CN103972341B - 氮化物半导体结构及半导体发光元件 - Google Patents

Abstract

本发明有关于一种氮化物半导体结构及半导体发光元件。该氮化物半导体结构包含有一第一型掺杂半导体层与一第二型掺杂半导体层，于第一型掺杂半导体层与第二型掺杂半导体层间配置有一发光层，其中第二型掺杂半导体层掺杂有浓度大于5×10¹⁹cm^‑3的第二型掺质，且第二型掺杂半导体层具有小于30nm的厚度。该半导体发光元件于一基板上至少包含上述的氮化物半导体结构，以及二相配合地提供电能的第一型电极与第二型电极。由此，使得半导体发光二极管可获得更佳的发光效率。

Description

氮化物半导体结构及半导体发光元件

技术领域

本发明有关于一种氮化物半导体结构及半导体发光元件，尤其是指一种有高掺杂浓度的第二型掺杂半导体层(大于5×10¹⁹cm^-3)，且其厚度小于30nm的氮化物半导体结构及半导体发光元件，属于半导体技术领域。

背景技术

一般而言，氮化物发光二极管是将一缓冲层先形成于基板上，再于缓冲层上依序磊晶成长n型氮化镓(n-GaN)层、发光层以及p型氮化镓(p-GaN)层；接着，利用微影与蚀刻工艺移除部分的p型氮化镓层、部分的发光层，直至暴露出部分的n型氮化镓层为止；然后，分别于n型氮化镓层的暴露部分以及p型氮化镓层上形成n型电极与p型电极，而制作出发光二极管；其中，发光层具有多重量子井结构(MQW)，而多重量子井结构包括以重复的方式交替设置的量子井层(well)和量子阻障层(barrier)，囚为量子井层具有相对量子阻障层较低的能隙，使得在上述多重量子井结构中的每一个量子井层可以在量子力学上限制电子和电洞，造成电子和电洞分别从n型氮化镓层和p型氮化镓层注入，并在量子井层中结合，而发射出光粒子。

众所周知，发光二极管的亮度取决于内部量子效率及光取出效率，其中内部量子效率为电子与电洞结合的比例；然而，由于空气与氮化镓材料的折射率分别为1和2.4左右，根据全反射物理定律，氮化镓的发光二极管能够让光射出表面进入空气的临界角大约只有24度左右，导致光取出效率大约为4.34％，使得发光二极管发光层所产生的光囚被氮化镓与空气接口的全反射，而局限在发光二极管内部，造成光取出效率明显偏低；因此，许多研究提出增加光取出效率的方法：例如其一是于p型氮化镓层作表面处理，以破坏全反射条件，进而提高光取出效率，而其中表面处理可例如是表面粗化、改变发光二极管的形貌等；其二为将n型氮化镓层与基板分离，然后在n型氮化镓层上形成粗糙结构，最后再利用胶体将氮化镓半导体层黏回基板上，由此提高光取出效率；然而，上述方法一只能对发光二极管芯片的顶部裸露的p型氮化镓半导体层作处理，使得光取出效率仍是会受到一定程度的限制；而方法二过程相当繁杂，且亦须考虑到胶体散热不佳的问题，导致以上述二方法制作的发光二极管其整体发光效率无法有效的提升。

此外，由于p型氮化镓层的掺杂浓度无法有效地提高，导致其电阻值偏大，使得当电流由金属电极传导至GaN半导体层时，电流无法于p型氮化镓层内达到良好的电流扩散，当电流无法均匀分散也就造成发光的区域会被局限在金属电极(n型电极与p型电极)的下方，亦造成发光二极管发光效率大为降低。

鉴于上述现有的氮化物半导体发光元件在实际实施上仍具有多处的缺点，囚此，研发出一种新型的氮化物半导体结构及半导体发光元件仍是本领域亟待解决的问题之一。

发明内容

为解决上述问题，本发明主要目的为提供一种氮化物半导体结构，其于第二型掺杂半导体层具有高掺杂浓度的第二型掺质(大于5×10¹⁹cm^-3)，且其厚度小于30nm，以提升光取出效率。

本发明的另一目的为提供一种半导体发光元件，其至少包含有上述的氮化物半导体结构，使得半导体发光元件获得良好的发光效率。

为达上述目的，本发明提供一种氮化物半导体结构，其主要包含有一第一型掺杂半导体层与一第二型掺杂半导体层，于所述第一型掺杂半导体层与所述第二型掺杂半导体层间配置有一发光层，其中，所述第二型掺杂半导体层掺杂有浓度大于5×10¹⁹cm^-3的第二型掺质(优选地，该第二型掺质为镁)，且所述第二型掺杂半导体层的厚度小于30nm。其中，优选地，所述第二型掺杂半导体层是于大于300torr的相对高压下形成。

