[发明专利]氮化物半导体结构及半导体发光元件

说明书

相关分案申请

本申请为申请日为2013年1月25日，申请号为201310028759.6，发明名称为“氮化物半导体结构及半导体发光元件”的专利的分案申请。

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型半导体层间配置有一氮化铝铟镓Al_xIn_yGa_1-x-yN的四元载子活性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，由于磊晶与工艺技术的进步，使发光二极管成为极具潜力的固态照明光源之一；其中，以氮化镓(GaN)为主要制造材料的发光二极管现已成为固态照明(Solid-state lighting，SSL)建造中的重要元件之一；氮化镓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，已成为最新兴的光电半导体材料之一，且其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，氮化镓LED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量子井层(well)和量子阻障层(barrier)，因为量子井层具有相对量子阻障层较低的能隙，使得在上述多重量子井结构中的每一个量子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，并在量子井层中结合，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，光取出效率是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(total reflection)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井结构与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，其又可称为电子阻挡层(electron blocking layer，EBL)，进而使得更多的载子被局限在量子井层中，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。

现有的电子阻挡层由具有相当大能隙的P型AlGaN层形成，由此防止由N型半导体层注入的电子溢流至P型半导体层中，使得电子可有效地限制在量子井层内，以提升发光二极管的内部量子效率；然而，P-AlGaN的电子阻挡层虽具有相当大的能隙以阻挡电子溢流现象，但相对地亦导致电洞注入发光层的效果变差；再者，由于多重量子井结构一般是以InGaN的量子井层以及GaN的量子阻障层所形成，而本质上，P-AlGaN的电子阻挡层和GaN的量子阻障层具有非常高的晶格错配，使得InGaN量子井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井层的能带结构，从而使在量子井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量子井层之间的界面特性，从而在界面处损失载子，亦影响发光二极管的的发光效率。

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。