TWI466330B - 三族氮化物半導體發光元件 - Google Patents

三族氮化物半導體發光元件 Download PDF

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TWI466330B
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Yusuke Toyoda
Koji Okuno
Kazuki Nishijima
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Toyoda Gosei Kk
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Description

三族氮化物半導體發光元件
本發明係關於三族氮化物半導體發光元件，其能抑制驅動電壓的增加並表現出較佳的發光效能。
迄今為止，已知許多種類的三族氮化物半導體發光元件，特開號2008-103711的日本專利申請案中揭露了其一部分。特開號2008-103711的日本專利申請案揭露了一種三族氮化物半導體發光元件，其包含：具有一結構的活性層，在此結構中愈靠近n型接觸層、則InGaN井層的能隙愈大、愈靠近n型接觸層、則井層的厚度愈小、愈靠近n型接觸層、則InGaN阻障層的能隙愈大。此結構消除了發光波長的非均勻性。
又，特開號2009-152552的日本專利申請案揭露了一種三族氮化物半導體發光元件，其包含：具有一結構的活性層，在此結構中隨著愈來愈接近p型層、則阻障層的厚度會逐漸增加以消除載子溢流。
又，特開號2003-273473的日本專利申請案揭露了一種三族氮化物半導體發光元件，其包含：具有一結構的活性層，該活性層包含阻障層、井層與阻障層共三層，其中n型層上的阻障層的能隙係大於p型層上的阻障層的能隙，而n型層上的阻障層的厚度係小於p型層上的阻障層的厚度。
然而，即便在具有上述結構的三族氮化物半導體發光元件中，還是需要更進一步地改善發光效能。在MQW(多重量子井)結構的活性層中，電子擴散長度係大於電洞擴散長度。因此在MQW結構中，從n型披覆層射入活性層的電子會到達p型披覆層並被阻障層限制在活性層中。結果便有更多的電子被捕捉至較接近p型披覆層的井層內。即，在活性層之井層中的電子密度分佈會隨著更接近p型披覆層而增加。因此，從p型披覆層射入活性層的電洞更容易和被限制在較接近p型披覆層之具有高電子密度之井 層中的電子復合。
這會導致下列問題：活性層中的發光區域會靠近p型披覆層集中，使得發光元件的總光輸出及發光效能下降。
有鑑於上述問題，本發明的目的在於，在不增加驅動電壓的情況下增加三族氮化物半導體發光元件的發光輸出與效能。
在本發明的第一態樣中，提供一種三族氮化物半導體發光元件，至少包含：n型層側的披覆層；具有多重量子結構的發光層，在量子結構中Alx Ga1-x N(0<x<1)層作為阻障層；及p型層側的披覆層，上述的每一層都是由三族氮化物半導體所形成，其中當該發光層沿著由n型層側的披覆層至p型層側的披覆層的厚度方向被分割為第一區塊、第二區塊與第三區塊共三個區塊時，設定每一發光層的Al組成比滿足關係式z<y<x，其中第一區塊中阻障層的平均Al組成比係以x表示、第二區塊中阻障層的平均Al組成比係以y表示、第三區塊中阻障層的平均Al組成比係以z表示。
在本發明中，在第一、第二與第三區塊中可包含任何數目的阻障層。第一區塊中的阻障層數目係較佳地等於第三區塊中的阻障層數目。又，在相同區塊中之阻障層的Al組成比可以相同或不同。又，即便阻障層的Al組成比係自n型層側的披覆層單調地減少，若每一區塊中之平均Al組成比滿足關係式z<y<x，相同區塊中可以有任何Al組成比的分佈。然而較佳地，阻障層的Al組成比係自n型層側的披覆層單調地減少。
在本發明的第二態樣中，第一區塊中的阻障層數目係等於第三區塊中的阻障層數目，設定在本發明的第一態樣中每一發光層的Al組成比滿足x+z=2y。第一區塊與第三區塊中的阻障層數目係以k表示，發光層中的阻障層總數目係以n表示。在本發明中，第一區塊中障阻層的平均Al組成比、第二區塊中障阻層的平均Al組成比、第三區塊中障阻層的平均Al組成比係由下式所決定，其中z<x： x k+y(n-2k)+zk=yn x+z=2y (1)
第1式亦可表示為第2式x-y=y-z (2)
第2式亦可表示為第3式x/y-1=1-z/y (3)
在本發明的第二態樣中，如此設計俾使第一區塊中的阻障層數目係等於第三區塊中的阻障層數目、第一區塊中阻障層的平均Al組成比x係大於第三區塊中阻障層的平均Al組成比z、且第一區塊中阻障層之平均Al組成比x與第三區塊中阻障層的平均Al組成比z的算術平均係等於第二區塊中阻障層的平均Al組成比y。
換句話說，偏差值(x-y)係等於偏差值(y-z)，偏差值(x-y)即第一區塊中阻障層之平均Al組成比x與第二區塊中阻障層的平均Al組成比y間的差值，偏差值(y-z)即第二區塊中阻障層之平均Al組成比y與第三區塊中阻障層的平均Al組成比z間的差值。又，偏差值(x/y-1)係等於偏差值(1-z/y)，偏差值(x/y-1)即第一區塊中阻障層之平均Al組成比x與第二區塊中阻障層之平均Al組成比y的比值與1間的差值，偏差值(1-z/y)即1與第三區塊中阻障層的平均Al組成比z與第二區塊中阻障層之平均Al組成比y之比值間的差值。本發明的三族氮化物半導體發光元件藉由發光層中三區塊中之阻障層的平均Al組成比分佈而表現出較佳的發光效能。更較佳地，在相同區塊中之複數阻障層的Al組成比可相同。在此情況下，第一區塊中所有阻障層的Al組成比係等於x。第二區塊中所有阻障層的Al組成比係等於y。第三區塊中所有阻障層的Al組成比係等於z。這可應用在下列發明中。
在本發明的第三態樣中，本發明第二態樣中第一區塊中阻障層之平均Al組成比x與第二區塊中阻障層之平均Al組成比y的比值x/y係為1.1≦x/y≦2.2。當阻障層之平均Al組成比的比值被設定在此範圍內而呈現對稱時，發光效能可大幅地改善。
在本發明的第四態樣中，設定本發明第一至三態樣中每一區 塊之阻障層的厚度俾以滿足a<b<c與c<b<a中的至少一者，其中第一區塊中阻障層的平均厚度係以a表示、第二區塊中阻障層的平均厚度係以b表示、第三區塊中阻障層的平均厚度係以c表示。每一區塊中阻障層的平均厚度係沿著p型層側披覆層的方向單調地增加或減少。每一區塊中複數阻障層的厚度可相同或不同，較佳地為相同。每一區塊中阻障層的平均厚度a、b與c應滿足上述關係式。
在本發明的第五態樣中，本發明的第四態樣中第一區塊中阻障層的數目係等於第三區塊中阻障層的數目，且設定每一阻障層的厚度俾使其滿足a+c=2b。在本發明中，每一區塊中阻障層的平均厚度係由下式所決定：ak+b(n-2k)+ck=bn a+c=2b (4)
第4式亦可表示為第5式b-a=c-b (5)
