TWI511327B - 氮化物半導體結構及半導體發光元件 - Google Patents

Description

氮化物半導體結構及半導體發光元件

本發明係有關於一種氮化物半導體結構及半導體發光元件，尤其是指一種於發光層與n型半導體層間配置有一次微米等級厚度之應力釋放層，其係以較少堆疊層數的應力釋放層有效地減小因晶格不匹配所產生之殘餘應力與磊晶缺陷，且具次微米厚度之應力釋放層更使得於磊晶過程中，能精確地控制In_xGa_1-xN層及In_yGa_1-yN層的組成比例，以有效地掌控發光二極體的品質者。

近年來，發光二極體的應用面日趨廣泛，已成為日常生活中不可或缺的重要元件；且發光二極體可望取代現今的照明設備，成為未來新世代的固態照明元件，因此發展高節能、高效率及更高功率之發光二極體將會是未來趨勢；氮化物LED由於具有元件體積 小、無汞汙染、發光效率高及壽命長等優點，已成為最新興光電半導體材料之一，而三族氮化物之發光波長幾乎涵蓋了可見光之範圍，更使其成為極具潛力之發光二極體材料。

一般而言，氮化物發光二極體係將一緩衝層先形成於基板上，再於緩衝層上依序磊晶成長n型半導體層、發光層以及p型半導體層；接著，利用微影與蝕刻製程移除部分之p型半導體層、部分之發光層，直至暴露出部分之n型半導體層為止；然後，分別於n型半導體層之暴露部分以及p型半導體層上形成歐姆接觸的n型電極與p型電極，進而製作出發光二極體；其中，發光層為多重量子井結構(MQW)，而多重量子井結構包括以重複的方式交替設置的量子井層(well)和量子阻障層(barrier)，因為量子井層具有相對量子阻障層較低之能隙，使得在上述多重量子井結構中的每一個量子井層可以在量子力學上限制電子和電洞，造成電子和電洞分別從n型半導體層和p型半導體層注入，並在量子井層中結合，而發射出光子。

然，上述之發光二極體因諸多因素(例如：電流壅塞(currentcrowding)、差排缺陷(dislocation)等)，進而影響其發光效率；也因此，近幾年已發展出許多技術，例如使用銦錫氧化物(Indium Tin Oxide；ITO)當透明電極、採用覆晶結構(flip-chip)、利用圖形化(PSS)的藍寶石基板，以及使用電流阻擋層(cur rent block layer；CBL)等；其中一種改善n型、p型電極歐姆接觸之方法，係利用超晶格(super lattices)結構，超晶格結構由數對交互堆疊之寬能隙半導體材料層以及窄能隙半導體材料層所構成，其中，寬能隙半導體材料層與窄能隙半導體材料層之材質可例如氮化鋁鎵/氮化鎵(AlGaN/GaN)或氮化銦鎵/氮化鎵(InGaN/GaN)來降低透明電極與發光二極體元件之間的接觸電阻；而上述之InGaN/GaN超晶格結構亦可被配置於n型半導體層與發光層之間，藉以減小由於n型半導體層與發光層之晶格不匹配所產生之殘餘應力；請參閱本申請人於2012年11月19日向 鈞局提出發明專利，經編列為申請案號第101143115號『氮化物半導體結構及半導體發光元件』，其中所揭露於發光層與n型載子阻隔層間配置一超晶格層，以緩衝發光層與n型載子阻隔層之晶格差異，降低其差排密度；一般而言，上述之InGaN/GaN超晶格結構包含有5~50的週期(亦即5~50對的InGaN/GaN)，且一對InGaN/GaN的厚度約1~5奈米；然，於實際磊晶成長時，因超晶格結構厚度太薄(為奈米等級)，且成長層數過多，不僅使得InGaN/GaN的組成比例需經常調整，易導致缺陷(pits)密度過高的問題，難以有效地掌控發光二極體的品質，進而影響發光二極體的發光效率。

今，發明人即是鑑於上述現有之氮化物發光二極體在實際實施上仍具有多處之缺失，於是乃一本孜孜不倦之精神，並藉由其豐富之專業知識及多年之實務經驗所輔佐，而加以改善，並據此研創出本發明。

