TW201501347A - 半導體發光元件及其製造方法 - Google Patents

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TW201501347A
TW201501347A TW103105651A TW103105651A TW201501347A TW 201501347 A TW201501347 A TW 201501347A TW 103105651 A TW103105651 A TW 103105651A TW 103105651 A TW103105651 A TW 103105651A TW 201501347 A TW201501347 A TW 201501347A
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well layer
side well
semiconductor
excitons
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Shigeya Kimura
Hajime Nago
Shinya Nunoue
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Toshiba Kk
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Abstract

根據一實施例，半導體發光元件包括：n型的第一半導體層、p型的第二半導體層、及發光單元。該第一半導體層包括氮化物半導體。該第二半導體層包括氮化物半導體。該發光單元係設置在該第一半導體層與該第二半導體層之間。該發光單元包括與複數個障壁層交替堆疊的複數個井層。該等井層包括最接近該第二半導體層的第一p側井層，及第二最接近該第二半導體層的第二p側井層。該第一p側井層的激子之局部化能量係小於該第二p側井層的激子之局部化能量。

Description

半導體發光元件及其製造方法
此處所說明之實施例係相關於半導體發光元件及其製造方法。
諸如氮化鎵(GaN)等第III-V族氮化物化合物半導體正應用到諸如發光二極體(LED)、雷射二極體(LD)等半導體發光元件。希望增加此種半導體發光元件的效率。
BL1‧‧‧第一障壁層
BL2‧‧‧第二障壁層
BLj‧‧‧第j障壁層
BLj+1‧‧‧第(j+1)障壁層
BLj-1‧‧‧第(j-1)障壁層
WLj‧‧‧第j井層
WLj-1‧‧‧第(j-1)井層
WLj-2‧‧‧第(j-2)井層
WL1‧‧‧第一井層
WL2‧‧‧第二井層
WL7‧‧‧第七井層
WL8‧‧‧第八井層
5‧‧‧基板
6‧‧‧緩衝層
10‧‧‧第一半導體層
10a‧‧‧第一部
10b‧‧‧第二部
11‧‧‧第一n側層
12‧‧‧第二n側層
20‧‧‧第二半導體層
21‧‧‧第一p側層
22‧‧‧第二p側層
23‧‧‧第三p側層
24‧‧‧第四p側層
30‧‧‧發光單元
31‧‧‧障壁層
32‧‧‧井層
32a‧‧‧第一p側井層
32b‧‧‧第二p側井層
32c‧‧‧第三p側井層
32n‧‧‧n側井層
40‧‧‧多層結構本體
70‧‧‧第一電極
80‧‧‧第二電極
81‧‧‧第一導電單元
82‧‧‧第二導電單元
110‧‧‧半導體發光元件
119a‧‧‧半導體發光元件
119b‧‧‧半導體發光元件
119c‧‧‧半導體發光元件
圖1A及圖1B為根據第一實施例之半導體發光元件的概要橫剖面圖；圖2A及圖2B為半導體發光元件的特性圖；圖3為半導體發光元件的特性圖；圖4為半導體發光元件的特性圖；圖5為半導體發光元件的特性圖； 圖6為半導體發光元件的特性圖；以及圖7為根據第二實施例之半導體發光元件的製造方法之流程圖。
【發明內容】及【實施方式】
根據一實施例，半導體發光元件包括：n型的第一半導體層、p型的第二半導體層、及發光單元。第一半導體層包括氮化物半導體。第二半導體層包括氮化物半導體。發光單元係設置在第一半導體層與第二半導體層之間。發光單元包括與複數個障壁層交替堆疊的複數個井層。井層包括最接近第二半導體層的第一p側井層，及第二最接近第二半導體層的第二p側井層。第一p側井層的激子之局部化能量係小於第二p側井層的激子之局部化能量。
