CN103972339B - 氮化物半导体结构及半导体发光元件 - Google Patents

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Abstract

本发明关于一种氮化物半导体结构及半导体发光元件。该氮化物半导体结构主要于N型半导体层与P型半导体层间配置有一发光层，发光层与P型半导体层间配置有一四元载子活性层，且四元载子活性层为氮化铝铟镓AlxInyGa1‑x‑yN，其中x及y为满足0＜x＜1、0＜y＜1、0＜x+y＜1的数值。该半导体发光元件于一基板上包含上述氮化物半导体结构，以及二相配合提供电能的N型电极与P型电极。由此，与公知的P‑AlGaN电子阻挡层相较下，该氮化物半导体结构及半导体发光元件能提升电洞进入多重量子井结构的效果，同时达到抑制电子逃逸进入P型半导体层的目的，使得电子电洞结合机率增加，进一步提升发光效率。

Description

氮化物半导体结构及半导体发光元件
技术领域
本发明有关于一种氮化物半导体结构及半导体发光元件，尤其是指一种于发光层与P型半导体层间配置有一氮化铝铟镓AlxInyGa1-x-yN的四元载子活性层的氮化物半导体结构及半导体发光元件，属于半导体技术领域。
背景技术
近年来，由于磊晶与工艺技术的进步，使发光二极管成为极具潜力的固态照明光源之一；其中，以氮化镓(GaN)为主要制造材料的发光二极管现已成为固态照明(Solid-state lighting，SSL)建造中的重要元件之一；氮化镓LED由于具有元件体积小、无汞污染、发光效率高及寿命长等优点，已成为最新兴的光电半导体材料之一，且其发光波长几乎涵盖了可见光的范围，更使其成为极具潜力的发光二极管材料。
一般而言，氮化镓LED是将一缓冲层先形成于基板上，再于缓冲层上依序磊晶成长N型半导体层、发光层以及P型半导体层；接着，利用微影与蚀刻工艺移除部分的P型半导体层、部分的发光层，直至暴露出部分的N型半导体层为止；然后，分别于N型半导体层的暴露部分以及P型半导体层上形成N型电极与P型电极，而制作出发光二极管；其中，发光层为多重量子井结构(MQW)，而多重量子井结构包括以重复的方式交替设置的量子井层(well)和量子阻障层(barrier)，因为量子井层具有相对量子阻障层较低的能隙，使得在上述多重量子井结构中的每一个量子井层可以在量子力学上限制电子和电洞，造成电子和电洞分别从N型半导体层和P型半导体层注入，并在量子井层中结合，而发射出光子。
然而，上述的发光二极管因诸多因素(例如：电流拥塞(current crowding)、差排缺陷(dislocation)等)，进而影响其发光效率；理论上，发光二极管的发光效率取决于外部量子效率与其本身的内部量子效率(internal quantum efficiency)及光取出效率(light-extraction efficiency)；所谓的内部量子效率是由材料特性及质量所决定，至于光取出效率则是从元件内部发出至周围空气的辐射比例，光取出效率是取决于当辐射离开元件内部时所发生的损耗，造成上述损耗的主要原因之一是由于形成元件的表面层的半导体材料具有高折射系数(refraction coefficient)，导致光在该材料表面产生全反射(total reflection)而无法发射出去，而若光取出效率提升，则半导体发光元件的外部量子效率亦随之提升；因此，针对提升内部量子效率以及光取出效率，近几年已发展出许多技术，例如使用铟锡氧化物(Indium Tin Oxide；ITO)当电流传输层、采用覆晶结构(flip-chip)、利用图形化(PSS)的蓝宝石基板，以及使用电流阻挡层(current block layer；CBL)等；其中，于提升内部量子效率的技术中，亦有业者于多重量子井结构与P型半导体层之间配置有一层高能隙(band gap)的P型载子阻隔层，其又可称为电子阻挡层(electronblocking layer，EBL)，进而使得更多的载子被局限在量子井层中，以提高电子电洞覆合的机率，增加发光效率，进而达到发光二极管亮度提升的功效。
