具阻障层的光电半导体元件的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种光电半导体元件，包含：一阻障层；一第一半导体层位于阻障层之上，第一半导体层包含一第一掺杂物质及一第二掺杂物质；以及一第二半导体层位于阻障层之下包含第二掺杂物质，其中在第一半导体层中，第一掺杂物质的浓度大于第二掺杂物的浓度，且第二掺杂物在第二半导体层中的浓度大于在第一半导体层的浓度。
【专利说明】具阻障层的光电半导体元件
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种光电半导体元件的结构。
【背景技术】
[0002]光电半导体元件，例如发光二极管(LED)，在近年来亮度不断的提升下，应用领域已从传统的指示灯或装饰用途拓展至各类装置的光源，甚至在不久的将来，极有可能取代传统的日光灯，成为新一代照明领域的光源。
[0003]现有的发光二极管(LED)结构为单一 p-n接面结构，如图1所示，其基本结构包含一基板13、一 η型半导体层11在基板13上,一 P型半导体层12在η型半导体层11上，以及一发光层10在P型半导体层12和η型半导体层11之间。
[0004]为了提高发光二极管(LED)每单位面积内的发光量，如图2所示，一具有多层发光叠层的发光二极管(LED)结构将第一 p-n接面结构I与第二 p-n接面结构II通过一穿隧层17串联起来，如此一来相同的单位面积内，每单位面积的发光量将会提升，同时驱动电压会变为两倍，但是驱动电流并不会增加。此高电压、低电流的特性有助于应用于照明产品。现有的穿隧层17为高浓度掺杂的η+半导体层及ρ+半导体层构成，由于高浓度掺杂的η+半导体层及P+半导体层对于光的穿透率较差，所以通常穿隧层17必须很薄以提高光的穿透率，但是穿隧层17太薄，容易在制作工艺中掺入自其他半导体层扩散的掺杂物而影响了穿隧层17的功能。
【发明内容】
[0005]为解决上述问题，本发明提供一种光电半导体元件，包含:一阻障层；一第一半导体层位于阻障层之上，第一半导体层包含一第一掺杂物质及一第二掺杂物质；以及一第二半导体层位于阻障层之下包含第二掺杂物质，其中在第一半导体层中，第一掺杂物质的浓度大于第二掺杂物的浓度，且第二掺杂物在第二半导体层中的浓度大于在第一半导体层的浓度。
【专利附图】
【附图说明】
[0006]图1为现有的发光二极管(LED)结构示意图；
[0007]图2为现有的具有多层发光叠层的发光二极管(LED)结构示意图；
[0008]图3为依本发明第一实施例的结构示意图；
[0009]图4A?图4B为依本发明第一实施例的铝(Al)含量比例图；
[0010]图5A?图5B为依本发明第一实施例的能带间隙(Ec-Ev)示意图；
[0011]图6为依本发明另一实施例的结构示意图。
[0012]符号说明
[0013]I 第一半导体叠层
[0014]10 第一发光层
[0015]11第一 η型半导体层
[0016]12第一 P型半导体层
[0017]13基板
[0018]2第二半导体叠层
[0019]21第二 P型半导体层
[0020]22第二 η型半导体层
[0021]23第二发光层
[0022]3穿隧叠层
[0023]31第一电性穿隧层
[0024]32第二电性穿隧层
[0025]4阻障层
[0026]51第一电极
[0027]52第二电极
[0028]53表面
[0029]54表面
【具体实施方式】
[0030]第一实施例
[0031]图3为依本发明第一实施例的结构示意图。根据本发明所公开的光电半导体元件为一双P-n接面结构，包含一第一半导体叠层I及一第二半导体叠层2位于一基板13上，其中第一半导体叠层I位于第二半导体叠层2上，一穿隧叠层3位于第一半导体叠层I及第二半导体叠层2之间，一阻障层4位于穿隧叠层3及第二半导体叠层2之间，一第一电极51设置在第一半导体叠层I的表面53，以及一第二电极52设置在基板13的表面54上，第一电极51与第二电极52用于导引电流通过第一半导体叠层I及第二半导体叠层2。
