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TW201347234A - 發光二極體及其製造方法 - Google Patents

發光二極體及其製造方法 Download PDF

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TW201347234A
TW201347234A TW101116585A TW101116585A TW201347234A TW 201347234 A TW201347234 A TW 201347234A TW 101116585 A TW101116585 A TW 101116585A TW 101116585 A TW101116585 A TW 101116585A TW 201347234 A TW201347234 A TW 201347234A
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Heng Liu
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Phostek Inc
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Abstract

一種發光二極體及其製造方法,包含圖案化基板,其具有複數突出部分,且相鄰突出部分之間具有平坦區域;至少一緩衝層,形成於圖案化基板上,且至少填滿圖案化基板之突出部分之間的空隙;具複數凹坑的凹坑層,形成於緩衝層上;及發光元件,形成於凹坑層上並填滿凹坑。

Description

發光二極體及其製造方法
    本發明係有關一種發光二極體,特別是關於一種使用凹坑(pitted)層以降低缺陷密度的發光二極體及其製造方法。
    於藍寶石基板上磊晶氮化鎵層是製造發光二極體(LED)的常用製程技術。然而,氮化鎵磊晶層與藍寶石基板兩者之間的晶格常數與熱膨脹係數(CTE)存在有極大差異,因此,會於氮化鎵磊晶層內產生高密度的線差排缺陷(threading dislocation),其密度可高達109~1011/平方公分。此種高密度線差排缺陷會大大限制了發光二極體的發光效率。此外,發光二極體所使用的半導體材質具有高折射係數,會使發光二極體所產生的光受到侷限(trapped)。因此,從主動區所發射的大部分光線,將被侷限於半導體內部,且這些被侷限的光有可能會被較厚的基板所吸收。
    為了解決上述問題,通常在磊晶前先進行藍寶石基板的蝕刻圖形化,以形成圖案化藍寶石基板(patterned sapphire substrate,PSS)。圖樣化藍寶石基板可藉橫向磊晶生長(epitaxial lateral overgrown) 降低氮化鎵晶格中錯位之密度,達到增加輻射結合,提升內部量子效率。此外,藉由基板表面幾何形狀之變化,可以改變發光二極體的散射機制,使主動區所產生的大部分光線都能射出,因而增加光萃取效率(light extraction efficiency)。
    然而,雖然位於圖案化藍寶石基板之平坦表面上方的缺陷密度很低,但是,位於圖案化藍寶石基板之突出形狀上方的缺陷密度卻相當高,且該缺陷會傳播擴散至發光二極體元件內,因此,亟需提出一種新穎的發光二極體結構及其製造方法,用以進一步降低圖案化藍寶石基板之突出形狀上方的缺陷密度。
    本發明實施例提出一種發光二極體及其製造方法,特別關於一種氮化物發光二極體,用以降低缺陷密度,以提高發光二極體的發光效率。
    根據本發明實施例,發光二極體包含圖案化基板、至少一緩衝層、凹坑層及發光元件。其中,圖案化基板具有複數突出部分,且相鄰突出部分之間具有平坦區域。緩衝層形成於圖案化基板上,其中緩衝層至少填滿圖案化基板之突出部分之間的空隙。具複數凹坑的凹坑層形成於緩衝層上。發光元件形成於凹坑層上並填滿凹坑。