现有的电子阻挡层由具有相当大能隙的P型AlGaN层形成，由此防止由N型半导体层注入的电子溢流至P型半导体层中，使得电子可有效地限制在量子井层内，以提升发光二极管的内部量子效率；然而，P-AlGaN的电子阻挡层虽具有相当大的能隙以阻挡电子溢流现象，但相对地亦导致电洞注入发光层的效果变差；再者，由于多重量子井结构一般是以InGaN的量子井层以及GaN的量子阻障层所形成，而本质上，P-AlGaN的电子阻挡层和GaN的量子阻障层具有非常高的晶格错配，使得InGaN量子井层因晶格错配会严重地受到压缩应力的作用，而这种压缩应力改变了每一个量子井层的能带结构，从而使在量子井层内的电子和电洞在空间上彼此分开，导致发光二极管的发光效率降低；再者，上述压缩应力亦会劣化相邻的GaN量子阻障层和InGaN量子井层之间的界面特性，从而在界面处损失载子，亦影响发光二极管的的发光效率。
鉴于上述现有的氮化物半导体发光元件在实际实施上仍具有多处的缺失，因此，研发出一种新型的氮化物半导体结构及半导体发光元件仍是本领域亟待解决的问题之一。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的主要目的为提供一种氮化物半导体结构，其通过于发光层与P型半导体层间配置一氮化铝铟镓AlxInyGa1-x-yN的四元载子活性层，以提升电洞进入多重量子井结构的效果，同时亦可达到避免电子逃逸进入P型半导体层的目的，使得电子与电洞结合机率增加，以获得良好的发光效率。
为达上述目的，本发明提供一种氮化物半导体结构，其包含一N型半导体层以及一P型半导体层，于N型半导体层与P型半导体层间配置有一发光层，发光层与P型半导体层间配置有一四元载子活性层，且四元载子活性层为氮化铝铟镓AlxInyGa1-x-yN，其中x及y为满足0＜x＜1、0＜y＜1、0＜x+y＜1的数值。其中，优选地，所述四元载子活性层的x范围为0＜x≤0.4；此外，优选地，所述四元载子活性层的y范围为0＜y≤0.2。
根据本发明的具体实施方式，优选地，在上述氮化物半导体结构中，所述发光层具有多重量子井结构，且多重量子井结构可由氮化铟镓的井层及氮化镓的阻障层交替堆栈所形成，且紧邻于多重量子井结构的最后一井层的四元载子活性层的能隙大于多重量子井结构的阻障层的能隙；其中，更优选地，所述四元载子活性层的能隙高于阻障层的能隙1％-15％。由此，其与公知的P-AlGaN电子阻挡层相较下，不仅提升电洞进入多重量子井结构的效果，亦同时达到抑制电子逃逸进入P型半导体层的目的，使得电子与电洞结合机率增加，进一步提升发光效率。
根据本发明的具体实施方式，优选地，在上述氮化物半导体结构中，所述四元载子活性层掺杂有浓度为1016-1019cm-3的第四主族元素；更优选地，所述第四主族元素为碳；由此利用第四主族元素取代五价的氮原子，以多一个带正电电洞，使得四元载子活性层可具有高电洞浓度，以提供更多的电洞进入发光层，进而增加电子电洞结合的情况。
根据本发明的具体实施方式，优选地，在上述氮化物半导体结构中，所述四元载子活性层掺杂有浓度大于1018cm-3的P型掺质。其中，更优选地，所述P型掺质可例如为镁。
根据本发明的具体实施方式，优选地，在上述氮化物半导体结构中，所述四元载子活性层的厚度为50-300nm。
另外，根据本发明的具体实施方式，优选地，在上述氮化物半导体结构中，于发光层与N型半导体层间亦可配置有一N型载子阻隔层(例如为N型氮化铝镓等)，且N型载子阻隔层由具有大于发光层的能隙的材料所制成，同理，N型载子阻隔层由具有高于发光层的能隙的材料所制成，以避免电洞逃逸进入N型半导体层内，以提高电子电洞结合的机率。
