CN101452980B - 三族氮化合物半导体发光二极管的制造方法 - Google Patents

Abstract

一种三族氮化合物半导体发光二极管，其包含衬底、缓冲层、N型半导体材料层、共形活性层和P型半导体材料层。所述N型半导体材料层具有第一表面和第二表面，所述第一表面直接接触所述缓冲层。所述第二表面具有多个凹部，所述共形活性层形成于所述第二表面上和所述多个凹部内。所述共形活性层与所述N型半导体材料层之间的应力可通过所述多个凹部释放。

Description

三族氮化合物半导体发光二极管的制造方法

技术领域

本发明是关于一种三族氮化合物半导体发光二极管和其制造方法，尤其关于一种能释放活性层与N型半导体材料层之间应力的三族氮化合物半导体发光二极管和其制造方法。 

背景技术

随着发光二极管元件的被广泛应用于不同产品，近年来制作蓝光发光二极管的材料，已成为当前光电半导体材料业重要的研发对象。目前蓝光发光二极管的材料有硒化锌(ZnSe)、碳化硅(SiC)和氮化铟镓(InGaN)等材料，这些材料都是宽能隙(band gap)的半导体材料，能隙大约在2.6eV以上。由于氮化镓系列是直接能隙(direct gap)的发光材料，因此可以产生高亮度的照明光线，且相比于同为直接能隙的硒化锌具有寿命长的优点。 

目前蓝光发光二极管的活性层(发光层)多采用氮化铟镓/氮化镓(InGaN/GaN)量子阱结构，所述量子阱结构是夹设于N型氮化镓(GaN)层与P型氮化镓层之间的。当In加入GaN形成InGaN时，由于InGaN与GaN之间的晶格常数不同，以致于活性层和氮化镓界面产生应力。所述应力会产生压电的作用而形成压电场，从而会影响活性层的发光效率和波长，因此需要消除应力以避免不良的影响。 

图1是美国专利US6,345,063的发光二极管的剖面示意图。发光二极管10包含衬底11、缓冲层12、N型InGaN层13、活性层14、第一P型三五族氮化合物层15、第二P型三五族氮化合物层16、P型电极17和N型电极18。N型InGaN层13和活性层14的InGaN膜间的晶格常数匹配，因此可消除累积的应力。但所述N型InGaN层13的形成温度较低，因此会牺牲晶体外延生长质量而取代原先质量较佳的GaN层。 

图2是美国专利US6,861,270的发光二极管的剖面示意图。发光二极管20包含衬底21、N型氮化铝镓(AlGaN)层22、多个镓或铝的微凸部25、活性层23和P型氮化铝镓层24。所述镓微凸部25会使得活性层23在能 隙上产生波动(fluctuation)，在能隙带较窄的区域的发光效率会增加，即使位错(dislocation)在所述区域仍会发生。参见所述美国专利的发明内容(Summary of the Invention)，其中明确揭示所述能隙带的波动是通过晶格常数不同所产生，因此本专利并非解决晶格常数不匹配所造成的应力问题。 

图3是美国专利US7,190,001的发光二极管的剖面示意图。发光二极管30包含衬底31、缓冲层32、N型覆盖层(cladding layer)33、AlN非平坦层34、活性层35、P型覆盖层36、接触层37、透明电极38、P型电极391和N型电极392。活性层35形成于AlN非平坦层34上，因此可简化活性层35的生长条件，从而增加发光效率。然而所述AlN非平坦层34需要特别的热处理工艺才能形成于N型覆盖层33上，因此容易影响原本底层的晶体外延生长质量。 

综上所述，市场上急需一种确保质量稳定的发光二极管，才能改善上述常规技术的各种缺点。 

发明内容

本发明的主要目的是提供一种三族氮化合物半导体发光二极管和其制造方法，其可以减少晶体外延生长层的应力累积，因而能降低量子限制Stark效应(Quantum Confined Stark Effect；QCSE)，增加电子和空穴复合机率，从而提高发光二极管的发光效率。 

为达上述目的，本发明揭示一种三族氮化合物半导体发光二极管，其包含衬底、第一型半导体材料层、共形(conformation)活性层和第二型半导体材料层。所述第一型半导体材料层包括第一表面和第二表面，其中所述第一表面朝向所述衬底，所述第二表面相对于所述第一表面并具有多个凹部。所述共形活性层形成于所述第二表面上和所述多个凹部内。所述共形活性层与所述第一型半导体材料层之间的应力可通过所述多个凹部释放。所述第二型半导体材料层设置于所述共形活性层上。 

上述发光二极管另外包含介于所述衬底与所述第一型半导体材料层之间的缓冲层。 

所述凹部的深度大于所述共形活性层中量子阱层的厚度，且小于所述第一型半导体材料层的厚度。且所述凹部的上方开口的宽度大于0.1μm且 小于10μm。所述多个凹部具有不同尺寸。所述多个不同尺寸的凹部呈均匀或交错分布。所述凹部的开口宽度大于所述凹部的底部宽度。 

