TWI497753B - 包含硼之三族氮化物發光裝置 - Google Patents

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Description

包含硼之三族氮化物發光裝置
本發明係關於一種半導體發光裝置之領域，以及更特定言之係關於一種三族氮化物發光裝置。
包括發光二極體(LED)、諧振腔發光二極體(RCLED)、垂直腔雷射二極體(VCSEL)及邊射型雷射器之半導體發光裝置係現今市面上效率最高的光源。目前在製造能夠於整個可見光譜內操作之高亮度發光裝置中最令人感興趣的材料系統包括三至五族半導體，特定言之鎵、鋁、銦及氮之二元、三元及四元合金(亦稱為三族氮化物材料)。一般而言，三族氮化物發光裝置係藉由金屬有機化學氣相沈積(MOCVD)、分子束磊晶法(MBE)或其他磊晶技術於藍寶石、碳化矽、三族氮化物、複合物或其他適宜基板上磊晶生長一堆不同組成與摻雜劑濃度之半導體層而製造。此堆疊物一般包括一或多個形成於基板上的經(例如)Si摻雜之n-型層、一或多個在活性區域中形成於該n-型層或該等n-型層上之發光層及一或多個形成於該活性區域上之經(例如)Mg摻雜之p-型層。電觸點係形成於n-型及p-型區域。
三族氮化物裝置一般係生長於藍寶石或SiC基板上。在習知裝置中，n-型GaN區域係生長於基板上，繼而生長InGaN活性區域，接著生長AlGaN或GaN p-型區域。非三族氮化物基板與三族氮化物層間之晶格常數差異及不同組成的三族氮化物層之晶格常數差異可引起裝置中之應變。源於晶格錯配之應變能量可引起InGaN活性區域之缺陷及分解，其會造成不良的裝置性能。由於此應變能量係InGaN發光層之組成(其決定應變的量)及發光層的厚度二者之函數，因此厚度及組成二者皆受限於習知三族氮化物裝置。
Ougazzaden等人之Bandgap bowing in BGaN thin films ，Applied Physics Letters 93,083118(2008)報告關於「使用金屬有機氣相磊晶法生長於AlN/藍寶石基材上之Bx Ga1-x N薄膜」。參見(例如)摘要「氮化物之三元及四元層對於以GaN為主之光電子裝置之帶隙工程相當重要。「光」元素硼之引入，理論上可補償由以InGaN為主之發射器中高比率的「重」銦光所引起的應變且可對生長於AlN及SiC基板上之BGaN提供錯配」。參見(例如)Ougazzaden等人之第一頁第一欄的第一段。
本發明之一目的係提供一種三族氮化物裝置，其發光區域中有至少一層包含硼。本發明之實施例包括一種包含位於n-型區域與p-型區域之間的發光區域之三族氮化物半導體結構。發光區域中至少有一層為Bx (Iny Ga1-y )1-x N。該Bx (Iny Ga1-y )1-x N層具有與無應力層之晶格常數相對應之帶隙能量及主體晶格常數，該無應力層具有與Bx (Iny Ga1-y )1-x N發光層相同的組成。帶隙能量與Bx (Iny Ga1-y )1-x N層相同之InGaN層具有與一無應力層之晶格常數(其具有與InGaN層相同的組成)相對應之主體晶格常數。Bx (Iny Ga1-y )1-x N層之主體晶格常數小於InGaN層之主體晶格常數。
根據本發明之實施例，硼係併入三族氮化物裝置之一或多層中。於三族氮化物裝置之層中併入硼(尤其在該裝置之活性區域中)可減少該裝置中之應變，此可改良該裝置之性能。
圖1闡述本發明之一實施例。第一單晶層12係生長於一適宜生長基板10上。第一單晶層12決定生長於其之所有三族氮化物層之晶格常數。第一單晶層12之組成及生長條件可決定晶格常數。活性或發光區域16係在經夾於n-型區域14與p-型區域18之間的第一單晶層12上生長。
