TWI570954B - 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，尤其是指一種有高摻雜濃度的第二型摻雜半導體層(大於5×10¹⁹cm^-3)，且其厚度小於30nm，藉以提升光取出效率，使得半導體發光元件可獲得良好之發光效率者。

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型氮化鎵(n-GaN)層、發光層以及p型氮化鎵(p-GaN)層；接著，利用微影與蝕刻製程移除部分之p型氮化鎵層、部分之發光層，直至暴露出部分之n型氮化鎵層為止；然後，分別於n型氮化鎵層之暴露部分以及p型氮化鎵層上形成n型電極與p型電極，而製作出發光二極體；其中，發光層具有多重量子井結構(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型氮化鎵層和p型氮化鎵層注入，並在量子井層中結合，而發射出光粒子。

眾所周知，發光二極體的亮度係取決於內部量子效率及光取出效率，其中內部量子效率為電子與電洞結合的比例；然而，由於空氣與氮化鎵材料的折射率分別為1和2.4左右，根據全反射物理定律，氮化鎵之發光二極體能夠讓光射出表面進入空氣的臨界角大約只有24度左右，導致光取出效率大約為4.34%，使得發光二極體發光層所產生的光因被氮化鎵與空氣介面的全反射，而局限在發光二極體內部，造成光取出效率明顯偏低；因此，許多研究提出增加光取出效率的方法：例如其一種方法係於p型氮化鎵層作表面處理，以破壞全反射條件，進而提高光取出效率，而其中表面處理可例如是表面粗化、改變發光二極體的形貌等；其二為將n型氮化鎵層與基板分離，然後在n型氮化鎵層上形成粗糙結構，最後再利用膠體將氮化鎵半導體層黏回基板上，藉此提高光取出效率；然，上述其方法一只能對發光二極體晶片之頂部裸露的p型氮化鎵半導體層作處理，使得光取出效率仍是會受到一定程度的限制；而其方法二過程相當繁雜，且亦須考慮到膠體散熱不佳的問題，導致以上述二方法製作的發光二極體其整體發光效率無法有效的提升。

此外，由於p型氮化鎵層之摻雜濃度無法有效地提高，導致其電阻值偏大，使得當電流由金屬電極傳導至GaN半導體層時，電流無法於p型氮化鎵層內達到良好的電流擴散，當電流無法均勻分散也就造成發光的區域會被侷限在金屬電極(n型電極與p型電極)的下方，亦造成發光二極體發光效率大為降低。

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，係於第二型摻雜半導體層具有高摻雜濃度的第二型摻質(大於5×10¹⁹cm^-3)，且其厚度小於30nm，以提升光取出效率者。

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，使得半導體發光元件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主要包含有一第一型摻雜半導體層與第二型摻雜半導體層，於第一型摻雜半導體層與第二型摻雜半導體層間配置有一發光層，其中第二型摻雜半導體層摻雜有濃度大於5×10¹⁹cm-³的第二型摻質(較佳係為鎂)，且其厚度小於3 0nm；其中，第二型摻雜半導體層係於大於300torr的相對高壓下形成。

在本發明的一實施例中，可於發光層與第二型摻雜半導體層間配置有一電洞提供層，電洞提供層為氮化鋁銦鎵Al_xIn_yGa_1-x-yN，其中0<x<1、0<y<1、0<x+y<1，且電洞提供層摻雜有濃度大於10¹⁸cm^-3的第二型摻質。

在本發明的一實施例中，電洞提供層可摻雜有濃度介於10¹⁷~10²⁰cm^-3的四族元素，藉此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；再者，在本實施例中，發光層為多重量子井結構，而電洞提供層之能隙大於多重量子井結構之井層的能隙，使得電洞提供層之電洞可進入於多重量子井結構之井層中，以增加電子與電洞結合機率，進一步提升發光效率。

在本發明的一實施例中，發光層具有多重量子井結構，而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，且每兩阻障層間係具有一井層，阻障層為Al_xIn_yGa_1-x-yN，其中x及y係滿足0<x<1、0<y<1、0<x+y<1之數值，而井層為In_xGa_1-zN，其中0<z<1；其中井層具有3.5nm~7nm之厚度，且阻障層摻雜有濃度介於10¹⁶~10¹⁸cm^-3的第一型摻質。

