CN101740668B - 发光元件 - Google Patents

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Abstract

本发明的主要目的是披露一种发光元件，包含半导体叠层，其中具有有源层，且此有源层是由多个量子阱层与多个垒层交错堆叠的多量子阱(multiple quantum well，MQW)结构，其多个垒层中至少有一掺杂垒层(dopedbarrier layer)与一未掺杂垒层(undoped barrier layer)。由此掺杂垒层可提高空穴的载流子迁移率，均匀化有源层中发光区域并提升发光元件的内量子效率(Internal Quantum Efficiency，IQE)。

Description

发光元件
技术领域
本发明涉及一种发光元件结构，特别是涉及有源层中具有至少一掺杂垒层与一未掺杂垒层的发光元件。
背景技术
发光二极管(light-emitting diode，LED)是光电元件中一种被广泛使用的光源。相较于传统的白炽灯泡或荧光灯管，发光二极管具有省电及使用寿命较长的特性，因此逐渐取代传统光源，而应用于各种领域，如交通号志、背光模块、路灯照明、医疗设备等。
图1A为已知的发光元件结构示意图，如图1A所示，已知的发光元件100包含基板10、位于基板10上的半导体叠层12，以及位于半导体叠层12上的电极14，其中半导体叠层12由上而下至少包含p型半导体层120、有源层122，以及n型半导体层124；此外，在已知的发光元件100中，其有源层122为多量子阱(Multiple Quantum Well，MQW)结构，所谓的“多量子阱结构”是指有源层122是由多个量子阱层(quantum well layer)126与多个垒层128(barrier layer)交错堆叠的区域。
发光二极管100的发光原理是通过电子与空穴分别由n型半导体层124与p型半导体层120注入有源层122中，电子e与空穴h在有源层122中的量子阱层126复合并以光的形式释放出能量。图1B为已知发光二极管的能隙(bandgap)及发光机制示意图，如图1B所示，由于空穴h的载流子迁移率(carrier mobility)较电子e的载流子迁移率小，已知发光二极管100中电子e与空穴h往往仅在较靠近p型半导体层120的量子阱层126复合(recombine)，是故，在有源层122中发光区域集中于靠近p型半导体124几个量子阱层126附近，造成有源层122中仅有少数结构能够发光。
发明内容
本发明的主要目的是披露发光元件，包含半导体叠层，其中半导体叠层具有有源层，此有源层还包含相邻交错堆叠的多个量子阱层与多个垒层，其中上述多个垒层中至少有一掺杂垒层(doped barrier layer)与一未掺杂垒层(undoped barrier layer)。
本发明的另一目的在于提供具有多量子阱结构有源层的发光元件，其中多量子阱结构中具有选择性p型掺杂的垒层，以提高空穴的载流子迁移率。
本发明的又一目的在于通过多量子阱结构中具有选择性p型掺杂的垒层提高空穴的载流子迁移率，使空穴均匀地分布于有源层中，由此增加多量子阱结构的发光区域并提升内量子效率。
附图说明
图1A为已知的发光元件结构示意图。
图1B为已知的发光元件能隙与发光原理示意图。
图2为本发明一实施例的结构示意图。
图3为本发明又一实施例的结构示意图。
图4为本发明再一实施例的结构示意图。
图5为本发明另一实施例的结构式意图。
图6为本发明另一实施例的结构式意图。
图7为本发明另一实施例的结构式意图。
图8为本发明实施例的能隙示意图。
附图标记说明
100：发光元件              10：基板
12：半导体叠层             120：p型半导体层
122：有源层                124：n型半导体层
126：量子阱层              128：垒层
14：电极                   200：发光元件
20：基板                   22：半导体叠层
220：第一导电型半导体层    222：有源层
224：第二导电型半导体层    226：量子阱层
228：垒层                  2280：外侧垒层
2282：内侧垒层             2282’：p型掺杂垒层
24：电极
具体实施方式
以下配合附图说明本发明的实施例。
图2与图3为本发明实施例的结构示意图。如图2所示，发光元件200包含基板20、位于基板20上的半导体叠层22，以及至少一电极24位于半导体叠层22上，其中上述的基板20可以为绝缘、导电、透明或吸光基板，其材料可以是金属、氧化锌(ZnO)、碳化硅(SiC)、蓝宝石(sapphire)、硅(silicon)、砷化镓(GaAs)或磷化镓(GaP)等材料，而上述的半导体叠层22的材料可以选自材料包含铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)、磷(P)、砷(As)或氮(N)等III/V族的半导体材料，诸如氮化镓(GaN)系列材料、磷化铝镓铟(AlGaInP)系列材料或砷化镓(GaAs)材料等；本实施例是以基板20为氧化锌导电透明基板而半导体叠层22为氮化镓系列材料进行说明。
上述半导体叠层22由上而下至少包含第一导电型半导体层220、有源层222，以及第二导电型半导体层224，其中此有源层222是由多个量子阱层(quantum well layer)226与多个垒层(barrier layer)228相邻且交错堆叠而形成的多量子阱(multiple quantum well)结构，其中量子阱层226的材料为氮化铟镓(InGaN)，而垒层228的材料则为氮化镓(GaN)。
上述的多个垒层228包含有最靠近第一导电型半导体层220与第二导电型半导体层224的外侧垒层2280，以及内侧垒层2282；于上述的内侧垒层2282中，任意挑选一个或多个内侧垒层进行掺杂，其掺杂物(impurity)为p型掺杂物，其材料可以是铍(Be)、镁(Mg)、钡(Ba)或碳(C)等材料。换言之，在本发明实施例中，内侧垒层2282至少包含一具有p型掺杂物的p型掺杂垒层2282’，且外侧垒层2280为未掺杂垒层(undoped barrier layer)。
如图2所示，在此实施例中，有源层222是以10对(pair)垒层228与量子阱层226相邻且交互堆叠而成的结构为例，在上述的垒层228中，可以选择位于有源层222中间的内侧垒层2282进行掺杂，换句话说，即是选择靠近第一导电型半导体层220算起的第5层垒层进行掺杂，以形成p型掺杂垒层2282’。
此外，本发明实施例亦可如图3所示，选择靠近第一导电型半导体层220算起的第3层与第7层的垒层228进行掺杂，以形成p型掺杂垒层2282’，使p型掺杂垒层2282’均匀地分布于有源层222中。
本发明的p型掺杂垒层2282’，除了可以如图2或图3所示，位于有源层222中间或均匀地分布于有源层222中外，亦可如图4与图5所示不均匀地分布于有源层222中。图4与图5为本发明另一实施例结构示意图，如图4所示，在内侧垒层2282中选择靠近第一导电型半导体层220的区域进行p型掺杂，使p型掺杂垒层2282’形成于靠近第一导电型半导体层220的区域。此外，亦可如图5所示，在内侧垒层2282中选择靠近第二导电型半导体层224的区域进行p型掺杂，使p型掺杂垒层2282’形成于靠近第二导电型半导体层224的区域。
不仅如此，在本发明所披露的发光元件200中，掺杂物除了能均匀地掺杂分布于p型掺杂垒层2282’中外，亦可将掺杂物集中于p型掺杂垒层2282’中特定的掺杂区域。图6与图7为本发明又一实施例结构示意图，如图6所示，本发明实施例是将杂质以δ掺杂(delta doping)的方法掺杂于p型掺杂垒层2282’中，使p型掺杂垒层2282’中形成未掺杂区域B包夹着掺杂区域A的结构；如图7所示，掺杂区域A位于p型掺杂垒层2282’中靠近相邻的量子阱层区域。
图8为本发明实施例的能隙示意图，如图8所示，p型掺杂垒层2282’提高了空穴h的迁移率，增加空穴h的注入量，使得空穴h能够较均匀地分布于有源层222中，由此使得电子e与空穴h复合(recombine)的区域较为均匀。
通过本发明所揭示的发光元件结构，能增加发光元件200的内部量子复合的机率，以提高内量子效率(internal quantum efficiency)以及发光元件的亮度。
以上所述的实施例仅为说明本发明的技术思想及特点，其目的在使本领域一般技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，当不能以的限定本发明的权利要求，即大凡依本发明所揭示的精神所作的等同变化或修饰，仍应涵盖在本发明的权利要求内。

