TW201508945A - 具阻障層的光電半導體元件 - Google Patents
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Abstract
一種光電半導體元件，包含：一阻障層；一第一半導體層位於阻障層之上，第一半導體層包含一第一摻雜物質及一第二摻雜物質；以及一第二半導體層位於阻障層之下包含第二摻雜物質，其中在第一半導體層中，第一摻雜物質的濃度大於第二摻雜物的濃度，且第二摻雜物在第二半導體層中的濃度大於在第一半導體層的濃度。
Description
本發明係關於一種光電半導體元件的結構。
光電半導體元件，例如發光二極體(LED)，在近年來亮度不斷的提昇下，應用領域已從傳統的指示燈或裝飾用途拓展至各類裝置之光源，甚至在不久的將來，極有可能取代傳統之日光燈，成為新一代照明領域之光源。
習知的發光二極體(LED)結構為單一p-n接面結構，如第1圖所示，其基本結構包含一基板13、一n型半導體層11在基板13上，一p型半導體層12在n型半導體層11上，以及一發光層10在p型半導體層12和n型半導體層11之間。
為了提高發光二極體(LED)每單位面積內的發光量，如第2圖所示，一具有多層發光疊層的發光二極體(LED)結構將第一p-n接面結構I與第二p-n接面結構II藉由一穿隧層17串聯起來，如此一來相同的單位面積內，每單位面積的發光量將會提升，同時驅動電壓會變為兩倍，但是驅動電流並不會增加。此高電壓、低電流的特性有助於應用於照明產品。
習知的穿隧層17為高濃度摻雜的n+半導體層及p+半導體層構成，由於高濃度摻雜的n+半導體層及p+半導體層對於光的穿透率較差，所以通常穿隧層17必須很薄以提高光的穿透率，但是穿隧層17太薄，容易在製程中摻入自其他半導體層擴散的摻雜物而影響了穿隧層17的功能。
一種光電半導體元件，包含：一阻障層；一第一半導體層位於阻障層之上，第一半導體層包含一第一摻雜物質及一第二摻雜物質；以及一第二半導體層位於阻障層之下包含第二摻雜物質，其中在第一半導體層中，第一摻雜物質的濃度大於第二摻雜物的濃度，且第二摻雜物在第二半導體層中的濃度大於在第一半導體層的濃度。
1‧‧‧第一半導體疊層
10‧‧‧第一發光層
11‧‧‧第一n型半導體層
12‧‧‧第一p型半導體層
13‧‧‧基板
2‧‧‧第二半導體疊層
21‧‧‧第二p型半導體層
22‧‧‧第二n型半導體層
23‧‧‧第二發光層
3‧‧‧穿隧疊層
31‧‧‧第一電性穿隧層
32‧‧‧第二電性穿隧層
4‧‧‧阻障層
51‧‧‧第一電極
52‧‧‧第二電極
53‧‧‧表面
54‧‧‧表面
第1圖係為習知的發光二極體(LED)結構示意圖；第2圖係為習知的具有多層發光疊層的發光二極體(LED)結構構示意圖；第3圖係為依本發明第一實施例之結構示意圖；第4A~4B圖係為依本發明第一實施例之鋁(Al)含量比例圖；第5A~5B圖係為依本發明第一實施例之能帶間隙
(Ec-Ev)示意圖；第6圖係為依本發明另一實施例之結構示意圖。
第3圖係為依本發明第一實施例之結構示意圖。根據本發明所揭露的光電半導體元件為一雙p-n接面結構，包含一第一半導體疊層1及一第二半導體疊層2位於一基板13上，其中第一半導體疊層1位於第二半導體疊層2上，一穿隧疊層3位於第一半導體疊層1及第二半導體疊層2之間，一阻障層4位於穿隧疊層3及第二半導體疊層2之間，一第一電極51設置在第一半導體疊層1的表面53，以及一第二電極52設置在基板13的表面54上，第一電極51與第二電極52用於導引電流通過第一半導體疊層1及第二半導體疊層2。
基板13為導電基板，材料包含矽(Si)、砷化鎵(GaAs)、碳化矽(SiC)、氧化鋅(ZnO)、氮化鎵(GaN)、氮化鋁(AlN)或金屬材料之一種或其組合。
第一半導體疊層1、第二半導體疊層2、穿隧疊層3及阻障層4可藉由磊晶方式成長在基板13上，或者藉由對位黏著方法，以加熱、加壓的方式與基板13黏結。