根據一實施例，揭示半導體發光元件的製造方法。方法可包括：形成包括氮化物半導體之n型的第一半導體層；藉由在第一半導體層上將井層與障壁層交替堆疊，以形成包括複數個井層和複數個障壁層之發光單元；以及將包括氮化物半導體之p型的第二半導體層形成在發光單元上。井層包括最接近第二半導體層的第一p側井層，及第二最接近第二半導體層的第二p側井層。第一p側井層的激子之局部化能量係小於第二p側井層的激子之局部化能量。
下文中將參考附圖來說明各種實施例。
圖示為概要或概念的；及部位的厚度與寬度之間的關 係、部位之間的尺寸比例等等並不一定同於其實際值。另外，甚至針對完全相同的部位，在圖式之間亦可圖解成不同的尺寸及/或比例。
在申請案的圖式及說明書中，類似於有關上文圖式所說明之組件的組件係以相同參考號碼標示，及詳細說明被適當省略。
第一實施例
圖1A及圖1B為根據第一實施例之半導體發光元件的概要橫剖面圖。
圖1B圖示圖1A的一部分。
如圖1A所示，根據實施例之半導體發光元件110包括第一半導體層10、第二半導體層20、及發光單元30。發光單元30係設置在第一半導體層10與第二半導體層20之間。
第一半導體層10包括氮化物半導體。第一半導體層10為n型。第二半導體層20包括氮化物半導體。第二半導體層20為p型。
在例子中，緩衝層6係設置在基板5上；及第一半導體層10、多層結構本體40、發光單元30、及第二半導體層20係設置在緩衝層6上。
基板5包括例如藍寶石基板(如、c平面藍寶石基板)。基板5可包括例如Si(矽)、GaN、SiC、ZnO等的基板。
緩衝層6包括例如選自AlN層、AlGaN層、及GaN層的至少其中之一，或者包括這些層的堆疊膜。
第一半導體層10包括例如n型雜質。例如，Si被使用做為n型雜質。例如，可使用Ge(鍺)、Sn(錫)等做為n型雜質。
在例子中，第一半導體層10包括第一n側層11和第二n側層12。第一n側層11係配置在第二n側層12與發光單元30之間(在例子中，在第二n側層12與多層結構本體40之間)。
第一n側層11例如為n側接觸層。第一n側層11包括例如n型GaN。第二n側層12包括GaN。第一n側層11的雜質濃度係高於第二n側層12的雜質濃度。
第二半導體層20包括例如p型雜質。例如，Mg(鎂)被使用做為p型雜質。例如，可使用Zn(鋅)等做為p型雜質。
在例子中，第二半導體層20包括第一p側層21、第二p側層22、第三p側層23、及第四p側層24。第二p側層22係設置在第一p側層21與發光單元30之間。第三p側層23係設置在第二p側層22與發光單元30之間。第四p側層24係設置在第三p側層23與發光單元30之間。第一p側層21例如為p側接觸層。第一p側層21包括具有高雜質濃度的p型GaN。第二p側層22包括p型GaN。第一p側層21的雜質濃度係高於第二p側層22的雜質濃度。第三p側層23包括例如p型AlGaN。第 四p側層24包括例如AlGaN。第三p側層23充作例如電子溢流抑制層。
從第一半導體層10朝第二半導體層20的方向被取作Z軸方向(堆疊方向)。
多層結構本體40包括與多個第二層(未圖示)相堆疊之多個第一層(未圖示)。第一層係沿著Z軸方向與第二層相堆疊。第一層包括例如GaN；及第二層包括例如InGaN。多層結構本體40例如為超晶格層。若需要的話可設置多層結構本體40及可被省略。
在例子中另設置第一電極70和第二電極80。第一電極70係電連接到第一半導體層10。第二電極80係電連接到第二半導體層20。
在例子中，在第二半導體層20、發光單元30、及多層結構本體40中製造溝渠；及第一電極70係在溝渠的底表面中連接到第一n側層11。換言之，第一半導體層10(第一n側層11)具有第一部10a和第二部10b。在與Z軸方向(堆疊方向)交叉的平面中，第二部10b係與第一部10a排列在一起。第一電極70係連接到第一部10a。發光單元30係設置在第二部10b與第二半導體層20之間。
第一電極70包括例如Ti(鈦)膜/Pt(鉑)膜/Au(金)膜的堆疊膜。Ti膜的厚度例如為0.05μm。Pt膜的厚度例如為0.05μm。Au膜的厚度例如為1.0μm。
在例子中，第二電極80包括第一導電單元81和第二導電單元82。第二導電單元82係設置在第一導電單元81 與第二半導體層20之間。第二導電單元82接觸第二半導體層20。第二導電單元82包括例如透光的導電材料。第二導電單元82包括例如氧化物，氧化物包括選自由In(銦)、Sn(錫)、Zn(鋅)、及Ti(鈦)所組成的群組之至少一元素。第二導電單元82包括例如ITO(銦鋅氧化物)等。第二導電單元82的厚度例如為0.2μm。
