TWI455351B - 製造發光二極體之方法 - Google Patents
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Description
本案主張於2011年1月5日韓國智慧財產局韓國專利申請案第10-2011-0000916號之優先權，其揭露內容併入本文參考。
本發明係相關於一種製造發光二極體之方法及藉以製造之發光二極體。
發光二極體(LED)係當電流供應至其上時，因電子-電洞於p-n接面發生再結合(recombination)而可發多種色光之半導體裝置。此種LED優於燈絲基底發光裝置之處在於，其具有長壽命之、低功率使用、優異初始操作特性、和高耐振性之優點。這些因素持續提升LED的需求。特別是，可於藍/短波長區發光之III族氮化物半導體最近受到眾多注目。
氮化物半導體結晶(構成使用該III族氮化物半導體之發光裝置)係生長於藍寶石或SiC基板上。為了生長該半導體結晶，複數個氣態源藉由化學氣相沉積製程沉積於該基板上。半導體發光裝置之發光表現以及可靠度可大幅受半導體層品質(結晶度、摻雜均勻度、以及類似者)之影響。於此，該半導體層之品質可取決於用於該半導體薄膜
生長之氣相沉積裝置結構、內部環境以及使用條件。因此，藉由最佳化該氣相沉積製程以增進該半導體層品質方法，在此技術領域中是有需求的。
本發明之一態樣提供一種製造發光二極體(LED)之方法，其中其系統之操作能力及生產力可提升，同時該半導體層之結晶度可藉由此方法提升。
依據本發明之一態樣，係提供一種製造發光二極體之方法，該方法包含：在第一反應室中，依序生長第一導電型氮化物半導體層和未經摻雜之氮化物半導體層於基板上；轉移該具有第一導電型氮化物半導體層和未經摻雜之氮化物半導體層生長於其上之基板至第二反應室；在該第二反應室中，生長附加的第一導電型氮化物半導體層於未經摻雜之氮化物半導體層上；生長主動層於該附加的第一導電型氮化物半導體層上；以及生長第二導電型氮化物半導體層於該主動層上。
於轉移該基板至該第二反應室期間，部分未經摻雜之氮化物半導體層可曝露至空氣。
該主動層及該第二導電型氮化物半導體層之生長可在該第二反應室中實行。
該主動層之生長可在該第二反應室中實行。該第二導電型氮化物半導體層生長可包含轉移該具有主動層生長於其上之基板至第三反應室，以及在該第三反應室中生長該第二導電型氮化物半導體層於該主動層上。
該主動層之生長可包含轉移該具有附加的第一導電型氮化物半導體層生長於其上之基板至第三反應室，以及在該第三反應室中生長該主動層於該附加的第一導電型氮化物半導體層上。
該第二導電型氮化物半導體層之生長可包含轉移該具有該主動層生長於其上之基板至第四反應室，以及在第四反應室中生長該第二導電型氮化物半導體層於該主動層上。
該第一導電型氮化物半導體層及該附加的第一導電型氮化物半導體層可由相同材料形成。
第一導電型氮化物半導體層及該附加的第一導電型氮化物半導體層可由n型GaN形成，以及該未經摻雜之氮化物半導體層可由未經摻雜之GaN形成。
依據本發明之另一種態樣，提供一種發光二極體，包含：第一及第二導電型氮化物半導體層；主動層，插置於該第一以及第二導電型氮化物半導體層間；以及未經摻雜之氮化物半導體層，插置於該第一導電型氮化物半導體層內以在厚度方向分割該第一導電型氮化物半導體層成兩區域。
該第一導電型氮化物半導體層可由n型GaN形成，以及該未經摻雜之氮化物半導體層可由未經摻雜之GaN形成。
本發明之例示性具體實施例將結合該附隨圖示進行實施方式說明。
本發明可，然而，可由許多不同的形式實施且不被侷限於此所述之具體實施例所限制。另外，這些具體實施例係提供以使揭露可充份完整，且將完整傳達該發明至該技藝領域中習知技術者。
在圖示中，該形狀和尺寸為清楚表示而經誇大，且相同的引用編號將用於整體以指定相同或類似組成。
第1至5圖係依據本發明之例示性具體實施例說明製造發光二極體(LED)之方法之示意剖面圖。如第1圖所示，第一導電型氮化物半導體層102係生長於基板101上。此操作係於第一反應室201進行。該第一導電型氮化物半導體層102之生長可經由金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)、氫化物氣相磊晶(HVPE)、分子束磊晶(MBE)、原子層沉積(ALD)或類似法而實行。於此例中，雖未具體表示，該第一反應室201可具有包含下述之結構：基座(susceptor)，基板101設置於其中；以及氣體流動路徑，透過其抽引源氣體。
