TWI321366B - Epi-structure with uneven multi-quantum well and the method thereof - Google Patents

Description

層形成具有複數個不規則且高低起伏之多層量子井結構（unevenMQW) 的’使不規則的mqw體面積較傳統平坦之MQW體面積為大，藉此改 。内。卩的主動層發出之發光效率Ei，使得整體的LED之發光效率丑济增 加。 【發明内容】 〜有繁於發明背景巾所述之問題，本發明提供—種具有複數個不規則 、低起伏之夕層置子井結構（uneven MqW)的*晶結構及其製造方 法’藉由不規則的MQW體面積較傳統平坦之MQW體面積大的現象， 來”體提间内部的主動層發出之發光效率Ei，使得整體的[ED之發光效 率Eeff增加。 旦本發明之主要目的在提供一種具有複數個不規則且高低起伏之多層 量子井結構（UnevenMQW)的|晶結構，藉以提高LED發光效率。 旦本發明之另-目的在提供一種具有複數個不規則且高低起伏之多層 置子井結構（UnevenMQW) _晶_，藉赠絲形狀更佳。 據此本發明提供一種發光元件之蟲晶結構，包括：一個第一半導 體導電層形成於基板之上；-個絲層，細錢f子井（mqw)形成 於第一半導體導電層之上；以及-個第二半導體導電層，形成於主動層之 上，其中將至少-鮮f材觸形狀概個 層與主動層之間，藉此，使形成之多層量子井具有複數個不= 伏形狀。 _ 本發明再提供-種發光讀，包括一個第一電極形成於基板之第一 面上:-個第一半導體導電層，形成該基板之第二面上；一個主動層，以 多層量子井（MQW)形成於第一半導體導電層之上，其中將至少一種異 質材料所軸之減個難麟於該第—半導料電層與該主動層之 :，藉此，使形成之鮮層量子井具有魏财侧且高健伏之形狀； 接者，-個第二半導體導電層，形成於主動層之上；然後以一個透明導電 =，形成於第二轉體導電層之上；最後，再以—個第二電極，係形成於 透明導電層之上。 本發明另提供-種具有多層量子井之蟲晶結構，包括：一個半導體 導電層域於基板之上m個多層量子井（mqw)形成於半導體 導電層之上’其巾將至少—種異質材料所形成之複數個微粒散佈於半導體 導電層财層量子井之間，航，使形紅μ量子井具有複數個不規則 且向低起伏之形狀。 本發明再提供-種發光元件之蟲晶方法，包括：提供__個基板；接 著形成-個第-半導體導電層於基板之上；再接著形成—個主動層於第一 半導體導電層之上’其中主動層為—多層量子井（MQW)結構，且以至 少-種異f材觸形成之複數個微粒散佈於第—半導體導電層與多層量 子井之間’藉此’使形成之多層量子井具有複數個不酬且高低起伏之形 狀；最後，形成一第二半導體導電層於主動層之上。 【實施方式】 本發明在此所探討的方向為一種使發光元件的磊晶結構及其方法。 為了能徹底地瞭解本發明，將在下列的描述中提岭盡的蟲晶結構及其步 ，。顯然地’本發_施行並未限定此遙晶結構之技藝者所熟習的特殊細 即’然而，對於本發明的較佳實施例，則會詳細描述如下，然而除了這些 詳、、、田為述之外，本發明還可以廣泛地施行在其他的實施例巾，且本發明的 範圍不受限定，其以之後的專利範圍為準。 在下列的說明中，將先簡單說明本發明之具有複數個不規則且高低 起伏表面之多層量子井私結構以及具有複㈣不·且高低起伏之多 再接著’進行Μ量子井（MQW)之成長，由於在多層量子井成長 刖’乱化物半導體導電層2〇上的部份位置已被添 質材料所覆蓋， 因此在後續成長夕層量子井時，這些被異質材料所覆蓋的地方就會阻絕多 層，子丼的成錢減慢乡層量子賴絲替;在此情軒贼長出的多 層里子井很簡地會在異·料處自娜成凹離，故會形成不規則歩 轉、31，此=規則形狀31近似在海灘上所形成之一片沙丘，而各沙丘均具 有各自的同度及寬度’且各個沙丘間並不—定會連接在，請參考第6 圖之SEM®。而林發明之具有複數個不酬且高低起狀乡層量子井 30之為晶結構中，此多層量子井3〇之橫斷面（即底高）約為u〜⑽， 其粗梭度值約為Ra=G.5〜5G奈米之間，而較佳之祕度值_ ^眷4〇 奈米之間，請參考第7圖之AFM圖。 此外，上述之基底1〇除以藍寶石c表面、M表面、R表面或是A 表面為主面之外’其亦可以找晶般賴雜基材、％(含 有 6H、4H、3C)、GaAs、AJN、GaN、GaP、Si、ZnO、MgO、LAO、LGO、 玻璃材料或是GaN等。錢化物半導料電層2Q之㈣係選自於下列之 族群：AIN、GaN、臟、AlGaN、InGaN以及InAIG此而複數個不規則 且高低起伏之多層量子井3〇之材料也可以是選自於下列之族群：細、

