TWI499080B - 氮化物半導體結構及半導體發光元件 - Google Patents
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Description
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，尤其是指一種於多重量子井結構中使用四元氮化鋁銦鎵的阻障層與三元氮化銦鎵的井層以改善因晶格失配所產生的應力作用，使得井層具有3.5nm~7nm之厚度，同時可提供較佳的載子侷限，以提升內部量子效率，使得半導體發光元件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型半導體層、發光層以及p型半導體層；接著，利用微影與蝕刻製程移除部分之p型半導體層、部分之發光層，直至暴露出部分之n型半導體層為止；然後，分別於n型半導體層之暴露部分以及p型半導體層上形成n型電極與p
型電極，而製作出發光二極體；其中，發光層具有氮化物半導體多重量子井結構(MQW)，而多重量子井結構包括以重複的方式交替設置的井層(well)和阻障層(barrier)，因為井層具有相對阻障層較低之能隙，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型半導體層和p型半導體層注入，並在井層中結合，而發射出光粒子。
目前，在多重量子井結構中約有1至30層的井層或阻障層，阻障層通常係以氮化鎵GaN之材料所形成，而井層係以氮化銦鎵InGaN所組成；然，上述之多重量子井結構由於氮化銦鎵與氮化鎵晶格間存在有約10~15%的晶格不匹配度，導致晶格間產生強大的應力作用，使得在多重量子井結構中有壓電場(piezoelectric field)的產生，且於成長氮化銦鎵的過程中，當銦含量愈高時，所產生的壓電場也就愈大，對晶體結構的影響也就愈大，而隨著成長的厚度愈厚時，所累積的應力也就愈大，當晶體結構成長至超過某一個臨界厚度(critical thickness)，導致晶體結構無法再承受此應力作用時，則會產生較大的缺陷結構(例如V一形缺陷)，使得一般井層具有一定的厚度限制，一般約為3nm左右。
此外，上述之多重量子井結構也會因強大的極化電場作用的存在，而造成能帶嚴重傾斜或彎曲，導致電子與電洞分開侷限在井
層的兩側，使得電子與電洞波函數(wave function)在空間上的重疊率降低，而降低電子與電洞的輻射再結合速率(radiative recombination rate)及內部量子效率(IQE)。
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，係於發光層中使用四元氮化鋁銦鎵的阻障層與三元氮化銦鎵的井層以改善因晶格失配所產生的應力作用，使得井層具有3.5nm~7nm之厚度，同時可提供較佳的載子侷限，以提升內部量子效率者。
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於基板上配置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，發光層具有多重量子井結構，且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AlxInyGa1-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InzGa1-zN，其中0<z<1，且井層具有3.5nm~7nm之厚度。
在本發明的一實施例中，阻障層具有5nm~12nm之厚度，且阻障層可摻雜有濃度介於1016~1018cm-3的第一型摻質，使得阻障層可以減少載子遮蔽效應，以增加載子侷限效應。
再者，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可配置有一電洞提供層，電洞提供層為氮化銦鎵InxGa1-xN，其中0<x<1，且電洞提供層可摻雜有濃度大於1018cm-3的第二型摻質，例如為鎂或鋅，較佳為鎂，以增加電洞的濃度。
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。
在本發明的一實施例中，電洞提供層之能隙大於多重量子井結構之井層的能隙，藉以讓電洞容易進人井層又防止電子逃脫，使得電子及電洞更容易侷限在井層中，以增加電子電洞對覆合的機率。
在本發明的一實施例中，可於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較佳為AlxGa1-xN，其中0<x<1；而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，且第二型載子阻隔層較佳為AlxGa1-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，不僅可增加氮化物半導體之能帶範圍，亦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。
另，本發明提出一種半導體發光元件，係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電極；藉此，利用四元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，不僅可改善傳統氮化銦鎵的井層以及氮化鎵的阻障層因晶格不匹配而產生之晶體缺陷現象，亦可改善因晶格失配所產生的應力作用，使得本發明之氮化物半導體結構其井層具有3.5nm~7nm之厚度，較佳係為4nm~5nm；同時，藉由提高添加Al元素可提供阻障層較佳的載子侷限，有效地將電子電洞侷限於井層內，藉此提升內部量子效率，使得半導體發光元件獲得良好之發光效率。
