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TWI462334B - 發光二極體結構與其製造方法 - Google Patents

發光二極體結構與其製造方法 Download PDF

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Description

發光二極體結構與其製造方法
本發明係一種發光二極體結構，特別是有關於一種利用金屬氫化物(metal hydride)作為電流阻擋層的發光二極體結構與其製造方法。
發光二極體(Light Emitting Diode,簡稱LED)主要由P型與N型的半導體材料組成，它能產生在紫外線、可見光以及紅外線區域內的自幅射光。一般可見光的發光二極體大部份應用在電子儀器設備的指示器或是照明，而紅外線的發光二極體則應用於光纖通訊方面。發光二極體初時多用作為指示燈、顯示板等，但隨著白光發光二極體的出現，也被用作照明。由於LED具有省電、壽命長、亮度高等諸多優點，近來在環保與節能省碳的趨勢下，LED的應用愈來愈廣泛，例如交通號誌、路燈、手電筒與液晶顯示的背光模組等。
發光二極體的結構有相當多的改良與調整是為了提高發光二極體的出光效率(light extraction efficiency)，其中之一是在透明電極與磊晶層(如P型半導體層)之間設置電流阻擋層。電流阻擋層通常是由氮化矽(Silicon Nitride)或是氧化矽(Silicon Oxide)形成。由於氮化矽或氧化矽具有一定的厚度，所以其上的金屬容易產生剝離(peeling)的問題，進而造成製程良率的下降。
本發明提供一種發光二極體結構與其製造方法，其利用熱處理程序所形成的金屬氫化物作為電流阻擋層使用。由於金屬氫化物係直接形成在P型半導體層的表面，所以厚度小於氧化矽或氮化矽所形成的電流阻擋層，藉此增加隔離層的電流阻隔功效與改善上方電極與銲線剝離的問題。
本發明實施例提供一種發光二極體的結構，其具有基板、N型半導體層、主動層、P型半導體層、電流擴散層與金屬電極，其特徵在於P型半導體層與電流擴散層之間具有由P型半導體層中所摻雜的金屬離子與氫鍵結後所產生的一電流阻擋層以阻擋電流由該電流阻擋層的區域通過。
本發明實施例另提出一種發光二極體結構的製造方法，其包括下列步驟：提供一基板；形成一發光二極體結構平台於該基板上，該發光二極體結構平台至少包括一N型半導體層、一主動層與一P型半導體層；以矽甲烷或乙矽烷為反應氣體形成一隔離層於該P型半導體層之上；經由熱處理程序(Thermal Annealing)，使該隔離層中的氫氣與該P型半導體層中的金屬離子產生鍵結以在該P型半導體層的表面上形成一電流阻擋層；形成一電流擴散層以覆蓋該電流阻擋層；以及形成一第一金屬電極於該電流擴散層上。
綜上所述，本發明直接利用熱處理程序形成的金屬氫化物來做為一電流阻擋層使用，故可以在氧化矽(SiO2)或氮化矽(SiNX )所形成的隔離層厚度變薄的情況下，保持原先的電流阻隔能力，藉此改善上方電極與銲線剝離的問題。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
請參照圖1A~圖1F，其繪示本發明一實施例之發光二極體結構的製程示意圖。發光二極體結構包括基板110、磊晶層120電流阻擋層140、電流擴散層150與金屬電極160、170，其中磊晶層120包括N型半導體層122、主動層124、P型半導體層126。N型半導體層122、主動層124、P型半導體層126係形成在基板110上，如圖1A所示。基板110的材質例如藍寶石(sapphire)、GaP、GaAs、AlGaAs、碳化矽(SiC)。本實施例的基板110以藍寶石基板為例說明，晶格方向例如為(0001)，但本發明不限制所使用的基板材質與晶格方向。
