TWI440221B - 製造半導體發光裝置之方法 - Google Patents
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Description
本申請案係主張於2010年11月1日向韓國智慧財產局所提出申請之韓國專利申請案第10-2010-0107738號之優先權，於此併入該專利申請案所揭露之內容以供參考。
本發明係有關於一種製造半導體發光裝置之方法。
一般來說，發光二極體(LED)，一種半導體發光裝置，是一種由於施加電流時在p型半導體和n型半導體之間的接面的電子和電洞的再結合而可產生各種顏色的光的半導體裝置。這種半導體發光裝置之需求已不斷增加，因為半導體發光裝置較燈絲發光裝置有各種優勢，如壽命長，功耗低，優異之初始驅動特性，高耐振之類的。特別是，具有短波長能發藍色光之Ⅲ族氮化物半導體最近已經突出。
藉由生長包括n型和p型氮化物半導體層和在基板上其間形成之主動層的發光結構，可獲得使用Ⅲ族氮化物半導體之發光裝置。在這種情況下，透明電極可形成在發光結構的表面上。可提供透明電極以在半導體層和發光結構之間進行歐姆接觸功能或電流分佈功能。透明電極是需要的以具有優越的結晶，以具有導電性和半透明的高位準。當結晶劣化，裝置特性可能顯著劣化，即使在優越的發光結構品質的情況。因此，需要提高在相關的技藝發光裝置中使用之透明電極的品質的解決方案。
對熟習該技術領域者而言，通過以下詳述係可立即明
白本發明之其他優點及特徵。所述及圖示之該實施例係提供實行本發明之最佳說明。本發明係能在不背離本發明的情況下，於各種明顯態樣中作修改。因此，隨附圖式係作例示用，而非限制本發明。
本發明為有鑑於前述之問題點所開發者，係為提供包括透明電極之半導體發光裝置，藉由最小化其特性中的劣化現象，透明電極具有卓越的電氣功能。
依據本發明的態樣，提供一種製造半導體發光裝置之方法，包括：藉由在基板上依序生長n型氮化物半導體層、主動層及p型氮化物半導體層，形成發光結構；通過濺鍍製程，在p型氮化物半導體層上形成透明電極；以及在濺鍍製程之前或期間，在其中進行濺鍍製程之反應室內部形成氮氣氛圍。透明電極可由透明導電氧化物製成。
透明電極可由透明導電氧化物製成。
在濺鍍製程期間，氮粒子從p型氮化物半導體層發出，使得p型氮化物半導體層中產生氮空位。
透明電極可包括形成於氮氣氛圍之其一部分、及在氮氣供應中斷的狀態下形成之其另一部分。
在透明電極中，其一部分可在氮氣氛圍中形成之後，其另一部分可在氮氣供應中斷的狀態下形成。
在透明電極可完全覆蓋p型氮化物半導體層的上表面之後，至反應室內部的氮氣供應中斷。
p型氮化物半導體層可由p型氮化鎵形成。
該方法可更包括：藉由移除部分發光結構，暴露部分
n型氮化物半導體層；在具有暴露部分的n型氮化物半導體層上形成第一電極；以及在透明電極上形成第二電極。
該方法可更包括：在n型氮化物半導體層上形成透明電極。
在n型氮化物半導體層上形成的透明電極是通過濺鍍製程形成。在濺鍍製程之後，設置於透明電極下方之n型氮化物半導體層區域可具有比n型氮化物半導體層其它區域高之氮空位濃度。
該方法可更包括在形成於n型和p型氮化物半導體層上之透明電極的上部上，分別形成n型電極和p型電極。
n型和p型電極可由包括鋁(Al)之材料製成。
n型和p型電極可由相同的材料製成。
n型和p型電極可同時形成。
以下敘述將部份提出本發明之其他特徵及附加優點，而對熟習該技術領域者在審視下列敘述後或可從本發明之實行學習而使得本發明部分變為明顯。藉由附加之申請專利範圍中特別提出之處，係能實現及獲得本發明之該優點及特徵。
以下參考附圖詳述本發明的示範具體實施例。不過，本發明可實作成為多種不同的形式而不應被視為受限於在此所提到的具體實施例。反而，提供該等具體實施例使得本文有全面完整的揭示內容，以及向熟諳此藝者完整地表達本發明的範疇。附圖中，為了說明清楚而誇大形狀及尺
寸，而且相同或類似的組件都用相同的元件符號表示。