GaN、InN、AlGaN、InGaN 以及 InAlGaN。 接下來’請參考第3圖’係本發明之具有複數個不規則且高低起伏 之多層量子井所形成之發光元件的磊晶結構剖面示意圖。如第3圖所示， 此磊晶結構包括一個基底10、一個形成於基板1〇之上的第一半導體導電 層20以及一個形成在第一半導體導電層2〇之上的主動層3〇，此主動層 30疋由具有複數個不規則且高似^伏之多層量子井所形成；特別要強調 的是’本發明中形成具有複數個不規則且高低起伏之多層量子井所形成的 主動層30，與上述第2圖中的具有複數個不規則且高低起伏之多層量子 井之蟲晶結構㈣’也就是說，先將複數個異料所形成之複數個微粒 隨意散佈於第_抖體導電層2G上，藉域長出具有複數個不規則且高 低起伏之多層量子井3G。因此，在本發明的第—半導體導電層2()與具有 複數個不規則且高低起伏之多層量子井3G所形成之主動層間有至少二種 異質材料存在（但未顯示於圖式中）。最後，再於主動層3〇上形成一個第 二半導體導電層40。很明顯地，要形成一個發光元件的基本結構中，要 在主動滑的上下兩側邊形成一個n型之半導體導電層及p型之半導體導電 層’使得η型半導體導電層及p型半導料電層中的電子及電動能夠在施 加適當的偏壓後’能夠被驅動至主動層中產生複合（rec〇mbinati〇n)後發 出光線。因此，本發明之發光元件的磊晶結構中，並不限定其第一半導體 導電層2〇或是第二半導體導電層4〇為n型半導體導電層及p型半導體導 電層，其只要能形成發光元件的基本結構皆可，例如，當第二半導體導電 層4〇為η型料體導電層時’娜-半導體導電層如就必須驶？型半導 體導電層。同時，本發明所揭露之發光元件的屋晶結構均可作為發光二極 體（LED)、雷射（LASER)或是面射型雷射（VCSEL)等元件的基本磊 晶結構。 同樣的’在本發明第3圖的實施例中’其基底1〇除以藍寶石c表面、 Μ表面R表面或疋a表面為主面之外，其亦可以是尖晶石⑽八如4) 般的絕緣性基材、SiC(含有 6H、4H、3C)、GaAs、趨、Gap、Si、Zn〇、

Mg〇、LAO、LGO玻璃材料或是GaN等。而第一氮化物半導體導電層 20及第二氮化物半導體導電層4G之材料均可選自於下列之族群：Α1Ν、 GaN、InN、AlGaN、InGaN以及inAlGaN ;而複數個不規則且高低起伏 之夕層里子井30之材料也可以是選自於下列之族群：Aw、GaN、丨必、 AlGaN、InGaN以及InAlGaN。此外，而在本實施财之具有複數個不規 則且高低起伏之多層量子井30之橫斷面（即底·高）約為3:1〜ι:ι〇，而 其粗縫度之較佳值約為Ra=G.5〜5()奈权間，喻佳之雛度值約為 1321366

