TWI436498B - 氮化物半導體發光裝置 - Google Patents
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Description
本申請案主張於2007年4月16日向韓國智慧財產局所提出之韓國專利申請案第2007-0037129號之優先權，該案揭示之內容併入本案作為參考。
本發明係關於氮化物半導體發光裝置，且尤係關於減少結晶缺陷並改善亮度和靜電放電電阻之半導體發光裝置。
最近，由於優越的物理和化學性質，譬如GaN層之第III-V族氮化物半導體或僅氮化物半導體已經被強調為用於譬如發光二極體(LED)或雷射二極體(LD)之發光裝置之核心材料。第III-V族氮化物係典型由具有以Inx
Aly
Ga1-x-y
N所表示之組成物的半導體材料所形成，其中0≦x≦1，0≦y≦1，和0≦x+y≦1。此氮化物半導體發光裝置係應用為用於各種產品，譬如行動電話之按鍵組(keypad)發光二極體、電子記號板(electrical sign board)、和發光裝置之光源。尤其是，使用LED或LD之數位產品的發展已提升對於具有較高亮度和高可靠度之氮化物半導體發光裝置之需求。例如，用作為行動電話之背光(backlight)之側面發光LED(side view LED)必須要更亮且更薄以符合行動電話薄型化的趨勢。
然而，一般而言，生長於譬如藍寶石基板(sapphire substrate)之異質基板(heterogeneous substrate)上之譬如GaN層之氮化物半導體，會由於與該異質基板晶格不匹配而伴隨有
許多的結晶缺陷。這些缺陷會嚴重地逐漸損壞發光裝置之可靠度，例如，用以靜電放電(electrostatic discharge，ESD)之電阻。此外，此等缺陷會吸收光而劣化發光裝置之亮度。在用以減少氮化物半導體層之結晶缺陷的多種嚐試之其中一種嘗試中，係使用了選擇性磊晶生長(selective epitaxial growth)。然而，各種嘗試皆伴隨有複雜的製程(譬如沉積SiO2
遮罩)及高成本。
第1圖為顯示習知氮化物半導體發光裝置，尤其是氮化物半導體LED之剖面圖。參照第1圖，發光裝置10包含藍寶石基板11、緩衝層13、基於n型GaN層之包覆層(clad layer)14、主動層16、和基於p型GaN層之包覆層18，依序地沉積於藍寶石基板11上。基於n型GaN層之包覆層14具有藉由台面蝕刻(mesa-etching)而部分暴露之上表面，且n電極24形成在該部分暴露之上表面上。由例如ITO製成之透明電極層20形成在基於p型GaN層之包覆層18上，而p電極22形成在該透明電極層20上。緩衝層用來緩和(relax)藍寶石基板與基於n型GaN層之包覆層14之間之晶格不匹配。緩衝層可由低溫AlN或低溫GaN層形成。日本專利早期公開公報第平成10-135514號揭露由多個量子井結構形成的主動層，該量子井結構包含未摻雜(undoped)之GaN層阻障層(barrier layer)和未摻雜之InGaN層井層以增強發光效率。
然而，緩衝層13(即使有被使用時)無法充分解決於發光裝置10中之結晶缺陷的問題。仍然有相當多的密度缺陷留存在氮化物半導體結晶中，尤其是在主動層中。這些缺陷會吸
收光並妨礙於主動層中之光發射。此外，此等缺陷降低反向崩潰電壓(reverse breakdown voltage)(Vr)或反向靜電放電(ESD)電阻電壓。這些結晶缺陷因此而會劣化發光裝置之亮度和可靠度。
本發明之一態樣提供一種高品質氮化物半導體發光裝置，該氮化物半導體發光裝置於氮化物半導體結晶中具有低結晶缺陷密度。本發明之一態樣亦提供一種確保高亮度和優越的ESD電阻之氮化物半導體發光裝置。
依照本發明之一態樣，提供一種氮化物半導體發光裝置，包含：n型半導體區；形成在該n型半導體區上之主動層；形成在該主動層上之p型半導體區；與該n型半導體區接觸而配置之n電極；形成在該p型半導體區上之p電極；以及形成在該n型半導體區和該p型半導體區至少其中之一者中之至少一個中間層(intermediate layer)，該中間層配置在該n電極之上，其中該中間層由至少沉積有三層之多層結構所形成，該至少三層彼此之間具有不同的帶隙(band gap)，其中該多層結構包含AlGaN層/GaN層/InGaN層堆疊和InGaN層/GaN層/AlGaN層堆疊之其中一種。
該中間層可由多層結構形成，該多層結構係由AlGaN層/GaN層/InGaN層堆疊和InGaN層/GaN層/AlGaN層堆疊之其中一種重複地沉積而成。中間層可由超晶格結構(superlattice structure)形成，該超晶格結構係藉由AlGaN層/GaN層/InGaN層堆疊和InGaN層/GaN層/AlGaN層堆疊之其中一種重複地沉
