專利名稱：一種氮化物發(fā)光組件的三元氮化物緩沖層及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)光組件的緩沖層及其制造方法，尤其是涉及一種氮化物發(fā)光組件的三元氮化物緩沖層及其制造方法。
背景技術(shù)：
氮化物發(fā)光組件的發(fā)展應(yīng)用相當(dāng)廣泛且極具重要性，其應(yīng)用包括號(hào)志燈源、電子產(chǎn)品背光源、戶外全彩看板、白光照明、紫外光、高密度激光應(yīng)用等。此新興應(yīng)用領(lǐng)域能否快速成長(zhǎng)，最主要急需改善的課題為亮度提升、電性以及外延工藝穩(wěn)定性的改善。
傳統(tǒng)的氮化物組件大抵皆在藍(lán)寶石基板上形成AlGaInN系列的氮化物緩沖層，再于該緩沖層上進(jìn)行氮化物外延工藝；由于晶格常數(shù)匹配的問(wèn)題，即使到目前，仍無(wú)法有效降低位錯(cuò)密度；一般認(rèn)為，位錯(cuò)的密度和組件的品質(zhì)有相當(dāng)?shù)年P(guān)系，為了提高的氮化物成長(zhǎng)品質(zhì)，傳統(tǒng)的氮化物外延工藝?yán)脙呻A段成長(zhǎng)法(two step growth)，也就是以低溫(500～600℃)的GaN當(dāng)作緩沖層，之后再經(jīng)過(guò)特定的升溫過(guò)程與高溫(1000～1200℃)處理使其晶體化后(Crystallization)，再繼續(xù)各外延迭層的外延成長(zhǎng)。由于緩沖層的品質(zhì)直接影響后續(xù)的外延品質(zhì)，緩沖層的厚度與溫度、升溫的回復(fù)與再結(jié)晶過(guò)程、各種反應(yīng)氣體氣流的比例與流量等上百個(gè)外延參數(shù)都必須小心的控制，因此造成工藝的復(fù)雜及困難度的提升，加上成長(zhǎng)溫度需要提高、低溫切換，升降溫過(guò)程與等待溫度穩(wěn)定的耗時(shí)，無(wú)形中降低了生產(chǎn)效率。

發(fā)明內(nèi)容
本案發(fā)明人于思考如何解決前述諸項(xiàng)問(wèn)題時(shí)，認(rèn)為若提供一種氮化物發(fā)光組件的三元氮化物緩沖層，其包含基板；形成于該基板上的三元氮化物緩沖層；以及形成于該緩沖層上的氮化物發(fā)光迭層。其特征在于該三元氮化物緩沖層的制造方法，其包含于反應(yīng)腔中，于預(yù)定溫度下通入含第一III族元素的第一氣體反應(yīng)源，其中該預(yù)定溫度高于該第一III族元素的熔點(diǎn)，使得該第一III族元素分解并沉積于該基板表面形成過(guò)渡層，由于該預(yù)定溫度高于該第一III族元素熔點(diǎn)，故此過(guò)渡層中的第一III族元素的原子間，實(shí)質(zhì)上不致形成緊密鍵結(jié)合；接著于不低于該第一III族元素熔點(diǎn)的溫度下，再通入含第二III族元素的第二氣體反應(yīng)源及含氮元素的第三氣體反應(yīng)源，使第二III族元素原子和氮原子與前述過(guò)渡層中的第一III族元素原子發(fā)生相互擴(kuò)散并重新排列與鍵結(jié)合，而形成該三元氮化物緩沖層，并繼續(xù)后續(xù)的外延工藝形成氮化物發(fā)光迭層。
依本發(fā)明的制法所形成的緩沖層的工藝簡(jiǎn)化，可簡(jiǎn)化傳統(tǒng)工藝中繁雜的升降溫過(guò)程與時(shí)間，并視工藝需要性，可將第二III族元素選定為鎵元素，使得在完成適當(dāng)厚度的第一III族元素過(guò)渡層后，更可直接進(jìn)行后續(xù)的高溫氮化鎵迭層的外延步驟，其間該三元氮化物緩沖層可自然形成，不需特別處理，因此可大幅簡(jiǎn)化工藝復(fù)雜度，有效提升外延薄膜品質(zhì)的掌控性，并同時(shí)降低生產(chǎn)的成本。
