TWI689109B - 垂直式紫外線發光裝置及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

本發明公開了一種垂直式紫外線發光裝置及其製造方法。所述垂直式紫外線發光裝置包括：包括A1的p型半導體層；設置在p型半導體層上且包括Al的主動層；設置在主動層上且包括Al的n型半導體層；設置在n型半導體層上且摻雜有n型的金屬接觸窗層；以及形成在金屬接觸窗層上的襯墊，其中金屬接觸窗層具有比n型半導體層的Al含量低的Al含量。根據本發明的示例性實施例，金屬接觸窗層形成在n型半導體層上以允許金屬接觸窗層而不是包括AlGaN的n型半導體層充當接觸層，從而有效地提高了垂直式紫外線發光裝置的n型接觸特性。

Description

垂直式紫外線發光裝置及其製造方法 【相關申請交叉參考】
本申請要求於2014年9月4日提交的申請號為62/046,005的美國臨時專利申請案的優先權和權益，所述美國專利申請案為了所有目的在此引用作為參考，如同在本文充分地描述。
本發明涉及垂直式紫外線發光裝置及其製造方法，更具體地，涉及能夠發出紫外光和改善歐姆接觸電阻特性的垂直式紫外線發光裝置及其製造方法。
發光裝置是無機半導體裝置，其通過電子和電洞的再結合來發射光。最近，發光裝置已經以不同方式用於顯示設備、車用燈具、通用照明設備、光纖通信設備等等。在這其中，發射紫外線的紫外線發光裝置可以用於醫療領域中的紫外線固化、紫外 線消毒等等以及設備零部件等，也可以作為製造白光源的源。因此，紫外線發光裝置可以以各種方式使用，其應用也已經得到擴展。
如同通用發光裝置，紫外線發光裝置具有位於n型半導體層和p型半導體層之間的主動層。在這種情况下，紫外線發光裝置發出的光具有相對更短的峰值波長(峰值波長通常為400奈米或更短)。因為這個原因，在使用氮化物半導體製造紫外線發光裝置的時候，如果n型和p型氮化物半導體層的帶隙能量小於紫外光能量，那麽會發生從主動層發射的紫外光被吸收進n型和p型氮化物半導體層的現象。結果，紫外線發光裝置的發光效率會嚴重降低。
如上所述，為了防止紫外線發光裝置的發光效率降低，在紫外線發光裝置的主動層和氮化物半導體層受到紫外光照射的一側中包含大約20%或更多的Al。在GaN的情况下，帶隙在大約3.4eV下吸收的波長大約為280奈米或者更長，因此GaN基本上包括Al。通常，在使用氮化物半導體製造340奈米或更少的紫外線發光裝置的時候，使用具有20%或更多Al的AlGaN。
但是，當藉由增加Al含量來增加帶隙以阻止紫外線被吸收進半導體層的時候，價帶的能階降低，因此功函數增加，這樣會發生歐姆接觸電阻增加的副作用。
尤其是，波長越短，Al含量越高。隨著Al含量的增加，歐姆接觸電阻會增加，因此紫外線發光裝置的光量會減少，裝置的驅動電壓會增加，這會成為降低插座效率(wall plug efficiency)的一個因素。
進一步來說，在製造垂直式發光裝置的情况下，當移除藍寶石基底而暴露n型半導體，然後接觸n電極時，考慮到半導體的晶體結構特性，n電極不接觸Ga面，但是接觸N面。因此，穿隧效應減輕，且歐姆接觸電阻會增加的更多。對於可見光發光裝置，上述的問題無關緊要，但是如果Al含量增加，歐姆接觸電阻是極高的，這樣插座效率會顯著降低。
本發明的一個目的是提供紫外線發光裝置及其製造方法，能夠改善減少光量的因素，阻止因在製造紫外線發光裝置時Al(鋁)含量增加所引起的來自接觸窗層(contact layer)的電特性。
根據本發明示例性的實施例，提供了垂直式紫外線發光裝置，包括：包括Al的p型半導體層；設置在p型半導體層上且包括Al的主動層；設置在主動層上且包括Al的n型半導體層；設置在n型半導體層上且摻雜有n型雜質的金屬接觸窗層；以及形成在金屬接觸窗層上的襯墊，其中金屬接觸窗層具有比n型半導體層的Al含量低的Al含量。
