氮化物半導體結構及半導體發光元件的製作方法

2023-09-14 06:31:20 3

氮化物半導體結構及半導體發光元件的製作方法
【專利摘要】本發明有關一種氮化物半導體結構及半導體發光元件。該氮化物半導體結構主要於基板上配置有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發光層，發光層具有多重量子井結構，多重量子井結構包含多個彼此交替堆棧的井層及阻障層，且每兩阻障層間具有一井層，阻障層為AlxInyGa1-x-yN，x及y滿足0＜x＜1，0＜y＜1，0＜x+y＜1，井層為InzGa1-zN，0＜z＜1。該半導體發光元件至少包含上述氮化物半導體結構，及二相配合地提供電能的第一型電極與第二型電極。由此，可調整四元組成條件以提供晶格匹配的阻障層與井層，改善因晶格不匹配所產生的晶體缺陷現象。
【專利說明】氮化物半導體結構及半導體發光元件
【技術領域】
[0001]本發明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的氮化物半導體結構及半導體發光元件，屬於半導體【技術領域】。
【背景技術】
[0002]一般而言，氮化物發光二極體是將一緩衝層先形成於基板上，再於緩衝層上依序磊晶成長η型半導體層、發光層以及P型半導體層；接著，利用微影與蝕刻工藝移除部分的P型半導體層、部分的發光層，直至暴露出部分的η型半導體層為止；然後，分別於η型半導體層的暴露部分以及P型半導體層上形成η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η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。
[0003]目前，在多重量子井結構中約有I至30層的井層或阻障層，阻障層通常系以氮化鎵GaN的材料所形成，而井層是以氮化銦鎵InGaN所組成；然而，上述的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-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。
[0004]此外，上述的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局限在井層的兩側，使得電子與電洞波函數(wavefunction)在空間上的重疊率降低，而降低電子與電洞的福射再結合速率(radiativerecombinationrate)及內部量子效率(IQE)。
[0005]鑑於上述現有的氮化物半導體發光元件在實際實施上仍具有多處的缺失，因此，研發出一種新型的氮化物半導體結構及半導體發光元件仍是本領域亟待解決的問題之一。

【發明內容】

[0006]為解決上述技術問題，本發明主要目的為提供一種氮化物半導體結構，其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的厚度，同時可提供較佳的載子局限，以提升內部量子效率。
[0007]本發明的另一目的為提供一種半導體發光元件，其至少包含有上述的氮化物半導體結構，使得半導體發光元件獲得良好的發光效率。[0008]為達上述目的，本發明提供一種氮化物半導體結構，其主要於基板上配置有一第一型摻雜半導體層與一第二型摻雜半導體層，於所述第一型摻雜半導體層與所述第二型摻雜半導體層間配置有一發光層，所述發光層具有多重量子井結構，且所述多重量子井結構包含多個彼此交替堆棧的井層及阻障層，且每兩層所述阻障層間具有一所述井層，所述阻障層為AlxInyGa1TyN,其中χ及y滿足0<x<l,0<y<l,0< x+y < I的數值,而所述井層為InzGa1=N,其中O < z < I。
[0009]根據本發明的【具體實施方式】，優選地，在上述氮化物半導體結構中，所述井層具有3.5nm-7nm 的厚度。
[0010]根據本發明的【具體實施方式】，優選地，在上述氮化物半導體結構中，所述阻障層具有5nm-12nm的厚度；且優選地，在上述氮化物半導體結構中，所述阻障層可摻雜有濃度為IO16-1O18Cm-3的第一型摻質；使得阻障層可以減少載子遮蔽效應，以增加載子局限效應。 [0011 ] 根據本發明的【具體實施方式】，優選地，在上述氮化物半導體結構中，可於所述發光層與所述第二型摻雜半導體層間可配置有一電洞提供層；更優選地，所述電洞提供層為氮化銦鎵InxGa1J其中O < χ < 1，且所述電洞提供層可摻雜有濃度大於IO18CnT3的第二型摻質，例如為鎂或鋅，優選為鎂，以增加電洞的濃度。
[0012]根據本發明的【具體實施方式】，優選地，在上述氮化物半導體結構中，所述電洞提供層可摻雜有濃度為1017-102°cm_3的第四主族元素，由此提供更多的電洞進入發光層，進而增加電子電洞的結合。