第5式亦可表示為第6式1-a/b=c/b-1 (6)
在本發明中，如此設計俾使第一區塊中的阻障層數目係等於第三區塊中的阻障層數目、第一區塊中阻障層的平均厚度a與第三區塊中阻障層的平均厚度c的算術平均係等於第二區塊中阻障層的平均厚度b。在本發明的第五實施例中，將阻障層之平均厚度滿足關係式a<b<c的情況以及滿足關係式c<b<a的情況都包含於本發明的申請專利範圍中。
換言之，偏差值(b-a)係等於偏差值(c-b)，偏差值(b-a)即第二區塊中阻障層之平均厚度b與第一區塊中阻障層的平均厚度a間的差值，偏差值(c-b)即第三區塊中阻障層之平均厚度c與第二區塊中阻障層的平均厚度b間的差值。又，偏差值(1-a/b)係等於偏差值(c/b-1)，偏差值(1-a/b)即1與第一區塊中阻障層之平均厚度a與第二區塊中阻障層之平均厚度b的比值間的差值，偏差值(c/b-1)即第三區塊中阻障層的平均厚度c與第二區塊中阻障層之 平均厚度b之比值與1間的差值。本發明的三族氮化物半導體發光元件藉由上述發光層中阻障層的平均Al組成比分佈以及平均厚度分佈的對稱性而表現出較佳的發光效能。更較佳地，在相同區塊中之複數阻障層的厚度可相同。在此情況下，第一區塊中所有阻障層的厚度係等於a。第二區塊中所有阻障層的厚度係等於b。第三區塊中所有阻障層的厚度係等於c。這可應用在下列發明中。
在本發明的第六態樣中，設計本發明的第四態樣中第一區塊中阻障層的平均厚度a與第三區塊中阻障層的平均厚度c俾以滿足關係式a<c。即，當靠近p型層側的披覆層之阻障層的平均厚度係大於靠近n型層側的披覆層之阻障層的平均厚度時，藉著降低第三區塊中阻障層的Al組成比，阻障層的厚度能抑制因為阻障層的低能障高度所導致的電子溢流。
在本發明的第七態樣中，當a<b<c時，將本發明的第五態樣中的比值a/b設定在0.7至0.9的範圍內，當c<b<a時將本發明的第五態樣中的比值c/b設定在0.7至0.9的範圍內。當阻障層的平均厚度的比值係設定在此範圍內而呈現對稱時，可大幅地改善發光效能。
在本發明的第八態樣中，提供一種三族氮化物半導體發光元件，至少包含：n型層側的披覆層；具有多重量子結構的發光層，量子結構包含Alx Ga1-x N(0<x<1)層作為障阻層；及p型層側的披覆層，上述的每一層都是由三族氮化物半導體所形成，其中當該發光層沿著由n型層側的披覆層至p型層側的披覆層的厚度方向被分割為第一區塊、第二區塊與第三區塊共三個區塊時，第一、第二與第三區塊中阻障層的Al組成比係相同，設定每一阻障層的厚度以滿足關係式a<b<c與c<b<a中的至少一者，其中第一區塊中阻障層的平均厚度係以a表示、第二區塊中阻障層的平均厚度係以b表示、第三區塊中阻障層的平均厚度係以c表示。
在本發明中，第一、第二與第三區塊中之阻障層的Al組成比係相同，第一、第二與第三區塊中之阻障層的平均厚度係如本發明之第四態樣中般呈現對稱。
在本發明的第九態樣中，第一區塊中的阻障層數目係等於第三區塊中的阻障層數目，設定本發明的第八態樣中每一阻障層的厚度使其滿足a+c=2b。
又，在本發明的第十態樣中，設定本發明的第九態樣中第一區塊中阻障層的平均厚度a與第三區塊中阻障層的平均厚度c使其滿足關係式a<c。在此情況下，當靠近p型層側的披覆層之阻障層的平均厚度係大於靠近n型層側的披覆層之阻障層的平均厚度時，能抑制電子溢流至p型層側的披覆層，造成發光效能的改善。
在本發明的第十一態樣中，當a<b<c時，將本發明的第九態樣中的比值a/b設定在0.7至0.9的範圍內，而當c<b<a時，將比值c/b設定在0.7至0.9的範圍內。當阻障層的平均厚度的比值係設定在此範圍內而呈現對稱時，可大幅地改善發光效能。
在根據本發明上述所有態樣之半導體發光元件中，通常將用以形成n電極的n型接觸層設置在n型披覆層下方，將用以形成p電極的p型接觸層設置在p型層側的披覆層上方。本發明的半導體發光元件除了上述膜層外更包含一額外膜層。發光層具有多重量子結構且具有任何數目的膜層。循環層結構的一層單元可至少包含一井層與一阻障層，且可額外地包含上述膜層外的一額外膜層。層單元的數目是整數3或更多。
較佳地，p型層側的披覆層具有一包含Alz Ga1-z N(0<z<1)層的超晶格層。n型層側的披覆層較佳地具有一包含Alx Ga1-x N(0≦x<1)層的超晶格層。又，n型層側的披覆層可具有一包含Iny Ga1- yN(0<y<1)層、Alx Ga1-x N(0<x<1)層與GaN層的超晶格層。此些超晶格層中的至少一層較佳地包含Si。當然，形成n型層側的披覆層的所有膜層可包含Si。
p型層側的披覆層可以是具有一週期結構的超晶格層，此週期結構包含一Inw Ga1-w N層與一Alz Ga1-z N(0<z<1)層。利用此配置可有效地將電子限制在發光層中並有效地將電洞注入至發光層中。因此可改善發光效能。在本文中所用的「三族氮化物半導體」包含由通式Alx1 Gay1 Inz1 N(x1+y1+z1=1，0≦x1,y1,z1≦1)所代表 的化合物半導體；在此類化合物半導體中，部分的Al、Ga或In係被另一13族元件(即B或Tl)所取代，或者部分的N係被另一15族元素(即P、As、Sb或Bi)所取代。一般而言，三族氮化物半導體為包含Ga作為基本元素的化合物，例如GaN、AlGaN、InGaN或AlGaInN。
發光層可具有多重量子結構。可使用之多重量子結構的實例包含：具有任何組成比之AlGaN/GaN的多重量子結構、具有任何組成比之AlGaN/InGaN的多重量子結構、及具有任何組成比之AlGaN/GaN/InGaN的多重量子結構。本發明的半導體發光元件除了上述者外，更可包含一額外膜層，如n型接觸層或p型接觸層。在n接觸層與n型層側的披覆層之間可設置用以改善靜電崩潰電壓的膜層(此後會被稱為「ESD層」)。此裝置可具有任何其他的膜層配置。
在本發明中，當該發光層沿著由n型層側的披覆層至p型層側的披覆層的厚度方向被分割為第一區塊、第二區塊與第三區塊共三個區塊時，設定每一阻障層的Al組成比使其滿足z<y<x，其中第一區塊中障阻層的平均Al組成比係以x表示、第二區塊中障阻層的平均Al組成比係以y表示、第三區塊中障阻層的平均Al組成比係以z表示。這使得靠近n型層側的披覆層的阻障層具有較高的阻障高度。因此，發光層的電子亦會被儲存在較接近n型層側之披覆層的井層中。可使電子密度在發光層之整個厚度方向上均勻分佈，因此使發光區域沿著整個厚度方向均勻分佈。故可改善發光效能。
當第一區塊中的阻障層數目係等於第三區塊中的阻障層數目並將每一層之Al組成比設定成滿足關係式x+z=2y時，在n型層側之披覆層上的Al組成比分佈較大而在p型層側之披覆層上的Al組成比分佈較小。另外，其相對於厚度的中心呈現點對稱。因此，電子亦被儲存在較接近n型層側的披覆層的井層中。可使電子密度在發光層之整個厚度方向上均勻分佈，因此使發光區域沿著整個厚度方向均勻分佈。故可改善發光效能。
