專利名稱：具有凹坑層的發(fā)光二極管裝置及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體裝置與制造方法。本發(fā)明尤其涉及使用凹坑層的半導(dǎo)體裝置與方法。作為例示而非限制，本發(fā)明的實(shí)施例以發(fā)光二極管裝置為例，但本發(fā)明實(shí)施例可有更廣泛的應(yīng)用范圍。
背景技術(shù)：
發(fā)光二極管(light-emitting diode, LED)已被廣泛地作為光源。當(dāng)正偏壓施加于發(fā)光二極管，其內(nèi)的電子與電洞結(jié)合而發(fā)光；發(fā)光的顏色與能隙相關(guān)。相較于白熾光源， 發(fā)光二極管作為光源更具有許多優(yōu)點(diǎn)。圖1顯示一傳統(tǒng)發(fā)光二極管裝置1100的簡(jiǎn)化圖。發(fā)光二極管裝置100具有基材 1102、N型層1110、活性層1125，以及P型層1130。此外，接觸區(qū)域1115與接觸區(qū)域1135 分別形成在N型層與1110與P型層1130上方并與之電性接觸。當(dāng)電壓被施加于接觸區(qū)域 1115與接觸區(qū)域1135時(shí)，N型層1110中的一些電子被注入活性層1125并與其中的電洞結(jié)合，而以光子的形式發(fā)光。通常，基材1102的材質(zhì)為藍(lán)寶石。此外，硅摻雜氮化鎵鋁(AlGaN)，或硅摻雜氮化鎵(GaN)作為N型層1110 ；鎂摻雜氮化鎵鋁，或鎂摻雜氮化鎵作為P型層1130?；钚詫?125 可包含以至少一個(gè)氮化銦鎵/氮化鎵超結(jié)晶形成的單一量子井或多重量子井。在某些情況，可在一基板上，例如一絕緣或一高阻抗基板，例如藍(lán)寶石、碳化硅、三族-氮(例如氮化鎵或氮化鋁)基板上，以串聯(lián)或并聯(lián)的方式，形成一發(fā)光二極管數(shù)組。通常數(shù)組中的發(fā)光二極管裝置之間，可以溝渠隔開，再沉積互聯(lián)機(jī)(interconnect)電性連接彼此。例如，可先沉積一絕緣層于發(fā)光二極管數(shù)組，接著圖案化該絕緣層，使得移除N型層與P型層上方的絕緣層，留下溝渠以及與N型層與P型層之間側(cè)壁上的絕緣層。絕緣層的使用可改善個(gè)別發(fā)光二極管裝置的電絕緣性?，F(xiàn)有的發(fā)光二極管其發(fā)光效率有限，因此有需要提出一種可改善效率的發(fā)光結(jié)構(gòu)與制造方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是關(guān)于半導(dǎo)體裝置與制造方法。本發(fā)明尤其提供使用凹坑層的半導(dǎo)體裝置與方法。作為例示而非限制，本發(fā)明的實(shí)施例以發(fā)光二極管裝置為例，但本發(fā)明實(shí)施例可有更廣泛的應(yīng)用范圍。本發(fā)明一實(shí)施例提供一種發(fā)光二極管裝置，其包含一具有第一表面與第一厚度的 N型層，并且該第一表面上具有一凹坑層(pitted layer)。該凹坑層具有第二表面以及第二厚度，厚度范圍從500 A至3000A。此外，一具有介于10 A至20A之間的第三厚度的活性層位于第二表面上，并且一 P型層位于活性層上。該N型層在第一表面具有一缺陷密度，范圍從！父川^！^至！父川1、!!!—2。凹坑層具有許多凹坑，在第二表面上凹坑的尺寸大約 % 500 AM 3000A之間。
本發(fā)明另一實(shí)施例提供一種發(fā)光二極管裝置，其包含一具有第一表面與第一厚度的N型層，并且該第一表面上具有第一凹坑層。該第一凹坑層具有第二表面以及第二厚度， 厚度范圍從500 A至3000 A。此外，一具有介于10 A至20 A之間的第三厚度的第一活性層位于第二表面上，第一 P型層位于第一活性層上，一穿隧層位于第一 P型層上，并且第二凹坑層位于穿隧層上。該第二凹坑層具有第三表面以及第四厚度，厚度范圍從500 A 至3000A。此外，該LED裝置還包含位于第三表面上的第二活性層，第二活性層具有第五厚度，其范圍介于10 A至20A之間。此外，該LED裝置還包含位于第二活性層上的第二 P型層。所述N型層在第一表面具有一缺陷密度，范圍從IX IO9CnT2至IX KTcnT2。第一凹坑層具有許多第一凹坑，每一個(gè)第一凹坑在第二表面上具有第一凹坑尺寸，其值大約介于 500 A至3000A之間。第二凹坑層具有許多第二凹坑，每一個(gè)第二凹坑在第三表面上具有第二凹坑尺寸，其值大約介于500 A至3000A之間。本發(fā)明另一實(shí)施例提供一種發(fā)光二極管裝置的制造方法，其包含下列步驟沉積一具有第一表面與第一厚度的N型層；沉積第一凹坑層于第一表面，該第一凹坑層具有第二表面以及第二厚度，厚度范圍從500 A至3000A;在第二表面上形成一具有介于IOA 至20A之間的第三厚度的第一活性層；在第一活性層上形成第一P型層。該N型層在第一表面具有一缺陷密度，范圍從1X IO9CnT2至1X KTcnT2。第一凹坑層具有許多第一凹坑，每一個(gè)第一凹坑在第二表面上具有第一凹坑尺寸，其值大約介于500 A至3000A之間。本發(fā)明相較于現(xiàn)有技術(shù)具有許多優(yōu)點(diǎn)。例如，本發(fā)明實(shí)施例提供相較現(xiàn)有技術(shù)更簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，更低成本的工藝，或具有更高效率的LED結(jié)構(gòu)。


