具阻障層的光電半導體元件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種光電半導體元件，包含：一阻障層；一第一半導體層位于阻障層之上，第一半導體層包含一第一摻雜物質(zhì)及一第二摻雜物質(zhì)；以及一第二半導體層位于阻障層之下包含第二摻雜物質(zhì)，其中在第一半導體層中，第一摻雜物質(zhì)的濃度大于第二摻雜物的濃度，且第二摻雜物在第二半導體層中的濃度大于在第一半導體層的濃度。
【專利說明】具阻障層的光電半導體元件

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光電半導體元件的結構。

【背景技術】
[0002]光電半導體元件，例如發(fā)光二極管(LED)，在近年來亮度不斷的提升下，應用領域已從傳統(tǒng)的指示燈或裝飾用途拓展至各類裝置的光源，甚至在不久的將來，極有可能取代傳統(tǒng)的日光燈，成為新一代照明領域的光源。
[0003]現(xiàn)有的發(fā)光二極管(LED)結構為單一 p-n接面結構，如圖1所示，其基本結構包含一基板13、一 η型半導體層11在基板13上,一 P型半導體層12在η型半導體層11上，以及一發(fā)光層10在P型半導體層12和η型半導體層11之間。
[0004]為了提高發(fā)光二極管(LED)每單位面積內(nèi)的發(fā)光量，如圖2所示，一具有多層發(fā)光疊層的發(fā)光二極管(LED)結構將第一 p-n接面結構I與第二 p-n接面結構II通過一穿隧層17串聯(lián)起來，如此一來相同的單位面積內(nèi)，每單位面積的發(fā)光量將會提升，同時驅(qū)動電壓會變?yōu)閮杀叮球?qū)動電流并不會增加。此高電壓、低電流的特性有助于應用于照明產(chǎn)品?，F(xiàn)有的穿隧層17為高濃度摻雜的η+半導體層及ρ+半導體層構成，由于高濃度摻雜的η+半導體層及P+半導體層對于光的穿透率較差，所以通常穿隧層17必須很薄以提高光的穿透率，但是穿隧層17太薄，容易在制作工藝中摻入自其他半導體層擴散的摻雜物而影響了穿隧層17的功能。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為解決上述問題，本發(fā)明提供一種光電半導體元件，包含:一阻障層；一第一半導體層位于阻障層之上，第一半導體層包含一第一摻雜物質(zhì)及一第二摻雜物質(zhì)；以及一第二半導體層位于阻障層之下包含第二摻雜物質(zhì)，其中在第一半導體層中，第一摻雜物質(zhì)的濃度大于第二摻雜物的濃度，且第二摻雜物在第二半導體層中的濃度大于在第一半導體層的濃度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0006]圖1為現(xiàn)有的發(fā)光二極管(LED)結構示意圖；
[0007]圖2為現(xiàn)有的具有多層發(fā)光疊層的發(fā)光二極管(LED)結構示意圖；
[0008]圖3為依本發(fā)明第一實施例的結構示意圖；
[0009]圖4A?圖4B為依本發(fā)明第一實施例的鋁(Al)含量比例圖；
[0010]圖5A?圖5B為依本發(fā)明第一實施例的能帶間隙(Ec-Ev)示意圖；
[0011]圖6為依本發(fā)明另一實施例的結構示意圖。
[0012]符號說明
[0013]I 第一半導體疊層
[0014]10 第一發(fā)光層
[0015]11第一 η型半導體層
[0016]12第一 P型半導體層
[0017]13基板
[0018]2第二半導體疊層
[0019]21第二 P型半導體層
[0020]22第二 η型半導體層
[0021]23第二發(fā)光層
[0022]3穿隧疊層
[0023]31第一電性穿隧層
[0024]32第二電性穿隧層
[0025]4阻障層
[0026]51第一電極
[0027]52第二電極
[0028]53表面
[0029]54表面

【具體實施方式】
[0030]第一實施例
[0031]圖3為依本發(fā)明第一實施例的結構示意圖。根據(jù)本發(fā)明所公開的光電半導體元件為一雙P-n接面結構，包含一第一半導體疊層I及一第二半導體疊層2位于一基板13上，其中第一半導體疊層I位于第二半導體疊層2上，一穿隧疊層3位于第一半導體疊層I及第二半導體疊層2之間，一阻障層4位于穿隧疊層3及第二半導體疊層2之間，一第一電極51設置在第一半導體疊層I的表面53，以及一第二電極52設置在基板13的表面54上，第一電極51與第二電極52用于導引電流通過第一半導體疊層I及第二半導體疊層2。
