TW201011952A - Group iii nitride based semiconductor light emitting element and epitaxial wafer - Google Patents
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Description
201011952 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種III族氮化物系半導體發光元件及蟲晶 晶圓。 【先前技術】 在專利文獻1(曰本專利特開平6-260683號公報）中，揭示 有一種雙異質結構之藍色發光元件。在藍寶石基板、Sic 基板、ZnO基板等異種基板上，設置有含有GaN之低溫緩 Ο 衝層。於該緩衝層上，依次成長出η型GaN層（第一包覆 層）、Zn摻雜之InGaN層（發光層）、及Mg摻雜之p型（}aN層 (第二包覆層）。 專利文獻1之藍色發光元件含有在c面藍寶石基板上成長 之InGaN發光層。此外，藍色發光元件等ΙΠ族氮化物系半 導體發光元件可製作在c面GaN基板上。最近，利用與極 性之c面不同之半極性或非極性之GaN基板來製作hi族氮 化物系半導體發光元件。根據發明者等人之實驗，在半極 ® 性面上所成長之氮化鎵系半導趙中之電洞之動作不同於在 極性面上成長之氮化鎵系半導體中之電洞之動作。根據發 明者等人之具體研究，半極性面上之氮化鎵系半導體中之 電洞之擴散長度比c面上之氮化鎵系半導體中之電洞之擴 散長度大。因此’在半極性基板上所製作之發光元件中， 注入到活性層中之電洞會從該活性層溢出。從而發光之量 子效率差。 【發明内容】 141493.doc 201011952 本發明係鑒於上述情況而完成者，其目的在於提供一種 可降低電洞從活性層之溢出而提高量子效率之I]fI族氮化物 系半導體發光元件，而且其目的在於提供一種用於該m族 氣化物系半導體發光元件之蟲晶晶圓。 本發明之一側面之III族氮化物系半導體發光元件包括·· (a)n型氮化鎵系半導體區域，其具有沿特定平面而延伸之 主面；（b)P型氮化鎵系半導體區域；（c)包含第一氮化鎵系 半導體之電洞阻擋層；及（d)包含氮化錁系半導體之活性 層，該活性層設置於上述P型氮化鎵系半導鱧區域與上述 電洞阻擋層之間。上述電洞阻擋層及上述活性層配置於上 述氮化鎵系半導體區域之上述主面、與上述P型氮化鎵系 半導體區域之間，上述氮化鎵系半導體區域之(;轴相對於 上述特定平面之法線而傾斜，上述電洞阻擋層之帶隙比上 述氮化鎵系半導體區域之帶隙大，上述電洞阻擋層之帶隙 比上述活性層中之帶隙之最大值大，上述電洞阻擂層之厚 度比上述氮化鎵系半導體區域之厚度薄。 根據該III族氮化物系半導體發光元件，活性層設置在p 型氮化鎵系半導體區域與電洞阻擋層之間，故而P型氮化 鎵系半導體區域向活性層供給電洞。電洞阻擋層之帶隙比 氮化鎵系半導體區域之帶隙A，故而電洞阻擔層對活性層 内之電洞發揮障壁之作用。因此電洞阻擋層可降低從活性 層溢出並到達氮化鎵系半導體區域之電洞之量。此外，電 洞阻擋層之厚度比氮化鎵系半導體區域之厚度薄，故而電 洞阻擋層對於從氮化鎵系半導體區域供給至活性層之電子 141493.doc 201011952 並未表現出較大的電阻。 在本發明之III族亂化物系半導體發光元件中，可使上述 氮化鎵系半導體區域之C轴與上述特定平面之法線所成的 傾斜角為10度以上、80度以下。 在本發明之III族氮化物系半導體發光元件中，較好的 疋，上述空穴阻擋層的厚度為5 nm以上。根據該ΠΙ族氮化 物系半導體發光元件，不會產生電洞之隧道效應。 在本發明之III族氮化物系半導體發光元件中，較好的 ^ 疋’上述電洞阻擋層之厚度為50 nm以下。根據該III族氮 化物系半導體發光元件，對於從11型之氮化鎵系半導體區 域供給至活性層之電子，電洞阻檔層並未表現出較大的電 阻。 在本發明之III族氮化物系半導體發光元件中，較好的 是，在上述電洞阻擋層中’添加有摻雜劑。