TWI826038B - 磊晶結構及其形成方法 - Google Patents
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Abstract
一種磊晶結構，包括第一磊晶層、第二磊晶層及介面處理層。第二磊晶層配置於第一磊晶層上。介面處理層位於第一磊晶層及第二磊晶層之間。介面處理層與第一磊晶層和第二磊晶層接觸。第一磊晶層、第二磊晶層和介面處理層包含相同材質。該介面處理層與該第一磊晶層的穿透式電子顯微鏡的影像亮度對比值及該介面處理層與該第二磊晶層的穿透式電子顯微鏡影像亮度對比值均大於1.005。一種磊晶結構形成方法亦被提出。
Description
本發明是有關於一種磊晶結構及其形成方法。
發光二極體（Light Emitting Diode, LED）具有自發光顯示特性。相較於同為自發光顯示的有機發光二極體（Organic Light Emitting Diode, OLED）技術，發光二極體不僅效率高、壽命較長、材料不易受到環境影響而相對穩定。因此，發光二極體有望超越有機發光二極體顯示技術而成為未來顯示技術的主流。然而，現階段的發光二極體仍面臨到許多技術上的挑戰，而發光二極體的效率衰退（Efficiency Droop）效應為其中之一。
具體而言，當發光二極體在一電流密度的操作範圍時，會對應一個外部量子效率（External Quantum Efficiency, EQE）的峰值。隨著發光二極體的電流密度持續升高，外部量子效率會隨之下降，而此現象即為發光二極體的效率衰退效應。一般來說，為了使發光二極體達到高亮度發光，發光二極體的電流密度常是在相對高電流密度的操作範圍。然而，隨著發光二極體微型化而產生的微型發光二極體，在相對高電流密度的操作範圍下的外部量子效率受到限制，因此如何在提高微型發光二極體的發光效率的情況下，仍可減緩發光二極體的效率衰退效應，微型發光二極體的磊晶結構扮演非常重要角色。由於微型發光二極體遠小於習知的發光二極體的尺寸，因此如何避免磊晶結構內漏電問題為本領域亟待解決的課題之一。
本發明提供一種磊晶結構，具有較佳的發光效率(light emission efficiency)。
本發明的提供一種磊晶結構形成方法，其可製作上出發光效率較佳的磊晶結構。
本發明的一實施例的磊晶結構包括第一磊晶層、第二磊晶層及介面處理層。第二磊晶層配置於第一磊晶層上。介面處理層位於第一磊晶層及第二磊晶層之間且與第一磊晶層和第二磊晶層接觸。第一磊晶層、第二磊晶層和介面處理層包含相同材質。介面處理層與第一磊晶層對穿透式電子顯微鏡的影像亮度對比值及介面處理層與第二磊晶層對穿透式電子顯微鏡的影像亮度對比值均大於1.005。
本發明的一實施例的磊晶結構形成方法包括形成一基底層；在基底層上以第一溫度形成一第一磊晶層；升高環境溫度，以在第一磊晶層上形成一介面處理層；以及在介面處理層上以第二溫度形成一第二磊晶層。第二溫度大於第一溫度。第一磊晶層、第二磊晶層和介面處理層包含相同材質。介面處理層與第一磊晶層的穿透式電子顯微鏡的影像亮度對比值及介面處理層與第二磊晶層的穿透式電子顯微鏡影像亮度對比值均大於1.005。
基於上述，本發明的實施例的磊晶結構及其形成方法中，介面處理層位於第一磊晶層和第二磊晶層之間，且介面處理層分別與第一磊晶層、第二磊晶層的穿透式電子顯微鏡的影像亮度對比值均大於1.005。因此第二磊晶層可以較高溫度成長而可降低磊晶結構的漏電流。所以，本發明的實施例的磊晶結構及其形成方法可使磊晶結構具有較佳的發光效率。
讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖1為本發明一實施例的磊晶結構的剖面示意圖，且圖2和圖3為本發明一實施例的磊晶結構形成方法的流程圖及製作流程的剖面示意圖。