金屬接觸窗層的Al含量可以從n型半導體層向襯墊減少，金屬接觸窗層與襯墊接觸的部分的Al含量可以是0%，並且金屬接觸窗層內Al含量最高的區域的Al含量可以等於或小於n型半導體層的Al含量。
金屬接觸窗層的一個表面可以形成有粗糙度，並且襯墊可以在形成有粗糙度的表面上形成。
金屬接觸窗層可以在n型半導體層的上部區域的一部分上形成，並且垂直式紫外線發光裝置還可以包括：置於金屬接觸窗層和n型半導體層之間的反射層。
反射層可以包括超晶格層，在超晶格層中具有不同折射率的各層交替堆疊，並且反射層可以由單層構成，所述單層的折射率比相鄰層的折射率更低。
根據本發明的另一示例性實施例，提供了一種用於製造垂直式紫外線發光裝置的方法，包括：在基底上形成摻有n型雜質的金屬接觸窗層；在金屬接觸窗層上形成包括Al的n型半導體層；在n型半導體層上形成包括Al的主動層；在主動層上形成包括Al的p型半導體層；將基底從金屬接觸窗層分離；以及在金屬接觸窗層的基底從其上分離的表面上形成襯墊。
所述方法還可以包括：對金屬接觸窗層的基底從其上分離的表面進行濕蝕刻來形成粗糙度，其中襯墊可以在形成有粗糙度的表面上形成。
所述方法還可以包括：對金屬接觸窗層的形成有襯墊的表面進行濕蝕刻以形成粗糙度。
所述方法還可以包括：對金屬接觸窗層的基底從其上分離的表面的一些區域進行濕蝕刻來形成粗糙度，其中襯墊可以在未形成粗糙度的另一區域中形成。
所述方法還可以包括：在金屬接觸窗層和n型半導體層之間形成反射層。反射層還可以以分布式布拉格反射器(distributed Bragg reflector；DBR)結構形成，在分布式布拉格反射器結構中具有不同折射率的各層交替堆疊，或者反射層可以 由單層構成，所述單層的折射率比相鄰層的折射率更低。
110:基底
120:緩衝層
130:金屬接觸窗層
140:磊晶層
141:n型半導體層
143:超晶格層
145:主動層
147:p型半導體層
150:襯墊
160:反射層
圖1到圖3是用於描述一種用於製造根據本發明的第一個示例性實施例的紫外線發光裝置的方法的截面圖。
圖4是示出了根據本發明的第一個示例性實施例的紫外線發光裝置的截面圖。
圖5是示出了根據本發明的第二個示例性實施例的紫外線發光裝置的截面圖。
圖6是示出了根據本發明的第三個示例性實施例的紫外線發光裝置的截面圖。
下面將具體結合附圖更加詳細地說明本發明的示例性實施例。
圖1到圖3是描述一種製造根據本發明的第一示例性實施例的紫外線發光裝置的方法的截面圖，圖4是示出了根據本發明的第一示例性實施例的紫外線發光裝置的截面圖。如下描述的氮化物半導體層可以通過各種方法形成。例如，氮化物半導體層可以由金屬有機化學氣相沉積(metal organic chemical vapor deposition；MOCVD)、分子束磊晶(molecular beam epitaxy；MBE)、氫化物氣相磊晶(hydride vapor phase epitaxy；HVPE)等來形成。
參考圖1，可以在基底110上形成緩衝層120。基底110用來生長氮化物半導體層，且基底可以是藍寶石基底、碳化矽基底、尖晶石基底、GaN基底或AlN基底等。在本發明的第一示例性實施例中採用的基底110可以是藍寶石基底或AlN基底。
可以將緩衝層120以約500奈米的厚度生長在基底110上。緩衝層120可以是包括(Al、Ga、In)N的氮化物層。尤其是，AlN具有大的帶隙，因此很少吸收雷射，使得AlN可以包括用於雷射剝離的GaN。其次，緩衝層120可以充當用以在接下來的過程中生長氮化物層的核層(nuclear layer)，並且還可以用來減少基底110與生長在緩衝層120上的氮化物層之間的晶格錯配。此外，如果必要的話，例如，當基底110是諸如GaN基底和AlN基底的氮化物基底的時候，可以省去緩衝層120。
