TW432725B - Group-III nitride semiconductor light-emitting device - Google Patents

Description

五'發明說明（1) 本發明係關於第3族氮化物之半導體晶體製造的短波 長發光元件，特別係關於具有發光層的第3族氮化物半導 體發光元件，其產生高亮度冷光以及可見光中較長波長。 習知技術 發光二極體（LED)及雷射二極體（LD)自帶紅色的橙色 波段至靠近紫外線的帶籃色的紫色波段發出短波可見光， 以及利用歸入於第3族氮化物半導體的入1^心11^(0$)(， Y，Z S 1，X + Y + z = 1)晶體材料製造的紫外線波段（參 考Japanese Examined Patent Publication No. S5 5-38 34 )。另外，第3族氮化物半導體例如AlxGaYInzN οΜη(0 SX，Y，ZS1’X + Y + Z= 1，符號 Μ 表示除了氮 以外的第5族元素，且〇 < Q < 1)包括除了氮之外的第5族 元素例如磷（Ρ)及砷（As )，已經利用來製造第3族氮化物半 導體發光元件（參考Japanese Unexamined Patent Publications No.H4-192585 'H4-192586 'H10-84163 and EP No.0496030A2) ° 於此等第3族氮化物之半導體發光元件中，迄今為止 發光部分一般經由pn接面型雙異質（doub 1 e he t ero簡稱 DH)結構構成，其容易於發出高亮度冷光（參考Japanese U n e X a m i n e d P a t e n t P u b 1 i c a t i ο η Ν ο · Η 6 - 2 6 0 2 8 3) ° η 與 ρ 型包覆層（cladding layer)經由安插一發光層 (light-emitting layer)於其中間構成DH結構的發光部分 迄今為止一般已經由AlxGaYN (OSX ’YS1，X + Y = 1)製 造（參考 jpn. J. Appl. Phys.，Vol.32，（ 1 99 3 )，

五、發明說明¢2) P.P.L8〜L11)。發光層實際上由η型GaYInzN(0 < Y，Z < 1，Y + Z = 1)構成（參考 Japanese Examined Patent Publication No. S55-3834)。此係因為能隙（band gap)經 由調節姻（i n d i u m)組成比例（=Z )容易獲得自靠近紫外光 波段至短波長可見光波段，就是自約360nm至約560ηιη。 例如，Gao.^InojN其具有銦組成比例（=Z)0.06使用 於藍光波段的LEDs，包括單一的第3族氮化物半導體發光 層（參考 J. Vac. Sci. Technol. A, 1 3 ( 3 ), ( 1 995 ), p , p · 7 0 5 p · p · 71 0 )。曾經有如此一範例，其中 G 551 nD 45 N 進一步採取增加銦組成比例至0· 45當作一井層（we 1 1 layer)(參考 Jpn. J. Appl. Phys·， 34(Part 2)，No. 10B, ( 1 9 9 5 )，p.p_ L1 33 2~L 1 335 )。 有一已知的習知範例，其中發光層經由單一量子井 (single quantum well簡稱SQW)結構或多層量子井 quantum well 簡稱MQW)結構組成（參考Mat, Res. Soc. S y m p · P r o c. , V ο · 4 4 9 ( 1 9 9 7 )， p. ρ，1 2 0 3 ~ 1 2 0 8 )。這是因 為假若採用量子井結構，可提供狹窄的發光頻譜，產生極 佳的單色性（monochromaticity)發光。有一範例，其中_ 井層具有SQW或MQW結構，其構成可見光發光元件之發光吾p 分’亦疋由 〇3·γΙηζΝ(0 < Υ ’Ζ < 1 ’Y + Ζ = 1)構成（參考 Jpn. J. Appl. Phys. , 35, Part 2, No. IB, 1 9 9 6, p. p. L74〜L76 )。 以習知做法方式，位障層（b a r r i e r 1 a y e r )位於朝向 井層的位置係由較井層组成材料之能隙大的第3族氮化物

第5頁 五 '發明說明（3) 半導體材料製作。在習知的範例中，位障層一般由A lxGaY N(OSX，YS1 > X + γ = 1)製作（參考Japanese U n e x a m i n e d P a t e n t P u b 1 i c a t i ο η Ν ο. Η1 Ο - 1 6 3 5 71 )。不管 是SQW以及MQW結構，自量子井結構之發光層一般產生具有 比相當於由井層組成的G 3_γ I Πζ N的能隙的波長逛短的光，其 由於量子能階（Quantum level)產生於井層中所以採用習 知矩形位能結構形式。 於習知技術中亦已揭露，其中發光層由具有一扭曲， 即一扭曲層（strained layer)組成（參考日本未審查專利 公開公報No. H7- 29 7476 )。於習知技術中，因為一井層就 是發光層，使用具有7 nm厚度的I no 2 Ga〇 8 N。另外一方面， 經由堆疊扭曲層構成一扭曲層超晶格（strained-layer super 1 at t i ce簡稱SLS)結構，除了發光部分外主要地利用 當作組成的構成要素。例如，以AlyGa卜x_y InxN(0 Sx，y $ 1 ’ 0 S x + y < 1)為材料製成的SLS結構，被當作錯位還 原作用層（dislocation -reduction-layer)用以防止緩衝 層（buf f er 1 ayer)中的錯位擴及DH結構發光部分的活性層 (active iayer)(發光層）（參考 japanese [Jnexamined Patent Publ ication No.H8-264833)。此外，由習知技術 已知’其中SLS 結構以AldGa卜c_dIncN(0 Sc，dSl，〇S c + 位於DH結構發光部分之下’相似於上述習知技術（參考 Japanese Unexamined Patent Publication N〇.H6-152072)。除此之外，已知—範例，其中由ain與

五、發明說明（4)

GaN構成的SLS結構構成一緩衝層（參考Japanese U n e X a m i n e d P a t e n t P u b 1 i c a t i ο η N o. Η 3 - 2 0 3 3 8 8 )。 如上所述，習知發光部分包括單一層量子井結構或可 視為量子井結構之結構。構成單一層的發光層係用數表示 地構成單一第3族氮化物半導體層，不是用字表示地。為 了獲得發光波長較長的GaYInzN製造的單一發光層（井層）， 必須自具有銦組成比例（=Z )大的GaY I nz N層形成發光層。 以習知做法方式，參考採用習知矩形位能結構 (rectangular potential structure)的量子井結構，一 井層必須進一步由具有比單一層組成的發光層較大的銦組 成比例的GaY I nzN層構成。這是因為在矩形位能井層中產生 量子層’載子之間的遷移能量（transition energy)增 加。 在另一方面，對於包括發光層與井層的GaYInzN之成長 技術觀點，必須降低成長溫度以便獲得具有大的銦組成比 例（=Z)的GaYInzN。然而，已經報導當GaYInzN於接近5 00 t： 低溫成長時顯示劣質的結晶性（參考THE JOURNAL OF THE INSTITUTE OF ELECTRONICS, INFORMATION AND COMMUNICATION ENGINEER, Vol. 76, No. 9, (September, 1 993 ), p.p.913~p.p.917)。構成發光層的 第3族氮化物半導體晶體層之結晶性優劣顯示發光強度程 度好壞。換言之，劣質結晶的GaY I nzN晶體層之使用係不利 於獲得氮化物之半導體發光元件發出高的發光強度。 假若可以發出具有稍微長波長的可見光的一發光層或 五、發明說明（5) 井層可以於將近8 〇 〇 C向溫成長出低銦組成比例結晶性 極佳的GaYInzN晶體層構成（參考前述j. Insti Electron. Inf or. Communi. Eng.) ’可以有益地獲得發出高發光強 度的第3族氮化物半導體發光元件。然而，因為於室溫下 當姻組成比例減少時它的能隙提高（參考Japanese

Examined Patent Publication No. S55-3834)，該GaYInzN 曰曰If層難以使用當作合適的構成材料用以構成發出具有藍 綠光波長或綠光波段的發光層。特別地，經由具有稍微低 的姻組成比例的GaY inzN晶體層構成的矩形位能井層係更不 利於發出具有綠波段波長的短波長可見光。 即使當具有低銦組成比例（=Z)且極佳的結晶性(^^ j ^ ΖΝ晶體層被使用作單一發光層或位能井的構成物質時將 可以構成發出高亮度冷光的第3族氮化物之半導體發光元 件，提供可以發明出可以輕易發出具有較長波長的可見光 的發光層。 更進一步，假若平穩地改善構成發光層或井層的GaY InzN晶體層結晶性的技術步驟可以完成，如同習知做法方 式使得有利的優於獲得第3族氮化物半導體發光元件發出 更穩疋的高亮度光。 ^發明之主要目的係提供具有發光部位的第3族氮化 物之半導體發光元件，當具有低組成比例的銦時發出具有 一藍光波段或綠光波段波長的短波長可見光。 本發明之另一個目的係提供增強發光單色性及發出高 亮度冷光的第3族氮化物之半導體發光元件。

第8頁 五、發明說明（6) 本發明之第3族氮化物半導體 之專利範圍第1項，n 知九几仵疋義於此申凊 括一 η型包覆居f 式之雙異質接面結構，其包 面.以及由楚型包覆層形成於單一晶體基板之一表

Mill @族氮化物半導體晶體層製造的發光層提供 於η與P型包覆層之間’其中發光層包括一超晶格結構 super lattice structure)，η型第3族氮化物之半導體 晶體層設置靠近於η型包覆層係交替地堆疊，η型第3族氮 化物之半導體晶體層具有第3族構成元素之不同的組成比 例且大約相同層厚度以及一對η型第3族氮化物之半導體晶 體層數目週期地堆疊（以下稱之為堆疊週期數）範圍自兩對 至二十對；以及一η型第3族氮化物之半導體晶體層製造的 活性層（active layer)提供於一層（上部終端層），其位於 一超晶格結構之末端靠近於p型包覆層，由於能帶彎曲η型 第3族氮化物之半導體晶體層具有非矩形 (non-rectangular)的位能結構。 如上所述，提供一非矩形結構的活性層使得可以容易 地發射光之波長且因此超晶格結構貢獻於活性層之結晶 性。 更進一步，如申請專利範圍第2項所述，於申請專利 範圍第1項所述本發明之第3族氮化物之半導體發光元件， 特徵在於該超晶格結構係非量子井結構，其中兩種導電性 n 型氮化銦銘鎵（aluminum gallium indium nitride，A1 xGaYInzN :〇<Χ<1,°^γ<1ϊ〇^Ζ<1ϊΧ + Υ + Ζ 1 )層混合晶體層交替地堆疊’於每一層厚度相差5nm以下

