TW202101784A - 包含基於ingan之p型注入層之光電半導體結構 - Google Patents

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Abstract

本發明涉及一種光電半導體結構(SC)，其包括一InGaN基主動層(5)設置在一n型注入層(6)與一p型注入層(7)之間，該p型注入層(7)包含第一InGaN層(7a)，其呈現50奈米及350奈米之間的厚度，以及設置在該第一層(7a)上具有一GaN表面部分之第二層(7b)。

Description

包含基於INGAN之P型注入層之光電半導體結構
本發明涉及一種光電半導體結構，例如發光二極體(LED)、太陽能電池或雷射二極體。更詳細而言，本發明涉及包含InGaN製成之P型注入層之光電半導體結構。
光電半導體結構通常由結晶半導體層之堆疊形成，其包含位於n型注入層及p型注入層間之主動層。就LED結構而言，主動層可由交替的阻障層及量子井層構成。為了允許均質且密集的電流通過所述結構，注入層必須足夠厚，例如遠大於200奈米。
在基於InGaN的結構中，一InGaN 量子井層的銦含量可約為10%，以形成發出藍光的二極體，當二極體發綠光時，銦含量約20%以上，當二極體發紅光時，銦含量約40%以上。阻障層之銦含量低於量子井層。
銦含量越高，量子井層的自然晶格參數(即完全鬆弛層的晶格參數)就越重要。換言之，銦含量越高，當量子井層以特定晶格參數形成於生長介質(growth medium)上時，量子井層會受到越大的壓縮應變。
形成光電結構的堆疊中的過大應變可能導致缺陷結構。此限制明顯是在構成所述結構之GaN或InGaN薄膜表面上形成裂痕或金字塔形缺陷(本技術領域英文文獻中稱之為「V坑(V-pits)」)之起因。該些缺陷將劣化光電結構之功能表現。
在解決此問題方面，已知有文件EP215852或EP215856描述目標為在生長支撐件的InGaN表面島狀物上統一形成半導體結構之製作方法。舉例而言，該些島可具有介於5%及7%之間或更高之銦濃度，且至少部分鬆弛。
其目標為在生長支撐件上生長InGaN之n型注入層，從而儘可能匹配形成生長島表面之材料之晶格參數。此方法可減少底材上所形成之半導體結構之主動層中的應變，促進銦摻入主動層，並提高光電元件的效率。
然而，在那樣的光電半導體結構中形成p型注入層是有問題的，尤其是在量子井層中的銦含量高時以長波長(綠色或紅色)為目標的時候。
當此p型注入層為GaN製時，其晶格參數與下方之主動InGaN層晶格參數的差異，會對注入層強加高應變並可能造成裂痕。
當此p型注入層為InGaN製時，其可有金字塔形穿透缺陷(through defects)。出現此類缺陷的InGaN薄膜的臨界厚度會隨著銦濃度迅速降低。
在半導體結構製作期間，以液體製劑進行濕式處理時，例如以KOH處理此種結構以使p型注入層的表面除氧(deoxidize)而為形成金屬電接觸做準備時，注入層中的裂痕或金字塔形缺陷會在結構內部形成液體處理劑的擴散通道。這會導致結構劣化，尤其是對於構成該結構之層的結晶品質而言。
本發明之目的即為解決至少部分上述問題。更詳細而言，本發明之目的為形成包含InGaN之p型注入層之光電半導體結構，其結晶特性可被保留，即使在其受到濕式處理(所使用的液體製劑可能損害該注入層)時亦然。
為了達到此目標，本發明提出一種光電半導體結構，其包括一InGaN基主動層設置在一n型注入層與一p型注入層之間，該p型注入層包含第一InGaN層，其呈現50奈米及350奈米之間的厚度，以及設置在該第一層上具有一GaN表面部分之第二層。