根據該m 族氮化物系半導體發光元件，藉由n型推雜劑之添加而可 降低電洞阻擋層之電阻。 在本發明之ΙΠ族氮化物系半導體發光元件中，較好的 是，上述電洞阻擋層之上述第一氮化鎵系半導體含有作為 III族元素之鎵、銦及鋁。根據該m族氮化物系半導體發光 元件，藉由使用四元混晶，從而電洞阻撞層不僅成為相對 於電洞之障壁，而且可提供所需之晶格常數。 在本發明之III族氮化物系半導體發光元件中，可使上述 電洞阻擋層之上述第-氮化鎵系半導體含有作為m族之 銦，且上述電洞阻擋層之銦成分為大於〇、〇 3以下。 U1493.doc 201011952 在本發明之m族氮化物系半導體發光元件中可使上述 電/同阻擋層含有Α1(}_。作為電洞阻擋層之材料，不僅 可使用InAlGaN’而且可使用A1GaNe藉由Αΐ(^Ν而可提 供具有較大帶隙之電洞阻擋層。 在本發明之III族氮化物系半導體發光元件中較好的 是，上述電洞阻擋層之上述第一氮化蘇系半導體组含有作 為III族之鋁，上述電洞阻擋層之鋁成分為大於〇、〇5以 下。 在本發明之III族氮化物系半導體發光元件中可進一步 包括包含第二氮化鎵系半導體之電子阻擋層，該電子阻擋 層設置於上述活性層與上述p型氮化鎵系半導體區域之 間，上述電洞阻擋層之厚度比上述電子阻擋層之厚度薄。 在本發明之III族氮化物系半導體發光元件中，可使該山 族氮化物系半導體發光元件為發光二極體。與半導體雷射 不同，發光二極體不含有光學包覆層，因此電洞阻擋層在 降低電洞之溢出方面有效。 在本發明之III族氮化物系半導體發光元件中，可進一步 包括包含氮化鎵系半導體之具有主面之基板，上述主面表 現出半極性’上述氮化鎵系半導體區域設置於上述基板與 上述電洞阻擋層之間。該m族氮化物系半導體發光元件係 在半極性GaN主面上所製作，並且在ΙΠ族氮化物系半導體 發光元件中可降低半極性所特有之電洞之動作的影響。 在本發明之III族氮化物系半導體發光元件中，可使上述 基板含有GaN。該III族氮化物系半導體發光元件可使用大 141493.doc 201011952 口從之GaN晶圓而製作，並且在m族氮化物系半導體發光 元件中可降低半極性所特有之電洞之動作的影響。 在本發明之III族氮化物系半導體發光元件中，較好的 是’上述活性層具有包含井層及阻擋層之量子井結構，上 述井層之數量為4以下。根據該ΙΠ族氮化物系半導體發光 几件，增加井層之數量反而有可能使井層之結晶品質下 降。另一方面，井層之數量較少時，容易受到電洞溢出之 影響。 ❹ 在本發明之III族氮化物系半導體發光元件中，較好的 是’上述井層包含氮化鎵系半導體，該氮化鎵系半導體含 有作為III族之In。根據該ΠΙ族氮化物系半導體發光元件， 可提供廣泛的波長範圍之發光。 在本發明之III族氮化物系半導體發光元件中，較好的 是’上述井層含有InxGai χΝ，上述井層之銦成分X為〇15 以上。根據該ΙΠ族氮化物系半導體發光元件，可實現長波 φ 長的發光。藉由與使用有4元混晶之電洞阻擋層組合，可 實現銦成分高且結晶品質良好的井層。 在本發明之III族氮化物系半導體發光元件中，可進一步 包括氮化鎵系半導體層’其設置於上述電洞阻擔層與上述 氮化鎵系半導體區域之間，且含有作為ΙΠ族元素之銦，上 述氮化鎵系半導體層之帶隙比上述電洞阻擋層之帶隙小， 上述氮化鎵系半導體層之帶隙比上述氮化鎵系半導體區域 之帶隙小。根據該III族氮化物系半導體發光元件，可降低 向包括銦成分高的井層之活性層所施加之應力。 141493.doc 201011952 在本發明之III族氮化物系半導體發光元件中，上述活性 層被設置成在450 nm以上之波長區域中具有峰值波長。此 外，上述活性層被設置成在65〇 nm以下之波長區域中具有 峰值波長。 本發月之另側面為一種蟲晶晶圓，其係用於;ill族氮化 物系半導體發光元件者。