CN103972342A - 氮化物半导体结构及半导体发光元件 - Google Patents

Abstract

本发明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主要于发光层与n型半导体层间配置有一次微米等级厚度的应力释放层，应力释放层由不超过8对彼此交替堆栈的In_xGa_1-xN层及In_yGa_1-yN层所构成，其中x及y为满足0＜x＜1、0＜y＜1、x＜y。该半导体发光元件至少包含上述氮化物半导体结构，一基板以及二相配合地提供电能的n型电极与p型电极。由此，具较少堆栈层数的应力释放层能有效减小因晶格不匹配所产生的残余应力与磊晶缺陷，且具次微米厚度(优选为0.1-0.5微米)的应力释放层使得于磊晶过程中，精确控制组成比例，以有效掌控发光二极管的质量。

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，尤其是指一种于发光层与n型半导体层间配置有一次微米等级厚度的应力释放层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

近年来，发光二极管的应用面日趋广泛，已成为日常生活中不可或缺的重要元件；且发光二极管可望取代现今的照明设备，成为未来新世代的固态照明元件，因此发展高节能、高效率及更高功率的发光二极管将会是未来趋势；氮化物LED由于具有元件体积小、无汞污染、发光效率高及寿命长等优点，已成为最新兴光电半导体材料之一，而第三主族的氮化物的发光波长几乎涵盖了可见光的范围，更使其成为极具潜力的发光二极管材料。

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型半导体层、发光层以及p型半导体层；接着，利用微影与蚀刻工艺移除部分的p型半导体层、部分的发光层，直至暴露出部分的n型半导体层为止；然后，分别于n型半导体层的暴露部分以及p型半导体层上形成欧姆接触的n型电极与p型电极，进而制作出发光二极管；其中，发光层为多重量子井结构(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)，因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型半导体层和p型半导体层注入，并在量子井层中结合，而发射出光子。

然而，上述的发光二极管因诸多因素(例如：电流拥塞(current crowding)、差排缺陷(dislocation)等)，进而影响其发光效率；也因此，近几年已发展出许多技术，例如使用铟锡氧化物(Indium Tin Oxide；ITO)当透明电极、采用覆晶结构(flip-chip)、利用图形化(PSS)的蓝宝石基板，以及使用电流阻挡层(current block layer；CBL)等；其中一种改善n型、p型电极欧姆接触的方法，是利用超晶格(super lattices)结构，超晶格结构由数对交互堆栈的宽能隙半导体材料层以及窄能隙半导体材料层所构成，其中，宽能隙半导体材料层与窄能隙半导体材料层的材质可例如氮化铝陈氮化镓(AlGaN/GaN)或氮化铟镓/氮化镓(InGaN/GaN)来降低透明电极与发光二极管元件之间的接触电阻；而上述的InGaN/GaN超晶格结构亦可被配置于n型半导体层与发光层之间，以减小由于n型半导体层与发光层的晶格不匹配所产生的残余应力；请参阅申请号为101143115的中国台湾专利申请，发明名称为“氮化物半导体结构及半导体发光元件”的专利申请，其揭露了于发光层与n型载子阻隔层间配置一超晶格层，以缓冲发光层与n型载子阻隔层的晶格差异，降低其差排密度；一般而言，上述的InGaN/GaN超晶格结构包含有5-50的周期(即5-50对的InGaN/GaN)，且一对InGaN/GaN的厚度约1-5纳米；然而，于实际磊晶成长时，因超晶格结构厚度太薄(为纳米等级)，且成长层数过多，不仅使得InGaN/GaN的组成比例需经常调整，易导致缺陷(pits)密度过高的问题，难以有效地掌控发光二极管的质量，进而影响发光二极管的发光效率。

鉴于上述现有的氮化物半导体发光二极管在实际实施上仍具有多处的缺失，因此，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

为解决上述技术问题，本发明的主要目的为提供一种氮化物半导体结构，其于发光层与n型半导体层间配置有一次微米等级厚度的应力释放层，其以较少堆栈层数的应力释放层有效地减小因晶格不匹配所产生的残余应力与磊晶缺陷，且具次微米厚度的应力释放层更使得于磊晶过程中，能精确地控制In_xGa_1-xN层及In_yGa_1-yN层的组成比例，以有效地掌控发光二极管的质量。

