TWI502763B - 控制應變之三族氮化物之發光裝置 - Google Patents

Description

控制應變之三族氮化物之發光裝置

本發明係關於三族氮化物之發光裝置。

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)及邊緣發射型雷射器之半導體發光裝置係當前可用之最有效光源之一。當前於製造能夠在整個可見光譜上進行操作之高亮度發光裝置中所關心之材料系統包括III-V族半導體，尤其是鎵、鋁、銦與氮之二元、三元及四元合金，其亦稱作三族氮化物材料。通常，藉由有機金屬化學氣相沉積(MOCVD)、分子束磊晶法(MBE)或其它磊晶技術在藍寶石、碳化矽、三族氮化物或其它適合之基板上磊晶成長一具有不同組合物及摻雜物濃度之半導體層堆疊來製造三族氮化物之發光裝置。該堆疊經常包括形成於基板上之摻雜有(例如)Si之一或多個n型層、一形成於該或該等n型層上之發光區或活性區、及形成於該活性區上之摻雜有(例如)Mg之一或多個p型層。形成於傳導性基板上之三族氮化物裝置可具有形成於該裝置之相對側上的p接點及n接點。三族氮化物裝置經常係在諸如藍寶石之絕緣基板上得以製造，其中兩種接點位於該裝置之相同側上。安裝該等裝置使得光可藉由該等接點來提取(稱作上磊晶(epitaxy-up)裝置)或藉由裝置之一與該等接點相對的表面來提取(稱作覆晶裝置)。

圖1說明一習知之三族氮化物LED。圖1之裝置包括GaN或AlN緩衝層31、n型GaN層32、InGaN活性層33、p型AlGaN層34及p型GaN層35，該等層按序堆疊在藍寶石基板30之頂面上。層33、34及35之一部分係藉由蝕刻來移除以曝露n型GaN層32之一部分，然後在n型GaN層32之曝露部分上形成n側電極6。在剩餘p型GaN層35之頂面上形成p側電極5。

根據本發明之實施例，在三族氮化物之發光裝置中，三元或四元發光層經組態以控制相分離之程度。在一些實施例中，該發光層中任一點處之InN組合物與該發光層中之平均InN組合物間之差小於20%。在一些實施例中，相分離之控制係藉由控制一具有與該發光層之組合物相同的組合物之鬆散獨立式層中之晶格常數與一基極區中之晶格常數之比率來完成。舉例而言，該比率可在約1與約1.01之間。

諸如圖1中所說明之裝置之在藍寶石或SiC上成長之三族氮化物裝置通常具有大約5-50×10⁸ cm^-2 之線狀錯位密度。該等LED可能展現出下列不良行為。第一，對於具有含有約5至10%之InN組合物之發光層的LED而言，內部量子效率(IQE)(其被定義為裝置之活性區內所產生之光子數目除以提供給該裝置之電子數目)通常最高，從而產生約400 nm之峰值發射波長。隨著InN組合物及峰值發射波長增加，IQE會降低。對於一些裝置而言，IQE對於約25%之InN組合物(對應於長於約550 nm之峰值發射波長)幾乎為零。對於具有小於約5%之InN組合物(峰值發射波長短於約400 nm)之發光層而言，IQE亦降低。此行為係說明於圖2中，該圖係IQE作為波長與InN組合物之函數的曲線圖。圖2中之數據對應於具有給定厚度之發光層。隨著發光層厚度變化，最大的外部量子效率可自圖2中所示之點移位。

第二，具有給定色彩之基於三族氮化物之LED的效率亦取決於驅動電流。該效率通常在相對較低之電流密度處達到峰值，且隨著該電流密度的增加而迅速降低。一般而言，LED之發射波長較長時，效率的降低最大。此行為係說明於圖3中，該圖係對於峰值發射波長在428 nm至527 nm範圍內之四個裝置之插座效率(其被定義為裝置輸出之光功率除以提供給該裝置之電功率)作為正向電流之函數的曲線圖。一對效率隨發光層中之InN組合物及電流密度增加而降低的解釋係因晶體中之應變及晶格缺陷而引起之InGaN發光層的相分離。