本發(fā)明的主要目的在于提供一種氮化物發(fā)光組件的緩沖層，該緩沖層的制造方法取代已知的氮化物緩沖層的制造方法，以簡(jiǎn)化外延工藝，降低生產(chǎn)的成本。


圖1為示意圖，顯示依本發(fā)明的較佳實(shí)施例的一種具有三元氮化物緩沖層的氮化物發(fā)光組件；圖2為示意圖，顯示依本發(fā)明的較佳實(shí)施例的一種具有三元氮化物緩沖層的氮化物發(fā)光組件；圖3a為以干涉式光學(xué)顯微鏡拍攝的照片，顯示未使用緩沖層成長(zhǎng)GaN層的表面；圖3b為以干涉式光學(xué)顯微鏡拍攝的照片，顯示使用傳統(tǒng)二階段低溫GaN緩沖層成長(zhǎng)的GaN層表面；圖3c為以干涉式光學(xué)顯微鏡拍攝的照片，顯示使用本發(fā)明技術(shù)的AlGaN緩沖層成長(zhǎng)的GaN層表面；圖4為透過(guò)式電子顯微鏡(TEM)觀察的剖面影像；圖5為外延成長(zhǎng)實(shí)時(shí)反射率譜線圖；
圖6a為X-Ray(0004)衍射譜線圖，以傳統(tǒng)二階段成長(zhǎng)法制得的GaN層X(jué)-Ray譜線；圖6b為X-Ray(0004)衍射譜線圖，以本發(fā)明制得的GaN層X(jué)-Ray譜線。
符號(hào)說(shuō)明10 藍(lán)寶石基板11 氮化鋁鎵緩沖層12 N型氮化物半導(dǎo)體發(fā)光迭層121 外延區(qū)域122 N型電極接觸區(qū)域13 氮化物多個(gè)量子阱發(fā)光層14 P型氮化物半導(dǎo)體迭層15 金屬透明導(dǎo)電層16 N型電極17 P型電極28 透明氧化導(dǎo)電層29 反向隧道接觸層具體實(shí)施方式
實(shí)施例1請(qǐng)參閱圖1，依本發(fā)明較佳實(shí)施例為一種具有氮化鋁鎵(AlGaN)緩沖層的氮化物發(fā)光組件1，包含藍(lán)寶石基板10；形成于該藍(lán)寶石基板上的氮化鋁鎵緩沖層11；形成于該氮化鋁鎵緩沖層11上的N型氮化物半導(dǎo)體迭層12，其中該N型氮化物半導(dǎo)體迭層12遠(yuǎn)離基板10的表面包含外延區(qū)域121及N型電極接觸區(qū)域122；形成于該外延區(qū)域121上的氮化鎵/氮化銦鎵多個(gè)量子阱發(fā)光層13；形成于該氮化物多個(gè)量子阱發(fā)光層13上的P型氮化物半導(dǎo)體迭層14；形成于P型氮化物半導(dǎo)體迭層14上的金屬透明導(dǎo)電層15；形成于N型電極接觸區(qū)域122上的N型電極16；以及形成于該金屬透明導(dǎo)電層15上的P型電極17。
本實(shí)施例中的氮化鋁鎵緩沖層的形成步驟包含在800℃下通入有機(jī)鋁反應(yīng)源TMAl，使其形成富鋁過(guò)渡層；在低V/III比例條件下(V/III＜1000)，通入有機(jī)鎵反應(yīng)源TMGa與氮反應(yīng)源NH3；再于1050℃成長(zhǎng)V/III比例(V/III＞2000)的高溫氮化鎵層。其間，富鋁過(guò)渡層中的鋁原子會(huì)向上擴(kuò)散、其上方的氮原子與鎵原子亦會(huì)向下擴(kuò)散與前述鋁原子產(chǎn)生鍵結(jié)合并重新排列，進(jìn)而形成氮化鋁鎵緩沖層。