設定上述每一區塊中阻障層的厚度使其滿足關係式a<b<c或c<b<a，其中第一區塊中阻障層的平均厚度係以a表示、第二區塊中阻障層的平均厚度係以b表示、第三區塊中阻障層的平均厚度係以c表示。因此可改善發光效能。
當第一區塊中阻障層的數目係等於第三區塊中阻障層的數目且設定每一阻障層的厚度俾使其滿足a+c=2b時，阻障層的厚度分佈會沿著發光層的厚度方向相對於厚度的中心呈現點對稱。此可改善發光效能。尤其，當較接近p型層側的披覆層之第三區塊中的阻障層的平均厚度係大於較接近n型層側的披覆層之第一區塊中的阻障層的平均厚度時，可避免電子溢流至p型層側的披覆層，造成發光效能的改善。
接下來將參考圖示敘述本發明的特定實施例。然而，本發明並不限於此些實施例。
實例1
圖1顯示了根據實施例1之發光元件1的配置。發光元件1具有一結構，其包含：藍寶石基板100；AlN緩衝層120；n型接觸層101、ESD層102、n型層側的披覆層(在所有實施例中被稱為「n型披覆層」)103、發光層104、未摻雜之披覆層105、p型層側的披覆層(在所有實施例中被稱為「p型披覆層」)106與p型接觸層107，膜層101至107係由三族氮化物半導體所形成並藉由緩衝層120而沈積於基板100上；形成在p型接觸層107上的p電極108；及形成在一部分n型接觸層101上的n電極130，n型接觸層101係藉著從p型接觸層107開始蝕刻移除膜層102至107的對應部分而受到裸露。
藍寶石基板100的表面具有圖樣以改善光擷取效能。可利用由例如SiC、ZnO、Si或GaN所構成的其他成長基板來取代藍寶石基板。
n型接觸層101係由具有1 x 1018 /cm3 或更高Si濃度的n-GaN 所形成。n型接觸層101可由具有不同載子濃度的複數膜層所形成，以得到膜層101與n電極130間的良好接觸。
ESD層102具有兩層結構，包含第一ESD層110與第二ESD層111，膜層110與111係依序被沈積在n型接觸層101上。第一ESD層110係由未摻雜的GaN所形成。第一ESD層110具有50至500 nm的厚度。第一ESD層110的表面110a具有密度為2 x 108 /cm2 或更高的少許凹坑。第二ESD層111係由摻有Si的GaN所形成且具有25至50 nm的厚度。第一ESD層110可摻雜Si俾使該層具有5 x 1017 /cm3 或更少的載子濃度。
第二ESD層111係由摻有Si的GaN所形成且具有下列由Si濃度(/cm3 )與厚度(nm)乘積所定義的特徵值：0.9 x 1020 至3.6 x 1020 (nm/cm3 )。例如，當第二ESD層111具有30 nm的厚度時，該層具有3.0 x 1018 /cm3 至1.2 x 1019 /cm3 的Si濃度。
n型披覆層103具有超晶格結構，包含15個膜層單元，每一膜層單元包含依序堆疊的三膜層：未摻雜的In0.08 Ga0.92 N層131(厚度2.5 nm)、未摻雜的GaN層132(厚度0.7 nm)與摻有Si的n-GaN層133(厚度1.4nm)。n型披覆層103之與第二ESD層111接觸的起始層為In0.08 Ga0.92 N層131，n型披覆層103之與發光層104接觸的最終層為n-GaN層133。N型披覆層103的總厚度為69 nm。In0.08 Ga0.92 N層131可具有1.5 nm至5.0 nm的厚度。未摻雜的GaN層132可具有0.3 nm至2.5 nm的厚度。摻有Si的n-GaN層133可具有0.3 nm至2.5 nm的厚度。
發光層(亦可被稱為「活性層」)104從n型層側的披覆層103沿著厚度方向被分割為第一區塊、第二區塊與第三區塊共三個區塊。在第一區塊中設有兩個膜層單元，每一單元包含依序堆疊的四膜層：Al0.05 Ga0.95 N層141(厚度2.4 nm)、In0.2 Ga0.8 N層142(厚度3.2 nm)、GaN層143(厚度0.6 nm)與Al0.33 Ga0.67 N層144(厚度0.6 nm)。在第二區塊中設有三個膜層單元，每一單元包含依序堆疊的四膜層：Al0.05 Ga0.95 N層141(厚度2.4 nm)、In0.2 Ga0.8 N層142(厚度3.2 nm)、GaN層143(厚度0.6 nm)與Al0.2 Ga0.8 N層144(厚度0.6 nm)。在第三區塊中設有兩個膜層單元，每一單元包含依序堆疊的四膜層：Al0.05 Ga0.95 N層141(厚度2.4 nm)、In0.2 Ga0.8 N層142(厚度3.2 nm)、GaN層143(厚度0.6 nm)與Al0.07 Ga0.93 N層144(厚度0.6 nm)。在本實施例中，第一區塊中的兩Al0.33 Ga0.67 N層144、第二區塊中的三Al0.2 Ga0.8 N層144及第三區塊中的兩Al0.07 Ga0.93 N分別為本發明的阻障層144。In0.2 Ga0.8 N層142為井層142。Al0.05 Ga0.95 N層141亦為阻障層。當Al0.05 Ga0.95 N層141為阻障層時，有時GaN層143與接下來的膜層144被稱為Al0.05 Ga0.95 N層141的蓋層。Al0.05 Ga0.95 N層141前的每一膜層144的能隙係大於井層142的能隙，且具有將載子限制在井層142中的阻障層的功能。因此，實施例1至4說明了每一膜層144係作為阻障層的情況。實施例5至8說明了每一膜層141係作為阻障層的情況。
此後，參考標號144與142亦分別代表阻障層與井層。
發光層104之與n型披覆層103接觸的起始層為Al0.05 Ga0.95 N層141，發光層104之與未摻雜披覆層105接觸的最終層為Al0.2 Ga0.8 N層144。一膜層單元具有6.8 nm的厚度。發光層104的總厚度為47.6 nm。發光層104的所有膜層係由未摻雜的膜層所形成。包含未摻雜GaN層151(厚度為2.5 nm)與未摻雜Al0.15 Ga0.85 N層152(厚度為3 nm)的未摻雜披覆層105被插入發光層104與p型披覆層106之間。設置未摻雜披覆層105的目的在於避免形成在膜層105上方之膜層中所包含的Mg擴散至發光層104。
P型披覆層106具有一結構，包含七膜層單元，每一單元包含依序堆疊的p-In0.05 Ga0.95 N層161(厚度1.7 nm)與p-Al0.3 Ga0.7 N層162(厚度3.0 nm)。P型披覆層106之與未摻雜披覆層105接觸的起始層為p-In0.05 Ga0.95 N層161，P型披覆層106之與p型接觸層107接觸的最終層為p-Al0.3 Ga0.7 N層162。P型披覆層106的總厚度為32.9 nm。使用Mg來作為p型雜質。
p型接觸層107係由摻雜有Mg的p-GaN所形成。p型接觸層107可由具有不同載子濃度的複數膜層所形成，以得到膜層107與p電極間的良好接觸。