積而成。中間層之各層可以具有10至300埃(Å)之厚度。
中間層可由多層結構形成，該多層結構由AlGaN層/GaN層/InGaN層/GaN層堆疊形成一個循環並重複地沉積而成。
中間層可由調變摻雜(modulation-doped)用於移動率調變(mobility modulation)之多層結構形成。於AlGaN層/GaN層/InGaN層堆疊和InGaN層/GaN層/AlGaN層堆疊之其中一種中，AlGaN層、GaN層、和InGaN層被摻雜成不同的濃度，或者以彼此具有不同的摻雜類型來摻雜。例如，於AlGaN層/GaN層/InGaN層堆疊和InGaN層/GaN層/AlGaN層堆疊之其中一種中，AlGaN層可以摻雜第一導電率、GaN層可以未摻雜、而InGaN層可以摻雜第二導電率。或者，於AlGaN層/GaN層/InGaN層堆疊和InGaN層/GaN層/AlGaN層堆疊之其中一種中，AlGaN層為p摻雜或未摻雜之其中一種、GaN層可以是n摻雜、而InGaN層可以是未摻雜。
於AlGaN層/GaN層/InGaN層堆疊和InGaN層/GaN層/AlGaN層堆疊之其中一種中，可調變摻雜AlGaN層、GaN層和InGaN層之至少其中一種。例如，於AlGaN層/GaN層/InGaN層堆疊和InGaN層/GaN層/AlGaN層堆疊之其中一種中，該AlGaN層、GaN層和InGaN層之至少其中一種可由具有p型層/n型層/p型層堆疊和n型層/p型層/n型層堆疊之其中一種之調變摻雜結構所形成。
中間層可以至少部分摻雜In。加入作為摻雜劑(而非作為組成元素)的In作用為表面活性劑(surfactant)以抑制差排缺陷(dislocation defect)。
氮化物半導體發光裝置可以是平面發光二極體，其中n電極和p電極面對相同的方向。氮化物半導體發光裝置可以進一步包含配置在n型半導體區下方的基板。
氮化物半導體發光裝置可以是垂直發光二極體，其中n電極和p電極形成在相對側上。氮化物半導體發光裝置可以進一步包含在主動層對側而設置的導電基板，用以插入n型半導體區。氮化物半導體發光裝置可以進一步包含在主動層對側而設置的導電基板，用以插入p型半導體區。
基板可以具有定義用於非極性GaN層生長之結晶平面的上表面。基板可以由a-平面藍寶石、r-平面藍寶石、m-平面藍寶石、SiC、LiAlO2
、ZnO和m-平面GaN的其中一者形成。導電基板可以由SiC、ZnO和m-平面GaN的其中一者形成。
現將參照所附圖式詳細說明本發明之例示實施例。然而，本發明可用許多不同的形式實施，並且不應被視為限制於此處所提出之實施例。而是，提供該等實施例以使得此揭露之發明會是周密而完善的，並且能徹底地表達本發明之範圍給熟悉此項技術者。於各圖式中，為了清楚起見可能會誇大形狀和尺寸，並且各圖式中相同的元件符號係用來表示相同或相似的組件。
第2圖為顯示依照本發明之例示實施例之氮化物半導體發光裝置之剖面圖。特別的是，第2圖顯示了氮化物半導體發光二極體(LED)。參照第2圖，氮化物半導體發光裝置100包含藍寶石基板、未摻雜之GaN層102、第一n型氮化物半
導體層103、第二n型氮化物半導體層105、電流分佈層(current spreading layer，CSL)106、多層結構之中間層110、主動層107、電子阻擋層(electron blocking layer，EBL)108和p型接觸層109。
第一n型氮化物半導體層103係由例如n摻雜GaN層所形成，而第二n型氮化物半導體層105為n型接觸層，係由例如高濃度n+摻雜GaN層所形成。電流分佈層106促進朝橫向方向之電流分佈，並且可包含具有相當厚度之InGaN層。電子阻擋層108可以由具有相當大帶隙之p型AlGaN層形成。p型接觸層109可以由例如p摻雜GaN層和/或p摻雜AlGaN層所形成。主動層107可以由InGaN層/GaN層的多量子井或單一量子井結構所形成。
p電極119係形成於p型氮化物半導體層109上，而第二n型氮化物半導體層105被台面蝕刻成部分暴露其上表面，並且n電極115形成於該部分暴露之上表面上。雖然未圖示，但是譬如低溫AlN層之緩衝層可以形成在藍寶石基板101和未摻雜之GaN層102之間。如上所述，n電極115和p電極119形成面對相同的方向，由此允許發光裝置100構成平面發光二極體。
發光裝置100具有半導體區，該半導體區根據主動層之位置而主要定義成三個區，也就是n型半導體區140、p型半導體區150和配置於其間之主動層107。未摻雜之GaN層102、第一和第二n型氮化物半導體層103和105、電流分佈層106和中間層107表示發光裝置100之n型半導體區140。
此外，電子阻擋層108和p型接觸層109對應於p型半導體區150。於本實施例中，多層結構之中間層110係配置在n型半導體區140中，尤其是，鄰接在主動層下方。
