TW385556B - Semiconductor light emitting element and method for making the same - Google Patents
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A 7 B7 五、發明説明（1 ) 技術領域 本發明為關於令發光效率提高，不僅於光通訊和光情報 處理，亦可使用於屋外用題示器和汽車尾燈、方向指示器 等之必須為高亮度之光源、和電池驅動之攜帶機器的背光 、顯示燈等之低耗電用光源的半導體發光元件及其製法。 背景技術 習知之可見光的半導體發光元件，例如為在發光層中使 用/UGa InP系之半導體材料，形成如特開平4-2 12479號公 報中所揭示之圖4所示之構造。即，於圖4中，在η型GaAs 所構成之半導體基板11上，例如令η型A IGalnP糸半導體材 料所構成之η型覆蓋層12、非摻雜之AlGalnP条半導體材料 所構成之活性層13、p型AlGalnP系半導體材料所構成之p 型覆蓋層14及AiGaAs条半導體材料所構成之櫥窗層（電流 擴散層）15順次取向生長的成長，並透過GaAs所構成之傳 ’導層16而在上層電極（p側電極）17及半導體基板11之裏面 側的下層電極U側電極）18為分別經由設置Au-Be-tn合金 及Au-Ge-N i合金等而搆成。 經濟部中央標隼局員工消費合作杜印製 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 此構造之發光元件為於經由兩覆蓋層12、14所夾住之活 性層1 3中封入載體，並令Μ可提高發光效率地選定發光層 形成部1 9之兩覆蓋層1 2、1 4及活性層1 3各層之A 1 G a ΐ η Ρ糸 材料之混晶比，形成雙層異質接合構造。又，覆篕層1 2、 14為例如特開平4-2 1 2479號公報中所揭示般，其載體濃度 為Μ 5 Χ1017〜2X 1018cni - 3所形成。其係因考慮若載體濃 度為太低，則載體之封閉效果變薄。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） —.4 — 4 A7 B7 五、發明説明（2 ) 習知之圖4所示構造之半導體發光元件，即使如何花費 功夫，其亮度亦無法提高至一定值Μ上。本發明者，為了 提高半導體發光元件之發光效率，重覆致力研究，結果發 現ρ型覆蓋層和櫥窗層於取向生長之成長間，ρ型覆蓋層之 鉾和鎂等之ρ型不純物為擴散至活性層，並使活性層與ρ型 覆蓋層之界面及活性層之结晶性劣化，其乃為令發光效率 降低，且亮度無法提高之原因。 本發明為解決此類問題並令半導體發光元件之發光效率 提高，Μ提供於半導體層之结晶成長中令Ρ型不純物為擴 散至活性層被抑制於最小限度，及發光效率高且高亮度之 半導體發光元件為其目的。 本發明之其他目的為提供取得前述高亮度之半導體發光 元件的製法。 發明之揭示 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本發明者為在令前述半導體層取向生長的成長間，為了 防止ρ型不純物擴散至活性層，再重覆致力檢討，結果發 現藉由令ρ型覆蓋層之載體濃度為最终圼1 X 1 Ο ί6〜5 X 1 0 16 cm - 3 Μ調整對ρ型覆蓋層之ρ型7、純物的摻雜量，可將擴散所 造成之活性層的結晶性劣化抑制於最小限度，並取得高亮 度之發光元件。 依據本發明之半導體發光元件為由將第1導電型半導體 基板、和經由該半導體基板上所層合之η型覆蓋層與ρ型覆 蓋層令活性層被夾住之發光層形成部、和在該發光層肜成 部上所設置之第2導電型櫥窗層、和該櫥窗層及前述半等 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210 X 297公釐） -5 一 A7 B7_ 五、發明説明（3 ) 體基板所分別Μ電連接設置之電極所構成，前述p型覆蓋 層為Μ令其載體濃度為IX 10 16〜5Χ 10 16 cm_ 3地形成。 藉由此構成，使P型不純物之緹對量減少，且於其後之半 導體層之成長中，即使p型不純物為擴散至活性層側，其 量亦為極微量，且不損及結晶性，並且不導致發光特性之 降低。 前述P型覆蓋層之前述活性層與對側藉由設置載體濃度 為5 X 1 0 17〜2 X 1 0 18 c in - 3 ，且與前述p型覆蓋層相同材 料糸之半導體層所構成之P型第2覆蓋層，可令載體濃度小 之p型覆蓋層與鄰接之載體濃度大的半導體層之間易產生 可防止經由異質阻礙所造成的電壓下降，故為較佳。