TWI359506B - Light-emitting device and manufacturing method the - Google Patents

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1359506 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於發光元件及其製造方法，更具體而言，乃 關於會發出紫外光的使用氮化物半導體之發光元件及其製 造方法。 【先前技術】 因為GaN類化合物半導體的能帶間隙（band gap)大，其 多半作為藍色LED(Light Emitting Diode)及紫外光LED而 用於白色LED之激勵光源：。此等會發出波長短的紫外光的 GaN類LED方面，為了提升其功能，例如已有如下提案： (dl)使用SiC基板，InAlGaN層作為發光層，藉由調整此 In A IGaN層中之In等之組成比，使波長360 nm以下的紫外 光域之發光高效率化（特開200 1-237455號公報）； (d2)以GaN基板上形成之Al〇.iGa〇.9N層/Al〇.4Ga〇.6N層所 形成之單層量子井.構造作為發光層，以求高亮度化（T. Nishda、H. Sait ο ' 及 Ν. Kobayashi ; Appl. Phys. Lett., Vol. 79 (2001) 711)。 然而，上述的紫外發光元件的發光效率低，並且，為了 作為照明等之用而接通大電流時，會因為«V而導致發光 效率下降的問題。上述的紫外發光元件的發光效率低的理 由方面，舉例來說有因為基板及發光層·等之重排密度高， 此重排起作用為非發光中心等。特別在使用藍寶石基板 時，散熱性差，發光效率會無法與輸入呈比例地線性上升 而易於中途出現飽和。 95218.doc 1359506 【發明内容】 本發明的目的在於提供可實現高效率發光及高輸出發光 的發光元件及其製造方法。 本發明之發光元件在氮化物半導體基板的第一主表面側 上’具有包含InAlGaN四元混晶之發光層。 依上述之構造，藉由使用低重排密度之氮化物半導體基 板，可抑制發光元件内起作用為非發光中心的貫通重排密 度，提高發光效率。此外，藉由InA1GaNra元混晶所含之 In的組成調變效果’可進一步提高發光效率。再者，氮化 物半導體基板方面，其僅需具有第一導電型之導電性，為 例如舉凡GaN基板、AUGahN基板（osxgi)'及該 AlxGai_xN基板所含之A1N基板等之氮化物半導體即可。 本發明之另一發光元件具有：第一導電型之A1xiGaixiN 層（OSxSl)、位於第一導電型之AlxGai χΝ層上之第二導 電型之AluGahzN層（0 S x2 g 1)、及位於第一導電型之 AlxlGaNxlN層與第二導電型之AkGahA層間並含有 InAlGaN四元混晶之發光層，尚由發光層來看，在比第一 導电型之AlxlGai_xlN層更遠的位置上具有厚度在1〇〇 ^爪以 下的氮化物半導體層。 上述之厚100 μιη以下的氮化物半導體層為上述本發明中 之氮化物半導體基板被蝕刻或剝離成者。藉由此構造，可 抑制起作用為非發光中心的貫通重排密度，並可藉由得到 InAlGaN四元混晶所含之in的組成調變效果，防止氮化物 半導體基板所為之吸光。 952I8.doc 1359506 本發明之發光元件之製造方法包含：在氮化物半導體基 板之第一主表面側上形成第一導電型的（0$ xlSl)之工序；在第一導電型之AlxiGaixiN層上形成包含 InAlGaN四元混晶之發光層之工序；在發光層上形成第二 導電型之AluGaiwN層（0$χ2$ΐ)之工序；及在第二導電 型之Al^Gau^N層形成後去除氮化物半導體基板之工序。 