TWI446573B - 發光二極體 - Google Patents
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Description
本發明有關於一種發光二極體(LEDs)的系統及其形成方法，特別是有關於具有多結晶的含矽材料作為成核層(nucleation layer)的LED系統及其形成方法。
通常，LED是藉由在基底上形成活性區域以及在基底上沈積各種導電及半導體層來製造。藉由p-n接面的電流，電洞對的輻射重組可用來產生電磁輻射。由例如GaAs或GaN的直接能隙材料製造的順向偏壓p-n接面中，注入匱乏區的電洞對重組，會造成電磁輻射的發射。此電磁輻射可能落在可見光區或是非可見光區的範圍。LED的不同顏色可使用不同能隙材料來形成。再者，在非可見光區發射電磁輻射的LED，可使非可見光導向磷光透鏡或類似的材料。當非可見光被磷光吸收時，此磷光會發出可見光。
通常藉由在基底上形成低溫非導電性的非晶質膜以在基底上形成LED的活性區域，然後將此膜作為成核層以成長第一磊晶接觸層、活性層及第二磊晶層。然而，使用低溫非晶質材料，需要更多的時間來成長低溫非晶質材料，此會增加磊晶成長的成本。
因此有需要一種能夠快速且更省成本的不同層，來磊晶成長LED元件。
本發明實施例提供一種發光二極體(LEDs)具有多結晶層作為成核層，可解決或防止上述問題，並達到技術上優勢。
本發明的實施例提供一種發光二極體，包括：一基底；一多結晶層，位於該基底上，該多結晶層含有矽；一第一接觸層，位於該多結晶層上；一活性層，位於該第一接觸層上；以及一第二接觸層，位於該活性層上。
本發明的另一實施例提供一種發光二極體，包括：一基底；一第一層，位於該基底上，該第一層包括導電多結晶材料；一第一接觸層，位於該第一層上；一活性層，位於該第一接觸層上；以及一第二接觸層，位於該活性層上。
本發明的再一實施例提供一種發光二極體，包括：一基底；一多結晶層，位於該基底上，該多結晶層具導電性且包括含矽材料；一第一接觸層，位於該多晶矽層上；一活性層，位於該第一接觸層上；以及一第二接觸層，位於該活性層上。
本發明的優點在於減少磊晶成長的成本，減少形成成核層所需時間。而且此多結晶層更適合用於垂直晶片的製造。
本發明之較佳實施例及其使用如下詳述。本發明提供多種應用本發明概念而落實於多種特定技術內容。此述特定的較佳實施例僅說明特定方式之本發明之製造及使用，並不限定本發明的範圍。
本發明提供一種發光二極體的較佳實施例。但本發明亦可應用於其他磊晶成長層。
第1圖顯示一基底101與一多結晶層103，此多結晶層103位於基底101之上。基底101較佳包含非導電性基底，例如無摻質的矽、藍寶石、MgAl2
O4
、氧化物單結晶、其組合或類似的材料。在另一實施例中，可使用摻有想要的導電性的導電基底，例如GaN、Si、Ge、SiC、SiGe、ZnO、ZnS、ZnSe、GaP、GaAs、其組合或類似的材料。
多結晶層103較佳在基底101上形成。多結晶層103較佳包括多結晶的含矽材料，例如多晶矽、Si1-x
Gex
、或Si1-x
Cx
。多結晶層103較佳為經由例如分子束磊晶(molecular beam epitaxy；MBE)、氫化物氣相磊晶(hydride vapor phase epitaxy;HVPE)、液相磊晶(liquid phase epitaxy;LPE)或類似的方法等磊晶製程形成。亦可使用其他製程，例如化學氣相沉積(chemical vapor deposition;CVD)、物理氣相沉積(physical vapor deposition;PVD)或低壓化學氣相沉積(low-pressure chemical vapor deposition;LPCVD)形成多結晶層103。
多結晶層103較佳摻入摻質使其具導電性。在一實施例中，製造p-up LED時，較佳在多結晶層103摻入n型摻質，例如磷、砷、銻或類似的元素。然而，亦可根據多結晶層103所需的導電性來選擇p型摻質以形成n-up LED。在形成多結晶層103時，摻質最好是作為前驅物導入多結晶層103之中。然而，亦可使用其他的適當方法摻入多結晶層103中，例如使用離子植入、離子擴散其組合或類似的方法。多結晶層103較佳的摻質濃度為約1x1015
ions/cm3
至約1x1019
ions/cm3
，更佳的摻質濃度為約5x1016
ions/cm3