圖1顯示一傳統(tǒng)發(fā)光二極管裝置的簡(jiǎn)化圖。圖2顯示根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的氮化鎵(GaN)發(fā)光二極管(LED)裝置。圖3顯示硅摻雜氮化鎵層的厚度與缺陷密度的關(guān)系。圖4顯示厚度與凹坑尺寸的關(guān)系圖。圖5(A)、(B)、(C)顯示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例凹坑層的凹坑的各種形狀。圖6(A)、⑶、(C)顯示在凹坑層上，以不同沉積時(shí)間形成活性層。圖7(A)、(B)顯示活性層與凹坑層的凹坑密度的關(guān)系。圖8顯示根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的一種發(fā)光芯片。圖9顯示根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的LED結(jié)構(gòu)。主要組件符號(hào)說明100 發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)110 基材120 成核層130 N 型 GaN 層132 表面140 凹坑層142 表面150 活性層
160InAlGaN 層170P 型層600芯片625基板635金屬線642共同陰極645共同陽極800發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)810基材820成核層830N 型 GaN 層840凹坑層850活性層860InAlGaN 層870P 型層880InGaN 層890GaN 層940凹坑層950 活性層960 InAlGaN 層970P 型層1100 發(fā)光二極管裝置1102基材1110N 型層1115接觸區(qū)域1125 活性層1130P 型層1135接觸區(qū)域
具體實(shí)施例方式本發(fā)明關(guān)于半導(dǎo)體裝置與制造方法。本發(fā)明尤其提供利用凹坑層的半導(dǎo)體裝置與方法。作為例示而非限制，本發(fā)明的實(shí)施例以發(fā)光二極管裝置為例，但本發(fā)明實(shí)施例可有更廣泛的應(yīng)用范圍。圖2顯示根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的氮化鎵(GaN)發(fā)光二極管(LED)結(jié)構(gòu)。本領(lǐng)域技術(shù)人員可根據(jù)本實(shí)施例做各種變更、替換或修改，而這些變更、替換或修改均屬于本發(fā)明的范疇。參見圖2，氮化鎵LED結(jié)構(gòu)100包含基材110、成核層(nucleation layer) 120、N型GaN 層130、凹坑層140、活性層150、氮化鋁銦鎵anxAlyfeizN)層160、P型層170。在一實(shí)施例， 氮化鋁銦鎵層的各元素符合下列條件x+y+z = 1，0<乂<1，0<7<1，以及0<2<1。 在另一實(shí)施例，活性層150的能隙(bandgap)小于凹坑層140以及氮化鋁銦鎵層160的能隙。在另一實(shí)施例，活性層150是一量子井層(quantum well layer)，其與凹坑層140以及氮化鋁銦鎵層160形成一量子井(quantum well)。在一范例，基材110是C-plane藍(lán)寶石基材或A-plane藍(lán)寶石基材。在另一范例中，基材110是碳化硅基材或一硅基材。在另一范例中，基材110是一圓形藍(lán)寶石基材，具有一稍微傾斜角度以及約2至4英寸的直徑。在一范例中，成核層120形成在基材110上。例如，在溫度約400°C至400°C的范圍下，將金屬-有機(jī)源與氨氣(NH3)導(dǎo)入一壓力低于一大氣壓或介于IOOtorr至500torr的處理腔，以便沉積成核層120于基材110上。在另一范例，由于低溫沉積的成核層120其晶格為非結(jié)晶(amorphous)和/或多晶(polycrystalline)，因此，在沉積成核層120后，以溫度1000°C至1100°C的范圍，例如1050°C，且在氨氣下，執(zhí)行一回火程序以結(jié)晶成核層120。 在另一范例中，如果基材110是C-plane藍(lán)寶石基材或A-plane藍(lán)寶石基材，則成核層120 包含厚度介于200A至400A之間的氮化鎵、氮化鋁(AlN)、和/或氮化鋁鎵(AWaN)。在另一范例，如果基材110是碳化硅基材或硅基材，則成核層120包含厚度多達(dá)數(shù)千埃(A)的氮化鋁或氮化鋁鎵。在一范例中，硅摻雜的N型氮化鎵層130沉積在成核層120上。例如，可在一有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積(MOCVD)腔內(nèi)，以一 TMG(Ge(CH3)4)或TEG(Ge (C2H5)4)氣體，以及一摻雜氣體，例如硅烷(silane)，在高于1000°C的溫度，例如1050°C下，進(jìn)行沉積程序。在一范例中，硅摻雜的氮化鎵層130其電子濃度大約介于5X1018cm_3至IXlO19cnT3之間。在另一范例中，氮化鎵層130在表面132的缺陷密度大約介于5 X IO9CnT2-IX IOiciCnT2之間。此處仍再次強(qiáng)調(diào)，圖2的結(jié)構(gòu)僅為例示，而非限制。在一實(shí)施例中，在形成硅摻雜氮化鎵層130前，先沉積一層薄的、厚度約0.5μπι至Iym的未摻雜氮化鎵層(未圖示)于成核層120上。圖3顯示硅摻雜氮化鎵層的厚度與缺陷密度的關(guān)系。硅摻雜氮化鎵層是形成在成核層120上。在一實(shí)施例中，基材110是藍(lán)寶石基材，而成核層120是厚度范圍約200Α至 400Α的氮化鎵。由于氮化鎵與藍(lán)寶石的晶格差異大，使得兩者界面具有缺陷，例如螺旋差排(threading dislocation)且缺陷沿者沉積長(zhǎng)晶的方向分布。