實(shí)施例2依本發(fā)明另一較佳實(shí)施例為一種具有氮化鋁鎵(AlGaN)緩沖層的氮化物發(fā)光組件2，其組件結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1相似，僅緩沖層的材料與制法不同。該氮化鋁鎵緩沖層的形成步驟如下于1020℃下通入有機(jī)鋁反應(yīng)源TMAl，使其形成富鋁過(guò)渡層；于相同溫度下通入有機(jī)鎵反應(yīng)源TMGa與氮反應(yīng)源NH3，直接成長(zhǎng)高溫氮化鎵迭層；其間，富鋁過(guò)渡層中的鋁原子會(huì)向上擴(kuò)散、其上方的氮原子與鎵原子亦會(huì)向下擴(kuò)散與前述鋁原子產(chǎn)生鍵結(jié)合并重新排列，進(jìn)而形成氮化鋁鎵緩沖層。
于本發(fā)明實(shí)施例1及2的具有氮化鋁鎵(AlGaN)緩沖層的氮化物發(fā)光組件中金屬透明導(dǎo)電層亦可以透明氧化導(dǎo)電層取代的。由于透明氧化導(dǎo)電層較傳統(tǒng)金屬透明導(dǎo)電層具有更高的穿透率，故可再進(jìn)一步提高發(fā)光效率。
實(shí)施例3請(qǐng)參閱圖3，依本發(fā)明另一較佳實(shí)施例一種具有氮化鋁鎵(AlGaN)緩沖層的氮化物發(fā)光組件3，其與具有氮化鋁鎵(AlGaN)緩沖層的氮化物發(fā)光組件1和2不同處在于于該P(yáng)型氮化物半導(dǎo)體迭層14上的金屬透明導(dǎo)電層以透明氧化導(dǎo)電層28取代，P型氮化物半導(dǎo)體迭層14與透明氧化導(dǎo)電層28之間形成高濃度N型的反向隧道接觸層29，其厚度小于10nm，并且其載流子濃度高于1×1019cm-3以上。由于該透明氧化導(dǎo)電層28與P型氮化物半導(dǎo)體迭層14較不易形成良好的奧姆接觸，故通過(guò)形成于其間的高濃度N型的反向隧道接觸層29，而使該透明氧化導(dǎo)電層28與該高濃度N型的反向隧道接觸層29之間形成良好的奧姆接觸；而當(dāng)發(fā)光二極管操作于順向偏壓時(shí)，此N型的反向隧道接觸層與P型氮化物半導(dǎo)體迭層的接口恰處于逆向偏壓的作用而形成耗盡層，又因此N型的反向隧道接觸層29實(shí)質(zhì)上不厚，故透明氧化導(dǎo)電層28內(nèi)的載流子可通過(guò)隧道效應(yīng)而進(jìn)入P型半導(dǎo)體迭層14中，并使組件保有低操作偏壓的特性。于具有氮化鋁鎵(AlGaN)緩沖層的氮化物發(fā)光組件1、2或3中，其氮化鋁鎵(AlGaN)緩沖層可以其它的三元氮化物緩沖層取代，例如氮化銦鎵(InGaN)或氮化銦鋁(InAlN)緩沖層。
圖3為以干涉式光學(xué)顯微鏡拍攝的小片表面，分別為3a未使用緩沖層、3b使用傳統(tǒng)二階段成長(zhǎng)的低溫氮化鎵緩沖層、及3c使用本發(fā)明的氮化鋁鎵三元氮化物緩沖層，再成長(zhǎng)高溫氮化鎵層后的小片表面狀態(tài)，可發(fā)現(xiàn)未使用緩沖層的小片，其表面呈霧面狀，沒(méi)有特定結(jié)晶形態(tài)。而使用本發(fā)明的氮化鋁鎵三元氮化物緩沖層的小片表面，可達(dá)到與傳統(tǒng)二階段成長(zhǎng)法相同的良好鏡面表面(mirror-like)。
我們發(fā)現(xiàn)依本發(fā)明的方法要使外延后的小片表面呈現(xiàn)鏡面狀態(tài)所需的緩沖層厚度，要較傳統(tǒng)二階段成長(zhǎng)的緩沖層厚度為薄。請(qǐng)參見(jiàn)圖4，其為以透過(guò)式電子顯微鏡(TEM)觀察的剖面影像，可見(jiàn)其緩沖層厚度僅約7nm，即可使小片表面呈現(xiàn)鏡面狀態(tài)，而傳統(tǒng)二階段成長(zhǎng)的緩沖層最佳厚度范圍約在20～40nm，才能得到鏡面態(tài)的小片表面。