由於ESD層102具有上述的配置，因此發光元件1表現出高靜電崩潰、較佳的發光效能與可靠度、及較低的漏電流。接下來將說明ESD層102係以上述方式配置的理由。配置ESD層102俾使：首先，形成具有凹坑(凹坑密度為2 x 108 /cm2 或更高)的第一ESD層110；然後，在第一ESD層110上形成摻雜有Si的第二ESD層111。存在於第一ESD層110之凹坑中的Si會在此位置處產生導電性。利用此配置，能得到高靜電崩潰電壓。將第一ESD層110的厚度調整為50 nm至500 nm間俾使靜電崩潰電壓與發光效能不下降並調整凹坑大小以使漏電流不要增加。
為了更進一步地改善靜電崩潰電壓、發光效能與可靠度並降低漏電流，ESD層102較佳地具有下列配置。第一ESD層110較佳地具有50 nm至500 nm的厚度而凹坑密度介於2 x 108 /cm2 至1 x 1010 /cm2 或更少。第二ESD層111較佳地具有1.5 x 1020 nm/cm3 至3.6 x 1020 nm/cm3 的特徵值及25 nm至50 nm的厚度。
接下來將參考圖2說明發光元件1的製造方法。在圖2中，會省略圖1中所示之超晶格層的週期結構的說明。
經由金屬有機化學氣相沈積(MOCVD)來進行晶體成長。所用的氣體如下：氫或氮(H2 或N2 )作為載帶氣體；氨氣(NH3 )作為氮源；三甲基鎵(Ga(CH3 )3 ，此後可被稱為TMG)作為Ga源；三甲基銦(In(CH3 )3 ，此後可被稱為TMI)作為In源；三甲基鋁(Al(CH3 )3 ，此後可被稱為TMA)作為Al源；矽烷(SiH4 )作為n型摻質氣體；及環戊二烯鎂(Mg(C5 H5 )2 ，此後可被稱為Cp2 Mg)作為p型摻質氣體。
首先，在氫氣氛圍中加熱藍寶石基板100以清理之，藉此自藍寶石基板100表面移除沈積物。之後，將基板溫度維持在400℃，經由MOCVD將AlN緩衝層120形成在藍寶石基板100上。接著，在氫氣(載氣)與氨氣流下將基板溫度升高至1100℃。當基板溫度到達1100℃後，利用TMG與氨氣作為源氣體及矽烷作為雜質氣體，立即將GaN與Si濃度4.5 x 1018 /cm3 所形成的n型接觸層101沈積在緩衝層120上(圖2A)。
接下來，經由下列的處理形成ESD層102。首先，經由MOCVD將未摻雜n-GaN與厚度50 nm至500 nm所形成的第一ESD層110沈積在n型接觸層上。將成長溫度調整為800℃至950℃以成長出載子濃度為5 x 1017 /cm3 或更低及凹坑密度為2 x 108 /cm2 或更高的高品質晶體。當成長溫度被調整至800℃至900℃時，凹坑密度會較佳地增加。
接下來，經由MOCVD將摻有Si且特徵值為0.9 x 1020 至3.6 x 1020 (nm/cm3 )的第二ESD層111沈積在第一ESD層110上，其中特徵值被定義為Si濃度(/cm3 )與厚度(nm)的乘積。將成長溫度調整為800℃至950℃。經由此些處理，在n型接觸層101上形成ESD層102(圖2B)。
接下來，經由MOCVD在ESD層102上形成n型披覆層103。N型披覆層103係由週期性地堆疊15個膜層單元所形成，每一單元包含未摻雜的In0.08 Ga0.92 N層131(厚度2.5 nm)、未摻雜的GaN層132(厚度0.7 nm)與摻有Si的n-GaN層133(厚度1.4 nm)。將基板溫度維持在830℃同時供應矽烷氣體、TMG、TMI與氨氣以形成In0.08 Ga0.92 N層131。將基板溫度維持在830℃同時供應TMG與氨氣以形成n-GaN層133。
然後，在n型披覆層103上形成發光層104。發光層104係由週期性地堆疊七個膜層單元所形成，每一單元包含Al0.05 Ga0.95 N層141、In0.2 Ga0.8 N層142、GaN層143與Alw Ga1-w N層144。然後，在第一區塊中作為阻障層144的Alw Ga1-w N層144為兩Al0.33 Ga0.67 N層144。在第二區塊中作為阻障層144的Alw Ga1-w N層144為三Al0.2 Ga0.8 N層144。在第三區塊中作為阻障層144的Alw Ga1-w N層144為兩Al0.07 Ga0.93 N層144。在此情況下，作為阻障層144之Alw Ga1-w N層144的基板溫度為800℃至950℃間的任何溫度。In0.2 Ga0.8 N層142、GaN層143與Al0.2 Ga0.8 N層144的成長溫度為770℃。或者，可將141、142、143與144四層的成長溫度皆維持在770℃。膜層141至144中的每一層皆在供應對應的源材料氣體下成長，以形成發光層104。
接下來，將基板溫度維持在855℃、同時供應TMG與氨氣以在發光層104上成長未摻雜的GaN層151(厚度2.5 nm)。再下來，將基板溫度維持在855℃、同時供應TMA、TMG與氨氣以成長未摻雜的Al0.15 Ga0.85 N層152(厚度3 nm)。藉此形成未摻雜的披覆層105。
接下來，在未摻雜的披覆層105上形成p型披覆層106。將基板溫度維持在855℃、同時供應Cp2 Mg、TMI、TMG與氨氣以形成p-In0.05 Ga0.95 N層161(厚度1.7 nm)，並將基板溫度維持在855℃、同時供應Cp2 Mg、TMA、TMG與氨氣以形成p-Al0.3 Ga0.7 N層162(厚度3.0 nm)。重覆此膜層形成處理7次。
接著，將基板溫度維持在1000℃，使用TMG、氨氣與Cp2 Mg沈積由摻雜有Mg(1 x 1020 /cm3 )之p型GaN所形成的p型接觸層107(厚度為50 nm)。藉此形成圖2C中所示的裝置結構。P型接觸層可具有1 x 1019 /cm3 至1 x 1021 /cm3 的Mg濃度。P型接觸層107可具有10 nm至100 nm的厚度。
接下來，經由熱處理來活化Mg，然後自p型接觸層107的上表面進行乾蝕刻，藉此形成到達n型接觸層101的溝槽。自Ni/Au/Al(依此順序堆疊在p型接觸層107上)在p型接觸層107的上表面上形成p電極108。接著，在經由乾蝕刻所形成之溝槽底部處所暴露的n型接觸層101的表面上，自Ni/Au(依此順序堆疊在n型接觸層101上)形成n電極130。以此方式製造出圖1中所示的發光元件1。
圖3顯示發光元件1的能帶結構。在導電帶中，n型披覆層103的未摻雜GaN層132提供最高的能障。然而，由於GaN層132具有小至0.7 nm的度，來自n型接觸層101的電子會穿隧通過層132並被注入發光層104中。又，在發光層104中，作為阻障層144之Alw Ga1-w N層的Al阻成比w係高於較接近n型披覆層103之阻障層中的Al阻成比、但低於較接近p型披覆層106之阻障層中的Al阻成比。Al組成比滿足關係式x+z=2y即(x-y)=(y-z)。這意味著第一區塊中阻障層144之Al組成比與第二區塊中阻 障層144的Al組成比之間的偏差值會等於第二區塊中阻障層144之Al組成比與第三區塊中阻障層144的Al組成比之間的偏差值。換言之，發光104中阻障層的Al組成比係相對於第二區塊呈現點對稱。