Ra=30〜40奈米之間。 在此要強調，本發明之具有複數個不規則且高低起伏之多層量子井 之發光元件的磊晶結構，其可隨著多層量子井所形成之主動層30的化合 物材料以及形成化合物之成份比重而發出不同的光，這些發出的光包括紫 外光、可見光以及紅外光。例如’當形成之主動層30的化合物材料中加 入磷（P)或神(As)化物或磷砷化物的成份時，就可形成紅光或黃光或紅 外光，當形成之主動層30的化合物材料中加入氮（N)的成份時，就可 形成藍光或綠光或紫外光。

請繼續參考第4圖，係本發明之具有複數個不規則且高低起伏之多 層買子井之發光元件的剖面示意圖。在本實施例中，將詳細說明形成本發 明之發光元件之結構及方法。在下述過程中，發光元件之結構均與上述實 施例相同，故不再重複敘述》

首先，將一基底10放置在一 MOVPE的反應容器中，並通以氫氣， 且使基底10之溫度上升10就，以進行基底1〇之潔淨纽；接著，將 反應容m轉在1〇5〇。(： ’並將加有TMG的原料氣體、氨氣、以及加 有魏氣體之雜質氣體通入反應容器，以使第一氮化物半導體導電層2〇 長成在基底10之上，當此第—氮化物半導體導電層2G為1⑽半導 體導電層時，其摻入度為㈣W〜8xl()21w，而㈣必半導體 導電層之成長厚度約為1.5〜3叫。在此要_，形成第—氮化物半導體導 電層20也可以是其他氮化物材料叙半導料電層，例如， 肢物半導綱⑽為祕aN _，Μ ^ 崎’ x+切)所構成，其組成雖無一定的限定，但 ― 的氮化物半導體層，其y值係在〇.〗5〜〇.2為佳。 、^娜較夕 導電層20的厚度也無一定限制，但為形成一 n電極層導體 ㈣以上㈣，為不魏化物半導體之結晶性惡化，其n _質濃$ 11 1321366 在^之多層#子井構造所構成的主_ 3G進行成長之前

I 層20上的部份位置已被添加之異質材料所覆蓋，因此在 後續成長歸量子井時，這些被異㈣騎€蓋_方就纽絕

井的成長或減慢多層量子井的成長速率；在此情形下所成長出的多層量子 井’很明顯地會在異質材料處自然形成凹陷狀，故會形成不規則表面η， 此=規則表面31近似在_上所形成之—片沙丘，而各沙丘均具有各自 的高度及寬度，且各個沙丘間並不—定會連接在-起，請參考第7圖之 SEM圖。而在本發明之具有複數個不删且高低起録面之多層量子井 30之蟲晶結構中’此多層量子井3〇之麟面（即底:高）約為w〜m 而其粗縫度之較佳值約為Ra=G.5〜5G奈米之間，而較佳之粗糙度值約為 Ra=30〜40奈米之間，請參考第8圖之AFM圖。 ‘ 再接著’將反應容器溫度再設為1050〇c，並通入、氨氣以及 Cp2Mg’以成長出—p_型氮化合物所形成之第二氮化物半導體導電層 40，此第二氮化物半導體導電層4〇之摻濃度為丨〜3χ丨o'cd的二價雜質， 例如：Mg，而第二氮化物半導體導電層4〇之厚度為6〇〇〜1〇〇〇埃之間。 在本實施例中，此第二氮化物半導體導電層4〇可由GaN或是