如圖3所示，隨者硅摻雜氮化鎵層的厚度增加，缺陷密度逐漸減少。例如，在厚度 1 μ m處的缺陷密度約1 X IOiciCnT2,在厚度2 μ m處的缺陷密度約5 X 109cm_2，在厚度3 μ m處的缺陷密度約1父109(^_2，在厚度411111處的缺陷密度約5X108cm_2。在本實(shí)施例，硅摻雜氮化鎵層是作為N型氮化鎵層130。在一范例中，N型氮化鎵層130的厚度大約是1 μ m至2 μ m。 在一范例中，硅摻雜氮化鎵層130在表面132的缺陷密度大約介于SxiO9cnT2-IxiO1c1cnT2 之間。請(qǐng)?jiān)賲⒖紙D2，在N型氮化鎵層130形成后，在其上方形成凹坑層140。在一范例中，以大約600°C至800°C的溫度條件沉積凹坑層140。在另一范例，凹坑層140的電子濃度低于lX1018cm_3。在另一范例中，凹坑層140的厚度大約介于500A至3000A或介于 5 00A 至 1000A之間。在本實(shí)施例中，凹坑層140可以是氮化鎵層、氮化銦鎵層，或氮化銦鎵/氮化鎵超結(jié)晶層。在一范例中，沉積凹坑層140時(shí)，以TMG氣體或TEG氣體作為沉積鎵的氣體源，NH3 氣體作為沉積氮的氣體源，且如有需要，可以TMI氣體作為沉積銦的氣體源。
在本實(shí)施例，“凹坑”指的是凹坑層140的表面142具有某種程度的凹坑。在一范例中，凹坑是由沿者表面132成長(zhǎng)的氮化鎵層130的錯(cuò)位缺陷(dislocation)所形成。在另一范例中，以溫度600°C至800°C的條件沉積氮化鎵或氮化銦鎵以形成凹坑層140時(shí)，形成某些“低沉積速率”的平面。而這些低沉積速率平面共享一特定錯(cuò)位的原點(diǎn)，并傾斜于正常的長(zhǎng)晶方向，造成六倍對(duì)稱六角形的凹坑(Pit)。在另一范例中，凹坑層140在表面142 的凹坑密度，隨著在表面132的缺陷(例如錯(cuò)位缺陷)密度，亦即，隨著氮化鎵層130與凹坑層140接口間的缺陷密度增加而增加。圖4顯示厚度與凹坑尺寸的關(guān)系圖。在本實(shí)施例，若凹坑原點(diǎn)相同，則隨者凹坑層 140厚度增加，凹坑尺寸也增加。此處“凹坑尺寸”定義為凹坑的開口在具有最大截面積處的尺寸。在一范例中，如果凹坑的原點(diǎn)從凹坑層140的底部開始，則當(dāng)凹坑層140的厚度為500A時(shí)，凹坑尺寸約為500A，當(dāng)層厚度為1000A時(shí)凹坑尺寸約為1000A，當(dāng)層厚度為1500A時(shí)凹坑尺寸約為1500A，當(dāng)層厚度為2000A時(shí)凹坑尺寸約為2000A。在另一范例，若凹坑的原點(diǎn)高于凹坑層140的底部，則其凹坑尺寸會(huì)小于凹坑原點(diǎn)位在凹坑層140 底部之凹坑的尺寸。在一實(shí)施例中，凹坑層140的厚度大約為500A至3000A或500 A 至1000 A，且凹坑在表面140處的尺寸分別約為500 A至3000A或500 A至1000A。圖5 (A)、⑶、(C)顯示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例凹坑層140的凹坑的各種形狀。這些形狀僅作為例示，而非限制。本領(lǐng)域技術(shù)人員可據(jù)以做各種變化或修改，而這些變化或修改均屬于本發(fā)明的范圍。參見圖5(A)，凹坑層140的一凹坑其形狀為六角形，具有六個(gè)平面匯集于表面142 下方的同一點(diǎn)。參見圖5(B)，凹坑層140的一凹坑具有一不規(guī)則部分與一六角形部分，該六角形部分具有數(shù)量小于六的平面，且此些平面匯集于表面142下方的同一點(diǎn)。參見圖5(C)， 凹坑層140的一凹坑具有某些結(jié)晶形的平面。再回到圖2?；钚詫?50形成于凹坑層140上方。在一實(shí)施例，活性層150具有凹坑層140相近的能隙。在另一實(shí)施例，活性層150包含氮化銦鎵(InGaN)。在另一實(shí)施例， 活性層150的厚度大約為10A至20A，例如15A。在另一實(shí)施例，活性層150可未摻雜，或輕摻雜成N型或P型。在一范例，活性層150包含氮化銦鎵且是利用TMG (或TEG)、TMI與NH3作為氣體源于MOCVD腔內(nèi)沉積而成。在另一范例中，沉積的溫度大約為600°C至800°C。根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例，LED結(jié)構(gòu)發(fā)藍(lán)光，而沉積溫度大約為720°C、沉積壓力大約為200torr至350torr。 根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例，LED結(jié)構(gòu)發(fā)綠光，而沉積溫度大約為30°C至50°C、沉積壓力大約為200torr至350torr。根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例，活性層150的沉積時(shí)間大約為Msec至 120sec，依據(jù)不同長(zhǎng)晶速度而異。圖6(A)、⑶、(C)顯示在凹坑層上，以不同沉積時(shí)間形成活性層。在一實(shí)施例中， 如圖6(A) (B) (C)所示，氮化銦鎵(InGaN)傾向成長(zhǎng)于凹坑層的凹坑外處。在另一實(shí)施例中，如圖6(A) (B) (C)所示，隨著沉積時(shí)間不同，活性層具有不同性質(zhì)。如圖6(A)，在一成長(zhǎng)速度下，若沉積時(shí)間較短，則形成較薄、較小的島狀氮化銦鎵。如圖6(B)，若沉積時(shí)間較長(zhǎng)， 則形成較厚、較大的島狀氮化銦鎵，但由于較大應(yīng)力，導(dǎo)致活性層150質(zhì)量較差。