CN101290957B

CN101290957B - 发光元件

Info

Publication number: CN101290957B
Application number: CN2007100965565A
Authority: CN
Inventors: 林鼎洋; 欧震; 赖世国
Original assignee: Epistar Corp
Current assignee: Epistar Corp
Priority date: 2007-04-16
Filing date: 2007-04-16
Publication date: 2010-10-13
Anticipated expiration: 2027-04-16
Also published as: CN101290957A

Abstract

本发明公开了一种发光元件，其包含基板、n型氮化物半导体层、p型氮化物半导体层、位于上述n型氮化物半导体层与上述p型氮化物半导体层之间的发光层。其中，该发光层具有靠近该n型半导体层的第一区域、靠近该p型半导体层的第二区域、及位于该第一区域及该第二区域之间的中间区域，其中该第一区域及该第二区域掺杂有n型杂质，而该中间区域则无该n型杂质，或具有浓度较该第一区域及该第二区域的浓度为低的该n型杂质。上述中间区域为掺杂有n型杂质的多重量子阱结构层。透过上述多重量子阱结构层的n型杂质掺杂的特定分布设计，能够有效提升发光二极管的发光效率。

Description

发光元件

技术领域

本发明涉及一种发光元件，尤其是一种具有多重量子阱结构的发光元件。

背景技术

发光二极管(Light Emitting Diode)在具有光电转换特性的固态元件里十分重要。一般而言，它具发光层(Active layer)，被两种不同电性的半导体层(p-type&n-type semiconductor layers)所包夹而成。当于两半导体层上方的接触电极施加一驱动电流时，两半导体层的电子与空穴会注入发光层，在发光层中结合而放出光线，其光线具全向性，会通过此发光二极管元件的各个表面而射出。通常，发光层可为单一量子阱结构层(SQW)或多重量子阱结构层(MQW)。与单一量子阱结构(SQW)相较，多重量子阱结构(MQW)被认定具有较高的输出能力，因为即使在电流很小时，它仍可以透过许多障壁层及阱层堆叠而成的小能隙结构，将电流转换为光。

图1显示已知技术的发光元件10的剖面图。如图所示，p型氮化物半导体层14与n型氮化物半导体层13之间有具有多重量子阱结构的发光层15，在最靠近p型氮化物半导体层14的障壁层，并不掺杂n型杂质，并在多重量子阱结构层中其余所有的障壁层，掺杂n型杂质。图2显示另一已知技术的发光元件20的剖面图。如图所示，p型氮化物半导体层24与n型氮化物半导体层23之间有具有多重量子阱结构的发光层25，并在多重量子阱结构层中最靠近n型氮化物半导体层23的数个障壁层，掺杂n型杂质，但其他障壁层并不掺杂n型杂质。如上所述，透过多重量子阱结构层中n型杂质的掺杂的位置变化，可以获得到一个电性优异，而且发光效能提升的发光元件。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种发光元件，其包含基板、n型氮化物半导体层、p型氮化物半导体层、位于上述n型氮化物半导体层与上述p型氮化物半导体层之间的发光层。其中，发光层具有靠近该n型半导体层的第一区域、靠近该p型半导体层的第二区域、及位于该第一区域及该第二区域之间的中间区域，其中该第一区域及该第二区域掺杂有n型杂质，而该中间区域则无该n型杂质，或具有浓度较该第一区域及该第二区域的浓度为低的该n型杂质。其中该中间区域为一多重量子阱结构层。

本发明的另一目的在于：提供一种发光元件，其包含n型半导体层；p型半导体层；以及发光层，位于该n型半导体层与该p型半导体层之间。该发光层包含靠近该n型半导体层的第一区域、靠近该p型半导体层的第二区域、及位于该第一区域与该第二区域间的中间区域。其中该第一区域、该第二区域、及中间区域由多个障壁层与多个阱层交错堆叠而成，且该多个障壁层中位于该第一区域及该第二区域中者掺杂有n型杂质，位于该中间区域中者则无该n型杂质，或具有浓度较该第一区域及该第二区域的浓度为低的该n型杂质。

