TWI559571B

TWI559571B - 氮化物半導體結構及半導體發光元件

Info

Publication number: TWI559571B
Application number: TW104128296A
Authority: TW
Inventors: 王信介; 李玉柱; 吳俊德; 林京亮; 李允立
Original assignee: 新世紀光電股份有限公司
Priority date: 2012-12-27
Filing date: 2012-12-27
Publication date: 2016-11-21
Also published as: TW201545374A

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InxGa1-xN層及InyGa1-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(c urrentcrowding)、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(current 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(s uper 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。

本發明提供一種氮化物半導體結構，其包括一n型半導體層；一p型半導體層；一發光層，配置於n型半導體層與p型半導體層之間；一n型應力釋放層，配置於發光層與n型半導體層之間，n型應力釋放層的厚度為次微米等級，n型應力釋放層包括不超過8個具有高峰銦含量的氮化銦鎵系層；以及一p型氮化鋁銦鎵系(AlInGaN based)載子阻隔層，配置於發光層與p型半導體層之間。

本發明提供一種氮化物半導體結構，其包括一n型半導體層、一p型半導體層、一配置於該n型半導體層與該p型半導體層之間的發光層、一n型應力釋放層及一p型載子阻隔層。該n型應力釋放層配置於該發光層與該n型半導體層之間，該n型應力釋放層為厚度是次微米等級的一含銦的氮化鎵系層，且該n型應力釋放層中的銦含量隨厚度改變而有高低振盪變化。該p型載子阻隔層為一含鋁及含銦的氮化鎵系層，配置於該發光層與該p型半導體層之間。

基於上述，與習知的超晶格層相較，本發明的應力釋放層具有層數較少、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第一氮化銦鎵層/第二氮化銦鎵層的組成比例，進而有效地掌控發光二極體的品質。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

(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)‧‧‧InxGa1-xN層

(42)‧‧‧InyGa1-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

圖1是本發明氮化物半導體結構其一較佳實施例之剖面示意圖。

圖2是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InxGa1-xN層(41)及InyGa1-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InxGa1-xN層(41)及InyGa1-yN層(42)，更佳係包含有重複堆疊之3對InxGa1-xN層(41)及InyGa1-yN層(42)，於一具體實施例中，應力釋放層(4)較佳係以3對之In0．1Ga0．9N層及In0．3Ga0．7N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InxGa1-xN層(41)的厚度大於含銦量較高InyGa1-yN層(42)的厚度，較佳地，InxGa1-xN層(41)的厚度為InyGa1-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InxGa1-xN層(41)及InyGa1-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InxGa1-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AlwlnvGa1-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InxGa1-xN層(41)及InyGa1-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InxGa1-xN層(41)及InyGa1-y N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InxGa1-xN層(41)及InyGa1-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InxGa1-xN層(41)及InyGa1-yN層(42)，且InxGa1-xN層(41)的厚度為InyGa1-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AlzGa1-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AlwlnvGa1-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InxGa1-x N層(41)及InyGa1-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InxGa1-xN層(41)及InyGa1-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。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。