圖5為使用本發(fā)明的氮化鋁鎵三元氮化物緩沖層技術(shù)，制備微量硅摻雜的氮化鎵薄膜的成長(zhǎng)實(shí)時(shí)反射率譜線圖。圖中可看出該過(guò)渡層形成的信號(hào)與后續(xù)高溫氮化鎵薄膜成長(zhǎng)的信號(hào)。該氮化鎵薄膜成長(zhǎng)完畢后，以X-Ray衍射儀與霍爾(Hall)測(cè)量，分別測(cè)得其(0004)的X-Ray衍射譜半高寬為232arcsec(參見(jiàn)圖6b)，Hall的載流子濃度為1×1017cm-3、載流子遷移率(mobility)為690cm2/V.s，相較于對(duì)照組--以傳統(tǒng)二階段緩沖層技術(shù)的結(jié)果，(0004)的X-Ray衍射譜半高寬為269arcsec(參見(jiàn)圖6a)，Hall的載流子濃度為1×1017cm-3、載流子遷移率(mobility)為620cm2/V.s而言，顯示依本發(fā)明所制得的外延薄膜品質(zhì)確有明顯提升。
表1為依照本發(fā)明技術(shù)所制備的發(fā)光二極管特性與傳統(tǒng)二階段緩沖層技術(shù)制得的藍(lán)光發(fā)光二極管(波長(zhǎng)～470nm)特性的比較。由資料中顯示，其不論在亮度、順向偏壓、逆向電流或逆向偏壓特性上，都可達(dá)到與傳統(tǒng)二階段成長(zhǎng)技術(shù)相似的水準(zhǔn)，其在壽命測(cè)試上的結(jié)果，亦與傳統(tǒng)技術(shù)無(wú)明顯的差異，但如前所述，本發(fā)明的技術(shù)可大幅可省略繁雜的升降溫過(guò)程與時(shí)間、簡(jiǎn)化工藝復(fù)雜度，有效提升外延薄膜品質(zhì)的掌控性，并同時(shí)降低生產(chǎn)的成本，故實(shí)具明顯的進(jìn)步性。
表1本發(fā)明技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)的LED特性比較

上述各實(shí)施例中，P型氮化物半導(dǎo)體迭層包含P型氮化物接觸層，以及P型氮化物束縛層；該N型氮化物半導(dǎo)體迭層包含N型氮化物接觸層，以及N型氮化物束縛層；該P(yáng)型氮化物接觸層包含選自于AlN、GaN、AlGaN、InGaN及AlInGaN所構(gòu)成材料群組中的一種材料；該N型氮化物接觸層包含選自于AlN、GaN、AlGaN、InGaN及AlInGaN所構(gòu)成材料群組中的一種材料；該N型或P型氮化物束縛層系包含選自AlN、GaN、AlGaN、InGaN及AlInGaN所構(gòu)成材料組群中的至少一種材料；藍(lán)寶石基板亦可由SiC、GaAs、CaN、AlN、GaP、Si、ZnO、MgO及玻璃所構(gòu)成材料組群中的至少一種材料或其它可代替的材料取代的；三元氮化物緩沖層可包含選自于InGaN、AlGaN及InAlN所構(gòu)成材料群組中的一種材料；N型氮化物半導(dǎo)體迭層可包含選自于AlN、GaN、AlGaN、InGaN及AlInGaN所構(gòu)成材料群組中的一種材料；氮化物多個(gè)量子阱發(fā)光層可包含選自于GaN、InGaN及AlInGaN所構(gòu)成材料群組中的一種材料；P型氮化物半導(dǎo)體迭層可包含選自于AlN、GaN、AlGaN、InGaN及AlInGaN所構(gòu)成材料群組中的一種材料；該金屬透明導(dǎo)電層系包含選自于Ni/Au、NiO/Au、Ta/Au、TiWN及TiN所構(gòu)成材料組群中的至少一種材料；該透明氧化導(dǎo)電層系包含選自于氧化銦錫、氧化鎘錫、氧化銻錫、氧化鋅鋁及氧化鋅錫所構(gòu)成材料組群中的至少一種材料。
