TWI384657B - 氮化物半導體發光二極體元件 - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種半導體元件及其製造方法，且特別是有關於一種氮化物半導體發光二極體(light emitting diode；LED)元件及其製造方法。
近年來，由於光電科技研究及相關產業之蓬勃發展，高效率之光電材料的需求也隨之倍增。半導體化合物材料因同時具有高發光效能、生命週期長、能隙調變範圍大、價格低廉等優點，逐漸成為光電材料的主流。其中，氮化物半導體材料適合作為藍光至紫外光之發光波段的材料，可以應用於全彩顯示器、發光二極體、高頻電子元件、半導體雷射等方面，特別是最近相當熱門的藍光發光二極體元件，因此受到廣泛注意。
習知的發光二極體元件包括依序形成在基板上的N型摻雜層、主動層與P型摻雜層，以及與N型摻雜層及P型摻雜層分別電性連接的二金屬電極。主動層包括二量子阻障層及位於量子阻障層中的量子井。量子阻障層之能隙(band gap)需大於量子井之能隙以防止載子掉入量子井後逃脫，以增加電子電洞對結合的機率。一般而言，量子井的材料為Inx
Ga1-x
N，其中x介於0與1之間。量子阻障層的材料會選擇與量子井的晶格常數相近的材料(以減少壓電場對發光效率的影響)，並添加Al以提高量子阻障層
之能隙至大於量子井之能隙到一定程度，如Alx
Gay
In1-x-y
N，其中x、y介於0與1之間。然而，大量添加Al含量會導致後續成長之量子井之結晶品質的下降，因此容易造成凹洞(pits)，增加漏電流，也無法有效抑制壓電效應(piezo effect)及提升內部光取出效率(internal quantum efficiency；IQE)。
美國專利公開案US20080093610中揭露了一種氮化物半導體發光元件，其主動區之量子阻障層為多層(multilayer)結構。此專利之量子阻障層包括InGaN層、AlInN層、及InGaN/GaN超晶格結構，可以與P型摻雜層形成良好介面，且避免N型摻雜層之Mg擴散到主動層中。然而，包含AlInN之量子阻障層若要有足夠大的能隙差，Al含量需添加到15%以上，且是否能達到所需之量子阻障仍然例人質疑。另外，大量提高Al含量並無法有效降低量子井與量子阻障層之間的壓電效應。
有鑑於此，本發明提供一種氮化物半導體發光二極體元件，其量子阻障層為包括四元氮化物的超晶格結構，能夠幫助釋放主動層之應力，因此能有效抑制壓電效應。
本發明另提供一種氮化物半導體發光二極體元件，其電子阻障層為包括另一四元氮化物的超晶格結構，能夠防止歸因於量子阻障層與電子阻障層之間的晶格失配而產生之晶體缺陷，以提升電子電洞對結合的機率，進而提升內
部光輸出效率。
本發明提出一種氮化物半導體發光二極體元件，包括基板、N型摻雜層、主動層、P型摻雜層、第一電極及第二電極。N型摻雜層位於基板之一側上。主動層位於N型摻雜層上，其包括至少一量子井結構。量子井結構包括二量子阻障層以及位於量子阻障層之間的量子井。量子阻障層為包括四元氮化物的超晶格結構。P型摻雜層位於主動層上。第一電極位於P型摻雜層上。第二電極位於N型摻雜層曝露出的平台上或位於基板的另一側上。
在本發明之一實施例中，上述之四元氮化物的材料包括Ala
Inb
Ga1-a-b
N，a、b分別介於0與1之間，且a+b<1。超晶格結構由週期層疊的Ala
Inb
Ga1-a-b
N層與Alc
Ind
Ga1-c-d
N層、週期層疊的Ala
Inb
Ga1-a-b
N層與Ine
Ga1-e
N層、週期層疊的Ala
Inb
Ga1-a-b
N層與GaN層、或週期層疊的Ala
Inb
Ga1-a-b
N層、Ine
Ga1-e
N層與GaN層所組成，其中c、d、e分別介於0與1之間，c+d<1，且a不等於c，b不等於d。另外，超晶格結構之週期層疊的次數為至少兩次，且超晶格結構中每一層的厚度例如是介於約0.5 nm至約50 nm之間。
在本發明之一實施例中，上述之量子井的材料包括Inf
Ga1-f
N或Aln
Gap
In1-n-p
N，f、n、p分別介於0與1之間，且n+p<1。
在本發明之一實施例中，上述之量子井的厚度例如是介於約1 nm至約20 nm之間。
在本發明之一實施例中，上述之主動層的厚度例如是介於約3 nm至約500 nm之間。
在本發明之一實施例中，上述之主動層包括單一量子井結構。
在本發明之一實施例中，上述之主動層包括多數個量子井結構。
在本發明之一實施例中，上述之基板的材料包括藍寶石、矽、SiC、ZnO或GaN。
在本發明之一實施例中，上述之N型摻雜層的材料包括摻矽或鍺的GaN。
在本發明之一實施例中，上述之P型摻雜層的材料包括摻鎂或鋅的GaN。
在本發明之一實施例中，上述之氮化物半導體發光二極體元件更包括位於基板及N型摻雜層之間的緩衝層。緩衝層的材料包括GaN、Alq
Ga1-q
N、SiC、ZnO、ZnTeO或MgN，其中q介於0與1之間。
在本發明之一實施例中，上述之氮化物半導體發光二極體元件更包括位於N型摻雜層及主動層之間的應力舒緩層。應力舒緩層的材料包括由Inm
Ga1-m
N層與GaN層組成的疊層結構，其中m介於0.01與0.3之間。
在本發明之一實施例中，上述之氮化物半導體發光二極體元件更包括位於P型摻雜層及第一電極之間的P型接觸層。
在本發明之一實施例中，上述之氮化物半導體發光二
極體元件更包括位於P型摻雜層及主動層之間的電子阻障層。
