TWI568022B - 半導體堆疊結構 - Google Patents

Description

半導體堆疊結構

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Ｐ型半導體層間配置有一氮化鋁銦鎵Ａｌ_ｘ Ｉｎ_ｙ Ｇａ_{１－ｘ－ｙ} Ｎ的四元載子活性層，藉以提升電洞進入多重量子井結構之效果，同時亦可達到避免電子逃逸進入Ｐ型半導體層之目的，使得電子與電洞結合機率增加，以獲得良好之發光效率者。

近年來，由於磊晶與製程技術的進步，使發光二極體成為極具潛力的固態照明光源之一；其中，以氮化鎵（GaN）為主要製造材料的發光二極體現已成為固態照明（Solid-state lighting，SSL）建造中的重要元件之一；氮化鎵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，且其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，氮化鎵ＬＥＤ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Ｎ型電極與Ｐ型電極，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（ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｒｏｗｄｉｎｇ）、差排缺陷（ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ）等），進而影響其發光效率；理論上，發光二極體之發光效率取決於外部量子效率與其本身的內部量子效率（ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｑｕａｎｔｕｍ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）及光取出效率（ｌｉｇｈｔ－ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）；所謂的內部量子效率係由材料特性及品質所決定，至於光取出效率則是從元件內部發出至周圍空氣之輻射比例，光取出效率係取決於當輻射離開元件內部時所發生的損耗，造成上述損耗的主要原因之一係導因於形成元件之表面層的半導體材料具有高折射係數（ｒｅｆｒａｃｔｉｏｎ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ），導致光在該材料表面產生全反射（ｔｏｔａｌ　ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）而無法發射出去，而若光取出效率提昇，則半導體發光元件的外部量子效率亦隨之提昇；因此，針對提升內部量子效率以及光取出效率，近幾年已發展出許多技術，例如使用銦錫氧化物（Ｉｎｄｉｕｍ　Ｔｉｎ　Ｏｘｉｄｅ；ＩＴＯ）當電流傳輸層、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，於提升內部量子效率之技術中，亦有業者於多重量子井結構與Ｐ型半導體層之間配置有一層高能隙（ｂａｎｄ　ｇａｐ）的Ｐ型載子阻隔層，其又可稱為電子阻擋層（ｅｌｅｃｔｒｏｎ　ｂｌｏｃｋｉｎｇ　ｌａｙｅｒ，ＥＢＬ），進而使得更多的載子被侷限在量子井層中，以提高電子電洞覆合的機率，增加發光效率，進而達到發光二極體亮度提升之功效。

現有之電子阻擋層由具有相當大能隙之Ｐ型ＡｌＧａＮ層形成，藉此防止由Ｎ型半導體層注入之電子溢流至Ｐ型半導體層中，使得電子可有效地限制在量子井層內，以提升發光二極體的內部量子效率；然，Ｐ－ＡｌＧａＮ的電子阻擋層雖具有相當大的能隙以阻擋電子溢流現象，然相對地亦導致電洞注入發光層之效果變差；再者，由於多重量子井結構一般係以ＩｎＧａＮ之量子井層以及ＧａＮ之量子阻障層所形成，而本質上，Ｐ－ＡｌＧａＮ之電子阻擋層和ＧａＮ之量子阻障層具有非常高的晶格錯配，使得ＩｎＧａＮ量子井層因晶格錯配會嚴重地受到壓縮應力的作用，而這種壓縮應力改變了每一個量子井層的能帶結構，從而使在量子井層內的電子和電洞在空間上彼此分開，導致發光二極體的發光效率降低；再者，上述壓縮應力亦會劣化相鄰的ＧａＮ量子阻障層和ＩｎＧａＮ量子井層之間的界面特性，從而在界面處損失載子，亦影響發光二極體的的發光效率。

今，發明人即是鑑於上述現有之氮化物半導體發光元件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，係藉由於發光層與Ｐ型半導體層間配置一氮化鋁銦鎵Ａｌ_ｘ Ｉｎ_ｙ Ｇａ_{１－ｘ－ｙ} Ｎ的四元載子活性層，以提升電洞進入多重量子井結構之效果，同時亦可達到避免電子逃逸進入Ｐ型半導體層之目的，使得電子與電洞結合機率增加，以獲得良好之發光效率者。

