[發明專利]氮化物半導體結構及半導體發光元件

在審

• 申請號: 201710702885.3
• 申請日: 2013-01-25
• 公開（公告）號: CN107482097A
• 公開（公告）日: 2017-12-15
• 發明（設計）人: 賴彥霖;王信介
• 申請（專利權）人: 新世紀光電股份有限公司
• 主分類號: H01L33/32
• 分類號: H01L33/32;H01L33/06;H01L33/12
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司31100
• 代理人: 徐偉

本發明專利申請是申請日為2013年1月25日，申請號為201310030319.4的名為“氮化物半導體結構及半導體發光元件”的發明專利申請的分案申請。

技術領域

本發明有關于一種氮化物半導體結構及半導體發光元件，尤其是指一種于多重量子井結構中使用四元氮化鋁銦鎵的阻障層與三元氮化銦鎵的井層的氮化物半導體結構及半導體發光元件，屬于半導體技術領域。

背景技術

一般而言，氮化物發光二極管是將一緩沖層先形成于基板上，再于緩沖層上依序磊晶成長n型半導體層、發光層以及p型半導體層；接著，利用微影與蝕刻工藝移除部分的p型半導體層、部分的發光層，直至暴露出部分的n型半導體層為止；然后，分別于n型半導體層的暴露部分以及p型半導體層上形成n型電極與p型電極，而制作出發光二極管；其中，發光層具有氮化物半導體多重量子井結構(MQW)，而多重量子井結構包括以重復的方式交替設置的井層(well)和阻障層(barrier)，因為井層具有相對阻障層較低之能隙，使得在上述多重量子井結構中的每一個井層可以在量子力學上限制電子和電洞，造成電子和電洞分別從n型半導體層和p型半導體層注入，并在井層中結合，而發射出光粒子。

目前，在多重量子井結構中約有1至30層的井層或阻障層，阻障層通常系以氮化鎵GaN的材料所形成，而井層是以氮化銦鎵InGaN所組成；然而，上述的多重量子井結構由于氮化銦鎵與氮化鎵晶格間存在有約10-15％的晶格不匹配度，導致晶格間產生強大的應力作用，使得在多重量子井結構中有壓電場(piezoelectric field)的產生，且于成長氮化銦鎵的過程中，當銦含量愈高時，所產生的壓電場也就愈大，對晶體結構的影響也就愈大，而隨著成長的厚度愈厚時，所累積的應力也就愈大，當晶體結構成長至超過某一個臨界厚度(critical thickness)，導致晶體結構無法再承受此應力作用時，則會產生較大的缺陷結構(例如V-形缺陷)，使得一般井層具有一定的厚度限制，一般約為3nm左右。

此外，上述的多重量子井結構也會因強大的極化電場作用的存在，而造成能帶嚴重傾斜或彎曲，導致電子與電洞分開局限在井層的兩側，使得電子與電洞波函數(wave function)在空間上的重疊率降低，而降低電子與電洞的輻射再結合速率(radiative recombination rate)及內部量子效率(IQE)。

鑒于上述現有的氮化物半導體發光元件在實際實施上仍具有多處的缺失，因此，研發出一種新型的氮化物半導體結構及半導體發光元件仍是本領域亟待解決的問題之一。

發明內容

為解決上述技術問題，本發明主要目的為提供一種氮化物半導體結構，其于發光層中使用四元氮化鋁銦鎵的阻障層與三元氮化銦鎵的井層以改善因晶格失配所產生的應力作用，使得井層具有3.5nm-7nm的厚度，同時可提供較佳的載子局限，以提升內部量子效率。

本發明的另一目的為提供一種半導體發光元件，其至少包含有上述的氮化物半導體結構，使得半導體發光元件獲得良好的發光效率。

為達上述目的，本發明提供一種氮化物半導體結構，其主要于基板上配置有一第一型摻雜半導體層與一第二型摻雜半導體層，于所述第一型摻雜半導體層與所述第二型摻雜半導體層間配置有一發光層，所述發光層具有多重量子井結構，且所述多重量子井結構包含多個彼此交替堆棧的井層及阻障層，且每兩層所述阻障層間具有一所述井層，所述阻障層為Al_xIn_yGa_1-x-yN，其中x及y滿足0<x<1，0<y<1，0<x+y<1的數值，而所述井層為In_zGa_1-zN，其中0<z<1。

根據本發明的具體實施方式，優選地，在上述氮化物半導體結構中，所述井層具有3.5nm-7nm的厚度。

根據本發明的具體實施方式，優選地，在上述氮化物半導體結構中，所述阻障層具有5nm-12nm的厚度；且優選地，在上述氮化物半導體結構中，所述阻障層可摻雜有濃度為10¹⁶-10¹⁸cm^-3的第一型摻質；使得阻障層可以減少載子遮蔽效應，以增加載子局限效應。