Claims (12)

1.一种发光元件，至少包含第一导电型半导体层、有源层，以及第二导电型半导体层，其中该有源层是由多个量子阱层与多个垒层交错堆叠所组成的多量子阱结构，该多个垒层中至少包含p型掺杂垒层，且最靠近该第一导电型半导体层和该第二导电型半导体层的垒层为未掺杂垒层。
2.如权利要求1所述的发光元件，其中该p型掺杂垒层的掺杂物是铍、镁、钡或碳。
3.如权利要求2所述的发光元件，其中该掺杂物均匀地分布于该p型掺杂垒层中或分布于该p型掺杂垒层中的特定区域。
4.如权利要求3所述的发光元件，其中该p型掺杂垒层中的特定区域为靠近该量子阱层的部分。
5.如权利要求2所述的发光元件，其中该掺杂物以δ掺杂的方法掺杂于该p型掺杂垒层中。
6.如权利要求1所述的发光元件，其中该第一导电型半导体层、有源层与第二导电型半导体层的材料选自包含铝、镓、铟、氮、磷或砷的半导体物质。
7.一种发光元件，包含半导体叠层，其中该半导体叠层具有有源层，该有源层包含多个量子阱层与垒层交错堆叠所组成的多量子阱结构，其中该垒层包含两外侧垒层以及多个内侧垒层，其中该外侧垒层为未掺杂垒层，而该内侧垒层至少包含一p型掺杂垒层。
8.如权利要求7所述的发光元件，其中该p型掺杂垒层的掺杂物是铍、镁、钡或碳。
9.如权利要求8所述的发光元件，其中该掺杂物均匀地分布于该p型掺杂垒层中或分布于该p型掺杂垒层中的特定区域。
10.如权利要求9所述的发光元件，其中该p型掺杂垒层中的特定区域为靠近该量子阱层的部分。
11.如权利要求8所述的发光元件，其中该掺杂物以δ掺杂的方法掺杂于该p型掺杂垒层中。
12.如权利要求7所述的发光元件，其中该半导体叠层的材料选自包含铝、镓、铟、氮、磷或砷的半导体物质。 
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