再者，因四元氮化鋁銦鎵的阻障層以及三元氮化銦鎵的井層可改善因晶格失配所產生的應力作用，進而有效降低多重量子井結構中壓電場的產生，達到有效抑制壓電效應及提升內部量子效率之功效，使得半導體發光元件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，係主要於基板(1)上配置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)，發光層(5)具有多重量子井結構，且多重量子井結構包含複數個彼此交替堆疊之井層(51)及阻障層(52)，且每兩阻障層(52)間係具有一井層(51)，阻障層(52)由化學式AlxInyGa1-x-yN表示之四元材料所構成，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)係由化學式InzGa1-zN表示之材料所構成，其中0<z<1，且井層(51)具有3.5nm~7nm之厚度，較佳係為4nm~5nm，而阻障層(52)係具有5nm~12nm之厚度；其中阻障層(52)可摻雜有濃度介於1016~1018cm-3的第一型摻質(例如為矽或鍺)，使得阻障層(52)可以減少載子遮蔽效應，以增加載子侷限效應。
此外，上述之氮化物半導體結構可於發光層(5)與第二型摻雜半導體層(7)間配置有一電洞提供層(8)，其中電洞提供層(8)為氮化銦鎵InxGa1-xN，其中0<x<1，且電洞提供層(8)係摻雜有濃度大於1018cm-3的第二型摻質，例如為鎂或鋅，較佳為鎂；再者，電洞提供層(8)可摻雜有濃度介於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，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，電洞提供層(8)之能隙大於多重量子井結構之井層(51)的能隙，藉此可讓電洞進入井層且又避免電子逃逸進入第二型摻雜半導體層(7)內。
另，發光層(5)與第一型摻雜半導體層(3)間亦可配置有一第一型載子阻隔層(4)，且第一型載子阻隔層(4)較佳係由化學式AlxGa1-xN表示之材料所構成，其中0<x<1；
而電洞提供層(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)，且第二型載子阻隔層(6)係由化學式AlxGa1-xN表示之材料所構成，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，不僅可增加氮化物半導體之能帶範圍，亦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。
再者，基板(1)與第一型摻雜半導體層(3)間可配置有一緩衝層(2)，緩衝層(2)係由化學式AlxGa1-xN表示之材料所構成，其中0<x<1；而緩衝層(2)係用以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(lattice mismatch)的問題，且緩衝層(2)的材料亦可例如是GaN、InGaN、SiC、ZnO等，且其形成方法可例如是於400~900℃的溫度下進行低溫磊晶成長。
根據上述實施例之氮化物半導體結構於實際實施使用時，首先基板(1)的材料可例如是藍寶石(sapphire)、矽、SiC、ZnO或GaN基板等，而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，第二型摻雜半導體層(7)之材料則可例如為鎂或鋅摻雜之氮化鎵系列材料，其中第一、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)；而
值得注意的，上述井層(51)與阻障層(52)較佳的作法是利用有機金屬蒸汽沉積法或分子束磊晶法(MBE)加以沉積，一般是使用含低烷基銦和鎵化合物的氣體混合物；該等阻障層(52)於850~1000℃的溫度沉積，而該等井層(51)通常是在500~950℃的溫度下形成；藉此，由於多重量子井結構包含有氮化鋁銦鎵的阻障層(52)以及氮化銦鎵的井層(51)，其具有相同的銦元素，使得阻障層(52)與井層(51)的晶格常數較為相近，可改善傳統氮化鎵的阻障層以及氮化銦鎵的井層所造成的晶格不匹配而產生之晶體缺陷現象，且由於晶格間應力的產生主要係來自於材料間晶格常數的不匹配所造成的，藉此亦可改善因晶格失配所產生應力作用，使得本發明之氮化物半導體結構其井層(51)具有3.5nm~7nm之厚度，較佳係為4nm~5nm。
再者，因四元氮化鋁銦鎵的阻障層(52)以及氮化銦鎵的井層(51)可改善因晶格失配所產生應力作用，進而有效降低多重量子井結構中壓電場的產生，使得能帶彎曲與傾斜的現象得到相當程度的改善，進而達到有效抑制壓電效應及提升內部量子效率之功效。
