TWI528582B - 發光結構及包含其之半導體發光元件 - Google Patents

發光結構及包含其之半導體發光元件 Download PDF

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Description

發光結構及包含其之半導體發光元件
本發明係相關於一種發光結構，尤指一種具有應力調節層之發光結構。
由於發光二極體(light emitting device,LED)具有壽命長、體積小及耗電量低等優點，發光二極體已被廣泛地應用於各種照明裝置及顯示裝置中。一般而言，發光二極體之結構包含一N型半導體層，一P型半導體層，以及一發光層。發光層係以兩種特定材料以成對方式相互堆疊，以進一步形成於N型半導體層上。
然而，在習知發光二極體之發光結構中，發光層因其材料之原子排列方向及粒徑大小與n型半導體層差異太大而使得堆疊材料之表面結構不平整或是形成差排，進而造成發光層內部有應力殘留。上述殘留應力之現象易使發光結構產生缺陷，將嚴重影響發光二極體之發光效率以及生產良率。
本發明之目的在於提供一種具有應力調節層之發光結構，以解決先前技術的問題。
本發明發光結構包含一N型半導體層，一P型半導體層，一發光層，以及一應力調節層。該發光層係形成於該N型半導體層及該P型半導體 層之間。該應力調節層係形成於該N型半導體層及該發光層之間，該應力調節層係由複數對AlxIn(1-x)GaN層與AlyIn(1-y)GaN層堆疊而成，其中0<x<1，0≦y<1，且該應力調節層的厚度介於50奈米到500奈米之間，且x≠y。
本發明另提供一種半導體發光元件，包含一基板，一發光結構，一N型電極，以及一P型電極。該發光結構係設置於該基板上。該發光結構包含一N型半導體層，一P型半導體層，一發光層，以及一應力調節層。該發光層係形成於該N型半導體層及該P型半導體層之間。該應力調節層係形成於該N型半導體層及該發光層之間，該應力調節層係由複數對AlxIn(1-x)GaN層與AlyIn(1-y)GaN層堆疊而成，其中0<x<1，0≦y<1，且該應力調節層的厚度介於50奈米到500奈米之間，且x≠y。該N型電極係設置於該N型半導體層上。該P型電極係設置於該P型半導體層上。
相較於先前技術，本發明發光結構及半導體發光元件具有應力調節層用以改善發光層生長時的表面平整度，以及調節發光層生長時產生的應力，因此本發明發光結構及半導體發光元件具有較佳的發光效率及生產良率。
10‧‧‧基板
100,200‧‧‧發光結構
110‧‧‧N型半導體層
120‧‧‧應力調節層
122‧‧‧AlxIn(1-x)GaN層
124‧‧‧AlyIn(1-y)GaN層
130‧‧‧發光層
132‧‧‧InmGa(1-m)N層
134‧‧‧InnGa(1-n)N層
140‧‧‧P型半導體層
210‧‧‧N型AlGaN層
300‧‧‧半導體發光元件
310‧‧‧N型電極
320‧‧‧P型電極
第1圖為本發明發光結構之形成步驟的示意圖。
第2圖為本發明發光結構之形成步驟的示意圖。
第3圖為本發明發光結構之形成步驟的示意圖。
第4圖為本發明發光結構之形成步驟的示意圖。
第5圖為本發明發光結構之另一實施例的示意圖。
第6圖為本發明半導體發光元件的示意圖。
請同時參考第1圖至第4圖，第1圖至第4圖為本發明發光結構之形成步驟的示意圖。如第1圖所示，一N型半導體層110係先形成於一基板10上。在本實施例中，N型半導體層110係N型GaN半導體層。在形成N型半導體層110之後，如第2圖所示，一應力調節層120形成於N型半導體層110上。應力調節層120係由複數對AlxIn(1-x)GaN層122與AlyIn(1-y)GaN層124堆疊而成，其中0<x<1，0≦y<1，x≠y，且應力調節層120的總厚度係介於50奈米到500奈米之間。在形成應力調節層120之後，如第3圖所示，發光層130從應力調節層120之最上層之AlyIn(1-y)GaN層的表面開始生長。發光層130係由複數對InmGa(1-m)N層132與InnGa(1-n)N層134堆疊而成，其中m>n，且n≧0，同一對InmGa(1-m)N層132與InnGa(1-n)N層134中，InmGa(1-m)N層132相對靠近應力調節層120。