[0032]基板13为导电基板，材料包含硅(Si)、砷化镓(GaAs)、碳化硅(SiC)、氧化锌(ZnO)、氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)或金属材料的一种或其组合。
[0033]第一半导体叠层1、第二半导体叠层2、穿隧叠层3及阻障层4可通过外延方式成长在基板13上，或者通过对位粘着方法，以加热、加压的方式与基板13粘结。
[0034]第一半导体叠层I包括至少一第一 η型半导体层11具有第一导电型态，一第一发光层10以及一第一 P型半导体层12具有第二导电型态；第二半导体叠层2包括至少一第二 η型半导体层22具有第一导电型态，一第二发光层23以及一第二 ρ型半导体层21具有第二导电型态；第一半导体叠层I及第二半导体叠层2依序外延成长于基板13之上。第一 η型半导体层11、第一 ρ型半导体层12、第二 η型半导体层22和第二 ρ型半导体层21可为两个单层结构或两个多层结构(多层结构指两层或两层以上)。第一 η型半导体层11和第一 P型半导体层12具有不同的导电型态、电性、极性或依掺杂的元素以提供电子或空穴；第二 η型半导体层22和第二 ρ型半导体层21也具有不同的导电型态、电性、极性或依掺杂的元素以提供电子或空穴。第一发光层10形成在第一 η型半导体层11和第一 ρ型半导体层12之间，第二发光层23形成在第二 η型半导体层22和第二 ρ型半导体层21之间，第一发光层10及第二发光层23是将电能转换成光能。通过改变第一半导体叠层I以及第二半导体叠层2其中一层或多层的物理及化学组成，调整发出的光波长。常用的材料为磷化招嫁铟(aluminum gallium indium phosphide, AlGaInP)系列、氮化招嫁铟(aluminumgallium indium nitride, AlGaInN)系列、氧化锋系列(zinc oxide, ZnO)。第一发光层 10及第二发光层23可为单异质结构(single heterostructure, SH),双异质结构(doubleheterostructure, DH),双侧双异质结(double-side double heterostructure, DDH),多层量子讲(mult1-quantum well, MWQ)。具体来说,第一发光层10及第二发光层23可为中性、ρ型或η型电性的半导体。施以电流通过第一半导体叠层I及第二半导体叠层2时，第一发光层10及第二发光层23会发光。当第一发光层10及第二发光层23以磷化铝铟镓(AlGaInP)为基础的材料时，会发出红、橙、黄光的琥珀色系的光；当以氮化铝镓铟(AlGaInN)为基础的材料时，会发出蓝或绿光。本实施例中，第一半导体叠层I及第二半导体叠层2的材料为憐化招嫁铟(aluminum gallium indium phosphide, AlGaInP)系列，第一 P 型半导体层 12及第二 P型半导体层21掺杂镁(Mg)或锌(Zn)元素,其中镁(Mg)或锌(Zn)元素在第一 ρ型半导体层12及第二 ρ型半导体层21的浓度大于1017cm_3(/cm3)，较佳的是介于3*1017?5*1017cm_3之间；第一 n型半导体层11及第二 η型半导体层22掺杂硅(Si)元素，其中硅(Si)元素在第一 η型半导体层11及第二 η型半导体层22的浓度介于117?118CnT3之间，较佳的是介于4*1017?6*1017cnT3之间。
[0035]第一半导体叠层I及第二半导体叠层2之间具有一穿隧叠层3。穿隧叠层3可使电流通过穿隧效应(tunneling effect)穿过,使电流同时流过第一半导体叠层I及第二半导体叠层2，其材料包含一种以上的元素选自镓(Ga)、铝(Al)、铟(In)、磷(P)、砷(As)、氮(N)、锌(Zn)、镉(Cd)与硒(Se)所构成的群组。穿隧叠层3包含一第一电性穿隧层31及一第二电性穿隧层32，其中，第一电性穿隧层31靠近第二半导体叠层2，第一电性穿隧层31的极性与第二 P型半导体层21相同，本实施例中，第一电性穿隧层31与第二 ρ型半导体层21皆为ρ型半导体，第一电性穿隧层31为包含铝(Al)、镓(Ga)、砷(As)的化合物，并具有第一掺杂物及第二掺杂物，其中第一掺杂物为碳(C),第一掺杂物的浓度介于119?1021cm_3,较佳的是介于119?5*102°cm_3，第二掺杂物为镁(Mg)或锌(Zn)，第二掺杂物的浓度小于1018cm_3，较佳的是小于1017cm_3，第一掺杂物的浓度是第二掺杂物浓度的10倍，较佳的是大于100倍以上。