n-型區域14及第一單晶層12可包括含(例如)生長於第一單晶層12之前或之後的製備層(諸如緩衝層或成核層)的不同組成及摻雜劑濃度之多層，其可為經設計以利於隨後生長基板之釋放或在移除基板之後半導體結構變薄之n-型或未經有意摻雜的釋放層，以及經設計期望用於發光區域以有效地發光之特定光學或電子特性之n-或甚至p-型裝置層。在某些實施例中，部份離生長基板最近之n-型區域14為生長於裝置中之第一單晶層，以及可省略隔離第一單晶層12。
p-型區域18係生長於發光區域16上。類似於n-型區域，該p-型區域可包括不同的組成、厚度及摻雜劑濃度之包含未經有意摻雜之層或n-型層之多層。
活性區域16係生長於n-型區域14上。適宜發光區域之實例，如下所述，包括單一厚或薄發光層，或含藉由障壁層隔離之多層薄或厚量子井發光層之多層量子井發光區域。舉例而言，多層量子井發光區域可包括每一層厚度為約25或以下之多層發光層，其係藉由每一層厚度為約100或以下之障壁層隔離。
在某些實施例中，該裝置中每個發光層之厚度係大於50。在某些實施例中，該裝置之發光區域係厚度為50與600之間，更佳為100至400之間的單一厚發光層。最佳厚度取決於發光層內之缺陷數。在某些實施例中，發光區域中缺陷濃度係經限制至小於109 cm-2 ，在某些實施例中其係經限制至小於108 cm-2 ，在某些實施例中其係經限制至小於107 cm-2 以及在某些實施例中其係經限制至小於106 cm-2 。
在某些實施例中，該裝置中至少一個發光層係經摻雜劑(諸如Si)摻雜至1x1018 cm-3 與1x1020 cm-3 之間的摻雜劑濃度。Si摻雜可進一步減少發光層中之應變。在某些實施例中，該發光層或該等發光層並非刻意摻雜。
圖2至4係以本發明實施例發光裝置之某些部份的位置之函數說明理想帶隙。所說明之帶隙係理想的且因此僅為組成之函數。在真實裝置中可使帶隙圖變形之作用(諸如極化)未闡述於圖2至4中。
在圖2所說明之裝置中，活性區域16包括單一發光層。該發光層可為硼、銦、鎵及氮之四元合金。該硼及銦組成係針對發光層中之所需帶隙而選擇，其決定所發光之波長。n-型區域14鄰近活性區域16之部份可為例如GaN或InGaN。p-型區域18鄰近活性區域16之部份可為例如GaN、InGaN、或AlGaN。選擇n-型區域14與p-型區域18之組成以使得n-型區域14與活性區域16之間以及活性區域16與p-型區域18之間的帶隙變化足以將電子及電洞限制在活性區域內。活性區域16與n-型及p-型區域14及18之直接鄰近該活性區域的部份之發光層中帶隙能量間的差異可至少為kT的若干倍，該kT在室溫下為0.026 eV。舉例而言，該差異在某些實施例中可為至少0.1 eV，在某些實施例中其可為至少0.15 eV。
在圖3所說明之裝置中，活性區域16包括如以上圖2中所述之單一發光層。鄰近發光層之n-型區域及p-型區域之一者或二者中之組成係逐漸變化。舉例而言，n-型區域14之鄰近漸變區域14a部份可為GaN。在漸變區域14a中，該組成可自GaN漸變至InGaN，再漸變至發光層16中之BInGaN組成。類似地，p-型區域18之鄰近漸變區域18a部份可為GaN。在漸變區域18a中，該組成可自發光層16中之BInGaN組成漸變至InGaN再至GaN。在活性區域16之任一側之組成分佈並非必要如圖3中所述一樣對稱，且任何漸變區域皆非必要如圖3中一樣線性漸變。在某些實施例中，僅有活性區域16之一側之組成漸變。在某些實施例中，圖3所述之漸變區域係與圖2所述之組成步進變化予以組合。舉例而言，該組成可自GaN漸變至漸變區域14a中之InGaN，然後以步進變化自InGaN漸變至活性區域16中之BInGaN組成。
