專利名稱：發(fā)光二極管的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種半導體元件，且特別涉及一種發(fā)光二極管(LightEmitting Diode，LED)。
背景技術：
發(fā)光二極管屬于半導體元件中的一種，其發(fā)光芯片的材料主要使用III-V族化學元素，如磷化鎵(GaP)、砷化鎵(GaAs)、氮化鎵(GaN)等化合物半導體。發(fā)光二極管的發(fā)光原理是將電能轉化為光，也就是對化合物半導體施加電流，通過電子與空穴的結合，將過剩的能量以光的形式釋出，而達成發(fā)光的效果。由于發(fā)光二極管的發(fā)光現(xiàn)象不是通過加熱發(fā)光或放電發(fā)光，而是屬于冷發(fā)光，因此發(fā)光二極管的壽命可以長達十萬小時以上，且無須暖燈時間(idling time)。此外，發(fā)光二極管具有反應速度快(約為10-9秒)、體積小、用電省、污染低(不含水銀)、高可靠性、適合批量生產等優(yōu)點，因此其所能應用的領域十分廣泛，例如需要高速反應的掃描儀燈源、液晶顯示器的背光源或前光源汽車的儀表板照明、交通信號燈以及一般的照明裝置等。
公知的發(fā)光二極管是以氮化鎵為主要材料，而且氮化鎵是通過磊晶(epitaxy)的方式制造而成。其中，發(fā)光二極管主要包括基板(substrate)、發(fā)光層(active layer)、分別設置在發(fā)光層上、下兩側的P型及N型摻雜半導體層以及兩外接電極。當我們通過外接電極對發(fā)光層施加順向偏壓時，通過外接電極所通入的電流會流經半導體層，此時，發(fā)光層內會產生電子與空穴的結合，進而使得發(fā)光層發(fā)光。
在一般的發(fā)光二極管中，N型摻雜半導體層通常具有高濃度的硅摻質(Si dopant)，但是，高濃度的硅摻質常會使得N型摻雜半導體層容易發(fā)生龜裂或是斷裂的現(xiàn)象。當N型摻雜半導體層發(fā)生龜裂或是斷裂的現(xiàn)象時，在N型摻雜半導體層上制造電極的工藝困難度將大幅提高。詳言之，若N型摻雜半導體層的龜裂或是斷裂，外接電極與N型摻雜半導體層之間便無法緊密接觸，進而使得發(fā)光二極管的電特性變差、操作電壓提高、制造合格率下降且成本相對提高。
另外，具有硅摻質的N型摻雜半導體層中容易發(fā)生點缺陷(pin hole)，而這些點缺陷會使得發(fā)光二極管發(fā)生嚴重的漏電流現(xiàn)象，進而導致發(fā)光二極管的可靠性以及抗靜電能力不佳。

發(fā)明內容
本發(fā)明之目的是提供一種發(fā)光二極管，其具有較佳可靠性及抗靜電能力。
為達上述或其它目的，本發(fā)明提出一種發(fā)光二極管，其包括基板、半導體疊層、第一電極以及第二電極。其中，半導體疊層設置于基板上，且半導體疊層包括N型摻雜半導體層、P型摻雜半導體層以及發(fā)光層。N型摻雜半導體層具有銦摻質，而發(fā)光層設置于N型摻雜半導體層與P型摻雜半導體層之間。此外，第一電極設置于N型摻雜半導體層上，而第二電極設置于P型摻雜半導體層上。
在本發(fā)明之一實施例中，基板的材料包括氧化鋁單晶(Sapphire)、6H-SiC、4H-SiC、Si、ZnO、GaAs、尖晶石(MgAl2O4)或晶格常數(shù)接近于氮化物半導體的單晶氧化物之一。
在本發(fā)明之一實施例中，銦摻質為均勻地分布于N型摻雜半導體層中。
在本發(fā)明之一實施例中，具有銦摻質的N型摻雜半導體層還具有硅摻質。
