氮化物半导体结构及半导体发光元件的制作方法
【专利摘要】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主要于发光层与p型载子阻隔层间配置有一应力控制层，p型载子阻隔层由AlxGa1-xN表示的材料所构成(0＜x＜1)，而应力控制层由AlxInyGa1-x-yN表示的材料所构成(0＜x＜1、0＜y＜1、0＜x+y＜1)，且发光层具有多个彼此交替堆栈的井层及阻障层的多重量子井结构，且每两层阻障层间具有一井层。该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n型电极与p型电极。由此，应力控制层不仅可改善p型载子阻隔层与发光层因晶格失配所造成晶体质量劣化的问题；同时，更可减低井层囚材料差异所受的压缩应力。
【专利说明】氮化物半导体结构及半导体发光元件
【技术领域】
[0001]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P型载子阻隔层间配置有AlxInyGa1^N材料所构成的一应力控制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】
[0002]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，囚此发展高节能、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。
[0003]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η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η型半导体层为止；然后，分别于η型半导体层的暴露部分以及P型半导体层上形成η型电极与P型电极，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η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。
[0004]然而，上述的发光二极管囚诸多囚素(例如:电流拥塞(current crowding)、差排缺陷(dislocation)等)，进而影响其发光效率；理论上，发光二极管的发光效率取决于外部量子效率与其本身的内部量子效率(internal quantum efficiency)及光取出效率(light-extraction efficiency);所谓的内部量子效率是由材料特性及质量所决定，至于光取出效率则是从元件内部发出至周围空气的辐射比例，光取出效率取决于当辐射离开元件内部时所发生的损耗，造成上述损耗的主要原囚之一是由于形成元件的表面层的半导体材料具有高折射系数(refraction coefficient),导致光在该材料表面产生全反射(totalreflection)而无法发射出去，而若光取出效率提升，贝U半导体发光元件的外部量子效率亦随之提升；囚此，针对提升内部量子效率以及光取出效率，近几年已发展出许多技术，例如使用钢锡氧化物(Indium Tin Oxide ；ΙΤ0)当电流传输层、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 blocklayer ；CBL)等；其中，于提升内部量子效率的技术中，亦有业者于多重量子井结构与P型半导体层之间配置有一层高能隙(band gap)的P型载子阻隔层(p-AlGaN)，使得更多的载子被局限在量子井层中，以提高电子电洞覆合的机率，增加发光效率，进而达到发光二极管亮度提升的功效。
[0005]而利用p-AlGaN作为p型载子阻隔层的方法虽可将载子有效地限制在量子井层内，以提升发光二极管的内部量子效率；然而，由于多重量子井结构一般是以InGaN的量子井层以及GaN的量子阻障层所形成，而本质上，P-AlGaN的p型载子阻隔层和GaN的量子阻障层具有非常高的晶格错配，使得InGaN量子井层囚晶格错配会严重地受到压缩应力的作用，而这种压缩应力改变了每一个量子井层的能带结构，从而使在量子井层内的电子和电洞在空间上彼此分开，导致发光二极管的发光效率降低；再者，上述压缩应力亦会劣化相邻的GaN量子阻障层和InGaN量子井层之间的界面特性，从而在界面处损失载子，亦影响发光二极管的的发光效率。
[0006]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
O
【发明内容】
[0007]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P型载子阻隔层间配置有AlxInyGa1^N材料所构成的一应力控制层，以改善p型载子阻隔层与发光层所产生的晶格失配造成晶体质量劣化的问题，增加磊晶良率，并进一步减低量子井层受到压缩应力的影响，有效地将电子电洞局限于每一个量子井层内，由此提升内部量子效率，使得半导体发光元件可获得良好的发光效率。
[0008]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。
[0009]为达上述目 的，本发明提供一种氮化物半导体结构，其主要于发光层与一 P型载子阻隔层间配置有一应力控制层，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P型载子阻隔层由化学式AlxGahN表示的材料所构成，其中O < X < 1，而所述应力控制层为AlxInyGa1^yN表示的材料所构成，其中，x及y满足0<x<l、0<y<l、0< x+y < I的数值。