此處 所諝相同材料系之半導體，意指與構成化合物半導體之元 素相同的化合物，且亦意指包含其組成比為不同之物質。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 前述之發光層形成部為由A 1 G a I η P糸化合物半導體之層 合體所構成，藉由於前述之Ρ型覆蓋層上，透過AiGalnP'系 化合物半導體所構成之前述P型第2覆蓋層，令p型A Ida As 糸化合物半導體所構成之前述櫥窗層層合，可取得紅色系 高亮度之半導體發光元件。又，藉由設置前述p型之第2覆 蓋層，即使前述櫥窗層之載體濃度為1 X 1 0 18〜3 X 1 0 19 c m -3 ，亦可防止經由異質阻礙所造成的電壓下降，並可將 電流充分地擴散.，取得高亮度的半導體發光元件。
此處所謂的iU G a ί η P系化合物半導體 *為意指M ( A 1 X G a i χ ) Q . 5 t I n Q . 4 3 P之形式表示，且x之值為在0與1間之 . 各種值時之材料。又，所謂的A 1 G a A s糸材料，為意指Μ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210 X 297公釐） —6 - A7 B7 五、發明説明（4 A 1 y G a i - y A s之形式表示，且y之值為在0 . 6與0 . 8間之各 種值時之材料。 又，依據本發明之半導體發光元件之製法為，（a)在半 導體基板上令η型覆蓋層、非摻雜之活性層及P型覆蓋層所 構成之發光層形成部，Κ該Ρ型覆蓋層之載體濃度最終為 1 X 1 0 15〜5 X 1 0 16 c ίο — 3地順次層合，（b )於該發光層形 成部上令P型之櫥窗層成長，（e)於該櫥窗層及前述之半導 體基板上令電連接地形成電極為其特徵。 藉由令前述之半導體層之層合依MOCVD法進行，且前述 載體濃度之調整經由導入之摻雜劑氣體之流量調整而進行 ，則可輕易地調整載體濃度。 藉由令前述之發光層形成部經由AlGa In P系化合鞠半導 體之層合而形成，前述之櫥窗層經由A 1 G a As系化合物半導 體之層合而形成，可取得紅色糸之高亮度半尋體發光元件 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 藉由在前述發光層形成部與前述櫥窗層之間，一邊令與 前述發光層形成部相同材料糸之半導體材料，Μ載體濃度 為5 X 1 0 17〜2 X 1 0 18 c m — 3地將不純物摻雜，一邊形成ρ 型之第2覆蓋層，則可防止經由異質阻礙所造成的電壓下 降。 圖面之簡單說明 圖1為示出本發明半導體發光元件橫剖面構造之圖示。 圖2為示出令ρ型覆蓋層之載體濃度變化時之發光強度變 化之圖示。 圖3為示出本發明之半導體發光元件之再經改良的横剖 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -7 7 A7 B7 五、發明説明（5 ) 面構造之圖示。 圖4為示出習知半導體發光元件橫剖面構造之廳示。 實施發明之最佳形態 其次，參照圖面說明本發明之半導體發光元件及其製法。 本發明之半導體發光元件之構造為如圖1中所示之其一 例之橫剖面說明圔般*例如由η型Ga As基板所構成之第1導 體型半導體基板1、和於此半導體基板1上經由A1 GainP糸 化合物半'導績層所層合之η型覆蓋層3和p型覆蓋層5令活性 層4被夾住之發光層形成部1 0、和此發光層形成部1 0上所 設置之例如由ρ型A IGa As系化合物半導體所搆成之第2導電 型櫥窗層δ、和於能櫥窗層6及半導體基板1上所分別Μ電 連接設置的Ρ側電極8及η側電極9所耩成。而本發明中，ρ 型覆蓋層5為Μ其載體濃度為1 X 1 0 1S〜5 X 1 0 16 c ra - 3所 形成者為其特澂。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 如前述，本發明者為了提高半導體發光元件之發光效率 重覆致力檢討，结果發現無法令習知之半導體發光元件之 發光效率提高之原因為p型覆蓋層之不純物濃度高，且在 令覆蓋層和櫥窗層取_生長的成長間，P型不純物為擴散 至活性層並令活性層之结晶性劣化。於是本發明者對於由 P型覆蓋層注活性層之P型不純物之擴散影響少之條件，致 力檢討調査，结果發現如圖2所示，藉由令p型覆蓋層之載 體濃度最終為1 X 1 0 16〜5 X ί 0 e m - 3地將p型不純物摻 雜，並層合P型覆蓋層，則可取得高的發光致率。發現此P 型覆蓋層之最適載.