技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本
發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體元件,尤其關(guān)于一種半導(dǎo)體發(fā)光元件。
背景技術(shù)
[0002] 半導(dǎo)體發(fā)光元件例如發(fā)光
二極管和
激光二極管廣泛應(yīng)用于例如顯示器、照明及通訊等不同領(lǐng)域。其發(fā)光原理是使半導(dǎo)體發(fā)光元件中產(chǎn)生如
電子和空穴的載流子于活性區(qū)結(jié)合后以產(chǎn)生
光子,其中部分光子逃離半導(dǎo)體發(fā)光元件而輸出光線。
亮度為發(fā)光元件的特性參數(shù)之一,與特定周期內(nèi)所發(fā)射的光子數(shù)目有關(guān)。利用不同的方法,如:于活性區(qū)內(nèi)增加電子空穴的結(jié)合,可以增加半導(dǎo)體發(fā)光元件的亮度。
[0003] 一些半導(dǎo)體發(fā)光元件的活性區(qū)為
量子阱結(jié)構(gòu),其中量子阱層的厚度為數(shù)納米至數(shù)十納米。利用已知
外延技術(shù),如:有機(jī)金屬
化學(xué)氣相沉積法(MOCVD)或分子束外延法(MBE)可達(dá)到控制厚度的目的。由于量子阱層厚度相當(dāng)小,電子和空穴會在量子阱層內(nèi)產(chǎn)生
量子局限效應(yīng),使元件具有優(yōu)選的性能表現(xiàn)。然而,當(dāng)大量載流子注入時,單一量子阱無法捕獲全部的注入載流子,造成半導(dǎo)體發(fā)光元件的亮度及輸出功率有極限值。當(dāng)多重量子阱活性區(qū)取代單一量子阱活性區(qū)時,可形成成為高功率、高亮度的半導(dǎo)體發(fā)光元件。
[0004] 在多重量子阱半導(dǎo)體發(fā)光元件中,其活性區(qū)包含多對量子阱層/障壁層交互疊層。n型局限層設(shè)置于活性區(qū)的一側(cè),p型局限層置于活性區(qū)的另一側(cè),分別來自n型局限層和p型局限層的電子和空穴被注入于活性區(qū)內(nèi)。在活性區(qū)中,電子和空穴以相反方向移動,當(dāng)它們到達(dá)同一個量子阱時可以彼此結(jié)合。因此,愈靠近n型局限層的電子
密度較高,且隨著遠(yuǎn)離n型局限層而逐漸降低;相同地,愈靠近p型局限層的空穴密度較高,且隨著遠(yuǎn)離p型局限層而逐漸降低。因?yàn)榭昭ǖ倪w移率及擴(kuò)散系數(shù)比電子小,所以空穴密度降低的速度比電子密度降低的速度快??拷黳型局限層的量子阱中電子空穴結(jié)合數(shù)目較多,靠近n型局限層的量子阱中電子空穴結(jié)合數(shù)目較少。當(dāng)量子阱數(shù)目越多時,例如:數(shù)十個量子阱,此偏向一側(cè)結(jié)合的情形更為明顯。因此,靠近n型局限層有許多被注入的電子沒有機(jī)會和空穴結(jié)合產(chǎn)生光線而被消耗于其他的結(jié)合方式。
[0005] 當(dāng)p型局限層為高濃度雜質(zhì)摻雜時,因?yàn)閜型雜質(zhì)有較高的擴(kuò)散性,所以可緩和上述問題。即使p型雜質(zhì)于成長p型局限層時與之結(jié)合,仍有機(jī)會擴(kuò)散進(jìn)活性區(qū)。p型雜質(zhì)擴(kuò)散進(jìn)活性區(qū)中可于元件操作時提供額外的空穴并提升元件亮度。然而,上述問題并無法徹底解決,因?yàn)樘嗔孔于鍟r,p型雜質(zhì)仍無法擴(kuò)散至整個活性區(qū),靠近n型局限層的量子阱層因此仍缺少可與電子結(jié)合的空穴,使半導(dǎo)體發(fā)光元件亮度無法提升。此外,p型雜質(zhì)擴(kuò)散進(jìn)活性區(qū)內(nèi),不僅存在于障壁層也存在于量子阱層,因此在量子阱層形成非
放射性結(jié)合中心,這些非放射性結(jié)合中心會損耗部分的注入載流子,不利于元件亮度提升。
發(fā)明內(nèi)容