本發明另提出一種氮化物半導體發光二極體元件，包括基板、N型摻雜層、主動層、P型摻雜層、電子阻障層、第一電極及第二電極。N型摻雜層位於基板之一側上。主動層位於N型摻雜層上，其包括至少一量子井結構。量子井結構包括二量子阻障層以及位於量子阻障層之間的量子井。P型摻雜層位於主動層上。電子阻障層位於P型摻雜層及主動層之間，其中電子阻障層為包括四元氮化物的超晶格結構，且電子阻障層的能隙高於量子阻障層的能隙。第一電極位於P型摻雜層上。第二電極位於N型摻雜層曝露出的平台上或位於基板的另一側上。
本發明之一實施例中，上述之四元氮化物的材料包括Alg
Inh
Ga1-g-h
N，g、h分別介於0與1之間，且g+h<1。超晶格結構由週期層疊的Alg
Inh
Ga1-g-h
N層與Ali
Inj
Ga1-i-j
N層、週期層疊的Alg
Inh
Ga1-g-h
N層與Ink
Ga1-k
N層、週期層疊的Alg
Inh
Ga1-g-h
N層與GaN層、或週期層疊的Alg
Inh
Ga1-g-h
N層、Ink
Ga1-k
N層與GaN層所組成，其中i、j、k分別介於0與1之間，i+j<1，且g不等於i，h不等於j。另外，超晶格結構之週期層疊的次數為至少兩次，且超晶格結構中每一層的厚度例如是介於約0.5 nm至約50 nm之間。
在本發明之一實施例中，上述之量子井的材料包括Inf
Ga1-f
N或Aln
Gap
In1-n-p
N，f、n、p分別介於0與1之間，
且n+p<1。
在本發明之一實施例中，上述之量子井的厚度例如是介於約1 nm至約20 nm之間。
在本發明之一實施例中，上述之主動層的厚度例如是介於約3 nm至約500 nm之間。
在本發明之一實施例中，上述之主動層包括單一量子井結構。
在本發明之一實施例中，上述之主動層包括多數個量子井結構。
在本發明之一實施例中，上述之基板的材料包括藍寶石、矽、SiC、ZnO或GaN。
在本發明之一實施例中，上述之N型摻雜層的材料包括摻矽或鍺的GaN。
在本發明之一實施例中，上述之P型摻雜層的材料包括摻鎂或鋅的GaN。
在本發明之一實施例中，上述之氮化物半導體發光二極體元件更包括位於基板及N型摻雜層之間的緩衝層。緩衝層的材料包括GaN、Alq
Ga1-q
N、SiC、ZnO、ZnTeO或MgN，其中q介於0與1之間。
在本發明之一實施例中，上述之氮化物半導體發光二極體元件更包括位於N型摻雜層及主動層之間的應力舒緩層。應力舒緩層的材料包括由Inm
Ga1-m
N層與GaN層組成的疊層結構，其中m介於0.01與0.3之間。
在本發明之一實施例中，上述之氮化物半導體發光二
極體元件更包括位於P型摻雜層及第一電極之間的P型接觸層。
本發明又提出一種氮化物半導體發光二極體元件，包括基板、N型摻雜層、主動層、P型摻雜層、電子阻障層、第一電極及第二電極。N型摻雜層位於基板之一側上。主動層位於N型摻雜層上，其包括至少一量子井結構。量子井結構包括二量子阻障層以及位於量子阻障層之間的量子井。量子阻障層為包括第一四元氮化物的第一超晶格結構。P型摻雜層位於主動層上。電子阻障層位於P型摻雜層及主動層之間，其中電子阻障層為包括第二四元氮化物的第二超晶格結構，且電子阻障層的能隙高於量子阻障層的能隙。第一電極位於P型摻雜層上。第二電極位於N型摻雜層曝露出的平台上或位於基板的另一側上。
在本發明之一實施例中，上述之第一四元氮化物的材料包括Ala
Inb
Ga1-a-b
N，a、b分別介於0與1之間，且a+b<1。第一超晶格結構由週期層疊的Ala
Inb
Ga1-a-b
N層與Alc
Ind
Ga1-c-d
N層、週期層疊的Ala
Inb
Ga1-a-b
N層與Ine
Ga1-e
N層、週期層疊的Ala
Inb
Ga1-a-b
N層與GaN層、或週期層疊的Ala
Inb
Ga1-a-b
N層、Ine
Ga1-e
N層與GaN層所組成，其中c、d、e分別介於0與1之間，c+d<1，且a不等於c，b不等於d。另外，第一超晶格結構之週期層疊的次數為至少兩次，且第一超晶格結構中每一層的厚度例如是介於約0.5 nm至約50 nm之間。
本發明之一實施例中，上述之第二四元氮化物的材料
包括Alg
Inh
Ga1-g-h
N，g、h分別介於0與1之間，且g+h<1。第二超晶格結構由週期層疊的Alg
Inh
Ga1-g-h
N層與Ali
Inj
Ga1-i-j
N層、週期層疊的Alg
Inh
Ga1-g-h
N層與Ink
Ga1-k
N層、週期層疊的Alg
Inh
Ga1-g-h
N層與GaN層、或週期層疊的Alg
Inh
Ga1-g-h
N層、Ink
Ga1-k
N層與GaN層所組成，其中i、j、k分別介於0與1之間，i+j<1，且g不等於i，h不等於j。另外，第二超晶格結構之週期層疊的次數為至少兩次，且第二超晶格結構中每一層的厚度例如是介於約0.5 nm至約50 nm之間。
在本發明之一實施例中，上述之量子井的材料包括Inf
Ga1-f
N或Aln
Gap
In1-n-p
N，f、n、p分別介於0與1之間，且n+p<1。
在本發明之一實施例中，上述之量子井的厚度例如是介於約1 nm至約20 nm之間。
在本發明之一實施例中，上述之主動層的厚度例如是介於約3 nm至約500 nm之間。
在本發明之一實施例中，上述之主動層包括單一量子井結構。
在本發明之一實施例中，上述之主動層包括多數個量子井結構。
在本發明之一實施例中，上述之基板的材料包括藍寶石、矽、SiC、ZnO或GaN。
在本發明之一實施例中，上述之N型摻雜層的材料包括摻矽或鍺的GaN。