請同時參考圖1至圖3，本實施例的磊晶結構100的形成方法包括下列步驟。在本實施例的步驟S100中，提供一基板80。基板80材料例如是中性砷化鎵基板或N型砷化鎵基板。在本發明另一實施例中，基板80的材料例如是氧化鋁（藍寶石）基板。或者，在另一實施例中，基板80的材料例如是包括II-VI族材料（例如：N型硒化鋅），但不以此為限。
在步驟S110中，於基板80上形成磊晶層70。磊晶層70可以以第一溫度形成。
在步驟120中，升高環境溫度，以於磊晶層70上形成介面處理層60。舉例而言，磊晶層70是以金屬氧化物化學氣相沉積法成長而成，在繼續成長磊晶層50前，可先停止供應來源材料氣體至磊晶層70，而單純升高金屬氧化物化學氣相沉積腔體內的環境溫度，例如從第一溫度升高到第三溫度，且第三溫度與第一溫度的差超過30度。在升高溫度時，磊晶層70表面的有部分的銦會因升溫而散逸至腔體內，而使磊晶層70的表面處形成銦含量較低的介面處理層60。
在本實施例中，介面處理層60的厚度60h例如是落在1奈米到10奈米的範圍內，例如1奈米到5奈米的範圍內，或是1奈米到2奈米的範圍內。
在步驟S130中，於介面處理層60上以第三溫度形成磊晶層50。也就是說，介面處理層60配置於磊晶層70與磊晶層50之間，且與磊晶層70和磊晶層50接觸。磊晶層50的銦含量較的介面處理層60的銦含量高。磊晶層50的厚度與磊晶層70的厚度分別與介面處理層60的厚度比例如是大於50。在另一實施例中，磊晶層50與磊晶層70的至少其中之一可以以第三溫度形成，例如磊晶層70是以第三溫度形成。即是說，在另一實施例中，磊晶層70與介面處理層60的形成順序可以改變，例如當前述升高環境溫度的步驟是在形成磊晶層70之前進行時，則介面處理層60可能出現於基板80與磊晶層70之間。並且，在這樣的實施例中，磊晶層50與磊晶層70的其他製程條件可以相同或不同。
本實施例中，磊晶層70、介面處理層60及磊晶層50例如是含磷化合物層。或者，在另一實施例中，磊晶層70、介面處理層60及磊晶層50例如是N型半導體層，且其材料例如是包括III-V族材料（例如是N型砷化鋁鎵、N型磷砷化鎵、N型磷化鋁鎵銦、N型磷化鎵鋁、N型氮化銦鎵、N型氮化鋁、N型氮化銦、N型氮化鋁鎵、N型氮化鋁銦鎵、N型氮化鎵或是N型砷化鎵）。或者，在又一實施例中，磊晶層70、介面處理層60及磊晶層50例如是包括II-VI族材料（例如：N型硒化鋅），但不以此為限。
在本實施例中，磊晶層70、介面處理層60及磊晶層50可具有不同的摻雜濃度，例如磊晶層70或磊晶層50的摻雜濃度較介面處理層60的摻雜濃度高。或者，在其他實施例中，磊晶層70或磊晶層50的摻雜濃度與相較於介面處理層60的摻雜濃度較低或相等。
在本實施例中，磊晶層70例如是摻雜矽或碲。或者，在另一實施例中，磊晶層70例如是摻雜第四族元素或第六族元素或其組合，但不以此為限。
在本實施例中，磊晶層50是非主動摻雜層。磊晶層70摻雜矽或碲。當第一溫度升高至第三溫度時，矽或碲擴散至磊晶層50。
在步驟S140中，於磊晶層50上以第一溫度形成基底層10。基底層10例如是主動層或是發光層。基底層10的結構例如是量子井結構或多重量子井(Multiple-Quantum wells, MQWs)結構。磊晶層70與磊晶層50分別例如是披覆層(cladding layer)以及間隙層(spacer layer)，當磊晶層70的摻質擴散至磊晶層50時，磊晶層50可作為阻障層，避免摻質進一步擴散至基底層10。
在本發明另一實施例中，基底層10的材料可為磷化鎵系統的半導體材料，分子式組成為(Al
xGa
1-x)
1-yIn
yP，其中0≦x≦1, 0＜y＜1，在基底層10作為發光層的一些常規實施例中，基底層10可以為磷化銦鎵(GaInP)材料。
