TWI395343B - 半導體及半導體之製作方法 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種半導體及半導體之製作方法。
近年來，在由化合物半導體所形成之發光元件的發光二極體已經在許多用途上實用化，主要用於光傳送、顯示、特殊照明等。此外，藉由氮化物半導體所製成之藍色發光二極體來發出藍色光，再使其透過YAG系黄色螢光體，而產生白色光的白色發光二極體亦已經實用化(例如參照專利文獻1)。
在上述構成中，用摻入YAG系黄色螢光體粉末所製成的樹脂來覆蓋發光層，藉此形成YAG系黄色螢光體。在YAG系黄色螢光體中，藍色光之一部分轉換為黄色光。此外，將轉換出之黄色光以及未經轉換之藍色光加以混色，即可獲得白色光。這樣的白色發光二極體，藉由將晶片尺寸大型化，即可用於一般照明等用途，所以在各種用途具有很大的發展潛力。
然而，在YAG系黄色螢光體粉末之混合濃度不均勻之情況下，有輸出顏色不均勻的課題出現。亦即，在YAG系黄色螢光體中濃度低的部分，變成偏藍的顏色；在YAG系黄色螢光體中濃度高的部分則變成偏黄的顏色，有顏色不均勻的問題發生。再者，在摻入YAG系黄色螢光體粉末所製成的樹脂之膜厚不均勻之情況下，有輸出顏色不均勻之課題出現。因為晶片尺寸越大，這樣的顏色不均勻越明顯，所以難以用於由YAG系黄色螢光體所製成的一般照明燈。
另一方面，已揭示一種在SiC之結晶中摻雜受體雜質及施體雜質所製成的SiC螢光體(例如參照專利文獻2)。在此構成中，藉由自近紫外發光二極體等發出之近紫外光所引起之激發，可以使施體電子及受體電洞再結合，且藉由此時發生之能量轉移可以產生螢光。因為該螢光之波長和施體能階與受體能階間之能隙相關，所以藉由選擇所要摻入作為受體雜質或施體雜質的元素，即可發出任意顏色之螢光。
專利文獻2中，設置2層之在SiC結晶中分別摻雜硼及鋁作為受體雜質所製成的SiC螢光體，藉此產生黄色及藍色之螢光，再將此等螢光加以混色，而獲得白色光。可以在從SiC基板積層發光層之過程中形成SiC螢光體，且能夠容易地將膜厚、雜質濃度等控制均勻，可以實現良好的顏色均勻性。
專利文獻1：日本特開2005－268770號公報專利文獻2：國際公開2005/090515號小冊子
然而，在即便形成均勻的SiC螢光體，在供應給發光層之電流不均勻之情況下，仍會有發光量不均勻之問題發生。尤其，當晶片尺寸大型化時，就無法對發光層均勻地供應電流，因而難以將發光二極體用於一般照明等。又，為了可以對發光層均勻地供應電流，必須使電極涵蓋整個晶片。尤其，就在光取出面側也形成電極而論，由於電極涵蓋整個晶片而使得光之取出效率降低，並且也會發生必須使用透明電極的問題。
為了解決上述課題，申請專利範圍第1項之發明的構成為具備一種電子氣體層，其係具有與該發光層平行的二次元電子氣體。如上述般構成之申請專利範圍第1項之發明中，在半導體上係積層電子氣體層，而於該電子氣體層中，則累積與該發光層平行的二次元電子氣體。於該電子氣體層中，該二次元電子氣體能夠高速運送電子，且能夠使電流遍及與該電子氣體層平行地積層而成的該發光層之整體。因此，該發光層能夠均勻地發光。
又，申請專利範圍第2項之發明中，發光層係由氮化物半導體所構成。
如上述般構成之申請專利範圍第2項之發明中，藉由使發光層為由氮化物半導體構成，所以能夠使短波長之光均勻地發光。
再者，申請專利範圍第3、4項之發明中，電子氣體層係由雜質濃度小於101 6
cm－ 3
之AlGaN/GaN異質構造所構成。
如上述般構成之申請專利範圍第3、4項之發明中，在晶格參數不同之AlGaN/GaN異質構造，能夠藉由接合界面上之結晶變形來產生傳傳導帶之能帶偏移。因此，能夠使傳導帶邊緣低於費密(Fermi)能，因而能夠在該區域累積電子氣體。因為該電子氣體累積於接合界面上之GaN側，故可以使該電子氣體累積於接合界面上所形成之二次元區域。因為如此累積而成的二次元電子氣體具有與金屬之自由電子同樣的性質，故能夠沿著接合界面高速運送電子。又，AlGaN/GaN異質構造中，由於雜質濃度小於1016
