[发明专利]氮化物半导体结构及半导体发光元件

说明书

本发明有关于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发光层与p型载子阻隔层间配置有一应力控制层，p型载子阻隔层由Al_xGa_1‑xN表示的材料所构成(0x1)，而应力控制层由Al_xIn_yGa_1‑x‑yN表示的材料所构成(0x1、0y1、0x+y1)，且发光层具有多个彼此交替堆叠的阱层及阻障层的多重量子阱结构，且每两层阻障层间具有一阱层。该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n型电极与p型电极。由此，应力控制层不仅可改善p型载子阻隔层与发光层因晶格失配所造成晶体质量劣化的问题；同时，更可减低阱层因材料差异所受的压缩应力。

本发明是2013年01月25日所提出的申请号为201310029711.7、发明名称为《氮化物半导体结构及半导体发光元件》的发明专利申请的分案申请。

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型载子阻隔层间配置有Al_xIn_yGa_1-x-yN材料所构成的一应力控制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，发光二极管的应用面日趋广泛，已成为日常生活中不可或缺的重要元件；且发光二极管可望取代现今的照明设备，成为未来新世代的固态照明元件，因此发展高节能、高效率及更高功率的发光二极管将会是未来趋势；氮化物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，已成为最新兴光电半导体材料之一，而第三主族氮化物的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，发光层为多重量子阱结构(MQW)，而多重量子阱结构包括以重复的方式交替设置的量子阱层(well)和量子阻障层(barrier)，因为量子阱层具有相对量子阻障层较低的能隙，使得在上述多重量子阱结构中的每一个量子阱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，并在量子阱层中结合，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(totalreflection)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阱结构与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(p-AlGaN)，使得更多的载子被局限在量子阱层中，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。