在本發明之一實施例中，上述之P型摻雜層的材料包括摻鎂或鋅的GaN。
在本發明之一實施例中，上述之氮化物半導體發光二極體元件更包括位於基板及N型摻雜層之間的緩衝層。緩衝層的材料包括GaN、Alq
Ga1-q
N、SiC、ZnO、ZnTeO或MgN，其中q介於0與1之間。
在本發明之一實施例中，上述之氮化物半導體發光二極體元件更包括位於N型摻雜層及主動層之間的應力舒緩層。應力舒緩層的材料包括由Inm
Ga1-m
N層與GaN層組成的疊層結構，其中m介於0.01與0.3之間。
在本發明之一實施例中，上述之氮化物半導體發光二極體元件更包括位於P型摻雜層及第一電極之間的P型接觸層。
基於上述，本發明之量子阻障層為包括四元氮化物的超晶格結構，能夠幫助釋放主動層之應力，因此能有效抑制壓電效應，提升後續成長之量子井的結晶品質，及減少漏電流的發生。此外，本發明之電子阻障層為包括另一四元氮化物的超晶格結構，能夠防止歸因於量子阻障層與電子阻障層之間的晶格失配而產生之晶體缺陷，如錯位以及凹洞等等。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖1A為依據本發明第一實施例所繪示的氮化物半導體發光二極體元件之示意剖面圖。
請參照圖1A，首先，提供基板100。基板100的材料例如是藍寶石(sapphire)、矽、SiC、ZnO或GaN。接著，於基板100的一側上形成N型摻雜層102。N型摻雜層102的材料例如是摻矽或鍺的GaN，且其形成方法例如是進行有機金屬化學氣相沉積法(metalorganic chemical vapor deposition；MOCVD)。在一實施例中，N型摻雜層102例如是具有平台(mesa)109，以供後續形成之第二電極110之用。
在一實施例中，在形成N型摻雜層102的步驟之前，也可以選擇性地於基板100及N型摻雜層102之間形成緩衝層101。緩衝層101是作為緩衝N型摻雜層102成長於異質基板上而產生之晶格常數不匹配(lattice mismatch)的問題。緩衝層101的材料例如是GaN、Alq
Ga1-q
N、SiC、ZnO、ZnTeO或MgN，其中q介於0與1之間，且其形成方法例如是進行低溫磊晶成長(400~900℃)。
然後，於N型摻雜層102上形成主動層104。主動層104的厚度例如是介於約3 nm至約500 nm之間。主動層104包括至少一量子井結構，其中此量子井結構包括依序形成在N型摻雜層上102上的量子阻障層(quantum barrier layer)104a、量子井(quantum well)104b及另一量子阻障層104a。主動層104也就是發光層，利用上述之量子井
結構，電子電洞對會在量子井104b中結合而釋放出光子。
本發明之量子阻障層104a為包括四元氮化物(quaternary nitride)的超晶格結構(superlattice structure)。換句話說，量子阻障層104a之超晶格結構的材料可以為四元氮化物與另一四元氮化物、四元氮化物與三元氮化物、四元氮化物與二元氮化物、或四元氮化物、三元氮化物與二元氮化物所組成。在一實施例中，量子阻障層104a之四元氮化物的材料例如是Ala
Inb
Ga1-a-b
N，其中a、b分別介於0與1之間，且a+b<1。因此，量子阻障層104a之超晶格結構可以由週期層疊(periodically laminated)的Ala
Inb
Ga1-a-b
N層與Alc
Ind
Ga1-c-d
N層、週期層疊的Ala
Inb
Ga1-a-b
N層與Ine
Ga1-e
N層、週期層疊的Ala
Inb
Ga1-a-b
N層與GaN層、或週期層疊的Ala
Inb
Ga1-a-b
N層、Ine
Ga1-e
N層與GaN層所組成，其中c、d、e分別介於0與1之間，c+d<1，且a不等於c，b不等於d。上述之超晶格結構之週期層疊的次數為至少兩次，且其每一層的厚度例如是介於約0.5 nm至約50 nm之間。圖1A的左側為量子阻障層104a之能帶分佈圖(band diagram)，由於量子阻障層104a為具有週期層疊之至少二材料層所形成的超晶格結構，其中之一的材料為四元氮化物，因此其能帶分佈圖呈週期變化。量子阻障層104a的厚度可以由超晶格結構中之每一材料層的厚度及週期層疊的次數而決定。
此外，量子井104b的材料例如是Inf
Ga1-f
N或
Aln
Gap
In1-n-p
N，其中f、n、p分別介於0與1之間，且n+p<1。量子井104b的厚度例如是介於約1 nm至約20 nm之間。另外，量子阻障層104a及量子井104b的形成方法例如是進行有機金屬化學氣相沉積法(metalorganic chemical vapor deposition；MOCVD)或分子束磊晶法(molecular-beam epitaxy；MBE)，且其生長溫度例如是介於約600℃至約900℃之間。
在一實施例中，量子阻障層104a例如是具有週期層疊之Ala
Inb
Ga1-a-b
N層與Ine
Ga1-e
N層所形成的超晶格結構，且量子井104b的材料例如是Inf
Ga1-f
N。首先，以有機金屬化學氣相沉積法或分子束磊晶法於生長溫度600~900℃之間於N型摻雜層102上形成Ine
Ga1-e
N層，再於700~900℃的溫度下於Ine
Ga1-e
N層的表面形成Ala
Inb
Ga1-a-b
N層，然後，以週期層疊至少兩次的方式形成具有超晶格結構的量子阻障層104a。之後，於量子阻障層104a的表面於600~900℃形成材料為Inf
