TWI527264B - 直接成長於透明基板上的高效率AlGaInP發光二極體及其製造方法 - Google Patents

直接成長於透明基板上的高效率AlGaInP發光二極體及其製造方法 Download PDF

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Description

直接成長於透明基板上的高效率AlGaInP發光二極體及其製造方法
       本發明係為一種直接成長於透明基板上的高效率AlGaInP發光二極體及其製造方法，特別是一種直接生長於藍寶石基板之高效率AlGaInP發光二極體及其製造方法。
       磷化鋁鎵銦(AlGaInP)發光二極體經常作為發光波長550~670奈米的可見光之高亮度發光二極體來使用，但是由於由二極體朝下發出的光會被砷化鎵基板所吸收，使得具有此基板的磷化鋁鎵銦發光二極體的效率相當低。
       因此，為了克服此一問題而發展出一種吸光基板發光二極體，其於砷化鎵基板上增設有分佈式布拉格反射鏡(distribution Bragg reflector；DBR)來將部份的光線由二極體反射至基板上，然而，吸光基板發光二極體的問題點在於分佈式布拉格反射鏡的製程相當複雜，而且光線反射角度也相當侷限。
       另外，亦有提出一種利用蝕刻方式來去除發光二極體之砷化鎵基板的製造方法，然後再將可見光可穿透之磷化鎵基板使用晶圓鍵合的方式附著於發光二極體，然而，此種製造方法的問題在於需要增設有蝕刻停止層(Etching Stop Layer；ESL)來確保僅蝕刻掉砷化鎵基板，同時，發光二極體也可能因為晶圓鍵合過程中的高壓而受到損傷，導致不良率的增加；同時，磷化鎵基板的成本高昂，使其更缺乏經濟效益。
       因此，為了解決上述問題，本發明提出一種新穎的使用透明基板之磷化鋁鎵銦發光二極體及其製造方法。
       本發明之另一目的在於提出一種新穎的使用藍寶石基板之磷化鋁鎵銦發光二極體及其製造方法。
       為了實現上述目的，本發明所提出之磷化鋁鎵銦發光二極體係包含有藍寶石基板、形成於此藍寶石基板的砷化鋁鎵緩衝層、以及形成於砷化鋁鎵緩衝層的磷化鋁鎵銦發光單元。
       於本發明中，磷化鋁鎵銦發光二極體係指具有磷化鋁鎵銦發光單元之二極體。
       於本發明中，磷化鋁鎵銦發光單元係為薄層結構，包含有磷化鋁鎵銦主動層、上侷限層與下侷限層，上侷限層與下侷限層形成於磷化鋁鎵銦主動層之兩側面，並具有大於磷化鋁鎵銦主動層之能隙。
       於本發明中，透明一詞意指二極體所發出之光線可被傳出，而可透光一詞意指50%或以上波長帶的光線可被傳送。
       於本發明中，藍寶石基板相當容易取得，且可經由表面處理，使得砷化鋁鎵緩衝層能藉由有機金屬化學汽相沈積法而相當有效率地生長；較佳者，藍寶石基板係藉由砷化鎵或是砷化鋁鎵(包含等於或小於5%的鋁)來進行表面處理而具有可透光厚度，且砷化鎵或是砷化鋁鎵係以一具有10奈米或是小於10奈米，較佳則為30-70奈米的厚度的薄膜型態設置於藍寶石基板之表面。
       於本發明中，砷化鋁鎵緩衝層係概略為可供由磷化鋁鎵銦發光單元上半部所發出之光線穿過之透明緩衝層，其中砷化鋁鎵緩衝層係為(Alx Ga1-x )0.5 In0.5 P，其中0.1≤x≤0.9、較佳者為0.2≤x≤0.9；若是當x大於0.9，則砷化鋁鎵緩衝層可能會面臨氧化而導致剝落。
       根據本發明所提出之實施例，砷化鋁鎵緩衝層生長於經過表面處理的藍寶石基板上，較佳者為砷化鋁鎵緩衝層藉由有機金屬化學汽相沈積法生長至500奈米或是數微米。
       本發明另一方面係提出一種磷化鋁鎵銦發光二極體，其包含有透明基板、形成於此透明基板的砷化鋁鎵緩衝層、以及形成於砷化鋁鎵緩衝層的磷化鋁鎵銦發光單元。
       根據本發明所揭露的實施例，發光單元係配設有上侷限層與下侷限層，其皆具有大於主動層之能隙，並形成於主動層的兩側。主動層可包含磷化鋁鎵銦，而為了增加發光效率，發光單元可藉由眾所皆知的透光層來形成於其表面。
       根據本發明所揭露的實施例，發光二極體包含有可透光藍寶石基板、形成於此藍寶石基板的Alx Ga1-x As緩衝層(其中0.1≤x≤0.9)、形成於緩衝層上的N型包覆層、形成於N型包覆層的主動層、形成於主動層上的P型包覆層、以及形成於P型包覆層的P型間隙層；其中主動層係為(Alx Ga1-x )1-y Iny P，且0≤＜x≤1、0.5≤y≤0.6，且上述的包覆層皆具有磷化鋁鎵銦。
       根據本發明之實施例，因藍寶石基板為絕緣基板，發光二極體設置於藍寶石基板上的N型包覆層可以藉由蝕刻的方式露出，並於露出的表面上形成有電極。
       本發明上述與其他的目的、特徵與優點，藉由以下詳細說明僅為配合圖式，將更容易清楚瞭解。
       以下較佳實施例配合圖式、元件符號來加以詳細說明本發明，於本發明的詳細說明中當判斷相關先前技術會模糊本發明的要點時，此詳細說明將會被省略。
