TW200529467A - Nitride based semiconductor light-emitting device - Google Patents

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TW200529467A TW093119376A TW93119376A TW200529467A TW 200529467 A TW200529467 A TW 200529467A TW 093119376 A TW093119376 A TW 093119376A TW 93119376 A TW93119376 A TW 93119376A TW 200529467 A TW200529467 A TW 200529467A
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Jeong-Tak Oh
Dong-Joon Kim
Sun-Woon Kim
Jin-Sub Park
Kyu Han Lee
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Samsung Electro Mech
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Description

200529467 九、發明說明： [發明所屬之技術領域] 本發明係有關以氛化物為基礎之半導體發光裝置，更 詳言之，係有關使用具有增加電洞注入活性層之效率的p 型披覆層結構，而藉此展現出高發光效率（lumin〇us efficiency)之以氮化物為基礎之半導體發光裝置。 [先前技術] 一般而言，以氮化物為基礎之半導體發光裝置為具有魯 高輸出的光學裝置，此等裝置能產生短波長光 (short-wavelength light)在藍色與綠色等範圍内，藉此使全 彩光譜實現。由於這些理由，以氮化物為基礎之半導體發 光裝置已引起相關工業領域的注意。 以氮化物為基礎之半導體發光裝置是由能藉著 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition，本文 中稱為金屬有機化學氣相沈積法）在基板（例如藍寶石和
SiC(碳化矽）基板）上生長之AixInyGa(】 x y)N (式中〇 $ X s φ 乂，〇5乂<1及0幺乂 + >/幺1)所組成的半導體單晶。 以氮化物為基礎之半導體發光裝置實質上係由η型披 覆層、無#雜活性層（unc]0pe(j active layer)與ρ型披覆層所 構成。習知之以氮化物為基礎之半導體發光裝置係分段顯 不於第1圖。 蒼照第1圖，習知之以氮化物為基礎之半導體發光裝 置1〇包括藍寶石基板Η，以及按以下順序沈積在藍寶石 基板Π上的η型披覆層丨3、無摻雜活性層1 $與ρ型彼覆 92640 5 200529467 層17。此外，該發光裝置1〇進一步包括分別連接至該n 型彼復層13和该ρ型披覆層丨7的η側電極i 9a與ρ側電 極19b。該活性層15可具有多量子井結構，在此結構中， 複數個GaN(氮化鎵）量子隔離層與複數個InGaN(氮化銦鎵 量子井層係交替地層合。 當電流施加到電極i 9a和丨9b時，由該n型披覆層j 3 所發射的電子與該p型披覆層17所產生的電洞，彼此於具 有多$子井結構的該活性層丨5中再結合，以發出在綠色或 藍色範圍内的短波長光。 如第1圖中所概括之圖示，該p型披覆層丨7包含形成 於該活性層15上的EBL(Electr〇nB1〇ckingLayer，本文中 稱為電子阻障層）17b與形成於該EBL17b上的接觸層 17a。