在圖4所述之裝置中，活性區域16係多個量子井活性區域，其量子井層係藉由一或多個障壁層隔離。雖然圖4顯示三個量子井層16a及兩個障壁層16b，然而活性區域16可包括更多或更少個量子井層。量子井16a可為BInGaN，其中硼及銦組成係針對發光層中所需之帶隙而選擇。障壁層16b可為GaN、或InGaN，其銦組成中所具有的帶隙大於量子井16a中之帶隙。或者，量子井16a可為InGaN，且障壁層16b可為BInGaN，其硼及銦組成係經選擇以具有大於量子井16a中之帶隙的帶隙。
圖4中所述之多個量子井活性區域可與漸變組成n-型及/或p-型區域組合，如以上本文所附圖3中所述。
裝置中三族氮化物層之特徵為晶格常數。如文中所用，「平面內」晶格常數係指該裝置內之層的實際晶格常數。「主體」晶格常數係指既定組成之無應力、自立材料之理想晶格常數。當層之平面內與主體晶格常數相同時，該層為鬆弛，或無應變。層中應變量係如下定義：應變=|ε|=|(a平面內 -a主體 )|/a主體 。雖然此程式係指a-晶格常數且因此定義c-平面纖鋅礦內之應變，在其他方向之纖鋅礦層中，可使用非a-晶格常數之晶格常數或使用多於一個晶格常數來測定應變。層可為對一個晶格常數晶格匹配，且對另一晶格常數應變。
在某些實施例中，選擇BInGaN發光層中之組成以具有對第一單晶層12之平面內晶格常數匹配或接近的主體晶格常數，顯示於圖1。第一單晶層12一般為GaN，其平面內a-晶格常數為約3.189。
Ax B1-x C合金之帶隙Eg 可藉由以下表示：
Eg ABC =xEg AC +(1-x)Eg BC +x(1-x)B，
其中B為帶隙彎曲參數，其描述帶隙對組成線之任何非零曲率。當彎曲參數為零時，帶隙與組成之間的關係稱為費伽定律(Vegard’s law)關係。以低銦組成(例如InN少於30%)之鋁、銦、鎵及氮之三元合金(即不包含硼之合金)具有一般遵循費伽定律之主體晶格常數。
圖5為對於若干三族氮化物合金以帶隙能量作為函數之晶格常數之作圖。GaN及鋁、鎵、銦及氮之三元合金係藉由線24及26表示。陰影區20表示鋁、鎵、銦及氮之四元合金。雖然有可能生長為對圖5中所述之GaN晶格匹配之AlGaInN合金，但其具有大於GaN之帶隙，以使得其等對UV應用潛在有用，但較少用於可見光波長之LED發光。對於較GaN窄之帶隙，該三元InGaN表示在既定晶格常數下之鋁、鎵、銦及氮材料系統中可獲得的帶隙中之最窄的帶隙。
虛線22a-22d闡述硼、鎵、銦及氮之四元合金，其對於不同的帶隙彎曲參數B帶隙具有10% BN，假定纖鋅礦硼氮化物(BN)之帶隙能量為5.5 eV。線22a表示B=9 eV，線22b表示B=3 eV，線22c表示B=1 eV，以及線22d表示B=0。與鋁、鎵、銦及氮合金不同的係，其一般展現帶隙與組成之間的費伽定律關係，硼、鎵、銦及氮合金中之帶隙彎曲參數B為非零，或者大至9 eV。如圖5中之線22a-22d所述，然而，在相對較少的硼組成中，將硼添加至InGaN層可減少帶隙，以及可允許對GaN晶格匹配的四元BInGaN層生長且具有的帶隙比GaN小。
如圖5中所述，將添BN加至InGaN中可減少晶格常數。在某些實施例中，硼係經添加至該裝置之活性區域中以減少對於該活性區域之發光層中既定帶隙能量之活性區域中之晶格常數。在某些實施例中，含硼層可為對GaN晶格匹配。該等組成係經圖5中之虛線27闡述。線27右邊的硼、銦、鎵及氮之四元合金係在生長於GaN上時被壓縮。線27左邊的硼、銦、鎵及氮之四元合金係在生長於GaN上時被拉伸。在某些實施例中，裝置中任何層之硼的量係受限制以使得該層在生長於GaN上時被壓縮。該等實施例中可能的硼、銦、鎵及氮之四元合金係藉由線26與27之間的三角形表示。
