TWI425662B - 半導體發光裝置 - Google Patents

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Takuo Kikuchi
Hidehiko Yabuhara
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Toshiba Kk
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Description

半導體發光裝置
本文所闡述之實施例概言之係關於半導體發光裝置。
本申請案基於並主張於2010年9月6日申請之先前日本專利申請案第2010-199081號之優先權權益；該申請案之全部內容以引用的方式併入本文中。
在諸如發光二極體(LED)等半導體發光裝置中，當電流於其中通過時，藉由p型與n型半導體接面處之電子-電洞重組可產生各種波長之光。半導體發光裝置與燈絲型發光裝置相比具有較長之壽命、較低之驅動電壓及較低之電力消耗。此外，半導體發光裝置具有各種優點，例如無發光延遲時間、高耐振性及高浪湧擊穿電壓。因此，作為易於使用之光源，人們對其之需求持續增長。
近來，用於在藍、短波長區域中發射光之基於III族氮化物半導體之發光裝置作為用於照明之光源已成為注意的焦點。然而，基於III族氮化物半導體之發光裝置尚未滿足用於一般照明之光源所需之價格性能，且需要其提供更高之光學輸出。
半導體發光裝置包含n型半導體層、p型半導體層及於其中間所設之發光層。該發光層係基於能夠獲得高光發射效率之量子井結構。量子井結構由量子井及障壁層構成。在量子井中，電子及電洞經重組以發射光。障壁層中夾入量子井以形成井型電勢。此外，可藉由使用多量子井(MQW)結構來提高光發射效率，該多量子井結構中堆疊有複數個井層及障壁層。
已知，在由氮化物半導體材料製造之發光裝置之情形下，由於晶格常數之差異，在構成MQW結構之半導體層之間會發生晶格應變，且產生壓電場。問題在於此降低量子井中電子-電洞重組之可能性且降低光發射效率。因此，業內需求能夠減小量子井之晶格應變且提高光發射效率之半導體發光裝置。
通常，根據一實施例，半導體發光裝置包含第一導電型半導體層、發光層及第二導電型半導體層。第一導電型半導體層包含超晶格結構。在超晶格結構中交替設有第一半導體層及第二半導體層。第一半導體層包含第一氮化物半導體，且第二半導體層包含第二氮化物半導體，第二氮化物半導體之晶格常數大於第一氮化物半導體之晶格常數。發光層設於第一導電型半導體層上且具有多量子井結構。在多量子井結構中交替設有量子井層及障壁層。量子井層包含第三氮化物半導體，第三氮化物半導體之晶格常數小於第二氮化物半導體之晶格常數，且障壁層包含第四氮化物半導體，第四氮化物半導體之晶格常數小於第三氮化物半導體之晶格常數。量子井層中之至少一者具有等於第三氮化物半導體之晶格常數之晶格間距。第二導電型半導體層設於發光層上。
可在該半導體發光裝置中形成不存在晶格應變之量子井層。
將在下文中參照附圖闡述各個實施例。圖中之相同部分用相同之參考編號來標注，且的情省略對其之詳細說明。的情闡述不同部分。在以下實施例之說明中，假定第一導電型係n型且第二導電型係p型。
圖1係顯示根據一實施例之半導體發光裝置100之橫斷面結構之示意圖。
例如，半導體發光裝置100係由氮化物半導體製造之LED且發射藍色光。半導體發光裝置100包含設於基板2上之n型半導體層3、設於n型半導體層上之發光層7及設於發光層7上之p型半導體層9。
例如，基板2可係藍寶石基板、GaN基板或SiC基板。
n型半導體層3具有超晶格結構5，其中交替堆疊有第一半導體層5a及第二半導體層5b。第一半導體層5a包含第一氮化物半導體。第二半導體層5b包含第二氮化物半導體，其晶格常數大於第一氮化物半導體之晶格常數。
發光層7具有MQW結構，其中交替堆疊有量子井層7b及障壁層7a。量子井層7b包含第三氮化物半導體，其晶格常數小於第二氮化物半導體之晶格常數。障壁層7a包含第四氮化物半導體，其晶格常數小於第三氮化物半導體之晶格常數。