第1至5圖係為依據本發明之實施例之製造半導體發光裝置之方法之製程之橫斷面示意圖。第6圖係為依據本發明之實施例之藉由半導體發光裝置之製造方法獲得的半導體發光裝置之橫斷面示意圖。依據本發明之實施例之製造半導體發光裝置之方法將說明如下。首先，如第1圖所示，n型氮化物半導體層102、主動層103和p型氮化物半導體層104依序形成在基板101上。在這種情況下，可將包括n型氮化物半導體層102、主動層103號和p型氮化物半導體層104的結構稱為發光結構。
基板101可提供作為生長半導體之基板，基板101可使用如藍寶石、碳化矽(SiC)、鎂鋁尖晶石(MgAl2
O4
)、氧化鎂(MgO)、LiAlO2
、LiGaO2
、氮化鎵(GaN)或類似者的電絕緣和導電材料製成的基板。在這種情況下，基板101可由具有電絕緣特性之藍寶石製成，因此，當使用具有電絕緣特性之基板101時，可涉及形成連接到n型氮化物半導體層102之電極之蝕刻製程，稍後會做說明。藍寶石係具有六配R3C對稱性(Hexa-Rhombo R3c symmetry)之晶體，其具有沿C軸之晶格常數13.001和沿A軸的晶格常數4.758，且具有C(0001)面，A(1120)面、R(1102)面、或類似者。在這種情況下，由於C面可相對利於氮化物薄膜的生長，在高溫條件下穩定，因此C面可主要使用作為生長氮化物半導體之基板。
n型氮化物半導體層102和p型氮化物半導體層104
可分別由摻雜有n型雜質之氮化物半導體和摻雜有p型雜質的氮化物半導體製成。例如，n型和p型氮化物半導體層102和104各可以具有Alx
Iny
Ga(1-x-y)
N(0x1，0y1，0x+y1)之組成成份之材料製成。由於電子和電洞的再結合，n型和p型氮化物半導體層102和104之間形成的主動層103可發出有預定能階的光，並有具量子阱層(quantum well layer)和量子阻障層(quantum barrier layer)交替堆疊之多量子阱(MQW)結構，例如，InGaN/GaN的結構。組構發光結構之n型和p型氮化物半導體層102、和104和主動層103可通過在有關技藝中之如金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)、氫化物氣相磊晶法(HVPE)、分子束磊晶(MBE)、或類似者之已知製程生長。
然後，透明電極可形成於p型氮化物半導體層104上，並可使用濺鍍製程，如第2圖所示。濺鍍係指一種製造薄膜的方法，其藉由碰撞具有高能階的粒子與所需的薄膜相同的材料製成的靶材，並由此分離原子和分子。參照本發明的實施例具體詳細說明濺鍍，將具有發光結構102、103和104形成其上之基板101設置於濺鍍反應室200內設置於支持物(support)201上，然後將濺鍍氣體205引入至濺鍍反應室20。關於濺鍍氣體205，可使用有關技藝已知之氬氣(Ar)作為濺鍍氣體。由於施加濺鍍反應室200之電壓，通過氣體引入單元204引入濺鍍反應室20之濺鍍氣體205可離子化，從而具有電漿(plasma)狀態，其中電子、離子(例如、Ar+離子)、和中性氣體混合。為此，濺鍍靶材202可
藉由與電源供應單元203連接而充電(electrically charged)，以成為為負極(negative terminal)。在這種情況下，雖然沒有單獨說明，在濺鍍反應室200可存在與另一電源供應單元連接之正極(positive terminal)，例如，支持物201可作為正極。
由於濺鍍反應室200施加電壓，離子濺鍍氣體205可與濺鍍靶材202碰撞，因此，自濺鍍靶材202濺鍍之材料可在p型氮化物半導體層104上形成薄膜。在本發明之實施例中，濺鍍靶材202可為用於形成透明電極之材料，關於形成透明電極之材料，可使用例如，ITO、CIO、氧化鋅(ZnO)、或類似者的透明導電氧化物。相較於使用電子束沉積製程的情況，濺鍍製程可在設備的穩定性較高具有優勢，維修方面可具有優勢，薄膜的厚度和組件(components)可很容易地控制。然而，相較於使用電子束沉積製程的情況，通過濺鍍製程製造的透明電極可顯示其劣化的電氣特性，即歐姆特性。這是可被理解的，因為由於濺鍍靶材202，如第3圖所示，在P產生型氮化物半導體層104可能產生氮空位v。