ItixAlyGa^N^x ’ 〇$y ’ χ+γ$υ所構成’其組成雖無一定的限定，但 為獲致結晶缺陷較少的氮化物半導體層，以及使其易於ρ型電極間有良好 的毆姆接觸，其係以GaN者為佳。 在形成第二氮化物半導體導電層4〇後，將反應容器溫度下降到室 溫，然後自反應容器中將磊晶片取出，並在第二氮化物半導體導電層4〇 表面上开>成某一特定形狀的光罩圖樣，再接著於反應性離子姓刻(沿印裝 置中進行勉刻。於蝕刻之後’再於整個第二氮化物半導體導電層4〇上形 成一透明導電層50，此透明導電層50厚度為1〇〇〜500埃，其材料可以是 氮化鈦（TiN)、NiO/Au、Ta/Au、TiWN、Ni/Au 合金或是氧化銦錫（ΓΓΟ)、 13 1321366 氧化鉻錫、氧化銻錫、氧化鋅鋁及氧化鋅錫等；然後，在透明導電層5〇 上形成一厚度為0.2〜0.5μηι的第二電極60。由於本實施例之第二氮化物 半導體導電層40為一 ρ型氮化物半導體導電層，故此第二電極60之材料 可以由Au/Ge/Ni合金所形成》最後，於基底1〇上形成第一電極7〇，而 此第一電極70之材料也可以是由Au/Ge/Ni合金或是W/A1合金所形成。 經過上述方法及步驟後，即形成一個具體的LED元件，由於發光元件之 電極之製程為習知技術’故本發明在此不進一步敘述。 要進一步強調，本發明之LED元件的實施例係使用氮化物形成之主 動層30，故本實施例可以形成藍光或綠光或紫外光的LED元件。此外， 本發明之具有複數個不規則且高低起伏之多層量子井之發光元件，也可隨 著多層量子井所形成之主動層30的化合物材料以及形成化合物之成份比 重而發出不同的光’例如，當形成之主動層3〇的化合物材料中加入磷（p) 或砷化物或磷砷化物的成份時，就可形成紅光或黃光或紅外光； 此外，就習知LED元件的構造而言，其亦可在完成發光元件之磊晶 結構後’使用由侧製程，直接將發光元件之蟲晶層中的部份第二氣化物 半導體導電層40、主動層30及第-氮化物半導體導電層2〇移除，然後 在分別形錢明層50、電極6G及電極70，如第5 ®所示。由於形成第5 圖所示之發光元件過程與前述第4圖之發光元件相似，其差異處亦為此技 術領域者所熟知，故不再重複說明。 顯然地’依照上面實施例中的描述，本發明可能有許多的修正與差 異。因此需要在其附加的權利要求項之範圍内加以理解，除了上述詳如的 描述外，本發明還可以廣泛地在其他的實施例中施行4述僅為本發明之 較佳實關而已，並_穩縣發敗_料雌圍；凡 Γ所揭示之精神下所完成的等效改變或料，均應包含在下述 14

丄J厶·LJOO 【圖式簡單說明】 第1A〜1D圖係先前技術之示意圖； 第2圖 係本發明之具有複數個不規則且高低起伏之多層量子井之磊 晶結構剖面圖； 第3圖 係本發明之具有複數個不規則且高低起伏之多層量子井之發 光元件之蟲晶結構剖面圖； 第4圖 係本發明之發光元件之剖視圖 第5圖係本發明之發光元件之另一實施例之剖視圖； 第ό圖係本發明之具有複數個不規則且高低起伏之多層量子井之 SEM 圖； 第7圖係本發明之具有複數個不規則且高低起伏之多層量子井之 AFM圖 第8圖係本發明之具有複數個不規則且高低起伏之多層量子井之 SEM 圖； 【主要元件符號說明】 10 :基底 20:第一半導體導電層 3〇.複數個不規則且高低起伏之多層量子井 4〇:第二半導體導電層 50 :透明導電層 60、70 :電極 15

Claims (1)