該EBL17b可由含有A1(鋁）之氮化物半導體，例如p 型AlGaN(氮化鋁鎵）所製成，反之該接觸層17a可由不含 之氮化物半導體，例如GaN所製成。 由於該AlGaN電子阻障層i7b具有比不含或含有少量 的氮化物半導體更大的能帶間隙（energy band gap)，因 此能有效地防止由該！^型披覆層13所發射而沒有與電洞於 活性層中再結合的電子溢流。包含該EBL 1 7b的該p型披 覆層Π本身能減少溢流電子數而促進發光裝置1 〇之發光 效率的改善。 然而’由於AlGaN不僅具有比任何其他氮化物半導體 層更低的電洞遷移率（h〇】e mobiIity)，而且還具有相當低的 琶/同/辰度（約1 X1 〇 /cm3)，因此可能會降低由p側電極1外 6 200529467 所產生之電洞注入活性層1 5的效率，而導致獲得高發光效 率方面的問題。 因此’於習知技術中需要以氮化物為基礎的新穎發光 裝置’此發光裝置能維持該EBL之優點，亦即防止電子溢 飢’亚同時增加電洞注入活性層的效率，藉此以互補方式 顯著地改善整體發光效率。 [發明内容] 因此’有鑑於上述問題而創造本發明，本發明之一目龜 的係提供以氮化物為基礎之半導體發光裝置，此發光裝置、 使用由電子阻障層（EBL)所構成的p型披覆層結構、活性 層及插入於前兩層之間用以增加電洞注入效率的層（後文 稱為笔洞/主入效率增加層（h〇ie叫“以⑽ efficiency_enhancing layer)”）’以藉此防止電子溢流並增加 電洞注入效率。
為了達到本發明之上述㈣，係提供以氮化物為基石 之半導體發光裝置，此發光裝置包括由 A1xiIny]Ga(I-x].y])N (式中 〇 $ χ】$ 卜 〇 < y】$ 卜及 〇 < & y]-】)所製成之η型披覆層、形成於該n型披覆層上之由 歸雜(式中G<A<1)所製成之多量子井結構 的活性層，及形成於該活性層上之p型披覆層，其中該p 々设層至少包3形成於該活性層上之由p型^^咖】^ 0 S Υ2 < Ο所製成之第一層與形成於該第-層上之隹 P 型 AIx3lny3Ga(—)N (式中 〇 < x3 s 1，0 ，及 〇 < X3 + y3 $ 1)所製成之第二層。 92640 7 200529467 該第-層最好係以具有比該第二層更高摻雜濃度 (d〇_g concentration)的方式形成。該第一層的厚度較佳調 整至約H)0_或更小’更佳為在約1〇nm至約％麵的範 圍内。 於本發明之-具體實施例中，該p型披覆層可進一步 包含第三層，如形成於該第二層上之由pfMny4Ga"4N (式 中0 S y4 < 1)所製成之p型接觸層。
該第三層可由形成於該第二層上之具有第一推雜濃度 的低濃度p型GaN半導體層’及形成於該低濃“型GaN 半導體層上之具有高於該第一摻雜濃度之濃度的高濃度p 型GaN半導體層所構成。 在此具體實施例中，該第二層的厚度較佳為調整在約 5^)nm至約20〇nm的範圍内，以充分防止電子溢流。在此 情況下’該P型披覆層的總厚度可能至少為16〇nm。 該第一層較佳為GaN半導體層，而該第二層較佳為 AlGaN半導體層。再者，該n型披覆層則較佳為半導 體層。 為了在防止電子溢流所引起的電流損失時，能增加由 P型披覆層所產生之電洞的注入效率，該p型披覆層包含 電子阻障層（EBL)如含有A1的氮化物半導體層，活性層如 含有A1的氮化物半導體層，及插入這兩層之間不含μ的 氮化物半導體層。此不含A1之氮化物半導體層，例如 GaN ’具有比含有A1之EBL (約5 cm2/Vs至約10 cm2/Vs) 更1¾的電洞遷移率（h〇ie mobility)(約15 cm2/Vs至約20 δ 92640 200529467 者由黾/同〉辰度（hole concentration)的觀點看 ‘ 來’ P型⑽層具有比P型AlGaN層(約lxl0i7/cm3)更高 的電洞濃度（5xl〇】7/cm3)。 ^總之，由於不含A1的氮化物半導體層，例如GaN， 係插入EBL與活性層之間，因此電子溢流係由含有μ的 EBL所防止。同時，由於不含ai的氮化物半導體層係配 置與活性層接觸’因此電洞注人效率顯著地增加。 [實施方式] · 本發明將參考附圖’由具體實施例詳細說明。 - 第2圖為根據本發明之一具體實施例以氮化物為基礎 之半導體發光裝置的側截面圖。 如第2圖中所示’根據本發明之一具體實施例以氮化 物為基礎之半導體發光裝置2〇包括藍寶石基材Η，以及 按以下順序沈積在藍寶石基材21上的n型披覆層23、無 摻雜活性層25與p型披覆層27。該發光裝置2〇進一步包 括分別連接至該n型披覆層23和該卩型披覆層”的打側籲 電極29a與p側電極29b。該活性層25可具有多量子井結
構在此、，，°構中，複數個GaN量子隔離層與複數個InGaN 量子井層係交替地層合。 形成於監寶石基板21上的該n型披覆層23可為GaN 層，但並不限於此。舉例而言，該n型披覆層23可由打 型 Alx]Iny]Ga(]-x〗_y])N (式中 〇2X]幺 υ 幺 ，及 〇幺〜 + < 1)所製成。 ] 形成於η型披覆層23上的活性層25可具有多量子井 92640 9 200529467 •結構，例如其中有複數個以lnGaN為基礎之 數個以GaN為美虑夕曰1 于井層與稷 马基磓之1子隔離層交替層合的結構。 、、在此具體實施例中，P型披覆層27包含用以增加 二入效率之第：層27C、料EBL (電子阻障層)之第二層 7及必要％，作為接觸層之第三層27a。該第一；27曰 係形成於活性層25上，日i 斯丨τ π 日 由p型Iny2Ga】一（式中〇 < 歹1 u aN所製成。該第二層27b係形成於該第—層we .且由 p 型 Alx3Iny3Ga(]_x3 y3)N (式中 〇<X3q，^ 1，及ο < χ 3 + y “ i)所製成。該第三層2 7 a可由p型3 -Iny4Ga】-y4N (式中〇 $〜 ⑽製成。 作為P型接觸層之第一層27a 物半導體，例如P型GaN所製成。作為電子阻 =^匕 二咖所製成。第一層27c係由含有 例如―製成。由於不含A】 =; 比作為狐且含有^之該第二層27b更高的電㈣j 加電洞注入效率。 _咖柄），因此有利於增 例如’ p型AIGaN構成的_般卩型祖具有約5至 cm/Vs的電洞遷移率與約lxl〇I7/cm3的雜質漠产。相 1而言’在本發财絲作為料㈣Μ 二 型GaN層具有約15咖2/%至 曰勺。〇 與約5xl0]7/em3_f μ。 cm s的電洞遷移率 因此，插入該EBL27b與該活性層25之間不含則 92640 ]0 200529467 ㈣增加層27c ’例如⑽’係防止由於含有ai 之 7b的存在所引起的電子溢流，並同時顯著地增加 電洞注入效率，因為該電洞注入效率增加層係形成於活性 層25上。 為了進-步增加電洞注入效率，作為該第三層之電洞 注入效率增加層2〜較佳係以具有比作為該第二層之 27b更而的卩型雜質（例如Mg)濃度的方式形成。該電洞注 入效率增加層27c的厚度越大，則該咖咖與該活性層钃 25之間的距離也越大。由於這項理由，故難以達到肌w m 的功此’’亦即指防止電子溢流的功能。因此，該電洞注入 效率增加層27c的厚度較佳調整至約⑺加⑽或更小。 根據本發明之另一觀點，由於發光裝置的結構能藉使 用插入mBL與該活性層之間的該電洞注人效率增加 層，例如GaN層，而大幅增加電洞注入效率，因此為了有 效地防止電子溢流而不使電洞注入效率劣化，較佳為容許 乂 EBL具有更大的厚度。此兩種功能，即電洞注入效率與_ 、甩子/皿/;,L，在習知發光裝置中已被認定是以互斥原則 為基礎而作用。