中間層110係位於n電極115之上並由至少沉積有三層之多層結構形成，該至少三層彼此之間具有不同的帶隙。特別的是，中間層110包含AlGaN層/GaN層/InGaN層堆疊或InGaN層/GaN層/AlGaN層堆疊。在此，AlGaN層由具有Al組成物之Alx
Ga1-x
N(0<x<1)所表示，而InGaN層由具有In組成物之Iny
Ga1-y
N(0<y<1)所表示。如上所述，中間層110包含AlGaN層/GaN層/InGaN層堆疊或InGaN層/GaN層/AlGaN層堆疊，該層堆疊為帶隙調變之多層結構，由此有效地緩和結晶中之應力並阻隔結晶缺陷。
於更詳細之說明中，GaN層係插入來自於AlGaN層、InGaN層、和GaN層中具有最大帶隙之AlGaN層與具有最小帶隙之InGaN層之間，此允許GaN層有效地減輕由AlGaN層與InGaN層之間之晶格不匹配所產生之應力，尤其是，於AlGaN層中之拉張強度(tensile strength)和於InGaN層中之壓縮應力(compressive stress)。如此一來，中間層110有效地阻隔結晶缺陷，而生長於中間層110上之氮化物半導體在結晶度(crystallinity)上也有所改善。而且，包含AlGaN層/GaN層/InGaN層堆疊或InGaN層/GaN層/AlGaN層堆疊之中間層110能確保差排缺陷之彎曲(bending)和釘札(pinning)效應。具有此種帶隙調變結構之中間層110會改善結晶度，從而增強發光裝置之ESD電阻。
中間層110的特徵可為多層結構，其重複沉積AlGaN層/GaN層/InGaN層堆疊或InGaN層/GaN層/AlGaN層堆疊，以便進一步用來減緩應力並增加結晶缺陷之彎曲和釘札效應。特別的是，中間層110可以由超晶格結構形成，其中AlGaN層/GaN層/InGaN層堆疊或InGaN層/GaN層/AlGaN層堆疊係重複地沉積。此允許中間層110更有效地彎曲和釘札差排缺陷，並因此更完全地阻隔該差排缺陷。欲形成此超晶格結構，構成該中間層110之各層可以具有10至300埃之厚度。
於本實施例中，多層結構之中間層110係配置在主動層107之正下方，由此有效地抑制或彎曲由電流分佈層106之厚InGaN層中之應力所引起之結晶缺陷。如上所述，具有至少三層其帶隙被調變之多層結構能被重複地沉積以允許電流橫向地分佈。尤其，當插入在主動層107正下方時，中間層110連同電流分佈層106能確保更優越的電流分佈效果。此電流分佈效果致使電流較不集中，由此改善ESD電阻。然而，中間層110應非必須配置在主動層的下方。例如，中間層110可以插入於p型半導體區150中(參閱第3圖)。
中間層110可以至少部分地用譬如Si之n型摻雜劑摻雜或譬如Mg之p型摻雜劑摻雜。或者，中間層110可以是未摻雜之層。特別的是，中間層110的特徵可為用於移動率調變之調變摻雜之多層結構。藉由調變摻雜多層結構之中間層110所獲得的移動率調變會最大化電流分佈，並進一步增加ESD電阻。詳言之，可以摻雜AlGaN層/GaN層/InGaN層堆疊或InGaN層/GaN層/AlGaN層堆疊而使得組成的各層，亦即
AlGaN層、GaN層、和InGaN層彼此具有不同的摻雜濃度或不同的摻雜類型。調變摻雜可以具有成陡峭(abrupt)、步階形狀或傾斜形狀之摻雜濃度曲線(doping profile)。
作為用於移動率調變之例示調變摻雜，於中間層110之AlGaN層/GaN層/InGaN層堆疊或InGaN層/GaN層/AlGaN層堆疊中，AlGaN層可用第一導電率類型(亦即n型或p型其中一者)摻雜，GaN層可以未摻雜，而InGaN層可用第二導電率類型(亦即n型或p型之另一者)摻雜。藉由此調變摻雜，於堆疊中形成具有大為降低之移動率之n型層、未摻雜層和p型層。此經由移動率調變而最大化電流分佈，並因此顯著地增強發光裝置之ESD電阻。此外，位於AlGaN層和InGaN層之間設置為未摻雜層之GaN層則作用為n型層和p型層之間之緩衝層，同時緩和帶隙之不同的調變所產生之應力。
用於移動率調變之調變摻雜之另一個範例，可以調變摻雜具有AlGaN層/GaN層/InGaN層堆疊或InGaN層/GaN層/AlGaN層堆疊重複沉積之結構之中間層110，而使得AlGaN層用p型摻雜或未摻雜、GaN層用n型摻雜、和InGaN層未摻雜。藉由此種調變摻雜，具有最低帶隙之InGaN層會展現極佳的載子移動率，增加該AlGaN層之帶隙以使得電子或電洞於鄰接InGaN層之部分處變得較不移動。因此，這確保於InGaN層中更有效之電流分佈。此種電流分佈效果造成發光裝置之較佳的ESD。
此外，可以調變摻雜包含AlGaN層/GaN層/InGaN層堆疊或InGaN層/GaN層/AlGaN層堆疊之中間層110，而使得