此外，如圖2所示，金屬接觸窗層130可以在緩衝層120上形成。金屬接觸窗層130可以以50奈米至2微米的厚度形成，並可以摻有N型雜質。此外，根據本發明的第一個示例性實施例，金屬接觸窗層130可以在其含有Al的狀態下製造。這樣，Al可以包含在金屬接觸窗層130中以減少可能發生在基底110和包括AlGaN的半導體層之間的缺陷或對紫外線的吸收。
根據本發明的第一個示例性實施例，當Al包含於金屬接觸窗層130中時，Al並不是均勻地包含在整個金屬接觸窗層130中，而是可以形成金屬接觸窗層130使得Al含量朝向圖2中的上方部分增加。也就是說，金屬接觸窗層130可以由多個層構成，在多個層中Al含量朝向上方部分增加，且還可以形成金屬接觸窗層130使得一個層中的Al含量以朝向上方部分逐漸增加的方式逐 漸改變。
金屬接觸窗層130的Al含量是逐漸增加的，因此Al含量為最大的區域可以接觸n型半導體層，並且Al含量為最小的區域可以接觸襯墊150。此外，接觸所述襯墊150的區域的Al含量變成0%，因此金屬接觸窗層130可以由GaN或InGaN形成，而且接觸n型半導體層141的區域的Al含量可以小於或等於n型半導體層141的Al含量。
參考圖3，n型半導體層141可以在金屬接觸窗層130上形成。可以採用諸如MOCVD的技術以大約600奈米至3微米的厚度來生長n型半導體層141。n型半導體層141可以包括AlGaN並可以包括諸如Si的n型雜質。
此外，n型半導體層141可以包括具有不同組成物比例的中間插入層。通過此配置可以減小勢密度，因此改善了晶體結構。
此外，超晶格層(super-lattice layer)143在n型半導體層141上形成。超晶格層143可以包括多層，其中具有不同Al濃度的AlGaN的多個層交替堆疊，並且超晶格層143還可以包括AlN。此外，超晶格層143還可以以AlN層和AlGaN層重複堆疊的結構形成。
主動層145和p型半導體層147依次在這樣形成的超晶格層143上形成以形成磊晶層140。主動層145藉由電子和電洞的再結合發出具有預定的能量的光。此外，主動層145可以具有單量子井結構或多量子井結構，其中量子阻障層和量子井層交替堆疊。此外，各量子阻障層中與n型半導體層臨近的量子阻障層可能具有比其他量子阻障層更高的Al含量。形成與n型半導體層141 最近的量子阻障層具有比其他量子阻障層更寬的帶隙，以減小電子的移動速率，因此有效地阻止了電子溢出。
p型半導體層147可以採用諸如MOCVD的技術形成，且其可以生長到50奈米到300奈米的厚度。p型半導體層147可以包括AlGaN，而Al的組成比例可以被確定為具有特定的帶隙能量，所述帶隙能量等於或大於主動層145中的井層的帶隙能量。
圖4是示出在半導體層按照如上所述進行生長的狀態下，基底110被移除後的半導體層的圖，所述圖示出了半導體層的上部和下部與圖3所示是顛倒的。
在基底110被分離後，緩衝層120通過乾蝕刻或濕蝕刻移除。如圖4所示，金屬接觸窗層130可以仍然未被蝕刻。替代地，金屬接觸窗層130經歷濕乾法，使得它可以被形成為具有粗糙表面，所述表面是沿著晶體表面形成的六棱錐形狀。襯墊150沉積在仍然未被蝕刻的金屬接觸窗層130的表面上或沉積在通過PEC蝕刻形成為具有粗糙表面的金屬接觸窗層130上。因此，襯墊150接觸金屬接觸窗層130。
進一步，可以在襯墊150和金屬接觸窗層130之間形成接觸窗金屬(contact metal)(未示出)。所述接觸窗金屬可以包括An、Ni、ITO、Al、W、Ti和Cr或者是多層堆疊的多種材料中的任一種。
這裡，金屬接觸窗層130可以由GaN或n-GaN形成，但是金屬接觸窗層可以形成為具有朝著n型半導體層141的含量逐漸增加的Al，並且如上所述，可以是連續形成或逐步形成或可以由超晶格層形成。此外，金屬接觸窗層130中包含的Al含量可以 形成為比n型半導體層141的Al含量更少，並且金屬接觸窗層130中包含的Al含量可以形成為從n型半導體層141朝向襯墊150降低。在這種情况下，金屬接觸窗層130的Al含量可以形成為逐步改變。