由於能障係藉由在發光層104與p型披覆層106間添加p型雜質所提供，因此p型披覆層106的p-Al0.3 Ga0.7 N層162會阻擋從n型披覆層103射入到發光層104中的電子不再繼續通行。因此，能有效地將電子限制在發光層104中。此時，阻障層144的Al組成比分佈係沿著厚度方向呈現對稱，且如上所述，其較接近n型披覆層103之阻障層之Al組成比較大。因此電子亦可被儲存在較接近n型披覆層103之井層142中。
同時，在價電帶中，從p型接觸層107經由p型披覆層106與未摻雜披覆層105而被注入至發光層104中的電洞無法穿隧通過n型披覆層103之未摻雜GaN層132，雖然GaN層132只有小至0.7 nm的厚度，但此厚度已足以反射電洞。也就是說，電洞的通道被層132阻擋住。故能有效地將電洞限制在發光層104中。因此，發光層104中的電洞密度均勻分佈。在發光層104中電子與電洞的復合密度分佈可沿著厚度方向更均勻化。因此，可改善發光效能而不增加驅動電壓。
圖4顯示能帶結構，但只專注在具有上述結構的阻障層144與井層142。發光層104之阻障層144的能障在n型披覆層103側較高、但在p型披覆層106側較低。因此，因為第一區塊中阻障層144的能障高度，故被注入發光層104之第一區塊中之井層142中的電子難以移動至第二區塊中的井層142。類似地，被注入第二區域中之井層142中的電子會因為第二區塊中阻障層141的能障高度而難以移動至第三區塊的井層142中。因此，在發光層104中，井層142的電子密度在n型披覆層103側高於p型披覆層106側。故部分從p型披覆層106被注入發光層104中的電洞會到達發光層中與n型玻覆層103接觸的膜層中並在該處與電子復合。因此，發光層104會沿著厚度方向均勻發光，產生較佳的發 光輸出與效能。
實施例2
在實施例2中，改變發光層104中阻障層144的厚度。作為阻障層144之七Alw Ga1-w N層144的Al組成比w皆為0.2。在第一區塊中兩阻障層具有0.48 nm的厚度a。在第二區塊中三阻障層具有0.6 nm的厚度b。在第三區塊中兩阻障層具有0.72 nm的厚度c。換言之，第一區塊中阻障層144的厚度a、第二區塊中阻障層144的厚度b與第三區塊中阻障層144的厚度c滿足關係式a+c=2b即(b-a)=(c-b)=0.12 nm。即，第二區塊中阻障層144之厚度的偏差係相對於第二區塊之阻障層144的厚度呈現點對稱。在此情況下，較接近p型披覆層106之阻障層144的厚度c係大於較接近n型披覆層103之阻障層144的厚度a，即滿足關係式a<c。除了阻障層的厚度與Al組成比外，根據實施例2之發光元件被製造成具有根據實施例1之發光元件的相同配置。圖5顯示簡化能帶結構，其只專注在發光層104的阻障層144與井層142。
實施例3
在實施例3中，如在實施例2中改變發光層104之阻障層144的厚度。作為阻障層144之七Alw Ga1-w N層144的Al組成比w皆為0.2。在第一區塊中兩阻障層皆具有0.72 nm的厚度a。在第二區塊中三阻障層皆具有0.6 nm的厚度b。在第三區塊中兩阻障層皆具有0.48 nm的厚度c。換言之，第一區塊中阻障層144的厚度a、第二區塊中阻障層144的厚度b與第三區塊中阻障層144的厚度c滿足關係式a+c=2b即(a-b)=(b-c)=0.12 nm。即，第二區塊中阻障層144之厚度的偏差係相對於第二區塊之阻障層144的厚度呈現點對稱。在此情況下，與第2實施例相反，較接近p型披覆層106之阻障層144的厚度c係小於較接近n型披覆層103之阻障層144的厚度a，即滿足關係式c<a。除了阻障層的厚度與Al組成比外，根據實施例3之發光元件被製造成具有根據實施例1之發光元件的相同配置。圖6顯示簡化能帶結構，其只專注在發光層104的阻障層144與井層142。
若如圖5與6中所示，阻障層144的厚度分佈相對於發光層104的厚度的中心CL呈現點對稱，其發光強度會高於不對稱時的情況。阻障層144的此類厚度分佈使發光層104的發光強度沿著厚度方向均勻分佈，造成發光強度的增加。
實施例4
在實施例4中，阻障層144具有與實施例1相同的Al組成比分佈且具有與實施例2相同的厚度分佈。發光層104之第一區塊中的阻障層144為厚度0.48 nm的兩Al0.33 Ga0.67 N層144。發光層104之第二區塊中的阻障層144為厚度0.6 nm的三Al0.2 Ga0.8 N層144。發光層104之第三區塊中的阻障層144為厚度0.72 nm的兩Al0.07 Ga0.93 N層144。換言之，Al阻成比滿足關係式x+z=2y且z<x而厚度滿足關係式a+c=2b且a<c。利用此配置，由於較接近n型披覆層103的阻障層144具有較大的Al組成比，因此較接近n型披覆層103之阻障層中的電子能障較高，較接近p型披覆層106之阻障層中的電子能障較低。為了抑制因較接近p型披覆層106之阻障層144中的較低電子能障所造成的電子溢流，讓較接近p型披覆層106的阻障層144具有較厚的厚度，造成發光強度增加。
在上述的所有實施例中，若第一區塊中的阻障層數目等於第三區塊中的阻障層數目，發光層104可具有任何數目的阻障層144。只要滿足關係式x+z=2y且z<x，阻障層144可具有任何Al組成比，但當關係式為1.1≦x/y≦2.2時發光強度高。當x/y小於1.1時，發光層104中的Al組成比的改變會降低井層中的均勻電子密度分佈的效應，但這不是較佳的情況。當x/y大於2.2時，井層的結晶度下降，這也不是較佳的情況。因此，x/y較佳地落在上述的範圍內。
又，若阻障層144的厚度滿足關係式a+c=2b，厚度可以落在任何範圍內。然而，當a/b滿足0.7≦a/b≦0.9時，發光強度會增加。當較接近p型披覆層106之阻障層144的厚度係大於較接近n型披覆層103之阻障層144的厚度時，發光強度會高於相反 的情況。在兩種情況下，發光強度都會高於阻障層具有固定厚度的情況。當a/b超過0.9時，阻障層144的寬度變異會降低，進而降低發光層在厚度方向上限制具有均勻密度之電子的效應，但這不是吾人想要的情況。當a/b小於0.7時，較少的電子會移動至具有大厚度之阻障層上方的井層，導致發光層在厚度方向上不容易有均勻的發光區域。因此，a/b較佳地落在上述範圍內。
實施例5