該磊晶晶圓包括：（a)n型導電性 之氮化鎵系半導體區域，其具有沿特定平面而延伸之主 面，並設置於基板之主面上；（b)包含第一氮化鎵系半導體 之電洞阻擋層，該電洞阻擋層設置於上述氮化鎵系半導體 區域之上述主面上；（c)設置於上述電洞阻擋層上之活性 層；（d)設置於上述活性層上、且包含第二氮化鎵系半導體 之電子阻擋層；及(e)設置於上述電子阻擋層上之p型導電 娃·氮化鎵系半導體區域；上述活性層配置於上述電洞阻擋 層與上述電子阻擋層之間，上述氮化鎵系半導體區域之〇 軸相對於上述特定平面之法線而傾斜，上述電洞阻擋層之 帶隙比上述氮化鎵系半導體區域之帶隙大’上述電洞阻播 層之帶隙比上述活性層中之帶隙之最大值大，上述電洞阻 擋層之厚度比上述氮化鎵系半導體區域之厚度薄。 根據該蟲晶晶圓’活性層設置於P型氮化鎵系半導體區 域與電洞阻擋層之間’故而P型氮化鎵系半導體區域向活 性層供給電洞^電洞阻擋層之帶隙比氮化鎵系半導體區域 之帶隙大’故而電洞阻擋層提供相對於活性層内之電洞之 障壁。因此電洞阻擋層可降低於活性層中溢出並到達氮化 鎵系半導體區域之電洞之量。此外，電洞阻擔層之厚度比 141493.doc 201011952 氮化鎵系半導體區域之厚度薄，因此電洞阻擋層對於從氮 化鎵系+導體區域供給至活性層之電子並未表現出較大的 電阻。 本發明之蟲晶晶圓較好的是，上述基板含有GaN，上述 基板之GaN之c軸與上述基板之上述主面之法線所成的傾 斜角為10度以上、80度以下。 本發明之上述目的及其他目的、特徵及優點，根據參照 _所進行的本發明較佳實施形態之以下詳細的記載而更 髎容易明確。 【實施方式】 本發月之見解例如可藉由參照作為示例而示出之附圖並 考慮以下之詳細記載而容易理解。接下來，一邊參照附 圖’一邊說明本發明之ΠΙ族氮化物系半導體發光元件及磊 曰曰晶圓之實施形態。在可能之情況下，對相同之部分附以 相同之標號。 ❹ 圖1係概略表示本實施形態之III族氮化物系半導體發光 兀件之結構的示圖。參照圖1，顯示有用於III族氮化物系 半導體發光元件（以下，記作「發光元件」}11之正交座標 系S。圖2係表示發光元件11之能帶圖的示圖。發光元件i i 例:¾可為發光一極體。發光元件Η包括六方晶系之η型氮 化鎵系半導體層（以下，記為「GaN系半導體層」）13、六 方晶系之P型氮化鎵系半導體區域（以下，記作「GaN系半 導體區域」）15、電洞阻擋層17及活性層19〇 n型氮化鎵系 半導體層13具有沿特定平面而延伸之主面Ua。電洞阻擋 141493.doc 201011952
層17包含氮化鎵系半導體，例如可含有ΙηΑΐ^Ν、Ακ^Ν 等。活性層19包含氮化鎵系半導體，且設置於卩型^以系 半導體區域15與電洞阻擋層17之間。電洞阻擋層17及活性 層19配置在n型GaN系半導體層13之主面13a與p型GaN系半 導體區域15之間。活性層〗9含有一個或多個半導體層，設 置於電洞阻擋層17上。氮化鎵系半導體區域（以下，記作 「GaN系半導體區域」）23具有n導電性，包含六方晶系結 晶。此外，GaN系半導體區域23可含有一個或多個半導體 層。例如，η型GaN系半導體層13包含於GaN系半導體區域 23中。GaN系半導體區域23向活性層19供給電子，並且p 型GaN系半導體區域15向活性層19供給電洞。nsGaN系半 導體層13(同樣地，GaN系半導體區域23)ic轴相對於特定 平面之法線而傾斜，電洞阻擋層17之帶隙G17比活性層19 中之帶隙之最大值G19大。電洞阻擋層17之厚度D17比GaN 系半導體區域23之厚度D23薄。p型GaN系半導體區域15例 如可含有接觸層。 根據該發光元件11，活性層19設置於p型GaN系半導體 區域15與電洞阻擋層17之間，故而電洞Η&ρ型GaN系半導 體區域15被供給至活性層19。電洞阻擋層17之帶隙Gn比 GaN系半導體區域23之帶隙之最大值大，故而電洞阻擋層 17對欲從活性層19溢出之電洞發揮障壁Δ(3η之作用。因 此’電洞阻擋層17降低了於活性層19中溢出並到達GaN系 半導體區域23之電洞之量。此外，電洞阻擋層17之厚度 D17比GaN系半導體區域23之厚度D23薄，故而電洞阻擋層 141493.doc •10- 201011952 17對於從GaN系半導體區域23供給至活性層之電子e並未 表現出較大的電阻。 