CN101527341A - 三族氮化合物半导体发光二极管 - Google Patents
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Abstract
一种三族氮化合物半导体发光二极管，其包含一衬底、一缓冲层、一N型半导体材料层、一有源层及一P型半导体材料层。该有源层包含至少一量子阱层、至少两个夹设该量子阱层的阻障层及至少一个应力调整层，其中该应力调整层设于该量子阱层及一阻障层之间，且该应力调整层的三族氮化合物材料组成延该量子阱层朝向邻接该阻障层方向递变分布。
Description
技术领域
本发明涉及一种三族氮化合物半导体发光二极管，尤其涉及一种增进有源层光输出及光学效率的三族氮化合物半导体发光二极管及其制造方法。
背景技术
随着发光二极管元件被广泛应用于不同产品，近年来制作蓝光发光二极管的材料，已成为当前光电半导体材料重要的研发对象。目前蓝光发光二极管的材料有硒化锌(ZnSe)、碳化硅(SiC)及氮化铟镓(InGaN)等材料，这些材料都是宽能隙(band gap)的半导体材料，能隙大约在2.6eV以上。由于氮化镓系列是直接能隙(direct gap)的发光材料，因此可以产生高亮度的照明光线，且相较于同为直接能隙的硒化锌更有寿命长的优点。
图1(a)-图1(b)是美国第US 7,067,838号专利的发光二极管的剖面示意图。发光二极管10包含一蓝宝石衬底11、一缓冲层19、一N型接触层12、N型披覆(clad)层13、一有源层15、一P型堵塞层(block layer)16、一P型披覆层17及一P型接触层18，其中该有源层15包含一N型第一阻障层(barrierlayer)153、多个N型氮化铟镓阱层151及多个N型第二阻障层152。又该P型堵塞层16的能隙Egb、N型第二阻障层152的能隙Eg2、N型第一阻障层153的能隙Eg1及N型披覆层13与P型披覆层17的能隙Egc，需满足下列关系式：Egb＞Eg2＞Eg1＞Egc，如图1(b)所示。通过P型堵塞层16可阻挡来自P型半导体层的载子(carrier)，同样通过N型第一阻障层153可阻挡来自N型半导体层的载子(carrier)，如此就能局限有源层15中的电子与空穴，并增加电子与空穴的复合(recombination)率。然而此种结构相当复杂，从而增加量产的复杂度。
图2(a)是美国第US 6,955,933号专利的发光二极管的有源层的剖面示意图。发光二极管的有源层20包含量子阱层21、23及25及阻障层22、24及26，该量子阱层及阻障层由AlXInYGa1-X-YN的材料所形成，其中0≤X＜1、0≤Y＜1及X+Y≤1。又量子阱层及阻障层的材料组成渐层(渐大或渐小)改变，改变方向垂直于发光二极管中N型半导体层的表面。由于材料组成渐层改变，因此能隙在同一层中也呈现递变，如图2(b)所示。然而此种结构会改变有源层20的整体能隙变小，从而造成发光波长的变动。
图3是美国第US 6,936,638号专利的有源层的能阶图。有源层包含N型半导体层31、阻障层32、量子阱层33及P型半导体层34。该阻障层32包含具有N型掺杂物内层部分321及抗扩散膜322，又阻障层32的能隙大于量子阱层33的能隙。该抗扩散膜322可以防止N型掺杂物抗扩至量子阱层33中，如此可增进量子阱层33的光输出。此种有源层的能隙安排仍近似于传统多量子阱结构的设计，仅仅增加抗扩散膜322于公知阻障层及量子阱层之间。
图4是美国第US 7,106,090号专利的有源层的能阶图。有源层包含至少一量子阱层42及两夹设量子阱层42的阻障层41、43。该量子阱层42的能隙以阶梯状分布，其包含四个单层421～424，又铟的含量等差递增，也即单层424中铟的含量最高。相较于以往平坦状分布的量子阱层能隙，此种量子阱层能隙以阶梯状分布或前述递变分布均会使得有源层的整体能隙变小(参见美国第US 7,106,090号专利的图4)，从而改变发光的波长及其它特性。
综上所述，市场上急需要一种确保品质稳定及增进有源层光输出的发光二极管，从而能改善上述公知技术的各种缺点。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种具三族氮化合物半导体发光二极管，其有一应力调整层设于量子阱层及阻障层间，故可释放有源层中因晶格不匹配所造成的应力，从而提升量子阱层的光学效率(optical efficient)。
