相關(guān)分案申請

本申請案是發(fā)明名稱為“氮化物半導體結(jié)構(gòu)及半導體發(fā)光元件”，申請?zhí)枮?01310029679.2的發(fā)明專利申請案的分案申請,原申請案的申請日是2013年01日25日。

本發(fā)明有關(guān)于一種氮化物半導體結(jié)構(gòu)及半導體發(fā)光元件，尤其是指一種有高摻雜濃度的第二型摻雜半導體層(大于5×10¹⁹cm^-3)，且其厚度小于30nm的氮化物半導體結(jié)構(gòu)及半導體發(fā)光元件，屬于半導體技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

一般而言，氮化物發(fā)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型氮化鎵(n-gan)層、發(fā)光層以及p型氮化鎵(p-gan)層；接著，利用微影與蝕刻工藝移除部分的p型氮化鎵層、部分的發(fā)光層，直至暴露出部分的n型氮化鎵層為止；然后，分別于n型氮化鎵層的暴露部分以及p型氮化鎵層上形成n型電極與p型電極，而制作出發(fā)光二極管；其中，發(fā)光層具有多重量子井結(jié)構(gòu)(mqw)，而多重量子井結(jié)構(gòu)包括以重復的方式交替設(shè)置的量子井層(well)和量子阻障層(barrier)，因為量子井層具有相對量子阻障層較低的能隙，使得在上述多重量子井結(jié)構(gòu)中的每一個量子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型氮化鎵層和p型氮化鎵層注入，并在量子井層中結(jié)合，而發(fā)射出光粒子。

眾所周知，發(fā)光二極管的亮度取決于內(nèi)部量子效率及光取出效率，其中內(nèi)部量子效率為電子與電洞結(jié)合的比例；然而，由于空氣與氮化鎵材料的折射率分別為1和2.4左右，根據(jù)全反射物理定律，氮化鎵的發(fā)光二極管能夠讓光射出表面進入空氣的臨界角大約只有24度左右，導致光取出效率大約為4.34％，使得發(fā)光二極管發(fā)光層所產(chǎn)生的光因被氮化鎵與空氣接口的全反射，而局限在發(fā)光二極管內(nèi)部，造成光取出效率明顯偏低；因此，許多研究提出增加光取出效率的方法：例如其一是于p型氮化鎵層作表面處理，以破壞全反射條件，進而提高光取出效率，而其中表面處理可例如是表面粗化、改變發(fā)光二極管的形貌等；其二為將n型氮化鎵層與基板分離，然后在n型氮化鎵層上形成粗糙結(jié)構(gòu)，最后再利用膠體將氮化鎵半導體層黏回基板上，由此提高光取出效率；然而，上述方法一只能對發(fā)光二極管芯片的頂部裸露的p型氮化鎵半導體層作處理，使得光取出效率仍是會受到一定程度的限制；而方法二過程相當繁雜，且亦須考慮到膠體散熱不佳的問題，導致以上述二方法制作的發(fā)光二極管其整體發(fā)光效率無法有效的提升。

此外，由于p型氮化鎵層的摻雜濃度無法有效地提高，導致其電阻值偏大，使得當電流由金屬電極傳導至gan半導體層時，電流無法于p型氮化鎵層內(nèi)達到良好的電流擴散，當電流無法均勻分散也就造成發(fā)光的區(qū)域會被局限在金屬電極(n型電極與p型電極)的下方，亦造成發(fā)光二極管發(fā)光效率大為降低。

鑒于上述現(xiàn)有的氮化物半導體發(fā)光元件在實際實施上仍具有多處的缺點，因此，研發(fā)出一種新型的氮化物半導體結(jié)構(gòu)及半導體發(fā)光元件仍是本領(lǐng)域亟待解決的問題之一。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決上述問題，本發(fā)明主要目的為提供一種氮化物半導體結(jié)構(gòu)，其于第二型摻雜半導體層具有高摻雜濃度的第二型摻質(zhì)(大于5×10¹⁹cm^-3)，且其厚度小于30nm，以提升光取出效率。