所述共形活性层是单层量子阱结构或多层量子阱结构。 

所述第一型半导体材料层是N型半导体材料层，且所述第二型半导体材料层是P型半导体材料层。 

本发明还揭示一种三族氮化合物半导体发光二极管的制造方法，包含下列步骤：提供衬底；在所述衬底上生长第一型半导体材料层，其中所述第一型半导体材料层包括第一表面和第二表面，所述第一表面朝向所述衬底，所述第二表面相对于所述第一表面并具有多个凹部；生长共形活性层于所述第一型半导体材料层上；以及在所述共形活性层上形成第二型半导体材料层。 

所述多个凹部是通过蚀刻工艺形成于所述第一型半导体材料层的第二表面。 

所述多个凹部是通过控制氮气、氨气、氢气、三甲基镓、三乙基镓、三甲基铟、三乙基铟或有机金属化合物的流量而形成于所述第二表面的空洞。所述多个凹部是通过金属有机化学气相沉积工艺产生。 

上述制造方法另外包含直接在所述衬底表面形成至少一缓冲层的步骤。 

通过上述设计，本发明第一型半导体材料层表面并具有多个凹部，共形活性层形成于所述表面上和所述多个凹部内。因此所述共形活性层与所述第一型半导体材料层之间的应力可通过所述多个凹部释放，从而增加电子和空穴复合机率，以提高发光二极管的发光效率。 

附图说明

图1是美国第US6,345,063号专利的发光二极管的剖面示意图； 

图2是美国第US6,861,270号专利的发光二极管的剖面示意图； 

图3是美国第US7,190,001号专利的发光二极管的剖面示意图； 

图4是本发明三族氮化合物半导体发光二极管的剖面示意图； 

图5A是本发明发光二极管的部分剖面示意图；以及 

图5B是图5A中部分发光二极管的上视图。 

具体实施方式

图4是本发明三族氮化合物半导体发光二极管的剖面示意图。发光二极管40包含衬底41、缓冲层42、N型(或称为第一型)半导体材料层43、共形活性层44和P型(或称为第二型)半导体材料层45，又在N型半导体材料层43表面设置有N型电极47，和在P型半导体材料层45表面设置有P型电极46。 

一般来说，制作此发光二极管40是先提供基材41，例如：蓝宝石(即铝氧化合物Al₂O₃)、碳化硅(SiC)、硅、氧化锌(ZnO)、氧化镁(MgO)和砷化镓(GaAs)等，并在所述基材41上形成不同的材料层。因为基材41与三族氮化合物的晶格常数不匹配，因此需要在基材41上先形成至少一缓冲层42，所述缓冲层42的材料可以是GaN、InGaN或AlGaN，或硬度比常规含铝元素缓冲层低的超晶格(Superlattice)层。然后在缓冲层42上生长N型半导体材料层43，其可以利用晶体外延生长的方式产生N型氮化镓掺杂硅薄膜以作为N型半导体材料层43。所述N型半导体材料层43的上表面并非平坦状，其包含多个凹部431和一平坦区432。凹部431的形成仍可以在金属有机化学气相沉积(MOCVD)炉内完成，其是在N型半导体材料层43沉积到达一定厚度(1～5μm)之后，再将供应的氮气、氨气、氢气、三甲基镓(trimethylgalliaum；TMGa)、三乙基镓、三甲基铟(trimethylindium；TMIn)、三乙基铟或有机金属化合物关闭或降至低流量，因此表面的晶体外延生长部分会产生很多空洞的凹部431。另外，还可选择在N型半导体材料层43形成之后，再以蚀刻工艺在N型半导体材料层43表面产生同样的凹部431。 

然后在N型半导体材料层43上生长单层量子阱(single quantum well；SQW)结构或多层量子阱(multiquantum well；MQW)结构的共形活性层44，例如：二层至三十层的发光层/阻挡层(barrier layer)的多层量子阱叠层结构，而又以六层至十八层的叠层结构为优选，所述共形活性层44为发光二极管  40主要产生光线的部分。所述发光层可以是氮化铝铟镓(Al_XIn_YGa_1-X-YN)且阻挡层可以是氮化铝铟镓(Al_IIn_JGa_1-I-JN)，而且0≤X＜1、0≤Y＜1、0≤I＜1和0≤J＜1，X+Y＜1和I+J＜1；又当X、Y、I、J＞0，则X≠I和Y≠J。又氮化铟镓(InGaN)/氮化镓(GaN)也可作为发光层/阻挡层的材料。通过N 型半导体材料层43表面的凹部431，可释放共形活性层44与N型半导体材料层43之间的应力，因此可增加共形活性层44的发光效率。此外，因为是在N型半导体材料层43上形成凹部431，所以不需要再增加不同材料的晶体外延生长层或沉积金属微凸部，所以不会降低底部各晶体外延生长层的质量，也不需采用晶格常数匹配但牺牲晶体外延生长质量的晶体外延生长层作为N型半导体材料层43。 