五、發明說明（7) 且具有不同組成比例於第3族構成的元素中。 如申請專利範圍第2項所述，提供一非量子井結構的 晶格結構使得可以發出極佳的單色性發光。 如申請專利範圍第3項所述’於申請專利範圍第1項及 第2項所述本發明之第3族氮化物之半導體發光元件，特徵 在於該活性層包括一井層，位於鄰接於p型包覆層的量子 井結構終端，量子井結構由包括該井層及位障層的井層組 成’經由堆積週期數5以下的交替堆疊每—層，該井層由 具有銦組成比例為〇. 3以下的氮化鎵銦（GaY I nz N : 〇. 7 S Y < 1 ’ 0 < Z S 0 . 3 ’ Y + Z = 1 )混合晶體構成以及該位障層 由具有麵組成比例少於GaY I ηΖΝ混合晶體的氮化鎵銦（Gas :Y < B < 1，〇 < c < Z’B + C 二 1)混合晶體構 成。 更進一步’如申請專利範圍第3項所述，提供量子井 結構之堆疊週期數5以下使得可以發出極佳的單色性發 光。 於申請之專利範圍第4項所述，如申請專利範圍第1項 及第2項所述，本發明之第3族氮化物之半導體發光元件， 特徵在於該活性層由單一氮化鎵銦混合晶體層直接地結合 於該超晶格結構之上部終端層。 更進一步的’直接地連接超晶格結構之上部終端層於 活性層使得可以進一步增強發光單色性。 於申請之專利範圍第5項中所述，如申請專利範圍第1 項至第4項所述’本發明之第3族氮化物之半導體發光元

第10頁 五、發明說明（8) 件’特徵在於該活性層係由多相態結構之氮化鎵銦混合晶 體構成，其包括複數結晶相（0$〇:< 1 ’ α +厶= 1) ’每一晶相具有和其它不同的銦組成比例（=冷）。 如申請專利範圍第5項所述，構成複數結晶相之活性層， 每一結晶相具有不同的銦組成比例，導致加強發光強度。 於申請之專利範圍第6項中所述，如申請專利範圍第5 項所述，第3族氮化物之半導體發光元件，特徵在於該活 性層由主體相（matrix phase)構成，其主要由與η型第3族 氣化物半導體成分相同的η型第3族氮化物之半導體晶體組 成’於該活性層下面構成一層（活性層設置於此層上），以 下稱之被堆積層（deposited layer)，堆疊該活性層在被 堆積層上’以及一從屬相（sub — phase)由具有和主體相不 同的銦組成比例的Ga α I η β N晶體構成。 如上所述，構成具有多相態結構主體相的活性層，其 大體上與在活性層下面相同，極好地增加晶體品質。 於申請之專利範圍第7項中所述，如申請專利範圍第1 項至第6項所述’第3族氮化物之半導體發光元件’特徵在 於該活性層由η型氮化鎵銦混合晶體構成（GaYinzN : 〇. 7 ^ Y < 1，0 < Ζ$0·3，Y + z = 1),於較靠近於p型包覆層 且銦組成比例為0.3以下的接面介面處鄰近區域，具有傳 導帶（conduction band)或價電子帶（vaience band)朝向 費米能階（Fermi level)之彎曲部分。 於申請之專利範圍第8項中所述，如申請專利範圍第1 項至第6項所述’第3族氮化物之半導體發光元件，特徵在

432725 五、發明說明（9) 於包括P型雜質（impurity)的η型氮化鋁鎵混合晶體（AlxGa :0SXS1，〇SYSl，Χ + γ = υ成長於該活性層與p 型包覆層之間，以及該活性層係包括η型氮化鎵銦混合晶 體（GaYInzN ·0.7$γ < 1 ’〇 < γ$〇 3，γ + Ζ 二 1)，於 包含ρ型雜質的η型氬化鋁鎵接面的接面介面鄰近處，具有 朝向費米能階彎曲的傳導帶部分以及銦組成比例（=Ζ)為 0. 3以下。 更進一步’如申請專利第7項及第8項所述，從能帶結 構中組成活性層使得可以發出較長波長的光且因此避免過 去不好的結晶。 圖式簡單說明 參考附加圖式，將對本發明作詳細說明。 第1圖係根據本發明範例1之L E D概要平面圖。 第2圖係沿著第1圖中LED之A-Α，線切割的概要剖面 圖。 第3圖顯示範例1之LED發光頻譜圖。 第4圖顯示比較範例之led發光頻譜圖。 第5圖係根據本發明範例2之LED概要平面圖。 圖。第6圖係沿著第5圖中l E D之B - B ’線切割的概要剖面 第7圖顯示範例2之LED發光頻譜圖。 第8圖係根據本發明範例3之LED概要平面圖。 圖。圖係沿著第8圖中LED之C-C，線切割的概要剖面

第12頁

第10圖係根據本發明範例4，顯示活性層之本質結構 第1 1圖係根據本發明範例6之LED概要剖面圖。 第12圖顯示本發明之第3族氮化物半導體發光 基本構成範例剖面圖。 第1 3圖顯示本發明活性層之非矩形位能結構範例圖。 第1 4圖顯示本發明活性層之非矩形位能結構之另一 例圖。 符號說明 1、10、40 ' 7 0〜發光二極趙（LED) ; 2、20、5〇、8〇〜 堆疊結構；10卜基板；102〜緩衝層；1〇3〜n型包覆層； 104〜超晶格結構；i〇4a~堆疊結構單元；i〇4b第一構成 層，104c〜第二構成層；1〇5〜起始層；1〇6〜上部終端層； 107量子井結構；1〇7(1~量子井結構之週期堆養結構單 元i l〇7e~井層；1〇7卜位障層；1〇8〜量子井結構之起始 層’ 1 0 9〜活性層；11 〇〜p型包覆層；1丨〗〜活性層與p型包覆 層之接面介面處；l12~p型歐母電極；U2a〜台座電極； 112b〜TiN透明電極；113〜η型歐母電極；114〜中心波長； 115〜主發光光譜；116〜次發光光譜；117~光譜之半寬； 118〜η型晶艘層；119〜活性層與上部終端層之接面介面 處；120〜活性層與η型晶體層之接面介面處；CB〜傳導帶； e〜電子；h〜電洞；F〜費米能階；Ρ0〜價電子帶側的位能 井；P卜傳導帶側的位能井；S~主體相；τ〜從屬相；U扭曲 的區域；VB〜價電子帶 ΗΓΒΙϋΓ 第13頁

根據本發明第12圖顯示第3族氮化物半導體發光元件 之（第一實施例）基本結構，其中發光層包括兩種構造；由 第3族氮化物半導體製成的一超晶格結構1〇4以及由包含銦 的第3族氮化物半導艎晶體構成於超晶格結構之上的一活 性層1 0 9。上述超晶格結構丨〇4用以改善第3族氮化物半導 體晶體層結晶層，其中活性層109構成於超晶格結構之 上三活性層幾乎用來發光，就是，發出相當多的光。參考 數字101標示一基板以及在超晶格結構104之下一緩衝層 (buffer layer)1 02提供於基板1〇1與較低的包覆層丨⑽之^ 間。 ^包括第3族氮化物半導體晶體層的超晶格結構丨〇4係發 光層之構成要素，提供於較低的例如由η型敗化鎵（GaN) 構成的包覆層103之上。超晶格結構1〇4本質上係由導電性 的且低電阻的第3族氮化物半導體晶體層構成。即是，本 發明的超晶格結構係顯示導電牲極佳的超晶格結構，且經 由超晶格結構的極佳導電性確保下部包覆層的電性導通 (electric conduction)。導電性極佳的第3族氮化物半導 趙層顯示載子濃度約為1X 1 〇i8cm-3以及約為數個的或更少 的毫歐姆（mW)之特有電阻值（電阻率），適合構成超晶格結 構。獲得顯示極佳導電性的第3族氮化物半導體晶體層係 經由故意地摻雜不是p型雜質就是η型子雜質在其中。於本 發明中，就應包括η型第3族氮化物半導體晶體層的超晶格 結構情形而言’由包括摻雜η型雜質例如矽（Si)、硫（5)、

^132725 五、發明說明（12) 錫（Sn)、及硒（Se)的低電阻值的η型第3族氮化物半導體曰曰 體層最適合構成超晶格結構。 Βθ 不像習知SLS結構之構造’構成超晶格結構1〇4的每— 層104b、104c之厚度不用一再地減少至臨界厚度 (critical thickness)以下以致扭曲。具有臨界厚度以下 的第3族氮化物半導體晶體之薄層主要的功能係能夠成為 量子井。然而，於本發明中’為了以後說明原因，構成超 晶格結構應避免自量子井結構顯現充分的量子效應。因° 此，為了防止超晶格結構顯現充分的作為量子井的功能而 設定量子能階至多為50meV或更少，假若超晶格結構包%括 量子井結，，構成超晶格結構每一層的厚度應設定約為 20nm或更多。因此厚度應設於約4〇nm以上，且大部分較好 的範圍自約50 nm至約70nm。換言之，本發明構成發光層之 一部份的超晶格結構係不包括量子井結構或扭曲層超晶格 (stramed-Uyer superlattice 簡稱 SLS)結構但在極佳 導電性方面較佳簡明的超晶格結構係經由具有厚度範圍自 約50錢至約70nm且幾乎無量子效益的第3族 晶體層簡易堆疊構成的。 初千等體 ^晶格結構係經由堆疊第3族氮化物半導體晶體層構 族與第5族層-顯不同的第3族元素組成比例或不同的第3 思素組成比例。在本發明中，第3族氮化物半導 厚度設定於近乎相等於每一其它層。特別地，本 Ϊ有：Ϊ ί格結構係非使用每一其它層像習知量子井結構 具有不同厚度的位障層及井層構成，目此明確 第15頁