本發明主要目的為提供一種氮化物半導體結構，係於發光層與n型半導體層間配置有一次微米等級厚度之應力釋放層，其係以較少堆疊層數的應力釋放層有效地減小因晶格不匹配所產生之殘餘應力與磊晶缺陷，且具次微米厚度之應力釋放層更使得於磊晶過程中，能精確地控制In_xGa_1-xN層及In_yGa_1-yN層的組成比例，以有效地掌控發光二極體的品質。

本發明另提供一種半導體發光元件，係至少包含有上述之氮化物半導體結構。

為了達到上述實施目的，本發明人乃研擬如下實施技術，其氮化物半導體結構包含一n型半導體層、發光層與一p型半導體層，且於發光層與一n型半導體層間配置有一次微米等級厚度(較佳為0.1~0.5微米之間)之應力釋放層，該應力釋放層係以不超過8對彼此交替堆疊之In_xGa_1-xN層及In_yGa_1-yN層所構成，其中x及y係滿足0<x<1、0<y<1、x<y之數值；再者，應力釋放層較佳係具有3~5對之In_xGa_1-xN層及In_yGa_1-yN層，更佳 係包含有重複堆疊之3對In_xGa_1-xN層及In_yGa_1-yN層；此外，於應力釋放層中含銦量較低之In_xGa_1-xN層其厚度大於含銦量較高In_yGa_1-yN層的厚度，更佳者係In_xGa_1-xN層的厚度為In_yGa_1-yN層厚度的2倍以上；藉此，以In_xGa_1-xN層及In_yGa_1-yN層彼此交替堆疊所構成具次微米等級厚度的應力釋放層與習知之超晶格層相較下，係具有層數較少、厚度較厚的特性，使得本發明之氮化物半導體結構能以較少堆疊層數的應力釋放層有效地減小因晶格不匹配所產生之殘餘應力，且應力釋放層均由氮化銦鎵所構成，相較於習知使用氮化銦鎵與氮化鎵組合而成的超晶格結構，可使得磊晶結構之界面差排缺陷密度降低，同時具次微米厚度之應力釋放層於磊晶過程中，能更精確地控制In_xGa_1-xN層及In_yGa_1-yN層的組成比例，以有效地掌控發光二極體的品質，進而提升發光二極體的效能。

在本發明的一實施例中，應力釋放層中含銦量較低之In_xGa_1-xN層係摻雜有濃度介於5x10¹⁶~5x10¹⁸cm^-3的n型摻質；藉此，可增加氮化物半導體之結晶性及導電性。

在本發明的一實施例中，可於p型半導體層與發光層間進一步可配置有一p型載子阻隔層，p型載子阻隔層為氮化鋁銦鎵Al_wln_vGa_1-w-vN，其中w、v係滿足0<w< 1、0<v<1、0<w+v<1之數值，較佳者為0<w≦0.4、0<v≦0.2，使得載子可侷限於量子井層中，以提高電子電洞覆合的機率，增加發光效率，進而達到半導體發光元件亮度提升之功效。

此外，本發明另提出一種半導體發光元件，係至少包含如上述之氮化物半導體結構，一基板以及二相配合地提供電能之n型電極與p型電極；藉此，具次微米等級厚度的應力釋放層減小其磊晶時因晶格不匹配所產生之殘餘應力，以降低磊晶結構之界面差排缺陷密度，同時具次微米厚度之特性更能精確地控制In_xGa_1-xN層及In_yGa_1-yN層的組成比例，以有效地掌控發光二極體的品質；再者，由於壓縮應力的減少更可減低發光層之井層受到壓縮應力的影響，使得於井層內的電子和電洞在空間上更為聚集，有效地將電子電洞侷限於每一個井層內，藉以提升內部量子效率；同時，亦能增強相鄰的GaN阻障層和InGaN井層間的界面特性，改善界面處之載子損耗，以增加內部量子效率，使得半導體發光元件可獲得良好之發光效率。

在本發明的一實施例中，可於基板與n型半導體層間配置有一緩衝層，緩衝層係由化學式氮化鋁鎵Al_zGa_1-zN表示之材料所構成，其中0<z<1，用以解決因基板與n型半導體層間因晶格差異所產生之磊晶差排現象。