[0013]根據本發明的【具體實施方式】，優選地，在上述氮化物半導體結構中，所述電洞提供層的能隙大於多重量子井結構的井層的能隙，通過讓電洞容易進入井層又防止電子逃脫，使得電子及電洞更容易局限在井層中，以增加電子電洞對覆合的機率。
[0014]根據本發明的【具體實施方式】，優選地，在上述氮化物半導體結構中，可於所述發光層與所述第一型摻雜半導體層間配置有一第一型載子阻隔層，且所述第一型載子阻隔層優選為 AlxGa^xN,其中 O < χ < I。
[0015]根據本發明的【具體實施方式】，優選地，在上述氮化物半導體結構中，所述電洞提供層與所述第二型摻雜半導體層間配置有一第二型載子阻隔層，且所述第二型載子阻隔層優選為AlxGai_xN，其中O < χ < I。由此，利用含有鋁的AlGaN的能帶隙較GaN要高的特性，不僅可增加氮化物半導體的能帶範圍，亦使得載子可局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的功效。
[0016]本發明還提供一種半導體發光元件，其至少包含有:
[0017]—基板；
[0018]一第一型摻雜半導體層，其配置於所述基板上；
[0019]一發光層，其配置於所述第一型摻雜半導體層上，所述發光層具有多重量子井結構，所述多重量子井結構包含多個彼此交替堆棧的井層及阻障層，且每兩層所述阻障層間具有一所述井層，所述阻障層為AlxInyGai_x_yN，其中χ及y滿足O < χ < 1，0 < y < 1,0
<x+y < I的數值，所述井層為InzGa1=N,其中O < z < I ;
[0020]一第二型摻雜半導體層，其配置於所述發光層上；
[0021]一第一型電極，其以歐姆接觸配置於所述第一型摻雜半導體層上；以及
[0022]一第二型電極，其以歐姆接觸配置於所述第二型摻雜半導體層上。[0023]本發明的半導體發光元件至少包含如上述的氮化物半導體結構，以及二相配合地提供電能的第一型電極與第二型電極；由此，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的晶體缺陷現象，亦可改善因晶格失配所產生的應力作用，使得本發明的氮化物半導體結構的井層具有3.5nm-7nm的厚度,優選為4nm_5nm ;同時,通過提高添加Al元素可提供阻障層較佳的載子局限，有效地將電子電洞局限於井層內，由此提升內部量子效率，使得半導體發光元件獲得良好的發光效率。
[0024]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的功效，使得半導體發光元件可獲得更佳的發光效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1為本發明的一優選實施例提供的氮化物半導體結構的剖面示意圖。
[0026]圖2為根據本發明的優選實施例提供的氮化物半導體結構所製作的半導體發光元件的剖面示意圖。
[0027]主要組件符號說明:
[0028]I基板2緩衝層
[0029]3第一型摻雜半導體層 31第一型電極
[0030]4第一型載子阻隔層
[0031]5發光層
[0032]51井層52阻障層
[0033]6第二型載子阻隔層
[0034]7第二型摻雜半導體層 71第二型電極
[0035]8電洞提供層
【具體實施方式】
[0036]本發明的目的及其結構設計功能上的優點，將依據以下附圖及優選實施例予以說明，以對本發明有更深入且具體的了解。
[0037]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」位於其它基板、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，可參照附圖說
明每一層所在位置。
[0038] 請參閱圖1所示，其為本發明的一優選實施例提供的氮化物半導體結構的剖面示意圖，其主要於基板I上配置有一第一型摻雜半導體層3與一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多個彼此交替堆棧的井層51及阻障層52，且每兩阻障層52間具有一井層51，阻障層52由化學式AlxInyGa1^N表示的四元材料所構成，其中χ及y滿M0<x<l，0<y<l，0<x+y<l的數值，而井層51由化學式InzGa1=N表示的材料所構成，其中O < Z < I,且井層51具有3.5nm-7nm的厚度,優選為4nm-5nm,而阻障層52具有5nm-12nm的厚度；其中阻障層52可摻雜有濃度為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，以增加載子局限效應。