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

為達上述目的，本發(fā)明提供一種氮化物半導體結(jié)構(gòu)，其主要包含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(fā)光層，其中，所述第二型摻雜半導體層摻雜有濃度大于5×10¹⁹cm^-3的第二型摻質(zhì)(優(yōu)選地，該第二型摻質(zhì)為鎂)，且所述第二型摻雜半導體層的厚度小于30nm。其中，優(yōu)選地，所述第二型摻雜半導體層是于大于300torr的相對高壓下形成。

根據(jù)本發(fā)明的具體實施方式，優(yōu)選地，在上述氮化物半導體結(jié)構(gòu)中，可于所述發(fā)光層與所述第二型摻雜半導體層間配置有一電洞提供層，所述電洞提供層為氮化鋁銦鎵alxinyga1-x-yn，其中0<x<1，0<y<1，0<x+y<1，且所述電洞提供層摻雜有濃度大于10¹⁸cm^-3的第二型摻質(zhì)。

根據(jù)本發(fā)明的具體實施方式，優(yōu)選地，在上述氮化物半導體結(jié)構(gòu)中，所述電洞提供層可摻雜有濃度為10¹⁷-10²⁰cm^-3的第四主族元素，由此提供更多的電洞進入發(fā)光層，進而增加電子電洞結(jié)合機率。

根據(jù)本發(fā)明的具體實施方式，優(yōu)選地，在上述氮化物半導體結(jié)構(gòu)中，所述發(fā)光層具有多重量子井結(jié)構(gòu)，而所述電洞提供層的能隙大于所述多重量子井結(jié)構(gòu)的井層的能隙，使得所述電洞提供層的電洞可進入于所述多重量子井結(jié)構(gòu)的井層中，以增加電子與電洞結(jié)合機率，進一步提升發(fā)光效率。

根據(jù)本發(fā)明的具體實施方式，優(yōu)選地，在上述氮化物半導體結(jié)構(gòu)中，所述發(fā)光層具有多重量子井結(jié)構(gòu)，而所述多重量子井結(jié)構(gòu)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alxinyga1-x-yn，其中x及y滿足0<x<1，0<y<1，0<x+y<1的數(shù)值，而所述井層為inzga1-zn，其中0<z<1。更優(yōu)選地，其中，所述井層具有3.5nm-7nm的厚度。尤為優(yōu)選地，所述阻障層摻雜有濃度為10¹⁶-10¹⁸cm^-3的第一型摻質(zhì)。

根據(jù)本發(fā)明的具體實施方式，優(yōu)選地，在上述氮化物半導體結(jié)構(gòu)中，所述電洞提供層與所述第二型摻雜半導體層間配置有一第二型載子阻隔層，所述第二型載子阻隔層為alxga1-xn，其中0<x<1；優(yōu)選地，在上述氮化物半導體結(jié)構(gòu)中，所述發(fā)光層與所述第一型摻雜半導體層間配置有一第一型載子阻隔層，且所述第一型載子阻隔層為alxga1-xn，其中0<x<1；由此，利用含有鋁的algan的能帶隙較gan要高的特性，使得載子可局限于多重量子井結(jié)構(gòu)中，提高電子電洞覆合的機率，進而達到發(fā)光效率提升的功效。

本發(fā)明還提供一種半導體發(fā)光元件，其至少包含有：

一基板；

一第一型摻雜半導體層，其配置于所述基板上；

一發(fā)光層，其配置于所述第一型摻雜半導體層上；

一第二型摻雜半導體層，其配置于所述發(fā)光層上，所述第二型摻雜半導體層摻雜有濃度大于5×10¹⁹cm^-3的第二型摻質(zhì)，且其厚度小于30nm；

一第一型電極，其以歐姆接觸配置于所述第一型摻雜半導體層上；以及

一第二型電極，其以歐姆接觸配置于所述第二型摻雜半導體層上。

本發(fā)明的半導體發(fā)光元件于一基板上至少包含上述的氮化物半導體結(jié)構(gòu)，以及二相配合地提供電能的第一型電極與第二型電極；由此，由于第二型摻雜半導體層的厚度較薄，使得第二型電極與發(fā)光層表面間的距離較近，造成由發(fā)光層產(chǎn)生的光子與表面電漿因共振所產(chǎn)生的耦合能力就越強，故而可提升發(fā)光效率；再者，更由于第二型摻雜半導體層具有相對傳統(tǒng)p型氮化鎵層較高濃度的第二型摻質(zhì)，導致其電阻值相對較低，使得當電流由第二型電極傳導至第一型電極時，于第二型摻雜半導體層達到電流均勻擴散的功效，亦使得發(fā)光二極管可獲得更佳的發(fā)光效率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的一優(yōu)選實施例提供的氮化物半導體結(jié)構(gòu)的剖面示意圖。

