CN108550670A - 氮化物半导体结构及半导体发光元件 - Google Patents
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Abstract
本发明有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空穴提供层，空穴提供层为氮化铟镓InxGa1‑xN(0<x<1)，且空穴提供层掺杂有浓度为1017‑1020cm‑3的第四主族元素。该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，以及二相配合地提供电能的N型电极与P型电极。通过掺杂第四主族元素可提高空穴浓度，并降低因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，进而增加发光效率。
Description
本申请是2013年1月25日申请的，申请号为201310029644.9，发明名称为“氮化物半导体结构及半导体发光元件”的中国发明专利申请的分案申请。
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，尤其是指一种具有空穴提供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，发光二极管的应用面日趋广泛，已成为日常生活中不可或缺的重要元件；且发光二极管可望取代现今的照明设备，成为未来新世代的固态照明元件，因此发展高节能高效率及更高功率的发光二极管将会是未来趋势；氮化物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，已成为最新兴光电半导体材料之一，而第三主族氮化物的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。
第三主族氮化物如氮化铟(InN)、氮化镓(GaN)以及氮化铝(AlN)等材料具有一宽能带间隙，在光电半导体元件中扮演相当重要的角色，其能带范围从直接带隙为0.7eV的InN，到3.4eV的GaN，甚至于6.2eV的AlN，发出的光波长范围从红、绿、蓝、到深紫外线；而第三主族氮化物半导体于作为发光元件上需要PN接合，具体而言，必须形成N型氮化物半导体层以及P型氮化物半导体层，而一般是以掺杂如Si或Sn等N型掺质以形成N型氮化物半导体层，而在形成P型氮化物半导体层上，一般是使用Mg作为P型掺质；然而，Mg容易与H键结，形成镁-氢复合物(Mg-H Complexes)，导致上述的P型掺质无法发挥受体的性质，造成提供的空穴浓度大幅地下降，使得发光元件无法发挥正常的效能，也因此具有低阻抗(low-resistance)的P型氮化物半导体层并不容易通过传统的技术来形成。
举例而言，在形成由P型氮化物所组成的半导体层(例如氮化镓)的时候，通常会使用NH3气体来作为氮的来源，于磊晶过程中(例如气相沉积等)，高温会使得NH3分解产生氮原子与氢原子，氢原子会与在上述半导体层中用来作为受体的P型掺质(例如Mg)形成键结，使得上述的P型掺质失去作用，导致掺杂浓度无法有效提升；再者，又由于镁在氮化镓中的活化能非常大，使得空穴活化的效率极低(不到10％)；所以P型氮化镓的空穴浓度难以提高；因此，为了得到高的空穴浓度，必须减少Mg和H结合，以使得P型氮化镓可以呈现出足够低的阻抗，进而达到更佳的发光效率。
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，其通过空穴提供层掺杂第四主族元素来提高空穴浓度，并降低因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，进而使得空穴提供层具有更高空穴浓度，由此提供更多的空穴进入发光层，增加电子空穴结合的情况，以获得良好的发光效率。
本发明的另一目的为提供一种半导体发光元件，其至少包含有上述的氮化物半导体结构。
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空穴提供层，所述空穴提供层为氮化铟镓InxGa1-xN，其中0<x<1，且所述空穴提供层掺杂有浓度为1017-1020cm-3的第四主族元素。
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，所述第四主族元素为碳。
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，所述空穴提供层掺杂有浓度大于1018cm-3的P型掺质。
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P型掺质为镁。
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，所述发光层具有多重量子井结构，且所述空穴提供层的能隙大于所述多重量子井结构的井层的能隙。
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，所述空穴提供层的厚度为1-100nm。
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，所述空穴提供层为氮化铟镓InxGa1-xN，其中x为0<x≤0.1。
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，所述空穴提供层与所述P型半导体层间配置有一P型载子阻隔层，且所述P型载子阻隔层由具有高于所述发光层的能隙的材料所制成。
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，所述发光层与所述N型半导体层间配置有一N型载子阻隔层，且所述N型载子阻隔层由具有高于所述发光层的能隙的材料所制成。