[0010]根据本发明的【具体实施方式】，优选地，在上述的氮化物半导体结构中，所述应力控制层掺杂有浓度小于1019cm_3的P型掺质。
[0011 ] 根据本发明的【具体实施方式】，优选地，在上述的氮化物半导体结构中，所述应力控制层掺杂有浓度小于1019cm_3的η型掺质。
[0012]根据本发明的【具体实施方式】，优选地，在上述的氮化物半导体结构中，所述应力控制层的钢含量等于或低于所述多重量子井结构的井层的钢含量。
[0013]根据本发明的【具体实施方式】，优选地，在上述的氮化物半导体结构中，所述应力控制层的厚度为2-15nm。
[0014]根据本发明的【具体实施方式】，优选地，在上述的氮化物半导体结构中，所述应力控制层的厚度小于所述多重量子井结构的井层的厚度。
[0015]根据本发明的【具体实施方式】，优选地，在上述的氮化物半导体结构中，所述阻障层掺杂有浓度为1016-1018cnT3的η型掺质。
[0016]本发明的氮化物半导体结构主要于发光层与一 P型载子阻隔层间配置有一应力控制层，发光层具有多重量子井结构(MQW)，且多重量子井结构包含多个彼此交替堆栈的井层及阻障层，且每两层阻障层间具有一井层，其中，阻障层可掺杂有浓度为IO16-1O18cnT3的η型掺质，使得阻障层可以减少载子遮蔽效应，更增加载子局限效应，而P型载子阻隔层由化学式AlxGahN表示的材料所构成，其中O < X < 1，而应力控制层是由AlxInyGa1^N表示的材料所构成，其中，X及I满足O < X < 1、0 < y < 1、0 < x+y < I的数值；此外,可进一步控制应力控制层中钢的含量，使应力控制层的钢含量等于或低于多重量子井结构的井层的钢含量，进而形成能隙大于井层的应力控制层，使得载子可局限在多重量子井结构的井层中，以增加电子电洞覆合的机率，提升内部量子效率。
[0017]再者，上述的应力控制层分别掺杂有浓度小于IO19CnT3的P型掺质，以及浓度小于IO19CnT3的η型掺质，且应力控制层的厚度为2-15nm，优选地，应力控制层的厚度小于多重量子井结构的井层的厚度，通过薄型的应力控制层，更可避免应力累积与差排错位(misfitdislocation)的现象。
[0018]根据本发明的【具体实施方式】，优选地，上述的氮化物半导体结构可进一步包含一基板、一P型半导体层以及一η型半导体层；其中，于所述P型载子阻隔层上配置有所述P型半导体层，且于所述发光层与所述基板间配置有所述η型半导体层。
[0019]根据本发明的【具体实施方式】，优选地，在上述的氮化物半导体结构中，所述P型半导体层掺杂有浓度大于5Χ IO19CnT3的P型掺质,且其厚度小于30nm。 [0020]在本发明的一实施例中，可于P型载子阻隔层上配置有一 P型半导体层，且于发光层与基板间配置有一 η型半导体层，其中P型半导体层可掺杂有浓度大于5Χ IO19CnT3的ρ型掺质，且其厚度小于30nm。
[0021 ] 根据本发明的【具体实施方式】，优选地，在上述的氮化物半导体结构中，可于发光层与η型半导体层间配置有η型载子阻隔层，η型载子阻隔层由化学式AlxGai_xN表示的材料所构成，其中O < X < I。
[0022]根据本发明的【具体实施方式】，优选地，在上述的氮化物半导体结构中，所述发光层的多重量子井结构可分别由InGaN及GaN形成井层与阻障层，通过InGaN的井层具有相对GaN阻障层较低的能隙，使得电子及电洞更容易局限在井层中，以增加电子电洞的覆合机率。
[0023]根据本发明的【具体实施方式】，优选地，在上述的氮化物半导体结构中，可于发光层与η型载子阻隔层间配置一超晶格层，由此缓冲发光层与η型载子阻隔层的差异，降低其差排密度。
[0024]本发明还提供一种半导体发光元件，其至少包含有:
[0025]一基板；
[0026]一 η型半导体层，其配置于所述基板上；
[0027]—发光层，其配置于所述η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；
[0028]一应力控制层，其配置于所述发光层上，所述应力控制层为AlxInyGa^yN表示的材料所构成，其中X及y满足0<x<l、0<y<l、0< x+y < I的数值；
[0029]一 ρ型载子阻隔层，其配置于所述应力控制层上，所述P型载子阻隔层由化学式AlxGahN表示的材料所构成，其中O < X < I ;
[0030]一 ρ型半导体层，其配置于所述ρ型载子阻隔层上；[0031 ] 一 η型电极，其以欧姆接触配置于所述η型半导体层上；以及
[0032]一 ρ型电极，其以欧姆接触配置于所述ρ型半导体层上。
[0033]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η型电极与ρ型电极；由此，AlxInyGa1^N应力控制层不仅可改善ρ型载子阻隔层与发光层囚晶格失配所造成晶体质量劣化的问题；同时，更可减低InGaN量子井层囚材料差异所受的压缩应力，使得于量子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量子井层内，由此提升内部量子效率。
[0034]此外，因压缩应力的减少亦可增强相邻阻障层和井层之间的界面特性，改善界面处的载子损耗，由此增加内部量子效率，使得半导体发光元件可获得良好的发光效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0035]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。