第一至第四氮化物半導體可係不同組成之Alx Iny Ga1-x-y N(0x1,0y1,0x+y1)。作為典型氮化物半導體之實例，可使用GaN、Alx Ga1-x N及Inx Ga1-x N。此外，例如，作為n型雜質，可使用矽(Si)來摻雜。
參照將GaN用於第一及第四氮化物半導體、Inx Ga1-x N用於第二氮化物半導體及Inz Ga1-z N(z<x)用於第三氮化物半導體之實例來闡述半導體發光裝置100。
在下文中，具體闡述半導體發光裝置100之組態。
例如，在藍寶石基板2上，經由緩衝層(未顯示)設有n型GaN層4(接觸層)。n型GaN層4可形成為具有大約2 μm之厚度、摻雜有Si且具有1-5×1018 cm-3 之載流子濃度的高濃度層。
在n型GaN層4上設有超晶格結構5，其中交替堆疊有n型GaN層5a及n型Inx Ga1-x N層5b(x=0.15-0.3)。例如，設定n型GaN層5a之厚度為1 nm，且設定Inx Ga1-x N層5b之厚度為3 nm。對於每一者可各形成三十個層。
如稍後所述，藉由使用超晶格結構5，可使因GaN與Inx Ga1-x N之間之晶格常數差異而產生之晶格應變鬆弛。
在超晶格結構5上設有發光層7，其中交替堆疊有GaN層7a及Inz Ga1-z N層7b(z=0.1-0.15)。例如，GaN層7a係障壁層，且可形成10-20 nm之厚度。例如，Inz Ga1-z N層7b在GaN層7a之間構成量子井，且可形成2-5 nm之厚度。對於層數，每一者可交替堆疊四個層。
同樣，在發光層7中，因GaN與Inz Ga1-z N之間之晶格常數差異而產生之晶格應變沿堆疊方向鬆弛。使得發光層7之Inz Ga1-z N層7b中之In比率(z)小於超晶格結構5之n型Inx Ga1-x N層5b中之In比率(x)。由此，Inz Ga1-z N層7b中之至少一者可經組態以便使晶格間距等於Inz Ga1-z N之晶格常數(或以便使晶格間距與晶格常數之間之差值近似為0(零))。
此處，晶格常數意指在每一半導體晶體不具有晶格應變之情形下之晶格間距。
在發光層7上，經由p型Alx Ga1-x N層8設有p型GaN層9。例如，可使用鎂(Mg)作為p型雜質。
p型Alx Ga1-x N層8係半導體層，其能帶隙寬於GaN之能帶隙，且用作防止電子自發光層7流動至p型GaN層9中之障壁。由此所設之p型Alx Ga1-x N層8可阻止自n型半導體層3注入至發光層7中之電子溢流至p型GaN層9中。由此，可提高發光層7中之電子-電洞重組效率。
上文所述之超晶格結構5、發光層7之MQW結構及每一氮化物半導體層可藉由使用(例如)MOCVD(金屬有機化學氣相沈積)方法來磊晶生長。
隨後，在p型GaN層9上設有p電極12。此外，藉由(例如)RIE(反應性離子蝕刻)方法來形成構成發光區域之臺面結構。在n型半導體層3之暴露於臺面槽之底面之蝕刻表面上設有n電極13。
圖2A及2B係顯示半導體發光裝置100之發光層中量子井之能帶結構之示意圖。圖2A顯示在Inz Ga1-z N層7b中無晶格應變之情形下之能帶結構。圖2B顯示在Inz Ga1-z N層7b中發生晶格應變之情形下之能帶結構。
如圖2A中所示，在Inz Ga1-z N層7b中無晶格應變之情形下，量子井27中電子波函數21之峰位置與電洞波函數23之峰位置相匹配。
另一方面，如圖2B中所示，在Inz Ga1-z N層7b具有晶格應變之情形下，在晶體中產生壓電場且改變能帶結構。此引起所謂的斯塔克效應(Stark effect)，其中在量子井27中電子波函數22及電洞波函數24發生位移，從而引起其峰位置之間之不匹配。
由此，與圖2A中所示之在Inz Ga1-z N層7b中無晶格應變之情形相比較，在Inz Ga1-z N層7b中具有晶格應變之情形下，電子-電洞重組可能性較低且光發射效率較低。因此，期望減小量子井27之晶格應變，以增加半導體發光裝置100之光學輸出。