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，所述发光层与所述N型半导体层间配置有一N型载子阻隔层，且所述N型载子阻隔层由具有高于所述发光层的能隙的材料所制成。
在本发明中，该氮化物半导体结构包含一N型半导体层与一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空穴提供层，所述空穴提供层为氮化铟镓InxGa1-xN，其中0<x<1，优选地，x的数值范围为0<x≤0.1；此外，所述空穴提供层掺杂有浓度为1017-1020cm-3的第四主族元素，若第四主族元素掺杂浓度小于1017cm-3，无法具有空穴提供的效果，若第四主族元素掺杂浓度大于1020cm-3，则会产生阻值变高的问题，优选的掺杂浓度为8×1017-5×1018cm-3，其中，所述第四主族元素可例如为碳。
此外，上述的空穴提供层掺杂有浓度大于1018cm-3的P型掺质，且空穴提供层的厚度为1-100nm；其中P型掺质可例如为镁。
在本发明的一实施例中，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；且空穴提供层的能隙是大于多重量子井结构的井层的能隙，使得空穴可进入多重量子井结构的井层中，以增加电子与空穴结合机率，进一步提升发光效率。
另外，在本发明的一实施例中，空穴提供层与P型半导体层间可配置有一P型载子阻隔层(例如为P型氮化铝镓等)，且P型载子阻隔层由具有大于发光层的能隙的材料所制成，举例来说，当发光层为多重量子井结构时，则P型载子阻隔层的能隙大于多重量子井结构的阻障层的能隙，以避免电子逃逸进入P型半导体层内，具有减缓电子移动速率，并增加滞留于发光层时间的功效；而于发光层与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，以避免空穴逃逸进入N型半导体层内，以提高电子空穴结合的机率。
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；
一空穴提供层，其配置于所述发光层上，所述空穴提供层为氮化铟镓InxGa1-xN，其中0<x<1，且所述空穴提供层掺杂有浓度为1017-1020cm-3的第四主族元素；
一P型半导体层，其配置于所述空穴提供层上；
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，以及二相配合地提供电能的N型电极与P型电极；由此，空穴提供层的第四主族元素提高空穴浓度，并降低因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，进而使得空穴提供层具有更高的空穴浓度，由此提供更多的空穴进入发光层，以增加电子空穴结合的情况，以便半导体发光元件可呈现出足够低的阻抗，进而获得良好的发光效率。
再者，为解决因晶格差异所产生的磊晶差排现象，亦可于基板表面形成有一缓冲层，所述缓冲层为氮化铝镓AlGayN1-y的材料，其中0<y<1。
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
5 空穴提供层 6 P型载子阻隔层
7 N型载子阻隔层 8 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间配置有一空穴提供层5，空穴提供层5为氮化铟镓InxGa1-xN，其中0<x<1，优选的x的数值范围为0<x≤0.1；此外，空穴提供层5掺杂有浓度为1017-1020cm-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。
此外，上述的空穴提供层5掺杂有浓度大于1018cm-3的P型掺质(可例如为镁)，且空穴提供层5的优选厚度为1-100nm。
再者，上述的发光层4具有多重量子井结构(multiple quantum well，MQW)；其中，多重量子井结构可由氮化铟镓的井层(well)及氮化镓的阻障层(barrier)交替堆栈所形成；且空穴提供层5的能隙(bandgap energy)大于多重量子井结构的井层的能隙，使得空穴可进入于多重量子井结构的井层中，以增加电子与空穴结合机率，进一步提升发光效率。
另外，空穴提供层5与P型半导体层3间可配置有一P型载子阻隔层6，且P型载子阻隔层6由具有大于发光层4的能隙的材料所制成；于本实施例中，其为P型氮化铝镓(P-AlGaN)，以避免电子逃逸进入P型半导体层3内，其具有减缓电子移动速率，并增加滞留于发光层4的时间；而于发光层4与N型半导体层2间亦可配置有一N型载子阻隔层7，且N型载子阻隔层7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)，由此避免空穴逃逸进入N型半导体层2内。
根据上述实施例的氮化物半导体结构于实际实施使用时，由于空穴提供层5掺杂有浓度为1017-1020cm-3的第四主族元素，利用第四主族元素取代五价的氮原子，由此多一个带正电空穴，使得空穴提供层可具有高空穴浓度，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，空穴提供层5可具有高空穴浓度，由此提供更多的空穴进入发光层4，进而增加电子空穴结合的情况。
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；
一空穴提供层5，其配置于发光层4上，空穴提供层5为氮化铟镓InxGa1-xN，其中0<x<1，优选为0<x≤0.1；再者，空穴提供层5掺杂有浓度为1017-1020cm-3的第四主族元素(优选为碳)；其中，空穴提供层5的厚度优选为1-100nm，且可掺杂有浓度大于1018cm-3的P型掺质(可例如为镁)，且空穴提供层5的能隙大于多重量子井结构的井层的能隙；