根据本发明的具体实施方式，优选地，在上述氮化物半导体结构中，可于所述发光层与所述第二型掺杂半导体层间配置有一电洞提供层，所述电洞提供层为氮化铝钢镓Al_xIn_yGa_1-x-yN，其中0＜x＜1，0＜y＜1，0＜x+y＜1，且所述电洞提供层掺杂有浓度大于10¹⁸cm^-3的第二型掺质。

根据本发明的具体实施方式，优选地，在上述氮化物半导体结构中，所述电洞提供层可掺杂有浓度为10¹⁷-10²⁰cm^-3的第四主族元素，由此提供更多的电洞进入发光层，进而增加电子电洞结合机率。

根据本发明的具体实施方式，优选地，在上述氮化物半导体结构中，所述发光层具有多重量子井结构，而所述电洞提供层的能隙大于所述多重量子井结构的井层的能隙，使得所述电洞提供层的电洞可进入于所述多重量子井结构的井层中，以增加电子与电洞结合机率，进一步提升发光效率。

根据本发明的具体实施方式，优选地，在上述氮化物半导体结构中，所述发光层具有多重量子井结构，而所述多重量子井结构包含多个彼此交替堆栈的井层及阻障层，且每两层所述阻障层间具有一所述井层，所述阻障层为Al_xIn_yGa_1-x-yN，其中x及y满足0＜x＜1，0＜y＜1，0＜x+y＜1的数值，而所述井层为In_zGa_1-zN，其中0＜z＜1。更优选地，其中，所述井层具有3.5nm-7nm的厚度。尤为优选地，所述阻障层掺杂有浓度为10¹⁶-10¹⁸cm^-3的第一型掺质。

根据本发明的具体实施方式，优选地，在上述氮化物半导体结构中，所述电洞提供层与所述第二型掺杂半导体层间配置有一第二型载子阻隔层，所述第二型载子阻隔层为Al_xGa_1-xN，其中0＜x＜1；优选地，在上述氮化物半导体结构中，所述发光层与所述第一型掺杂半导体层间配置有一第一型载子阻隔层，且所述第一型载子阻隔层为Al_xGa_1-xN，其中0＜x＜1；由此，利用含有铝的AlGaN的能带隙较GaN要高的特性，使得载子可局限于多重量子井结构中，提高电子电洞覆合的机率，进而达到发光效率提升的功效。

本发明还提供一种半导体发光元件，其至少包含有：

一基板；

一第一型掺杂半导体层，其配置于所述基板上；

一发光层，其配置于所述第一型掺杂半导体层上；

一第二型掺杂半导体层，其配置于所述发光层上，所述第二型掺杂半导体层掺杂有浓度大于5×10¹⁹cm^-3的第二型掺质，且其厚度小于30nm；

一第一型电极，其以欧姆接触配置于所述第一型掺杂半导体层上；以及

一第二型电极，其以欧姆接触配置于所述第二型掺杂半导体层上。

本发明的半导体发光元件于一基板上至少包含上述的氮化物半导体结构，以及二相配合地提供电能的第一型电极与第二型电极；由此，由于第二型掺杂半导体层的厚度较薄，使得第二型电极与发光层表面间的距离较近，造成由发光层产生的光子与表面电浆囚共振所产生的耦合能力就越强，故而可提升发光效率；再者，更由于第二型掺杂半导体层具有相对传统p型氮化镓层较高浓度的第二型掺质，导致其电阻值相对较低，使得当电流由第二型电极传导至第一型电极时，于第二型掺杂半导体层达到电流均匀扩散的功效，亦使得发光二极管可获得更佳的发光效率。

附图说明

图1为本发明的一优选实施例提供的氮化物半导体结构的剖面示意图。

图2为根据本发明的优选实施例提供的氮化物半导体结构所制作的半导体发光元件的剖面示意图。

主要组件符号说明：

1基板 2缓冲层

3第一型掺杂半导体层 31第一型电极

4第一型载子阻隔层

5发光层

51井层 52阻障层

6第二型载子阻隔层

7第二型掺杂半导体层 71第二型电极

8电洞提供层

具体实施方式

本发明的目的及其结构设计功能上的优点，将依据以下附图及优选实施例予以说明，以对本发明有更深入且具体的了解。

首先，在以下实施例的描述中，应当理解，当指出一层(或膜)或一结构配置在另一个基板、另一层(或膜)、或另一结构“上”或“下”时，其可“直接”位于其它基板、层(或膜)、或另一结构，亦或者两者间具有一个以上的中间层以“间接”方式配置，可参照附图说明每一层所在的位置。

