專利名稱：：三族氮化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種三族氮化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管，尤其涉及一種增進(jìn)有源層光輸出及光學(xué)效率的三族氮化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管及其制造方法。
背景技術(shù)：
：隨著發(fā)光二極管元件被廣泛應(yīng)用于不同產(chǎn)品，近年來制作藍(lán)光發(fā)光二極管的材料，已成為當(dāng)前光電半導(dǎo)體材料重要的研發(fā)對象。目前藍(lán)光發(fā)光二極管的材料有硒化鋅(ZnSe)、碳化硅(SiC)及氮化銦鎵(InGaN)等材料，這些材料都是寬能隙(bandgap)的半導(dǎo)體材料，能隙大約在2.6eV以上。由于氮化鎵系列是直接能隙(directgap)的發(fā)光材料，因此可以產(chǎn)生高亮度的照明光線，且相較于同為直接能隙的硒化鋅更有壽命長的優(yōu)點。圖l(a)-圖l(b)是美國第US7,067,838號專利的發(fā)光二極管的剖面示意圖。發(fā)光二極管10包含一藍(lán)寶石襯底11、一緩沖層19、一N型接觸層12、N型披覆(clad)層13、一有源層15、一P型堵塞層(blocklayer)16、一P型披覆層17及一P型接觸層18，其中該有源層15包含一N型第一阻障層(barrierlayer)153、多個N型氮化銦鎵阱層151及多個N型第二阻障層152。又該P型堵塞層16的能隙Egb、N型第二阻障層152的能隙Eg2、N型第一阻障層153的能隙Egl及N型披覆層13與P型披覆層17的能隙Egc，需滿足下列關(guān)系式Egb〉Eg2〉Egl>Egc，如圖l(b)所示。通過P型堵塞層16可阻擋來自P型半導(dǎo)體層的載子(carrier)，同樣通過N型第一阻障層153可阻擋來自N型半導(dǎo)體層的載子(carrier)，如此就能局限有源層15中的電子與空穴，并增加電子與空穴的復(fù)合(recombination)率。然而此種結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，從而增加量產(chǎn)的復(fù)雜度。圖2(a)是美國第US6,955,933號專利的發(fā)光二極管的有源層的剖面示意圖。發(fā)光二極管的有源層20包含量子阱層21、23及25及阻障層22、24及26，該量子阱層及阻障層由AlxInyGaLx.YN的材料所形成，其中0《X<1、04《Y<1及X+Y《l。又量子阱層及阻障層的材料組成漸層(漸大或漸小)改變，改變方向垂直于發(fā)光二極管中N型半導(dǎo)體層的表面。由于材料組成漸層改變，因此能隙在同一層中也呈現(xiàn)遞變，如圖2(b)所示。然而此種結(jié)構(gòu)會改變有源層20的整體能隙變小，從而造成發(fā)光波長的變動。圖3是美國第US6,936,638號專利的有源層的能階圖。有源層包含N型半導(dǎo)體層31、阻障層32、量子阱層33及P型半導(dǎo)體層34。該阻障層32包含具有N型摻雜物內(nèi)層部分321及抗擴散膜322，又阻障層32的能隙大于量子阱層33的能隙。該抗擴散膜322可以防止N型摻雜物抗擴至量子阱層33中，如此可增進(jìn)量子阱層33的光輸出。此種有源層的能隙安排仍近似于傳統(tǒng)多量子阱結(jié)構(gòu)的設(shè)計，僅僅增加抗擴散膜322于公知阻障層及量子阱層之間。圖4是美國第US7,106,090號專利的有源層的能階圖。有源層包含至少一量子阱層42及兩夾設(shè)量子阱層42的阻障層41、43。該量子阱層42的能隙以階梯狀分布，其包含四個單層421424，又銦的含量等差遞增，也即單層424中銦的含量最高。相較于以往平坦?fàn)罘植嫉牧孔于鍖幽芟?，此種量子阱層能隙以階梯狀分布或前述遞變分布均會使得有源層的整體能隙變小(參見美國第US7，106，090號專利的圖4)，從而改變發(fā)光的波長及其它特性。綜上所述，市場上急需要一種確保品質(zhì)穩(wěn)定及增進(jìn)有源層光輸出的發(fā)光二極管，從而能改善上述公知技術(shù)的各種缺點。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的主要目的是提供一種具三族氮化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管，其有一應(yīng)力調(diào)整層設(shè)于量子阱層及阻障層間，故可釋放有源層中因晶格不匹配所造成的應(yīng)力，從而提升量子阱層的光學(xué)效率(opticalefficient)。為達(dá)到上述目的，提供一種三族氮化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管，其包含一襯底、一形成于該襯底上的N型半導(dǎo)體材料層、一形成于該N型半導(dǎo)體材料層上的有源層及一形成于該量子阱層上的P型半導(dǎo)體材料層。