[0039]此外，上述的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InxGai_xN，其中O < χ < 1，且電洞提供層8摻雜有濃度大於IO18cnT3的第二型摻質，例如為鎂或鋅，優選為鎂；再者，電洞提供層8可摻雜有濃度為1017-102°cm_3的第四主族元素，優選為碳，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，由此提供更多的電洞進入發光層5，進而增加電子電洞的結合；再者，電洞提供層8的能隙大於多重量子井結構的井層51的能隙，由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。
[0040]另外，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優選是由化學式AlxGahN表示的材料所構成，其中0<x< I ;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由化學式AlxGa1J表示的材料所構成，其中O < χ < I ;由此，利用含有鋁的AlGaN的能帶隙較GaN要高的特性，不僅可增加氮化物半導體的能帶範圍，亦使得載子可局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的功效。
[0041]再者，基板I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是由化學式AlxGahN表示的材料所構成，其中O < χ < I ;而緩衝層2是用以改善第一型摻雜半導體層3成長於異質基板I上所產生的晶格常數不匹配(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°C的溫度下進行低溫磊晶成長。
[0042]上述實施例的氮化物半導體結構於實際實施使用時，首先基板I的材料可例如是藍寶石(sapphire)、娃、SiC、ZnO或GaN基板等,而第一型摻雜半導體層3的材料可例如為矽或鍺摻雜的氮化鎵系列材料，第二型摻雜半導體層7的材料則可例如為鎂或鋅摻雜的氮化鎵系列材料，其中第一型摻雜半導體層3、第二型摻雜半導體層7形成的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優選的製作方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；所述阻障層52是於850-1000°C的溫度沉積而形成，而所述井層51通常是在500-950°C的溫度下形成；由此，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的晶體缺陷現象，且由於晶格間應力的產生主要是來由於材料間晶格常數的不匹配所造成的，由此亦可改善因晶格失配所產生應力作用，使得本發明的氮化物半導體結構的井層51具有3.5nm-7nm的厚度,優選為4nm_5nm。
[0043]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的功效。
[0044]請參閱圖2所示，上述的氮化物半導體結構可應用於半導體發光元件中，圖2為根據本發明的優選實施例提供的氮化物半導體結構所製作的半導體發光元件的剖面示意圖，所述半導體發光元件至少包含有:
[0045]一基板 I ;
[0046]—第一型摻雜半導體層3，其配置於基板I上；其中，第一型摻雜半導體層3的材料可例如為矽或鍺摻雜的氮化鎵系列材料；
[0047]一發光層5，其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多個彼此交替堆棧的井層51及阻障層52，且每兩阻障層52間具有一井層51，阻障層52由化學式AlxInyGa^yN表示的材料所構成，其中，1及y滿足O < χ < 1，O < y < 1,0 < x+y < I的數值，而井層51由化學式InzGa1=N表示的材料所構成，其中O
<z < I,且井層51具有3.5nm-7nm的厚度,優選為4nm_5nm ；
[0048]一第二型摻雜半導體層7，其配置於發光層5上，第二型摻雜半導體層7的材料可例如為鎂或鋅摻雜的氮化鎵系列材料；
[0049]一第一型電極31，其以歐姆接觸配置於第一型摻雜半導體層3上；以及
[0050]一第二型電極71，其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、鉬及其合金等；其製作方法為本領域技術人員所公知的，且並非本發明的重點，因此，不再本發明中加以贅述。