五、發明說明（13) 能階產生。 超晶格結構經由堆疊包括一對的堆疊層（s t ack i ng layer)的單元結構至少兩對（兩個週期或更多）構成，每_ 層具有不同的構成元素組成比例。唯一堆疊單元結構，就 是’只有一週期堆疊結構系統，益未做出充分的抑制晶體 缺陷穿透（penetration)及錯位（dislocation) ’例如，假 若週期數30以上時，堆疊結構系統之粗操表面層可自數十 A至數百A成為單純段差（s tep di i f erence)。當構成超 晶格結構系統的週期結構增加時，就是，當經由構成層與 晶格錯位關係構成的接面的介面數增加以及全體層厚增加 時，此表面之段差具有放大趨勢。為此緣故，提供於這樣 的超晶格結構系統的堆疊結構系統降低其表面之平坦性。 特別地，超晶格結構1 〇 4經由近乎相同厚度之薄層構 成之實例，如同表面段差產生一因素導致於不止在薄層表 面缺少表面平坦性但亦在薄層中缺乏連續性。在缺少連續 性之薄層因為電流阻抗增加，在發光元件中，例如，順向 偏壓增大及擴大阻抗伴隨增加發光面積障礙，造成不良影 響。故此，假若用以構成超晶格結構之堆疊週期數設定為 25以下，以及較佳的範圍為1〇至15，可以防止自較低層的 晶體缺陷擴散，且沒有降低表面平坦性的構成超晶格結 構。構成超晶格結構之全體層厚應約束至比1 m m稍大一 點。為了自下層至上層有效地壓制晶體缺陷成長，如上所 述週期數必須至少為2。 於上述形成於η型包覆層103上的超晶格結構104，連 Ι1ΗΙΙΒΗΙ 第16頁

^ JC ( CO 五、發明說明（14) 接於η型包覆層的超晶格結構起始層（initiai iayer)i〇4 應寧了由具有較第3族氮化物半導體晶體形成的η型包覆層 接面區域能隙大的第3族氮化物半導體晶體構成。超晶格 結構起始層係經由具有能帶偏移量（band off-set)約 0. 2eV以下的第3族氮化物半導體晶體材料構成，更較佳範 圍自約0. leV至約〇. 2eV的第3族氮化物半導體晶體與^^型包 覆層接面區域構成的鄰近區域。假若於直接連接於η型包 覆層：傳導帶形成超過3eV的特別高能帶偏移量的第3族氮 化物〃導體晶體層，不利於平順電流流至形成於超晶格結 構上的發光層被阻礙。 ' ° 相反的，對一極端範例，當超晶格結構1〇4之起始屛 經由不產生能帶偏移量的第3族氮化物半導體晶體構 操作電流又助益的流至超晶格結構。當起始層 近乎相同能陈材料製造的第3族氮化物半導體晶體 柱、，就是，近乎相同的材料形成11型包覆層之構成材 :转：帶偏移量係極小的存在狀況。然而，在超晶格結 =防止自下層晶體缺陷成長，經由具有近乎相同成： 曰曰趙材料如同η型包覆層’就是’近乎相同構成元素組 =如同—包覆層’決不是較佳的構成超晶格結構之 :層。因此’ Α 了獲得可改善上層結晶性的超晶起 係構成具有充分與η型包復層不同的組成比 族半導趙晶艘起始層產生至少〇.leV以上的能帶偏移量第3 起始層配置於η型下部包覆層之表面上的超晶格結 之範例進-步詳述於㈣圓。連接於下部包覆層u = 第17頁 五、發明說明（15) 叠結構單元1 〇4a之第一構成層l〇4b係本發明之起始層 105 °堆疊結構單元1〇4a，就是超晶格結構丨〇4之構成單 元’係包括第一構成層l〇4b以及第二構成層104c。第12圖 的超晶格結構104係經由堆疊結構單元i〇4a三次（對每個第 一及第二構成層丨〇4b與1 〇4c堆疊三個週期）構成。無論堆 疊週期數如何’在週期性的構成層結構丨〇4中具有起始層 105作為第一構成層1〇4b、第二構成層1〇4c構成一層（上部 終端層）1 06位於靠近超晶格結構丨04之p型包覆層終端處。 於本發明中’因為第12圖中顯示構成超晶格結構1 04 的堆疊結構單元1 〇 4a之堆疊週期數視為重要的，構成上部 終端，106的晶體層亦可能包括第—構成層1〇4b。第12圖 之超晶格結構1 0 4作為說明範例，在第一與第二堆疊層 10 4^與l〇4c經由堆疊3次週期之下’當第一構成層1〇让係 進一步堆疊於第二構成層104c上作為超晶格結構104終端 時，可獲得超晶格結構，其中上部終 〇6由第一 層l〇4b構成的。 饵取1 曰進一步，於本發明中，導電性的n型氮化鎵銦混合 曰山曰，| aBUcN :B + C = 1)沉積於超晶格結構1〇4之上部終 =06作為活性層1〇9，因此形成—發光層。假若超晶格 ϋ曰&二一基部層（baSe ΐ3>^Γ)，可以形成具有特別極佳 二1 J生層。換言之，上述的超晶格結構帶來GaB IncN活 ’:作為極佳的結晶層，為真實的發光。於本發明 =置二型GaBlncN活性層以便朝向p型包覆層"〇處構成 pn接面型DH結構之發光部分。

第18頁 五、發明說明（16) 這是因為經由設置η型G aB I nc N活性層1 0 9用以當作大體 發光層以便鄰接p型包覆層110，於施加順向電壓時自p型 包覆層提供電洞的發光再結合顯示一小量的擴散長度，可 以有效地完成於η型G aB I nc N晶體層。總結如下；η型G aB I nc N 活性層當作帶來發光的大體發光部位，且超晶格結構有效 地當作一基底用以帶來具有極佳結晶性的發光部位。 下面敘述的係提前說明本發明之第七實施例。手狀結 構用以產生非矩形位能結構，不像習知發光層不管低組成 比例的銅，喜好n型GaB incN晶體層構成活性層，以獲得涵 蓋廣泛波長範圍的短波長發光。根據本發明能帶結構帶來 非矩形位能結構顯示於第丨3圖中。第丨3圖之位能結構係一 範例，其中η型GaBIncN活性層1〇9係直接地連接於p型包覆 層1 1 0。η型G aB I nc N活性層1 〇 9賦予非矩形位能結構p ,其中 價電子帶（valence band簡稱VB)與超晶格結構1 〇4之上部 終端層1 0 6的接面介面處1丨9係大體平坦的結構，接著自費 岽能階F —致地傾斜於一遠離方向，然後與卩型包覆層丨j 〇 之鄰近接面介面處111迅速落向費米能階F，因此構成一位 能井p〇。另一方面，傳導帶（conduction band簡稱CB)於 上部終端層106之鄰近接面的介面119處迅速地落向費米能 階F，因此構成位能井P1 ^ “ b 下面敘述的係提前說明本發明之第八實施例。於η型 GaB I ncΝ活性層1 〇 g係直接的連接型晶體層丨丨8且安插於 型包覆層1 1 0與活性層丨〇 9之間的範例中，η型以^ Ιη^Ν活性 層1 〇 9賦予非矩形位能結構ρ結構顯示於第丨4圖中。特別

第19頁 432725 五、發明說明（17) 地’ η型GaBIncN活性層109喜好非矩形位能結構p，其中傳 導帶（C B )終端係與超晶格結構1 〇 4上部終端層〗〇 6之接面介 面處1 1 9為大體平坦的結構，接著自費米能階F朝向遠離方 向一致地傾斜，然後與η型包覆層π 8之鄰近接面的介面 120處迅速落向費米能階F，因此構成一位能井ρι。另外一 方面，價電子帶VB於上部終端層1〇6之鄰近接面的介面ιΐ9 處迅速地落向費米能階F。傳導帶之位能井？1具有一位能 井P1足以使提供自超晶格、结構！ 04或存在於n型叫⑽活^ 層1 09内的電子e局部停留，且應特別地認知此位能井並非 由於顯示於異質接面介面處產生普通凹谷的梢微淺能帶落 差造成。 非矩形位能井結構P具有一能帶結構，其中位於 帶終端CB邊與位於價電子帶VB上的能帶於p型包覆層^導與 "予型二層二8鄰近接面介面U1和120的明確說明區域處給 予迅速地弩曲，且電子6或電洞h係局部停留的。 成具不有rT觀察☆習知SQW與職結構的對稱矩形位 更進一步’非矩形結構p與習知能帶結 刑ΛΛ 確說明區域能帶沒有陡靖的落差，且自 P型包覆層至w包覆層能帶具有某種程度上的傾斜 能階’因此降低非矩形位能結構的能階(參考Mat Res費、

