專利名稱：一種發光二極管及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種發光二極管(Light Emitting Diode)結構，尤其是一種具有應變 補償層的發光二極管。
背景技術：
發光二極管(Light Emitting Diode)之所以會發光，主要原因是利用半導體在 施加電能后轉化為光能的物理特性，當半導體的正負極兩端施加電壓產生電流流經半導體 時，會促使半導體內部的電子與空穴相互結合，結合后剩余能量便以光的形式釋放。隨著 半導體工藝技術發展，光電相關產業順應技術潮流，不斷研究開發高亮度發光二極管(High Brightness LED)，不僅是應用在照明上的高亮度白光二極管，也包括了高亮度的各色發光 二極管，甚至在未來發光二極管將取代現在傳統照明裝置，研發人員更是積極努力與研發 超高亮度的發光二極管(Ultra High Brightness LED)，來適應未來整個廣大照明市場的 需求。發光二極管背光取代手持裝置原有的冷光(又稱電激發光ElectroLuminescent ； EL)以及液晶電視使用冷陰極熒光燈管(Cold CathodeFluorescent Lamp ；CCFL)的背光， 是目前光電產業的趨勢，由于二極管不僅電路設計更簡潔容易，且有較高的外力抗受性，因 此，用發光二極管背光取代液晶電視原有的冷陰極熒光燈管背光，不僅更環保而且顯示更 逼真亮麗。用發光二極管照明取代白光燈、鹵素燈等照明，不僅更光亮省電，使用也更長效， 且點亮反應更快，用于煞車燈時能減少后車追撞率。所以，發光二極管從過去只能用在電子裝置的狀態指示燈，進步到成為液晶顯示 的背光，再擴展到電子照明及公眾顯示，如車用燈、交通信號燈、看板信息跑馬燈、大型影視 墻，甚至是投影機內的照明等，其應用范圍仍在持續地延伸。很重要的一點是，發光二極管 的亮度效率就如同摩爾定律(Moore' s Law) —樣，每24個月提高一倍，過去認為白光二極 管只能用來取代過于耗電的白熾燈、鹵素燈，即發光效率在10 301m/W內的層次，然而在 白光二極管突破601m/W甚至達1001m/W后，就連熒光燈、高壓氣體放電燈等，也開始感受到 被替換的威脅。請參考圖1A，其為傳統發光二極管的典型結構，包括了一基板11、一 N型導電的 半導體層12、一活性層13以及一 P型導電的半導體層14。首先，強化二極管的光轉效 率，這也是提高亮度最根源之道，現有發光二極管的每瓦用電中，僅有15 % 20 %被轉化 成光能，其余都被轉化成熱能并消散掉(廢熱)，而提高這一轉換效率的重點就在P-N結 (P-Njunction)上，P-N結是發光二極管主要的發光發熱位置，通過P-N結的結構設計改 變可提高轉化效率。關于發光二極管轉化效率的提高，目前多是在P-N結上形成量子阱 (Quantum Well ；QW)，以此來提高用電能轉換成光能的比例，更進一步的方法，朝在P-N結 上長成更多的量子阱數來努力，即所謂的多重量子阱(Multiple Quantum Well ；MQW)技術。如果光轉效率難再要求，進一步的就必須從出光效率的層面下手，此層面的作法相當多，依據不同的化合材料也有不同，目前HB LED(高亮度)較常使用的兩種化合材料是磷化鋁銦鎵型(AlGaInP)及氮化銦鎵型(InGaN)，前者用來產生高亮度的橘紅、橙、黃、綠光，后者GaN用來產生綠、翠綠、藍光，以及用氮化銦鎵型產生近紫外線、藍綠、藍光。針對發光二極管的亮度提高技術，美國加州州立大學(The Regents oftheUniversity of California)在美國專利US 7091514提出利用新的半導體工藝方法， 生成出非極性(Non-polar)氮化鎵(GaN)取代傳統極性氮化鎵材料，在非極性氮化鎵底材 上長成的量子阱(Quantum Well ;QW)，能具有更佳的電能轉換成光能效率。