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係包含有一Ｎ型半導體層以及一Ｐ型半導體層，於Ｎ型半導體層與Ｐ型半導體層間配置有一發光層，發光層與Ｐ型半導體層間配置有一四元載子活性層，且四元載子活性層為氮化鋁銦鎵Ａｌ_ｘ Ｉｎ_ｙ Ｇａ_{１－ｘ－ｙ} Ｎ，其中ｘ及ｙ係滿足０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜ｘ＋ｙ＜１之數值（較佳係為０＜ｘ≦０﹒４、０＜ｙ≦０﹒２）；再者，發光層具有多重量子井結構，且多重量子井結構可由氮化銦鎵之井層及氮化鎵之阻障層交替堆疊所形成，且緊鄰於多重量子井結構之最後一井層的四元載子活性層之能隙係大於多重量子井結構之阻障層的能隙，其中四元載子活性層之能隙較佳係高於阻障層的能隙１％～１５％之間；藉此，與習知之Ｐ－ＡｌＧａＮ電子阻擋層相較下，不僅提升電洞進入多重量子井結構之效果，亦同時達到抑制電子逃逸進入Ｐ型半導體層之目的，使得電子與電洞結合機率增加，進一步提升發光效率。

在本發明的一實施例中，四元載子活性層係摻雜有濃度介於１０^１６ ～１０^１９ ｃｍ^－３ 的四族元素（較佳係為碳），藉此利用四族元素取代五價的氮原子，藉此多一個帶正電電洞，使得四元載子活性層可具有高電洞濃度，以提供更多的電洞進入發光層，進而增加電子電洞結合之情況。

在本發明的一實施例中，四元載子活性層係摻雜有濃度大於１０^１８ ｃｍ^－３ 的Ｐ型摻質，且四元載子活性層之厚度介於５０～３００ｎｍ之間；其中Ｐ型摻質可例如為鎂。

另外，在本發明的一實施例中，於發光層與Ｎ型半導體層間亦可配置有一Ｎ型載子阻隔層（例如為Ｎ型氮化鋁鎵等），且Ｎ型載子阻隔層由具有大於發光層之能隙的材料所製成，同理，Ｎ型載子阻隔層由具有高於發光層之能隙的材料所製成，以避免電洞逃逸進入Ｎ型半導體層內，藉以提高電子電洞結合的機率。

本發明另提出一種半導體發光元件，係於一基板上包含如上述之氮化物半導體結構，以及二相配合地提供電能之Ｎ型電極與Ｐ型電極；藉此，控制四元載子活性層中銦的含量，使得四元載子活性層之能隙高於阻障層的能隙，不僅可提升電洞進入多重量子井結構，以及達到抑制電子逃逸進入Ｐ型半導體層之功效，使得電子與電洞結合機率增加，更可作為Ｐ型半導體層與發光層間的緩衝層，藉以改善Ｐ型半導體層與發光層所產生之晶格失配造成晶體品質劣化的問題；此外，藉由四元載子活性層之四族元素摻質可降低因Ｍｇ－Ｈ鍵結所造成的不活化現象，使Ｍｇ活化而具有受體的有效作用，進而使得四元載子活性層具有高電洞濃度，提供更多的電洞進入發光層，增加電子電洞結合之情況，以便半導體發光元件可呈現出足夠低的阻抗，進而獲得更佳之發光效率。

再者，為解決因晶格差異所產生之磊晶差排現象，亦可於基板與Ｎ型半導體層間表面形成有一緩衝層，緩衝層為氮化鋁鎵Ａｌ_ｚ Ｇａ_１－ｚ Ｎ，其中０＜ｚ＜１。

本發明另提出一種半導體堆疊結構，包括：一P型半導體層； 一N型半導體層；一發光層，位於該P型半導體層與該N型半導體層之間；以及一P型氮化鎵系載子活性層，位於該P型半導體層與該發光層之間，該P型氮化鎵系載子活性層的材質包括鋁與銦至少一者且該P型氮化鎵系載子活性層摻雜有碳。