·體濃度範圍中所用之半導體發光元件之 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -S - 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（6 ) 構造為_1所示之構造。 即，經由在η型之GaAs基板1上，令硒為IX 10 18 eta - 3 程度之載體濃度所摻雜之GaAs所構成的緩衝層2M0.1w in 程度、硒為5X10 16 Cm_3程度之載體濃度所摻雜之（ Al〇.7Ga〇.3)u.5iIri〇.43P所構成的 π型覆羞層 3M 0.5w in程 度、由非接雜之（Α1〇.25β3α.·75)0.5ΐΙη〇.«3Ρ所構成的活 性層4Κ 0.5 w Β程度、令鋅之摻雜量作各種變化而改變載 體濃度之（4111.7〇3。.3)(3.51111[1.^7所構成的&型覆蓋層5 以〇.5«1〇程度、及鋅為1><1018(：111-3程度之載體疫度所 摻雜之AU,7Gss.3As所構成的櫥窗層6Μ5«πι程度、梓為2 X10 19 cm — 3程度之載體濃度所摻雜之GaAs所構成的傳導 層7，例如依M0CVD法（有機金鼷化學氣相成長法）順次取向 生長的成長而製造。 在如此所结晶成長之基板的上面及褢面側，形成Au-Be-Ni合金等所構成之上層電極（p側電極）8及Au-Ge-Ni合金等 所構成之下層電極（η側電極）9，並切粒元件化。尚，傳導 層7為用於取得Ρ側電極8與櫥窗層6之歐姆傳導而設置。又， 為了令半導體層為將所層合之上面側Κ光之取出面型式， 乃令發光層形成部10發光之光遮斷所吸收之Ρ側電極8及傳 導層7為令Μ流動電流所必要之最小限度面積予以式樣化 。又，構成發光層形成部10之活性層4與兩覆蓋層3、5， 其材科例如為令A 1之混晶比不同，成為於活性層中令載體 和光易封入之雙層異質接合。 此構造之半導體發光元件中，令ρ型覆蓋層5M外之各半 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 袈·
.1T -9 - 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（7 ) 導體層常於上述之條件下成長，而僅對P型覆蓋層5變化摻 雜之不純物量，製造載體濃度不同的半導體發光元件，並 調査其各別的發光強度。其结果示於圔2。尚，載體濃度 為Μ單層依C-V測定方法（由空白層容量之依賴性算出載體 濃度之方法）測定，並令對應於該時之不純物量（摻雜氣體 之流量）。 圖2中，橫軸為表示？型覆蓋層5之載體濃度NA (era-3) ，且縱軸^為前述構造之發光二極管（LED)之發光強度K任 意單位（a.u:)表示。由圔2可知ρ型覆蓋層之載體濃度為 在習知之IX 10 17〜IX 10 18 cm - 3程度的高載體濃度下* 令發光強度極端降低。因此，經由Μ 1父1 0 i6〜5 X|〇16 c m - 3 地摻雜P型不純物，可得最高的發光強度，與習知之！聖覆、 蓋層載體濃度為1 X 1 0 17〜1 X 1 0 18 π τη - 3程度之情形相比 較，乃提高1 . 5倍左右。若載體濃度過低，則因p型覆蓋層 變成高電阻，且載體控制變難，品質變得不安定而為不佳。 於製造此類半導體發光元件中，例如將η型之Ga As基板1 裝入M0CVD裝置內，並將反應氣體三乙基鎵（Μ下，稱為 TEG)或三甲基鎵（Μ下，稱為TMG)及胂（Μ下，稱為AsH3) 、S e之摻雜劑氣體之H z S e及載體氣體之氫（Η 2 )共同導人，
於600〜750 10左右下取同生長的成長，且載體濃度為IX 10 18 cm - 3程度地摻雜S e之ri型G a A s所構成的媛衝層2以 0 . 1 u m程度成膜。其次，K膦（M下，稱為PH 3 )代替 A s Η 3，再導人Τ Μ Α及三甲基絪（Μ下，稱為Τ Μ I η )，並Κ η型 載體濃度為5 x 1 0 t6〜1 x 1 0 18 c m — 3程度之例如（A U . 7 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） ： ~ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 L®. 10 A7 B7 五、發明説明（8 )