三族氮化物之發光裝置通常係在諸如藍寶石及SiC之基板上成長。該等基板與三族氮化物晶體層存在顯著的晶格失配及熱膨脹係數失配。因此，晶體不完美、尤其是線狀錯位以高密度存在於該等基板上所成長之晶體層中。另外，基於三族氮化物之裝置通常係沿[0001]或「c」結晶軸線成長，從而產生(0001)或c平面材料。諸如InGaN之三族氮化物三元合金的晶格常數會隨組合物而顯著改變。在(0001)為InGaN之狀況下，GaN與InN之間的晶格失配係11%。因此，在GaN基極層上成長之具有低InN組合物之薄InGaN發光層得以壓縮應變。雖然以上論述係指c平面三族氮化物裝置，但是本文所述之概念及實施例同樣可應用於諸如a平面及m平面之其它定向的三族氮化物晶體。因此，本發明不限於(0001)裝置。

InN與GaN在InGaN合金中不可完全混溶。在一組給定的成長條件下，臨界InN組合物作為界定一在能量方面不利之組合物區的上限及下限而存在。上述存在於三族氮化物層中之應變及晶格缺陷趨向於促使InGaN層成長得過厚或在此「禁止」範圍內具有一組合物以相分離成InN及GaN。相分離導致具有高於組合物上限及低於組合物下限之InN組合物的InGaN凹穴。形成該特性之富含InN之InGaN材料叢集係由所含有之InN比InGaN層之平均InN組合物少之材料區所分離。該等富含InN之區域已於具有InGaN發光層之裝置的發光層中得以觀察，該等InGaN發光層含有多於約8%之InN且在GaN基極層上成長。舉例而言，在一具有11%之平均InN組合物之成長在GaN上之InGaN發光層的裝置中，發明者已觀察到，該發光層中之InN組合物中的一標準偏差係2% InN。期望發光層InN組合物在低於平均值三個標準偏差至高於平均值三個標準偏差之範圍內，意即，在5%與17% InN之間，與該平均值變差54%。實際上所觀察到之最高InN組合物係22%，與平均值變差100%。對於一具有20%之平均InN組合物之成長在GaN上之InGaN發光層的裝置而言，亦觀察到該發光層中之InN組合物中的一標準偏差係2% InN，從而導致在14%與26% InN之間的期望範圍，與平均值變差30%。實際上所觀察到之最高InN組合物係38%，與平均值變差90%。

製造具有高量子效率之三族氮化物光發射器之能力經常被歸於以下事實：上述之InGaN發光層中富含InN之區域具有比該等InGaN層中之其餘區域之能隙小的能隙，且因此將電子及電洞限制在該等富含InN之區域中，從而防止了在由失配基板上之成長所造成之晶體缺陷處之非輻射再組合。換言之，由於習知的三族氮化物之發光裝置中存在非輻射再組合位點，因而可能需要InGaN發光層中某種程度的相分離以達成高輻射再組合效率。然而，在高InN組合物處，該相分離係如此顯著以致於相分離之任何益處可被由相分離所引入之問題勝過，如圖2中所說明之高InN組合物處不良地低的外部量子效率所示。

圖4說明根據本發明之實施例之三族氮化物之發光裝置。n型或未摻雜之基極區52係於基板50上成長。成核區(未圖示)通常係在基極區52成長之前成長在基板50上。該成核區包括一或多個多晶或非晶系材料層。基極區52之初期係在成核區上所成長之第一單晶材料。n型區54係安置在基極層52與活性區55之間。p型區56係形成在活性區55上。基極區52、n型區54、活性區55及p型區56中之每一者可含有具有不同厚度、組合物及摻雜物濃度之一或多個層。舉例而言，活性區55可包括由具有不同組合物之障壁層所圍繞之一或多個量子井層或發光層。