Ga1-f
N之量子井104b。繼之，以上述的方法製作另一量子阻障層104a於量子井104b上，完成具有單一量子井結構(single quantum well structure)之主動層104。
特別要說明的是，由於本發明之量子阻障層104a為包括四元氮化物的超晶格結構，因此不但可以滿足量子阻障層之能隙至少大於量子井之能隙0.2 eV以上的需求，而且可以幫助釋放主動層104之應力，有效降低壓電效應。另外，本發明之量子阻障層104a有助於提升後續成長之量
子井104b的結晶品質，降低缺陷凹洞的產生，進而減少漏電流的發生，及提升內部光取出效率。
在一實施例中，在形成主動層104的步驟之前，也可以選擇性地於N型摻雜層102及主動層104之間形成應力舒緩層(strain-release layer)103。應力舒緩層103是作為釋放主動層104之應力。應力舒緩層103例如是由Inm
Ga1-m
N層與GaN層所組成的疊層結構(lamination structure)，其中m介於0.01與0.3之間，且每一Inm
Ga1-m
N層與GaN層的厚度例如是分別介於約1 nm至約50 nm之間。應力舒緩層103的形成方法例如是進行有機金屬化學氣相沉積法。
之後，請繼續參照圖1A，於主動層104上形成P型摻雜層106。P型摻雜層106的材料例如是摻鎂或鋅的GaN，且其形成方法例如是進行有機金屬化學氣相沉積法。在一實施例中，在形成P型摻雜層106的步驟之前，也可以於主動層104及P型摻雜層106之間形成電子阻障層105(electron blocking layer)。電子阻障層105是進一步地阻擋電子逃出主動層104，因此電子阻障層105的能隙高於量子阻障層104a的能隙。電子阻障層105例如為AlGaN層或是AlGaN層與GaN層所組成的超晶格結構。
繼之，於P型摻雜層106上形成第一電極108。第一電極108的材料例如是Cr/Au、ITO或ZnO。在一實施例中，在形成第一電極108的步驟之前，也可以選擇性地於P型摻雜層106及第一電極108之間形成P型接觸層107。
P型接觸層107是作為降低P型摻雜層106與第一電極108之間的阻抗。P型接觸層107的材料例如是摻鎂或鋅的GaN，且其形成方法例如是進行有機金屬化學氣相沉積法。
接著，於N型摻雜層102曝露出的平台109上形成第二電極110。第二電極110的材料例如是Ni/Au或Ti/Al/Ti/Au。至此，完成第一實施例之氮化物半導體發光二極體元件之製造流程。特別要說明的是，當基板100的材料為導電材料如GaN時，第二電極110也可以形成於基板100的另一側上，如圖1B所示，因此N型摻雜層102也不需要形成平台109供第二電極110之用。
接下來，將說明第一實施例之氮化物半導體發光二極體元件的結構。請參照圖1A及1B，本發明之氮化物半導體發光二極體元件包括基板100、N型摻雜層102、主動層104、P型摻雜層106、第一電極108及第二電極110。N型摻雜層102位於基板100之一側上。主動層104位於N型摻雜層102上，其包括至少一量子井結構。量子井結構包括二量子阻障層104a以及位於量子阻障層104a之間的量子井104b。量子阻障層104a為包括四元氮化物的超晶格結構。P型摻雜層106位於主動層104上。第一電極108位於P型摻雜層106上。第二電極110位於N型摻雜層曝露出的平台109上或位於基板100的另一側上。此外，緩衝層101位於基板100與N型摻雜層102之間，作為緩衝N型摻雜層102成長於異質基板上而產生之晶格常數不匹配的問題。應力舒緩層103位於N型摻雜層102及主動層
104之間，作為釋放主動層104之應力。電子阻障層105位於主動層104及P型摻雜層106之間，以進一步地阻擋電子逃出主動層104。P型接觸層107位於P型摻雜層106及第一電極108之間，作為降低P型摻雜層106與第一電極108之間的阻抗。
上述之實施例是以包括單一量子井結構之主動層為例來說明之，但本發明並不以此為限。熟知本技藝者應了解，本發明之主動層也可以為多重量子井結構(multiple quantum well structure)。也就是說，本發明之主動層包括多數個量子井結構，其中量子阻障層104a與量子井104b是以交替疊層至少兩次的方式配置在應力舒緩層103上，如圖1C及圖1D所示。
圖2A為依據本發明第二實施例所繪示的氮化物半導體發光二極體元件之示意剖面圖。
請參照圖2A，首先，提供基板200。接著，於基板200的一側上形成N型摻雜層202。在一實施例中，在形成N型摻雜層202的步驟之前，也可以選擇性地於基板200及N型摻雜層202之間形成緩衝層201。基板200、緩衝層201與N型摻雜層202的材料與形成方法與第一實施例類似，於此不再贅述。
然後，於N型摻雜層202上形成主動層204。主動層204的厚度例如是介於約3 nm至約500 nm之間。主動層
204包括至少一量子井結構，其中此量子井結構包括依序形成在N型摻雜層上202上的量子阻障層204a、量子井204b及另一量子阻障層204a。量子阻障層204a的材料例如是GaN、Inx
Ga1-x
N或Alx
Gay
In1-x-y
N，其中x、y分別介於0與1之間，且x+y<1。量子井104b的材料例如是Inf
Ga1-f
N或Aln
Gap
In1-n-p