圖2為根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例提供的氮化物半導體結(jié)構(gòu)所制作的半導體發(fā)光元件的剖面示意圖。

主要組件符號說明：

1基板2緩沖層

3第一型摻雜半導體層31第一型電極

4第一型載子阻隔層

5發(fā)光層

51井層52阻障層

6第二型載子阻隔層

7第二型摻雜半導體層71第二型電極

8電洞提供層

具體實施方式

本發(fā)明的目的及其結(jié)構(gòu)設(shè)計功能上的優(yōu)點，將依據(jù)以下附圖及優(yōu)選實施例予以說明，以對本發(fā)明有更深入且具體的了解。

首先，在以下實施例的描述中，應當理解，當指出一層(或膜)或一結(jié)構(gòu)配置在另一個基板、另一層(或膜)、或另一結(jié)構(gòu)“上”或“下”時，其可“直接”位于其它基板、層(或膜)、或另一結(jié)構(gòu)，亦或者兩者間具有一個以上的中間層以“間接”方式配置，可參照附圖說明每一層所在的位置。

請參閱圖1所示，其為本發(fā)明的一優(yōu)選實施例提供的氮化物半導體結(jié)構(gòu)的剖面示意圖，其包含有一第一型摻雜半導體層3與第二型摻雜半導體層7，于第一型摻雜半導體層3與第二型摻雜半導體層7間配置有一發(fā)光層5，其中第二型摻雜半導體層7摻雜有濃度大于5×10¹⁹cm^-3的第二型摻質(zhì)，且其厚度小于30nm，其中第二型摻質(zhì)可例如為鎂或鋅，優(yōu)選為鎂。

此外，上述第一型摻雜半導體層3的材料可例如為硅或鍺摻雜的氮化鎵系列材料(即為n型摻雜氮化鎵系半導體層)，而第二型摻雜半導體層7可摻雜有濃度大于5×10¹⁹cm^-3的鎂的氮化鎵系列材料(即為p型摻雜氮化鎵系半導體層)，在此并不限定；而第一型摻雜半導體層3、第二型摻雜半導體層7形成的方法可例如是進行有機金屬化學氣相沉積法(metalorganicchemicalvapordeposition；mocvd)，且第二型摻雜半導體層7必須于相對高壓(大于300torr)下形成。

再者，發(fā)光層5與第二型摻雜半導體層7間配置有一電洞提供層8，電洞提供層8為氮化鋁銦鎵alxinyga1-x-yn，其中0<x<1，0<y<1，0<x+y<1，且電洞提供層8摻雜有濃度大于10¹⁸cm^-3的第二型摻質(zhì)(例如為鎂或鋅)；此外，電洞提供層8摻雜有濃度為10¹⁷-10²⁰cm^-3的第四主族元素(優(yōu)選為碳)，利用碳(4a族)取代五價的氮原子，由此多一個帶正電電洞，使得電洞提供層8可具有高電洞濃度，由此提供更多的電洞進入發(fā)光層5，進而增加電子電洞結(jié)合的幾率；再者，發(fā)光層5為多重量子井結(jié)構(gòu)，而電洞提供層8的能隙(bandgapenergy)大于多重量子井結(jié)構(gòu)的井層51的能隙，使得電洞提供層8的電洞可進入于多重量子井結(jié)構(gòu)的井層51中，以增加電子與電洞結(jié)合機率，進一步提升發(fā)光效率。

此外，為了減少多重量子井結(jié)構(gòu)中井層和阻障層間晶格失配所產(chǎn)生的應力作用，上述多重量子井結(jié)構(gòu)的阻障層52可替換為四元材料的alxinyga1-x-yn，其中x及y系滿足0<x<1、0<y<1、0<x+y<1的數(shù)值，而井層51可替換為三元材料的inzga1-zn，其中0<z<1，利用四元材料的氮化鋁銦鎵的阻障層以及三元氮化銦鎵的井層具有相同銦元素的特性，可調(diào)整四元組成條件以提供晶格匹配的組成，使得阻障層與井層的晶格常數(shù)較為相近，因此井層51可具有3.5nm-7nm的厚度，且阻障層52可進一步摻雜有濃度為10¹⁶-10¹⁸cm^-3的第一型摻質(zhì)(例如為硅或鍺)，使得阻障層可以減少載子遮蔽效應，更增加載子局限效應。

