CN100395899C

CN100395899C - 具有增强发光亮度的氮化镓发光二极管结构

Info

Publication number: CN100395899C
Application number: CNB2004100783436A
Authority: CN
Inventors: 武良文; 涂如钦; 游正璋; 温子稷; 简奉任
Original assignee: Formosa Epitaxy Inc
Current assignee: Bright circle Au Optronics Co; LUMENS Limited by Share Ltd
Priority date: 2004-09-23
Filing date: 2004-09-23
Publication date: 2008-06-18
Anticipated expiration: 2024-09-23
Also published as: CN1753194A

Abstract

本发明提供一种多重量子阱发光二极管，包括：基板、缓冲层、n型氮化镓层、活性发光层、p型被覆层、p型接触层、位障缓冲层、以及透明接触层。此结构最底层为基板，材料为氧化铝单晶。形成于基板上为缓冲层，材料为氮化铝镓铟。而n型氮化镓层形成于缓冲层上。活性发光层形成于n型氮化镓层之上，材料为氮化铟镓。p型被覆层形成于活性发光层之上，材料为镁掺杂氮化铝铟。p型接触层形成于p型被覆层上，材料为氮化镓。形成于p型接触层上为位障缓冲层，材料为氮化镁或氮化镁/氮化铟或氮化镁/氮化铟镓。形成于位障缓冲层上为透明接触层，材料为铟锡氧化物。以及形成于n型氮化镓层上为n型电极层，材料为Ti/Al或Cr/Au。

Description

具有增强发光亮度的氮化镓发光二极管结构

技术领域

本发明是有关于氮化镓发光二极管结构，特别是以ITO为材料所制成的顶部透射接触层、以形成增加透射光线且增强发光亮度的氮化镓发光二极管结构。

背景技术

据了解，通常在现有技术中使用氮化铟镓(InGaN)/氮化镓(GaN)多重量子阱发光二极管(MQW LEDs)作为发光装置，而广泛应用于各种静态显示功能与用途，例如：钟表、显示屏幕、以及广告面板等中的数字或影像的显示。然而，这种装置的发光亮度与光线透射效率受到其顶部透明接触层的限制，其目前透光率至多仅达到62％，因此，其使用效果并不十分理想。

现在请参考图1说明这种现有技术多重量子阱发光二极管(MQW LEDs)的结构及其所受的限制。如图1所示，这种结构包括：基板11、缓冲层12、未搀杂n型氮化镓(GaN)层13、n型氮化镓(GaN)层14、多重量子阱层15、氮化镓(GaN)被覆层16层、p型氮化镓(GaN)层17、Ni/Au透明接触层18、以及Ni/Al透明接触层19。

在上述结构中的最底层为基板11，其材料为氧化铝单晶(Sapphire)。形成于基板11上的缓冲层(buffer layer)12，其材料为氮化铟镓(InGaN)。未搀杂n型氮化镓(GaN)层13形成于缓冲层12上。其次，n型氮化镓(GaN)层14形成于此未搀杂n型氮化镓(GaN)层13之上。然后，将多重量子阱层15形成于n型氮化镓层14之上，其材料为InGaN/GaN。形成于此多重量子阱层上为氮化镓(GaN)被覆层16。然后，p-型GaN层17形成于氮化镓(GaN)被覆层16之上。最后，Ni/Au透明接触层18形成于p-型GaN层17之上，以及Ni/Al透明接触层19形成于n型氮化镓(GaN)层14之上。

这种现有技术多重量子阱发光二极管结构为一种“n-型被覆层在下结构”(n-Down Structure)即：将InGaN/GaN的多重量子阱(MQW)活性层成长于n-型被覆层(n-GaN)上，然后将p-型GaN被覆层成长于此多重量子阱活性层上。以此方式所制成的发光二极管，其目的在于使用其中的多重量子阱(MQW)活性层的优良结晶品质，而可以在下部的n-GaN层达成较佳电流扩散，以及因此形成此二极管装置的较低导通(turn on)电压。

然而，这种现有的多重量子阱发光二极管(InGaN/GaN MQW LED)的主要特色为使用：n型氮化镓(GaN)层作为接触层(Contacting layer)，以及以Ni/Au作为p-型导电电极与透明接触层。依据图2中的实验数字显示，该Ni/Au透明接触层的透光率(Transmittance)(即入射光的透射百分比)在绿色光谱波段(505-525nm)仅约为75％，而其透光率在蓝色光谱波段(460-470nm)更不到70％。因此，现有技术的发光二极管受限于这种透明接触层的本身透光特性而无法提高其发光亮度，此为其重大的缺点与限制。