在本發(fā)明之一實施例中，具有銦摻質的N型摻雜半導體層還具有硅摻質以及鎂摻質。
在本發(fā)明之一實施例中，N型摻雜半導體層的材料包括銦摻雜的氮化鎵系材料(AlxGa1-xN；0≤x＜1)、銦-硅共摻雜的氮化鎵系材料(AlxGa1-xN；0≤x＜1)或是銦-硅-鎂共摻雜的氮化鎵系材料(AlxGa1-xN；0≤x＜1)。
在本發(fā)明之一實施例中，N型摻雜半導體層包括多個局部銦摻雜區(qū)以及多個未摻雜區(qū)，其中局部銦摻雜區(qū)與未摻雜區(qū)是沿著N型摻雜半導體層的厚度方向交替分布。
在本發(fā)明之一實施例中，具有銦摻質的N型摻雜半導體層還具有硅摻質。
在本發(fā)明之一實施例中，具有銦摻質的N型摻雜半導體層還具有硅摻質以及鎂摻質。
在本發(fā)明之一實施例中，未摻雜區(qū)的材料包括氮化鎵或氮化鋁鎵。
在本發(fā)明之一實施例中，未摻雜區(qū)的氮化物半導體材料與局部銦摻雜區(qū)的氮化物半導體材料相比有較大的能隙寬度。
在本發(fā)明之一實施例中，N型摻雜半導體層包括緩沖層、第一接觸層以及第一束縛層。其中，緩沖層設置于基板上，而第一接觸層設置于緩沖層上，且第一束縛層設置于第一接觸層上。
在本發(fā)明之一實施例中，N型摻雜半導體層還包括結晶層，此結晶層設置于緩沖層與第一接觸層之間。
在本發(fā)明之一實施例中，P型摻雜半導體層包括第二束縛層以及第二接觸層。其中，第二束縛層設置于發(fā)光層上，而第二接觸層設置于第二束縛層上。
本發(fā)明之發(fā)光二極管的N型摻雜半導體層具有銦摻質，改善公知中N型摻雜半導體層斷裂或龜裂的現(xiàn)象，且N型摻雜半導體層與電極可以緊密接合，使發(fā)光二極管具有較佳的導電性及可靠性。
為讓本發(fā)明之上述和其它目的、特征和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，并配合附圖，作詳細說明如下。


圖1為本發(fā)明第一實施例的發(fā)光二極管的剖面示意圖。
圖2為本發(fā)明第二實施例的發(fā)光二極管的剖面示意圖。
圖3為本發(fā)明第三實施例的發(fā)光二極管的剖面示意圖。
圖4為本發(fā)明第四實施例的發(fā)光二極管的剖面示意圖。
圖5為本發(fā)明第五實施例的發(fā)光二極管的剖面示意圖。
圖6為本發(fā)明第六實施例的發(fā)光二極管的剖面示意圖。
主要元件標記說明100、100a、100b、100c、100d、100e發(fā)光二極管110基板120、120a、120b、120c、120d、120e半導體疊層130、130b、130c、130d、130eN型摻雜半導體132、132’、132”局部銦摻雜區(qū)134未摻雜區(qū)135緩沖層136接觸層137第一束縛層138結晶層140P型摻雜半導體142第二束縛層144第二接觸層150發(fā)光層160第一電極170第二電極
具體實施例方式
第一實施例圖1為本發(fā)明第一實施例的發(fā)光二極管的剖面示意圖。請參照圖1，發(fā)光二極管100包括基板110、半導體疊層120、第一電極160以及第二電極170。其中，半導體疊層120設置于基板110上，且半導體疊層120包括N型摻雜半導體層130、P型摻雜半導體層140以及發(fā)光層150。N型摻雜半導體層130具有銦摻質，而發(fā)光層150設置于N型摻雜半導體層130與P型摻雜半導體層140之間。此外，第一電極160設置于N型摻雜半導體層130上，而第二電極170設置于P型摻雜半導體層140上。