    第一A圖至第一F圖的剖面圖顯示本發明實施例之形成低缺陷密度之發光二極體(LED)100的各個製程步驟,圖式僅顯示與實施例相關的層級。
    如第一A圖所示,首先提供一圖案化基板(patterned substrate)11,其具有複數突出部分111,例如錐狀體,其可為角錐體(pyramid)或圓錐體(cone)。突出部分111的頂部可以是尖銳的(如圖所示),也可以是平坦的。相鄰突出部分111之間具有平坦區域112。在本實施例中,圖案化基板11為藍寶石經由蝕刻所形成的圖案化藍寶石基板(patterned sapphire substrate, PSS),但不限定於此。
    第一B圖顯示另一種圖案化基板11,其係於基層11A上形成具有複數突出部分111的圖案層11B。其中,圖案層11B之突出部分111彼此間可以是相連的,也可以為分離的。基層11A與圖案層11B的材質可以是相同的,也可以為相異。一般來說,基層11A的材質可以為砷化鎵(GaAs)、鍺(Ge)表面形成鍺化矽(SiGe)、矽(Si)表面形成碳化矽(SiC)、鋁(Al)表面形成氧化鋁(Al2O3)、氮化鎵(GaN)、氮化銦(InN)、氮化鋁(AlN)、藍寶石(sapphire)、玻璃、石英或其組合,但不限定於此。圖案層11B的材質可以為二氧化矽(SiO2)、碳化矽(SiC)、氮化矽(SiNx)或其組合,但不以此為限。
    接下來,如第一C圖所示,形成至少一緩衝層12於圖案化基板11上,其中緩衝層12至少填滿圖案化基板11之突出部分111間的空隙。換句話說,緩衝層12的頂面等於或高於圖案化基板11之突出部分111的頂部,因而形成具平坦頂面的緩衝層12。在一實施例中,緩衝層12高於突出部分111之高度等於或大於5奈米,較佳為等於或大於10奈米。在另一實施例中,緩衝層12高於突出部分111之高度等於或小於100奈米,較佳為等於或小於50奈米。在本實施例中,緩衝層12的形成係於大約1080℃的溫度下磊晶成長。緩衝層包含未摻雜氮化鎵、n型氮化鎵、氮化鋁、氮化鋁鎵、氮化鎂、氮化矽或其任意組合。對於第一C圖所示的結構,緩衝層12位於突出部分111上方所具有的缺陷遠較平坦區域112上方的缺陷來得多。
    第一D圖顯示第一C圖的另一種實施態樣,亦即,於形成緩衝層12之前,更額外形成一成核(nucleation)層13於圖案化基板11上,例如形成於圖案化基板11之突出部分111的表面。於部分範例中,成核層13亦可形成於圖案化基板11之平坦區域112的表面。在本實施例中,於大約500℃的溫度下,磊晶成長厚度大約為40~90奈米(nm)的成核層13於圖案化基板11上。接著,於大約1050℃的溫度下,對成核層13進行再結晶(recrystallization)製程。
    請再回到第一C圖,如同前述,緩衝層12位於突出部分111上方所具有的缺陷遠較平坦區域112上方的缺陷來得多。此種缺陷可稱為差排亦可稱位錯(Dislocation),在材料科學中,指晶體材料的一種內部微觀缺陷,即原子的局部不規則排列(晶體學缺陷)。從幾何角度看,可視為晶體中已滑移部分與未滑移部分的分界線,差排主要有3種形式:刃差排(Edge type dislocations)、螺旋差排(Screw type dislocations)以及混合差排(Mixed type dislocations)。由差排(dislocation) 的理論可知,差排不會終止於晶體內部,會形成差排環(dislocation loops)、分支到其他差排處或延伸至晶體表面。在異質磊晶中,基板和磊晶薄膜之間晶格不匹配所產生的應變經常成會引起差排的產生。當磊晶薄膜持續成長到超越臨界厚度時,將會使位於基板和磊晶薄膜界面之間的差排延伸,其移動方式將會貫穿整個晶體而到達晶體的頂端或表面。因此,這部份差排就被稱之為貫穿式差排(threading dislocation)。
