氮化物半导体结构及半导体发光元件制造技术

本发明专利技术有关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基板上配置有第一型掺杂半导体层与第二型掺杂半导体层，于第一型掺杂半导体层与第二型掺杂半导体层间配置有发光层，发光层具有多重量子井结构，多重量子井结构包含多个彼此交替堆栈的井层及阻障层，且每两阻障层间具有一井层，阻障层为AlxInyGa1‑x‑yN，x及y满足0＜x＜1，0＜y＜1，0＜x+y＜1，井层为InzGa1‑zN，0＜z＜1。该半导体发光元件至少包含上述氮化物半导体结构，及二相配合地提供电能的第一型电极与第二型电极。由此，可调整四元组成条件以提供晶格匹配的阻障层与井层，改善因晶格不匹配所产生的晶体缺陷现象。

Nitride semiconductor structure and semiconductor light emitting element

The present invention relates to a nitride semiconductor structure and a semiconductor light emitting element. The nitride semiconductor structure mainly on the substrate is provided with a first type doped semiconductor layer and the second type doped semiconductor layer on the first type doped semiconductor layer and the second type doped semiconductor layer is arranged between the light emitting layer, a light-emitting layer having a multiple quantum well structure, multiple quantum well structure includes a plurality of alternating with each other well and layer stack the barrier layer, and each of the two barrier between a well layer, the barrier layer is AlxInyGa1 x yN, X and Y meet 0 < x < 1 0 < y < 1 0 < x+y < 1, wells InzGa1 zN, 0 < Z < 1. The semiconductor light emitting element contains at least the above nitride semiconductor structure, and a first electrode and a second type electrode for providing electrical energy together with the two-phase phase. Thus, four element composition conditions can be adjusted to provide a lattice matching barrier layer and a well layer to improve the crystal defect caused by lattice mismatch.

【技术实现步骤摘要】
氮化物半导体结构及半导体发光元件
本专利技术有关于一种氮化物半导体结构及半导体发光元件，尤其是指一种于多重量子井结构中使用四元氮化铝铟镓的阻障层与三元氮化铟镓的井层的氮化物半导体结构及半导体发光元件，属于半导体