如圖6(C)， 當(dāng)沉積時(shí)間更長(zhǎng)，則形成更厚、表面劣化但尺寸未大出太多的島狀氮化銦鎵，且由于應(yīng)力更大，導(dǎo)致銦與鎵相分離、活性層150品質(zhì)更差。在圖2實(shí)施例中，活性層150是以圖6(A)的方法參數(shù)形成。在一范例中，活性層150的沉積時(shí)間大約為Msec至120sec，取決于成長(zhǎng)速度。圖7(A)、(B)顯示活性層與凹坑層的凹坑密度的關(guān)系。在相同比較條件-沉積時(shí)間、成長(zhǎng)速度-如圖7 (A)，當(dāng)凹坑層上方的凹坑密度較低時(shí)，形成較厚、較大的島狀氮化銦鎵，且由于應(yīng)力較大，導(dǎo)致形成的活性層質(zhì)量較差；如圖7 (B)，當(dāng)凹坑層上方的凹坑密度較高時(shí)，形成較薄、較小的島狀氮化銦鎵，且由于應(yīng)力較小，導(dǎo)致形成的活性層質(zhì)量較佳。根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例，圖2中的凹坑層140是以圖4及圖7(B)的方法形成。在另一實(shí)施例中，凹坑層140的凹坑密度大約為IX IO9CnT2至3 X IOiciCnT2,凹坑尺寸在表面142 處約為500A至3000A，取決于凹坑層140的厚度?；氐綀D2。如前所述，凹坑層140與活性層150可以圖4、6㈧與6 (B)的方式形成。在另一實(shí)施例中，以復(fù)合層GaN/InGaN作為活性層，以形成一多重量子井結(jié)構(gòu)。例如， 多重量子井可具有兩個(gè)或多個(gè)量子井，其中每一個(gè)量子井利用一氮化銦鎵層作為活性層， 再以一個(gè)或多個(gè)氮化鎵層作為井障層(barrier layer)來分開氮化銦鎵層。在一范例中， 作為活性層的氮化銦鎵層其厚度大約為10 A至20A，例如15 A。在另一范例中，作為井障層的氮化鎵層其厚度大約為30 A至200 A。在另一范例中，一些銦被加于作為井障層的氮化鎵層內(nèi)，但氮化鎵層的能隙仍大于氮化銦鎵層的能隙。在另一范例中，多重量子井結(jié)構(gòu)可以是未摻雜或輕摻雜成N型或P型。根據(jù)本發(fā)明一些實(shí)施例，首先形成的數(shù)個(gè)硅摻雜氮化鎵/氮化銦鎵雙層結(jié)構(gòu)，摻雜電子濃度為5X IO17Cm-3,且至少兩個(gè)氮化鎵/氮化銦鎵雙層結(jié)構(gòu)未摻雜。回到圖2，氮化鋁銦鎵(InxAlyGiizN)層160被形成于活性層150上方。在一范例中，活性層150的能隙小于160的能隙。在另一范例中，氮化鋁銦鎵層的各元素符合下列條件x+y+z = 1，0彡χ彡1，0彡y彡1，以及0彡ζ彡1。在另一范例中，氮化鋁銦鎵層160的厚度介于200 A至1000 A之間。在另一范例中，氮化鋁銦鎵層160摻雜鎂成為P型。在另一范例中，氮化鋁銦鎵層160是利用MOCVD沉積腔形成。在一范例中，以TMG 氣體和/或TEG氣體作為沉積鎵的氣體源，TMI氣體作為沉積銦的氣體源，TMA氣體作為沉積鋁的氣體源，NH3氣體作為沉積氮的氣體源。在另一范例中，沉積溫度大約為900°C至 950°C。在另一范例，沉積壓力大約為50torr至200torr。此外，P型層170形成于氮化鋁銦鎵層160上方。在一范例中，P型層170包含氮化鎵或氮化銦鎵，且重?fù)诫s鎂。在另一范例中，P型層170的厚度介于10 A至100 A之間。 在另一范例中，沉積P型層的溫度介于800°C至930°C。在另一范例，P型層170是用于與一外部電極歐姆接觸。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，氮化鎵LED結(jié)構(gòu)100的內(nèi)部量子效率取決于電流密度，且在某個(gè)特定電流密度，效率達(dá)到最大。在一范例中，內(nèi)部量子效率是活性層150所產(chǎn)生光子數(shù)量與注入活性層150電子數(shù)量的比值。在另一范例中，內(nèi)部量子效率的最大值大約為60%至 95%、75%至 95%，或 85%至 95%。以上圖2所示結(jié)構(gòu)僅作為例示，而非限制。本領(lǐng)域技術(shù)人員可據(jù)以做各種變更、替換或修改，而這些變更、替換或修改均屬于本發(fā)明的范圍。在本發(fā)明一實(shí)施例，基材110是一硅基材，例如直徑2至12英寸的(111)硅基材。在另一實(shí)施例，在N型氮化鎵層130沉積之前，先沉積一氮化鋁(AlN)層或一高鋁含量的氮化鋁鎵層于硅基材上。在一范例中，沉積氮化鋁層或高鋁含量的氮化鋁鎵層，是利用MOCVD沉積腔，以 TMA、TMG，和/或NH3作為氣體源，在溫度700°C至900°C、壓力50torr至250torr下沉積形成。在另一范例中，氮化鋁層或高鋁含量的氮化鋁鎵層的厚度約為500 A。在另一范例中， 一具有可變鎵與可變鋁含量分層結(jié)構(gòu)的氮化鋁鎵層取代前述的氮化鋁層或高鋁含量的氮化鋁鎵層，且其上表面為氮化鎵表面，并在氮化鎵表面形成N型氮化鎵層130。在另一范例中，承上述結(jié)構(gòu)，一凹坑層140形成于N型氮化鎵層130上方。之后， 活性層150、^/1,(^#層160、P型層170依序形成。接著，在一范例中，由于硅會(huì)吸收藍(lán)光或綠光，可進(jìn)行一程序移除硅基材。在另一范例中，使P型層170結(jié)合另一層(例如另一基材)，接著移除成核層120與基材110。圖8顯示根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的一種發(fā)光芯片600。此發(fā)光芯片可包含許多前述的LED結(jié)構(gòu)。圖8僅作為例示，而非限制。