本发明的目的即在改善现有技术发光二极管上述的缺点与限制，以实现大幅提高其发光亮度与光输出功率的功能与目的。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种多重量子阱发光二极管，其将传统现有发光二极管结构作大幅改进与调整，且使用更具透光效率的透明接触层，以大幅提升此发光二极管的发光亮度与光线输出效率。

这种多重量子阱发光二极管的主要结构包括：基板、缓冲层、n型氮化镓(GaN)层、活性发光层、p型被覆层、p型接触层、位障缓冲层、以及透明接触层。其中，此结构的最底层为基板，其材料为氧化铝单晶(Sapphire)。形成于基板上为缓冲层(buffer layer)，其材料为氮化铝镓铟(Al_1-x-yGa_xIn_yN)。而n型氮化镓(GaN)层形成于缓冲层上。然后，活性发光层形成于n型氮化镓(GaN)层之上，其材料为氮化铟镓(InGaN)。其次，p型被覆层(cladding layer)形成于活性发光层之上，其材料为镁掺杂(Mg-doped)氮化铝铟(Al_1-xIn_xN)。然后，p型接触层形成于P型被覆层上，其材料为氮化镓(GaN)。形成于p型接触层上为位障缓冲层，其材料为氮化镁(MgN)或氮化镁/氮化铟(MgN/InN)或氮化镁/氮化铟镓(MgN/In_xGa_1-xN)。形成于位障缓冲层上为透明接触层，其材料为铟锡氧化物(ITO)。以及形成于n型氮化镓层上为n型电极层，其材料为Ti/Al或Cr/Au。

上述本发明这种特殊设计的多重量子阱发光二极管结构的特征为：其顶层的透明接触层使用ITO为材料，而非以现有技术所使用的Ni/Au为材料。因此，如图2中的实验数据所显示，此以ITO为材料的透明接触层的透光率，在绿色光谱波段(505-525nm)中的520nm处，可达到95％的非常理想境界。也就是说，此ITO透明接触层的入射光线的95％可透射出。因此，根据这种设计，本发明的多重量子阱发光二极管可以大幅提升其发光亮度与光线透射效率。

附图说明

图1是根据现有技术的氮化镓发光二极管结构；

图2显示本发明使用ITO作为透明接触层材料与现有技术使用Ni/Au作为透明接触层材料的透光率比较图；

图3是根据本发明实施例1的氮化镓发光二极管结构；

图4是根据本发明实施例2的氮化镓发光二极管结构；

图5是根据本发明实施例3的氮化镓发光二极管结构。图中

10 现有发光二极管结构

11 基板

12 缓冲层

13 未搀杂n型氮化镓层

14 n型氮化镓层

15 多重量子阱层

16 被覆层

17 p型氮化镓层

18 透明接触层

19 透明接触层

30 发光二极管结构一

31 基板

32 缓冲层

33 n型氮化镓层

34 活性发光层

35 p型被覆层

36 p型接触层

37 位障缓冲层

38 透明接触层

39 n型电极层

40 发光二极管结构二

41 基板

42 缓冲层

43 n型氮化镓层

44 活性发光层

45 p型被覆层

46 p型接触层

47 位障缓冲层

48 透明接触层

49 n型电极层

50 发光二极管结构三

51 基板

52 缓冲层

53 n型氮化镓层

54 活性发光层

55 p型被覆层

56 p型接触层

57 位障缓冲层

58 透明接触层

59 n型电极层

具体实施方式

本发明的各种特点与优点将由以下说明并参考附图而详细阐明。

现在参考所附图式说明本发明的各个实施例。

实施例1

首先，请参考图3。图3为根据本发明实施例1的具有增强发光亮度的氮化镓发光二二极管结构一30，其包括：基板31、缓冲层32、n型氮化镓(GaN)层33、活性发光层34、p型被覆层35、p型接触层36、位障缓冲层37、透明接触层38、以及n型电极层39。

其中，此结构的最底层为基板31，其材料为氧化铝单晶(Sapphire)。形成于基板31上的缓冲层(buffer layer)32，其材料为氮化铝镓铟(Al_1-x-yGa_xIn_yN)，其中0≤X＜1，0≤Y＜1。n型氮化镓(GaN)层33形成于缓冲层32上。活性发光层34形成于n型氮化镓(GaN)层33之上，其材料为氮化铟镓(InGaN)。p型被覆层(cladding layer)35形成于活性发光层34之上，其材料为镁掺杂(Mg-doped)氮化铝铟(Al_1-xIn_xN)，其中0≤X＜1。形成于P型被覆层35上为p型接触层36，其材料为氮化镓(GaN)。形成于p型接触层36上为位障缓冲层37，其材料为氮化镁(MgN)。形成于位障缓冲层37上为透明接触层38，其材料为铟锡氧化物(ITO)。以及形成于n型氮化镓层33上为n型电极层39，其材料为Ti/Al或Cr/Au。

