CN103972343B - 氮化物半导体结构及半导体发光元件 - Google Patents

Abstract

本发明有关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基板上配置有第一型掺杂半导体层与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发光层，发光层具有多重量子井结构，多重量子井结构包含多个彼此交替堆栈的井层及阻障层，且每两阻障层间具有一井层，阻障层为Al_xIn_yGa_1‑x‑yN，x及y满足0＜x＜1，0＜y＜1，0＜x+y＜1，井层为In_zGa_1‑zN，0＜z＜1。该半导体发光元件至少包含上述氮化物半导体结构，及二相配合地提供电能的第一型电极与第二型电极。由此，可调整四元组成条件以提供晶格匹配的阻障层与井层，改善因晶格不匹配所产生的晶体缺陷现象。

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，尤其是指一种于多重量子井结构中使用四元氮化铝铟镓的阻障层与三元氮化铟镓的井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

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，发光层具有氮化物半导体多重量子井结构(MQW)，而多重量子井结构包括以重复的方式交替设置的井层(well)和阻障层(barrier)，因为井层具有相对阻障层较低之能隙，使得在上述多重量子井结构中的每一个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，并在井层中结合，而发射出光粒子。

目前，在多重量子井结构中约有1至30层的井层或阻障层，阻障层通常系以氮化镓GaN的材料所形成，而井层是以氮化铟镓InGaN所组成；然而，上述的多重量子井结构由于氮化铟镓与氮化镓晶格间存在有约10-15％的晶格不匹配度，导致晶格间产生强大的应力作用，使得在多重量子井结构中有压电场(piezoelectric field)的产生，且于成长氮化铟镓的过程中，当铟含量愈高时，所产生的压电场也就愈大，对晶体结构的影响也就愈大，而随着成长的厚度愈厚时，所累积的应力也就愈大，当晶体结构成长至超过某一个临界厚度(critical thickness)，导致晶体结构无法再承受此应力作用时，则会产生较大的缺陷结构(例如V-形缺陷)，使得一般井层具有一定的厚度限制，一般约为3nm左右。

此外，上述的多重量子井结构也会因强大的极化电场作用的存在，而造成能带严重倾斜或弯曲，导致电子与电洞分开局限在井层的两侧，使得电子与电洞波函数(wavefunction)在空间上的重叠率降低，而降低电子与电洞的辐射再结合速率(radiativerecombinationrate)及内部量子效率(IQE)。

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，本发明主要目的为提供一种氮化物半导体结构，其于发光层中使用四元氮化铝铟镓的阻障层与三元氮化铟镓的井层以改善因晶格失配所产生的应力作用，使得井层具有3.5nm-7nm的厚度，同时可提供较佳的载子局限，以提升内部量子效率。

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，其主要于基板上配置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，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，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。

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，所述井层具有3.5nm-7nm的厚度。

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，所述阻障层具有5nm-12nm的厚度；且优选地，在上述氮化物半导体结构中，所述阻障层可掺杂有浓度为10¹⁶-10¹⁸cm^-3的第一型掺质；使得阻障层可以减少载子遮蔽效应，以增加载子局限效应。

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可配置有一电洞提供层；更优选地，所述电洞提供层为氮化铟镓In_xGa_1-xN，其中0＜x＜1，且所述电洞提供层可掺杂有浓度大于10¹⁸cm^-3的第二型掺质，例如为镁或锌，优选为镁，以增加电洞的浓度。

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，进而增加电子电洞的结合。

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，所述电洞提供层的能隙大于多重量子井结构的井层的能隙，通过让电洞容易进入井层又防止电子逃脱，使得电子及电洞更容易局限在井层中，以增加电子电洞对覆合的机率。

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，可于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优选为Al_xGa_1-xN，其中0＜x＜1。

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，且所述第二型载子阻隔层优选为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，不仅可增加氮化物半导体的能带范围，亦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，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；