第一導電單元81係電連接到第二導電單元82。第一導電單元81係設置在第二導電單元82的一部分上。第一導電單元81包括例如Ni(鎳)膜/Au(金)膜的堆疊膜。Ni(鎳)膜的厚度例如為0.05μm。Au(金)膜的厚度例如為1.0μm。
藉由施加電壓在第一電極70與第二電極80之間，電流透過第一半導體層10和第二半導體層20在發光單元30中流動。藉此，光從發光單元30發出。發出光之尖峰波長例如不小於370奈米(nm)且不大於650nm。半導體發光單元110例如為LED。
在例子中，從發光單元30所發出的光主要係從第二半導體層20側(第二電極80側)發射到外面。換言之，第二半導體層20側被使用做為發光表面。
例如，從發光單元30所發出的光主要係從第一半導體層10側發射到外面。換言之，第一半導體層10側可被使用做為發光表面。
例如，緩衝層6、第一半導體層10、多層結構本體40、發光單元30、及第二半導體層20係形成在基板5 上。形成係藉由磊晶生長來執行。磊晶生長係藉由例如金屬有機化學汽相沉積(MOCVD)、分子射束磊晶(MBE)、氫化物汽相磊晶(HVPE)等來執行。可在形成這些層之後移除基板5。
如圖1B所示，發光單元30包括與多個障壁層31交替堆疊之多個井層32。多個井層32和多個障壁層31係沿著Z軸方向(堆疊方向)交替配置。發光單元30具有多量子井(MQW)組態。
井層32的能隙能量係小於多個障壁層31的能隙能量。井層32的厚度係薄於例如障壁層31的厚度。井層32的厚度例如不小於3nm且不大於6nm。障壁層31的厚度例如不小於3nm且不大於10nm。
井層32包括例如In w Ga1-w N(0<w<1)。障壁層31包括例如In b Ga1-b N(0 b<1及b<w)。井層32包括例如InGaN。障壁層31包括例如GaN。例如，障壁層31實質上未包括In(銦)。在障壁層31包括In之事例中，障壁層31的In組成比係低於井層32的In組成比。
例如，發光單元30包括j+1個障壁層及j個井層32(j為不小於2的整數)。第(i+1)障壁層BL(i+1)係配置在第i障壁層BLi與第二半導體層20之間(i為不小於1且不大於j-1的整數)。第(i+1)井層WL(i+1)係配置在第i井層WLi與第二半導體層20之間。第一障壁層BL1係配置在第一半導體層10與第一井層WL1之間。第j井層WLj係設置在第j障壁層BLj與第(j+1)障壁層 BL(j+1)之間。第(j+1)障壁層BL(j+1)係設置在第j井層WLj與第二半導體層20之間。
如圖1B所示，多個井層32包括第一p側井層32a和第二p側井層32b。在多個井層32之中，第一p側井層32a係最接近第二半導體層20。在多個井層32之中，第二p側井層32b係第二最接近第二半導體層20。多個井層32可另包括第三p側井層32c。在多個井層32之中，第三p側井層32c係第三最接近第二半導體層20。
第一p側井層32a對應於第j井層WLj。第二p側井層32b對應於第(j-1)井層WL(j-1)。第三p側井層32c對應於第(j-2)井層WL(j-2)。第一井層WL1係第j最接近第二半導體層20。在多個井層32之中，第一井層WL1最接近第一半導體層10。第一井層WL1對應於例如n側井層32n。
在實施例中，第一p側井層32a的激子之局部化能量係設定成小於第二p側井層32b的激子之局部化能量。
藉此，在第一半導體層10側上及具有低載子密度之井層32(第二p側井層32b)可被組構成不容易受缺陷影響。藉此，可抑制多個井層32的每一個中之激子重組的非輻射重組成分之比例。換言之，第一半導體層10側上之井層32(第二p側井層32b)的非輻射重組比率減少；及內部量子效率增加。藉此，可增加發光效率。
發光單元30的發光效率Eff被表示作例如下述的第一方程式。
Eff=Bn 2/(An+Bn 2+Cn 3) (1)
在第一方程式中，n為被注射的載子密度。係數A為Shockley-Read-Hall常數。An項對應於發光單元30的晶體缺陷非輻射處理。係數B為輻射重組常數。Bn 2項對應於輻射重組處理。係數C為Auger常數。Cn 3項對應於Auger非輻射處理。此處，不管載子的漏洩。有助於輻射重組處理之第一方程式中的項是Bn 2項。
圖2A及圖2B為半導體發光元件的特性圖。
在圖2A中，水平軸為注射到發光單元30內之載子密度n的對數。在圖2A中，垂直軸為發光效率Eff。
在圖2B中，水平軸為Z軸方向位置pz。在圖2B中，垂直軸為載子密度n。圖2B圖示多個井層32的一部分之載子密度n。
