TW388132B - Semiconductor illumination device - Google Patents

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經濟部中央標準局只工消费合作杜印製 A 7 _B7_五、發明説明（1) 【產業上之利用領域】 本發明係有關使用於顯示或照明所需之半導體發光元 件。 【先行技術】 先行技術之半導體發光元件，係如圖1所示，由η型 G a A s半導體所構成之基片（substrate ) 1與η形 G aA s半導體所構成之緩衝（buffer)層2與η型 A 1 I η Ρ所構成之η形貼合層（cladding layer) 3與 η型A 1 I nP所構成之活性層4與p型A 1 I nP半導 體所構成之P形貼合層5與ρ形A 1 G a A s半導體所携 成之電流擴散層（cur rent spread i ng 1 ayer ) 6 與 p + 形A 1 G a I n p半導體層所構成之氧化防止所需之保護 層7與P形G a A s半導體所構成之接觸層（contacting layer) 8與η形A 1 Ga I nP半導體所構成之電流阻 擋層（current blocking layer) 9 之半導體基體 1 0， 與形成於接觸層8上面之陽電極1 1 ，與形成於G a A s 基片1下面之陰電極12所構成。在此，p+ 形 A 1 G a I η ρ半導體層所構成之保護層7中沒有被陽電 極11之部分係變成光取出面。 做爲其一例，在由η形A 1 η Ρ半導體所構成之η型 貼合層3做爲η形導電形決定雜質摻雜（doping)矽（ Si)，在由P形A 1 I nP半導體所構成之ρ型貼合層 5做爲P形導電形決定雜質添加（doping) Ζ η (鋅）。 ----------- (锖先聞讀背面之注項再填寫本頁) -訂 4._βϊ 本紙张尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（2Ι0Χ297公釐） -4 - 經濟部中央標準局貝工消费合作社印製 A7 B7五、發明説明（2) 又，在活性靥4，由於從p型貼合層5之鋅之滲出而形成 包含鋅之領域。此鋅之滲出領域厚度係0 . 1 程度， 而係活性層厚度之1/5以下。 【發明所欲解決之問題】 然而，若在先行技術對於活性層4添加鋅時，活性層 4之結晶層就變成不良，而增大非發光性再結合，而認爲 會降低發光效率。因此，先行技術係不添加鋅於活性層4 ，並且嘗試了儘置減少從P型貼合層5之鋅滲出。 但是，儘管防止活性層4之結晶性來達成發光效率， 而不能將半導髖發光元件發光量之增大達成髙水準之實際 情形。 因此，本發明之目的係提供一種消除這種問題，而將 發光量增大至高水準之半導體發光元件。 【欲解決問題之手段】 爲了達成上述目的之本發明係有關半導體發光元件， 其係放射光線所需具有複數之半導體層之半導體基體，與 配置於上述半導體基體一方主面之陰電極*與配置於上述 半導體基體之他方主面之陽電極所構成者，其特徴爲包含 ;上述半導體基體係以1 X 1 01β〜5 X 1 017cm_3濃 度包含鋅，具有0 . 5〜2 . Ομιη之厚度之 AlGaIηΡ(鋁*鎵，銦，磷）半導體所構成之活性 層（activelayer )，與鄰接配置於上述活性層一方主 本紙张尺度適州中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先W讀背面之注意事項再填寫本頁) -5 - 經濟部中央標準局負工消费合作社印取 A7 _ B7五、發明説明（3) 面之η形AlGalnP (鋁，鎵，銦，磷）或 A1 InP (鋁，銦，磷）半導體所構成之η形貼合層（ clading layer )，與鄰接配置於上述活性層之他方主面 之P形之AlGa InP (鋁，鎵，銦，磷）或 A1 InP (鋁，銦，磷）半導體所構成之p形貼合層（ cladding layer) β 按，如申請專利範圍第2項所示，將η形貼合層之導 電形決定雜質濃度定爲8 X 1 〇1β〜χ 1 〇18cm_3，將 其厚度定爲0 . 5〜1 . 5jam，及p形貼合餍之導電形 決定雜質濃度定爲8 X 1 01β〜χ 1 〇18cm_3，將其厚 度定爲0.5〜1.5卩m較佳。 