該專利主要技 術在于制作以r-plane藍寶石基板取代傳統c-plane藍寶石基板，以制作出非極性氮化鎵 薄膜。理論上，非極性量子阱的特性相較傳統c-plane制作出極性量子阱，具有較佳的 電子空穴復合率。實際上，使用r-plane藍寶石基板成長出的非極性氮化鎵薄膜，雖能消除 發光二極管在PN結上電場效應，由于結晶取向(crystal-orientation)的原因，不僅晶體 底材(template)成長不易，而最后的氮化鎵結晶表面也十分不平整，導致降低整體發光效率。另外，韓國半導體大廠三星電子工業(SamSimg)，于2008年1月3日在美國所公 開的專利技術US 20080001138A1，揭露出利用半導體工藝上，在氮化鎵中摻雜入適當比 例的鋁(Al)以及銦(In)，制作n-type以氮化鋁銦鎵型(AlInGaN)四元材料為底材的發 光二極管，以減少活性層與底材因應變所產生的極化電場效應(polarization-induced electrostatic fields)，促使該發光二極管能有更高的電子空穴復合率，以致產生更多的 光能。但是發光二極管以氮化鋁銦鎵型四元材料為底材存在著高缺陷密度，這將增加載子 被缺陷捕捉的機率，反倒是使得發光二極管的活性區發光效率減弱。此外，鋁、銦的摻雜控 制技術具有相當的難度，影響發光二極管的亮度頗大。美國著名的照明公司-克里光電(Cree Lighting, Inc)，在美國專利US6515313 中，提出用二極管材料雜質摻雜(impurity doping)技術，將雜質摻雜于披覆層(cladding layer)以減低活性區極化電場效應使得發光二極管發光效率提高。但是一般氮化鎵(GaN)材料的晶格結構，為一立體六角柱結構 (wurtzitehexagonal lattice structure)，其晶格結構與底材因晶格的不匹配而產生應 變，并且在P-N結上因應變而產生極化電場，將使得材料內部的電子與空穴結合機率降低， 影響發光二極管的發光亮度。在發光二極管材料的披覆層摻入IV族的雜質，確實能降低披 覆層與活性區因晶格不匹配所造成的極化電場效應，有助于提高發光二極管的發光亮度， 但是IV族雜質容易擴散進入發光二極管的活性區(Active region)，反而導致活性區發光 特性降低，整體發光亮度下降，甚至影響發光二極管電性。除了上述專利所提出發光二極管的亮度提高方法，美國照明二極管公司 (Lumileds Lighting U.S.，LLC)，在美國專利US 6955933中，說明了利用發光二極管材料 的分階段式(graded)工藝技術，將原本在活性區的量子阱與量子位障(quantum barrier layer)，以分階段式(graded)的方式成長，目的為因此方式減少活性區內平均銦含量，以 致減少整體活性區內因為氮化銦鎵與氮化鎵晶格不匹配所形成的應變，進而影響電子與空 穴的復合效率。該專利方法能夠在發光二極管的活性區，改變原本量子阱結構，以形成分階段的 (graded)量子阱與量子位障，通過舒緩活性區極化電場效應，也能降低材料本身極化電場效應，但是在發光二極管活性區使用該分階段的(graded)量子阱與量子位障，對量子阱而言其發光波長穩定性不佳，而對量子位障而言則是容易降低其對量子阱內載子局限功能， 使得發光效率降低。另外一方面，艾瑞瑪光電公司(Arima Optoelectronics Corporation)在美國專 利US 6614060提出利用發光二極管的活性區(Active region)與n-type氮化鎵(GaN)之 間插入一層功能性材料，其所扮演的角色為電子累積層(electron accumulating layer), 以提高發光二極管的電能轉換成光能效率，該種方法確實讓亮度提高，但其結果不顯著。因此，本發明人鑒于上述專利會遇到的缺點，發明創作出一種發光二極管的新組 成結構，其不僅能達到亮度提高的目的，還能避免上述所涉及的問題。
發明內容