第一半導體疊層1包括至少一第一n型半導體層11具有第一導電型態，一第一發光層10以及一第一p型半導體層12具有第二導電型態；第二半導體疊層2包括至少一第二
n型半導體層22具有第一導電型態，一第二發光層23以及一第二p型半導體層21具有第二導電型態；第一半導體疊層1及第二半導體疊層2依序磊晶成長於基板13之上。第一n型半導體層11、第一p型半導體層12、第二n型半導體層22和第二p型半導體層21可為兩個單層結構或兩個多層結構(多層結構係指兩層或兩層以上)。第一n型半導體層11和第一p型半導體層12具有不同的導電型態、電性、極性或依摻雜的元素以提供電子或電洞；第二n型半導體層22和第二p型半導體層21亦具有不同的導電型態、電性、極性或依摻雜的元素以提供電子或電洞。第一發光層10形成在第一n型半導體層11和第一p型半導體層12之間，第二發光層23形成在第二n型半導體層22和第二p型半導體層21之間，第一發光層10及第二發光層23係將電能轉換成光能。藉由改變第一半導體疊層1以及第二半導體疊層2其中一層或多層的物理及化學組成，調整發出的光波長。常用的材料為磷化鋁鎵銦(aluminum gallium indium phosphide,AlGaInP)系列、氮化鋁鎵銦(aluminum gallium indium nitride,AlGaInN)系列、氧化鋅系列(zinc oxide,ZnO)。第一發光層10及第二發光層23可為單異質結構(single heterostructure,SH)，雙異質結構(double heterostructure,DH)，雙側雙異質結(double-side double heterostructure,DDH)，多層量子井(multi-quantum well,MWQ)。具體來說，第一發光層10及第二發光層23可為中性、p型或n型電性的半導體。施以
電流通過第一半導體疊層1及第二半導體疊層2時，第一發光層10及第二發光層23會發光。當第一發光層10及第二發光層23以磷化鋁銦鎵(AlGaInP)為基礎的材料時，會發出紅、橙、黃光之琥珀色系的光；當以氮化鋁鎵銦(AlGaInN)為基礎的材料時，會發出藍或綠光。本實施例中，第一半導體疊層1及第二半導體疊層2的材料為磷化鋁鎵銦(aluminum gallium indium phosphide,AlGaInP)系列，第一p型半導體層12及第二p型半導體層21摻雜鎂(Mg)或鋅(Zn)元素，其中鎂(Mg)或鋅(Zn)元素在第一p型半導體層12及第二p型半導體層21的濃度大於1017cm-3，較佳的是介於3*1017~5*1017cm-3之間；第一n型半導體層11及第二n型半導體層22摻雜矽(Si)元素，其中矽(Si)元素在第一n型半導體層11及第二n型半導體層22的濃度介於1017~1018cm-3之間，較佳的是介於4*1017~6*1017cm-3之間。
第一半導體疊層1及第二半導體疊層2之間具有一穿隧疊層3。穿隧疊層3可使電流藉由穿隧效應(tunneling effect)穿過，使電流同時流過第一半導體疊層1及第二半導體疊層2，其材料包含一種以上之元素選自鎵(Ga)、鋁(Al)、銦(In)、磷(P)、砷(As)、氮(N)、鋅(Zn)、鎘(Cd)與硒(Se)所構成之群組。穿隧疊層3包含一第一電性穿隧層31及一第二電性穿隧層32，其中，第一電性穿隧層31靠近第二半導體疊層2，第一電性穿隧層31的極性與第二p型半導體層21相同，本實施例中，第一電性穿隧層31與第二p型半導體層21皆為p型半導
