TWI595683B - 發光裝置及其製造方法 - Google Patents

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皇家飛利浦電子股份有限公司
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Description

發光裝置及其製造方法
本發明係關於一種生長於至少部分鬆弛之一半導體層上的半導體發光裝置。
包含發光二極體(LED)、諧振腔發光二極體(RCLED)、垂直腔雷射二極體(VCSEL)及邊緣發射雷射的半導體發光裝置係當前可用之最有效率之光源之一。在製造可跨可見光譜而操作之高亮度發光裝置中，當前受關注的材料系統包含III-V族半導體、尤其是鎵、鋁、銦及氮之二元、三元及四元合金，亦稱為III族氮化物材料。通常，藉由利用金屬有機化學氣相沈積(MOCVD)、分子束磊晶法(MBE)或其他磊晶技術在一藍寶石基板、碳化矽基板、III族氮化物基板或其他適宜基板上磊晶地生長不同組合物及摻雜物濃度之一半導體層堆疊而製造III族氮化物發光裝置。該堆疊通常包含形成於該基板上之例如用Si摻雜之一個或多個n型層，在形成於該n型層或多個n型層上之一作用區域中的一個或多個發光層，及形成於該作用區域上之例如用Mg摻雜之一個或多個p型層。電接觸件係形成於該等n型及p型區域上。
如在本文中所使用，一「平面內(in-plane)」晶格常數指裝置內之一層的實際晶格常數，且一「主體(bulk)」晶格常數指一給定組合物之鬆弛、獨立式材料之晶格常數。在一層中的應變之量係定義為|ain-plane-abulk|/abulk。
當III族氮化物裝置習知地生長於藍寶石上時，生長於該基板上的第一結構一般係具有約3.189 或更小的一平面內a-晶格常數的一層GaN模板層。該GaN模板用作發光區域的一晶格常數模板，因為其設定生長於該模板層上的所有應變裝置層(包含InGaN發光層)之晶格常數。因為InGaN之主體晶格常數大於該習知GaN模板之平面內晶格常數，該發光層當生長於一習知GaN模板上時係壓縮應變。例如，經組態以發射約450 nm之光之一發光層可具有組合物In0.16Ga0.84N，相較於GaN之晶格常數3.189 ，In0.16Ga0.84N係具有3.242 的一主體晶格常數之組合物。如在經設計以發射較長波長的光之裝置中，隨著在該發光層中的InN組合物增加，在該發光層中的壓縮應變亦增加。
圖1繪示更詳細地描述於US 7,547,908中的一LED的磊晶結構。一習知低溫成核層22係直接生長於一藍寶石基板20之表面上。成核層22通常係一低品質、非單晶層，諸如在400℃與750℃之間的一溫度下而生長至例如多達500 之一厚度的一非晶、多晶或立方晶相GaN層。一第二低溫層26係生長於成核層22上。低溫層26可為一低品質、非單晶層，諸如在400℃與750℃之間的一溫度下而生長至多達500 之一厚度的一非晶、多晶或立方晶相III族氮化物層。低溫層26可為InGaN，使得低溫層26使包含一層InGaN發光層之裝置層10之晶格常數增加至超過用習知成核結構(諸如一習知GaN模板)可達成之晶格常數之範圍。在一些實例中，低溫層26係AlGaN或AlInGaN，使得低溫層26減小由成核層22建立之晶格常數，以減小在一UV裝置之AlGaN發光區域中的拉伸應變。此等裝置之發光作用層可例如為AlGaN或AlInGaN。
本發明之一目的係提供一種有效率地發射光的半導體發光裝置。
在本發明之一些實施例中，一種裝置包含：一第一半導體層；一第二半導體層；一第三半導體層；及一半導體結構，其包括安置於一n型區域與一p型區域之間之一層III族氮化物發光層。該第二半導體層係安置於該第一半導體層與該第三半導體層之間。該第三半導體層係安置於該第二半導體層與該發光層之間。該第一半導體層之平面內晶格常數與該第三半導體層之主體晶格常數之間之差異不大於1%。該第一半導體層之該平面內晶格常數與該第二半導體層之主體晶格常數之間之差異為至少1%。該第三半導體層係至少部分鬆弛的。
