TWI311821B - - Google Patents

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!311821 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關一種發光二極體，尤其是一種具有高 光取出效率(light extraction efficiency)的氮化鎵系發光二 極體磊晶層結構。 【先前技術】 φ 第一圖係習知發光二極體結構之示意剖面圖。如第 —圖所示，習知發光二極體100包括一半導體基板 110、以及在該半導體基板11〇上依序形成之一缓衝層 120、一 n型氮化鎵層13〇、一發光層14〇、以及一 p型 氮化鎵層150。該發光層140通常係由多層之ΙΙ]；_ν族化 合物半導體所組成，而ΙΠ-V族化合物半導體包括可發出 紅外光及紅光之AlGaAs，以及可發出黃綠光、黃光及紅 光之AlGalnP。該發光層140通電後可發出所欲波長的 φ 光。然而该發光層140所發出的光在經過發光二極體本 身的吸收、折射、反射後，實際上在發光二極體外部可 i測到的光子數目，亦即光取出效率，一般來說，只有 18%左右。因此，發光二極體材料的吸收、散射等特性； 發光二極體各層材料之間折射率的差異；及發光二極體 的幾何結構等因素皆成為提高光取出效率的研究主題。 目丽用於提升發光二極體之光取出效率的方法，主 要可為：晶粒外型的改變—TIp (tmncated_inverted_