第一电性穿隧层31中的第一掺杂物，例如碳(C)，是一刻意掺杂物质，使第一电性穿隧层31形成一具有高浓度掺杂的ρ型半导体；第一电性穿隧层31中的第二掺杂物，例如镁(Mg)或锌(Zn)，是一非刻意掺杂物质，在外延过程中从第二 ρ型半导体层21扩散而来。第二电性穿隧层32靠近第一半导体叠层1，第二电性穿隧层32的极性与第一 η型半导体层11相同，本实施例中，第二电性穿隧层32与第一 η型半导体层11皆为η型半导体，第二电性穿隧层32为包含铟(In)、镓(Ga)、磷⑵的化合物，并掺杂碲(Te)，其中碲(Te)的浓度介于119?121Cm 3，较佳的是介于119?2*1020cm 3。
[0036]位于第二 ρ型半导体层21与第一电性穿隧层31之间的阻障层4为包含铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)及磷⑵的化合物AlxGa1-JnP,其中X的范围可介于0.05?0.95，较佳的是介于0.2?0.7，X从阻障层4靠近第二 ρ型半导体层21的部分向靠近第一电性穿隧层31的部分递减，递减的方式包含线性递减，或阶梯状递减。因此，如图4A及图4B所示铝(Al)浓度分布图，在阻障层4中，铝(Al)在靠近第二 ρ型半导体层21的部分含量比例约为35%，以线性递减(图4A)或阶梯状递减(图4B)的方式，直到靠近第一电性穿隧层31的部分其含量比例约为10%。由于阻障层4先外延成长在第二半导体叠层2上后，穿隧叠层3接续外延成长在阻障层4上，在外延成长过程中，阻障层4可减少第二半导体叠层2中掺杂的元素，例如镁(Mg)或锌(Zn)，扩散至第一电性穿隧层31中。若无阻障层4形成在第二 ρ型半导体层21与第一电性穿隧层31之间，在第一电性穿隧层31的外延过程中，第二 ρ型半导体层21的第二掺杂物，例如镁(Mg)或锌(Zn)，将会大量地扩散至第一电性穿隧层31中，使第一电性穿隧层31的第二掺杂物的浓度提高，当第二掺杂物的浓度超过118CnT3以上，将导致第一电性穿隧层31的电阻提升，使得光电半导体元件的工作电压(Vf)提高，导致效率下降。
[0037]由于在阻障层4中，铝(Al)的浓度在靠近第二P型半导体层21的部分含量比例约为35%，线性递减或阶梯状递减直到靠近第一电性穿隧层31的部分时，含量比例约为10%，如图5A与图5B所示，使得能带间隙(Ec-Ev)从第二 ρ型半导体层21的部分线性下降(图5Α)或阶梯状递减(图5Β)至第一电性穿隧层31，此能带间隙(Ec-Ev)的线性或阶梯状逐渐变化，可避免电子在传输过程中被阻挡，以降低工作电压(Vf)。
[0038]第二实施例
[0039]第二实施例与第一实施例差异在于阻障层4为包含铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)或磷(P)的化合物，例如AlxGa1-JnP,其中χ的范围可介于0.05?0.95，较佳的是介于0.2?0.7，并掺杂锑(Sb)，其中锑(Sb)的浓度介于117?118CnT3之间。在外延过程中，由于阻障层4掺杂了锑(Sb)，可以抑制第二半导体叠层2中掺杂的元素，例如镁(Mg)或锌(Zn)，扩散至第一电性穿隧层31中，避免在第一电性穿隧层31中，第二掺杂物的浓度超过1018cm_3，较佳的是避免超过1017cm_3。
[0040]图6为依本发明另一实施例的结构示意图。一球泡灯600包括一灯罩602、一透镜604、一发光模块610、一灯座612、一散热片614、一连接部616以及一电连接兀件。发光模块610包含一承载部606，以及多个前述实施例中所述的光电半导体元件608在承载部606上。
[0041]本发明所列举的各实施例仅用以说明本发明，并非用以限制本发明的范围。任何人对本发明所作的任何显而易知的修饰或变更皆不脱离本发明的精神与范围。