基板110與N型半導體層122之間的緩衝層(未繪示)可以是氮化鎵鋁(AlGaN)，但本實施例不限制於此。磊晶層120可以利用有機金屬化學氣相沉積法(metal organic chemical-vapor deposition,MOCVD)、液相磊晶法(Liquid Phase Epitaxy,LPE)或分子束磊晶法(Molecular Beam epitaxy,MBE)來形成，本實施例不受限制。以有機金屬化學氣相沉積法形成磊晶層120時，具有沉積材料的氣體會被導入反應室以沉積磊晶層120，這些反應氣體例如是矽甲烷(Silane，SiH4)或乙矽烷(Disilane,H6 Si2 )。N型半導體層122例如為矽摻雜之磷化鋁鎵銦材料或矽摻雜之氮化鎵材料；P型半導體層126例如為鎂摻雜之磷化鋁鎵銦材料或鎂摻雜之氮化鎵材料。主動層124可為多重量子井(Multiquantum Well,MQW)結構，例如為氮化銦鎵/氮化鎵(In0.3 Ga0.7 N/GaN)量子井結構。
在磊晶層120形成後，可以經由微影、蝕刻等製程定義磊晶層120的結構，以形成發光二極體結構平台(Mesa)101。磊晶層120的N型半導體層122、主動層124、P型半導體層126會有部份被移除以暴露出N型半導體層122的部份結構，如圖1B所示。
隔離層130為矽化物，例如氧化矽或氮化矽，其形成方法係利用矽甲烷或乙矽烷為反應氣體，以磊晶方式在P型半導體層126之上形成矽化物，如圖1C所示。由於矽甲烷或乙矽烷具有氫離子，且反應時係以氫氣作為載流氣體，所以隔離層130會捕陷住一些氫離子或氫氣。然後，經由熱處理程序(thermal process，或稱為退火(annealing))，使P型半導體層126中所摻雜的金屬離子(例如鎂)與氫鍵結後所產生鎂-氫鍵結(Mg-H complex)。熱處理程序的回火溫度例如為攝氏500℃至600℃，反應時間例如為5分鐘。
鎂-氫鍵結會造成P型半導層126的電洞濃度降低，提升此區域的阻抗，以形成電流阻擋層140。鎂離子與氫離子鍵結產生的化合物有很多種，例如MgH,MgH2 ,Mg2 H,Mg2 H2 ,Mg2 H3 ,and Mg2 H4 等，本實施例不限制所形成的鎂-氫化合物的類型。所形成的鎂-氫鍵結會降低流經電流阻擋層140的電流，以達到阻擋電流的功效。換言之，本實施例係直接利用在P型半導體層126表面形成的金屬氫化物，取代傳統的矽化物，做為電流阻擋層使用。值得注意的是，P型半導體層126摻雜的金屬離子不限定於鎂離子，如鈹(Be)離子、鈣(Ca)離子或鋇(Ba)離子等能提供電洞濃度的摻雜物皆可以與氫鍵結，做為電流阻擋層使用。
在去除隔離層130後，可以看出電流阻擋層140會直接形成在P型半導體層126的表面上，其表面平整，沒有凸起的結構，如圖1E所示。其中該去除技術包括了利用蝕刻製程、化學機械研磨(CMP)製程或使用緩衝氧化層溶液(BOE)等，本發明不因此限定。電流擴散層150可以直接形成在P型半導體層126上以覆蓋電流阻擋層140，如圖1F所示。形成電流擴散層150的技術包括：電子束蒸鍍法、濺鍍法等，但本發明不因此限定。電流擴散層150可利用具有低側向電阻的材料形成，使電流容易向側邊擴散，其材質例如是氧化銦錫(ITO)、氧化鋅鋁(AZO)、氧化錫(SnO)、氧化鎘錫(CTO)、氧化銻錫(ATO)以及鎳/金(Ni/Au)等，但本實施例不限制於上述材質。此外，於電流擴散層150與P型半導體層126之間的接觸層(未繪示)可以是短週期超晶格的氮化鎵(GaN SPS)，但本實施例不限制於此。
金屬電極160、170分別形成在電流擴散層150與N型半導體層122之上以作為正、負電極使用。電流擴散層150可以讓電流平均分布到金屬電極160以外的區域，讓發光區域分布到金屬電極160以外的區域。由圖1F可以看出，電流阻擋層140直接形成在P型半導體層126接觸電流擴散層150的接觸面上，其位置與形狀對應於金屬電極160。電流阻擋層140可以防止電流直接經由金屬電極160下方流進P型半導體層126中，以降低在金屬電極160下方產生電子電洞複合的機率。藉此，可以提高由金屬電極160以外區域的出光效率。
由於電流阻擋層140直接形成在P型半導體層126接觸電流擴散層150的接觸面126a上，其表面平整，厚度遠小於氧化矽或氮化矽所形成的電流阻擋層。因此，可以降低金屬電極160與銲線脫離的問題。此外，電流阻擋層140的結構有多種實施方式，如圖2所示，其繪示本發明一實施例之電流阻擋層之結構圖。電流阻擋層之結構200可以依照設計需求設計所需的圖形，以增加出光效率。值得注意的是，本發明的電流阻擋層結構不限於此圖2。