詳細地說，本實施例的基板110的材料例如是氧化鋁單晶(sapphire)。在其它實施例中，基板110的材料可以是6H-SiC、4H-SiC、Si、ZnO、GaAs、尖晶石(MgAl2O4)或晶格常數(shù)接近于氮化物半導體的單晶氧化物之一。制造者可以根據(jù)需求，選擇適當?shù)幕?10的材料。
承上述，在本實施例之半導體疊層120中，N型摻雜半導體層130、發(fā)光層150以及P型摻雜半導體層140是由下而上依次堆疊于基板110上。換言之，半導體疊層120中的N型摻雜半導體層130設置于基板110上。特別的是，在發(fā)光二極管100中，N型摻雜半導體層130的材料為摻雜有銦的氮化鎵系材料(AlxGa1-xN；0≤x＜1)，且銦摻質為均勻地分布在N型摻雜半導體層130中，而N型摻雜半導體層130中的銦摻質可以有效地增進發(fā)光二極管100的電特性。詳細地說，由于N型摻雜半導體層130中的銦原子的原子半徑比鎵原子的原子半徑大，因此，在N型摻雜半導體層130中的銦摻質不但可以改善N型摻雜半導體層130中的差排缺陷，以避免公知N型摻雜半導體層龜裂或斷裂，而且可以使N型摻雜半導體層130具有較平整的表面。
由圖1可知，發(fā)光層150設置于N型摻雜半導體層130的部分區(qū)域上，而部分的N型摻雜半導體層130會被暴露出來，意即，發(fā)光層150并非全面性地覆蓋住N型摻雜半導體層130。一般而言，發(fā)光層150是多重量子阱(quantum well)結構，而發(fā)光層150的材料例如是III-V族半導體化合物，且常見的發(fā)光層150材料包括磷化鎵(GaP)、磷化砷鎵(GaAsP)、鋁砷化鎵(AlGaAs)、磷化鋁銦鎵(AlInGaP)或氮化鎵等。
請繼續(xù)參照圖1，P型摻雜半導體層140設置于發(fā)光層150上，且P型摻雜半導體層140的材料例如是具有鎂摻質的氮化鎵系材料或是具有銦、硅、鎂(主要摻質)摻質的氮化鎵系材料。此外，第二電極170設置于P型摻雜半導體層140上，而第一電極160則是設置于N型摻雜半導體層130被暴露出的部分上。
當我們通過第一電極160以及第二電極170對發(fā)光層150施加順向偏壓時，電流會流經半導體疊層120，而在發(fā)光層150內會產生電子與空穴的結合，進而使得發(fā)光層150發(fā)光。
值得注意的是，由于N型摻雜半導體層130中具有銦摻質，因此N型摻雜半導體層130具有較平整的表面，且不易有龜裂或是斷裂的現(xiàn)象發(fā)生。另一方面，由于N型摻雜半導體層130具有較平整的表面，故在N型摻雜半導體層130上形成第一電極160時，第一電極160能夠與N型摻雜半導體層130緊密接合，以使發(fā)光二極管100能夠具有較佳的電特性及制造合格率。
承上述，為了降低發(fā)光二極管100的操作電壓，在含有銦摻質的N型摻雜半導體層130中，還可以摻雜硅摻質。因此，當我們通過第一電極160與第二電極170對發(fā)光層150施加順向偏壓時，僅需要較低的操作電壓便能使發(fā)光二極管100發(fā)光。在一較佳實施例中，在N型摻雜半導體層130中除了含有銦摻質跟硅摻質之外，還可以摻雜少量的鎂摻質。值得注意的是，N型摻雜半導體層130所具有的鎂摻質含量小于硅摻質含量。在N型摻雜半導體層130中的銦-硅-鎂摻質可以降低電子與空穴的電離能(ionization energy)，并提高N型摻雜半導體層130中的載子(電子與空穴)遷移率(mobility)，進而增加發(fā)光層150中電子與空穴結合的機率。