在本發明的一實施例中，電洞提供層與第二型摻雜半導體層 間配置有一第二型載子阻隔層，第二型載子阻隔層為Al_xGa₁-_xN，其中0<x<1；而發光層與第一型摻雜半導體層間配置有一第一型載子阻隔層，且第一型載子阻隔層為Al_xGa_1-xN，其中0<x<1；藉此，利用含有鋁之AlGaN的能帶隙較GaN要高的特性，使得載子可侷限於多重量子井結構中，提高電子電洞覆合的機率，進而達到發光效率提升之功效。

本發明另提出一種半導體發光元件，係於一基板上至少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第一型電極與第二型電極；藉此，由於第二型摻雜半導體層的厚度較薄，使得第二型電極與發光層表面間的距離較近，造成由發光層產生的光子與表面電漿因共振所產生的耦合能力就越強，故而可提升發光效率；再者，更由於第二型摻雜半導體層具有相對傳統p型氮化鎵層較高濃度之第二型摻質，導致其電阻值相對較低，使得當電流由第二型電極傳導至第一型電極時，於第二型摻雜半導體層達到電流均勻擴散之功效，亦使得發光二極體可獲得更佳之發光效率。

(1)‧‧‧基板

(2)‧‧‧緩衝層

(3)‧‧‧第一型摻雜半導體層

(31)‧‧‧第一型電極

(4)‧‧‧第一型載子阻隔層

(5)‧‧‧發光層

(51)‧‧‧井層

(52)‧‧‧阻障層

(6)‧‧‧第二型載子阻隔層

(7)‧‧‧第二型摻雜半導體層

(71)‧‧‧第二型電極

(8)‧‧‧電洞提供層

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，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，係包含有一第一型摻雜半導體層(3)與第二型摻雜半導體層(7)，於第一型摻雜半導體層(3)與第二型摻雜半導體層(7)間配置有一發光層(5)，其中第二型摻雜半導體層(7)摻雜有濃度大於5×10¹⁹cm^-3的第二型摻質，且其厚度小於30nm，其中第二型摻質可例如為鎂或鋅，較佳為鎂。

此外，上述之第一型摻雜半導體層(3)之材料可例如為矽或鍺摻雜之氮化鎵系列材料(意即為n型摻雜氮化鎵系半導體層)，而第二型摻雜半導體層(7)可摻雜有濃度大於5×10¹⁹cm^-3的鎂之氮化鎵系列材料(意即為p型摻雜氮化鎵系半導體層)，在此並不限定；而第一、二型摻雜半導體層(3)、(7) 形成之方法可例如是進行有機金屬化學氣相沉積法(metalorganic chemical vapor deposition；MOCVD)，且第二型摻雜半導體層(7)係必須於相對高壓(大於300torr)下形成。

再者，發光層(5)與第二型摻雜半導體層(7)間配置有一電洞提供層(8)，電洞提供層(8)為氮化鋁銦鎵Al_xIn_yGa_1-x-yN，其中0<x<1、0<y<1、0<x+y<1，且電洞提供層(8)摻雜有濃度大於10¹⁸cm^-3的第二型摻質(例如為鎂或鋅)；此外，電洞提供層(8)係摻雜有濃度介於10¹⁷~10²⁰cm^-3的四族元素(較佳為碳)，利用碳(4A族)取代五價的氮原子，藉此多一個帶正電電洞，使得電洞提供層(8)可具有高電洞濃度，藉此提供更多的電洞進入發光層(5)，進而增加電子電洞結合之情況；再者，發光層(5)為多重量子井結構，而電洞提供層(8)之能隙(bandgap energy)係大於多重量子井結構之井層(51)的能隙，使得電洞提供層(8)之電洞可進入於多重量子井結構之井層(51)中，以增加電子與電洞結合機率，進一步提升發光效率。

此外，為了減少多重量子井結構中井層和阻障層間晶格失配所產生的應力作用，上述多重量子井結構之阻障層(52)可替換為四元材料的Al_xIn_yGa_1-x-yN，其中x及y係滿足0<x<1、0<y<1、0<x+y<1之數值，而井層(51)可替 換為三元材料的In_zGa_1-zN，其中0<z<1，利用四元材料之氮化鋁銦鎵的阻障層以及三元氮化銦鎵的井層具有相同銦元素的特性，可調整四元組成條件以提供晶格匹配的組成，使得阻障層與井層的晶格常數較為相近，因此井層(51)可具有3.5nm~7nm之厚度，且阻障層(52)可進一步摻雜有濃度介於10¹⁶~10¹⁸cm^-3的第一型摻質(例如為矽或鍺)，使得阻障層可以減少載子遮蔽效應，更增加載子侷限效應。