除了發光層104的阻障層從阻障層144變成阻障層141且其Al組成比改變外，本實施例係與實施例1相同。如在實施例1中，發光層104從n型層側的披覆層103沿著厚度方向被分割為第一區塊、第二區塊與第三區塊共三個區塊。在第一區塊中設有兩個膜層單元，每一單元包含依序堆疊的四膜層：Al0.083 Ga0.917 N層141(厚度2.4 nm)、In0.2 Ga0.8 N層142(厚度3.2 nm)、GaN層143(厚度0.6 nm)與Al0.2 Ga0.8 N層144(厚度0.6 nm)。在第二區塊中設有三個膜層單元，每一單元包含依序堆疊的四膜層：Al0.05 Ga0.95 N層141(厚度2.4 nm)、In0.2 Ga0.8 N層142(厚度3.2 mm)、GaN層143(厚度0.6 nm)與Al0.2 Ga0.8 N層144(厚度0.6 nm)。在第三區塊中設有兩個膜層單元，每一單元包含依序堆疊的四膜層：Al0.017 Ga0.983 N層141(厚度2.4 nm)、In0.2 Ga0.8 N層142(厚度3.2 nm)、GaN層143(厚度0.6 nm)與Al0.2 Ga0.8 N層144(厚度0.6 nm)。第一區塊中的兩Al0.083 Ga0.917 N層141、第二區塊中的三Al0.05 Ga0.95 N層141及第三區塊中的兩Al0.017 Ga0.983 N分別為本發明的阻障層141。In0.2 Ga0.8 N層142為井層142。此後，參考標號141與142分別代表阻障層與井層。
發光層104之與n型披覆層103接觸的起始層為Al0.083 Ga0.917 N層141，發光層104之與未摻雜披覆層105接觸的最終層為Al0.2 Ga0.8 N層144。一膜層單元具有6.8 nm的厚度。發光層104的總厚度為47.6 nm。發光層104的所有膜層係由未摻雜的膜層所形成。發光層104之外的其他膜層具有與實施例1相同的配置且係由與實施例1相同的製造方法所製成。
然而，在發光層104的製造方法中，在第一區塊中作為阻障層141的Alw Ga1-w N層141為厚度2.4 nm的兩Al0.083 Ga0.917 N層141。在第二區塊中作為阻障層141的Alw Ga1-w N層141為厚度2.4 nm的三Al0.05 Ga0.95 N層141。在第三區塊中作為阻障層141的Alw Ga1-w N層141為厚度2.4 nm的兩Al0.017 Ga0.983 N層141。作為阻障層141之Alw Ga1-w N層141的基板溫度為800℃至950℃間的任何溫度。In0.2 Ga0.8 N層142、GaN層143與Al0.2 Ga0.8 N層144的成長溫度為770℃。或者，可將141、142、143與144四層的成長溫度皆維持在770℃。膜層141至144中的每一層皆在供應對應的源材料氣體下成長，以形成發光層104。
圖7顯示發光元件1的能帶結構。在導電帶中，n型披覆層103的未摻雜GaN層132提供最高的能障。然而，由於GaN層132具有小至0.7 nm的度，來自n型接觸層101的電子會穿隧通過層132並被注入發光層104中。又，在發光層104中，作為阻障層141之Alw Ga1-w N層的Al阻成比w係高於較接近n型披覆層103之阻障層中的Al阻成比、但低於較接近p型披覆層106之阻障層中的Al阻成比。Al組成比滿足關係式x+z=2y即(x-y)=(y-z)。這意味著第一區塊中阻障層141之Al組成比與第二區塊中阻障層141的Al組成比之間的偏差值會等於第二區塊中阻障層141之Al組成比與第三區塊中阻障層141的Al組成比之間的偏差值。換言之，發光104中阻障層141的Al組成比係相對於第二區塊呈現點對稱分佈。
由於能障係藉由在發光層104與p型披覆層106間添加p型雜質所提供，因此p型披覆層106的p-Al0.3 Ga0.7 N層162會阻擋從n型披覆層103射出至發光層104中的電子不再繼續通行。因此，能有效地將電子限制在發光層104中。此時，阻障層141的Al組成比分佈係沿著厚度方向呈現對稱，且如上所述其Al組成比係大於較接近n型披覆層103之阻障層中的Al組成比。因此電子亦可被儲存在較接近n型披覆層103之井層142中。
同時，在價電帶中，從p型接觸層107經由p型披覆層106 與未摻雜披覆層105而被注入至發光層104中的電洞無法穿隧通過n型披覆層103之未摻雜GaN層132，因為雖然GaN層132只有小至0.7 nm的厚度，但此厚度已足以反射電洞。故能有效地將電洞限制在發光層104中。因此，發光層104中的電洞密度均勻分佈。在發光層104中電子與電洞的復合密度分佈可沿著厚度方向更均勻化。因此，可改善發光效能而不增加驅動電壓。
圖8顯示能帶結構，但只專注在具有上述結構的阻障層141與井層142。發光層104之阻障層141的能障在n型披覆層103側較高、但在p型披覆層106側較低。因此，因為第一區塊中阻障層141的能障高度，故被注入發光層104之第一區塊中之井層142中的電子難以移動至第二區塊中的井層142。類似地，被注入第二區域中之井層142中的電子會因為第二區塊中阻障層141的能障高度而難以移動至第三區塊的井層142中。因此，在發光層104中，井層142的電子密度在n型披覆層103側高於p型披覆層106側。故部分從p型披覆層106被注入發光層104中的電洞會到達發光層中與n型披覆層103接觸的膜層中並在該處與電子復合。因此，發光層104會沿著厚度方向均勻發光，產生較佳的發光輸出與效能。
圖11的圖表顯示量測自發光層的發光強度。製造發光元件作為比較實例1，其中發光層104具有上述七層單元，作為阻障層之七Alw Ga1-w N層141的Al組成比w皆為0.05，與根據實施例5之第二區塊中之阻障層的Al組成比相同。又，製造發光元件作為比較實例2，其中第一區塊中作為阻障層之Alw Ga1-w N層141的Al組成比w為0.017、第二區塊中作為阻障層之Alw Ga1-w N層141的Al組成比w為0.05、第三區塊中作為阻障層之Alw Ga1-w N層141的Al組成比w為0.083。在比較實例2中，雖然發光層104之阻障層141的Al組成比分佈係相對於發光層104的厚度中心呈現點對稱，但Al組成比w在較近接n型披覆層103的阻障層中較低、而在較接近p型披覆層106的阻障層中較高。圖11顯示，將根據比較實例1之發光層的發光強度標準化為1時，相對的發光強度。 從圖11中能瞭解，在比較實例2中發光強度係小至0.975，在實施例5中大至1.01。因此根據實施例5之阻障層141中Al組成比呈點對稱分佈下的發光強度係大均勻分佈的發光強度(比較實例1)或與實施例5相反的分佈(比較實例2)。
在實施例1中，以相同方式改善阻障層144的Al組成比而非如實施例5改變阻障層141的Al組成比。然而，兩膜層141與144的能隙皆大於井層142的能隙，並作為阻障層限制井層142中的載子。因此從圖11的量測結果來看，認為實施例1可獲得如實施例5中的相同效應。
實施例6