N，其中f、n、p分別介於0與1之間，且n+p<1。量子井104b的厚度例如是介於約1 nm至約20 nm之間。另外，量子阻障層104a及量子井104b的形成方法例如是進行有機金屬化學氣相沉積法或分子束磊晶法。
之後，於主動層204上形成電子阻障層205。電子阻障層205為包括四元氮化物的超晶格結構。換句話說，電子阻障層205之超晶格結構的材料可以為四元氮化物與另一四元氮化物、四元氮化物與三元氮化物、四元氮化物與二元氮化物、或四元氮化物、三元氮化物與二元氮化物所組成。在一實施例中，電子阻障層205之四元氮化物的材料例如是Alg
Inh
Ga1-g-h
N，其中g、h分別介於0與1之間，且g+h<1。因此，電子阻障層205之超晶格結構可以由週期層疊的Alg
Inh
Ga1-g-h
N層與Ali
Inj
Ga1-i-j
N層、週期層疊的Alg
Inh
Ga1-g-h
N層與Ink
Ga1-k
N層、週期層疊的Alg
Inh
Ga1-g-h
N層與GaN層、或週期層疊的Alg
Inh
Ga1-g-h
N層、Ink
Ga1-k
N層與GaN層所組成，其中i、j、k分別介於0與1之間，i+j<1，且g不等於i，h不等於j。電子阻障層205之超晶格結構之週期層疊的次數為至少兩次，且
其每一層的厚度例如是介於約0.5 nm至約50 nm之間。圖2A的右側為電子阻障層205之能帶分佈圖，由於電子阻障層205為具有週期層疊之至少二材料層所形成的超晶格結構，其中之一的材料為四元氮化物，因此其能帶分佈圖呈週期變化。電子阻障層205的厚度可以由超晶格結構中之每一材料層的厚度及週期層疊的次數而決定。
另外，電子阻障層205的形成方法例如是進行有機金屬化學氣相沉積法或分子束磊晶法，且其生長溫度例如是介於約600℃至約1100℃之間。由於本發明之電子阻障層205為包括四元氮化物的超晶格結構，因此可以防止歸因於量子阻障層204a與電子阻障層205之間的晶格失配而產生之晶體缺陷，如錯位以及凹洞等等。另外，本發明之量子阻障層204a、量子井204b及電子阻障層205可以在同一個反應腔室中完成，降低成本與減少製造發光二極體元件的時間。
之後，請繼續參照圖2A，於電子阻障層205上形成P型摻雜層206。繼之，於P型摻雜層206上形成第一電極208。在一實施例中，在形成第一電極208的步驟之前，也可以選擇性地於P型摻雜層206及第一電極208之間形成P型接觸層207。接著，於N型摻雜層102曝露出的平台209上形成第二電極210。至此，完成第二實施例之氮化物半導體發光二極體元件之製造流程。P型摻雜層206、P型接觸層207、第一電極208與第二電極210的材料與形成方法與第一實施例類似，於此不再贅述。特別要說明的是，
當基板200的材料為導電材料如GaN時，第二電極210也可以形成於基板200的另一側上，如圖2B所示，因此N型摻雜層202也不需要形成平台209供第二電極210之用。
接下來，將說明第二實施例之氮化物半導體發光二極體元件的結構。請參照圖2A及2B，本發明之氮化物半導體發光二極體元件包括基板200、N型摻雜層202、主動層204、電子阻障層205、P型摻雜層206、第一電極208及第二電極210。N型摻雜層202位於基板200之一側上。主動層204位於N型摻雜層202上，其包括至少一量子井結構，量子井結構包括二量子阻障層204a以及位於量子阻障層204a之間的量子井204b。P型摻雜層206位於主動層204上。電子阻障層205位於P型摻雜層206及主動層204之間，其中電子阻障層205為包括四元氮化物的超晶格結構，且電子阻障層205的能隙高於量子阻障層204a的能隙。第一電極208位於P型摻雜層206上。第二電極210位於N型摻雜層202曝露出的平台209上或位於基板200的另一側上。此外，緩衝層201位於基板200與N型摻雜層202之間，應力舒緩層203位於N型摻雜層202及主動層204之間，且P型接觸層207位於P型摻雜層206及第一電極208之間。
圖2A與2B是以單一量子井結構之主動層為例來說明之，但本發明並不以此為限。圖2C與2D為第二實施例之主動層為多重量子井結構的示意圖。
圖3A為依據本發明第三實施例所繪示的氮化物半導體發光二極體元件之示意剖面圖。
在第一、第二實施例中，分別以量子阻障層、電子阻障層為包括四元氮化物的超晶格結構為例來說明之，但本發明並不以此為限。熟知本技藝者應了解，量子阻障層及電子阻障層也可以依製程需要而同時為具有四元氮化物的超晶格結構，如第三實施例所示。圖3A的左側為量子阻障層304a之能帶分佈圖，由於量子阻障層304a為具有週期層疊之至少二材料層所形成的超晶格結構，其中之一的材料為四元氮化物，因此其能帶分佈圖呈週期變化。圖3A的右側為電子阻障層305之能帶分佈圖，由於電子阻障層305為具有週期層疊之至少二材料層所形成的超晶格結構，其中之一的材料為四元氮化物，因此其能帶分佈圖呈週期變化。
第三實施例的各層材料及形成方法與第一、第二實施例類似，於此不再贅述，僅簡單說明第三實施例之氮化物半導體發光二極體元件的結構。請參照圖3A及3B，本發明之氮化物半導體發光二極體元件包括基板300、N型摻雜層302、主動層304、電子阻障層305、P型摻雜層306、第一電極308及第二電極310。N型摻雜層302位於基板300之一側上。主動層304位於N型摻雜層302上，其包括至少一量子井結構，量子井結構包括二量子阻障層304a以及位於量子阻障層304a之間的量子井304b。量子阻障