一第二型掺杂半导体层，其配置于所述发光层上；

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至少包含如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，利用四元氮化铝铟镓的阻障层以及三元氮化铟镓的井层具有相同铟元素的特性，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，不仅可改善传统氮化铟镓的井层以及氮化镓的阻障层因晶格不匹配而产生的晶体缺陷现象，亦可改善因晶格失配所产生的应力作用，使得本发明的氮化物半导体结构的井层具有3.5nm-7nm的厚度，优选为4nm-5nm；同时，通过提高添加Al元素可提供阻障层较佳的载子局限，有效地将电子电洞局限于井层内，由此提升内部量子效率，使得半导体发光元件获得良好的发光效率。

再者，因四元氮化铝铟镓的阻障层以及三元氮化铟镓的井层可改善因晶格失配所产生的应力作用，进而有效降低多重量子井结构中压电场的产生，达到有效抑制压电效应及提升内部量子效率的功效，使得半导体发光元件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，其主要于基板1上配置有一第一型掺杂半导体层3与一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，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51及阻障层52，且每两阻障层52间具有一井层51，阻障层52由化学式Al_xIn_yGa_1-x-yN表示的四元材料所构成，其中x及y满足0＜x＜1，0＜y＜1，0＜x+y＜1的数值，而井层51由化学式In_zGa_1-zN表示的材料所构成，其中0＜z＜1，且井层51具有3.5nm-7nm的厚度，优选为4nm-5nm，而阻障层52具有5nm-12nm的厚度；其中阻障层52可掺杂有浓度为10¹⁶-10¹⁸cm^-3的第一型掺质(例如为硅或锗)，使得阻障层52可以减少载子遮蔽效应，以增加载子局限效应。

此外，上述的氮化物半导体结构可于发光层5与第二型掺杂半导体层7间配置有一电洞提供层8，其中电洞提供层8为氮化铟镓In_xGa_1-xN，其中0＜x＜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，优选为镁；再者，电洞提供层8可掺杂有浓度为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，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，进而增加电子电洞的结合；再者，电洞提供层8的能隙大于多重量子井结构的井层51的能隙，由此可让电洞进入井层且又避免电子逃逸进入第二型掺杂半导体层7内。

另外，发光层5与第一型掺杂半导体层3间亦可配置有一第一型载子阻隔层4，且第一型载子阻隔层4优选是由化学式Al_xGa_1-xN表示的材料所构成，其中0＜x＜1；而电洞提供层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，且第二型载子阻隔层6由化学式Al_xGa_1-xN表示的材料所构成，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，不仅可增加氮化物半导体的能带范围，亦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。

再者，基板1与第一型掺杂半导体层3间可配置有一缓冲层2，缓冲层2是由化学式Al_XGa_1-xN表示的材料所构成，其中0＜x＜1；而缓冲层2是用以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(lattice mismatch)的问题，且缓冲层2的材料亦可例如是GaN、InGaN、SiC、ZnO等，且其形成方法可例如是于400-900℃的温度下进行低温磊晶成长。

上述实施例的氮化物半导体结构于实际实施使用时，首先基板1的材料可例如是蓝宝石(sapphire)、硅、SiC、ZnO或GaN基板等，而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，第二型掺杂半导体层7的材料则可例如为镁或锌掺杂的氮化镓系列材料，其中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)；而值得注意的，上述井层51与阻障层52优选的制作方法是利用有机金属蒸汽沉积法或分子束磊晶法(MBE)加以沉积，一般是使用含低烷基铟和镓化合物的气体混合物；所述阻障层52是于850-1000℃的温度沉积而形成，而所述井层51通常是在500-950℃的温度下形成；由此，由于多重量子井结构包含有氮化铝铟镓的阻障层52以及氮化铟镓的井层51，其具有相同的铟元素，使得阻障层52与井层51的晶格常数较为相近，可改善传统氮化镓的阻障层以及氮化铟镓的井层所造成的晶格不匹配而产生的晶体缺陷现象，且由于晶格间应力的产生主要是来由于材料间晶格常数的不匹配所造成的，由此亦可改善因晶格失配所产生应力作用，使得本发明的氮化物半导体结构的井层51具有3.5nm-7nm的厚度，优选为4nm-5nm。