在圖4中所說明之實施例中，p型區56及活性區55之一部分經蝕去以顯露n型區54之一部分。p接點58係形成在p型區56之剩餘部分上，且n接點57係形成在n型區54之曝露部分上。可藉由形成透明接點或覆蓋磊晶結構頂部之一小部分的接點而經由裝置之頂部來提取光。可藉由使該等接點具有反射性而經由該裝置之基板的底部來提取光，如此項技術中已知。在該等裝置中，基極區52與n型區中至少之一者必須足夠厚且充分摻雜以在活性區之n側上提供電流散佈。在其它實施例中，基板50係傳導性的，且該等接點之一者係形成在基板50之底部上。在又一些其它實施例中，磊晶層59係藉由p型區56之傳導性介面而黏合至一主體基板，然後成長基板50經移除，且n接點57係形成在藉由成長基板移除而曝露之表面上。成長基板移除係於2004年3月19日申請之標題為「Photonic Crystal Light Emitting Device」之申請案第10/804,810號中得以更詳細地說明，該案經讓渡給本發明之受讓人且以引用之方式併入本文中。在基板50係傳導性或經移除之實施例中，基極區52可比圖4之裝置中的薄。雖然圖4展示n型區54在p型區56之前成長在基板50上，但是在一些實施例中，可顛倒成長順序，使得p型區56在n型區54之前成長。在該等實施例中，基極區52可為p型或未摻雜之材料。

根據裝置之實施例，選擇基極區52及活性區55之發光層之特徵，以控制該等發光層中之相分離。換言之，選擇基極區52及活性區55之發光層之特徵，使得給定發光層中任一點處之InN組合物接近於整個發光層中之平均InN組合物；在一些實施例中，任一點處之InN組合物自平均InN組合物改變小於20%。自平均InN組合物之改變以小於10%較佳，且自平均InN組合物之改變以小於5%最佳。雖然以下實例描述InGaN發光層，但是預期在四元AlInGaN發光層中有類似之相分離行為。因此，本文中之教示可應用於四元發光層。

在一些實施例中，活性區之發光層藉由控制發光層與基極區52之間的晶格常數失配而防止相分離。在一些實施例中，具有與發光層之組合物相同之組合物之鬆散獨立式層中之晶格常數與基極區中之晶格常數的比率在約1與約1.01之間。雖然因成長高品質之InGaN之困難性及InGaN對高處理溫度之敏感性而通常不贊同在活性區外部使用InGaN，但是InGaN可用於基極區52中以限制與發光層之晶格常數失配。在InGaN中，晶格常數幾乎隨組合物線性地變化。因此，對於二元GaN或三元InGaN基極區52而言，晶格常數受該基極區中之InN組合物束縛，且對於活性區52之給定InGaN發光層而言，可選擇基極區InN組合物以控制晶格常數失配。在一些實施例中，基極區52包括至少一四元AlInGaN層。四元層之使用允許獨立於能隙來設計晶格常數。

圖5說明對於給定InGaN發光層組合物而言，用於基極區之可接受晶格參數、用於GaN或InGaN基極區之可接受InN組合物，及用於包括20% AlN之四元AlInGaN基極區之可接受的InN組合物。較佳之基極區晶格常數及InN組合物位於及高於圖5中之虛對角線。在第一實例中，具有GaN基極區52之裝置可具有InGaN發光層，該等InGaN發光層具有小於或等於約8%之InN組合物。在第二實例中，發射約500 nm之光的裝置在InGaN中具有約15%之InN組合物。基極區中之晶格常數應為約3.2或更大。InGaN基極區裝置中之InN組合物應為至少7%。具有20% AlN之AlInGaN基極區之InN組合物應為至少10%。在第三實例中，發射約550 nm之光的裝置在InGaN發光層中具有約20%之InN組合物。基極區中之晶格常數應為約3.22或更大。InGaN基極區之InN組合物應為至少12%。具有20% AlN之AlInGaN基極區之InN組合物應為至少14%。雖然圖5展示作為一實例之包括20% AlN之四元層中之可接受InN組合物，但是應瞭解，可使用具有高於圖5中虛對角線之晶格參數之任何四元層組合物。