本發明再提出一種半導體堆疊結構，包括：一P型半導體層，其材質包括Al-In-Ga-N，並具有一碳富集層，其中該碳富集層摻雜有P型摻質；一N型半導體層；以及一發光層，位於該P型半導體層與該N型半導體層之間，且該碳富集層位在該P型半導體層的鄰近於該發光層的一側。

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，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較佳實施例之剖面示意圖，係包含有一Ｎ型半導體層（２）以及一Ｐ型半導體層（３），於Ｎ型半導體層（２）與Ｐ型半導體層（３）間配置有一發光層（４）（active layer），發光層（４）與Ｐ型半導體層（３）間配置有一四元載子活性層（５），且四元載子活性層（５）為氮化鋁銦鎵Ａｌ_ｘ Ｉｎ_ｙ Ｇａ_{１－ｘ－ｙ} Ｎ，其中ｘ及ｙ係滿足０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜ｘ＋ｙ＜１之數值；此外，上述之四元載子活性層（５）係摻雜有濃度介於１０^１６ ～１０^１９ ｃｍ^－３ 的四族元素（較佳係為碳）；於本實施例中，Ｎ型半導體層（２）是Ｎ型氮化鎵系半導體層，而Ｐ型半導體層（３）是Ｐ型氮化鎵系半導體層。

再者，上述之四元載子活性層（５）摻雜有濃度大於１０^１８ cm^－３ 的Ｐ型摻質（可例如為鎂），且四元載子活性層（５）之較佳厚度介於５０～３００ｎｍ之間。

此外，上述之發光層（４）具有多重量子井結構；其中，多重量子井結構可由氮化銦鎵之井層（４２）及氮化鎵之阻障層（４１）交替堆疊所形成，且緊鄰於多重量子井結構之最後一井層（４２）的四元載子活性層（５）其能隙係大於多重量子井結構之阻障層（４１）的能隙，其中四元載子活性層（５）之能隙較佳係高於阻障層（４１）的能隙１％～１５％之間；藉此，與習知之Ｐ－ＡｌＧａＮ電子阻擋層相較下，不僅提升電洞進入多重量子井結構之效果，亦同時達到抑制電子逃逸進入Ｐ型半導體層（３）之目的，使得電子與電洞結合機率增加，進一步提升發光效率；另外，於發光層（４）與Ｎ型半導體層（２）間亦可配置有一Ｎ型載子阻隔層（６），且Ｎ型載子阻隔層（６）由具有高於發光層（４）之能隙的材料所製成；於本實施例中，係為Ｎ型氮化鋁鎵（Ｎ－ＡｌＧａＮ），藉此避免電洞逃逸進入Ｎ型半導體層（２）內。

在此值得注意的，由於以Ａｌ_ｘ Ｉｎ_ｙ Ｇａ_{１－ｘ－ｙ} Ｎ材料所形成之四元載子活性層（５）係位於Ｐ型半導體層（３）與發光層（４）之間，藉由控制四元載子活性層（５）中銦的含量，使得四元載子活性層（５）之銦含量係等於或低於多重量子井結構之井層（４２），進而形成能隙大於井層阻障層（４１）能隙１％～１５％的四元載子活性層（５），使得載子可侷限在多重量子井結構之井層（４２）中，以增加電子電洞覆合的機率，進而提升內部量子效率，達到有效增強半導體發光元件發光效率之功效；此外，本發明之四元載子活性層（５）可作為Ｐ型半導體層（３）與發光層（４）間的緩衝層，藉以改善Ｐ型半導體層（３）與發光層（４）所產生之晶格失配造成晶體品質劣化的問題；同時，更可減低井層（４２）受到壓縮應力的影響，使得於井層（４２）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（４２）內，藉以提升內部量子效率；此外，壓縮應力的減少亦增強相鄰的ＧａＮ阻障層（４１）和ＩｎＧａＮ井層（４２）之間的界面特性，以改善界面處之載子損耗，亦可增加內部量子效率。