Proc.’ ν〇1. 449, 1 997,。ρ· ii67 p p 覆層ϋ接其中n型超晶格結構104配置於n型包 覆層上支撐著具有非矩形位能井結構且堆疊於超晶 第20頁 幻 2725 五、發明說明（18) 格結構之上部終端層1〇6上的nsGaBlncN活性層1〇9，於第 一實施例中是最重要的結構。假若一堆疊結構體包括形成 最重要結構的一發光層，適當地提供歐姆輸入 (ohmic-input)及歐姆輸出（ohmic_〇utput)處理管制，根 據本發明可以獲得一第3族氮化物半導體發光元件。於具 有導電性的碳化矽（silicon carbide簡稱Sic)基板1〇1、 中，以及I 11 -V族化合物半導體晶體，例如磷化鎵 (gallium phosphide簡稱GaP)或者矽單晶（Si)製造，一歐 姆電極可以形成於導電性基板之背面，以及構成簡單結構 的發光元件可以有利地經由精簡的步驟構成。 本發明之第二實施例中，超晶格結構經由交替地堆疊 兩種層的導電性η型AlxGaYInzN(〇$X〈 1，χ + γ + z = 1)形成非量子井結構。每一層具有厚度範圍自5〇nms7〇nm 能夠抑制量子效應產生且層厚度之差異設於± 5nm範圍内 消除位能井層與位障層之間功能上的差別。由η型AlxGay ΙηζΝ(0$ X < ! ’X + γ + z = 1)製造的每一層具有第3 族構成元素之組成比例不同於其它的組成比例。經由具有 不同的鋁組成比例〇 X)的兩種AlxGaYN(〇^X < 1，x + γ _ 1)構成兩種層形成超晶格係有益的。特別地，採取非 量子結構的超晶格結構’經由堆要包括GaN結構獲得且Ai xGaYN之鋁的組成比例相對於GaN於傳導帶邊上顯示〇 2eV以 下的偏移量’係非常有效的獲得極佳的單色性發光。於構 成GaN和A1N的異質接面系統傳導帶邊上中，GaN和A 1N之間 的能隙之分配係數差異為0· 78(78%)(參考Mat. Res. Soc. MM — 第21頁 五、發明說明（19)

Symp. Proc.，Vol. 395，（ 1 996 )，p.p.123〜ρ.ρ.134)。 更進一步，假若室溫下A1N能隙設於5.9eV(Isamu Akasaki, edi., "Group III-V Compound Semi conduct or"Baifukan Co., Ltd., 20 , May 1 994, p，p. 150)且對於GaN傳導帶邊上給與〇.2eV以下偏移量計算 AlxGaYN之鋁的組成比例（=X)，經由計算獲得鋁組成比例 將約為0. 1以下。因為於超晶格結構中，構成層之間的能 帶偏移量應設至少0· 1 eV以上，鋁組成比例之要求最小 約為0. 05 。 非 成層做 位障層 因此， 構。利 述般的 經由具 體層構 構經由 體缺陷 足厚度 由於構 結晶恐 成層之 ± 5nm 量子結構並非就是超晶格結構，其中經由提供一 為:井層量子能階形成於井層中，以及其它層做 。每一構成層不是提供做為井層就是做為位障屛… 非量子結構意指未導致量子能階形式的超晶格二， 用第3族氮化物半導體晶體層，其中的厚度如上。 Ϊ原成非量子結構。特別地’非量子結構應 :厚度範圍自5〇ηΐπ至70nffi的第3族氮化構應 成，其幾乎相等於每一其它芦。體晶 具有非常不同厚度的構因為超晶格結 巾个u序没们構成層導致於自下 ❶透的效果，即使當非量 ’”、抑制晶 的晶體層引起量子化(u二結，的構成層係具有不 成層厚度不同，反而使様 一步， 將惡化。為了防止超晶格块 ：曰曰：結構之 間厚度的差異應可要求於：結晶惡化，構 版右—構成層之厚度為 且儘可能 例如55nm，其它構成層

第22頁 ^ 32725 五、發明說明（20) 厚度設於自55nm至60nm範圍内。 於經由包括堆疊結構單元的週期性堆疊結 晶格結構範例中，每一結構其製造包括最好罝 a超 例（=X)範圍自0.05 至 0.1 的 AlxGaYN(0.〇5sX、〇i』^b 月& 構 Y = 1)及GaN，形成起始層的第一構成層應由顯示較g + 隙大的丸1一33(0.〇5$叉$〇.1，乂 + 丫 = 1)構成。 成層應由顯示能隙較AlxGaYN小的GaN構成。 假若超晶格結構由非量子結構組成，有 晶格結構對應於量子能階的光發射。因此，產生本 ^ 光部位的主發光防止次發光現象產生極佳的單色: 外，極佳結晶的第3族氮化物半導體晶體層可以 述的超晶格結構上，利用此晶體層當作實質發光声； 益地帶來高亮度發光。 a了乂有 為了獲得更佳單色光的第3族氮化物半導體發光元 件，於本發明之第三實施例中，一活性層包括一井盆 位於上述超晶格結構之上部終端層的量子井結構中靠近f 型包覆層的終端。自經由具有銦組成比例〇 3以下的氮化 鎵銦混合晶體（GaYInzN : 〇. 7 g Y < 1，〇 < z 3，γ + z =1 )構成的井層以及具有銦組成比例小於該丨nzN混合晶 體的氮化鎵銦混合晶體（GaBlncN : γ < B < 1，〇 < C < Z B + C 1)構成的位障層形成量子井結構。量子井結 構具有堆疊週期數5以下。於構成量子井結構中，位障^ 必須具有能隙大於井層的材料構成（參考Re〇na Esaki edi. Super Lattice Hetero Structure", Kogyo 第23頁 432/X5 五、發明說明（21)

Chosakai Co., Ltd., first edition, (10 September, 1988)’ ρ·ρ·477~ρ·Ρ·48(〇。井層最好由依據銦組成比例 (=Ζ)能夠容易控制可見光區域的光發射波長的GaYlnzN構 成。這是因為當銦組成比例特別設於〇. 3以下時，因為低

的銦組成比例的GaYInzN(〇.7gY < 1，〇 < 3，γ + Z =1 )可以獲得具有便於獲得高亮度光發射的極佳結晶性的 晶體層。因此，位障層應最好由具有低的銦組成比例構 成’例如GaBIncN(Y < B < 1，〇 < 匸 < z，B + C = 1)。 超晶格結構之上部終端層是一構成層，其具有能隙遠 小於此等超晶格結構之其它構成層，構成量子井結構的位 障層應連接於上部終端層。另外一方面，在上部終端層是 具有能隙大於其它層的構成層範例中，量子井結構之井層 應連接至上部終端層^當具有大能隙的位障層的結構連接 於具有大於此等其它構成層能隙的上部終端層被採用時， 當作電流位障的區域產生於量子井結構以及超晶格結構的 中間位置’導致於導電電阻不利地增加。 量子井結構經由最大五週期且包括位障層和井層的堆 疊單元結構構成。當堆疊週期數增加時’井層和位障層的 表面平坦性漸漸地惡化。一般而言，於具有厚度約丨〇nm以 下的井層中，當沉積層（deposited layer)之表面階梯狀 #又差特別地如同數個nm大時，遠超過一原子的階梯狀段差 時’井層變動且顯著的置換發生於量子能階中。例如，依 據沉積層之區域於具有寬度1〇nm的要求井層中當沉積層之 表面階梯狀段差如同5nm般大時’相對於井層之預期寬度

第24頁 432725 五、發明說明（22) 階梯狀段差的變化程度大小變成如同5〇%大。井層之不同 類寬度引起一變化大到足以使量子能階不均勻性。因此， 不利地產生依據不同區域顯示不同能階數的井層。増加結 構單元之無用堆疊週期數接著導致種種量子能階形態。量 子，階之不同出現發光波長之不同。因此，無益地増加結 ，單元堆疊週期數是更不好的。構成量子井的結構單元堆 疊週期數應約為1 0以下，且更好地是5以下。於—個藍光 發光頻譜中，可以自堆疊週期數5以下的量子井結構獲得 一個約具有10nm以下最大值之半高寬（haif width at ha 1 i maxium簡稱FWHM)極佳的單色光。 防止伴隨著上述結構單元之堆疊週期數增加的單色光 惡化，由單一的氮化鎵銦混合晶體層構成的活性層直接的 連接於第四實施例中的上述超晶格結構之上部終端層。既 然在第四實施例中採用不具有井層共存於其中的結構，不 像形成上述週期性結構的量子井結構，發光波長主要只經 由活性層之能帶遷移能量決定。例如，考慮具有中心發射 波長約450nm的光譜，最大值的半高寬（fWhm)可以設於約 l〇nm以下。其它的範例中’具有中心發射波長約52 5nD1的 綠色光譜，可以平穩地獲得最大半高寬约2〇nm。

假若活性層係直接的連接至超晶格結構之上部終端 層’可以獲得根據第四實施例的結構。假若活性層係經由 具有上述非矩形的彎曲能帶結構的晶體形成，可以形成一 發光層其沒有發射環繞於主發光光譜周圍的次發光且具有

第25頁 五、發明說明（23) 極佳的單色光。此外，可以輕易獲得使發光波長較長的發 光層。 當實質的發光層的活性層由氮化鎵銦晶體構成時，由 於恰當的能隙可以有益地帶來可見光。特別地，於本發明 之第五實施例中’活性層係由包括複數Gaair^N(〇 $ α< 1 1)結晶相的多相態結構（multi„phase structure)之氮化鎵銦混合晶體構成，每一結晶相具有不 同於其它的銦組成比例（=b)。具體地，多相態結構是一 包括複數1，〇: +泠=1)結晶相的構造， 每一結晶相具有不同於其它的銦組成比例（=b)。由 GaY I nZN構成的晶體層中，佔據—大區域（體積）的相態短 暫地稱為主體相（matrix phase)，其中微小晶狀的物質Ga < 1，α 1)從屬地構成結構存在於主 體相，適當的說明多相結構範例。從屬相（sub-phase)及 主體相一般具有不同的銦組成比例。主體相之銦濃度如同 1 X 1 02a c nr3以下的小以及有時大體上地視為G a N。一般而 言’主體相主要係由層狀單晶構成。 從屬相與主體相一般具有不同的銦組成比例。更進一 步’銦組成比例在從屬相之中亦不同。當不同於主體相與 從屬相之間的不同質（inhomogene i t y)係如同約數1 〇%般大 的，尤其超過約5 〇 %，於發單色光出現不利的惡化。因 此，主體相與從屬相之間不同的銦組成比例應在不滿土 3 0%範圍内，更好的是在± 1 5%範圍内。維持不同的铜組成 比例於較佳的範圍内，I nzN構成的晶體成長條件最佳