參'、、、圖1 ,在發光元件11 _，GaN系半導體層13之c轴矢 量VC與特定平面（或⑽系半導體區域η之主面）之法線％ 所成的傾斜角可為Η)度以上。藉由該傾斜角，相較c面、a 面面上，载子、特別是電洞之擴散長度較大，在已有 電伽^主人時’電洞容易從活性層向η型GaN區域溢出。此 外’傾斜角可為80度以下。藉由該傾斜角，相較c面、❿ 面上’載子、特別是電洞之擴散長度較大，在已有電 流注入時’電洞容易從活性層向η型GaN區域溢出。 在發光元件η中’為了防止電洞之隧道效應，較好的是 電洞阻擋層17之厚度D17為5 nm以上。此外，較好的是電 洞阻擋们7之厚度〇17為50 nm以下。藉由該電洞阻擋層 17，對於從GaN系半導體區域23供給至活性層19之電子 E’電洞阻擋層17並不表現出較大之電阻，而且，可降低 藝因晶格不匹配而生成之施加到活性層之應力。電洞阻擔層 17可為無摻雜’但較好的是將η型摻雜劑添加到電洞阻擔 層17中。藉由η型摻雜劑之添加可降低電洞阻播層丄7之電 阻。作為η型摻雜劑，例如可使用矽（Si)、碳（c)等。 發光元件11可進一步包括電子阻擔層25。㈣系半導體 區域23、電洞阻擋層17、活性㈣、電子阻擋層响型 GaN系半導體區域15係沿特定之軸Αχ而配置。電子阻擔層 25設置在活性層19與ρ型GaN系半導體區域15之間。此 外，電子阻擋廣25包含氮化鎵系半導體，例如可含有 141493.doc •11- 201011952
AlGaN、InAlGaN等。例如可使電洞阻擋層17之厚度D17比 電子阻擋層25之厚度D25薄。活性層19設置於電洞阻擋層 17與電子阻擋層25之間。電子阻擋層25之厚度D25比p型導 電性GaN系半導體區域15之厚度薄。p型GaN系半導體區域 15設置於電子阻擋層25上《電子阻擋層25之厚度例如可為 5 nm以上，且可為30 nm以下。 活性層19具有量子井結構21，量子井結構21含有交互排 列之井層21 a及障壁層21b^在量子井結構21中，較好的 是’井層21a之數量為1以上，且井層21a之數量為4以下》 增加井層21a之數量反而有可能使井層213之結晶品質之下 降。該傾向特別會見於半極性面上所形成之井層中。此 外，在井層數量較多的活性層中，空乏層之厚度必然會增 加，P型區域與η型區域遠離，從而有載子溢出之影響降低 之傾向。另一方面，當井層21a之數量較少時，活性層19 之厚度不大。故而發光特性容易收到電洞溢出之影響。因 此，上述範圍較佳。井層21a之厚度例如可為2 nm以上， 且可為10 nm以下。又，障壁層21b之厚度例如可為1〇 nm φ 以上，且可為3〇 nm以下。活性層19之總厚度可為1〇〇打历 以下。 為了提供廣泛的波長範圍之發光，井層21a較好的是包 含氮化錄系半導體’該氮化鎵系半導體含有作為III族之 In具體而吕，井層21a含有㈤叫χΝ，井層…之姻成分 X較好的是為0.15以上。根據該成分範圍於該發光元件 11中可實現長波長之發光。藉由使用利用有4元混晶之電 141493.doc •12- 201011952 洞阻擋層’可實現銦成分高且結晶品質良好的InGaN井 層。此外，井層21 a之銦成分X較好的是為〇_40以下。作為 障壁層21b’可含有GaN、InGaN、AlGaN等材料。 活性層19被設置成在450 nm以上、650 nm以下之波長區 域内具有光致發光（PL，photo丨uminesence)光譜、電致發 光（EL ’ electroluminescence)光譜之峰值波長。 發光元件11可進一步具備基板27。基板27包含氮化鎵系 半導體，具具有表現出半極性之主面27a及背面27b ^主面 ® 27a相對於氮化鎵系半導體之0軸而傾斜。傾斜角可為丨〇度 以上、80度以下。