Ga〇.3)a.5iIna._43P所構成之η型覆蓋層3M〇.5w π程度、 減少反應氣體TMA並增加TiG或TMG，且例如將非摻雜之（ AlQ.25GaQ.75)Q.5iIn〇.43P所構成之活性.層 4M 〇.5w m程 度、與η型覆蓋層3同樣的反應氣體下，取代H2Se地導入Μ Ζη作為摻雜劑氣體之二甲基鋅（Μ下，稱為DMZn)並令載體 濃度為1\1016〜5父1016(：111-3之（41。.703(].3)。.51111〇. P所構成的P型覆蓋層5M0.5«m程度取Θ生長的成長。 再者，一邊導入摻雜劑氣體之DMZn，一邊Μ TMA、TEG或 TMG及AsH 3作為反應氣體，令載體濃度為1 X 10 18 cm · 3程 度之A1 Q . 7Gaa . 3As所構成之櫥窗層6M 5 « m程度取向生長 的成長，且再藉由導入TEG或TMG和AsH3及DMZn，令載體濃 度為2X10 19 cm — 3程度之GaAs所構成的傳導層7K0,05〜 〇.2ym程度成膜。尚，為將載體濃度定於所欲之值，若摻 雜劑氣體之流量多，則載體濃度變大，若摻雜劑氣體之流 量少，則載體濃度變小。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本1) 於如此取向生長所成長的基板上面及裏面側，令A u、B e 、Ni等金屬膜依真空殺積等成膜並退火，形成Au-Be-Hi合 金等所搆成之上層電極（P側電極）8、及A u - G e - N i合金等所 構成之下層電極U側電極）9，並切粒削片化。 於使用前述之A 1 G a I η P糸化合物半導體（A 1 X G a i - X ) α . s I η 0. 4 3Ρ作為發光層形成部之情形中，·藉由在活性層中使 用X為0〜0 . 4程度、覆蓋層中使用X為0 . 6〜1程度之組成， 可特別取得發光特性優異的半導體發光元件。 於前述之例中，構成半導體發光元件之各半導體層•為 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210 X 297公釐） -11 -. A7 __B7__ 五、發明説明（9 ) 使用具體的半導體材料，且其厚度和載體濃度為特定之例 ，但經由前述p型覆蓋層之載體濃度而令發光效率於較佳 範圍的所謂傾向，即使經由在通常取得半導體發光元件之 範圍下變更材料、變化半導體層之厚度、及p型覆蓋層Μ 外之半導體層載體濃度之變化，亦同樣可取得如圖1所示 般，經由η型覆蓋層3及ρ型覆蓋層5令活性層4被夾住而形 成發光層形成部10構造的半導體發光元件。 經濟部中央標準局員工消費合作杜印製 圖3為呆發明之半導體發光元件再經改良構造之橫剖面 說明圔。圖3中，於圔1相同之部分中附Μ相同符號並省略 其說明。圖3所示之例為在ρ型覆蓋層5和櫥窗層6之間，令 與ρ型覆蓋層5相同材料条（亦含有構成之素相同且各元素 之混晶比不同者）且載體濃度例如令高至5 X 10 17 cm — 3程 度之鋅等不純物摻雜而取向生長的成長之ρ型第2覆蓋層5a 為MO.5«m程度所形成為其特徵。藉由設置此類與ρ型覆 蓋層5相同材料条且載體濃度高之半導體層，可防止經由 異質阻礙所造成的電壓下降。即，若將载體濃度高至1 X 1013〜3xlOigcni - 3程度之AlGaAs材料所構成之櫥窗層6 、和載體濃度低至3 X 1 0 16 c m - 3程度之A 1 G a I η P糸材料所 構成之ρ型覆蓋層5直接接觸，則經由異質阻礙而產生電壓 下降。然而，如圖3所示，藉由令其中介存在與ρ型覆蓋層 相同材料系且載體濃度高之半導體層1則不會產生經由異 質阻礙所造成的電壓下降，且亦可防止ρ型不純物注活性 層4的擴散，取得高特性之半導體發光元件。此中介存在
之半導體層，即第2覆蓋層5 a若載體濃度為5 X 1 0 17〜2 X 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格（210X297公釐） ~ 一 12 ~ 48SS56 A7 B7 五、發明説明（10 ) 10 13 cm - 3程度、0 . 1 W mM上則可防止經由異質阻礙所造 成的電壓下降。 產業上之可利用性 若依據本發明，則可取得不會令活性層之结晶性下降， 且為高發光效率且高亮度之半導體發光元件。而且，亦無 依結晶成長條件而使P型不純物往活性層擴散的離差，可 取得經常為一定亮度之安定的半導體發光元件。因此，可 使用作為屋外顧示器和車用之尾燈、停止燈等必須為高亮 度之光源、和攜帶型電話等電池驅動之攜帶機器的背光、 顯示燈等之期望為低耗電之高亮度先源用之發光元件。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）
Claims (1)
