TW475275B - Vertical geometry ingan led - Google Patents
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Description
475275 五、發明說明(1) 發明範疇 本發明與第三族氮化物(即,元素周期表的第三族)所構 成的發光二極體有關,尤其與混合氮化銦鎵(I nGaN)量子 井作為主動部份,以產生電磁波譜的紅色到紫外線部份之 輸出的發光二極體有關,特別是綠色到到紫外線部份。本 發明的發展包括按照美國國防部高等研究計晝局(DARP A) 契約書MDA972-95-C-0016暨F19628-96-C-0066 所提供的 支援。政府可對本發明具有特定的權限。 發明背景 發光二極體是P-N接面裝置,在光電子學領域經過數年 的成長與發展後,已知發光二極體在各種作用中非常有 用。以電磁波譜可見光部份發光的裝置已作為簡單的狀態 指示器、動態功率位準長條圖形、及許多應用(譬如,無 線電系統、汽車、家用電器產品、及電腦系統)中的文數 顯示幕等用途。在光隔離器、手提式遙控器、及中斷、反 射、和光纖感測應用中,已將紅外線裝置結合光譜匹配光 電晶體使用。 發光二極體運作以半導體中電子與電洞的重組為主。當 傳導帶中的電子載流子與價電子帶中的電.洞結合時,其損 失的能量等以散發之光子形式的帶隙;即,光線。平衡條 件下重組活動的數量對於實際應用而言並不足夠,但是, 可以藉由增加少數載流子密度的方式來增加其數量。 按照慣例,發光二極體中是藉由對二極體進行順向偏壓 的方式來增加少數載流子密度。插入的少數載流子與接面
475275 五、發明說明(2) 邊緣少量擴散長度内的多數載流子以輻射方式重新組合。 每項重組事件產生的電磁輻射定義為一個光子。因為能量 損失與半導體材料的帶隙有關,所以已正式認定發光二極 體材料帶隙特性的重要性。 但是,當配合其他電子裝置時,更需要具更高效率的發 光二極體,尤其使用更少的功率時,發光二極體將必須以 較高的色飽和度運作。例如,較高色飽和度的發光二極體 對各種高格調環境中所使用的顯示幕或狀態指示燈特別有 用。發光二極體色飽和度輸出與驅動發光二極體所需功率 之間也有關聯。例如,低功率發光二極體最適用於各種攜 帶式電子設備應用。在可見光譜紅色部份中,發光二極體 的砷化鋁鎵發光二極體技術的發展,就是針對更高色飽和 度、低功率、及更高效率發光二極體需求所嘗試的例子。 由於不斷地對發光二極體有類似的需求,所以發光二極體 將以可見光譜的綠色、藍色、紫外線區發光。例如,因為 藍色是原色,為了可以顯示出深色或純白光,所以更想要 或需要藍色。 本發明應用的共同受讓人是此領域中第一位成功發展可 大量生產並商業化之發出藍色光譜的發光二極體。彼等發 光二極體由碳化矽所構成;美國申請專利編號4,9 1 8,4 9 7 暨 5,027,168,申請人Edmond,標題為"Blue Light Emitting Diode Formed In Silicon Carbide·"中說明其 範例。 其他藍色發光二極體的範例於美國申請專利編號5,3 0 6,
475275 五、發明說明(3) 6 6 2,申請人 Nakamura,標題為 H Me thod of Manufacturing P-Type Compound Semiconductor.n ,暨 美國申請專利編號5,290,393,申請人Nakamura,標題為 "Crystal Growth Method for Gallium Nitride-Based Compound Semiconductor·”中說明。美國申請專利編號 5,273,933,申請人Hatano et al·,標題為"Vapor Phase Growth Method of Forming Film in Process of Manufacturing Semiconductor Device.” 中也說明碳化石夕 (Si C)基底氮化鎵銦鋁(Gal nA IN)暨砷化鎵(GaAs)基底硒化 鋅(ZnSe)構成的發光二極體。 