該有源層包含至少一量子阱層、至少兩個夾設(shè)所述量子阱層的阻障層及至少一個應(yīng)力調(diào)整層，其中所述應(yīng)力調(diào)整層設(shè)于所述量子阱層及其中的一阻障層之間，且所述應(yīng)力調(diào)整層的三族氮化合物材料組成延所述量子阱層朝向所述阻障層方向遞變分布。所述應(yīng)力調(diào)整層的三族氮化合物材料是AlxInYGai-X.YN，而且0《X<1、0《Y〈1及X+Y《1，其中該A1(鋁)、Ga(鎵)及In(銦)的組成比例延所述量子阱層朝向鄰接的所述阻障層方向遞變分布。該遞變分布單調(diào)遞增，又該單調(diào)遞增由一線性直線或非線性曲線所表7K。該遞變分布由一階梯狀增加折線所表示，其中該階梯狀增加折線采用等寬階梯或非等寬階梯的形式。所述應(yīng)力調(diào)整層是多層結(jié)構(gòu)，各層可以由不同組成比例的三族氮化合物所形成。所述應(yīng)力調(diào)整層是N型摻雜或非摻雜的三族氮化合物。該發(fā)光二極管另包含一設(shè)于該襯底及該N型半導(dǎo)體材料層之間的緩沖層。還另包含一設(shè)于該有源層及該P型半導(dǎo)體材料層之間的電流堵塞層。該有源層是一單量子阱結(jié)構(gòu)或多量子阱結(jié)構(gòu)。為達(dá)到上述目的，還提供一種三族氮化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管，其包含一襯底、一N型半導(dǎo)體材料層、一有源層及一P型半導(dǎo)體材料層。該有源層形成于該N型半導(dǎo)體材料層上，包含至少一量子阱層、至少兩個夾設(shè)該量子阱層的阻障層及至少一個應(yīng)力調(diào)整層，其中所述應(yīng)力調(diào)整層設(shè)于所述量子阱層阻障層及兩個阻障層其中之一之間，其中所述應(yīng)力調(diào)整層的能隙大于所述量子阱層的能隙，又所述應(yīng)力調(diào)整層的能隙小于所鄰接的所述阻障層的能隙，所述應(yīng)力調(diào)整層的能隙延所述量子阱層朝向鄰接的所述阻障層方向遞變分布。該P型半導(dǎo)體材料層形成于所述量子阱層上。為達(dá)到上述目的，還提供一種三族氮化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管，其包含一襯底、一N型半導(dǎo)體材料層、一有源層及一P型半導(dǎo)體材料層。該有源層形成于該N型半導(dǎo)體材料層上，包含至少一量子阱層、至少兩個夾設(shè)該量子阱層的阻障層及至少兩個應(yīng)力調(diào)整層，其中所述應(yīng)力調(diào)整層分別設(shè)于所述阻障層及量子阱層之間，又所述應(yīng)力調(diào)整層的三族氮化合物材料組成延所述量子阱層朝向鄰接的所述阻障層方向遞變分布。該P型半導(dǎo)體材料層形成于所述量子阱層上。在相同的電流密度下本發(fā)明發(fā)光二極管的光輸出功率大于公知技術(shù)的發(fā)光二極管的光輸出功率，因此有更佳的發(fā)光效率。圖l(a)及圖l(b)是美國第US7,067,838號專利的發(fā)光二極管的剖面示意圖2(a)是美國第US6,955,933號專利的發(fā)光二極管的有源層的剖面示意圖2(b)是美國第US6，955，933號專利的有源層的能階圖；圖3是美國第US6,936,638號專利的有源層的能階圖；圖4是美國第US7,106,090號專利的有源層的能階圖；圖5是本發(fā)明三族氮化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管的剖面示意圖；圖6(a)是本發(fā)明的單量子阱有源層的能階圖；圖6(b)是公知單量子阱有源層的能階圖；.圖7(a)是本發(fā)明的單量子阱有源層的能階圖；圖7(b)是公知單量子阱有源層的能階圖；圖8圖11是本發(fā)明的單量子阱有源層的能階圖12是本發(fā)明另一實施例三族氮化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管的剖面示意圖13(a)及圖13(b)是本發(fā)明的多量子阱結(jié)構(gòu)有源層的能階圖14是本發(fā)明發(fā)光二極管的光輸出功率的曲線圖；以及圖15是本發(fā)明另一實施例三族氮化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管的剖面示意圖。其中，附圖標(biāo)記說明如下-10發(fā)光二極管11藍(lán)寶石襯底12N型接觸層13N型披覆層15有源層16P型堵塞層17P型披覆層18P型接觸層19緩沖層20有源層21、23、25量子阱層22、24、26阻障層31N型半導(dǎo)體層32阻障層33量子阱層34P型半導(dǎo)體層7<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>具體實施例方式圖5是本發(fā)明三族氮化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管的剖面示意圖。