本領(lǐng)域技術(shù)人員可據(jù)以做適當(dāng)變更、替換或修改，而這些變更、替換或修改均屬于本發(fā)明的范圍。如圖8所示，芯片600包含一基板625，其上形成許多LED結(jié)構(gòu)100，且LED結(jié)構(gòu)100 間以金屬線635連接，形成一六乘六數(shù)組。在一范例中，基板625可以是前述的基材110，直接在其上方形成LED結(jié)構(gòu)100的各層結(jié)構(gòu)。在另一范例中，LED結(jié)構(gòu)先形成于基材110，再轉(zhuǎn)移到基板625。在另一范例中，每一 LED結(jié)構(gòu)100的大小大約是250 μ m乘以600 μ m。在一實(shí)施例中，每一 LED結(jié)構(gòu)100以2mA與正電壓3V驅(qū)動(dòng)。在另一實(shí)施例，每行 (column)的六個(gè)LED結(jié)構(gòu)100為串聯(lián)電性連接，每列的六個(gè)LED結(jié)構(gòu)為并聯(lián)電性連接，一共同陰極642在數(shù)組的一邊，一共同陽極645在數(shù)組的另一邊。在另一實(shí)施例中，以12mA與正電壓18V、輸入功率216mW驅(qū)動(dòng)芯片100。在一范例中，利用增加LED結(jié)構(gòu)數(shù)量，或者放大LED結(jié)構(gòu)的尺寸，可得到更高輸出功率的芯片600。本發(fā)明一實(shí)施例的一芯片600包含一 20乘50的LED結(jié)構(gòu)數(shù)組，其輸入電壓60V、操作電流100mA，而其中每一 LED結(jié)構(gòu)的尺寸為250 μ m乘600 μ m。圖9顯示根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的LED結(jié)構(gòu)800。本領(lǐng)域技術(shù)人員可根據(jù)本實(shí)施例做各種變更、替換或修改，而這些變更、替換或修改均屬于本發(fā)明的范疇。參見圖9，氮化鎵 LED 結(jié)構(gòu) 800 包含基材 810、成核層(nucleation layer) 820、N 型 GaN 層 830、凹坑層 840、 活性層850、氮化鋁銦鎵anxAlyfeizN)層860、P型層870、氮化銦鎵(InGaN)層880、氮化鎵 (GaN)層890、凹坑層940、活性層950、氮化鋁銦鎵(InxAlyGEizN)層960、P型層970。在一范例中，氮化鋁銦鎵層860/960的各元素符合下列條件x+y+z = 1， 0彡χ彡1，0彡y彡1，以及0彡ζ彡1。在另一實(shí)施例中，活性層850的能隙小于凹坑層 840以及氮化鋁銦鎵層860的能隙。在另一實(shí)施例中，活性層850是一量子井層(quantum well layer)，其與凹坑層840以及氮化鋁銦鎵層860形成一量子井(quantum well)。在另一實(shí)施例中，活性層950的能隙小于凹坑層940以及氮化鋁銦鎵層960的能隙。在另一實(shí)施例中，活性層950是一量子井層(quantum well layer)，其與凹坑層940以及氮化鋁銦鎵層960形成一量子井(quantum well)。在一實(shí)施例中，基材810、成核層820、N型GaN層830、凹坑層840、活性層850、氮化鋁銦鎵anxAlyfeizN)層860、P型層870在本質(zhì)上分別相同于前述的基材110、成核層120、 N型GaN層130、凹坑層140、活性層150、氮化鋁銦鎵anxAlyfeizN)層160、P型層170。在另一實(shí)施例中，凹坑層940、活性層950、氮化鋁銦鎵(InxAlyGiizN)層960、P型層970在本質(zhì)上分別相同于前述的凹坑層140、活性層150、氮化鋁銦鎵anxAlyfeizN)層160、P型層170。 在另一實(shí)施例中，氮化鎵LED結(jié)構(gòu)是以MOCVD方法形成。在另一實(shí)施例中，氮化鎵LED結(jié)構(gòu)800是由兩個(gè)以上的LED結(jié)構(gòu)堆棧而成，其中， 每個(gè)LED結(jié)構(gòu)可相似于圖2所述的LED結(jié)構(gòu)100。并且，在一范例中，氮化鎵LED結(jié)構(gòu)800 中的各LED結(jié)構(gòu)發(fā)出不同顏色的光；在另一范例中，各LED結(jié)構(gòu)發(fā)出相同顏色的光。如圖9所示，LED結(jié)構(gòu)800還具有兩層結(jié)構(gòu)-氮化銦鎵層880與氮化鎵層890-位于P型層870與凹坑層940之間。在一實(shí)施例中，氮化銦鎵層880是以沉積且重?fù)诫s硅而形成。例如，氮化銦鎵層880可摻雜成為N+型。在另一實(shí)施例中，氮化銦鎵層880的厚度約為25 A。在一范例，氮化銦鎵層880是用于減低由于逆偏壓P-N接合(p-n junction)的電壓差。在另一范例中，至少通過氮化銦鎵層880，某些電子從P型層870穿隧到達(dá)氮化鎵層890或凹坑層940。在一實(shí)施例中，氮化鎵層890沉積在氮化銦鎵層880上且經(jīng)摻雜成為N型。例如， 可以高于1000°c的溫度條件沉積，使形成具有一平滑表面的氮化鎵層890，接著再沉積凹坑層940。在另一實(shí)施例，以另一氮化銦鎵層取代氮化鎵層890的位置，形成于氮化銦鎵層 880上方。在另一實(shí)施例中，并未形成氮化鎵層890，而直接在氮化銦鎵層880上方沉積凹坑層940，并且，在活性層850和/或活性層950形成后，氮化鎵LED結(jié)構(gòu)800的加熱溫度未超過980°C。在一實(shí)施例中，LED結(jié)構(gòu)800的操作電壓是LED結(jié)構(gòu)100的兩倍；因此，其垂直結(jié)構(gòu)增加了 P-N接合面積而截面積并未改變。