高亮度发光二极管及其制作方法技术

本发明专利技术是涉及一种高亮度发光二极管及其制作方法，特别是涉及在磷化铝镓铟双异质结构上成长一含氮化合物半导体以作为发光二极管的窗户层。由于此含氮化合物的能隙大于活性层所发出的光，且它的能隙较磷化镓低，因此适合用于制作窗户层，借以提高发光二极管的发光效率。此外，这种含氮化合物半导体可以用现有的取向附生技术或有机金属化学气相沉积法成长，故可进行批量生产，具有工业应用价值。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种，特别是涉及一种以含氮化合物半导体薄膜作为其透光窗户层(window layer)的发光二极管。对元素周期表第Ⅲ及Ⅴ族氮化物的研究，近年来受到相当大的关注，尤其是在日本，日亚化学公司在1993年宣称高亮度蓝光发光二极管将进入批量生产后，相关研究多集中在蓝绿光发光二极管及激光二极管的研究上。除了氮化物外，在元素周期表第Ⅲ及Ⅴ族化合物半导体中，对于直接能隙仅次于氮化物的磷化铝镓铟而言，当改变发光元件活性区中铝和镓的含量比时，发光波长可在680nm至550nm间变化。另外，磷化铝镓铟的晶格常数与砷化镓基板可以完全匹配，因此，磷化铝镓铟可适用于可见光区的发光元件。传统的磷化铝镓铟发光二极管结构如附图说明图1所示，其结构是在n型砷化镓吸光基板(10)上成长数层取向附生层(expitaxial layers)以形成发光二极管的结构，它包含在砷化镓基板(10)上成长一个n型磷化铝镓铟封闭层(11)；接着在磷化铝镓铟封闭层(11)上成长一个磷化铝镓铟活性层(12)；然后在磷化铝镓铟活性层(12)上再成长一个P型磷化铝镓铟封闭层(13)，如此便形成一个双异质结构(double heterostructure)；最后，在发光二极管结构的发光面上镀上一正面金属电极(14)，并于砷化镓基板(10)未成长取向附生层的一面镀上背面电极(15)。这个发光二极管的发光波长是由磷化铝镓铟活性层(12)中的铝和镓的比例所决定的。增加磷化铝镓铟活性层(12)中的铝含量，即可使发光二极管发光波长变短。同时，在磷化铝镓铟活性层(12)两侧之外的磷化铝镓铟封闭层(11,13)的铝含量必须比磷化铝镓铟活性层(12)中的铝含量高，这样才能有效的将载子注入磷化铝镓铟活性层(12)中，另一方面也使磷化铝镓铟活性层(12)所发生的光不致被磷化铝镓铟封闭层(11,13)所吸收。对于发光二极管的发光效率而言，除了由在活性层中电子与空穴的结合效率决定其高低外，为了使光能够均匀地从p-n界面产生，正面电极的电流是否能有效地分布到晶粒的边缘，也是决定发光二极管的发光效率的主要原因之一。若P型封闭层因电阻太大而无法使电流有效扩散时，则电流将直接由正面电极流向背面电极，发生电流堵塞的现象，这样将无法使电流有效扩散，而且由于不透光的正面电极的阻挡，大部分产生的光将无法发出，或者因为金属电极的反射而被基板吸收，造成发光效率降低。在已知的磷化铝镓锢发光二极管中便存在有上述的缺点，这是因为P型的磷化铝镓锢封闭层的浓度一般在1×1018cm-3以下，而空穴迁移率又仅约为10至20cm2·V/sec，所得的电阻值约为0.5Ω-cm左右，由于电阻偏高以致于横向电流无法扩散到整个晶粒上。为解决这个问题，已知的工艺中也发展出如图2及图3所示的不同结构。