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。

为达上述目的，本发明提供一种氮化物半导体结构，其包含一n型半导体层、发光层与一p型半导体层，且于发光层与一n型半导体层间配置有一次微米等级厚度的应力释放层，所述应力释放层由不超过8对彼此交替堆栈的In_xGa_1-xN层及In_yGa_1-yN层所构成，其中x及y为满足0＜x＜1、0＜y＜1、x＜y的数值。

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，所述应力释放层的总厚度为0.1-0.5微米。

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，所述应力释放层具有3-5对的In_xGa_1-xN层及In_yGa_1-yN层；更优选地，其包含有重复堆栈的3对In_xGa_1-xN层及In_yGa_1-yN层。此外，根据本发明的具体实施方式，优选地，于所述应力释放层中含铟量较低的In_xGa_1-xN层的厚度大于含铟量较高In_yGa_1-yN层的厚度；更优选地，In_xGa_1-xN层的厚度为In_yGa_1-yN层厚度的2倍以上。由此，以In_xGa_1-xN层及In_yGa_1-yN层彼此交替堆栈所构成具次微米等级厚度的应力释放层与公知的超晶格层相较下，其具有层数较少、厚度较厚的特性，使得本发明的氮化物半导体结构能以较少堆栈层数的应力释放层有效地减小因晶格不匹配所产生的残余应力，且应力释放层均由氮化铟镓所构成，相较于公知使用氮化铟镓与氮化镓组合而成的超晶格结构，可使得磊晶结构的界面差排缺陷密度降低，同时具次微米厚度的应力释放层于磊晶过程中，能更精确地控制In_xGa_1-xN层及In_yGa_1-yN层的组成比例，以有效地掌控发光二极管的质量，进而提升发光二极管的效能。

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，所述应力释放层中含铟量较低的In_xGa_1-xN层掺杂有浓度为5×10¹⁶-5×10¹⁸cm^-3的n型掺质；由此，可增加氮化物半导体的结晶性及导电性。

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p型半导体层与发光层间进一步可配置有一p型载子阻隔层，p型载子阻隔层为氮化铝铟镓Al_wln_vGa_1-w-vN，其中w、v为满足0＜w＜1、0＜v＜1、0＜w+v＜1的数值，更优选地，0＜w≤0.4、0＜v≤0.2；使得载子可局限于量子井层中，以提高电子电洞覆合的机率，增加发光效率，进而达到半导体发光元件亮度提升的功效。

此外，本发明还提出一种半导体发光元件，其至少包含有：

一基板；

一n型半导体层，其配置于所述基板上；

一发光层，其配置于所述n型半导体层上，所述发光层具有多重量子井结构，且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；

一应力释放层，其配置于所述发光层与所述n型半导体层间，所述应力释放层由不超过8对彼此交替堆栈的In_xGa_1-xN层及In_yGa_1-yN层所构成，其中x及y满足0＜x＜1、0＜y＜1、x＜y的数值；

一p型半导体层，其配置于所述发光层上；

一n型电极，其以欧姆接触配置于所述n型半导体层上；以及

一p型电极，其以欧姆接触配置于所述p型半导体层上。

本发明的半导体发光元件至少包含上述的氮化物半导体结构，一基板以及二相配合地提供电能的n型电极与p型电极；由此，具次微米等级厚度的应力释放层减小其磊晶时因晶格不匹配所产生的残余应力，以降低磊晶结构的界面差排缺陷密度，同时具次微米厚度的特性更能精确地控制In_xGa_1-xN层及In_yGa_1-yN层的组成比例，以有效地掌控发光二极管的质量；再者，由于压缩应力的减少更可减低发光层的井层受到压缩应力的影响，使得于井层内的电子和电洞在空间上更为聚集，有效地将电子电洞局限于每一个井层内，以提升内部量子效率；同时，亦能增强相邻的GaN阻障层和InGaN井层间的界面特性，改善界面处的载子损耗，以增加内部量子效率，使得半导体发光元件可获得良好的发光效率。

根据本发明的具体实施方式，优选地，在上述半导体发光元件中，可于基板与n型半导体层间配置有一缓冲层，缓冲层是由化学式氮化铝镓Al_zGa_1-zN表示的材料所构成，其中0＜z＜1，用以解决因基板与n型半导体层间因晶格差异所产生的磊晶差排现象。