具體來說，通過濺鍍氣體205自濺鍍靶材202濺鍍之粒子可與p型氮化物半導體層104碰撞，從而對p型氮化物半導體層104造成損傷。因此，構成p型氮化物半導體層104的材料可分離到外部。當p型氮化物半導體層104由p型氮化鎵形成，具有粒子尺寸較鎵粒子小的氮(N)粒子可更容易分離到外部。藉由分離氮(N)粒子，氮空位v可在
p型氮化物半導體層104產生，因此，自由電子量可增加。因此，增加之自由電子可與存在p型氮化物半導體層104的電洞相抵(offset)，使得載子(carriers)的量可減少。氮空位v之產生可能是導致p型氮化物半導體層104電氣特性劣化的因素。
為了最小化這種缺陷，在本發明實施例中，可將氮氣206，以及濺鍍氣體205引入到濺鍍反應室200，從而使濺鍍反應室200內部具有氮氣氛圍。氮氣206的引入可在濺鍍製程期間或之前進行，而且只要滿足下述條件，即可實行；在透明電極的形成中，濺鍍反應室200內部保持氮氣氛圍。引入濺鍍反應室200之氮氣206可填補通過濺鍍製程產生的氮空位v，從而防止p型氮化物半導體層104的電氣特性劣化。
同時，濺鍍製程全程可進行氮氣206的引入；然而，在某些情況下，部分濺鍍製程期間可進行氮氣206引入。也就是說，在初始濺鍍製程之情況，p型氮化物半導體層104暴露，使得氮氣206的引入可以是需要的。然而，由於透明電極105之形成而p型氮化物半導體層104不暴露時，如第5圖所示，氮氣206之供應可被中斷，而且只有濺鍍氣體205可被引入。以這種方式，可獲得更有效的製程。
下一步，如第6圖所示，可形成施加電信號至半導體發光裝置的第一和第二電極106和107，因此，可獲得半導體發光裝置100。本發明之實施例描述：在n型氮化物
半導體層102之表面上形成第一電極106的方法，該n型氮化物半導體層102係在透明電極105之形成後，藉由移除部分發光結構102、103和104和透明電極105而暴露；以及在透明電極105上形成第二電極107的方法；然而，製程的順序可修改。也就是說，透明電極105形成之前，n型氮化物半導體層102可藉由移除部分發光結構102、103和104暴露，可形成透明電極105，然後可形成第一和第二電極106和107。
第7圖係為依據本發明之另一實施例製造之半導體發光裝置之橫斷面示意圖。第8圖係為第7圖之n型氮化物半導體層和n型電極圓周區域的放大視圖。參照第7圖，半導體發光裝置300可包括基板301、n型氮化物半導體層302、主動層303、p型氮化物半導體層304、透明電極305和308、和n型和p型電極306和307。在這種情況下，透明電極305和308可代表n型透明電極(參考數字308表示)和p型透明電極(參考數字305表示)。不同於上述實施例，n型透明電極308可設置於n型氮化物半導體層302和n型電極306之間，可由與p型透明電極305相同的透明導電氧化物製成。此外，n型透明電極308也可通過濺鍍製程形成，據此，半導體發光裝置電氣特性可加以改進。
具體來說，類似上述說明之情況，由於重濺鍍的效應，構成n型氮化物半導體層302的部分粒子可通過濺鍍製程與n型氮化物半導體層302分離。在這種情況下，可分離具有相對小的離子尺寸之氮(N)粒子的相對大多數。因此，
如第8圖所示，由於氮空位v可在n型氮化物半導體層302產生，設置於n型透明電極308下的n型氮化物半導體層302的區域可具有氮空位v之濃度，比其他區域高，從而導致自由電子的量增加，在n型氮化物半導體層302的表面的電阻可減少。
同時，n型和p型透明電極308和305上分別形成的n型和p型電極306和307之各者可由包括鋁(Al)的材料製成，而不是普遍使用的金(Au)電極，因此，製程成本可降低。此外，在形成鋁電極，n型和p型電極306和307可通過單一的製程同時形成，n型和p型電極306和307的外部的缺陷可減至最低。將參照第9至12圖說明。