層104a為包括四元氮化物的超晶格結構。P型摻雜層306位於主動層304上。電子阻障層305位於P型摻雜層306及主動層304之間，其中電子阻障層305為包括另一四元氮化物的超晶格結構，且電子阻障層305的能隙高於量子阻障層304a的能隙。第一電極308位於P型摻雜層306上。第二電極310位於N型摻雜層302曝露出的平台309上或位於基板300的另一側上。此外，緩衝層301位於基板300與N型摻雜層302之間，應力舒緩層303位於N型摻雜層302及主動層304之間，且P型接觸層307位於P型摻雜層306及第一電極308之間。
圖3A與3B是以單一量子井結構之主動層為例來說明之，但本發明並不以此為限。圖3C與3D為第三實施例之主動層為多重量子井結構的示意圖。
综上所述，本發明之量子阻障層為包括四元氮化物的超晶格結構，能夠幫助釋放主動層之應力，因此能有效抑制壓電效應，提升後續成長之量子井的結晶品質，及減少漏電流的發生。此外，本發明之量子阻障層可以提供足夠大的能隙差(0.2~2 eV)，以增加載子阻障，提升電子電洞對結合的機率，進而提升內部光取出效率。
另外，本發明之電子阻障層為包括另一四元氮化物的超晶格結構，能夠防止歸因於量子阻障層與電子阻障層之間的晶格失配而產生之晶體缺陷，如錯位以及凹洞等等。
再者，本發明之包括四元氮化物之量子阻障層或電子阻障層可以依製程需要而單獨存在或同時存在，且本發明
之量子阻障層、量子井及電子阻障層可以在同一個反應腔室中完成，降低成本與減少製造發光二極體元件的時間。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100、200、300‧‧‧基底
101、201、301‧‧‧緩衝層
102、202、302‧‧‧N型摻雜層
103、203、303‧‧‧應力舒緩層
104、204、304‧‧‧主動層
104a、204a、304a‧‧‧量子阻障層
104b、204b、304b‧‧‧量子井
105、205、305‧‧‧電子阻障層
106、206、306‧‧‧P型摻雜層
107、207、307‧‧‧P型接觸層
108、208、308‧‧‧第一電極
109、209、309‧‧‧平台
110、210、310‧‧‧第二電極
圖1A為依據本發明第一實施例所繪示的一氮化物半導體發光二極體元件之示意剖面圖，其左側為量子阻障層之能帶分佈圖。
圖1B為依據本發明第一實施例所繪示的另一氮化物半導體發光二極體元件之示意剖面圖，其左側為量子阻障層之能帶分佈圖。
圖1C為依據本發明第一實施例所繪示的又一氮化物半導體發光二極體元件之示意剖面圖，其左側為量子阻障層之能帶分佈圖。
圖1D為依據本發明第一實施例所繪示的再一氮化物半導體發光二極體元件之示意剖面圖，其左側為量子阻障層之能帶分佈圖。
圖2A為依據本發明第二實施例所繪示的一氮化物半導體發光二極體元件之示意剖面圖，其右側為電子阻障層之能帶分佈圖。
圖2B為依據本發明第二實施例所繪示的另一氮化物
半導體發光二極體元件之示意剖面圖，其右側為電子阻障層之能帶分佈圖。
圖2C為依據本發明第二實施例所繪示的又一氮化物半導體發光二極體元件之示意剖面圖，其右側為電子阻障層之能帶分佈圖。
圖2D為依據本發明第二實施例所繪示的再一氮化物半導體發光二極體元件之示意剖面圖，其右側為電子阻障層之能帶分佈圖。
圖3A為依據本發明第三實施例所繪示的一氮化物半導體發光二極體元件之示意剖面圖，其左側為量子阻障層之能帶分佈圖，且其右側為電子阻障層之能帶分佈圖。
圖3B為依據本發明第三實施例所繪示的另一氮化物半導體發光二極體元件之示意剖面圖，其左側為量子阻障層之能帶分佈圖，且其右側為電子阻障層之能帶分佈圖。
圖3C為依據本發明第三實施例所繪示的又一氮化物半導體發光二極體元件之示意剖面圖，其左側為量子阻障層之能帶分佈圖，且其右側為電子阻障層之能帶分佈圖。
圖3D為依據本發明第三實施例所繪示的再一氮化物半導體發光二極體元件之示意剖面圖，其左側為量子阻障層之能帶分佈圖，且其右側為電子阻障層之能帶分佈圖。
100‧‧‧基底
101‧‧‧緩衝層
102‧‧‧N型摻雜層
103‧‧‧應力舒緩層
104‧‧‧主動層
104a‧‧‧量子阻障層
104b‧‧‧量子井
105‧‧‧電子阻障層
106‧‧‧P型摻雜層
107‧‧‧P型接觸層
108‧‧‧第一電極
109‧‧‧平台
110‧‧‧第二電極
Claims (59)
- 一種氮化物半導體發光二極體元件，包括：一基板；一N型摻雜層，位於該基板之一側上；一主動層，位於該N型摻雜層上，其包括至少一量子井結構，其中該量子井結構包括二量子阻障層以及位於該些量子阻障層之間的一量子井，各該量子阻障層為包括一四元氮化物的一超晶格結構；一P型摻雜層，位於該主動層上；一第一電極，位於該P型摻雜層上；以及一第二電極，位於該N型摻雜層曝露出的一平台上或位於該基板的另一側上。
- 如申請專利範圍第1項所述之氮化物半導體發光二極體元件，其中該四元氮化物的材料包括Ala Inb Ga1-a-b N，a、b分別介於0與1之間，且a+b<1。
- 如申請專利範圍第2項所述之氮化物半導體發光二極體元件，其中該超晶格結構由週期層疊的Ala Inb Ga1-a-b N層與Alc Ind Ga1-c-d N層、週期層疊的Ala Inb Ga1-a-b N層與Ine Ga1-e N層、週期層疊的Ala Inb Ga1-a-b N層與GaN層、或週期層疊的Ala Inb Ga1-a-b N層、Ine Ga1-e N層與GaN層所組成，其中c、d、e分別介於0與1之間，c+d<1，且a不等於c，b不等於d。