例如，LED結(jié)構(gòu)800具有一正電流約2mA與一正電壓約6V。在另一實(shí)施例中，如果芯片600中的LED結(jié)構(gòu)100被圖9的LED結(jié)構(gòu)800取代，則在操作電壓、電流維持相同的條件下，芯片600的尺寸可以減半，且數(shù)組具有六列并聯(lián)，每列(row)有三個(gè)LED結(jié)構(gòu)800串聯(lián)。圖9僅作為例示，而非限制。本領(lǐng)域技術(shù)人員可據(jù)以做適當(dāng)變更、替換或修改，而這些變更、替換或修改均屬于本發(fā)明的范圍。例如，在一范例中，LED結(jié)構(gòu)800還可以包含一個(gè)或多個(gè)前述層的組合，包含層880、890、940、950、960，及970的組合，或一個(gè)或多個(gè)前述層的組合，包含層880、940、950、960，及970的組合，堆棧在P型層970的上方。在另一范例，活性層950所產(chǎn)生的光子其顏色與活性層850的顏色不同。參見圖9，在另一范例，在P型層870形成后，執(zhí)行一長(zhǎng)晶停止步驟。在一實(shí)施例， 在長(zhǎng)晶停止步驟期間，用于制造氮化鎵LED結(jié)構(gòu)800的反應(yīng)腔未包含任何NH3或H2氣體。 在另一實(shí)施例，在長(zhǎng)晶停止步驟期間，用于制造氮化鎵LED結(jié)構(gòu)800的反應(yīng)腔包含溫度介于 600°C至9001的隊(duì)氣。在另一實(shí)施例，長(zhǎng)晶停止步驟大約進(jìn)行5min到30 min。在另一實(shí)施例，長(zhǎng)晶停止步驟是在P型層870形成之后，氮化銦鎵層880形成之前；或者，長(zhǎng)晶停止步驟是在P型層870與氮化銦鎵層880形成之后。在另一實(shí)施例，如果LED結(jié)構(gòu)800還包含一個(gè)或多個(gè)前述層的組合，包含層880、890、940、950、960，及970的組合，或一個(gè)或多個(gè)前述層的組合，包含層880、940、950、960，及970的組合，堆棧在P型層970的上方，則形成上述組合的每一層時(shí)，亦可實(shí)施長(zhǎng)晶停止步驟。根據(jù)本發(fā)明一些實(shí)施例，LED結(jié)構(gòu)100和/或LED結(jié)構(gòu)800可作為街道照明的燈泡和/或其它應(yīng)用。例如，每個(gè)燈泡可包含一個(gè)或多個(gè)LED結(jié)構(gòu)100和/或一個(gè)或多個(gè)LED結(jié)構(gòu)800。根據(jù)本發(fā)明一些實(shí)施例，芯片600被用于制造用于照明的燈泡，和/或其它應(yīng)用。 在一范例，每個(gè)燈泡可包含一或多個(gè)芯片600。在另一范例，前述燈泡的最大量子效率值約為 55%至 75%。本發(fā)明相較于現(xiàn)有技術(shù)具有許多優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)本發(fā)明一些實(shí)施例，氮化鎵LED結(jié)構(gòu) 100具有比某些傳統(tǒng)LED結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明一些實(shí)施例，氮化鎵LED結(jié)構(gòu)100 具有比某些傳統(tǒng)LED結(jié)構(gòu)更省時(shí)的工藝。根據(jù)本發(fā)明一些實(shí)施例，氮化鎵LED結(jié)構(gòu)100經(jīng)有效利用凹坑層140，而得到高的內(nèi)部量子效率最大值。如圖3所示，在本發(fā)明一范例，使N型氮化鎵層130在表面132具有高的缺陷密度， 以增加在表面142的凹坑密度。如圖4與圖7 (B)所示，在另一范例，利用N型氮化鎵層130 在表面132的高缺陷密度，以及限制凹坑層140的厚度，以確保在表面142具有高的凹坑密度142。如圖6(A)所示，在另一范例，透過在表面142的高凹坑密度，限制活性層150的厚度，以改善活性層150的質(zhì)量，藉此改善氮化鎵LED結(jié)構(gòu)100的量子效率。如圖3所示，N型氮化鎵層130的厚度限制在約Ιμπι至2μπι之間，使得N型氮化鎵層130在表面132具有高的缺陷密度，在某些實(shí)施例具體可為5X IO9CnT2至IX KTcnT2。 如圖4與7 (B)所示，根據(jù)本發(fā)明一些實(shí)施例，除了在表面132有高缺陷密度，凹坑層140的厚度限制在500A至1000 A之間，如此在表面142可獲得一高的凹坑密度對(duì)于凹坑尺寸在500A至1000 A之間，凹坑密度約為IXlO9CnT2至SXK^cnT2。根據(jù)本發(fā)明一些實(shí)施例，如圖6(A)，在表面142具有高的凹坑密度，活性層150的厚度限制在約10 A至20 A之間，以改善活性層150的質(zhì)量，進(jìn)而改善LED結(jié)構(gòu)的量子效率。本發(fā)明一實(shí)施例提供一種發(fā)光二極管裝置，其包含一具有第一表面與第一厚度的N型層，并且該第一表面上具有一凹坑層。該凹坑層具有第二表面以及第二厚度，厚度范圍從500 A至3000A。此外，一具有介于10 A至20A之間的第三厚度的活性層位于第二表面上，并且一 P型層位于活性層上。該N型層在第一表面具有一缺陷密度，范圍從 IX IO9CnT2至IX IOltlCmA凹坑層具有許多凹坑，在第二表面上凹坑的尺寸大約為500 A 至3000A之間。本實(shí)施例的一范例可根據(jù)至少圖2來實(shí)踐。本發(fā)明另一實(shí)施例提供一種發(fā)光二極管裝置，其包含一具有第一表面與第一厚度的N型層，并且該第一表面上具有第一凹坑層。