發光二極體技術一般性的討論可參閱Dorf,The Electrical Engineering Handbook 再版(1 9 9 7,CRC 出版 社),第 1915-1925頁,第 83.1fnLight Emitting Diodes’丨暨Sze,Physics of Semi conductor Devices,第 681 ff頁,第 12fnLED and Semiconductor Lasers” (1981,J〇hn Wiley & Sons, Inc· ) 〇 如同熟知發光二極體之類的光裝置之人士的認識,已知 藉由特定半導體材料產生的電磁輻射頻率(即,光子)是材 料的帶隙作用。較窄的帶隙產生能量較低、波長較長的光 子’而較寬的帶隙產生能量較高、波長較短的光子。例 如’通常作為電射的半導體是磷化鎵銦鋁(InGaAlP)。因 為此材料的帶隙(帶隙實際的範圍視每種元件目前的克分 子或原子分數而定),導致磷化鎵銦鋁(InGaAlp)可產生的 光線受限在可見光譜的紅色部份,即,大約6 〇 〇到7 〇 〇毫微
第8頁 475275 五、發明說明(4) 米(nm ) 〇 反之,為了產生具有光譜藍色及紫外線部份的光子,則 需要具有比較大帶隙的半導體材料。典型的候選材料包括 碳化矽(Si C)及第三族氮化物,特別是氮化鎵(GaN),及氮 化銘鎵(AlGaN)、氮化銦鎵(InGaN)、暨氮化銘銦鎵 (A1 InGaN)之類的三態和第三代第三族氮化物。
波長較短的發光二極體尚有色彩以外的優點。尤其是運 用在光儲存及記憶體裝置(譬如n CD-ROMn或π光碟片π )時, 較短的波長使此類的儲存裝置可按比例容納更多的資訊。 例如,以相同的空間為基礎,使用藍光儲存資訊的光裝置 所容納的資訊大約是使用紅光儲存資訊的光裝置所容納的 資訊的四倍。
但是,因為第三族氮化物有比較高的帶隙(即,氮化鎵 (GaN)在室溫下的帶隙是3. 36 eV),並且是直揍的帶隙材 料,而不是間接的帶隙材料,所以,對於綠色、藍色、及 紫外線頻率而言,第三族氮化物是引人注目的發光二極體 候選材料。如同熟知半導體特性之人士的認識,直接帶隙 材料不需要電子晶體動量變化,就可以進行從價電子帶到 傳導帶的電子轉換。在間接半導體中,則是另一種情況; 即,價電子帶與傳導帶之間的電子轉換需要有晶體動量的 變化。矽及碳化矽即是此類間接半導體的例子。 一般而言,直接帶隙所構成之發光二極體的執行效率優 於間接帶隙所構成之發光二極體的執行效率,這是因為直 接轉換的光子所保留的能量多於間接轉換的光子所保留的
88116006 發羽說明_ (b) 扣年7月-r日修正/更正/補充 年月日 修正 能量。 但是,第三族氮化物卻有各種不利條件:迄今,尚無充 分可行的技術可生產可構成適當第三族氮化物光裝置基底 的第三族氮化物體單晶體。如同熟知半導體裝置之人士的 認識,所有的半導體裝置都需要一些結構基底的排序。通 常,使用與裝置主動區相同的材料所構成的基底具有顯著 的優點,特別是在晶體發展與匹配方面的優點。但是,因 為還必須用此類的體晶體來構成第三族氮化物,所以,必 須用不同一即,除了第三族氮化物以外一基底上的外延層 來構成第三族氮化物裝置。
但是,使用不同的基底會造成另一些問題,大部分是晶 體晶格匹配及熱膨脹係數(TCEs)領域的問題。幾乎所有的 情況,不同的材料具有不同的晶體晶格參數及熱膨脹係數 TCEs。結果,當第三族氮化物外延層在不同的基底上產生 時,將發生某些晶體不匹配,而所產生的外延層因這些不 匹配而造成「形變」或「壓縮」。此類的不匹配、不匹配 所造成的形變、及隨晶體缺陷所產生的電位,將依序影響 晶體及接面的電子特性,因此,相對地造成降低甚至阻礙 了光裝置的效能。此類的缺陷對更高功率的結構造成更多 的問題。 迄今,藍寶石(即,三氧化二鋁)已成為第三族氮化物裝 置的共同基底。藍寶石是以可見光及紫外線範圍内的光穿 透,但不幸地為絕緣的而非為傳導性的,並且,與(例如) 氮化鎵(GaN)之間大約有1 6%的晶格不匹配。由於缺乏導電
O:\60\60374.ptc 第10頁 2001.07. 25.010 W/:)