三族氮化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管50包含一襯底51、一緩沖層52、一N型半導(dǎo)體材料層53、一有源層54、一電流堵塞層57及一P型半導(dǎo)體材料層58。有源層54包含至少一量子阱層56及兩個夾設(shè)該量子阱層56的第一阻障層541及第二阻障層542。另外，有源層54還包含第一應(yīng)力調(diào)整層551及第二應(yīng)力調(diào)整層552，該第一應(yīng)力調(diào)整層551設(shè)于第一阻障層541及量子阱層56之間，又該第二應(yīng)力調(diào)整層552設(shè)于第二阻障層542及量子阱層56之間。在N型半導(dǎo)體材料層53還設(shè)有一N型電極層592，及在P型半導(dǎo)體材料層58還設(shè)有一P型電極層591。所述兩個應(yīng)力調(diào)整層551及552的三族氮化合物材料組成分別延該量子阱層56朝向鄰接該阻障層541或542方向遞變分布，該材料可以是N型摻雜或非摻雜的三族氮化合物，例如AlxInYGaLx.yN，而且0《X<1、0《Y〈1及X+Y《1，其中鋁、鎵或銦的組成比例沿厚度方向而遞變分布?？蛇x擇該應(yīng)力調(diào)整層的厚度大于該量子阱層56的厚度，但小于該阻障層的厚度。當(dāng)然，所述兩個應(yīng)力調(diào)整層551及552也可是多層不同組成比例的三族氮化合物。圖6(a)是本發(fā)明的單量子阱有源層的能階圖。上方曲線是有源層54的導(dǎo)電帶(ConductionBand;Ec)能階變化，又下方曲線是有源層54的價電帶(ValenceBand;Ev)能階變化，該Ec與Ev之間的能量間隔稱為能隙Eg。第一應(yīng)力調(diào)整層551的能隙大于該量子阱層56的能隙，又第一應(yīng)力調(diào)整層551的能隙小于所鄰接的第一阻障層541的能隙。該第一應(yīng)力調(diào)整層551的能隙延著量子阱層56朝向第一阻障層541方向遞變分布，本實施例中第一應(yīng)力調(diào)整層551的能隙是朝向第一阻障層541方向單調(diào)遞增的直線。有源層54的直接能隙差Egl等于導(dǎo)電帶偏差A(yù)Ecl與價電帶偏差A(yù)Evl的總和，即Eg^AEcl+AEvl。參見圖6(b)，并相較于公知有源層，則可發(fā)現(xiàn)AEcl〉A(chǔ)Ec2及AEvl〉A(chǔ)Ev2。因此本發(fā)明有源層54的直接能隙差可以大于公知有源層的直接能隙差，也即EgKEg2，故可發(fā)出波長更長的光線，此為前述各現(xiàn)有技術(shù)所無法達(dá)成的。圖7(a)是本發(fā)明的單量子阱有源層的能階圖。第一應(yīng)力調(diào)整層551的能隙是朝向第一阻障層541方向仍為單調(diào)遞增的直線，但量子阱層56的能隙與第一應(yīng)力調(diào)整層551相鄰處的能隙不連續(xù)且較小。參見圖6(b)，并相較于公知有源層，則可發(fā)現(xiàn)AEcl=AEc2及AEvl-AEv2。因此本發(fā)明有源層54的直接能隙差可以等于公知有源層的直接能隙差，也即EgbEg2，故可發(fā)出波長相同的光線，前述各現(xiàn)有技術(shù)大多僅能產(chǎn)生波長較短的光線。因考慮外延成長的控制有時并非線性關(guān)系，故圖7(a)中第一應(yīng)力調(diào)整層551的能隙是朝向第一阻障層541方向為單調(diào)遞增的曲線，但仍可達(dá)到圖6(a)中相同的發(fā)光特性。相較于圖7(a),圖9中第一應(yīng)力調(diào)整層551及第二應(yīng)力調(diào)整層552的能隙變化關(guān)系由線性改為非線性，但仍可達(dá)到圖7(a)中相同的發(fā)光特性。相較于圖6(a)，圖10中第一應(yīng)力調(diào)整層551及第二應(yīng)力調(diào)整層552的能隙變化由原先單調(diào)遞增的斜線改為階梯狀增加的折線，但仍可達(dá)到圖6(a)中相同的發(fā)光特性。在此實施例中，第一應(yīng)力調(diào)整層551及第二應(yīng)力調(diào)整層552可以是多層結(jié)構(gòu)，每一層可以由不同組成比例的三族氮化合物所形成。同樣地，圖11中第一應(yīng)力調(diào)整層551及第二應(yīng)力調(diào)整層552的能隙變化也由原先單調(diào)遞增的斜線改為階梯狀增加的折線，只是將圖10中等寬階梯改為非等寬階梯，但仍可達(dá)到圖7(a)中相同的發(fā)光特性。圖12是本發(fā)明三族氮化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管的剖面示意圖。