在一些實施例中，一種方法包括：生長一第一半導體層；生長一第二半導體層；生長一第三半導體層；及生長包括安置於一n型區域與一p型區域之間的一層III族氮化物發光層的一半導體結構。該第二半導體層係安置於該第一半導體層與該第三半導體層之間。該第三半導體層係安置於該第二半導體層與該發光層之間。該第一半導體層之一平面內晶格常數與該第三半導體層之一主體晶格常數之間之差異不大於1%。該第一半導體層之一平面內晶格常數與該第二半導體層之一主體晶格常數之間之差異為至少1%。該第三半導體層係至少部分鬆弛的。
在一些實施例中，該第一半導體層之該平面內晶格常數與該第二半導體層之該主體晶格常數之間之差異足夠大，使得該第二半導體層至少部分鬆弛。該第三半導體層之該主體晶格常數與該第一半導體層之該平面內晶格常數之間之差異足夠小，使得該第三半導體層在生長於該第二半導體層上時至少部分鬆弛。該第三半導體層之該平面內晶格常數因此可大於習知生長模板之平面內晶格常數。一發光層可比生長於一習知生長模板上的一發光層以更小應變而生長於該第三半導體層上，此可改良該裝置之效能。
在本發明之實施例中，一種III族氮化物裝置包含兩層，一晶格失配層及生長於該晶格失配層上的一鬆弛層。該晶格失配層經選擇以相對於該鬆弛層而具有一極高的晶格失配。該失配迫使該鬆弛層鬆弛。該鬆弛層可為裝置層之一者，然而並非必須如此。
儘管在下文之實例中，該半導體裝置係發射可見光或UV光的III族氮化物LED，本發明之實施例可包含於除LED以外的其他半導體光電或電子裝置中，諸如雷射二極體、場效應電晶體及偵測器，及以其他材料系統(諸如AlGaInP、AlGaInAs及AlGaInAsP)製造之裝置。
圖2繪示根據本發明之實施例之生長於一生長基板20上的一磊晶結構。一第一層30係生長於基板20上，其可例如為SiC、Al2O3、Si、複合基板或任意其他適宜基板。該第一層30可例如為GaN、InGaN、AlN、AlGaN或AlInGaN，且可為n型、p型或未經刻意摻雜。在一些實施例中，至裝置層10之n型區域的電接觸係藉由形成於該第一層30上的一金屬接觸件而建立。相應地，在一些實施例中，第一層30係用一n型摻雜物摻雜至適用於一接觸層的一摻雜物濃度。
一晶格失配層32係生長於第一層30上。晶格失配層32經選擇以具有不同於生長於晶格失配層32上之層(該層係圖2中繪示之結構中之n型區域34的全部或一部分)的一主體晶格常數。該晶格失配層32之主體晶格常數與直接生長於其上之該層之主體晶格常數之間之差異在一些實施例中係至少2%，且在一些實施例中係至少1%。晶格失配層32具有小於3.18 的一主體晶格常數，在一些實施例中小於3.17 ，在一些實施例中小於3.16 ，且在一些實施例中小於3.15 。例如，晶格失配層32可為AlN，其具有3.11 的一主體晶格常數；或可為具有至少30%的AlN組合物之AlGaN，其具有不大於3.165 的一主體晶格常數。直接生長於晶格失配層32上的該層可為：GaN，其具有3.189 的一主體晶格常數；InGaN，其具有大於GaN之主體晶格常數的一主體晶格常數；或AlInGaN。直接生長於晶格失配層32上之一InGaN層在一些實施例中具有大於0且至多10%的InN組合物，在一些實施例中在1%與6%之間，且在一些實施例中係3%。
出於本申請案之目的，可根據韋嘎定律(Vegards law)而計算三元或四元III族氮化物化合物AxByCzN之主體晶格常數，其中ax,y,z=x(aAN)+y(aBN)+z(aCN)，其中a指二元化合物之主體晶格常數。AlN具有3.111 的一主體晶格常數，InN具有3.533 的一主體晶格常數，且GaN具有3.189 的一主體晶格常數。
該晶格失配層32在一些實施例中具有大於10 nm的一厚度，在一些實施例中在10 nm與500 nm之間，在一些實施例中在20 nm與200 nm之間，且在一些實施例中在50 nm與100 nm之間。該晶格失配層可保留於裝置中，或其可被移除。例如在該晶格失配層32保留於該裝置中且安置於該發光區域與其上形成該金屬接觸件之n型層之間的實施例中，該晶格失配層32可經摻雜。在光係經該晶格失配層從該裝置而提取之實施例中，可將一吸收晶格失配層製造為儘可能薄。