第9至12圖係為說明第7圖之製造半導體發光裝置之方法之例子之製程之橫斷面示意圖。如第9圖所示，形成n型和p型透明電極308和305的狀態，絕緣部309可在其上形成。絕緣部309可由如氧化矽、氮化矽、或類似者的介電物質(substance)製成，可為鈍化最後半導體發光裝置。接下來，如第10圖所示，藉由使用遮罩(mask)10移除部分絕緣部309暴露透明電極305和308。暴露透明電極305和308，從而形成n型和p型電極。隨後，如第11圖所示，可形成包括鋁之電極材料層311，電極材料層311可形成為覆蓋遮罩310，除了絕緣部309的開口區域以外。以這種方式，本發明之實施例，以這種方式n型和p型電極可被同時形成，它們是由相同的材料例如包括鋁之材料製成，使製程方便可加以改進。
接下來，如第12圖所示，遮罩310移除(lifted off)，使得電極材料層311可被移除，除了對應n型和p型電極306和307的部分以外。在本發明之實施例中，n型和p型電極306和307可由包括鋁之材料製成(如上所述)；而且，可不需要在n型和p型電極306和307形成後再次形成絕緣層的製程、或是蝕刻絕緣層以移除部分絕緣層的製程，從而促成對n型和p型電極306和307的最小損傷。因此，可實現價格相對低廉的鋁電極，而在電極外部缺陷可被最小化。
同時，通過這個製程製造之半導體發光裝置，可使用在各個領域。第13圖係為依據本發明的半導體發光裝置之使用例之組構示意圖。參照第13圖，照明設備400可包括發光模組401、設置於其中有發光模組401的結構404、和電源供應單元403。在發光模組401，可設置依據本發明之方法獲得之至少一半導體發光裝置402。在這種情況下，半導體發光裝置402可安裝在發光模組401，或以封裝(package)形式提供。電源供應單元403可包括接收電源之介面405和控制電源供應至發光模組401之電源控制單元406。在這種情況下，介面405可包括保險絲阻斷過電流和屏蔽電磁波干擾信號之電磁波屏蔽過濾器。
電源控制單元406可包括將交流電轉換成直流電之整流單元、及將交流電轉換成適當的電壓之定電壓控制單元(當輸入交流電電源為電源時)。當電源為有適用於發光模組401的電壓的直流源(例如，電池)，整流單元和定電壓
控制單元可被省略。此外，發光模組401採用一種裝置，如交流電LED(AC-LED)，交流電電源可直接提供至發光模組401。此外，在這種情況下，整流單元或定電壓控制單元可被省略。此外，電源控制單元406可控制色溫或之類的，從而依據人類感知度發光顯示。此外，電源供應單元403可包括進行從半導體發光裝置402之發光量和預設的發光量之間的比較之反饋電路裝置、及其中儲存有資料如所需的亮度或顯色性之記憶裝置。
照明設備400可用於顯示裝置使用的背光單元，例如，包括影像面板之液晶顯示裝置，如燈具，平板照明或之類的室內照明設備或如路燈，標誌，通知標誌或類似之室外照明設備。此外，照明設備400可用於各種運輸裝置使用的照明裝置，例如、汽車、船舶、航空器或類似者。此外，照明設備400可用於如電視(TV)，冰箱或之類的家電，醫療設備，或之類的。
如以上，依據本發明的實施例獲得之半導體發光裝置，在通過濺鍍製程製造透明電極，由於氮空位造成的電極特性之劣化現象可最小化，以從而提供有顯著改善的電氣特性之透明電極。可使用相對便宜的的鋁電極，電極的外部缺陷可被最小化，同時使製造製程簡化。此外，可獲得具有優越的電氣特性之電極結構。
上述實施例係用以例示性說明本發明之原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修改。因
此本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。
100、300、402‧‧‧半導體發光裝置
101、301‧‧‧基板
102、302‧‧‧n型氮化物半導體層
103、303‧‧‧主動層
104、304‧‧‧p型氮化物半導體層
105‧‧‧透明電極
106‧‧‧第一電極
107‧‧‧第二電極
200‧‧‧濺鍍反應室
201‧‧‧支持物