另外，在應力調節層120之同一對AlxIn(1-x)GaN層122與AlyIn(1-y)GaN層124中，AlxIn(1-x)GaN層122相對靠近N型半導體層110，而AlyIn(1-y)GaN層124相對靠近發光層130，同一對AlxIn(1-x)GaN層122與AlyIn(1-y)GaN層124中，y<x，也就是鋁濃度較高的AlxIn(1-x)GaN層122較靠近N型半導體層110，較佳地，0<y<x<1，當應力調節層120都由氮化鋁銦鎵所組成時，由於組成原子成份相近，AlxIn(1-x)GaN層122與AlyIn(1-y)GaN層124之間晶格較為匹配，堆疊後產生的應力較小，會減少晶格不匹配所產生的殘餘應力及磊晶缺陷。在形成發光層130之後，如第4圖所示，一P型半導體層140形成於發光層130上。在本實施例中，P型半導體層140係P型GaN半導體層。如此，即形成包含N型半導體層110，P型半導體層140，發光層130，以及應力調節層120之發光結構100。
依據上述配置，由於應力調節層120係由四元材料AlxIn(1-x)GaN與AlyIn(1-y)GaN所形成，AlxIn(1-x)GaN與AlyIn(1-y)GaN間應力作用較小，因此當發光層130於應力調節層120上生長時，發光層130生長時產生的應力可以被應力調節層120所調節，進而改善發光結構之發光效率及生產良率。
在上述實施例中，應力調節層120的厚度介於50奈米到500奈米之間，且由3至30對AlxIn(1-x)GaN層122與AlyIn(1-y)GaN層124堆疊而成，當應力調節層120的厚度落在這個範圍內時，可使得磊晶過程中較能精確地控制組成比例，且成長於應力調節層120上的發光層130的平整度較佳，若應力調節層120的厚度太厚，電子傳遞路徑變長，會增加電子被缺陷侷限的機率，不但影響發光效率，且還會增加應力堆積。較佳地，應力調節層120的厚度介於150奈米到200奈米之間，AlxIn(1-x)GaN層122與AlyIn(1-y)GaN層124的對數約是15對至20對，如此可與發光層130有較佳的搭配。AlxIn(1-x)GaN層122與AlyIn(1-y)GaN層124的厚度比例係介於2到4之間。而每一對AlxIn(1-x)GaN層122與AlyIn(1-y)GaN層124的厚度係介於2奈米到15奈米之間，如此應力調節層120可提供較佳的應力調節效果，舉例來說，AlxIn(1-x)GaN層122的厚度可以是7.5奈米，AlyIn(1-y)GaN層124的厚度可以是2.5奈米，這樣的比例可對發光層130有較佳的應力調節效果。另外，AlxIn(1-x)GaN層122與AlyIn(1-y)GaN層124的矽摻雜濃度係介於1×1017到3×1018cm-3之間，以增加應力調節層的結晶性與導電性。
請參考第5圖，第5圖為本發明發光結構之另一實施例的示意圖。如第5圖所示，本發明發光結構200可另包含一N型AlGaN層210形成於N型半導體層110及應力調節層120之間，用以作為電洞阻擋層，且N型AlGaN層210的能隙大於最靠近N型半導體層110的AlxIn(1-x)GaN層122的能隙，本發明之發光結構200還可包含一P型AlGaN層(未繪示)形成於P型半導體層140及發光層130之間，用以作為電子阻擋層，且P型AlGaN層的能隙大於最靠近P型半導體層140的InnGa(1-n)N層134的能隙，電子阻擋層與電洞阻擋層的用意在於把電子與電洞侷限於發光層130內，增加電子電洞結合的機率，提高出光效率。另外，當加上N型AlGaN層210於N型半導體層110 及應力調節層120之間時，由於應力調節層120具有Al原子，因此也將在N型AlGaN層210及發光層130間產生應力緩衝的效果，晶格成長時較不易有缺陷產生。
