雖濃度的圖。 圖14是習用發光二極體與根據本發明具體實施例之發光 一極體的驅動電壓相對於主波長的圖。 必須注意各圖中之尺寸不一定菩 去# ^ 疋寺比例。各圖中之相似參 表7F各具體實施例中的相似零件。 已知數種減瑕結構’其減少第三族氮化物半導體裝置中 9- 四7公釐） 558845 A7 _______B7_ 五、發明説明（6 ) *— I 的擴延結構瑕戚（主要穿過位錯）。此種減瑕結構（通常包括 一或多層第三族氮化物層）通常位生長在位於基板上的習 用低溫核晶層上方。生在在此等減瑕結構上的第三族氮化 物半導體層之位錯密度通常會低於以往直接生長在習用低 溫核晶層上的第三族氮化物層。 本發明人看出此等減瑕結構會提高生長在其上方之第三 族氮化物層的平面内壓縮應變。本發明人亦發現，由此等 減瑕結構所引發的壓縮應變提高，可使生長在其上方的第 二族氮化物半導體層摻雜高濃度矽，而且不會龜裂。特別 是本發明人發現，可以在此等減瑕結構上生長高品質第三 族氮化物半導體層，其厚度與矽濃度比生長在習用單流 MOCVD反應器中，直接在位於基板上之習用核晶層上生 長的第二族氮化物層，其可達成的厚度與矽濃度高。本發 明人認為，他們率先發現減瑕結構對於無龜裂第三族氮化 物半導體層中可達到的矽摻雜濃度之效果。 根據本發明具體實施例，在一基板上以低溫生長第三族 氮化物核晶層（諸如GaN、InN、AIN、InGaN、AlGaN或 AlInGaN的任何組合）。該基板係例如，藍寶石基板 、碳化 矽基板或是矽基板。在包括Sic基板的具體實施例中，該 核晶層通常在較高溫下生長。基板表面與該基板的主要結 晶平面平行，或是有定向誤差。在該核晶層上生長減瑕結_ 構。在泫減版結構上生長一或多層第三族氮化物半導體 層。在该減瑕層上生長的至少一層第三族氮化物是高度摻 雜碎的η型層。 1^ —___ -10- 本紙張尺度適用中國阐家標华(CIs^TX^(2l〇><297公I)---- 558845 Λ7 B7 五、發明説明（ 在某些具體實施例中，該減瑕結構與高度摻雜矽的η型 第三族氮化物半導體層包括在第三族氮化物發光裝置（諸 如LED或LD)中，由於矽摻雜度高及η型層厚之故，其係以 低驅動電壓操作為佳。該第三族氮化物η型層可為例如， 約2微米厚而且矽摻雜濃度約1 X i〇i9 cm·3之GaN層。此種 裝置結構通常無龜裂。將該η型層的矽摻雜水準提高至3 X 1019 cm·3通常會導致該^型層表面在龜裂前變得粗糙。 兹描述包括四種減瑕結構的具體實施例。不過，本發明 並不受限於此等具體實施例。亦可使用其他基板、其他核 晶層以及其他減瑕結構。本發明一具體實施例中所包括的 減瑕結構可使生長在該減瑕結構上方之第三族氮化物層的 穿過位錯密度低於約2Χ 1〇9 cm-2。穿過位錯的特徵係以生 長方向大致穿透該結晶。此等位錯具有邊緣、螺紋或混合 特質。其係此等減瑕結構可與生長期間「在原位置」結合 的特徵。 下述具體實施例中的各種第三族氮化物半導體層係在習 用單向流MOCVD反應器中，以MOCVD生長，其中使用三 甲基鎵（TMG)或三乙基鎵（TEG)作為鎵來源，以三甲基鋁 (TMA1)作為鋁來源，以三甲基銦（TMIn)作為銦來源、以 氨（NH3)作為氮來源、以矽烷（SiH4)作為矽來源，並以氫 (H2)或氮（N2)作為載體氣體。不過，亦可使用其他 MOCVD反應器、其他來源與載體氣體，以及其他生長方 法，諸如分子束外延術（Μ B E)或混合氣相外延術（Η V P E)。 