圖3示意性地顯示在具有將晶格常數b之半導體層33堆疊於具有晶格常數a之半導體層31上之情形下發生之晶格應變。例如，若半導體層31及33係六邊形，則圖中所示之a及b表示沿a軸方向之晶格間距，且ac 及bc 表示沿c軸方向之晶格間距。
如圖3中所示，若晶格常數a小於b，則在堆疊於半導體層31上之半導體層33中，沿a軸方向之晶格間距變為小於b之b1 。另一方面，使得沿c軸方向之晶格間距bc1 寬於bc 。
亦即，使構成半導體層31之原子32耦合至構成半導體層33之原子34。因此，所形成之半導體層33具有不同於固有晶格常數b及bc 之晶格間距，從而導致具有晶格應變。
圖4係顯示在有複數個GaN層及Inx Ga1-x N層交替堆疊之情形下之晶格間距之示意圖。
Inx Ga1-x N係GaN(x=0)與InN(x=1)之混合晶體。已知GaN沿a軸方向之晶格常數為3.19，且沿c軸方向之晶格常數為5.19。另一方面，InN之晶格常數沿a軸方向係3.54，且沿c軸方向係5.71。根據維加德定律(Vegard's law)，藉由以下方程給出Inx Ga1-x N沿a軸方向之晶格常數b及沿c軸方向之晶格常數bc 。
b=3.19(1-x)+3.54x
bc =5.19(1-x)+5.71x　(1)
例如，晶格常數b及bc 隨In組成(x)單調增加，且隨In組成增加而變大。
接下來，闡述超晶格結構之晶格間距。
如圖4中所示，考量GaN層5a及Inx Ga1-x N層5b堆疊N個循環(N=10-50)之結構。
超晶格結構5之第一層(N=1)中之GaN層5a不具有晶格應變，且晶格間距a51 等於GaN之晶格常數。藉由以下方程給出堆疊於GaN層5a上之Inx Ga1-x N層5b之晶格間距b51 ：
a51 =a
b51 =(1-r2 )a51 +r2 b　(2)
其中r2 係Inx Ga1-x N之應變鬆弛係數。
隨後，藉由以下方程給出超晶格結構5之第二層(N=2)中GaN層5a之晶格間距a52 及Inx Ga1-x N層5b之晶格間距b52 ：
a52 =(1-r1 )b51 +r1 a
b52 =(1-r2 )a52 +r2 b　(3)
其中r1 係GaN之應變鬆弛係數。
由此，藉由以下方程給出超晶格結構5之第N層中GaN層5a之晶格間距a5N 及Inx Ga1-x N層5b之晶格間距b5N 。
a5N =(1-r1 )b5(N-1) +r1 a
b5N =(1-r2 )a5N +r2 b　(4)
此外，藉由以下方程給出超晶格結構5之第N層中GaN層5a之晶格間距a5N 及Inx Ga1-x N層5b之晶格間距b5N 。
在方程(5)中，第一項之係數滿足以下關係。
因此，a5N 及b5N 隨堆疊層數N之增加而增加。
例如，若堆疊層數N趨於無窮大，則方程(5)收斂於以下方程。
因此，隨著堆疊之GaN層5a及Inx Ga1-x N層5b之數目增加，在發光層7側之最後一層中之晶格間距a5N 及b5N 漸近地趨於表示於方程(7)中之a5∞ 及b5∞ 。
接下來，闡述發光層7之晶格間距。
例如，在超晶格結構5上連續設有發光層7。GaN層7a及Inz Ga1-z N層7b交替堆疊於發光層7中。儘管堆疊層數小於超晶格結構5中之層數，但因GaN層7a與Inz Ga1-z N層7b之間之晶格常數差異而產生之晶格應變沿堆疊方向鬆弛，且朝向p型Alx Ga1-x N層8變得更小。例如，GaN層7a及Inz Ga1-z N層7b可各自堆疊5-15個層(N=5-15)。
可以類似於圖4之方式考量發光層7之第N層中GaN層7a之晶格間距a7N 及Inz Ga1-z N層7b之晶格間距c7N ：
其中c係Iny Ga1-y N(y=0.1-0.15)之晶格常數，且r2 係鬆弛係數。發光層7之第一層(N=1)中之GaN層7a之晶格常數a71 等於as1s 。亦即，發光層7之第一層中之GaN層7a堆疊於超晶格結構5之最後一個Inx Ga1-x N層5b上，且具有晶格間距a5(N+1) 。設定此晶格間距為as1s 。
此外，隨著堆疊層數N增加，GaN層7a之晶格間距a7N 及Inz Ga1-z N層7b之晶格間距c7N 收斂於以下方程。