另外，上述的氮化物半導體結(jié)構(gòu)于電洞提供層8與第二型摻雜半導體層7間配置有一第二型載子阻隔層6，第二型載子阻隔層6為alxga1-xn，其中0<x<1，且發(fā)光層5與第一型摻雜半導體層3間配置有一第一型載子阻隔層4，且第一型載子阻隔層4為alxga1-xn，其中0<x<1；由此，利用含有鋁的algan的能帶隙較gan要高的特性，使得載子可局限于多重量子井結(jié)構(gòu)中，提高電子電洞覆合的機率，進而達到增加發(fā)光效率的功效。

請再參閱圖2所示，上述的氮化物半導體結(jié)構(gòu)可應用于半導體發(fā)光元件中，圖2為根據(jù)本發(fā)明的上述優(yōu)選實施例提供的氮化物半導體結(jié)構(gòu)所制作的半導體發(fā)光元件的剖面示意圖，所述半導體發(fā)光元件至少包含有：

一基板1；其中基板1的材料可例如是藍寶石(sapphire)、硅、sic、zno或gan基板等；

一第一型摻雜半導體層3，其配置于基板1上；其中，第一型摻雜半導體層3的材料可例如為硅或鍺摻雜的氮化鎵系列材料；

一發(fā)光層5，其配置于第一型摻雜半導體層3上；

一第二型摻雜半導體層7，其配置于發(fā)光層5上，第二型摻雜半導體層7摻雜有濃度大于5×10¹⁹cm^-3的第二型摻質(zhì)，且其厚度小于30nm；

一第一型電極31，其以歐姆接觸配置于第一型摻雜半導體層3上；以及

一第二型電極71，其以歐姆接觸配置于第二型摻雜半導體層7上；其中，第一型電極31與第二型電極71相配合地提供電能，且可以下列材料、但不僅限于這些材料所制成：鈦、鋁、金、鉻、鎳、鉑及其合金等；其制作方法為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的，且并非本發(fā)明的重點，因此，不再本發(fā)明中加以贅述。

再者，基板1與第一型摻雜半導體層3間可配置一由alxga1-xn所構(gòu)成的緩沖層2，其中0<x<1，以作為改善第一型摻雜半導體層3成長于異質(zhì)基板1上所產(chǎn)生的晶格常數(shù)不匹配的問題，且緩沖層2的材料亦可例如是gan、ingan、sic、zno等。

上述實施例的半導體發(fā)光元件于實際實施使用時，由于第二型摻雜半導體層7摻雜有高濃度的鎂(大于5×10¹⁹cm^-3)，且其是于大于300torr的相對高壓下形成小于30nm的厚度，較傳統(tǒng)的p型氮化鎵層薄，光取出效率明顯提升，而具有較佳的發(fā)光效率，其合理的推論是因第二型電極71與發(fā)光層5表面間的距離越近，則由發(fā)光層5所產(chǎn)生的光子與表面電漿因共振所產(chǎn)生的耦合能力就越強，發(fā)光效率因而提升；其中，表面電漿共振現(xiàn)象即第二型電極71表面的自由電子集體運動的現(xiàn)象；再者，由于第二型摻雜半導體層7具有相對傳統(tǒng)p型氮化鎵層較高濃度的鎂摻雜，導致其電阻值相對較低，使得當電流由第二型電極71傳導至第二型摻雜半導體層7時，達到電流均勻擴散的功效，亦使得發(fā)光二極管可獲得更佳的發(fā)光效率。

綜上所述，本發(fā)明的氮化物半導體結(jié)構(gòu)及半導體發(fā)光元件，的確能通過上述所揭露的實施例，達到所預期的使用功效。

上述所揭露的附圖及說明，僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，并非為限定本發(fā)明的保護范圍；本領(lǐng)域一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的特征，所做的其它等效變化或修飾，皆應視為不脫離本發(fā)明的保護范圍。