TWI415287B

TWI415287B - 發光裝置結構

Info

Publication number: TWI415287B
Application number: TW095105527A
Authority: TW
Inventors: Yu-Chen Shen; Michael R Krames; Nathan F Gardner
Original assignee: Philips Lumileds Lighting Co
Priority date: 2005-02-18
Filing date: 2006-02-17
Publication date: 2013-11-11
Also published as: CN101160669A; WO2006087684A1; KR101306024B1; KR20130038410A; KR20070115977A; US7221000B2; US20060197100A1; TW200637038A; EP1872414A1; CN101160669B

Description

發光裝置結構

本發明關於一半導體發光裝置之發光區域。

包括發光二極體(LED)、共振腔結構發光二極體(RCLED)、垂直腔結構雷射二極體(VCSEL)以及邊射型雷射的半導體發光裝置為目前可供利用之最具效率之光源。目前，在製造高亮度發光裝置中，能夠橫跨可見光譜操作的最受人注目之材料系統包括，三五族半導體，尤其是鎵、鋁、銦、及氮的二元、三元、及四元合金，亦稱為三元氮化物材料。通常，三元氮化物發光裝置係藉由金屬有機化學汽相沉積(MOCVD)、分子束磊晶(MBE)、或其他磊晶技術在藍寶石、碳化矽、三元氮化物、或其他適當的基板上，磊晶生長具有不同組成物與摻雜濃度之半導體層堆疊以製造。該堆疊經常包括，摻雜有例如Si之一或多層n型層，形成於該基板上，然後在該一或多層n型層上形成有一發光或作用區域，以及摻雜有例如Mg之一或多層p型層，形成於該作用區域上。形成於導電基板上的三元氮化物裝置，可在裝置的兩側形成p型及n型接點。三元氮化物裝置時常製造於絕緣基板上，例如藍寶石，其兩接點位於該裝置的相同側。此等裝置安裝的方式使得光可透過接點擷取(一般稱作磊晶成長(epitaxy－up)裝置)或是透過與該等接點相反的裝置表面擷取(一般稱作覆晶式裝置)。

該技術的需求是三元氮化物發光裝置在高電流密度中有效率地執行操作。

根據本發明具體實施例，一半導體發光裝置包括一發光層位於一n型區及一p型區之間。該發光層可為一纖維鋅礦結構三元氮化物層，其厚度至少為50埃。該發光層可具有一極化，該極化相反於一習知纖維鋅礦結構三元氮化物層，其橫跨一位於該發光層與該p型區之間的介面，該纖維鋅礦結構的c軸指向該發光層。此一c軸的取向會形成一負片電荷於一介面上，其位於該P型區內或在該p型區的邊緣處，同時針對導電帶中的電子提供一阻障於該發光層中。此一厚的「反極化」發光層可在高電流密度下，藉由提供一阻障以在該發光層中較佳的補獲電荷載子，以及藉由提供一較厚的發光層以減少非輻射性的再結合，提升效率。

圖1係一常見的三元氮化物發光裝置。一n型區11成長於一藍寶石基板10上。一成長於n型區11上的作用區域12，可包含由許多阻障層分隔開的多重量子井，接著依序為一GaN間隔物層13、一p型AlGaN層14以及一p型接觸層15。

當加諸於圖1之裝置上的電流密度升高時，裝置的內部量子效應，其定義為所產生之光子通量與所供應之載子通量之間的比，會於初始時先上升然後下降。圖1裝置的設計可造成許多可能的結果，使得內部量子效應於高電流密度下下降，同時亦包含從作用區域與非輻射性的再結合洩漏的電子。

電子洩漏會因於纖維鋅礦結構晶體中自然發生的極化而益加劇烈。該等晶體層於三元氮化物裝置中成長於晶格不匹配的基板上，例如藍寶石常常會成長成應變的纖維鋅礦晶體。此晶體具有兩種極化：自發極化，其來自於晶體對稱，以及壓電極化，其來自於應變。一層中的極化總量為自發極化與壓電極化之和。一極化感生的電荷區域會發生於異質層間的介面上。該電荷區域的密度通常得仰賴自發極化以及兩相鄰層間之應變所產生的壓電極化。圖2說明圖1裝置的導電帶之一部分。在圖2中，區域電荷的符號及位置以「＋」加號以及「－」減號表示。