根據本發明其他有利且非限制性特徵，其可以單獨或以任何技術上可行之組合使用： -     該GaN表面部分具有小於50奈米的厚度； -     該第二層為GaN製； -     該第二層由一InGaN層組成，該InGaN層的銦組成從一初始值往該表面減少到零； -     該p型注入層包含一InGaN補充層(complementary layer)在該GaN表面部分上並與該GaN表面部分接觸； -     該n型注入層包含一超晶格。
圖1描繪複數個光電半導體結構SC(在此例中為LED)被設置在一生長支撐件1上。
該半導體結構SC包含一n型注入層5、一p型注入層7，及設置在所述二層間的LED主動層6。
生長支撐件1為「含島」支撐件，其說明可在本文之引言部分所引述的文件中尋得。所述支撐件包含一基底底材2(例如藍寶石)、一中間層3，其由單一材料或複數個介電材料形成，例如二氧化矽或氮化矽，及複數個至少部分鬆弛之生長島4。
一般而言，生長島4由通式為AlInGaN的材料製成，並具有對應於InGaN層的自然晶格參數的晶格參數，其銦含量在5％和40％之間。
在圖1的示例中，生長島4由InGaN構成，其具有15%的銦含量且為90%鬆弛。
在生長島4上有以習知磊晶技術形成的複數個半導體結構SC。所述技術可為有機金屬化學氣相沉積(英文縮寫為MOCVD)技術或分子束磊晶(MBE)技術。
此處的半導體結構SC由InGaN的n型注入層5形成，其摻雜有諸如濃度約為1018 至1019 cm-3 的矽。該SC的銦濃度約等於構成島4材料之銦濃度，約為13.5%，以匹配兩者的晶格參數或使注入層5稍微受到伸張應變。此層的厚度範圍通常從100奈米至400奈米或更大。
在圖1示例之替代方案中，n型注入層5可製作成或包含超晶格。這可涉及複數個非常薄的AlInGaN元素層(elementary layers)，其厚度小於數十奈米，例如30奈米，且具有相異性質。因此，注入層5可透過重複一週期性結構而形成，所述週期性結構包含InGaN之第一元素層及GaN、AlN或AlGaN之第二元素層。該些元素層皆具有小於其臨界鬆弛厚度(critical relaxation thickness)之厚度。
鋁、銦和鎵的比例，以及組成所述超晶格的每層厚度應被選定，以使具有對應均質組成的層所具有之自然晶格參數，基本上等同於生長島4的晶格參數。在注入層5為均質的情況下，在半導體結構生長期間累積於其中的伸張或壓縮應變因此受到限制。
回到圖1之說明，該光電半導體結構SC亦包含位於n型注入層5上之主動層6。主動層6由複數個交替的InGaN阻障層-量子井層形成。該些阻障層具有與n型注入層5相似的銦濃度，在此例中約為13.5%。InGaN量子井層具有之銦濃度係根據所期望的發射波長而選定。在示例中，此濃度為25%。
更一般而言，主動層係以InGaN為主。量子井層可由具有第一銦濃度的InGaN製成，而阻障層可由具有低於第一濃度之第二銦濃度之InGaN製成。所述阻障層亦可由GaN或AlGaN製成，但本發明較佳者為主動層之量子井層和阻障層均為InGaN製。此外，由諸如AlGaN製成的薄中間層，可被插入阻障層與量子井層之間。
在主動層6上，半導體結構SC設有一p型注入層7。
注入層7由第一層7a構成，其由p型摻雜的InGaN製成，例如結合濃度約1018 cm-3 的鎂。第一層7a的厚度通常介於50及350奈米之間。此層之晶格參數旨在匹配其下方堆疊之晶格參數。一般而言，此第一層7a的銦濃度對應於n型注入層5之銦濃度，其在此處約為13.5%。如前文所提及，此p型注入層7可具有金字塔形缺陷，至少部分通過。
為了限制這些缺陷的不利影響，本發明規劃在第一層7a上方形成一第二重疊層7b。
此第二層7b包含至少一GaN表層部分，以避免在InGaN中所產生的金字塔表面缺陷出現，這些缺陷可能形成液體處理劑的穿透通道。