例如GaN會吸收波長360 nm以下的紫外车，因此，按照 上述之方法’可藉由除去或剝離GaN基板來提升光輸出。 結果，可進一步提升光輸出。此外，其他的氮化物半導體 也會有吸收欲取得的波長區域的光線，在此情況中，可藉 由去除此氮化物半導體基板來提升光輸出。 此外，"B層位於A層上"係指"由氮化物半導體基板來 看，B層位於比A層更遠的位置上"，B層可與A層接觸或不 接觸。 【實施方式】 接下來說日月本發明之實施例。 (實施例1) 圖1為本發明之實施例iiLED之圖。圖1中，GaN基板i 上形成有（η型GaN層2/n型AlxGai_xN層3/InAlGaN發光層4/p 型AlxGai_x>^5/p型GaN層6)的疊層構造。GaN基板工的為 第二主平面之背面上配置有n電極u，此外，1)型（}.層6 上配置有P電極12。藉由對此等成對的n電極丨丨與卩電極12 施加電流，inA1GaN發光層發出紫外光。InAlGaN發光層 具有 InxaAlyaGai_xa-yaN之組成。 952l8.doc 1359506 圖1所示之GaN類LED係以如下處理工序來製造。將厚· 400 μπι、重排密度5E6 cm-2、比電阻1Ε-2Ωοηι的GaN基板 配置於MOCVD(有機金屬氣相成長法：Metal Organic Chemical Vapor Deposition)成膜裝置内之基座上，使成膜 裝置内保持在減壓狀態，以如下之MOCVD法形成疊層構 造，製成紫外發光二極體。 MOCVD的原料使用三甲基鎵、三甲基鋁、三曱基銦加 成物、氨、四乙基石夕烧、bisethylcyclopentadinityl magnesium(二乙基環丙烧-2-nityl-鎮）。首先，以成長溫度 1050°C在GaN基板1上形成厚0.1 μιη的η型GaN層2作為底 j，接著在其上成膜出厚0.2 μιη的η型Al0.18Ga0.82N層3。 接著，將成長溫度降低至830 °C ，成長出60 nm的 InAlGaN發光層4。此時的原料氣體的流量方面，氨為2升/ 分，三甲基鎵為3 μιηοΐ/分，三曱基紹為0.5 μιηοΐ/分，三 甲基銦加成物60 μιηοΐ/分。接著，再度將成長溫度升高至 1050°C，形成厚〇·2 μιη 的ρ 型 Al〇.18Ga〇.82N層 5。更進一步 地，在其上成長出厚30 nm的p型GaN層作為接觸層。 在如此成長成的LED蟲晶膜構造中，利用適當的金屬材 料，在ρ型GaN層6上形成半透明的ρ電極12，在GaN基板的 第二面之主平面上之相對於磊晶膜層為反側的面（背面）上 形成η電極11。如此製成之紫外發光二極體具有如圖1所示 之構造。 對上述之紫外發光二極體施加連續電流時，如圖2所 示，得到波長360 nm的InAlGaN發光層之頻帶端發光。即 95218.doc 1359506 使將施加電流值提升至300 mA，如圖3所示，光輸出也不 會飽和並以線性增加。由此可實證GaN基板上之高散熱 性。此外，本實施例中，由於GaN基板係使用重排密度低 者’因此，得以降低貫通重排密度，提高發光效率。 (實施例2) 圖4為本發明之實施例2之紫外發光二極體之圖。此紫外 發光二極體相較於圖1所示之紫外lED的疊層構造，特徵 在於接觸於發光層4且靠近GaN基板1側上配置有緩衝層的 InxAlyGa^yN層17。此外，發光層也採用多重量子井構 造’然而，發光層將於隨後予以說明。 本實施例的紫外LED的製造方法係如下所述。作為GaN 基板1，在此採用厚400 μχη、貫通重排密度5E6/cm2的基 板。