該第一凹坑層具有第二表面以及第二厚度， 厚度范圍從500 A至3000A。此外，一具有介于10 A至20A之間的第三厚度的第一活性層位于第二表面上，第一 P型層位于第一活性層上，一穿隧層位于第一 P型層上，并且第二凹坑層位于穿隧層上。該第二凹坑層具有第三表面以及第四厚度，厚度范圍從500 A 至3000A。此外，該LED裝置還包含位于第三表面上的第二活性層，第二活性層具有第五厚度，其范圍介于10 A至20A之間。此外，該LED裝置還包含位于第二活性層上方的第二 P型層。該N型層在第一表面具有一缺陷密度，范圍從IX IO9CnT2至IX KTcnT2。第一凹坑層具有許多第一凹坑，每一個(gè)第一凹坑在第二表面上具有第一凹坑尺寸，其值大約介于 500 A至3000A之間。第二凹坑層具有許多第二凹坑，每一個(gè)第二凹坑在第三表面上具有第二凹坑尺寸，其值大約介于500 A至3000A之間。本實(shí)施例的一范例可根據(jù)至少圖 9來實(shí)踐。本發(fā)明另一實(shí)施例提供一種發(fā)光二極管裝置的制造方法，其包含下列步驟沉積一具有第一表面與第一厚度的N型層；沉積第一凹坑層于所述第一表面，該第一凹坑層具有第二表面以及第二厚度，厚度范圍從500 A至3000A。上述方法還可包含；在第二表面上形成一具有介于10 A至20A之間的第三厚度的第一活性層；在第一活性層上形成第一 P型層。該N型層在第一表面具有一缺陷密度，范圍從IX IO9CnT2至IX KTcnT2。第一凹坑層具有許多第一凹坑，每一個(gè)第一凹坑在第二表面上具有第一凹坑尺寸，其值大約介于 500 A至3000 A之間。本實(shí)施例的一范例可根據(jù)至少圖9來實(shí)踐。在另一范例，在形成第一活性層的期間與之后的工藝步驟，其工藝溫度皆未超過 980°C。在另一范例，前述制造方法還包含提供一基材，以及在該基材上形成一具有第三表面與第四厚度介于200 A至400A的成核層。在另一范例，前述制造方法還包含移除該基材與該成核層。在另一范例，該第二厚度介于500 A至1000 A之間，且在第二表面的第一凹坑尺寸介于500 A至1000 A之間。在另一范例，缺陷密度介于5X IO9CnT2至
IX IO10CnT2。在另一范例，前述制造方法還包含在第一 P型層上形成一穿隧層；在該穿隧層上形成第二凹坑層，該第二凹坑層具有第三表面以及第四厚度，厚度范圍從500 A至 3000入;在第三表面上形成第二活性層，第二活性層具有第五厚度，其范圍介于10 A至 20A之間；在第二活性層上形成第二 P型層。第二凹坑層具有許多第二凹坑，每一個(gè)第二凹坑在第三表面上具有第二凹坑尺寸，其值大約介于500 A至3000 A之間。在另一范例，在形成第二活性層的期間與之后的工藝步驟，其工藝溫度皆未超過980°C。在另一范例，第四厚度介于500 A至1000 A 之間，且在第三表面的第二凹坑尺寸介于500 A至1000 A之間。在另一范例，形成該穿隧層的步驟包含沉積一硅摻雜氮化銦鎵層。在另一范例，前述制造方法還包含形成一氮化鎵層在該穿隧層與該第二凹坑層之間。在另一范例，前述制造方法還包含在形成第一 P型層后，執(zhí)行一長(zhǎng)晶停止步驟，該長(zhǎng)晶停止步驟可在該穿隧層形成之前或之后執(zhí)行。在另一范例，前述制造方法可根據(jù)至少圖9來實(shí)踐。如前所述，圖2與圖9所示的結(jié)構(gòu)與制造方法僅作為例示而非限制，本領(lǐng)域技術(shù)人員可據(jù)以做適當(dāng)變更、替換或修改，而這些變更、替換或修改均屬于本發(fā)明的范圍。例如，在本文中，若提到某一層位于另一層上，指的是該某一層直接或間接地位于該另一層上。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并非用以限定本發(fā)明；凡其它未脫離發(fā)明所揭示的精神下所完成的等效改變或修飾，均應(yīng)包括在權(quán)利要求所限定的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)光二極管裝置，包含一 N型層，該N型層具有一第一表面與一第一厚度；一凹坑層，該凹坑層位于所述第一表面，且具有一第二表面以及一第二厚度，該第二厚度的范圍從500 A至3000A;一活性層，該活性層位于所述第二表面上，且具有一介于10 A至20A的第三厚度；以及一 P型層，該P(yáng)型層位于所述活性層上；其中，所述N型層在所述第一表面具有一缺陷密度，其范圍從1 X IO9CnT2至1 X IOiciCnT2, 所述凹坑層具有多個(gè)凹坑，且在所述第二表面上每一個(gè)凹坑的凹坑尺寸介于500 A至 3 000A之間。
2.如權(quán)利要求1的發(fā)光二極管裝置，其特征在于，所述缺陷密度的范圍從5X IO9CnT2至IX IO10CnT2。
3.如權(quán)利要求1的發(fā)光二極管裝置，其特征在于，所述第二厚度介于500A至1000A， 且在所述第二表面上所述凹坑尺寸介于500 A至1000A。
4.如權(quán)利要求3的發(fā)光二極管裝置，其特征在于，所述凹坑層的所述第二表面上的所述凹坑尺寸介于500 A至1OOOA，凹坑密度介于1X IO9CnT2至3X IOltlcnT2。
5.如權(quán)利要求1的發(fā)光二極管裝置，其特征在于，具有一內(nèi)部量子效率，其中所述內(nèi)部量子效率具有一最大值，且該最大值介于60 %至95 %。
6.如權(quán)利要求1的發(fā)光二極管裝置，其特征在于，所述N型層包含硅摻雜氮化鎵，該活性層包含氮化銦鎵，所述P型層至少包含下列群組的其中之一鎂摻雜氮化鎵、鎂摻雜氮化銦鎵。
7.如權(quán)利要求1的發(fā)光二極管裝置，其特征在于，所述凹坑層包含下列群組的其中之一一氮化鎵層、一氮化銦鎵層，以及一氮化銦鎵/氮化鎵超結(jié)晶層。
