TW201322488A - Iii族氮化物半導體發光二極體 - Google Patents

Abstract

本發明係有關於一種III族氮化物半導體發光二極體，係主要於ｐ型半導體層中或ｎ型半導體層中係分別以離子佈植製程於ｐ型或ｎ型電極墊之附近區域形成電流阻障絕緣體；藉此，迫使電流於ｐ型或ｎ型半導體層往橫向流動而不致於集中於其電極墊之附近區域，進而改善電流擁擠效應的問題，並具有較佳之發光與電性效率。　　

Description

III族氮化物半導體發光二極體

　　本發明係有關於一種III族氮化物半導體發光二極體，尤其是指一種利用離子佈植製程於氮化鎵發光二極體之ｐ型半導體層或ｎ型半導體層中形成電流阻障絕緣體，以改善現有發光二極體之電流擁擠效應，達到活性層電流均勻散佈，提升元件之發光與電性效率。

　　近年來，氮化物ＬＥＤ由於具有元件體積小、無汞汙染、發光效率高及壽命長等優點，已成為最新興光電半導體材料之一；而III族氮化物之發光波長幾乎涵蓋了可見光之範圍，更使其成為極具潛力之發光二極體材料。

　　傳統的III族氮化物發光二極體其一結構如第五圖所示，發光二極體係製作於一基板（１０）上，基板（１０）上依序包含有一ｎ型半導體層（２０）、一主動發光層（３０）（ａｃｔｉｖｅ　ｌａｙｅｒ），以及一ｐ型半導體層（４０）；另外，於ｐ型半導體層（４０）與ｎ型半導體層（２０）上分別設置有一ｐ型電極墊（５０）與一ｎ型電極墊（６０），且ｐ型電極墊（５０）與ｎ型電極墊（６０）係分別以歐姆接觸於ｐ型半導體層（４０）與ｎ型半導體層（２０）上；當電流自ｐ型電極墊（５０）注入發光二極體時，電流將由上而下經過ｐ型半導體層（４０）、主動發光層（３０）、ｎ型半導體層（２０），最終到達ｎ型電極墊（６０）；然而，因ｐ型半導體層（４０）具有較高之電阻，所以電流於ｐ型半導體層（４０）中不易往橫向展開，導致大部分電流集中於ｐ型電極墊（５０）之正下方，造成電流的分佈會呈現不均勻的狀態，形成所謂的電流擁擠效應，而電流擁擠效應將大幅縮減發光二極體的發光面積，造成二極體發光效能上的損失。

　　於是，請參閱第六圖所示，係為傳統的III族氮化物發光二極體其二結構，為解決電流擁擠效應的現象，於ｐ型半導體層（４０）上增設一電流阻障層（７０），其一般係以二氧化矽為材料，再於電流阻障層（７０）與ｐ型半導體層（４０）上形成一迫使電流散開的透明導電層（８０），且透明導電層（８０）係完全覆蓋住電流阻障層（７０），而一般透明導電層（８０）係以氧化銦鍚（ｉｎｄｉｕｍ　ｔｉｎ　ｏｘｉｄｅ，ＩＴＯ)為材料；當電流自ｐ型電極墊（５０）注入發光二極體時，由於二氧化矽為一絕緣物，因此注入ｐ型電極墊（５０）的電流將被迫會往橫向流動，而不致被侷限在ｐ型電極墊（５０）下方區塊內；惟，利用上述之電流阻障層（７０）雖然可以改善電流散佈特性，但是犧牲了部分透明導電層（８０）與ｐ型半導體層（４０）的接觸面積，因而造成發光二極體操作電壓的上升，損失了元件之整體的效率；再者，電流阻障層（７０）所使用的材料為絕緣體材料，與ｐ型半導體層（４０）及透明導電層（８０）之材料特性截然不同，造成材料接合處相當不穩定，易因受外力使得接合處劣化，進而造成ｐ型電極墊（５０）的剝落（ｐｅｅｌｉｎｇ）。