cm-3
，實質上不含雜質，故電子能夠高速移動而不因雜質散射。
又，申請專利範圍第5項之發明中係為積層複數層電子氣體層之構成。
如上述般構成之申請專利範圍第5項之發明，由於積層複數層電子氣體層，故能夠在各電子氣體層累積二次元氣體，因而能夠更提高電子之運送速度。
再者，申請專利範圍第6項之構成發明中，發光層及電子氣體層係形成於SiC基板。
如上述般構成之申請專利範圍第6項之發明，由於使基板由SiC結晶來構成，故能夠實現高熱傳導性，因而能夠將晶片大型化。又，與AlGaN/GaN異質構造間之晶格匹配性良好。
又，申請專利範圍第7項之構成發明中，積層於上述基板上之半導體層之總厚度係3.5μm以下。
如上述般構成之申請專利範圍第7項之發明，由於二次元電子氣體之關係，所以即便膜厚薄仍能夠高速運送電子，因此可以使得積層於基板上之半導體層之總厚度為3.5μm以下。
又，申請專利範圍第8項之發明構成中，上述基板包括受體雜質及施體雜質。
如上述般構成之申請專利範圍第8項之發明中，上述基板係由SiC結晶所形成，且摻雜有受體雜質及施體雜質。因此，能夠藉由自發光層發出之激發光來使施體電子及受體電洞在基板再結合，且此時能夠發出螢光。
無庸侈言，以上之發明，不僅半導體，而且連申請專利範圍第9項之半導體之製作方法也能夠具體實現同樣之技術思想。
在此，依照下述之順序說明本發明之實施形態：(1)白色發光二極體之構造及製作方法、(2)電子氣體層之能量分布、(3)白色發光二極體之發光、(4)第2實施形態。
(1)白色發光二極體之構造：第1圖是表示作為第1實施形態之半導體的白色發光二極體之構造的模式圖。該圖中，白色發光二極體10係分別由形成層狀的SiC螢光基板11、SiC螢光層12、緩衝層13、電子氣體層14、第1接觸層15、第1覆蓋層16、多重量子井活性層17、電子阻擋層18、第2覆蓋層19、第2接觸層20、p電極21及n電極22所構成。
SiC螢光基板11係由6H型SiC結晶所形成，其係以每6層為周期的構造。SiC螢光基板11含有作為受體雜質之硼(B)以及作為施體雜質之氮(N)。SiC螢光基板11所含硼之濃度為2×101 8
cm－ 3
；SiC螢光層12所含氮之濃度為3×101 8
cm－ 3
，此等雜質大致均勻地分布於SiC螢光基板11。SiC螢光層12係以薄膜狀積層於SiC螢光基板11上，且具有6H型SiC結晶構造。SiC螢光層12含有作為受體雜質之鋁(Al)以及作為施體雜質之氮，此等雜質之濃度分別為2×101 8
cm－ 3
及3×101 8
cm－ 3
。
因為SiC螢光層12與SiC螢光基板11之結晶構造相同，所以可以例如藉由近距離昇華法來進行取向附生(epitaxial growth)成長。適度調整結晶成長中之氣氛之氮氣N2
之分壓，即可摻雜使在SiC螢光層12中氮濃度成為3×101 8
cm－ 3
的氮。另一方面，有關於鋁，將適量的鋁單體或鋁化合物與原料加以混合，即可摻雜使在SiC螢光層12中鋁濃度成為2×101 8
cm－ 3
的鋁。
於SiC螢光層12上，藉由例如有機金屬化合物氣相成長法來長出由AlGaN所構成的緩衝層13。再者，於緩衝層13上，藉由例如有機金屬化合物氣相成長法來連續長出1nm~50nm由GaN所構成之電子氣體層14。在有機金屬相成長法方面，以在與碳原子之間具有直接鍵的有機金屬做為原料，且使用氫、氮等氣體作為載體氣體，藉此可以進行取向附生成長。之後，也藉由例如有機金屬化合物氣相成長法來連續地積層：由以有機金屬化合物氣相成長法連續積層n－GaN所構成的第1接觸層15、由n－AlGaN所構成之第1覆蓋層16、由GaInN/GaN所構成之多重量子井活性層17、由p－AlGaN所構成之電子阻擋層18、由p－AlGaN所構成之第2覆蓋層19及由p－GaN所構成之第2接觸層20。於第2接觸層20表面上積層有由Ni/Au所構成的p電極21。