此外，從上述圖1A~圖1F的說明，可以歸納出一種發光二極體結構的製造方法，如圖3所示，其繪示本發明一實施例之發光二極體結構的製作方法流程圖。首先，提供一基板110(步驟S301)，再形成一發光二極體結構平台101於基板110上，發光二極體結構平台101至少包括一N型半導體層122、一主動層124與一P型半導體層126(步驟S303)。接著以矽甲烷或乙矽烷為反應氣體形成一隔離層130於P型半導體層126之上(步驟S305)，之後經由熱處理程序(Thermal Annealing)，本實施例是以反應時間約5分鐘的500~600℃高溫進行回火，可以使隔離層130中的氫氣與P型半導體層126中的金屬離子產生鍵結以在P型半導體層126的表面上形成一電流阻擋層140(步驟S307)。然後，將P型半導體層126上方的隔離層130去除(步驟S309)，接著形成一電流擴散層150覆蓋住電流阻擋層140(步驟S311)，最後形成第一金屬電極160於電流擴散層150上，以及形成第二金屬電極170連接N型半導體層122(步驟S313)。上述發光二極體結構的製造方法的其餘細節，本技術領域具有通常知識者應可由上述實施例的說明中推知，在此不加贅述。
在本發明另一實施例中，上述隔離層130可以保留在電流阻擋層140上方以加強電流阻隔的效果，換句話說，電流擴散層150與P型半導體層126之間會具有兩層的電流隔離層，其一為電流阻擋層140，其二為隔離層130。請參照圖4A~圖4E，其繪示本發明另一實施例之發光二極體結構的製程示意圖，並請同時參照圖1A~圖1F。其中，圖4A~圖4D的實施方式如同上述圖1A~圖1D之說明，在此不加贅述。
圖4A~圖4E與圖1A~圖1F不同處在於省略去除隔離層130之步驟(如圖1E所示)，直接形成電流擴散層450以覆蓋隔離層130，如圖4E所示。隔離層130的厚度較佳是小於10000埃(angstrom，符号Å)，但本發明的隔離層130的厚度不限制於此。
請同時參照圖5，其繪示本發明一實施例之省略去除隔離層130之步驟之流程圖。圖5與圖3主要差異在於省略“去除隔離層”之步驟S309。也就是說，隔離層130被保留下來，以作為電流隔離層使用，並且在隔離層130與P型半導體層126的接觸面上形成由鎂氫鍵結構成的電流阻擋層140。
特別要說明的是，隔離層130與P型半導體層126之間由鎂氫鍵結形成的電流阻擋層140可以增加隔離層130電流阻隔的功效，即絕緣性。所以相較於習知技術，本實施例可以使用較薄的隔離層130來達到相同的電流阻隔效果，並且改善上方電極與銲線剝離的問題。此外，電流阻擋層140也可解決隔離層130漏電的問題。
綜上所述，本發明係利用隔離層中的氫氣與P型半導體層中的金屬離子經過熱處理程序後所形成的金屬氫化物可以增加隔離層的電流阻擋功效，也可以取代隔離層做為電流阻擋層使用。此外，降低隔離層的厚度或者去除隔離層都可以改善上方電極與銲線剝離的問題。
雖然本發明之較佳實施例已揭露如上，然本發明並不受限於上述實施例，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明所揭露之範圍內，當可作些許之更動與調整，因此本發明之保護範圍應當以後附之申請專利範圍所界定者為準。
110．．．基板
120．．．磊晶層
122．．．N型半導體層
124．．．主動層
126．．．P型半導體層
126a．．．接觸面
130．．．隔離層
140．．．電流阻擋層
150、450．．．電流擴散層
160．．．第一金屬電極
170．．．第二金屬電極
200．．．電流阻擋層的結構
S301~S313．．．流程圖步驟
圖1A~圖1F為根據本發明一實施例之發光二極體結構製程示意圖。
圖2為根據本發明一實施例之電流阻擋層之結構圖。
圖3繪示本發明一實施例之發光二極體結構的製作方法流程圖。
圖4A~圖4E為根據本發明另一實施例之發光二極體結構製程示意圖。
圖5繪示本發明一實施例之省略去除隔離層130之步驟之流程圖。
110‧‧‧基板
120‧‧‧磊晶層
122‧‧‧N型半導體層
124‧‧‧主動層
126‧‧‧P型半導體層