本发明还提供一种半导体发光元件，其至少包含有：
一基板；
一N型半导体层，其配置于所述基板上；
一发光层，其配置于所述N型半导体层上；
一四元载子活性层，其配置于所述发光层上，所述四元载子活性层为氮化铝铟镓AlxInyGa1-x-yN，其中x及y为满足0＜x＜1、0＜y＜1、0＜x+y＜1的数值；
一P型半导体层，其配置于所述四元载子活性层上；
一N型电极，其以欧姆接触配置于所述N型半导体层上；以及
一P型电极，其以欧姆接触配置于所述P型半导体层上。
本发明的半导体发光元件于一基板上包含上述的氮化物半导体结构，以及二相配合提供电能的N型电极与P型电极；由此，控制四元载子活性层中铟的含量，使得四元载子活性层的能隙高于阻障层的能隙，不仅可提升电洞进入多重量子井结构，以及达到抑制电子逃逸进入P型半导体层的功效，使得电子与电洞结合机率增加，更可作为P型半导体层与发光层间的缓冲层，以改善P型半导体层与发光层所产生的晶格失配造成晶体质量劣化的问题；此外，通过四元载子活性层的第四主族元素掺质可降低因Mg-H键结所造成的不活化现象，使Mg活化而具有受体的有效作用，进而使得四元载子活性层具有高电洞浓度，提供更多的电洞进入发光层，增加电子电洞结合的情况，以便半导体发光元件可呈现出足够低的阻抗，进而获得更佳的发光效率。
再者，根据本发明的具体实施方式，优选地，在上述半导体发光元件中，亦可于基板与N型半导体层间表面形成有一缓冲层，所述缓冲层为氮化铝镓AlzGa1-zN，其中0＜z＜1；以解决因晶格差异所产生的磊晶差排现象。
附图说明
图1为本发明的一优选实施例提供的氮化物半导体结构的剖面示意图。
图2为根据本发明的优选实施例提供的氮化物半导体结构所制作的半导体发光元件的剖面示意图。
主要组件符号说明：
1 基板 2 N型半导体层
21 N型电极 3 P型半导体层
31 P型电极 4 发光层
41 阻障层 42 井层
5 四元载子活性层 6 N型载子阻隔层
7 缓冲层
具体实施方式
本发明的目的及其结构设计功能上的优点，将依据以下附图及优选实施例予以说明，以对本发明有更深入且具体的了解。
首先，在以下实施例的描述中，应当理解当指出一层(或膜)或一结构配置在另一个基板、另一层(或膜)、或另一结构“上”或“下”时，其可“直接”位于其它基板、层(或膜)、或另一结构，亦或者两者间具有一个以上的中间层以“间接”方式配置，可参照附图说明每一层所在位置。
请参阅图1所示，其为本发明的一优选实施例提供的氮化物半导体结构的剖面示意图，其包含有一N型半导体层2以及一P型半导体层3，于N型半导体层2与P型半导体层3间配置有一发光层4(active layer)，发光层4与P型半导体层3间配置有一四元载子活性层5，且四元载子活性层5为氮化铝铟镓AlxInyGa1-x-yN，其中x及y为满足0＜x＜1、0＜y＜1、0＜x+y＜1的数值；此外，上述的四元载子活性层5掺杂有浓度为1016-1019cm-3的第四主族元素(优选为碳)；于本实施例中，N型半导体层2是N型氮化镓系半导体层，而P型半导体层3是P型氮化镓系半导体层。
再者，上述的四元载子活性层5掺杂有浓度大于1018cm-3的P型掺质(可例如为镁)，并且，优选地，四元载子活性层5的厚度为50-300nm。
此外，上述的发光层4具有多重量子井结构；其中，多重量子井结构可由氮化铟镓的井层42及氮化镓的阻障层41交替堆栈所形成，且紧邻于多重量子井结构的最后一井层42的四元载子活性层5的能隙大于多重量子井结构的阻障层41的能隙，其中，优选地，四元载子活性层5的能隙高于阻障层41的能隙1％-15％；由此，与公知的P-AlGaN电子阻挡层相较下，不仅提升电洞进入多重量子井结构的效果，亦同时达到抑制电子逃逸进入P型半导体层3的目的，使得电子与电洞结合机率增加，进一步提升发光效率；另外，于发光层4与N型半导体层2间亦可配置有一N型载子阻隔层6，且N型载子阻隔层6由具有高于发光层4的能隙的材料所制成；于本实施例中，其为N型氮化铝镓(N-AlGaN)，以此避免电洞逃逸进入N型半导体层2内。
