TWI715437B - 紫外光發光二極體及其製造方法 - Google Patents

Abstract

一種紫外光發光二極體，包含透明基板及紫外光發光磊晶結構。該紫外光發光磊晶結構包含N型半導體層，設於該透明基板上且具有第一部分與第二部分。該N型半導體層第一部分上設有發光層，P型半導體層設於該發光層上，P型接觸層設於P型半導體層上。該N型半導體層第二部分上設有N型半導體薄膜且與發光層分隔開。N型半導體薄膜之能隙小於發光層之能隙。N型接點設於N型半導體薄膜上。P型接點設於P型接觸層上。

Description

紫外光發光二極體及其製造方法

本發明是有關於一種發光二極體，且特別是有關於一種紫外光發光二極體(UV LED)及其製造方法。

隨著紫外光發光二極體(UV LED)在空氣與水的淨化、消毒、醫療保健等的廣泛應用，使得UV LED備受關注。然而氮化鋁鎵(AlGaN)基之UV LED存在難以製作出與半導體層之間形成良好歐姆接觸的接觸電極的問題，而使得UV LED的電學與光學性能無法獲得有效提升。

因此，亟需一種UV LED之製作技術，可形成具良好歐姆接觸之接觸電極，以達到進一步提升UV LED之發光效能的目的。

因此，本發明之一目的就是在提供一種紫外光發光二極體(UV LED)及其製造方法，其在除去部分紫外光發光磊晶結構之N型半導體層的暴露部分上先成長能隙小於 發光層的N型半導體薄膜，藉此可在N型半導體薄膜上形成具有良好歐姆接觸且電阻較低的N型接點。

本發明之另一目的是在提供一種UV LED及其製造方法，其N型接點形成後可無需再進行合金化處理或僅需低溫合金處理，因此可避免合金化處理的高溫影響P型半導體層與P型接觸層的品質，甚至劣化其他磊晶層。

根據本發明之上述目的，提出一種UV LED，包含透明基板及紫外光發光磊晶結構。紫外光發光磊晶結構包含N型半導體層設於透明基板上，具有第一部分與第二部分。N型半導體層之第一部分上設有發光層，P型半導體層設於發光層上，P型接觸層設於P型半導體層上。N型半導體層之第二部分上設有N型半導體薄膜且與發光層分隔開，其中N型半導體薄膜之能隙小於發光層之能隙。N型接點設於N型半導體薄膜上。P型接點設於P型接觸層上。

依據本發明之一實施例，上述N型半導體層、發光層、P型半導體層、以及N型半導體薄膜均包含氮化鋁鎵，且N型半導體薄膜之鋁的含量組成小於發光層之鋁的含量組成。

依據本發明之一實施例，上述N型半導體薄膜具有化學式Al_xGa_1-xN，0≦x<0.4。

依據本發明之一實施例，上述N型半導體薄膜之組成包含氮化鎵與氮化鎵銦。

依據本發明之一實施例，上述N型半導體薄膜之厚度為1nm至1000nm。

依據本發明之一實施例，上述N型接點包含鈦(Ti)、鎳(Ni)、鋁(Al)、鈀(Pd)、銠(Rh)、鉑(Pt)、金(Au)、鉻(Cr)中任一或其合金結構。

根據本發明之上述目的，另提出一種紫外光發光二極體之製造方法。在此方法中，形成紫外光發光磊晶結構於透明基板上。形成紫外光發光磊晶結構包含形成N型半導體層於透明基板上，其中N型半導體層具有第一部分與第二部分；以及依序形成發光層、P型半導體層、以及P型接觸層於N型半導體層之第一部分上。形成N型半導體薄膜於N型半導體層之第二部分上且與發光層、P型半導體層及P型接觸層分隔開，其中N型半導體薄膜之能隙小於發光層之能隙。形成P型接點於P型接觸層上。形成N型接點於N型半導體薄膜上。

依據本發明之一實施例，上述形成N型半導體薄膜包含利用有機金屬化學氣相沉積(MOCVD)製程成長N型氮化鎵薄膜，N型氮化鎵薄膜之成長溫度為500℃至1000℃、以及成長壓力為30mbar至1000mbar，且N型氮化鎵薄膜之矽摻雜濃度大於1E18 l/cm³。