圖5A及5B係根據實施例沿超晶格結構5及發光層7之堆疊方向晶格間距之變化之示意圖。
在圖5A中所示之實例中，超晶格結構5具有GaN層5a及Inx Ga1-x N層5b交替堆疊之組態。另一方面，發光層7具有GaN層7a及Inz Ga1-z N層7b交替堆疊之組態。此外，Inx Ga1-x N層5b之In組成(x)小於Inz Ga1-z N層7b之In組成(z)。
因此，Inx Ga1-x N層5b之晶格常數bx 小於Inz Ga1-z N層7b之晶格常數c。
圖5A示意性地顯示沿堆疊方向Inx Ga1-x N層5b之晶格間距之變化及發光層7中之GaN層7a及Inz Ga1-z N層7b之晶格間距之變化。
如圖5A中所示，在超晶格結構5之最後一層(在發光層7側之邊緣處)中Inx Ga1-x N層5b之晶格間距b5N 及GaN層5a之晶格間距a5N 與bx 及c有關，如藉由以下關係所表示。
b5N <bx <c
a5N <bx <c　(10)
亦即，同樣在超晶格結構之最後一層中，Inx Ga1-x N層5b之晶格間距小於Inx Ga1-x N之晶格常數，且此外，小於發光層7之Inz Ga1-z N之晶格常數。
此外，在方程(8)中a7N 及c7N 之第一項之係數滿足以下關係。
亦即，如圖5A中所示，在發光層7中GaN層7a及Inz Ga1-z N層7b之晶格間距沿堆疊方向單調增加。
然而，同樣對於a7∞ 及c7∞ ，倘若藉由方程(9)給出之堆疊層數N趨於無窮大，則呈以下關係。
a7∞ <c
c7∞ <c　(12)
由此，發光層7之Inz Ga1-z N層7b之晶格間距小於Inz Ga1-z N之晶格常數c。因此，在使得Inx Ga1-x N層5b之In組成(x)小於Inz Ga1-z N層7b之In組成(z)之情形下，在發光層7中Inz Ga1-z N層7b之晶格應變ΔL不可設定為0。(在下文中，晶格應變ΔL意指InGaN層之晶格間距與晶格常數之間之差值)。
相反，圖5B顯示使得超晶格結構5中之Iny Ga1-y N層5b之In組成(y)大於發光層7之Inz Ga1-z N層7b之In組成(z)的實例。
在圖5B中，超晶格結構5之Iny Ga1-y N之晶格常數by 大於發光層7之井層7b中Inz Ga1-z N之晶格常數c。
Iny Ga1-y N層5b之In組成(y)及超晶格結構5之堆疊層數N可經選擇以便使在超晶格結構5之最後一層中Inx Ga1-x N層5b之晶格間距b5N 滿足以下關係。
c<b5N <by 　(13)
此外，在方程(8)中a7N 及c7N 之第一項之係數滿足以下關係。
亦即，如圖5B中所示，在發光層7中GaN層7a及Inz Ga1-z N層7b之晶格間距沿堆疊方向單調降低且漸近地趨於關係(12)中所表示之a7∞ 及c7∞ 。因此，在發光層7中，可使Inz Ga1-z N層7b之晶格間距沿堆疊方向變窄以與Inz Ga1-z N之晶格常數c相匹配(或以使晶格間距與晶格常數c間之差值之絕對值最小化)。
亦即，隨著堆疊層數N自超晶格結構5側增加，Inz Ga1-z N層7b之晶格間距c7N 漸近地趨於c7∞ ，該c7∞ 小於c。因此，可設有第k個Inz Ga1-z N層7b以滿足c7k =c，其中可設定晶格應變ΔL為0。(或者，可使晶格應變ΔL之絕對值最小化。)
例如，在圖5B中所示之實例中，在發光層7之最後一層中，Inz Ga1-z N層7b之晶格間距c7N 與Inz Ga1-z N之晶格常數c相匹配。
因此，在交替堆疊有GaN層5a及Iny Ga1-y N層5b之超晶格結構中，可使每一晶格間距朝向發光層7變寬。在超晶格結構5之最後一層之側，使得Iny Ga1-y N層5b之晶格間距寬於Inz Ga1-z N層7b之晶格間距，該Inz Ga1-z N層7b係包含於發光層7中之量子井層。此外，可使發光層7中之Inz Ga1-z N層7b及GaN層7a(障壁層)之晶格間距朝向p型Alx Ga1-x N層8變窄。