又，藉由對自第2接觸層20到第1接觸層15之途中為止的既定領域沿著厚度方向進行蝕刻，以使第1接觸層15露出表面，並且於該露出之部位上形成n電極22。在SiC螢光基板11上所形成之複數層半導體層12至20的總厚度設定為2.5 μ m以下，以免產生裂縫；當中之第1接觸層15之膜厚約為2.0 μ m。
第2圖是從第1圖之紙面上方看白色發光二極體10的圖。該圖中，p電極21及n電極22分別形成櫛齒狀。已將自第2接觸層20至第1接觸層15之途中蝕刻成櫛齒狀，藉此使第1接觸層15以櫛齒狀露出，且於該露出之部位上形成櫛齒狀n電極22。另一方面，因為未經蝕刻之部位也變成櫛齒狀，故可以於殘留的第2接觸層20上形成櫛齒狀p電極21。
(2)電子氣體層之能量分布：第3圖表示電子氣體層14之能量分布，特別顯示傳導帶邊緣附近的能量分布。該圖中，縱軸表示能量，橫軸表示白色發光二極體10在厚度方向之位置。注視橫軸得知：電子氣體層14夾在下層之緩衝層13與上層之第1接觸層15之間。該圖中，傳導帶邊緣以實線表示，費密能以虛線表示。
於AlGaN/GaN異質構造之緩衝層13及電子氣體層14之傳導帶邊緣存在較大的能帶偏移(band offset)。在電子氣體層14中與緩衝層13間之界面附近的區域，傳導帶邊緣低於費密能。在傳導帶邊緣低於費密能之區域，可以於傳傳導帶累積電子氣體。因為傳導帶邊緣低於費密能之區域分布於緩衝層13與電子氣體層14之接合界面上所形成的二次元區域，所以可以形成二次元電子氣體層。
形成二次元電子氣體層之電子氣體層14，由於雜質濃度小於101 6
cm－ 3
，實質上沒有摻入雜質，所以電子氣體可以在不受到雜質散射之影響下移動。因電子氣體具有極高的移動率，所以能夠在二次元電子氣體層高速運送電子。例如：在緩衝層13之AlN之莫耳分率為25%之情況下，二次元電子氣體可具有超過1000cm2
/Vs的移動率。雖然累積二次元電子氣體之區域之厚度非常薄，但是因為電子移動率約為第1接觸層15之電子移動率之10倍，故可以比加厚的第1接觸層15還更有效率地抑制薄片電阻。
亦即，藉由累積二次元電子氣體，能夠實現與在增加第1接觸層15之厚度1 μ m之情況下相同的薄片電阻。因此，藉由累積二次元電子氣體，即可減少要積層於SiC螢光基板11之半導體層12~20之總厚度，且能夠使該總厚度成為3.5 μ m以下。藉著使半導體層12~20之總厚度為3.5 μ m以下，可以大幅減少發生裂縫之可能性，所以白色發光二極體10之大型化也變得容易。不用多說，即便將白色發光二極體10大型化，也能維持均勻的發光。
(3)白色發光二極體之發光：若對如以上做法所形成之白色發光二極體10之p電極21及n電極22施加順向電壓，電流隨即供應給存在於p電極21與n電極22之間的各半導體層14~20。如上所述，因為在電子氣體層14累積有二次元電子氣體，所以可以使電流沿著電子氣體層14之方向流動。因此，也可以對與電子氣體層14平行地積層而成的多重量子井活性層17均勻地供應電流，故多重量子井活性層17可以均勻地發光。此外，多重量子井活性層17相當於本發明之發光層。在多重量子井活性層17中，例如發出波長390nm之近紫外光。發出之近紫外光射入分別摻有受體雜質及施體雜質之SiC螢光基板11及SiC螢光層12，並激發此等層。
在分別含有受體雜質及施體雜質的呈激發狀態下之SiC螢光基板11及SiC螢光層12中，施體電子與受體電洞再結合，並於此時向外部發出螢光。因為此螢光之波長和SiC螢光基板11及SiC螢光層12之受體能階與施體能階間之差相關，故在分別具有硼及鋁之受體能階的SiC螢光基板11及SiC螢光層12發出不同波長之螢光。