475275 五、發明說明(7) 緩衝層上的第一層氮化鎵(GaN)、一非摻雜之第一氮化鎵 層上的第二層氮化鎵(GaN)、一第二氮化鎵層上的氮化銦 鎵(InGaN)量子井、一非摻雜之量子井上的第三層氮化鎵 (GaN)、一非摻雜之第三氮化鎵層上的第一層氮化鋁鎵 (AlGaN)、第一氮化鋁鎵(A1GaN)層上的P型第二層氮化鋁 鎵(AlGaN)、第二氮化鋁鎵(A1GaN)層上的p型第四氮化鎵 (GaN)層、一基底的歐姆觸點、及第四氮化鎵(GaN)層的歐 姆觸點所組成。 配合詳細說明及附圖,更容易瞭解本發明前述及其他的 目的與優點: 圖式簡單說明 圖1說明根據本發明之發光二極體的斷面圖; 圖2說明根據本發明及先前裝置之二極體量子效率的比 較標繪圖; 圖3說明支配波長相對於正向電流的標緣圖,並比較根 據本發明之發光二極體與藍寶石基底所構成之發光二極 體; ’ 圖4說明半最大值的全寬(fuii width at half maximum)相對於根據本發明之二極體波長的標繪圖,並與 藍寶石基底所構成之二極體比較;以及 圖5及圖6 5兒明根據本發明之兩種二極體的電流相對於電 壓特性的標繪圖。 登詳細說明 本發明揭示一種垂直幾何結構發光二極體,其能夠發出
第12頁 47)Z/5 、發明說明(8) 電磁波譜的紅色、綠色、藍色、紫色、及紫外線部份。内 =中的「垂直幾何結構」表示裝置的歐姆觸點可以放置 結禮γ ^ _ *力一面的特性。相對於陽極及陰極必須放置在裝置的
2广面=裝置而言,此類允許適當金屬觸點及引線(包括 〜處理器及印刷電路上的引線)的幾何結構更容易組成裳 固1顯示ίο所標示的裝置’其最寬的一面包括傳導碳 化石夕基底11、一氮化銦鎵(InGaN)量子井12、基底1 1及量 子井丨2之間的一傳導緩衝層13、在量子井12每一表面上個 別的非摻雜氮化鎵層1 4和1 5、以及垂直幾何結構方向的 姆觸點1 6和1 7。 碳化石夕基底11最好是選擇3C、4H、6H、及15R多晶型 物,尤其是選擇6H多晶型物最佳。最好依據常讓渡(或許 可)的美國專利編號Re· 34, 86 1 ( 4, 8 66, 00 5 )中所提出的發 展技術來構成基底,以提及的方式併入本文中。 x 所構成的傳導緩衝層1 3最好具有1 9 9 7年1 0月7日所歸播 之聯合申請美國專利及常讓渡之申請專利中的美國申請序 唬 08/ 944,547,標題為"Group III Nitride Photonic
Devices on Silicon Carbide Substrates with
Conductive Buffer Interlayer Structure,” 中所提出 的結構,並納入其方法,本文中以提及的方式併入該申請 中專利的整個内容。 ^ 如上述的說明,碳化矽基底與第三族氮化物之間的晶格 匹配優於藍寶石。另外,第三族氮化物在碳化矽上會具有 張力,而在藍寶石上則會壓縮。本技藝中,「張力」表示
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$延層熱膨脹係數大於其基底熱膨脹係數的關係。「壓 縮」表不,,層熱膨脹係數小於其基底熱膨脹係數的另一 ,關/系。第二私氮化物層與碳化矽基底之間晶袼常數的差 /、(虱化物晶格常數大於碳化矽晶袼常數)會增加壓縮,但 ^,個別的熱膨脹係數傾向支配整個張力。就這一點而 °成乎'又有報告指出’在張力下的外延層會產生氮化銦 鎵(InGaN)。
'就如熟悉電子結構之人士的認識,量子井通常係由一層 或,層半導體材料的薄層所組成,其中半導體材料具有非 苇4的主動層。尤其,當主動層的厚度薄到載波 deBrogiie波長的等級時,將造成一連串具有有限方井之 邊界狀態能量的離散能級。請參閱Sze physics 〇f 861!11(^1^1^1:0]:1)^;^6再版(1981)第127及 72 9 頁。如同熟 知此類結構之人士的認識,使用單量子井或多量子井增加 =期望之轉換中的電子密度,進而增加發射的高度。 簡吕之’碳化石夕基底11為N型,且N型氮化鎵(GaN) 2〇的第 一層(通常摻雜石夕)在傳導緩衝層13上,並形成氮化鎵 (GaN) 14的(第二)未摻雜層。
最佳結構也包括在其他未摻雜之氮化鎵(GaN)層15上的 未摻雜之氮化銘鎵(AlGaN) 21的第一層,其中未摻雜之氮 化鎵(GaN)層15是整個第三氮化鎵(GaN)層。p型氮化鋁鎵 (AlGaN) 22的第二層(最好摻雜鎂)是在第一未摻雜層21 上。P型氮化鎵(GaN)層23(整個第四氮化鎵(GaN)層)完成 裝置’最好摻雜鎂。如圖1所顯示,歐姆觸點丨6構成傳導
第14頁 五、發明說明(10) 展匕石夕基底’而另一個歐姆觸點1 7則構成P型氮化鎵(G a N ) d 2 3 °在最佳具體實施例中,基底11的歐姆觸點1 6包括鎳 0 ’而P型氮化鎵(GaN)層23的歐姆觸點17是由鉑(Pt)所 籌成。當然’如果有適合有關接觸層的歐姆特性,且有提 ’、適合各層的化學與物理連接物,則歐姆觸點也可使用其 他的金屬。 在最佳具體實施例中,氮化銦鎵(InGaN)量子井12基本 上是N型’且可包括單量子井(SqW)或多量子井(MQW)。