126a‧‧‧接觸面
140‧‧‧電流阻擋層
150‧‧‧電流擴散層
160‧‧‧第一金屬電極
170‧‧‧第二金屬電極

Claims (18)

  1. 一種發光二極體結構，具有一基板、一N型半導體層、一主動層、一P型半導體層、一電流擴散層與一第一金屬電極，其中該主動層為量子井主動層，其特徵在於該P型半導體層與該電流擴散層之間具有由該P型半導體層中所摻雜的金屬離子與氫鍵結後所產生的一電流阻擋層以阻擋電流由該電流阻擋層的區域通過。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體結構，其中該電流阻擋層的位置係對應於該第一金屬電極的位置以阻擋電流自該電流阻擋層通過而發光。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體結構，其中該透明電極係部份直接形成在該電流阻擋層上。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體結構，其中該N型半導體形成在該基板上；該主動層形成在該N型半導體層與該P型半導體層之間；該電流阻擋層形成在該P型半導體層上且位於該電流擴散層與該P型半導體層之間；該第一金屬電極形成在該P型半導體層上。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體結構，更包括一第二金屬電極，連接於該N型半導體層。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體結構，其中該基板為藍寶石基板。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體結構，其中摻雜在該P型半導體層中的金屬離子包括鎂離子，該電流阻擋層係由鎂-氫鍵結形成。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體結構，其中該P型半導體層與該電流擴散層之間更具有由矽化物形成的 一隔離層，該隔離層形成在該電流阻擋層之上。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的發光二極體結構，其中該隔離層的厚度小於10000埃。
  10. 一種發光二極體結構的製造方法，包括：提供一基板；形成一發光二極體結構平台於該基板上，該發光二極體結構平台至少包括一N型半導體層、一主動層與一P型半導體層，其中該主動層為量子井主動層；以矽甲烷或乙矽烷為反應氣體形成一隔離層於在該P型半導體層之上；經由熱處理程序，使該隔離層中的氫氣與該P型半導體層中的金屬離子產生鍵結以在該P型半導體層的表面上形成一電流阻擋層；形成一電流擴散層以覆蓋該電流阻擋層的上方；以及形成一第一金屬電極於該電流擴散層上。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的發光二極體結構的製造方法，其中在執行熱處理程序之步驟中，其回火溫度為攝氏500℃至600℃，反應時間為5分鐘。
  12. 如申請專利範圍第10項所述的發光二極體結構的製造方法更包括：形成一第二金屬電極以連接該N型半導體層。
  13. 如申請專利範圍第10項所述的發光二極體結構的製造方法，其中該發光二極體結構平台係藉由磊晶製程形成，且其磊晶製程中係使用氫氣作為載流氣體。
  14. 如申請專利範圍第10項所述的發光二極體結構的製造方法，其中摻雜在該P型半導體層中的金屬離子包括鎂離子 ，該電流阻擋層係由鎂-氫鍵結形成。
  15. 如申請專利範圍第10項所述的發光二極體結構的製造方法，其中該基板為藍寶石基板。
  16. 如申請專利範圍第10項所述的發光二極體結構的製造方法，其中該隔離層為氮化矽。
  17. 如申請專利範圍第10項所述的發光二極體結構的製造方法，其中在形成該電流擴散層之前更包括去除該隔離層。
  18. 如申請專利範圍第10項所述的發光二極體結構的製造方法，其中該隔離層的厚度小於10000埃。
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