[发明专利]氮化物半导体结构及半导体发光元件

说明书

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，尤其是指一种有高掺杂浓度的第二型掺杂半导体层(大于5×10¹⁹cm^-3)，且其厚度小于30nm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

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型氮化镓(n-GaN)层、发光层以及p型氮化镓(p-GaN)层；接着，利用微影与蚀刻工艺移除部分的p型氮化镓层、部分的发光层，直至暴露出部分的n型氮化镓层为止；然后，分别于n型氮化镓层的暴露部分以及p型氮化镓层上形成n型电极与p型电极，而制作出发光二极管；其中，发光层具有多重量子井结构(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)，囚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型氮化镓层和p型氮化镓层注入，并在量子井层中结合，而发射出光粒子。

众所周知，发光二极管的亮度取决于内部量子效率及光取出效率，其中内部量子效率为电子与电洞结合的比例；然而，由于空气与氮化镓材料的折射率分别为1和2.4左右，根据全反射物理定律，氮化镓的发光二极管能够让光射出表面进入空气的临界角大约只有24度左右，导致光取出效率大约为4.34％，使得发光二极管发光层所产生的光囚被氮化镓与空气接口的全反射，而局限在发光二极管内部，造成光取出效率明显偏低；因此，许多研究提出增加光取出效率的方法：例如其一是于p型氮化镓层作表面处理，以破坏全反射条件，进而提高光取出效率，而其中表面处理可例如是表面粗化、改变发光二极管的形貌等；其二为将n型氮化镓层与基板分离，然后在n型氮化镓层上形成粗糙结构，最后再利用胶体将氮化镓半导体层黏回基板上，由此提高光取出效率；然而，上述方法一只能对发光二极管芯片的顶部裸露的p型氮化镓半导体层作处理，使得光取出效率仍是会受到一定程度的限制；而方法二过程相当繁杂，且亦须考虑到胶体散热不佳的问题，导致以上述二方法制作的发光二极管其整体发光效率无法有效的提升。

此外，由于p型氮化镓层的掺杂浓度无法有效地提高，导致其电阻值偏大，使得当电流由金属电极传导至GaN半导体层时，电流无法于p型氮化镓层内达到良好的电流扩散，当电流无法均匀分散也就造成发光的区域会被局限在金属电极(n型电极与p型电极)的下方，亦造成发光二极管发光效率大为降低。

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点，囚此，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。

发明内容

为解决上述问题，本发明主要目的为提供一种氮化物半导体结构，其于第二型掺杂半导体层具有高掺杂浓度的第二型掺质(大于5×10¹⁹cm^-3)，且其厚度小于30nm，以提升光取出效率。

本发明的另一目的为提供一种半导体发光元件，其至少包含有上述的氮化物半导体结构，使得半导体发光元件获得良好的发光效率。

为达上述目的，本发明提供一种氮化物半导体结构，其主要包含有一第一型掺杂半导体层与一第二型掺杂半导体层，于所述第一型掺杂半导体层与所述第二型掺杂半导体层间配置有一发光层，其中，所述第二型掺杂半导体层掺杂有浓度大于5×10¹⁹cm^-3的第二型掺质(优选地，该第二型掺质为镁)，且所述第二型掺杂半导体层的厚度小于30nm。其中，优选地，所述第二型掺杂半导体层是于大于300torr的相对高压下形成。

根据本发明的具体实施方式，优选地，在上述氮化物半导体结构中，可于所述发光层与所述第二型掺杂半导体层间配置有一电洞提供层，所述电洞提供层为氮化铝钢镓Al_xIn_yGa_1-x-yN，其中0＜x＜1，0＜y＜1，0＜x+y＜1，且所述电洞提供层掺杂有浓度大于10¹⁸cm^-3的第二型掺质。

根据本发明的具体实施方式，优选地，在上述氮化物半导体结构中，所述电洞提供层可掺杂有浓度为10¹⁷-10²⁰cm^-3的第四主族元素，由此提供更多的电洞进入发光层，进而增加电子电洞结合机率。