參考圖2，在一具體實施例中，以約500°C至約600°C之 -11- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(2川X 297公釐） 裝 訂 558845 A7 B7 五、發明説明（8 溫度’通常約5501，在一藍寶石基板12上生長低溫第三 族氮化物層1 4，其厚度約200埃至約500埃，通常約250 埃。然後’在核晶層1 4上方生長減瑕結構1 6 a，並在減瑕 結構1 6 a上方生長高溫第三族氮化物層1 8。 減瑕結構1 6 a包括GaN減瑕層20，其係以約950 °C至約 1150°C之溫度生長在在核晶層14上，通常以約1()5〇°C生 長。生長減瑕層20期間的分壓NH3/TMG與NH3/H2比（更明 確地說，V/III與V/H2，其中v與III表示週期表的第五族與 第三族元素）低於維持光滑生長表面形態所需之分壓。生 長GaN減瑕層20期間之此等分壓比的範圍與代表性數值列 於下表1的（a)列。減瑕層20係於此等條件下生長至厚度約 0·1 μπι至約1 μιη，通常約〇·5 μιη。然後，停止TMG流， 並使減瑕層20曝露在連續的氫與氨流下約1秒至約1 〇〇〇 秒，通常約一分鐘。該112與>^3環境蝕刻減瑕層20表面。 此等生長與蝕刻條件有助於形成粗糙表面2 1，包括獨立的 GaN顆粒或是島狀，其直徑通常約〇 1 μm至約1 。 在某些實例中，以約950 °C至約11 50 °C之溫度（通常約 1050°C)，在減瑕層20上選擇性生長一層GaN層22(以虛線 塊表示）。選擇性該生長溫度與分壓比NH3/TMG與NH3/H2 以促進迅速橫向（與該基板表面平行）生長，並導致GaN顆 粒聚結以及形成光滑外延生長表面。GaN聚結層22生長期— 間的此等分壓比之範圍與代表性數值列於下表1的（b)列。 5c結層2 2的厚度為例如’約〇 · 5 μ m至約2 μ m，通常約1 μ m。在某些實例中，聚結層22摻雜矽，其摻雜濃度係例如 -12 - 本紙張尺度適用中國國家標苹(CNiS) A4現格(210 X 297公釐）
裝 558845 A7 ___— _ B7 五、發明説明（9 ) 約 1 X 10丨8 crrT3 〇 在某些實例中，若存在聚結層22，於其上或是於減瑕層 20上生長一選擇性高溫（標準）GaN層24(亦以虛線塊表 示）。GaN層24係於約950°C至約1150°C之溫度下生長，通 常約1050 °C 。標準GaN層24生長期間的此等分壓比 NHg/TMG及ΝΐνΗ2之範圍與代表性數值列於下表丨的⑷ 列。選擇此等生長條件以促進光滑表面形態與高生長速 率° GaN層24的厚度係例如，約〇 j μ m至約1 〇 μ m，通常 約2 μ m。某些實例中，層24無摻雜，或掺雜；?夕之η型層， 其濃度為例如約1 X 1 〇18 cm·3。 包括減瑕層20、選擇性聚結層22與選擇性高溫GaN層24 的順序26可在減瑕結構16a中重複數次，進一步減少瑕疵 贫度’並提鬲第三族氮化物層1 8中的室溫壓縮應變。順序 26的此種選擇性重複於圖2中以標為26的虛線塊以及其上 下的名略符號表示。 表1 層 分壓比 nh3/tmg nh3/h, 代表數值 範圍 代表數值 範圍 a)減瑕層 510 200-1500 0.13 0.05-0.35 b)聚結層 2200 1000-4000* 0.5 0.4-0.85 C)標準層 1680 800-4000* 0.5 0.35-0.85 生長速率緩慢所造成的實際限制 _____:13- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐）
