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TW201832294A - 半導體元件 - Google Patents

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TW201832294A
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蔡長祐
胡慶忠
陳明寶
沈圻
連偉傑
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晶元光電股份有限公司
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Abstract

本公開內容提供一種半導體元件，其包含︰一第一半導體結構；一第二半導體結構；一活性區域，活性區域包含交替的井層以及阻障層，活性區域更包含一面對第二半導體結構的上表面以及一相反於上表面的底表面；一包含一第一電子阻擋層的電子阻擋區域，第一電子阻擋層的能階大於其中阻障層的能階；一第一含鋁層，第一含鋁層的能階大於第一電子阻擋層的能階，一位於活性區域之底表面以上的p型摻雜物，其包含一濃度輪廓，濃度輪廓包含一峰形，峰形具有一峰值濃度，峰值濃度位於活性區域的上表面起15 nm至 60 nm的一距離內。

Description

半導體元件
本公開內容有關於一種半導體元件，尤其關於一種包含含鋁層的半導體元件。
發光二極體被廣泛 地用於固態照明光源。相較於傳統的白熾燈泡和螢光燈，發光二極體具有耗電量低以及壽命長等優點，因此發光二極體已逐漸取代傳統光源，並且應用於各種領域，如交通號誌、背光模組、路燈照明、醫療設備等。
本公開內容提供一種半導體元件，其包含︰一第一半導體結構；一第二半導體結構位於第一半導體結構上；一位於第一半導體結構以及第二半導體結構之間的活性區域，活性區域包含交替的井層以及阻障層，且各阻障層具有一能階，活性區域更包含一面對第二半導體結構的上表面以及一相反於上表面的底表面；一位於第二半導體結構以及活性區域之間的電子阻擋區域，電子阻擋區域包含一第一電子阻擋層，第一電子阻擋層的能階大於其中一阻障層的能階；一位於電子阻擋區域以及活性區域之間的第一含鋁層，第一含鋁層的能階大於第一電子阻擋層的能階，一位於活性區域之底表面以上的p型摻雜物，其包含一濃度輪廓，濃度輪廓包含一峰形，峰形具有一峰值濃度，峰值濃度位於活性區域的上表面起15 nm至 60 nm的一距離內。
本公開內容提供一種半導體元件，其包含︰一第一半導體結構；一第二半導體結構位於第一半導體結構上；一位於第一半導體結構以及第二半導體結構之間的活性區域，活性區域包含交替的井層以及阻障層，且各阻障層具有一能階，活性區域更包含一面對第二半導體結構的上表面以及一相反於上表面的底表面；一位於第二半導體結構以及活性區域之間的電子阻擋區域，電子阻擋區域包含一第一電子阻擋層，第一電子阻擋層的能階大於其中一阻障層的能階；一位於電子阻擋區域以及活性區域之間的第一含鋁層，第一含鋁層的能階大於第一電子阻擋層的能階，一位於活性區域之底表面以上的p型摻雜物，其包含一濃度輪廓，濃度輪廓包含一峰形，峰形具有一峰值濃度，半導體元件中最上層的半導體表面與峰值濃度之間的距離小於160 nm。
本公開內容提供一種半導體元件，其包含︰一第一半導體結構；一第二半導體結構位於第一半導體結構上；一位於第一半導體結構以及第二半導體結構之間的活性區域，活性區域包含交替的井層以及阻障層，且各阻障層具有一能階；一位於第二半導體結構以及活性區域之間的電子阻擋區域，電子阻擋區域包含一第一電子阻擋層，第一電子阻擋層的能階大於其中一阻障層的能階；一位於電子阻擋區域以及活性區域之間的第一含鋁層，第一含鋁層的能階大於第一電子阻擋層的能階， 第一含鋁層與活性區域之間的距離是介於3 nm至 20 nm之間。
以下實施例將伴隨著圖式說明本發明之概念，在圖式或說明中，相似或相同之部分係使用相同之標號，並且在圖式中，元件之形狀或厚度可擴大或縮小。需特別注意的是，圖中未繪示或說明書未描述之元件，可以是熟習此技藝之人士所知之形式。