在步驟S150中，基底層10上以第一溫度形成磊晶層20。在本實施例中，磊晶層20與基底層10皆以第一溫度形成，如此，當基底層10為主動層或是發光層時，可具有較佳的結晶品質，避免溫度變化對量子井結構的熱傷害。在另一實施例中，形成磊晶層20的溫度也可以不同於形成磊晶層70的溫度，且形成基底層10的溫度也可以不同於形成磊晶層50與磊晶層70的溫度。例如，基底層10作為主動層或是發光層時，其形成溫度係優選地分別低於這二層的形成溫度。
在步驟S160中，升高環境溫度，以在磊晶層20上形成介面處理層30。舉例而言，磊晶層20是以金屬氧化物化學氣相沉積法成長而成，在繼續成長磊晶層40前，可先停止供應來源材料氣體至磊晶層20，而單純升高金屬氧化物化學氣相沉積腔體內的溫度，例如從第一溫度升高到第二溫度而第二溫度與第一溫度的差超過30度。在升高溫度時，磊晶層20表面的有部分的銦會因升溫而散逸至腔體內，而使磊晶層20的表面處形成銦含量較低的介面處理層30。
在本實施例中，介面處理層30的厚度30h例如是落在1奈米到10奈米的範圍內，例如1奈米到5奈米的範圍內，或是1奈米到2奈米的範圍內。
在步驟S170中，於介面處理層30上以第二溫度形成磊晶層40。也就是說，介面處理層30配置於磊晶層20與磊晶層40之間，且與磊晶層20和磊晶層40接觸。磊晶層40的銦含量較的介面處理層30的銦含量高。磊晶層20與介面處理層30的厚度比例如是大於50，而磊晶層40與介面處理層30的厚度比例如是大於50。
在本實施例中，磊晶層20、介面處理層30和磊晶層40例如是含磷化合物層。磊晶層20、介面處理層30和磊晶層40的摻雜類型不同於磊晶層50、介面處理層60及磊晶層70的摻雜類型。在一實施例中，磊晶層20、介面處理層30和磊晶層40例如是P型半導體層，且其材料例如是包括III-V族材料（例如是P型砷化鋁鎵、P型磷砷化鎵、P型磷化鋁鎵銦、P型磷化鎵鋁、P型氮化銦鎵、P型氮化鋁、P型氮化銦、P型氮化鋁鎵、P型氮化鋁銦鎵、P型氮化鎵或是P型磷化鎵。或者，在又一實施例中，磊晶層20、介面處理層30和磊晶層40例如是包括II-VI族材料（例如：P型硒化鋅），但不以此為限。
在本實施例中，磊晶層20、介面處理層30和磊晶層40可具有不同的摻雜濃度，例如磊晶層20或磊晶層40的摻雜濃度較介面處理層30的摻雜濃度高。或者，在其他實施例中，磊晶層20或磊晶層40的摻雜濃度相較於介面處理層30的摻雜濃度較低或相等。
在本實施例中，磊晶層40例如是摻雜鎂、鋅、碳、硒或鈹。或者，在另一實施例中，磊晶層20例如是摻雜第二族元素、第四族元素或第六族元素或其組合，但不以此為限。
在本實施例中，磊晶層20是非主動摻雜層。磊晶層40摻雜鎂、鋅、碳、硒或鈹。當第一溫度升高至第二溫度時，鎂、鋅、碳、硒或鈹擴散至磊晶層20，但磊晶層20可盡量避免鎂、鋅、碳、硒或鈹擴散至基底層10。
在本實施例中，第二溫度與第三溫度相等。或者，在另一實施例中，第二溫度大於第三溫度。或者，在又一實施例中，第二溫度小於第三溫度。第二溫度和第三溫度皆大於第一溫度。由於磊晶層40以及磊晶層50以較高的溫度形成，因此，磊晶結構的漏電流降低。
在本實施例中，磊晶層20、介面處理層30及磊晶層40的組成例如是Al
uGa
vIn
wP，將上述組成的比例按照各元素的原子序來表示，其數值即為13u+31v+49w。其中，介面處理層30的數值較磊晶層20和磊晶層40的數值低；換言之，由於介面處理層30中原子序較大的銦散逸至腔體中，使得介面處理層30的銦含量降低，故上述數值也低於磊晶層20和磊晶層40的數值。
在本實施例中，磊晶層50提供的載子和磊晶層20提供的載子於基底層10內複合並發射出光，例如但不限於紅色光(波長範圍約620nm至750nm)、紫外光(波長範圍約1nm至380nm)、紫色光 (波長範圍約380nm至450nm)、藍色光 (波長範圍約450nm至495nm)、綠色光 (波長範圍約495nm至570nm) 、黃色光 (波長範圍約570nm至590nm)或橙色光(波長範圍約590nm至620nm)。