(1)‧‧‧基板

(2)‧‧‧緩衝層

(3)‧‧‧n型半導體層

(31)‧‧‧n型電極

(4)‧‧‧應力釋放層

(41)‧‧‧In_xGa_1-xN層

(42)‧‧‧In_yGa_1-yN層

(5)‧‧‧發光層

(51)‧‧‧阻障層

(52)‧‧‧井層

(6)‧‧‧p型載子阻隔層

(7)‧‧‧p型半導體層

(71)‧‧‧p型電極

第一圖：本發明氮化物半導體結構其一較佳實施例之剖面示意圖

第二圖：根據本發明其一較佳實施例所製作之半導體發光元件剖面示意圖

本發明之目的及其結構設計功能上的優點，將依據以下圖面所示之較佳實施例予以說明，俾使審查委員能對本發明有更深入且具體之瞭解。

首先，在以下實施例的描述中，為了清楚起見，誇大了圖式疊層與區域的厚度，且應當理解當指出一層(或膜)或一結構配置在另一個基板、另一層(或膜)、或另一結構“上”或“下”時，其可“直接”位於其他基板、層(或膜)、或另一結構，亦或者兩者間具有一個以上的中間層以“間接”方式配置，審查委員可參照附圖說明每一層所在位置。

請參閱第一圖所示，為本發明氮化物半導體結構其一較佳實施例之剖面示意圖，包含一n型半導體層(3)、發光層(5)與一p型半導體層(7)，且於發光層(5)與n型半導體層(3)間配置有一次微米等級厚度之應力釋放層(4)，該應力釋放層(4)係以不超過8對彼此交替堆疊之In_xG a_1-xN層(41)及In_yGa_1-yN層(42)所構成，其中x及y係滿足0<x<1、0<y<1、x<y之數值；再者，應力釋放層(4)較佳係具有3~5對之In_xGa_1-xN層(41)及In_yGa_1-yN層(42)，更佳係包含有重複堆疊之3對In_xGa_1-xN層(41)及In_yGa_1-yN層(42)，於一具體實施例中，應力釋放層(4)較佳係以3對之In_0．1Ga_0．9N層及In_0．3Ga_0．7N層所構成。

此外，於磊晶成長過程中，應力釋放層(4)之總厚度介於0.1~0.5微米之間，而應力釋放層(4)中含銦量較低之In_xGa_1-xN層(41)的厚度大於含銦量較高In_yGa_1-yN層(42)的厚度，較佳地，In_xGa_1-xN層(41)的厚度為In_yGa_1-yN層(42)厚度的2倍以上；藉此，以較少堆疊層數的應力釋放層(4)可有效地減小因晶格不匹配所產生之殘餘應力，使得磊晶結構之界面差排缺陷密度降低，且具次微米(0.1~0.5μm)厚度之應力釋放層(4)於磊晶過程中，能更精確地控制In_xGa_1-xN層(41)及In_yGa_1-yN層(42)的組成比例，以有效地掌控發光二極體的品質，進而提升發光二極體的效能。

再者，應力釋放層(4)中含銦量較低之In_xGa_1-xN層(41)可摻雜有濃度介於5x10¹⁶~5x10¹⁸cm ^-3的n型摻質(如矽)，藉此增加氮化物半導體之結晶性及導電性。

更進一步地，可於p型半導體層(7)與發光層(5)間配置有一p型載子阻隔層(6)，p型載子阻隔層(6)為氮化鋁銦鎵Al_wln_vGa_1-w-vN，其中w、v係滿足0<w<1、0<v<1、0<w+v<1之數值，較佳者為0<w≦0.4、0<v≦0.2，p型載子阻隔層(6)可令電子侷限於量子井層中，以提高電子電洞覆合的機率，增加發光效率，進而達到氮化物半導體亮度提升之功效。