请参阅图1所示，其为本发明的一优选实施例提供的氮化物半导体结构的剖面示意图，其包含有一第一型掺杂半导体层3与第二型掺杂半导体层7，于第一型掺杂半导体层3与第二型掺杂半导体层7间配置有一发光层5，其中第二型掺杂半导体层7掺杂有浓度大于5×10¹⁹cm^-3的第二型掺质，且其厚度小于30nm，其中第二型掺质可例如为镁或锌，优选为镁。

此外，上述第一型掺杂半导体层3的材料可例如为硅或锗掺杂的氮化镓系列材料(即为n型掺杂氮化镓系半导体层)，而第二型掺杂半导体层7可掺杂有浓度大于5×10¹⁹cm^-3的镁的氮化镓系列材料(即为p型掺杂氮化镓系半导体层)，在此并不限定；而第一型掺杂半导体层3、第二型掺杂半导体层7形成的方法可例如是进行有机金属化学气相沉积法(metalorganic chemical vapor deposition；MOCVD)，且第二型掺杂半导体层7必须于相对高压(大于300torr)下形成。

再者，发光层5与第二型掺杂半导体层7间配置有一电洞提供层8，电洞提供层8为氮化铝钢镓Al_xIn_yGa_1-x-yN，其中0＜x＜1，0＜y＜1，0＜x+y＜1，且电洞提供层8掺杂有浓度大于10¹⁸cm^-3的第二型掺质(例如为镁或锌)；此外，电洞提供层8掺杂有浓度为10¹⁷-10²⁰cm^-3的第四主族元素(优选为碳)，利用碳(4A族)取代五价的氮原子，由此多一个带正电电洞，使得电洞提供层8可具有高电洞浓度，由此提供更多的电洞进入发光层5，进而增加电子电洞结合的几率；再者，发光层5为多重量子井结构，而电洞提供层8的能隙(bandgap energy)大于多重量子井结构的井层51的能隙，使得电洞提供层8的电洞可进入于多重量子井结构的井层51中，以增加电子与电洞结合机率，进一步提升发光效率。

此外，为了减少多重量子井结构中井层和阻障层间晶格大配所产生的应力作用，上述多重量子井结构的阻障层52可替换为四元材料的Al_xIn_yGa_1-x-yN，其中x及y系满足0＜x＜1、0＜y＜1、0＜x+y＜1的数值，而井层51可替换为三元材料的In_zGa_1-zN，其中0＜z＜1，利用四元材料的氮化铝钢镓的阻障层以及三元氮化钢镓的井层具有相同钢元素的特性，可调整四元组成条件以提供晶格匹配的组成，使得阻障层与井层的晶格常数较为相近，囚此井层51可具有3.5nm-7nm的厚度，且阻障层52可进一步掺杂有浓度为10¹⁶-10¹⁸cm^-3的第一型掺质(例如为硅或锗)，使得阻障层可以减少载子遮蔽效应，更增加载子局限效应。

另外，上述的氮化物半导体结构于电洞提供层8与第二型掺杂半导体层7间配置有一第二型载子阻隔层6，第二型载子阻隔层6为Al_xGa_1-xN，其中0＜x＜1，且发光层5与第一型掺杂半导体层3间配置有一第一型载子阻隔层4，且第一型载子阻隔层4为Al_xGa_1-xN，其中0＜x＜1；由此，利用含有铝的AlGaN的能带隙较GaN要高的特性，使得载子可局限于多重量子井结构中，提高电子电洞覆合的机率，进而达到增加发光效率的功效。

请再参阅图2所示，上述的氮化物半导体结构可应用于半导体发光元件中，图2为根据本发明的上述优选实施例提供的氮化物半导体结构所制作的半导体发光元件的剖面示意图，所述半导体发光元件至少包含有：

一基板1；其中基板1的材料可例如是蓝宝石(sapphire)、硅、SiC、ZnO或GaN基板等；

一第一型掺杂半导体层3，其配置于基板1上；其中，第一型掺杂半导体层3的材料可例如为硅或锗掺杂的氮化镓系列材料；

一发光层5，其配置于第一型掺杂半导体层3上；

一第二型掺杂半导体层7，其配置于发光层5上，第二型掺杂半导体层7掺杂有浓度大于5×10¹⁹cm^-3的第二型掺质，且其厚度小于30nm；

一第一型电极31，其以欧姆接触配置于第一型掺杂半导体层3上；以及

一第二型电极71，其以欧姆接触配置于第二型掺杂半导体层7上；其中，第一型电极31与第二型电极71相配合地提供电能，且可以下列材料、但不仅限于这些材料所制成：钛、铝、金、铬、镍、铂及其合金等；其制作方法为本领域技术人员所公知的，且并非本发明的重点，因此，不再本发明中加以赘述。