图2的结构是在图1中P型的磷化铝镓铟限制层(13)上成长一不同的于磷化铝镓铟的半导体窗户层(16)，其特性为电阻低，导电性好，且能隙大于活性层的能隙。因此，这个半导体窗户层(16)不会吸收p-n界面所发出的光。一般而言，适合用于制作半导体窗户层的材料有砷化铝镓(AlGaAs)、砷磷化镓(GaAsP)，和磷化镓(GaP)等。此外，此窗户层的最佳厚度是介于5到数十微米之间。由于砷磷化镓和磷化镓的晶格常数与砷化镓基板及磷化铝镓铟的晶格常数极不匹配，因此成长的界面极易产生大量的位错，而影响发光二极管的光电特性。已知工艺中的另一种结构如图3所示，它是在发光二极管的结构中增加电流屏蔽层(17)和布拉格反射层(18)，而它的电流扩散层或窗户层(19)则是以砷化铝镓为材料。由于受电流屏蔽层(17)的影响，正面电极所流出的电流有效的分布在电流扩散层(19)中。此外，在砷化镓基板(10)与磷化铝镓铟封闭层(11)的异质结构间加入的布拉格反射层(18)，可减少磷化铝镓铟活性层(12)所发出的光被砷化镓基板(10)的吸收。这个结构使得发光二极管的发光效率可增加一倍左右。然而这种结构具有制作过程复杂，而且制作时间长的缺点，必须使用两次有机金属气相取向附生成长，和一次光罩制版及蚀刻的步骤以界定出电流屏蔽层(17)的区域。再者，由于磷化铝镓铟封闭层(13)中铝含量极高，易有氧化现象，故成长不易控制。另外，因为布拉格反射层(18)的成长必须准确地控制其组成和各层的厚度，而且厚度仅为数微米，故制造十分费时。如前所述，近来在发光二极管的研究上，氮化物已被广泛地应用到蓝绿光发光二极管的制作中，借助于调整活性层中元素周期表第Ⅲ族金属的成份可使发光的波长由紫外光调整到蓝绿色光，甚至可调整到桔色光。在以往的研究中，常将氮化物的研究局限在元素周期表第Ⅲ族金属的调整及蓝绿光发光二极管的制作方面，最近有关氮化物元素周期表第Ⅴ族元素调整的研究，也已被陆续发表，如磷氮化镓(GaPN)、砷氮化镓(GaAsN)，及磷砷氮化镓(GaPAsN)等。虽然氮化镓(GaN)的能隙为3.4eV，而磷化镓为2.3eV，但磷氮化镓(GaP1-XNX)的能隙并不是随氮含量的增加而增加，而是呈现一弓形的分布。因此使得磷氮化镓在氮含量很少时，具有低于磷化镓的能隙。而对于磷砷氮化镓(GaP1-X-YAsXNY)而言，氮含量的增加可降低化合物的晶格常数，而砷含量的增加可增加化合物的晶格常数，这种特性将使磷砷氮化镓的晶格常数可以大于、小于或等于磷化镓的晶格常数。若用磷砷氮化镓取代高亮度发光二极管中的部份磷化镓窗户层，将可以有效减少位错，提高发光效率。本专利技术的主要目的在于提供一种具有含氮化合物的新型高亮度磷化铝镓铟发光二极管的结构及其制造方法。本专利技术主要是在磷化铝镓铟双异质结构上成长一含氮化合物半导体以作为发光二极管的窗户层，由于此含氮化合物的能隙大于活性层所发出的光，而且能隙较磷化镓低，使其易于掺杂及制作金属欧姆电极，因此适合用于制作窗户层，以提高发光二极管的发光效率。为说明本专利技术的其他目的及其优点，在以下部分，以优选实施例配合附图加以说明。其中图1所示为已知的磷化铝镓铟发光二极管结构的剖面图；图2所示为已知的具有窗户层的磷化铝镓铟发光二极管结构的剖面图；图3所示为已知的具有窗户层、电流屏蔽层及布拉格反射层的磷化铝镓铟发光二极管结构的剖面图；图4所示为本专利技术所提出的具有含氮化合物半导体窗户层的磷化铝镓铟发光二极管结构的剖面图；图5所示为磷氮化镓(GaP1-XNX)和磷砷氮化镓(GaP1-X-YAsYNX)在不同成份比例时的双晶体X光衍射频谱；图6所示为磷氮化镓(GaP1-XNX)和磷砷氮化镓(GaP1-X-YAsYNX)在不同成份比例时的低温光激光频谱；及图7所示为磷氮化镓(GaP1-XNX)在不同氮含量时的吸收界能量。