8.如權(quán)利要求1的發(fā)光二極管裝置，還包含一^ixAlfazN層位于該活性層與該P(yáng)型層之間，其中X，1’ ζ滿足x+y+z = 1，0彡χ彡1，0彡y彡1，以及0彡ζ彡1。
9.如權(quán)利要求1的發(fā)光二極管裝置，其特征在于，具有一正向電流2mA與一正向電壓3V。
10.如權(quán)利要求1的發(fā)光二極管裝置，還包含 一基材；以及位于所述基材上的一成核層，該成核層具有一第三表面與介于200A至400 A的一第四厚度；其中所述N型層位于所述第三表面上。
11.如權(quán)利要求10的發(fā)光二極管裝置，還包含 位于該N型層與該成核層之間的一未摻雜的氮化鎵層； 其中所述N型層包含硅摻雜氮化鎵。
12.一種發(fā)光二極管裝置，包含一 N型層，該N型層具有一第一表面與一第一厚度；一第一凹坑層，該第一凹坑層位于所述第一表面，且具有一第二表面以及介于500 A 至3000A的一第二厚度；一第一活性層，該第一活性層位于所述第二表面，且具有介于IOA至20A的一第三厚度；一第一 P型層，該第一 P型層位于所述第一活性層上； 一穿隧層，該穿隧層位于所述第一 P型層上；一第二凹坑層，該第二凹坑層位于所述穿隧層上，且具有一第三表面以及介于500 A 至3000A的一第四厚度；一第二活性層，該第二活性層位于所述第三表面，且具有介于IOA至20A的一第五厚度；以及一第二 P型層，該第二 P型層位于該第二活性層上； 其中所述N型層在所述第一表面具有一缺陷密度，其范圍從IX IO9CnT2至IXlOicicnT2 ； 所述第一凹坑層具有多個(gè)第一凹坑，且在所述第二表面上每個(gè)所述第一凹坑的第一凹坑尺寸介于500 A至3000A;以及所述第二凹坑層具有多個(gè)第二凹坑，且在所述第三表面上每個(gè)所述第二凹坑的第二凹坑尺寸介于500 A至3000A。
13.如權(quán)利要求12的發(fā)光二極管裝置，其中 所述第二厚度介于500 A至1000A;是第四厚度介于500 A至1000A;所述第一凹坑尺寸在所述第二表面介于500 A至1000A;以及所述第二凹坑尺寸在所述第三表面介于500 A至1000A。
14.如權(quán)利要求12的發(fā)光二極管裝置，其特征在于，所述缺陷密度的范圍從5X IO9CnT2 至 IX IO10CnT2。
15.如權(quán)利要求12的發(fā)光二極管裝置，還包含一氮化鎵層位于所述穿隧層與所述第二凹坑層之間。
16.如權(quán)利要求12的發(fā)光二極管裝置，其特征在于，具有一內(nèi)部量子效率，其中該內(nèi)部量子效率具有一最大值，且該最大值介于60 %至95 %。
17.如權(quán)利要求12的發(fā)光二極管裝置，其特征在于，具有一正向電流2mA與一正向電壓6V。
18.如權(quán)利要求12項(xiàng)的發(fā)光二極管裝置，還包含 一基材；以及位于所述基材上的一成核層，該成核層具有一第四表面與介于200A至400 A的一第六厚度；其中所述N型層位于所述第四表面上。
19.一種發(fā)光二極管的制造方法，包含沉積一 N型層，該N型層具有一第一表面與一第一厚度；沉積一第一凹坑層于所述第一表面，該第一凹坑層具有一第二表面以及介于500 A至 3000A的一第二厚度；在所述第二表面形成一第一活性層，該第一活性層具有介于IOA至20A的一第三厚度；在所述第一活性層上形成一第一 P型層； 其中所述N型層在所述第一表面具有一缺陷密度，范圍從1 X IO9CnT2至1 X IO10Cm-2 ； 所述第一凹坑層具有多個(gè)第一凹坑，每一個(gè)所述第一凹坑在所述第二表面上具有介于 500 A至3000 A的第一凹坑尺寸。
20.如權(quán)利要求19的制造方法，其特征在于，在形成所述第一活性層的期間與之后的所有制造方法步驟中，其工藝溫度皆未超過980°C。
21.如權(quán)利要求19的制造方法，還包含下列步驟 提供一基材；以及在所述基材上形成一成核層，該成核層具有一第三表面與介于200A至400 A的一第四厚度。
22.如權(quán)利要求21的制造方法，還包含下列步驟 移除所述基材；以及移除所述成核層。
23.如權(quán)利要求19的制造方法，還包含下列步驟形成一穿隧層在該第一 P型層上；沉積一第二凹坑層在所述穿隧層上，該第二凹坑層具有一第三表面以及介于500 A至 3000A的一第四厚度；在所述第三表面上形成一第二活性層，該第二活性層具有介于IOA至20A的一第五厚度；以及在所述第二活性層上形成一第二 P型層；其中所述第二凹坑層具有多個(gè)第二凹坑，每一個(gè)所述第二凹坑在所述第三表面上具有介于500 A至3000 A的第二凹坑尺寸。
24.如權(quán)利要求23的制造方法，其特征在于，在形成所述第二活性層的期間與之后的所有制造方法步驟中，其工藝溫度皆未超過980°C。
25.如權(quán)利要求23的制造方法，還包含在形成所述第一P型層后，執(zhí)行一長(zhǎng)晶停止步馬聚ο
全文摘要
本發(fā)明公開了發(fā)光二極管裝置及其制造方法。在一實(shí)施例中，發(fā)光二極管裝置包含一具有第一表面與第一厚度的N型層，以及一位于第一表面的凹坑層。凹坑層具有第二表面以及介于以及至第二厚度。此外，一具有介于至的第三厚度的活性層位于第二表面，并且一P型層位于活性層上。N型層在第一表面具有一缺陷密度，范圍從1×109cm-2至1×1010cm-2。凹坑層具有許多凹坑。
文檔編號(hào)H01L33/08GK102479897SQ20111033282
公開日2012年5月30日 申請(qǐng)日期2011年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月23日
發(fā)明者劉恒 申請(qǐng)人:綠種子能源科技股份有限公司