相較于圖5，此實施例中三族氮化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管120是多量子阱結(jié)構(gòu)，其有源層54'包含三個量子阱層56，各量子阱層56分別被第一應(yīng)力調(diào)整層551及第二應(yīng)力調(diào)整層552所夾設(shè)，又第一阻障層541及第二阻障層542夾設(shè)于第一應(yīng)力調(diào)整層551及第二應(yīng)力調(diào)整層552的外部。兩個疊層至三十疊層(本實施例是三疊層)的多層量子阱疊層結(jié)構(gòu)均可導(dǎo)入本發(fā)明的實施形式，其中又以六層至十八層的疊層結(jié)構(gòu)為優(yōu)選。圖13(a)及圖13(b)是本發(fā)明的多量子阱結(jié)構(gòu)有源層的能階圖。此與現(xiàn)有單量子阱結(jié)構(gòu)有源層相似，僅是三個量子阱疊層連續(xù)相接，此實施例的說明可分別參見圖6(a)及圖7(a)的相關(guān)敘述。圖14是本發(fā)明發(fā)光二極管的光輸出功率的曲線圖。在相同的電流密度下本發(fā)明發(fā)光二極管的光輸出功率顯然大于公知技術(shù)的發(fā)光二極管的光輸出功率，因此有更佳的發(fā)光效率。圖15是本發(fā)明另一實施例三族氮化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管的剖面示意圖。三族氮化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管150包含一襯底51、一緩沖層52、一N型半導(dǎo)體材料層53、一有源層54"、一電流堵塞層57及一P型半導(dǎo)體材料層58。有源層54"包含至少一量子阱層56及兩個夾設(shè)該量子阱層56的第一阻障層541及第二阻障層542。另外，有源層54"還包含應(yīng)力調(diào)整層551'，該應(yīng)力調(diào)整層551'設(shè)于第一阻障層541及量子阱層56之間(或設(shè)于第二阻障層542及量子阱層56之間)。在N型半導(dǎo)體材料層53還設(shè)有一N型電極層592，及在P型半導(dǎo)體材料層58還設(shè)有一P型電極層591。相較于圖5，本實施例的差異在于形成一應(yīng)力調(diào)整層于量子阱層與一相鄰接的阻障層之間，而非兩個應(yīng)力調(diào)整層分別形成于量子阱層與各相鄰接的阻障層之間。優(yōu)選的方式是如圖5所示，將兩個應(yīng)力調(diào)整層分別位于量子阱層的兩側(cè)，并分別夾設(shè)于量子阱層與各相鄰接的阻障層之間。然而所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員由上述各實施例應(yīng)能理解本發(fā)明的應(yīng)力調(diào)整層可以是一層、兩層或是兩層以上，其位置可選擇設(shè)于量子阱層的兩側(cè)或僅單側(cè)。本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容及技術(shù)特點已揭示如上，然而所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員仍10可能基于本發(fā)明的教導(dǎo)及揭示而作種種不背離本發(fā)明精神的替換及修改。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)不限于實施例所揭示的范圍，而應(yīng)包括各種不背離本發(fā)明的替換及修改，并為所附的權(quán)利要求書范圍所涵蓋。權(quán)利要求1.一種三族氮化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管，包含一襯底；一N型半導(dǎo)體材料層，形成于該襯底上；一有源層，形成于該N型半導(dǎo)體材料層上，包含至少一量子阱層、至少兩個夾設(shè)所述量子阱層的阻障層及至少一個應(yīng)力調(diào)整層，其中所述應(yīng)力調(diào)整層設(shè)于量子阱層及所述兩個阻障層其中之一之間，并且所述應(yīng)力調(diào)整層的三族氮化合物材料組成延所述量子阱層朝向鄰接的所述阻障層方向遞變分布；以及一P型半導(dǎo)體材料層，形成于所述量子阱層上。2.—種三族氮化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管，包含一襯底；一N型半導(dǎo)體材料層，形成于該襯底上；一有源層，形成于該N型半導(dǎo)體材料層上，包含至少一量子阱層；至少兩個夾設(shè)該量子阱層的阻障層；及至少一個應(yīng)力調(diào)整層，所述應(yīng)力調(diào)整層設(shè)于所述量子阱層阻障層及兩個阻障層其中之一之間；其中所述應(yīng)力調(diào)整層的能隙大于所述量子阱層的能隙，并且所述應(yīng)力調(diào)整層的能隙小于所鄰接的所述阻障層的能隙，所述應(yīng)力調(diào)整層的能隙延所述量子阱層朝向鄰接的所述阻障層方向遞變分布；以及一P型半導(dǎo)體材料層，形成于所述量子阱層上。