藉由與實施例1相同的方法，在GaN基板1上依序形成 η型GaN層.2及η型AUGahN層3。接著，接觸於η型 AlxGaUxN層3，以成長溫度83〇°C形成厚5〇 nm的InxAlyGa!· x-yN緩衝層17。 隨後’在此InxAlyGa^yN緩衝層17上，如圖5所示般地 形成以3個循環的（Inx5Aly5Ga〖 x5 y5N阻障層4a/ InMAl^GaL^-wN井層4b)之雙層構造疊層成的多重量子井 構造。實施例2中，此多重量子井構造構成了發光j4。 在使InxAlyGa^yN緩衝層成長時及使Inx4Aly4Gai x4 y4N 阻障層成長時的原料氣體流量方面，氨為2升/分，三甲基 名豕為1 ·5 μιηοΐ/刀，二甲基銘為〇·65 分，三甲基銦加 成物30 μιη〇υ分。 95218.doc •10- —使Inx4Aly4Gai.x4.y4N井層成長時的原料氣體流量則設成 氣為2升/分，三甲基鎵為15 μιη〇1/分，三甲基紹為Ο” μΐΏ〇1/分，二曱基銦加成物53 μιηοΐ/分。 、本實施例中’在配置緩衝層的1nxAlyGai.x_yN層-事及發 光層採用InAlGaN層之多重量子井構造一事等之兩點上異 於實施例1。 八 藉由上述兩點的改良，如圖6所示，發光輸出大幅地提 升。例如，圖3中相對於1〇〇 mA的施加電流的光輸出為約 mW然而，圖6中相對於100 mA的施加電流的光輸 出為1.7 mW，得到15〇倍以上的大幅提升。此外，如圖7所 不:發光光譜的半值幅縮小成12 nm。此係因為發光層採 用多重量子井’而以量子位準間的發光為主之故。 (實施例3) 本發明之實施例3中，對於GaN基板上形成之紫外 led(本發明例）與GaN模板（在藍寳石基板上介以低溫成長 GaN緩衝層而成長出η型GaN 3 μηι的基板）上形成之紫外 LED(比較例）的光輸出進行了比較。模板係使用預先 製作者。上述本發明例及比較例均形成圖4及圖5所示之疊 層構造。惟，GaN模板的背面側為絕緣體，因此，n電極 係形成於預先暴露之η型〇aN層上。. 首先，在製作時，將GaN基板及GaN模板兩者一起配置 於MOCVD成膜裝置内之基座。接著，在GaN基板及模 板上成膜出n型GaN層、-AIxiGa] χΐΝ層及作為緩衝層的 。之後，同實施例2般地，疊層出3個循環 95218.doc -11 - 1359506 的（InuAlj^Gahxtj^N阻障層 /lnx3Aly3Gai-x3_y3N井層）的雙層

構造’製成多重量子井構造。接著，形成？型Alx2Gai x2N 層/p型GaN層’形成p電極及η電極。在整個上述的成膜處 理中，成長溫度、原料氣體的流量係設定成與實施例2相 同。惟，GaN模板上的η電極係如上所述，形成snSGaN 層上。 對上述般製成之本發明例及比較例的雙方施加電流，測 定了光輪出。為了便於比較，測定結果以圖8顯示。圖8 中’使用GaN模板的比較例顯示的為實際光輸出之$倍的 值。 依圖8，以電流50 mA，GaN基板上的LED可得到為GaN 模板約ίο倍的輸出。此外，相對於使用GaN模板的LED在 電流100 mA時輸出呈導飽和傾向，GaN基板上的輸出呈線 性增加。據此，低重排’GaN基板有用於使用化刈^心發光 、層之紫外LED的高效率化、及藉由高電流注入之LED的高 輸出化。本發明例之led中，基於使用熱傳導良好的GaN、 基板可抑制發熱所致之高溫化一事、及貫通重排密度低而 可抑制非發光中心一事等兩點，可得到上述之高輸出力。 (實施例4 ) 圖9為本發明之實施例4中之發光元件的疊層、構造之圖。 首先，說明製造方法。將AlxGai.xN基板（χ=〇18)配置於基 座上，在使金屬氣相成長法的成膜裝置内保持在減壓狀態 下製成疊層構造，得到紫外發光二極體構造。原料使用 有.二甲基鎵、甲基銘、三曱基鋼加成物、氨、四乙基 95218.doc -12- 1359506 石夕炫、bisethylcyclopentadinityl magnesium(二乙基環丙烧-2-nityl-鎂）。首先，以成長溫度1050〇c形成厚〇 ;5 型