綜上所述，本發(fā)明之發(fā)光二極管的N型摻雜半導體層的材料為具有銦摻質的氮化鎵系材料(AlxGa1-xN；0≤x＜1)，由于銦摻質可以改善N型摻雜半導體層中差排缺陷的現(xiàn)象，因此本發(fā)明之發(fā)光二極管具有良好的電特性及提高合格率。
第二實施例圖2為本發(fā)明第二實施例之發(fā)光二極管的剖面示意圖。在圖1與圖2中，相同或相似的標號即代表相同或相似的構件，且其功能與位置已詳述如上，于此便不再重述。如圖2所示，與第一實施例相比，在本實施例的半導體疊層120a中，P型摻雜半導體層140、發(fā)光層150以及N型摻雜半導體層130是由下而上依次堆疊于基板110上。
由上述兩個實施例可知，本發(fā)明之發(fā)光二極管并不限定半導體疊層的P型摻雜半導體層以及N型摻雜半導體層的設置位置。P型摻雜半導體層以及N型摻雜半導體層的設置位置可以互相調換，但發(fā)光層仍需設置于P型摻雜半導體層以及N型摻雜半導體層之間。
為了說明方便，以下實施例的示意圖都以N型摻雜半導體層130設置于基板110上的情況進行闡述，且相同或相似的標號即代表相同或相似的構件，而這些已說明過的構件便不再重述。
第三實施例圖3為本發(fā)明第三實施例的發(fā)光二極管的剖面示意圖。請參照圖3，與上述第一、第二實施例不同的是，為了降低發(fā)光二極管100b的操作電壓以及漏電流，本實施例之N型摻雜半導體層130b包括多個交替堆疊的局部銦摻雜區(qū)(local In doped region)132以及未摻雜區(qū)(undoped region)134。其中，未摻雜區(qū)134的氮化物半導體材料與局部銦摻雜區(qū)132的氮化物半導體材料相比有較大的能隙(band gap)寬度。舉例而言，本實施例的局部銦摻雜區(qū)132的材料為具有銦摻質的氮化鎵系材料(In doped AlxGa1-xN；0≤x＜1)，而未摻雜區(qū)134的材料為未摻雜銦的氮化鎵或氮化鋁鎵(undopedAlGaN)。在N型摻雜半導體層130b中，局部銦摻雜區(qū)132以及未摻雜區(qū)134的數(shù)量皆是介于10至200之間，局部銦摻雜區(qū)132的分布厚度例如是介于10至200納米之間，而未摻雜區(qū)134的分布厚度例如是介于1至20納米之間，且局部銦摻雜區(qū)132與未摻雜區(qū)134的厚度比約為10∶1。
更詳細地說，局部銦摻雜區(qū)132與未摻雜區(qū)134是沿著N型摻雜半導體層130b的厚度方向交替分布。當我們通過第一電極160以及第二電極170施加順向偏壓于發(fā)光層150時，交替堆疊的局部銦摻雜區(qū)132以及未摻雜區(qū)134可改善發(fā)光二極管100b漏電流的情形，并且降低發(fā)光二極管100的操作電壓。
第四實施例圖4為本發(fā)明第四實施例之發(fā)光二極管的剖面示意圖。請參照圖4，本實施例與第三實施例類似，而與第三實施例相比，發(fā)光二極管100c中的局部銦摻雜區(qū)132’的材料為具有銦摻質與硅摻質的氮化鎵系材料(In-Sicodoped AlxGa1-xN；0≤x＜1)。在N型摻雜半導體層130c中，局部銦摻雜區(qū)132’以及未摻雜區(qū)134的數(shù)量皆是介于10至200之間，局部銦摻雜區(qū)132’的分布厚度例如是介于10至200納米之間，而未摻雜區(qū)134的分布厚度例如是介于1至20納米之間，且局部銦摻雜區(qū)132’與未摻雜區(qū)134的厚度比約為10∶1。