裝 558845 A7 ____ B7 五、發明説明（… ) 由於存在減瑕結構16a，第三族氮化物層1 8與24以及於 其上生長的第三族氮化物層（未圖示）的位錯密度通常小於 約2X 1〇9 cm-2，而且可以高度摻雜矽，不會造成龜裂。再 次參考圖1A，例如，線5表示在根據本發明一具體實施例 之減瑕結構上方生長之龜裂與未龜裂GaN層的過渡區内之 石夕摻雜密度與GaN層厚度的組合。矽摻雜密度與厚度組合 低於線5的此等GaN層通常無龜裂。 第三族氮化物半導體層通常具有纖鋅礦晶體結構，其c 軸大致與該基板表面垂直，而a軸與c軸垂直，而且大致在 該層平面（因此近似c平面）^圖丨3亦顯示例如摻雜矽與無 換雜碎GaN層於室溫下之c晶格常數相對於a晶格常數圖 中’該摻雜碎第三族氮化物的龜裂現象。資料點2表示未 應變同質外延GaN層的晶格常數（a = 3.1878埃，c = 5· 1850埃）。在高溫（例如1〇5〇°c )下，藉由金屬有機化學氣 相沈積（MOCVD)於藍寶石基板上生長的無摻雜矽與掺雜 矽GaN層參數通常落在虛線4上。相對於資料點2，其&晶格 常數提咼且c晶格常數降低表示平面内應變。在藍寶石基 板上生長的無摻雜GaN層於室溫下顯示出平面内壓縮應 變，因此落在虚線4上，在資料點2的左上方。於GaN層中 添加矽會提高其平面内抗拉應變，並使其沿著虛線4以箭 頭6方向移動。落在虛線4上，而且接近或是位於資料點2 - 右下方的摻雜夕GaN層顯示出龜裂現象。 厚度約2 μ m而且矽摻雜密度約5 X 1 〇 18 cm-3的範例習用 生長GaN層的晶格參數係以圖t B中之資料點8表示。資料 -14 - 衣紙張义度適州中國國家標準(CNS) M規格（21() X 297公釐)--—-
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點10表tf厚度約2 μηι而且矽摻雜密度約丨χ 1〇m em·3的範 例η型GaN之第三族氮化物層丨8的晶格參數，以供比較。資 料點10在資料點8的左上方，其表示範例第三族氮化物層 18比資料點8所表示的習用（}&1^層更不容易龜裂。通常，生 長在減瑕結構上的GaN層之a晶格參數小於或等於31 87 埃。 在衣些貫例中’第三族氮化物層丨8係以約95〇它至約 1150(：(通常約1〇50。(：）之溫度，生長在減瑕結構16&上的 摻雜矽η型GaN層。生長此種GaN層丨8期間的分壓比 nhvtmg與ΝΗνΗ2之範圍與代表數值大致與表1(c)列所示 之標準GaN層24相同。選擇此等生長條件以促成光滑生長 表面形惡。此等貫例中的第三族氮化物層丨8厚度係例如ο」 μπι至約1〇 μιη，通常約2 μπι。此等實例之第三族氮化物 層18中的矽濃度通常約lx 1〇!9 cm-3或以上。 在貫例實例中，除了鎵或氮以外，第三族氮化物層18還 包括其他第三族及/或第五族元素，或者由此等其他元素 取代鎵或氮。此等實例中，第三族氮化物層18的厚度與高 矽摻雜濃度和上述高度摻雜矽之〇_層18相似。在某些實 例中，第三族氮化物層18並未高度摻雜矽，但是生長於其 上的第三族氮化物層厚度與高矽摻雜濃度與上述之層相 似。 雖然減瑕結構16a中的上述實例層2〇、22與24係由GaN形 成’但是在其他貫例中’此等層可由其他第三族氮化物材 料形成’諸如例如[nGaN、AlGaN、Alin(}aN 、
558845 A7 B7 五、發明説明（12
AlInGaNAs、AlInGaNP或其組合物。由此等其他第三族氮 化物材料生長的層之晶格參數與圖1 B所示之GaN晶格參數 不同。與減瑕結構16a相似之減瑕結構的生長條件描述於J.