依據本發明之一實施例，上述方法更包含形成紫外光發光磊晶結構後，移除部分之紫外光發光磊晶結構，使N型半導體層、發光層、P型半導體層及P型接觸層部分露出，其中N型半導體層之露出部分即第二部分；形成絕緣保護層覆蓋N型半導體層、發光層、P型半導體層及P型接觸層之露出部分；移除部分之絕緣保護層，使N型半導體層之第二 部分露出；以及形成N型半導體薄膜於N型半導體層露出之第二部分上。

依據本發明之一實施例，上述絕緣保護層之材料包含氧化物或氮化物，氧化物為二氧化矽(SiO₂)或氧化鋁(Al₂O₃)，氮化物為氮化矽(SiN)或氮化鋁(AlN)。

100:紫外光發光二極體

110:透明基板

112:第一表面

114:第二表面

116:側表面

120:紫外光發光磊晶結構

121:N型半導體層

121a:第一部分

121b:第二部分

122:發光層

123:P型半導體層

124:P型接觸層

125:緩衝層

130:N型半導體薄膜

140:N型接點

150:P型接點

160:絕緣保護層

200:透明基板

202:第一表面

204:第二表面

210:空腔

212:第一傾斜面

214:第二傾斜面

216:底面

θ 1:第一角度

θ 2:第二角度

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：

〔圖1〕係依照本發明之一實施方式的一種UV LED的剖面示意圖；

〔圖2A〕至〔圖2D〕係依照本發明之一實施方式的一種UV LED的製程剖面示意圖；以及

〔圖3〕係依照本發明之一實施方式的一種透明基板之剖面示意圖。

請參照圖1，依照本發明之一實施方式的一種UV LED的剖面示意圖。紫外光發光二極體100可發出紫外光，其波長落在100nm至400nm的範圍。舉例而言，紫外光發光二極體100可為發光波長為320nm至400nm的UVA發光二極體、發光波長為280nm至320nm的UVB發光二極體、或發光波長為100nm至280nm的UVC發光二 極體。紫外光發光二極體100主要可包含透明基板110、紫外光發光磊晶結構120、N型半導體薄膜130、N型接點140、以及P型接點150。

透明基板110包含第一表面112、第二表面114、以及數個側表面116，其中第一表面112與第二表面114分別位於透明基板110之相對二側，側表面116則環設在第一表面112與第二表面114之間。透明基板110之材料可例如為藍寶石、氮化鋁、或碳化矽。

如圖1所示，紫外光發光磊晶結構120設於透明基板110之第一表面112上。在一些實施例中，紫外光發光磊晶結構120主要包含N型半導體層121、發光層122、P型半導體層123、以及P型接觸層124。N型半導體層121設於透明基板110之第一表面112上，且包含第一部分121a與第二部分121b。紫外光發光磊晶結構120更可選擇性地包含緩衝層125設於透明基板110與N型半導體層121之間，以利N型半導體層121之磊晶成長。發光層122位於N型半導體層121之第一部分121a上。發光層122可發出紫外光。在一些實施例中，發光層122可包含多重量子井結構(MQW)。P型半導體層123位於發光層122上，而發光層122夾設在P型半導體層123與N型半導體層121之第一部分121a之間。P型接觸層124設於P型半導體層123上。

舉例而言，N型半導體層121之材料可包含N型氮化鋁鎵(Al_yGa_1-yN)，發光層122之材料可包含氮化鋁鎵(Al_zGa_1-zN)，P型半導體層123之材料可包含P型氮化鋁 鎵(AlGaN)，P型接觸層124之材料可包含P型氮化鎵(GaN)，緩衝層125之材料可包含氮化鋁(AlN)。在紫外光發光二極體100為覆晶式(flip chip type)UVB LED或UVC LED，N型半導體層121之N型氮化鋁鎵(Al_yGa_1-yN)中的鋁含量通常高於發光層122之氮化鋁鎵(Al_zGa_1-zN)的鋁含量，即y>z。在一些實施例中，紫外光發光磊晶結構120亦可包含超晶格結構(未繪示)，其中超晶格結構位於緩衝層125與N型半導體層121之間。