[0036]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。
[0037]主要组件符号说明:
[0038]I基板2缓冲层
[0039]3η型半导体层31η型电极
[0040]4η型载子阻隔层 5发光层
[0041]51井层52阻障层
[0042]6应力控制层7ρ型载子阻隔层
[0043]8ρ型半导体层81ρ型电极
[0044]9超晶格层
【具体实施方式】
[0045]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。
[0046]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。
[0047]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，其主要于发光层5与一 ρ型载子阻隔层7间配置有一应力控制层6，发光层5具有多重量子井结构(MQW)，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，且每两层阻障层52间具有一井层51，ρ型载子阻隔层7由化学式AlxGahN表示的材料所构成，其中O < X < I，而应力控制层6由AlxInyGa1^N表示的材料所构成，其中，χ及y满足O < X < 1>0 < y < 1、0< x+y < I 的数值。
[0048]此外，上述的氮化物半导体结构中，阻障层52掺杂有浓度为IO16-1O18Cnr3的η型掺质，且可于P型载子阻隔层7上配置有一 ρ型半导体层8，其中ρ型半导体层8掺杂有浓度大于5 X IO19CnT3的ρ型掺质,且其厚度小于30nm,并于发光层5与基板I间配置有一 η型半导体层3 ;再者，于本实施例中，发光层5与η型半导体层3间亦可配置有η型载子阻隔层4，η型载子阻隔层4由化学式AlxGahN表示的材料所构成，其中O < χ < I ;另外，发光层5与η型载子阻隔层4间配置一超晶格层(super lattice structure) 9,以缓冲发光层5与η型载子阻隔层4的晶格差异，降低其差排密度。
[0049]再者，于本实施例中，应力控制层6分别掺杂有浓度小于IO19CnT3的ρ型掺质(优选为镁)，以及浓度小于IO19CnT3的η型掺质(优选为硅)，上述的ρ型掺质做为一受体，可增加有效电洞浓度，而η型掺质做为一施体，施体是用以改善氮化镓系半导体层的结晶特性，通过同时掺杂η型掺质与ρ型掺质来产生良好的光电特性，上述的应力控制层6的厚度为2-15nm，优选地，应力控制层6的厚度为小于多重量子井结构的井层51的厚度。
[0050]上述实施例的氮化物半导体结构于实际实施使用时，η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8的材料可例如为镁掺杂的氮化镓系列材料，发光层5的多重量子井结构优选可分别由InGaN及GaN形成的井层51与阻障层52 ;而由于以AlxInyGa1^N材料所形成的应力控制层6位于ρ型载子阻隔层7与发光层5之间，通过控制应力控制层中钢的含量，使得应力控制层6的钢含量等于或低于多重量子井结构的井层51的钢含量，进而形成能隙大于井层的应力控制层6，使得载子可局限在多重量子井结构的井层51中，以增加电子电洞覆合的机率，进而提升内部量子效率，达到有效增强半导体发光元件发光效率的功效；此外，本发明的AlxInyGa1^N应力控制层6不仅可作为ρ型载子阻隔层7与发光层5间的缓冲层2，且由于一般含有钢的InGaN的能带隙较GaN要低，而含有铝的AlGaN的能带隙较GaN要高；囚此，通过本发明的应力控制层6不仅可改善P型载子阻隔层7与发光层5所产生的晶格失配造成晶体质量劣化的问题；同时，更可减低量子井层51受到压缩应力的影响，使得于量子井层51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 于每一个量子井层51内，由此提升内部量子效率；此外，压缩应力的减少亦增强相邻的GaN量子阻障层52和InGaN量子井层51之间的界面特性，改善界面处的载子损耗，亦可增加内部量子效率。
[0051]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:
[0052]一基板 I ;
[0053]一 η型半导体层3，其配置于基板I上；其中，η型半导体层3的材料可例如为硅掺杂的氮化镓系列材料；
[0054]一发光层5，其配置于η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51及阻障层52，且每两层阻障层52间具有一井层51 ;其中，井层51与阻障层52可分别由InGaN及GaN所形成，由此使电子及电洞更容易局限于井层51中，以增加电子电洞覆合机率，提升内部量子效率；
[0055]一应力控制层6,其配置于发光层5上,应力控制层6由AlxInyGa1HN表不的材料所构成，其中X及y满足O < χ < 1、0 < y < 1、0 < x+y < I的数值；于本实施例中，应力控制层6分别掺杂有浓度小于IO19CnT3的ρ型掺质(优选为镁)，以及浓度小于IO19CnT3的η型掺质(优选为硅)，而其厚度为2-15nm，且其厚度小于井层51的厚度，且由于ρ型载子阻隔层7的铝离子会扩散进应力控制层6中，导致应力控制层6的钢含量等于或低于多重量子井结构的井层51的钢含量，进而形成能隙大于井层的应力控制层6，使得载子可局限在多重量子井结构的井层51中，以增加电子电洞覆合的机率，提升内部量子效率；