本發明整個結構中的每一層都具有特殊的優點。如上文 中的說明,N型碳化矽基底的熱傳導性比藍寶石高出許 夕’與第三族氮化物之間具有比藍寶石更好的晶格匹配, 且其傳導特性更適合垂直裝置。 傳導緩衝層1 3適合1 9 9 7年1 0月7日歸檔之聯合專利申請 序號08/944, 547中所提出的議題,上文中以提及的方式併 入本文中。在其基本的作用中,傳導緩衝層13有利於從碳 化矽基底到氮化鎵(GaN)層20及14的晶體轉換,且其傳導 特性補足裝置的垂直幾何結構。
第一氮化鎵(GaN)層20加上傳導緩衝層13的總厚度大約 是1· 8微米。在最佳環境中,傳導缓衝層13及氮化鎵(GaN) 層20最好在溫度大約1040 °C的氫氣(H2)下生長。N型氮化 鎵(GaN)層20應有足夠的厚度,使碳化矽基底η及傳導缓 衝層13之間介面所產生的缺陷降至最低,並使整個表面平 坦。根據經驗,如果氮化鎵(GaN)層20太薄,則似乎會影 響裝置波長一致性。 曰
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_最佳具體實施例中的未摻雜之氮化鎵(GaN )層1 4是整個 第二氮化鎵(GaN)層,已證實可增加裝置的亮度及放射一 致性。雖然迄今有經驗上的成果,且申請人不希望受到任 何特殊理論的約束,但是,未摻雜之氮化鎵14(在 氮氣上生產)似乎容易與氫產生反應,所以,之後不會影 響必須隔離氮的氮化銦鎵(InGaN)量子井。使用未推^之^ 氮化鎵(G a N )層1 4也可使生長繼續,而其他方面則需要使 生長停止(growth stop),因為氮化鎵(GaN)層14是在相同 的氮氣(Μ中生長,之後,氮化銦鎵(In GaN)量子井也是 在此氮氣(I)中生長。製造這些類型裝置期間排定生長停 止(growth stop)時,停止前及停止後生長的層之間的介 面可能趨於退化。 另一方面’未摻雜之氮化鎵(GaN)層14可直接協助放鬆 碳化矽基底及其第三族氮化物層之間已增大的變形。如上 文中的說明,未摻雜之氮化鎵(GaN)層14係在氮氣(n2)下 生長(反之,氮化鎵(GaN)的N型前趨層20則是在氫氣(h2) 下生長)’且最好在溫度大約7 5 0 °C到8 0 0 °C之間,總厚度 大約是2 0 0埃。 又
氮化銦鎵(InGaN)量子井12可以是單量子井(SQW)或多量 子井(MQW) ’通常是在溫度大約75 0 °C到8 0 0 °C之間的氫氣 (H2)下生長(與未摻雜之氮化鎵(GaN)層14相同),厚度大 約是2 0到3 0埃之間。當然,量子井是裝置的主動層,並產 生所要的輸出。從作用的觀點來看,量子井12應是「偽 晶」或「準穩」;即,薄度足以避免晶體缺陷,而晶體缺
第16頁 修正 玉/更正/補充 88116006 五、發明說明(12) 係其他相似或相同材料較厚層容易出現的現象。 如同熟知第三族氮化物之人士的認識,能量結構及量子 井發射差異視三態組合物中的銦總數而定,請參閱美國專 利編號5 ,684, 309圖10及圖11 ,及第7欄,第19 - 42行,其 說明但未限制此特性。針對藍色發光二極體,銦的克分子 分數大約是3 5 %,而綠色發光二極體的銦克分子分數稍 高,最好是大約5 0 %及5 5 %之間。因此,藉由控制三態氮化 銦鎵(InGaN)組合物中銦的克分子分數(或克分子百分比) ’可設計裝置發出特定的波長。但是,較大的銦分數比較 小的分數更不穩定,因此,選擇期望或最佳量子井組合 時,通常會考慮此特性。 整個第三氮化鎵(GaN)層15是建立量子井12邊界的其他 未摻雜之氮化鎵(G a N )層,並用於在晶體生長處理期間, 防止氮化銦鎵(InGaN)量子井12接觸到氫或高溫。上面的 未摻雜之氮化鎵(GaN)層15照樣在氮氣中生長,以防止量 子井1 2接觸到氫。此外,氮化鎵(g aN )層1 5防止氮化銦鎵 (InGaN)量子井12接觸到高溫,因為氮化銦鎵(inGaN)在 9 5 0 °C或以上的溫度會分解。 未摻雜之氮化鋁鎵(A 1 G a N )層2 1的晶體品質通常優於摻 雜之氮化鋁鎵(AlGaN),運用未摻雜之氮化鎵(GaN)層15有 助於防止氮化銦鎵(InGaN)量子井接觸到高於所要之溫度 的溫度,或接觸到氫。未摻雜之氮化鋁鎵(A 1 G aN )層2 1是 在氮氣中生長。 一般說來,氫氣可產生較高品質的氮化鎵(GaN)層及氮