Han 等人的 Applied Physics Letters 71(21)3 1 14( 1997),其 全文以提及的方式併入本文中。 參考圖3，在另一具體實施例中，減瑕結構16t)取代圖2 之減瑕結構16 a。基板12、核晶層14與第三族氮化物1 8大 致與先前具體實施例相同。 減瑕結構16b包括高溫GaN層28，其係以約950 °C至約 1150°C(通常約1050°C)之溫度生長在核晶層14上。生長此 種GaN層28的分壓比NH3/TMG與NH3/H2之範圍與代表數值 大致與表1 ( b)列與（c)列所示之標準GaN層24或聚結層22相 同。選擇此等生長條件以促成光滑生長表面形態。在某些 實例中，層28係摻雜矽之η型層，其濃度係例如約lx 1〇i8 cm。或以上。 層2 8生長至例如〇 · 1 μ m至約1 〇 μ m，通常約1 μ m。然後 停止TMG流，並使層28曝於SiH4或Si2H6下，在層28之表面 29上沈積約0·1單層至約i_5單層矽，通常沈積約1單層。一 般認為所沈積的矽會與層28内的氮反應，形成微遮罩 3 0(島狀），其覆蓋表面29某些部分。然後在表面29上再開 始生長第二族氮化物時，第三族氮化物材料會在表面2 9未 被覆蓋部分核晶、垂直生長，然後於遮罩3〇上橫向生長， 形成低瑕疵密度層。 在某些霄例中’選擇性聚結層2 2係在大致與前述具體實 -----------16-__ 本紙成尺度適用中國國各標準(CNS) /\4規格(210 X 297公董） 558845 A7 B7 五、發明説明（13 ) 施例（圖2)相似的條件下，生長在遮罩3〇上。包括高溫GaN 層2 8、遮罩3 0與選擇性聚結層22之順序3 2可在減瑕結構 16b中重複數次，進一步減少瑕疵密度，並提高第三族氮 化物層1 8中的壓縮應變。 雖然此實例中減瑕結構16b内的層28與22係由GaN形成， 但是在其他實例中，此等層可由其他三族氮化物材料形 成，諸如例如 InGaN、AlGaN、AlInGaN、AlInGaNAs、 AlInGaNP或其組合物。此外，該碎來源可為二珍淀（^η6) 或其他含矽化合物。與減瑕結構16b相似的減瑕結構係描 述於 S· Tanaka 等人之 japaneSe j〇urnal 〇f Applied Physics 39, L83 1 (2000)中，其全文以提及的方式併入本文中。諸 如用於本具體貫施例中的微遮罩技術在本技藝中可稱為 「矽配量」或是抗表面活化法。 參考圖4，其他具體實施例包括減瑕結構1 6c。基板12、 核晶層14、高溫GaN層28與第三族氮化物層18大致上與先 前具體實施例相同。 減瑕結構16c包括低溫GaN核晶層34，其生長在高溫GaN 層2 8上。核晶層3 4係例如在與生長核晶層14大致相同條件 下生長，而且生長至相似厚度。此種使用多層核晶層會減 少瑕疵密度，並提高隨後生長的第三族氮化物層之壓縮應 變。因此，在減瑕結構16c中重複數次包括高溫GaN層28與 低溫核晶層34的順序36。 雖然此實例中，層28係由GaN層形成，但是在其他實例 中’減瑕結構16c中的層28可由其他第三族氤化物材料形 _____ -17-_____ 本紙張尺纽/fl中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公發) 崔"""
裝 558845 A7 ______B7 五、發明説明（14 ) 成。如同減瑕結構16c之包括多層核晶層的減瑕結構係描 逑於 M. iwaya 等人的 japanese journal 〇f AppHed physks 37,316 (1998)，其全文以提及的方式併入本文中。 參考圖5，其他具體實施例包括減瑕結構丨6(1。基板丨2、 核晶層14與第三族氮化物層18與先前具體實施例大致相 同。 減瑕結構16d包括GaN層38 ,其係於約950°C至約1 150°C 之溫度（通常約1050T：)下生長在核晶層14上。生長此種 GaN層38期間的分壓比Nh3/TMG與NH3/H2之範圍與代表數 值大致與表1(b)列與（c)列所示之標準GaN層24或聚結層22 相同。層38生長厚度約〇·ι μηι至約1〇 μηι，通常約1 μιη。 