該基板101經提供用於半導體層之生長，為此，可使用由藍寶石、SiC、MgAl2
O4
、MgO、LiAlO2
、LiGaO2
、GaN、Si或其類似者形成之基板。藍寶石基板形成具有六方-菱形R3c對稱(Hexa-Rhombo R3c symmetry)之結晶，且具有C-軸晶格常數為13.001及A-軸晶格常數為4.758。藍寶石基板之定位面包含C(0001)面、A(1120)面、R(1102)面等。特別的是，該C平面因其利於氮化物膜之生長，且其於高溫中仍為安定，係主要用作為氮化物生長之基板。
該第一導電型氮化物半導體層102可由具有化學式
Alx
Iny
Ga(1-x-y)
N(0x1，0y1及0x+y1)形成，可摻雜n型雜質像是矽或其類似者之半導體材料。然而，本發明不限於此。舉例而言，該第一導電型氮化物半導體層102可由n型GaN形成。雖然未示於此，緩衝層像是未經摻雜之半導體層或其類似者者可於該第一導電型氮化物半導體層102之生長前生長，以使第一導電型氮化物半導體層102之結晶特性劣化得以最小化。
接下來，如第2圖所示，生長未經摻雜之氮化物半導體層103於第一導電型氮化物半導體層102上，其亦於第一反應室201進行。依據本具體實施例，於此例中其使用二或更多反應室以生長半導體層構成發光二極體，該第一導電型氮化物半導體層102可於該基板轉移至該反應室期間曝露至空氣中，於此其表面可能受污染從而造成品質劣化。舉例而言，於矽摻雜GaN層板曝露至空氣的例子中，矽氧化物可能產生於其表面上。在本具體實施例中，在該基板之轉移前，於該第一反應室201，生長未經摻雜之氮化物半導體層103於該第一導電型氮化物半導體層102之上，接著生長附加的第一導電型氮化物半導體層104(見第3圖)於其上，如下所將述者，。因此，該第一導電型氮化物半導體層102於該基板101之轉移期間可受到保護，藉此非所欲之氧化物的產生可減至最小。於此情況下，該未經摻雜之氮化物半導體層103可由未經摻雜之GaN以實施例方法形成。同時，「未經摻雜」意指下述狀態：其中，具有其自身摻雜濃度之氮化物半導體並未經故意摻雜
(intentionally doped)。
接下來，如第3圖所示，於第二反應室202中，生長該附加的第一導電型氮化物半導體層104於該未經摻雜之氮化物半導體層103上。為使此可行，該具有該第一導電型氮化物半導體層102及該未經摻雜之氮化物半導體層103生長於其上之基板101係自該第一反應室201轉移至該第二反應室202。轉移該基板101之方法無特殊限定，且該轉移過程可由手動或利用負載鎖定室(load lock chamber)實行。於此具體實施例中建議之方法可有益於該轉移過程係於該基板曝露至空氣狀態中實施之情況。於此情況下，如上所述，該未經摻雜之氮化物半導體層103可最小化轉移過程期間曝露至空氣所造成對該第一導電型氮化物半導體層102的傷害。該附加的第一導電型氮化物半導體層104可藉由具有化學式Alx
Iny
Ga(1-x-y)
N(0x1、0y1及0x+y1)形成，可摻雜n型雜質像是矽或其類似者之半導體材料。該附加的第一導電型氮化物半導體層104可由相同於該第一導電型氮化物半導體層102材料之材料形成，以及其可由實施例中之n型GaN形成。
同時，於本具體實施例中，使用二或更多反應室於生長構成發光結構之半導體層，藉以達到減少製程成本以及因於該半導體層生長時缺陷之發生造成之時間損耗。具體而言，於構成發光結構之該半導體層的情況中，例如，該第一以及第二導電型氮化物半導體層101及106以及主動層105，其係各別同時於第一以及第二反應室201及202
生長，該各別的第一以及第二反應室201及202使用相對長期之時間，源氣體用量及因於缺陷發生造成之時間損耗相較於本實施例所述半導體層分離生長者相對較高。此外，因為初始生長製程係由單一沉積裝置於相對短期時間範圍內完成，於後續生長製程前之該沉積裝置之修復與維護可彈性實施。於此情況下，該第一以及第二反應室201及202可實施相同沉積製程，但可為不同沉積裝置。亦即，該第一以及第二反應室201及202兩者可同為MOCVD裝置，或該第一反應室201可為HVPE裝置，且該第二反應室202可為MOCVD裝置。此外，即使於該第一以及第二反應室201及202係MOCVD裝置之情況中，其結構可為不同。舉例而言，該第一反應室201可允許反應氣體以垂直於基座之方向注入，而第二反應室202可允許反應氣體以平行於基座之方向注入。