因此，Inz Ga1-z N層7b之晶格間距可與Inz Ga1-z N之晶格常數相匹配，且可設定發光層7之量子井中之晶格應變ΔL為0。在晶格應變ΔL設定為0之量子井中，壓電場被抑制，且電子-電洞重組效率有所提高。因此，可提高半導體發光裝置100之光發射效率。
(在本說明書中，陳述「Inz Ga1-z N層7b之晶格間距與Inz Ga1-z N之晶格常數相匹配或相等」不限於嚴格意義上匹配，而是暗指其之間之差值足夠小以致於可抑制壓電場，以便可提高電子-電洞重組效率)。
例如，如圖5B中所示，若在發光層7之最後一個量子井層中設定晶格應變ΔL為0，則自p型Alx Ga1-x N層8注入之電洞與在最後一個量子井層中藉由用作障壁之p型Alx Ga1-x N層8阻擋之高密度電子重組。此可進一步提高光發射效率。
圖6A至圖9B係顯示超晶格結構5及發光層7中之晶格應變ΔL之模擬結果之示意圖。垂直軸表示ΔL，且水平軸表示沿堆疊方向之厚度。該等圖顯示，當Inx Ga1-x N層5b(其係超晶格結構5之第二半導體層)之In組成(x)變化為0.04、0.08、0.16及0.2時晶格應變ΔL之變化。
設定包含於發光層7中之Inz Ga1-z N層7b之In組成(z)為z=0.15。假定超晶格結構5之第一半導體層及發光層7之障壁層係GaN層。
圖6A及6B顯示x=0.04時ΔL之變化。更具體而言，圖6A顯示沿a軸方向之晶格應變，且圖6B顯示沿c軸方向之晶格應變。
如圖6A中所示，沿a軸方向，在堆疊起始之第一層中，超晶格結構5之GaN層5a之晶格應變ΔL為0。晶格應變ΔL隨著堆疊層數增加而單調增加。亦即，隨著層數增加，GaN層5a之晶格間距變寬。
另一方面，在堆疊起始之第一層中，Inx Ga1-x N層5b經受朝向負向側之大應變。隨著堆疊層之增加，負向側上之ΔL減小。亦即，如圖中所示，初始形成之Inx Ga1-x N層5b具有窄於晶格常數之晶格間距。然後，隨著堆疊層之增加，Inx Ga1-x N層5b經受鬆弛，且晶格間距變寬。
接下來，轉到發光層7，用作障壁層之GaN層7a之ΔL自超晶格結構5連續增加。另一方面，用作量子井層之Inz Ga1-z N層7b之晶格常數大於Inx Ga1-x N層5b之晶格常數。因此，在第一層中，Inz Ga1-z N層7b經受朝向負向側之大應變。然後，隨著堆疊層之增加，應變鬆弛，且負向側上之ΔL減小，但未達到0。
如圖6B中所示，沿c軸方向之晶格應變表現出與沿a軸方向之晶格應變相反之性質。在GaN層5a之第一層中，ΔL為0。隨著堆疊層之增加，ΔL朝向負向側增加。亦即，沿c軸方向，隨著堆疊層之增加，GaN層5a之晶格間距變窄。
另一方面，在第一層中，Inx Ga1-x N層5b在正向側上經受大應變。隨著堆疊層之增加，ΔL減小。亦即，所形成之Inx Ga1-x N層5b具有寬於晶格常數之晶格間距，然後隨著堆疊層之增加，晶格間距變窄。
轉到發光層7，GaN層7a之ΔL朝向負向側連續增加，且晶格間距進一步變窄。在Inz Ga1-z N層7b中，ΔL一度朝向正向側增加，然後隨著堆疊層之增加而減小。亦即，在發光層7中之第一層中，Inz Ga1-z N層7b之晶格間距變寬，然後ΔL在鬆弛狀態下減小，但未達到0。
圖7A顯示x=0.08時沿a軸方向ΔL之變化。ΔL之變化趨勢與圖6A中所示之結果相同。然而，與圖6A相比，超晶格結構5之晶格應變以Inx Ga1-x N層5b之較大晶格常數的量增加。亦即，Inx Ga1-x N層5b之第一層之ΔL朝向負向側增加，且GaN層5a之最後一層之ΔL朝向正向側增加。
在發光層7中，GaN層7a及Inz Ga1-z N層7b之應變位移至正向側，且該沿堆疊方向之變化小於圖6A中之沿堆疊方向之變化。
另一方面，如圖7B中所示，沿c軸方向之晶格應變表現與圖7A中所示之沿a軸方向之晶格應變相反之趨勢。晶格應變以Inx Ga1-x N層5b之較大晶格常數的量增加。
圖8A及8B顯示x=0.16時晶格應變ΔL之變化。包含於超晶格結構5中之Inx Ga1-x N層5b之In比率幾乎等於包含於發光層7中之Inz Ga1-z N層7b之In比率。
