TWI253185B - Robust group III light emitting diode for high reliability in standard packaging applications - Google Patents

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TWI253185B TW092113084A TW92113084A TWI253185B TW I253185 B TWI253185 B TW I253185B TW 092113084 A TW092113084 A TW 092113084A TW 92113084 A TW92113084 A TW 92113084A TW I253185 B TWI253185 B TW I253185B
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Description

1253185 攻、發明說明： 【之技術領域_】 本餐明係關於發光二極體，及尤其係關於適用於標準封 應用之由第πι族氮化物形成之此種二極體。 【先前技術1 、4光一極係一種將電能轉變為光輻射之接面裝置。 尤其’在適當的順向偏壓條件下，LED在電磁光譜的紫外、 可見、及紅外區域中發射外部自發輻射。 如A心私磁光謂之可見及近可見部分及其特性之人士所 知曉，較短波長之光（諸如藍光及紫外光）呈現較高的頻率、 向的此星過渡，及較長波長（諸如紅光及紅外光）呈現較低 的頻率、較低的能量過渡。 因此，關於發光二極體，其所發射之光譜的特殊部分一 :<顏色—係基於產生發射之過渡的能量而定。過渡能 里依序有甚大私度係由特定材料之能帶隙所決定。因此， 、、、、使叙光_極骨豆在光？晋之藍色或紫外部分中發光，半導體 材料之能帶隙必需夠大（夠寬），以利用足夠的能量支援過渡 ’而產生藍光或紫外光。 ^ 在光邊之監色及紫外區域中之發光二極體的候選 ^料文限於特^的寬能帶隙材料諸如鑽石、後化邦lC)及 罘|π族鼠化物；例如，由週期表之第m族元素形成之二元 一及四元氮化物，諸如氮化鎵（GaN)、氮化鋼嫁（inGaN) 、及氮化鋁鎵（AlGaN)。 在爲色LED領域中之近來的發展工作更將焦點放在第⑴ 85299 1253185 族氮化物上，由於其具寬能帶隙，且其有直接，而非間接 過;度材料之特性。如熟悉技藝人士所充分明瞭，直接能帶 隙材料由於其之能量轉變主要係為光（光子）之形式，而非部 分為光及部分為振動能(聲子），因而其有提供較高效率的傾 向。 LED及其他光子裝置之結構、量子力學、及操作的更廣泛論 述記述於Sze，半導體材料物理學（Physics 〇f Semiconductor Materials)，第 2版（1981，John Wiley & Sons, Inc)，及其之手 冊’ Sze ’現代半導體裝置物理學（Modern Semiconductor Device PhysiCS)(1998，John Wiley & Sons, Inc)中。此等原理 係此技藝中一般所可充分明瞭，除非為解釋及佐證本提出 專利申請之發明所需，否則在此不加以贅述。 基本而言，發光二極體一般包括兩層相反導電性類型的 材料，其一起形成p-n接面。此等材料典型上係呈在基材上 之磊晶層的形態。最希望對基材及對頂部磊晶層產生歐姆 接觸’以在封裝時形成提供最佳效率的「垂直」裝置。 在此方面，通常將LED以LED燈之形式封裝供最終用途用 。典型的LED燈包括一 LED晶片（或「晶粒」，術語「晶片」 通常係用於描述積體電路而非LED)及一塑膠（或有時為玻 璃）透鏡。對於一些LED，透鏡為彩色，以提供作為漉光器 及增進對比，但對於藍色LED，透鏡為無色，以避免與期望 色|光的干擾較佳。热悉技藝人士熟知典型的燈構造， 且其記述於，例如，Sze，半導體材料物理學，同前於697_7〇〇 頁。