为达到上述目的，提供一种三族氮化合物半导体发光二极管，其包含一衬底、一形成于该衬底上的N型半导体材料层、一形成于该N型半导体材料层上的有源层及一形成于该量子阱层上的P型半导体材料层。该有源层包含至少一量子阱层、至少两个夹设所述量子阱层的阻障层及至少一个应力调整层，其中所述应力调整层设于所述量子阱层及其中的一阻障层之间，且所述应力调整层的三族氮化合物材料组成延所述量子阱层朝向所述阻障层方向递变分布。
所述应力调整层的三族氮化合物材料是AlXInYGa1-X-YN，而且0≤X＜1、0≤Y＜1及X+Y≤1，其中该Al(铝)、Ga(镓)及In(铟)的组成比例延所述量子阱层朝向邻接的所述阻障层方向递变分布。
该递变分布单调递增，又该单调递增由一线性直线或非线性曲线所表示。
该递变分布由一阶梯状增加折线所表示，其中该阶梯状增加折线采用等宽阶梯或非等宽阶梯的形式。
所述应力调整层是多层结构，各层可以由不同组成比例的三族氮化合物所形成。所述应力调整层是N型掺杂或非掺杂的三族氮化合物。
该发光二极管另包含一设于该衬底及该N型半导体材料层之间的缓冲层。还另包含一设于该有源层及该P型半导体材料层之间的电流堵塞层。
该有源层是一单量子阱结构或多量子阱结构。
为达到上述目的，还提供一种三族氮化合物半导体发光二极管，其包含一衬底、一N型半导体材料层、一有源层及一P型半导体材料层。该有源层形成于该N型半导体材料层上，包含至少一量子阱层、至少两个夹设该量子阱层的阻障层及至少一个应力调整层，其中所述应力调整层设于所述量子阱层阻障层及两个阻障层其中之一之间，其中所述应力调整层的能隙大于所述量子阱层的能隙，又所述应力调整层的能隙小于所邻接的所述阻障层的能隙，所述应力调整层的能隙延所述量子阱层朝向邻接的所述阻障层方向递变分布。该P型半导体材料层形成于所述量子阱层上。
为达到上述目的，还提供一种三族氮化合物半导体发光二极管，其包含一衬底、一N型半导体材料层、一有源层及一P型半导体材料层。该有源层形成于该N型半导体材料层上，包含至少一量子阱层、至少两个夹设该量子阱层的阻障层及至少两个应力调整层，其中所述应力调整层分别设于所述阻障层及量子阱层之间，又所述应力调整层的三族氮化合物材料组成延所述量子阱层朝向邻接的所述阻障层方向递变分布。该P型半导体材料层形成于所述量子阱层上。
在相同的电流密度下本发明发光二极管的光输出功率大于公知技术的发光二极管的光输出功率，因此有更佳的发光效率。
附图说明
图1(a)及图1(b)是美国第US 7,067,838号专利的发光二极管的剖面示意图；
图2(a)是美国第US 6,955,933号专利的发光二极管的有源层的剖面示意图；
图2(b)是美国第US 6,955,933号专利的有源层的能阶图；
图3是美国第US 6,936,638号专利的有源层的能阶图；
图4是美国第US 7,106,090号专利的有源层的能阶图；
图5是本发明三族氮化合物半导体发光二极管的剖面示意图；
图6(a)是本发明的单量子阱有源层的能阶图；
图6(b)是公知单量子阱有源层的能阶图；
图7(a)是本发明的单量子阱有源层的能阶图；
图7(b)是公知单量子阱有源层的能阶图；
图8～图11是本发明的单量子阱有源层的能阶图；
图12是本发明另一实施例三族氮化合物半导体发光二极管的剖面示意图；
图13(a)及图13(b)是本发明的多量子阱结构有源层的能阶图；
图14是本发明发光二极管的光输出功率的曲线图；以及
图15是本发明另一实施例三族氮化合物半导体发光二极管的剖面示意图。
其中，附图标记说明如下：
10发光二极管 11蓝宝石衬底
12N型接触层 13N型披覆层
15有源层 16P型堵塞层
17P型披覆层 18P型接触层
19缓冲层 20有源层
21、23、25量子阱层 22、24、26阻障层
31N型半导体层 32阻障层
33量子阱层 34P型半导体层
41、43阻障层 42量子阱层
50、120、150发光二极管
51衬底
52缓冲层 53N型半导体材料层
54、54′、54″有源层 56量子阱层
57电流堵塞层 58P型半导体材料层
151N型氮化铟镓阱层 152N型第二阻障层
153N型第一阻障层 321内层部分
322抗扩散膜 421～424单层
541第一阻障层 542第二阻障层
551第一应力调整层
552第二应力调整层
591P型电极层 592N型电极层
551″应力调整层
具体实施方式
图5是本发明三族氮化合物半导体发光二极管的剖面示意图。三族氮化合物半导体发光二极管50包含一衬底51、一缓冲层52、一N型半导体材料层53、一有源层54、一电流堵塞层57及一P型半导体材料层58。有源层54包含至少一量子阱层56及两个夹设该量子阱层56的第一阻障层541及第二阻障层542。另外，有源层54还包含第一应力调整层551及第二应力调整层552，该第一应力调整层551设于第一阻障层541及量子阱层56之间，又该第二应力调整层552设于第二阻障层542及量子阱层56之间。在N型半导体材料层53还设有一N型电极层592，及在P型半导体材料层58还设有一P型电极层591。