舉例而言，發藍光或波長在430與480 nm之間的光之習知三族氮化物裝置，可具有InN組成係在例如10%與14%之間的InGaN發光層。一實例中，In0.12 Ga0.88 N發光層具有3.23的主體a-晶格常數。該裝置中之發光層一般係以約3.189的晶格常數生長在GaN層上，且因此具有3.189的平面內a-晶格常數。該裝置之發光層中的應變量等於發光層中平面內與主體晶格常數之差，除以主體晶格常數或|(3.189-3.23)|/3.23×100%，約為1.23%。在本發明之某些實施例中，發藍光裝置中至少一個發光層係BInGaN。選擇發光層中BN量以使得發光層之帶隙能量或所發射的顏色與上述習知發藍光裝置相同，但在該發光層中具有較小的主體晶格常數，以及因此具有較少的應變。舉例而言，可選擇發光層中BN量使得在某些實施例中應變少於1%，在某些實施例中少於0.5%。經添加至上述發藍光InGaN發光層中之BN組成x(因而使得發光層具有組成Bx (Iny Ga1-y )1-x N)在某些實施例中可為例如0<x0.1，在某些實施例中為0.06x0.08。
發青色光或波長在480與520 nm之間的光之習知三族氮化物裝置，可具有InN組成係在例如14%與18%之間的InGaN發光層。生長於GaN上之In0.16 Ga0.84 N發光層中之應變量為約1.7%。在本發明之某些實施例中，該發青色光裝置中至少一個發光層係BInGaN。可選擇發光層中BN量以使得發光層之帶隙能量或所發射的顏色相同，以及使得應變在某些實施例中少於1.5%，在某些實施例中少於1%。經添加至上述發青色光InGaN發光層中之BN組成x(因而使得發光層具有組成Bx (Iny Ga1-y )1-x N)在某些實施例中可例如為0<x0.12，在某些實施例中為0.08x0.11。
發綠光或波長在520與560 nm之間的光之習知三族氮化物裝置，可具有InN組成係在(例如)18%與22%之間的InGaN發光層。生長於GaN上之In0.2 Ga0.8 N發光層中之應變量為約2.1%。在本發明之某些實施例中，該發綠光裝置中至少一個發光層係BInGaN。可選擇發光層中BN量以使得發光層之帶隙能量或所發射的顏色相同，以及使得應變在某些實施例中少於2%，在某些實施例中少於1%。經添加至上述發綠光InGaN發光層中之BN組成x(因而使得發光層具有組成Bx (Iny Ga1-y )1-x N)在某些實施例中可為例如0<x0.14，在某些實施例中為0.11x0.13。
在某些實施例中，多個量子井裝置中至少一個障壁層中併入BN，選擇BN之量以使得障壁層中帶隙足夠大以限制發光層中之載子以及使得障壁層或發光層中之應變係較障壁層中無硼之裝置而言減少。圖8為對於對GaN晶格匹配之BInGaN層以InN組成作為函數之BN組成之作圖。x-軸表示Inx Ga1-x N組成，其係以(BN)y (Inx Ga1-x N)1-y 合金為基礎。y-軸表示(BN)y (Inx Ga1-x N)1-y 合金中之BN組成。
根據本發明之實施例的裝置中之任何含硼層中BN組成係保持在足夠小以使得含硼層為纖鋅礦層。在足夠高的BN組成中，三族氮化物層可變成閃鋅礦結構。
BInGaN可在具有100%氮氣作為載體氣體之低壓MOVPE反應器中，於例如生長於c-軸定向之藍寶石基板上之三族氮化物層上生長。可將三乙基硼、三甲基銦、三甲基鎵及氨作為前驅物使用。可使用其他硼前驅物，諸如三甲基硼、硼烷、二硼烷及硼金屬。對於含硼氮化物之最佳生長程序係闡述於A. Ougazzaden等人，J. Cryst. Growth 298,428(2007)中，其以引用的方式併入本文中。
三族氮化物裝置之一或多層中併入BN可能係有利的。纖鋅礦三族氮化物層展現巨大的極化，其包括作為溫度及組成的函數之自發性組分，及作為該層中應變的函數之壓電組分。不同組成的層之間的界面上之極化中斷可造成由極化引起的薄板電荷及電場。BN之添加可減少在相對於GaN/InGaN界面之GaN/BInGaN界面上之極化中斷。在根據某些實施例之n-GaN/BInGaN發光層/p-GaN雙異質結構中，選擇適宜的BN組成可允許應變、帶隙能量及極化為至少部份去耦合，以使得任何二者可在以第三者為代價的情況下經任意設置。在習知GaN/InGaN/GaN異質結構中，僅有應變、帶隙能量及極化中之一者可經獨立地改變。藉由添加BN減少裝置中之應變可允許以較高InN組成生長較厚的活性區域。