在本公開內容中，如果沒有特別的說明，通式AlGaAs代表Alx Ga(1-x) As，其中0≦x≦1；通式AlInP代表Alx In(1-x) P，其中0≦x≦1；通式AlGaInP代表(Aly Ga(1-y) )1-x Inx P，其中0≦x≦1，0≦y≦1；通式AlGaN代表Alx Ga(1-x) N，其中0≦x≦1；通式AlAsSb代表AlAs(1-x) Sbx ，其中0≦x≦1；通式InGaP代表Inx Ga1-x P，其中0≦x≦1；通式InGaAsP代表Inx Ga1-x As1-y Py ，其中0≦x≦1，0≦y≦1；通式InGaAsN代表Inx Ga1-x As1-y Ny, ，其中0≦x≦1，0≦y≦1；通式AlGaAsP代表Alx Ga1-x As1-y Py ，其中0≦x≦1，0≦y≦1；通式InGaAs代表Inx Ga1-x As，其中0≦x≦1；通式InGaN代表Inx Ga1–x N，其中0≦x≦1；通式InAlGaN代表Inx Aly Ga1−x−y N，其中0≦x≦1， 0≦y≦1。調整元素的含量可以達到不同的目的，例如但不限於，調整能階或是調整一發光元件的主發光波長。
本公開內容的半導體元件包含的每一層之組成以及摻雜物可用任何適合的方式分析，例如二次離子質譜儀(secondary ion mass spectrometer，SIMS) 。
本公開內容的半導體元件包含的每一層之厚度可用任何適合的方式分析，例如穿透式電子顯微鏡(transmission electron microscopy，TEM)或是穿透式電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)，藉以配合例如於SIMS圖譜上的各層深度位置。
於本公開內容中，如果沒有特別的說明，用語「峰形」是指包含兩段具有彼此相反符號之斜率的線段的線輪廓，更具體而言，是指包含兩段相鄰且具有彼此相反符號之斜率的線段的線輪廓。亦即，其中一線段之斜率為正值，另一線段之斜率為負值。
於本公開內容中，如果沒有特別的說明，用語「峰值濃度」是指峰形之兩段相反符號之斜率的線段之間的最高濃度值。
第1圖為本公開內容之第一實施例之半導體元件的剖面圖。第2圖為本公開內容之第一實施例之半導體元件的部分範圍之元素的濃度或離子強度與深度之關係圖，此關係圖是使用二次離子質譜儀獲得。
半導體元件包含一基板10、一位於基板10上的緩衝層20、一位於緩衝層2上的活性區域30、一位於活性區域30以及緩衝層20之間的第一半導體結構40、一位於活性區域30上的電子阻擋區域50、一位於電子阻擋區域50上的第二半導體結構60以及一位於活性區域30以及電子阻擋區域50之間的第一含鋁層70。半導體元件更包含一第一電極80以及一第二電極90。第一電極80和第一半導體結構40電性連接。第二電極90和第二半導體結構60電性連接。活性區域30包含一面對第一含鋁層70的上表面33以及一和上表面33相對的底表面34。半導體元件更包含一位於活性區域30之底表面34上的p型摻雜物。具體而言，位於活性區域30上的其中一層或多層包含p型摻雜物100。於本實施例中，p型摻雜物100在第二半導體結構60以及電子阻擋區域50內。於本實施例中，第二半導體結構60包含一位於電子阻擋區域50上的第二半導體層61以及一位於第二半導體層61上的接觸層62。於另一實施例中，第二半導體結構60包含一單一的第二半導體層61或單一的接觸層62。
活性區域30包含複數交替的井層31和阻障層32。每一個阻障層32具有一第一能階。每一個井層31具有一第二能階。於一實施例中，其中一阻障層32的第一能階不小於其中一井層31的第二能階，且較佳的，其中一阻障層32的第一能階大於其中一井層31的第二能階。於一實施例中，每一個阻障層32的第一能階不小於每一個井層31的第二能階，且較佳的，每一個阻障層32的第一能階大於每一個井層31的第二能階。井層31包含三五族半導體材料包含一三族元素X。於一實施例中，X為銦。於本實施例中，井層31包含Ina Ga1–a N，其中 0＜a≦1。阻障層32包含Alb Ga1–b N，其中0≦b≦1。於一實施例中，阻障層32包含GaN。於另一實施例中，0＜b≦0.2。每一個阻障層32具有一厚度。每一個井層31具有一厚度。其中一阻障層32的厚度大於其中一井層31的厚度。較佳的，每一個阻障層32的厚度大於每一個井層31的厚度。較佳的，每一個阻障層32的厚度不大於20奈米(nm)，且更佳的，不小於3 nm。於本實施例中，所有阻障層32的厚度大致相同。每一個井層31的厚度不大於10 nm，且更佳的，不小於1 nm。於本實施例中，所有井層31的厚度大致相同。於一實施例中，最接近第一半導體結構40的井層31包含底表面34。於另一實施例中，最接近第一半導體結構40的阻障層32包含底表面34。於本實施例中，最接近電子阻擋區域50的井層31包含上表面33。
