專利名稱：Ⅲ族氮化物發光二極管及其制造方法
技術領域：
本發明有關一種氮化物發光二極管，特別是有關于具有上n下p形式的氮化物發光二極管。
(2)背景技術發光二極管目前被廣泛應用在日常生活中，例如電子看板、指示燈和感應器等方面。圖1所繪示為現有的III族(化學元素周期表中)氮化物發光二極管的結構剖面圖。請參照圖1，一般III族氮化物發光二極管為上p下n的形式，亦即由活性層18來區隔，上方為p型結構下方為n型結構。而III族氮化物發光二極管的制造方法如下在例如材質為藍寶石(sapphire)的基板10上依序形成低溫的緩沖層(buffer layer)12、材質例如為氮化鎵(GaN)的n型歐姆接觸層14、材質例如為氮化鋁鎵(AlxGa1-xN)的寬能隙的n型局限層16、活性層18、材質為例如氮化鋁鎵(AlxGa1-xN)的寬能隙的p型的局限層20以及材質為例如氮化鎵(GaN)的p型歐姆接觸層22，其中，上述的活性層18可為窄能隙的氮化銦鎵(InxGa1-xN)的單層結構、或氮化銦鎵/氮化鎵(InxGa1-xN/GaN)的n個周期多重量子井結構(n≥1)，即完成III族氮化物發光二極管的磊晶結構。接著，在磊晶結構上鍍上導電電極24與導電電極26即完成發光二極管的制作。此處所提及的導電電極24是為適合與p型半導體形成良好歐姆接觸的金屬，例如鎳金合金(Ni/Au)；而導電電極26則為適合與n型半導體形成良好歐姆接觸的金屬，例如鈦鋁合金(Ti/Al)。
現有的III族氮化物發光二極管中包括兩個不同電性的導電電極p型的導電電極24、以及n型的導電電極26。所以在現有III族氮化物發光二極管的制作過程中，必須經過兩次的蒸鍍步驟才能完成金屬電極的制作。另外，現有III族氮化物發光二極管的最上層結構中，大都為p型氮化物，例如p型歐姆接觸層22，由于p型氮化物往往比n型氮化物的摻雜濃度低，并無法提供有效電流分散作用。另外，現有的III族氮化物發光二極管的結構中，由于p型氮化物暴露外界中，所以在經清洗或是蝕刻的步驟時，往往會使得外在的氫離子鉆入p型氮化物，使得p型氮化物的有效載子濃度降低，影響到元件的發光特性。由于上述缺點會導致III族氮化物發光二極管的發光效率不佳，因此如何有效地進一步提升III族氮化物發光二極管的發光效率，仍是大家期盼的努力目標。
(3)發明內容鑒于上述的發明背景中，現有III族氮化物發光二極管的發光效率不佳，因此本發明的目的是提供一種新的發光二極管結構及其制造方法，可獲得較好的電流分散能力，并且較不易受到氫鈍化(passivation)的作用，而且可減少不同電性的金屬電極的蒸鍍步驟，因此也同時減少元件制作的時間。
為實現上述的目的，根據本發明一方面的III族氮化物發光二極管，包括一基板；一退化接面位于基板的一側，此退化接面為一二極管，且由一n+型層與位于n+型層上的一p+型層所構成；一活性層位于退化接面上；一p型磊晶結構位于活性層與退化接面之間；一第一n型磊晶結構位于活性層上；以及一第一n型導電電極位于第一n型磊晶結構上。
其中，本發明另一第二n型導電電極可位于基板的另一側或位于具有暴露表面的n型歐姆接觸層上。另外，上述的n+型層的材質是可選白于n+單層結構或n+超晶格結構，而p+型層的材質是可選自于p+單層結構或p+超晶格結構。本發明III族氮化物發光二極管中，還包括一透明導電薄膜位于第一n型磊晶結構與第一n型導電電極之間。
根據本發明另一方面的III族氮化物發光二極管的制造方法，其特點是，至少包括提供一基板；形成一退化接面于該基板的一側，其中，該退化接面為一二極管，且由一n+型層與位于該n+型層上的一p+型層所構成；形成一活性層于該退化接面上；形成一p型磊晶結構于該活性層與該退化接面之間；形成一n型磊晶結構于該活性層上；以及形成一第一n型導電電極位于該第一n型磊晶結構上。