GaN系半導體區域23設置於基板27與電洞阻擋層17之 間。GaN系半導體區域23具有彼此對向之一對面，GaN系 半導體區域23之一方之面接觸於基板27之主面27a，且另 一方之面接觸於電洞阻擋層17。該發光元件u藉由在半極 性主面27a上之磊晶成長而製作，並且在發光元件u中可 ❿降低半極性特有之電洞之動作的影響。基板可含有GaN、 InGaN。當基板含有GaN時，該發光元件丨丨可利用大口徑 之半極性GaN晶圓進行製作。 ‘ 當基板主面從c面向m面方向傾斜時，由於井層與障壁層 之晶格常數不同，故而由井層之應變所產生之壓電場較 小。此外，當基板主面從c面向a面方向傾斜時，由於井層 與障壁層之晶格常數不同，故而由井層之應變所產生之壓 電場較小。 發光元件11可進一步具備氮化鎵系半導體層（以下，記 141493.doc -13· 201011952 作「GaN系半導體層」μ9，該氮化鎵系半導體層29含有作 為III族元素之銦。GaN系半導體層29設置於電洞阻擋層17 與GaN系半導體層13之間。GaN系半導體層29例如可為 InGaN。GaN系半導體層29之帶隙G29比電洞阻擋層17之帶 隙G17小。GaN系半導體層29之帶隙G29比GaN系半導體層 13之帶隙G13小。根據該GaN系半導體層29，在製作銦成 分高的井層時’可降低活性層19上之應變。 發光元件11可進一步具備氮化鎵系半導體層（以下，記 作「GaN系半導體層」）31，該氮化鎵系半導體層31設置於 GaN系半導體層29與電洞阻擋層17之間。GaN系半導體層 3 1例如可含有GaN等。根據該GaN系半導體層3丨’可緩和 GaN系半導體層29與電洞阻擋層i 7之晶格常數差。GaN系 半導體層31之厚度比GaN系半導體層29之厚度及η型GaN系 半導體層13之厚度薄。 參照圖2，電洞阻擋層17之帶隙〇17比設置於電洞阻擋層 17與基板27之間且GaN系半導體區域23所包含之半導體層 之帶隙的最大值大。 電洞阻擋層17較好的是包含氮化鎵系半導體，該氮化鎵 系半導體含有作為III族元素之鎵、銦及鋁。藉由使用例如 四兀混晶而非三元混晶，從而電洞阻擋層17不僅成為相對 於電洞之障壁’而且可提供能夠降低活性層上之應力之晶 格常數。例如，當電洞阻擋層17含有四元混晶時，可降低 活性層19上之應力。 包3 InAlGaN之電洞阻擋層17中含有作為m族元素之 141493.doc 201011952 鋁§電/同阻擋層17含有銘作為構成元素時，相較 使帶隙更大，成為相對於電洞之障壁。當電洞阻擋層”之 紹成分為0.5以下時，電洞之障壁效果充分，且不會使盘 相鄰之層之晶格常數差過大，從而不會產生龜裂等。
包含之電洞阻擋層Π含有作為m族之铟，電洞 阻擋層'7之銦成分可大於〇且為〇3以下。當電洞阻擋層” 3有銦7L素時’在製作與不含In之情況相同帶隙之電洞阻 擋層時，可增大電洞阻擋層之晶格常數，且可減小與障壁 層、井層之晶格常數差，故可緩和全體之應變。當電洞阻 擋層17之銦成分為〇.3以下時，在製作相同帶隙大小之電 洞阻擋層時，無需極端地提高A1成分便容易進行生長。 ，電洞阻擋層17可包括AlGaN層。作為電洞阻擋層丨7之材 料，不僅可使用InAlGaN，亦可使用A1GaN。藉由
AlGaN，可提供具有較大帶隙之電洞阻播層五7。 包含AlGaN之電洞阻擋層17可含有作為m族之鋁。當電 洞阻擋層17中含有鋁作為構成元素時，可使帶隙比<3aN 大，成為相對於電洞之障壁。當電洞阻擋層17之鋁成分為 0.5以下時，電洞之障壁效果充分，且不會使與相鄰之層 之晶格常數差過大，從而不會產生龜裂等。 在發光元件11、例如發光二極體中，光L從發光元件i】 之上面出射。與半導體雷射不同，發光二極體不含有光學 包覆層，因此電洞阻擋層在降低電洞之溢出方面有效。 圖3及圖4係表示製作m族氮化物系半導體發光元件之方 法中之主要步驟的示圖。圖5係表示圖3及圖4所示之製作 141493.doc •15- 201011952 方法之主要步驟中之產品的示圖。 藉由有機金屬氣相沈積法製作了藍色發光二極體結構。 原料中使用有三甲基鎵（TMG)、三甲基鋁（TMA)、三甲基 銦（TMI)、及氨（NH3)。作為摻雜劑氣體，使用有矽烷 (S1H4)及雙環戊二烯鎂（Cp2Mg)。 首先，一邊參照步驟流程100，一邊製作磊晶晶圓。於 步驟Sioit ’如圖5(a)所示’準備六方晶系半極性氮化録 晶圓。