然後彳τ止TMG流（更常為第三族元素），並將νη3分壓對 分壓比降至約〇·〇5與約0.35之間，通常約〇· 15，持續約1秒 至約1000秒，通常約一分鐘。該H2與NH3環境會蝕刻並粗 糙化層38的表面40。於表面40上再開始生長第三族氮化物 會造成更新核晶、瑕戚減少，並提高隨後生長之第三族氮 化物層内的壓縮應變。可以在減瑕結構l6ci内重複生長粗 糙第二族氮化物層，例如層3 8數次，進一步降低瑕戚密 度’並提高隨後生長之第三族氮化物層的壓縮應變。 雖然該實例中層3 8係由GaN層形成，但是在其他實例 中’減瑕結構16d中之層3 8可由其他第三族氮化物材料形 成’諸如例如 InGaN、AlGaN、AlInGaN、AlInGaNAs、 AlInGaNP或其組合物。如同減瑕結構i6d中之減瑕結構（其 包括於生長中止期間藉由蝕刻粗糙化的第三族氮化物層） ____-18-__ 本紙張尺度適财賴家標準(CNS) A4规格(210X 1297公慶) ： 558845 A7 B7
558845 "* ··" — B7 五、發明説明（^~) ' 並安裝LED 42作為倒裝片，其觸點54與56面向下方支座。 有利的是，發光裝置諸如本發明之LED 42中的高度摻雜 矽（-約i〇|) cor3)與厚（-約2 μιΉ)η型第三族氮化物層在 例如η觸點58與作用區44(圖6)之間提供低宰聯電阻。此 外，伴隨此等層的η觸點障壁比具有較低矽濃度之η型層代 表者低。本發明之發光二極體中的亭聯電阻與η型障壁圖 示於圖13，其繪製出串聯電阻與點障壁高度相對於〜2 μηι厚η型GaN層的矽摻雜濃度之圖。資料點9〇a與9〇b的特 歛係根據本發明生長無龜裂GaN層，而且其矽濃度約ι χ 1019 cm。。資料92a與92b的特徵係GaN層具有實質上較低 之石夕;辰度。本發明第二族氮化物發光裝置的低串聯電阻與 低η觸點障壁係此等裝置所需之驅動電壓降低所致。 參考圖7，在一具體實施例中，lEd 42的作用區44包括 InxGaNxN量子阱60、62與64，以及GaN障層68與70，量子 胖層60位於最接近基板12處（圖6)。量子阱層6〇、62與64 約10埃至約100埃（通常約25埃）厚。障層68與70約25埃至 約500埃（通常約125埃）厚。雖然圖7顯示三層量子阱層與 兩層障層，但是其他具體實施例包括更多或更少此等量子 阱與障層。其他具體實施例中，可由例如半導體材料形成 該量子阱與障層，此等半導體材料包括但不局限於GaN、 InGaN、AlGaN、AlInGaN與其組合物。該量虧阱層亦可摻_ 雜矽。 本發明人已確定在該作用區某些部分摻雜施體及/或受 體摻雜劑’可以減少因壓電與自發極化所引發之電荷與異 ___-20- 本紙張足度適用中國國家標準(CNS) Λ4規格(210X 297公釐) ' -
裝 558845 A7 B7 五、發明説明（17 矣面補^員同在第二族氮化物發光裝置作用區中所產生的 能障壁效應。該施體與受體摻雜劑分別提供穩態正電荷與 負電荷’而且減少存在該異接面處的淨電荷。此外，該摻 雜作用產生自由電荷載子（電子或電洞），其累積殿作用區 的異接面（例如介於障壁與阱）處，並減少該壓電能障壁的 寬度。
例如，在一具體實施例中，作用區44中的一或多層 障層均勻摻雜矽，其濃度大於約5 X 1017 cm·3。在一些實 例中，該障層摻雜矽濃度大於約1 χ 1〇i9 em·3 ^因而有利 地降低LED 42的驅動電壓。例如，參考圖8，資料點％、 78與80表示具有本發明摻雜矽障層之LED在正向電流密度 約30 A/cm2下所需之正向驅動電壓。此等相當於資料點 76、78與80的LED各包括三層量子阱與三層障層（所有障層 均摻雜矽）以及一層厚度約2 μπι且矽濃度約1〇i9 cm·3之η型 GaN層（例如，圖6之區48)。 具有本發明η型GaN層（〜2 μπι厚，矽濃度〜lx i〇i9 與摻雜矽障層的發光二極體之性能特徵示於圖14，其繪製 出驅動電壓相對於主波長的圖。線94與96表示此等本發明 重量分別在約30 A/cm2與約50 A/cm2之驅動電壓密度下的 性能。線98表示習用發光二極體於約30 A/cm2驅動電壓密 度下的性能，以供比較。很清楚地看出，本發明第三族氮 化物發光二極體的驅動電壓遠小於發出大約相同主波長之 習用第三族氮化物發光二極體的驅動電壓。 該障層可以均勻摻雜其他施體雜質，諸如鍺、硫、碼、 -21 - 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐} 558845 A7 B7