Pyramid)結構、表面粗化(surface r〇Ughness)、提供透明 1311821 電極、光散射層的形成、晶片黏貼技術(wafer bonding)、 或覆晶封师_稱。科，應驗理通信_編 PhysicsUtters)第83卷、第17期、第邏頁至38i〇 頁中揭不與本發明類似之發光二極體結構 ，其係藉由在η 型氮化鎵層之間揷入原位(‘如)成長之粗糙_層，將 原有!X光—極體（不含SiNx| )的光取出效率提高兩倍。 然而光取出效率的進—步提升，财其發展空間。 【發明内容】 本發明之目的係在提供_種氮化鎵系發光二極體結 構，其係藉由成長在η型氮化鎵層巾的錢化嫁系團藤 (clusters)對光之散射作用來提高光取出效率’並使得該 發光一極體結構的發光亮度亦隨之增加。 為了達到上述目的，本發明提供一種氮化鎵系發光 二極體結構’其包括：-基板；—緩衝層，位於該基板 上，一第一 η型氮化鎵層，位於該緩衝層上；一光散射 層，其係一包含複數個非氮化鎵系團簇的氮化鎵 層，該光散射層係位於該第一 氮化鎵層上；一第二n 型氮化叙層，位於该光散射層上；一發光層，位於該第 一 η型氣化蘇層上，而當電流通過該發光二極體結構時， 該發光層就會發光；以及一 Ρ型氮化鎵層，位於該發光 層上。於上述發光二極體結構形成之後，再於該p型氮 化鎵層及該第二η型氮化鎵層上分別形成ρ電極和η電 極’然後利用晶粒製程（chip process )來製得發光二極 體晶片。 1311821 ㈣、甘ΐϋ上述目的，本發明又提供-種發光二極體 =一 ’，、已括·—基板；—緩衝層，位於該基板上；-匕η型氮化鎵層，位於該緩衝層上；一光散射層，係 ㈣層及—包含複數個非氮化鎵系81簇的n3!l 氮匕，層彼此交互相疊而成，該光散射層係位於該第一 Π 鎵層上’-第二η型氮化鎵層’位於該光散射層 上，-發光層’位於該第二η型氮化鎵層上，而當電流 ϋ職發光二鋪結構時，該發光層就會發光；以及一 ρ _ ㈣⑽層’㈣該發光層上。於上述發光二極體結構 形成之後，再於該p型氮化鎵層及該第二n型氮化嫁層 上分別形成P電極和n電極，然後细晶粒製程來製得 發光二極體晶片。 本^明之氮化鎵系發光二極體結構的主要特徵係利 用n 5LlUb鎵層巾之多個非氮化鎵系團簇將發光二極體 内部因聽而留下來的光子再散射出去，而不被元件材 料吸收，藉此來增加發光二極體之光取出效率，並使得 • 該發光二極體結構的發光亮度亦隨之增加。 、由本發明之下述詳細說明及所附之圖式，本發明的 前述及其他目的、特徵、觀點及優點將會更加明瞭。 【實施方式】 第―圖係根據本發明第―實施例之發光二極體結構 的示意剖面圖。如第二圖所示’該發光二極體結構200 包括-基板2U)、以及在該基板21〇上依次形成之一缓 衝層220、一第—n型氮化鎵層23〇、—光散射層24〇、 7 1311821 一第二η型氮化鎵層250、一多重量子井結構之發光層 260、以及一 ρ型氮化鎵層27〇。發光二極體結構2〇〇中 之光散射層240係一層包含多個非氮化鎵系團簇 (clusters) 240b之η型氮化鎵層24〇a。多個非氮化鎵系 團簇240b係利用有機金屬化學氣相磊晶法(M〇CVD)， 在η型氮化鎵層240a成長到一半時，通入例如Sj2H6 與NH3之反應氣體，長成SixN】_x團簇而獲得。非氮化 鎵系團霧240b之材料可為SixN]_x、SiC、Si〇2、Zn〇、 Τι〇2、An、Ag或Pt。若非氮化鎵系團簇24〇b之材料 為SixN〗_x、SiC、Si02、ZnO、或Ti02，則可以原位（以 价W成長方式成長團簇，因此’磊晶成長與團簇成長可 一次完成。但若非氮化鎵系團簇24〇b之材料為Au、 Ag或Pt，則需在磊晶成長之後，再利用蒸鍍法來形成 金屬團簇。光散射層240的厚度範圍為} nm至1〇〇 此外’該基板210之材料可為、 藍寶石、石英、或陶瓷。發光二極體結構中之緩衝層220 材料可為低溫氮化鎵，而緩衝層22〇的功 材料與氮化録之間的晶格不匹配度。該發 射為Ijl-V族化合物半導體，而具有例、如氮化姻蘇/氮化 鎵多重量子井結構之發光層可因通電而發光。於上 述發光二極體結構完成之後，再於該？型氮化嫁層 及該第二η型氮化鎵層25G上分別形成P電極和n電極， 然後利用晶粒製程來製得發光二極體晶片。當發光層26〇 因通電而發光時，所發出的光會因各材料層之間的折射 率不同而被反射回該發光二極體結構2〇〇内，因此使得 1311821 發光二極體結構200之光取出效率大為降低。然而由於 本發明於η型氮化鎵層240a中成長有多個非氮化鎵系 團簇240b，而該些非氮化鎵系團簇240b會將反射回發 光二極體結構200内的光再散射出去，因而會使得發光 二極體結構200的光取出效率大幅增加。 第三a圖係根據本發明第二實施例之發光二極體結 構的示意剖面圖。第三b圖係第三a圖中的光散射層之 放大示意圖。如第三a、b圖所示，該發光二極體結構 3〇〇包括一基板310、以及在該基板31〇上依次形成之 一緩衝層320、一第一 n型氮化鎵層33〇、一光散射層 341、一第一 η型氮化鎵層350、一多重量子井結構之發 光層360、以及一 ρ型氮化鎵層37〇。發光二極體結構3〇〇 中之光散射層341係由一層氮化鎵系層342及一層包含 複數個非氮化鎵系團簇343b的η型氮化鎵層343a彼此 父互相®而成的超晶格(superlattice)組合，該光散射層 3/41係位於該第一 n型氮化鎵層33〇上。多個非氮化鎵 ，團簇343b係利用有機金屬化學氣相磊晶法’在11型 氮化鎵層343a成長到一半時，通入例如Si2H6與]SiH3 之反應氣體，長成SixN]_x團簇而獲得。該光散射層341 較佳係由五層該氮化鎵系層342及五層該包含複數個非 氮化鎵系團簇343b的η型氮化鎵層343a彼此交互相疊 而成之超晶格組合。非氮化鎵系團簇343b之材料可為 ，、siC、Si02、ZnQ、Ti02、Au、Ag 或 Pt。若非 氮化鎵系團簇343b之材料為SixNl x、Sic、Si〇2、Zn〇、 或Ti〇2 ’則可以原位成長方式成長團簇，因此，磊晶 9 ,1311821 成長與團族成長可一次完成。但若非氮化鎵系團簇 3431)之1 才料為Au、Ag或Pt，則需在磊晶成長之後， 再利用条鍍法來形成金屬團簇。光散射層341的厚度範 圍為lnm至i00nm。此外，該基板31〇之材料可為 Ge ' Si、GaAs、GaP、藍寶石、石英、或陶瓷。發光二 極體結構中之緩衝層320材料可為低溫氮化鎵。該發光 層360的材料可為m_v族化合物半導體，而具有例如氮 化銦鎵/氮化鎵多重量子井結構之發光層36〇可因通電而 發光。於上述發光二極體結構完成之後，再於該p型氮 化鎵層370及該第二n型氮化鎵層35〇上分別形成p電 極和η電極，然後利用晶粒製程來製得發光二極體晶片。 虽發光層360因通電而發光時，所發出的光會因各材料 層之間的折射率不同而被反射回該發光二極體結構3 〇 〇 内，因此使得發光二極體結構3〇〇之光取出效率大為降 低。然而由於本發明於η型氮化鎵層343a中成長有多 個非氮化鎵系團簇343b，而該些非氮化鎵系團簇343b 會將反射回發光一極體結構300内的光再散射出去，且 因本實施例中之發光層360係由多層氮化鎵系層342及 夕層包含複數個非氮化叙系團簇343b的η型氮化鎵層 343a彼此交互相疊而成。因而會使得發光二極體結構3〇S〇 的光取出效率更大幅增加。 相較於習知技術t藉由在η型氮化鎵層之間揷入原 位成長之粗糖8丨队層，以提鬲原有發光二極體（不含 層）的光取出效率，本發明之氮化鎵系發光二極體結構X 係利用η型氮化鎵層中之多個非氮化鎵系團簇將發光二 10 1311821 極體内部因反射而留下來的光子再散射出去，而由於以 SiN,團簇散射光的方式較以粗糙SiNx層散射光的方式更 為有效，因此本發明能再進一步提高光取出效率。 對所有熟習此技藝者而言，本發明明顯地可以作出 多種修改及變化而不脫離本發明的精神和範圍。因此， 本發明包括該些修改及變化，且其皆被包括在下附之申 請專利範圍及其均等者中。 1311821 【圖式簡單說明】 第一圖係習知發光二極體結構之示意剖面圖。 第二圖係根據本發明第一實施例之發光二極體結構 的示意剖面圖。 第三a圖係根據本發明第二實施例的發光二極體 結構之示意剖面圖。 第三b圖係第三a圖中的光散射層之放大示意圖。 【主要元件符號說明】 發光二極體 基板 缓衝層 第一 η型氮化鎵層 發光層 Ρ型氮化鎵層 光散射層 η型氮化鎵層 非氮化鎵系團簇 第二η型氮化鎵層 100、200、300 110、210、310 120、220、320 130、230、330 140、260、360 150 、 270 、 370 240 、 341 240a、342、343a 240b > 343b 250 > 350