在此值得注意的，由于以AlxInyGa1-x-yN材料所形成的四元载子活性层5是位于P型半导体层3与发光层4之间，通过控制四元载子活性层5中铟的含量，使得四元载子活性层5的铟含量等于或低于多重量子井结构的井层42的铟含量，进而形成能隙大于井层阻障层41能隙1％-15％的四元载子活性层5，使得载子可局限在多重量子井结构的井层42中，以增加电子电洞覆合的机率，进而提升内部量子效率，达到有效增强半导体发光元件发光效率的功效；此外，本发明的四元载子活性层5可作为P型半导体层3与发光层4间的缓冲层，以改善P型半导体层3与发光层4所产生的晶格失配造成晶体质量劣化的问题；同时，更可减低井层42受到压缩应力的影响，使得于井层42内的电子和电洞在空间上更为聚集，有效地将电子电洞局限于每一个井层42内，以提升内部量子效率；此外，压缩应力的减少亦增强相邻的GaN阻障层41和InGaN井层42之间的界面特性，以改善界面处的载子损耗，亦可增加内部量子效率。
上述实施例的氮化物半导体结构于实际实施使用时，由于四元载子活性层5的能隙高于阻障层41的能隙1％-15％，不仅可达到抑制电子溢流的功效，亦能提升电洞注入的效果，使得电子与电洞结合机率增加，进一步提升发光效率；此外，由于四元载子活性层5掺杂有浓度为1016-1019cm-3的第四主族元素，利用第四主族元素取代五价的氮原子，以此多一个带正电电洞，使得四元载子活性层5可具有高电洞浓度，上述的第四主族元素可例如为碳(C)、硅(Si)、锗(Ge)、锡(Sn)、铅(Pb)等，其中，优选地，第四主族元素为碳，其原因为：在磊晶的过程中，碳会与由氨气分解出的氢反应并形成稳定的化合物CH4，而脱离氮化物半导体，故H的含量降低，也连带使得Mg-H键结的情况因此降低，造成Mg具有离子型态的有效作用，因此，四元载子活性层5可具有高电洞浓度，由此提供更多的电洞进入发光层4，进而增加电子电洞结合的情况；值得注意的，若第四主族元素于四元载子活性层5中掺杂浓度小于1016cm-3，无法具有电洞提供的效果，若第四主族元素掺杂浓度大于1019cm-3，则会产生阻值变高的问题，优选的掺杂浓度为5×1016-5×1018cm-3。
请参阅图2所示，上述的氮化物半导体结构可应用于半导体发光元件中，图2为根据本发明的优选实施例提供的氮化物半导体结构所制作的半导体发光元件的剖面示意图，所述半导体发光元件至少包含有：
一基板1；
一N型半导体层2，其配置于基板1上；
一发光层4，其配置于N型半导体层2上；其中，发光层4具有多重量子井结构，且多重量子井结构可由氮化铟镓的井层42及氮化镓的阻障层41交替堆栈所形成，并于每两阻障层41间具有一井层42；
一四元载子活性层5，其配置于发光层4上，四元载子活性层5为氮化铝铟镓AlxInyGa1-x-yN，其中x及y为满足0＜x＜1、0＜y＜1、0＜x+y＜1的数值，优选可为0＜x≤0.4、0＜y≤0.2；再者，四元载子活性层5掺杂有浓度为1016-1019cm-3的第四主族元素(优选为碳)；其中，优选地，四元载子活性层5的厚度为50-300nm，且可掺杂有浓度大于1018cm-3的P型掺质(例如为镁)，且四元载子活性层5的能隙大于多重量子井结构的阻障层41的能隙，优选为高于阻障层41能隙的1％-15％；
一P型半导体层3，其配置于四元载子活性层5上；
一N型电极21，其以欧姆接触配置于N型半导体层2上；以及