本发明透过上述n型杂质的特定掺杂分布设计，不但可以获得电性优异的元件，更可以有效提升发光二极管的发光效率。

附图说明

图1为一已知技术发光元件10的剖面图。

图2为另一已知技术发光元件20的剖面图。

图3为依本发明第一实施例的发光元件30的剖面图。

图4为依本发明第二实施例的发光元件40的剖面图。

图5为依本发明第三实施例的发光元件50的剖面图。

图6为依本发明第四实施例的发光元件60的剖面图。

附图标记说明

10～发光元件；11～基板；12～缓冲层；13～n型半导体层；14～p型半导体层；15～发光层；20～发光元件；21～基板；22～缓冲层；23～n型半导体层；24～p型半导体层；25～发光层；30～发光元件；31～基板；32～缓冲层；33～n型半导体层；34～p型半导体层；35～发光层；35Ai～靠n侧区域；35Bi～靠p侧区域；35Ci～中间区域；35A1～第一A层；35A2～第二A层；35A3～第三A层；35B1～第一B层；35B2～第二B层；35B3～第三B层；40～发光元件；41～基板；42～缓冲层；43～n型半导体层；44～p型半导体层；45～发光层；45Ai～靠n侧区域；45Bi～靠p侧区域；45Ci～中间区域；45A1～第一A层；45A2～第二A层；45A3～第三A层；45B1～第一B层；45B2～第二B层；45B3～第三B层；50～发光元件；51～基板；52～缓冲层；53～n型半导体层；54～p型半导体层；55～发光层；55Ai～靠n侧区域；55Bi～靠p侧区域；55Ci～中间区域；55A1～第一A层；55A2～第二A层；55A3～第三A层；55B1～第一B层；55B2～第二B层；55B3～第三B层；60～发光元件；61～基板；62～缓冲层；63～n型半导体层；64～p型半导体层；65～发光层；65Ai～靠n侧区域；65Bi～靠p侧区域；65Ci～中间区域；65A1～第一A层；65A2～第二A层；65A3～第三A层；65B1～第一B层；65B2～第二B层；65B3～第三B层。

具体实施方式

图3依本发明第一实施例的发光元件30的剖面图。发光元件30包含：基板31、缓冲层32、n型氮化物半导体层33、发光层35及p型氮化物半导体层34。其中，发光层35是由障壁层与阱层所间隔堆叠而成的多重量子阱结构层(multi quantum well)。在一优选实施例中，发光层35可区分为靠n侧区域35Ai(i＝1，2，3，....，x)、靠p侧区域35Bi(i＝1，2，3，....，y)、及中间区域35Ci(i＝1，2，3，....，z)；其中靠n侧区域35Ai，依序包含靠近n型氮化物半导体层33的第一A层35A1、第二A层35A2、第三A层35A3...等；靠p侧区域35Bi，包含最靠近p型氮化物半导体层34的第一B层35B1、第二B层35B2、第三B层35B3...等。上述第一A层35A1、第三A层35A3、第一B层35B1及第三B层35B3为障壁层，第二A层35A2及第二B层35B2为阱层，亦即奇数层为障壁层，偶数层为阱层。在本实施例中，发光层35所掺杂的n型杂质具有特定分布，在靠n侧区域35Ai及靠p侧区域35Bi，掺杂n型杂质(如图所示的第一A层35A1、第二A层35A2、第三A层35A3、第一B层35B1、第二B层35B2及第三B层35B3)，中间区域35Ci则无n型杂质，或具有比靠n侧区域35Ai及靠p侧区域35Bi的浓度较低的n型杂质。