晶格失配層32與直接生長於該晶格失配層上之層之間之晶格失配很大，使得直接生長於該晶格失配層上之該層無法與該晶格失配層之晶格對準。結果，直接生長於晶格失配層32上之該層之初始部分包含大量缺陷，接著該層部分或完全鬆弛。生長條件可經選擇使得該層鬆弛一相對小厚度。直接生長於該晶格失配層上之層鬆弛之厚度(即，缺陷富足區域之厚度)在一些實施例中小於500 nm，在一些實施例中小於200 nm，且在一些實施例中小於100 nm。此層鬆弛之厚度在一些實施例中保持為儘可能薄，以減少例如三元層之情況中的合金分解，且將表面粗糙度之特徵尺寸限制至鬆弛所需之厚度等級。直接生長在該晶格失配層上的該層在一些實施例中可具有大於3.19 的一平面內晶格常數，且在一些實施例中大於3.2 。
在一些實施例中，第一層30之該平面內晶格常數與晶格失配層32之主體晶格常數之間之差異係至少1%。在一些實施例中，第一層30之該平面內晶格常數與生長於晶格失配層32上之該層之主體晶格常數之間之差異係不大於1%。在一些實施例中，生長於該晶格失配層上之該層之該主體晶格常數與該第一層30之該平面內晶格常數之間之差異足夠小，使得若生長於該晶格失配層32上之該層直接生長於該第一層30上，則該層並不大體上鬆弛。將該晶格失配層32(其相對於第一層30及生長於該晶格失配層上之該層兩者呈嚴重晶格失配)置於該第一層30與生長於該晶格失配層上之該層之間可導致該晶格失配層32及生長於其上之該層兩者完全或部分鬆弛。
該等裝置層10係生長於該晶格失配層32上。該等裝置層10包含夾置於n型與p型區域34與38之間的一發光或作用區域36。n型區域34通常首先生長，且可包含不同組合物及摻雜物濃度之多個層，該多個層包含例如：製備層，諸如緩衝層或成核層，此等層可為n型或未經刻意摻雜；用以促進隨後移除生長基板之層；及n型或甚至p型裝置層，此等層為發光區域有效率地發射光所期望之特定光學或電性質而設計。發光或作用區域36係生長於該n型區域34上。適宜發光區域之實例包含一單一厚或薄發光層，或一多重量子井發光區域，該多重量子井發光區域包含由障壁層分離之多個薄或厚量子井發光層。p型區域38係生長於該發光區域上。如同該n型區域，該p型區域可包含不同組合物、厚度及摻雜物濃度之多個層，包含未經刻意摻雜的層或n型層。
圖3繪示根據本發明之實施例的一磊晶結構，其包含直接生長於一生長基板20上的一晶格失配層32。在圖2之結構中，直接生長於該晶格失配層上的該層係裝置層10之n型區域34之一部分。在圖3之結構中，直接生長於該晶格失配層32上的層35係自裝置層10之該n型區域34分離。該晶格失配層32及直接生長於該晶格失配層上之層35可具有與上文參考圖2所描述相同的性質。
圖4、圖5及圖6繪示包含上文參考圖2及圖3而描述之該等磊晶結構之一者之至少一部分的裝置。
在圖4中所繪示之裝置中，裝置層10之p型區域及作用區域之若干部分經蝕刻掉以暴露一n型層以用於金屬化。該n型層(其上形成n接觸件)可例如為圖2之n型區域34、第一層30，或圖3之層35。p接觸件44係形成於p型區域38之一個或多個剩餘部分上，且n接觸件42係形成於一n型層(圖4中之n型區域34)之一個或多個暴露部分上。在圖4中所繪示之裝置中，多個n接觸件區域之間插入p接觸件區域。在其他實施例中，形成一單一n接觸件區域及一單一p接觸件區域。p接觸件44及n接觸件42係形成於該裝置之相同側上。該等接觸件一般具反射性，且該裝置一般經安裝使得光透過該裝置之頂面(如圖4中所展示之n型區域34)而提取。
該裝置係透過n接觸件及p接觸件42及44與基座40之間的互連件(未展示)而安裝至一基座40。例如，該等互連件可為金-金互連件，且該裝置可藉由熱音波接合而附接至該基座，或該等互連件可為焊料，且該裝置可藉由回流焊接而附接至該基座。可藉由適於該生長基板的一技術(諸如雷射剝離、蝕刻或一機械程序，諸如研磨或化學機械拋光)而移除該生長基板。在一些實施例中，該半導體結構包含一犧牲半導體層，其植入有一植入物種(諸如H+)，該植入物種促進該半導體結構隨後從該生長基板分離。藉由活化該植入物種(例如藉由加熱該植入物種而引起植入區域膨脹且分裂該犧牲層)而使該半導體結構從該生長基板分離。在美國專利申請公開案2005/0026394及美國專利5,374,564中更詳細地描述植入一犧牲層及藉由活化該植入物種而使一半導體結構從一生長基板分離，該等案係以引用之方式併入本文中。