202‧‧‧濺鍍靶材
203、403‧‧‧電源供應單元
204‧‧‧氣體引入單元
205‧‧‧濺鍍氣體
206‧‧‧氮氣
305‧‧‧p型透明電極
306‧‧‧n型電極
307‧‧‧p型電極
308‧‧‧n型透明電極
309‧‧‧絕緣部
310‧‧‧遮罩
311‧‧‧電極材料層
400‧‧‧照明設備
401‧‧‧發光模組
404‧‧‧結構
405‧‧‧介面
406‧‧‧電源控制單元
v‧‧‧氮空位
第1至5圖係為依據本發明之實施例之製造半導體發光裝置之方法之製程之橫斷面示意圖；第6圖係為依據本發明之實施例之藉由半導體發光裝置之製造方法獲得的半導體發光裝置之橫斷面示意圖；第7圖係為依據本發明之另一實施例製造之半導體發光裝置之橫斷面示意圖；第8圖係為第7圖之n型氮化物半導體層和n型電極圓周區域的放大視圖；第9至12圖係為說明第7圖之製造半導體發光裝置之方法之例子之製程之橫斷面示意圖；第13圖係為依據本發明的半導體發光裝置之使用例之組構示意圖。
100‧‧‧半導體發光裝置
101‧‧‧基板
102‧‧‧n型氮化物半導體層
103‧‧‧主動層
104‧‧‧p型氮化物半導體層
105‧‧‧透明電極
106‧‧‧第一電極
107‧‧‧第二電極
Claims (15)
- 一種製造半導體發光裝置之方法，所述方法包括：藉由在基板上依序生長n型氮化物半導體層、主動層及p型氮化物半導體層，形成發光結構；通過濺鍍製程，在所述p型氮化物半導體層上形成透明電極；以及在所述濺鍍製程之前或期間，在其中進行所述濺鍍製程之反應室內部形成氮氣氛圍，其中所述透明電極包括形成於所述氮氣氛圍中之第一部分、及在氮氣供應中斷的狀態下形成之第二部分。
- 如申請專利範圍第1項所述之製造半導體發光裝置之方法，其中，所述透明電極由透明導電氧化物製成。
- 如申請專利範圍第1項所述之製造半導體發光裝置之方法，其中，在所述濺鍍製程期間，氮粒子從所述p型氮化物半導體層發出，使得所述p型氮化物半導體層中產生氮空位。
- 如申請專利範圍第3項所述之製造半導體發光裝置之方法，其中，在所述反應室內部的氮氣填充所述氮空位。
- 如申請專利範圍第1項所述之製造半導體發光裝置之方法，其中，在所述透明電極中，在所述氮氣氛圍中形成所述第一部分之後，在所述氮氣供應中斷的狀態下形成所述第二部分。
- 如申請專利範圍第5項所述之製造半導體發光裝置之 方法，其中，在所述透明電極完全覆蓋所述p型氮化物半導體層的上表面之後，至所述反應室內部的所述氮氣供應中斷。
- 如申請專利範圍第1項所述之製造半導體發光裝置之方法，其中，所述p型氮化物半導體層由p型氮化鎵形成。
- 如申請專利範圍第1項所述之製造半導體發光裝置之方法，更包括：藉由移除部分所述發光結構，暴露部分所述n型氮化物半導體層；在具有暴露部分的所述n型氮化物半導體層上形成第一電極；以及在所述透明電極上形成第二電極。
- 如申請專利範圍第1項所述之製造半導體發光裝置之方法，更包括：在所述n型氮化物半導體層上形成透明電極。
- 如申請專利範圍第9項所述之製造半導體發光裝置之方法，其中，在所述n型氮化物半導體層上形成的所述透明電極是通過濺鍍製程形成。
- 如申請專利範圍第10項所述之製造半導體發光裝置之方法，其中，在所述濺鍍製程之後，設置於所述透明電極下方之所述n型氮化物半導體層之區域具有比所述n型氮化物半導體層之其它區域高之氮空位濃度。
- 如申請專利範圍第9項所述之製造半導體發光裝置之 方法，更包括在形成於所述n型和p型氮化物半導體層上之所述透明電極的上部上，分別形成n型電極和p型電極。
- 如申請專利範圍第12項所述之製造半導體發光裝置之方法，其中，所述n型和p型電極由包括鋁(Al)之材料製成。
- 如申請專利範圍第12項所述之製造半導體發光裝置之方法，其中，所述n型和p型電極由相同的材料製成。
- 如申請專利範圍第12項所述之製造半導體發光裝置之方法，其中，所述n型和p型電極同時形成。
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