以上所述者，僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，本發(fā)明的范圍不限于該等較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明所做的任何變更，皆屬本發(fā)明申請(qǐng)專利的范圍。因此對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明的權(quán)利要求及精神下，當(dāng)可做任何改變。
權(quán)利要求
1.一種氮化物發(fā)光組件的三元氮化物緩沖層的制造方法，其步驟至少包含提供基板；在第一預(yù)定溫度下通入含第一III族元素的第一氣體反應(yīng)源，該第一III族元素的熔點(diǎn)溫度小于該第一預(yù)定溫度，其中該第一III族元素沉積于該基板上；以及在第二預(yù)定溫度下通入含第二III族元素的第二氣體反應(yīng)源及含氮元素的第三氣體反應(yīng)源，與沉積于該基板上的第一III族元素反應(yīng)形成三元氮化物緩沖層，其中該在第二預(yù)定溫度不小于該第一III族元素的熔點(diǎn)溫度。
2.如權(quán)利要求1所述的氮化物發(fā)光組件的三元氮化物緩沖層的制造方法，其中，該基板系包含選自藍(lán)寶石、GaN、AlN、SiC、GaAs、GaP、Si、ZnO、MgO、MgAl2O4及玻璃所構(gòu)成材料組群中的至少一種材料或其它可代替的材料。
3.如權(quán)利要求1所述的氮化物發(fā)光組件的三元氮化物緩沖層的制造方法，其中，該第一預(yù)定溫度實(shí)質(zhì)上為500℃以上。
4.如權(quán)利要求1所述的氮化物發(fā)光組件的三元氮化物緩沖層的制造方法，其中，該第二預(yù)定溫度實(shí)質(zhì)上為700℃以上。
5.如權(quán)利要求1所述的氮化物發(fā)光組件的三元氮化物緩沖層的制造方法，其中，該第一III族元素系包含選自于Al、Ga及In所構(gòu)成材料組群中的至少一種材料。
6.如權(quán)利要求1所述的氮化物發(fā)光組件的三元氮化物緩沖層的制造方法，其中，該第二III族元素系包含選自于Al、Ga及In所構(gòu)成材料組群中的至少一種材料。
7.如權(quán)利要求1所述的氮化物發(fā)光組件的三元氮化物緩沖層的制造方法，其中，該三元氮化物緩沖層的厚度介于1nm至500nm之間。
8.如權(quán)利要求1所述的氮化物發(fā)光組件的三元氮化物緩沖層的制造方法，其中，該三元氮化物緩沖層系包含選自于InGaN、AlGaN及InAlN所構(gòu)成材料組群中的至少一種材料或其它可代替的材料。
9.一種氮化物發(fā)光組件的三元氮化物緩沖層，該氮化物發(fā)光組件至少包含基板、形成于該基板上的三元氮化物緩沖層、形成于該三元氮化物緩沖層上的第一導(dǎo)電型氮化物半導(dǎo)體層、形成于該第一導(dǎo)電型氮化物半導(dǎo)體層上的發(fā)光層、以及形成于該發(fā)光層上的第二導(dǎo)電型氮化物半導(dǎo)體層；其中，該三元氮化物緩沖層的制造方法，如下于第一預(yù)定溫度下通入含第一III族元素的第一氣體反應(yīng)源，該第一III族元素的熔點(diǎn)溫度小于該第一預(yù)定溫度，其中該第一III族元素沉積于該基板上，再于第二預(yù)定溫度下通入含第二III族元素的第二氣體反應(yīng)源及含氮元素的第三氣體反應(yīng)源，與沉積于該基板上的第一III族元素反應(yīng)而形成，其中該在第二預(yù)定溫度不小于該第一III族元素的熔點(diǎn)溫度。