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 n型半导体层 31 n型电极

4 应力释放层

41 In_xGa_1-xN层

42 In_yGa_1-yN层

5 发光层 51 阻障层

52 井层 6 p型载子阻隔层

7 p型半导体层 71 p型电极

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，为了清楚起见，放大了附图中叠层与区域的厚度，且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，其包含一n型半导体层3、发光层5与一p型半导体层7，且于发光层5与n型半导体层3间配置有一次微米等级厚度的应力释放层4，所述应力释放层4由不超过8对彼此交替堆栈的In_xGa_1-xN层41及In_yGa_1-yN层42所构成，其中x及y为满足0＜x＜1、0＜y＜1、x＜y的数值；再者，优选地，应力释放层4具有3-5对的In_xGa_1-xN层41及In_yGa_1-yN层42，更优选地，其包含有重复堆栈的3对In_xGa_1-xN层41及In_yGa_1-yN层42，于一具体实施例中，应力释放层4优选是以3对的In_0.1Ga_0.9N层及In_0.3Ga_0.7N层所构成。

此外，于磊晶成长过程中，应力释放层4的总厚度为0.1-0.5微米，而应力释放层4中含铟量较低的In_xGa_1-xN层41的厚度大于含铟量较高In_yGa_1-yN层42的厚度，优选地，In_xGa_1-xN层41的厚度为In_yGa_1-yN层42厚度的2倍以上；由此，以较少堆栈层数的应力释放层4可有效地减小因晶格不匹配所产生的残余应力，使得磊晶结构的界面差排缺陷密度降低，且具次微米(0.1-0.5μm)厚度的应力释放层4于磊晶过程中，能更精确地控制In_xGa_1-xN层41及In_yGa_1-yN层42的组成比例，以有效地掌控发光二极管的质量，进而提升发光二极管的效能。

再者，应力释放层4中含铟量较低的In_xGa_1-xN层41可掺杂有浓度为5×10¹⁶-5×10¹⁸cm^-3的n型掺质(如硅)，由此增加氮化物半导体的结晶性及导电性。

更进一步地，可于p型半导体层7与发光层5间配置有一p型载子阻隔层6，p型载子阻隔层6为氮化铝铟镓Al_wln_vGa_1-w-vN，其中w、v为满足0＜w＜1、0＜v＜1、0＜w+v＜1的数值，优选为0＜w≤0.4、0＜v≤0.2，p型载子阻隔层6可令电子局限于量子井层中，以提高电子电洞覆合的机率，增加发光效率，进而达到氮化物半导体亮度提升的功效。

上述实施例的氮化物半导体结构于实际实施使用时，n型半导体层3的材料可例如为硅掺杂的氮化镓系列材料，而p型半导体层7的材料可例如为镁掺杂的氮化镓系列材料，发光层5的多重量子井结构可分别例如但不限定由InGaN及GaN形成的井层52与阻障层51；由此，以In_xGa_1-xN层41及In_yGa_1-yN层42彼此交替堆栈所构成具次微米等级厚度的应力释放层4与公知的超晶格层相较下，具有层数较少、厚度较厚的特性，因此，通过本发明的应力释放层4不仅可减小因晶格不匹配所产生的残余应力，以降低磊晶结构的界面差排缺陷密度，同时更能精确地控制In_xGa_1-xN层41及In_yGa_1-yN层42的组成比例，有效地掌控发光二极管的质量；此外，由于压缩应力的减少更可减低发光层5的井层52受到压缩应力的影响，使得于井层52内的电子和电洞在空间上更为聚集，有效地将电子电洞局限于每一个井层52内，以提升内部量子效率；再者，亦能增强相邻的GaN阻障层51和InGaN井层52间的界面特性，改善界面处的载子损耗，以增加内部量子效率。

请参阅图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；

一n型半导体层3，其配置于基板1上；其中，n型半导体层3的材料可例如为硅掺杂的氮化镓系列材料；

一发光层5，其配置于n型半导体层3上，发光层5具有多重量子井结构，且多重量子井结构包含多个彼此交替堆栈的井层52及阻障层51，且每两层阻障层51间具有一井层52；其中，井层52与阻障层51可分别由InGaN及GaN所形成，以使电子及电洞更容易局限于井层52中，以增加电子电洞覆合机率，提升内部量子效率；

一应力释放层4，其配置于发光层5与n型半导体层3间，且应力释放层4由不超过8对彼此交替堆栈的In_xGa_1-xN层41及In_yGa_1-yN层42所构成，其中x及y为满足0＜x＜1、0＜y＜1、x＜y的数值；此外，优选地，应力释放层4具有3-5对的In_xGa_1-xN层41及In_yGa_1-yN层42，且In_xGa_1-xN层41的厚度为In_yGa_1-yN层42厚度的2倍以上，且应力释放层4的总厚度为0.1-0.5微米；