AlGaN層、GaN層、和InGaN層之至少其中之一，例如AlGaN層內部可以摻雜成不同的濃度，或者用不同的摻雜類型來摻雜。例如，AlGaN層可以調變摻雜成p型層/n型層/p型層或摻雜成n型層/p型層/n型層(參看第15圖)。此調變摻雜於各帶隙層中亦導致朝橫向方向之較佳電流分佈。
中間層110可以是至少部分In摻雜的。和In在純InGaN層材料中的情形不同，添加作為摻雜劑的In並非作為組成物的元素。添加作為摻雜劑的In，並非作為組成元素，而是作為氮化物半導體層中之表面活性劑。如此一來，該In摻雜劑降低了譬如Si之n型摻雜劑或者譬如Mg之p型摻雜劑之活化能(activation energy)，由此增加用來產生載子之Si或Mg摻雜劑之比例。而且，添加作為摻雜劑的In會釘札差排缺陷。因此，添加於中間層110作為摻雜劑的In會進一步減小生長於中間層110上之差排缺陷密度。
於本實施例中，採用藍寶石(Al2
O3
)基板作為基板101用於生長氮化物半導體結晶。然而，可以由能用來生長氮化物半導體層之SiC基板、Si基板、ZnO基板、MgO基板、GaN層基板，來取代藍寶石基板。尤其是，基板101可以具有用於非極性GaN層生長之結晶平面。舉例而言，基板101可以使用a-平面藍寶石、r-平面藍寶石、m-平面藍寶石、SiC基板、LiAlO2
基板、ZnO基板和m-平面GaN基板之其中一者。根據用來生長非極性GaN層生長之結晶平面所生長之氮化物半導體結晶用來緩合極性引發(polarization-induced)之應力，由此增強發光裝置之光效率。
於本實施例中，發光裝置100僅包含一個中間層110，但是可以包括至少二個中間層於n型區140中。例如，除了形成在主動層107和電流分佈層106之間之中間層110之外，可以在電流分佈層106和第二n型氮化物半導體層105之間和/或第二n型氮化物半導體層105下方插置額外的中間層。
第3圖為顯示依照本發明之例示實施例之氮化物半導體發光裝置之剖面圖。如上述，於第3圖之發光裝置200中，帶隙調變之多層結構之中間層110係配置在p型半導體區150中。尤其是，中間層110係配置在主動層107之上，以及電子阻擋層108和p型接觸層109下方。於第3圖之本實施例中，中間層110包含AlGaN層/GaN層/InGaN層堆疊或InGaN層/GaN層/AlGaN層堆疊，或者特徵為該AlGaN層/GaN層/InGaN層堆疊或InGaN層/GaN層/AlGaN層堆疊被重複地沉積的結構，以及AlGaN層/GaN層/InGaN層堆疊或InGaN層/GaN層/AlGaN層堆疊被重複地沉積的超晶格結構。此確保較少之差排缺陷和較佳之ESD電阻。於本實施例中，如上所述，中間層110能被調變摻雜用於移動率調變或調變摻雜於對應的其中一個構層。當然，該中間層110能夠被In摻雜。
尤其是，於第3圖之本實施例中，中間層110係配置在主動層107之上，以防止來自主動層107之應力所引起之結晶缺陷。此確保覆蓋在上面之電子阻擋層108和p型接觸層109之優越品質。因此，減少漏電流(leakage current)並增加ESD電阻。於第3圖之本實施例中，中間層110係配置在電子阻擋層108下方，但是可替代地形成在電子阻擋層108之上和p
型接觸層109下方。該至少二個中間層可以形成在p型區中。
第4圖為顯示依照本發明之例示實施例之氮化物半導體發光裝置300之剖面圖。於第4圖之本實施例中，多層結構之中間層110-1和110-2係配置於n型區140和p型區150中。也就是說，第一中間層110-1插入於n型半導體區140之電流分佈層106和主動層之間，而第二中間層110-2插入於p型半導體區150之電子阻擋層108和主動層107之間。第一和第二中間層110-1和110-2可被帶隙調變，以與上述中間層110相同方式進行調變摻雜和In摻雜。
如上所述，中間層能插入於主動層107下方之n型區140中，以及於主動層107上方之p型區150中。這會改善於主動層107上方之半導體層108和109之結晶度，並亦有效地確保主動層107之結晶品質。額外的中間層可以插入於p型接觸層109和電子阻擋層108之間、電流分佈層106和第二n型氮化物半導體層105之間或第二n型氮化物半導體層105下方。
第5至8圖為顯示依照本發明之例示實施例之氮化物半導體發光裝置之剖面圖。於第5至8圖之本實施例中，n電極和p電極係設置在包含n型區、主動層和p型區之發光結構之相對側上，由此構成垂直或垂直幾何構形之發光二極體。
參照第5圖，發光裝置400包含由例如SiC製成之導電基板401、和第一n型氮化物半導體層403、第二n型氮化物半導體層405、電流分佈層406、多層結構之中間層110、主動層407、電子阻擋層(EBL)408和p型接觸層409。該n型氮化物半導體層403和405、該電流分佈層、和該中間層110