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，發光層(5)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(51)及阻障層(52)，且每兩阻障層(52)間係具有一井層(51)，阻障層(52)由化學式AlxInyGa1-x-yN表示之材料所構成，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)由化學式InzGa1-zN表示之材料所構成，其中0<z<1，且井層(51)具有3.5nm~7nm之厚度，較佳係為4nm~5nm；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)之材料可例如為鎂或鋅摻雜之氮化鎵系列材料；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。
此外，發光層(5)與第一型摻雜半導體層(3)間可配置一由AlxGa1-xN材料所構成之第一型載子阻隔層(4)，其中0<x<1；而發光層(5)與第二型摻雜半導體層(7)間亦可配置一由AlxGa1-xN材料所構成之第二型載子阻隔層(6)，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，不僅可增加氮化物半導體之能帶範圍，亦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。
再者，基板(1)與第一型摻雜半導體層(3)間可配置一由AlxGa1-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GaN、InGaN、SiC、ZnO等。
藉此，由上述之氮化物半導體結構實施說明可知，本發明之半導體發光元件藉由四元氮化鋁銦鎵的阻障層(52)以及三元氮化銦鎵的井層(51)具有相同銦元素的特性，利用調整四元組成條件以提供晶格匹配的組成，使得阻障層(52)與井層(51)的晶格常數較為相近，不僅可改善傳統氮化鎵的阻障層以及氮化銦
鎵的井層所造成的晶格不匹配而產生之晶體缺陷現象，且由於晶格間應力的產生主要係來自於材料間晶格常數的不匹配所造成的，藉此亦可改善因晶格失配所產生應力作用，使得本發明之氮化物半導體結構其井層(51)具有3.5nm~7nm之厚度，較佳係為4nm~5nm；同時，亦可提高添加Al元素以提供阻障層(52)較佳的載子侷限，有效地將電子電洞侷限於井層(51)內，藉此提升內部量子效率，使得半導體發光元件獲得良好之發光效率。
再者，因四元氮化鋁銦鎵的阻障層(52)以及三元氮化銦鎵的井層(51)可改善因晶格失配所產生應力作用，進而有效降低多重量子井結構中壓電場的產生，達到有效抑制壓電效應及提升內部量子效率之功效，使得半導體發光元件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 (8)
- 一種氮化物半導體結構，係主要於基板上配置有一第一型摻雜半導體層與第二型摻雜半導體層，於該第一型摻雜半導體層與該第二型摻雜半導體層間配置有一發光層，該發光層具有多重量子井結構，該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，且每兩該阻障層間係具有一該井層，該阻障層為AlxInyGa1-x-yN，其中x及y係滿足0<x<1、0<y<1、0<x+y<1之數值，該井層為InzGa1-zN，其中0<z<1，該發光層與該第二型摻雜半導體層間配置有一電洞提供層其中該電洞提供層與該第二型摻雜半導體層間配置有一第二型載子阻隔層，且該第二型載子阻隔層為AlxGa1-xN，其中0<x<1。
- 如申請專利範圍第1項所述之氮化物半導體結構，其中該井層具有3.5nm~7nm之厚度。
- 如申請專利範圍第1項所述之氮化物半導體結構，其中該阻障層具有5nm~12nm之厚度。
- 如申請專利範圍第1項所述之氮化物半導體結構，其中該阻障層摻雜有濃度介於1016~1018cm-3的第一型摻質。
- 如申請專利範圍第1項所述之氮化物半導體結構，其中該電洞提供層為氮化銦鎵InxGa1-xN，其中0<x<1，且該電 洞提供層係摻雜有濃度大於1018cm-3的第二型摻質。
- 如申請專利範圍第1項所述之氮化物半導體結構，其中該電洞提供層係摻雜有濃度介於1017~1020cm-3的四族元素。
- 如申請專利範圍第1項所述之氮化物半導體結構，其中該電洞提供層之能隙大於該多重量子井結構之井層的能隙。
- 一種半導體發光元件，其至少包含有：一基板；一第一型摻雜半導體層，係配置於該基板上；一第一型載子阻隔層，係配置於該第一型摻雜半導體層上，該第一型載子阻隔層係為AlxGa1-xN，其中0<x<1；一發光層，係配置於該第一型摻雜半導體層上，該發光層具有多重量子井結構，該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，且每兩該阻障層間係具有一該井層，該阻障層為AlxInyGa1-x-yN，其中x及y係滿足0<x<1、0<y<1、0<x+y<1之數值，該井層為InzGa1-zN，其中0<z<1；一電洞提供層，係配置於該發光層上，該電洞提供層係為InxGa1-xN，其中0<x<1；一第二型載子阻隔層，係配置於該電洞提供層上，該第二型載子阻隔層係為AlxGa1-xN，其中0<x<1； 一第二型摻雜半導體層，係配置於該發光層上；一第一型電極，係以歐姆接觸配置於該第一型摻雜半導體層上；以及一第二型電極，係以歐姆接觸配置於該第二型摻雜半導體層上。
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