一p型半导体层7，其配置于发光层5上；其中，p型半导体层7的材料可例如为镁掺杂的氮化镓系列材料；

一n型电极31，其以欧姆接触配置于n型半导体层3上；以及

一p型电极71，其以欧姆接触配置于p型半导体层7上；其中，n型电极31与p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；其工艺方法为本领域一般技术人员所公知的，且并非本发明的重点，因此，不再本发明中加以赘述。

此外，基板1与n型半导体层3间配置有一缓冲层2，缓冲层2是由化学式氮化铝镓Al_zGa_1-zN表示的材料所构成，其中0＜z＜1，用以解决因基板1与n型半导体层3间因晶格差异所产生的磊晶差排现象；再者，p型半导体层7与发光层5间进一步可配置有一p型载子阻隔层6，p型载子阻隔层6由化学式氮化铝铟镓Al_wln_vGa_1-w-vN表示的材料所构成，其中w及v为满足0＜w≤0.4、0＜v＜0.2的数值，以使得载子可局限于量子井层52中，以提高电子电洞覆合的机率，增加发光效率，进而达到半导体发光元件亮度提升的功效。

由此，本发明的半导体发光元件通过In_xGa_1-xN层41及In_yGa_1-yN层42彼此交替堆栈所构成具次微米等级厚度的应力释放层4，其具有层数较少、厚度较厚的特性，不仅可减小应力释放层4磊晶时因晶格不匹配所产生的残余应力，以降低磊晶结构的界面差排缺陷密度，同时更能精确地控制In_xGa_1-xN层41及In_yGa_1-yN层42的组成比例，以有效地掌控发光二极管的质量；此外，因压缩应力的减少亦可增强相邻阻障层51和井层52之间的界面特性，改善界面处的载子损耗，以增加内部量子效率，使得半导体发光元件可获得良好的发光效率。

综上所述，本发明的具应力释放层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 (9)

1.一种氮化物半导体结构，包含一n型半导体层、发光层与一p型半导体层，于所述发光层与所述n型半导体层间配置有一次微米等级厚度的应力释放层，所述应力释放层由不超过8对彼此交替堆栈的In_xGa_1-xN层及In_yGa_1-yN层所构成，其中x及y为满足0＜x＜1、0＜y＜1、x＜y的数值。

2.如权利要求1所述的氮化物半导体结构，其中，所述应力释放层具有3-5对的In_xGa_1-xN层及In_yGa_1-yN层。

3.如权利要求1所述的氮化物半导体结构，其中，所述应力释放层的In_xGa_1-xN层的厚度大于所述In_yGa_1-yN层的厚度。

4.如权利要求1所述的氮化物半导体结构，其中，所述应力释放层的In_xGa_1-xN层的厚度为所述In_yGa_1-yN层的厚度的2倍以上。

5.如权利要求1所述的氮化物半导体结构，其中，所述应力释放层的总厚度为0.1-0.5微米。

6.如权利要求1所述的氮化物半导体结构，其中，所述应力释放层的In_xGa_1-xN层掺杂有浓度为5×10¹⁶-5×10¹⁸cm^-3的n型掺质。

7.如权利要求1所述的氮化物半导体结构，其中，于所述p型半导体层与所述发光层间进一步配置有一p型载子阻隔层，所述p型载子阻隔层为氮化铝铟镓Al_wln_vGa_1-w-vN，其中w及v为满足0＜w≤0.4、0＜v≤0.2的数值。

8.一种半导体发光元件，其至少包含有：

一基板；

一n型半导体层，其配置于所述基板上；

一发光层，其配置于所述n型半导体层上，所述发光层具有多重量子井结构，且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；

一应力释放层，其配置于所述发光层与所述n型半导体层间，所述应力释放层由不超过8对彼此交替堆栈的In_xGa_1-xN层及In_yGa_1-yN层所构成，其中x及y为满足0＜x＜1、0＜y＜1、x＜y的数值；

一p型半导体层，其配置于所述发光层上；

一n型电极，其以欧姆接触配置于所述n型半导体层上；以及

一p型电极，其以欧姆接触配置于所述p型半导体层上。

9.如权利要求8所述的半导体发光元件，其中，所述n型半导体层与所述基板间配置有一缓冲层，所述缓冲层为氮化铝镓Al_zGa_1-zN，其中0＜z＜1。