    差排缺陷在氮化物成長扮演重要的角色,很多氮化物的異質結構需要降低成長溫度,此種低溫成長會在差排頂端造成凹坑(pit),例如:“V型缺陷(V-defect)”的形成,此種缺陷乃以六個同系列的平面構成,呈現一六角型的形貌。此種缺陷形成與差排極度相關,大多產生於混合差排,但仍有少部分形成在刃差排之上。Wuet al.認為此種缺陷乃因成長過程的動力學極限導致表面隨差排位置呈現一低陷的現象。由於成長的動力學極限導致表面形貌以最慢成長的平面所決定,所以若在之後成長高溫GaN,V型缺陷將被填平而不在表面所發現。
    請參考第一E圖所示,於凹坑(pit)成長條件下形成凹坑層14於緩衝層12上,凹坑層14的凹坑141大部分集中在圖案化基板11之突出部分111的上方,在平坦區域112上方的凹坑數目很少,兩者的凹坑分佈密度可以差別到1或2個數量級。於本發明中,凹坑層14的存在有效地阻止許多差排延伸進入後續成長的磊晶層。
    在本實施例中,凹坑層14的凹坑成長條件可藉由控制溫度或/且成長速率來達到。在一實施例中,凹坑層14的成長溫度介於500~900℃,較佳為800-900℃。在另一實施例中,凹坑層14(例如氮化鎵,但不限定於此)的成長速率介於1~6微米/小時,較佳為4~6微米/小時。本實施例之凹坑層14的厚度小於或等於6微米,較佳為小於或等於3微米。本實施例之凹坑層14的凹坑141孔徑小於或等於6微米,較佳為小於或等於3微米。換句話說,本實施例之凹坑141的高度大約相等於其孔徑。
    如第一F圖所示,形成發光元件15於凹坑層14上,並填滿凹坑層14的凹坑141。在本實施例中,於大約1080℃的溫度下,首先形成n型摻雜層151於凹坑層14上,接著形成主動層152於n型摻雜層151上,再形成p型摻雜層153於主動層152上。於部分範例中,n型摻雜層151填滿凹坑141。於部分範例中,發光元件15的形成方法包含首先形成一中間層(未顯示於圖中)於凹坑層14上,中間層用以填滿凹坑141,接著形成一n型摻雜層151於中間層上,其次形成一主動層152於n型摻雜層151上,然後形成一p型摻雜層153於主動層152上。中間層、n型摻雜層151、主動層152及p型摻雜層153的材質可以為III族氮化物,但不限定於此。如前所述,由於凹坑層14可有效阻隔因突出部分111所造成缺陷的傳播擴散,因而得以大量地降低本實施例所形成之n型摻雜層151(以及後續的主動層152及 p型摻雜層153)的缺陷密度,例如使得n型摻雜層151的缺陷密度小於或等於5*105/平方公分。
    以上所述僅為本發明之較佳實施例而已,並非用以限定本發明之申請專利範圍;凡其它未脫離發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾,均應包含在下述之申請專利範圍內。
100...發光二極體
11...圖案化基板
111...突出部分
112...平坦區域
11A...基層
11B...圖案層
12...緩衝層
13...成核層
14...凹坑層
141...凹坑
15...發光元件
151...n型摻雜層
152...主動層
153...p型摻雜層
    第一A圖至第一F圖的剖面圖顯示本發明實施例之形成低缺陷密度之發光二極體(LED)的各個製程步驟。
100...發光二極體
11...圖案化基板
111...突出部分
112...平坦區域
12...緩衝層
14...凹坑層
141...凹坑
15...發光元件
151...n型摻雜層
152...主動層
153...p型摻雜層