。藉由使多結晶層103具有導電性，可用於垂直晶片的製造。
多結晶層103形成的較佳厚度為約5nm至約100nm，更佳的厚度為約30nm。此厚度較佳為使用SiH4
、GeH4
、或CH4
的化學前驅物，在約1托至約760托壓力(較佳為約10托)、約300℃至約800℃(較佳約600℃)的溫度下，經由化學氣相沉積法形成多結晶層103。
第2圖顯示位於多結晶層103上的第一接觸層201的形成，此多結晶層103作為成核層。第一接觸層201較佳形成需要發光的二極體的一部分，且第一接觸層201較佳包含III-V族化合物。如此名詞所示，III-V族化合物包含III族元素及V族元素，且包含例如GaN、InN、AlN、Alx
Ga(1-x)
N、Alx
In(1-x)
N、Alx
Iny
Ga(1-x-y)
N、其組合或類似的化合物，這些化合物摻有第一導電型的摻質(例如n-GaN)。
形成第一接觸層201時，較佳使用上述多結晶層103作為成核層，且利用例如金屬有機化學氣相沉積(metal organic chemical vapor deposition;MOCVD)的磊晶成長製程來形成，因而多結晶層103的晶體結構會延伸至第一接觸層201。然而，亦可使用其他製程，例如MBE、HVPE、LPE等來形成第一接觸層201。此第一接觸層201形成的較佳厚度為約1μm至約6μm，更佳的厚度為約2μm。第一接觸層201較佳在形成的同時臨場(in-situ)摻入，且使濃度達到約1x1016
ions/cm3
至約1x1019
ions/cm3
，較佳摻入濃度為約1x1018
ions/cm3
。亦可使用例如離子植入或擴散等其他方法摻入摻質。
藉由以上述多結晶層103作為成核層成長第一接觸層201的話，可使用較高的溫度成長。另外，成長第一接觸層201所需時間較短，可減少相關磊晶的成本。
第3圖顯示位於第一接觸層201上的活性層301的形成。此活性層301被設計為用來控制使產生的光達到想要的波長。例如經由調整及控制此活性層301的元素組成比例，可調整活性層301的材料能隙，藉以調整LED發光的光波長。
活性層301較佳包含多量子井(multiple quantum wells;MQW)。活性層301的MQW結構可包括例如InGaN、GaN、Alx
Iny
Ga(1-x-y)
N(0≦X≦1)層等。活性層301可包含任何數量的量子井，例如3個或5個量子井，較佳各為約30至約100的厚度。MQW較佳使用此第一接觸層201作為緩衝層，且以金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)進行磊晶成長，但亦可使用MBE、HVPE、LPE或類似的方法等其他製程。
第4圖顯示第二接觸層401在活性層上形成。此第二接觸層401較佳形成發光二極體的第二部分，且第二接觸層401與此第一接觸層201連結。此第二接觸層401較佳包括III-V族化合物，例如GaN、InN、AlN、Alx
Ga(1-x)
N、Alx
In(1-x
)N、Alx
Iny
Ga(1-x-y)
N、其組合或類似的化合物，這些化合物摻入與第一接觸層201的第一導電型相反的第二導電型摻質(例如p-GaN)。
第二接觸層401較佳經由例如MOCVD磊晶成長過程而形成。或亦可使用其他步驟例如MBE、HVPE、LPE等。此第二接觸層401較佳具有約0.1μm至約2μm厚度，較佳具有約0.3μm厚度，較佳在形成第二接觸層401的同時臨場(in-situ)摻入摻質，且使摻質的濃度成為約1x1017
ions/cm3
至約1x1021
ions/cm3
，較佳摻質濃度為約1x1019
ions/cm3
，亦可使用例如離子植入或擴散等其他方法。
如此技術領域具有通常知識者所知，上述實施例中，發光二極體形成具有n型導電性的第一接觸層201與具有p型導電性的第二接觸層401，此僅為本發明單一可能的實施例。在另一實施例中，亦可使用具有p型導電性的第一接觸層201與具有n型導電性的此第二接觸層401形成發光二極體。本發明可使用任何p型與n型導電性組合，這些組合皆包含於本發明之範圍。
之後，可進行一些製程以完成LED裝置的製造。例如在第一與第二接觸層201與401上各形成電子接觸(前面及1或後面接觸)，也可以形成保護層，再者，LED裝置也可以進行晶粒化以及封裝。