又，如申請專利範圍第3項所示，基片，緩衝層，η 形貼合層，活性層，Ρ形貼合層，電流阻擋靥，電流擴散 層，及接觸層依序設置較佳。 【發明之作用及效果】 若依據本發明對於活性層之全領域大致均勻地限定於 1 X 1 01β〜5 X 1 017cm_3範圍添加鋅時，就叫做深 度（depth )發光或發光位準之發光，減少較所需波長之 光更長波長光線之發生，於先行技術同一電流值會增加所 需波長之發光量。若導入鋅時活性層之結晶化就劣化，藉 此雖然會發生發光量之降低，但是藉將鋅澳度限定於上述 範園與其由於活性層之結晶性劣化所需波長之發光量降低 不如深度發光之抑制引起之發光置之增加變大，結果而言 本紙张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$項再填寫本頁) 經濟部中央標準局負工消费合作社印裝 A7 B7五、發明説明（4) 可達成從半導體發光元件向外部放射之所需波長光量之增 大。總之，若依據本發明添加鋅於活性層時，對於半導體 發光元件之陽電極與陰電極之間所流動之電流所需波長發 光之貢獻度就會提升。 【實施例】 茲參照圖2就有關本發明實施例之半導體發光元件亦 即發光二極體說明如下。按，於圖2與圖1實質上相同部 分標示了同一符號。 圖2之發光二極體係由半導體基體10與陽電極11 與陰電極1 2所構成。半導體基體1 0係具有依序叠層η 形（第1導電形）GaAs (鎵，砷）半導體所構成之基 片（substrate ) 1，與由η形GaAs半導體所構成 之緩衝靥2，與η形A1 InP (鋁，銦，磷）半導體所 構成之η形貼合層3，與依據本發明含有鋅之 A 1 Ga I ηΡ半導體所構成之活性層1 4，與由ρ形（ 第2導電形）A 1 I ηΡ半導體所構成之ρ形貼合層5， 與ρ形A 1 G a A s半導體所構成之電流擴散層6 ,與 P +形A 1 G a I η P半導髖所構成之防止氧化所需之保 護靥7，與ρ形G a A s半導體所構成之接觸層8之狀態 ，並且，具有由η形A 1 I η P半導體所構成之電流阻擋 層9·接觸層8及電流阻擋層9係平面所視被配置於互相 重叠之半導體基體1 0之中央。因此，電流阻擋層9係只 接觸於Ρ型貼合層5上面之一部分，又，電流擴散餍6係 (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙张尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） -7 - 經濟部中央標隼局男工消费合作社印製 A7 _B7_五、發明説明（5) 接觸於P型貼合層5與電流封鎖層9之兩方。又，因由金 (Au)所構成之陽電極（第1電極）1 1係裝設於接觸 層8上，所以，爲了防止半導體內部氧化所裝設之P +形 之A 1 G a I η P半導體所構成之保護層7之陽電極1 1 所覆蓋之領域將變成光線取出面。 茲將半導體基體1 0之各層詳述如下· 基片1係以1 X 1 018〜4x 1 018cm_3之濃度包 含導電形決定雜質，而具有3 3 0〜3 7 0 之厚度。 緩衝層2係鄰接配置於基片1，以1X1018〜4X 1 018cm-3之澳度包含導電形決定雜質，而具有0 . 1 〜0.3#m之厚度。 η型貼合靥3係鄰接配置於與鄰接於緩衝層2之基片 1之主面相反側之主面，而以8 X 1 01β〜1 X 1 018 cm_3濃度包含導電形決定雜質，而具有〇 . 5〜1 . 5 私m之厚度。 活性層14係鄰接配置於與鄰接於η型貼合層3之緩 衝層2之主面相反側主面，而以1 X 1 〇1β〜5 X 1 017 £；111-3濃度包含鋅，而具有〇.5〜2.0；£/111之厚度。 Ρ型貼合層5係鄰接配置於與鄰接配置於活性層14 之上述η型貼合層3之主面相反側主面，而以5 X 1 01β 〜1 X 1 018cm_3濃度而包含導電形決定雜質，而具有 0 . 5 〜1 . 5^m 之‘[度· 電流阻擋層9係鄰接配置於與ρ型貼合層5之上述活 性層1 4之主面相反側主面一部分，而包含導電形決定雜 本紙汍尺度適用中國國家搮準（CNS ) A4思格（210X297公釐） ' -8 - -----J—；—c^.