第五實施例圖5為本發(fā)明第五實施例的發(fā)光二極管的剖面示意圖。本實施例與第四實施例類似，而與第四實施例相比，發(fā)光二極管100d中的局部銦摻雜區(qū)132”的材料為具有銦摻質、硅摻質以及鎂摻質的氮化鎵系材料(In-Si-Mg codoped AlxGa1-xN；0≤x＜1)。在N型摻雜半導體層130d中，局部銦摻雜區(qū)132”以及未摻雜區(qū)134的數(shù)量皆是介于10至200之間，局部銦摻雜區(qū)132”的分布厚度例如是介于10至200納米之間，而未摻雜區(qū)134的分布厚度例如是介于1至20納米之間，且局部銦摻雜區(qū)132”與未摻雜區(qū)134的厚度比約為10∶1。
值得注意的是，N型摻雜半導體層130d中的鎂摻質含量小于硅摻質含量。在N型摻雜半導體層130中的摻質銦、摻質硅與摻質鎂可以降低電子與空穴的電離能，并提高N型摻雜半導體層130中的載子(電子與空穴)遷移率，進而增加發(fā)光層150中電子與空穴結合的機率。
第六實施例圖6為本發(fā)明第六實施例之發(fā)光二極管的剖面示意圖。請參照圖6，為了使發(fā)光二極管具有良好的光、電特性，我們還可以在上述實施例的發(fā)光二極管的半導體疊層中設置具有不同功能的緩沖層(buffer layer)、結晶層(nucleation layer)以及束縛層(cladding layer)。
在本實施例中，N型摻雜半導體層130e包括設置于基板110上的緩沖層135、設置于緩沖層135上的第一接觸層136以及設置于第一接觸層136上的第一束縛層137。發(fā)光二極管100e中的緩沖層135可改善磊晶質量，進而增進發(fā)光二極管100e的光、電特性。
承上述，N型摻雜半導體層130e還包括結晶層138，且結晶層138設置于緩沖層135與第一接觸層136之間。結晶層138能夠使第一接觸層136的磊晶速率較快，且晶格排序較整齊，并使第一接觸層136具有平整的表面。
由圖6可知，第一束縛層137以及第二束縛層142設置于發(fā)光層150的上、下兩側。當施加順向電壓于發(fā)光二極管110e的第一電極160以及第二電極170時，第一束縛層137以及第二束縛層142可以將載子限制于發(fā)光層150中，以增加發(fā)光層150內電子與空穴的結合率，進而使發(fā)光二極管110e具有良好的發(fā)光效率。
同樣請參照圖6，本實施例之P型摻雜半導體層140e包括第二束縛層142以及第二接觸層144。其中，第二束縛層142設置于發(fā)光層150上，而第二接觸層144設置于第二束縛層142上。
綜上所述，本發(fā)明之發(fā)光二極管至少具有下列優(yōu)點1.本發(fā)明在N型摻雜半導體層中摻雜銦、共摻雜銦-硅或銦-硅-鎂，可改善N型摻雜半導體層的結構強度及表面平整度，并且讓電極能夠與N型摻雜半導體層緊密接合，進而使發(fā)光二極管100具有良好的電特性及提高合格率。
2.本發(fā)明利用多個沿著N型摻雜半導體層厚度方向交替分布的局部銦摻雜區(qū)以及未摻雜區(qū)，來降低發(fā)光二極管的操作電壓、提高發(fā)光二極管的可靠性，并改善發(fā)光二極管漏電流。
雖然本發(fā)明已以較佳實施例披露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何所屬技術領域的技術人員，在不脫離本發(fā)明之精神和范圍內，當可作些許之更動與改進，因此本發(fā)明之保護范圍當視權利要求所界定者為準。
權利要求