　　今，發明人即是鑑於上述現有之III族氮化物半導體發光二極體在實際實施上仍具有多處之缺失，於是乃一本孜孜不倦之精神，並藉由其豐富之專業知識及多年之實務經驗所輔佐，而加以改善，並據此研創出本發明。

　　本發明主要目的為提供一種利用離子佈植製程於氮化鎵發光二極體之ｐ型半導體層或ｎ型半導體層中形成電流阻障絕緣體，以改善現有發光二極體之電流擁擠效應，達到活性層電流均勻散佈，提升元件之發光與電性效率。

　　為了達到上述實施目的，本發明人乃研擬如下實施技術，係主要包括有一基板、一設於基板上之ｎ型半導體層、一設於ｎ型半導體層上之主動發光層、一設於主動發光層上之ｐ型半導體層、一設於ｐ型半導體層上之透明導電層、一以歐姆接觸設於透明導電層上之ｐ型電極墊，以及一以歐姆接觸設於ｎ型半導體層上之ｎ型電極墊，其中於ｐ型半導體層中係以離子佈植製程於ｐ型電極墊之下方形成一電流阻障絕緣體；於本較佳實施例，係於氮化鎵之ｐ型半導體層中摻雜氧原子以形成電流阻障絕緣體，其化學反應方程式為：

４ＧａＮ + ３Ｏ_２ →２Ｇａ_２Ｏ_３ + ２Ｎ_２；

其中之三氧化二鎵（Ｇａ_２Ｏ_３）反應產物具有絕緣特性，即可形成本發明之電流阻障絕緣體，迫使於ｐ型半導體層之電流不致於擁擠於ｐ型電極墊之正下方，而使電流往橫向流動。

　　藉此，使得本發明流入發光二極體之電流因電流阻障絕緣體之關係，不致被侷限在ｐ型電極墊下方區域，藉以改善電流擁擠效應的問題，而具有較佳之發光與電性效率；再者，因電流阻障層係形成於ｐ型半導體層中，無須犧牲部分透明導電層與ｐ型半導體層的接觸面積，不僅可維持元件之操作電壓，亦可避免傳統因材料接合處的不穩定，造成ｐ型電極墊剝落的情況發生。

　　此外，本發明另提供一種III族氮化物半導體發光二極體，其包括有一ｐ型電極墊、一設於ｐ型電極墊上之反射鏡層、一設於反射鏡層上之ｐ型半導體層、一設於ｐ型半導體層上之主動發光層、一設於主動發光層上之ｎ型半導體層，以及一以歐姆接觸設於ｎ型半導體層上之ｎ型電極墊，其中於ｐ型半導體層中以及ｎ型半導體層中係分別以離子佈植製程於ｐ型電極墊之上方以及ｎ型電極墊之下方形成電流阻障絕緣體；藉此，改善電流擁擠效應的問題，使得本發明之III族氮化物半導體發光二極體具有較佳之發光與電性效率。

　　本發明之目的及其結構設計功能上的優點，將依據以下圖面所示之較佳實施例予以說明，俾使審查委員能對本發明有更深入且具體之瞭解。

　　首先，請參閱第一圖所示，為本發明III族氮化物半導體發光二極體之其一較佳實施例，係主要包括有一基板（１）、一設於基板（１）上之ｎ型半導體層（２）、一設於ｎ型半導體層（２）上之主動發光層（３）、一設於主動發光層（３）上之ｐ型半導體層（４）、一設於ｐ型半導體層（４）上之透明導電層（５）、一以歐姆接觸設於透明導電層（５）上之ｐ型電極墊（６），以及一以歐姆接觸設於ｎ型半導體層（２）上之ｎ型電極墊（７），其中於ｐ型半導體層（４）中係以離子佈植製程於ｐ型電極墊（６）之下方形成一電流阻障絕緣體（８）；其中，基板（１）可由藍寶石（Ｓａｐｐｈｉｒｅ）、碳化矽（ＳｉＣ）、矽（Ｓｉ）、氮化鎵（ＧａＮ）單結晶、氮化鋁（ＡｌＮ）單結晶以及氧化鋅（ＺｎＯ）所構成材料群組中的一種材料而形成；且III族氮化物可為氮化鋁( ＡｌＮ )、氮化鎵（ＧａＮ)、氮化銦（ＩｎＮ）、氮化鋁鎵（ＡｌＧａＮ）、氮化鋁銦（ＡｌＩｎＮ）、氮化銦鎵（ＩｎＧａＮ）以及氮化鋁銦鎵（ＡｌＩｎＧａＮ）其中之一或兩者以上之混合。