[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種半導(dǎo)體元件,以解決上述問題。
[0007] 根據(jù)本發(fā)明提供半導(dǎo)體元件,包括提供
基板,第一局限層形成于基板之上,活性區(qū)形成于第一局限層之上,及第二局限層形成于活性區(qū)之上,其中活性區(qū)包括摻雜雜質(zhì)的第一型障壁層及未摻雜雜質(zhì)的第二型障壁層,且第一型障壁層較第二型障壁層更接近第一局限層。
[0008] 根據(jù)本發(fā)明提供半導(dǎo)體元件,包括提供永久基板,接合層形成于永久基板之上,第二局限層形成于接合層之上,活性區(qū)形成于第二局限層之上,及第一局限層形成于活性區(qū)之上,其中活性區(qū)包括摻雜雜質(zhì)的第一型障壁層及未摻雜雜質(zhì)的第二型障壁層,且第一型障壁層較第二型障壁層更接近第一局限層。
附圖說明
[0009] 圖1為依據(jù)本發(fā)明
實(shí)施例一的半導(dǎo)體發(fā)光元件100的結(jié)構(gòu)圖。
[0010] 圖2為依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例一的半導(dǎo)體發(fā)光元件100的活性區(qū)詳細(xì)結(jié)構(gòu)放大圖。
[0011] 圖3描述本發(fā)明半導(dǎo)體發(fā)光元件活性區(qū)摻雜及未摻雜時的亮度-
電流關(guān)系圖。
[0012] 圖4為依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例四的半導(dǎo)體發(fā)光元件400的結(jié)構(gòu)圖。
[0013] 附圖標(biāo)記說明
[0014] 100:半導(dǎo)體發(fā)光元件
[0015] 102:基板
[0017] 106:第一局限層
[0018] 108:多重量子阱(井)活性區(qū)
[0019] 108-2:障壁層
[0020] 108-2a:摻雜障壁層
[0021] 108-2b:未摻雜障壁層
[0022] 108-4:量子阱層
[0023] 110:第二局限層
[0024] 112:轉(zhuǎn)換層
[0025] 114:電流擴(kuò)散層
[0026] 400:半導(dǎo)體發(fā)光元件
[0027] 402:蝕刻停止層
[0028] 404:接合層
[0029] 406:永久基板
具體實(shí)施方式
[0030] 本發(fā)明實(shí)施例包括于活性區(qū)具有高放射性結(jié)合機(jī)率的載流子的半導(dǎo)體發(fā)光元件,因此可提高亮度。
[0031] 在下文中,本發(fā)明實(shí)施例將參考附圖描述說明,圖中相同或相似的部位將以相同的參考號碼表示。
[0032] 圖1,圖2所示為第一實(shí)施例的半導(dǎo)體發(fā)光元件100結(jié)構(gòu)。半導(dǎo)體發(fā)光元件100包括形成多層半導(dǎo)體疊層于基板102之上,此半導(dǎo)體疊層可以使用已知成長方法,如:有機(jī)
金屬化學(xué)氣相沉積法(MOCVD)成長半導(dǎo)體材料。此時,基板102為成長基板,其表面并于MOCVD系統(tǒng)中受到加熱。不同元素的前驅(qū)物流至基板之上彼此反應(yīng)以于加熱的基板表面形成外延層?;?02例如可為n型GaAs基板,并形成第一電性緩沖層104于基板102之上。緩沖層104用以補(bǔ)償基板102及其上成長結(jié)構(gòu)晶格常數(shù)的差異,并阻止
缺陷的延伸,例如從基板102延伸到其上成長的元件間的差排。緩沖層104可例如為n型GaAs緩沖層。半導(dǎo)體發(fā)光元件100亦包括第一電性的第一局限層106及第二電性的第二局限層110。第一局限層
106形成于緩沖層104之上,例如為n型的AlInP,AlGaInP或AlGaAs局限層。第二局限層
110可例如為p型的AlInP,AlGaInP或AlGaAs局限層。多重量子阱活性區(qū)108形成于第一局限層106和第二局限層110之間。形成活化區(qū)108的材料其