- 如申請專利範圍第3項所述之氮化物半導體發光二極體元件，其中該超晶格結構之該週期層疊的次數為至 少兩次。
- 如申請專利範圍第3項所述之氮化物半導體發光二極體元件，其中該超晶格結構中每一層的厚度介於0.5 nm至50 nm之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之氮化物半導體發光二極體元件，其中該量子井的材料包括Inf Ga1-f N或Aln Gap In1-n-p N，f、n、p分別介於0與1之間，且n+p<1。
- 如申請專利範圍第1項所述之氮化物半導體發光二極體元件，其中該量子井的厚度介於1 nm至20 nm之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之氮化物半導體發光二極體元件，其中該主動層的厚度介於3 nm至500 nm之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之氮化物半導體發光二極體元件，其中該主動層包括單一該量子井結構。
- 如申請專利範圍第1項所述之氮化物半導體發光二極體元件，其中該主動層包括多數個該量子井結構。
- 如申請專利範圍第1項所述之氮化物半導體發光二極體元件，其中該基板的材料包括藍寶石、矽、SiC、ZnO或GaN。
- 如申請專利範圍第1項所述之氮化物半導體發光二極體元件，其中該N型摻雜層的材料包括摻矽或鍺的GaN。
- 如申請專利範圍第1項所述之氮化物半導體發光 二極體元件，其中該P型摻雜層的材料包括摻鎂或鋅的GaN。
- 如申請專利範圍第1項所述之氮化物半導體發光二極體元件，更包括位於該基板及該N型摻雜層之間的一緩衝層。
- 如申請專利範圍第14項所述之氮化物半導體發光二極體元件，其中該緩衝層的材料包括GaN、Alq Ga1-q N、SiC、ZnO、ZnTeO或MgN，其中q介於0與1之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之氮化物半導體發光二極體元件，更包括位於該N型摻雜層及該主動層之間的一應力舒緩層。
- 如申請專利範圍第16項所述之氮化物半導體發光二極體元件，其中該應力舒緩層的材料包括由Inm Ga1-m N層與GaN層組成的疊層結構，其中m介於0.01與0.3之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之氮化物半導體發光二極體元件，更包括位於該P型摻雜層及該第一電極之間的一P型接觸層。
- 如申請專利範圍第1項所述之氮化物半導體發光二極體元件，更包括位於該P型摻雜層及該主動層之間的一電子阻障層。
- 一種氮化物半導體發光二極體元件，包括：一基板； 一N型摻雜層，位於該基板之一側上；一主動層，位於該N型摻雜層上，其包括至少一量子井結構，其中該量子井結構包括二量子阻障層以及位於該些量子阻障層之間的一量子井；一P型摻雜層，位於該主動層上；一電子阻障層，位於該P型摻雜層及該主動層之間，其中該電子阻障層為包括一四元氮化物的一超晶格結構，且該電子阻障層的能隙高於該量子阻障層的能隙；一第一電極，位於該P型摻雜層上；以及一第二電極，位於該N型摻雜層曝露出的一平台上或位於該基板的另一側上。
- 如申請專利範圍第20項所述之氮化物半導體發光二極體元件，其中該四元氮化物的材料包括Alg Inh Ga1-g-h N，g、h分別介於0與1之間，且g+h<1。
- 如申請專利範圍第21項所述之氮化物半導體發光二極體元件，其中該超晶格結構由週期層疊的Alg Inh Ga1-g-h N層與Ali Inj Ga1-i -j N層、週期層疊的Alg Inh Ga1-g-h N層與Ink Ga1-k N層、週期層疊的Alg Inh Ga1-g-h N層與GaN層、或週期層疊的Alg Inh Ga1-g-h N層、Ink Ga1-k N層與GaN層所組成，其中i、j、k分別介於0與1之間，i+j<1，且g不等於i，h不等於j。
- 如申請專利範圍第22項所述之氮化物半導體發光二極體元件，其中該超晶格結構之該週期層疊的次數為至少兩次。
- 如申請專利範圍第22項所述之氮化物半導體發光二極體元件，其中該超晶格結構中每一層的厚度介於0.5 nm至50 nm之間。
- 如申請專利範圍第20項所述之氮化物半導體發光二極體元件，其中該量子井的材料包括Inf Ga1-f N或Aln Gap In1-n-p N，f、n、p分別介於0與1之間，且n+p<1。
- 如申請專利範圍第20項所述之氮化物半導體發光二極體元件，其中該量子井的厚度介於1 nm至20 nm之間。
- 如申請專利範圍第20項所述之氮化物半導體發光二極體元件，其中該主動層的厚度介於3 nm至500 nm之間。
- 如申請專利範圍第20項所述之氮化物半導體發光二極體元件，其中該主動層包括單一該量子井結構。
- 如申請專利範圍第20項所述之氮化物半導體發光二極體元件，其中該主動層包括多數個該量子井結構。
- 如申請專利範圍第20項所述之氮化物半導體發光二極體元件，其中該基板的材料包括藍寶石、矽、SiC、ZnO或GaN。
- 如申請專利範圍第20項所述之氮化物半導體發光二極體元件，其中該N型摻雜層的材料包括摻矽或鍺的GaN。
- 如申請專利範圍第20項所述之氮化物半導體發光二極體元件，其中該P型摻雜層的材料包括摻鎂或鋅的 GaN。
- 如申請專利範圍第20項所述之氮化物半導體發光二極體元件，更包括位於該基板及該N型摻雜層之間的一緩衝層。