Al〇.i8Ga〇_82N緩衝層 22。 接著，將成長溫度降低至830 °C，同上述之實施例2般， 形成具有3個循環之InAlGaN阻障層24a及InAlGaN井層24b 的多重量子井構造的發光層24。接著，再將成長溫度升至 1050 C ’ 成長出厚 20 nm 的 p 型 Al0.30Ga0.70N層 25 及厚 50 nmp 的 p型 Al〇.18Ga〇.82N層 26。 在如上述般形成之LED磊晶構造的p型八1(5心層26上，以 金屬材料形成半透明p電極12，並於AlGaN基板21的背面 側形成η電極11。 在對上述般形成之紫外發光二極體施加連續電流時，得 到波長351 nm的InAlGaN的頻帶端發光。此頻帶端發光的 光輸出在電流1 〇〇 mA時為8 mW。 以上對本發明之實施例做了說明，然而，以下列舉包括 上述貫施例的本發明之實施方式進行說明。 上述之氮化物半導體基板可為GaN基板。由於cjaN基板 易於取得大型且價廉者，因此適於量產。上述的GaN基板 的貫通重排密度係以1E7 cm-2以下為佳。藉此，可減少本 發明之發光元件中的貫通重排密度，減低非發光中心密 度。 匕外上述之氮化物半導體基板也可為AlxGa^xN基板（0 < U。藉由使用AlxGai xN基板，可提高InA1GaN發光層 的'° M性。亦即，可減少發光層與氮化物半導體基板在結 95218.doc •13· 1359506 晶格柵上的差異，抑制在發光層中發生的格柵不整。 上述之AUGa^N基板（0< 1)的貫通重排密度以1E7 cm'2以下為佳。藉此，可減少本發明之發光元件中的貫通 重排密度，減低非發光中心密度。 上述之AUGa^xN基板（0< xS 1)的能帶間隙能量可設為 含InAlGaN四元混晶之發光層所發出光線之波長相對應的 能置以下。藉由設成此氮化物半導體基板之能帶間隙，可 使發光層所發之光不會被氮化物半導體基板所吸收，而有 效地被利用。 也可在上述之氮化物半導體基板之第一主表面側上配置 第一導電型之八13{1〇&1_?(以層（0 S xl $ 1)、及由氮化物半導 體基板看來位於比第一導電型的AlxiGa^^N層更遠位置的 第一導電型之Alj^Ga^j^N層（0Sx2$ 1)，並在第一導電型 的AlxlGai_xlN層與第二導電型的Aix2Gai x2：N層間含有上述 之InAlGaN四元混晶。 藉由上述的構造，由p導電型層與η導電型層將電流注入 其間夾持之InAlGaN四元混晶，可得到高效率的發光。 此外，也可在上述的氮化物半導體基板與第一導電型的

AlxlGai_xlN層間具有與第—導電型之氮化物半導體基板同 種之氮化物半導體層。 依此構造，相較於連接於氮化物半導體基板而形成第一 導電型的八1^0&1_)(1]^層的構造，以上述的第一導電型之與 氮化物半導體基板同種的氮化物半導體層起作用為緩衝層 更能提高第，導電型之AlxiGai χΐΝ層的結晶性。 95218.doc •14- !3595〇6 也可在上述的第二導電型之 守电1之Alx2Gai_x2N層上具有厚1 nm