以上所述及所闡釋之半導體結構可包含於任何適宜的發光裝置組態中，諸如觸點形成於該裝置之反面的裝置或兩個觸點皆形成於該裝置之相同面的裝置。當兩個觸點皆置於相同面時，該裝置可形成有透明觸點並安裝使得光係經過形成該等觸點之相同面提取，或者形成有反射性觸點並安裝為覆晶，其中光係經由形成有觸點之相反面提取。在光係經由形成有觸點之表面提取之裝置中，由於電流在p-型三族氮化物材料中不如在n-型三族氮化物材料中易於散佈，因此該觸點可包括形成於薄、透明電流散佈層上之小、厚、吸收金屬焊墊。該電流散佈層可為例如Ni及/或Au、銦錫氧化物、摻雜Cu之InO、ZnO、摻雜Ga之ZnO或任何其他適宜的摻雜、透明氧化物的薄層。
圖6闡述適宜組態、覆晶裝置之一實例之部份，其中生長基板已被移除。p-型區域18及發光區域16之一部份係經移除以形成暴露部份的n-型區域14之臺面。雖然圖6中顯示經由暴露n-型區域14者，但應瞭解可在單一裝置中形成多重通道。n-及p-觸點44及42係形成於n-型區域14與P-型區域18之暴露部份，例如藉由蒸發或電鍍形成。觸點42及44可藉由空氣或電介質層彼此電隔離。
在形成觸點金屬42及44之後，裝置之晶圓可經切割成單獨裝置，然後可將每個裝置相對於生長方向翻轉並安裝於基座40上，其中某種情況下基座40可具有大於該裝置之橫向範圍。或者，可將裝置之晶圓連接至基座之晶圓，之後將其切割成單獨裝置。基座40可為例如半導體，諸如Si、金屬或陶瓷(諸如AlN)，以及可具有至少一個電連接至p-觸點42之金屬墊(未顯示)及至少一個經電連接至n-觸點44之金屬墊(未顯示)。互連線(未顯示)諸如焊錫或金凸塊將半導體連接至基座40。可於基座40上或基座40內形成金屬間介電質，以使得p-型與n-型電流通道電隔離。
在安裝之後，藉由對基板材料適宜之方法將生長基板移除，諸如蝕刻或雷射熔合。舉例而言，可將犧牲半導體層(未顯示)選擇性地蝕刻以揭開基板。可在安裝之前或之後於裝置與基座40之間提供堅硬的底部填充物，以支撐該半導體層及防止在移除基板期間破裂。可在移除基板之後藉由變薄而將半導體結構之一部份移除。舉例而言，第一單晶層12可如圖6中所示保留在完成的裝置中，或藉由變薄而移除。可將半導體結構之經暴露的表面例如藉由蝕刻方法(諸如光電換蝕刻)或藉由機械方法(諸如研磨)粗化。使提取光之表面粗化可改良自該裝置之光提取。或者，光子結晶結構可形成於藉由移除該生長基板而暴露之該半導體之頂面。可將結構30(諸如磷層)或此項技術已知之次要光學器件(諸如分色鏡或極化器)施加至發射表面。
圖7係經包裝之發光裝置之分解圖，其更詳細闡述於美國專利6,274,924中。將散熱片100置於插入模製引線框中。該插入模製引線框係例如在提供電路徑之金屬框架106周圍模製之填充塑膠材料105。片100可包括視情況之反射器杯102。可為以上實施例中所述之裝置中的任一者之發光裝置模104係經直接或經由導熱次基座103間接安裝至片100。可加入可為光學透鏡之封蓋108。
本發明已經詳細闡述，熟悉此項技術者應瞭解，本揭示可在不偏離文中所述本發明概念之主旨下進行修飾。因此，所闡述及闡釋之特定實施例並不限制本發明之範疇。
10．．．適宜生長基板
12．．．第一單晶層
14．．．n-型區域
14a．．．漸變區域
16．．．活性或發光區域
16a．．．量子井層
16b．．．障礙層
18．．．p-型區域
18a．．．漸變區域
20．．．鋁、鎵、銦及氮之四元合金
22a．．．B=9 eV
22b．．．B=3 eV
22c．．．B=1 eV
22d．．．B=0
24．．．GaN及鋁、鎵、銦及氮之三元合金