除了上述之優點，因為各別的半導體層以不同的條件像是生長溫度、源氣體壓力、以及類似者構成該發光結構，該複數的反應室201及202係設計成維持各別的半導體層中的生長條件，藉以使其容易管理且減少其劣化。於反應室201及202中藉由維持固定生長條件之半導體層之分離生長所生長之發光結構情況中，該各別半導體層的結晶品質以及摻雜特性得以強化。舉例而言，於包含sn型GaN之該第一導電型氮化物半導體層102的情況中，其約在1000℃至1300℃生長。於包含p型GaN之該第二導電型氮化物半導體層106的情況中，其生長於相對較低溫度約
700℃至1100℃，且使用適合該第二導電型氮化物半導體層106之源氣體壓力及生長溫度之該第二反應室202藉以增進該第二導電型氮化物半導體層106的品質。考慮到於該第二反應室202中生長該附加的第一導電型氮化物半導體層104，可能難以在該第二反應室202中固定維持生長條件。因此，可使用附加的反應室，如於下之具體實施例將描述者。
緊接著，如第4圖所示，生長主動層105及第二導電型氮化物半導體層106於該附加的第一導電型氮化物半導體層104上。此操作可於該第二反應室202實行而無須轉移該基板101，或可實行於分開的腔室以維持生長條件適合其中的各別半導體層。該主動層105可設置於該第一導電型氮化物半導體層104及該第二導電型氮化物半導體層106之間，透過電子-電洞再結合發出具有預定能階的光，且具有量子井層及量子障礙層交錯堆疊之多重量子井(multi-quantum-well,MQW)結構。該MQW結構可舉例而言，為Alx
Iny
Ga(1-x-y)
N(0x1，0y1及0x+y1)之多層結構，例如，可使用InGaN/GaN結構。於此情況下，該主動層105可由藉由利用像是MOCVD或類似者以相同於該第一導電型氮化物半導體層102及104方法之製程生長。該第二導電型氮化物半導體層106可由具有化學式Alx
Iny
Ga(1-x-y)
N(0x1、0y1及0x+y1)以雜質像是Mg、Zn或類似者摻雜之氮化物半導體材料形成。舉例而言，該第二導電型氮化物半導體層106可由p型GaN形成。
之後，如第5圖所示，於該第二導電型氮化物半導體層106之生長完成後，第一以及第二電極107及108係各自形成於該第一導電型氮化物半導體層102之曝露表面(其藉由移除部分發光結構而曝露)、及該第二導電型氮化物半導體層106上。考慮到光反射表現，歐姆接觸表現以及其類似者，該第一以及第二電極107及108可藉由沉積、濺鍍或類似者並由此技術領域所習知之材料形成。如第5圖所示之電極107及108之形狀僅為例示。該電極107及108可在發光結構之多種位置上形成。舉例而言，電極可形成於移除該基板101後曝露之第一導電型氮化物半導體層102表面上，而無須蝕刻發光結構。由上述方法製造之發光二極體具有下述結構：其中，未經摻雜之氮化物半導體層103插置於該第一導電型氮化物半導體層102及104間，以在厚度方向將該第一導電型氮化物半導體層102及104分割成兩區域。
同時，於上之具體實施例中該半導體層用兩個反應室201及202分開生長。然而，反應室之數量可視需求而增加。
第6及7圖係依據本發明之另一個例示性具體實施例說明製造發光二極體(LED)之方法之示意剖面圖。不同於先前具體實施例，於第6圖該具體實施例的例子中，在該第二反應室202中生長該附加的第一導電型氮化物半導體層104及該主動層105後，將該基板101轉移至第三反應室203。此轉移過程可透過負載鎖定室於真空狀態實行，如此
該主動層105可不受到傷害。於該基板101轉移至該第三反應室203後，該第二導電型氮化物半導體層106係附加地生長於該主動層105上。如本具體實施例所述，該第二導電型氮化物半導體層106可分別於指定腔室中生長，亦即該第三反應室203，於其中生長溫度及源氣體壓力適於其生長以及維持，且因此，得以提升該第二導電型氮化物半導體層106結晶特性及製程效率。