第3圖為第2圖之部分範圍的放大圖。p型摻雜物100的濃度以及三族元素X的相對離子強度可被得知。於本實施例中，p型摻雜物100為鎂(Magnesium，Mg)，三族元素X為銦。除了三族元素X，半導體元件內的一些元素並未顯示於第2圖以及第3圖，例如氮(nitrogen，N)、鎵(gallium，Ga)、鋁(aluminum，Al)以及矽(silicon，Si)。請參閱第3圖，於本實施例中，活性區域30的上表面33位在大約185 nm的深度位置。於本實施例中，活性區域30的上表面33與半導體元件最上層的半導體表面之間的距離小於200 nm。於本公開內容中，最上層的半導體表面是指半導體元件中最上層的半導體層的上表面。於本實施例中，最上層的半導體表面是接觸層62的上表面。
於本實施例中，電子阻擋區域50包含一第一電子阻擋層(圖未示)。第一電子阻擋層具有一第三能階，第三能階大於其中一阻障層32的第一能階。較佳的，第三能階大於每一個阻障層32的第一能階。於本實施例中，電子阻擋區域50包含一單一層的第一電子阻擋層，其包含 Inc Ald Ga1−c−d N，其中0≦c≦1， 0≦d≦1, 較佳的，0≦c≦0.005，0＜d≦0.5。於另一實施例中(圖未示)，電子阻擋區域50包含複數交替的第一電子阻擋層以及第二阻障層，其中每一個第一電子阻擋層的第三能階大於其中第二阻障層的能階，較佳的，每一個第一電子阻擋層的第三能階大於每一個第二阻障層的能階。第二阻障層包含Ine Alf Ga1−e−f N，其中0≦e≦1，0≦f≦1。較佳的， f ＜ d。一個單一第一電子阻擋層以及一鄰近的單一第二阻障層視為一對。於一實施例中，第一電子阻擋層以及第二阻障層的對數介於5至10之間(兩者皆含)。於本實施例中，複數第一電子阻擋層的材料相同。複數第二阻障層的材料相同。複數交替的第一電子阻擋層以及第二阻障層可增進半導體元件的發光效率。於另一實施例中，複數第一電子阻擋層可包含不同的材料。於另一實施例中，複數連續的第一電子阻擋層中，其中一三族元素的含量是以活性區域30朝向電子阻擋區域50的方向漸變。於另一實施例中，複數連續的第一電子阻擋層中，鋁含量是以活性區域30朝向電子阻擋區域50的方向漸變。
第一含鋁層70具有一第四能階，其大於第一電子阻擋層的第三能階。第一含鋁層70 包含Alg Ga(1-g) N，其中 0.5＜ g ≦1，且較佳的， 0.7＜ g ≦1。於一實施例中，第一含鋁層70 包含AlN。於一實施例中，若元素鎵顯示於SIMS圖譜上，於第一含鋁層70的深度位置，鎵的強度會低於活性區域30之深度位置的鎵的強度。於本實施例中，第一含鋁層70具有一厚度，其不小於0.5 nm，且不大於15 nm，更加的，不大於10 nm。第一含鋁層70之介於0.5 nm至15 nm之間的厚度(兩者皆含)可以減少p型摻雜物100擴散至活性區域30內。如果第一含鋁層70的厚度小於0.5 nm，其阻擋p型摻雜物100擴散至活性區域30內的能力會劣化且半導體元件的靜電放電防護能力會變差。如果第一含鋁層70的厚度大於15 nm，半導體元件的電性例如起始電壓或是漏電流等會變差。
請參閱第3圖，p型摻雜物100包含一濃度輪廓，濃度輪廓包含一峰形P，峰形P具有一峰值濃度V，峰值濃度V位於自活性區域30上表面33起15 nm至 60 nm的一距離D內，較佳的，峰值濃度V位於自活性區域30上表面33起15 nm至 40 nm的一距離D內。於本實施例中，峰值濃度V位於自活性區域30上表面33起大約36 nm的距離D。峰值濃度V大於1´1018 /cm3 ，且較佳的，大於1´1019 /cm3 ，且更佳的，不超過1´1021 /cm3 。於本實施例中，峰值濃度V位於第二半導體結構60內。如第三圖所示，最鄰近電子阻擋區域50的井層31隔壁的井層31，即，由電子阻擋區域50之方向數來的第二個井層31，其位在大約199 nm至205 nm的深度位置。p型摻雜物100位於由電子阻擋區域50之方向數來的第二個井層31內的濃度不大於1´1018 /cm3 ，且較佳的，不大於6´1017 /cm3 。於本實施例中，半導體元件中最上層的半導體表面與峰值濃度V之間的距離D1 小於160 nm，且較佳的，介於100 nm至160 nm 之間(兩者皆含)。