如圖8A中所示，沿a軸方向，第一層中之Inx Ga1-x N層5b經受朝向負向側之大應變。隨著堆疊層之增加，負向側上之ΔL在鬆弛狀態下減小。而在發光層7中，Inz Ga1-z N層7b之ΔL幾乎為常數。
亦即，在發光層7中，自超晶格結構5延續之應變之鬆弛飽和。因此，認為Inz Ga1-z N層7b之晶格間距變得與由方程(9)所給出之b7∞ 相等。
另一方面，自GaN層5a延續至GaN層7a之晶格應變ΔL亦在發光層7中飽和且變得與由方程(9)所給出之a7∞ 相等。
此外，同樣，圖8B中所示之沿c軸方向儘管表現與沿a軸方向相反之變化，但發光層7中之晶格間距以恆定之晶格應變ΔL飽和。
圖9A及9B顯示x=0.2時之晶格應變，其中進一步增加Inx Ga1-x N層5b之In比率(x)。
如圖9A中所示，Inx Ga1-x N層5b之第一層之晶格應變ΔL以所增加之晶格常數的量朝向負向側增加。隨著堆疊層之增加，ΔL藉由鬆弛而減小。
GaN層5a之晶格應變ΔL亦隨著堆疊層之增加而增加，且在最後一層中達到最大。此外，在發光層7中，隨著堆疊層之增加，GaN層7a之晶格應變ΔL逐漸減小，此乃因Inz Ga1-z N層7b之晶格常數小於Inx Ga1-x N層5b之晶格常數。
據發現，在發光層7之第一層中，Inz Ga1-z N層7b之晶格應變ΔL以晶格間距變寬之拉伸應變形式發生於正向側上。隨著堆疊層之增加，ΔL減小。此外，據發現，ΔL在最後一層及最後一層之前一層中之Inz Ga1-z N層7b中達到0。
如圖9B中所示，沿c軸方向，Inz Ga1-z N層7b之晶格應變發生於負向側上，且ΔL沿堆疊方向減小。與沿a軸方向一樣，ΔL在最後一層及最後一層之前一層中之Inz Ga1-z N層7b中達到0。
如圖5B、9A及9B中所示，藉由使得包含於超晶格結構5中之Inx Ga1-x N層5b之In比率(x)大於包含於發光層7中之Inz Ga1-z N層7b之In比率(z)，可使得超晶格結構5之最後一層中之晶格間距寬於發光層7之晶格間距。此在發光層7之超晶格結構側之量子井層中引起拉伸應變，從而使得晶格應變沿堆疊方向鬆弛。由此，可形成無晶格應變之量子井層。
圖10係顯示半導體發光裝置100之內部量子效率(IQE)之模擬結果的圖。垂直軸表示IQE，且水平軸表示電流。設定光發射波長為450 nm，且設定溫度為300 K。不考慮諸如氮化物半導體層之晶體缺陷等效應。該模擬結果反映超晶格結構5及發光層7之能帶結構。
據發現，藉由使包含於超晶格結構5中之Inx Ga1-x N層5b之In比率(x)自0.08增加至0.24，而使IQE增加。例如，在0.02 A之電流下，x=0.24時之IQE比x=0.08時之IQE高約4%。
IQE對應於電子-電洞重組效率。圖10顯示可藉由增加Inx Ga1-x N層5b之In比率(x)來提高光發射效率。
此表明藉由消除發光層7之量子井層中之晶格應變以抑制壓電場來增加電子-電洞重組可能性之效應。
圖11A及11B係顯示根據該實施例之變化形式，沿超晶格結構5及發光層7之堆疊方向晶格間距之變化之示意圖。
如圖11A中所示，例如，可將超晶格結構5劃分成三個部分U、V及W，以便使Inx Ga1-x N層5b之In比率(x)沿堆疊方向相繼增加。超晶格結構U、V及W之晶格常數bx1 、bx2 及bx3 可經組態以滿足以下關係，以便使bx3 大於發光層7之Inz Ga1-z N之晶格常數c。
bx1 <bx2 <bx3 　(15)
由此，可減小每一超晶格結構中第一Inx Ga1-x N層5b之晶格應變。此促進晶體生長。
此外，如圖11B中所示，超晶格結構可經組態以便使晶格常數bx2 在超晶格結構V中最大。在此情形下，在超晶格結構V之最後一層中超晶格結構5之晶格間距最大。亦即，在超晶格結構5中晶格間距之最大值未必需要位於超晶格結構5之最後一層，而可位於中間，只要發光層7側之超晶格結構W中最後一層之晶格間距寬於發光層7之量子井層7b之晶格常數c即可。