3.—種三族氮化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管，包含-一襯底；一N型半導(dǎo)體材料層，形成于該襯底上；一有源層，形成于該N型半導(dǎo)體材料層上，包含至少一量子阱層、至少兩個夾設(shè)該量子阱層的阻障層及至少兩個應(yīng)力調(diào)整層，其中所述兩個應(yīng)力調(diào)整層分別設(shè)于所述阻障層及量子阱層之間，并且所述應(yīng)力調(diào)整層的三族氮化合物材料組成延所述量子阱層朝向鄰接的所述阻障層方向遞變分布；以及一P型半導(dǎo)體材料層，形成于所述量子阱層上。4.根據(jù)權(quán)利要求1，2或3的三族氮化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管，其中所述應(yīng)力調(diào)整層的三族氮化合物材料是AlxInYGaLx-YN，而且0《X〈1、0《Y<1及X+Y《1。5.根據(jù)權(quán)利要求4的三族氮化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管，其中該Al、Ga及In的組成比例延所述量子阱層朝向鄰接的所述阻障層方向遞變分布。6.根據(jù)權(quán)利要求1，2或3的三族氮化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管，其中該遞變分布單調(diào)遞增。7.根據(jù)權(quán)利要求6的三族氮化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管，其中該單調(diào)遞增由一線性直線或非線性曲線所表示。8.根據(jù)權(quán)利要求1，2或3的三族氮化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管，其中該遞變分布由一階梯狀增加折線所表示。9.根據(jù)權(quán)利要求8的三族氮化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管，其中該階梯狀增加折線采用等寬階梯或非等寬階梯的形式。10.根據(jù)權(quán)利要求I，2或3的三族氮化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管，其中所述應(yīng)力調(diào)整層是多層結(jié)構(gòu)，各層可以由不同組成比例的三族氮化合物所形成。11.根據(jù)權(quán)利要求l，2或3的三族氮化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管，其中所述應(yīng)力調(diào)整層是N型摻雜或非摻雜的三族氮化合物。12.根據(jù)權(quán)利要求1，2或3的三族氮化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管，其中所述應(yīng)力調(diào)整層的厚度大于所述量子阱層的厚度，但小于所述阻障層的厚度。13.根據(jù)權(quán)利要求1，2或3的三族氮化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管，其另包含一設(shè)于該襯底及該N型半導(dǎo)體材料層之間的緩沖層。14.根據(jù)權(quán)利要求1，2或3的三族氮化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管，其另包含一設(shè)于該有源層及該P型半導(dǎo)體材料層之間的電流堵塞層。15.根據(jù)權(quán)利要求1，2或3的三族氮化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管，其中該有源層是一單量子阱結(jié)構(gòu)或多量子阱結(jié)構(gòu)。全文摘要一種三族氮化合物半導(dǎo)體發(fā)光二極管，其包含一襯底、一緩沖層、一N型半導(dǎo)體材料層、一有源層及一P型半導(dǎo)體材料層。該有源層包含至少一量子阱層、至少兩個夾設(shè)該量子阱層的阻障層及至少一個應(yīng)力調(diào)整層，其中該應(yīng)力調(diào)整層設(shè)于該量子阱層及一阻障層之間，且該應(yīng)力調(diào)整層的三族氮化合物材料組成延該量子阱層朝向鄰接該阻障層方向遞變分布。文檔編號H01L33/00GK101527341SQ20081008347公開日2009年9月9日申請日期2008年3月7日優(yōu)先權(quán)日2008年3月7日發(fā)明者徐智鵬,楊順貴,詹世雄,黃世晟,黃嘉宏申請人:先進(jìn)開發(fā)光電股份有限公司