再者，因四元氮化铝铟镓的阻障层52以及氮化铟镓的井层51可改善因晶格失配所产生应力作用，进而有效降低多重量子井结构中压电场的产生，使得能带弯曲与倾斜的现象得到相当程度的改善，进而达到有效抑制压电效应及提升内部量子效率的功效。

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，发光层5具有多重量子井结构，而多重量子井结构包含多个彼此交替堆栈的井层51及阻障层52，且每两阻障层52间具有一井层51，阻障层52由化学式Al_xIn_yGa_1-x-yN表示的材料所构成，其中，x及y满足0＜x＜1，0＜y＜1，0＜x+y＜1的数值，而井层51由化学式In_zGa_1-zN表示的材料所构成，其中0＜z＜1，且井层51具有3.5nm-7nm的厚度，优选为4nm-5nm；

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的材料可例如为镁或锌掺杂的氮化镓系列材料；

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。

此外，发光层5与第一型掺杂半导体层3间可配置一由Al_xGa_1-xN材料所构成的第一型载子阻隔层4，其中0＜x＜1；而发光层5与第二型掺杂半导体层7间亦可配置一由Al_xGa_{1- x}N材料所构成的第二型载子阻隔层6，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，不仅可增加氮化物半导体的能带范围，亦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。

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。

由此，由上述的氮化物半导体结构实施说明可知，本发明的半导体发光元件通过四元氮化铝铟镓的阻障层52以及三元氮化铟镓的井层51具有相同铟元素的特性，利用调整四元组成条件以提供晶格匹配的组成，使得阻障层52与井层51的晶格常数较为相近，不仅可改善传统氮化镓的阻障层以及氮化铟镓的井层所造成的晶格不匹配而产生的晶体缺陷现象，且由于晶格间应力的产生主要是由于材料间晶格常数的不匹配所造成的，由此亦可改善因晶格失配所产生应力作用，使得本发明的氮化物半导体结构的井层51具有3.5nm-7nm的厚度，优选为4nm-5nm；同时，亦可提高添加Al元素以提供阻障层52较佳的载子局限，有效地将电子电洞局限于井层51内，由此提升内部量子效率，使得半导体发光元件获得良好的发光效率。

再者，因四元氮化铝铟镓的阻障层52以及三元氮化铟镓的井层51可改善因晶格失配所产生应力作用，进而有效降低多重量子井结构中压电场的产生，达到有效抑制压电效应及提升内部量子效率的功效，使得半导体发光元件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 (6)

1.一种氮化物半导体结构，其主要于基板上配置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，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InzGa1-zN，其中0<z<1；

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铟镓In_xGa_1-xN，其中0<x<1，且所述电洞提供层掺杂有浓度大于10¹⁸cm^-3的第二型掺质；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，且所述第二型载子阻隔层为Al_xGa_1-xN，其中0<x<1；

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，所述井层具有3.5nm-7nm的厚度。

3.如权利要求1所述的氮化物半导体结构，其中，所述阻障层具有5nm-12nm的厚度。

4.如权利要求1所述的氮化物半导体结构，其中，所述阻障层掺杂有浓度为10¹⁶-10¹⁸cm^-3的第一型掺质。

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

6.一种半导体发光元件，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，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；

一第二型掺杂半导体层，其配置于所述发光层上；

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；

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铟镓In_xGa_1-xN，其中0<x<1，且所述电洞提供层掺杂有浓度大于10¹⁸cm^-3的第二型掺质；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，且所述第二型载子阻隔层为Al_xGa_1-xN，其中0<x<1；

所述电洞提供层掺杂有浓度为10¹⁷-10²⁰cm^-3的第四主族元素。