基極區52通常係厚區域，例如，為至少約一微米厚。基極區52設定成長在基極區52上之包括活性區之該或該等發光層在內的層之晶格常數。成長在基極區52與發光層之間的層及該等發光層本身成長得足夠薄以使其可應變。應變狀態將基極區52之晶格常數維持於(例如)n型區54中，該n型區將基極區52與活性區55及活性區55之發光層隔開。舉例而言，當在GaN基極區上成長時，為了維持該應變狀態，具有8% InN之InGaN發光層可具有小於約330 nm之厚度；具有10% InN之InGaN發光層可具有小於約75 nm之厚度；且具有14% InN之InGaN發光層可具有小於約30 nm之厚度。

控制發光層與基極區52之間的晶格常數失配以防止相分離可允許使用較厚的發光層。在一習知之三族氮化物裝置中，多量子井活性區中之量子井通常對於約10% InN組合物而言限於約5 nm之厚度、且對於約20% InN組合物而言限於約3 nm之厚度。在基極區52及活性區55之發光層之特徵經選擇以大體上減少該等發光層中之相分離的裝置中，可使用較厚的量子井，例如對於約20%的InN組合物而言為約5 nm。另外，可使用(例如)厚度在約5 nm與約300 nm之間的單一的厚發光層。

可使用已知之三族氮化物成長技術來製造具有適當晶格常數之基極區。當使用SiC成長基板時，基極區52可直接在該基板上成長。當使用藍寶石成長基板時，基極區52可在成核區上成長。

在一些實施例中，具有適當晶格常數之基極區52係在一含有InN之長晶層或多個層上成長。最靠近於基板之長晶層可比遠離該基板之層具有更多的銦。該等長晶層可在低溫(例如在約400℃與約650℃之間)下成長。一在較高溫度下形成之頂蓋層可形成在含有InN之長晶層上。含有InN之長晶層的成長在此項技術中為吾人已知。

在一些實施例中，InGaN基極區係藉由首先在藍寶石(0001)基板上成長習知之低溫(例如，400℃至650℃) GaN長晶層(例如，150至350厚)而成長。然後在該GaN長晶層之頂部上成長厚(0.5-5微米)InGaN膜之基極區。此基極區之所得晶格參數係藉由InGaN膜中之InN組合物來判定，因為其未應變至下層低溫GaN長晶層。高溫InGaN膜之典型前驅體係N₂ 環境下之三甲基銦(TMI)及三乙基鎵(TEG)或三甲基鎵(TMG)。基極區中之InN組合物可藉由(例如)對於約3% InGaN膜而言之約975℃的成長溫度來控制。降低InGaN成長溫度將增加InN併入及平面內晶格參數。InGaN膜基極區可未摻雜或摻雜。

在一些實施例中，具有適當晶格常數之基極區係在一「重設」裝置之晶格常數之結構上成長。舉例而言，具有適當組合物之基極區52可作為一在GaN缺陷減少層或Si配料之GaN缺陷減少層上成長之含有InN的晶粒聚結層來成長。該等晶粒聚結層之成長及缺陷減少層係於Goetz等人之美國專利6,630,692中得以描述，該專利經讓渡給本發明之受讓人且以引用之方式併入本文中。

