CN103972345B - 氮化物半导体结构及半导体发光元件 - Google Patents
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Abstract
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阱层及阻障层的多重量子阱结构，且每两层阻障层间具有一阱层。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，更可减低阱层因材料差异所受的压缩应力。
Description
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，尤其是指一种于发光层与p型载子阻隔层间配置有AlxInyGa1-x-yN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
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，因此发展高节能、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。
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，发光层为多重量子阱结构(MQW)，而多重量子阱结构包括以重复的方式交替设置的量子阱层(well)和量子阻障层(barrier)，因为量子阱层具有相对量子阻障层较低的能隙，使得在上述多重量子阱结构中的每一个量子阱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，并在量子阱层中结合，而发射出光子。
然而，上述的发光二极管因诸多因素(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因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，则半导体发光元件的外部量子效率亦随之提升；因此，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，例如使用铟锡氧化物(Indium Tin Oxide；ITO)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 block layer；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阱结构与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阱层中，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。
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阱层内，以提升发光二极管的内部量子效率；然而，由于多重量子阱结构一般是以InGaN的量子阱层以及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量子阱层因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阱层的能带结构，从而使在量子阱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量子阱层之间的界面特性，从而在界面处损失载子，亦影响发光二极管的发光效率。
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一。
发明内容
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-x-yN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，并进一步减低量子阱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阱层内，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。
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。
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阱结构，且所述多重量子阱结构包含多个彼此交替堆栈的阱层及阻障层，且每两层所述阻障层间具有一所述阱层，所述p型载子阻隔层由化学式AlxGa1-xN表示的材料所构成，其中0<x<1，而所述应力控制层为AlxInyGa1-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。
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。
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n型掺质。
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，所述应力控制层的铟含量等于或低于所述多重量子阱结构的阱层的铟含量。
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。
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阱结构的阱层的厚度。
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1016-1018cm-3的n型掺质。
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阱结构(MQW)，且多重量子阱结构包含多个彼此交替堆栈的阱层及阻障层，且每两层阻障层间具有一阱层，其中，阻障层可掺杂有浓度为1016-1018cm-3的n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AlxGa1-xN表示的材料所构成，其中0<x<1，而应力控制层是由AlxInyGa1-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；此外，可进一步控制应力控制层中铟的含量，使应力控制层的铟含量等于或低于多重量子阱结构的阱层的铟含量，进而形成能隙大于阱层的应力控制层，使得载子可局限在多重量子阱结构的阱层中，以增加电子电洞覆合的机率，提升内部量子效率。
再者，上述的应力控制层分别掺杂有浓度小于1019cm-3的p型掺质，以及浓度小于1019cm-3的n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阱结构的阱层的厚度，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。
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n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n型半导体层。
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5×1019cm-3的p型掺质，且其厚度小于30nm。
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n型半导体层，其中p型半导体层可掺杂有浓度大于5×1019cm-3的p型掺质，且其厚度小于30nm。
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n型半导体层间配置有n型载子阻隔层，n型载子阻隔层由化学式AlxGa1-xN表示的材料所构成，其中0<x<1。
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阱结构可分别由InGaN及GaN形成阱层与阻障层，通过InGaN的阱层具有相对GaN阻障层较低的能隙，使得电子及电洞更容易局限在阱层中，以增加电子电洞的覆合机率。
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n型载子阻隔层间配置一超晶格层，由此缓冲发光层与n型载子阻隔层的差异，降低其差排密度。
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n型半导体层，其配置于所述基板上；
一发光层，其配置于所述n型半导体层上，所述发光层具有多重量子阱结构，且所述多重量子阱结构包含多个彼此交替堆栈的阱层及阻障层，且每两层所述阻障层间具有一所述阱层；
一应力控制层，其配置于所述发光层上，所述应力控制层为AlxInyGa1-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；
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AlxGa1-xN表示的材料所构成，其中0<x<1；
一p型半导体层，其配置于所述p型载子阻隔层上；
一n型电极，其以欧姆接触配置于所述n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。
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n型电极与p型电极；由此，AlxInyGa1-x-yN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InGaN量子阱层因材料差异所受的压缩应力，使得于量子阱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阱层内，由此提升内部量子效率。