請繼續參照圖1，N型半導體薄膜130設於N型半導體層121之第二部分121b上且與發光層122、P型半導體層123、及P型接觸層124分隔開。N型半導體薄膜130之厚度可例如為1nm至1000nm。N型半導體薄膜130之能隙小於發光層122之能隙，而發光層122之能隙小於N型半導體層121之能隙。在一些實施例中，N型半導體薄膜130為N型氮化鎵薄膜。舉例而言，N型半導體層121、發光層122、以及P型半導體層123均包含氮化鋁鎵，構成N型半導體薄膜130之N型氮化鎵薄膜更可包含鋁，且此N型氮化鎵薄膜之鋁的含量組成小於發光層122之氮化鋁鎵之鋁的含量組成。在另一些實施例中，N型半導體薄膜130之材料包含氮化鋁鎵，其具有化學式N-Al_xGa_1-xN，且0≦x<0.4。在又一些實施例中，N型半導體薄膜130之組成包含氮化鎵與氮化鎵銦。

N型接點140設於N型半導體薄膜130上。舉例而言，N型接點140可包含鈦、鎳、鋁、鈀、銠、鉑、金、鉻 中任一或其合金結構。在一些示範例子中，N型接點140可為鈦/鋁/鈦/金堆疊結構、鉻/鉑/金堆疊結構、或鉻/鋁/鈦/金堆疊結構，其中金薄膜在這些堆疊結構中位於頂部。P型接點150則設於部分之P型接觸層124上。P型接觸層124之材料可為金屬。N型接觸層140與P型接觸層150又可分別稱為N型接觸金屬層與P型接觸金屬層。

透過先於N型半導體層121露出之第二部分121b上成長能隙小於發光層122的N型半導體薄膜130，可在N型半導體薄膜130上形成具有良好歐姆接觸且電阻低之N型接觸層140。

請參照圖2A至圖2D，依照本發明之一實施方式的一種UV LED的製程剖面示意圖。製作如圖1之紫外光發光二極體100時，可先提供透明基板110，再利用例如有機金屬化學氣相沉積製程形成紫外光發光磊晶結構120於透明基板110的第一表面112上。舉例而言，如圖2A所示，形成紫外光發光磊晶結構120包含於透明基板110之第一表面112上形成緩衝層125，再於緩衝層125上成長N型半導體層121，接下來於N型半導體層121上成長發光層121，接著於發光層121上成長P型半導體層123，隨後於P型半導體層123上成長P型接觸層124。

如圖2B所示，形成紫外光發光磊晶結構120後，可利用例如微影與蝕刻製程移除紫外光發光磊晶結構120之N型半導體層121、發光層122、P型半導體層123、及P型接觸層124的一部分，而暴露出部分之N型半導體層 121、發光層122、P型半導體層123、及P型接觸層124，其中N型半導體層121之露出部分即N型半導體層121之第二部分121b。即，移除N型半導體層121之第二部分121b上的N型半導體層121、發光層122、P型半導體層123、及P型接觸層124，而留下N型半導體層121之第一部分121a上的N型半導體層121、發光層122、P型半導體層123、及P型接觸層124。

接著，請繼續參照圖2B，可利用例如電漿增益化學氣相沉積(PECVD)製程形成絕緣保護層160覆蓋N型半導體層121、發光層122、P型半導體層123、及P型接觸層124的露出部分。舉例而言，絕緣保護層160之材料可包含氧化物或氮化物，其中氧化物可為二氧化矽或氧化鋁，氮化物可為氮化矽或氮化鋁。接下來，利用例如微影與蝕刻製程移除部分之絕緣保護層160，以暴露出部分之N型半導體層121的第二部分121b，並完成對非要成長N型半導體薄膜130之區域的適當保護。

隨後，如圖2C所示，形成N型半導體薄膜130於N型半導體層121之暴露出的第二部分121b上。在絕緣保護層160的保護與隔離下，所形成之N型半導體薄膜130與發光層122、P型半導體層123、及P型接觸層124分隔開。N型半導體薄膜130的能隙小於發光層122的能隙。在一些示範例子中，N型半導體薄膜130之組成可包含氮化鎵、具鋁含量組成小於發光層122之氮化鋁鎵之鋁含量組成的氮 化鋁鎵、或氮化鎵與銦。舉例而言，N型半導體薄膜130之材料具有化學式N-Al_xGa_1-xN，且0≦x<0.4。

可採用有機金屬化學氣相沉積製程、其他化學氣相沉積製程、氫化物氣相磊晶(HVPE)製程、或濺鍍(sputtering)製程來成長N型半導體薄膜130。此外，N型半導體薄膜130之摻質可包含矽、鍺(Ge)、與氧(O)。在一些示範例子中，形成N型半導體薄膜130時包含利用有機金屬化學氣相沉積製程成長N型氮化鎵薄膜，此N型氮化鎵薄膜之成長溫度控制在500℃至1000℃、以及成長壓力控制在30mbar至1000mbar，且使N型氮化鎵薄膜之矽摻雜濃度大於1E18 l/cm³。