第26頁 五、發明說明（24) 化，特別於高溫成長條件下升溫及持溫時間之最佳化，及 於升溫與降溫操作中溫度上升率和下降率之最佳化係有效 利的。於成長條件最佳化下’其tGaaIn^從屬相之單一 化大小通常為球狀、半球狀及島狀亦促進效果。 於^構中其中多相態結構之活性層沉積不是於超 晶格結構之上部終端層上就是量子井結構之位障詹上成為 沉積層"，特別於第六實施例中，活性層包括主體相，其 由構成”沉積層"具有η型第3族氮化物半導體相同成分的n 型第3族氮化物半導體晶體構成；以及從屬相’其不同於 銦組成比例主體相的Gaa ΙΠ/3ν晶體構成。換言之，主體相 主要是由構成沉積層的1!型第3族氮化物半導體晶體構成。 假若於GaYInzN活性層範圍内佔據大部分區域的主體相是由 上述方法構成，可以維持超晶格與超晶格結構之上部終端 層相配。經由此晶格相配結構，丨化N活性層結晶顯著的 改善。說明於結晶中的錯位密度（disl〇caU〇n density) 的改善程度做為一範例，於本實施例之結構中錯位密度可 以輕易的降低至1 X 1 〇8 cm-2然而於習知技藝中的錯位密度 為2x 101()cnr2 至l〇x i〇u«cnr2(參考Appl phys. Lett.， 66(1995)， 1249)。因此，可以獲得高亮度發光，產生於 具有高發光亮度的氮化物半導體發光元件。特別地，具有 扭曲的接面區域於主體相和從屬相的多相態結構晶體層顯 示增強發光強度的功效。 再次說明，於第七實施例和第八實施例中，活性層係

五'發明說明（25) 由包括矩形位能結構的GaalnbN晶體層構成，與p型包覆層 接面的介面相鄰處在傳導帶和價電帶具體指定的區域弯 曲。此活性層於能帶結構中具有明確的不同於習知能帶結 構’即使由於不是和p型包覆層就是和構成量子井結構的 位J1羊層形成接面施加扭曲時其維持一矩形位能結構（參考 Japanese Unexamined Patent Publication No. H1 0 - 1 260 0 6 ) = 於活性層範圍内只經由連接活性層於具有如習知技藝 揭露（參考Japanese Unexamined Patent Publication

No. H8- 31 652 8)的熱膨脹係數不同於活性層的第3族氮化物 半導體層，離開非矩形位能結構是不可能充分地達成。於 活性層充分地與晶體層接合的接面介面處，必須必然地充 分確保組成急速的變化。假若組成並沒有於對應至相當數 格晶格層厚度的遷移區域（transition region)寬度範圍 内急速地變化’本發明之非矩形位能結構可能無法穩定的 貫現。如習知技術所揭露的此僅造成於具有平坦位能底部 的非常一般的矩形位能結構。於接面介面處期望陡急性以 第3族構成元素之濃度分布表示時，於母層（m〇ther 1 ay er )中要求對於不是兩位數減少就是兩位數增加平均原 子濃度’有必要降低過渡距離至約2 Οηπι以下，大多數較佳 約為1 5 n m以下。 自本發明之非矩形位能結構帶來的重要特徵係發光波 長可以輕易地時而經由改變一簡易機構的規格。由 GaY I nZ N構成的活性層範例’可以經由簡易操作減少活性

第28頁 五、發明說明（26) 層之厚度交替短發光波長至長發光波長，即使當銦組成比 例（=Z)維持幾乎相同。例如，包含由具有銦組成比例约 0. 1 2即厚度約8nm的^型Ga(} 88 inQ 12N活性層的發光部分，經 由減少活性層厚度至約5nm產生藍光發光波長約440mn。發 光波長可以變化於47〇nm〜480nm。這是因為於活性層中傳 導帶與價電帶之位能落差經由減少活性層之厚度變得較 深’且侷限於位能井中的電子與電洞之間過渡能量減少。 更進一步’當活性層之厚度減少至3 nm時，波長超過 500nm°當活性層之厚度減少時，彎曲的傳導帶與價電子 帶彎曲於接面介面處變成更顯著，因此過渡能量就更減 少 。 使能眘更破實的彎曲，於第八實施例中，採用一結構 其中AlxGaYN(0 SX ’ γ $1，X + γ = 晶體層安插於活性 層與P型包覆層之間。AlxGaYN(0 SX，Y $1 ，X + γ =丄）晶 體層不同於TEGFET中的空間層（spacer layer)，且設置以 便連接於p型第3族氮化物半導體晶體層。更進—步的，配 置A lxGaYN晶體層如同空間分離層 (space-isolati on-layer)用以空間隔離活性層型包覆 層，由於自ρ型包覆層擴散的ρ型雜質（impurity)所以要防 止活性層反轉成P型層。由於提供AlxGaYN晶體層實際上以 便連接摻雜P型雜質例如鎂（magnes i um簡稱Mg)的p型包覆 層，於上部包覆層的第2族雜質擴散進入A lxGaYN晶體層。 特別地’ p型雜質總是非故意地包含於A lxGaYN晶體声。於 這樣的狀況下’傳導性型（conductivity type) AiGaN曰

第29頁

體層維持η型。這是因為n剂A】ρ χτ 疋U 晶體層可以有效地產生 此能帶結構於靠近活性屉垃品人^^ _ 任增接面介面區域朝向傳導帶彎曲。 η型AlxGaYN晶體層較佳地應由顧+古β 一“点认也^ ^现田顯不两抵抗及鬲純度的載子 濃度 1 X 1 017 c πτ3 的 η 型 A1 r s μ 槐 j·、 iA1j^aYN構成。AlxGayN晶體層之厚度 不應超過lOOnm且應設於丨nnm,、，τ *tr^ 於10nm以下之薄厚度以便產生穿隧 效應（tunnel effect)抑制電流流動阻抗 (current-nowing resistance)增加。 更進-步’第七和第八實施例具有一特徵，就是活性 層由具有銦組成比例少於〇3的GaYlnzN(〇7^Y〈丄，〇 〈 Ζ$0·3，Y + Z = 1)構成。這是因為於晶體品質中具有銦 組，比例（=Ζ)控制於〇·3以下極佳的GaYlnzN ’因此形成發 出命強度光的活性層。 ▲本發明申請專利範圍第丨項所述的超晶格結構具有一 功症提商活性層結晶性，就是大體上沉積於其上的發光 層。更進一步的’形成非矩形位能結構的活性層如同可以 輕易變化發光波長的發光層般地作用。 如申請專利範圍第2項所述採用非量子井結構的超晶 格結構具有一功能，抑制產生自許多的量子能階且干擾單 色光的發光’因此除了提高活性層之晶體品質外就可發出 極佳的單色光。 本發明申請專利範圍第3項所述的量子丼結構，其中 結構單元之堆疊週期數限制於5以下具有一功能，抑制不 必要又伴隨主發光的次發光，因此帶來極佳的單色發光 性。更進一步’本發明申請專利範圍第4項所述具有非矩

第30頁 ，·》 «<»«·> ι*^· 五、發明說明（28) 形位能結構的活性層，#中氮化銦鎵混合晶體係直接 接於構成超晶格結構的上部終端層具有一功能， + 高單色發光性。 7 & 本發明申請專利範圍第5項所述的活性層，其中具有 包括複數具有不同銦組成比例結晶相的多相筚社且— 功能，增加發光強度。此外，本發明申請專；；^圍第6項~ 所述的活性層’其中具有包括主要形成第3族氮化物半導 體層的主體相’其組成相同於形成沉積層的第3族氮化物 半導體層，顯示一功能，帶來極佳的發光強度。 本發明申請專利範圍第7項所述的非矩形位能结構， 其中包括f曲的傳導帶或價電帶具有一功能，於活性層範 圍内在一詳細指明的低電位區域累積電子或電洞以及另一 功能，引起較對應於形成活性層的第3族氮化物半導體之 固有波長還長的的發光波長。特別地，本發明申請專利範 圍第8項所述的接面結構，其經由連接活性層盥提供活性 層與P型包覆層之間的nSAlxGaYN晶體層具有一功能，有效 地侷限電子於活性層之位能井部分。 參考實施例’本發明之發光元件將更詳細的說明。 第1實施例 根據本發明申請專利範圍第1項至第3項，經由製造包 括第1至第3實施例之構造的l e D之實施例將具體地說明。 第1圖顯不於第1實施例中製造包括堆疊結構2〇的[£1)1()平 面圖。第2圖顯示沿著第1圖中Α_Α，陷切開的的LED1〇中央 位的剖面圖。

五、發明說明（29) "' 、 堆疊結構體20利用藍寶石（α-Α12〇3單晶）為基板1(Π構 成。由未摻雜的GaN構成一緩衝層（buffer) 102沉積於藍 寶石基板101之表面（〇〇〇1)上。於GaN緩衝層1〇2上，沉積 具有石夕摻雜濃度η型GaN構成的一下部包覆層103，自與緩 衝層102接面介面處朝向它的成長方向漸漸地增加。下部 包覆層103之厚度設於3 yin以及於包覆層1〇3表面部分的載 子濃度大約為3 X 1 (Pcm-3。 第—構成層104b及第二構成層l〇4c經由12個週期重複 堆叠’位於下部包覆層丨0 3上的超晶格結構丨〇4構成於如此 方式中。第一構成層l〇4b係由具有鋁組成比例〇.1的矽摻 雜的n型A 1〇 Ga〇.gD N層構成。第二構成層1 〇 4c係由銘組成 比例0的％摻雜的11型(^^]層構成。構成超晶格結構1〇4的η 型A1。1QGaQ 9D Ν層1 〇4b與η型GaN層1 04 c的載子濃度調節至約 2 X 1018cnr3。i〇4b層與l〇4c層的厚度兩者皆設為52nm，且 l〇4b層與l〇4c層之間的厚度差異控制於± 3nm範圍。包括 經由1 2個週期堆疊層的超晶格結構】〇4係經由具有能隙大 於下部包覆層GaNl 03的η型Alfl lflGac gflN層104b當作一起始 層105 ’以及n型GaN層l〇4c當作一上部終端層1〇6構成上面 表面層。 於上部終端層1〇6上’經由5個週期堆疊結構單元1〇7d 構成沉積的量子井結構1〇7’包括具有銦組成比例o.i的未 捧雜11型1化1(^3()9(^層1〇76以及未掺雜的11型〇&8層107(。