　　此外，離子佈植製程於ｐ型半導體層（４）所摻雜之原子係由氧、氫、氬、氦、氮、矽、碳組成之群組中所選擇的至少一種，且其摻雜之濃度係介於１０^１６～９×１０^１９原子/立方公分；於本實施例中，III族氮化物係選自氮化鎵，且離子佈植製程於ｐ型半導體層（４）所摻雜之原子為氧原子，而其於氮化鎵之ｐ型半導體層（４）摻雜氧原子形成電流阻障絕緣體（８）之化學反應方程式為：

４ＧａＮ + ３Ｏ_２ →２Ｇａ_２Ｏ_３ + ２Ｎ_２；

其中之三氧化二鎵反應產物具有絕緣特性，即可形成本發明之電流阻障絕緣體（８），迫使於ｐ型半導體層（４）之電流不致於擁擠於ｐ型電極墊（６）之正下方，而使電流往橫向流動。

　　接著，針對如前述之III族氮化物半導體發光二極體於實施使用時，由於ｐ型半導體層（４）中且位於ｐ型電極墊（６）之下方具有一電流阻障絕緣體（８），當電流自ｐ型電極墊（６）注入發光二極體時，電流因電流阻障絕緣體（８）之關係，將於ｐ型半導體層（４）往橫向流動，而不致被侷限在ｐ型電極墊（６）下方區塊內，避免傳統因ｐ型半導體層（４）具有較高之電阻，導致電流於ｐ型半導體層（４）中不易往橫向流動之問題；此外，由於電流阻障絕緣體（８）係利用離子佈植製程將氧原子植入ｐ型半導體層（４）中，無須犧牲部分透明導電層（５）與ｐ型半導體層（４）的接觸面積，使得本發明具有較佳之發光效率；請一併參閱第二圖所示，係本發明之氮化鎵發光二極體注入電流與發光功率之關係曲線圖，其中方形『■』表示以傳統III族氮化物發光二極體其二結構進行實驗之對照數據，而三角形『▲』表示以本發明進行實驗之數據，橫軸為注入電流（ｍＡ)，縱軸為發光功率（ｍＷ），由圖中可看出，本發明相較於傳統發光二極體具有較佳之發光功率；請一併參閱第三圖所示，由圖中可知本發明之電激發光強度（ＥＬ　Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ)比傳統III族氮化物發光二極體其二結構具有較好的表現，使得本發明具有較佳之電性效率；再者，由於電流阻障絕緣體（８）係利用離子佈植製程將氧原子植入ｐ型半導體層（４）中，亦可避免如傳統之電流阻障層因材料特性截然不同，而造成ｐ型電極墊（５０）於材料接合處產生剝落之情形發生。

　　此外，請再參閱第四圖所示，為本發明其二較佳實施例之結構剖面示意圖，係主要包括有一ｐ型電極墊（６）、一設於ｐ型電極墊（６）上之反射鏡層（９）、一設於反射鏡層（９）上之ｐ型半導體層（４）、一設於ｐ型半導體層（４）上之主動發光層（３）、一設於主動發光層（３）上之ｎ型半導體層（２），以及一以歐姆接觸設於ｎ型半導體層（２）上之ｎ型電極墊（７），其中於ｐ型半導體層（４）中或於ｎ型半導體層（２）中係分別以離子佈植製程於ｐ型電極墊（６）之上方或於ｎ型電極墊（７）之下方形成電流阻障絕緣體（８）；其中，III族氮化物係為氮化鋁、氮化鎵、氮化銦、氮化鋁鎵、氮化鋁銦、氮化銦鎵以及氮化鋁銦鎵其中之一或兩者以上之混合；於本實施例中，於ｐ型半導體層（４）中以及ｎ型半導體層（２）中皆形成有電流阻障絕緣體（８），且其III族氮化物係選自氮化鎵。

