TWI663745B - 氮化物半導體結構 - Google Patents

Abstract

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，係主要於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電洞提供層，電洞提供層為氮化銦鎵Ｉｎ_ｘ Ｇａ_１－ｘ Ｎ（０＜ｘ＜１）；其中，電洞提供層係摻雜有濃度介於１０^１７ ～１０^２０ ｃｍ^－３ 的四族元素；藉由摻雜四族元素可提高電洞濃度，並降低因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，進而增加發光效率。

Description

氮化物半導體結構

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，尤其是指一種具有電洞提供層之氮化物半導體結構及半導體發光元件，藉由提供額外的電洞，以獲得良好之發光效率。

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。

三族氮化物如氮化銦（ＩｎＮ）、氮化鎵（ＧａＮ）以及氮化鋁（ＡｌＮ）等材料具有一寬能帶間隙，在光電半導體元件中扮演相當重要的角色，其能帶範圍從直接帶隙為０﹒７ｅＶ的ＩｎＮ，到３﹒４ｅＶ的ＧａＮ，甚至於６﹒２ｅＶ的ＡｌＮ，發出的光波長範圍從紅、綠、藍、到深紫外線；而三族氮化物半導體於作為發光元件上需要ＰＮ接合，具體而言，必須形成Ｎ型氮化物半導體層以及Ｐ型氮化物半導體層，而一般係以摻雜如Ｓｉ或Ｓｎ等Ｎ型摻質以形成Ｎ型氮化物半導體層，而在形成Ｐ型氮化物半導體層上，一般係使用Ｍｇ作為Ｐ型摻質；然，Ｍｇ容易與Ｈ鍵結，形成鎂－氫複合物（Ｍｇ－Ｈ　Ｃｏｍｐｌｅｘｅｓ），導致上述的Ｐ型摻質無法發揮受體的性質，造成提供的電洞濃度大幅地下降，使得發光元件無法發揮正常的效能，也因此具有低阻抗（ｌｏｗ－ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）的Ｐ型氮化物半導體層並不容易藉由傳統的技術來形成。

舉例而言，在形成由Ｐ型氮化物所組成之半導體層（例如氮化鎵）的時候，通常會使用ＮＨ_３ 氣體來作為氮的來源，於磊晶過程中（例如氣相沉積等），高溫會使得ＮＨ_３ 分解產生氮原子與氫原子，氫原子會與在上述半導體層中用來作為受體的Ｐ型摻質（例如Ｍｇ）形成鍵結，使得上述的Ｐ型摻質失去作用，導致摻雜濃度無法有效提升；再者，又由於鎂在氮化鎵中的活化能非常大，使得電洞活化的效率極低（不到１０％）；所以Ｐ型氮化鎵的電洞濃度難以提高；因此，為了得到高的電洞濃度，必須減少Ｍｇ和Ｈ結合，以使得Ｐ型氮化鎵可以呈現出足夠低的阻抗，進而達到更佳的發光效率。

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，係藉由電洞提供層摻雜四族元素來提高電洞濃度，並降低因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，進而使得電洞提供層具有更高電洞濃度，藉此提供更多的電洞進入發光層，增加電子電洞結合之情況，以獲得良好之發光效率。

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係包含有一Ｎ型半導體層與一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電洞提供層，電洞提供層為氮化銦鎵Ｉｎ_ｘ Ｇａ_１－ｘ Ｎ，其中０＜ｘ＜１，較佳之ｘ範圍係為０＜ｘ≦０﹒１；此外，電洞提供層係摻雜有濃度介於１０^１７ ～１０^２０ ｃｍ^－３ 的四族元素，若四族元素摻雜濃度小於１０^１７ ｃｍ^－３ ，無法具有電洞提供的效果，若四族元素摻雜濃度大於１０^２０ ｃｍ^－３ ，則會產生阻值變高的問題，較佳的摻雜濃度為８ｘ１０^１７ ～５ｘ１０^１８ ｃｍ^－３ ，其中四族元素可例如為碳。

此外，上述之電洞提供層摻雜有濃度大於１０^１８ ｃｍ^－３ 的Ｐ型摻質，且電洞提供層之厚度介於１～１００ｎｍ之間；其中Ｐ型摻質可例如為鎂。

在本發明的一實施例中，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；且電洞提供層之能隙係大於多重量子井結構之井層的能隙，使得電洞可進入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。

另外，在本發明的一實施例中，電洞提供層與Ｐ型半導體層間可配置有一Ｐ型載子阻隔層（例如為Ｐ型氮化鋁鎵等），且Ｐ型載子阻隔層由具有大於發光層之能隙的材料所製成，舉例來說，當發光層為多重量子井結構時，則Ｐ型載子阻隔層的能隙大於多重量子井結構之阻障層的能隙，藉以避免電子逃逸進入Ｐ型半導體層內，具有減緩電子移動速率，並增加滯留於發光層時間之功效；而於發光層與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，電洞提供層之四族元素提高電洞濃度，並降低因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，進而使得電洞提供層具有更高的電洞濃度，藉此提供更多的電洞進入發光層，以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，進而獲得良好之發光效率。