       本發明係提出一種磷化鋁鎵銦(AlGaInP)發光二極體，其包含有藍寶石基板、設置於藍寶石基板上的砷化鋁鎵緩衝層、以及設置於此砷化鋁鎵緩衝層的磷化鋁鎵銦發光單元。
       於本發明中，發光二極體中的每一層可採用有機金屬汽相磊晶法(metalorganic vapor phase epitaxy；MOVPE)、分子束磊晶法(molecular beam epitaxy；MBE)、有機金屬化學汽相沈積法(metalorganic chemical vapor deposition；MOCVD)或其他近似的方法來形成，基本上，每一層都是生長於磊晶層上。
       如第1圖所示，本發明可採用可供磷化鋁鎵銦所發出之光線穿透的藍寶石基板9，譬如可採用厚度為350-450微米的N型藍寶石基板9。
       砷化鋁鎵緩衝層7形成於藍寶石基板9上，其形成方式如下所述。首先將藍寶石基板9置放於可以控制溫度的腔體內，接續以預定的加熱速率將腔體內的溫度加熱至600℃，利用有機金屬化學汽相沈積法於藍寶石基板9之上形成厚度30奈米的砷化鎵層，然後將腔體內的溫度降低至500℃並維持20分鐘，而獲得具砷化鎵表面處理的可透光藍寶石基板9。
       接續，將腔體內的溫度加熱至650℃，利用有機金屬化學汽相沈積法於砷化鎵層之上形成厚度500奈米的砷化鋁鎵層，然後將此具有砷化鋁鎵層的藍寶石基板9冷卻至常溫，並將其取出腔體，而可於基本上形成砷化鋁鎵緩衝層7。請參閱第2圖，形成有砷化鋁鎵緩衝層7的區段利用掃描式電子顯微鏡來加以分析，以確保於藍寶石基板9上的砷化鋁鎵緩衝層7具有適當的厚度。
       砷化鋁鎵緩衝層7上亦可形成有發光層，特別是可以於砷化鋁鎵緩衝層7上生長N型侷限層5((Alx Ga1-x )0.5 In0.5 P)，其厚度可為2-3微米。
       而發光主動層可使用電子-電動結合的方式，譬如可於N型侷限層5((Alx Ga1-x )0.5 In0.5 P)上生長有500-600奈米的u摻雜主動層4((Aly Ga1-y )0.5 In0.5 P)，其可具有雙異質接面(double heterostructure)或是多量子井結構(multiquantum structure)而能有效侷限載體。
       於u摻雜主動層4上生長具有厚度與N型侷限層5相同或是相似的P型侷限層3((Alz Ga1-z )0.5 In0.5 P)，接著於溫度400℃或400℃以下的溫度，在P型侷限層3上藉由譬如為有機金屬化學汽相沈積法、分子束磊晶法等真空沈積的方式來生長磷化鎵透光層(window layer)2，其可具有3微米或以上的厚度。
       接著，於磷化鎵透光層2、P型侷限層3、以及u摻雜主動層4蝕刻後，會使得部份的N型侷限層5露出，並於磷化鎵透光層2形成有上電極1、於露出的N型侷限層5表面形成有下電極10，而完成本發明具有緩衝層的發光二極體。
       根據本發明所揭露的一個實施例中，P型電極層可以採用金-鋅合金或是金-鈹合金來製作，而N型電極層則可以採用金-鍺-鎳合金來製作，更進一步來說，相關的參數x、y、z之條件可為0≤y≤0.7、y≤x以及y≤z，同時，在此所謂的(Alx Ga1-x )0.5 In0.5 P、(Aly Ga1-y )0.5 In0.5 P、(Alz Ga1-z )0.5 In0.5 P皆為磷化鋁鎵銦化合物，並可相互區隔，同時上面所提及的(Alx Ga1-x )0.5 In0.5 P之化學劑量也僅為實施例，根據輸出的光線波長可據以變化。
       如上所述，本發明所揭露之磷化鋁鎵銦發光二極體可使用不昂貴的藍寶石基板來加以製作，且具有紫外線、紅外線、可見光的高透光率(transmittance)。
       本發明所揭露之磷化鋁鎵銦發光二極體，因下基板不會吸收光線而具有高發光效率，且因為去除砷化鎵、或是結合藍寶石基板不需要特殊的製程，而能有效率的製造。
       唯以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍。故即凡依本發明申請範圍所述之特徵及精神所為之均等變化或修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。
1‧‧‧上電極
2‧‧‧透光層
3‧‧‧P型侷限層
4‧‧‧u摻雜主動層
5‧‧‧N型侷限層
7‧‧‧砷化鋁鎵緩衝層
9‧‧‧藍寶石基板
10‧‧‧下電極
         第1圖，為根據本發明直接生長於透明基板之(Alx Ga1-x )1-y Iny P發光二極體的示意圖。 第2圖，為用以製造第1圖所繪示之(Alx Ga1-x )1-y Iny P發光二極體所必須具有形成於N型藍寶石基板上之N型砷化鋁鎵緩衝層之分析結果。
1‧‧‧上電極
2‧‧‧透光層
3‧‧‧P型侷限層
4‧‧‧u摻雜主動層
5‧‧‧N型侷限層
7‧‧‧砷化鋁鎵緩衝層
9‧‧‧藍寶石基板
10‧‧‧下電極