可使得量子井層7b之晶格間距寬於超晶格結構5側之Inz Ga1-z N之晶格常數c，且窄於MQW結構之最後一層側之Inz Ga1-z N之晶格常數c。例如，在圖11B之發光層7中，晶格應變ΔL=0之量子井層不在MQW結構之最後一層中，而在中間之量子井層7b中實現。
可藉由將超晶格結構5之最後一層中之晶格間距a5N 、b5N 與Inz Ga1-z N之晶格常數c之間之差值設定為適當值，而將中間之量子井層7b中之晶格應變ΔL設定為0。
已在上文中參照本發明之實施例闡述本發明。然而，本發明並不限於該等實施例。例如，熟習此項技術者可在應用時基於技術現況修改設計及材料。只要此等修改屬於本發明之精神，則其亦涵蓋於本發明之範圍內。
此處，超晶格結構包含具有不同晶格常數之材料以組合形式堆疊之結構。可端視堆疊層數改變組成之比率及膜厚度。
超晶格結構之Inx Ga1-x N(x=0.15-0.3)與發光層之Inz Ga1-z N(z=0.1-0.15)之間之晶格鬆弛比率可係不同的。此外，用於鬆弛應變之結構亦可設於超晶格結構之基板側。
本文所提及之「氮化物半導體」包含Bx Iny Alz Ga1-x-y-z N(0x1,0y1,0z1,0x+y+z1)之III-V族化合物半導體，且亦包含除N(氮)以外亦含有磷或砷作為V族元素之混合晶體。
雖然已闡述某些實施例，但僅以實例方式呈現該等實施例，且不意欲限制本發明之範圍。實際上，本文所闡述之新穎實施例可以多種其他形式體現；此外，可對本文所闡述之實施例之形式作出各種省略、替代及改變，此並不背離本發明之精神。隨附申請專利範圍及其等效物意欲涵蓋將屬於本發明範圍及精神之此等形式或修改。
2．．．基板
3．．．N型半導體
4．．．接觸層/n型GaN層
5．．．超晶格結構
5a．．．第一半導體層/n型GaN層
5b．．．第二半導體層/n型Inx Ga1-x N層
7．．．發光層
7a．．．障壁層/GaN層
7b．．．量子井層/Inz Ga1-z N層
8．．．P型Alx Ga1-x N層
9．．．P型GaN層
12．．．P電極
13．．．N電極
21．．．電子波函數
22．．．電子波函數
23．．．電洞波函數
24．．．電洞波函數
27．．．量子井
31．．．半導體層
32．．．原子
33．．．半導體層
34．．．原子
100．．．半導體發光裝置
圖1係顯示根據一實施例之半導體發光裝置之橫斷面結構之示意圖；
圖2A及2B係顯示根據該實施例之半導體發光裝置之發光層中的量子井之能帶結構之示意圖；
圖3示意性地顯示在兩個具有不同晶格常數之半導體層堆疊之情形下所發生之晶格應變；
圖4係顯示在複數個GaN層及Inx Ga1-x N層交替堆疊之情形下之晶格間距之示意圖；
圖5A及5B係沿根據該實施例之超晶格結構及發光層之堆疊方向晶格間距之變化之示意圖；
圖6A至9B係顯示根據該實施例之超晶格結構及發光層中晶格應變之變化之示意圖；
圖10係顯示根據該實施例之半導體發光裝置之內部量子效率的圖；且
圖11A及11B係顯示沿根據該實施例之變化形式之超晶格結構及發光層的堆疊方向晶格間距之變化之示意圖。
2．．．基板
3．．．n型半導體
4．．．接觸層/n型GaN層
5．．．超晶格結構
5a．．．第一半導體層/n型GaN層
5b．．．第二半導體層/n型Inx Ga1-x N層
7．．．發光層
7a．．．障壁層/GaN層
7b．．．量子井層/Inz Ga1-z N層
8．．．p型Alx Ga1-x N層
9．．．p型GaN層
12．．．p電極
13．．．n電極
100．．．半導體發光裝置

Claims (20)

  1. 一種半導體發光裝置，其包括：包含超晶格結構之第一導電型半導體層，在該超晶格結構中交替設有第一半導體層及第二半導體層，該等第一半導體層包含第一氮化物半導體且該等第二半導體層包含第二氮化物半導體，該第二氮化物半導體之晶格常數大於該第一氮化物半導體之晶格常數；設於該第一導電型半導體層上且包含多量子井結構之發光層，在該多量子井結構中交替設有量子井層及障壁層，該等量子井層包含第三氮化物半導體，該第三氮化物半導體之晶格常數小於該第二氮化物半導體之晶格常數，且該等障壁層包含第四氮化物半導體，該第四氮化物半導體之晶格常數小於該第三氮化物半導體之晶格常數，該等量子井層中之至少一者具有等於該第三氮化物半導體之該晶格常數之晶格間距；及設於該發光層上之第二導電型半導體層。