具體來說，在SiC螢光基板11，可以輸出具有自綠色到紅色寬波長光譜的螢光；在SiC螢光層12，可以輸出具有自藍色到綠色寬波長光譜的螢光。此外，就白色發光二極體10整體來說，可以輸出兩螢光的合成光。由於此等螢光呈現色相角(hue angle)相差180°的互補色之關係，所以可以藉著合成此等螢光來獲得白色螢光。因為任一螢光均含寬廣範圍之波長光譜，所以可以獲得演色性佳的白色螢光，且可以提供適合照明等用途之白色發光二極體10。如上所述，因為多重量子井活性層17均勻地發光，故也可以使取出到外部之白色螢光均勻。
在本實施形態中，雖然已經例示藉由SiC螢光基板11、SiC螢光層12來產生白色螢光的白色發光二極體10，但是也可以於產生其他顏色之螢光的發光二極體來形成二次元氣體層。此外，即便不將發光層發出之光轉換為螢光而直接取出到外部的發光二極體來形成二次元氣體層，也能夠獲得均勻的發光。例如，即便將AlGaAs系半導體用於發光層的紅色發光二極體，也可以藉由形成二次元氣體層而均勻地將紅色光輸出到外部。
此外，在本實施形態中，雖然採用SiC結晶當作基板，但是也可以於其他種類之基板上形成二次元氣體層。不過，在如本實施形態般積層GaN來作為電子氣體層14之情況下，希望採用SiC結晶當作基板。理由是因為SiC結晶的熱膨張係數比GaN結晶的小，故可以防止在電子氣體層14上產生裂縫。
(4)第2實施形態：第4圖是表示第2實施形態之白色發光二極體之構造的模式圖。該圖中，與第1實施形態同樣地，白色發光二極體110係由SiC螢光基板111、SiC螢光層112、緩衝層113、電子氣體層114、第1接觸層115、第1覆蓋層116、多重量子井活性層117、電子阻擋層118、第2覆蓋層119、第2接觸層120、p電極121及n電極122所構成。又，可以利用與第1實施形態基本上相同之製作方法來製作白色發光二極體110。
但是，電子氣體層114之構成與第1實施形態不同，已將其構造模式化地表示於第5圖。該圖中，電子氣體層114係由以GaN構成之井層114a1~114a3、及以AlGaN構成之障壁層114b1~114b3所構成。此等層114a1~114a3、114b1~114b係在厚度方向上具有交替排列形成3個周期之周期構造。在形成該周期構造時，例如，可以藉由有機金屬化合物氣相成長法來交替長出GaN及AlGaN。
第6圖表示電子氣體層114之能量分布，特別表示傳導帶邊緣附近之能量分布。該圖中，縱軸表示能量，橫軸表示白色發光二極體10中厚度方向之位置。注視橫軸得知：電子氣體層14係夾在下層之緩衝層13與上層之第1接觸層15之間。該圖中，傳導帶邊緣以實線表示，費密能以虛線表示。
在由GaN及AlGaN所構成之緩衝層13與井層114a1間之界面，與第1實施形態同樣地，存在較大的傳導帶邊緣能帶偏移。再者，在障壁層114b1與井層114a2間之界面，以及障壁層114b2與井層114a3間之界面，也存在較大的傳導帶邊緣能帶偏移。此外，在各界面下降後的傳導帶邊緣分別低於費密能，可以在傳導帶邊緣低於費密能之各區域上累積電子氣體。如此，可以形成3層二次元電子氣體層。
在本實施形態中，傳導帶邊緣低於費密能之區域之總厚度約0.2 μ m。如此，藉由形成複數層二次元電子氣體層，即可加厚二次元電子氣體層之總厚度。如上所述，由於在二次元電子氣體層能夠實現極低電流電阻，所以藉著加厚二次元電子氣體層之總厚度，可以大幅降低電流電阻。
如本實施形態般使二次元電子氣體層之總厚度約為0.2 μ m，藉此能夠實現與在加厚2 μ m之第1接觸層215之情況相同的電流電阻。因此，相較於第1實施形態，可以使半導體層212~220之總厚度變薄，因而可以進一步降低裂縫發生之可能性，所以能夠進一步將白色發光二極體110大型化。不用多說，即便白色發光二極體10大型化，也能夠實現均勻的發光，故可以用於照明燈。