請參考第6圖，第6圖為本發明半導體發光元件的示意圖。如第6圖所示，本發明半導體發光元件300包含一基板10，一發光結構100，一N型電極310，以及一P型電極320。第6圖之發光結構可以係相同於第4圖或第5圖之發光結構。在第6圖之實施例中，第6圖之發光結構100係相同於第4圖之發光結構100。N型電極310係設置於N型半導體層110上。P型電極320係設置於P型半導體層140上。當提供電力於N型電極310及P型電極320之間時，本發明半導體發光元件300即可發光。
相似地，當形成本發明半導體發光元件300時，應力調節層120具有較佳的表面平整度，因此當發光層130於應力調節層120上生長時，發光層130生長時產生的應力可以被應力調節層120所調節，進而改善本發明半導體發光元件300之發光效率及生產良率。
相較於先前技術，本發明發光結構及半導體發光元件具有應力調節層用以改善發光層生長時的表面平整度，以及調節發光層生長時產生的應力，因此本發明發光結構及半導體發光元件具有較佳的發光效率及生產良率。
10‧‧‧基板
100‧‧‧發光結構
110‧‧‧N型半導體層
120‧‧‧應力調節層
122‧‧‧AlxIn(1-x)GaN層
124‧‧‧AlyIn(1-y)GaN層
130‧‧‧發光層
132‧‧‧InmGa(1-m)N層
134‧‧‧InnGa(1-n)N層
140‧‧‧P型半導體層

Claims (25)

  1. 一種發光結構，包含：一N型半導體層；一P型半導體層；一發光層，形成於該N型半導體層及該P型半導體層之間；以及一應力調節層，形成於該N型半導體層及該發光層之間，該應力調節層係由複數對AlxIn(1-x)GaN層與AlyIn(1-y)GaN層堆疊而成，其中0<x<1，0≦y<1，且該應力調節層的厚度介於50奈米到500奈米之間，且x≠y，其中每一對該AlxIn(1-x)GaN層與該AlyIn(1-y)GaN層的厚度介於2奈米到15奈米之間。
  2. 如請求項1所述之發光結構，其中該發光層係由複數對InmGa(1-m)N層與InnGa(1-n)N層堆疊而成，其中m>n，且n≧0。
  3. 如請求項1所述之發光結構，其中該應力調節層係由3至30對AlxIn(1-x)GaN層與AlyIn(1-y)GaN層堆疊而成。
  4. 如請求項1所述之發光結構，其中，同一對該AlxIn(1-x)GaN層與該AlyIn(1-y)GaN層中，該AlxIn(1-x)GaN層相對靠近該N型半導體層，該AlyIn(1-y)GaN層相對靠近該發光層，且x>y。
  5. 如請求項4所述之發光結構，其中該AlxIn(1-x)GaN層與該AlyIn(1-y)GaN層中，0<y<x<1。
  6. 如請求項5所述之發光結構，其中該AlxIn(1-x)GaN層與該AlyIn(1-y)GaN層的厚度比例介於2到4之間。
  7. 如請求項1所述之發光結構，其中該AlxIn(1-x)GaN層與該AlyIn(1-y)GaN層的矽摻雜濃度介於1×1017到3×1018cm-3之間。
  8. 一種半導體發光元件，包含：一基板；一如請求項1所述之發光結構，設置於該基板上；一N型電極，設置於該N型半導體層上；以及一P型電極，設置於該P型半導體層上。
  9. 一種發光結構，包含：一N型半導體層；一P型半導體層；一發光層，形成於該N型半導體層及該P型半導體層之間；一應力調節層，形成於該N型半導體層及該發光層之間，該應力調節層係由複數對第一氮化鎵系層與第二氮化鎵系層堆疊而成，其中每一對中的該第一氮化鎵系層包含銦；以及一N型氮化鎵系載子阻擋層，形成於該N型半導體層及該應力調節層之間，該N型氮化鎵系載子阻擋層包含鋁。
  10. 一種發光結構，包含：一N型半導體層；一P型半導體層；一發光層，形成於該N型半導體層及該P型半導體層之間；一應力調節層，形成於該N型半導體層及該發光層之間，該應力調節層係由複數對第一氮化鎵系層與第二氮化鎵系層堆疊而成，其中 每一對中的該第一氮化鎵系層包含銦；以及一P型氮化鎵系載子阻擋層，形成於該P型半導體層及該發光層之間，該P型氮化鎵系載子阻擋層包含鋁。