完成N型半導體薄膜130後，可先利用例如蝕刻製程移除絕緣保護層160。接著，如圖2D所示，可利用例如蒸鍍製程形成N型接點140於N型半導體薄膜130上。並同樣可利用例如蒸鍍製程形成P型接點150於P型接觸層124上，而大致完成紫外光發光二極體100的製作。

運用上述實施方式可在N型半導體薄膜130上形成具有良好歐姆接觸與電阻低之N型接觸層140，且於N型接觸層140形成後無需再進行合金化處理或僅需低溫合金處理，例如小於500℃。因此，可避免合金化處理的溫度影響P型半導體層123與P型接觸層124的品質。

請參照圖3，依照本發明之一實施方式的一種透明基板之剖面示意圖。此透明基板200可取代上述實施方式之透明基板110。透明基板200之材料可例如為藍寶石、氮 化鋁、或碳化矽。透明基板200具有彼此相對之第一表面202與第二表面204。紫外光發光磊晶結構120可在透明基板200之第一表面202上成長。透明基板200之第一表面202設有數個空腔210。

如圖3所示，這些空腔210可彼此隔開，且以一預設間距規則排列，即週期性排列。此預設間距可例如為約0.5μm至約5μm。在一些實施例中，每個空腔520包含依序鄰接之第一傾斜面212、第二傾斜面214、與底面216。第一傾斜面212相對於底面216傾斜第一角度θ 1，第二傾斜面214相對於底面216傾斜第二角度θ 2，其中第一角度θ 1不同於第二角度θ 2。在一些示範例子中，第一角度θ 1小於第二角度θ 2。舉例而言，第一角度θ 1可為約30度至約90度，第二角度θ 2可為約75度至約90度。

本實施方式之透明基板的空腔可不限於包含二傾斜表面，每個空腔亦可設計成包含三個或更多之傾斜面。藉由在透明基板200之第一表面202上設置規則排列之空腔210，可提升在第一表面202成長之紫外光發光磊晶結構120的品質，提高紫外光發光磊晶結構120良率，節省成本。

請繼續參照圖1，在一些實施例中，可於紫外光發光二極體100之透明基板110之第二表面114設置透明結構，其中此透明結構之折射率介於透明基板之折射率與空氣之折射率之間。藉由透明結構的設置可提高光在UV LED內部的折射量，進而可增加UV LED的出光量。透明結構可為單層結構或多層薄膜堆疊而成的結構。單層的透 明結構可具有單一折射率，或可具有折射率由透明基板110之第二表面114朝透明結構之與第二表面114相對之表面的方向遞減的漸變折射率。在多層薄膜堆疊之透明結構中，這些薄膜可依產生的光的條件，而有多種膜厚與折射率的搭配組合。

在另一些實施例中，透明基板110之第二表面114可設置數個立體結構，以破壞光在UV LED內部的全反射面，進而可增加UV LED之光取出率。

在又一些實施例中，可利用隱形切割在透明基板110之側表面116形成數個縱向排列之隱切刀痕，以增加透明基板110之側表面116的粗糙度，藉此可提高UV LED之側向光取出率。

於再一些實施例中，可增加透明基板之厚度，藉以使UV LED之高度大於其長度及/或寬度，來增加UV LED之側向出光面積，進而可提高UV LED之整體出光量。

由上述之實施方式可知，本發明之一優點就是因為本發明在紫外光發光磊晶結構之N型半導體層的暴露部分上先成長能隙小於發光層的N型半導體薄膜，藉此可在N型半導體薄膜上形成具有良好歐姆接觸且較低電阻的N型接觸。

由上述之實施方式可知，本發明之另一優點就是因為本發明之UV LED的N型接觸形成後可無需再進行合金化處理或僅需低溫合金處理，因此可避免合金化處理的高溫影響P型半導體層與P型接觸層的品質。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何在此技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當以申請專利範圍所界定者為準。