因而，在金屬接觸窗層130頂部，也就是n型半導體層141的一側，Al逐漸降低，並且因此由GaN或n-GaN形成的且不含Al的金屬接觸窗層130與襯墊150接觸。
襯墊150可以形成為接觸金屬接觸窗層130的一部分或全部。如上所述，在金屬接觸窗層130接觸襯墊150的區域的Al含量可以減少以有效提高N型接觸特性。此外，由於金屬接觸窗層130的晶格常數朝著n型半導體層141具有較高Al含量的方向緩慢地降低，因此出現在基底110和n型半導體層141之間的應力可以有效地減輕。
因此，包含的Al有效地改善了電氣特性。
圖5是示出了根據本發明的第二示例性實施例的紫外線發光裝置的截面圖。
參照圖5，與本發明的第一示例性實施例一樣，在根據本發明的第二示例性實施例的紫外線發光裝置中，基底110被分離，緩衝層120採用乾蝕刻或濕蝕刻來移除，而襯墊150沉積在金屬接觸窗層130上。因此，在襯墊150沉積在金屬接觸窗層130上的狀態下，未形成襯墊150的部分的金屬接觸窗層130經歷濕蝕刻。
如上所述，在金屬接觸窗層130中，未形成襯墊150的區域藉由濕蝕刻移除，使得金屬接觸窗層130可以使紫外光的吸 收最小化。
圖6是示出了根據本發明的第三示例性實施例的紫外線發光裝置的截面圖。
參照圖6，在根據本發明第三示例性實施例的紫外線發光裝置中，反射層160可以形成於金屬接觸窗層130和n型半導體層141之間並且可以包括AlN或AlGaN。在這種狀態下，基底110被分開，緩衝層120藉由乾蝕刻或濕蝕刻去除，且其中未形成襯墊150的金屬接觸窗層130的區域隨後被蝕刻。在這種情况下，可以在蝕刻金屬接觸窗層130時蝕刻反射層160。在蝕刻金屬接觸窗層130和反射層160之後，接觸窗金屬(未示出)沉積在金屬接觸窗層130上且襯墊150沉積在所述接觸窗金屬上。
如上所述，即使金屬接觸窗層130和反射層160被蝕刻，金屬接觸窗層130和反射層160仍保持在襯墊150之下。因此，從主動層145產生的紫外線由於反射層160而不被吸收進金屬接觸窗層130，而是從金屬接觸窗層130被反射，從而增加根據本發明示例性實施例的紫外線發光裝置的光效率。
在這種情况下，反射層160可以由AlN單層形成。AlN層具有的折射率比n型半導體層141的n-AlGaN的折射率更小，使得從主動層145產生的紫外線中滿足全反射條件的紫外線可以被反射。為此，AlN層的厚度可以形成為1奈米至200奈米並可以形成為等於或超過紫外線的半波長的厚度。也就是說，單個AlN層可以以足以反射從主動層145產生的紫外線的厚度形成。
此外，反射層160可以藉由交替地堆疊具有不同反射指數的半導體層形成。每層的厚度可以形成為1奈米至200奈米的 厚度並可以形成為紫外線的半波長的整數倍。如此形成的超晶格層形成分布式布拉格反射器(DBR)，從而顯著地提高反射率。
如上所述，根據本發明的示例性實施例，金屬接觸窗層形成於n型半導體層上，以允許金屬接觸窗層而不是包括AlGaN的n型半導體層充當接觸窗層，從而有效地提高垂直式紫外線發光裝置的n型接點特性。
此外，金屬接觸窗層經過乾蝕刻或濕蝕刻以預先阻止光吸收發生於金屬接觸窗層，從而使垂直式紫外線發光裝置的光提取效率最大化。
雖然參考附圖做出對本發明的詳細描述，但是上述示例性實施例僅是參考本發明的優選實例描述的，並且本發明因此不應被理解為僅限於示例性實施例，而且本發明的範圍應當被理解成將在下文描述的申請專利範圍和等效的概念。
130‧‧‧金屬接觸窗層
140‧‧‧磊晶層
141‧‧‧n型半導體層
143‧‧‧超晶格層
145‧‧‧主動層
147‧‧‧p型半導體層
150‧‧‧襯墊
160‧‧‧反射層

Claims (16)