一P型半导体层3，其配置于空穴提供层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，而其制作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，空穴提供层5与P型半导体层3间可配置有一P型载子阻隔层6，而于发光层4与N型半导体层2间配置有一N型载子阻隔层7，且N型载子阻隔层7、P型载子阻隔层6皆由具有高于发光层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表面形成有一缓冲层8，缓冲层8为氮化铝镓AlGayN1-y的材料，其中0<y<1。
由此，由上述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是通过空穴提供层5的第四主族元素掺质降低因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，进而使得空穴提供层5具有高空穴浓度，提供更多的空穴进入发光层，增加电子空穴结合的情况，以便半导体发光元件可呈现出足够低的阻抗，进而获得良好的发光效率。
综上所述，本发明的氮化物半导体结构及半导体发光元件，的确能通过上述所揭露的实施例，达到所预期的使用功效。
上述所揭露的附图及说明，仅为本发明的优选实施例，并非为限定本发明的保护范围；本领域一般技术人员，依据本发明的特征，所做的其它等效变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的保护范围。
Claims (13)
1.一种氮化物半导体结构，其特征在于，包括：
一N型复合半导体层；
一发光层，位于所述N型半导体层上，并具有多重量子井结构，其中所述多重量子井结构由多个井层与多个阻障层交替堆叠而成；以及
一P型复合半导体层，位于所述发光层上，其中所述P型复合半导体层之邻近于所述发光层的第一区的碳浓度高于所述P型复合半导体层之远离于所述发光层的第二区，且所述第一区的能隙大于所述多重量子井结构之所述井层的能隙。
2.一种氮化物半导体结构，其特征在于，包括：
一N型复合半导体层；
一发光层，位于所述N型半导体层上；以及
一P型复合半导体层，位于所述发光层上，其中所述P型复合半导体层之邻近于所述发光层的第一区的碳浓度高于所述P型复合半导体层之远离于所述发光层的第二区，且所述第一区的氢浓度低于所述第二区的氢浓度。
3.一种氮化物半导体结构，其特征在于，包括：
一N型复合半导体层；
一发光层，位于所述N型半导体层上；以及
一P型复合半导体层，位于所述发光层上，其中所述P型复合半导体层之邻近于所述发光层的第一区的碳浓度高于所述P型复合半导体层之远离于所述发光层的第二区，所述第一区的材质包括铟，且所述P型复合半导体层之位在所述第一区与所述第二区之间的一第三区的材质包括铝。
4.一种氮化物半导体结构，其特征在于，包括：
一N型复合半导体层；
一发光层，位于所述N型半导体层上，并具有多重量子井结构，其中所述多重量子井结构由多个井层与多个阻障层交替堆叠而成；以及
一P型复合半导体层，位于所述发光层上，其中所述P型复合半导体层包括邻近于所述发光层的第一区、远离于所述发光层的第二区与夹于所述第一区与所述第二区之间的一第三区，所述第一区的能隙大于所述多重量子井结构之所述井层的能隙，所述第一区的材质包括铟，且所述第三区的材质包括铝，且所述第一区掺杂四族元素的浓度大于所述第二区掺杂四族元素的浓度。
5.一种氮化物半导体结构，其特征在于，包括：
一N型复合半导体层；
一发光层，位于所述N型半导体层上，并具有多重量子井结构，其中所述多重量子井结构由多个井层与多个阻障层交替堆叠而成；以及
一P型复合半导体层，位于所述发光层上，其中所述P型复合半导体层包括邻近于所述发光层的第一区、远离于所述发光层的第二区与夹于所述第一区与所述第二区之间的一第三区，所述第一区材质包含铟，且所述第一区掺杂四族元素的浓度大于所述第三区掺杂四族元素的浓度。
6.一种氮化物半导体结构，其特征在于，包括：
一N型复合半导体层；
一发光层，位于所述N型半导体层上，并具有多重量子井结构，其中所述多重量子井结构由多个井层与多个阻障层交替堆叠而成；以及
一P型复合半导体层，位于所述发光层上，其中所述P型复合半导体层包括邻近于所述发光层的第一区与远离于所述发光层的第二区，所述第一区材质包含铟，且所述第一区掺杂有浓度介于1017～1020cm-3的四族元素。
7.如权利要求1或2或6所述的氮化物半导体结构，其特征在于，所述P型复合半导体层更包括介于所述第一区与所述第二区之间的一第三区，且所述第三区的材质为P型氮化铝镓而所述第一区的材质为P型氮化铟镓。
8.如权利要求1、2或3所述的氮化物半导体结构，其特征在于，所述P型复合半导体层之所述第一区的碳浓度为1017～1020cm-3。
9.如权利要求1、2、3、4、5或6所述的氮化物半导体结构，其特征在于，所述P型复合半导体层的P型掺质包括镁。
10.如权利要求1、2、3、4、5或6所述的氮化物半导体结构，其特征在于，所述N型复合半导体层包括邻近于所述发光层的一N型载子阻隔层，且所述N型载子阻隔层的材质为N型氮化铝镓。
11.如权利要求1、2、3、4、5或6所述的氮化物半导体结构，其特征在于，所述第一区的氢浓度低于所述第二区的氢浓度。
12.如权利要求3、4或5所述的氮化物半导体结构，所述第三区的材质包含铝。
13.如权利要求4、5或6所述的氮化物半导体结构，所述四族元素为碳，浓度介于1017～1020cm-3。
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