習知成長於一般基板，例如藍寶石或SiC上，會導致纖維鋅礦結構的[0001]c軸取向，以18表示於圖2中。橫跨介於作用區域與p型層之間的介面，該c軸指向p型層。此取向導致產生一正電荷區域於GaN覆蓋層13與p型AlGaN層14之間的介面上。在圖1所示的裝置中，該介面位於GaN覆蓋層13與p型AlGaN層14之間，會形成能量「阻障」，其可將電子箝制於作用區域的導電帶中。一般認為GaN覆蓋層13可予以忽略，其他材料可形成阻障，且該問題有關具備一正電荷區域於介面上以形成阻障以廣泛應用到其他裝置上。位於阻障處的正電荷區域會降低對電子的能量阻障，以防止電子自作用區域洩漏。任何洩漏電流會於p型層中非輻射性的再結合且不會參與裝置的發光。當該電流密度升高，洩漏電流量亦升高，致使內部量子效應於高電流密度下降低。

如圖1所繪的於三元氮化裝置中，電流的流動方向(即正電荷載子或電洞的移動)與c軸的方向成反平行的關係。此一電流流動與極化的相對配置來自於較過去相對簡易的將摻雜Mg之p型三元氮化物材料成長於n型區之後而非之前，且該等條件用於由金屬有機化學汽相沉積法進行之高品質三元氮化物層於藍寶石基板上的習知成長，其可提供較N為多的Ga於晶體表面上，導致[0001]c軸的正向超出薄膜的表面。由於p型區位於n型區上方，電流將自晶圓頂部流向基板。

為了提供高效率的LED於高電流之情況下，根據本發明的具體實施例，一半導體發光裝置的發光區域為一反極化雙異質結構。「反極化」指電流流向與如圖1所繪之裝置之c軸的相對配置發生反轉，使得該電流流向與c軸平行但非如同圖1裝置一般成反平行關係。反轉發光區域中的極化可減少洩漏電流。使用一厚的雙異質結構而非一多重量子井作用區域可減少載子於非輻射性再結合時損失之數目。

圖3說明根據本發明具體實施例之裝置的導電帶一部分。在圖3所繪的裝置中，發光層p側上的阻障，可箝制電荷載子於發光層20中，該阻障位於可為GaN之覆蓋層21以及可為p型AlGaN之層22之間。橫跨了位於發光區域與p型區之間的介面，且於層20與21之間，該c軸指向發光區域，於圖3中以18表示。在此方位中，該電流流向與c軸平行。此方位導致產生一負片電荷區域於阻障中，其增高了阻障高度，減少電子電流溢出發光區域20。在一些具體實施例中，覆蓋層21可摻雜n型或非刻意性摻雜。因為覆蓋層21位於發光層的p側上，覆蓋層21乃視為該裝置p型區的一部份，即使覆蓋層21為n型或未摻雜者。

在如圖3所繪之裝置中，圖2之多重量子井為一單層的厚發光層20所取代。在一些具體實施例中，發光層20可具有一介於50到500之間的厚度，較佳的情況為具有一介於60到300之間的厚度且更佳的情況為具有一介於75到175之間的厚度。該理想厚度取決於發光層中的差排密度。通常當差排密度增加時，發光層的理想厚度減少。於作用區域中的差排密度較佳的情況下侷限在小於10⁹ /cm² ，更佳的情況下侷限在小於10⁸ /cm² ，尤佳的情況下侷限在小於10⁷ /cm² ，最佳的情況下則侷限在小於10⁶ /cm² 。為達上述之錯位密度可能需要應用一些成長技術，例如橫向再成長磊晶技術、氫化物汽相磊晶以及成長於獨立式的GaN基板上之技術。橫向再成長磊晶技術涉及GaN選擇性成長於遮罩層中的開口，此遮罩形成於成長在一習知成長基板例如藍寶石上的GaN層上。選擇性成長GaN的聚合成長可成長為一平坦的GaN表面覆蓋於整個成長基板上。之後依序成長於選擇性成長GaN層上的層狀構造將表現出低錯位密度的特性。更詳細之橫向再成長磊晶技術揭露於Mukai等人之「紫外線InGaN以及GaN單一量子井結構發光二極體之成長於橫向再成長磊晶GaN基板上(Ultraviolet InGaN and GaN Single－Quantum Well－Structure Light－Emitting Diodes Grown on Epitaxial Laterally Overgrown GaN Substrates)」，日本應用物理期刊，第38期(1999)第5735頁，在此供作參考。獨立式GaN基板的氫化物汽相磊晶成長之技術於Motoki等人之「以氫化物汽相磊晶法使用GaAs為起始基板以製備大型獨立式之GaN基板(Preparation of Large Freestanding GaN Substrates by Hydride Vapor Phase Epitaxy Using GaAs as a Starting Substrate)」，日本應用物理期刊，第40期(2001)第L140頁中有詳細的說明，在此供作參考。