第4圖為本公開內容之比較實施例之半導體元件的部分範圍之元素的濃度或相對離子強度與深度之關係圖。本公開內容之比較實施例之半導體元件包含與第一實施例之半導體元件實質上相同的結構，主要不同的地方在於比較實施例之半導體元件並未含有第一實施例中的第一含鋁層70且電子阻擋區域50包含單一層第一電子阻擋層。如第4圖所示，活性區域30的上表面33位在大約102 nm的深度位置。峰值濃度V位於自活性區域30上表面33起小於15 nm的一距離D。故，比較實施例之半導體元件中，p型摻雜物100擴散進入活性區域30的量比第一實施例之半導體元件中p型摻雜物100擴散進入活性區域30的量還多，因此，比較實施例之半導體元件的發光效率低於本公開內容之第一實施例之半導體元件的發光效率。此外，比較實施例之半導體元件的靜電放電防護能力較第一實施例之半導體元件之靜電放電防護能力差。若比較實施例之半導體元件的靜電放電防護能力要調整成與本公開內容之第一實施例之半導體元件相同的靜電放電防護能力，其活性區域30的上表面33至最上層的半導體表面之間的總厚度要調整成大於200 nm。
於本公開內容中，因為半導體元件包含第一含鋁層70以及包含p型摻雜物100，其峰值濃度V位於自活性區域30上表面33起15 nm至 60 nm的一距離D內，本公開內容之半導體元件同時具有電洞注入效率提升以及緩和p型摻雜物100擴散進入活性區域300的功效。此外，本公開內容之半導體元件亦具有提升的靜電放電防護能力。如前所述，為了要解決靜電放電防護能力的問題，既有之半導體元件通常在P側具有較厚的總厚度。然而，因為本公開內容之半導體元件中包含第一含鋁層70以及包含p型摻雜物100，其峰值濃度V位於自活性區域30上表面33起15 nm至 60 nm的一距離D內，本公開內容之半導體元件之靜電放電防護能力提升。因此，相較於既有之半導體元件，在具有相同的靜電放電防護能力，本公開內容之半導體元件在P側可以具有較薄的總厚度。具體而言，於本公開內容之半導體元件中，其活性區域30的上表面33至半導體元件中最上層的半導體表面之間的距離小於200 nm，或半導體元件中最上層的半導體表面與峰值濃度V之間的距離D1 小於160 nm，
第5圖為本公開內容之第二實施例之半導體元件的剖面圖。本公開內容之第二實施例包含與第一實施例實質上相同的結構，不同的地方在於本實施例之半導體元件更包含一位於第一含鋁層70之一側上的第二電子阻擋層110。第二電子阻擋層110包含一第五能階，第五能階大於其中一阻障層的第一能階。較佳的，第二電子阻擋層110的第五能階大於每一個阻障層的第一能階。第二電子阻擋層110的第五能階比第一含鋁層70的第四能階低。於一實施例中，當電子阻擋區域50包含複數交替的第一電子阻擋層以及第二阻障層時，第二電子阻擋層110的第五能階高於每一個第二阻障層的能階。於本實施例中，第一含鋁層70位於第二電子阻擋層110以及電子阻擋區域50之間。於另一實施例中，第一含鋁層70位於活性區域30以及第二電子阻擋層110之間。第二電子阻擋層110包含Inh Ali Ga1−h−i N，其中 0≦h≦1, 0≦i≦1。較佳的， 0＜ d、 i ＜ g≦1。於另一實施例中， 0≦h≦0.05，0＜i≦0.3，較佳的， 0.05≦i≦0.3。如果i小於0.05，半導體元件的靜電放電防護能力會變差。如果i大於0.3，半導體元件的起始電壓會變高。第二電子阻擋層110具有一介於3 nm至20 nm之間的厚度(兩者皆含)。第二電子阻擋層110與第一含鋁層70以及電子阻擋區域50搭配，可以更進一步的增加半導體元件的發光效率