構成量子井結構107的η型InD IDGaQ 9GN層l〇7e之載子濃度大 約設於6 X liPcm 3。n型GaN層1 〇7f之載子濃度大約設於2 X

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2725 發明說明（30) lTcnr3。構成一井層的11型1叫1()(^9(^層1〇76之厚度大約 設於10nm。構成一位障層的^型GaN層107f之厚度大約設於 20nm。包括經由5個週期堆疊層的量子井結構1〇7由當作起 始層108的η型GaN層l〇7f以及當作活性層109的n型IriHQGa 〇·9〇Ν層1076構成，當作一真實發光層，位於量子井結^的口 型包覆層内。 摻雜鎮（Mg)和具有3〇〇ηιη厚度以及載子濃度 2 X 1017cnr3 的 ρ 型AlxGaYN 層（X = 〇·ΐ5 — 〇)連接至^Ιη 〇.1〇GaQ.9QN層l〇7e當作量子井結構1〇7之終端層構成的活性 層109 型AlxGaYN層110之鋁組成比例X自上部終端層1〇9 接面介面處隨者厚度之增加方向而減少，於表面部分鋁組 成比例X變為零’就是，層no變成psGaN。 沉積於藍寶石基板1〇1表面的堆疊結構體2〇之每一構 成層係經由一般的常壓有機金屬化學氣相沉積 (atmospheric pressure M0CVD)成長技術成長。於成長活 性層109與p型包復層11〇時，使用獲得接面介面處^1之陡 急性方法。就是，於接面介面處11 i確保鋁與銦之組成不 連續’ 一次引進一第3族構成元素之材料源進入一 mocvd反 應系統’於量子井結構1〇7之活性層1〇9的成長完成後停 止。換言之’ η型Infl.lflGaQ.9QN層107e之成長完成後經由停 止鎵源和銦源進入M0CVD反應系統，規定5分鐘待機時間接 著P型包覆層11 0之成長開始。一锻帶機時間後，銘源和鎵 源材料引進M0CVD反應爐内，且以此方式接面介面處11}為 陡急的。於深度方向從一般SIMS分析法顯示對於銘原子遭

«2725 五、發明說明（31) 度需要變化自1 x l〇i9cm_3至1 X 102icm-3的過渡區寬度約為 1 2nm ° 堆疊結構體20接受使用圖案技術的晶片化步驟經由一 般性黃光步驟（photolithography procedure)與使用氩 (Ar)/ 甲娱;（methane 即 CH4) / 氫（hydrogen 即 H2)混合氣體的 電漿姓刻步驟（plasma etching procedure)，且以此方式 形成LED10。對LED10構成p型歐母電極112包括採取兩層結 構的一塾電極（pad electrode)112a以及以導電的氮化鈦 (titanium nitride即TiN)薄膜形成的一透明電極112b。 台座電極（stage elect rode) 112a之下部與形成鎂成分梯 度摻雜AlxGaYN層的p型包覆層11〇之表面接觸，是由金鋅合 金構成（金：95重量％ ’辞：5重量％)，而墊電極112a之上 部層係由金構成。利用電漿蝕刻除掉上邊部分形成η型歐 母電極113以便與下部包覆層1〇3之表面接觸型歐母墊 電極11 3由鋁構成。 當操作電流20mA於順向方向流經LED10兩個電極時， · 第3圖顯示產生最大發光強度具有中心發光波長454ηιη的藍 . 光。此外，如第3圖顯示伴隨著發光光譜〗丨5的次發光光譜 Π 6浮現於主光譜11 5之兩側是可辨識出來的◊然而，由於 次發光光譜1 1 6相鄰於光譜之半寬1丨7並未惡化，且約為 7nm。更進一步於元件狀態，經由一般地積分球 ^ (integrating sphere)量測發光強度，如此極佳的達到大 小約20 //W 。 應注意’根據光量子理論能隙產生中心波長（454nm)

第34頁 五、發明說明（32) 發光理論上是2.72eV 型Irv1〇GaQ9〇N1〇7e之固有能隙形 ^ 一井層於量子井結構丨07 型包覆層終端和活性層丨〇9 樣於至溫下約3.2eV(參考japanese Examined Patent Publication No.S55_3834) ^對應於發光波長約為 388nm。特別地，如此實施例顯示，猜測構成異質接面結 構以便增強活性層1〇9於接面介面處ηι之組成陡急性以及 量子井結構107之p型包覆層UQ與固有能隙相比（=3. 2eV) 充分減少遷移能量約0. 47eV實現一非矩形位能結構。 更進一步’假若一發光響應係經由發光之脈衝電壓響 f表示’施加+ 5V的脈衝電壓於上述穩定強度的藍色發光 量測到約1 8ps ’於LED中產生極佳的響應。 (比較實施例） 於上述第1實施例的LED10中’構成量子井結構之 最後終端的活性層109的nSIn() i()Ga() 9()N107e成長完成後， 如同第1實施例不再週期性的供應而中斷成長，接連地繼 續進行成長p型包覆層110的步驟。換言之，構成具有一般 性矩形位能結構的量子結構的堆疊結構，其中未完成接面 介面處111之陡急性。此堆疊結構如同第丨實施例般地元件 化加工，因此完成一LED。 此LED之發光特徵與習知LED相比較。如第4圖的例 子’於順向電流20mA下主發光光譜115之中心波長丨14為 372nm，且與相當於構成活性層的„型inQ i()GaQ 9qN之固有能 隙的發光相較特別的短。換言之，於此比較實施例之led 中’於具體指定的位置在井層107e内量子井結構107ips

第35頁 五、發明說明（33) 包覆層部分終, 二 處未形成非矩形位能井，且上述發光特忾 # # & & # 地解釋自包括上述井結構1〇7e的簡單¥ 形位能井結構的發光。 •干矩 i 一步於主發光光譜1 1 5周圍，一複數次發光光 Γ Λ Λ期性地出現。為了這緣故，光譜之半寬L變 光光出單色光的發光。出現實質週期性地次發 π看出疋自矩形位能井結構的衛星發光（satel lite lght emission)，且考慮上述發光現象之波長較相當 材料能隙之波長短，斷定比較實施例的LED係包括習知」 般性矩形位能結構之量子井結構的LED。於晶片狀態狀 態，經由一般的積分球量測的發光強度約為丨丨“ w。 經由與上述第1實施例比較，上述比較實施例LED之發 光特徵具體地顯示，根據本發明之LED於發光強度及單色 發光性上係明顯地優於比較實施例2LE£)。這是因為根據 本發明第1實施例LED之量子井結構之活性層包括非矩形位 能結構，其合理的發光波長較相當於構成材料能隙之波長 較長。為了理解不僅矩形位能結構帶來較相當於固有的能 隙波長短而且根據本發明之非矩形位能結構，保證如上所 述由p型第3族氮化物半導想構成的活性層與p型包覆層之 接面介面處之陡急性是非常重要的。換言之，用以達到非 矩形位能結構可以增加發光強度及單色發光性，於接面介 面處之成分之陡急性是必須的技術因素。 (第2實施例） 特別地根據第4實施例如申請專利範圍第4項所述，本

第36頁 五、發明說明（34) 發明將具體地描述利用一範例，其中LED40係利用堆疊結 構體5 0構成。 第5圖係依本實施例製造的1^040之概要平面圖。第6 圖係以第5圖之概要平面圖沿著β β ’線切開之概要剖面 圖。 包括如同使用於第1實施例中量子丼結構1 0 7之井層 1 0 7e之相同的η型I nQ lfl Ga〇. 9(| Ν的單層之混合晶體層’提供 做為唯一的結晶層，以便直接地連接於如第1實施例所述 的超晶格結構1 0 4之上部終端層的n型GaN層。經由一般剖 面TEM技術根據觀察，於活性層1 〇9範圍内的錯位密度量測 約為 1 06 cnr2。 於第1實施例中所述的人ixGaYN晶體層當做P型包覆層 110，其中具有梯度分布的鋁成分，於產生接面介面陡急 性的成長中斷後被連接於活性層1 〇 9。換言之，於此實施 例中的一結構，其中採取只有活性層1 〇 9堆疊於超晶格結 構1 0 4之上部终端層1 0 6上β 利用上述層積結構（laminated structure)50，一操 作電流2 0 m A以順向方向流通如同第1實施例相同方式製造 的LED40 ’且如第7圖所示光譜顯示藍色發光。產生最大發 光強度發光之中心波長114為458nm近乎與第1實施例LED10 相同。更進一步的，次發光光譜幾乎不伴 Π 5產生。與第1實施例範例比較，為什麼次發^光譜之產 生被抑制的理由係具有位能井結構層限制為僅有單一層之 活性層109。光譜之半寬117非常好約為_。經由一般積 五、發明說明（35) 分球量測發光強度約為2 1 // W。順便一提，當刪除上述超 晶格結構104經由直接沉積活性層1〇9於GaN下部包覆層103 上製造的LED之發光強度約是1〇 "W如此低，相當於此實施 例之1/2 ’反映錯位密度大小超過約活性層之1 x i〇i〇cnr2。 當第1實施例與第2實施例之1^1)510及1^〇540之特徵做 比較時，自LEDs 10及LED s40發出具有幾乎相同波長及強度 的光。這暗示獲得發光強度大大地取決於經由安插超晶格 結構於其中的活性層結晶性之改善，且它幾乎與存在堆叠 結構範圍内的位能井數量無關。包括由單一層组成之活性 詹的堆叠結構帶來極佳的單色性發光。 (第3實施例） 特別地根據申請專利範圍第4項第4實施例所述，本發 明將具體地說明使用其它範例’其中LED70經由堆4結構 80構成。 立 第8圖係此實施例製作的LED70之概要平面圖，第9圖 係以第8圖之概要平面圖沿著c-C’線切開之概要剖面圖。 如同第1實施例般的形成相同結構的GaN緩衝層丨〇 2以及具 有載子濃度梯度分布的η型GaN構成的下部包覆層1〇3連續 地沉積於藍寶石單晶1 01之c -結晶面上。接著，超晶格結 構1 〇 4沉積於下部包覆層1 〇 3上。構成超晶格結構1 〇 4之第 一構成層1 〇 4 b係由具有銘組成比例0 ‘ 0 5之妙摻雜n型a 1 〇 Gao.J層構成，以及構成超晶格結構1〇4之第二構成層1〇4c 係由矽摻雜之n SGaN層構成。超晶格結構104以包括S一對 的第一構成層104b及第二構成層l〇4c之堆疊結構單元丨〇4a