另，上述之氮化物半導體結構於電洞提供層(8)與第二型摻雜半導體層(7)間配置有一第二型載子阻隔層(6)，第二型載子阻隔層(6)為Al_xGa_1-xN，其中0<x<1，且發光層(5)與第一型摻雜半導體層(3)間配置有一第一型載子阻隔層(4)，且第一型載子阻隔層(4)為Al_xGa_1-xN，其中0<x<1；藉此，利用含有鋁之AlGaN的能帶隙較GaN要高的特性，使得載子可侷限於多重量子井結構中，提高電子電洞覆合的機率，進而達到增加發光效率之功效。

請再參閱第二圖所示，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)；其中基板(1)的材料可例如是藍寶石(sapphire)、矽、SiC、ZnO或GaN基板等； 一第一型摻雜半導體層(3)，係配置於基板(1)上；其中，第一型摻雜半導體層(3)之材料可例如為矽或鍺摻雜之氮化鎵系列材料；一發光層(5)，係配置於第一型摻雜半導體層(3)上；一第二型摻雜半導體層(7)，係配置於發光層(5)上，第二型摻雜半導體層(7)係摻雜有濃度大於5×10¹⁹cm^-3的第二型摻質，且其厚度小於30nm；一第一型電極(31)，係以歐姆接觸配置於第一型摻雜半導體層(3)上；以及一第二型電極(71)，係以歐姆接觸配置於第二型摻雜半導體層(7)上；其中，第一型電極(31)與第二型電極(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。

再者，基板(1)與第一型摻雜半導體層(3)間可配置一由AlxGa_1-xN所構成之緩衝層(2)，其中0<x<1，以作為改善第一型摻雜半導體層(3)成長於異質基板(1)上所產生之晶格常數不匹配的問題，且緩衝層(2)的材料亦可例如是Ga N、InGaN、SiC、ZnO等。

根據上述實施例之半導體發光元件於實際實施使用時，由於第二型摻雜半導體層(7)摻雜有高濃度的鎂(大於5×10¹⁹cm^-3)，且係於大於300torr的相對高壓下形成小於30nm之厚度，較傳統之p型氮化鎵層薄，光取出效率明顯提升，而具有較佳之發光效率，其合理的推論係因第二型電極(71)與發光層(5)表面間的距離越近，則由發光層(5)所產生的光子與表面電漿因共振所產生的耦合能力就越強，發光效率因而提升；其中，表面電漿共振現象意即第二型電極(71)表面之自由電子集體運動的現象；再者，由於第二型摻雜半導體層(7)具有相對傳統p型氮化鎵層較高濃度之鎂摻雜，導致其電阻值相對較低，使得當電流由第二型電極(71)傳導至第二型摻雜半導體層(7)時，達到電流均勻擴散之功效，亦使得發光二極體可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)‧‧‧緩衝層

(3)‧‧‧第一型摻雜半導體層

(4)‧‧‧第一型載子阻隔層

(5)‧‧‧發光層

(51)‧‧‧井層

(52)‧‧‧阻障層

(6)‧‧‧第二型載子阻隔層

(7)‧‧‧第二型摻雜半導體層

(8)‧‧‧電洞提供層

Claims (18)