由於發光層沒有防止非輻射載流子再組合之富含InN之區域，因而如上文所述之裝置可能需要降低位錯密度，在該裝置中，該發光層中任一點處之InN組合物與平均InN組合物之變差小於20%。在一些實施例中，根據圖4之裝置可能需要小於約5×10⁸ cm^-2 之位錯密度。位錯密度小於約5×10⁸ cm^-2 之裝置可藉由(例如)諸如磊晶橫向過度成長法、懸吊式磊晶法(pendeoepitaxy)或懸臂式磊晶法的技術來成長。磊晶橫向過度成長法、懸吊式磊晶法及懸臂式磊晶法在此項技術中為吾人熟知，且於下列各以引用之方式併入本文中之專利及公開案中得以描述：美國專利6,599,362；Follstaedt等人之「Minimizing threading dislocations by redirection during cantilever epitaxial growth of GaN,」Appl. Phys. Lett.,81,2758(2002);Nakamura等人之「InGaN/GaN/AlGaN-based laser diodes with modulation-doped strained-layer superlattices grown on an epitaxially laterally overgrown GaN substrate,」Appl. Phys. Lett. 72,211(1998);Kato等人之J. Cryst. Growth,144,133(1994)；及美國專利6,265,289。

圖6係一大型接合裝置(意即，面積大於或等於一平方毫米)之平面圖。圖7係圖6中所示之裝置之沿軸線70截取的橫截面。圖6及7說明可與圖4及隨附本文中所說明並描述之任何磊晶結構59一起使用之接點配置。磊晶結構59之活性區藉由三個溝渠而分成四個區域，n接點57係形成於該等溝渠中。每一區域藉由形成於p接點58上之四個p次載具(submount)連接24而連接至一次載具。n接點57圍繞四個活性區。n接點57藉由六個n次載具連接23而連接至一次載具。n接點及p接點可利用一絕緣層22來電隔離。圖6及7中所說明之裝置通常係以覆晶組態來安裝，使得大多數離開該裝置之光穿過成長基板50。

圖8係一已封裝發光裝置之分解圖。一散熱塊(heat-sinking slug) 100置放於一插入模製引線框106內。插入模製引線框106為(例如)繞一提供電路徑之金屬框架而模製之填充塑膠材料。塊100可包括一可選反射器杯102。經由一導熱次載具103將發光裝置模104直接或間接地安裝至塊100，此發光裝置模可係上述任何裝置。可添加一蓋罩108，其可為一光學透鏡。

由於已詳細描述了本發明，因而熟悉此項技術者應瞭解，對於本揭示而言，可在不脫離本文所述之發明性概念之精神的情況下對本發明作出修改。因此，吾人不欲將本發明之範疇限於所說明並描述之特定實施例。

5．．．p側電極

6．．．n側電極

22．．．絕緣層

23．．．n次載具連接

24．．．p次載具連接

30．．．藍寶石基板

31．．．GaN或AlN緩衝層

32．．．n型GaN層

33．．．InGaN活性層

34．．．p型AlGaN層

35．．．p型GaN層

50．．．基板

52．．．基極區/基極層

54．．．n型區

55．．．活性區

56．．．p型區

57．．．n接點

58．．．p接點

59．．．磊晶結構/磊晶層

70．．．軸線

100．．．散熱塊

102．．．反射器杯

103．．．導熱次載具

104．．．發光裝置模

106．．．插入模製引線框

108．．．蓋罩

圖1說明先前技術之三族氮化物LED。

圖2係對於三族氮化物LED之外部量子效率作為峰值波長之函數的曲線圖。

圖3係對於四個發射不同波長之光之裝置之插座效率作為正向電流之函數的曲線圖。

圖4係根據本發明之實施例之三族氮化物裝置的橫截面圖。

圖5說明圖4之裝置之基極區及發光層中之InN組合物的可能範圍。

圖6及7說明圖4中所說明之裝置上之接點配置的平面圖及橫截面圖。

圖8說明一已封裝發光裝置。

(無元件符號說明)

Claims (23)