　　再者，離子佈植製程於ｐ型半導體層（４）所摻雜之原子係由氧、氫、氬、氦、氮、矽、碳組成之群組中所選擇的至少一種，且其摻雜之濃度係介於１０^１６～９×１０^１９原子/立方公分，而於ｎ型半導體層（２）所摻雜之原子係由氧、氫、氬、氦、氮、鎂、鋅組成之群組中所選擇的至少一種，且其摻雜之濃度係介於１０^１６～９×１０^１９原子/立方公分；於本實施例中，於ｐ型半導體層（４）及ｎ型半導體層（２）所摻雜之原子皆為氧原子，其形成電流阻障絕緣體（８）之反應化學式與其一較佳實施例相同。

　　接著，針對如前述之其二較佳實施例於實施使用時，由於ｐ型半導體層（４）中具有因離子佈植氧原子所形成三氧化二鎵之電流阻障絕緣體（８）；當電流自ｐ型電極墊（６）注入發光二極體時，電流因電流阻障絕緣體（８）之關係，將於ｐ型半導體層（４）往橫向流動，而不致被侷限在ｐ型電極墊（６）下方區塊內；且由於ｎ型半導體層（２）中亦有因離子佈植氧原子所形成三氧化二鎵之電流阻障絕緣體（８），使得電流能以較均勻之路徑流經主動發光層（３），進而改善電流擁擠效應所導致二極體發光分佈不均勻的問題，使得本發明具有較佳之發光效率與電性效率。

　　由上述之III族氮化物半導體發光二極體與實施說明可知，本發明具有以下優點：

1. 本發明藉由離子佈植製程於ｐ型半導體層中或於ｎ型半導體層中分別形成有電流阻障絕緣體，使得流入發光二極體之電流因電流阻障絕緣體之關係，不致被侷限在ｐ型電極墊或ｎ型電極墊附近區域，藉以改善傳統造成電流擁擠效應的問題，使得本發明之III族氮化物半導體發光二極體具有較佳之發光與電性效率。
2. 本發明藉由離子佈植製程於ｐ型半導體層中形成之電流阻障絕緣體，因無須犧牲透明導電層與ｐ型半導體層的接觸面積，不僅可維持元件之操作電壓，解決如傳統發光二極體因於ｐ型半導體層上增設一電流阻障層，造成發光二極體操作電壓的上升，導致損失元件整體效率之問題外，亦可避免傳統因材料接合處的不穩定，造成ｐ型電極墊剝落的情況發生。

　　綜上所述，本發明之III族氮化物半導體發光二極體，的確能藉由上述所揭露之實施例，達到所預期之使用功效，且本發明亦未曾公開於申請前，誠已完全符合專利法之規定與要求。爰依法提出發明專利之申請，懇請惠予審查，並賜准專利，則實感德便。

　　惟，上述所揭之圖示及說明，僅為本發明之較佳實施例，非為限定本發明之保護範圍；大凡熟悉該項技藝之人士，其所依本發明之特徵範疇，所作之其它等效變化或修飾，皆應視為不脫離本發明之設計範疇。

〈本發明〉

(1)．．．基板

(2)．．．n型半導體層

(3)．．．主動發光層

(4)．．．p型半導體層

(5)．．．透明導電層

(6)．．．p型電極墊

(7)．．．n型電極墊

(8)．．．電流阻障絕緣體

(9)．．．反射鏡層

〈現有〉

(10)．．．基板

(20)．．．n型半導體層

(30)．．．主動發光層

(40)．．．p型半導體層

(50)．．．p型電極墊

(60)．．．n型電極墊

(70)．．．電流阻障層

(80)．．．透明導電層

第一圖：本發明其一較佳實施例之結構剖面示意圖
第二圖：本發明之氮化鎵發光二極體注入電流與發光功率之關係曲線圖
第三圖：本發明之氮化鎵發光二極體發光波長與電激發光強度之關係曲線圖
第四圖：本發明其二較佳實施例之結構剖面示意圖
第五圖：現有III族氮化物發光二極體其一結構剖面示意圖
第六圖：現有III族氮化物發光二極體其二結構剖面示意圖