O:\60\60374.PTc 第17頁 2001.01.31.017 475275 五、發明說明(13) 化銘鎵(AlGaN)層,但是對氮化銦鎵(inQaN)會產生有害的 影響。因此’只要有可能’在氫氧中完成生長,改變到氮 氣中連績生長氣化姻嫁(InGaN)量化井及其鄰接層。 未摻雜之氮化鎵(GaN)層15及未摻雜之氮化鋁鎵(A1GaN) 層21都相當薄。氮化鎵(GaN)層15係在2 0-3 0埃的等級,並 在7 5 0 C到8 0 0 C之間的溫度下生長。未摻雜之氮化鋁鎵 (AlGaN)層21的厚度大約疋30及50埃,並在到 之間的溫度下生長。 P型氮化鋁鎵(AlGaN)層22稍厚,厚度大約是2〇〇埃的等 級’並在溫度大約9 0 0 °C的氫氣中生長。其為整個結構提 供高品質的晶體層,並提供插入量子井的電洞,以產生所 要的發射。最後,P型氮化鎵(GaN)接觸層23為歐姆觸點17 提供更方便的材料。如同熟知這些材料之人士的認識,製 造適合氮化鋁鎵(AlGaN)歐姆觸點非常困難,且許多情況 下是不可能的。 適合各層的生長易做。氫化硅(Si h4)、三甲基鎵 ((CH^Ga)、及氨(題3)通常用於構成n型氮化鎵(GaN)層 20。如果需要,可用三乙基鎵((C2H5)3Ga)取代三曱基鎵 ((CH^Ga)。同樣地,使用三甲基銦((CH3)3ln)三甲基鋁 ((C Ha)3A 1)作為源氣體時可提供銦或鋁。同樣地,針對每 層的氮而言’氨(NH3)是最佳的源氣體。 如上文中的說明,在最佳具體實施例中,傳導缓衝層】3 及第一氮化鎵(GaN)層20在氫氣中生長,有助於其生長及 想要的特性。圖1中的箭頭25指出112下的生長。然'後,第
第18頁 475275 五、發明說明(14) 二氮化鎵(GaN)層14、氮化銦鎵(inGaN)量子井12、第三氮 化鎵(GaN)層15、及第一氮化鋁鎵(AlGaN)層21在氮氣下生 長’最好沒有生長停止。最後,第二氮化鋁鎵(AiGaN)層 22及第四氮化鎵(GaN)層p型氮化鎵((^^)層23在氫氣中生 長’最好沒有生長停止。此方法中,氮化銦鎵(InGaN)量 子井12及形成其邊界的層都是在沒有生長停止的情況下生 長’因為’在未摻雜之氮化鎵(GaN)層14發生從氫氣到氮 氣的轉變’且於未摻雜之氮化鋁鎵(A1GaN)層21之後發生 對應的從氮氣到氫氣的轉變。如同熟知晶體生長一特別是 CVD蠢晶生長—技術之人士的認識,比起包括停止的生長 處理程序’持續生長處理程序可產生更好的磊晶層之間的 介面。在此方法中,根據本發明之發光二極體的結構增強 了生長技術,而持續成長技術增強了發光二極體的效能。 一在最佳具體實施例中,碳化矽基底丨丨是「反植入」。如 同背景資料,為了獲得N型碳化矽(通常摻雜在發光二極體 大約6E17及2E18之間)上的歐姆觸點,溫度(至少)需要93〇 c。這樣的溫度通常不會對氮化鎵(GaN)造成傷害,但是 會使氮化銦鎵(InGaN)量子井丨2退化或毀壞。因此,為了 I以在較低的溫度下獲得良好的碳化石夕歐姆觸點,在、背面 =度摻雜碳化矽基底11,需要可在80(KC的低溫形成歐姆 間點的技術,並期望該技術可75(pc的低溫下,同樣可形 成歐姆觸點。 7 乂 2化矽基底11的高度摻雜之背面最好用離子植入的方式 ,雜,然而,也可以使用雷射退火或薄磊晶層之類(在許
5275 浼年私角為 诊 Jli! m HL/更正/補充 1116006 年夂月> 曰 修正 五、發明說明(15) 多情況下並不切實際)的其他技術。舉例而言(而非限 制),碳化矽基底11通常摻雜在大約1 · 2 E 1 8 (1 · 2 X 1 018 cur3),而植入部份達到大約1 E 2 0 ( 1 X 1 02G cm—3)的濃 度。因此,另一方面,本發明包括產生本發明垂直方向之 發光二極體的方法。在此方法中,本發明包括在氫氣中, 在一N型碳化矽基底上連續生長一傳導緩衝層及一N型氮化 鎵(GaN)層。接著,在氮氣中依序生長薄層未摻雜之氮化 鎵(GaN)、一氮化銦鎵(InGaN)量子井、一未摻雜之氮化鎵 (GaN)的第二薄層、及一未摻雜之氮化鋁鎵(AlGaN)的薄層 等層。之後,在氫氣中依序生長P型氮化鋁鎵(AlGaN)層及 P型氮化鎵(GaN)層,才完成技術。