1. 一種半導體結構，至少包含：一基板；一第一型摻雜半導體層，配置於該基板上；一發光層，配置於該第一型摻雜半導體層上；一第二型摻雜半導體層，配置於該發光層上；一氮化鎵系電洞提供層，配置於該發光層與該第二型摻雜半導體層之間，該氮化鎵系電洞提供層包含鋁；以及一第二型氮化鎵系載子阻隔層，係配置於該氮化鎵系電洞提供層與該第二型摻雜半導體層之間，該第二型氮化鎵系載子阻隔層包含鋁。
2. 一種半導體結構，至少包含：一基板；一第一型摻雜半導體層，配置於該基板上；一第一型氮化鎵系載子阻隔層，配置於該第一型摻雜半導體層上，該第一型氮化鎵系載子阻隔層包含鋁；一發光層，係配置於該第一型氮化鎵系載子阻隔層上；一第二型摻雜半導體層，配置於該發光層上；一氮化鎵系電洞提供層，配置於該發光層與該第二型摻雜半導體層之間，該氮化鎵系電洞提供層包含鋁；以及一第二型氮化鎵系載子阻隔層，配置於該氮化鎵系電洞提 供層與該第二型摻雜半導體層之間，該第二型氮化鎵系載子阻隔層包含鋁。
3. 一種半導體結構，至少包含：一基板；一第一型摻雜半導體層，配置於該基板上；一第一型氮化鎵系載子阻隔層，配置於該第一型摻雜半導體層上，該第一型氮化鎵系載子阻隔層包含鋁；一發光層，係配置於該第一型氮化鎵系載子阻隔層上；一第二型摻雜半導體層，配置於該發光層上；一第二型氮化鎵系載子阻隔層，配置於該發光層與該第二型摻雜半導體層之間，該第二型氮化鎵系載子阻隔層包含鋁；以及一氮化鎵系電洞提供層，配置於該發光層與該第二型氮化鎵系載子阻隔層之間，該氮化鎵系電洞提供層包含鋁。
4. 如申請專利範圍第1、2或3項所述之半導體結構，其中該第二型摻雜半導體層係摻雜有濃度大於5×10¹⁹cm^-3的第二型摻質。
5. 如申請專利範圍第4項所述之半導體結構，其中該第二型摻質為鎂。
6. 如申請專利範圍第1、2或3項所述之半導體結構，其中該氮化鎵系電洞提供層摻雜有濃度大於10¹⁸cm^-3的第二型摻質以及濃度介於10¹⁷~10²⁰cm^-3的四族元素。
7. 如申請專利範圍第6項所述之半導體結構，其中該四族元素為碳。
8. 如申請專利範圍第1、2或3項所述之半導體結構，其中該發光層具有複數個彼此交替堆疊之氮化鎵系井層與氮化鎵系阻障層，該氮化鎵系井層與該氮化鎵系阻障層包含銦，且該氮化鎵系阻障層摻雜有濃度介於10¹⁶~10¹⁸cm^-3的第一型摻質。
9. 一種半導體結構，至少包含：一基板；一第一型摻雜半導體層，配置於該基板上；一發光層，係配置於該第一型摻雜半導體層上；一第二型摻雜半導體層，配置於該發光層上；以及一第一氮化鎵系層，配置於該發光層與該第二型摻雜半導體層之間，該第一氮化鎵系層包含鋁，且摻雜有濃度大於10¹⁸cm^-3的第二型摻質以及濃度介於10¹⁷~10²⁰cm^-3的四族元素。
10. 一種半導體結構，至少包含：一基板；一第一型摻雜半導體層，配置於該基板上；一發光層，係配置於該第一型摻雜半導體層上，該發光層具有複數個彼此交替堆疊之氮化鎵系井層與氮化鎵系阻障層，其中，該氮化鎵系井層與該氮化鎵系阻障層包含銦，且該氮化鎵系阻障層摻雜有濃度介於10¹⁶~10¹⁸cm^-3的第一型摻質； 一第二型摻雜半導體層，配置於該發光層上，該第二型摻雜半導體層係摻雜有濃度大於5×10¹⁹cm^-3的第二型摻質；一第一氮化鎵系層，配置於該發光層與該第二型摻雜半導體層之間，該第一氮化鎵系層包含鋁；以及一第二氮化鎵系層，配置於該第一氮化鎵系層與該第二型摻雜半導體層之間，該第二氮化鎵系層包含鋁。
11. 如申請專利範圍第9或10項所述之半導體結構，更包含一第二氮化鎵系層，配置於該第一型摻雜半導體層與該發光層之間，該第二氮化鎵系層包含鋁。
12. 如申請專利範圍第9項所述之半導體結構，其中該四族元素為碳。
13. 如申請專利範圍第9項所述之半導體結構，其中該第二型摻雜半導體層係摻雜有濃度大於5×10¹⁹cm^-3的第二型摻質。
14. 如申請專利範圍第13項所述之半導體結構，其中該第二型摻質為鎂。
15. 如申請專利範圍第9項所述之半導體結構，其中該發光層具有複數個彼此交替堆疊之氮化鎵系井層與氮化鎵系阻障層，該氮化鎵系井層與該氮化鎵系阻障層包含銦，且該氮化鎵系阻障層摻雜有濃度介於10¹⁶~10¹⁸cm^-3的第一型摻質。
16. 如申請專利範圍第10項所述之半導體結構，其中該第一氮化鎵系層摻雜有濃度大於10¹⁸cm^-3的第二型摻質以及濃度介於10¹⁷~10²⁰cm^-3的四族元素。
17. 如申請專利範圍第16項所述之半導體結構，其中該四族元素為碳。
18. 如申請專利範圍第10項所述之半導體結構，其中該第二型摻質為鎂。