在此结构中，位障缓冲层(MgN)37的厚度为介于5埃至200埃之间，其成长温度介于500℃至1200℃之间。

实施例2

其次，请参考图4。图4为根据本发明实施例2的具有增强发光亮度的氮化镓发光二极管结构二40，其包括：基板41、缓冲层42、n型氮化镓(GaN)层43、活性发光层44、p型被覆层45、p型接触层46、短周期超晶格位障缓冲层47、透明接触层48、以及n型电极层49。

其中，此结构的最底层为基板41，其材料为氧化铝单晶(Sapphire)。缓冲层(buffer layer)42形成于基板41之上，其材料为氮化铝镓铟(Al_1-x-yGa_xIn_yN)，其中0≤X＜1，0≤Y＜1。n型氮化镓(GaN)层43形成于缓冲层42上。形成于n型氮化镓(GaN)层43上的活性发光层44，其材料为氮化铟镓(InGaN)。p型被覆层(cladding layer)45形成于活性发光层44之上，其材料为镁掺杂(Mg-doped)氮化铝铟(Al_1-xIn_xN)，其中0≤X＜1。形成于P型被覆层45上为p型接触层46，其材料为氮化镓(GaN)。形成于p型接触层46上为短周期超晶格位障缓冲层(short-period superlatice barrier buffer layer)47，其材料为氮化镁/氮化铟(MgN/InN)，以及形成于短周期超晶格位障缓冲层47上为透明接触层48，其材料为铟锡氧化物(ITO)。以及形成于n型氮化镓层43上为n型电极层49，其材料为Ti/Al或Cr/Au。

在上述结构中，短周期超晶格位障缓冲层(MgN/InN)47的厚度分别介于5埃至200埃之间，其重复次数大于或等于2，其结构可以为：MgN在上/InN在下、或MgN在下/InN在上，其成长温度介于500℃至1200℃之间。

实施例3

最后，请参考图5。图5为根据本发明实施例3的具有增强发光亮度的氮化镓发光二极管结构三50，其包括：基板51、缓冲层52、n型氮化镓(GaN)层53、活性发光层54、p型被覆层55、p型接触层56、位障缓冲层57、透明接触层58、以及n型电极层59。

其中，此结构的最底层为基板51，其材料为氧化铝单晶(Sapphire)。缓冲层(buffer layer)52形成于基板51之上，其材料为氮化铝镓铟(Al_1-x-yGa_xIn_yN)，其中0≤X＜1，0≤Y＜1。n型氮化镓(GaN)层53形成于缓冲层52上。形成于n型氮化镓(GaN)层53上的活性发光层54，其材料为氮化铟镓(InGaN)。p型被覆层(cladding layer)55形成于活性发光层54之上，其材料为镁掺杂(Mg-doped)氮化铝铟(Al_1-xIn_xN)，其中0≤X＜1。形成于P型被覆层55上为p型接触层56，其材料为氮化镓(GaN)。形成于p型接触层56上为短周期超晶格位障缓冲层(short-period superlatice barrier buffer layer)57，其材料为氮化镁/氮化铟镓(MgN/In_xGa_1-xN)，以及形成于短周期超晶格位障缓冲层57上为透明接触层58，其材料为铟锡氧化物(ITO)。以及形成于n型氮化镓层53上为n型电极层59，其材料为Ti/Al或Cr/Au。

在上述结构中，短周期超晶格位障缓冲层(MgN/In_xGa_1-xN)57的厚度分别介于5埃至200埃之间，其重复次数大于或等于2，其结构可以为MgN在上/In_xGa_1-xN在下、或MgN在下/In_xGa_1-xN在上，其成长温度介于500℃至1200℃之间。