鑒于所述的背景技術中遇到的缺點，并符合光電產業的市場需求，本發明提供一 種新結構的發光二極管，用以有效提高發光二極管光電轉換效率與亮度。本發明的發光二極管結構不同于傳統發光二極管，其包括了一基板以及一化合物 半導體復合層，其中該化合物半導體復合層位于基板上。另外，該化合物半導體復合層還包 含了一 N型導電的半導體層、一 P型導電的半導體層、一活性層(active region)以及雙重 應變補償層(strain-compensating layer)，特別是該活性層是位于該N型導電的半導體 層與該P型導電的半導體層之間，并且該雙重應變補償層是位于該N型導電的半導體層與 該活性層之間。所述的雙重應變補償層還包含第一應變補償層與第二應變補償層，其中第一應變 補償層以及第二應變補償層，依序位于活性層與N型導電的半導體層之間，其中第一應變 補償層是位于該N型導電的半導體層上，而第二應變補償層則是位于第一應變補償層上， 另外該活性層位于該第二應變補償層上。關于各個半導體層的能隙大小，第一應變補償層 為、該第二應變補償層為Egs、該活性層為Ega，其三者能隙大小關系為Egs > Egf > Ega0 因此，當發光二極管在高電流密度注入下，位于該雙重應變補償層的第二應變補償層，可以 減少空穴溢流(overflow)的發生。本發明的有益效果為該雙重應變補償層可減少活性區中，因應變所引起的極化 電場效應(polarization-induced electrostatic fields),使電子與空穴的波函數(wave function)重迭(overlap)部分增加，因而增加電子與空穴的復合機率，提高光輸出效率， 故具有應變補償層的發光二極管可減少波長的飄移(wavelength shift)，以增加發光波長 穩定性。
圖IA為一傳統發光二極管結構示意圖；圖IB為本發明發光二極管結構示意圖；圖2A為量子阱未受史塔克效應示意圖；圖2B為量子阱受到史塔克效應示意圖；圖2C為本發明與傳統發光二極管表現差異圖；圖3A為傳統發光二極管的光譜表現圖3B為傳統發光二極管的波長變化圖；圖4A為本發明的光譜表現圖；
圖4B為本發明的波長變化圖；以及圖5為本發明與傳統發光二極管光譜表現差異圖。其中，附圖標記說明如下11、100基板12、210N型導電的半導體層13、230活性層14、240P型導電的半導體層200化合物半導體復合層 220雙重應變補償層222第一應變補償層224第二應變補償層
具體實施例方式本發明在此所探討的方向為一種發光二極管。為了能徹底地了解本發明，將在下 列描述中提出詳盡的步驟及其組成。顯然地，本發明的實施并沒有限定于發光二極管的技 術人員所熟知的特殊細節。另一方面，眾所周知的組成或步驟并沒有描述于細節中，以避免 造成本發明不必要的限制。本發明的較佳實施例會詳細描述如下，然而除了這些詳細描述 之外，本發明還可以廣泛地實施在其他的實施例中，且本發明的保護范圍不受實施例的限 定，其以權利要求書所界定的范圍為準。請參考圖1B，其為本發明一發光二極管的結構示意圖，該發光二極管主要組成包 括了一基板100以及一化合物半導體復合層200。其中該化合物半導體復合層200位于該 基板100上，且還包含了一 N型導電的半導體層210、一 P型導電的半導體層240、一活性層 (active region) 230 與雙重應變補償層(strain-compensating layer) 220，其中該雙重應 變補償層220還包含一第一應變補償層222與一第二應變補償層224，該發光二極管通過 雙重應變補償層(strain-compensating layer) 220，作為應變補償的功能，以減少活性區 (active region)中根據變化所引起的極化電場效應，而降低該發光二極管因極化電場，產 生史塔克效應(Quantum Confinement Stark Effect, QCSE)。