體，第一電性穿隧層31為包含鋁(Al)、鎵(Ga)、砷(As)的化合物，並具有第一摻雜物及第二摻雜物，其中第一摻雜物為碳(C)，第一摻雜物的濃度介於1019~1021cm-3，較佳的是介於1019~5*1020cm-3，第二摻雜物為鎂(Mg)或鋅(Zn)，第二摻雜物的濃度小於1018cm-3，較佳的是小於1017cm-3，第一摻雜物的濃度是第二摻雜物濃度的10倍，較佳的是大於100倍以上。第一電性穿隧層31中的第一摻雜物，例如碳(C)，是一刻意摻雜物質，使第一電性穿隧層31形成一具有高濃度摻雜的p型半導體；第一電性穿隧層31中的第二摻雜物，例如鎂(Mg)或鋅(Zn)，是一非刻意摻雜物質，於磊晶過程中從第二p型半導體層21擴散而來。第二電性穿隧層32靠近第一半導體疊層1，第二電性穿隧層32的極性與第一n型半導體層11相同，本實施例中，第二電性穿隧層32與第一n型半導體層11皆為n型半導體，第二電性穿隧層32為包含銦(In)、鎵(Ga)、磷(P)的化合物，並摻雜碲(Te)，其中碲(Te)的濃度介於1019~1021cm-3，較佳的是介於1019~2*1020cm-3。
位於第二p型半導體層21與第一電性穿隧層31之間的阻障層4為包含鋁(Al)、鎵(Ga)、銦(In)及磷(P)的化合物AlxGa1-xInP，其中x的範圍可介於0.05~0.95，較佳的是介於0.2~0.7，x從阻障層4靠近第二p型半導體層21的部分向靠近第一電性穿隧層31的部分遞減，遞減的方式包含線性遞減，或階梯狀遞減。因此，如第4A及4B圖所示鋁(Al)濃度分佈圖，
在阻障層4中，鋁(Al)在靠近第二p型半導體層21的部分含量比例約為35%，以線性遞減(第4A圖)或階梯狀遞減(第4B圖)的方式，直到靠近第一電性穿隧層31的部分其含量比例約為10%。由於阻障層4先磊晶成長在第二半導體疊層2上後，穿隧疊層3接續磊晶成長在阻障層4上，在磊晶成長過程中，阻障層4可減少第二半導體疊層2中摻雜的元素，例如鎂(Mg)或鋅(Zn)，擴散至第一電性穿隧層31中。若無阻障層4形成在第二p型半導體層21與第一電性穿隧層31之間，在第一電性穿隧層31的磊晶過程中，第二p型半導體層21的第二摻雜物，例如鎂(Mg)或鋅(Zn)，將會大量地擴散至第一電性穿隧層31中，使第一電性穿隧層31的第二摻雜物的濃度提高，當第二摻雜物的濃度超過1018cm-3以上，將導致第一電性穿隧層31的電阻提升，使得光電半導體元件的工作電壓(Vf)提高，導致效率下降。
由於在阻障層4中，鋁(Al)的濃度在靠近第二p型半導體層21的部分含量比例約為35%，線性遞減或階梯狀遞減直到靠近第一電性穿隧層31的部分時，含量比例約為10%，如第5A與5B圖所示，使得能帶間隙(Ec-Ev)從第二p型半導體層21的部分線性下降(第5A圖)或階梯狀遞減(第5B圖)至第一電性穿隧層31，此能帶間隙(Ec-Ev)的線性或階梯狀逐漸變化，可避免電子在傳輸過程中被阻擋，以降低工作電壓(Vf)。
第二實施例與第一實施例差異在於阻障層4為包含鋁(Al)、鎵(Ga)、銦(In)或磷(P)的化合物，例如AlxGa1-xInP，其中x的範圍可介於0.05~0.95，較佳的是介於0.2~0.7，並摻雜銻(Sb)，其中銻(Sb)的濃度介於1017~1018cm-3之間。在磊晶過程中，由於阻障層4摻雜了銻(Sb)，可以抑制第二半導體疊層2中摻雜的元素，例如鎂(Mg)或鋅(Zn)，擴散至第一電性穿隧層31中，避免在第一電性穿隧層31中，第二摻雜物的濃度超過1018cm-3，較佳的是避免超過1017cm-3。
第6圖係為依本發明另一實施例之結構示意圖。一球泡燈600包括一燈罩602、一透鏡604、一發光模組610、一燈座612、一散熱片614、一連接部616以及一電連接元件。發光模組610包含一承載部606，以及複數個前述實施例中所述的光電半導體元件608在承載部606上。
本發明所列舉之各實施例僅用以說明本發明，並非用以限制本發明之範圍。任何人對本發明所作之任何顯而易知之修飾或變更皆不脫離本發明之精神與範圍。
1‧‧‧第一半導體疊層
10‧‧‧第一發光層
11‧‧‧第一n型半導體層
12‧‧‧第一p型半導體層
13‧‧‧基板
2‧‧‧第二半導體疊層
21‧‧‧第二p型半導體層
22‧‧‧第二n型半導體層
23‧‧‧第二發光層
3‧‧‧穿隧疊層
31‧‧‧第一電性穿隧層
32‧‧‧第二電性穿隧層
4‧‧‧阻障層
51‧‧‧第一電極
52‧‧‧第二電極
53‧‧‧表面
54‧‧‧表面
Claims (24)