100:紫外光發光二極體

110:透明基板

112:第一表面

114:第二表面

116:側表面

120:紫外光發光磊晶結構

121:N型半導體層

121a:第一部分

121b:第二部分

122:發光層

123:P型半導體層

124:P型接觸層

125:緩衝層

130:N型半導體薄膜

140:N型接點

150:P型接點

Claims (14)

1. 一種紫外光發光二極體，包含：一透明基板；一紫外光發光磊晶結構，包含：一N型半導體層，設於該透明基板上，其中該N型半導體層具有一第一部分與一第二部分；以及一發光層、一P型半導體層、以及一P型接觸層，依序疊設於該N型半導體層之該第一部分上；一N型半導體薄膜，設於該N型半導體層之該第二部分上且與該紫外光發光磊晶結構之側壁分隔開，其中該N型半導體薄膜之能隙小於該發光層之能隙；一P型接點，設於該P型接觸層上；以及一N型接點，設於該N型半導體薄膜上。
2. 如請求項1所述之紫外光發光二極體，其中該N型半導體層、該發光層、該P型半導體層、以及該N型半導體薄膜均包含氮化鋁鎵，且該N型半導體薄膜之鋁的含量組成小於該發光層之鋁的含量組成。
3. 如請求項1所述之紫外光發光二極體，其中該N型半導體薄膜具有化學式Al_xGa_1-xN，0≦x<0.4。
4. 如請求項1所述之紫外光發光二極體，其中 該N型半導體薄膜之組成包含氮化鎵與氮化鎵銦。
5. 如請求項1所述之紫外光發光二極體，其中該N型半導體薄膜之厚度為1nm至1000nm。
6. 如請求項1所述之紫外光發光二極體，其中該N型接點包含鈦(Ti)、鎳(Ni)、鋁(Al)、鈀(Pd)、銠(Rh)、鉑(Pt)、金(Au)、鉻(Cr)中任一或其合金結構。
7. 一種紫外光發光二極體之製造方法，包含：形成一紫外光發光磊晶結構於一透明基板上，其中形成該紫外光發光磊晶結構包含：形成一N型半導體層於該透明基板上，其中該N型半導體層具有一第一部分與一第二部分；以及依序形成一發光層、一P型半導體層、以及一P型接觸層於該N型半導體層之該第一部分上；形成一N型半導體薄膜於該N型半導體層之該第二部分上且與該發光層、該P型半導體層及該P型接觸層分隔開，其中該N型半導體薄膜之能隙小於該發光層之能隙；形成一P型接點於該P型接觸層上；以及形成一N型接點於該N型半導體薄膜上。
8. 如請求項7所述之方法，其中該N型半導體層、該發光層、該P型半導體層、以及該N型半導體薄膜均包含氮化鋁鎵，且該N型半導體薄膜之鋁的含量組成小於該發光層之鋁的含量組成。
9. 如請求項7所述之方法，其中該N型半導體薄膜之組成包含氮化鎵與氮化鎵銦。
10. 如請求項7所述之方法，其中形成該N型半導體薄膜包含利用一有機金屬化學氣相沉積製程成長一N型氮化鎵薄膜，該N型氮化鎵薄膜之成長溫度為500℃至1000℃、以及成長壓力為30mbar至1000mbar，且該N型氮化鎵薄膜之矽摻雜濃度大於1E18 1/cm³。
11. 如請求項7所述之方法，其中該N型半導體薄膜之厚度為1nm至1000nm。
12. 如請求項7所述之方法，其中該方法更包含：形成該紫外光發光磊晶結構後，移除部分之該紫外光發光磊晶結構，使該N型半導體層、該發光層、該P型半導體層及該P型接觸層部分露出，其中該N型半導體層之該露出部分即該第二部分；形成一絕緣保護層覆蓋該N型半導體層、該發光層、 該P型半導體層及該P型接觸層之該些露出部分；移除部分之該絕緣保護層，使該N型半導體層之該第二部分露出；以及形成該N型半導體薄膜於該N型半導體層露出之該第二部分上。
13. 如請求項12所述之方法，其中該絕緣保護層之材料包含氧化物或氮化物，該氧化物為二氧化矽(SiO₂)或氧化鋁(Al₂O₃)，該氮化物為氮化矽(SiN)或氮化鋁(AlN)。
14. 如請求項7所述之方法，其中該N型接點包含鈦(Ti)、鎳(Ni)、鋁(Al)、鈀(Pd)、銠(Rh)、鉑(Pt)、金(Au)、鉻(Cr)中之任一或其合金結構。

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