然後,可運用最佳具體 實施例,將歐姆觸點附加到P型氮化鎵(G a N )層及碳化矽基 底,其中最佳具體實施例包括在附加之歐姆觸點部份增加 摻雜碳化矽基底的步驟,而歐姆觸點也就是剛剛所說明之 方法(即,最好用離子植入的方式)中所附加的歐姆觸點。 如同源氣體的指示,生長這些層的最佳技術是化學氣相 澱積(CVD)。此類的技術在此技藝中非常易懂。然而,CVD 及個別CVD設備的性質(像是個別氣流率、溫度、反應裝置 壓力、時間長度、及其他處理參數)通常必須根據特殊設 備及環境才能決定。按照本文中的說明,已知層的成分包 括每層的厚度及最佳生長溫度範圍,熟悉本技藝的一般技 術人員不需要不當的實驗,就能夠複製所發表的處理程 序,並產生絃構。 圖2到圖6說明根據本發明所設計及製造之二極體的優點
O:\60\60374.PTc 第20頁 2001.01.31.020 475275 你r4r 冬正7更:: 88116006 修正 的實例。圖2說明根據本發明之二極體的量子效率至少和 其他在藍寶石基底上形成的數個量子的效率一樣好。此 外,比起可產生相同輸出的同等級藍寶石式裝置,垂直裝 置提供更小的晶片。例如,本文中,為了比較目的(如, 圖3 及圖4)所鑑定的藍寶石式裝置是14 milx 14 mil (1 9 6 m i 12),而根據本發明的裝置(且提供相同的亮度)是 1 0 mi 1 X 1 0 mi 1 (1 00 mi I2);即,只有57% 。 圖3說明與藍寶石所構成之裝置相比,根據本發明之發 光二極體在正向電流的範圍内維持更一致的色彩。如圖3 所顯示,藍寶石式發光二極體在低正向電流可發射光譜的 黃色部份,或接近光譜的黃色部份(如,在2毫安培可發射 5 4 4毫微米(nm )),而根據本發明之發光二極體仍然在綠色 區(在2毫安培可發射531毫微米(nm))。 圖4說明根據本發明之碳化矽式二極體在期望的波長顯 出較窄的發射(較純的色彩);即,在每次測量的波長,碳 化矽式二極體的半最大值全寬(full width at half maximum ;FWHM)至少比藍寶石式二極體的半最大值全寬 (full width at half maximum ;FWHM)大約少5 毫微米 (nm ) o 圖5及圖6說明根據本發明之綠色(525 nm)及藍色(470 n m)二極體在正向偏壓下都提供絕佳的電流特性。 在運用過程中,可使用根據本發明之二極體提供混合紅 色、綠色、及藍色發光二極體的像素及顯示幕。 在圖式及說明中,已揭示本發明典型的具體實施例,並
O:\60\60374.PTc 第21頁 2001.01.31.021 475275 五、發明說明(17) 且,雖然已採用特定的名詞,但是,這些名詞只作為總稱 及描述的意義,而沒有限制的意圖,下列的申請專利範圍 中提出本發明範疇。
第22頁
Aims
修iEJ 號 88116006 (? o车^月/h柊if、/雯正/補充 年月 日& 修正 五、發明說明 (17a) 元件符 11 碳化矽 12 氮化銦鎵量子井 13 傳導緩衝 14,15 氮化鎵(未摻雜) 1 6,1 7 歐姆觸點 20 氮化鎵:矽 2 1 氮化鋁鎵(未摻雜) 22 氮化鋁鎵:鎂 23 氮化鎵:鎂 » t
O:\60\60374.ptc 第22a頁 2001.07. 25. 023
Claims (1)
- 47¾¾88116006 1 · 一種垂直幾何結構發光 紅色、綠色、藍色、紫色、 二極體包括: 二極體,其能夠在電磁波譜的 及紫外線部份中發光,該發光 一傳導碳化矽基底; 一氮化銦鎵(InGaN)量子井; 緩衝層;以及 其位於該量子井 每一在該基底與該量子井之間的傳導 一個別的未摻雜之氮化鎵(GaN)居 層表面上;以及 垂直幾何結構方向的歐姆觸點。 何結構發光二極體, 其位於該緩衝器與該 何結構發光二極體, 2 ·如申請專利範圍第1項之垂直幾 進一步包括一氮化鎵(GaN)摻雜層,' 未摻雜之氮化鎵(GaN)層之間。 3 ·如申請專利範圍第2項之垂直幾 進一步包括: 一氮化鋁鎵(AlGaN)未摻雜 未摻雜之氮化鎵(GaN)層表面 及緩衝相對;以及 一摻雜之氮化鋁鎵(AlGaN) 鋁鎵(AlGaN)層上。 層21 ’其位於該量子井上該 上’而該量子井則與該基底 層’其位於該未摻雜之氮化 4 ·如申請專利範圍第3項之垂直幾何 進一步包括一摻雜之氮化鎵(GaN)層, 化鋁鎵(AlGaN)層上。 