氮化鎵晶圓之主面面向m面方向及&面方向以10 至80度之角度而傾斜。氮化鎵晶圓之尺寸例如為2英吋以 上。在反應爐内設置有GaN晶圓41之後，於步驟§1〇2中， 在攝氏1100度之溫度及成長爐内壓力27 kPa下一邊使 NH3與Ha流動，一邊進行1〇分鐘之熱處理。 於步驟S103中，如圖5(b)所示，磊晶成長出n型氮化鎵 系半導體區域43。具體而言，於步驟中，在攝氏 115〇度之溫度下，成長出8丨摻雜之GaN層43a。該層 43a之厚度例如為2 μπ^其後，使基板溫度下降至攝氏 度後，於步驟S103-2中，向成長爐供給ΤΜ(}、ΤΜΙ、 SiH4，磊晶成長出Si摻雜之In〇 〇4Ga〇 緩衝層43b。 1110』4〇&().96：^緩衝層4313之厚度為10〇11111。在必要之情況 下，使基板溫度上升至攝氏870度後，於步驟sl〇3_3中， 磊晶成長出Si摻雜之GaN層43c。該GaN層43c之厚度例如 為 10 nm 〇 於步驟S104中，使基板溫度上升至攝氏87〇度之後，如 圖5(c)所示，磊晶成長出電洞阻檔層45。電洞阻擋層“係 141493.doc -16- 201011952
Sl摻雜之A^.wGao.wN層，其厚度為10nm。 :步驟S105中，如圖5(d)所示，磊晶成長出活性層47。 具體而言，於步驟中，在攝氏87〇度之基板溫度下 成長出厚度為10 nm2GaN障壁層47a。於步驟SI05_2中， 使基板溫度下降至攝氏7〇〇度後，成長出厚度為4⑽之
In〇/5GaQ 75N井層47b。其後，使基板溫度上升至攝氏870 度後於步驟S1 〇5-3中，在攝氏870度之基板溫度下成長 出厚度為15 nm之GaN障壁層47(^在必要之情況下，於步 驟S105-4中反覆進行井層之成長及障壁層之成長。 於步驟S106中，停止丁]^(}與丁]^1之供給，同時一邊供給 氨邊使基板溫度上升至攝氏11〇〇度。其後，將TMG、 TMA、贿3、⑺趣導入至成長爐中，如圖5⑷所示，磊 晶成長出厚度為別⑽之吨摻雜口型〜你請闕心其 後，於步驟S107中，停止TMA之供給，如圖5(f)所示，磊 晶^長出厚度為50⑽之—⑽層^。在使基板溫度降溫 φ 達至皿後，從成長爐中取出磊晶晶圓EPI。為了證實n層側 之電洞阻擋層之效果，製作了不具備作為電洞阻撐層之η 型AlGaN層之LED結構。 於步驟S108中，在p型氮化鎵系半導體區域上形成陽極 53a而與p型接觸層51形成電連接，並且在對基板之背面研 磨後於該背面形成陰極53b，從而製作出圖6所示之基板產 品SP。該等電極藉由蒸鑛而製作。 對基板產品SP注入電流而進行發光測定。圖7係表示電 致發光光4之示圖。參照圖7(a)，顯示出無電洞阻擔層之 141493.doc -17- 201011952 LED結構中之電流 10 mA、20 mA、30 mA、40 mA、60 mA、100 mA、140 mA、180 mA所對應之特性線Cl〜C8， 參照圖7(b)，顯示出有電洞阻擋層之LED結構中之電流10 mA、20 mA、30 mA、40 mA、60 mA、100 mA、140 mA、180 mA所對應之特性線P1〜P8。參照圖7，在無電洞 阻擋層之LED結構中，如圖7(a)所示，強烈地觀測到來自 基底緩衝層之發光，此情形表示電洞向η側之溢出顯著。 相對於此，如圖7(b)所示，在具有包含η型AlGaN層之電洞 阻擋層之LED結構中，並未觀測到來自基底緩衝層之發 光，來自井層之發光較強烈。此情形表示藉由η側之電洞 阻擋層而抑制電洞從井層向η側區域溢出，從而電洞被有 效地關閉在井層中。