本發明的III族氮化物發光二極管的結構及其制造方法具有減少制作時間、提高電流分散能力以及減少氫鈍化作用的優點，這樣有助于發光二極管的生產與品質改善。
為進一步說明本發明的目的、結構特點和效果，以下將結合附圖對本發明進行詳細的描述。
(4)
圖1是現有的III族氮化物發光二極管的結構剖面圖；圖2是根據本發明的III族氮化物發光二極管的結構剖面圖；圖3是圖2中n型歐姆接觸層至p型局限層的能帶示意圖；圖4是根據本發明一較佳實施例的III族氮化物發光二極管結構剖面圖；以及圖5是根據本發明另一實施例的III族氮化物發光二極管結構剖面圖。
(5)具體實施方式
圖2是根據本發明的III族氮化物發光二極管的結構剖面圖。請參照圖2，本發明是利用III族氮化物發光二極管的制造方法來同步說明III族氮化物發光二極管的結構。首先，于基板50上形成一磊晶結構，此磊晶結構可依序包括低溫的緩沖層52(又稱成核層)、n型歐姆接觸層54、退化接面(DegenerateJunction)72、寬能隙的p型局限層60、活性層62、寬能隙的n型局限層64、以及n型歐姆接觸層66。接著，蒸鍍上n型的導電電極68與導電電極70即完成本發明III族氮化物發光二極管的制作。其中，本發明III族氮化物發光二極管的特點在于形成一退化接面72于活性層62下，通過退化接面72，使得元件由活性層62區分，可形成上n下p的結構。因此，請參照圖1與圖2，本發明的III族氮化物發光二極管與現有的III族氮化物發光二極管的結構極性相反，所以操作偏壓的極性也不相同。其中，現有結構的正極加在上電極，負極加在下電極；而本發明結構則為上電極加負極，下電極加正極。
本發明的III族氮化物發光二極管中的退化接面72，又稱為江崎(Esaki)二極管，可以是高濃度的n+單層及高濃度的p+單層組合，也可以是高濃度n+超晶格加上高濃度p+超晶格組合，或者由單層搭配超晶格的組合等不同極性的組合，其中必須先形成一層n+型層56，再于其上形成p+型層58。退化接面72的主要原理在于當半導體在高度摻雜時，n型材料的費米能階(Fermi level)會高于導電能帶邊緣(conduction band edge)，而p型材料的費米能階會低于價電能帶邊緣(valence band edge)，將兩者相連接時因內建電場的關系會使得n型材料與p型材料的接面厚度變窄，由量子力學的觀點看，載子穿透此薄層的機率將大為增加。當此p+-n+接面順偏時，會產生負微分電阻(NDR)的現象，若p+-n+接面反偏時，則接面電場愈顯強烈，能帶將更為陡峭，連帶使得接面更薄，將更有利于載子以穿透的方式由p型價帶往n型導帶遷移，如圖3所示。
圖3所示為圖2中n型歐姆接觸層至p型局限層的能帶示意圖，其中由左至右分別為p型局限層60、p+型層58、n+型層56與n型歐姆接觸層54。請參照圖3，當發光二極管元件受到反偏時，p+-n+接面變得陡峭，使得電子由p+的價帶輕易能穿透至n+導帶，如箭頭74所示。換句話說，即相當于空穴往反方向移動至p型局限層60，往活性層貢獻空穴，如箭頭76所示。故若此退化接面72濃度夠高，薄膜品質夠好，則此p+-n+接面即相當于一個非常小的線性電阻，對順向電壓降改變不大，但卻可使下p上n的發光二極管架構順利實現，對元件的光特性將更有幫助。
由于本發明的III族氮化物發光二極管中，元件最上層為高濃度n型半導體材料(n型歐姆接觸層66)與金屬材料(導電電極70)的接觸，這樣較圖1的現有結構中，低濃度p型半導體材料(p型歐姆接觸層22)與金屬材料(導電電極24)的接觸電阻來得低。本發明的優點將可補償此因退化接面72所多出的阻抗，甚至使得整體發光二極管的順向電壓降更小。