如以上說明般，形成緩衝層13及電子氣體層14來作為傳導帶邊緣具有大能隙的AlGaN/GaN異質構造。在緩衝層13與電子氣體層14間之界面，可以於傳導帶邊緣低於費密能之區域上累積電子氣體。因為該電子氣體分布於緩衝層13與電子氣體層14之接合界面上所形成的二次元區域，所以能夠形成二次元電子氣體層。電子氣體因而具有極高的移動率，故能夠以電流均勻地供應給發光面之方式在二次元電子氣體層高速運送電子。
10,110．．．白色發光二極體
11,111．．．SiC螢光基板
12,112．．．SiC螢光層
13,113．．．緩衝層
14,114．．．電子氣體層
114a1~114a3．．．井層
114b1~114b3．．．障壁層
15,115．．．第1接觸層
16,116．．．第1覆蓋層
17,117．．．多重量子井活性層
18,118．．．電子阻擋層
19,119．．．第2覆蓋層
20,120．．．第2接觸層
21,121．．．p電極
22,122．．．n電極
第1圖是表示第1實施形態之發光二極體之構造的模式圖。
第2圖是發光二極體之平面圖。
第3圖是表示電子氣體層中能量分布之曲線圖。
第4圖是表示第2實施形態之發光二極體之構造的模式圖。
第5圖是表示電子氣體層構造之模式圖。
第6圖是表示電子氣體層中能量分布之曲線圖。
13．．．緩衝層
14．．．電子氣體層
15．．．第1接觸層
Claims (11)
- 一種半導體，其係具備基板、配置成與該基板平行的第一接觸層和接續於該第一接觸層之p電極、在該基板與該p電極之間平行配置的第二接觸層和接續於該第二接觸層之n電極、配置於該第一接觸層與該第二接觸層之間的1或複數層發光層、二次元電子氣體為分布成與該發光層平行的1或複數層電子氣體層、以及接合於該基板之緩衝層；該電子氣體層之一係與該緩衝層相接，以將二次元電子氣體累積在與緩衝層之界面中，而形成二次元電子氣體層；其中該基板為SiC基板，該緩衝層為AlGaN緩衝層，且該AlGaN緩衝層所含之AlN的莫耳分率為至少25%，該二次元氣體層為GaN層且與AlGaN緩衝層相鄰。
- 如申請專利範圍第1項之半導體，其中1或複數層該發光層係由氮化物所構成。
- 如申請專利範圍第2項之半導體，其中1或複數層該電 子氣體層係由AlGaN/GaN異質構造所構成。
- 如申請專利範圍第3項之半導體，其中該AlGaN/GaN異質構造之雜質濃度係小於1016 cm-3 。
- 如申請專利範圍第1至4項中任一項之半導體，其係積層2層以上之該電子氣體層。
- 如申請專利範圍第5項之半導體，其中該電子氣體層係分別具有複數層之GaN所構成的井層及AlGaN所構成的障壁層，並且該井層與該障壁層係交替排列。
- 如申請專利範圍第6項之半導體，其中該電子氣體層之總厚度為0.2μm。
- 如申請專利範圍第1至4項中任一項之半導體，其中該發光層及該電子氣體層係積層於SiC基板上。
- 如申請專利範圍第8項之半導體，其中包括積層於該SiC基板上之該發光層及該電子氣體層的半導體層之總厚度係小於3.5μm。
- 如申請專利範圍第8項之半導體，其中該SiC基板係包括1或複數對之受體雜質與施體雜質。
- 一種半導體之製作方法，其係形成1或複數層發光層，且形成二次元電子氣體為分布成與該發光層平行的1或複數層電子氣體層之半導體之製作方法；其中，該半導體為具備基板、配置成與該基板平行的第一接觸層和接續於該第一接 觸層之p電極、在該基板與該p電極之間平行配置的第二接觸層和接續於該第二接觸層之n電極、配置於該第一接觸層與該第二接觸層之間的1或複數層發光層、二次元電子氣體為分布成與該發光層平行的1或複數層電子氣體層、以及接合於該基板之緩衝層；該電子氣體層之一係與該緩衝層相接，以將二次元電子氣體累積在與緩衝層之界面中，而形成二次元電子氣體層；其中該基板為SiC基板，該緩衝層為AlGaN緩衝層，且該AlGaN緩衝層所含之AlN的莫耳分率為至少25%，該二次元氣體層為GaN層且與AlGaN緩衝層相鄰。
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