[0051]此外，發光層5與第一型摻雜半導體層3間可配置一由AlxGahN材料所構成的第一型載子阻隔層4，其中O < χ < I ;而發光層5與第二型摻雜半導體層7間亦可配置一由AlxGahN材料所構成的第二型載子阻隔層6，其中O <x< I ;由此，利用含有鋁的AlGaN的能帶隙較GaN要高的特性，不僅可增加氮化物半導體的能帶範圍，亦使得載子可局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的功效。
[0052]再者，基板I與第一型摻雜半導體層3間可配置一由AlxGahN所構成的緩衝層2，其中O < χ < 1，以改善第一型摻雜半導體層3成長於異質基板I上所產生的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。
[0053]由此，由上述的氮化物半導體結構實施說明可知，本發明的半導體發光元件通過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的晶體缺陷現象，且由於晶格間應力的產生主要是由於材料間晶格常數的不匹配所造成的，由此亦可改善因晶格失配所產生應力作用，使得本發明的氮化物半導體結構的井層51具有
3.5nm-7nm的厚度,優選為4nm-5nm ;同時,亦可提高添加Al元素以提供阻障層52較佳的載子局限，有效地將電子電洞局限於井層51內，由此提升內部量子效率，使得半導體發光元件獲得良好的發光效率。
[0054]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的功效，使得半導體發光元件可獲得更佳的發光效率。
[0055]綜上所述，本發明的氮化物半導體結構及半導體發光元件，的確能通過上述所揭露的實施例，達到所預期的使用功效。
[0056]上述所揭露的附圖及說明，僅為本發明的優選實施例，並非為限定本發明的保護範圍；本領域一般技術人員，依據本發明的特徵，所做的其它等效變化或修飾，皆應視為不脫離本發明的保護範圍。
【權利要求】
1.一種氮化物半導體結構，其主要於基板上配置有一第一型摻雜半導體層與一第二型摻雜半導體層，於所述第一型摻雜半導體層與所述第二型摻雜半導體層間配置有一發光層，所述發光層具有多重量子井結構，所述多重量子井結構包含多個彼此交替堆棧的井層及阻障層，且每兩層所述阻障層間具有一所述井層，所述阻障層為AlxInyGa1^N,其中χ及y滿足O < χ < 1，0 < y < 1，0 < x+y < I的數值，所述井層為InzGa1=N,其中O < z < I。
2.如權利要求1所述的氮化物半導體結構，其中，所述井層具有3.5nm-7nm的厚度。
3.如權利要求1所述的氮化物半導體結構，其中，所述阻障層具有5nm-12nm的厚度。
4.如權利要求1所述的氮化物半導體結構，其中，所述阻障層摻雜有濃度為1016-1018cm^3的第一型摻質。
5.如權利要求1所述的氮化物半導體結構，其中，所述發光層與所述第二型摻雜半導體層間配置有一電洞提供層。
6.如權利要求5所述的氮化物半導體結構，其中，所述電洞提供層為氮化銦鎵InxGa1Ji其中O < χ < I,且所述電洞提供層摻雜有濃度大於IO18CnT3的第二型摻質。
7.如權利要求5所述的氮化物半導體結構，其中，所述電洞提供層摻雜有濃度為1017-1O2ciCnT3的第四主族元素。
8.如權利要求5所述的氮化物半導體結構，其中，所述電洞提供層的能隙大於所述多重量子井結構的井層的能隙。
9.如權利要求5所述的氮化物半導體結構，其中，所述電洞提供層與所述第二型摻雜半導體層間配置有一第二型載子阻隔層，且所述第二型載子阻隔層為AlxGai_xN，其中O < χ< I。
10.一種半導體發光元件，其至少包含有: 一基板； 一第一型摻雜半導體層，其配置於所述基板上； 一發光層，其配置於所述第一型摻雜半導體層上，所述發光層具有多重量子井結構，所述多重量子井結構包含多個彼此交替堆棧的井層及阻障層，且每兩所述阻障層間具有一所述井層，所述阻障層為AlxInyGa1IyN,其中χ及y滿足0<x<l,0<y<l,0< x+y < I的數值，所述井層為InzGa1=N,其中O < z < I ; 一第二型摻雜半導體層，其配置於所述發光層上； 一第一型電極，其以歐姆接觸配置於所述第一型摻雜半導體層上；以及 一第二型電極，其以歐姆接觸配置於所述第二型摻雜半導體層上。
【文檔編號】H01L33/06GK103972343SQ201310030319
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2013年1月25日 優先權日:2013年1月25日
【發明者】賴彥霖, 王信介 申請人:新世紀光電股份有限公司