在本發明一較佳實施例中，為了使發光二極管的元件特性更為完備，因此可在蒸鍍導電電極70于n型歐姆接觸層66的前，先鍍上一層透明、高導電率且功函數與n型歐姆接觸層66適合的透明導電薄膜78。此透明導電薄膜78的作用在于可使得晶粒整體的電流分散均勻，且須具備80％以上的穿透率，避免將正向發射的光子遮蔽，如圖4所示。
本發明的III族氮化物發光二極管中，基板50的材質可選自于藍寶石、氧化鋰鈣(LiCaO2)、氧化鋰鋁(LiAlO2)、氧化鎂鋁(MgAl2O4)、碳化硅(SiC)、硅(Si)、砷化鎵(GaAs)與氮化鋁鎵銦(AlGaInN)之一構成。磊晶結構是由III族氮化物構成，其中緩沖層52的材質可以是氮化鋁鎵銦(AlxGayInzN，其中0≤x、y、z≤1、且x+y+z＝1)，以氮化鎵為較佳材料，緩沖層52亦可摻雜雜質，如硅或鎂(Mg)，但以未摻雜者較佳；而n型歐姆接觸層54、退化接面72、p型局限層60、活性層62、n型局限層64與n型歐姆接觸層66等也可以由氮化鋁鎵銦(AlxGayInzN，其中0≤x、y、z≤1、且x+y+z＝1)構成。其中，各層組成，亦即x值、y值與z值，全由設計的發光波長及元件電特性而定。形成退化接面72的材料須做一取舍，當材料的能隙愈小時，其較易形成退化的能帶，但卻也必須避免當能隙過窄時所造成光子再吸收的現象，所以必須盡量選擇能使接面退化且不吸收活性層發出光子的材料。此外，p型局限層60與n型局限層64的能隙也須大于活性層62，以有效局限載子，提高發光效率。另外，活性層62可為比p型局限層60與n型局限層64能隙小的窄能隙單層結構，亦可為多層大小能隙交替的周期結構，搭配p型局限層60或n型局限層64后，可形成雙異質接面發光二極管或是多重量子井發光二極管。其中量子井的數目可由1個變化至30個，但以具有1個至10個量子井的發光二極管，其發光效率較佳。而鍍在n型歐姆接觸層66上的透明導電薄膜78的材質與現有鍍在p型材料者不盡相同，可為鈦鋁合金(Ti/Al)、氧化銦(In2O3)、氧化錫(SnO2)、氧化銦錫(ITO)、氧化鎘錫(CTO)、氧化鋅(ZnO)、或氮化鈦鎢(TiWN)中的任一種材料。n型的導電電極68與導電電極70的材質可選于鈦、鋁、金等單層金屬及其合金。
圖5所示為根據本發明另一實施例的III族氮化物發光二極管結構剖面圖。若基板50為由n型的碳化硅、砷化鎵、或硅等材料所構成的導電基板，則本發明將發光二極管元件制作成如圖5的結構，以節省晶粒的面積。其中，各層的結構大致與圖2相同，在基板50上具有磊晶結構，例如為緩沖層52、n型歐姆接觸層54、退化接面72(n+型層56與p+型層58)、p型局限層60、活性層62、n型局限層64、n型歐姆接觸層66、以及透明導電薄膜78。另外，在基板50不具有磊晶結構的一側具有n型的導電電極68，而另一n型的導電電極70是形成于透明導電薄膜78上。本發明此一III族氮化物發光二極管于成長緩沖層52時，必須考慮其導電性，所以緩沖層52須摻雜n型雜質。
本發明III族氮化物發光二極管的導電電極68與導電電極70皆為n型，并可于同一步驟中蒸鍍相同材料，以減少元件制作的時間。但是若以導電性基板所制作、并為節省面積的發光二極管，導電電極68與導電電極70雖皆為n型且可由同樣金屬所構成，卻需分兩次蒸鍍步驟以形成電極。本發明元件結構的最上層為n型氮化物材料(n型歐姆接觸層66)，其可摻雜的濃度較p型氮化物材料高，所以可較現有結構得到較好的電流分散能力。而本發明整個發光二極管元件的外部，除了磊晶結構的側面外，其他暴露于外界的部份皆為n型氮化物材料，如n型歐姆接觸層54與n型歐姆接觸層66，由前人的研究中可知，n型氮化物較p型氮化物不易受到氫鈍化，故在制作過程中較不易影響發光二極管的元件特性。