如圖2A所示，發光效率Eff具有隨著載子密度n改變的尖峰。這是因為發光效率Eff被表示作如上述的第一方程式。在圖2A中，由於載子密度n低於發光效率Eff具有尖峰之載子密度n1的區域中之缺陷，導致發光效率Eff減少。
從圖2A可看出，為了獲得高發光效率Eff，存在適當載子密度n。
另一方面，如圖2B所示，最接近第二半導體層20之第j井層WLj(第一p側井層32a)的載子密度n高。第二最接近第二半導體層20之第(j-1)井層WL(j-1)(第 二p側井層32b)的載子密度n係低於第j井層WLj的載子密度n。第三最接近第二半導體層20之第(j-2)井層WL(j-2)(第三p側井層32c)的載子密度n甚至更低。
例如，如圖2A所示，藉由調整流動在整個發光單元30中的電流，獲得相當高的第j井層WLj之發光效率Eff。然而，在此種條件中，具有低載子密度之第(j-1)井層WL(j-1)的發光效率Eff令人不滿意地低。
如此，因為載子密度n低，所以缺陷的作用使遠離p型第二半導體層20之井層32的發光效率更容易減少。
考慮第一方程式的An項之係數A(Shockley-Read-Hall常數)依據井層32的激子之局部化能量而定。對應於晶體缺陷非輻射處理之係數A係可藉由增加井層32的激子之局部化能量來降低。
例如，在激子的局部化能量大之事例中，載子不再容易移動在井層32的平面中。因此，接近出現在井層32中之缺陷的載子被抑制。藉此，晶體缺陷非輻射處理被抑制。相反地，在激子的局部化能量小之事例中，載子容易移動在井層32的平面中；載子接近缺陷；結果，晶體缺陷非輻射處理容易發生。
圖3為半導體發光元件的特性圖。
在圖3中，水平軸為注射到發光單元30內之載子密度n的對數。在圖3A中，垂直軸為發光效率。
在實施例中，例如，為多個井層32的每一個修改激子之局部化能量。在例子中，為第j井層WLj(第一p側 井層32a)及第(j-1)井層WL(j-1)(第二p側井層32b)修改激子的局部化能量。因此，如圖3所示，獲得兩種曲線。
例如，激子的局部化能量被修改，以匹配井層32的每一個之載子密度n，來獲得高發光效率Eff。藉此，為多個井層32的每一個獲得高發光效率Eff。
有關實施例中的第二p側井層32b，晶體缺陷非輻射處理係藉由增加激子的局部化能量來抑制。藉此，甚至為低載子濃度獲得高發光效率。另一方面，為接近p側的井層32(第一井層32a)降低激子之局部化能量。藉此，獲得對應於高載子濃度之高發光效率。
如此，根據實施例，可設置高效率的半導體發光元件。
p側上的第一p側井層32a之激子的局部化能量適合低於50毫電子伏特(meV)。低於40meV更合適。甚至低於30meV更合適。
n側上的第二p側井層32b之激子的局部化能量適合30meV或更多。40meV或更多更合適。甚至50meV或更多更合適。
例如，激子的局部化能量大於第一p側井層32a之激子的局部化能量之多個井層32的數目可以是一或多個。至少第二p側井層32b之激子的局部化能量大於第一p側井層32a之激子的局部化能量。例如，第三p側井層32c之激子的局部化能量亦可大於第一p側井層32a之激子的 局部化能量。
例如，多個井層32之激子的局部化能量可從第一半導體層10側朝第二半導體層20側減少。例如，多個井層32之激子的局部化能量可從第一半導體層10側朝第二半導體層20側連續或以階梯組態減少。
p側上最接近第二半導體層20之第一p側井層32a的載子密度n最高。當載子密度高時，輻射重組機率係可藉由降低第一p側井層32a之激子的此種局部化能量來增加。
第二最接近第二半導體層20之第二p側井層32b的載子密度明顯低於第一p側井層32a的載子密度。因此，藉由將第二p側井層32b之激子的局部化能量設定成大於第一p側井層32a之激子的局部化能量，能有效抑制第二p側井層32b之非輻射重組機率的增加。
從例如光致螢光光譜(PL)的積分強度之溫度相依性可決定激子的局部化能量。激子的局部化能量係可從例如時間解析PL測量的結果來決定。
考慮激子的局部化能量之大小係依據井層32的波動狀態。藉由控制多個井層32的每一個之波動狀態，可為層的每一個控制激子的局部化能量之位準。
例如，當井層32的層中之In濃度分佈的波動高時，井層32之激子的局部化能量大。在井層32的層中之In濃度波動高的事例中，井層32之激子的局部化能量小。In濃度的此種波動為例如具有尺寸不大於100nm之區域 中的平面之波動。
例如，當井層32的厚度之波動高時，井層32的激子之局部化能量大。當井層32的厚度之波動低時，井層32的激子之局部化能量小。厚度的此種波動例如為具有尺寸不大於100nm之區域中的平面之波動。