此外，因压缩应力的减少亦可增强相邻阻障层和阱层之间的界面特性，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。
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
3n型半导体层 31n型电极
4n型载子阻隔层 5发光层
51阱层 52阻障层
6应力控制层 7p型载子阻隔层
8p型半导体层 81p型电极
9超晶格层
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，其主要于发光层5与一p型载子阻隔层7间配置有一应力控制层6，发光层5具有多重量子阱结构(MQW)，且多重量子阱结构包含多个彼此交替堆栈的阱层51及阻障层52，且每两层阻障层52间具有一阱层51，p型载子阻隔层7由化学式AlxGa1-xN表示的材料所构成，其中0<x<1，而应力控制层6由AlxInyGa1-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。
此外，上述的氮化物半导体结构中，阻障层52掺杂有浓度为1016-1018cm-3的n型掺质，且可于p型载子阻隔层7上配置有一p型半导体层8，其中p型半导体层8掺杂有浓度大于5×1019cm-3的p型掺质，且其厚度小于30nm，并于发光层5与基板1间配置有一n型半导体层3；再者，于本实施例中，发光层5与n型半导体层3间亦可配置有n型载子阻隔层4，n型载子阻隔层4由化学式AlxGa1-xN表示的材料所构成，其中0<x<1；另外，发光层5与n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n型载子阻隔层4的晶格差异，降低其差排密度。
再者，于本实施例中，应力控制层6分别掺杂有浓度小于1019cm-3的p型掺质(优选为镁)，以及浓度小于1019cm-3的n型掺质(优选为硅)，上述的p型掺质做为一受体，可增加有效电洞浓度，而n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n型掺质与p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阱结构的阱层51的厚度。
上述实施例的氮化物半导体结构于实际实施使用时，n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的多重量子阱结构优选可分别由InGaN及GaN形成的阱层51与阻障层52；而由于以AlxInyGa1-x-yN材料所形成的应力控制层6位于p型载子阻隔层7与发光层5之间，通过控制应力控制层中铟的含量，使得应力控制层6的铟含量等于或低于多重量子阱结构的阱层51的铟含量，进而形成能隙大于阱层的应力控制层6，使得载子可局限在多重量子阱结构的阱层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-x-yN应力控制层6不仅可作为p型载子阻隔层7与发光层5间的缓冲层2，且由于一般含有铟的InGaN的能带隙较GaN要低，而含有铝的AlGaN的能带隙较GaN要高；因此，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，更可减低量子阱层51受到压缩应力的影响，使得于量子阱层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阱层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量子阱层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。
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n型半导体层3，其配置于基板1上；其中，n型半导体层3的材料可例如为硅掺杂的氮化镓系列材料；
一发光层5，其配置于n型半导体层3上，发光层5具有多重量子阱结构，且多重量子阱结构包含多个彼此交替堆栈的阱层51及阻障层52，且每两层阻障层52间具有一阱层51；其中，阱层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阱层51中，以增加电子电洞覆合机率，提升内部量子效率；
一应力控制层6，其配置于发光层5上，应力控制层6由AlxInyGa1-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；于本实施例中，应力控制层6分别掺杂有浓度小于1019cm-3的p型掺质(优选为镁)，以及浓度小于1019cm-3的n型掺质(优选为硅)，而其厚度为2-15nm，且其厚度小于阱层51的厚度，且由于p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的铟含量等于或低于多重量子阱结构的阱层51的铟含量，进而形成能隙大于阱层的应力控制层6，使得载子可局限在多重量子阱结构的阱层51中，以增加电子电洞覆合的机率，提升内部量子效率；
一p型载子阻隔层7，其配置于应力控制层6上，p型载子阻隔层7由化学式AlxGa1-xN表示的材料所构成，其中0<x<1；
一p型半导体层8，其配置于p型载子阻隔层7上；其中，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；
一n型电极31，其以欧姆接触配置于n型半导体层3上；以及
一p型电极81，其以欧姆接触配置于p型半导体层8上；其中，n型电极31与p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、铂及其合金等；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。
此外，发光层5与n型半导体层3间可配置有n型载子阻隔层4，而n型载子阻隔层4由化学式AlxGa1-xN表示的材料所构成，其中0<x<1，以使得载子可局限于量子阱层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1与n型半导体层3间配置有一缓冲层2，缓冲层2由化学式AlxGa1-xN表示的材料所构成，其中0<x<1，用以解决因基板1与n型半导体层3间因晶格差异所产生的磊晶差排现象。
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-x-yN应力控制层6不仅可改善p型载子阻隔层7与发光层5因晶格失配所造成晶体质量劣化的问题，以增加磊晶的良率；同时，更可减低InGaN量子阱层51因材料差异所受的压缩应力，使得于量子阱层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阱层51内，由此提升内部量子效率；此外，因压缩应力的减少亦可增强相邻阻障层52和阱层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。
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。
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 (10)
1.一种氮化物半导体结构，其于发光层与一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阱结构，且所述多重量子阱结构包含多个彼此交替堆栈的阱层及阻障层，且每两层所述阻障层间具有一所述阱层，所述p型载子阻隔层由化学式AlxGa1-xN表示的材料所构成，其中0<x<1，而所述应力控制层为AlxInyGa1-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，所述应力控制层掺杂有p型掺质和n型掺质。
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1019cm-3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1019cm-3的n型掺质。
4.如权利要求1所述的氮化物半导体结构，其中，所述应力控制层的铟含量等于或低于所述多重量子阱结构的阱层的铟含量。
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阱结构的阱层的厚度。
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1016-1018cm-3的n型掺质。
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n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n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5×1019cm-3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n型半导体层，其配置于所述基板上；
一发光层，其配置于所述n型半导体层上，所述发光层具有多重量子阱结构，且所述多重量子阱结构包含多个彼此交替堆栈的阱层及阻障层，且每两层所述阻障层间具有一所述阱层；
一应力控制层，其配置于所述发光层上，所述应力控制层为AlxInyGa1-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，所述应力控制层掺杂有p型掺质和n型掺质；
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AlxGa1-xN表示的材料所构成，其中0<x<1；
一p型半导体层，其配置于所述p型载子阻隔层上；
一n型电极，其以欧姆接触配置于所述n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。
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