图4依本发明第二实施例的发光元件40的剖面图。发光元件40包含：基板41、缓冲层42、n型氮化物半导体层43、发光层45及p型氮化物半导体层44。其中，发光层45由障壁层与阱层所间隔堆叠而成的多重量子阱结构层。在一优选实施例中，发光层45可区分为靠n侧区域45Ai(i＝1，2，3，....，x)、靠p侧区域45Bi(i＝1，2，3，....，y)、及中间区域45Ci(i＝1，2，3，....，z)；其中靠n侧区域45Ai，依序包含最靠近n型氮化物半导体层43的第一A层45A1、第二A层45A2、第三A层45A3...等；靠p侧区域45Bi，依序包含最靠近p型氮化物半导体层44的第一B层45B1、第二B层45B2、第三B层45B3...等。上述第一A层45A1、第三A层45A3、第一B层45B1及第三B层45B3为障壁层，第二A层45A2及第二B层45B2为阱层，亦即奇数层为障壁层，偶数层为阱层。在本实施例中，发光层45中所掺杂的n型杂质具有特定分布，在靠n侧区域45Ai及部分靠p侧区域45Bi掺杂n型杂质(如图所示的第一A层45A1、第二A层45A2、第三A层45A3、第二B层45B2及第三B层45B3)，但在最靠近p型氮化物半导体层44的第一B层45B1并不掺杂n型杂质，且中间区域45Ci亦无n型杂质，或具有比靠n侧区域45Ai及靠p侧区域45Bi的浓度较低的n型杂质。

图5本发明的第三实施例发光元件50的剖面图。发光元件50包含：基板51、缓冲层52、n型氮化物半导体层53、发光层55及p型氮化物半导体层54。其中，发光层55是由障壁层与阱层所间隔堆叠而成的多重量子阱结构层。在一优选实施例中，发光层55可区分为靠n侧区域55Ai(i＝1，2，3，....，x)、靠p侧区域55Bi(i＝1，2，3，....，y)、及中间区域55Ci(i＝1，2，3，....，z)；其中靠n侧区域55Ai，依序包含最靠近n型氮化物半导体层53的第一A层55A1、第二A层55A2、第三A层55A3...等；靠p侧区域55Bi，依序包含最靠近p型氮化物半导体层54的第一B层55B1、第二B层55B2、第三B层55B3...等。上述的第一A层55A1、第三A层55A3、第一B层55B1及第三B层55B3为障壁层，第二A层55A2及第二B层55B2为阱层，亦即奇数层为障壁层，偶数层为阱层。在本实施例中，发光层55所掺杂的n型杂质具有特定分布，在靠n侧区域55Ai及靠p侧区域55Bi的各障壁层掺杂n型杂质(如图所示的第一A层55A1、第三A层55A3、第一B层55B1、及第三B层55B3)，中间区域55Ci则无n型杂质或具有比靠n侧区域55Ai及靠p侧区域55Bi的浓度较低的n型杂质。

图6依本发明第四实施例的发光元件60的剖面图。发光元件60包含：基板61、缓冲层62、n型氮化物半导体层63、发光层65及p型氮化物半导体层64。其中，发光层65是由障壁层与阱层所间隔堆叠而成的多重量子阱结构层。在一优选实施例中，发光层65可区分为靠n侧区域65Ai(i＝1，2，3，....，x)、靠p侧区域65Bi(i＝1，2，3，....，y)、及中间区域65Ci(i＝1，2，3，....，z)；其中靠n侧区域65Ai，依序包含最靠近n型氮化物半导体层63的第一A层65A1、第二A层65A2、第三A层65A3...等；靠p侧区域65Bi，依序包含最靠近p型氮化物半导体层64的第一B层65B1、第二B层65B2、第三B层65B3...等。上述第一A层65A1、第三A层65A3、第一B层65B1及第三B层65B3为障壁层，第二A层65A2及第二B层65B2为阱层，亦即奇数层为障壁层，偶数层为阱层。在本实施例中，发光层65所掺杂的n型杂质具有特定分布，在靠n侧区域65Ai及部分靠p侧区域65Bi的障壁层掺杂n型杂质(如图所示的第一A层65A1、第三A层65A3、及第三B层65B3)，但在最靠近p型氮化物半导体层64的障壁层(即第一B层65B1)并不掺杂n型杂质，且中间区域65Ci无n型杂质，或具有比靠n侧区域65Ai及靠p侧区域65Bi的障壁层的浓度较低的n型杂质。