能隙須較第一局限層106和第二局限層110的能隙小。第二電性的多層結(jié)構(gòu)形成于第二局限層110之上。此多層結(jié)構(gòu)可包括例如轉(zhuǎn)換層112及電流擴(kuò)散層114形成于轉(zhuǎn)換層112之上。轉(zhuǎn)換層112可為例如p型InGaP層。電流擴(kuò)散層114可為例如p型GaP層。轉(zhuǎn)換層112用以補(bǔ)償電流擴(kuò)散層114和第二局限層110晶格常數(shù)的差異。
[0033] 圖2為圖1所示半導(dǎo)體發(fā)光元件100部分放大圖,顯示多重量子阱活性區(qū)108詳細(xì)結(jié)構(gòu)。多重量子阱活性區(qū)108包括多個量子阱層108-4和多個障壁層108-2以形成的多對量子阱層/障壁層,其中障壁層108-2由包括障壁層108-2a及障壁層108-2b交互堆疊而成。在多重量子阱活性區(qū)108內(nèi)有數(shù)對至數(shù)十對或甚至超過一百對的量子阱層/障壁層,多重量子阱活性區(qū)108可包括半導(dǎo)體材料例如:(AlxGa1-x)yIn1-yP(0≤x≤1,0≤y≤1)或AlGaAs,InGaP等其他類似材料。在多重量子阱活性區(qū)108中,組成量子阱層的材料能隙小于組成障壁層的材料能隙,如此載流子才能被捕獲并局限于量子阱層。其中量子阱層和障壁層可由例如(AlxGa1-x)yIn1-yP(0≤x≤1,0≤y≤1)材料所組成,選擇不同x或y值可達(dá)到符合需求的能隙。
[0034] 第一實(shí)施例中,障壁層108-2中部分標(biāo)示為108-2a的障壁層摻雜有例如為p型的第二電性雜質(zhì)。其他標(biāo)示為108-2b的障壁層則未摻雜雜質(zhì)。摻雜雜質(zhì)的障壁層108-2a比未摻雜雜質(zhì)的障壁層108-2b更接近第一局限層106。摻雜雜質(zhì)的障壁層108-2a數(shù)目可等于或小于障壁層108-2總數(shù)目的一半。與摻雜雜質(zhì)的障壁層108-2a結(jié)合的p型雜質(zhì)可為一種或多種選自可提供空穴的元素所組成的族群,包括但不限于鎂,鋅,鈹或
碳。所摻雜的16 -3 20 -3
雜質(zhì)濃度為1×10 cm 至1×10 cm 。摻雜雜質(zhì)的障壁層108-2a的雜質(zhì)濃度須提供鄰近量子阱層足夠的空穴。然而,假如雜質(zhì)濃度太高,結(jié)晶完整性及半導(dǎo)體發(fā)光元件的特性將被破壞,導(dǎo)致元件亮度無法提高。因此,雜質(zhì)濃度的選擇可依達(dá)到元件所須的特性來決定。若欲于制作元件100時調(diào)整雜質(zhì)濃度,可于成長摻雜障壁層108-2a時改變摻雜雜質(zhì)的前驅(qū)物的流量。根據(jù)第一實(shí)施例的半導(dǎo)體發(fā)光元件100被摻雜雜質(zhì)的障壁層108-2a其適合的雜
16 -3 20 -3
質(zhì)濃度為1×10 cm 至1×10 cm 。摻雜p型雜質(zhì)例如為鎂,鋅,鈹,或碳。
[0035] 再者,根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例,雖然被摻雜雜質(zhì)的障壁層108-2a和第二局限層110具有相同的電性,例如二者為p型電性,但結(jié)合于摻雜障壁層108-2a的雜質(zhì)和結(jié)合于第二局限層的雜質(zhì)可為不同種類的元素。例如摻雜障壁層108-2a的雜質(zhì)為鋅,摻雜于第二局限層的雜質(zhì)為鎂。
[0036] 當(dāng)半導(dǎo)體發(fā)光元件100操作時,來自第一局限層106及第二局限層110具不同電性的載流子分別注入多重量子阱活性區(qū)108。例如電子來自n型局限層106,空穴來自p型局限層110。載流子被注入多重量子阱活性區(qū)108時會被局限在量子阱層108-4并且在此結(jié)合產(chǎn)生光子,因此發(fā)出光線??拷黳型局限層110的量子阱層可以接收來自p型局限層110足夠的空穴,因此電子和空穴間可達(dá)到高結(jié)合率。靠近n型局限層106的量子阱層雖然無法自p型局限層110接收足夠的空穴,但其鄰近的障壁層108-2a中所摻雜的p型雜質(zhì)可以提供額外空穴與電子在這些量子阱層結(jié)合。因此,根據(jù)第一實(shí)施例的半導(dǎo)體發(fā)光元件