根據上述實施例之氮化物半導體結構於實際實施使用時，n型半導體層(3)之材料可例如為矽摻雜之氮化鎵系列材料，而p型半導體層(7)之材料可例如為鎂摻雜之氮化鎵系列材料，發光層(5)之多重量子井結構可分別例如但不限定由InGaN及GaN形成之井層(52)與阻障層(51)：藉此，以In_xGa_1-xN層(41)及In_yGa_1-yN層(42)彼此交替堆疊所構成具次微米等級厚度的應力釋放層(4)與習知之超晶格層相較下，具有層數較少、厚度較厚的特性，因此藉由本發明之應力釋放層(4)不僅可減小因晶格不匹配所產生之殘餘應力，以降低磊晶結構之界面差排缺陷密度，同時更能精確地控制In_xGa_1-xN層(41)及In_yGa_1-yN層(42)的組成比例，有效地掌控發光二極體 的品質；此外，由於壓縮應力的減少更可減低發光層(5)之井層(52)受到壓縮應力的影響，使得於井層(52)內的電子和電洞在空間上更為聚集，有效地將電子電洞侷限於每一個井層(52)內，藉以提升內部量子效率；再者，亦能增強相鄰的GaN阻障層(51)和InGaN井層(52)間的界面特性，改善界面處之載子損耗，以增加內部量子效率。

請參閱第二圖所示，上述之氮化物半導體結構可應用於半導體發光元件中，第二圖為根據本發明其一較佳實施例所製作之半導體發光元件剖面示意圖，該半導體發光元件至少包含有：一基板(1)；一n型半導體層(3)，係配置於基板(1)上；其中，n型半導體層(3)之材料可例如為矽摻雜之氮化鎵系列材料；一發光層(5)，係配置於n型半導體層(3)上，發光層(5)具有多重量子井結構，且多重量子井結構包含複數個彼此交替堆疊之井層(52)及阻障層(51)，且每兩層阻障層(51)間係具有一井層(52)；其中，井層(52)與阻障層(51)可分別由InGaN及GaN所形成，藉以使電子及電洞更容易侷限於井層(52)中，以增加電子電洞覆合機率，提升內部量子效率： 一應力釋放層(4)，係配置於發光層(5)與n型半導體層(3)間，且應力釋放層(4)係以不超過8對彼此交替堆疊之In_xGa_1-xN層(41)及In_yGa_1-yN層(42)所構成，其中x及y係滿足0<x<1、0<y<1、x<y之數值；此外，應力釋放層(4)較佳係具有3~5對之In_xGa_1-xN層(41)及In_yGa_1-yN層(42)，且In_xGa_1-xN層(41)的厚度為In_yGa_1-yN層(42)厚度的2倍以上，且應力釋放層(4)之總厚度介於0.1~0.5微米之間；一p型半導體層(7)，係配置於發光層(5)上；其中，p型半導體層(7)之材料可例如為鎂摻雜之氮化鎵系列材料；一n型電極(31)，係以歐姆接觸配置於n型半導體層(3)上；以及一p型電極(71)，係以歐姆接觸配置於p型半導體層(7)上；其中，n型電極(31)與p型電極(71)係相配合地提供電能，且可以下列材料、但不僅限於這些材料所製成：鈦、鋁、金、鉻、鎳、鉑及其合金等；其製程方法已為習知技藝中眾所皆知之知識，且並非本發明之重點，因此，不再本發明中加以贅述。

此外，基板(1)與n型半導體層(3)間配置有一緩衝層(2)，緩衝層(2)係由化學式氮化鋁鎵Al_zGa_1-zN表示之材料所構成，其中0<z<1，用以解決因基板(1)與n型半導體層(3)間因晶格差異所產生之磊晶差排現象；再者，p型半導體層(7)與發光層(5)間進一步可配置有一p型載子阻隔層(6)，p型載子阻隔層(6)由化學式氮化鋁銦鎵Al_wln_vGa_1-w-vN，其中w及v係滿足0<w≦0.4、0<v≦0.2之數值，以使得載子可侷限於量子井層(52)中，以提高電子電洞覆合的機率，增加發光效率，進而達到半導體發光元件亮度提升之功效。

藉此，本發明之半導體發光元件藉由In_xGa_1-xN層(41)及In_yGa_1-yN層(42)彼此交替堆疊所構成具次微米等級厚度的應力釋放層(4)，其具有層數較少、厚度較厚的特性，不僅可減小應力釋放層(4)磊晶時因晶格不匹配所產生之殘餘應力，以降低磊晶結構之界面差排缺陷密度，同時更能精確地控制In_xGa_1-xN層(41)及In_yGa_1-yN層(42)的組成比例，以有效地掌控發光二極體的品質；此外，因壓縮應力的減少亦可增強相鄰阻障層(51)和井層(52)之間的界面特性，改善界面處之載子損耗，藉以增加內部量子效率，使得半導體發光元件可獲得良好之發光效率。