有一些方法可用以製作一裝置，其中電流的流動方向與c軸方向平行。第一種方法是於成長過程中將[0001]c軸之方向予以反轉，而不影響電流流動的方向。第二種方法則是將p型與n型層予以反轉，其導致電流流向亦發生反轉，而不影響c軸之方向。

圖4係一以第一種方法形成的裝置範例，其中該裝置成長於一樣板上以創造出如圖3所示之c軸取向。該裝置如圖4所繪包含一GaN基板40，於其上成長了一n型區41、一發光層20、以及一或多層p型層，該基板40包含例如GaN覆蓋層21、AlGaN層22以及接觸層23。該裝置完成於發光層20對n型及p型側的電連接接觸。圖9係一纖維鋅礦結構GaN的單位晶胞，由鎵原子93以及氮原子94所構成。纖維鋅礦結構GaN具有一鎵表面90以及一氮表面91。c軸92從氮表面91指向鎵表面90。以例如習知成長於一c平面藍寶石基板上產生的曝露GaN頂表面為鎵表面90。成長於GaN表面的鎵表面90可導致如圖2所繪的c軸取向。在習知成長於c平面藍寶石上之後，相鄰藍寶石之GaN埋入表面為氮表面91。在圖4的裝置中，選定基板40的材料及表面以促進氮表面91於磊晶表面上的成長。適當的基板範例包括：GaN或AlN基板之氮表面；一厚GaN層的氮表面，其成長著鎵表面極性且從其成長基板上予以移除；ZnO基板的氧表面；SiC基板的碳表面；以及以MBE沉積於藍寶石上的GaN層之表面，其中GaN乃直接沉積於該藍寶石上，毋須一中間緩衝層。一厚的高品質GaN層常常是以MBE成長於藍寶石上，其先沉積一AlN緩衝層於藍寶石上，然後再沉積GaN層。此導致一具有鎵表面90於其表面上的薄膜。以除去AlN緩衝層的方法，則該薄膜將具有氮表面91於其表面上。鎵表面薄膜的成長於「以金屬有機化學汽相沉積(MOCVD)成長之同質磊晶GaN成長型態與結構特徵(Morpohological and structure characteristics of homoepitaxial GaN grown by metalorganic chemical vapour deposition(MOCVD)」，晶體成長期刊，第204期(1999)第419至428頁以及「與極性同樂(Playing with Polarity)」，物理凝態(b)228,No.2(2001)第505至512頁中有詳細的說明，在此供作參考。

圖5及7說明以第二種方法形成的裝置範例，其中p型區成長於發光區域之前，其導致如圖3所繪之所欲的反極化c軸取向。

圖5說明一包含一穿隧接面以提供一反極化的裝置。於圖5的裝置中，一n型區11形成於一習知基板10上，例如藍寶石或SiC。一穿隧接面形成於n型區11上，其上接著p型區25，其可包含，例如圖3所繪之層21、22及23。一發光區域20形成於p型區25之上，其上接著另一n型區50。接點51及52電連接於發光區域的相反側，接點51連接n型區50而接點52連接n型區11。穿隧接面100允許導電率在材料成長於穿隧接面上時發生改變，如同與以下材料的比較。