- 頰請委员明 本袞;-:..:::-1£^· 、原實質内S 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 3815556 8^ϊ 01 38 8 六、申請專利範圍 1. 一種半導體發光元件，其為由第1導電型之半導體基 板、和經由該半導體基板上所層合之η型覆蓋層與ρ型覆蓋 層令活性層被夾住之發光層形成部、和在該發光層形成部 上所設置之第2導電型櫥窗層、和該櫥窗層及前述半導體 基板所分別Μ電連接設置之電極所構成， 前述Ρ型覆蓋層為Κ令其載體濃度為IX 10 16 cm - 3 Μ上 而未滿5X10 16 cm - 3所形成。 2. 如申請專利範圍第1項記載之半導體發光元件，其中 該p型覆蓋層之該述活性層與對側，為設置載體濃度為5X 10 17〜2X10 18 era-3 ，且與該p型覆蓋層相同材料系之半 導體層所構成之P型第2覆蓋層。 3. 如申請專利範圍第2項記載之半導體發光元件，其中 該發光層形成部為由A IGalnP系化合物半導體之層合體所 構成，於該p型覆蓋層上透過AlGalnP系化合物半導體所構 成之該P型第2覆蓋層，令p型AlGaAs糸化合物半導體所構 成之該櫥窗層被層合。 4. 如申請專利範圍第3項記載之半導體發光元件，其中 該櫥窗層之載體濃度為1 X 10 18〜3X 10 19 cm - 3 。 5. —種半導體發光元件之製法，其特徵為 (a) 於半導體基板上令π型覆蓋層，非摻雜之活性層及p 型覆蓋層所構成之發光層形成部Μ該p型覆蓋層之載體澹 度蕞終為1 X 1 0 16〜5 X 1 0 16 c m _ 3順次層合， (b) 於該發光層形成部之上令p型櫥窗層成長， (c) 令該櫥窗層及該半導體基板K電連接地形成電極。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） |~I頰請委员明 本袞;-:..:::-1£^· 、原實質内S 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 3815556 8^ϊ 01 38 8 六、申請專利範圍 1. 一種半導體發光元件，其為由第1導電型之半導體基 板、和經由該半導體基板上所層合之η型覆蓋層與ρ型覆蓋 層令活性層被夾住之發光層形成部、和在該發光層形成部 上所設置之第2導電型櫥窗層、和該櫥窗層及前述半導體 基板所分別Μ電連接設置之電極所構成， 前述Ρ型覆蓋層為Κ令其載體濃度為IX 10 16 cm - 3 Μ上 而未滿5X10 16 cm - 3所形成。 2. 如申請專利範圍第1項記載之半導體發光元件，其中 該p型覆蓋層之該述活性層與對側，為設置載體濃度為5X 10 17〜2X10 18 era-3 ，且與該p型覆蓋層相同材料系之半 導體層所構成之P型第2覆蓋層。 3. 如申請專利範圍第2項記載之半導體發光元件，其中 該發光層形成部為由A IGalnP系化合物半導體之層合體所 構成，於該p型覆蓋層上透過AlGalnP系化合物半導體所構 成之該P型第2覆蓋層，令p型AlGaAs糸化合物半導體所構 成之該櫥窗層被層合。 4. 如申請專利範圍第3項記載之半導體發光元件，其中 該櫥窗層之載體濃度為1 X 10 18〜3X 10 19 cm - 3 。 5. —種半導體發光元件之製法，其特徵為 (a) 於半導體基板上令π型覆蓋層，非摻雜之活性層及p 型覆蓋層所構成之發光層形成部Μ該p型覆蓋層之載體澹 度蕞終為1 X 1 0 16〜5 X 1 0 16 c m _ 3順次層合， (b) 於該發光層形成部之上令p型櫥窗層成長， (c) 令該櫥窗層及該半導體基板K電連接地形成電極。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） |~I185556： A8 B8 C8 D8 、申請專利範圍 6. 如申請專利範圍第5項記載之製法，其中該半導體層 之層合依MOCVD法進行，該載體濃度之調整為經由導入摻 雜劑氣體流量之調整而進行。 7. 如申請專利範圍第5項記載之製法，其中該發光層形 成部為依AlGalnP系化合物半導體之層合而形成，且該櫥 窗層為依AlGaAs系化合物半導體之層合而形成。 8. 如申請專利範圍第5項記載之製法，其中於該發光層 形成部與該櫥窗層之間，令與.該發光層形成部相同材料糸 之半導體材料，Μ載體濃度為5X10 17〜2X10 18 cm — 3般 地摻雜不純物而形成p型第2覆蓋層。 請 先 辂. 讀 注 意 事 項 再 填[j·^ 訂 線 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）
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