[0056]一 ρ型载子阻隔层7，其配置于应力控制层6上，ρ型载子阻隔层7由化学式AlxGahN表示的材料所构成，其中O < χ < I ;
[0057]— ρ型半导体层8，其配置于ρ型载子阻隔层7上；其中，ρ型半导体层8的材料可例如为镁掺杂的氮化镓系列材料；
[0058]一 η型电极31，其以欧姆接触配置于η型半导体层3上；以及
[0059]一 ρ型电极81，其以欧姆接触配置于ρ型半导体层8上；其中，η型电极31与ρ型电极81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、钼及其合金等；其制作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。
[0060]此外，发光层5与η型半导体层3间可配置有η型载子阻隔层4，而η型载子阻隔层4由化学式AlxGahN表示的材料所构成，其中O < χ < 1，以使得载子可局限于量子井层51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；再者，基板I与η型半导体层3间配置有一缓冲层2，缓冲层2由化学式AlxGahN表示的材料所构成，其中O < χ < 1，用以解决囚基板I与η型半导体层3间囚晶格差异所产生的嘉晶差排现象。
[0061]由此，由上述的具有应力控制层6的氮化物半导体结构的实施说明可知，本发明的半导体发光元件通过AlxInyGa1^N应力控制层6不仅可改善ρ型载子阻隔层7与发光层5囚晶格失配所造成晶体质量劣化的问题，以增加嘉晶的良率；同时，更可减低InGaN量子井层51囚材料差异所受的压缩应力，使得于量子井层51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量子井层51内，由此提升内部量子效率；此外，囚压缩应力的减少亦可增强相邻阻障层52和井层51之间的界面特性，改善界面处的载子损耗，由此增加内部量子效率，使得半导体发光元件可获得良好的发光效率。
[0062]综上所述，本发明的具应力控制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。
[0063]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。
【权利要求】
1.一种氮化物半导体结构，其主要于发光层与一 P型载子阻隔层间配置有一应力控制层，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P型载子阻隔层由化学式AlxGahN表示的材料所构成，其中O < X < 1，而所述应力控制层为AlxInyGai_x_yN表示的材料所构成，其中，X及y满足0<x<l、0<y<l、0< x+y < I的数值。
2.如权利要求1所述的氮化物半导体结构，其中，所述应力控制层掺杂有浓度小于IO19CnT3的P型掺质。
3.如权利要求1所述的氮化物半导体结构，其中，所述应力控制层掺杂有浓度小于IO19CnT3的η型掺质。
4.如权利要求1所述的氮化物半导体结构，其中，所述应力控制层的钢含量等于或低于所述多重量子井结构的井层的钢含量。
5.如权利要求1所述的氮化物半导体结构，其中，所述应力控制层的厚度为2-15nm。
6.如权利要求1所述的氮化物半导体结构，其中，所述应力控制层的厚度小于所述多重量子井结构的井层的厚度。
7.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IO16-1O18Cm 3 的 η 型惨质。
8.如权利要求1所述的氮化物半导体结构，其进一步包含一基板、一P型半导体层以及一 η型半导体层；其中，于所述P型载子阻隔层上配置有所述P型半导体层，且于所述发光层与所述基板间配置有所述η型半导体层。
9.如权利要求8所述的氮化物半导体结构，其中，所述P型半导体层掺杂有浓度大于5 X IO19CnT3的P型掺质，且其厚度小于30nm。
10.一种半导体发光元件，其至少包含有: 一基板； 一 η型半导体层，其配置于所述基板上； 一发光层，其配置于所述η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; 一应力控制层，其配置于所述发光层上，所述应力控制层为AlxInyGa1IyN表不的材料所构成，其中X及y满足0<x<l、0<y<l、0< x+y < I的数值； 一 P型载子阻隔层，其配置于所述应力控制层上，所述P型载子阻隔层由化学式AlxGahN表示的材料所构成，其中O < X < I ; 一 P型半导体层，其配置于所述P型载子阻隔层上； 一 η型电极，其以欧姆接触配置于所述η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。
【文档编号】H01L33/06GK103972345SQ201310029711
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2013年1月25日 优先权日:2013年1月25日
【发明者】黄吉丰, 林京亮, 王信介, 吴俊德, 李玉柱, 李俊杰 申请人:新世纪光电股份有限公司