至500 nm的第二導電型之AI 土您 Alx3Ga 卜 x3N 層χ3〈 i , χ χ2)。 依上述之構造’相較於接觸於第二導電型之幻咖』 層而形成電極，更能降低接觸電阻1高電力-光轉換效 率。第二導電型之Alx3Gai-x3N層在厚度低於inm時其無 法形成足以降低接觸電阻般的良好的層，並且在厚度超過 500 mn時’對波長360 nm以下之紫外光的吸收量會增加。 因此’第二導電型之Alx3Gaix3N層的厚度以ι咖至5〇〇⑽ 為範圍。 也可在上述的第-主表面相反側的第二主表面形成第一 電極’並在第二導電型之Alx2Gai x2N層上形成與第一電極 成對的第二電極。 依上述之構造，可在為氮化物半導體基板的第二主表面 之背面上配置第一電極，因此，可縮小串聯電阻。為此， 可提升電壓效率、縮小發熱，因此，可提高發光效率。此 外，氮化物半導體的熱傳導率良好，因此，不易受到發熱 影響一事也會帶來正面的作用。 也可使上述的第一導電型之（〇刍χ1各1}與 第一導電型之八1)42〇&1_)12]^層（0$父2$1)的厚度合計在〇4 μπι以下。 第一導電型八15{10&1_5£"層與第二導電型Aix2Gai x2N層的 厚度合計超過0·4 μιη時會發生龜裂，導致僅有與此等層之 一部分對應的部分不發光，因此，上述厚度合計以〇 4 μπι 95218.doc •15- 1359506 以下為佳。 上述的發光元件可藉由發光層之發光而發出波長330 nm 至370 nm範圍的光。 藉由將發光層調整成能放射出上述範圍的波長，可得到 發光效率優良的紫外線域之發光元件。

也可使上述之發光層具有包含以Inj^AlydGa^j^-j^N (0<x4<0.2，0<y4<0.5)表示之井層、及以Inx5Aly5Ga丨.x5.y5N (0Sx5<0.2，0<y5<0.5)表示之阻障層的量子井構造。 如上所述’藉由使發光層具有量子井構造，可使發光效 率大幅提升。並且，藉由井層及阻障層·均使用InAlGaN的 結晶’可縮小變形，提高發光效率。 也使上述的發光層與氮化物半導體基板間具有厚1〇 nm 至 200 nm的 InxAlyGau.yN (0<x<0.2，0<y<0.5)層。 依上述的構造，可使發光層的變形縮小，防止壓電效應 造成之電子與電洞的空間性分離，提高發光效率。 上述另一本發明之發光元件中，也可使氮化物半導體基 板被蝕刻或剝離，而在由發光層看來比第一導電型之 AlxlGai_xlN層更遠的位置上不具有氮化物半導體層。 依此結構’可避免氮化物半導體基板（氮化物半導體層） 所致之短波長域之吸收。 【圖式簡單說明】 圖1為本發明之實施例1中之紫外LED之圖。 圖2為圖1之紫外LED之發光光譜之圖。 圖3為圖1之紫外LED之施加電流與光輸出間之關係之 952l8.doc -16- 1359506 圖。 圖4為本發明之實施例2中之紫外LED之圖。 圖5為圖4之發光層之放大圖。 圖6為圖4之紫外LED之施加電流與光輸出間之關係之 圖。 圖7為圖4之紫外LED之發光光譜之圖。 圖8為本發明之實施例3中之本發明例之紫外LED與比較 例之紫外LED的施加電流與光輸出間之關係之圖。 圖9為本發明之實施例4中之紫外LED之疊層構造之圖。 【主要元件符號說明】 1 GaN基板 2 n型GaN層 3 n型 AUGahN層 4 InAlGaN發光層 4a Inx5Aly5Gai.x5-y5N阻障層 4b I η x 4 A1 y 4 G a 1. x 4 - y 4 N 井層 5 p型 AlxGa^xN層 6 p型GaN層 11 n電極 12 p電極 17 InxAlyGabx.yN緩衝層 21 AlGaN基板 22 n型 Al〇.18Ga〇.82N緩衝層 24a InAlGaN阻障層 95218.doc 1359506 24b InAlGaN 井層 25 p型 Al〇.3〇Ga〇.7〇N層 26 p型 Al〇.!8Ga〇.82N層 95218.doc • 18 ·