5 ·如申請專利範圍第4項之垂直幾何 其中: 其位於該摻雜之 結構發 極骨475275 _案號88116006_年月曰 修正_ 六、申請專利範圍 該基底、該缓衝層、及鄰接該缓衝的該氮化鎵(GaN)層 都是N型;以及 該氮化鋁鎵(A1 GaN)摻雜層及在其上之氮化鎵(GaN)摻雜 · 層都是P型。 6 ·如申請專利範圍第1項之垂直幾何結構發光二極體,.' 其中該量子井包括一多量子井。 7· —種像素,其包括發光二極體,能夠在電磁波譜的紅 色、綠色、藍色、紫色、及紫外線部份中發光,該發光二 極體包括: 一傳導碳化矽基底; 一氮化銦鎵(InGaN)量子井; 一在該基底與該量子井之間的傳導緩衝層;以及 一個別的未摻雜之氮化鎵(Ga N)層,其位於該量子井每 層表面上;以及 垂直幾何結構方向的歐姆觸點。 , 8. —種顯示幕,其包括許多像素,每一像素包括一發光 _ 二極體,能夠在電磁波譜的紅色、綠色、藍色、紫色、及< 紫外線部份中發光,該發光二極體包括: 一傳導碳化矽基底; 一氮化銦鎵(InGaN)量子井; 一在該基底與該量子井之間的傳導緩衝層;以及 一個別的未摻雜之氮化鎵(GaN)層,其位於該量子井每 層表面上;以及 垂直幾何結構方向的歐姆觸點。O:\60\60374.ptc 第2頁 2001.07. 25. 026 475275 案號 88116006 年月曰 修正 六、申請專利範圍 9 . 一種垂直幾何結構發光二極體’其能夠在電磁波错的 紅色、綠色、藍色、紫色、及紫外線部份中發光,該發光 二極體包括: 一 N型碳化矽基底; 一N型傳導緩衝層,其位於該基底上; 一氮化鎵(GaN)的第一層,其位於該N型傳導緩衝層上; 一氮化鎵(GaN)的第二層,其位於該未摻雜之第一氮化 鎵(GaN)層; 一氮化銦鎵(InGaN)量子井,其位於該第二氮化鎵(GaN) 層上;一氮化鎵(GaN)的第三層,其位於該未摻雜之量子井 一氮化鋁鎵(A1 GaN)的第一層,其位於未摻雜之第三氮 化鎵(GaN)層上; 一氮化鋁鎵(A1 GaN)層的第二層,其為P型,位於該第一 氮化鋁鎵(AlGaN)層上; 一第四氮化鎵(GaN)層,其為P型,其位於該第二氮化鋁 鎵(AlGaN)層上; 一該基底的歐姆觸點;以及 一該氮化鎵(GaN)層的歐姆觸點。1 0 .如申請專利範圍第9項之垂直幾何結構發光二極體, 其中該基底的該歐姆觸點包括鎳,且該P型氮化鎵(GaN)層 的該歐姆觸點是鉑。 1 1 .如申請專利範圍第9項之垂直幾何結構發光二極體,O:\60\60374.ptc 第3頁 2001.07. 25.027 475275 案號 88116006 年 月 曰 修正 六、申請專利範圍 其中該傳導緩衝層是N型氮化鋁鎵(AlGaN)。 極體 1 2.如申請專利範圍第9項之垂直幾何結構發 其中該量子井本質上是N型。 1 3.如申請專利範圍第9項之垂直幾何結構發光二極體, 其中該量子井是多量子井。 1 4.如申請專利範圍第9項之垂直幾何結構發光二極體, 其中該第一氮化鎵(GaN)層摻雜矽。 1 5 .如申請專利範圍第9項之垂直幾何結構發光二極體, 其中該第四氮化鎵(GaN)層及該第二氮化鋁鎵(AlGaN)層摻 雜鎮。 1 6. —種像素,其包括一發光二極體,能夠在電磁波譜 的紅色、綠色、藍色、紫色、及紫外線部份中發光,該發 光二極體包括: 一 N型碳化矽基底; 其位於該基底上; 一層,其位於該N型傳導緩衝層上; 二層,其位於該未摻雜之第一氮化 一N型傳導緩衝層, 一氮化鎵(GaN)的第 一氮化鎵(GaN)的第 鎵(GaN)層; 一氮化銦鎵(InGaN)量子井,其位於該第二氮化鎵(GaN) 層上; 一氮化鎵(GaN)的第三層,其位於該未摻雜之量子井 上; 一氮化鋁鎵(A1 GaN)的第一層,其位於未摻雜之第三氮 化鎵(GaN)層上;O:\60\60374.ptc 第4頁 2001.07. 25.028 475275其為p型,位於該第— 其位於該第二氮化鋁 一氮化銘鎵(AlGaN)層的第二層 氮化鋁鎵(AlGaN)層上; 一第四氮化鎵(GaN)層,其為p型 鎵(AlGaN)層上; 一該基底的歐姆觸點;以及 一該氮化鎵(GaN)層的歐姆觸點。 