在實施例6中，改變發光層104中阻障層141的厚度。作為阻障層之七Alw Ga1-w N層141的Al組成比w皆為0.05。在第一區塊中兩阻障層141皆具有2.0 nm的厚度a。在第二區塊中三阻障層141皆具有2.4 nm的厚度b。在第三區塊中兩阻障層141皆具有2.8 nm的厚度c。換言之，第一區塊中阻障層141的厚度a、第二區塊中阻障層141的厚度b與第三區塊中阻障層141的厚度c滿足關係式a+c=2b即(b-a)=(c-b)=0.4 nm。即，第二區塊中阻障層141之厚度的偏差係相對於第二區塊之阻障層141的厚度呈現點對稱。在此情況下，較接近p型披覆層106之阻障層141的厚度c係大於較接近n型披覆層103之阻障層141的厚度a，即滿足關係式a<c。除了阻障層141的厚度與Al組成比外，根據實施例6之發光元件被製造成具有根據實施例5之發光元件的相同配置。圖9顯示簡化能帶結構，其只專注在發光層104的阻障層141與井層142。
圖11顯示了量測到的發光強度。吾人應明白，根據實施例6之發光元件的發光強度為1.018，其大於比較實例1的發光強度。類似地，因此從圖11的量測結果來看，認為當實施例2的阻障層144具有與實施例6相同的厚度分佈時，其可獲得相同效應。
實施例7
在實施例7中，以實施例6中的相同方式改變發光層104中 阻障層141的厚度。作為阻障層之七Alw Ga1-w N層141的Al組成比w皆為0.05。在第一區塊中兩阻障層141皆具有2.8 nm的厚度a。在第二區塊中三阻障層141皆具有2.4 nm的厚度b。在第三區塊中兩阻障層141皆具有2.0 nm的厚度c。換言之，第一區塊中阻障層141的厚度a、第二區塊中阻障層141的厚度b與第三區塊中阻障層141的厚度c滿足關係式a+c=2b即(a-b)=(b-c)=0.4 nm。即，第二區塊中阻障層141之厚度的偏差係相對於第二區塊之阻障層141的厚度呈現點對稱。在此情況下，與實施例6相反，較接近p型披覆層106之阻障層141的厚度c係小於較接近n型披覆層103之阻障層141的厚度a，即滿足關係式c<a。除了阻障層141的厚度與Al組成比外，根據實施例7之發光元件被製造成具有根據實施例5之發光元件的相同配置。圖10顯示簡化能帶結構，其只專注在發光層104的阻障層141與井層142。
圖11顯示了量測到的發光強度。吾人應明白，根據實施例7之發光元件的發光強度為1.01，其大於比較實例1的發光強度。類似地，因此從圖11的量測結果來看，認為當實施例3的阻障層144具有與實施例7相同的厚度分佈時，其可獲得相同效應。
從上述明顯可知，若阻障層141的厚度分佈相對於發光層104之厚度的中心CL呈現點對稱、如圖9與10中所示，則發光強度會高於非對稱的情況(比較實例1)。阻障層141的此類厚度分佈使發光強度沿著發光層104的厚度方向均勻分佈，造成發光強度增加。
實施例8
在實施例8中，阻障層141具有與實施例5中相同的Al組成比分佈並具有與實施例6中相同的厚度分佈。發光層104之第一區塊中的阻障層141為厚度2.0 nm的兩Al0.083 Ga0.917 N層141。第二區塊中的阻障層141為厚度2.4 nm的三Al0.05 Ga0.95 N層141。第三區塊中的阻障層141為厚度2.8 nm的兩Al0.017 Ga0.983 N層141。換言之，Al組成比滿足關係式x+z=2y且z<x、而厚度滿足關係式a+c=2b且a<c。利用此配置，由於較接近n型披覆層103 的阻障層141具有較大的Al組成比，因此較接近n型披覆層103之阻障層中的電子能障較高，較接近p型披覆層106之阻障層中的電子能障較低。為了抑制因較接近p型披覆層106之阻障層141中的較低電子能障所造成的電子溢流，讓較接近p型披覆層106的阻障層144具有較厚的厚度，造成發光強度增加。
在上述的實施例5至8中，若第一區塊中的阻障層數目等於第三區塊中的阻障層數目，發光層104可具有任何數目的阻障層141。只要滿足關係式x+z=2y且z<x，阻障層141可具有任何Al組成比，但當關係式為1.1≦x/y≦2.2時發光強度高。當x/y小於1.1時，發光層104中的Al組成比的改變會降低井層中的均勻電子密度分佈的效應，但這不是較佳的情況。當x/y大於2.2時，井層的結晶度下降，這也不是較佳的情況。因此，x/y較佳地落在上述的範圍內。
又，若阻障層141的厚度滿足關係式a+c=2b，厚度可以落在任何範圍內。然而，當a/b滿足0.7≦a/b≦0.9時，發光強度會增加。當較接近p型披覆層106之阻障層141的厚度係大於較接近n型披覆層104之阻障層141的厚度時，發光強度會高於相反的情況。在兩種情況下，發光強度都會高於阻障層具有固定厚度的情況。當a/b超過0.9時，阻障層141寬度變異的降低會降低發光層在厚度方向上限制具有均勻密度之電子的效應，但這不是較佳的情況。當a/b小於0.7時，較少的電子會移動至具有大厚度之阻障層上的井層，導致發光層在厚度方向上不容易有均勻的發光區域。因此，a/b較佳地落在上述範圍內。
在上述實施例1至8中，n型披覆層103具有包含未摻雜In0.08 Ga0.92 N層131、未摻雜GaN層132與摻雜有Si之n-GaN層133的週期結構，上述者係依此順序堆疊在n型接觸層101上。然而，n型披覆層103可具有週期結構，其中In0.08 Ga0.92 N層、摻雜有Si之n-GaN層與未摻雜GaN層依此順序堆疊；其中摻雜有Si之n-GaN層、未摻雜GaN層與In0.08 Ga0.92 N層依此順序堆疊；其中摻雜有Si之n-GaN層、In0.08 Ga0.92 N層、未摻雜GaN層依此順 序堆疊。In0.08 Ga0.92 N層131可摻雜有Si以具有n型層的功能。GaN層133可以是無摻雜的。摻雜有Si的Al0.2 Ga0.8 N層133可被用來取代摻雜有Si的n-GaN層133。Al0.2 Ga0.8 N層133亦可以是無摻雜的。
n型披覆層103係由15個膜層單元所形成，但膜層單元的數目並不限於此。例如，膜層單元可以是3至30。未摻雜的GaN層132可具有0.3 nm至2.5 nm的厚度。摻雜有Si的GaN層133可具有0.3 nm至2.5 nm的厚度。In0.08 Ga0.92 N層131可具有1.5 nm至5.0 nm的厚度。
當使用Alx Ga1-x N層132作為膜層132時，Alx Ga1-x N層132可具有0.05至1的Al組成比x。Al組成比x係較佳地介於0.1至0.8之間、更較佳地介於0.2至0.6之間。在Alx Ga1-x N層132係由AlN所形成的情況下，即便膜層具有小至0.3 nm的厚度，電子還是能夠穿隧此層、但電洞移動會受到其阻擋。同時在Alx Ga1-x N層132係由Al0.05 Ga0.95 N所形成的情況下，膜層132必須要有大至2.5 nm的厚度。因此，Alx Ga1-x N層132可具有0.3 nm至2.5 nm間的厚度。由於形成p型披覆層106之週期結構之膜層中的一層為Al0.3 Ga0.7 N層162，較佳地將n型披覆層103之Alx Ga1-x N層132的Al組成比x調整至0.15或更大。
本發明的三族氮化物半導體發光元件表現出較佳的發光效能、但卻不會增加驅動電壓。
CL‧‧‧第二區塊的厚度中心
1‧‧‧發光元件
100‧‧‧藍寶石基板
101‧‧‧n型接觸層