[0032]基板13為導電基板，材料包含硅(Si)、砷化鎵(GaAs)、碳化硅(SiC)、氧化鋅(ZnO)、氮化鎵(GaN)、氮化鋁(AlN)或金屬材料的一種或其組合。
[0033]第一半導體疊層1、第二半導體疊層2、穿隧疊層3及阻障層4可通過外延方式成長在基板13上，或者通過對位粘著方法，以加熱、加壓的方式與基板13粘結。
[0034]第一半導體疊層I包括至少一第一 η型半導體層11具有第一導電型態(tài)，一第一發(fā)光層10以及一第一 P型半導體層12具有第二導電型態(tài)；第二半導體疊層2包括至少一第二 η型半導體層22具有第一導電型態(tài)，一第二發(fā)光層23以及一第二 ρ型半導體層21具有第二導電型態(tài)；第一半導體疊層I及第二半導體疊層2依序外延成長于基板13之上。第一 η型半導體層11、第一 ρ型半導體層12、第二 η型半導體層22和第二 ρ型半導體層21可為兩個單層結構或兩個多層結構(多層結構指兩層或兩層以上)。第一 η型半導體層11和第一 P型半導體層12具有不同的導電型態(tài)、電性、極性或依摻雜的元素以提供電子或空穴；第二 η型半導體層22和第二 ρ型半導體層21也具有不同的導電型態(tài)、電性、極性或依摻雜的元素以提供電子或空穴。第一發(fā)光層10形成在第一 η型半導體層11和第一 ρ型半導體層12之間，第二發(fā)光層23形成在第二 η型半導體層22和第二 ρ型半導體層21之間，第一發(fā)光層10及第二發(fā)光層23是將電能轉(zhuǎn)換成光能。通過改變第一半導體疊層I以及第二半導體疊層2其中一層或多層的物理及化學組成，調(diào)整發(fā)出的光波長。常用的材料為磷化招嫁銦(aluminum gallium indium phosphide, AlGaInP)系列、氮化招嫁銦(aluminumgallium indium nitride, AlGaInN)系列、氧化鋒系列(zinc oxide, ZnO)。第一發(fā)光層 10及第二發(fā)光層23可為單異質(zhì)結構(single heterostructure, SH),雙異質(zhì)結構(doubleheterostructure, DH),雙側雙異質(zhì)結(double-side double heterostructure, DDH),多層量子講(mult1-quantum well, MWQ)。具體來說,第一發(fā)光層10及第二發(fā)光層23可為中性、ρ型或η型電性的半導體。施以電流通過第一半導體疊層I及第二半導體疊層2時，第一發(fā)光層10及第二發(fā)光層23會發(fā)光。當?shù)谝话l(fā)光層10及第二發(fā)光層23以磷化鋁銦鎵(AlGaInP)為基礎的材料時，會發(fā)出紅、橙、黃光的琥珀色系的光；當以氮化鋁鎵銦(AlGaInN)為基礎的材料時，會發(fā)出藍或綠光。本實施例中，第一半導體疊層I及第二半導體疊層2的材料為憐化招嫁銦(aluminum gallium indium phosphide, AlGaInP)系列，第一 P 型半導體層 12及第二 P型半導體層21摻雜鎂(Mg)或鋅(Zn)元素,其中鎂(Mg)或鋅(Zn)元素在第一 ρ型半導體層12及第二 ρ型半導體層21的濃度大于1017cm_3(/cm3)，較佳的是介于3*1017?5*1017cm_3之間；第一 n型半導體層11及第二 η型半導體層22摻雜硅(Si)元素，其中硅(Si)元素在第一 η型半導體層11及第二 η型半導體層22的濃度介于117?118CnT3之間，較佳的是介于4*1017?6*1017cnT3之間。