17· —種顯示幕,其包括許多像素,每一 光二極體,能夠在電磁波譜的紅色、綠色、該’、匕括一發 及紫外線部份中發光,該發光二極體包虹· &色、紫色、 一 N型碳化矽基底; ^ 一N型傳導緩衝層,其位於該基底上; 具位於該未摻雜之第一氮化鎵(GaN)的第一層 一氮化鎵(GaN)的第二層 鎵(GaN)層; 一氣化姻嫁(InGaN)量子井 層上; 其位於該第 氮化鎵(GaN) 一氮化鎵(GaN)的第三層 其位於該未摻雜之量子井 ’其位於未摻雜之第三氮 一氮化銘鎵(AlGaN)的第一層 化鎵(GaN)層上; 其為P型,位於該第一 ’其位於該第二氮化鋁一氮化鋁鎵(AlGaN)層的第二層, 氮化鋁鎵(AlGaN)層上; 一第四氮化鎵(GaN)層,其為p型 鎵(AlGaN)層上;2001.07. 25. 029 475275 _案號 88116006_年月日__ 六、申請專利範圍 一該基底的歐姆觸點;以及 一該氮化鎵(GaN)層的歐姆觸點。 18. —種用以製造一垂直方向發光二極體之方法,該發 光二極體能夠在電磁波譜的紅色、綠色、藍色、紫色、及 紫外線部份中發光,該方法包括: 在氫氣中,在碳化矽基底上連續生長一N型傳導緩衝層 及一N型氮化鎵(GaN)層; 接著,在氮氣中,連續生長一未摻雜之氮化鎵(GaN)的 薄層、一氮化銦鎵(InGaN)量子井、一未摻雜之氮化鎵 (GaN)的第二薄層、及一未摻雜之氮化鋁鎵(A 1 GaN)的薄 層;以及 接著,在氫氣中,連續生長一 P型氮化鋁鎵(AlGaN)層及 一P型氮化鎵(GaN)層。 1 9 .如申請專利範圍第1 8項之方法,其包括將歐姆觸點 附加到P型氮化鎵(G a N )層。 2 0 .如申請專利範圍第1 9項之方法,其包括將鉑觸點附 加到P型氮化鎵(G a N )層。 2 1 .如申請專利範圍第1 8項之方法,其包括將歐姆觸點 附加到碳化碎基底。 2 2.如申請專利範圍第2 1項之方法,其中包括在被附加 之歐姆觸點部份增加摻雜碳化矽基底的步驟,而歐姆觸點 就是之前的附加歐姆觸點之步驟中所附加的歐姆觸點。 2 3.如申請專利範圍第2 2項之方法,其中增加摻雜的步 驟包括離子植入。O:\60\60374.ptc 第 6 頁 2001 · 07· 25. 030 475275 ----------案號88116006_卑月日 修正_ 六、申請專利範圍 24· —種發光二極體,包括: 一碳化矽基底; 一氮化銦鎵(InGaN)量子井所構成的一主動層; 、 :其特徵疋大約在470毫微米(nm)產生峰值發射,且其半h ,大值全寬(full width at half maximum ;FWHM)大約25 · 耄微米(nm)或以下。 25· —種發光二極體,包括: 一碳化矽基底; 一氮化銦鎵(InGaN)量子井所構成的一主動層; 曰其特徵是大約在5 0 5毫微米(n m)產生峰值發射,且其半 ,大值全寬(full width at half maximum ;FWHM)大約 耄微米(nm)或以下。 26· —種發光二極體,包括: 一碳化矽基底; 一氮化銦鎵(InGaN)量子井所構成的一主動層; , 。其特徵是大約在525毫微米(nm)產生峰值發射,且其半 ,大值全覓(full width at half maximum ;FWHM)大約35 毫微米(nm)或以下。 27· 一種發光二極體,包括: 一碳化矽基底; 一氮化銦鎵(InGaN)量子井所構成的一主動層; 其特徵是大約在2毫安培的正向電流產生大約5 3 1毫微米 (nm)支配波長的發射。 28· 一種發光二極體,包括:O:\60\60374.ptc 第7頁 2001.07. 25. 031 475275 案號 88116006 曰 修正 六、申請專利範圍 一碳化>5夕基底; 一氮化銦鎵(InGaN)量子井所構成的一主動層; 其特徵是大約在5毫安培的正向電流產生大約5 2 9毫微米 (n m )支配波長的發射。 29. —種發光二極體,包括: 一碳化;5夕基底; 一氮化銦鎵(InGaN)量子井所構成的一主動層; 其特徵是大約在1 0毫安培的正向電流產生大約5 2 7毫微 米(n m )支配波長的發射。 3 0 . —種發光二極體,包括: 一碳化矽基底; 一氮化銦鎵(InGaN)量子井所構成的一主動層; 其特徵是大約在20¾安培的正向電流產生大約525¾微 米(n m )支配波長的發射。 31. —種發光二極體,包括: 一碳化矽基底; 一氮化銦鎵(InGaN)量子井所構成的一主動層; 其特徵是大約在3 0毫安培的正向電流產生大約5 2 3毫微 米(n m )支配波長的發射。O:\60\60374.ptc 第8頁 2001.07. 25. 032
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