第6圖為本公開內容之第三實施例之半導體元件之部分範圍的穿透式電子顯微鏡(transmission electron microscopy，TEM)影像圖。本公開內容之第三實施例包含與第二實施例實質上相同的結構，不同的地方在於本實施例之半導體元件更包含一限制層120。限制層120位於活性區域30以及第一含鋁層70之間。於本實施例中，第一含鋁層70位於活性區域30以及第二電子阻擋層110之間。於另一實施例中，第一含鋁層70位於第二電子阻擋層110之間和電子阻擋區域50之間。限制層120包含一厚度，限制層120的厚度小於其中一阻障層32的厚度，較佳的，限制層120的厚度小於每一個阻障層32的厚度。限制層120的厚度不小於3 nm且不大於10 nm。限制層120的厚度若小於3 nm會導致漏電流。限制層120 包含Inj Alk Ga(1−j−k) N，其中0≦j≦1，0≦k≦1。於一實施例中，限制層120的材料與其中一阻障層32的材料相同。
於一實施例中，第一含鋁層70與活性區域30的上表面33的距離至少為3 nm，且不超過20 nm。具體而言，第一含鋁層70的底表面以及活性區域30的上表面33之間的距離至少為3 nm，且不超過20 nm。即，第一含鋁層70與活性區域30物理上分離。如果第一含鋁層70與活性區域30之間的距離小於3 nm，p型摻雜物100擴散進入活性區域30的量會增加，進而劣化活性區域30的品質。如果第一含鋁層70與活性區域30之間的距離大於20 nm，電洞注入效率會變差。半導體元件可包含任何具有厚度介於3 nm至20 nm之間(兩者皆含)的單層或是總厚度介於3 nm至20 nm之間(兩者皆含)的複數層位於第一含鋁層70與活性區域30之間。於一實施例中，限制層120位於第一含鋁層70與活性區域30之間以將第一含鋁層70與活性區域30分開在介於3 nm至20 nm(兩者皆含)的距離內。於另一實施例中，第二電子阻擋層110位於第一含鋁層70以及活性區域30之間以將第一含鋁層70與活性區域30分開在介於3 nm至20 nm(兩者皆含)的距離內。於另一實施例中，限制層120和第二電子阻擋層110同時位於第一含鋁層70以及活性區域30之間以將第一含鋁層70與活性區域30分開在介於3 nm至20 nm(兩者皆含)的距離內。
第7圖為本公開內容之第四實施例之半導體元件的剖面圖。第8圖為本公開內容之第四實施例之半導體元件之部分範圍的穿透式電子顯微鏡(transmission electron microscopy，TEM)影像圖。本公開內容之第四實施例包含與第三實施例實質上相同的結構，不同的地方在於本實施例之半導體元件更包含一第二含鋁層130位在相反於第一含鋁層70之第二電子阻擋層110的一側上。第二含鋁層130具有一第六能階，其大於第二電子阻擋層110的第五能階。第二含鋁層130包含Alm Ga(1-m) N，其中0.5＜m≦1，且較佳的， 0.7＜m≦1。又較佳的， 0＜ d、i ＜ g、m ≦1。於一實施例中，第二含鋁層130包含AlN。於一實施例中，第一含鋁層70和第二含鋁層130包含相同的材料。第二含鋁層130具有一介於0.5 nm至15 nm(兩者皆含)之間的厚度。第二含鋁層130的厚度與第一含鋁層70的厚度的比例介於0.8至1.2(兩者皆含)之間。
第9圖為本公開內容之第四實施例之半導體元件的部分範圍之元素的濃度或相對離子強度與深度之關係圖。第10圖為第9圖之部分範圍的放大圖，其中p型摻雜物100的濃度以及三族元素X的相對離子強度可被得知。於本實施例中，p型摻雜物100為鎂(Magnesium，Mg)，三族元素X為銦。除了三族元素X，半導體元件內的一些元素並未顯示於第9圖以及第10圖，例如氮(nitrogen，N)、鎵(gallium，Ga)、鋁(aluminum，Al)以及矽(silicon，Si)。於本實施例中，活性區域30的上表面33位在大約82 nm的深度位置。如第一實施例所述，p型摻雜物100包含一濃度輪廓，濃度輪廓包含一峰形P，峰形P具有一峰值濃度V。峰值濃度V位於自活性區域30上表面33起15 nm至 60 nm的一距離D內，於本實施例中，峰值濃度V位於自活性區域30上表面33起大約28 nm的距離D。於本實施例中，峰值濃度V位在電子阻擋區域50內。請參閱第10圖，最鄰近電子阻擋區域50的井層31隔壁的井層31，即，由電子阻擋區域50之方向數來的第二個井層31，其位在大約97 nm至102 nm的深度位置。p型摻雜物100位於由電子阻擋區域50之方向數來的第二個井層31內的濃度不大於1´1018 /cm3 ，且較佳的，不大於6´1017 /cm3 。