然而，在本發明中，因為電洞注入效率增 力層的‘入，在根本上消除了由於該EBL的厚度增加所引 起的負面結果（例如電洞注入效率的降低），所以此兩種功 能可以互補方式改善。 第3圖為根據本發明之另一具體實施例以氮化物為基 礎之半導體發光裝置的側截面圖。 第3圖中所示之以氮化物為基礎之半導體發光裝置3〇 92640 200529467 .包括藍寶石基板31，以及按以下順序沈積在藍寶石基板31 上的η型披覆層33、無摻雜活性層35與p型披覆層37。 發光裝置30進一步包括分別連接至該η型披覆層％和該 Ρ型披覆層37的η側電極39a與ρ側電極39b。與第2圖 中所示的結構相似，該P型被覆層37包含用以增加電洞注 入效率之第一層37c、作為EBL之第二層37b，及必要時， 作為接觸層之第三層37a。
• 用以增加電洞注入效率之該第一層37c可由卩型GaN -所製成，而作為之該第二層37b可由p型AR}aN所 製成。此外，作為p型披覆層之接觸層的該第三層37a可 由P型GaN所製成。該第三層3、較佳包含具有第一雜質 濃度的第- p型GaN層及具有高於該第—雜質濃度之第二 雜質濃度的第二p型GaN層。 如先前所說明者，該第—層37e的厚度⑹較佳調整至 約H)〇nm或更小，且更佳設在約1〇nm至約3〇_的範圍 •内，以便使EBL的功能不會劣化。高於約⑺⑽時，可達 到充分的電洞注入效率。低於約3〇_時，該祖的功能 不會劣化。 此外，為了充分石隹保EBL的功能，該第二層m的厚 度A)較佳設在約50nm至約2〇〇nm的範圍内。習知上，基 於與含有A1之氮化物半導體的晶體生長和由於EBL之功 月匕改善所引起的電洞沐人、玄，II女/
书/丨j/主入效率降低之有關的問題，該EBL 的厚度已調整至小於5〇nm。；):日料二丄 士丄々 1相對而s，在本發明中，由於 電洞注入效率增加層與活性層接觸 因此係增加電洞注入 92640 12 200529467 效率並同時有效地防止電子溢流。 在這些情況下，考慮到作為接觸層之第三層37a的厚 ’本發明所用的該p型披覆層37較佳形成為至少一 的厚度。 後文中，將參考特定實施例，以更詳細地說明本發明 之作用與效果。 (實施例1) 為了確認根據本發明之以氮化物為基礎之半導體發光 裝置特性的改善’係製造第2圖中所示之讀化物為基礎 之半導體發光裝置。 首先，在監寶石基板上形成作為緩衝層（bufferlayer) 之GaN低溫核生長層(low temperature姻ciei 〜叫 layer)之後，於該層上形成n型GaN披覆層，以便具有 4Xl〇】Vcm3的雜質濃度。之後，由五個In0.]5Ga〇.85N量子 井層和五個GaN量子隔離層所構成之多量子井結構的活 性層，形成於該η型披覆層上。 再者，由ρ型GaN所製成的電洞注入效率增加層、由 p型AlowGaowN所製成的電子阻障層（ebl)，以及由p型 GaN所製成的接觸層係相繼沈積在活性層上，以製備ρ型 披覆層。形成該電洞注入效率增加層，以便具有約 5xl0]7/cm3的雜質濃度與約2〇nm的厚度。形成該電子阻 障層，以便具有約lxl〇]7/cm3的雜質濃度與約2〇nm的厚 度。此外，形成該接觸層，以便具有約5xl〇n/cm3的雜質 濃度與約76nm的厚度。 92640 13 200529467 最後，含有Ni(鎳）的透明電極層（Μ，·"·* 】aye〇係形成於該p型披覆層上’接著使n側電極和p側電 極分別形成於該以披覆層與該ρ型披覆層上，^造最 終以氮化物為基礎的半導體發光裝置。 (實施例2 ) 為了觀測取決於㈣飢的厚度增加之本發明之以氮 化物為基礎之半導體發光裝置特性的改變，與實施例】所 製造的發光裝置相比，該EJBL的厚度增加。