綜上所述，本發明之具應力釋放層之氮化物半導體結構及半導體發光元件，的確能藉由上述所揭露之實施例，達到所預期之使用功效，且本發明亦未曾公開於申請前，誠已完全符合專利法之規定與要求。爰依法提出發明專利之申請，懇請惠予審查，並賜准專利，則實感德便。

惟，上述所揭之圖示及說明，僅為本發明之較佳實施例，非為限定本發明之保護範圍；大凡熟悉該項技藝之人士，其所依本發明之特徵範疇，所作之其它等效變化或修飾，皆應視為不脫離本發明之設計範疇。

(1)‧‧‧基板

(2)‧‧‧緩衝層

(3)‧‧‧n型半導體層

(4)‧‧‧應力釋放層

(41)‧‧‧In_xGa_1-xN層

(42)‧‧‧In_yGa_1-yN層

(5)‧‧‧發光層

(51)‧‧‧阻障層

(52)‧‧‧井層

(6)‧‧‧p型載子阻隔層

(7)‧‧‧p型半導體層

Claims (8)

1. 一種氮化物半導體結構，包含一n型半導體層、發光層與一p型半導體層，於該發光層與該n型半導體層間配置有一次微米等級厚度之應力釋放層，該應力釋放層係以不超過8對彼此交替堆疊之In_xGa_1-xN層及In_yGa_1-yN層所構成，其中x及y係滿足0<x<1、0<y<1、x<y之數值，且該p型半導體層與該發光層間進一步配置有一p型載子阻隔層，該p型載子阻隔層為氮化鋁銦鎵Al_wln_vGa_1-w-vN，其中w及v係滿足0<w≦0.4、0<v≦0.2之數值。
2. 如申請專利範圍第1項所述之氮化物半導體結構，其中該應力釋放層係具有3~5對之In_xGa_1-xN層及In_yGa_1-yN層。
3. 如申請專利範圍第1項所述之氮化物半導體結構，其中該應力釋放層之In_xGa_1-xN層的厚度係大於該In_yGa_1-yN層的厚度。
4. 如申請專利範圍第1項所述之氮化物半導體結構，其中該應力釋放層之In_xGa_1-xN層的厚度為該In_yGa_1-yN層的厚度的2倍以上。
5. 如申請專利範圍第1項所述之氮化物半導體結構，其中該應力釋放層之總厚度介於0.1~0.5微米之間。
6. 如申請專利範圍第1項所述之氮化物半導體結構，其中該應力釋放層之In_xGa_1-xN層係摻雜有濃度介於5x10¹⁶~5x10¹⁸cm^-3的n型摻質。
7. 一種半導體發光元件，其至少包含有：一基板；一n型半導體層，係配置於該基板上；一發光層，係配置於該n型半導體層上，該發光層具有多重量子井結構，且該多重量子井結構包含複數個彼此交替堆疊之井層及阻障層，且每兩該阻障層間係具有一該井層；一應力釋放層，係配置於該發光層與該n型半導體層間，該應力釋放層係以不超過8對彼此交替堆疊之In_xGa_1-xN層及In_yGa_1-yN層所構成，其中x及y係滿足0<x<1、0<y<1、x<y之數值；一p型半導體層，係配置於該發光層上；一n型電極，係以歐姆接觸配置於該n型半導體層上；以及一p型電極，係以歐姆接觸配置於該p型半導體層上，其中該p型半 導體層與該發光層間進一步配置有一p型載子阻隔層，該p型載子阻隔層為氮化鋁銦鎵Al_wln_vGa_1-w-vN，其中w及v係滿足0<w≦0.4、0<v≦0.2之數值。
8. 如申請專利範圍第7項所述之半導體發光元件，其中該n型半導體層與該基板間配置有一緩衝層，該緩衝層為氮化鋁鎵Al_zGa_1-zN，其中0<z<1。