- 一種光電半導體元件，包含：一阻障層；一第一半導體層位於該阻障層之上，該第一半導體層包含一第一摻雜物質及一第二摻雜物質；以及一第二半導體層位於該阻障層之下包含該第二摻雜物質，其中在該第一半導體層中，該第一摻雜物質的濃度大於該第二摻雜物的濃度，且該第二摻雜物在該第二半導體層中的濃度大於在該第一半導體層的濃度。
- 如申請專利範圍第1項所述的光電半導體元件，更包含一第一發光疊層包含一第一發光層位於該第一半導體層上；一第二發光疊層包含一第二發光層位於該阻障層之下，且該第二發光疊層包含該第二半導體層，該第二半導體層位於該第二發光層及該阻障層之間；以及一穿隧疊層位於該第一發光疊層及該阻障層之間，且該穿隧疊層包含該第一半導體層。
- 如申請專利範圍第1項所述的光電半導體元件，其中該第一摻雜物質的濃度大於1019cm-3。
- 如申請專利範圍第3項所述的光電半導體元件，其中該第一摻雜物質包含碳(C)。
- 如申請專利範圍第1項所述的光電半導體元件，其中該第二摻雜物質的濃度小於1018cm-3。
- 如申請專利範圍第5項所述的光電半導體元件，其中該第二摻雜物質包含鎂(Mg)或鋅(Zn)。
- 如申請專利範圍第1項所述的光電半導體元件，其中該阻障層包含磷化鋁鎵銦(AlxGa1-xInP)，且x範圍為0.2x0.7。
- 如申請專利範圍第7項所述的光電半導體元件，其中x從該阻障層靠近該第二半導體層的部分向靠近該第一半導體層的部分遞減。
- 如申請專利範圍第8項所述的光電半導體元件，其中x的遞減方式為線性遞減。
- 如申請專利範圍第8項所述的光電半導體元件，其中x的遞減方式為階梯狀遞減。
- 如申請專利範圍第1項所述的光電半導體元件，其中該阻障層包含銻(Sb)，且銻(Sb)的濃度介於1017~1018cm-3之間。
- 如申請專利範圍第2項所述的光電半導體元件，其中該第一發光疊層更包含一第一p型半導體層位於該第一發光層之上及一第一n型半導體層位於該第一發光層之下；該第二發光疊層更包含一第二n型半導體位於該第二發光層之下，其中該第二半導體層為一p型半導體； 該穿隧疊層更包含一第三半導體層位於該第一半導體層與該第一發光疊層之間。
- 如申請專利範圍第12項所述的光電半導體元件，其中該第三半導體層包含一第三摻雜物與該第二摻雜物相異。
- 如申請專利範圍第13項所述的光電半導體元件，其中該第三摻雜物質包含碲(Te)，且該第三摻雜物質的濃度大於1019cm-3。
- 如申請專利範圍第2項所述的光電半導體元件，更包含一基板位於第一半導體層或第二半導體層側。
- 如申請專利範圍第2項所述的光電半導體元件，其中該第一發光層所發出的光具有一第一波長，該第二發光層所發出的光具有一第二波長，該第一波長與該第二波長差異小於20nm。
- 如申請專利範圍第16項所述的光電半導體元件，其中該第一波長與該第二波長介於600nm~620nm之間。
- 如申請專利範圍第1項所述的光電半導體元件，其中該第一摻雜物質的濃度為該第二摻雜物的10倍以上。
- 如申請專利範圍第1項所述的光電半導體元件，其中該阻障層包含一三族元素，該三族元素之組成比從該阻障層靠近該第二半導體層的部分遞減至靠近該第一半導體層的部分。
- 如申請專利範圍第1項所述的光電半導體元件，其中該第一摻雜物質與該第二摻雜物為同導電性之摻雜物。
- 如申請專利範圍第1項所述的光電半導體元件，其中該阻障層的能階從靠近該第二半導體層的部分向靠近該第一半導體層的部分遞減。
- 如申請專利範圍第21項所述的光電半導體元件，其中該阻障層的能階靠近該第二半導體層的部分介於2.3eV~2.5eV之間，靠近該第一半導體層的部分介於1.9eV~2.1eV之間。
- 如申請專利範圍第1項所述的光電半導體元件，其中該第一半導體層中的該第一摻雜物質為一刻意摻雜物質，該第二摻雜物質為一非刻意摻雜物質。
- 如申請專利範圍第23項所述的光電半導體元件，其中該第二半導體層中的該第二摻雜物質為一刻意摻雜物質。
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