也值得注意的是，上述實施例是使用多結晶層以形成LED裝置。也可以視需要在此多結晶層上外加其他層，例如分佈布拉格反射器(distributed Bragg reflector)。分佈布拉格反射器一般包括具有不同反射係數的多數層，其使來自LED結構的發光被反射，因而可增加LED裝置頂端發出的光。另外，反射緩衝層亦可使用於分佈布拉格反射器或者取代分佈布拉格反射器。
LED構造可根據使用的材料及用途而不同。可預期多種LED結構可作為本發明實施例，其提供導電性的含矽結晶結構來形成LED結構。
雖然本發明及其優點已詳細說明，但在不偏離本發明申請專利範圍之精神與範疇下，可進行改變、取代及置換。例如上述多種特徵與功能可使用不同材料或方法實施，但仍然屬於本發明之範疇。
再者，本發明之範疇不意圖限制於說明書揭示之過程、機制、製造、物質組成、工具、方法及步驟等特定實施例。熟知此項技術者將可輕易由本說明書所揭露者、過程、機制、製造、物質組成、工具、方法或步驟、目前存在或之後可發展例如本實施例地實質進行相同功能或實質達到相同結果。因此，以下申請專利範圍意圖包含例如過程、機制、製造、物質組成、工具、方法或步驟。
雖然本發明已以較佳實施例揭露例如上，然其並非用以限定本發明，任何熟悉此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
101．．．基底
103．．．多結晶層
201．．．第一接觸層
301．．．活性層
401．．．第二接觸層
為完整了解本案發明及優點，以下說明與對應圖式作為參考：
第1圖顯示本發明之一較佳實施例，一基底與位於此基底上的一多結晶層；
第2圖顯示本發明之一較佳實施例，一第一接觸層在此多結晶層上形成；
第3圖顯示本發明之一較佳實施例，一活性層在此第一接觸層上形成；以及
第4圖顯示本發明之一較佳實施例，一第二接觸層在此活性層上形成。
101．．．基底
103．．．多結晶層
201．．．第一接觸層
301．．．活性層
401．．．第二接觸層
Claims (14)
- 一種發光二極體，包括：一基底；一多結晶層，位於該基底上，該多結晶層包括多晶矽；一第一接觸層，位於該多結晶層上；一活性層，位於該第一接觸層上；以及一第二接觸層，位於該活性層上；其中，該第一接觸層摻有第一導電型的摻質，該第二接觸層摻有第二導電型的摻質。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體，其中該多結晶層為導電性。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體，其中該第一接觸層包括第III族氮化物。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體，其中該基底包括矽。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體，其中該基底包括導電材料。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體，其中該基底包括非導電材料。
- 一種發光二極體，包括：一基底；一第一層，位於該基底上，該第一層包括多晶矽；一第一接觸層，位於該第一層上；一活性層，位於該第一接觸層上；以及 一第二接觸層，位於該活性層上；其中，該第一接觸層摻有第一導電型的摻質，該第二接觸層摻有第二導電型的摻質。
- 如申請專利範圍第7項所述之發光二極體，其中該第一接觸層包括第III族氮化物。
- 如申請專利範圍第7項所述之發光二極體，其中該基底包括導電材料。
- 如申請專利範圍第7項所述之發光二極體，其中該基底包括非導電材料。
- 一種發光二極體，包括：一基底；一多結晶層，位於該基底上，該多結晶層具導電性且包括多晶矽；一第一接觸層，位於該多結晶層上；一活性層，位於該第一接觸層上；以及一第二接觸層，位於該活性層上；其中，該第一接觸層摻有第一導電型的摻質，該第二接觸層摻有第二導電型的摻質。
- 如申請專利範圍第11項所述之發光二極體，其中該第一接觸層包括第III族氮化物。
- 如申請專利範圍第11項所述之發光二極體，其中該基底包括導電材料。
- 如申請專利範圍第11項所述之發光二極體，其中該基底包括非導電材料。
Applications Claiming Priority (2)
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