第38頁

經由1 0週期的週期性堆疊方式構成。於此實施例中，一結 構其中就是第一構成層1 〇4b的η型Alc Q5Ga〇 95Ν層進一步形 成於1 0週期堆疊結構的最上部層。構成超晶格結構1 0 4的η 型A 1Q 05Ga〇 95Ν層1 〇4b及η型GaN層1 04c之載子滚度約設於3 X 1018 cur3。i〇4b層與l〇4c層兩者之厚度設於58 nm，且104b 層與10 4c層兩者之間的厚度差保持於4ηηι以下。包括經由 1 0週期堆疊層的超晶格結構具有一結構，其中具有能隙較 構成I部包覆層1〇3之GaN層大〇_ 13eV的^ SA1"sGaQ J層 104b當作一起始層105及一上部終端層1〇6。 構成的唯一的活性層109，亦是實質發光層，係沉積 於上部終端層1 〇 6上。與生具有的非矩形位能結構之活性、 層載子濃度約設於1 x l〇i8Cffl-3 ’且其厚度約設於12ηΠ]。 使用成長之供應中斷週期達成相似於第1實施例相鄰 層之接面介面處的陡急性後，具有厚度30Onm及載子濃度2 X 1〇17cnr3 的鎂摻雜P 型 AlxGaYN(X = 0.15 R 0)層 110，其 中紹組成比例為梯度變化的，連接於由η型In() 2()GaQ 8qN層 構成的活性層1 0 9。鋁組成比例係自活性層1 0 9之接面介面 處朝向厚度增加方向逐漸地遞減，且最後變為零，即p型 GaN ’於p型41/〜^|層11〇之表面部分。 相似於第1實施例的步驟完成堆疊結構8〇後，提供於 第1實施例中說明的p型歐母電極112與11型歐母電極113， ' 因此製作了 LED70 當操作電流2〇mA以順向方向流通LED70 ^兩個電極，產生最大發光強度具有中心波長4 76ηιη之藍 綠光發射。次發光光譜伴隨主發射光譜之情形幾乎不會產

第39頁 五、發明說明 生。與第1實施例相比較次發光光譜出現被控制的原因是 具有位能井之層被限制為唯一的活性層丨〇 9 ^極佳的光譜 半寬約為8nm。更進一步的，於電路狀態經由一般的積分 球量測的發光強度極佳地達到約2 2 e w大小。 此實施例之LED具有一特徵，相對於具有活性層丨〇 9就 是發光層之π型InuoGao S()N能隙約為3. lev，產生的光具有 的波長較相當於此能隙（=40〇nm)波長長。原則上具有長 波長的光不可以自習知的矩形位能結構量子井層發射，以 及如此長波長的光只可以經由本發明之非矩形位能結構發 射’產生遷移能量減少。於包括活性層1〇9即p型包覆層 110的異質接面結構的遷移能量估計約為2. 6eV。 更進一步，第3實施例中記載的LED可以獲得預測可以 發射具有高亮度與極佳單色性之短波長的可見光發光元 件，不管只有一層的第3族氮化物半導體層當作發光活性 層使用。特別地，關於發光之單色性，此實施例之led優 於經由具有量子井結構構成的結構。 (第四實施例） 於第四實施例說明中，本發明將具體地利用經由根據 發明申請專利範圍第5項，就是根據第5實施例，構成組成 活性層之堆疊結構製作的LED範例說明。 於第4實施例中’自經由第2實施例說明的結構構成的 堆疊結構構成的LED，只有由η型Ga〇.9D InG1QN構成的活性層 顯著地認定為在構造上與第2實施例不同的多相態結構。 根據第4實施例構成活性層之一堆疊結構係由採取多

第40頁 五、發明說明（38) ---- =Ξ 結構的n MGa"°In° 1ΰΝ 構成，n SGau〇in«.i〇N 構成的活 ,s成長於相似於第2實施例的超晶格結構上部終端層上 的方式製作。在採取成長中斷產生接面介面處之陡急性 後，成分梯度分布的p型AlxGaYN層當作p型包覆層和一接觸 層以相似於第2實施例的1 0 5 0。C成長一樣’然後接著採取 漸漸地降溫方法。漸漸地降溫方法係一降溫步驟包括第一 降溫步驟’執行以每分鐘45 °C自1 05 0。<：至950 °C降溫速率 的降溫操作；接著第二降溫步驟，執行以每分鐘丨5它自 950 °C至650 °C降溫速率的降溫操作。 經由此降溫步驟’ η型G aQ 9QI nQ l(} n構成的活性層係經 由多相態結構形成’其中對於主體相具有均勻的銦組成比 例（=b)大約為3%至5%GaaInbN’以及對於從屬相具有銦組 成比例（=b)大約為12%至15%的幾乎球狀或半球狀的微晶 體（micro-crystal)。第10圖概要地顯示經由多相態結構 形成的η型Ga〇.9〇 I nfl_ 1Q N活性層1 〇 9之内部結構的teΜ斷層影 像。觀察到一情況，其中自微晶體以大量豐富的銦形成從 屬相Τ散佈於層狀主體相S内。亦可以知道包括扭曲的區域 U形成於許多區域，其中主體相S及從屬相Τ彼此互相接 觸。 於上述的堆疊結構體中，當2 0mA操作電流於順向方向 流通LED時，根據第1實施例說明之步驟製作的LED發出藍 色的光。經由使用一般積分球量測的發光強度約為2 6 m W， 超過第2實施例的LED發光強度約為24%。本實施例之LED不 同於第2實施例之LEI)無論如何活性層只有採用多相態結 Ι^ΗΠβΒΓ

' % 41 I 五、發明說明（39) 構。因此，如同本實施例體說明的’包括多相態結構的活 性層明顯地顯示增強發光強度的效果。 (第5實施例） 於本實施例說明中’根據第6實施例做為範例，本發 明說明利用設置有多相態結構活性層LED當作一範例。 於本貫施例中’ 一 η型G a〇. 9〇 I u N活性層與一 p型八 G aY Ν成分梯度分布層成長於相似於第4實施例的堆疊結構 體上，且之後降溫步驟改變’因此根據第6實施例形成由 多相態結構組成的活性層。自用以成長p型AlxGaYN成分梯 度分布層的1050 °C至950 °C之降溫速率設於每分鐘3〇 t， 以及自950 °C至650°C之降溫速率設於每分鐘10°c。 於第5實施例中，由於降溫速率設定小於第4實施例， 活性層之主體相與從屬相之間的銦組成比例差異變得更顯 著，且主體相主要地由具有銦原子濃度約8 X l〇i9cm-3的(jaN 構成完成。因此’本實施例使用非矩形位能結構之活性層 經由多相態結構構成完成’其中幾乎相同於形成超晶格結 構之上部終端層的材料G a N當作主體相使用。換言之，認 為有相反地增加包括從屬相的微晶體之銦組成比例的趨 勢’以及該微晶體的銦組成比例平均約1 5 %。由於經由降 低降溫速率微晶體相互融合使得從屬相增大大小的趨勢。 兩者的趨勢暗示關於II-VI族化合物半導體cdTe之量子點 根據奥斯特瓦成熟效應（Ostwald ripening effect)的現 象（參考「OYO BUTURI」，Vol. 67， No. 7， （ 1 998 )， 802-812., and J. Crystal Growth, 184/185, (1998),

第42頁 ^52725 t 五、發明說明（40) 〜 ' ~ —' 228-236)。 根據第1實施例所述步驟當操作電流2〇mA流通經由上 述堆疊結構體製作的LED時，具有中心波長約47〇nm的藍綠 光自LED發射。使用一般的積分球量測發光強度約為 28mW ’且它的高發光強度超出第2實施例之LED約有33%， 即使發光波長不同。更進一步的，第5實施例之LED發光強 度與包括形成相似的多相態結構的活性層的第4實施例比 較係極佳的。形成經由多相態結構構成的活性層，多相態 結構之主體相經由如同超晶格結構之上部終端層相同成分 的第3族氮化物半導體材料構成，就是"沉積層”藉以證明 獲得高發光強度。 (第6實施例） 於本實施例說明中’本發明將使用一範例說明LED 1經 由包括根據第7實施例及第8實施例兩者敘述發明之構造的 堆疊結構體2製作。 第11囷顯示本實施例製作的LED1剖面圖。自藍寶石基 板1 01至一 η型Ga〇 8QI n〇.2〇 N活性層1 〇 9的堆疊結構插入一超 晶格結構1 04於其中係相同於第3實施例。超晶格結構1 04 具有η型Alfl Q5GaQ.95N構成的上部終端層1〇6。 成長η型Ga^InuON活性層1〇9經由一常壓MOCVD方法 完成。經由10分鐘之成長中斷後’一高阻抗之未摻雜η型 Al〇.isGa〇 85N層11 8堆要於活性層1 〇9上。為何成長中段時間 較第1實施例兩倍長的原因係經由進一步增加活性層1 0 9及 A V15 GaQ85N層118之接面介面處陡急性產生落於活性層109