在共形活性层44上形成至少一P型半导体材料层45，所述P型半导体材料层45可以为掺杂镁的氮化镓与氮化铟镓的叠层或掺杂镁的氮化铝镓与氮化镓超晶格结构加上掺杂镁的氮化镓等不同结构。另外，在N型半导体材料层43和P型半导体材料层45分别形成N型电极47和P型电极46的图型，借此可连接外部的电力。 

图5A是本发明发光二极管的部分剖面示意图。在衬底41上依序形成缓冲层42和N型半导体材料层43，所述N型半导体材料层43表面有多个凹部431和一平坦区432。凹部431的深度h可以大于单一量子阱层的厚度，且小于N型半导体材料层43的厚度。另外，凹部431的截面略呈倒梯形，其上方开口的宽度W可大于0.1μm且小于10μm。 

图5B是图5A中部分发光二极管的上视图。多个凹部431的宽度W或直径并非单一而是大小不一，不同尺寸的凹部431约略呈均匀或交错分布于N型半导体材料层43表面。 

本发明的技术内容和技术特点已揭示如上，然而所属领域的技术人员仍可能基于本发明的教导和公开而作种种不背离本发明精神的替换和修饰。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所公开的范围，而应包括各种不背离本发明的替换和修饰，并为所附的权利要求书所涵盖。 

Claims (13)

1.一种三族氮化合物半导体发光二极管的制造方法，其特征在于包含下列步骤：

提供衬底；

在所述衬底上成长第一型半导体材料层，其中所述第一型半导体材料层包括第一表面和第二表面，所述第一表面朝向所述衬底，所述第二表面相对于所述第一表面并具有多个凹部，所述多个凹部是通过控制供应所述第一型半导体材料层长成的有机金属化合物或者控制氮气、氨气、氢气、三甲基镓、三乙基镓、三甲基铟或三乙基铟的流量而形成；

生长共形活性层于所述第一型半导体材料层上；以及

在所述共形活性层上形成第二型半导体材料层。

2.根据权利要求1所述的三族氮化合物半导体发光二极管的制造方法，其特征在于所述多个凹部是通过金属有机化学气相沉积工艺产生。

3.根据权利要求1所述的三族氮化合物半导体发光二极管的制造方法，其特征在于所述凹部的深度大于所述共形活性层中量子阱层的厚度，且小于所述第一型半导体材料层的厚度。

4.根据权利要求1所述的三族氮化合物半导体发光二极管的制造方法，其特征在于所述凹部的上方开口的宽度大于0.1μm且小于10μm。

5.根据权利要求1所述的三族氮化合物半导体发光二极管的制造方法，其特征在于所述多个凹部具有不同尺寸。

6.根据权利要求5所述的三族氮化合物半导体发光二极管的制造方法，其特征在于所述多个不同尺寸的凹部呈均匀或交错分布。

7.根据权利要求1所述的三族氮化合物半导体发光二极管的制造方法，其特征在于所述凹部的开口宽度大于所述凹部的底部宽度。

8.根据权利要求1所述的三族氮化合物半导体发光二极管的制造方法，其特征在于所述共形活性层是单层量子阱结构或多层量子阱结构。

9.根据权利要求8所述的三族氮化合物半导体发光二极管的制造方法，其特征在于所述多层量子阱结构是二层至三十层的发光层/电障层的叠层结构。

10.根据权利要求8所述的三族氮化合物半导体发光二极管的制造方法，其特征在于所述多层量子阱结构是六层至十八层的发光层/电障层的叠层结构。

11.根据权利要求10所述的三族氮化合物半导体发光二极管的制造方法，其特征在于所述发光层/电障层是氮化铝铟镓(Al_XIn_YGa_1-X-YN)/氮化铝铟镓(Al_IIn_JGa_1-I-JN)，其中0≤X＜1、0≤Y＜1、0≤I＜1和0≤J＜1，X+Y＜1和I+J＜1；又当X、Y、I、J＞0，则X≠I且Y≠J。

12.根据权利要求1所述的三族氮化合物半导体发光二极管的制造方法，其特征在于另外包含介于所述衬底与所述第一型半导体材料层之间的缓冲层，所述基材的材料是蓝宝石、碳化硅、硅、氧化锌、氧化镁或砷化镓，以及于所述发光层/电障层是氮化铟镓/氮化镓。

13.根据权利要求1所述的三族氮化合物半导体发光二极管的制造方法，其特征在于所述第一型半导体材料层是N型半导体材料层，且所述第二型半导体材料层是P型半导体材料层，所述第一型半导体材料层是N型氮化镓掺杂硅薄膜，所述第二型半导体材料层是掺杂镁的氮化镓与氮化铟镓的叠层，或者是掺杂镁的氮化铝镓与氮化镓超晶格结构加上掺杂镁的氮化镓的叠层，以及另外包含第一型电极和第二型电极，其中所述第一型电极设置于所述第一型半导体材料层上，且所述第二型电极设置于所述第二型半导体材料层上。

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