  11. 一種發光結構，包含：一N型半導體層；一P型半導體層；一發光層，形成於該N型半導體層及該P型半導體層之間；一應力調節層，形成於該N型半導體層及該發光層之間，該應力調節層係由複數對第一氮化鎵層與第二氮化鎵層堆疊而成，其中每一對中的該第一氮化鎵層包含銦；以及一P型氮化鎵系載子阻擋層，形成於該P型半導體層及該發光層之間，該P型氮化鎵系載子阻擋層包含鋁，其中，該發光層係由複數對第三氮化鎵系層與第四氮化鎵系層堆疊而成，其中每一對中的該第三氮化鎵系層包含銦。
  12. 一種發光結構，包含：一N型半導體層；一P型半導體層；一發光層，形成於該N型半導體層及該P型半導體層之間；以及一應力調節層，形成於該N型半導體層及該發光層之間，該應力調節層係由複數對第一氮化鎵系層與第二氮化鎵系層堆疊而成，其中每一對中的該第一氮化鎵系層包含銦，且該應力調節層的厚度介於50奈米到500奈米之間，其中，至少一對該第一氮化鎵系層與該第二氮化鎵系層的一矽摻雜濃度介於1×1017到3×1018cm-3之間。
  13. 一種發光結構，包含：一N型半導體層；一P型半導體層；一發光層，形成於該N型半導體層及該P型半導體層之間；以及一應力調節層，形成於該N型半導體層及該發光層之間，該應力調節層係由複數對第一氮化鎵系層與第二氮化鎵系層堆疊而成，其中每一對中的該第一氮化鎵系層包含銦，且至少一對中該第一氮化鎵系層與該第二氮化鎵系層的厚度比例介於2到4之間。
  14. 一種發光結構，包含：一N型半導體層；一P型半導體層；一發光層，形成於該N型半導體層及該P型半導體層之間；以及一應力調節層，形成於該N型半導體層及該發光層之間，該應力調節層係由複數對第一氮化鎵系層與第二氮化鎵系層堆疊而成，其中每一對中的該第一氮化鎵系層和該第二氮化鎵系層分別包含鋁和銦，且該第一氮化鎵系層和該第二氮化鎵系層中鋁含量較高者較靠近該N型半導體層。
  15. 一種發光結構，包含：一N型半導體層；一P型半導體層；一發光層，形成於該N型半導體層及該P型半導體層之間；一應力調節層，形成於該N型半導體層及該發光層之間，該應力調節層係由複數對第一氮化鎵系層與第二氮化鎵系層堆疊而成，其中 每一對中的該第一氮化鎵系層包含銦；以及一N型氮化鎵系層，形成於該N型半導體層及該應力調節層之間，該N型氮化鎵系層包含鋁。
  16. 一種發光結構，包含：一N型半導體層；一P型半導體層；一發光層，形成於該N型半導體層及該P型半導體層之間；一應力調節層，形成於該N型半導體層及該發光層之間，該應力調節層係由複數對第一氮化鎵系層與第二氮化鎵系層堆疊而成，其中每一對中的該第一氮化鎵系層包含銦；以及一P型氮化鎵系層，形成於該P型半導體層及該應力調節層之間，該P型氮化鎵系層包含鋁。
  17. 如請求項9、10、11、12、13、14、15或16所述之發光結構，其中該應力調節層係由3至30對該第一氮化鎵系層與該第二氮化鎵系層堆疊而成。
  18. 如請求項17所述之發光結構，其中該應力調節層係由15至20對該第一氮化鎵系層與該第二氮化鎵系層堆疊而成。
  19. 如請求項9、10、11、12、13、14、15或16所述之發光結構，其中每一對該第一氮化鎵系層與該第二氮化鎵系層的厚度介於2奈米到15奈米之間。
  20. 如請求項9、10、11、13、14、15或16所述之發光結構，其該應力調節層的厚度介於50奈米到500奈米之間。
  21. 如請求項13所述之發光結構，其該應力調節層的厚度介於150奈米到200 奈米之間。
  22. 如請求項20所述之發光結構，其該應力調節層的厚度介於150奈米到200奈米之間。
  23. 如請求項9、10、11、13、14、15或16所述之發光結構，其中至少一對該第一氮化鎵系層與該第二氮化鎵系層的一矽摻雜濃度介於1×1017到3×1018cm-3之間。
  24. 如請求項9、12、13、14或15所述之發光結構，更包含一P型氮化鎵系載子阻擋層，形成於該P型半導體層及該發光層之間，該P型氮化鎵系載子阻擋層包含鋁。
  25. 如請求項10、11、12、13、14或16所述之發光結構，更包含一N型氮化鎵系載子阻擋層，形成於該N型半導體層及該應力調節層之間，該N型氮化鎵系載子阻擋層包含鋁。
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