第43頁 五、發明說明（41) 範圍内的彎曲傳導憨卹八 V C* ώ 1 y ! ηπ 〇Ρ刀充分落於朝向費米能階。呈右备 子很度1x1017 W以ΤΓ的高/具有栽 定於3ΠΠ1。此高純度11型 41。」5以"』層118之厚度設 堆積電子於形成層118係提供做有效地 體說明區域。 "。〜心性層⑽位能井部分之具 鎂摻雜的p型AlxGaYN(X = 〇15到〇：)成分梯 110沉積於η型AU Ga μ Mi ίο ”又刀禅度刀布層 ,έθ , ^ °.]5 ΰ.85^ 118上’因此完成堆疊結構體2 之、·且成。根據構成几素之濃度分析經由SIMS|堆疊結 2之表面至深處部位’彳以發現鎂係之— 雜物擴散入未摻雜的11型4丨。.1%七^層118。此外，可以發 現於Ga〇.8()InQ2QN活性層109與高阻抗11型^() 15(^80層118的 鋁成分之陡急性約為9mn。 如同第1實施例的具有相同構造的p型與η型歐母電極 11 2與1 1 3形成於上述的堆疊結構體製作LED 1。可以發現發 光之中心波長約5 0 5 n m較第3實施例之L E D波長長。於主發 光光譜旁次發光光譜之出現如同第3實施例的幾乎不可辨 認。然而，本實施例之特徵係獲得具有高速響應LED優於 第3實施例之LED。當本實施例之LED經由一脈衝響應時間 與第3實施例比較具體地顯示響應優點。當第3實施例之脈 衝響應時間約為20ps時，本實施例之脈衝響應時間約為 1 6p s «根據本實施例之組成’顯示一較高響應的LE D確實 可以獲得。 (第7實施例） 於第6實施例中描述經由G aQ. 8DI !!〇 2α N構成活性層1 〇 9 ’

第44頁 五、發明說明（42) -----

活性層109之厚度減少至3mn。堆疊於活性層上A1xG\N 梯度分布層110的A1成分Ο X)梯度分布自0.25至〇的變乃 (X - 0 . 2 5至0 )。因此，具有比第6實施例厚度較薄的含 層1 〇 9連接於具有比第6實施例鋁組成比例高的p型包覆洗 110。 復層 根據第1實施例描述的步驟自上述堆疊結構體製作、 LED與第6實施例LED之響應時間比較未顯示有顯著地變、 化。然而，觀察發現發光波長係較長的，即52 〇 nm。特別 地，證明了發光波長變得較長即使當構成活性層的Ga^丨 混合晶體組成比例（=Z)變化不甚大時，即使經由單單減 少活性層厚度且增加與活性層接面介面處當作包覆層與接 觸層兩者的P型AlxGaYN層鋁組成比例而GaYInzN混合晶體組 成比例（=Z)變化幾乎保持常數時。順便一提，於本實施 例範例中，構成活性層的Ga〇 8〇 I nc 2DN之固有能隙約為 2. 9eV(參考Japanese Examined Patent Publication No. S55-3834)。另外一方面，獲得相當於發光波長的遷移能 量計算約為2，4 e V。因此’本實施例導致遷移能量之減少 約為0. 5eV °此外’於晶片上LE[)之發光強度係如此的高約 為30 。 於申請專利範圍第1項中描述的本發明係經由提供活 性層就是於超晶格結構上的實質發光層構成，其中於活性 層中晶體缺陷兹長被抑制，活性層極佳的結晶性可以獲 得，藉以獲得具有高發光強度的發光元件（LED )。於申請 專利範圍第1項中描述的本發明，活性層有一構造其中由

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五、發明說明（43) 於此構造生來具有彎曲能帶的低電位部》，可以輕易地 得具有稍微長波長的第3族氮化物半 於申請專利範圍第2項至第4項描述的V1 發明顯示可以 獲付可以發出極佳單色光性的第3族氮化物半導體發光元 件的巧。特別地’於本發明申請專利範圍第2項，具有 活性層沉積於超晶格結構上係經由不產生不必要產生次發 光光譜量子能階的非量子結構構成，因此獲得極佳的單色 發光性。更進-步，於本發明申請專利範圍第3項，活性 廣私用量子井結構本質上有利於極佳的單色發光性於 發明申請專利範圍第3項可以顯示增強發光單色性之結 果。更進—t的，於本發明申請專利範圍第4項中，因為 活性層係由單-層组成的’本發明申請專利範圍第4項顯 不沒有附加量子能階出現下極佳的單色性發光結果。 於本發明申請專利範圍第5項及第6項描述的，其中活 性層$經由具有不同銦成分的多相態結構晶體層構成，顯 不獲得極佳發光強度的第3族氮化物半導體發光元件之結 果。特別地，於本發明申請專利範圍第6項，多相態結構 之主體相以幾乎如同底部層相同材料形成，活性層之單色 發光性品質明顯地改善，以及因此第3族氮 光元件可以獲得更好的發光強度。 物+等體發 當使用本發明申請專利範圍第7相與第8項描述的能帶 結構時’使用習知技術裝置經由Ga丨nN用以形成活性層， 由於避免銦組成比例增加使得單色發光性差，然而本發明 申請專利範圍第7相與第8項顯示輕易地提供較長的發光波

五、發明說明（44) 長之結果。特別地，高純度η型晶體層設置於本發明申請 專利範圍第8項所述的活性層與ρ型包覆層之間的構造可以 輕易地更確實地於活性層内彎曲能帶，因此顯示產生可以 長波長發光的第3族氮化物半導體發光元件的結果。

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Claims (1)

1. <132725 六、申請專利範圍 1. 一種第3族氮化物之半導體發光元件，具有 型雙異質（doubl e hetero簡稱Μ )接面結構，包枯 接面 一單晶基板（101)表面的一 η型包覆層（103)與~0刑^ 、 (11 〇 )，及提供於η型與Ρ型包覆層之間由第3族氮化物、增 體晶體層構成的一發光層，其特徵在於發光層包括，$導 一超晶格結構（104) ’其中設置靠近於η型包覆層 Ο 〇 3)的η型第3族氮化物半導體晶體層係週期性地交^ 疊，η型第3族氮化物半導體晶體層具有不同第3族二二堆 素組成比例及幾乎相同厚度以及堆疊週期數範圍自2 疋 上至25對以下；以及 以 —活性層（1 0 9 )，由η型第3族氮化物半導體晶體層 成，提供位於超晶格結構之終端靠近ρ型包覆層的—層（ 部終端層）上，由於能帶彎曲使得η型第3族氮化物半^ Λ 晶體層具有一非矩形位能結構。 2_如申請專利範圍第1項所述的第3族氮化物半導體發 光元件，其中該超晶格結構（1 〇 4 )為採取非量子井結構， 其中由導電性η型氮化銦鋁鎵混合結.（Α1χ(；3ϊΝ : 〇 〈 1 ’0SYS1，0$Z < 1，χ + γ + z = n 構成的兩種層 (104b)、（l〇4c)係交替地堆疊於另一層上，每一層 (l〇4b)、（l〇4c)具有5nm以下厚度差異以及不同組成比例 的第3族構成元素。 3_如申請專利範圍第丨項所述的第3族氮化物半導體發 光元件’其中該活性層（109)以一井層（1〇7e)形成，就是 相鄰於P型包覆層的一量子井結構（1 〇7)終端層，量子井結

   構係由丼層構成的堆疊結構構成具有該井層以及位障層， 經由堆疊週期數5以下交替堆疊，該井層由具有銦組成比 例0. 3以下的氮化鎵铜混合晶體（g aY I % n : . 7 S Y < 1，0 < ZS0.3 ’Y + Z = 1)構成’以及該位障層（1〇7f)由具有 銦組成比例小於GaY I nZN混合晶體的氮化鎵銦混合晶體 (GaBlncN:Y < β < 1，〇 < c < Z’B + C = 1)構成。 4.如申請專利範圍第1項所述的第3族氮化物半導體發 光元件’其中該活性層（1 0 9 )係由單一氮化鎵銦混合晶體 層直接地連接於該超晶格結構之上部終端層構成。 5 如申請專利範圍第1項所述的第3族氮化物半導體發 光元件，其中該活性層（109)係由包括複數Gaa In^N結晶相 (0 S a < 1 ’ a + /5 = 1)的多相態結構之氮化鎵銦混合晶體 構成’每一結晶相具有不同於其它的銦組成比例（=点）。 6. 如申請專利範圍第5項所述的第3族氮化物半導體發 光元件’其中該活性層（1〇9)包括一主體相s，主要地係由 η型第3族氮化物半導體相同成分的η型第3族氮化物半導體 晶體構成，構成一下部層（沉積層）堆疊該活性層於該下部 層上，以及一從屬相Τ，由具有不同於主體相之鋼組成比 例的G a α I η $ Ν構成。 7. 如申請專利範圍第1項至第6項之任一項的第3族氣 化物半導體發光元件，其中該活性層係由一 η型氮化鎵銦 混合晶體（GaY I ηζΝ : 0. 7 g Υ < 1，〇 < Z S 0. 3，Y + ζ = 1 )構成具有一能帶結構，其中傳導帶或價電子帶之彎曲部 位於靠近Ρ型包覆層之接面介面處附近區域朝向費米能階

   第49頁 六、申請專利範圍 —曲以及銦組成比例（=Z)為0. 3以下。 8.如申請專利範圍第1項至第6項之任一項的第3族氮 化物半導體發光元件，其中包括p型雜質的η型氮化鎵鋁混 合晶體（人1)^3，：02；^$1，0$丫$11 + ¥ = 1)成長於 該活性層與ρ型包覆層之間，以及該活性層係由η型氮化鎵 銦混合晶體（GaY I ηζ Ν : 0. 7 S Υ < 1，0〈 Z S 0. 3，Y + Ζ = 1 )構成具有一能帶結構，其中傳導帶之彎曲部位於包含Ρ 型雜質的η型氮化鎵鋁混合晶體之接面介面處附近區域朝 向費米能階彎曲以及銦組成比例（=Ζ)為0. 3以下。

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