依據第7圖之該具體實施例，該主動層105亦可成長於指定之腔室。因此，可預期該主動層105結晶度之提升，其對發光效率有極大影響。也就是說，於該附加的第一導電型氮化物半導體層104於反應室202中生長後，該基板101係轉移至該第三反應室203且於其處生長該主動層105。之後，該基板101係轉移至該第四反應室204且於其處生長該第二導電型氮化物半導體層106。在第7圖之該具體實施例中，該基板101至第三反應室203之轉移可透過負載鎖定室於真空狀態中實施，如此該第一導電型氮化物半導體層104將不受到傷害。
如前所述，在本發明依據例示性具體實施例製造發光二極體之方法中，系統之操作能力及生產力得以提升。此外，藉此方法所得該半導體層之結晶度亦可提升。特別的是，於使用二或更多反應室生長半導體層構成發光二極體的例子中，該半導體層於轉移基板時之污染得以減至最小。
雖然本發明已以連同例示性具體實施例以表示及說明，對技藝領域中具有習知技術者將明白其可在不脫離本
發明如由隨附的申請專利範圍定義之構思下進行修改與變換。
101‧‧‧基板
102‧‧‧第一導電型氮化物半導體層
103‧‧‧未經摻雜之氮化物半導體層
104‧‧‧第一導電型氮化物半導體層
105‧‧‧主動層
106‧‧‧第二導電型氮化物半導體層
107‧‧‧第一電極
108‧‧‧第二電極
201‧‧‧第一反應室
202‧‧‧第二反應室
203‧‧‧第三反應室
204‧‧‧第四反應室
本發明之以上及其他形態、功能和其他優點將自結合該附隨圖示與下列實施方式而更能清楚了解，於其中：第1至5圖係說明依據本發明之例示性具體實施例製造發光二極體(LED)之方法之示意剖面圖；以及第6及7圖係說明依據製本發明之另一個例示性具體實施例造發光二極體(LED)之方法之示意剖面圖。
101‧‧‧基板
102‧‧‧第一導電型氮化物半導體層
103‧‧‧未經摻雜之氮化物半導體層
104‧‧‧第一導電型氮化物半導體層
105‧‧‧主動層
106‧‧‧第二導電型氮化物半導體層
201‧‧‧第一反應室
202‧‧‧第二反應室
Claims (8)
- 一種製造發光二極體之方法，該方法包括：在第一反應室中，依序生長第一導電型氮化物半導體層和未經摻雜之氮化物半導體層於基板上；轉移該具有第一導電型氮化物半導體層和未經摻雜之氮化物半導體層生長於其上之基板至第二反應室；在該第二反應室中，生長附加的第一導電型氮化物半導體層於未經摻雜之氮化物半導體層上；生長主動層於該附加的第一導電型氮化物半導體層上；以及生長第二導電型氮化物半導體層於該主動層上。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中於轉移該基板至該第二反應室期間，部分未經摻雜之氮化物半導體層曝露至空氣。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該主動層及該第二導電型氮化物半導體層之生長在該第二反應室中實行。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該主動層之生長係在該第二反應室中實行，以及該第二導電型氮化物半導體層生長包含：轉移該具有主動層生長於其上之基板至第三反應室；以及在該第三反應室中生長該第二導電型氮化物半導體層於該主動層上。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該主動層之生長包含：轉移該具有附加的第一導電型氮化物半導體層生長於其上之基板至第三反應室；以及在該第三反應室中生長該主動層於該附加的第一導電型氮化物半導體層上。
- 如申請專利範圍第5項所述之方法，其中該第二導電型氮化物半導體層之生長包含：轉移該具有該主動層生長於其上之基板至第四反應室；以及在該第四反應室中生長該第二導電型氮化物半導體層於該主動層上。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該第一導電型氮化物半導體層及該附加的第一導電型氮化物半導體層由相同材料形成。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該第一導電型氮化物半導體層及該附加的第一導電型氮化物半導體層由n型GaN形成，以及該未經摻雜之氮化物半導體層由未經摻雜之GaN形成。
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