典型上，一旦將LED晶片封裝成為燈，則其可使用於各 85299 1253185 上形成一金屬接觸，及在金屬接觸上濺鍍沈積一氮化矽鈍 化層。 本發明之此等及其他目的及優點將可經由結合附圖思考 以下之貪施方式而更加明白。 【實施方式】 本各月係種於標準封裝中提供高可靠性，且將可承受 南溫及两濕條件之物理強健的發光二極體。 如於R景中所指出，必需保護歐姆接觸使不受到物理、 機械、環境及封裝應力，以防止第m族氮化物led之退化。 在此方面，圖1係整個Led(「晶粒」）之照片。在圖1之裝 置中，除了 ί辰繞晶粒之外緣之外，將二氧化矽（玻璃）之鈍化 層移除。仍存在玻璃的部分大致係以環繞大致方形晶粒之 周邊之主點狀或經染色之部分指示。此斑駁的外觀係由當 玻璃自晶粒脫層時在其下方之不同的空氣間隙所產生。在 說明於圖1之晶粒中，脫層係開始於大約3點鐘位置（順時針 移動），及到達大約11點鐘位置。晶粒之中心不存在鈍化層 ’且在仍附著至合接塾（bond pad)之晶粒的最中心可看見線 球結合。在此特殊例子中，將鈍化層之中心部分移除，同 時於測试之後將晶粒去包封。 說明於圖1之晶粒的鈍化層在測試過程中於封裝中脫層 ，且使濕氣可滲透至鈍化層下方。所造成之脫層使此特殊 裝置之起始光輸出降低約20%。接著，傾向於滲透通過led 燈之環氧透鏡及環繞離開燈封裝之底部之引線的濕氣使薄 的半透明歐姆接觸退化，及最終使其完全失效。此失效依 85299 -11 - 1253185 為「具降低捕捉之以第ΙΠ族氮化物為主之FET及hem丁及其 製法（Group III Nitride Based FETs and HEMTs with Reduced
Trapping and Method for Producing the Same)」，將其以引用 的方式併入本文中。 圖5顯示可使用於將材料沈積於基材或裝置或裝置前驅 物上之簡化的錢鐘室1 〇 〇。在操作時，將半導體裝置1 〇 1置 於陽極102上。接著將室103抽真空，及使惰性氣體1〇4諸如 氬經由閥1 05流入，以維持背景壓力。陰極i 〇6係由待沈積 於基材或裝置上之材料（或材料之成份）製成。藉由在電極 1 〇 7之間施加高電壓，惰性氣體經離子化，且正離子η 〇加速 至陰極106。當衝擊到陰極1〇6時，其與陰極原子112碰撞， 而給予其排出的足夠能量。經濺鍍之陰極原子丨丨2行進通過 空間，而最終塗佈陽極102及其上之半導體裝置1〇ι。其他 的濺鍍單元可能更為複雜及具更多細部，但其係以大致相 同的基本物理機構運作。使用更為複雜的濺鍍系統可濺鍍 及沈積一範圍的金屬及介電層。 在一較佳具體貫施例中，陰極1 〇 6係純的碎革巴。經由使氮 氣連同惰性氣體一起流過濺鍍室1 03，而使其提供氮化矽的 形成。由於經濺鍍的靶材（在此情況中為矽）與反應氣體（氮） 反應生成SiN，因而將此形式的濺鍍稱為「反應性濺鍍」。 在第一具體實施例中，濺鍍沈積可在超過2 〇 〇 之溫度下 進行，及在約440°C之溫度下最佳，以使包封最大化，及於 裝置上產生更隔絕的密封。室103之壓力應在氬及氮氣之混 合大氣中維持在低於20毫托爾（mTorr)下，及以在約1 〇-20毫 85299 -14- 1253185 托爾之間較佳。濺鍍速率應維持於約4 5埃/分鐘，及應沈積 大於約1 000埃之總薄膜厚度，以得到最佳的包封。在此具 體實施例中，氮化矽之濺鍍可使用Sputtered Films, Inc.製造 之Endeavor濺鍍系統完成。雖然本發明人並不希望受限於任 何特殊的理論，但在此壓力（20毫托爾以下）下，目前相信賤 鍍方法會導致對裝置的實質離子轟擊損傷。然而，目前亦 相信增加的濺鍍溫度可使離子轟擊損傷自裝置退火。 在此具體實施例中，較佳的濺鍍方法包括使室1 〇 3降至低 於約20毫托爾之低壓，使氬氣在約4〇標準立方公分每分鐘 (seem)之速率下流動，及使氮氣流在約25 sccm之速率下流 動的特定步驟。