請參考圖2A與圖2B，圖2A為量子阱(Quantum Well ；QW)上未受到極化電場影響 (F = 0)，能帶與波函數呈穩定狀態。圖2B為該量子阱受到一極化電場F影響，使整個能帶 與波函數傾斜且移動。熟知本領域的相關人士參考圖2C，即可得知本發明提出的雙重應變 補償層220，確實使得該發光二極管降低史塔克效應。所謂的史塔克效應(QuantumConfinement Stark Effect，QCSE)為一名德國科學 家約翰尼斯·史塔克(Johannes Stark)，在他的物理實驗中獲得的推論。當極隧射線粒子 在運動過程中，不斷與管子中氣體分子碰撞，如果動能足夠大，應該產生發光現象，發出的 光譜會因都卜勒效應而改變頻率，例如，如果射線是朝著觀察者方向運動，則觀察到的光譜 線應向紫端移動，其位移會隨速度的增大而增大，由此可以確定極隧射線粒子的速度。史塔克果然在含氫的極隧射線管中發現了這種都卜勒效應。隨后他在其它一些化 學元素的極隧射線中也證明有所述效應。史塔克在他的實驗中看來，光譜的發射是由于價 電子的躍遷，電場一定會改變原子內部電荷的分布，從而影響發射頻率。他在極隧射線管子 中的陰極和另一輔助電極之間加上強電場，強度達到31kV/cm，然后沿平行于或垂直于電場 的方向用光譜儀進行觀測。氫的極隧射線穿過電場，果然觀測到了加寬，經過仔細調整，他終于獲得了譜線分裂的證據，并且證明隨著譜線序號的增大，分裂的數目也隨的增多。另一方面史塔克還發現，沿電力線成直角的方向觀察，所有的分量都是平面偏振 光，外面的兩根較強，其電場向量與管內電場平行；中間的幾根較弱，其電場向量與管內電 場垂直。由于史塔克的觀測非常精細，得出了如下的結論各分量到中心線的距離是最小 位移的整數倍，而最小位移對所有譜線均相同；位移與電場強度直接成正比。史塔克發 現光譜線的電致分裂對原子物理學的發展有重要意義。人們把這一現象稱為史塔克效應 (QuantumConfinement Stark Effect，QCSE)，并于 1919 年授予了諾貝爾物理學獎。請參考圖3A與圖3B，即可說明出一般發光二極管的發光波長飄移所造成的藍移 現象。根據史塔克效應(QCSE)，發光二極管因極化電場影響，使得在活化層產生發光現象， 其發出的光譜會因都卜勒效應而改變頻率，其改變頻率與電場強度直接成正比，正是所謂 的藍移(Blue shift)與紅移(Redshift)現象。藍移現象是一個移動的發射源在向觀測者 接近時，所發射的光波頻率會向電磁頻譜的藍色端移動的現象，也就是光波波長縮短。反 之，光波的譜線朝紅端移動了一段距離，即光波波長變長、頻率降低，即為紅移現象。就量子力學而言，發光二極管的量子阱(Quantum well)，其中的電子濃度增加時， 由于電子逐漸填滿量子阱的能階，因此使得量子阱中電子的費米能階(Fermi level)上升， 而造成其能帶寬度(band gap)將會增大，電子空穴復合(recombination)所產生的光子的 能量會變大，光波波長變短，形成藍移(Blue shift)現象。相對地外加電場增強時，量子阱 (Quantum well)的導電帶與價電帶的轉移能量因傾斜而變小，其能帶寬度也因此會減小， 影響電子與空穴復合的機率，所產生的光子的能量也會變小，造成發光波長呈現紅移(Red shift)現象。另一方面，由于發光二極管因為量子阱(quantum well)與量子位障(quantum barrier)晶格間不匹配所產生的應變作用，使得在氮化銦鎵(InGaN)量子阱中會有一 極化電場的形成，該壓電極化(piezoelectricpolarization)會造成量子阱能帶的傾 斜，能隙受到史塔克效應(QCSE)影響會有紅位移的現象發生。隨發光二極管的注入電 流(injection current)的升高，該被注入的載子將在空間中對極化電場產生有效的屏 蔽(partialscreening)作用，因此，能帶結構所受到的極化電場變小，能帶傾斜也就隨之 變小，本來受到量子局限史塔克效應所造成的紅位移偏移量也就變小，使得量子阱信號的 峰值能量會有藍位移的現象發生。