1321366 十、申請專利範圍： 1· 一種發光元件之磊晶結構，包括： 一基板； 一第一半導體導電層，係形成於該基板之上； 一主動層’係以複數個不規則且高低起伏形狀之的多層量子井（MQW) 形成於該第一半導體導電層之上；以及 一第二半導體導電層，形成於該主動層之上； 其中至少一種異質材料所形成之複數個微粒散佈於該第一半導體導電 層與s亥主動層之間’藉此，形成該具有複數個不規則且高低起伏之形狀的 多層量子井。 2.依據申請專利範圍第丨項所述之磊晶結構，其中該多層量子井之每一不 規則且高低起伏形狀之橫截面之寬高比係介於3 : 1〜1 : 1〇之間。 3_依據申請專利範圍第i項所述之蠢晶結構，其中該基板之材料係選自於 下列之族群：藍寶石、GaN、SiC、GaAs、AIN、GaP、Si、ZnO、MgO 以及玻璃材料。 4·依據申請專利範圍第！項所述之蟲晶結構，其中該第一半導體導電層為 一 N-Type之半導體層。 5. 依據巾請專利細帛丨項所述之蟲晶結構，其中該第一半導體導電層之 材料係選自於下列之族群：AIN、GaN、InN、AlGaN、InGaN以及 InAlGaN。 6. 依據申請專利範圍第！項所述之遙晶結構，其中該多層量子井之材料係 選自於下列之族群：A1N、GaN、InN、A1GaN、InGaN以及祕⑽。 7. 依據申4專她㈣丨項所述之結構，其巾該第二半導體導電層為 一 P-Type之半導體層。 8. 依據申請專利範圍第i項所述之蟲晶結構其中該第二半導體導電層之 16 1321366 材料係選自於下列之族群：AIN、GaN、InN、AlGaN、InGaN以及 InAlGaN 〇 9. 依據申請專利範圍第i項所述之蟲晶結構，其中該異質材料所形成之複 數個微粒係含有不同於第一半導體導電層的異質材料。 10. 依據申6月專利範圍帛1項所述之蟲晶結構，其中該異質材料所形成之複 數個微粒可自下列族群中選出：Η族、m族、V族、VI族、m_v族化 合物、II-V族化合物及n_VI族化合物。 11. 依據申請專利範圍第1項所述之蟲晶結構，其中該多層量子井之每一不 規則且鬲低起伏形狀之表面粗糙度Ra係介於〇 5〜5〇奈米之間。 12. 依據申s青專利範圍第u項所述之磊晶結構，其中該多層量子井之每一 不規則且高低起伏形狀之表面粗糙度Ra之較佳值為3〇〜4〇奈米。 13. —種發光元件，包括： 一第一電極； 一基板，係形成於該第一電極之上； 一第一半導體導電層，係形成於該基板之上； 一主動層，係以具有複數個不規則且高低起伏之形狀的多層量子井 (MQW)形成於該第一半導體導電層之上； 一第二半導體導電層，係形成於該主動層之上； 一透明導電層，係形成於該第二半導體導電層之上；以及 一第二電極，係形成於該透明導電層之上； 其中至少一種異質材料所形成之複數個微粒散佈於該第一半導體導電層 與该主動層之間’藉此，形成該具有複數個不規則且高低起伏之形狀的多 層量子井。 M.依據申請專利範圍帛u項所述之發光元件，其中該多層量子井之每一 不規則且高低起伏形狀之橫截面之寬高比係介於3 : 1〜1 : 10之間。 15·依據中請專利細第13項所述之發光元件，其中該基板之材料係選自 17 1321366 26.依據申凊專利範圍第π項所述之發光元件，其中該具有複數個不規則 且高低起伏形狀的多層量子井係由氮化物材料所形成。 27_依據申4專概圍第13賴述之絲元件，其巾該具有複數個不規則 且向低起伏形狀的多層量子井係由填化物或砷化物或磷砷化物材料所 形成。 28. -種具有複數個不規則且高低起伏形狀的多層量子井蟲晶結構，包括： -半導體導電層形成於-基板之上並且再將__多層量子井（MQW)形 成於該半導體導電層之上以職—錄4子井之^ ^、轉，其特徵在於 至少一種異質材料所形成之複數個微粒散佈於該半導體導電層與 該多層量子井之間’藉此’形成具有複數個不規則且高低起伏之形狀 的多層量子井。 29. 依據申請專利範圍帛28項所述之蟲晶結構，其中該多層量子井之每一 不規則且高低起伏表面之橫截面之寬高比係介於3 : 1〜i : ι〇之間。 30. 