將室1 03之溫度提高至高於2〇〇。〇，及以至 約440 °C較佳。對端子1〇7施加約1〇〇瓦之RF功率及約 700-800瓦之DC功率，以產生離子化電漿。將此條件維持約 4 0分鐘，以濺鍍S1陰極1 0 6。經濺鍍之矽與氮反應，而導致 氮化矽沈積於晶圓上。 在另一具體實施例中，濺鍍沈積可在室溫但在較高壓力 ，例如，在混合Ar/N2大氣中在約8(M00毫托爾之間之下進 行。應使用脈衝DC電源，以降低在濺鍍電極之間的「噴放 (spmmg)」及發旅。使用脈衝dc電源使於濺鍍靶上之離子 轟擊量增加，但經發現如濺鍍係在較高壓力下進行，則不 需要使裝置退火以移除離子損傷。目前相信在此具體實施 例中，經濺鍍離子之最高離子能量降低，同時離子通量增 加，而導致可忽略的離予轟擊損傷，同時仍維持可接受的 濺鍍速率。在此具體實施例中，將濺鍍速率維持於約5〇埃/ 85299 -15- 1253185 分鐘下較佳，且濺鍍可使用cvc 28〇〇濺鍍系統進行。 在此具體實施例中，較佳的濺鍍方法包括使室103降至約 80-100毫托爾之壓力，使氬氣在約8〇 sccm之速率下流動， 及使氮乳流在約10 sccm之速率下流動的特定步騾。將室 之度維持於皇溫下。對端子1〇7施加具約1〇⑽瓦之功率與 約5微秒之脈衝期間及約4〇%之任務循環的脈衝dc電壓，以 產生離子化私漿。將此條件維持約75分鐘，以濺鍍si陰極106 、，二歲鍍之矽與氮反應，而導致氮化矽沈積於晶圓上。 一在任則逑的具體實施例中，氮化矽係經沈積為相對於 氮化石夕（Si3N4)《化學計量稍微不足碎的氮化石夕組合物較佳 二換口《氮化矽係以產生非化學計量組合物的方式沈積 車乂佳更確切K ’將薄膜中之石夕的比例降低，以增進光 ^出:薄膜中之碎的比例可經由提高或減低進人至室中之 氮氣流量而調整。 換:《此處所使用之術語「氮化碎組合物」係指包括 :及氮化物兩| ’包括彼此互相化學鍵結之矽及氮，及可 能包括-些以細4之化學計量關係鍵結的組合物。此組合 亦可G括其中_些或全邵之組合物不為叫凡之關係的非 化學計量組合。 2本發明’由於濺鍍技術可避免將不期望量值的氯引入 ,巾a 度的氮化碎組合物較習知之電聚增進 =蒸氣沈積(PECVD)方法為佳。如熟悉技藝人士所知曉， ^使GaN基半導體中之Mg_受體赴化。雖然尚不完全明瞭 "刀的機構’ 1本發明人並不希望受限於任何特殊的操作 85299 -16- 1253185 理論，但現今明瞭當利用PECVD在超過200°c之沈積溫度下 沈和氮化ί夕時’薄膜中之氫會擴散通過薄的歐姆接觸及進 入至Ρ-型第III族氮化物接觸層14中，而使層14在靠近其表面 之區域中變鈍化。換言之，在接近表面之區域中，有實質 數目的受體離子經由於薄膜中引入氫而成為中性。因此， 在iv姆接觸與氮化物材料之間之界面退化，且接觸金屬並 未展現理想的歐姆特性。此會導致裝置中之順向電壓的增 加（VF退化）。基本上，裝置的行為如同在金屬1 6與接觸層Μ 之間之界面形成肖特基（Sch〇ttky)接觸而非歐姆接觸。 相對地，由於其係在真空或接近真空中沈積，因而咸信 錢鍍的氮化独合物實質上不含氫不純物。因&，確錢 鍍系統的所有零件清潔乾燥，以避免任何氫污染亦較佳。 此可能需要在濺鍍之前將零件烘烤。 此外 i LED晶片經製造及切製，則需如更詳細說明於 下將晶片裝置於燈封裝中。封裝晶片之程序通常會導致晶 :暴露至高溫一段時間。晶片在後續的操作中亦會暴露至 高溫。在使用PECVD方法於其上沈積氮切之晶片中，此 種暴露會導致順向電壓隨時間的增加(Vf退化)。目前暸解此 電壓增加係由氫自氮化㈣化層17擴散至經掺雜咐之接觸 層14中所產生。經由使用激鍍技術沈積氮化碎組合物層（導 致藏鍍沈積氮切組合物），所產生之退化實質上經降低或 消除。 如PECVD沈積係無可避免’則可經由在較高摻雜量值下 換雉經摻雜Mg之接觸層14，以補償由氫擴散所造成之純化 85299 -17- 1253185 ，而稍微補償vF退化。