在步驟S180，於磊晶層40上形成視窗層90。視窗層90用以作為光取出（light extraction）層。本實施例中，視窗層90的材質為P型磷化鎵。
圖4為圖1的磊晶結構的穿透式電子顯微鏡的局部影像圖，而圖5為圖1的磊晶結構的穿透式電子顯微鏡的局部訊號強度相對於磊晶結構的深度的分布圖。
請同時參照圖4和圖5，在本實施例中，由於介面處理層30的銦含量較磊晶層20和磊晶層40的銦含量低，因此，介面處理層30對穿透式電子顯微鏡 (Transmission Electron Microscopy, TEM)的電子穿透率大於磊晶層20和磊晶層40。請參照圖4，介面處理層30的影像訊號強度(Intensity)較高（即影像亮度較亮）而磊晶層20和磊晶層40的影像訊號強度較低（即影像亮度較暗）。這是因為介面處理層30中大原子序的銦的含量較少，因此電子束較容易穿透介面處理層30而被偵測到的緣故。
在本實施例中，介面處理層30與磊晶層20以及介面處理層30與磊晶層40對穿透式電子顯微鏡 (Transmission Electron Microscopy, TEM)的影像亮度對比值(image contrast ratio)均大於1.005。
圖6為本發明另一實施例的一種磊晶結構的剖面示意圖。
請同時參照圖2及圖6，本實施例的磊晶結構100A類似於圖1的磊晶結構100，而兩者的差異在於本實施例的磊晶結構100A不具有圖1的介面處理層60，也就是在本實施例中，圖2的步驟S120可省略，而磊晶層50可以第一溫度形成於磊晶層70上。在本實施例中，磊晶層20的厚度20h和磊晶層40的厚度40h的總和大於磊晶層50的厚度50h和磊晶層70的厚度70h的總和。換句話說，本實施例中僅有厚度較厚的磊晶層20與磊晶層40的一側存在介面處理層30，但厚度較薄的磊晶層50與磊晶層70則不包含介面處理層。在磊晶結構100A中，若僅在其中一側的半導體層（例如P型或N型的其中之一）做升溫處理，則較佳地可選擇厚度較高（即佔側壁表面積比例較高）的一側，以便獲得更好的漏電流保護效果，藉以提高微型發光二極體的發光效率。然而，本發明並不限制上述的選擇性昇溫處理僅能在磊晶層20與磊晶層40之間，在其他未繪出的實施例中，也可以僅於磊晶層50與磊晶層70之間有介面處理層60存在，而磊晶層40直接形成於磊晶層20上。
綜上所述，本發明實施例的介面處理層位於第一磊晶層和第二磊晶層之間，且介面處理層與第一磊晶層的穿透式電子顯微鏡的影像亮度對比值及介面處理層與第二磊晶層的穿透式電子顯微鏡影像亮度對比值均大於1.005，因此第二磊晶層可以較高溫度成長而可降低磊晶結構的漏電流。所以，本發明的實施例的磊晶結構及其形成方法可使磊晶結構具有較佳的發光效率。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
10:基底層
20、40、50、70:磊晶層
30、60:介面處理層
80:基板
90:視窗層
21、51:底表面
22、52:頂表面
20h、30h、40h、50h、60h、70h:厚度
100、100A:磊晶結構
圖1為繪示本發明一實施例的一種磊晶結構的剖面示意圖。
圖2為本發明一實施例的磊晶結構的形成方法的流程圖。
圖3為本發明一實施例的磊晶結構的製作流程的剖面示意圖。
圖4為圖1的磊晶結構的穿透式電子顯微鏡的局部影像圖。
圖5為圖1的磊晶結構的穿透式電子顯微鏡的局部訊號強度相對於磊晶結構的深度的分布圖。
圖6為本發明另一實施例的一種磊晶結構的剖面示意圖。
10:基底層
20、40、50、70:磊晶層
30、60:介面處理層
80:基板
90:視窗層
21、51:底表面
22、52:頂表面
20h、30h、40h、50h、60h、70h:厚度
100:磊晶結構
Claims (12)