依照第一做法，第二層7b由一p型GaN層形成。為避免此層在其伸張應變下發生任何裂痕，它呈現出非常薄的厚度，舉例而言小於50奈米或30奈米或甚至10奈米。該層可以濃度在10^19及10^22 cm-3 之間的鎂加以摻雜。
依照第二做法，第二層7b由一p型摻雜層形成，其組成為通式InGaN，且其具有的銦組成，從在第一層7a那側的初始值減低至另一側的零值。這樣，第二層7b被形成為具有一GaN表面部分。且第一做法中所描述的相同重疊效果(overlapping effect)獲得保留。在第二做法中，第二層7b可以濃度在10^19及10^22 cm-3 之間的鎂(舉例而言)加以摻雜。該層的厚度低於100奈米，以避免裂痕。
第二層7b的GaN表面部分必須相當薄，數十奈米那麼薄，例如50奈米，以避免裂痕出現。
不論使用哪種做法形成第二層7b，都可以形成一InGaN補充層7c，其銦組成可自由選定，最好是近似第一層7a的銦組成。此補充層的厚度可達100奈米。補充層7c可補償在第二層7b的GaN表面部分中產生的張力。它可能有一些穿透缺陷，應瞭解的是，SC結構整體因第二層7b而免於受到任何液體處理劑的影響。
符合本描述的SC光電半導體結構包括具有一保護層的InGaN p型摻雜注入層。該保護層沒有任何裂痕或金字塔之類的結構缺陷。因此，在形成此結構後，可進行完全常規的處理，例如基於不需因考慮到穿透缺陷的存在而更換的液態試劑。
當然，本發明不限於此處所述實施方式，且對於實施例所為之各種變化均落入申請專利範圍所界定之範疇。
詳細而言，除了前述主動層6、n型注入層5及p型注入層7外，光電半導體結構SC可包含額外的層。舉例而言，光電半導體結構可包含設置在主動層與p型注入層間的電子阻擋層，此為本發明所屬技術領域所周知。這種阻擋層可由一薄層(通常為20奈米)形成，其銦濃度小於InGaN第一層7a的銦濃度。
雖然本說明書描述生長媒介為島狀物底材，但其亦可為允許InGaN為主之光電半導體結構生長之任何其他性質之底材。
1:生長支撐件 2:基底底材 3:中間層 4:生長島 5:n型注入層 6:主動層 7:p型注入層 7a:第一層 7b:第二層
下文之實施方式一節，將更清楚說明本發明其他特徵和優點，實施方式係參照所附圖式說明，其中，圖1繪示根據本發明被設置在一生長介質上之一光電半導體結構。
1:生長支撐件
2:基底底材
3:中間層
4:生長島
5:n型注入層
6:主動層
7:p型注入層
7a:第一層
7b:第二層

Claims (6)

  1. 一種光電半導體結構(SC)，其包括一InGaN基主動層(5)設置在一n型注入層(6)與一p型注入層(7)之間，該p型注入層(7)包含第一InGaN層(7a)，其呈現50奈米及350奈米之間的厚度，以及設置在該第一層(7a)上具有一GaN表面部分之第二層(7b)。
  2. 如申請專利範圍第1項之半導體結構(SC)，其中該GaN表面部分具有小於50奈米的厚度。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之半導體結構(SC)，其中該第二層(7b)為GaN製。
  4. 如申請專利範圍第1或2項之半導體結構(SC)，其中該第二層(7b)由一InGaN層組成，該InGaN層的銦組成從一初始值往該表面減少到零。
  5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之半導體結構(SC)，其中該p型注入層(7)包含一InGaN補充層在該GaN表面部分上並與該GaN表面部分接觸。
  6. 如申請專利範圍第1至5項中任一項之半導體結構(SC)，其中該n型注入層包含一超晶格。
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