102‧‧‧ESD層
103‧‧‧n型披覆層
104‧‧‧發光層
105‧‧‧未摻雜之披覆層
106‧‧‧p型披覆層
107‧‧‧p型接觸層
108‧‧‧p電極
110‧‧‧第一ESD層
110a‧‧‧表面
111‧‧‧第二ESD層
120‧‧‧緩衝層
130‧‧‧n電極
131‧‧‧In0.08 Ga0.92 N層
132‧‧‧未摻雜的GaN層
133‧‧‧摻有Si的n-GaN層
141‧‧‧阻障層
142‧‧‧井層
143‧‧‧GaN層
144‧‧‧阻障層
151‧‧‧GaN層
152‧‧‧未摻雜的Al0.15 Ga0.85 N層
161‧‧‧p-In0.05 Ga0.95 N層
162‧‧‧p-Al0.3 Ga0.7 N層
參考附圖與下列詳述之較佳實施例當能更瞭解明白本發明的各種其他目的、特徵與許多優點。
圖1顯示了根據實施例1之發光元件1的配置。
圖2A至2C的概圖顯示了發光元件的製造方法。
圖3顯示了根據實施例1之發光元件的能帶結構。
圖4顯示了根據實施例1之簡化能帶結構，其只專注在發光元件的阻障層與井層。
圖5顯示了根據實施例2之簡化能帶結構，其只專注在發光元件的阻障層與井層。
圖6顯示了根據實施例3之簡化能帶結構，其只專注在發光元件的阻障層與井層。
圖7顯示了根據實施例5之發光元件的能帶結構。
圖8顯示了根據實施例5之簡化能帶結構，其只專注在發光元件的阻障層與井層。
圖9顯示了根據實施例6之簡化能帶結構，其只專注在發光元件的阻障層與井層。
圖10顯示了根據實施例7之簡化能帶結構，其只專注在發光元件的阻障層與井層。
圖11的圖表顯示了根據實施例5、6、7與比較實例1與2之發光層的發光強度。
1‧‧‧發光元件
100‧‧‧藍寶石基板
101‧‧‧n型接觸層
102‧‧‧ESD層
103‧‧‧n型披覆層
104‧‧‧發光層
105‧‧‧未摻雜之披覆層
106‧‧‧p型披覆層
107‧‧‧p型接觸層
108‧‧‧p電極
110‧‧‧第一ESD層
110a‧‧‧表面
111‧‧‧第二ESD層
120‧‧‧緩衝層
130‧‧‧n電極
131‧‧‧In0.08 Ga0.92 N層
132‧‧‧未摻雜的GaN層
133‧‧‧摻有Si的n-GaN層
141‧‧‧阻障層
142‧‧‧井層
143‧‧‧GaN層
144‧‧‧阻障層
151‧‧‧GaN層
152‧‧‧未摻雜的Al0.15 Ga0.85 N層
161‧‧‧p-In0.05 Ga0.95 N層
162‧‧‧p-Al0.3 Ga0.7 N層

Claims (11)

  1. 一種三族氮化物半導體發光元件，至少包含：n型層側的披覆層；包含多重量子結構的發光層，該多重量子結構包含複數層單元，每一層單元至少包括含有InGaN之井層、GaN層、第一阻障層、及第二阻障層，該第一阻障層包含Alx1 Ga1-x1 N(0<x1<1)，該第二阻障層包含Alx2 Ga1-x2 N(0<x2<1)，Alx2 Ga1-x2 N(0<x2<1)具有不同於該第一阻障層之Al組成比x1的Al組成比x2；及p型層側的披覆層，該n型層側的披覆層、該發光層、及該p型層側的披覆層的每一層包含三族氮化物半導體，其中該發光層沿著由該n型層側的披覆層至該p型層側的披覆層的厚度方向包含第一區塊、第二區塊與第三區塊，且其中將每一區塊中為該第一阻障層及該第二阻障層之至少一者的選定阻障層的Al組成比設定成滿足關係式z<y<x，其中該第一區塊中該選定阻障層的平均Al組成比係以x表示、該第二區塊中該選定阻障層的平均Al組成比係以y表示、該第三區塊中該選定阻障層的平均Al組成比係以z表示。
  2. 如申請專利範圍第1項之三族氮化物半導體發光元件，其中該第一區塊中之該選定阻障層的數目係等於該第三區塊中之該選定阻障層的數目，且每一區塊中該選定阻障層的該Al組成比被設定為滿足關係式x+z=2y。
  3. 如申請專利範圍第2項之三族氮化物半導體發光元件，其中比值x/y被設定為滿足關係式1.1≦x/y≦2.2。
  4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之三族氮化物半導體發光元件，每一區塊中該選定阻障層的厚度被設定為滿足關係式a<b<c與c<b<a中的至少一者，其中該第一區塊中該選定阻障層的平均 厚度係以a表示、該第二區塊中該選定阻障層的平均厚度係以b表示、該第三區塊中該選定阻障層的平均厚度係以c表示。
  5. 如申請專利範圍第4項之三族氮化物半導體發光元件，其中該第一區塊中該選定阻障層的數目係等於該第三區塊中該選定阻障層的數目，且設定每一區塊中該選定阻障層的厚度俾使其滿足關係式a+c=2b。
  6. 如申請專利範圍第5項之三族氮化物半導體發光元件，其中設定每一區塊中該選定阻障層的厚度俾使其滿足關係式a<c。
  7. 如申請專利範圍第5項之三族氮化物半導體發光元件，其中在a<b<c的情況下，比值a/b係符合關係式0.7≦a/b≦0.9，在c<b<a的情況下，比值c/b係符合關係式0.7≦c/b≦0.9。
  8. 一種三族氮化物半導體發光元件，至少包含：n型層側的披覆層；包含多重量子結構的發光層，該多重量子結構包含複數層單元，每一層單元至少包括含有InGaN之井層、GaN層、第一阻障層、及第二阻障層，該第一阻障層包含Alx1 Ga1-x1 N(0<x1<1)，該第二阻障層包含Alx2 Ga1-x2 N(0<x2<1)，Alx2 Ga1-x2 N(0<x2<1)具有不同於該第一阻障層之Al組成比x1的Al組成比x2；及p型層側的披覆層，該n型層側的披覆層、該發光層、及該p型層側的披覆層的每一層包含三族氮化物半導體，其中該發光層沿著由該n型層側的披覆層至該p型層側的披覆層的厚度方向包含第一區塊、第二區塊與第三區塊，且其中每一區塊中為該第一阻障層及該第二阻障層之至少一者的選定阻障層的Al組成比在該第一區塊、第二區塊與第三區塊中皆相同，且每一區塊中該選定阻障層的厚度被設定為滿足關係式 a<b<c與c<b<a中的至少一者，其中該第一區塊中該選定阻障層的平均厚度係以a表示、該第二區塊中該選定阻障層的平均厚度係以b表示、該第三區塊中該選定阻障層的平均厚度係以c表示。
  9. 如申請專利範圍第8項之三族氮化物半導體發光元件，其中該第一區塊中之該選定阻障層的數目係等於該第三區塊中之該選定阻障層的數目，且設定每一區塊中該選定阻障層的厚度俾使其滿足關係式a+c=2b。
  10. 如申請專利範圍第9項之三族氮化物半導體發光元件，其中設定每一區塊中該選定阻障層的厚度俾使其滿足關係式a<c。
  11. 如申請專利範圍第9項之三族氮化物半導體發光元件，其中在a<b<c的情況下，比值a/b係符合關係式0.7≦a/b≦0.9，在c<b<a的情況下，比值c/b係符合關係式0.7≦c/b≦0.9。
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