附图中主要元件的符号说明10砷化镓基板11n型磷化铝镓铟封闭层12磷化铝镓铟活性层13P型磷化铝镓铟封闭层14正面金属电极15背面金属电极16半导体窗户层17电流屏蔽层18布拉格反射层19半导体窗户层40P型欧姆接触层45半导体透光窗户层请参考图4，本专利技术所揭示的高亮度发光二极管的架构由下而上，分别是在一个n型砷化镓基板(10)上依次成长一个n型磷化铝镓铟封闭层(11)，一个磷化铝镓铟活性层(12)，一个P型磷化铝镓铟封闭层(13)，一个P型欧姆接触层(40)，然后再成本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种发光二极管，包括：一第一金属电极；一基板，掺有第一种导电型杂质且是位于所述第一金属电极之上；一第一封闭层，掺有第一种导电型杂质且是形成于所述基板之上；一活性层，形成于所述第一封闭层之上；一第二封闭层，掺有第二种导电型 杂质且是形成于所述活性层之上；一欧姆接触层，掺有第二种导电型杂质且是形成于所述第二封闭层之上；一透光窗户层，含氮化合物的半导体且是形成于所述欧姆接触层上；及一第二金属电极，该第二金属电极位于所述透光窗户层之上。

【技术特征摘要】
1.一种发光二极管，包括-第一金属电极；-基板，掺有第一种导电型杂质且是位于所述第一金属电极之上；-第一封闭层，掺有第一种导电型杂质且是形成于所述基板之上；-活性层，形成于所述第一封闭层之上；-第二封闭层，掺有第二种导电型杂质且是形成于所述活性层之上；-欧姆接触层，掺有第二种导电型杂质且是形成于所述第二封闭层之上；-透光窗户层，含氮化合物的半导体且是形成于所述欧姆接触层上；及-第二金属电极，该第二金属电极位于所述透光窗户层之上。2.如权利要求1所述的发光二极管，其中所述第一封闭层、活性层及第二封闭层的材料均为磷化铝镓铟。3.如权利要求1所述的发光二极管，其中所述基板的材料为砷化镓。4.如权利要求1所述的发光二极管，其中所述透光层的材料选自磷氮化镓、磷砷氮化镓、磷砷氮化铟及磷砷氮化镓铟。5.如权利要求1所述的发光二极管，其中所述第一导电型杂质为P型，且第二导电型杂质为n型。6.如权利要求1所述的发光二极管，其中所述第一导电型杂质为n型，且第二导电型杂质为P型。7.如权利要求1所述的发光二极管，其中所述欧姆层的第一导电型杂质为n型，且第二导电型杂质为P型。8.如权利要求1所述的发光二极管，其中所述欧姆层的材料选自砷化镓、磷砷化镓、磷化镓、磷氮化镓、磷砷氮化镓、磷砷氮化铟及磷砷氮化镓铟。9.如权利要求1所述的发光二极管，其中所述透光窗户层的厚度在1微米至100微米之间。10.如权利要求1所述的发光二极管，其中所述透光窗户层是一个以分子束取向附生法所成长的含氮化合物半导体薄膜。11.如权利要求1所述的发光二极管，其中所述透光窗户层是一个以有机金属化学气相沉积法所成长的含氮化合物半...

【专利技术属性】
技术研发人员：詹世雄，曾坚信，郭政达，施敏，
申请(专利权)人：詹世雄，曾坚信，郭政达，施敏，
类型：发明
国别省市：71[中国|台湾]