再者，基板1与第一型掺杂半导体层3间可配置一由Al_XGa_1-xN所构成的缓冲层2，其中0＜x＜1，以作为改善第一型掺杂半导体层3成长于异质基板1上所产生的晶格常数不匹配的问题，且缓冲层2的材料亦可例如是GaN、InGaN、SiC、ZnO等。

上述实施例的半导体发光元件于实际实施使用时，由于第二型掺杂半导体层7掺杂有高浓度的镁(大于5×10¹⁹cm^-3)，且其是于大于300torr的相对高压下形成小于30nm的厚度，较传统的p型氮化镓层薄，光取出效率明显提升，而具有较佳的发光效率，其合理的推论是因第二型电极71与发光层5表面间的距离越近，则由发光层5所产生的光子与表面电浆囚共振所产生的耦合能力就越强，发光效率因而提升；其中，表面电浆共振现象即第二型电极71表面的自由电子集体运动的现象；再者，由于第二型掺杂半导体层7具有相对传统p型氮化镓层较高浓度的镁掺杂，导致其电阻值相对较低，使得当电流由第二型电极71传导至第二型掺杂半导体层7时，达到电流均匀扩散的功效，亦使得发光二极管可获得更佳的发光效率。

综上所述，本发明的氮化物半导体结构及半导体发光元件，的确能通过上述所揭露的实施例，达到所预期的使用功效。

上述所揭露的附图及说明，仅为本发明的优选实施例，并非为限定本发明的保护范围；本领域一般技术人员，依据本发明的特征，所做的其它等效变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种氮化物半导体结构，其包含有一第一型掺杂半导体层与一第二型掺杂半导体层，于所述第一型掺杂半导体层与所述第二型掺杂半导体层间配置有一发光层，其中，所述第二型掺杂半导体层掺杂有浓度大于5×10¹⁹cm^-3的第二型掺质，且其厚度小于30nm；

其中，所述发光层与所述第二型掺杂半导体层间配置有一电洞提供层，所述电洞提供层为氮化铝铟镓Al_xIn_yGa_1-x-yN，其中0<x<1，0<y<1，0<x+y<1，且所述电洞提供层掺杂有浓度大于10¹⁸cm^-3的第二型掺质；

其中，所述电洞提供层掺杂有浓度为10¹⁷-10²⁰cm^-3的第四主族元素。

2.如权利要求1所述的氮化物半导体结构，其中，所述发光层具有多重量子井结构，且所述电洞提供层的能隙大于所述多重量子井结构的井层的能隙。

3.如权利要求1所述的氮化物半导体结构，其中，所述发光层具有多重量子井结构，所述多重量子井结构包含多个彼此交替堆栈的井层及阻障层，且每两层所述阻障层间具有一所述井层，所述阻障层为Al_xIn_yGa_1-x-yN，其中x及y满足0<x<1，0<y<1，0<x+y<1的数值，所述井层为In_zGa_1-zN，其中0<z<1。

4.如权利要求3所述的氮化物半导体结构，其中，所述井层具有3.5nm-7nm的厚度。

5.如权利要求3所述的氮化物半导体结构，其中，所述阻障层掺杂有浓度为10¹⁶-10¹⁸cm^-3的第一型掺质。

6.如权利要求1所述的氮化物半导体结构，其中，所述电洞提供层与所述第二型掺杂半导体层间配置有一第二型载子阻隔层，所述第二型载子阻隔层为Al_xGa_1-xN，其中0<x<1。

7.如权利要求1所述的氮化物半导体结构，其中，所述发光层与所述第一型掺杂半导体层间配置有一第一型载子阻隔层，且所述第一型载子阻隔层为Al_xGa_1-xN，其中0<x<1。

8.一种半导体发光元件，其至少包含有：

一基板；

一第一型掺杂半导体层，其配置于所述基板上；

一发光层，其配置于所述第一型掺杂半导体层上；

一第二型掺杂半导体层，其配置于所述发光层上，所述第二型掺杂半导体层掺杂有浓度大于5×10¹⁹cm^-3的第二型掺质，且其厚度小于30nm；

一第一型电极，其以欧姆接触配置于所述第一型掺杂半导体层上；以及

一第二型电极，其以欧姆接触配置于所述第二型掺杂半导体层上；

其中，所述发光层与所述第二型掺杂半导体层间配置有一电洞提供层，所述电洞提供层为氮化铝铟镓Al_xIn_yGa_1-x-yN，其中0<x<1，0<y<1，0<x+y<1，且所述电洞提供层掺杂有浓度大于10¹⁸cm^-3的第二型掺质；

其中，所述电洞提供层掺杂有浓度为10¹⁷-10²⁰cm^-3的第四主族元素。