  2. 如請求項1之裝置，其中最接近該第二導電型半導體層之該量子井層具有等於該第三氮化物半導體之該晶格常數之該晶格間距。
  3. 一種半導體發光裝置，其包括：包含超晶格結構之第一導電型半導體層，在該超晶格結構中交替設有第一半導體層及第二半導體層，該等第一半導體層包含第一氮化物半導體且該等第二半導體層包含第二氮化物半導體，該第二氮化物半導體之晶格常 數大於該第一氮化物半導體之晶格常數；設於該第一導電型半導體層上且包含多量子井結構之發光層，在該多量子井結構中交替設有量子井層及障壁層，該等量子井層包含第三氮化物半導體，該第三氮化物半導體之晶格常數小於該第二氮化物半導體之晶格常數，且該等障壁層包含第四氮化物半導體，該第四氮化物半導體之晶格常數小於該第三氮化物半導體之晶格常數，在該第一導電型半導體層之側之該量子井層具有寬於該第三氮化物半導體之該晶格常數之晶格間距，位於該多量子井結構相對於該第一導電型半導體層的一端之量子井層，具有窄於該第三氮化物半導體之該晶格常數之晶格間距；及設於該發光層上之第二導電型半導體層。
  4. 如請求項3之裝置，其中該等量子井層中之至少一者具有等於該第三氮化物半導體之該晶格常數之晶格間距。
  5. 如請求項3之裝置，其中最接近該第二導電型半導體層之該量子井層中之晶格間距與該第三氮化物半導體之該晶格常數之間的差值近似為0(零)。
  6. 如請求項3之裝置，其中包含於該超晶格結構中之複數個該等第一半導體層之晶格間距朝向該發光層變寬，且包含於該超晶格結構中之複數個該等第二半導體層之晶格間距朝向該發光層變寬，且最接近該發光層之該第二半導體層之該晶格間距寬於 該等量子井層之晶格間距。
  7. 如請求項3之裝置，其中包含於該多量子井結構中之複數個該等量子井層之晶格間距朝向該第二導電型半導體層變窄，且包含於該多量子井結構中之複數個該等障壁層之晶格間距朝向該第二導電型半導體層變窄。
  8. 如請求項3之裝置，其中連續設有該超晶格結構及該發光層。
  9. 如請求項3之裝置，其中該等第二半導體層之晶格常數沿該超晶格結構之堆疊方向增加。
  10. 如請求項3之裝置，其中使該等第二半導體層之晶格間距在該等第二半導體層之第一層與該等第二半導體層之最後一層之間最大。
  11. 如請求項3之裝置，其中該等第一至第四氮化物半導體分別係不同組成之Alx Iny Ga1-x-y N(0x1，0y1，0x+y1)。
  12. 如請求項11之裝置，其中該第二氮化物半導體係Iny Ga1-y N(0y1)，且該第三氮化物半導體係Inz Ga1-z N(0z1,z<y)。
  13. 如請求項12之裝置，其中該等第一及第四氮化物半導體係GaN。
  14. 如請求項13之裝置，其中該等第二半導體層厚於該等第一半導體層。
  15. 如請求項13之裝置，其中該第二氮化物半導體具有0.2之In比率，且該第三氮化物半導體具有0.15之In比率。
  16. 如請求項13之裝置，其中該發光層具有450nm之光發射波長，且該第二氮化物半導體具有0.24之In比率。
  17. 如請求項13之裝置，其中該第二氮化物半導體之In比率沿該超晶格結構之堆疊方向增加。
  18. 如請求項13之裝置，其中使該第二氮化物半導體之In比率在該等第二半導體層之第一層與該等第二半導體層之最後一層之間最大。
  19. 如請求項3之裝置，其另外包括：基板，其位於該第一導電型半導體層之與該發光層相對之側上；及接觸層，其設於該基板與該第一導電型半導體層之間，包含該第一氮化物半導體，且以高於該第一導電型半導體層之濃度摻雜有第一導電型雜質。
  20. 如請求項3之裝置，其中該第二導電型半導體層包含GaN層及設於該發光層與該GaN層之間之AlGaN層。
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