穿隧接面100包含一重度摻雜的p型層5，亦稱為p＋＋層，以及一重度摻雜的n型層6，亦稱為n＋＋層。p＋＋層5可為，例如用於發藍光裝置之InGaN或GaN或用於發UV光裝置之AlInGaN或AlGaN，其摻雜有一如Mg或Zn的受體，其摻雜的濃度範圍約為10¹ ⁸ cm^－ ³ 至5×10² ⁰ cm^－ ³ 。在某些具體實施例中，p＋＋層5摻雜的濃度範圍在約2×10² ⁰ cm^－ ³ 至約4×10² ⁰ cm^－ ³ 。n＋＋層6可為，例如用於發藍光裝置之InGaN或GaN或用於發UV光裝置之AlInGaN或AlGaN，其摻雜有如Si、Ge、Se或Te的施體，其摻雜的濃度範圍約為10¹ ⁸ cm^－ ³ 至5×10² ⁰ cm^－ ³ 。在某些具體實施例中，n＋＋層6摻雜的濃度範圍在約7×10¹ ⁹ cm^－ ³ 至約9×10¹ ⁹ cm^－ ³ 。穿隧接面100通常非常薄，例如穿隧接面100可具有一厚度範圍為約2 nm至約100 nm，且p＋＋層5及n＋＋層6各具有一厚度範圍為約1 nm至約50 nm。在一些具體實施例中，p＋＋層5及n＋＋層6各具有一厚度範圍為約25 nm至35 nm。p＋＋層5及n＋＋層6的厚度可不必相等。在一具體實施例中，p＋＋層5為15 nm厚的摻雜Mg的InGaN，而n＋＋層6為30 nm厚的摻雜Si的GaN。p＋＋層5及n＋＋層6可具有一漸變的摻雜濃度。例如，p＋＋層5相鄰p型區25的一部份可具有一漸變的摻雜濃度，從p型區的摻雜濃度漸變至p＋＋層5所欲的摻雜濃度。同樣地，n＋＋層6可具有一漸變的摻雜濃度，從與p＋＋層5相鄰之最大值漸變至與n型區11相鄰之最小值。穿隧接面100可製成足夠薄及足夠摻雜度，如此使得穿隧接面100接近於逆向偏壓時之歐姆值，即當傳導電流於逆向偏壓模式中時，穿隧接面100具有低串聯電壓降以及低電阻。在一些具體實施例中，當逆向偏壓為約0.1V至1V、電流密度為200A/cm² 時，該電壓降橫跨穿隧接面100。

穿隧接面100的製造方式使得當一電壓加諸於橫跨接點51以及52時，如此p－n接面為順向偏壓，穿隧接面100急速崩潰且以最低電壓降於逆向偏壓方向中進行傳導。在穿隧接面100中的每一層不必具備相同的組成物、厚度或摻雜成分。穿隧接面100亦可包含一額外之層，位於p＋＋層5及n＋＋層6之間，其含p型及n型摻雜物二者。

在一些具體實施例中，p型區25可直接形成於一成長在基板10上之n型或未摻雜區域上，而毋須穿隧接面。接點52必須在之後與p型區25連接，而基板10上的n型或未摻雜區則不以電子方式參與操作該裝置。穿隧接面100的運用如圖5所繪，具有接點52形成於n型區11上的好處，其可提供較p型區為佳的電流擴散。

圖7說明p型區成長於發光區域之前的一裝置，及已自習知成長基板移除之一裝置的另一範例。此一裝置之形成是藉由使該裝置層成長於一習知成長基板上、將該等裝置層焊接到一主基板上、然後移除該成長基板。圖6說明該等裝置層成長於一習知成長基板10上。一通常為n型或未摻雜的區域60成長於基板10上。區域60可包含例如緩衝層或成核層的選擇性預備層及選擇性蝕刻停止層，其設計的方式便於輕易移除成長基板或在移除基板之後使該磊晶層變薄。p型區25成長於區域60之上，其上接著有發光層20及n型區50。一或多層金屬層61，包含例如歐姆接觸層、反射層、阻障層以及焊接層，沉積於n型區50之上。