然而’提高接觸層14中之Mg之摻雜 量值會經由減損經摻雜河§之層14中之晶體品質及表面形態 而對裝置有不利影響。 圖6係一者利用PECVD氮化砍沈積處理及另一者利用濺 鍍氮化矽組合物處理之LED晶粒之Vf對退火溫度的圖。led 晶粒係經由將磊晶層沈積於碳化矽基材上而製造。接著將 基材鋸成兩半。將氮化矽鈍化層沈積於各半部的晶圓上。 使用PECVD沈積於將氮化矽鈍化層沈積於一半部的晶圓上 ，及使用前述之高溫濺鍍方法於將氮化矽組合物鈍化層沈 積於另一半部的晶圓上。其餘的LED製程係習知之製程，且 由各半邛之晶圓製造LED晶粒。使五個具有濺鍍氮化矽組合 物之晶粒及三個具有PECVD沈積氮化矽鈍化層之晶粒在快 速熱退火室中在250 t之退火溫度下進行退火5分鐘。在退 火前後測量各晶粒之順向電壓。接著使晶粒在29〇艺之退火 溫度下進行後續的退火5分鐘。於後續退火之後測量各晶粒 之順向電壓。將由此等試驗而得之平均結果描繪於圖6。如 可太圖6中所見，使用PECVD於其上沈積氮化矽之[ED於在 250 C下退火5分鐘之後僅展現超過〇」伏特之平均％增加，而 於其上濺鍍沈積氮化矽組合物之LED則顯現％的輕微降低 (即改良）。使用PEC VD於其上沈積氮化矽之LEd於在29〇它下 退火5分鐘<後展現超過ο.?伏特之平均％增加，而於其上濺 鍍沈和氮化矽組合物之LED於在29(rc下退火5分鐘之後則 顯現幾近0.1伏特的Vf降低。 因此’在一態樣中，本發明包括一種製造發光二極體之 85299 -18 - 1253185 本發明之燈連同紅色及綠色LED燈一起加入，而形成全色顯 示器。此種顯示器之例子記述於，例如，共同申請及共同 受讓之申請案序號09/057,838中，其係1995年12月29日提出 申請之08/5 80,771「真實顏色平面顯示器單元（True Color Flat Panel Display Module)」，及 9/22/98發證之美國專利第 5,812，105號「LED點陣驅動方法及裝置（LED Dot Matrix Drive Method and Apparatus)」之部分。 已於圖式及說明書中揭示本發明之典型具體實施例，且 雖然使用特定的術語’但其僅係以一般的說明性意義使用 ’而非要作限制用，本發明之範圍係記述於以下之申請專 利範圍中。 【J式簡輩說明1 圖1係以氮化鎵為主之發光二極體的照片； 圖2係圖1之以氮化鎵為主之發光二極體之第二個稍微再 加以放大的照片； 圖3係根據本發明之LED之立體示意圖； 圖4係加入本發明之二極體之[ED燈的示意圖； 圖5係濺鍍室之示意圖； 圖6係一者利用PECVD SlN沈積處理及另一者利用濺鍍 SiN處理心LED晶粒之Vf對退火溫度的圖。 I 戈表符號說明】 10 二極體 11 基材 12 緩衝結構 85299 -21 - 1253185 13 活性區域 14 接觸層 15 > 16 金屬接觸 17 純化層 20 燈 21 透鏡 22 金屬引線框 100 濺鍍室 101 半導體裝置 23、 102 陽極 103 室 104 惰性氣體 105 閥 24 ^ 106 陰極 107 電極 110 正離子 112 陰極原子 85299 -22 -

Claims (1)

1253185 第092113084號專利申請案 中文申請專利範圍替換本年6月） 拾、申請專利範圍： 1· 一種發光二極體，其可以正常的方式封裝，且將可成功 地承又正g及鬲溫和高濕度條件一段時間足以使裳置 可用於各式各樣之商業應用中，該二極體包括： 一第III族氮化物活性區域； 一在該活性區域上之p型第ΙΠ族氮化物接觸層； 一在該Ρ型接觸層上之金屬接觸；及 一在孩金屬接觸上之濺鍍沈積之氮化矽組合物鈍化 層。 2.如申請專利範圍第丨項之發光二極體，其中該氮化矽組 合物係為非化學計量。 3·如申請專利範圍第2項之發光二極體，其中該氮化矽組 合物係碎缺乏。 