在此實施例中，上乂氮化物為基礎之丨導體發光裝置除 了改變Ρ型披覆層的結構之外，皆與實施例i相同的方法 製造。具體而言，電洞注入效率增加層係由P型GaN製成， 以便具有約5xl0]7/cm3的雜質濃度與約2〇nm的厚度，電 子阻障層係由p型Al〇.】5Ga〇.85N製成，以便具有lxl〇】7/cm3 的雜質濃度與約69nm的厚度，而p型接觸層係由p型GaN 製成，以便具有5xl〇17/cm3的雜質濃度與約76nm的厚度。 (比較例1) & 以氮化物為基礎之半導體發光裝置除了沒有形成電洞 注入效率增加層，以至於p型披覆層只包含EBL與接觸層 之外，其餘皆與實施例丨相同的方法製造。具體而言，在 不形成電洞注入效率增加層的狀況下，該EBL與該接觸層 係相繼形成於活性層上。如同在實施例丨中，形成由p型 Al0J5GaG.85N所製成之電子阻障層，以便具有約1χ1〇]7/(^3 的雜質濃度與約20nm的厚度，以及形成由p型GaN所製 成之ρ型接觸層，以便具有約5xl〇]7/cm3的雜質濃度與約 92640 14 200529467 76nm的厚度。 為了觀測實施例1和2與比較例丨所製造之以氮化物 為基礎之半導體發光裝置的電氣性質（electrical火 property)，首先，測量實施例}與比較例】之以氮化物為 基礎之半導體發光裝置的正向電壓特性（forward v〇ltage characteristic)(在20ηΊΑ^結果，比較例i之以氮化物為美 礎之半導體發光裝置顯示具有約3.39V的正向電壓，而^ 内部導入由p型GaN所製成之電洞注入效率增加層的實施 例1之以氮化物為基礎之半導體發光裝置卻顯示且有 3·〇Μ的正向電壓。換言之，證實在本發明之以氮化物為 基礎之半導體發光裝置中’電洞注人效率增加層的存在使 正向電壓降低約0.3 V ’這表示正向電壓特性受到改善。 、與上述者相似，測量實施例1和2所製造之以氮化物 為基礎之半導體發光裝置的反向電壓特性（reverse voltage 此_如流）(在_20mA)。實_ i之以氮化物為基礎之半 導體發光裝置顯示具有約9.5V的反向電壓，而實施例2 之以氮化物為基礎之半導體發光裝置卻顯示具有約 :反向電壓。由這些結果證實’實施例2之以氮化物為基 二之半導體發光裝置具有比實施例】之以氮化物為基礎之 半導體發光裝置高出約0.9V的反向電壓。 已證明電洞注入效率增加層的導人與㈣ 增加’能增加電洞注人效率並有效地防止電子溢流。 此外，觀測實施例！和2與比較例】之以氮化物為基 礎之半導體發光裝置的亮度特性(Iumin_e 92640 15 200529467 charactw)。該亮度特性在相同條件下，於464_的波 長區域内測量。其結果顯示於第4圖。 比較例1之以氮化物為基礎之半導體發光裝置只 10.9 (任意單位）的亮度，而將卩型㈣之電洞注入^率辦 加層插入祖與活性層之間的實施⑴之以氮化物為^ 之半導體發光裝置卻具有約13 〇 (任意單位）的亮度， 度與比較例1的相比高出約2 · 1。此外，導命 七, 电洞〉主入效
率增加層及p型EBL之盥6 9nm姑囡士 Ϊ A r 0 卜 ” .ynm相同大小的厚度的實施例 2之以虱化物為基礎之半導體發光裝置具有約η] 單位）的亮度，此亮度比實施例】高出約〇.3。 “ 總之，由於作為氮化物半導體層之不含ai 效率增加層’例如GaN，係插人於肌與活性層之間' 同時配置與活性層接觸，因此能顯著地增加電洞注入效 率。再者，由於厚度增加的祖有效地防止電子溢流> 此月匕改善電亂性質（eleetdcal pr()peny)與亮度特性。 口/本，明之範脅不受上述具體實施例與附圖之限制，但 :、叉此申晴專利範圍之限制。因此，熟習該項技術 ==離利範圍中所揭示的本發明之技術㈣ 勺月况下，各種修飾、附加與替換均有可能。 