在實施例中，例如，將第二p側井層32b的In濃度之波動設定成高於第一p側井層32a的In濃度之波動。例如，將第二p側井層32b的厚度之波動設定成高於第一p側井層32a的厚度之波動。在實施例中，例如，第二p側井層32b具有選自In濃度的波動高於第一p側井層32a的In濃度之波動和厚度的波動高於第一p側井層32a的厚度之波動的至少一狀態。
有關井層32，藉由例如當生長發光單元30時的形成條件，可控制In濃度的波動或厚度的波動。例如，激子的局部化能量可藉由發光單元30的形成條件來控制。
有關井層32，藉由例如三維原子探針分析可決定In濃度的波動或厚度的波動。
圖4為半導體發光元件的特性圖。
圖4為當形成井層32時的生長率與井層32之激子的局部化能量之間的關係之例子圖。在圖4中，水平軸為生長率GR(相對值)。垂直軸為激子的局部化能量Ew(meV)。在圖4所示之例子中，藉由改變當形成井層32時所使用的來源材料之供應量來改變生長率GR。在例子中，修改三甲鎵(TMG)的供應流率。
從圖4可看出，藉由改變井層32的生長率GR來改變激子的局部化能量Ew。當生長率GR高時激子的局部化能量Ew小。當生長率GR低時激子的局部化能量Ew大。在例子中，獲得局部化能量Ew約41meV至約58meV。
在實施例中，例如，第二p側井層32b的生長率被設定成低於(慢於)第一p側井層32a的生長率。例如，藉由以具有相對值1的生長率GR來形成第二p側井層32b，獲得激子的局部化能量約58meV。例如，藉由以具有相對值3的生長率GR來形成第一p側井層32a，獲得激子的局部化能量約41meV。
圖5為半導體發光元件的特性圖。
圖5為根據實施例之半導體發光元件110的內部量子效率之模擬結果的例子圖。在例子中，井層32的數目為八。在例子中，最接近第二半導體層20之多個井層32的第一p側井層32a之激子的局部化能量為30meV。有關其他井層32(七個井層32)，激子的局部化能量為60meV。換言之，在例子中，第二p側井層32b之激子的局部化能量約為60mV。
圖5亦圖示第一參考例子的半導體發光元件119a之特性(未圖示結構)。在半導體發光元件119a中，激子的局部化能量在多個井層32之間是相同的。換言之，井層32的全部八個之激子的局部化能量都為30meV。除此之外，半導體發光元件119a的條件同於半導體發光元件 110的條件。
在圖5中，水平軸為電流密度Jc(A/cm2)。垂直軸為內部量子效率IQE(相對值)。
從圖5可看出，根據實施例的半導體發光元件110比第一參考例子的半導體發光元件119a獲得更高的發光效率。
這是抑制除了第一p側井層32a以外的井層32之激子的非輻射重組之結果。如有關圖2B所說明一般，載子密度n隨著從多個井層32到第二半導體層20的距離增加而減少。實際上，藉由抑制第二最接近半導體層20之第二p側井層32b的激子之非輻射重組而獲得高效率。
如上述，有關井層32，藉由例如三維原子探針分析，可決定In濃度的波動和厚度的波動。現在將說明In濃度的波動之測量結果的例子。
例如，藉由三維原子探針來測量井層32的In濃度之分佈。有關井層32的In濃度分佈之測量區，沿著Z軸方向的寬度為2nm；沿著X軸方向的寬度為20nm；及沿著Y軸方向的寬度為20nm。此種測量區被分成多個區域。有關多個區域的每一個，沿著Z軸方向的寬度為2nm；沿著X軸方向的寬度為2nm；及沿著Y軸方向的寬度為2nm。從In濃度分佈的測量結果來決定此種多個區域的每一個之In濃度。然後，從多個區域的每一個之In濃度的值來決定一井層32之平面中的In濃度之波動。波動被表示作標準偏差δ。
在根據實施例之半導體發光元件110中，第八井層WL8(第一p側井層32a)的In濃度之標準偏差δ例如為1.08atm%(原子百分比)。另一方面，第七井層WL7(第二p側井層32b)的In濃度之標準偏差δ例如為1.24atm%(原子百分比)。換言之，第八井層WL8(第一p側井層32a)的In濃度之標準偏差δ係小於第七井層WL7(第二p側井層32b)的In濃度之標準偏差δ。此對應於第八井層WL8(第一p側井層32a)的激子之局部化能量小於第七井層WL7(第二p側井層32b)的激子之局部化能量。
另一方面，在第一參考例子的半導體發光元件119a中，第八井層WL8(第一p側井層32a)的In濃度之標準偏差δ為1.17atm%。第七井層WL7(第二p側井層32b)的In濃度之標準偏差δ為1.00atm%。在第一參考例子中，第八井層WL8(第一p側井層32a)的激子之局部化能量不小於第七井層WL7(第二p側井層32b)的激子之局部化能量。