該等裝置層接著經由金屬層61的曝露表面焊接在一主基板70上，如圖7所示。一或多層焊接層71，通常為金屬，可提供相容性的材質用於磊晶結構與該主基板之間的熱壓縮或共晶鍵結。合適的焊接層範例包括金與銀。主基板70於成長基板移除之後，提供機械支撐予該等磊晶層，且提供對n型區域50的電接觸。主基板70通常挑選具導電性質(即少於約0.1Ωcm)；具導熱性質，其一熱膨脹係數(CTE)與該等磊晶層匹配；且夠平坦(即均方根粗糙度小於約10 nm)以形成一強力的晶圓焊接。合適的材料包括，例如Cu、Mo、Cu/Mo以及Cu/W的金屬；具有金屬接點的半導體，例如具有歐姆接點的Si以及具有歐姆接點的GaAs，其包括例如一或多個pd、Ge、Ti、Au、Ni、Ag；以及陶瓷，例如AlN或壓縮鑽石(compressed diamond)。

主基板70與磊晶層25、20及50經壓擠於高溫及壓力下於焊接層之間形成一堅硬的金屬焊接部，如圖7所示之71。在一些具體實例中，在一具有磊晶結構的晶圓分割成獨立的裝置之前，焊接係在晶圓級上完成。該用以焊接的溫度與壓力範圍受限的最低點是依所產生焊接之強度，而最高點則是依主基板結構以及磊晶結構的穩定度。例如，高溫及/或高壓可導致該等磊晶層崩解、金屬接點的分層、擴散阻障失敗或該等磊晶層中的成分材料遭釋氣。一適當的溫度範圍為，例如大約200℃至約500℃之間。一適當的壓力範圍為，例如大約100 psi至大約300 psi。

為了要移除藍寶石成長基板，位於基板10以及晶體層60、25、20以及50之間的介面部分透過基板10於一步進重複模式(step and repeat)曝露於一高能量密度脈衝式紫外雷射下。雷射的光子能量係在鄰近藍寶石(於一些具體實施例中為GaN)晶體層的能隙之上，因此該脈衝能量有效轉換至熱能，其中最初磊晶材料的100 nm鄰近於該藍寶石。在夠高的能量密度下(即大於約1.5 J/cm² )以及一在GaN能隙之上且低於藍寶石吸收邊緣的光子能量(即在約3.44至約6 eV之間)，該溫度最初從奈秒等級的100 nm上升至大於1000℃的溫度，其高到足以令GaN解離為鎵以及氮氣，同時從基板10釋出該等磊晶層。該產生的結構包括焊接於主基板70之磊晶層60、25、20以及50。在一些具體實例中，該成長基板可以其他方法移除，例如蝕刻、研磨或其組合。

在該成長基板予以移除之後，該等剩下的磊晶層可加以薄化，例如移除低品質區域60以暴露出p型區25。該等磊晶層可加以薄化以，例如化學機械研磨法、習知乾蝕刻技術或光電化學蝕刻技術(PEC)。一接點72隨後形成於p型區20之上。接點72可為，例如一如圖7所繪之橫切面的格柵。

圖8係一封裝發光裝置的分解圖。將一散熱塊100放入一插入成形的引線框架中。該插入成形的引線框架係為，例如一填滿的塑膠材料105，其成形於一金屬框架106周圍以提供一電子路徑。散熱塊100可包含一選擇性反射杯狀物102。該發光裝置晶粒104可為任何一種前面描述過的裝置，直接或間接經由一導熱子基板103而貼於散熱塊100上。可額外添置一覆蓋物108，其可為一光學透鏡。

已詳細說明本發明，熟習此項技術者應明白，在提供該揭示方案的情況下，可對本發明進行修改而不脫離本文所說明的發明概念之精神。例如，雖然本文所描述過之具體實施例包含InGaN發光層，相同的結構及技術可應用於含有AlGaN、GaN或AlInGaN發光層的裝置中。因此並不希望本發明之範疇侷限於所解釋及說明的特定具體實施例。