一P型电极31，其以欧姆接触配置于P型半导体层3上；其中，N型电极21、P型电极31相配合地提供电能，且可以下列材料、但不仅限于这些材料所制成：钛、铝、金、铬、镍、铂及其合金等，而其工艺方法为本领域一般技术人员所公知的，且并非本发明的重点，因此，不再本发明中加以赘述。
此外，于发光层4与N型半导体层2间可进一步配置有一N型载子阻隔层6，且N型载子阻隔层6由具有高于发光层4的能隙的材料所制成；再者，为解决因晶格差异所产生的磊晶差排现象，亦可于基板1与N型半导体层2间形成有一缓冲层7，缓冲层7为氮化铝镓AlzGa1-zN，其中0＜z＜1。
由上述的氮化物半导体结构的实施说明可知，本发明的半导体发光元件通过控制四元载子活性层5中铟的含量，使得四元载子活性层5的能隙高于阻障层41的能隙1％-15％，不仅可提升电洞进入多重量子井结构，以及达到抑制电子逃逸进入P型半导体层3的功效，使得电子与电洞结合机率增加，更可作为P型半导体层3与发光层4间的缓冲层7，以改善P型半导体层3与发光层4所产生的晶格失配造成晶体质量劣化的问题；此外，通过四元载子活性层5的第四主族元素掺质可降低因Mg-H键结所造成的不活化现象，使Mg活化而具有受体的有效作用，进而使得四元载子活性层5具有高电洞浓度，提供更多的电洞进入发光层4，增加电子电洞结合的情况，以便半导体发光元件可呈现出足够低的阻抗，进而获得更佳的发光效率。

Claims (9)

1.一种氮化物半导体结构，其包含一N型半导体层以及一P型半导体层，于所述N型半导体层与所述P型半导体层间配置有一发光层，所述发光层与所述P型半导体层间配置有一四元载子活性层，所述四元载子活性层为氮化铝铟镓AlxInyGa1-x-yN，其中x及y为满足0<x<1、0<y<1、0<x+y<1的数值；
其中，所述四元载子活性层掺杂有浓度介于1016-1019cm-3的第四主族元素；
其中，所述四元载子活性层掺杂有浓度大于1018cm-3的P型掺质；
其中，所述P型掺质为镁。
2.如权利要求1所述的氮化物半导体结构，其中，所述第四主族元素为碳。
3.如权利要求1所述的氮化物半导体结构，其中，所述发光层具有多重量子井结构，所述多重量子井结构包含多个彼此交替堆栈的井层及阻障层，所述四元载子活性层紧邻于所述多重量子井结构的最后一井层，且所述四元载子活性层的能隙大于所述阻障层的能隙。
4.如权利要求3所述的氮化物半导体结构，其中，所述四元载子活性层的能隙高于所述阻障层的能隙1％-15％。
5.如权利要求1所述的氮化物半导体结构，其中，所述四元载子活性层的厚度为50-300nm。
6.如权利要求1所述的氮化物半导体结构，其中，所述四元载子活性层的x范围为0<x≤0.4。
7.如权利要求1所述的氮化物半导体结构，其中，所述四元载子活性层的y范围为0<y≤0.2。
8.一种半导体发光元件，其至少包含有：
一基板；
一N型半导体层，其配置于所述基板上；
一发光层，其配置于所述N型半导体层上；
一四元载子活性层，其配置于所述发光层上，所述四元载子活性层为氮化铝铟镓AlxInyGa1-x-yN，其中x及y为满足0<x<1、0<y<1、0<x+y<1的数值；
一P型半导体层，其配置于所述四元载子活性层上；
一N型电极，其以欧姆接触配置于所述N型半导体层上；以及
一P型电极，其以欧姆接触配置于所述P型半导体层上；
其中，所述四元载子活性层掺杂有浓度介于1016-1019cm-3的第四主族元素；
其中，所述四元载子活性层掺杂有浓度大于1018cm-3的P型掺质；
其中，所述P型掺质为镁。
9.如权利要求8所述的半导体发光元件，其进一步于所述基板与所述N型半导体层间设置一缓冲层，所述缓冲层为氮化铝镓AlzGa1-zN，其中0<z<1。
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