- 如申請專利範圍第33項所述之氮化物半導體發光二極體元件，其中該緩衝層的材料包括GaN、Alq Ga1-q N、SiC、ZnO、ZnTeO或MgN，其中q介於0與1之間。
- 如申請專利範圍第20項所述之氮化物半導體發光二極體元件，更包括位於該N型摻雜層及該主動層之間的一應力舒緩層。
- 如申請專利範圍第35項所述之氮化物半導體發光二極體元件，其中該應力舒緩層的材料包括由Inm Ga1-m N層與GaN層組成的疊層結構，其中m介於0.01與0.3之間。
- 如申請專利範圍第20項所述之氮化物半導體發光二極體元件，更包括位於該P型摻雜層及該第一電極之間的一P型接觸層。
- 一種氮化物半導體發光二極體元件，包括：一基板；一N型摻雜層，位於該基板之一側上；一主動層，位於該N型摻雜層上，其包括至少一量子井結構，其中該量子井結構包括二量子阻障層以及位於該些量子阻障層之間的一量子井，各該量子阻障層為包括一 第一四元氮化物的一第一超晶格結構；一P型摻雜層，位於該主動層上；一電子阻障層，位於該P型摻雜層及該主動層之間，其中該電子阻障層為包括一第二四元氮化物的一第二超晶格結構，且該電子阻障層的能隙高於該量子阻障層的能隙；一第一電極，位於該P型摻雜層上；以及一第二電極，位於該N型摻雜層曝露出的一平台上或位於該基板的另一側上。
- 如申請專利範圍第38項所述之氮化物半導體發光二極體元件，其中該第一四元氮化物的材料包括Ala Inb Ga1-a-b N，a、b分別介於0與1之間，且a+b<1。
- 如申請專利範圍第39項所述之氮化物半導體發光二極體元件，其中該第一超晶格結構由週期層疊的Ala Inb Ga1-a-b N層與Alc Ind Ga1-c-d N層、週期層疊的Ala Inb Ga1-a-b N層與Ine Ga1-e N層、週期層疊的Ala Inb Ga1-a-b N層與GaN層、或週期層疊的Ala Inb Ga1-a-b N層、Ine Ga1-e N層與GaN層所組成，其中c、d、e分別介於0與1之間，c+d<1，且a不等於c，b不等於d。
- 如申請專利範圍第40項所述之氮化物半導體發光二極體元件，其中該第一超晶格結構之該週期層疊的次數為至少兩次。
- 如申請專利範圍第40項所述之氮化物半導體發光二極體元件，其中該第一超晶格結構中每一層的厚度介於0.5 nm至50 nm之間。
- 如申請專利範圍第38項所述之氮化物半導體發光二極體元件，其中該第二四元氮化物的材料包括Alg Inh Ga1-g-h N，g、h分別介於0與1之間，且g+h<1。
- 如申請專利範圍第43項所述之氮化物半導體發光二極體元件，其中該第二超晶格結構由週期層疊的Alg Inh Ga1-g-h N層與Ali Inj Ga1-i-j N層、週期層疊的Alg Inh Ga1-g-h N層與Ink Ga1-k N層、週期層疊的Alg Inh Ga1-g-h N層與GaN層、或週期層疊的Alg Inh Ga1-g-h N層、Ink Ga1-k N層與GaN層所組成，其中i、j、k分別介於0與1之間，i+j<1，且g不等於i，h不等於j。
- 如申請專利範圍第44項所述之氮化物半導體發光二極體元件，其中該第二超晶格結構之該週期層疊的次數為至少兩次。
- 如申請專利範圍第44項所述之氮化物半導體發光二極體元件，其中該第二超晶格結構中每一層的厚度介於0.5 nm至50 nm之間。
- 如申請專利範圍第38項所述之氮化物半導體發光二極體元件，其中該量子井的材料包括Inf Ga1-f N或Aln Gap In1-n-p N，f、n、p分別介於0與1之間，且n+p<1。
- 如申請專利範圍第38項所述之氮化物半導體發光二極體元件，其中該量子井的厚度介於1 nm至20 nm之間。
- 如申請專利範圍第38項所述之氮化物半導體發光二極體元件，其中該主動層的厚度介於3 nm至500 nm 之間。
- 如申請專利範圍第38項所述之氮化物半導體發光二極體元件，其中該主動層包括單一該量子井結構。
- 如申請專利範圍第38項所述之氮化物半導體發光二極體元件，其中該主動層包括多數個該量子井結構。
- 如申請專利範圍第38項所述之氮化物半導體發光二極體元件，其中該基板的材料包括藍寶石、矽、SiC、ZnO或GaN。
- 如申請專利範圍第38項所述之氮化物半導體發光二極體元件，其中該N型摻雜層的材料包括摻矽或鍺的GaN。
- 如申請專利範圍第38項所述之氮化物半導體發光二極體元件，其中該P型摻雜層的材料包括摻鎂或鋅的GaN。
- 如申請專利範圍第38項所述之氮化物半導體發光二極體元件，更包括位於該基板及該N型摻雜層之間的一緩衝層。
- 如申請專利範圍第55項所述之氮化物半導體發光二極體元件，其中該緩衝層的材料包括GaN、Alq Ga1-q N、SiC、ZnO、ZnTeO或MgN，其中q介於0與1之間。
- 如申請專利範圍第38項所述之氮化物半導體發光二極體元件，更包括位於該N型摻雜層及該主動層之間的一應力舒緩層。
- 如申請專利範圍第57項所述之氮化物半導體發光二極體元件，其中該應力舒緩層的材料包括由Inm Ga1-m N層與GaN層組成的疊層結構，其中m介於0.01與0.3之間。
- 如申請專利範圍第38項所述之氮化物半導體發光二極體元件，更包括位於該P型摻雜層及該第一電極之間的一P型接觸層。
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