4·如申請專利範圍第丨項之發光二極體，其中該接觸層包 括氮化鎵，及該金屬接觸夠薄而為半透明。 5 ·如申請專利範圍第3項之發光二極體，其中該鈍化層具 有約1000埃之厚度。 6.如申請專利範圍第1項之發光二極體，其進一步包括： 一碳化矽基材； 一該基材之歐姆接觸；及 一在该基材上用於支承該活性區域之緩衝結構。 如申請專利範圍第6項之發光二極體，其中該基材係為n 型，及該對基材之歐姆接觸係為鎳。 8. 如申請專利範圍第1項之發光二極體，其中該金屬接觸 1253185 及該純化層實質上不會互相反應，且其彼此係充分地黏 著。 9_如申請專利範圍第1項之發光二極體，其中該金屬接觸 係選自由鉑、鈀、金、鈦及金之組合、鉑及金之組合、 献、銘及金之組合、及鉑及錮錫氧化物之組合所組成之 群。 I 0.如申請專利範圍第1項之發光二極體，其中該金屬接觸 包括銷。 II · 一種顯示器，其包含複數個如申請專利範圍第1項之發 光二極體。 12· —種像素，包括： 一在可見光譜之藍色部分中發射之如申請專利範圍 第1項之發光二極體； 一紅色發光二極體；及 一綠色發光二極體。 13· —種發光二極體（led)燈，包括： 一塑膠透鏡；及 一如申請專利範圍第1項之發光二極體，其中該活性 區域包括一具有P型第ΙΠ族氮化物接觸層之第ΠΙ族氮化 物兴接面二極體。 14.如申請專利範圍第13項之LED燈，其中該第m族氮化物 接觸層包括氮化鎵。 1 5 ·如申睛專利範圍第6項之發光二極體，包括： 一在該緩衝結構上之η型氮化鎵磊晶層； 85299-940602.doc 1253185 一 η型第III族氮化物活性區域； 在忒活性區域上之P型氮化鎵接觸層；及 在# P型氮化鎵接觸層上之銘接觸。 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 如申請專利範圍第丨5項之發光二極體，其中該碳化矽基 材係具有選自由碳化矽之3C、4H、6H、及15R多型 (polytypes)所組成之群之多型的單晶。 如申請專利範圍第15項之發光二極體，其中該基材係為 η型。 如申請專利範圍第1 5項之發光二極體，其中該活性區域 係選自由單一異結構、雙重異結構、單一量子井及多量 子井所組成之群。 如申請專利範圍第17項之發光二極體，其中該基材上之 歐姆接觸包括鎳。 如申請專利範圍第1 5項之發光二極體，其中該濺鍍沈積 之氮化矽組合物係選自由Si3N4、矽及氮之非化學計量組 合物、及其組合所組成之群。 一種製造發光二極體之方法，包括： 在一基材上形成一緩衝層； 在緩衝層上形成一活性區域； 在活性區域上形成一 p型接觸層； 在接觸層上形成一金屬接觸；及 在金屬接觸上濺鍍沈積一層氮化矽組合物。 如申請專利範圍第2 1項之方法，包括自經摻雜Mg之GaN 形成接觸層。 85299-940602.doc 1253185 23. 如申請專利_第22項之方法，包括在大於彻。c之溫 度下沈積氮化矽組合物層。 24. 如申請專利範圍第21項之方法，包括在約叫/分鐘之賤 鍍速率下沈積氮化矽組合物。 2 5 ·如申請專利範圍第2 1項之古、、土 ,, 固罘貝乏万去，包括將氮化矽組合物層 沈積至約1000埃厚之厚度。 26.如中請專利範圍第21項之方法，包括在低於㈣毫托爾 (mTorr)之環境壓力下⑽沈積氮切組合物層。 27·如申請專利範圍第以項之方法， ，^ *包括在約10-20毫托爾之 環境壓力下濺鍍沈積氮化矽組合物層 28.如申請專利範圍第2丨項之方、去 曰 之環境壓力下賤鑛沈積氮化（二括在約8(M0。毫托爾 29·如申請專利範圍第21項之方法、且合物層。 80-100毫托爾之環境壓力下磯 包括在室溫下及在約 _洗積氮化矽組合物層。 85299-940602.doc 1253185 第092113084號專利申請案 中文圖式替換頁(94年6月）
圖2
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