碲、知或氧’例如換雜至與本發明相似〉農度。可使用此等 其他施體雜質取代矽，或是在除了矽之外還使用此等雜 質。該障層亦可均勻摻雜受體雜質，諸如例如鍰、辞、 躬、纟1¾與皱或其組合物。 在其他具體實施例中，該GaN障層之一或多層係以空間 不均勻方式摻雜施體及/或受體雜質。於該障層生長期 間’藉由改變該掺雜先質氣體（例如矽烷）流速，完成不均 勻摻雜作用。 例如，圖9所示之具體實施例中，該障層不均勻摻雜 碎。此具體實施例中，各障層遠離基板（其位於層6〇下方） 之障層部分的矽濃度高於該障層其他部分。特別是，各障 層之碎丨辰度曲線在離基板（後緣）最遠的障層一側出現尖 ♦。濃度尖峰出現的障層區之厚度係例如約5埃至約ι〇〇 埃’通#約2 0埃。該尖峰區中的硬濃度係例如大於約1 X 1 〇18 cm。。在某些實例中，該尖峰區中的矽濃度大於約i X 1019 cm』。該尖峰區外的障壁中之矽濃度係例如低於5 X 1〇18 cm·3。 圖10所示之具體實施例中，各障層的矽濃度係接近基板 之障層邵分的濃度高於該障層其他部分。特別是，各障層 中的矽濃度曲線在最接近基板（前緣）障層一側出現尖學。 該尖峰區内外的矽濃度係如圖9所示之具體實施例。 空間不均勾摻雜劑濃度係該障層内的濃度以與該基板大 致垂直方向隨著距離而改變，其於此處稱為漸變曲線。除 了圖9與圖1 〇所示濃度曲線之外，漸變濃度曲線包括例如 — ~ 22 - 本紙张义度適用中國國家標準(CMS) A4規格(2U) X 297公釐）
裝 558845 A7 B7
以及障層中央部分具有尖 五、發明説明（19 在障層中線性改變的濃度曲線 峰之濃度曲線。 圖u顯示本發明三種LED之慣用計算電流·電壓㈠⑺特 徵。曲線76表示- LED之I/V特徵，該咖包括障層中的後 緣:濃度尖學約1Χ1〜3,其他部分摻雜濃度約1X 1〇 Μ。曲線78表示一 LED之I/v特徵該咖包括障層 中的前緣碎濃度尖峰約1X10i、m-3，其他部分掺雜濃度 約lXl〇i8 cm·3。曲線80表示一 LED之I/v特徵，該led包 括均勻摻雜矽之障層，其摻雜濃度約1>： 1〇U cm·3。這三 條I/V曲線表示出具有矽濃度尖峰的LED之驅動電壓通常低 於障層均勻摻雜矽的led之驅動電壓。具有均勻摻雜障層 的led之驅動電壓低於無摻雜障層的LED之驅動電壓。 圖12顯示慣用計算傳導帶邊緣能量，作為本發明四種 LED作用區44中之位置的函數。曲線82表示一 LED之傳導 帶邊緣，該LED包括障層中的後緣矽濃度尖峰約1 X 10i9 cm·3，其他部分摻雜濃度約lx 10i8 cm·3。曲線84表示一 LED之傳導帶邊緣，該LED包括障層中的前緣矽濃度尖峰 約1 X 1019 cm-3，其他部分摻雜濃度約1 X cm·3。曲線 86表示一 LED之傳導帶邊緣，該LED包括均勻摻雜矽之障 層，其摻雜濃度約IX 1〇18 cm·3。曲線88表示一 LED之傳導 帶邊緣，該LED障層中無摻雜。這四條傳導帶邊緣曲線顯 示出，存在換雜尖峰·會減少作用區中的帶彎曲程度（一部 分係自發極化與壓電場所致）。特別是，障層中的後緣摻 雜尖峰特別有利於補償該壓電場。 -23- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(‘210 X 297公釐）