AlGaN層之晶格常數較小，其與晶格常數較大的InGaN 活性層之晶格常數差較大。藉由在活性層與基板之間設置 AlGaN層，從而施加到活性層之應力變大。此情形可能會 引起發光效率之降低。為了避免此情形，較好的是使用4 元混晶InAlGaN作為電洞阻擋層。從而，作為電洞阻擋層 可實現足夠大的帶隙，另一方面可實現井層與電洞阻擋層 之晶格常數差較小的成分。藉此，可獲得電洞阻擋層之效 果，並且可降低井層之應變。使用4元混晶InAlGaN特別適 於InGaN井層之In成分高、例如出射500 nm以上之長波長 區域之光的發光二極體結構。 本實施例中，當在off基板（結晶面向下傾斜之基板）上成 長發光二極體結構時，在η層侧亦成長成為電洞阻擋層之η 141493.doc -18- 201011952 型AlGaN層或InA1GaN層。〇ff基板上之磊晶膜顯示較大 的電洞擴散長度，因此會產生在成長於極性面上之發光二 極體結構中未觀測到的電洞溢出。 藉由在off基板上於n側設置電洞阻擋層而抑制電流注入 時電洞從井層向η層侧之溢出，使載子有效地注入到井 層’提高内部量子效率，提高發光強度。
如以上所說明，根據本發明之一側面，提供一種可降低 電洞從活性層之溢出以提高量子效率之III族氮化物系半導 體發光元件。又’根據本發明之另一側面，提供一種用於 m族氮化物系半導體發光元件之磊晶晶圓。 在上述較佳的實施形態中圖示說明了本發明之原理，但 本領域技術人員瞭解，本發明在不脫離上述原理之情況下 可對其配置及詳細情形進行變更。本發明並不限於本實施 形態所揭示之特定之結構。因此，會對來自申請專利範圍 及精神範圍之所有的修正及變更請求權利。 【圖式簡單說明】 圖1係概略表示本實施形態之ΙΠ族氮化物系半導體發光 元件之結構之示圖； 圖2係表示圖1所示之ΠΙ族氮化物系半導體發光元件之能 帶圖之示圖； 圖3係表示製作III族氮化物系半導體發光元件之方法中 之主要步驟之示圖； 圖4係表示製作in族氮化物系半導體發光元件之方法中 之主要步驟之示圖； 141493.doc •19· 201011952 圖5(a)〜（f)係表示圖3及圖4所示之製作方法之主 中的產品之示圖； 圖6係表示基板產品之結構之示圖；及 圖7(a)、（b)係表示電致發光光譜之示圖。 【主要元件符號說明】 11 發光元件 13 n型GaN系半導體層 13a 主面 15 P型GaN系半導體區域 17 電洞阻擋層 19 活性層 21 量子井結構 21a 井層 21b 障壁層 23 GaN系半導體區域 25 電子阻擋層 27 基板 27a 主面 27b 背面 29 GaN系半導體層 31 GaN系半導體層 41 GaN晶圓 43 η型GaN系半導體區域 43a GaN層 141493.doc •20· 201011952 43b In〇.〇4Ga〇.96N緩衝層 43c GaN層 45 電洞阻擋層 47 活性層 47a GaN障壁層 47b Ino.25Gao.75N井層 47c GaN障壁層 49 p型 Al〇.12Ga〇.88N層 ❿ 51 p型GaN層 53a 陽極 53b 陰極 Ax 轴 D17、D23、D25、D29 厚度 E 電子 G13、G17、G19、G29 帶隙 H 電洞 S 正交座標系 S101-S108 步驟 - Vc c軸矢量 - VN 法線 ΔΟη 障壁 141493.doc -21-
Claims (1)
- 201011952 七、申請專利範圍： I. 訓族氮化物系半導料光元件，其特徵在於包括： 之主面 Π型氮化鎵系半導體區_，其具有沿㈣平面而延伸 Η- lln P型氮化鎵系半導體區域； 包含第一氮化鎵系半導體之電洞阻擋層；及 包含氮化銶系半導體之活性層，該活性層設置於上述 P型氮化鎵系半導體區域與上述電洞阻擋層之間； © i述電洞阻擂層及上述活性層配置於上述η型氮化鎵 系半導體區域之上述主面、與上述ρ型氮化鎵系半導體 區域之間， 上述η型氮化鎵系半導體區域之e軸相對於上述特定平 面之法線而傾斜， 上述電洞阻擋層之帶隙比上述η型氮化鎵系半導體區 域之帶隙大， 上述電洞阻擋層之帶隙比上述活性層中之帶隙之最大 響 值大， 上述電洞阻擋層之厚度比上述η型氮化鎵系半導體區 域之厚度薄。 2.如請求項1之III族氮化物系半導體發光元件，其中 上述η型氮化鎵系半導體區域之c轴與上述特定平面之 法線所成之傾斜角為1〇度以上、80度以下。 3.如請求項1或2之III族氮化物系半導體發光元件，其中 上述電洞阻擋層之厚度為5 nm以上。 141493.doc 201011952 4·如請求項！