所述两个应力调整层551及552的三族氮化合物材料组成分别延该量子阱层56朝向邻接该阻障层541或542方向递变分布，该材料可以是N型掺杂或非掺杂的三族氮化合物，例如：AlXInYGa1-X-YN，而且0≤X＜1、0≤Y＜1及X+Y≤1，其中铝、镓或铟的组成比例沿厚度方向而递变分布。可选择该应力调整层的厚度大于该量子阱层56的厚度，但小于该阻障层的厚度。当然，所述两个应力调整层551及552也可是多层不同组成比例的三族氮化合物。
图6(a)是本发明的单量子阱有源层的能阶图。上方曲线是有源层54的导电带(Conduction Band；Ec)能阶变化，又下方曲线是有源层54的价电带(Valence Band；Ev)能阶变化，该Ec与Ev之间的能量间隔称为能隙Eg。第一应力调整层551的能隙大于该量子阱层56的能隙，又第一应力调整层551的能隙小于所邻接的第一阻障层541的能隙。该第一应力调整层551的能隙延着量子阱层56朝向第一阻障层541方向递变分布，本实施例中第一应力调整层551的能隙是朝向第一阻障层541方向单调递增的直线。
有源层54的直接能隙差Eg1等于导电带偏差ΔEc1与价电带偏差ΔEv1的总和，即Eg1＝ΔEc1+ΔEv1。参见图6(b)，并相较于公知有源层，则可发现：ΔEc1＞ΔEc2及ΔEv1＞ΔEv2。因此本发明有源层54的直接能隙差可以大于公知有源层的直接能隙差，也即Eg1＜Eg2，故可发出波长更长的光线，此为前述各现有技术所无法达成的。
图7(a)是本发明的单量子阱有源层的能阶图。第一应力调整层551的能隙是朝向第一阻障层541方向仍为单调递增的直线，但量子阱层56的能隙与第一应力调整层551相邻处的能隙不连续且较小。参见图6(b)，并相较于公知有源层，则可发现：ΔEc1＝ΔEc2及ΔEv1＝ΔEv2。因此本发明有源层54的直接能隙差可以等于公知有源层的直接能隙差，也即Eg1＝Eg2，故可发出波长相同的光线，前述各现有技术大多仅能产生波长较短的光线。
因考虑外延成长的控制有时并非线性关系，故图7(a)中第一应力调整层551的能隙是朝向第一阻障层541方向为单调递增的曲线，但仍可达到图6(a)中相同的发光特性。
相较于图7(a)，图9中第一应力调整层551及第二应力调整层552的能隙变化关系由线性改为非线性，但仍可达到图7(a)中相同的发光特性。
相较于图6(a)，图10中第一应力调整层551及第二应力调整层552的能隙变化由原先单调递增的斜线改为阶梯状增加的折线，但仍可达到图6(a)中相同的发光特性。在此实施例中，第一应力调整层551及第二应力调整层552可以是多层结构，每一层可以由不同组成比例的三族氮化合物所形成。
同样地，图11中第一应力调整层551及第二应力调整层552的能隙变化也由原先单调递增的斜线改为阶梯状增加的折线，只是将图10中等宽阶梯改为非等宽阶梯，但仍可达到图7(a)中相同的发光特性。
图12是本发明三族氮化合物半导体发光二极管的剖面示意图。相较于图5，此实施例中三族氮化合物半导体发光二极管120是多量子阱结构，其有源层54′包含三个量子阱层56，各量子阱层56分别被第一应力调整层551及第二应力调整层552所夹设，又第一阻障层541及第二阻障层542夹设于第一应力调整层551及第二应力调整层552的外部。两个叠层至三十叠层(本实施例是三叠层)的多层量子阱叠层结构均可导入本发明的实施形式，其中又以六层至十八层的叠层结构为优选。
图13(a)及图13(b)是本发明的多量子阱结构有源层的能阶图。此与现有单量子阱结构有源层相似，仅是三个量子阱叠层连续相接，此实施例的说明可分别参见图6(a)及图7(a)的相关叙述。
图14是本发明发光二极管的光输出功率的曲线图。在相同的电流密度下本发明发光二极管的光输出功率显然大于公知技术的发光二极管的光输出功率，因此有更佳的发光效率。
图15是本发明另一实施例三族氮化合物半导体发光二极管的剖面示意图。三族氮化合物半导体发光二极管150包含一衬底51、一缓冲层52、一N型半导体材料层53、一有源层54″、一电流堵塞层57及一P型半导体材料层58。有源层54″包含至少一量子阱层56及两个夹设该量子阱层56的第一阻障层541及第二阻障层542。另外，有源层54″还包含应力调整层551′，该应力调整层551′设于第一阻障层541及量子阱层56之间(或设于第二阻障层542及量子阱层56之间)。在N型半导体材料层53还设有一N型电极层592，及在P型半导体材料层58还设有一P型电极层591。