本发明所述的n型杂质掺杂指将硅(Si)、锗(Ge)、锡(Sn)、硫(S)、或氧(O)等元素，加入薄膜外延过程中，而形成具有上述元素浓度在5×10¹⁶～1×10¹⁹/cm³之间的氮化物半导体薄膜。其他不掺杂n型杂质的各层并非完全不含上述元素，有可能会因工艺中的污染物或扩散现象，而具有非常低浓度之上述元素，其浓度约小于1×10¹⁷/cm³左右。再者，各层所掺杂的n型杂质浓度大致上相同，或于越靠近n型半导体层与越靠近p型半导体层的区域的掺杂浓度越高。

虽然本发明已通过各实施例说明如上，然其并非用以限制本发明的范围。对于本发明所作的各种修饰与变更，皆不脱离本发明的精神与范围。

Claims

1.一种发光元件，包含：

n型半导体层；

p型半导体层；以及

发光层，位于该n型半导体层与该p型半导体层之间，具有靠近该n型半导体层的第一区域、靠近该p型半导体层的第二区域、及位于该第一区域及该第二区域之间的中间区域，其中该第一区域及该第二区域掺杂有n型杂质，而该中间区域则无该n型杂质，或具有浓度较该第一区域及该第二区域的浓度为低的该n型杂质；

其中该中间区域为一多重量子阱结构层。

2.如权利要求1所述的发光元件，其中该n型半导体层为n型氮化物半导体层，且该p型半导体层为p型氮化物半导体层。

3.如权利要求1所述的发光元件，其中该n型杂质包含硅、锗、锡、硫、及氧等元素中的至少一种元素。

4.如权利要求1所述的发光元件，其中该n型杂质的浓度介于5×10¹⁶～1×10¹⁹/cm³之间。

5.如权利要求1所述的发光元件，其中该第二区域包含多个半导体层，其中在最靠近该p型半导体层的半导体层并不掺杂该n型杂质。

6.如权利要求1所述的发光元件，其中该第一区域及该第二区域所掺杂的该n型杂质的浓度相同。

7.如权利要求1所述的发光元件，其中该n型杂质于越靠近该n型半导体层及越靠近该p型半导体层的掺杂浓度越高。

8.一种发光元件，包含：

n型半导体层；

p型半导体层；以及

发光层，位于该n型半导体层与该p型半导体层之间，包含靠近该n型半导体层的第一区域、靠近该p型半导体层的第二区域、及位于该第一区域与该第二区域间的中间区域；其中该第一区域、该第二区域、及中间区域由多个障壁层与多个阱层交错堆叠而成，且该多个障壁层中位于该第一区域及该第二区域中者掺杂有n型杂质，位于该中间区域中者则无该n型杂质，或具有浓度较该第一区域及该第二区域的浓度为低的该n型杂质。

9.如权利要求8所述的发光元件，其中该n型半导体层为n型氮化物半导体层，且该p型半导体层为p型氮化物半导体层。

10.如权利要求8所述的发光元件，其中该n型杂质包含硅、锗、锡、硫、及氧等元素中的至少一种元素。

11.如权利要求8所述的发光元件，其中该n型杂质的浓度介于5×10¹⁶～1×10¹⁹/cm³之间。

12.如权利要求8所述的发光元件，其中该第二区域包含多个障壁层，其中最靠近该p型半导体层的障壁层，并不掺杂该n型杂质。

13.如权利要求8所述的发光元件，其中该第一区域及该第二区域的各该障壁层所掺杂的该n型杂质的浓度相同。

14.如权利要求8所述的发光元件，其中该n型杂质于越靠近该n型半导体层与越靠近该p型半导体层的掺杂浓度越高。