對應於n型半導體區440，而該電子阻擋層408和p型接觸層409對應於p型半導體區450。p電極419係配置於p型接觸層409上，而n電極415係配置於該導電基板之底部上。如上所述，多層結構之中間層110可應用於垂直LED。
於本實施例中，如上所述，中間層110包含帶隙調變之AlGaN層/GaN層/InGaN層堆疊或InGaN層/GaN層/AlGaN層堆疊，或者該中間層110係由AlGaN層/GaN層/InGaN層堆疊或InGaN層/GaN層/AlGaN層堆疊重複地沉積之結構、或AlGaN層/GaN層/InGaN層堆疊或InGaN層/GaN層/AlGaN層堆疊重複地沉積之超晶格結構所形成。這會增強結晶品質並增加ESD電阻。而且，AlGaN層/GaN層/InGaN層堆疊或InGaN層/GaN層/AlGaN層堆疊係被調變摻雜或In摻雜。或者，於中間層110之AlGaN層/GaN層/InGaN層堆疊或InGaN層/GaN層/AlGaN層堆疊中，至少其中一個構層可被調變摻雜用於移動率調變，或被In摻雜。該中間層110可被形成於n型區440之至少二個部分中。
導電基板401可以採用具有用於非極性GaN層生長之結晶平面的基板，以緩和極化引發之應力。例如，導電基板401可以採用SiC基板、ZnO基板和m-平面GaN基板之其中一者。而且，可以使用薄膜結構之LED而不須提供導電基板401。在此，n電極415能與n型半導體層403直接接觸而不須提供導電基板。
第6圖為顯示依照本發明之例示實施例之氮化物半導體發光裝置500之剖面圖。參照第6圖，中間層110係配置於p
型半導體區450中。其他的元件和特性、中間層110之帶隙調變或調變摻雜係與以上所述相同。中間層110可被配置於p型區450之至少二個部分中。
第7圖為顯示依照本發明之例示實施例之氮化物半導體發光裝置600之剖面圖。發光裝置600具有形成於n型區440和p型區450二者中之中間層110-1和110-2。除了於第7圖中所示之中間層110-1和110-2之外，可在電子阻擋層408和p型接觸層409之間或電流分佈層406下方插置額外的中間層。
第8圖為顯示依照本發明之例示實施例之垂直發光裝置700之剖面圖。參照第8圖，與上述之實施例不同，發光裝置700包含導電基板701、和依序沉積於該導電基板701上之p型區750、主動層707和n型區740。也就是說，導電基板701具有依序沉積於其上之導電黏著層702、p型接觸層709、電子阻擋層708、主動層707、多層結構之中間層110、電流分佈層706、第二n型氮化物半導體層705和第一n型氮化物半導體層703。。p電極719係形成在導電基板701之底部上，而n電極715係形成在第一n型氮化物半導體層703上。
能夠藉由接合導電基板並去除生長基板而獲得此垂直發光裝置700。舉例而言，第一和二n型氮化物半導體層703和705、電流分佈層706、中間層110、主動層707、電子阻擋層708、和p型接觸層709係依序生長在藍寶石基板上(未圖示)。然後，導電基板701使用由例如金(Au)形成之導電接合層702而接合至p型接觸層709。之後，藉由例如雷射剝離(laser
lift-off)而去除藍寶石基板，而該n電極715能形成在去除了藍寶石基板之第一n型氮化物半導體層703之表面上。導電基板401可以採用例如SiC、ZnO、和GaN層製成或由例如Al和Cu製成的導電基板。
參照第8圖，當發光裝置700上下顛倒而使得n型區740面向下，亦即，該n型區/主動層/p型區依序從底部沉積時，中間層110係以與上述相同之方式配置於n電極715之上方。於本實施例中，中間層110係配置於n型區740中並可形成於p型區750中。而且，中間層110可以插置於n型區740和p型區750二者中。
下文中，將參照第9至15圖說明依照本發明之各種實施例之中間層110之結構和其帶隙結構。
第9圖為顯示依照本發明之第一實施例之多層結構之中間層之部分剖面圖，而第10圖為顯示第9圖中所示之多層結構之中間層的例示帶隙曲線之圖示。於第9圖中，基板係配置於底部處。
參照第9和10圖，多層結構之中間層110包含具有AlGaN層110a、GaN層110b和InGaN層110c依序沉積之堆疊。尤其是，AlGaN層110a/GaN層110b/InGaN層110c堆疊被重複地沉積。於本實施例中，AlGaN層110a/GaN層110b/InGaN層110c形成多層結構之一個循環。中間層110的特徵可為超晶格結構。在中間層110之氮化物半導體層110a、110b、和110c裡，該AlGaN層110a具有最大帶隙而InGaN
層110c具有最小帶隙。插入於AlGaN層110a和InGaN層110c之間之GaN層110b具有小於AlGaN層110a之帶隙而大於InGaN層110c之帶隙的帶隙。