在移除該生長基板後，可例如藉由光電化學蝕刻使磊晶基板變薄。在一些實施例中，繪示於圖2及圖3中之基板20與n型區域34之間之該磊晶結構之全部或一部分在變薄期間被移除。在變薄之後剩餘之磊晶結構之頂面可經紋理化以改良光提取，例如藉由粗糙化或藉由用例如一晶格或光子晶體結構而圖案化該表面。在一些實施例中，圖2及圖3之生長基板20保留為該裝置之一部分。本技術中已知之一結構46，諸如一波長轉換元件、一二向色濾光片或一透鏡可形成於該磊晶結構上。光係透過結構46而從該裝置提取。
在圖5中繪示之該裝置中，光係透過該磊晶結構之頂面(即，其上形成該等n接觸件及p接觸件42及44之表面)而從該裝置提取。如上文所描述，該等裝置層10係生長於一晶格失配層32上。可形成一粗糙的p型表面。例如，p型區域38之頂部可在形成一粗糙表面之條件下生長，一分離、粗糙之p型層48可生長於p型區域38上，或一p型層之一平滑表面可在生長之後例如藉由光電化學蝕刻而蝕刻或粗糙化。一層透明導電材料50(諸如透明導電氧化物)係形成於該粗糙p型表面上。例如，透明導電材料50可為氧化銦錫、氧化鋅或氧化釕。p型結構及發光區域36之一部分經移除以暴露一n型層。n接觸件42係形成於該暴露n型層上。p接觸件44係形成於該透明導電材料50之一部分上。材料50使電流橫向散佈通過該p型區域38。n接觸件及p接觸件42及44可在廣度上受限制，或製造為透明的。該裝置可經安裝使得光係透過透明材料50之表面而提取。
圖6繪示一立式射出LED。一p接觸件44係形成於p型區域38之表面上，且磊晶結構係透過p接觸件44而附接至一基座52。生長基板20之全部或一部分可經移除以暴露一n型區域之表面。一n接觸件42係形成於藉由移除該基板而暴露之該表面上，或形成於另一暴露之n型表面上，諸如一n型區域的一側面。如圖6中所繪示，n接觸件42係形成於該半導體結構之一側上，且一p接觸件44係形成於該半導體結構之另一側上。至該n接觸件之電接觸可用一導線接合件54(如圖6中所繪示)或一金屬橋實現。該n接觸件42之廣度可如圖6中所繪示般受限制，使得光可從該裝置之頂部提取。
在一些實施例中，在該裝置中包含一結構以增加從該裝置之光提取，例如藉由增加散射。例如，可粗糙化該磊晶結構之一表面。在一些實施例中，藉由嵌入於該III族氮化物結構之表面內或形成於其上之一光子晶體或晶格而引起散射。在此一結構中，以接近由材料中之發光區域發射之光的波長之一間隔而以一週期性方式提供光學折射率變化。週期性折射率變化之參數(諸如週期及振幅)可經選擇以增加提取為一期望發射圖案之光的量。例如，一晶格或光子晶體之尺寸及間隔可經選擇以最大化在該半導體結構之一頂面之一法線方向上提取之光的量。在美國專利第7,642,108號、第7,442,965號、第7,442,964號、第7,294,862號、第7,279,718號、第7,012,279號及第6,956,247號中更詳細地描述選擇該等參數及形成一光子晶體，其等全部以引用之方式併入本文中。
一個或多個波長轉換材料可安置於該裝置上，以產生白光或其他色彩之單色光。由該LED發射之未轉換之光可為光之最終光譜的一部分，然而並非必須如此。通用組合之實例包含一發射藍色之LED與一發射黃色之磷光體組合，一發射藍色之LED與發射綠色及發射紅色之磷光體組合，一發射UV之LED與發射藍色及發射黃色之磷光體組合，及一發射UV之LED與發射藍色、發射綠色及發射紅色之磷光體組合。可添加發射其他色彩光之波長轉換材料以調適從該裝置發射之光的光譜。多個波長轉換材料可混合在一單一波長轉換層中或形成為離散層。適宜波長轉換結構之實例包含膠合或接合至LED之預成形陶瓷磷光體層，或安置在經電泳沈積、模板印刷、網版印刷、噴塗、沈降、蒸鍍、濺鍍或以別的方式施配於該LED上之一有機囊封體中的粉末磷光體。