30．．．結構
40．．．基座
42．．．p-觸點
44．．．n-觸點
100．．．散熱片
102．．．反射器杯
103．．．導熱次基座
104．．．發光裝置模
105．．．填充塑膠材料
106．．．金屬框架
108．．．封蓋
圖1闡述根據本發明實施例之三族氮化物發光裝置之一部份；
圖2、3及4為以根據本發明實施例之部份三族氮化物裝置之位置作為函數對理想帶隙能量之作圖；
圖5係針對鋁、硼、鎵、銦及氮之二元、三元及四元合金以晶格常數作為函數之帶隙能量之作圖；
圖6係以覆晶組態安裝於基座上之部份三族氮化物裝置之截面圖；
圖7係經封裝之發光裝置之分解圖；及
圖8係針對與GaN晶格匹配之BInGaN層以InN組成作為函數的BN組成之作圖。
10．．．適宜生長基板
12．．．第一單晶層
14．．．n-型區域
16．．．活性或發光區域
18．．．p-型區域

Claims (18)

  1. 一種發光結構，其包括：包括位於n-型區域與p-型區域之間的發光區域之三族氮化物半導體結構，其中：該發光區域中至少一層為Bx (Iny Ga1-y )1-x N；其中該至少一層Bx (Iny Ga1-y )1-x N為發光層，其中0.06x0.08且0.1y0.14。
  2. 如請求項1之結構，其中：該發光區域包括至少兩層經障壁層隔離之量子井發光層。
  3. 如請求項1之結構，其中與該發光區域直接接觸之該n-型區域與該p-型區域之一者的至少一部份具有漸變組成。
  4. 如請求項1之結構，其另外包括與該n-型及該p-型區域電連接之第一及第二電觸點。
  5. 如請求項1之結構，其中該Bx (Iny Ga1-y )1-x N層係與GaN晶格匹配。
  6. 如請求項1之結構，其中該Bx (Iny Ga1-y )1-x N層係經壓縮。
  7. 一種發光結構，其包括：包括位於n-型區域與p-型區域之間的發光區域之三族氮化物半導體結構，其中：該發光區域中至少一層為Bx (Iny Ga1-y )1-x N；其中該至少一層Bx (Iny Ga1-y )1-x N為發光層，其中0.08x0.11且0.14y0.18。
  8. 如請求項7之結構，其中： 該發光區域包括至少兩層經障壁層隔離之量子井發光層。
  9. 如請求項7之結構，其中與該發光區域直接接觸之該n-型區域與該p-型區域之一者的至少一部份具有漸變組成。
  10. 如請求項7之結構，其另外包括與該n-型及該p-型區域電連接之第一及第二電觸點。
  11. 如請求項7之結構，其中該Bx (Iny Ga1-y )1-x N層係與GaN晶格匹配。
  12. 一種發光結構，其包括：包括位於n-型區域與p-型區域之間的發光區域之三族氮化物半導體結構，其中：該發光區域中至少一層為Bx (Iny Ga1-y )1-x N；其中該至少一層Bx (Iny Ga1-y )1-x N為發光層，其中0.11x0.13且0.18y0.22。
  13. 如請求項12之結構，其中：該發光區域包括至少兩層經障壁層隔離之量子井發光層。
  14. 如請求項13之結構，其中：該發光區域包括該至少兩層經該障壁層隔離之量子井發光層；及其中該障壁層為Bx (Iny Ga1-y )1-x N，其中x>0。
  15. 如請求項13之結構，其中與該發光區域直接接觸之該n-型區域與該p-型區域之一者的至少一部份具有漸變組成。
  16. 如請求項13之結構，其另外包括與該n-型及該p-型區域電連接之第一及第二電觸點。
  17. 如請求項13之結構，其中該Bx (Iny Ga1-y )1-x N層係與GaN晶格匹配。
  18. 如請求項13之結構，其中該Bx (Iny Ga1-y )1-x N層係經壓縮。
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