包含具有如上述彼此之間不同帶隙之AlGaN層/GaN層/InGaN層之此種多層結構，有效地阻隔了差排缺陷。尤其是，當AlGaN層110a和GaN層110b生長時，InGaN層110c會有效地彎曲且阻擋差排缺陷。而且，GaN層110b用來緩和具有大帶隙之AlGaN層110a所產生之拉張應力和具有小帶隙之InGaN層110c所產生之壓縮力。因此，當釋放壓縮應力時，中間層110能夠阻隔差排缺陷。
欲進一步確保待阻隔之差排缺陷，中間層可用In作為摻雜劑(不作為組成元素)來至少部分地被摻雜。也就是說，中間層之至少其中一個構層(例如AlGaN層)可被In摻雜。添加作為中間層110中之摻雜劑的In作用為表面活性劑用以彎曲差排缺陷，由此允許待生長於中間層110上具有大為減少之差排缺陷之氮化物半導體層。當形成於中間層上時，主動層107、407、和707會由於如上述之較少之差排缺陷而減低非放射性再結合(non-radiactive recombination)。相反地，主動層會增加放射性再結合(radiactive recombination)，由此增強發光裝置之亮度。再者，這會導致提供電流路徑之半導體層之較高結晶品質，因此降低操作電壓並增加發光裝置之ESD電阻。尤其是，當AlGaN層/GaN層/InGaN層堆疊重複地沉積時，會導致帶隙調變並因此允許電流橫向分佈。由此因而增加了ESD電阻。
而且，當AlGaN層/GaN層/InGaN層堆疊摻雜調變用於移動率調變時，會確保電流進一步分佈於具有相對較高移動率之層中。例如，包含n-AlGaN層/u-GaN層/p-InGaN層堆疊之中間層110具有位於中間的未摻雜之GaN層(u-GaN層)，以確保移動率調變，由此進一步增加電流分佈效應。而且，中間層110可由(p-AlGaN層/u-AlGaN層)/n-GaN層/u-InGaN層堆疊被重複沉積之結構所形成。如此一來，具有最低帶隙之u-InGaN層具有良好的移動率，該p-AlGaN層增加帶隙以減小移動率。這允許電流於u-InGaN層中更有效地分佈。電流分佈特性有了進一步改善後，便能夠額外地增加ESD電阻。調變摻雜可以具有陡峭、步階形狀和傾斜形狀之摻雜濃度曲線。
第11圖為顯示依照本發明之第二實施例之多層結構之中間層之部分剖面圖。第12圖為顯示第11圖之多層結構之中間層的例示帶隙曲線之圖示。第二實施例之中間層與第一實施例之中間層於沉積之層之順序方面不同。
參照第11和12圖，中間層係由InGaN層110c/GaN層110b/AlGaN層110a堆疊被依序沉積之結構所形成。此處，中間層之諸層係以與第5圖之第一實施例之諸層不同的次序沉積。於本實施例中，InGaN層110c/GaN層110b/AlGaN層110a形成多層結構之一個循環。中間層110可由超晶格結構形成。
以與第一實施例相同的方式，彼此具有不同帶隙之InGaN層/GaN層/AlGaN層之多層結構會有效地阻隔差排缺陷，由此減少形成於中間層110之上之半導體層之結晶缺陷密
度，並增加亮度和ESD電阻。
第13圖為顯示依照本發明之第三實施例之多層結構之中間層之部分剖面圖。第14圖為顯示多層結構之中間層的例示帶隙曲線之圖示。於本實施例中，GaN層插入於AlGaN層與InGaN層之間以防止AlGaN層/GaN層間之直接接觸。
參照第13和14圖，中間層係由AlGaN層110a/GaN層110b/InGaN層110c/GaN層110b堆疊重複並循環地沉積之結構所形成。也就是說，AlGaN層110a/GaN層110b/InGaN層110c/GaN層110b形成一個多層結構之循環。尤其是，中間層110的特徵為超晶格結構。如第14圖中所示，GaN層110b係插入於具有大帶隙之AlGaN層110a與具有小帶隙之InGaN層110c之間以防止AlGaN層/GaN層間之直接接觸。如上所述，第三實施例之中間層用以阻隔結晶缺陷並增加ESD電阻。尤其是，GaN層110b係插入於AlGaN層110a和InGaN層110c之間以更有效地緩和AlGaN層110a和InGaN層110c之間的晶格不匹配所造成之應力。當然，中間層可如上述被調變摻雜用於移動率調變，或In摻雜。
第15圖為顯示依照本發明之第四實施例之多層結構之中間層的帶隙曲線之圖示。於本實施例中，對應於AlGaN層110a/GaN層110b/InGaN層110c堆疊之其中一個構層(例如AlGaN層110a)係被內部調變摻雜。如第15圖中所示，AlGaN層110a係被調變摻雜成p-AlGaN層110a-1、n-AlGaN層110a-2
和p-AlGaN層110a-3。對應於中間層之其中一個構層之內部調變摻雜會允許電流橫向地分佈，由此得到較佳的ESD電阻。該構層之其他層，例如GaN層110b或InGaN層110c可被內部調變摻雜。對應之其中一個構層可被內部調變摻雜，並且AlGaN層110a/GaN層110b/InGaN層110c堆疊亦可朝沉積方向被調變摻雜。