以上三个实施例中透明导电层使用ITO(铟锡氧化物)作为其材料，然而，本发明透明导电层所使用的材料并不受限于ITO，而是可以包括以下材料：n型透明导电氧化物层(TCO)，例如：ITO、CTO、ZnO:Al、ZnGa₂O₄、SnO₂:Sb、Ga₂O₃:Sn，AgInO₂:Sn，In₂O₃:Zn等；或

p型透明导电氧化物层(TCO)，例如：CuAlO₂、LaCuOS、NiO、CuGaO₂、SrCu₂O₂等。

由以上详细说明的三个实施例，以及图2的相关实验数据可知，根据本发明的发光二极管结构，确实可以改善现有技术发光二极管的缺点与限制，尤其可将该发光二极管的透光率从现有技术的62％提升至本发明的95％以上，而可大幅增强其发光亮度与光线透射效率。因此，本发明具有产业上的利用价值，且符合专利要件。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，其仅用于说明目的而非用以限制本发明与权利要求的范围；凡是其它在未偏离本发明所揭示的精神与范围下所作的等效改变或修饰，均应包含在以下所述的权利要求的范围中。

Claims

1.一种具有增强发光亮度的氮化镓发光二极管结构，包括：

一基板，其材料为氧化铝单晶；

一缓冲层，其材料为Al_1-x-yGa_xIn_yN，其中0≤X＜1、0≤Y＜1，且位于该基板上；

一n型氮化镓层位于该缓冲层上；

一活性发光层，其材料为氮化铟镓，位于该n型氮化镓层上；

一p型被覆层，其材料为镁掺杂的Al_1-xIn_xN，其中0≤X＜1，且位于该活性发光层上；

一p型接触层，其材料为氮化镓，位于该p型被覆层上；

一位障缓冲层，其材料为氮化镁，位于该p型接触层上；

一透明接触层，其材料为铟锡氧化物，位于该位障缓冲层上；以及

一n型电极层，其材料为Ti/Al或Cr/Au，位于该n型氮化镓层上。

2.如权利要求1的氮化镓发光二极管结构，其中该位障缓冲层的厚度为介于5埃至200埃之间。

3.如权利要求1的氮化镓发光二极管结构，其中该位障缓冲层的成长温度为介于500℃至1200℃的之间。

4.如权利要求1的氮化镓发光二极管结构，其中该透明接触层的厚度小于或等于5000埃。

5.如权利要求1的氮化镓发光二极管结构，其中该透明接触层的成长温度为介于100℃至600℃之间。

6.一种具有增强发光亮度的氮化镓发光二极管结构，包括：

一基板，其材料为氧化铝单晶；

一n型氮化镓层位于该缓冲层上；

一活性发光层，其材料为氮化铟镓，位于该n型氮化镓层上；

一p型接触层，其材料为氮化镓，位于该p型被覆层上；

一短周期超晶格位障缓冲层，其材料为氮化镁/氮化铟，位于该p型接触层上；

一透明接触层，其材料为铟锡氧化物，位于该短周期超晶格位障缓冲层上；以及

一n型电极层，其材料为Ti/Al或Cr/Au，位于该n型氮化镓层上。

7.如权利要求6的氮化镓发光二极管结构，其中该短周期超晶格位障缓冲层的材料为氮化镁/氮化铟，且其结构可以为：氮化镁在上/氮化铟在下，或氮化铟在上/氮化镁在下，且此结构的重复次数大于或等于2，其厚度各介于5埃至200埃之间。

8.如权利要求6的氮化镓发光二极管结构，其中该短周期超晶格位障缓冲层的成长温度为介于500℃至1200℃之间。

9.如权利要求6的氮化镓发光二极管结构，其中该透明接触层的层的厚度小于或等于5000埃。

10.如权利要求6的氮化镓发光二极管结构，其中该透明接触层的层的成长温度为介于100℃至600℃之间。

11.一种具有增强发光亮度的氮化镓发光二极管结构，包括：

一基板，其材料为氧化铝单晶；

一n型氮化镓层位于该缓冲层上；

一活性发光层，其材料为氮化铟镓，位于该n型氮化镓层上；

一p型接触层，其材料为氮化镓，位于该p型被覆层上；

一短周期超晶格位障缓冲层，其材料为氮化镁/氮化铟镓，位于该p型接触层上；

一n型电极层，其材料为Ti/Al或Cr/Au，位于该n型氮化镓层上。

12.如权利要求11的氮化镓发光二极管结构，其中该短周期超晶格位障缓冲层的材料为氮化镁/氮化铟镓，且其结构可以为：氮化镁在上/氮化铟镓在下，或氮化铟镓在上/氮化镁在下，且此结构的重复次数大于或等于2，其厚度各介于5埃至200埃之间。

13.如权利要求11的氮化镓发光二极管结构，其中该短周期超晶格位障缓冲层的成长温度为介于500℃至1200℃之间。

14.如权利要求11的氮化镓发光二极管结构，其中该透明接触层的层的厚度小于或等于5000埃。

15.如权利要求11的氮化镓发光二极管结构，其中该透明接触层的层的成长温度为介于100℃至600℃之间。