依據㈣專職圍第28項所述之n结構，其中該基板之材料係選自 於下列之族群：藍寶石、GaN、A1N、Sic、GaAs、細、Gap、&、別、 ZnO、MgO以及玻璃材料。 31. 依據申請專利範圍第Μ項所述之蟲晶結構，其中該半導體導電層之材 料係選自於下列之族群：A1N、GaN、InN、A1GaN、InGaNminAiGaN。 32_依據申請專利範圍第28項所述之蟲晶結構，其中該多層量子井之材料 係選自於下列之族群^1N、GaN、、八1祕、InGaN以及刚⑽。 33. 依據㈣專利範圍第28項所述之蟲晶結構，其t該異f材料所形成之 複數個微粒係含有不同於半導體導電層的異質材料。 34. 依據申”月專利賴第33項所述之蟲晶結構，其中該異質材料所形成之 複數個微粒可自下列族群中選出：π族、m族、v族、νι族、财族 化合物、II-V族化合物及H_VI族化合物。 35. 依據申請專利範圍第28項所述之遙晶結構，其中該多層量子井之每一 19 1^21366 不規則且高低起伏形狀之表面粗糙度Ra係介於0.5〜50奈米之間。 36.依據申請專利範圍第％項所述之磊晶結構，其中該多層量子井之每一 不規則且高低起伏形狀之表面粗糙度Ra之較佳值為30〜4〇奈米。 37‘依據申請專利範圍帛Μ項所述之蟲晶結構，其中該具有複數個不規則 且高低起伏形狀的多層量子井係由氮化物材料所形成。 38. 依據申請專利範圍第28項所述之蟲晶結構，其中該具有複數個不規則 且高低起伏形狀的多層量子井係由磷化物或砷化物或磷砷化物材料所 形成。 39. —種發光元件之磊晶方法，包括： 提供一基板； 形成一第一半導體導電層於該基板之上； 添加至少一種異質材料所形成之複數個微粒並散佈於該第一半導體導 電層之上； 形成一主動層於該第一半導體導電層之上，該主動層為一具有複數個 不規則且高低起伏之形狀的多層量子井（MQW)結構；以及 形成一第一半導體導電層於該主動層之上。 40. 依據申請專利範圍第39項所述之磊晶方法，其中該多層量子井之每一 不規則且高低起伏形狀之橫截面之寬高比係介於3 :丨〜丨：1〇之間。 41·依據中請專利範圍第39項所述之為晶方法，其中該異f材料所形成之 複數個微粒係含有不同於第一半導體導電層的異質材料。 42. 依據巾請專利範圍第41項所述之蟲晶方法，其中該異質材料所形成之 複數個微粒可自下列族群中選出：π族、m族、V族、VI族、m_v族 化合物、II-V族化合物及II-VI族化合物。 43. 依據中請專利範圍第39項所述之為晶方法，其中該多層量子井之每— 不規則且向低起伏形狀之表面粗糙度Ra係介於〇 5〜5〇奈米之間。 44·依據申請專利範圍帛43項所述之為晶方法，其中該多層量子井之每— 20 1321366 不規則且高低起伏形狀之表面粗糙度尺3之較佳值為3〇〜4〇奈米。 45.-種具有複數個不規則且高低起伏形狀的多層量子井之蟲晶方法，包 括： 提供一基板； 形成一半導體導電層於該基板之上； 添加至少一種異質材料所形成之複數個微粒於該半導體導電層之上； 以及 Η ， 形成一具有複數個不規則且高低起伏形狀的多層量子井（MQW)结構 於該半導體導電層之上，係藉由該複數個異質材料形成該具有複數個 不規則且高低起伏之形狀的多層量子井。 紙依據巾請專利細第45項所述之蟲晶錄，其巾該多層量子井之每一 不規則且高低起伏形狀之橫截面之寬高比係介於3 :丨〜丨：ι〇之間。 47.依據巾請專利翻第45項所述之蟲晶方法，其巾衫層量子井之每一 不規則且高低起伏形狀之表面粗糙度Ra係介於〇 5〜5〇奈米之間。 48‘依據申請專利範圍第47項所述之磊晶方法，其中該多層量子井之每一 不規則且高低起伏形狀之表面粗糙度!^之較佳值為3〇〜4〇奈米。 奶.依據申請專利範圍第47項所述之蟲晶方法，其中該異質材料所形成之 複數個微粒係含有不同於第一半導體導電層的異質材料。 50.依據申請專利範圍第47項所述之為晶方法，其中該異質材料所形成之 複數個微粒可自下列族群中選出：π族、ΙΠ族、V族、VI族、m v族 化合物、II-V族化合物及II-VI族化合物。 、 21