(1)．．．基板

(2)．．．n型半導體層

(3)．．．主動發光層

(4)．．．p型半導體層

(5)．．．透明導電層

(6)．．．p型電極墊

(7)．．．n型電極墊

(8)．．．電流阻障絕緣體

Claims (8)

1. ㄧ種III族氮化物半導體發光二極體，係主要包括有一基板、一設於該基板上之ｎ型半導體層、一設於該ｎ型半導體層上之主動發光層、一設於該主動發光層上之ｐ型半導體層、一設於該ｐ型半導體層上之透明導電層、一以歐姆接觸設於該透明導電層上之ｐ型電極墊，以及一以歐姆接觸設於該ｎ型半導體層上之ｎ型電極墊，其中於該ｐ型半導體層中係以離子佈植製程於該ｐ型電極墊之下方形成一電流阻障絕緣體。
2. 如申請專利範圍第1項所述之III族氮化物半導體發光二極體，其中該離子佈植製程於該ｐ型半導體層所摻雜之原子係由氧、氫、氬、氦、氮、矽、碳組成之群組中所選擇的至少一種，且其摻雜之濃度係介於１０^１６～９×１０^１９原子/立方公分。
3. 如申請專利範圍第1項所述之III族氮化物半導體發光二極體，其中該基板係由藍寶石（Ｓａｐｐｈｉｒｅ）、碳化矽（ＳｉＣ）、矽（Ｓｉ）、氮化鎵（ＧａＮ）單結晶、氮化鋁（ＡｌＮ）單結晶以及氧化鋅（ＺｎＯ）所構成材料群組中的一種材料而形成。
4. 如申請專利範圍第1項所述之III族氮化物半導體發光二極體，其中III族氮化物係為氮化鋁(ＡｌＮ)、氮化鎵（ＧａＮ)、氮化銦（ＩｎＮ）、氮化鋁鎵（ＡｌＧａＮ）、氮化鋁銦（ＡｌＩｎＮ）、氮化銦鎵（ＩｎＧａＮ）以及氮化鋁銦鎵（ＡｌＩｎＧａＮ）其中之一或兩者以上之混合。
5. ㄧ種III族氮化物半導體發光二極體，係主要包括有一ｐ型電極墊、一設於該ｐ型電極墊上之反射鏡層、一設於該反射鏡層上之ｐ型半導體層、一設於該ｐ型半導體層上之主動發光層、一設於該主動發光層上之ｎ型半導體層，以及一以歐姆接觸設於該ｎ型半導體層上之ｎ型電極墊，其中於該ｐ型半導體層中或於該ｎ型半導體層中係分別以離子佈植製程於該ｐ型電極墊之上方或於該ｎ型電極墊之下方形成電流阻障絕緣體。
6. 如申請專利範圍第5項所述之III族氮化物半導體發光二極體，其中該離子佈植製程於該ｐ型半導體層所摻雜之原子係由氧、氫、氬、氦、氮、矽、碳組成之群組中所選擇的至少一種，且其摻雜之濃度係介於１０^１６～９×１０^１９原子/立方公分。
7. 如申請專利範圍第5項所述之III族氮化物半導體發光二極體，其中該離子佈植製程於該ｎ型半導體層所摻雜之原子係由氧、氫、氬、氦、氮、鎂、鋅組成之群組中所選擇的至少一種，且其摻雜之濃度係介於１０^１６～９×１０^１９原子/立方公分。
8. 如申請專利範圍第5項所述之III族氮化物半導體發光二極體，其中III族氮化物係為氮化鋁(ＡｌＮ)、氮化鎵（ＧａＮ)、氮化銦（ＩｎＮ）、氮化鋁鎵（ＡｌＧａＮ）、氮化鋁銦（ＡｌＩｎＮ）、氮化銦鎵（ＩｎＧａＮ）以及氮化鋁銦鎵（ＡｌＩｎＧａＮ）其中之一或兩者以上之混合。