如上提出之說明，依照本發明之例示實施例，使用多層結構之中間層以減少氮化物半導體之結晶缺陷密度，並改善ESD電阻。此外，AlGaN層/GaN層/InGaN層堆疊或InGaN層/GaN層/AlGaN層堆疊係被調變摻雜用於移動率調變以額外地增加ESD電阻。這因此增強了發光裝置之亮度和可靠性。
雖然已結合某些例示實施例而顯示和詳細說明了本發明，但是對於熟悉此項技術者而言，在不偏離由所附申請專利範圍所定義之本發明之範圍的情況下可作各種修飾和改變將會是顯而易見的。
10‧‧‧發光裝置
11‧‧‧藍寶石基板
13‧‧‧緩衝層
14‧‧‧包覆層
16‧‧‧主動層
18‧‧‧包覆層
20‧‧‧透明電極層
22‧‧‧p電極
24‧‧‧n電極
100‧‧‧氮化物半導體發光裝置、發光裝置
101‧‧‧藍寶石基板、基板
102‧‧‧未摻雜之GaN層
103‧‧‧第一n型氮化物半導體層
105‧‧‧第二n型氮化物半導體層
106‧‧‧電流分佈層
107‧‧‧主動層
108‧‧‧電子阻擋層、半導體層
109‧‧‧p型接觸層、p型氮化物半導體層、半導體層
110‧‧‧中間層
110-1‧‧‧第一中間層、中間層
110-2‧‧‧第二中間層、中間層
110a‧‧‧AlGaN層、氮化物半導體層
110a-1‧‧‧p-AlGaN層
110b‧‧‧GaN層、氮化物半導體層
110b-1‧‧‧n-AlGaN層
110c‧‧‧InGaN層、氮化物半導體層
110c-1‧‧‧p-AlGaN層
115‧‧‧n電極
119‧‧‧p電極
140‧‧‧n型半導體區、n型區
150‧‧‧p型半導體區、p型區
200‧‧‧發光裝置
300‧‧‧氮化物半導體發光裝置
400‧‧‧發光裝置
401‧‧‧導電基板
403‧‧‧第一n型氮化物半導體層、n型氮化物半導體層、n型半導體層
405‧‧‧第二n型氮化物半導體層、n型氮化物半導體層
406‧‧‧電流分佈層
407‧‧‧中間層
408‧‧‧電子阻擋層(EBL)
409‧‧‧p型接觸層
415‧‧‧n電極
440‧‧‧n型半導體區、n型區
450‧‧‧p型半導體區、p型區
500‧‧‧氮化物半導體發光裝置
600‧‧‧氮化物半導體發光裝置、發光裝置
700‧‧‧垂直發光裝置、發光裝置
701‧‧‧導電基板
702‧‧‧黏著層、導電接合層
703‧‧‧第一n型氮化物半導體層
705‧‧‧第二n型氮化物半導體層
706‧‧‧電流分佈層
707‧‧‧主動層
708‧‧‧電子阻擋層
709‧‧‧p型接觸層
715‧‧‧n電極
719‧‧‧p電極
740‧‧‧n型區
750‧‧‧p型區
由以上之實施方式，結合所附圖式，本發明之上述和其他態樣、特徵和其他優點將更清楚了解，其中第1圖為顯示習知氮化物半導體發光裝置之剖面圖；第2圖為顯示依照本發明之例示實施例之氮化物半導體發光裝置之剖面圖；第3圖為顯示依照本發明之例示實施例之氮化物半導體發光裝置之剖面圖；第4圖為顯示依照本發明之例示實施例之氮化物半導體
發光裝置之剖面圖；第5圖為顯示依照本發明之例示實施例之氮化物半導體發光裝置之剖面圖；第6圖為顯示依照本發明之例示實施例之氮化物半導體發光裝置之剖面圖；第7圖為顯示依照本發明之例示實施例之氮化物半導體發光裝置之剖面圖；第8圖為顯示依照本發明之例示實施例之氮化物半導體發光裝置之剖面圖；第9圖為顯示依照本發明之第一實施例之多層結構之中間層之部分剖面圖；第10圖為顯示第9圖之多層結構之中間層的例示帶隙曲線之圖示；第11圖為顯示依照本發明之第二實施例之多層結構之中間層之部分剖面圖；第12圖為顯示第11圖之多層結構之中間層的例示帶隙曲線之圖示；第13圖為顯示依照本發明之第三實施例之多層結構之中間層之部分剖面圖；第14圖為顯示第13圖之多層結構之中間層的例示帶隙曲線之圖示；以及第15圖為顯示依照本發明之第四實施例之多層結構之中間層的帶隙曲線之圖示。
100‧‧‧氮化物半導體發光裝置、發光裝置
101‧‧‧藍寶石基板、基板
102‧‧‧未摻雜之GaN層
103‧‧‧第一n型氮化物半導體層
105‧‧‧第二n型氮化物半導體層
106‧‧‧電流分佈層
107‧‧‧主動層
108‧‧‧電子阻擋層、半導體層
109‧‧‧p型接觸層、p型氮化物半導體層、半導體層
110‧‧‧中間層
115‧‧‧n電極
119‧‧‧p電極
140‧‧‧n型半導體區、n型區
150‧‧‧p型半導體區、p型區
Claims (23)