Claims (1)

1359506 第093123921號專利申請案 中文申請專利範圍查旗本 十、申請專利範圍： ^日修(免) 1. 一種發光元件，具有： 第一導電型GaN基板，其貫通差排密度為iE7 cm·2以 下； 第一導電型GaN層，形成於上述GaN基板之第一主表 面上； 第一導電型之第一 AlxlGa丨_X〗N層（0$χ1<1)，形成於上 述GaN層上； 第一導電型之第二AlxjGahuN層（0 $ χ2<1)，相對於上 述GaN基板，位於較上述第一AlxlGai χΐΝ層更遠處；及 發光層’位於上述第一 AluGainN層與上述第二 Alx；2Ga丨.UN層之間’且含有inAlGaN四元混晶；且 在上述發光層與上述第一AlχlGal_χlN層之間具有厚度 10 nm至 200 ⑽的 lnxAlyGai x yN (〇<x<〇 2、〇<y<〇 5) 緩衝層； 藉由上述發光層之發光而發出波長33〇 11〇1至37〇 nm範 圍的光。 2. 如請求項1之發光元件，其中在與上述第一主表面為相 反側的第二主表面上形成第一電極， 並在上述第二ALGahW層之上形成與上述第一電極 成對的箄二電極。 3. 如請求項丨之發光元件，其中上述第一 Α1χΐ(^-χΐΝ層 ^ χ1<1)與上述第二Alx2Gai.x2N層（0 s X2<1)的厚度合計為 〇.4 μηι以下。 95218-I001128.doc ⑽年月! 4日修(幻風替换碍 一 --- '^ --f .如請求項1至3中任一項之發光元件，其中 上述發光層具有包含以Inx4Aly4Gabx4_y4N (〇<x4<〇.2、 0<y4<0.5)表示之井層及以 inx5Aiy5Ga卜X5-y5N (〇 $ χ5<〇·2、0<y5<0.5)表示之阻障層的量子井構造。 5·—種發光元件，具有： 第一導電型AlxGaUxN基板（〇<χ<1)，其貫通差排密度 為1Ε7 cm·2以下； 第一導電型之第一 AlxlGai.x丨N層（OS xl〈l)，形成於上 述AlxGai-xN基板之第一主表面上； 第二導電型之第二Aix2Gai_x2js^ (0S χ2<1) ’相對於上 述AlxGa!.xN基板’位於較上述第一 AluGabxiN層更遠 處；及 發光層’位於上述第一 Al^Ga^^N層與上述第二 A1X2Ga】_x2N層之間，且含有111八1(^1^四元混晶；且 在上述發光層與上述第一AixlGai-xlN層之間具有厚度 10 nm至 200 nm的 InxAlyGabx.yN (0<x<0.2、0<y<〇.5) 緩衝層； 藉由上述發光層之發光而發出波長33〇 nm至370 nm範 圍的光。 6. 如請求項5之發光元件，其中在上述第二Alx2Gai^N層上 具有厚度1 nm至500 nm的第二導電型之第三Alx3(}ai x3N 層（〇S χ3<1、χ3<χ2)。 7. —種發光元件之製造方法，其包含以下步驟： 在氮化物半導體基板之第一主表面側形成第一導電型 952i8-iO〇n2S.doc -2 - 1359506 在丄述第一導電型AlxlGai.xlN層之上形成厚度1〇 nm 至 200 nm 的 InxAlyGa,_”N (〇<χ<〇 2、〇<y<〇 5)緩衝 層； 在上述InxAlyGa丨-x.yN緩衝層之上形成包含InA丨GaN四 元混晶且發出波長330 nm至370 nm之光的發光層； 在上述發光層之上形成第二導電型之Aix2Gaix2>J層（〇 S x2S 1);及 在形成上述第二導電型之Al^GaiwN層後去除上述氮 化物半導體基板。 95218-1001128.doc