【权利要求】
1.一种光电半导体元件，包含: 阻障层； 第一半导体层，位于该阻障层之上，该第一半导体层包含第一掺杂物质及第二掺杂物质；以及 第二半导体层，位于该阻障层之下包含该第二掺杂物质， 其中在该第一半导体层中，该第一掺杂物质的浓度大于该第二掺杂物的浓度，且该第二掺杂物在该第二半导体层中的浓度大于在该第一半导体层的浓度。
2.如权利要求1所述的光电半导体元件,还包含 第一发光叠层，包含第一发光层，位于该第一半导体层上； 第二发光叠层，包含第二发光层，位于该阻障层之下，且该第二发光叠层包含该第二半导体层，该第二半导体层位于该第二发光层及该阻障层之间；以及 穿隧叠层，位于该第一发光叠层及该阻障层之间，且该穿隧叠层包含该第一半导体层。
3.如权利要求1所述的光电半导体元件，其中该第一掺杂物质的浓度大于1019cnT3。
4.如权利要求3所述的光电半导体兀件,其中该第一掺杂物质包含碳(C)。
5.如权利要求1所述的光电半导体元件，其中该第二掺杂物质的浓度小于1018cnT3。
6.如权利要求5所述的光电半导体元件，其中该第二掺杂物质包含镁(Mg)或锌(Zn)。
7.如权利要求1所述的光电半导体元件，其中该阻障层包含磷化铝镓铟(AlxGahInP),且X范围为0.2彡X彡0.7。
8.如权利要求7所述的光电半导体元件，其中X从该阻障层靠近该第二半导体层的部分向靠近该第一半导体层的部分递减。
9.如权利要求8所述的光电半导体元件，其中X的递减方式为线性递减。
10.如权利要求8所述的光电半导体元件，其中X的递减方式为阶梯状递减。
11.如权利要求1所述的光电半导体元件，其中该阻障层包含锑(Sb)，且锑(Sb)的浓度介于117?118cnT3之间。
12.如权利要求2所述的光电半导体元件，其中该第一发光叠层还包含第一P型半导体层，位于该第一发光层之上，及第一 η型半导体层，位于该第一发光层之下；该第二发光叠层还包含第二 η型半导体，位于该第二发光层之下，其中该第二半导体层为一 P型半导体；该穿隧叠层还包含第三半导体层，位于该第一半导体层与该第一发光叠层之间。
13.如权利要求12所述的光电半导体元件，其中该第三半导体层包含第三掺杂物，与该第二掺杂物相异。
14.如权利要求13所述的光电半导体元件，其中该第三掺杂物质包含碲(Te)，且该第三掺杂物质的浓度大于119CnT3。
15.如权利要求2所述的光电半导体元件，还包含基板，位于第一半导体层或第二半导体层侧。
16.如权利要求2所述的光电半导体元件，其中该第一发光层所发出的光具有第一波长，该第二发光层所发出的光具有第二波长，该第一波长与该第二波长差异小于20nm。
17.如权利要求16所述的光电半导体兀件，其中该第一波长与该第二波长介于600nm ?620nm 之间。
18.如权利要求1所述的光电半导体元件，其中该第一掺杂物质的浓度为该第二掺杂物的10倍以上。
19.如权利要求1所述的光电半导体元件，其中该阻障层包含三族元素，该三族元素的组成比从该阻障层靠近该第二半导体层的部分递减至靠近该第一半导体层的部分。
20.如权利要求1所述的光电半导体兀件，其中该第一掺杂物质与该第二掺杂物为同导电性的掺杂物。
21.如权利要求1所述的光电半导体元件，其中该阻障层的能阶从靠近该第二半导体层的部分向靠近该第一半导体层的部分递减。
22.如权利要求21所述的光电半导体元件，其中该阻障层的能阶靠近该第二半导体层的部分介于2.3eV?2.5eV之间，靠近该第一半导体层的部分介于1.9eV?2.1eV之间。
23.如权利要求1所述的光电半导体元件，其中该第一半导体层中的该第一掺杂物质为一刻意掺杂物质，该第二掺杂物质为一非刻意掺杂物质。
24.如权利要求23所述的光电半导体元件，其中该第二半导体层中的该第二掺杂物质为一刻意掺杂物质。
【文档编号】H01L33/14GK104425664SQ201310404407
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2013年9月6日 优先权日:2013年9月6日
【发明者】刘宗宪, 李荣仁, 李世昌 申请人:晶元光电股份有限公司