Claims (15)

  1. 一種磷化鋁鎵銦發光二極體，係包含有：一藍寶石基板，該藍寶石基板係表面塗佈有一可透光厚度之砷化鎵或是包含等於或小於5%的鋁的砷化鋁鎵；一砷化鋁鎵緩衝層，設置於該藍寶石基板；以及一磷化鋁鎵銦發光單元，設置於該砷化鋁鎵緩衝層。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之磷化鋁鎵銦發光二極體，其中該砷化鎵或是砷化鋁鎵係以一具有30-70奈米厚度的薄膜型態設置於該藍寶石基板之該表面。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之磷化鋁鎵銦發光二極體，其中該砷化鋁鎵緩衝層係為(AlxGa1-x)0.5In0.5P，其中0.1x0.9。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之磷化鋁鎵銦發光二極體，其中該砷化鋁鎵緩衝層係藉由有機金屬化學汽相沈積法(metalorganic chemical vapor deposition；MOCVD)來生長。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之磷化鋁鎵銦發光二極體，其中該砷化鋁鎵緩衝層具有大或等於500奈米的厚度。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之磷化鋁鎵銦發光二極體，其中該砷化鋁鎵緩衝層係為N型、P型或是未摻雜之緩衝層。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之磷化鋁鎵銦發光二極體，其中該磷化鋁鎵銦發光單元係包含一磷化鋁鎵銦主動層、一上侷限層與一下侷限層，該上侷限層與該下侷限層形成於該磷化鋁鎵銦主動層之兩側面，並具有大於該磷化鋁鎵銦主動層之能隙。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之磷化鋁鎵銦發光二極體，其中該磷化鋁 鎵銦主動層係為(AlxGa1-x)1-yInyP，其中0<x1、0.5y0.6。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之磷化鋁鎵銦發光二極體，其中該下侷限層係部份露出來形成一下電極。
  10. 一種磷化鋁鎵銦發光二極體的製造方法，係包含下列步驟：於一藍寶石基板上形成一砷化鋁鎵緩衝層，該藍寶石基板係藉由砷化鎵或是包含等於或小於5%的鋁之砷化鋁鎵來進行表面處理，而具有一可透光厚度；以及於該砷化鋁鎵緩衝層上形成一發光單元。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之磷化鋁鎵銦發光二極體的製造方法，其中該砷化鎵或是砷化鋁鎵係以一具有30-70奈米厚度的薄膜型態設置於該藍寶石基板之該表面。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之磷化鋁鎵銦發光二極體的製造方法，其中該砷化鋁鎵緩衝層係藉由有機金屬化學汽相沈積法(metalorganic chemical vapor deposition；MOCVD)來生長。
  13. 如申請專利範圍第10項所述之磷化鋁鎵銦發光二極體的製造方法，其中一下侷限層、一主動層與一上侷限層係依序生長於該砷化鋁鎵緩衝層之表面。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之磷化鋁鎵銦發光二極體的製造方法，其中該上侷限層上更形成有一透光層。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之磷化鋁鎵銦發光二極體的製造方法，其中該透光層上更形成有一上電極，而該下侷限層經過蝕刻、曝露後，形成有一下電極。
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