1.一種發(fā)光二極管，其特征是包括基板；半導體疊層，設置于該基板上，該半導體疊層包括N型摻雜半導體層，具有銦摻質；P型摻雜半導體層；發(fā)光層，設置于該N型摻雜半導體層與該P型摻雜半導體層之間；第一電極，設置于該N型摻雜半導體層上；以及第二電極，設置于該P型摻雜半導體層上。
2.根據(jù)權利要求1所述的發(fā)光二極管，其特征是該基板的材料包括氧化鋁單晶、6H-SiC、4H-SiC、Si、ZnO、GaAs、尖晶石(MgAl2O4)或晶格常數(shù)接近于氮化物半導體的單晶氧化物之一。
3.根據(jù)權利要求1所述的發(fā)光二極管，其特征是該銦摻質均勻地分布于該N型摻雜半導體層中。
4.根據(jù)權利要求3所述的發(fā)光二極管，其特征是具有銦摻質的該N型摻雜半導體層還具有硅摻質。
5.根據(jù)權利要求3所述的發(fā)光二極管，其特征是具有銦摻質的該N型摻雜半導體層還具有硅摻質以及鎂摻質。
6.根據(jù)權利要求1所述的發(fā)光二極管，其特征是該N型摻雜半導體層的材料包括銦摻雜的氮化鎵系材料(AlxGa1-xN；0≤x＜1)、銦-硅共摻雜之氮化鎵系材料(AlxGa1-xN；0≤x＜1)或是銦-硅-鎂共摻雜的氮化鎵系材料(AlxGa1-xN；0≤x＜1)。
7.根據(jù)權利要求1所述的發(fā)光二極管，其特征是該N型摻雜半導體層包括多個局部銦摻雜區(qū)；以及多個未摻雜區(qū)，其中上述這些局部銦摻雜區(qū)與上述這些未摻雜區(qū)是沿著該N型摻雜半導體層的厚度方向交替分布。
8.根據(jù)權利要求7所述的發(fā)光二極管，其特征是具有銦摻質的該N型摻雜半導體層還具有硅摻質。
9.根據(jù)權利要求7所述的發(fā)光二極管，其特征是具有銦摻質的該N型摻雜半導體層還具有硅摻質以及鎂摻質。
10.根據(jù)權利要求7所述的發(fā)光二極管，其特征是上述這些未摻雜區(qū)的材料包括氮化鎵或氮化鋁鎵。
11.根據(jù)權利要求7所述的發(fā)光二極管，其特征是上述這些未摻雜區(qū)的氮化物半導體材料與上述這些局部銦摻雜區(qū)的氮化物半導體材料相比有較大的能隙寬度。
12.根據(jù)權利要求1所述的發(fā)光二極管，其特征是該N型摻雜半導體層包括緩沖層，設置于該基板上；第一接觸層，設置于該緩沖層上；以及第一束縛層，設置于該第一接觸層上。
13.根據(jù)權利要求12所述的發(fā)光二極管，其特征是該N型摻雜半導體層還包括結晶層，設置于該緩沖層與該第一接觸層之間。
14.根據(jù)權利要求1所述的發(fā)光二極管，其特征是該P型摻雜半導體層包括第二束縛層，設置于該發(fā)光層上；以及第二接觸層，設置于該第二束縛層上。
全文摘要
一種發(fā)光二極管，包括基板、半導體疊層、第一電極以及第二電極。其中，半導體疊層設置于基板上，且半導體疊層包括N型摻雜半導體層、P型摻雜半導體層以及發(fā)光層。N型摻雜半導體層具有銦摻質，而發(fā)光層設置于N型摻雜半導體層與P型摻雜半導體層之間。此外，第一電極設置于N型摻雜半導體層上，而第二電極設置于P型摻雜半導體層上。上述發(fā)光二極管中的N型摻雜半導體層較不易有龜裂、斷裂或點缺陷等問題發(fā)生，因此上述發(fā)光二極管具有較低的電功率消耗、較高的制造合格率以及較佳的可靠性。
文檔編號H01L33/00GK1960011SQ20051011715
公開日2007年5月9日 申請日期2005年11月1日 優(yōu)先權日2005年11月1日
發(fā)明者武良文, 簡奉任 申請人:璨圓光電股份有限公司