技术介绍
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，发光层具有氮化物半导体多重量子井结构(MQW)，而多重量子井结构包括以重复的方式交替设置的井层(well)和阻障层(barrier)，因为井层具有相对阻障层较低之能隙，使得在上述多重量子井结构中的每一个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n型半导体层和p型半导体层注入，并在井层中结合，而发射出光粒子。目前，在多重量子井结构中约有1至30层的井层或阻障层，阻障层通常系以氮化镓GaN的材料所形成，而井层是以氮化铟镓InGaN所组成；然而，上述的多重量子井结构由于氮化铟镓与氮化镓晶格间存在有约10-15％的晶格不匹配度，导致晶格间产生强大的应力作用，使得在多重量子井结构中有压电场(piezoelectricfield)的产生，且于成长氮化铟镓的过程中，当铟含量愈高时，所产生的压电场也就愈大，对晶体结构的影响也就愈大，而随着成长的厚度愈厚时，所累积的应力也就愈大，当晶体结构成长至超过某一个临界厚度(criticalthickness)，导致晶体结构无法再承受此应力作用时，则会产生较大的缺陷结构(例如V-形缺陷)，使得一般井层具有一定的厚度限制，一般约为3nm左右。此外，上述的多重量子井结构也会因强大的极化电场作用的存在，而造成能带严重倾斜或弯曲，导致电子与电洞分开局限在井层的两侧，使得电子与电洞波函数(wavefunction)在空间上的重叠率降低，而降低电子与电洞的辐射再结合速率(radiativerecombinationrate)及内部量子效率(IQE)。鉴于上述现有的氮化物半导体发光元件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。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术主要目的为提供一种氮化物半导体结构，其于发光层中使用四元氮化铝铟镓的阻障层与三元氮化铟镓的井层以改善因晶格失配所产生的应力作用，使得井层具有3.5nm-7nm的厚度，同时可提供较佳的载子局限，以提升内部量子效率。本专利技术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，使得半导体发光元件获得良好的发光效率。为达上述目的，本专利技术提供一种氮化物半导体结构，其主要于基板上配置有一第一型掺杂半导体层与一第二型掺杂半导体层，于所述第一型掺杂半导体层与所述第二型掺杂半导体层间配置有一发光层，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，所述阻障层为AlxInyGa1-x-yN，其中x及y满足0＜x＜1，0＜y＜1，0＜x+y＜1的数值，而所述井层为InzGa1-zN，其中0＜z＜1。根据本专利技术的具体实施方式，优选地，在上述氮化物半导体结构中，所述井层具有3.5nm-7nm的厚度。根据本专利技术的具体实施方式，优选地，在上述氮化物半导体结构中，所述阻障层具有5nm-12nm的厚度；且优选地，在上述氮化物半导体结构中，所述阻障层可掺杂有浓度为1016-1018cm-3的第一型掺质；使得阻障层可以减少载子遮蔽效应，以增加载子局限效应。根据本专利技术的具体实施方式，优选地，在上述氮化物半导体结构中，可于所述发光层与所述第二型掺杂半导体层间可配置有一电洞提供层；更优选地，所述电洞提供层为氮化铟镓InxGa1-xN，其中0＜x＜1，且所述电洞提供层可掺杂有浓度大于1018cm-3的第二型掺质，例如为镁或锌，优选为镁，以增加电洞的浓度。根据本专利技术的具体实施方式，优选地，在上述氮化物半导体结构中，所述电洞提供层可掺杂有浓度为1017-1020cm-3的第四主族元素，由此提供更多的电洞进入发光层，进而增加电子电洞的结合。根据本专利技术的具体实施方式，优选地，在上述氮化物半导体结构中，所述电洞提供层的能隙大于多重量子井结构的井层的能隙，通过让电洞容易进入井层又防止电子逃脱，使得电子及电洞更容易局限在井层中，以增加电子电洞对覆合的机率。根据本专利技术的具体实施方式，优选地，在上述氮化物半导体结构中，可于所述发光层与所述第一型掺杂半导体层间配置有一第一型载子阻隔层，且所述第一型载子阻隔层优选为AlxGa1-xN，其中0＜x＜1。根据本专利技术的具体实施方式，优选地，在上述氮化物半导体结构中，所述电洞提供层与所述第二型掺杂半导体层间配置有一第二型载子阻隔层，且所述第二型载子阻隔层优选为AlxGa1-xN，其中0＜x＜1。由此，利用含有铝的AlGaN的能带隙较GaN要高的特性，不仅可增加氮化物半导体的能带范围，亦使得载子可局限于多重量子井结构中，提高电子电洞覆合的机率，进而达到发光效率提升的功效。本专利技术还提供一种半导体发光元件，其至少包含有：一基板；一第一型掺杂半导体层，其配置于所述基板上；一发光层，其配置于所述第一型掺杂半导体层上，所述发光层具有多重量子井结构，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，所述阻障层为AlxInyGa1-x-yN，其中x及y满足0＜x＜1，0＜y＜1，0＜x+y＜1的数值，所述井层为InzGa1-zN，其中0＜z＜1；一第二型掺杂半导体层，其配置于所述发光层上；一第一型电极，其以欧姆接触配置于所述第一型掺杂半导体层上；以及一第二型电极，其以欧姆接触配置于所述第二型掺杂半导体层上。本专利技术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第一型电极与第二型电极；由此，利用四元氮化铝铟镓的阻障层以及三元氮化铟镓的井层具有相同铟元素的特性，可调整四元组成条件以提供晶格匹配的组成，使得阻障层与井层的晶格常数较为相近，不仅可改善传统氮化铟镓的井层以及氮化镓的阻障层因晶格不匹配而产生的晶体缺陷现象，亦可改善因晶格失配所产生的应力作用，使得本专利技术的氮化物半导体结构的井层具有3.5nm-7nm的厚度，优选为4nm-5nm；同时，通过提高添加Al元素可提供阻障层较佳的载子局限，有效地将电子电洞局限于井层内，由此提升内部量子效率，使得半导体发光元件获得良好的发光效率。再者，因四元氮化铝铟镓的阻障层以及三元氮化铟镓的井层可改善因晶格失配所产生的应力作用，进而有效降低多重量子井结构中压电场的产生，达到有效抑制压电效应及提升内部量子效率的功效，使得半导体发光元件可获得更佳的发光效率。附图说明图1为本专利技术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为根据本专利技术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3第一型掺杂半导体层31第一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氮化物半导体结构，其主要于基板上配置有一第一型掺杂半导体层与一第二型掺杂半导体层，于所述第一型掺杂半导体层与所述第二型掺杂半导体层间配置有一发光层，所述发光层具有多重量子井结构，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，所述阻障层为AlxInyGa1‑x‑yN，其中x及y满足0<x<1，0<y<1，0<x+y<1的数值，所述井层为InzGa1‑zN，其中0<z<1；所述发光层与所述第二型掺杂半导体层间配置有一电洞提供层；所述电洞提供层为氮化铟镓InxGa1‑xN，其中0<x<1，且所述电洞提供层掺杂有浓度大于10

【技术特征摘要】
1.一种氮化物半导体结构，其主要于基板上配置有一第一型掺杂半导体层与一第二型掺杂半导体层，于所述第一型掺杂半导体层与所述第二型掺杂半导体层间配置有一发光层，所述发光层具有多重量子井结构，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，所述阻障层为AlxInyGa1-x-yN，其中x及y满足0<x<1，0<y<1，0<x+y<1的数值，所述井层为InzGa1-zN，其中0<z<1；所述发光层与所述第二型掺杂半导体层间配置有一电洞提供层；所述电洞提供层为氮化铟镓InxGa1-xN，其中0<x<1，且所述电洞提供层掺杂有浓度大于1018cm-3的第二型掺质；所述电洞提供层与所述第二型掺杂半导体层间配置有一第二型载子阻隔层，且所述第二型载子阻隔层为AlxGa1-xN，其中0<x<1；所述电洞提供层掺杂有浓度为1017-1020cm-3的第四主族元素。2.如权利要求1所述的氮化物半导体结构，其中，所述井层具有3.5nm-7nm的厚度。3.如权利要求1所述的氮化物半导体结构，其中，所述阻障层具有5nm-12nm的厚度。4.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...

【专利技术属性】
技术研发人员：赖彦霖，王信介，
申请(专利权)人：新世纪光电股份有限公司，
类型：发明
国别省市：中国台湾,71