通過圖4A與圖4B，即可看出本發明提出的發光二極 管，因其中的雙重應變補償層，而減少波長飄移所造成的藍移現象，因此降低史塔克效應 (Quantum Confinement Stark Effect, QCSE)的發生 ，以增加發光波長的穩定性。依照發光二極管的工藝的主要三個步驟首先為晶圓(Wafer)制作與磊晶成長 (Epitaxy)工藝，緊接著為擴散工藝(Diffusion)、金屬蒸鍍(MetalD印osition)與晶粒的 制作，最后為產品的封裝與應用，即可完成本發明的發光二極管。其中影響發光二極管發光 效率最密不可分的，就是磊晶層的組成與設計。因此，本發明的發光二極管的結構與工藝包 括了，首先提供一外延基板100，然后形成一 N型導電的半導體層210于該基板100之上，緊 接著形成雙重應變補償層(strain-compensating layer) 220，其中包含的第一應變補償層 222以及第二應變補償層224，該第一應變補償層222位于該N型導電的半導體層210上， 而該第二應變補償層224于該第一應變補償層222上，并且形成一活性層230于該雙重應 變補償層之上220，最后形成一 P型導電的半導體層240于該活性層230上。將本發明的發光二極管與傳統的發光二極管，其發光表現上的差異如圖5所示，即讓熟知本領域的技術 人員明白，本發明確實能提高發光二極管的發光強度。關于本發明發光二極管的組成方面，所述的雙重應變補償層 (strain-compensating layer) 220，其所包含的第一應變補償層222以及第二應變補償 層224，所采取的半導體組成依序分別有下列二種，第一種組成為該第一應變補償層222為 InxGai_xN，其中0 < χ < 1，而該第二應變補償層224為AlyGai_yN，其中0 < y < 1。第二種組 成為該第一應變補償層222為AlxInyGai_x_yN，其中χ≤0、y≤0，且x+y ( 1，而該第二應變 補償層224為AluInvGai_u_vN，其中u≤0、ν≤0且u+v≤1。關于半導體結構上，其中所述 發光二極管的基板100可為藍寶石基板、碳化硅基板、鋁酸鋰基板、鎵酸鋰基板、硅基板、氮 化鎵基板、氧化鋅基板、氧化鋁鋅基板、砷化鎵基板、磷化鎵基板、銻化鎵基板、磷化銦基板、 砷化銦基板或硒化鋅基板。有關于發光二極管選用所述哪種材料基板，是依照各種發光二 極管外延材料的物理特性來決定。由于所述發光二極管外延材料與該基板100之間的晶格常數差異過大，往往需要 先在該基板100與該半導體復合層200之間，形成一緩沖層才可以得到較佳的外延品質。在 本實施例中，使用的外延材料為III-氮化物，特別是使用氮化鎵，而搭配使用的外延基板 是目前商業上常見的藍寶石基板或是碳化硅基板。然而，任何熟悉本項技術的人應能理解， 本發明的外延材料的選擇并不限定于III-氮化物，或甚至是氮化鎵等的材料。任何III-V 半導體化合物或是II-VI半導體化合物都可應用在本發明中。另外，該第一應變補償層222與該第二應變補償層224，其各自在發光二極管的厚 度范圍為10人~1000人。而對于發光二極管的活性層(active region) 230，在半導體材料 上，為相同性質(Homo Junction)的P_N接面結構，雖然只要加上順向偏壓就可以產生發光 作用，但是因為電子和空穴在結相遇而結合的機率變低，造成結的少數載子注入效率太差。 所以，該活性層230結構設計上，出現單異質結構(Single Heterostructure)、雙異質結構 (DoubleHeterostructure)以及雙側雙異質結構(Double-side Double Heterostructure) 等不同設計，通過這些不同材質的異質(Hetro Hunction)結的結構做成多重量子阱結構 (multiple quantum well)，以增加電子和空穴在P_N接面相遇而結合的機率。