已詳細描述本發明，熟習此項技術者將瞭解，鑑於本發明，可在未脫離本文中描述之發明概念之精神之下對本發明作出修改。因此，本發明之範圍並不意欲限制於所繪示及描述之特定實施例。
10．．．裝置層
20．．．生長基板
22．．．成核層
26．．．低溫層
30．．．第一層
32．．．晶格失配層
34．．．n型區域
35．．．層
36．．．發光或作用區域
38．．．p型區域
40．．．基座
42．．．n接觸件
44．．．p接觸件
46．．．結構
48．．．p型層
50．．．透明導電材料
52．．．基座
54．．．導線接合件
圖1繪示生長於一藍寶石基板上的一先前技術III族氮化物磊晶結構。
圖2繪示包含生長於一GaN層上的一鬆弛層之III族氮化物磊晶結構。
圖3繪示包含直接生長於一生長基板上之一鬆弛層之III族氮化物磊晶結構。
圖4繪示一薄膜覆晶裝置。
圖5繪示具有形成於該裝置之相同側上的接觸件之一裝置。
圖6繪示一立式射出裝置。
10．．．裝置層
20．．．生長基板
30．．．第一層
32．．．晶格失配層
34．．．n型區域
36．．．發光或作用區域
38．．．p型區域

Claims (17)

  1. 一種發光裝置，其包括：一第一半導體層；一第二半導體層；一第三半導體層；及一半導體結構，其包括安置於一n型區域與一p型區域之間的一層III族氮化物發光層；其中該第二半導體層係安置於該第一半導體層與該第三半導體層之間；該第三半導體層係安置於該第二半導體層與該發光層之間；該第一半導體層之一平面內(in-plane)晶格常數與該第三半導體層之一主體(bulk)晶格常數之間之一差異不大於1%；該第一半導體層之一平面內晶格常數與該第二半導體層之一主體晶格常數之間之一差異係至少1%；且該第二半導體層及該第三半導體層係至少部分鬆弛的。
  2. 如請求項1之裝置，其中該第三半導體層鬆弛不大於500nm的一厚度。
  3. 如請求項1之裝置，其中該第三半導體層具有大於3.2Å的一平面內晶格常數。
  4. 如請求項1之裝置，其中該第二半導體層包括鋁。
  5. 如請求項1之裝置，其中該第二半導體層包括鋁，且該 第三半導體層包括銦。
  6. 如請求項1之裝置，其中該第二半導體層係AlxGayN，其中x>0.3。
  7. 如請求項1之裝置，其中該第二半導體層係AlN，且該第三半導體層係InGaN。
  8. 如請求項1之裝置，其中該第二半導體層係AlGaN，且該第三半導體層係InGaN。
  9. 如請求項1之裝置，其中該第三半導體層係該n型區域之一部分。
  10. 如請求項1之裝置，其中該第二半導體層具有3.165Å或更小的一主體晶格常數。
  11. 如請求項1之裝置，其中該第二半導體層與該第三半導體層直接接觸。
  12. 如請求項1之裝置，其中該第一半導體層係GaN。
  13. 一種用於製造發光裝置的方法，其包括：生長一第一半導體層；生長一第二半導體層；生長一第三半導體層；及生長包括安置於一n型區域與一p型區域之間的一層III族氮化物發光層之一半導體結構；其中該第二半導體層係安置於該第一半導體層與該第三半導體層之間；該第三半導體層係安置於該第二半導體層與該發光層之間； 該第一半導體層之一平面內晶格常數與該第三半導體層之一主體晶格常數之間之一差異不大於1%；該第一半導體層之一平面內晶格常數與該第二半導體層之一主體晶格常數之間之一差異係至少1%；且該第二半導體層及該第三半導體層係至少部分鬆弛的。
  14. 如請求項13之方法，其中該第二半導體層具有不同於該第一半導體層的一平面內晶格常數。
  15. 如請求項13之方法，其中該第三半導體層具有不同於該第二半導體層的一平面內晶格常數。
  16. 如請求項13之方法，其進一步包括在生長該半導體結構之後，移除生長基板。
  17. 如請求項16之方法，其進一步包括移除該等第一及第二半導體層。
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