裝 558845 20 A7 B7 五、發明説明（ 在其他具體貫施例中’一或多層障層不均勻摻雜受體雜 質’諸如例如鎂、鋅、鈣、鎘、碳與鈹或其組合物。受體 雜質的濃度曲線與圖9及圖1〇所示之矽濃度相似。預期前 緣中的受體雜質濃度尖峰效應與障層之後緣之施體雜質濃 度尖峰效應相似。同樣地，預期障層之後緣的受體雜質濃 度尖峰效應與障層之前緣的施體雜質濃度尖峰效應相似。 在某些具體實施例中，障層係不均勻摻雜施體雜質與受體 雜質。 通常，預期摻雜受體與施體兩種雜質之障壁的LED驅動 電壓會提高。不過，在第三族氮化物LED情況中，存在著 該障壁中的壓電場與量子陈層，會造成具有正負信號的空 間固定電荷薄層累積在該障壁與量子陈層界面處。由於離 子化受體雜質的電荷係負電荷，若該受體雜質混入障層之 接近壓電場所引發的目定薄層負電荷區，則可以降低該 LED的驅動電壓。若該障層其餘部分以空間均勾並不均勾 方式換雜施體雜質，則會發生驅動電壓降低。若該障層其 餘部分不掺雜任何雜質，或是掺雜施體與受體雜質的二合 物，亦可能發生驅動電壓降低。已說明於電流密度3〇巧〇 AW操作之LED的改良。對於以電流密度大於或等於约 操作之LE_LD而言，正向電壓降低更為顯 =空間均勾與不均勾方式的障層換雜作用亦可用於 不包括減瑕結構及/或高度摻雜矽 ^U層的具體實施例。再 /人參考圖6，例如，在此等具體實 I施例巾，下層第三族氮 本紙狀度適财_家標4(CNS) Λ4規格（21()χ297公资)一
558845 A7 B7 五 發明説明（21 ) 化物區48可以直接生長在核晶層14上。 雖然在舉出的具體實施例中，該高度摻雜矽之η型第三 族氮化物層係位於作用區與基板之間，但是其他具體實施 例中，該作用區可位於基板與高度摻雜矽之η型第三族氮 化物層間。 雖然以特定具體實施例說明本發明，但是希望本發明包 括在附錄主張權項範圍内的所有變化與修正。 -25- 本紙張尺度適用中國國家搮準(CNS) Α4規格(210 X 297公釐)

Claims (1)

  1. 558845
    l 一種發光裝置，包括： 一基板； 一核晶層，其位於該基板上； 一減瑕結構，其位於該核晶層上；以及 一 η型弟三族氮化物半導體層，其位於該減瑕結構上， 該η型層的厚度大於等於約一微米，而且梦捧雜濃度大於 或等於約IX 1〇19 cnr3。 2. 如申請專利範圍第i項之發光裝置，其中該基板包括藍寶 石、碳化矽或矽其中之一。 3. 如申請專利範圍第i項之發光裝置，其中該核晶層包括一 種選自鎵、銦、鋁、氮與其組合物之材料。 屯如申請專利範圍第i項之發光裝置，其中該減瑕結構包括 一減瑕層，其將n型層中的穿過位錯減至小於約2 χ 1〇9 cm'2 ° 5·如申請專利範圍第i項之發光裝置，其中該基板包括藍寶 石，该η型層包括（jaN，而該減瑕結構將n型層的“a”晶格 參數減至小於約3.187埃。 6·如申请專利範圍第1項之發光裝置，其中該減瑕結構包括 罘二族氮化物半導體層，其上放置一種含参材料。 7·如申请專利範圍第1項之發光裝置，其中該減瑕結構包括 至少一層額外核晶層。 8·如申請專利範圍第1項之發光裝置，其中該η型層的穿過 位錯密度小於或等於約2 X 109 cm·2。 9.如申請專利範圍第1項之發光裝置，其中該η型層直接生 Η 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公釐)
    裝 訂
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    長在該減瑕結構上。 10.如申請專利範圍第1項之發光裝置，其中該矽摻雜濃度大 於或等於IX 1〇19 cm·3。 又 η·如申請專利範圍第1項之發光裝置，其中該η型層的厚度 大於或等於約2微米。 ㈢ 又 12·如申請專利範圍第1項之發光裝置，進一步包括一作用 區，該作用區包括至少一層均勻摻雜雜質的障層，其雜 質濃度大於或等於約5X 10i7 cm.3。 ^ 、 13·如申請專利範圍第1項之發光裝置，進一步包括一作用 區，該作用區包括至少一層摻雜雜質的障層，其雜質濃 度係以與該基板大致垂直方向漸變。 14·如申請專利範圍第1項之發光裝置，進一步包括一作用 區’該作用區包括至少一層摻雜雜質的障層，其雜質濃 度漸變至至少部分抵消該作用區中壓電場的效應。 15·如申清專利範圍第1項之發光裝置，進一步包括一作用 區’該作用區包括至少一層摻雜施體雜質的障層，其遠 離基板區的施體雜質濃度大於或等於約IX l〇l9cm·3。 16·如申请專利範圍第1項之發光裝置，進一步包括一作用 區’該作用區包括至少一層障層，該障層接近基板區中 摻雜受體雜質。 17.