100在多重量子阱活性區(qū)108的全部量子阱層均可達(dá)到高結(jié)合率,元件亮度因而提高。
[0037] 圖3為三個各具有多重量子阱活性區(qū)的半導(dǎo)體發(fā)光元件的亮度與電流測試結(jié)果圖。
水平軸為順向電流(If),量測單位為mA;垂直軸為發(fā)光強(qiáng)度值(Iv),量測單位為mcd。正方形標(biāo)號和鉆石形標(biāo)號兩條曲線分別代表在活性區(qū)中部分障壁層摻雜有p型雜質(zhì)的兩個元件測試結(jié)果:正方形標(biāo)號曲線代表于活性區(qū)障壁層摻雜第一雜質(zhì)濃度元件的量測結(jié)果,鉆石形標(biāo)號曲線代表于活性區(qū)障壁層摻雜第二雜質(zhì)濃度元件的量測結(jié)果,其中第一雜質(zhì)濃度高于第二雜質(zhì)濃度。圓形標(biāo)號曲線代表于活性區(qū)障壁層未摻雜雜質(zhì)的元件的量測結(jié)果。從圖中可以看出:活性區(qū)中部分障壁層摻雜有雜質(zhì)的半導(dǎo)體發(fā)光元件其輸出光線增加,因此亮度也增加。
[0038] 根據(jù)第二實(shí)施例,提供有亮度增加的半導(dǎo)體發(fā)光元件。第二實(shí)施例與第一實(shí)施例差異在半導(dǎo)體發(fā)光元件具有厚度大于1μm的第一局限層106能夠提供足夠的第一電性的載流子至活性區(qū)。此外,第二實(shí)施例的半導(dǎo)體發(fā)光元件與第一實(shí)施例的半導(dǎo)體發(fā)光元件各層材料及其它方面都相同。
[0039] 根據(jù)第三實(shí)施例,提供有亮度增加的半導(dǎo)體發(fā)光元件。第三實(shí)施例與第一實(shí)施例差異在半導(dǎo)體發(fā)光元件多重量子阱活性區(qū)所有障壁層都摻雜p型雜質(zhì)。此外,第三實(shí)施例的半導(dǎo)體發(fā)光元件與第一實(shí)施例的半導(dǎo)體發(fā)光元件各層材料及其它方面都相同。
[0040] 圖4為根據(jù)第四實(shí)施例的增加亮度半導(dǎo)體發(fā)光元件400的結(jié)構(gòu)圖。半導(dǎo)體發(fā)光元件400結(jié)構(gòu)與第一實(shí)施例元件100差異在于利用接合層404將元件與永久基板406接合后,移除基板102和緩沖層104。接合層404位于電流擴(kuò)散層114和永久基板406之間。發(fā)光元件400還包括蝕刻停止層402位于緩沖層104和第一局限層106之間。接合后,基板102及緩沖層104被移除,而蝕刻停止層402可保護(hù)第一局限層106在以已知技術(shù)如蝕刻或
研磨方法移除基板102及緩沖層104時免于傷害。蝕刻停止層402的材料可例如為n型InGaP層。接合層404主要接合永久基板406和電流擴(kuò)散層114,其材料可例如為透明導(dǎo)電
氧化物,半導(dǎo)體,有機(jī)材料或金屬。永久基板406可以為透明,導(dǎo)熱或?qū)щ姡曉枨蠖?。第四?shí)施例的半導(dǎo)體元件其它方面皆和第一實(shí)施例的半導(dǎo)體元件相同。
[0041] 雖然本發(fā)明已以優(yōu)選實(shí)施例披露如上,然其并非用以限定本發(fā)明,任何本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域中普通技術(shù)人員,在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi),當(dāng)可作各種的更動與潤飾,因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視所附的
權(quán)利要求所界定為準(zhǔn)。