現在將說明根據實施例之半導體發光元件110的製造方法之例子。
例如，執行c平面藍寶石的基板5之有機清洗和酸清洗。基板5係位在MOCVD的反應室中，及在反應室的感受器上被加熱到約1100℃。藉此，移除基板5的前表面之氧化膜。
在基板5的主表面(c平面)上，將緩衝層6生長到 厚度30nm。然後，在緩衝層6上，將用於形成第二n側層12之未摻雜GaN層生長到厚度3μm。接著，在第二n側層12上，將用於形成第一n側層11之Si摻雜GaN層生長到厚度2μm。
多層結構本體40係藉由在第一n側層11上交替堆疊第一層和第二層所形成。第一層包括In x Ga1-x N(0 x<1)；及第二層包括In y Ga1-y N(0<y<1及x<y)。第一層和第二層的堆疊數目(週期)例如為30。
發光單元30係形成在多層結構本體40上。在例子中，障壁層31和井層32的八個週期被交替堆疊。GaN層被形成有厚度5nm做為障壁層31。InGaN層被形成有厚度3nm做為井層32。井層32的In組成比為0.13。In組成比為In w Ga1-w N(0<w<1)的w。有波動發生在井層32的In濃度之事例。In組成比為井層32的In濃度之平均。有井層32的厚度具有波動之事例。上述井層32的厚度之值為井層32的厚度之平均。
在八個井層32之中，將七個井層32形成在第一半導體層10側上之生長率GR具有相對值3(參考圖5)。在八個井層32之中，形成最接近第二半導體層20之第一p側井層32a的生長率GR具有相對值1(參考圖5)。藉此，在八個井層32之中，在第一半導體層10側上之七個井層32的激子之局部化能量例如約為60meV。在八個井層32之中，最接近第二半導體層20之第一p側井層32a的激子之局部化能量例如約為40meV。
第四p側層24、第三p側層23、第二p側層22、及第一p側層21係相繼形成在發光單元30上。以Al組成比0.003和厚度5nm形成AlGaN層來做為第四p側層24。以Al組成比0.1和厚度10nm形成鎂摻雜的AlGaN層來做為第三p側層23。以厚度80nm形成鎂摻雜的p型GaN層來做為第二p側層22。第二p側層22的Mg(鎂)濃度約為2×1019/cm3。以厚度10nm形成高濃度鎂摻雜的GaN層來做為第一p側層21。第一p側層21的Mg(鎂)濃度約為1×1021/cm3。
隨後，從MOCVD設備的反應室移除在其上生長上述半導體堆疊本體之基板5。
藉由乾蝕刻移除半導體堆疊本體的一部分。藉此，露出第一n側層11的一部分。Ti膜/Pt膜/Au膜的第一電極70係形成在露出的第一n側層11上。另一方面，用於形成第二導電單元82之ITO膜係形成在第一p側層21上。Ni(鎳)膜/Au膜的第一導電單元81係形成在第二導電單元82的一部分上。第一導電單元81的平面圖案例如為具有直徑80μm的圓形。
如此，形成半導體發光元件110。
另一方面，參考例子的半導體發光元件亦藉由使用相同條件形成所有八個井層32之上述製造方法所製成。有關第二參考例子的半導體發光元件119b(未圖示結構)，八個井層32的激子之局部化能量為40meV。有關第三參考例子的半導體發光元件119c(未圖示結構)，八 個井層32的激子之局部化能量為60meV。
從半導體發光元件110、119b、及119c所發出的光之主波長(尖峰波長)約為450nm。換言之，這些半導體發光元件為發藍光的LED。
現在將說明這些半導體發光元件的特性之測量結果的例子。
圖6為半導體發光元件的特性圖。
圖6為半導體發光元件110、119b、及119c的外部量子效率之評估結果圖。在圖6中，水平軸為電流Ic(mA)。垂直軸為外部量子效率EQE(相對值)。
從圖6可看出，根據實施例之半導體發光元件110比第二參考例子的半導體發光元件119b和第三參考例子的半導體發光元件119c獲得更高的外部量子效率。
如此，根據實施例，獲得高效率的半導體發光元件。
第二實施例
實施例係相關於半導體發光元件的製造方法。
圖7為根據第二實施例之半導體發光元件的製造方法之流程圖。
如圖7所示，根據實施例之半導體發光元件的製造方法包括：形成包括氮化物半導體之n型的第一半導體層10之處理(步驟S110)。
製造方法另包括：藉由在第一半導體層10將多個井層32與多個障壁層31交替堆疊，以形成包括多個井層 32和多個障壁層31之發光單元30的處理(步驟S120)。