另一方面，在P型導電的半導體層240、一活性層(active region) 230之間，可以 形成一 P型導通的電子阻擋層，這個步驟可以是非必需的，P型導通的電子阻擋層可包括第 一種III-V族半導體層，以及第二種III-V族半導體層。這兩種III-V族半導體層，因能隙 不同，且具有周期性地重復沉積在所述主動發光層上，以作為一能障較高的電子阻擋層，用 以阻擋過多電子溢流(overflow)到活性層230以外的半導體層。顯然地，依照上面實施例中的描述，本發明可能有許多的修正與差異。因此，需要 在其附加的權利要求項的范圍內加以理解，除了上述詳細的描述外，本發明還可以廣泛地 在其他的實施例中施行。上述僅為本發明的較佳實施例而已，并非用以限定本發明的權利 要求的范圍；凡其它未脫離本發明所揭示的精神下所完成的等效改變或修飾，均應包含在 本發明的權利要求的范圍內。
權利要求
一種發光二極管，包含一基板；以及一化合物半導體復合層，位于該基板上，并且該化合物半導體復合層包含一N型導電的半導體層、一P型導電的半導體層、一活性層、第一應變補償層與第二應變補償層，其中該活性層位于該N型導電的半導體層與該P型導電的半導體層之間，該第一應變補償層與該第二應變補償層位于該N型導電的半導體層與該活性層之間。
2.根據權利要求1所述的發光二極管，其中所述的第一應變補償層、該第二應變補償 層與該活性層的能隙分別為Egf，Egs，Ega，并且Egs > Egf > Ega0
3.根據權利要求2所述的發光二極管，其中所述的第一應變補償層為InxGai_xN，其中 O≤χ≤1，或為AlxInyGanyN,其中χ≤O、y≤0，且x+y≤1。
4.根據權利要求2所述的發光二極管，其中所述的第二應變補償層為AlyGai_yN，其中 0 ≥y≥ 1，或為 AluInvGa^N，其中 u ≤0、ν ≤ 0 且 u+v ≤ 1。
5.根據權利要求2所述的發光二極管，其中所述的第一應變補償層的厚度為 10人 1000人，且第二應變補償層的厚度為10人 1000人。
6.一種發光二極管的制造方法提供一外延基板；形成一N型導電的半導體層于該基板上；形成一第一應變補償層于該N型導電的半導體層上；形成一第二應變補償層于該第一應變補償層上；形成一活性層于該第二應變補償層上；以及形成一 P型導電的半導體層于該活性層上。
7.根據權利要求6所述的發光二極管的制造方法，其中所述的第一應變補償層、該第 二應變補償層與該活性層的能隙分別為Egf，Egs，Ega，并且Egs > Egf > Ega0
8.根據權利要求7所述的發光二極管的制造方法，其中所述的第一應變補償層為 InxGai_xN，其中 0 彡 χ 彡 1，或為 AlxInyGanyN,其中 χ 彡 0、y 彡 0，且 x+y 彡 1。
9.根據權利要求7所述的發光二極管的制造方法，其中所述的第二應變補償層為 AlyGai_yN，其中 0 ^ y ^ 1，或為 AluInvGa^N，其中 u 彡 0、v 彡 0 且u+v 彡 1。
10.根據權利要求7所述的發光二極管的制造方法，其中所述的第一應變補償層的厚 度為10人 1000人，且第二應變補償層的厚度為IOA 1000A。
全文摘要
本發明提供一種發光二極管及其制造方法，該發光二極管包含一基板、一N型導電的半導體層、一P型導電的半導體層、一活性層(active region)以及雙重應變補償層(strain-compensating layer)，其中雙重應變補償層位于N型導電的半導體層與活性區之間，以增加電子與空穴的復合幾率。
文檔編號H01L33/00GK101840971SQ20091011959
公開日2010年9月22日 申請日期2009年3月17日 優先權日2009年3月17日
發明者葉穎超, 吳芃逸, 楊順貴, 林文禹, 涂博閔, 詹世雄, 黃世晟, 黃嘉宏 申請人:先進開發光電股份有限公司