[0035]第一半導體疊層I及第二半導體疊層2之間具有一穿隧疊層3。穿隧疊層3可使電流通過穿隧效應(tunneling effect)穿過,使電流同時流過第一半導體疊層I及第二半導體疊層2，其材料包含一種以上的元素選自鎵(Ga)、鋁(Al)、銦(In)、磷(P)、砷(As)、氮(N)、鋅(Zn)、鎘(Cd)與硒(Se)所構成的群組。穿隧疊層3包含一第一電性穿隧層31及一第二電性穿隧層32，其中，第一電性穿隧層31靠近第二半導體疊層2，第一電性穿隧層31的極性與第二 P型半導體層21相同，本實施例中，第一電性穿隧層31與第二 ρ型半導體層21皆為ρ型半導體，第一電性穿隧層31為包含鋁(Al)、鎵(Ga)、砷(As)的化合物，并具有第一摻雜物及第二摻雜物，其中第一摻雜物為碳(C),第一摻雜物的濃度介于119?1021cm_3,較佳的是介于119?5*102°cm_3，第二摻雜物為鎂(Mg)或鋅(Zn)，第二摻雜物的濃度小于1018cm_3，較佳的是小于1017cm_3，第一摻雜物的濃度是第二摻雜物濃度的10倍，較佳的是大于100倍以上。第一電性穿隧層31中的第一摻雜物，例如碳(C)，是一刻意摻雜物質(zhì)，使第一電性穿隧層31形成一具有高濃度摻雜的ρ型半導體；第一電性穿隧層31中的第二摻雜物，例如鎂(Mg)或鋅(Zn)，是一非刻意摻雜物質(zhì)，在外延過程中從第二 ρ型半導體層21擴散而來。第二電性穿隧層32靠近第一半導體疊層1，第二電性穿隧層32的極性與第一 η型半導體層11相同，本實施例中，第二電性穿隧層32與第一 η型半導體層11皆為η型半導體，第二電性穿隧層32為包含銦(In)、鎵(Ga)、磷⑵的化合物，并摻雜碲(Te)，其中碲(Te)的濃度介于119?121Cm 3，較佳的是介于119?2*1020cm 3。
[0036]位于第二 ρ型半導體層21與第一電性穿隧層31之間的阻障層4為包含鋁(Al)、鎵(Ga)、銦(In)及磷⑵的化合物AlxGa1-JnP,其中X的范圍可介于0.05?0.95，較佳的是介于0.2?0.7，X從阻障層4靠近第二 ρ型半導體層21的部分向靠近第一電性穿隧層31的部分遞減，遞減的方式包含線性遞減，或階梯狀遞減。因此，如圖4A及圖4B所示鋁(Al)濃度分布圖，在阻障層4中，鋁(Al)在靠近第二 ρ型半導體層21的部分含量比例約為35%，以線性遞減(圖4A)或階梯狀遞減(圖4B)的方式，直到靠近第一電性穿隧層31的部分其含量比例約為10%。由于阻障層4先外延成長在第二半導體疊層2上后，穿隧疊層3接續(xù)外延成長在阻障層4上，在外延成長過程中，阻障層4可減少第二半導體疊層2中摻雜的元素，例如鎂(Mg)或鋅(Zn)，擴散至第一電性穿隧層31中。若無阻障層4形成在第二 ρ型半導體層21與第一電性穿隧層31之間，在第一電性穿隧層31的外延過程中，第二 ρ型半導體層21的第二摻雜物，例如鎂(Mg)或鋅(Zn)，將會大量地擴散至第一電性穿隧層31中，使第一電性穿隧層31的第二摻雜物的濃度提高，當?shù)诙诫s物的濃度超過118CnT3以上，將導致第一電性穿隧層31的電阻提升，使得光電半導體元件的工作電壓(Vf)提高，導致效率下降。
[0037]由于在阻障層4中，鋁(Al)的濃度在靠近第二P型半導體層21的部分含量比例約為35%，線性遞減或階梯狀遞減直到靠近第一電性穿隧層31的部分時，含量比例約為10%，如圖5A與圖5B所示，使得能帶間隙(Ec-Ev)從第二 ρ型半導體層21的部分線性下降(圖5Α)或階梯狀遞減(圖5Β)至第一電性穿隧層31，此能帶間隙(Ec-Ev)的線性或階梯狀逐漸變化，可避免電子在傳輸過程中被阻擋，以降低工作電壓(Vf)。
[0038]第二實施例
[0039]第二實施例與第一實施例差異在于阻障層4為包含鋁(Al)、鎵(Ga)、銦(In)或磷(P)的化合物，例如AlxGa1-JnP,其中χ的范圍可介于0.05?0.95，較佳的是介于0.2?0.7，并摻雜銻(Sb)，其中銻(Sb)的濃度介于117?118CnT3之間。在外延過程中，由于阻障層4摻雜了銻(Sb)，可以抑制第二半導體疊層2中摻雜的元素，例如鎂(Mg)或鋅(Zn)，擴散至第一電性穿隧層31中，避免在第一電性穿隧層31中，第二摻雜物的濃度超過1018cm_3，較佳的是避免超過1017cm_3。
[0040]圖6為依本發(fā)明另一實施例的結構示意圖。一球泡燈600包括一燈罩602、一透鏡604、一發(fā)光模塊610、一燈座612、一散熱片614、一連接部616以及一電連接兀件。發(fā)光模塊610包含一承載部606，以及多個前述實施例中所述的光電半導體元件608在承載部606上。
[0041]本發(fā)明所列舉的各實施例僅用以說明本發(fā)明，并非用以限制本發(fā)明的范圍。任何人對本發(fā)明所作的任何顯而易知的修飾或變更皆不脫離本發(fā)明的精神與范圍。
【權利要求】