- 一種氮化物半導體發光裝置，包括：n型半導體區；形成在該n型半導體區上之主動層；形成在該主動層上之p型半導體區；與該n型半導體區接觸而配置之n電極；形成在該p型半導體區上之p電極；以及形成在該n型半導體區和該p型半導體區之至少其中一者中之至少一個中間層，該中間層配置在該n電極之上，其中該中間層係由至少沉積有三層之多層結構形成，該至少三層彼此之間具有不同的帶隙，其中該多層結構包含AlGaN層/GaN層/InGaN層堆疊和InGaN層/GaN層/AlGaN層堆疊之其中一種，其中該AlGaN層、該GaN層和該InGaN層之至少其中二者具有彼此不同的摻雜濃度或彼此不同的摻雜類型。
- 如申請專利範圍第1項之氮化物半導體發光裝置，其中，該中間層係由多層結構形成，該多層結構係由該AlGaN層/GaN層/InGaN層堆疊和該InGaN層/GaN層/AlGaN層堆疊之其中一種重複地沉積。
- 如申請專利範圍第1項之氮化物半導體發光裝置，其中，該中間層係由超晶格結構形成，該超晶格結構係由該AlGaN層/GaN層/InGaN層堆疊和該InGaN層/GaN層/AlGaN層堆疊之其中一種重複地沉積。
- 如申請專利範圍第1項之氮化物半導體發光裝置，其中， 該中間層之各層可以具有10至300埃之厚度。
- 如申請專利範圍第1項之氮化物半導體發光裝置，其中，該中間層係由多層結構形成，該多層結構的AlGaN層/GaN層/InGaN層/GaN層堆疊包括一個循環並重複地沉積。
- 如申請專利範圍第1項之氮化物半導體發光裝置，其中，該中間層係由調變摻雜用於移動率調變之多層結構所形成。
- 如申請專利範圍第1項之氮化物半導體發光裝置，其中，於該AlGaN層/GaN層/InGaN層堆疊和該InGaN層/GaN層/AlGaN層堆疊之其中一種中，該AlGaN層、該GaN層、和該InGaN層係被摻雜成不同的濃度，或者以彼此具有不同的摻雜類型來摻雜。
- 如申請專利範圍第7項之氮化物半導體發光裝置，其中，於該AlGaN層/GaN層/InGaN層堆疊和該InGaN層/GaN層/AlGaN層堆疊之其中一種中，該AlGaN層被摻雜第一導電率、該GaN層未摻雜、和該InGaN層被摻雜第二導電率。
- 如申請專利範圍第7項之氮化物半導體發光裝置，其中，於該AlGaN層/GaN層/InGaN層堆疊和該InGaN層/GaN層/AlGaN層堆疊之其中一種中，該AlGaN層為p摻雜與未摻雜之其中一種、該GaN層被n摻雜、和該InGaN層未摻雜。
- 如申請專利範圍第1項之氮化物半導體發光裝置，其中， 於該AlGaN層/GaN層/InGaN層堆疊和該InGaN層/GaN層/AlGaN層堆疊之其中一種中，該AlGaN層、GaN層和InGaN層之至少其中一種係由調變摻雜結構所形成。
- 如申請專利範圍第10項之氮化物半導體發光裝置，其中，於該AlGaN層/GaN層/InGaN層堆疊和該InGaN層/GaN層/AlGaN層堆疊之其中一種中，該AlGaN層、GaN層和InGaN層之至少其中一種係由具有p型層/n型層/p型層堆疊和n型層/p型層/n型層堆疊之其中一種之調變摻雜結構所形成。
- 如申請專利範圍第1項之氮化物半導體發光裝置，其中，該中間層至少部分摻雜In。
- 如申請專利範圍第1項之氮化物半導體發光裝置，其中，該氮化物半導體發光裝置包括平面發光二極體，該平面發光二極體的該n電極和該p電極位於該n型半導體區的同側。
- 如申請專利範圍第13項之氮化物半導體發光裝置，復包括配置於該n型半導體區下方之基板。
- 如申請專利範圍第1項之氮化物半導體發光裝置，其中，該氮化物半導體發光裝置包括垂直發光二極體，該垂直發光二極體的該n電極和該p電極係設置於該n型半導體區的對側。
- 如申請專利範圍第15項之氮化物半導體發光裝置，更包括導電基板，其中該n型半導體區係介於該主動層與該導電基板之間。
- 如申請專利範圍第15項之氮化物半導體發光裝置，更包括導電基板，其中該p型半導體區係介於該主動層與該導電基板之間。
- 如申請專利範圍第14項之氮化物半導體發光裝置，其中，該基板具有定義用於非極性GaN層生長之結晶平面的上表面。
- 如申請專利範圍第16項之氮化物半導體發光裝置，其中，該導電基板具有定義用於非極性GaN層生長之結晶平面的上表面。
- 如申請專利範圍第17項之氮化物半導體發光裝置，其中，該導電基板具有定義用於非極性GaN層生長之結晶平面的上表面。
- 如申請專利範圍第14項之氮化物半導體發光裝置，其中，該基板包括a-平面藍寶石、r-平面藍寶石、m-平面藍寶石、SiC、LiAlO2 、ZnO和m-平面GaN之其中一者。
- 如申請專利範圍第16項之氮化物半導體發光裝置，其中，該導電基板包括SiC、ZnO和m-平面GaN之其中一者。
- 如申請專利範圍第17項之氮化物半導體發光裝置，其中，該導電基板包括SiC、ZnO和m-平面GaN之其中一者。
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