— (請先閲讀背面之注意Ϋ項再填寫本頁) 訂 經濟部中央標準局負工消费合作杜印製 A7 _____B7_五、發明説明（6) 質，具有〇 . 〇5〜0 . 25仁m之厚度。 電流擴散層6也叫做前窗層（front window).，而配 置於P型貼合層5主面之電流阻擋層9不鄰接之領域及如 覆蓋電流阻擋層9地配置，而以1 X 1 018〜5 X 1 01β c m_3之濃度包含導電形決定雜質，具有5〜1 5 jt/m之 厚度。 保護層7係鄰接配置於與電流擴散層6之電流阻擋層 9之主面相反側主面，而以1 X 1 〜5 X 1 〇ia cm-3之澳度包含導電形決定雜質，具有〇 . 2〜0 . 4 〆m之厚度。 接觸層8係鄰接配置於保護層7之電流擴散層6之主 面與相反側之主面，而以1 X 1 018〜5 X 1 〇iecm_3 之濃度包含導電形決定雜質，具有0 . 05〜0 . 1 5 # m之厚度。 欲製作半導體基體1 0時，就準備在基片1上以周知 之外延（epti axial )成長法由G a As所構成之來形成 緩衝層2 *接著，在緩衝層2上以外延成長法使用導電性 決定雜質形成包含矽（S i )之η形A 1 I nP所構成之 η型貼合層3，接著，將導電形決定雜質由矽（S i )改 樊爲鋅（Zn)，又將半導體材料從All nP改變爲 A 1 Ga I nP進行外延成長。藉此，就在緩衝層2上面 由η形A 1 I nP半導體所構成之貼合層3與鋅導入於全 域之A 1 G a I η P半導髖所構成之活性層1 4就連績形 成。接著，將A1InP連績地在活性層14上進行外延 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -9 - A7 B7 經濟部中央標準局员工消费合作社印製 五、發明説明（7) 1 I 成 長 來形成由 P 形 A 1 I η Ρ 半導體所構成之Ρ型貼合層 1 5 〇 按，活性 層 1 4之寬 度亦即厚度係0 . 5〜2 . 0 1 1 β m ，而較從 P 型 貼合層 5之 鋅滲出厚度（約0 . 1从m 1 I ) 充 分地大。 其 後 ，在P 型貼 合層5上外延成長η形 請 先 閲 1 1 A 1 Gain P 9 將此變 成規 定之圖樣來獲得電流阻擋層 讀 背 ώ 1 1 9 〇 接著，依 序 外 延成長 Ρ形 A 1 Ga I ηΡ半導體及ρ 之 注 意 1 1 形 G a A s半 導體 以獲得 電流 擴散層6，保護層7及接觸 事 項 1 層 8 〇 再 填 寫 本 Q 圚3係表 示 具 有先行技術 之沒有摻雜鋅之活性層4之 頁 1 1 發 光 二極體之 深 度發光與 所需 波長之發光強度·於此圖3 1 I 在 波 長約7 3 0 η m及在此附近之脈衝狀突出部係表示深 1 I 度 光 線（深紅 色 發 光）， 波長 約7 0 nm及此附近之脈衝 1 訂 1 狀 突 出部係表 示 所 需波長 之發 光（綠色發光）。 1 若存在有 這 種 深度發 光時 ，所需波長之發光效率就降 1 1 低 〇 1 J 又，這種 深度光線係 若增 大構成活性層之（A lx I G a 1-X ) I η Ρ 相之鋁 組成 比X時，亦即活性層之能 1 1 量 差 距縮短所 需 波 長時， 也確 認了其發光強度會增大》 1 i I 圓4係將 圓 2 所示具 有摻 雜鋅之活性層14之發光二 \ 極 體 之深度發 光 與 所需波 長之 發光強度亦即將光度之柄係 1 與 圖 3同樣地 表 示 •按， 圖3 及圖4係皆將最大突出部之 1 1 振幅做爲1 0 0 % ，將最 大振幅之突出分以外之突出部之 1 I 振 幅 相對性地 表 示 者•又 ，於 圚3與圖4發光二極體之驅 1 1 動 m 流之位準 爲 同 —。又 ，於 圖4所需波長係與圖3同樣 1 1 1 本紙悵尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公瘦） -10 - A7 _B7__ 五、發明説明（8) 爲 5 7 0 n m · 由圖3及圖4就可清楚，若將鋅摻雜於活性層1 4時 ，就可將上述深度發光完全消除•隨此，就可確認所需波 長之發光強度，與圖1之先行技術之發光二極體相較可將 所窬波長之發光輸出提高2倍以上。 【變形例】 本發明並非限定於上述實施例，例如可做到下列之變 形。 (1) 在圖2係分別形成一層之η型貼合層3及p型 貼合靥5 ’但是，將η型貼合層3及ρ型貼合層5之任一 方或兩方由第1及第2貼合層領域（複數層）所構成，將 第1 2貼合層領域配置在近於活性層1 4側，將第2貼合 層領域對於活性層1 4配置於逮離側，而將第1貼合層領 域與活性靥間之電位障礙，也可設定爲較第2貼合層領域 與活性層間之電位障礙高度爲髙。亦即，也可對於日本特 開平8-1810號公報所揭示於半導體發光元件適用本 發明。 (2) η型貼合層3及Ρ型貼合層5係並非限於 Α1 ϊ ηΡ，例如，也可以爲Al Ga I ηΡ。 (3 )活性層1 4中之鋅雜質濃度係可在1 X 1 〇ιβ 〜5X1 〇ucm-3之範圍做適當變更。但是，若未滿ϊ x 1 〇lecm_3及超過5 X 1 017cm-3時，就不能獏得 發光置增大之明顯效果。 本紙张尺度剌中_家縣（CNS)〜規格（2iQx297公们 •1Ί. ^---II (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁)

、1T 經濟部中央橾隼局負工消费合作社印製 — II- 經濟部中央搮準局貝工消费合作社印製 A7 B7五、發明説明（9) (4) 活性層14之寬度係，可在0 . 5〜2 . 0 /im範圍做適當變更•但是，若在〇 . 5j^m未滿時會受 到與貼合靥之界面影響而降低發光效率。又，若超過 2 . 0 時，活性層1 4中之載體密度（carrier density )就減少而仍然會降低發光效率。 (5) 於圖5也可省略由η型貼合層3，活性層14 ，？型貼合層5所構成設於主要部下側及上側之半導體盾 之一部分或全部。又，在主要部上側或下側可追加其他半 導體層。 (6 )在實施例，表示了波長爲將約7 3 0 nm附近 發生深度發光時之情形，但是有時皆會發生除了改變活性 層之鋁組成比等以外波長之深度發光。此時，也由於適用 本發明而增大發光效率。 圖式之簡單說明 圖1係表示先行技術之半導體發光元件之剖面圖。 圖2係表示有關本發明實施例之半導體發光元件之剖 面圖》 圖3係表示圖1先行技術之半導體發光元件之波長與 發光強度關係之圖。 圖4係表示依據圖2本發明之半導體發光元件之波長 與發光強度關係之圖· 【符號之說明】 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙张尺度適用中國國家標準（CNS ) A4规格（210X297公釐） -12 - A7 B7 五、發明説明（1(ί 3 η型貼合層， 5 ρ型貼合層， 14 活性層。 fltv* am MttMf I— ^^^^1 Λ ^^^^1 m ^^^^1 fllf— nn M i > ' 尸^i (請先閲讀背面之ji.'意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局負工消费合作社印製 本紙ifc尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） -13 -

Claims (1)

1. 經濟部中央標準局負工消费合作社印装 A8 B8 C8 _______D8 六、申請專利範圍 1 · 一種半導體發光元件，其係由具有放射光線所需 之複數半導體層之半導體基體，與配置於上述半導體基體 —方主面之陰電極，與配置於上述半導體基髖他方主面之 陽電極所構成者，其特徵爲； 上述半導體基體爲包含； 以1 X 1 〇1β〜5 X 1 017cm-3濃度而含有鋅（ Zn)，具有〇·5〜2.0vm厚度之AlGalnP (銘’鎵，銦*磷）半導體所構成之活性層（active 1 ayer )，與 鄰接於上述活性層一方主面之η形A 1 Ga I nP (鋁，鎵，銦，磷）或A1InP(鋁，銦，磷）半導體 所構成之η形貼合層（cladding layer)，與 鄰接配置於上述活性層之他方主面之p形之 AlGa InP (鋁，鎵，銦，磷）或 A1 InP (鋁， 銦，磷）半導體所構成之p形貼合靥（cladding layer) ο 2·根據申請專利範圍第1項之半導體發光元件，其 中上述η形貼合層係以8 X 1 01β〜1 X 1 0iecm_3澳 度含有導電形決定雜質，而具有〇.5〜1.5#m厚度 ♦ 上述P形貼合餍係以5 X 1 01β〜 lx 1 〇18cm-3 澳度含有導電形決定雜質，而具有0.5〜1.5#m厚 度。 