如同由上述說明所顯而易見者，由於本發明 導體發光裝置使用將氮化物半導體層插入 型因此维…功能’ *、亚同日痛者地增加電洞注入活性層 " ’由於為了有效地防止電子溢流而不使電洞 92640 】6 200529467 注入效率求彳卜 j 々 本赉明之以氮化物為基礎之半導體發光裝 用具有很厚厚度的EBLnm補方式改 。、互斥原則為基礎的此兩種功能，即電洞注 止電子溢流。 >又卞Μ丨万 [圖式簡單說明] ^月之上述與其他目的、特徵和其他優點將由實施 方式^詳細說明並結合附圖而更清楚地瞭解，其中： 第1圖為習知的以氮化物為基礎之半導體發光裝置的 側截面圖； 弟2圖為根據本發明之一具體實施例，以氮化物為基 礎之半導體發光裝置的側截面圖； 第3圖為根據本發明之另一具體實施例，以氮化物為 基礎之半導體發光裝置的側截面圖；及 第4圖為將比較例i所製造之以氮化物為基礎之半導 體發光裝置與本發明之實施例^口 2所製造之以氮化物為 基礎之半導體發光裝置間的亮度特徵比較圖。 [主要元件符號說明] W ' 20 ' 30 發光裝置 11、21、31 藍寶石基板 ^ ' 23、33 η型披覆層 15 Ν 25 Λ 35 無摻雜活性層 17 ' 27、37 ρ型披覆層 17a、27a、37a 接觸層、第三層 17b、27b、37b 電子阻障層、第二層 92640 200529467 19 a、2 9 a、3 9 a n 侧電極 19b、29b、3 9b p 側電極 2 7 c、3 7 c 電洞注入效率增加層、第一層 t p型彼覆層的厚度 tl 電洞注入效率增加層的厚度 t2 電子阻障層的厚度
18 92640

Claims (1)

  1. 200529467 十、申請專利範圍： 1 ·種以氮化物為基礎之半導體發光裝置，包括： n型披覆層，由〗,型Alx]Iny]Ga(]x]_y])N (式中 s 1 ’ 〇 $ y】$ 1 ’及0 U 1)所製成； 形成於該η型披覆層上之由無摻雜InAGa] AN (式 中〇 < A < 1)所製成之多量子井結構的活性層；及 形成於該活性層上之p型披覆層’至少包含形成於 活^層上之由P型lny2Ga】_y2N(式中〇巧2<1)所製 成之第一層與形成於該第一層上之由p型 A1dny3Ga(1ny3)N (式中 〇 < & s i^ ” ^，及 〇 < 々 + y3si)所製成之第二層。 2. 士口申請專利範圍第1項之以氮化物為基礎之半導體發光 、置，其中，該第一層具有比該第二層更高的摻雜濃度。 3. 如申請專利範圍第1項之以氮化物為基礎之半導體發光 、置，其中，該第一層具有約10〇nm或更小的厚度。 4·如申請專利範圍第3項之以氮化物為基礎之半導體發光 裝置，其中，該第一層具有約i0nm至約3〇nm的厚度。 申明專利範圍第1項之以氮化物為基礎之半導體發光 裝置，其中，該P型披覆層復包含形成於該第二層上之 由P型Ir^GawN (式中〇 s η < 1)所製成之第三層。 6·如申請專利範圍第5項之以氮化物為基礎之半導體發光 裝置，其中，該第三層係由形成於該第二層上之具有第 杈雜濃度的低濃度p型GaN半導體層，及形成於該 低濃度]3型GaN半導體層上之具有高於該第一摻雜= 92640 19 200529467 :度之濃度的高濃度p型GaN半導體層所構成。 7·如申請專利範圍第5項之以氮化物為基礎之半導體發光 装1 /、中’该第二層具有約5〇nm至約2〇〇nm的厚度。 8·如申請專利範圍第7項之以氮化物為基礎之半導體發光 裝置’其中’該p型披覆層具有至少160nm的厚度。 9·如申請專利範圍第1項之以氮化物為基礎之半導體發光 裝置，其中，該第一層為GaN半導體層及該第二層為 _ AlGaN半導體層。 10·如申請專利範圍第丨項之以氮化物為基礎之半導體發 光裝置，其中，該η型披覆層為GaN半導體層。
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