根據上述實施例之氮化物半導體結構於實際實施使用時，由於四元載子活性層（５）之能隙高於阻障層（４１）的能隙１％～１５％之間，不僅可達到抑制電子溢流之功效，亦能提升電洞注入之效果，使得電子與電洞結合機率增加，進一步提升發光效率；此外，由於四元載子活性層（５）係摻雜有濃度介於１０^１６ ～１０^１９ ｃｍ^－３ 的四族元素，利用四族元素取代五價的氮原子，藉此多一個帶正電電洞，使得四元載子活性層（５）可具有高電洞濃度，上述之四族元素可例如為碳（Ｃ）、矽（Ｓｉ）、鍺（Ｇｅ）、錫（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）等，其中又以碳為較佳，其原因為：在磊晶的過程中，碳會與由氨氣分解出的氫反應並形成穩定的化合物ＣＨ_４ ，而脫離氮化物半導體，故Ｈ的含量降低，也連帶使得Ｍｇ－Ｈ鍵結的情況因此降低，造成Ｍｇ具有離子型態的有效作用，因此，四元載子活性層（５）可具有高電洞濃度，藉此提供更多的電洞進入發光層（４），進而增加電子電洞結合之情況；值得注意的，若四族元素於四元載子活性層（５）中摻雜濃度小於１０^１６ ｃｍ^－３ ，無法具有電洞提供的效果，若四族元素摻雜濃度大於１０^１９ ｃｍ^－３ ，則會產生阻值變高的問題，較佳的摻雜濃度為５×１０^１６ ～５×１０^１８ ｃｍ^－３ 。

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（２），係配置於基板（１）上； 　　一發光層（４），係配置於Ｎ型半導體層（２）上；其中，發光層（４）係具有多重量子井結構，且多重量子井結構可由氮化銦鎵之井層（４２）及氮化鎵之阻障層（４１）交替堆疊所形成，並於每兩阻障層（４１）間係具有一井層（４２）； 　　一四元載子活性層（５），係配置於發光層（４）上，四元載子活性層（５）為氮化鋁銦鎵Ａｌ_ｘ Ｉｎ_ｙ Ｇａ_{１－ｘ－ｙ} Ｎ，其中ｘ及ｙ係滿足０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜ｘ＋ｙ＜１之數值，較佳可為０＜ｘ≦０﹒４、０＜ｙ≦０﹒２；再者，四元載子活性層（５）係摻雜有濃度介於１０^１６ ～１０^１９ ｃｍ^－３ 的四族元素（較佳係為碳）；其中，四元載子活性層（５）之厚度較佳介於５～３００ｎｍ之間，且可摻雜有濃度大於１０^１８ ｃｍ^－３ 的Ｐ型摻質（例如為鎂），且四元載子活性層（５）之能隙係大於多重量子井結構之阻障層（４１）的能隙，較佳係高於阻障層（４１）能隙的１％～１５％之間； 　　一Ｐ型半導體層（３），係配置於四元載子活性層（５）上； 　　一Ｎ型電極（２１），係以歐姆接觸配置於Ｎ型半導體層（２）上；以及 　　一Ｐ型電極（３１），係以歐姆接觸配置於Ｐ型半導體層（３）上；其中，Ｎ型、Ｐ型電極（２１）、（３１）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，而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，於發光層（４）與Ｎ型半導體層（２）間可進一步配置有一Ｎ型載子阻隔層（６），且Ｎ型載子阻隔層（６）由具有高於發光層（４）之能隙的材料所製成；再者，為解決因晶格差異所產生之磊晶差排現象，亦可於基板（１）與Ｎ型半導體層（２）間形成有一緩衝層（７），緩衝層（７）為氮化鋁鎵Ａｌ_ｚ Ｇａ_１－ｚ Ｎ，其中０＜ｚ＜１。