如申請專利範圍第i項之發光裝置，進一步包括一作用 區，該作用區包括至少一層摻雜施體雜質的障層，該障 層遠離基板區中的雜質濃度大於或等於約IX l〇19cm-3， 以及包括至少一層接近基板區摻雜受體雜質的障層。 1 本紙張尺度適用中國國家樣準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 558845 A8 . B8 C8 _ D8 六、申請專利範圍 ^ ' ' 18.—種發光裝置，包括： 一藍寶石基板； 一核晶層，其位於該基板上； 一第三族氮化物半導體減瑕層，其位於該核晶層上； 以及 一η型第GaN層，其位於該減瑕層上，該η型層的厚度 大於等於約一微米，矽摻雜濃度大於或等於約1〇19 cm·3 ，而位錯密度小於約2 X 109 cm·2。 19·如申請專利範圍第18項之發光裝置，其中該η型GaN層的 晶格參數小於約3.187埃。 20·—種形成發光裝置之方法，該方法包括： 在一基板上形成核晶層； 在該核晶層上形成減瑕結構；以及 在該減瑕結構上形成η型第三族氮化物半導體層，該η 型層的厚度大於或等於約1微米，而矽摻雜濃度大於或等 於約 1019 cm·3。 21. 如申請專利範圍第20項之方法，進一步包括形成一減瑕 層，該減瑕層係由包括NH3、三甲基鎵與&的來源氣體 形成，其中NH3之分壓對三甲基鎵之分壓比為約2〇〇至約 1500,而NH3之分壓對A之分壓比為約〇〇5至約〇35。 22. 如申請專利範圍第2G項之方法，進__步包括在第三族氮 化物半導體層上沈積一種含♦材料。 23. 如申請專利範圍第20項之方法，進一步包括形成至少一 層額外核晶層。
    558845
    24·如申請專利範圍第2〇項之方法，進一步包括粗糙化該減 瑕結構的生長表面。 25·如申請專利範圍第20項之方法，其中該η型層係直接生長 在該減瑕結構上。 26·如申請專利範圍第2〇項之方法，其中係於單向流金屬有 機化學氣相沈積反應器中生長該η型層。 27·—種發光裝置，包括： 第三族氮化物半導體作用區，其包括至少一層障層， 咸障層掺雜雜質，其濃度係以與該作用區大致垂直方向 漸變。 28·如申請專利範圍第27項之發光裝置，其中該雜質濃度漸 變至至少部分抵消該作用區内壓電場的效應。 29.如申請專利範圍第27項之發光裝置，其中該雜質係施體 雜質。 30·如申請專利範圍第27項之發光裝置，其中該雜質係碎。 31·如申請專利範圍第27項之發光裝置，其中該雜質係施體 雜質，於遠離基板之障層區内的濃度大於約 1 X 1019 crrf3。 32·如申請專利範圍第27項之發光裝置，其中該雜質係受體 雜質。 33. 如申請專利範圍第27項之發光裝置，摻雜碎該雜質係 鍰。 34. 如申請專利範圍第27項之發光裝置，其中該作用區包括 至少一層雜質受體雜質的障層，其濃度係以與該作用g >^ί 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210X 297公釐) 558845 A8 B8 C8 ____D8 々、申請專利範圍 大致垂直方向漸變，以及至少一層摻雜施體雜質的障 層’其▲度係以與遠作用區大致垂直方向漸變。 35. —種形成發光裝置的方法，該方法包括： 形成第三族氮化物半導體作用區，包括至少一層障 層，該障層摻雜雜質濃度係以與基板大致垂直方向漸 變。 36·如申請專利範圍第3 5項之方法，進一步包括漸變該雜質 濃度，至少部分抵消該作用區内的壓電場效應。 37·如申請專利範圍第3 5項之方法，其中該雜質係施體雜 質。 38·如申請專利範圍第3 5項之方法，其中該雜質係梦。 39·如申請專利範圍第3 5項之方法，其中該雜質係施體雜 質，其於遠離基板之障層區内的濃度大於約 1 X 1〇19 cm-3。 40·如申請專利範圍第3 5項之方法，其中該雜質係受體雜 質。 41. 一種發光裝置，包括： 一第三族氮化物半導體作用區，其包括至少一層障 層，該障層摻雜濃度大於或等於約5 X 1〇17 cm·3。 L本紙張尺度A4規格(21QX297公
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