再者，為解決因晶格差異所產生之磊晶差排現象，亦可於基板表面形成有一緩衝層，緩衝層為氮化鋁鎵ＡｌＧａ_ｙ Ｎ_１－ｙ ，其中０＜ｙ＜１的材料。

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）間配置有一電洞提供層（５），電洞提供層（５）為氮化銦鎵Ｉｎ_ｘ Ｇａ_１－ｘ Ｎ，其中０＜ｘ＜１，較佳之ｘ範圍係為０＜ｘ≦０﹒１；此外，電洞提供層（５）係摻雜有濃度介於１０^１７ ～１０^２０ 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。

此外，上述之電洞提供層（５）摻雜有濃度大於１０^１８ ｃｍ^－３ 的Ｐ型摻質（可例如為鎂），且電洞提供層（５）之較佳厚度介於１～１００ｎｍ之間。

再者，上述之發光層（４）具有多重量子井結構（ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ｑｕａｎｔｕｍ　ｗｅｌｌ，ＭＱＷ）；其中，多重量子井結構可由氮化銦鎵之井層（ｗｅｌｌ）及氮化鎵之阻障層（ｂａｒｒｉｅｒ）交替堆疊所形成；且電洞提供層（５）之能隙（ｂａｎｄｇａｐ　ｅｎｅｒｇｙ）係大於多重量子井結構之井層的能隙，使得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。

另外，電洞提供層（５）與Ｐ型半導體層（３）間可配置有一Ｐ型載子阻隔層（６），且Ｐ型載子阻隔層（６）係由具有大於發光層（４）之能隙的材料所製成；於本實施例中，係為Ｐ型氮化鋁鎵（Ｐ－ＡｌＧａＮ），以避免電子逃逸進入Ｐ型半導體層（３）內，其具有減緩電子移動速率，並增加滯留於發光層（４）的時間；而於發光層（４）與Ｎ型半導體層（２）間亦可配置有一Ｎ型載子阻隔層（７），且Ｎ型載子阻隔層（７）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。

根據上述實施例之氮化物半導體結構於實際實施使用時，由於電洞提供層（５）係摻雜有濃度介於１０^１７ ～１０^２０ 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，使得電洞提供層可具有高電洞濃度，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，電洞提供層（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。

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（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，；

一電洞提供層（５），係配置於發光層（４）上，電洞提供層（５）為氮化銦鎵Ｉｎ_ｘ Ｇａ_１－ｘ Ｎ，其中０＜ｘ＜１，較佳係為０＜ｘ≦０﹒１；再者，電洞提供層（５）係摻雜有濃度介於１０^１７ ～１０^２０ ｃｍ^－３ 的四族元素（較佳係為碳）；其中，電洞提供層（５）之厚度較佳介於１～１００ｎｍ之間，且可摻雜有濃度大於１０^１８ ｃｍ^－３ 的Ｐ型摻質（可例如為鎂），且電洞提供層（５）之能隙係大於多重量子井結構之井層的能隙；

一Ｐ型半導體層（３），係配置於電洞提供層（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，電洞提供層（５）與Ｐ型半導體層（３）間可配置有一Ｐ型載子阻隔層（６），而於發光層（４）與Ｎ型半導體層（２）間配置有一Ｎ型載子阻隔層（７），且Ｎ、Ｐ型載子阻隔層（７）、（６）皆由具有高於發光層（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）表面形成有一緩衝層（８），緩衝層（８）為氮化鋁鎵ＡｌＧａ_ｙ Ｎ_１－ｙ ，其中０＜ｙ＜１的材料。

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電洞提供層（５）之四族元素摻質降低因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，進而使得電洞提供層（５）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，進而獲得良好之發光效率。

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

（５）‧‧‧電洞提供層

（６）‧‧‧Ｐ型載子阻隔層

（７）‧‧‧Ｎ型載子阻隔層

（８）‧‧‧緩衝層

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

Claims (12)