Claims (1)

1. .1311821 十、申請專利範圍： 1. 一種發光二極體結構，包括： 一基板； 一緩衝層，位於該基板上； 一第一 η型I化蘇層，位於該緩衝層上； 一光散射層，係一包含複數個非氮化鎵系團簽： 的η型氮化鎵層，該光散射層係位於該第一 η型氮 化鎵層上； # 一第二η型氮化鎵層，位於該光散射層上； 一發光層，位於該第二η型氮化鎵層上，而當 電流通過該發光二極體結構時，該發光層就會發 光；以及 一 Ρ型氮化録層，位於該發光層上。 2. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體結構，其 中，該基板之材料係選自Ge、Si、GaAs、GaP、藍 寶石、石英、以及陶瓷所成組群。 ^ 3.如申請專利範圍第1項所述之發光二極體結構，其 中，該非氮化鎵系團簇之材料係選自SixNUx、 SiC、Si〇2、ZnO、Ti02、Au、Ag、以及 Pt 戶斤成組 群。 4. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體結構，其 中，該光散射層的厚度範圍為1 nm至100 nm。 5. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體結構，其 中，該緩衝層之材料係低溫I化鎵。 6. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體結構，更 13 如由4 p電極，其係位於該p型氮化鎵層上。 包括明專利範圍第1項所述之發光二極體結構，更 如 η電極，其係位於該第二η型氮化鎵層上。 中明專利範圍第1項所述之發光二極體結構，其 該發光層之結構係氮化銦鎵/氮化鎵多重量子 丼結構。

   〜種發光二極體結構，包括： —基板； —緩衝層，位於該基板上； 第11型氮化鎵層，位於該緩衝層上； ,:光散射層，係由一氮化鎵系層及一包含複數 非乳化鎵系團藏的η型氮化鎵層彼此交互相疊 成之超晶格組合，該光散射層係位於該第一 η型 氣化鎵層上；

   —第二η型氮化鎵層，位於該光散射層上； 一發光層，位於該第二η型氮化鎵層上，而當 二流通過該發光二極體結構時，該發光層就會發 光；以及 —Ρ型氮化鎵層，位於該發光層上。 10·如申請專利範圍第9項所述之發光二極體結構， ，該基板之材料係選自Ge、Si、GaAs、GaP、 監寶石、石英、以及陶瓷所成組群。 11·如申請專利第9項所述之發光二極體結構， 其中，該非氮化鎵系團鎮之材料係選自 sic、Si〇2、Zn〇、Ti〇2、Au、Ag、^ptM 14 1311821 組群。 12. 如申請專利範圍第9項所述之發光二極體結構， 其中，該光散射層的厚度範圍為1 nm至100 nm。 13. 如申請專利範圍第9項所述之發光二極體結構， 其中，該缓衝層之材料係低溫氮化鎵。 14. 如申請專利範圍第9項所述之發光二極體結構， 其中，該光散射層係由五層該氮化鎵系層及五層 該包含複數個非氮化鎵系團簇的η型氮化鎵層 • 彼此交互相疊而成之超晶格組合。 15. 如申請專利範圍第9項所述之發光二極體結構， 更包括一 Ρ電極，其係位於該p型氮化鎵層上。 16. 如申請專利範圍第9項所述之發光二極體結構， 更包括一 η電極，其係位於該第二η型氮化鎵層 上。 17. 如申請專利範圍第9項所述之發光二極體結構， 其中，該發光層之結構係氮化銦鎵/氮化鎵多重量 赢 子井結構。