於本實施例中，半導體元件中最上層的半導體表面與峰值濃度V之間的距離D1 小於100 nm，且較佳的，介於30 nm至80 nm 之間(兩者皆含)。於本實施例中，峰值濃度V位於自活性區域30上表面33起大約36 nm的距離D。峰值濃度V大於1´1018 /cm3 ，且較佳的，大於1´1019 /cm3 。於本實施例中，峰值濃度V約為1´1020 /cm3 。此外，峰形P包含一半高寬(full width at half maximum，FWHM)，其介於5 nm至50 nm(兩者皆含)之間，且較佳的，介於10 nm至30 nm(兩者皆含)之間。於本實施例中，因峰值濃度V約為1´1020 /cm3 ，半高寬大約為峰形P在濃度約為5´1019 /cm3 的位置，因此半高寬大約為18 nm。於本實施例中，藉由同時包含第一含鋁層70以及第二含鋁層130，p型摻雜物100可以較集中於靠近活性區域30的範圍，不會過度向最上層的半導體表面或是向活性區域30擴散。因此，峰形P包含介於5 nm至50 nm(兩者皆含)之間的半高寬可增加電洞注入效率。此外，本公開內容的半導體元件因為同時包含第一含鋁層70以及第二含鋁層130，亦具有提升的靜電放電防護能力。於本實施例中，因本公開內容之半導體元件具有提升的靜電放電防護能力，相較於缺乏第一含鋁層70以及第二含鋁層130的半導體元件，本公開內容之半導體元件在P側可以具有較薄的總厚度。即，於本實施例中，半導體元件中最上層的半導體表面與峰值濃度V之間的距離D1 小於100 nm。
第11圖為本公開內容之第五實施例之半導體元件的剖面圖。本公開內容之第四實施例包含與第四實施例實質上相同的結構，不同的地方在於本實施例之半導體元件更包含一位於活性區域30以及第一半導體結構40之間的半導體疊層140。半導體疊層140包含複數交替的第三半導體層(圖未示)以及第四半導體層(圖未示)，其中一個單一第三半導體層以及一鄰近的單一第四半導體層視為一對。第三半導體層以及第四半導體層包含三五族半導體材料。一對中的第三半導體層的能階大於第四半導體層的能階。第三半導體層包含Inn Ga1–n N，其中0≦n≦1，且第四半導體層包含InP Ga1–P N，其中0≦P≦1。於一實施例中，第三半導體層包含GaN。於一實施例中，每一個第四半導體層包含一三族元素，其具有一最高含量，且越靠近活性區域30的第四半導體層之三族元素的最高含量是高於遠離活性區域30的第四半導體層之三族元素的最高含量。於本實施例中，三族元素包含銦。具體的，於其中一第四半導體層中，部分的第四半導體層的銦含量是以朝向活性區域30的方向漸變。較佳的，於其中一第四半導體層中，部分的第四半導體層的銦含量是以朝向活性區域30的方向漸增。於一實施例中，較靠近活性區域30的第四半導體層中的最高銦含量高於較靠近基板10的第四半導體層中的最高銦含量。因此，第四半導體層中的最高銦含量是以朝向活性區域30的方 向漸增。本實施例之半導體元件因包含半導體疊層140，其包含漸增的銦含量，可進一步增加發光效率。此外，半導體疊層140因同時包含第一含鋁層70、第二含鋁層130以及半導體疊層140，其發光效率以及靜電放電防護能力同時會提升，且不會影響起始電壓以及漏電流的特性。
本公開內容的半導體元件包含一發光二極體、一雷射或一功率裝置。於一實施例中，半導體元件包含一發光二極體，其發出的峰值波長未在可見光範圍或是不可見光範圍，較佳的，位在藍光範圍或是紫外光範圍。較佳的，峰值波長位於300 nm至500 nm(兩者皆含)之間，且較佳的，位於350 nm至480 nm(兩者皆含)之間。於一實施例中，雷射為一垂直共振之半導體雷射。
於一實施例中，第一電極80和第二電極90分別位在基板10的相反兩側。於此實施例中，基板10包含氧化鋁(AlOx)，且其表面有週期排列的凸出物。導電材料。
基板10具有一足夠厚的厚度藉以支撐位於其上的層以及結構，例如，大於100μm，且更佳的，不超過300 μm。於一實施例中，基板10包含養導電材料，其包含(Si)、鍺(Ge)、銅 (Cu)、 鉬(Mo)、鎢鉬合金(MoW)、氮化鋁(AlN) 、氧化鋅(ZnO) 或銅鎢(CuW)。
緩衝層20是為了降低缺陷以及增進成長於其上的磊晶層的品質。緩衝層20包含Alt Ga1–t N，其中0≦t≦1。於一實施例中，緩衝層20包GaN。於 另一實施例中，緩衝層20包AlN。緩衝層形成的方式可以為磊晶或是物理氣象沉積(physical vapor deposition ，PVD)。