藉此，由上述之氮化物半導體結構其實施說明可知，本發明之半導體發光元件係藉由控制四元載子活性層（５）中銦的含量，使得四元載子活性層（５）之能隙高於阻障層（４１）的能隙１％～１５％，不僅可提升電洞進入多重量子井結構，以及達到抑制電子逃逸進入Ｐ型半導體層（３）之功效，使得電子與電洞結合機率增加，更可作為Ｐ型半導體層（３）與發光層（４）間的緩衝層（７），藉以改善Ｐ型半導體層（３）與發光層（４）所產生之晶格失配造成晶體品質劣化的問題；此外，藉由四元載子活性層（５）之四族元素摻質可降低因Ｍｇ－Ｈ鍵結所造成的不活化現象，使Ｍｇ活化而具有受體的有效作用，進而使得四元載子活性層（５）具有高電洞濃度，提供更多的電洞進入發光層（４），增加電子電洞結合之情況，以便半導體發光元件可呈現出足夠低的阻抗，進而獲得更佳之發光效率。

綜上所述，本發明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‧‧‧N型半導體層
21‧‧‧N型電極
3‧‧‧P型半導體層
31‧‧‧P型電極
4‧‧‧發光層
41‧‧‧阻障層
42‧‧‧井層
5‧‧‧四元載子活性層
6‧‧‧N型載子阻隔層
7‧‧‧緩衝層

第一圖：本發明氮化物半導體結構較佳實施例之剖面示意圖。 第二圖：根據本發明較佳實施例所製作之半導體發光元件剖面示意圖。

1‧‧‧基板

2‧‧‧N型半導體層

3‧‧‧P型半導體層

4‧‧‧發光層

41‧‧‧阻障層

42‧‧‧井層

5‧‧‧四元載子活性層

6‧‧‧N型載子阻隔層

7‧‧‧緩衝層

Claims (10)

1. 一種半導體堆疊結構，包括：一P型半導體層；一N型半導體層；一發光層，位於該P型半導體層與該N型半導體層之間；以及一P型氮化鎵系載子活性層，位於該P型半導體層與該發光層之間，該P型氮化鎵系載子活性層的材質包括鋁與銦至少一者且該P型氮化鎵系載子活性層摻雜有碳以及P型摻質，其中該P型摻質包括鎂。
2. 一種半導體堆疊結構，包括：一P型半導體層，其材質包括Al-In-Ga-N，並具有一碳富集層，其中該碳富集層摻雜有P型摻質，其中該P型摻質包括鎂；一N型半導體層；以及一發光層，位於該P型半導體層與該N型半導體層之間，且該碳富集層位在該P型半導體層的鄰近於該發光層的一側。
3. 如申請專利範圍第1或2項所述的半導體堆疊結構，其中該P型摻質的摻雜濃度大於10¹⁸cm^-3。
4. 如申請專利範圍第1或2項所述的半導體堆疊結構，更包括一載子阻隔層，位於該N型半導體層與該發光層之間。
5. 如申請專利範圍第4項所述的半導體堆疊結構，其中該載子阻隔層的能隙高於該發光層的能隙。
6. 如申請專利範圍第4項所述的半導體堆疊結構，其中該載子阻隔層的材質包括N型氮化鋁鎵。
7. 如申請專利範圍第1項所述的半導體堆疊結構，其中該發光層具有多重量子井結構，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，該P型氮化鎵系載子活性層緊鄰於該多重量子井結構，且該P型氮化鎵系載子活性層之能隙大於該阻障層的能隙。
8. 如申請專利範圍第7項所述的半導體堆疊結構，更包括一載子阻隔層，位於該N型半導體層與該發光層之間，其中該載子阻隔層的材質包括N型氮化鋁鎵。
9. 如申請專利範圍第2項所述的半導體堆疊結構，其中該發光層具有多重量子井結構，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，該碳富集層緊鄰於該多重量子井結構，且該碳富集層之能隙大於該阻障層的能隙。
10. 如申請專利範圍第1或2項所述的半導體堆疊結構，其中碳的摻雜濃度不大於5×10¹⁸cm^-3。