- 一種磊晶結構，包括：一第一磊晶層；一第二磊晶層，配置於該第一磊晶層上；以及一介面處理層，位於該第一磊晶層及該第二磊晶層之間且與該第一磊晶層和該第二磊晶層接觸，其中該第一磊晶層、該第二磊晶層和該介面處理層為相同材質之化合物層且具有相同摻雜類型，其中該介面處理層與該第一磊晶層對穿透式電子顯微鏡的影像亮度對比值及該介面處理層與該第二磊晶層對穿透式電子顯微鏡的影像亮度對比值均大於1.005。
- 如請求項1所述的磊晶結構，更包括：一主動層，配置於該第一磊晶層相對遠離該第二磊晶層的底表面；另一第一磊晶層，配置於該主動層相對遠離該第一磊晶層的一側；另一第二磊晶層，配置於該另一第一磊晶層相對遠離該主動層一側；以及另一介面處理層，配置於該另一第一磊晶層與該另一第二磊晶層之間且與該另一第一磊晶層和該另一第二磊晶層接觸，其中該另一第一磊晶層、該另一第二磊晶層及該另一介面處理層的摻雜類型不同於該第一磊晶層、該第二磊晶層及該介面處理層的摻雜類型。
- 如請求項1所述的磊晶結構，更包括：一主動層，配置於該第一磊晶層相對遠離該第二磊晶層的底表面；另一第一磊晶層，配置於該主動層相對遠離該第一磊晶層的一側；以及另一第二磊晶層，配置於該另一第一磊晶層相對遠離該主動層一側，其中該另一第一磊晶層、該另一第二磊晶層的摻雜類型不同於該第一磊晶層、該第二磊晶層及該介面處理層的摻雜類型，且該第一磊晶層、該第二磊晶層的厚度總和大於該另一第一磊晶層、該另一第二磊晶層的厚度總和。
- 如請求項1所述的磊晶結構，其中該第一磊晶層、該第二磊晶層以及該介面處理層皆為含磷化合物層。
- 如請求項1所述的磊晶結構，其中該第一磊晶層與該第二磊晶層皆摻雜有一第一元素，該第一元素在該第一磊晶層中的摻雜濃度為一第一摻雜濃度，該第一元素在該第二磊晶層中的摻雜濃度為一第二摻雜濃度，且該第二摻雜濃度不同於該第一摻雜濃度。
- 如請求項1所述磊晶結構，其中該第一磊晶層、該第二磊晶層和該介面處理層的材質包括銦，且該第一磊晶層和該第二磊晶層的銦濃度大於該介面處理層的銦濃度。
- 如請求項1所述的磊晶結構，其中該第一磊晶層與該介面處理層的厚度比以及該第二磊晶層與該介面處理層的厚度比均大於50。
- 如請求項1所述磊晶結構，其中該介面處理層對穿透式電子顯微鏡的電子穿透率大於該第一磊晶層及該第二磊晶層對穿透式電子顯微鏡的電子穿透率。
- 一種磊晶結構形成方法，包括：形成一基底層；在該基底層上以第一溫度形成一第一磊晶層；升高環境溫度，以在該第一磊晶層上形成一介面處理層；以及在該介面處理層上以第二溫度形成一第二磊晶層，其中該第二溫度大於該第一溫度，及該第一磊晶層、第二磊晶層和該介面處理層為相同材質之化合物層且具有相同摻雜類型，其中該介面處理層與該第一磊晶層的穿透式電子顯微鏡的影像亮度對比值及該介面處理層與該第二磊晶層的穿透式電子顯微鏡影像亮度對比值均大於1.005。
- 如請求項9所述磊晶結構形成方法，其中該第一磊晶層、該第二磊晶層和該介面處理層包括銦，且該第一磊晶層和該第二磊晶層的該銦濃度大於該介面處理層的該銦濃度。
- 如請求項9所述磊晶結構形成方法，其中該介面處理層對穿透式電子顯微鏡的電子穿透率大於該第一磊晶層及該第二磊晶層對穿透式電子顯微鏡的電子穿透率。
- 如請求項9所述磊晶結構形成方法，其中該基底層為一主動層，且在形成該基底層的步驟之前，該磊晶結構形成方法更包括：在一基板上依序形成另一第二磊晶層及另一第一磊晶層，且該另一第二磊晶層與該另一第一磊晶層的至少其中之一以大於第一溫度之一第三溫度形成。
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Patent Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
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