相较于图5，本实施例的差异在于形成一应力调整层于量子阱层与一相邻接的阻障层之间，而非两个应力调整层分别形成于量子阱层与各相邻接的阻障层之间。优选的方式是如图5所示，将两个应力调整层分别位于量子阱层的两侧，并分别夹设于量子阱层与各相邻接的阻障层之间。然而所属领域的技术人员由上述各实施例应能理解本发明的应力调整层可以是一层、两层或是两层以上，其位置可选择设于量子阱层的两侧或仅单侧。
本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而所属领域的技术人员仍可能基于本发明的教导及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修改。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所揭示的范围，而应包括各种不背离本发明的替换及修改，并为所附的权利要求书范围所涵盖。
Claims (15)
1.一种三族氮化合物半导体发光二极管，包含：
一衬底；
一N型半导体材料层，形成于该衬底上；
一有源层，形成于该N型半导体材料层上，包含至少一量子阱层、至少两个夹设所述量子阱层的阻障层及至少一个应力调整层，其中所述应力调整层设于量子阱层及所述两个阻障层其中之一之间，并且所述应力调整层的三族氮化合物材料组成延所述量子阱层朝向邻接的所述阻障层方向递变分布；以及
一P型半导体材料层，形成于所述量子阱层上。
2.一种三族氮化合物半导体发光二极管，包含：
一衬底；
一N型半导体材料层，形成于该衬底上；
一有源层，形成于该N型半导体材料层上，包含：
至少一量子阱层；
至少两个夹设该量子阱层的阻障层；及
至少一个应力调整层，所述应力调整层设于所述量子阱层阻障层及两个阻障层其中之一之间；
其中所述应力调整层的能隙大于所述量子阱层的能隙，并且所述应力调整层的能隙小于所邻接的所述阻障层的能隙，所述应力调整层的能隙延所述量子阱层朝向邻接的所述阻障层方向递变分布；以及
一P型半导体材料层，形成于所述量子阱层上。
3.一种三族氮化合物半导体发光二极管，包含：
一衬底；
一N型半导体材料层，形成于该衬底上；
一有源层，形成于该N型半导体材料层上，包含至少一量子阱层、至少两个夹设该量子阱层的阻障层及至少两个应力调整层，其中所述两个应力调整层分别设于所述阻障层及量子阱层之间，并且所述应力调整层的三族氮化合物材料组成延所述量子阱层朝向邻接的所述阻障层方向递变分布；以及
一P型半导体材料层，形成于所述量子阱层上。
4.根据权利要求1，2或3的三族氮化合物半导体发光二极管，其中所述应力调整层的三族氮化合物材料是AlXInYGa1-X-YN，而且0≤X＜1、0≤Y＜1及X+Y≤1。
5.根据权利要求4的三族氮化合物半导体发光二极管，其中该Al、Ga及In的组成比例延所述量子阱层朝向邻接的所述阻障层方向递变分布。
6.根据权利要求1，2或3的三族氮化合物半导体发光二极管，其中该递变分布单调递增。
7.根据权利要求6的三族氮化合物半导体发光二极管，其中该单调递增由一线性直线或非线性曲线所表示。
8.根据权利要求1，2或3的三族氮化合物半导体发光二极管，其中该递变分布由一阶梯状增加折线所表示。
9.根据权利要求8的三族氮化合物半导体发光二极管，其中该阶梯状增加折线采用等宽阶梯或非等宽阶梯的形式。
10.根据权利要求1，2或3的三族氮化合物半导体发光二极管，其中所述应力调整层是多层结构，各层可以由不同组成比例的三族氮化合物所形成。
11.根据权利要求1，2或3的三族氮化合物半导体发光二极管，其中所述应力调整层是N型掺杂或非掺杂的三族氮化合物。
12.根据权利要求1，2或3的三族氮化合物半导体发光二极管，其中所述应力调整层的厚度大于所述量子阱层的厚度，但小于所述阻障层的厚度。
13.根据权利要求1，2或3的三族氮化合物半导体发光二极管，其另包含一设于该衬底及该N型半导体材料层之间的缓冲层。
14.根据权利要求1，2或3的三族氮化合物半导体发光二极管，其另包含一设于该有源层及该P型半导体材料层之间的电流堵塞层。
15.根据权利要求1，2或3的三族氮化合物半导体发光二极管，其中该有源层是一单量子阱结构或多量子阱结构。
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