於一實施例中，第一半導體結構40包含一第一半導體層，其包含Alq Ga1–q N，其中0≦q≦1。於一實施例中，第一半導體層包含n型GaN。於另一實施例中，0＜q≦0.1，藉以提高發光效率。第一半導體層具有一不小於100 nm的厚度，且較佳的，不超過3000 nm。第一半導體層中n型摻雜物的濃度大於1´1018 /cm3 ，且較佳的，大於5´1018 /cm3 ，又更佳的，介於5´1018 /cm3 以及5´1021 /cm3 (兩者皆含)之間。n型摻雜物可以例如為，但不限於矽。於另一實施例中，第一半導體結構40更包含另一半導體層，其導電型態與第一半導體層相同。
第一電極80以及第二電極90用於與一外接電源連接且傳導一在兩者之間的電流。第一電極80以及第二電極90的材料包含透明導電材料或是金屬材料。透明導電材料包含透明導電氧化物，其包含氧化銦錫(ITO)、氧化銦(InO)、氧化錫(SnO)、氧化鎘錫(CTO)、氧化銻錫(ATO)、氧化鋁鋅(AZO)、氧化鋅錫(Zn2 SnO4 ，ZTO) 、鎵摻雜氧化鋅(gallium doped zinc oxide，GZO)，鎢摻雜氧化銦(tungsten doped indium oxide，IWO)、氧化鋅(ZnO) 或氧化銦鋅(IZO)。金屬材料包含金(Au) 、鉑(Pt) 、鍺金鎳(GeAuNi) 、鈦(Ti)、鈹金(BeAu)、鍺金(GeAu)、鋁(Al)、鋅金( ZnAu) 或鎳(Ni)。
接觸層62內的p型摻雜物100的濃度大於1´1018 /cm3 ，又更佳的，大於1´1019 /cm3 ，且更佳的，介於1´1019 /cm3 以及5´1022 /cm3 (兩者皆含)之間。接觸層62的材料包含三五族半導體材料，例如Alr Ga1–r N，其中0≦r≦1。於一實施例中，0＜r≦0.1，且較佳的，0＜r≦0.0.5，藉以提升發光效率。於另一實施例中，接觸層62包含GaN。接觸層62具有一不超過15 nm的厚度，且較佳的，超過3 nm。
第二半導體層61包含三五族半導體材料，例如Als Ga1–s N，其中0≦s≦1。於一實施例中，第二半導體層61包含GaN。第二半導體層61的厚度大於接觸層62的厚度。第二半導體層61的厚度大於20 nm，且較佳的，不超過300 nm。第二半導體層61內的p型摻雜物100的濃度小於接觸層62內的p型摻雜物100的濃度。較佳的，第二半導體層61內的p型摻雜物100的濃度大於1´1017 /cm3 ，且更佳的，不超過1´1022 /cm3 。
執行磊晶成長的方式包含但不限於金屬有機化學氣相沉積(metal-organic chemical vapor deposition，MOCVD)、氫化物氣相磊晶法(hydride vapor phase epitaxial，HVPE) 、或是液相晶體外延生長(liquid-phase epitaxy ，LPE)。
於本公開內的另一實施例中，前面所述之實施例中的元件或結構可改變或是互相結合。例如，第2圖所示的半導體元件可包含半導體疊層140。
需注意的是，本發明所列舉之各實施例僅用以說明本發明，並非用以限制本發明之範圍。任何人對本發明所作顯而易見的修飾或變更皆不脫離本發明之精神與範圍。不同實施例中相同或相似的構件，或者不同實施例中具相同標號的構件皆具有相同的物理或化學特性。此外，本發明中上述之實施例在適當的情況下，是可互相組合或替換，而非僅限於所描述之特定實施例。在一實施例中詳細描述之特定構件與其他構件的連接關係亦可以應用於其他實施例中，且均落於如後所述之本發明之權利保護範圍的範疇中。
10‧‧‧基板
20‧‧‧緩衝層
30‧‧‧活性區域
31‧‧‧井層
32‧‧‧阻障層
33‧‧‧上表面
34‧‧‧底表面
40‧‧‧第一半導體結構
50‧‧‧電子阻擋區域
60‧‧‧第二半導體結構
61‧‧‧第二半導體層
62‧‧‧接觸層
70‧‧‧第一含鋁層
80‧‧‧第一電極
90‧‧‧第二電極
100‧‧‧p型摻雜物
X‧‧‧三族元素
110‧‧‧第二電子阻擋層
120‧‧‧限制層
130‧‧‧第二含鋁層
140‧‧‧半導體疊層
P‧‧‧峰形
V‧‧‧峰值濃度
D‧‧‧距離