Claims (23)

  1. 一種發光二極體的製造方法,包含:
      提供一圖案化基板,其具有複數突出部分,且相鄰該突出部分之間具有平坦區域;
      形成至少一緩衝層於該圖案化基板上,其中該緩衝層至少填滿該圖案化基板之突出部分之間的空隙;
      形成一凹坑層於該緩衝層上,該凹坑層具有複數凹坑;及
      形成一發光元件於該凹坑層上,並填滿該凹坑。
  2. 如申請專利範圍第1項所述發光二極體的製造方法,其中該圖案化基板包含圖案化藍寶石基板(PSS)。
  3. 如申請專利範圍第1項所述發光二極體的製造方法,其中該圖案化基板的提供步驟包含:
      提供一基層;及
      形成具有該複數突出部分的一圖案層於該基層上。
  4. 如申請專利範圍第1項所述發光二極體的製造方法,更包含:
      形成一成核(nucleation)層於該圖案化基板與該緩衝層之間。
  5. 如申請專利範圍第1項所述發光二極體的製造方法,其中該凹坑層的形成溫度介於500~900℃。
  6. 如申請專利範圍第1項所述發光二極體的製造方法,其中該凹坑層的形成速率介於1~6微米/小時。
  7. 如申請專利範圍第1項所述發光二極體的製造方法,其中該凹坑層的厚度小於或等於6微米。
  8. 如申請專利範圍第1項所述發光二極體的製造方法,其中該凹坑層的孔徑小於或等於6微米。
  9. 如申請專利範圍第1項所述發光二極體的製造方法,其中該發光元件的形成步驟包含:
      形成一n型摻雜層於該凹坑層上,該n型摻雜層填滿該凹坑;
    形成一主動層於該n型摻雜層上;及
    形成一p型摻雜層於該主動層上。
  10. 如申請專利範圍第1項所述發光二極體的製造方法,其中該發光元件的形成步驟包含:
      形成一中間層於該凹坑層上,該中間層填滿該凹坑;
    形成一n型摻雜層於該中間層上;
    形成一主動層於該n型摻雜層上;及
    形成一p型摻雜層於該主動層上。
  11. 一種發光二極體,包含:
      一圖案化基板,其具有複數突出部分,且相鄰該突出部分之間具有平坦區域;
      至少一緩衝層,形成於該圖案化基板上,其中該緩衝層至少填滿該圖案化基板之突出部分之間的空隙;
      一凹坑層,形成於該緩衝層上,該凹坑層具有複數凹坑;及
      一發光元件,形成於該凹坑層上,並填滿該凹坑。
  12. 如申請專利範圍第18項所述之發光二極體,其中該圖案化基板包含圖案化藍寶石基板(PSS)。
  13. 如申請專利範圍第18項所述之發光二極體,其中該圖案化基板包含:
      一基層;及
      一圖案層,形成於該基層上,其中該圖案層具有該複數突出部分。
  14. 如申請專利範圍第20項所述之發光二極體,其中該基層的材質包含:砷化鎵(GaAs)、鍺(Ge)表面形成鍺化矽(SiGe)、矽(Si)表面形成碳化矽(SiC)、鋁(Al)表面形成氧化鋁(Al2O3)、氮化鎵(GaN)、氮化銦(InN)、氮化鋁(AlN)、藍寶石(sapphire)、玻璃、石英或上述之組合。
  15. 如申請專利範圍第20項所述之發光二極體,其中該圖案層的材質包含:二氧化矽(SiO2)、碳化矽(SiC)、氮化矽(SiNx)或上述之組合。
  16. 如申請專利範圍第18項所述之發光二極體,其中該緩衝層高於該突出部分之高度等於或大於5奈米。
  17. 如申請專利範圍第18項所述之發光二極體,其中該緩衝層高於該突出部分之高度等於或小於100奈米。
  18. 如申請專利範圍第18項所述之發光二極體,其中該緩衝層包含未摻雜氮化鎵(GaN)、n型氮化鎵、氮化鋁、氮化鋁鎵、氮化鎂、氮化矽或其任意組合。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之發光二極體,更包含:
      一成核(nucleation)層,形成於該圖案化基板與該緩衝層之間。
  20. 如申請專利範圍第18項所述之發光二極體,其中該凹坑層的厚度小於或等於6微米。
  21. 如申請專利範圍第18項所述之發光二極體,其中該凹坑層的孔徑小於或等於6微米。
  22. 如申請專利範圍第18項所述之發光二極體,其中該發光元件包含:
      一n型摻雜層,位於該凹坑層上,該n型摻雜層填滿該凹坑;
    一主動層,位於該n型摻雜層上;及
    一p型摻雜層,位於該主動層上。
  23. 如申請專利範圍第18項所述之發光二極體,其中該發光元件包含:
    一中間層位於該凹坑層上,該中間層填滿該凹坑;
    一n型摻雜層,位於該中間層上,該n型摻雜層填滿該凹坑;
    一主動層,位於該n型摻雜層上;及
    一p型摻雜層,位於該主動層上。
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