製造方法另包括：在發光單元30上形成包括氮化物半導體之p型的第二半導體層20之處理(步驟S130)。
多個井層32包括：最接近第二半導體層20之第一p側井層32a，及第二最接近第二半導體層20之第二p側井層32b。在製造方法中，第一p側井層32a之激子的局部化能量被設定成小於第二p側井層32b之激子的局部化能量。
例如，第二p側井層32b的生長率GR係低於第一p側井層32a的生長率。
藉此，載子密度相當低；及第一半導體層10側上之井層32亦獲得高效率。根據實施例，可提供製造高效率半導體發光元件之方法。
例如，第二p側井層32b的生長率不小於第一p側井層32a之生長率的0.1倍且不大於第一p側井層32a之生長率的0.5倍。例如，第二p側井層32b的生長率可不小於第一p側井層32a之生長率的0.2倍且不大於第一p側井層32a之生長率的0.4倍。
例如，藉由供應第V族元素(例如、氮)和第III族元素(例如、鎵、銦等)來執行多個井層32的堆疊。例如，氨氣被供應做為包括第V族元素的來源材料。例如，三甲鎵(TMG)被供應做為包括第III族元素的來源材料。例如，三甲銦(TMI)被供應做為包括第III族元素 的來源材料。
例如，形成第二p側井層32b之V/III比(第V族元素的供應量對第III族元素的供應量之比)係高於形成第一p側井層32a之V/III比。V/III比可以是例如TMG氣體的供應量對氨氣的供應量之比。
例如，形成第二p側井層32b之第V族元素的供應量可被設定成同於形成第一p側井層32a之第V族元素的供應量。在此種事例中，例如，形成第二p側井層32b之第III族元素的供應量被設定成低於形成第一p側井層32a之第III族元素的供應量。
藉此，第一p側井層32a之激子的局部化能量被設定低於第二p側井層32b之激子的局部化能量。
例如，第二p側井層32b之In濃度的波動係高於第一p側井層32a之In濃度的波動。例如，第二p側井層32b的厚度之第二p側井層32b的平面中之波動係高於第一p側井層32a的厚度之第一p側井層32a的平面中之波動。
根據實施例，可提供高效率半導體發光元件和半導體發光元件的製造方法。
在說明書中，“氮化物半導體”包括：化學式B x In y Al z Ga1-x-y-z N(0 x 1、0 y 1、0 z 1、及x+y+z 1)之半導體的所有組成，其中組成比x、y、及z分別在範圍內改變。“氮化物半導體”另包括：除了在上述化學式中的N(氮)之外的第V族元素、添加以控制諸如導電型等各 種特性之各種元素、及不經意包括的各種元素。
在本發明的說明書中，“垂直”及“平行”不僅意指完全垂直和完全平行，而且包括例如由於製造處理等的波動。實質上垂直和實質上平行就足夠。
在上文中，參考特定例子說明本發明的實施例。然而，本發明並不侷限於這些特定例子。例如，藉由從已知技藝適當選擇諸如第一半導體層、第二半導體層、發光單元、井層、障壁層、第一電極、第二電極等包括在半導體發光元件中之組件的特定組態，精於本技藝之人士可同樣地實施本發明；及此種實施係在本發明的範疇內至獲得類似效果之程度。
另外，在技術可行性的範圍內可組合特定例子的任何兩個或更多個組件，及包括在本發明的範疇中至包括本發明的目的之程度。
而且，依據上文如同本發明的實施例所說明之半導體發光裝置和半導體發光元件及其製造方法，精於本技藝之人士藉由適當設計修改可實施之所有半導體發光元件及其製造方法亦在本發明的範疇內至包括本發明的精神之程度。
在本發明的精神內，精於本技藝之人士可想出各種其他變化和修改，及應明白此種變化和修改亦包含在本發明的範疇內。
儘管已說明某些實施例，但是這些實施例僅經由例子呈現，及並不用於侷限本發明的範疇。事實上，此處所說 明之新穎的實施例可以各種其他形式體現；而且，在不違背本發明的精神下，可進行此處所說明之實施例的形式之各種省略、取代、和變化。附錄的申請專利範圍及其同等物欲用於涵蓋所有落在本發明的範疇和精神內之此種形式或修改。
BL1‧‧‧第一障壁層
BL2‧‧‧第二障壁層
BLj‧‧‧第j障壁層
BLj+1‧‧‧第(j+1)障壁層
BLj-1‧‧‧第(j-1)障壁層
WLj‧‧‧第j井層
WLj-1‧‧‧第(j-1)井層
WLj-2‧‧‧第(j-2)井層
WL1‧‧‧第一井層
WL2‧‧‧第二井層
5‧‧‧基板
6‧‧‧緩衝層
10‧‧‧第一半導體層
10a‧‧‧第一部
10b‧‧‧第二部
11‧‧‧第一n側層
12‧‧‧第二n側層
20‧‧‧第二半導體層
21‧‧‧第一p側層
22‧‧‧第二p側層
23‧‧‧第三p側層