1. 一種氮化物半導體結構，包括：一第一型摻雜半導體層；一發光層，包括一多重量子井結構；一第二型摻雜半導體層，其中該發光層配置在該第一型摻雜半導體層與該第二型摻雜半導體層之間；一AlGaN基礎的(AlGaN based)第二型載子阻隔層，配置於該第二型摻雜半導體層與該發光層之間，且該多重量子井結構包括交替堆疊的多個GaN基礎的阻障層以及多個InGaN基礎的井層；以及一InGaN基礎的電洞提供層，配置於該發光層與該AlGaN基礎的第二型載子阻隔層之間，該InGaN基礎的電洞提供層中摻雜有濃度大於10¹⁷cm^-3的四族元素。
2. 一種氮化物半導體結構，包括：一第一型摻雜半導體層；一發光層，包括一多重量子井結構；一第二型摻雜半導體層，其中該發光層配置於該第一型摻雜半導體層與該第二型摻雜半導體層之間；以及一InGaN基礎的電洞提供層，配置於該發光層與該第二型摻雜半導體層之間，且該InGaN基礎的電洞提供層中摻雜有濃度大於10¹⁷cm^-3的四族元素，其中該多重量子井結構包括交替堆疊的多個GaN基礎的阻障層以及多個InGaN基礎的井層，且該InGaN基礎的電洞提供層之能隙大於該多重量子井結構之InGaN基礎的井層的能隙。
3. 一種氮化物半導體結構，包括：一第一型摻雜半導體層；一AlGaN基礎的第一型載子阻隔層；一發光層，包括一多重量子井結構；一AlGaN基礎的第二型載子阻隔層；一第二型摻雜半導體層，其中該發光層配置於該第一型摻雜半導體層與該第二型摻雜半導體層之間，該AlGaN基礎的第一型載子阻隔層配置於該第一型摻雜半導體層與該發光層之間，該AlGaN基礎的第二型載子阻隔層配置於該第二型摻雜半導體層與該發光層之間，且該多重量子井結構包括交替堆疊的多個GaN基礎的阻障層以及多個InGaN基礎的井層；以及一InGaN基礎的電洞提供層，該InGaN基礎的電洞提供層配置於該發光層與該AlGaN基礎的第二型載子阻隔層之間，該InGaN基礎的電洞提供層中摻雜有濃度大於10¹⁷cm^-3的四族元素。
4. 一種氮化物半導體結構，包括：一第一型摻雜半導體層；一發光層，包括一多重量子井結構；一第二型摻雜半導體層，其中該發光層配置於該第一型摻雜半導體層與該第二型摻雜半導體層之間，且該多重量子井結構包括交替堆疊的多個GaN基礎的阻障層以及多個InGaN基礎的井層；一AlGaN基礎的第二型載子阻隔層，配置於該第二型摻雜半導體層與該發光層之間；以及一InGaN基礎的電洞提供層，配置於該發光層與該該第二型摻雜半導體層之間，其中該InGaN基礎的電洞提供層中摻雜有濃度大於10¹⁸cm^-3的第二型摻質以及濃度大於10¹⁷cm^-3的碳。
5. 一種氮化物半導體結構，包括：一第一型摻雜半導體層；一發光層，包括一多重量子井結構；一InGaN基礎的電洞提供層；以及一第二型摻雜半導體層，其中該發光層配置於該第一型摻雜半導體層與該InGaN基礎的電洞提供層之間，而該InGaN基礎的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，該多重量子井結構包括交替堆疊的多個GaN基礎的阻障層以及多個InGaN基礎的井層，且該InGaN基礎的電洞提供層之能隙大於該多重量子井結構之InGaN基礎的井層的能隙，該InGaN基礎的電洞提供層中摻雜有濃度大於10¹⁸cm^-3的第二型摻質以及濃度大於10¹⁷cm^-3的碳。
6. 一種氮化物半導體結構，包括：一第一型摻雜半導體層；一發光層，包括一多重量子井結構；一第二型摻雜半導體層，其中該發光層配置於該第一型摻雜半導體層與該第二型摻雜半導體層之間，且該多重量子井結構包括交替堆疊的多個GaN基礎的阻障層以及多個InGaN基礎的井層；一AlGaN基礎的第一型載子阻隔層，配置於該第一型摻雜半導體層與該發光層之間；一AlGaN基礎的第二型載子阻隔層，配置於該發光層與該第二型摻雜半導體層之間；以及一InGaN基礎的電洞提供層，配置於該發光層與該第二型摻雜半導體層之間，該InGaN基礎的電洞提供層中摻雜有濃度大於10¹⁸cm^-3的第二型摻質以及濃度大於10¹⁷cm^-3的碳。
7. 一種氮化物半導體結構，包括：一第一型摻雜半導體層；一發光層，包括一多重量子井結構，其中該多重量子井結構包括交替堆疊的多個阻障層以及多個井層；一包括銦的GaN基礎的第二型電洞提供層，該GaN基礎的第二型電洞提供層中摻雜有濃度大於10¹⁸cm^-3的第二型摻質以及濃度大於10¹⁷cm^-3的碳；以及一第二型摻雜半導體層，其中發光層配置於該第一型摻雜半導體層以及該第二型GaN基礎的電洞提供層之間，該第二型GaN基礎的第二型電洞提供層配置於該發光層以及該第二型摻雜半導體層。
8. 如申請專利範圍第1-3項中任一項所述之氮化物半導體結構，其中該四族元素包括碳。
9. 如申請專利範圍第4-7項中任一項所述之氮化物半導體結構，其中該第二型摻質包括鎂。
10. 如申請專利範圍第1、2、4、5及7項中任一項所述之氮化物半導體結構，更包括一AlGaN基礎的第一型載子阻隔層，配置於該第一型摻雜半導體層與該發光層之間。
11. 如申請專利範圍第2、5及7項中任一項所述之氮化物半導體結構，更包括一AlGaN基礎的第二型載子阻隔層，配置於該第二型摻雜半導體層與該發光層之間。
12. 如申請專利範圍第1-7項中任一項所述之氮化物半導體結構，其中相對於該第二型摻雜半導體層或該些第二型層，該InGaN基礎的電洞提供層具有一相對較低氫濃度。