1.一種光電半導體元件，包含: 阻障層； 第一半導體層，位于該阻障層之上，該第一半導體層包含第一摻雜物質(zhì)及第二摻雜物質(zhì)；以及 第二半導體層，位于該阻障層之下包含該第二摻雜物質(zhì)， 其中在該第一半導體層中，該第一摻雜物質(zhì)的濃度大于該第二摻雜物的濃度，且該第二摻雜物在該第二半導體層中的濃度大于在該第一半導體層的濃度。
2.如權利要求1所述的光電半導體元件,還包含 第一發(fā)光疊層，包含第一發(fā)光層，位于該第一半導體層上； 第二發(fā)光疊層，包含第二發(fā)光層，位于該阻障層之下，且該第二發(fā)光疊層包含該第二半導體層，該第二半導體層位于該第二發(fā)光層及該阻障層之間；以及 穿隧疊層，位于該第一發(fā)光疊層及該阻障層之間，且該穿隧疊層包含該第一半導體層。
3.如權利要求1所述的光電半導體元件，其中該第一摻雜物質(zhì)的濃度大于1019cnT3。
4.如權利要求3所述的光電半導體兀件,其中該第一摻雜物質(zhì)包含碳(C)。
5.如權利要求1所述的光電半導體元件，其中該第二摻雜物質(zhì)的濃度小于1018cnT3。
6.如權利要求5所述的光電半導體元件，其中該第二摻雜物質(zhì)包含鎂(Mg)或鋅(Zn)。
7.如權利要求1所述的光電半導體元件，其中該阻障層包含磷化鋁鎵銦(AlxGahInP),且X范圍為0.2彡X彡0.7。
8.如權利要求7所述的光電半導體元件，其中X從該阻障層靠近該第二半導體層的部分向靠近該第一半導體層的部分遞減。
9.如權利要求8所述的光電半導體元件，其中X的遞減方式為線性遞減。
10.如權利要求8所述的光電半導體元件，其中X的遞減方式為階梯狀遞減。
11.如權利要求1所述的光電半導體元件，其中該阻障層包含銻(Sb)，且銻(Sb)的濃度介于117?118cnT3之間。
12.如權利要求2所述的光電半導體元件，其中該第一發(fā)光疊層還包含第一P型半導體層，位于該第一發(fā)光層之上，及第一 η型半導體層，位于該第一發(fā)光層之下；該第二發(fā)光疊層還包含第二 η型半導體，位于該第二發(fā)光層之下，其中該第二半導體層為一 P型半導體；該穿隧疊層還包含第三半導體層，位于該第一半導體層與該第一發(fā)光疊層之間。
13.如權利要求12所述的光電半導體元件，其中該第三半導體層包含第三摻雜物，與該第二摻雜物相異。
14.如權利要求13所述的光電半導體元件，其中該第三摻雜物質(zhì)包含碲(Te)，且該第三摻雜物質(zhì)的濃度大于119CnT3。
15.如權利要求2所述的光電半導體元件，還包含基板，位于第一半導體層或第二半導體層側。
16.如權利要求2所述的光電半導體元件，其中該第一發(fā)光層所發(fā)出的光具有第一波長，該第二發(fā)光層所發(fā)出的光具有第二波長，該第一波長與該第二波長差異小于20nm。
17.如權利要求16所述的光電半導體兀件，其中該第一波長與該第二波長介于600nm ?620nm 之間。
18.如權利要求1所述的光電半導體元件，其中該第一摻雜物質(zhì)的濃度為該第二摻雜物的10倍以上。
19.如權利要求1所述的光電半導體元件，其中該阻障層包含三族元素，該三族元素的組成比從該阻障層靠近該第二半導體層的部分遞減至靠近該第一半導體層的部分。
20.如權利要求1所述的光電半導體兀件，其中該第一摻雜物質(zhì)與該第二摻雜物為同導電性的摻雜物。
21.如權利要求1所述的光電半導體元件，其中該阻障層的能階從靠近該第二半導體層的部分向靠近該第一半導體層的部分遞減。
22.如權利要求21所述的光電半導體元件，其中該阻障層的能階靠近該第二半導體層的部分介于2.3eV?2.5eV之間，靠近該第一半導體層的部分介于1.9eV?2.1eV之間。
23.如權利要求1所述的光電半導體元件，其中該第一半導體層中的該第一摻雜物質(zhì)為一刻意摻雜物質(zhì)，該第二摻雜物質(zhì)為一非刻意摻雜物質(zhì)。
24.如權利要求23所述的光電半導體元件，其中該第二半導體層中的該第二摻雜物質(zhì)為一刻意摻雜物質(zhì)。
【文檔編號】H01L33/14GK104425664SQ201310404407
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年9月6日 優(yōu)先權日:2013年9月6日
【發(fā)明者】劉宗憲, 李榮仁, 李世昌 申請人:晶元光電股份有限公司