1. 一種三族氮化物之發光裝置，其包含：一成核(nucleation)區；一基極區，其形成於該成核區上，該基極區具有一晶格常數a₁ ；及一發光層，其上覆該基極區且安置在一n型區與一p型區之間；其中：該發光層具有一大於8%的平均InN組合物；一鬆散獨立式(relaxed free standing)層，其具有與該發光層之組合物相同之一組合物，該鬆散獨立式層具有一晶格常數a₂ ；且a₂ 與a₁ 之一比率係在約1與約1.01之間。
2. 如請求項1之裝置，其中該發光層經組態以發射一峰值發射波長大於420 nm之光。
3. 如請求項1之裝置，其中該基極區係Al_x In_y Ga_z N，其中0x1、0y1且0z1。
4. 如請求項1之裝置，其中該基極區係In_x Ga_y N，其中0x1且0y1。
5. 如請求項1之裝置，其中該基極區、該n型區、該發光層及該p型區中之一錯位密度小於約5×10⁸ cm^-2 。
6. 如請求項1之裝置，其中：該發光層係In_x Ga_y N，其中0.08x1；且該基極區係In_a Ga_b N，其中(x-0.08)a1。
7. 如請求項1之裝置，進一步包含：一電連接至該n型區之第一接點；一電連接至該p型區之第二接點；一電連接至該第一及該第二接點之引線框；及一覆蓋該發光層之蓋罩。
8. 如請求項1之裝置，其中該發光層具有一大於5 nm之厚度。
9. 如請求項1之裝置，其中該發光層具有一大於10 nm之厚度。
10. 如請求項1之裝置，其中該發光層係一第一量子井，該裝置進一步包含：一第二量子井；及一安置在該第一與該第二量子井之間的障壁層。
11. 如請求項1之裝置，其中該發光層及該發光層與該基極區之間的任何層經應變。
12. 如請求項1之裝置，其中該基極區係該n型區。
13. 一種三族氮化物之發光裝置，其包含：一基板；一基極區，其形成於該基板上，該基極區具有一晶格常數a₁ ；及一發光層，其上覆該基極區且安置在一n型區與一p型區之間；其中：該發光層具有一大於8%之平均InN組合物；一鬆散獨立式層，其具有與該發光層之組合物相同之一組合物，該鬆散獨立式層具有一晶格常數a₂ ；且a₂ 與a₁ 之一比率係在約1與約1.01之間。
14. 如請求項13之裝置，其中該發光層經組態以發射一峰值發射波長大於420 nm之光。
15. 如請求項13之裝置，其中該基極區係Al_x In_y Ga_z N，其中0x1、0y1且0z1。
16. 如請求項13之裝置，其中該基極區係In_x Ga_y N，其中0x1且0y1。
17. 如請求項13之裝置，其中：該發光層係In_x Ga_y N，其中0.08x1；且該基極區係In_a Ga_b N，其中(x-0.08)a1。
18. 如請求項13之裝置，其中該基板係SiC。
19. 一種製造發光裝置之方法，其包含：在一成長基板上成長一磊晶堆疊，該磊晶堆疊包含：一基極區，其具有一晶格常數a₁ ；及一發光層，其上覆該基極區且安置在一n型區與一p型區之間；將該磊晶堆疊黏合至一主體基板；及移除該成長基板；其中：該發光層具有一大於8%之平均InN組合物；一鬆散獨立式層，其具有與該發光層之組合物相同之一組合物，該鬆散獨立式層具有一晶格常數a₂ ；且a₂ 與a₁ 之一比率係在約1與約1.01之間。
20. 如請求項19之方法，其中該發光層經組態以發射一峰值發射波長大於420 nm之光。
21. 如請求項19之方法，其中該基極區係Al_x In_y Ga_z N，其中0x1、0y1且0z1。
22. 如請求項19之方法，其中該基極區係In_x Ga_y N，其中0x1且0y1。
23. 如請求項19之方法，其中：該發光層係In_x Ga_y N，其中0.08x1；且該基極區係In_a Ga_b N，其中(x-0.08)a1。