5．．．p＋＋層

6．．．n＋＋層

10．．．藍寶石基板

11．．．n型區

12．．．作用區域

13．．．GaN間隔物層/覆蓋層

14．．．p型AlGaN層

15．．．p型接觸層

18．．．c軸取向

20．．．發光層

21．．．GaN覆蓋層

22．．．AlGaN層

23．．．接觸層

25．．．p型區

40．．．GaN基板

41．．．n型區

50．．．n型區

51．．．接點

52．．．接點

60．．．n型或未摻雜區

61．．．金屬層

70．．．主基板

71．．．焊接層

72．．．接點

90．．．鎵表面

91．．．氮表面

92．．．c軸取向

93．．．鎵原子

94．．．氮原子

100．．．穿隧接面/散熱塊

102．．．選擇性反射杯狀物

103．．．導熱子基板

104．．．晶粒

105．．．塑膠材料

106．．．金屬框架

108．．．覆蓋物

圖1說明一三元氮化物發光裝置；圖2說明圖1裝置的導電帶之一部分；圖3說明根據本發明具體實施例之裝置的導電帶之一部分；圖4說明具有圖3所繪之導電帶的一裝置範例；圖5說明包括一穿隧接面以及一成長於該發光區域之前的p型區的一裝置；圖6說明具有一成長於該發光區域之前的p型區的一裝置；圖7說明圖6之裝置於焊接到一主基板上並且除去該成長基板之後的圖示；圖8係一封裝發光裝置的分解圖；圖9說明一纖維鋅礦結構之GaN的單位晶胞圖。

10．．．藍寶石基板

11．．．n型區

12．．．作用區域

13．．．GaN間隔物層

14．．．p型AlGaN層

15．．．p型接觸層

Claims

一種發光裝置之結構，其包括：一半導體發光層，其置於一p型區與一n型區之間，其中：該發光層包含一纖維鋅礦晶體結構；該發光層具有一至少為50埃的厚度；以及一纖維鋅礦結構的c軸，其定義為從一三元氮化物晶胞之氮表面指向一三元氮化物晶胞之鎵表面，橫跨一位於該發光層與該p型區之間的介面指向該發光層。
如請求項1之結構，其中該發光層具有一厚度介於50至500埃之間。
如請求項1之結構，其中該發光層具有一厚度介於60至300埃之間。
如請求項1之結構，其中該發光層具有一厚度介於75至175埃之間。
如請求項1之結構，其中該發光層具有一厚度大於100埃。
如請求項1之結構，其中該發光層係一三元氮化物層。
如請求項1之結構，其中該發光層為InGaN。
如請求項1之結構，其中該發光層為AlGaN。
如請求項1之結構，其中該發光層具有一差排密度小於10⁹ /cm² 。
如請求項1之結構，其中該發光層具有一差排密度小於10⁸ /cm² 。
如請求項1之結構，其中該發光層具有一差排密度小於10⁷ /cm² 。
如請求項1之結構，其中該發光層具有一差排密度小於10⁶ /cm² 。
如請求項1之結構，進一步包含一GaN基板，其中該n型區係置於該GaN基板以及該發光層之間。
如請求項13之結構，其中一纖維鋅礦晶體結構的c軸橫跨一置於該GaN基板以及該n型區間的介面，指向該GaN基板。
如請求項1之結構，其中該n型區為一第一n型區，該結構進一步包括一穿隧接面以及一第二n型區，其中該穿隧接面置於該第二n型區以及該p型區之間。
如請求項15之結構，其中該p型區成長於該發光層之前。
如請求項1之結構，其中該發光層、p型區以及n型區以一位置接近該n型區的焊接部，焊接於一主基板上。
如請求項1之結構，進一步包括一電連接至該n型區的第一引線、一電連接至該p型區的第二引線以及一置於該發光層上的覆蓋物。
一種發光裝置之結構，其包括：一半導體發光層；一n型區；一p型區，該p型區包括一阻障層，其具有的一能隙大於在該發光層中的一能隙，使得該阻障層的邊緣對於在該發光層中之電荷載子形成一阻障；以及一在該阻障處之負的極化感生電荷，其中：該發光層係置於該n型區以及該p型區之間；以及該發光層具有一至少為50埃的厚度。
如請求項19之結構，其中該發光層具有一厚度介於50至500埃之間。
如請求項19之結構，其中該發光層具有一厚度介於60至175埃之間。
如請求項19之結構，其中該發光層係一三元氮化物層。
如請求項19之結構，進一步包括一電連接至該n型區的第一引線、一電連接至該p型區的第二引線以及一置於該發光層上的覆蓋物。
如請求項19之結構，其中該阻障層為n型或未摻雜的，以及該阻障包括一介於該阻障層以及該p型區中一p型層之間的介面。