D1‧‧‧距離
第1圖為本公開內容之第一實施例之半導體元件的剖面圖；
第2圖為本公開內容之第一實施例之半導體元件的部分範圍之元素的濃度或離子強度與深度之關係圖；
第3圖為第2圖之部分範圍的放大圖；
第4圖為本公開內容之比較實施例之半導體元件的部分範圍之元素的濃度或離子強度與深度之關係圖；
第5圖為本公開內容之第二實施例之半導體元件的剖面圖；
第6圖為本公開內容之第三實施例之半導體元件之部分範圍的穿透式電子顯微鏡(transmission electron microscopy，TEM)影像圖；
第7圖為本公開內容之第四實施例之半導體元件的剖面圖；
第8圖為本公開內容之第四實施例之半導體元件之部分範圍的穿透式電子顯微鏡(transmission electron microscopy，TEM)影像圖；
第9圖為本公開內容之第四實施例之半導體元件的部分範圍之元素的濃度或離子強度與深度之關係圖；
第10圖為第9圖之部分範圍的放大圖；以及
第11圖為本公開內容之第五實施例之半導體元件的剖面圖。
無。

Claims (10)

  1. 一種半導體元件，其包含︰ 一第一半導體結構； 一第二半導體結構位於該第一半導體結構上； 一位於該第一半導體結構以及該第二半導體結構之間的活性區域，該活性區域包含交替的井層以及阻障層，且各阻障層具有一能階，該活性區域更包含一面對該第二半導體結構的上表面以及一相反於該上表面的底表面； 一位於該第二半導體結構以及該活性區域之間的電子阻擋區域，該電子阻擋區域包含一第一電子阻擋層，該第一電子阻擋層的能階大於其中一該等阻障層的能階； 一位於該電子阻擋區域以及該活性區域之間的第一含鋁層，該第一含鋁層的能階大於該第一電子阻擋層的能階， 一位於活性區域之底表面以上的p型摻雜物，其包含一濃度輪廓，該濃度輪廓包含一峰形，該峰形具有一峰值濃度，該峰值濃度位於該活性區域的該上表面起15 nm至 60 nm的一距離內。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的半導體元件，更包含一第二電子阻擋層，該第二電子阻擋層位於第一含鋁層的一側上，且該第二電子阻擋層的能階大於其中一該等阻障層的能階。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的半導體元件，更包含一第二含鋁層，該第二含鋁層位在該第二電子阻擋層之相反於該第一含鋁層的一側上，且該第二含鋁層的能階大於該第二電子阻擋層的能階。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的半導體元件，其中該第一含鋁層和/或第二含鋁層的厚度介於0.5 nm至15 nm(兩者皆含)之間。
  5. 如申請專利範圍第3項所述的半導體元件，其中該峰形具有一半高寬，該半高寬介於5 nm至50 nm之間。
  6. 如申請專利範圍第2項所述的半導體元件，其中該第一電子阻擋層包含Ina Alb Ga1−a−b N，該第二電子阻擋層包含Inc Ald Ga1−c−d ，該第一含鋁層包含Ale Ga(1-e) N，該第二含鋁層包含Ale Ga(1-e) N，且0＜ b, d＜ e, f ≦1。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的半導體元件，其中該第一含鋁層與該活性區域的該上表面之間的距離至少為3 nm。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的半導體元件，其包含一最上層的半導體表面，該峰值濃度與該最上層的半導體表面之間的距離小於200 nm。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的半導體元件，其更包含一限制層，該限制層位於該活性區域以及該第一含鋁層之間，該限制層的厚度小於其中一該等阻障層的厚度。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的半導體元件，其中該p型摻雜物位於由該電子阻擋區域之方向數來的第二個井層內的濃度不大於1´1018 /cm3 。
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