至3中任一項之m族氮化物系半♦體發光元 件，其中 上述電洞阻擋層之厚度為50 nm以下。 5.如哨长項1至4中任一項之m族氮化物系半導體發光元 件，其中 在上述電洞阻擋層中添加有n型摻雜劑。 月求項1至5中任一項之m族氮化物系半導體發光元 件，其中 上述電洞阻播層之上述第一氮化鎵系半導體含有作為 ΠΙ族元素之鎵 '銦及鋁。 7·如請求項1至6中任一項之職氮化物系半導體發光元 件，其中 上述電洞阻擋層之上述第一氮化鎵系半導體含有作為 ΙΠ族之銦； 上述電洞阻擋層之銦成分為大於0、0.3以下。 青长項1至5中任一項之ΠΙ族氮化物系半導體發光元 件，其中 上述電洞阻擋層含有AIGaN層。 9·如咕求項丨至8中任一項之m族氮化物系半導體發光元 件，其中 上述電洞阻擋層之上述第一氮化鎵系半導體含有作為 III族之|呂， 上述電洞阻擋層之鋁成分為大於0、0.5以下。 1 〇.如喷求項1至9中# -項之HI族氮化物系I導體發光元 141493.doc 201011952 件，其中 進一步包括包含第二氮化鎵系半導體之電子阻擋層， 該電子阻檔層設置於上述活性層與上述p型氮化鎵系半 導體區域之間，上述電洞阻擋層之厚度比上述電子阻播 層之厚度薄。 11.如請求項1至10中任一項之m族氮化物系半導體發光元 件，其中 3玄III族氮化物系半導體發光元件為發光二極體。 β 12.如請求項1至U中任一項之ΙΠ族氮化物系半導體發光元 件，其中 進一步包括包含氮化鎵系半導體之具有主面之基板， 上述主面表現出半極性， 上述η型氮化鎵系半導體區域設置於上述基板與上述 電洞阻擋層之間。 13.如請求項1至12中任一項之πΐ族氮化物系半導體發光元 ® 件，其中 上述基板含有GaN。 14.如請求項1至π中任一項之m族氮化物系半導體發光元 件，其中 上述活性層具有包含井層及阻擋層之量子井結構， 上述井層之數量為4以下。 15.如請求項14之III族氮化物系半導體發光元件，其中 上述井層包含氮化鎵系半導體，該氮化鎵系半導體含 有作為III族之In。 141493.doc 201011952 16.如請求項14或15之III族氮化物系半導體發光元件，其中 上述井層含有InxGa丨·ΧΝ，上述井層之銦成分X為〇 15 以上。 17_如請求項1至16中任一項之in族氮化物系半導體發光元 件，其中 進一步包括氮化鎵系半導體層，其設置於上述電洞阻 擋層與上述η型氮化鎵系半導體區域之間，且含有作為 III族元素之銦， 上述氮化嫁系半導體層之帶隙比上述電洞阻擋層之帶 隙小， 上述氮化鎵系半導體層之帶隙比上述η型氮化鎵系半 導體區域之帶隙小。 18. 如請求項1至16中任一項之ΙΠ族氮化物系半導體發光元 件，其中 上述活性層被設置成在45〇 nm以上之波長區域中具有 峰值波長。 19. 一種磊晶晶圓，其係用於ΙΠ族氮化物系半導體發光元件 者’其特徵在於包括： η型導電性氮化鎵系半導體區域，其具有沿特定平面 而延伸之主面’並設置於基板之主面上； 包含第一氮化鎵系半導體之電洞阻擋層，該電洞阻擋 層設置於上述η型導電性氮化鎵系半導體區域之上述主 面上； 設置於上述電洞阻擋層上之活性層； 141493.doc 201011952 設置於上述活性層上、且包含第二氮化鎵系半導體之 電子阻擋層；及 設置於上述電子阻擋層上之P型導電性氮化鎵系半導 體區域； 上述活性層配置在上述電洞阻擋層與上述電子阻擋層 之間， 上述η型導電性氮化鎵系半導體區域之c軸相對於上述 特定平面之法線而傾斜， 上述電洞阻擋層之帶隙比上述n型導電性氮化鎵系半 導體區域之帶隙大， 上述電洞阻擋層之帶隙比上述活性層中之帶隙之最大 值大， 上述電洞阻擋層之厚度比上述η型導電性氮化鎵系半 導體區域之厚度薄。 20.如請求項19之磊晶晶圓，其中 上述基板含有GaN ; 上述基板之GaN之c軸與上述基板之上述主面之法線所 成的傾斜角為10度以上、80度以下。 141493.doc
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