[发明专利]氮化物半导体发光二极管元件

说明书

【技术领域】

本发明涉及一种半导体元件及其制造方法，且特别是涉及一种氮化物半导体发光二极管(light emitting diode；LED)元件及其制造方法。

【背景技术】

近年来，由于光电科技研究及相关产业蓬勃发展，高效率光电材料的需求也随之倍增。半导体化合物材料因同时具有高发光效能、寿命周期长、能隙调变范围大、价格低廉等优点，已逐渐成为光电材料的主流。其中，氮化物半导体材料适合作为蓝光至紫外光的发光波段的材料，可以应用于全彩显示器、发光二极管、高频电子元件、半导体激光等方面，特别是最近相当热门的蓝光发光二极管元件，因此受到广泛注意。

现有的发光二极管元件包括依序形成在基板上的N型掺杂氮化物半导体层、有源层、P型掺杂氮化物半导体层以及两个金属电极，且此两个金属电极分别与N型掺杂氮化物半导体层及P型掺杂氮化物半导体层电性连接。有源层包括例如至少两个量子阻障层以及位于量子阻障层中的量子井。量子阻障层的能隙(band gap)需大于量子井的能隙以防止载流子掉入量子井后逃逸，以增加对载流子的限制(confinement)。一般而言，量子井的材料为In_xGa_1-xN，其中x介于0与1之间。量子阻障层的材料会选择与量子井的晶格常数相近的材料(以减少压电场对发光效率的影响)，并添加适量的铝(Al)以使量子阻障层的能隙大于量子井的能隙，举例而言，量子阻障层的材料为Al_xGa_yIn_1-x-yN，其中x、y介于0与1之间。然而，量子阻障层中大量添加的铝会导致后续生长的量子井的结晶品质下降，因此容易造成凹洞(pits)。此外，量子阻障层中大量添加的铝会增加漏电流，且无法有效抑制压电效应(piezoelectric effect)及提升内部量子效率(internal quantum efficiency；IQE)。

美国专利公开US 2008/0093610中公开了一种氮化物半导体发光元件，其有源区的量子阻障层为多层(multilayer)结构。此专利的量子阻障层包括InGaN层、AlInN层及InGaN/GaN超晶格结构，可以与P型掺杂氮化物半导体层形成良好介面，并且避免P型掺杂氮化物半导体层的镁(Mg)扩散到有源层中。然而，包含AlInN的量子阻障层若要与量子井有足够大的能隙差，铝含量需到15％以上，且是否能达到所需的量子阻障仍然令人质疑。另外，大量提高铝的含量无法有效降低量子井与量子阻障层之间的压电效应。

【发明内容】

本申请提供一种氮化物半导体发光二极管元件，其量子阻障层包括四元氮化物半导体的超晶格结构，能够帮助释放有源层的应力，因此能有效抑制压电效应。

本申请提出一种氮化物半导体发光二极管元件，其包括N型掺杂氮化物半导体层、有源层以及P型掺杂氮化物半导体层。有源层位于N型掺杂氮化物半导体层上，其包括至少一量子井结构。量子井结构包括两个量子阻障层以及夹于量子阻障层之间的量子井。至少一个量子阻障层包括四元氮化物半导体的超晶格结构，该超晶格结构由周期层迭的Al_aIn_bGa_1-a-bN层与In_eGa_1-eN层所组成，而0.01≤a≤0.5，且a+b＜1。P型掺杂氮化物半导体层位于有源层上。

本申请另提出一种氮化物半导体发光二极管元件，其包括N型掺杂氮化物半导体层、有源层以及P型掺杂氮化物半导体层。有源层位于N型掺杂氮化物半导体层上，其包括至少一量子井结构。量子井结构包括两个量子阻障层以及夹于量子阻障层之间的量子井。至少一个量子阻障层包括四元氮化物半导体的超晶格结构，超晶格结构由周期层迭的Al_aIn_bGa_1-a-bN层与In_eGa_1-eN层所组成，而0.03≤a≤0.15，且a+b＜1。P型掺杂氮化物半导体层位于有源层上。