24‧‧‧第四p側層
30‧‧‧發光單元
31‧‧‧障壁層
32‧‧‧井層
32a‧‧‧第一p側井層
32b‧‧‧第二p側井層
32c‧‧‧第三p側井層
32n‧‧‧n側井層
40‧‧‧多層結構本體
70‧‧‧第一電極
80‧‧‧第二電極
81‧‧‧第一導電單元
82‧‧‧第二導電單元
110‧‧‧半導體發光元件

Claims (20)

  1. 一種半導體發光元件，包含：n型的第一半導體層，其包括氮化物半導體；p型的第二半導體層，其包括氮化物半導體；以及發光單元，係設置在第一半導體層與第二半導體層之間，該發光單元包括與複數個障壁層交替堆疊之複數個井層，該等井層包括最接近該第二半導體層的第一p側井層，及第二最接近該第二半導體層的第二p側井層，該第一p側井層的激子之局部化能量係小於該第二p側井層的激子之局部化能量。
  2. 根據申請專利範圍第1項之元件，其中，該第一p側井層的厚度不小於3奈米且不大於6奈米，而該第二p側井層的厚度不小於3奈米且不大於6奈米。
  3. 根據申請專利範圍第1項之元件，其中，該第一p側井層的激子之該局部化能量係小於30毫電子伏特。
  4. 根據申請專利範圍第1項之元件，其中，該第二p側井層的激子之該局部化能量不小於50毫電子伏特。
  5. 根據申請專利範圍第1項之元件，其中，該第二p側井層的激子之該局部化能量不小於40毫電子伏特。
  6. 根據申請專利範圍第1項之元件，其中，該第二p側井層的激子之該局部化能量不小於30毫電子伏特。
  7. 根據申請專利範圍第1項之元件，其中，該第一p側井層的激子之該局部化能量係小於40毫電子伏特。
  8. 根據申請專利範圍第1項之元件，其中，該第一p側井層的激子之該局部化能量係小於50毫電子伏特。
  9. 根據申請專利範圍第1項之元件，其中，該第二p側井層的銦(In)濃度之波動係高於該第一p側井層的銦(In)濃度之波動。
  10. 根據申請專利範圍第1項之元件，其中，該第二p側井層的厚度之該第二p側井層的平面中之波動係高於該第一p側井層的該厚度之該第一p側井層的平面中之波動。
  11. 根據申請專利範圍第1項之元件，其中，該等井層的激子之該局部化能量從該第一半導體層側朝該第二半導體層側減少。
  12. 根據申請專利範圍第1項之元件，其中，該第二p側井層的生長率係低於該第一p側井層的生長率。
  13. 一種半導體發光元件的製造方法，包含：形成包括氮化物半導體之n型的第一半導體層；藉由在該第一半導體層上將複數個井層與複數個障壁層交替堆疊，以形成包括該等井層和該等障壁層之發光單元；以及將包括氮化物半導體之p型的第二半導體層形成在該發光單元上，該等井層包括最接近該第二半導體層的第一p側井層，及第二最接近該第二半導體層的第二p側井層，該第一p側井層的激子之局部化能量係小於該第二p 側井層的激子之局部化能量。
  14. 根據申請專利範圍第13項之方法，其中，該第二p側井層的生長率係低於該第一p側井層的生長率。
  15. 根據申請專利範圍第13項之方法，其中，該第二p側井層的生長率不小於該第一p側井層之生長率的0.1倍，且不大於該第一p側井層之該生長率的0.5倍。
  16. 根據申請專利範圍第13項之方法，其中，該第二p側井層的生長率不小於該第一p側井層之生長率的0.2倍，且不大於該第一p側井層之該生長率的0.4倍。
  17. 根據申請專利範圍第13項之方法，其中該等井層的該堆疊係藉由供應第V族元素和第III族元素來執行，以及形成該第二p側井層時之該第V族元素的供應量對該第III族元素的供應量之比例係高於該形成該第一p側井層時之該第V族元素的該供應量對該第III族元素的該供應量之比例。
  18. 根據申請專利範圍第13項之方法，其中該等井層的該堆疊係藉由供應第V族元素和第III族元素來執行，形成該第二p側井層時之該第V族元素的供應量係同於該形成該第一p側井層時之該第V族元素的供應量，以及形成該第二p側井層時之該第III族元素的供應量係小於該形成該第一p側井層時之該第III族元素的供應 量。
  19. 根據申請專利範圍第13項之方法，其中，該第二p側井層的銦(In)濃度之波動係高於該第一p側井層的銦(In)濃度之波動。
  20. 根據申請專利範圍第13項之方法，其中，該第二p側井層的厚度之該第二p側井層的平面中之波動係高於該第一p側井層的該厚度之該第一p側井層的平面中之波動。
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