  1. 一種垂直式紫外線發光裝置，所述垂直式紫外線發光裝置包括：p型半導體層，包括Al；主動層，設置在所述p型半導體層上且包括所述Al；n型半導體層，設置在所述主動層上且包括所述Al；金屬接觸窗層，設置在所述n型半導體層上且摻雜有n型雜質；以及襯墊，形成於所述金屬接觸窗層上，其中所述金屬接觸窗層具有比所述n型半導體層的Al含量低的Al含量。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的垂直式紫外線發光裝置，其中所述金屬接觸窗層的所述Al含量從所述n型半導體層朝向所述襯墊減少。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的垂直式紫外線發光裝置，其中所述金屬接觸窗層的接觸所述襯墊的部分的Al含量為0%。
  4. 如申請專利範圍第2項所述的垂直式紫外線發光裝置，其中所述金屬接觸窗層內Al含量最高的區域的Al含量小於所述n型半導體層的Al含量。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的垂直式紫外線發光裝置，其中所述金屬接觸窗層的一個表面形成有粗糙度，而所述襯墊形成在其上形成有所述粗糙度的表面上。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的垂直式紫外線發光裝置，其中所述金屬接觸窗層形成於所述n型半導體層的上部區域的一 部分上。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的垂直式紫外線發光裝置，還包括：反射層，插入在所述金屬接觸窗層和所述n型半導體層之間。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的垂直式紫外線發光裝置，其中所述反射層包括超晶格層，在所述超晶格層中具有不同折射率的層交替堆疊。
  9. 如申請專利範圍第7項所述的垂直式紫外線發光裝置，其中所述反射層是由單層構成，所述單層具有比其相鄰層的折射率小的折射率。
  10. 一種製造垂直式紫外線發光裝置的方法，包括：將摻雜有n型雜質的金屬接觸窗層形成在基底上；將包括Al的n型半導體層形成在所述金屬接觸窗層上；將包括Al的主動層形成在所述n型半導體層上；將包括Al的p型半導體層形成在所述主動層上；將所述基底從所述金屬接觸窗層分離；以及在所述金屬接觸窗層的所述基底從其上分離的表面上形成襯墊。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的製造垂直式紫外線發光裝置的方法，還包括：對所述金屬接觸窗層的所述基底從其上分離的所述表面進行濕蝕刻以形成粗糙度，其中所述襯墊在形成有所述粗糙度的所述表面上形成。
  12. 如申請專利範圍第10項所述的製造垂直式紫外線發 光裝置的方法，還包括：對所述金屬接觸窗層的其上形成有所述襯墊的所述表面進行濕蝕刻以形成粗糙度。
  13. 如申請專利範圍第10項所述的製造垂直式紫外線發光裝置的方法，還包括：對所述金屬接觸窗層的所述基底從其上分離的表面的某些區域進行濕蝕刻以形成粗糙度，其中所述襯墊在未形成有所述粗糙度的另一區域中形成。
  14. 如申請專利範圍第13項所述的製造垂直式紫外線發光裝置的方法，還包括：在所述金屬接觸窗層和所述n型半導體層之間形成反射層。
  15. 如申請專利範圍第14項所述的製造垂直式紫外線發光裝置的方法，其中所述反射層以分布式布拉格反射器結構形成，在所述分布式布拉格反射器結構中具有不同折射率的各層交替堆疊。
  16. 如申請專利範圍第14項所述的製造垂直式紫外線發光裝置的方法，其中所述反射層由單層構成，所述單層具有比其相鄰層的折射率小的折射率。
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