10.如權(quán)利要求9所述的氮化物發(fā)光組件的三元氮化物緩沖層，其中，該基板系包含選自藍(lán)寶石、GaN、AlN、SiC、GaAs、GaP、Si、ZnO、MgO、MgAl2O4及玻璃所構(gòu)成材料組群中的至少一種材料或其它可代替的材料。
11.如權(quán)利要求9所述的氮化物發(fā)光組件的三元氮化物緩沖層，其中，該第一導(dǎo)電型氮化物半導(dǎo)體迭層系包含選自于AlN、GaN、AlGaN、InGaN及AlInGaN所構(gòu)成材料組群中的至少一種材料或其它可代替的材料。
12.如權(quán)利要求9所述的氮化物發(fā)光組件的三元氮化物緩沖層，其中，該發(fā)光層系包含選自于AlN、GaN、AlGaN、InGaN及AlInGaN所構(gòu)成材料組群中的至少一種材料或其它可代替的材料。
13.如權(quán)利要求9所述的氮化物發(fā)光組件的三元氮化物緩沖層，其中，該第二導(dǎo)電型氮化物半導(dǎo)體迭層系包含選自于AlN、GaN、AlGaN、InGaN及AlInGaN所構(gòu)成材料組群中的至少一種材料或其它可代替的材料。
14.如權(quán)利要求9所述的氮化物發(fā)光組件的三元氮化物緩沖層，其中，該第一預(yù)定溫度實(shí)質(zhì)上為500℃以上。
15.如權(quán)利要求9所述的氮化物發(fā)光組件的三元氮化物緩沖層，其中，該第二預(yù)定溫度實(shí)質(zhì)上為700℃以上。
16.如權(quán)利要求9所述的氮化物發(fā)光組件的三元氮化物緩沖層，其中，該第一III族元素系包含選自于Al、Ga及In所構(gòu)成材料組群中的至少一種材料。
17.如權(quán)利要求9所述的氮化物發(fā)光組件的三元氮化物緩沖層，其中，該第二III族元素系包含選自于Al、Ga及In所構(gòu)成材料組群中的至少一種材料。
18.如權(quán)利要求9所述的氮化物發(fā)光組件的三元氮化物緩沖層，其中，該三元氮化物緩沖層的厚度介于1nm至500nm之間。
19.如權(quán)利要求9所述的氮化物發(fā)光組件的三元氮化物緩沖層，其中，該三元氮化物緩沖層系包含選自于InGaN、AlGaN及InAlN所構(gòu)成材料組群中的至少一種材料或其它可代替的材料。
全文摘要
一種具有氮化物發(fā)光組件的三元氮化物緩沖層，其包含基板、形成于該基板上的三元氮化物緩沖層、形成于該三元氮化物緩沖層上的第一導(dǎo)電型氮化物半導(dǎo)體層、形成于該第一導(dǎo)電型氮化物半導(dǎo)體層上的發(fā)光層、以及形成于該發(fā)光層上的第二導(dǎo)電型氮化物半導(dǎo)體層；其中，該三元氮化物緩沖層的制造方法為于第一預(yù)定溫度下通入含第一III族元素的第一氣體反應(yīng)源，該第一III族元素的熔點(diǎn)溫度小于該第一預(yù)定溫度，其中該第一III族元素沉積于該基板上，在第二預(yù)定溫度下再通入含第二III族元素的第二氣體反應(yīng)源及含氮元素的第三氣體反應(yīng)源，與沉積于該基板上的第一III族元素反應(yīng)而形成，其中該在第二預(yù)定溫度不小于該第一III族元素的熔點(diǎn)溫度。利用該制法可簡(jiǎn)化工藝，降低生產(chǎn)成本。
文檔編號(hào)H01L33/00GK1713405SQ200410059730
公開(kāi)日2005年12月28日 申請(qǐng)日期2004年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月21日
發(fā)明者歐震, 林文祥, 賴世國(guó) 申請(qǐng)人:晶元光電股份有限公司