如熟悉此技術的人員所了解的，以上所述僅為本發明的較佳實施例，并非用以限定本發明的申請專利范圍；凡其它未脫離本發明所揭示的精神所完成的等效改變或等效替換，均應包含在權利要求書所限定的專利保護范圍內。
權利要求
1.一種III族氮化物發光二極管，其特征在于，至少包括一基板；一退化接面位于該基板的一側，其中該退化接面為一二極管，且由一n+型層與位于該n+型層上的一p+型層所構成；一活性層位于該退化接面上；一p型磊晶結構位于該活性層與該退化接面之間；一n型磊晶結構位于該活性層上；以及一第一n型導電電極位于該n型磊晶結構上。
2.如權利要求1所述的III族氮化物發光二極管，其特征在于，所述的基板的材質可選自于藍寶石、氧化鋰鈣、氧化鋰鋁、氧化鎂鋁、碳化硅、硅、砷化鎵與氮化鋁鎵銦(AlGaInN)之一。
3.如權利要求1所述的III族氮化物發光二極管，其特征在于，還包括暴露一表面的一n型歐姆接觸層，且一第二n型導電電極是位于該n型歐姆接觸層的該表面上。
4.如權利要求1所述的III族氮化物發光二極管，其特征在于，還包括一第二n型導電電極位于該基板的另一側。
5.如權利要求1所述的III族氮化物發光二極管，其特征在于，所述的p型磊晶結構、該n型磊晶結構、與該退化接面是由氮化鋁鎵銦所構成，且0≤x、y、z≤1，以及x+y+z＝1。
6.如權利要求1所述的III族氮化物發光二極管，其特征在于，所述的n+型層的材質可選自于一n+單層與一n+超晶格所組成的一族群，且該p+型層的材質可選自于一p+單層與一p+超晶格所組成的一族群。
7.如權利要求1所述的III族氮化物發光二極管，其特征在于，還包括一透明導電薄膜位于該n型磊晶結構與該第一n型導電電極之間，且該透明導電薄膜的材質是可選自于鈦鋁合金、氧化銦、氧化錫、氧化銦錫)、氧化鎘錫、氧化鋅與氮化鈦鎢之一。
8.如權利要求1所述的III族氮化物發光二極管，其特征在于，所述的活性層可選自于由雙異質接面結構與多重量子井結構所組成的一族群，且該第一n型導電電極的材質可選自于由鈦、鋁、金等單層金屬及其合金所組成的一族群。
9.一種III族氮化物發光二極管的制造方法，其特征在于，至少包括提供一基板；形成一退化接面于該基板的一側，其中，該退化接面為一二極管，且由一n+型層與位于該n+型層上的一p+型層所構成；形成一活性層于該退化接面上；形成一p型磊晶結構于該活性層與該退化接面之間；形成一n型磊晶結構于該活性層上；以及形成一第一n型導電電極位于該第一n型磊晶結構上。
10.如權利要求9所述的III族氮化物發光二極管的制造方法，其特征在于，還包括形成一透明導電薄膜于該n型磊晶結構與該第一n型導電電極之間。
全文摘要
一種III族(化學元素周期表中)氮化物發光二極管，是在活性層與基板之間加入一層退化接面，此退化接面是由一層n+型層與其上的一層p+型層所構成。借助此退化接面，可使III族氮化物發光二極管形成上n下p的形式，而發光二極管上的導電電極也皆為n型。應用本發明III族氮化物發光二極管，由于n型氮化物的可摻雜濃度較p型氮化物材料高，所以有較好的電流分散能力。另外，還由于p型氮化物的暴露部分減少，因此較不易受到氫鈍化的影響。
文檔編號H01L33/00GK1447447SQ0210852
公開日2003年10月8日 申請日期2002年3月27日 優先權日2002年3月27日
發明者汪信全, 陳錫銘 申請人:聯銓科技股份有限公司