3.—種半導體發光元件•其係由具有放射光線所窬 本紙張尺度逋用中國國家標準（CNS ) A4规格（210X297公釐） (請先聞讀背面之注項再填寫本頁) -1¾. 訂 -14 - 經濟部中央橾準局負工消費合作社印装 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 之複數半導體靥之半導體基體，與配置於上述半導體基體 一方主面之陰電極，與配置於上述半導體基體他方主面之 陽電極所構成者；其特徵爲由； 上述半導體基體爲由； 包含由1 X 1 018〜4x 1 018cm-3濃度導電形決 定雜質，具有330〜370#m厚度之η形之GaAs (鎵，砷）半導體所構成之基片（substrate )，與 鄰接配置於上述基片，以1 X 1 018〜5 X 1 018 cm_a澳度導電形決定雜質，具有〇 . ;l〜0 . 3#m厚 度之η形之GaAs (鎵，砷）半導體所構成之緩衝層（ buffer layer)，與 、鄰接配置於與上述緩衝層相鄰接之主面相反側主面， 以8 X 1 01β〜1 X 1 018cm_3濃度導電形決定雜質， 具有0.5〜1.5卩m厚度之η形之AlGaInP( 鎵，砷，銦，磷）或A 1 I η P (鋁，銦，磷）半導體所 .構成之η形貼.合層（cladding layer)與， 鄰接配置於與上述η形貼合層之上述緩衝層鄰接之主 面相反側之主面，以1 X 1 01β〜5 X 1 017cm ~3濃度 包含鋅（Zn) ，具有0 · 5〜2 .0/^m厚度之 AlGa I nP (鋁，鎵，銦，磷）半導體所構成之活性 層（active layer)，與 鄰接配置於與上述活性層之上述η形貼合靥鄰接之主 面相反側主面，與以5 X 1 01β〜1 X 1 018cm -3濃度 包含導電形決定雜質，具有0 · 5〜1 . 5；am厚度之p 本紙張尺度適用中國國家橾準（CNS ) A4规格（210X297公釐） ~ -15 - (請先W讀背面之注f項再填寫本頁) C -訂 A8 B8 C8 D8 388132 「、申請專利範圍 形之AlGalnP (鎵，砷，銦，磷）或A1 InP( 銘’銦’磷）半導體所構成之p形貼合厝，與 (請先閱讀背面之注$項再填寫本頁) 鄰接配置於與上述P形貼合層之上述活性層相鄰接之 主面相反側主面之一部分，以1 X 1 〇ιβ〜1 X 1 〇ιβ cm-3澳度包含導電形決定雜質，具有〇 . 〇 5〜 〇 . 25j^m厚度之AlGa I nP (鎵，砷，銦，磷） 或半導體所構成之電流阻擋層（cu rrenr_t blocking lay er)，與 如覆蓋似地配置上述p形貼合層之上述相反側之主面 之上述電流阻擋層不鄰接之領域及上述電流阻擋層，以1 X 1 018〜5 X 1 0lecm·3澳度包含導電形決定雜質， 具有5〜15#m厚度之p形AlGaAs (銘，鎵，砷 )半導體所構成之電流擴散層（cu rrent spreading layer )，與 鄰接配置於與上述電流擴散層之上述電流阻擋層之主 面與相反側之主面，以1 X 1 017〜1 X 1 018cm_3澳 .... . ' 經濟部中央標準局工消費合作社印製 度包含導電形決定雜質，具有0 . 2〜0 . 4#m厚度之 p形A1 Ga I nP (鋁，鎵，銦，磷）半導體所構成之 保護層，與 鄰接配置於與上述保護層之上述電流擴散層相鄰接之 " "—----^ 主面相反側之主面，以5 X 1 018〜1 X 1 0lec m_3濃 φ 度包含導電形決定雜質，具有0·05〜0.15#m厚 度之P形GaAs (，鎵，砷）半導體所構成之接觸餍（ contacying layer)所構成’ 衣纸張尺度適用中國國家揉準（CNS > A4規格（210X297公釐） -16 - A8 B8 C8 D8 388132 申請專利範圍 上述陰電極係接觸於上述基片， 上述陽電極係接觸於上述接觸層 請 先 閲 讀 背 面 之 注 項 再 本 頁 訂 踉 經濟部中央梯準局貝工消費合作社印«. 表紙張尺度適用中國國家橾準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -17 -