CN102655196A - 氮化物系半导体发光结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氮化物系半导体发光结构，其发光主波长介于500至540纳米之间，其包含P型氮化物系半导体层、N型氮化物系半导体层及氮化物系半导体主动层。所述的氮化物系半导体主动层形成于P型氮化物系半导体层及N型氮化物系半导体层之间。此外，氮化物系半导体主动层包含复数对量子井结构，每一对量子井结构堆栈成为夹层状。再者，每一对量子井结构包含一井层及一阻障层，其中每一阻障层的厚度介于10至25纳米之间。
Description
技术领域
本发明涉及以氮化物半导体作为发光层材料所构成的发光二极管及雷射二极管等氮化物半导体发光组件，特别涉及主动层包含复数对量子井结构，且其发光主波长为介于500至540纳米的氮化物系半导体发光结构。
背景技术
众所周知的发光二极管(light-emitting diode，LED)的发光原理是利用电子在N型半导体与P型半导体间移动的能量差，以光的形式将能量释放，这样的发光原理有别于白炽灯发热的发光原理，因此发光二极管被称为冷光源。此外，发光二极管具有高耐久性、寿命长、轻巧、耗电量低等优点，故其需求量及重要性亦日渐提升。
现有技术的发光二极管包含一基板、一位于基板之上的N型氮化物系半导体、一氮化物系半导体主动层以及P型氮化物系半导体层，由下而上堆栈而成。
目前，氮化物系半导体通过金属有机化学气相淀积(MOCVD)、分子束磊晶或相似技术成长于基板上，而所述的基板可为蓝宝石(α-Al2O3单晶)、任一种氧化物的单晶或III-V族化合物半导体单晶。一般而言，上述N型氮化物系半导体是以掺杂N型离子(例如Si离子)的方式而成；P型氮化物系半导体是以掺杂P型离子(例如Mg离子)的方式而成；氮化物系半导体主动层具有包含阻障层与井层的多量子井结构。
业界人士常使用井层(InGaN)/阻障层(GaN)的多量子井结构来作为蓝光或绿光LED的主动层。然而，由于绿光的波长较蓝光长，绿光LED中In含量因此较高，遂导致磊晶过程中产生较大的应力(stress)。而且绿光LED需较厚的阻障层以释放多余的应力，但却也因此降低了磊芯片的产出速度。
鉴于绿光LED的需求逐渐增加，同时为了增加产出速度并兼顾发光效率，本发明人研发一种改良式的薄化氮化物系半导体发光结构不但有效提高生产速度，更可改善多余应力残留的问题，同时通过减少磊晶缺陷，并达到发光效率提高的功效。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种氮化物系半导体发光结构，其发光主波长介于500至540纳米之间，该氮化物系半导体发光结构的特征在于氮化物系半导体主动层包含复数对量子井结构，并且每一对量子井结构包含一井层及一阻障层，其中每一个阻障层的厚度介于10至25纳米之间。
根据本发明的上述目的，发明人提出一种氮化物系半导体发光结构，其包含：一P型氮化物系半导体层、一N型氮化物系半导体层及一氮化物系半导体主动层。其中，氮化物系半导体主动层系形成于P型氮化物系半导体层及N型氮化物系半导体层之间。进一步，氮化物系半导体主动层包含复数对量子井结构(MQW，Multi-Quantum Well)，每一对量子井结构堆栈成为夹层状。此外，每一对量子井结构包含一井层(well layer)及一阻障层(barrier layer)，所述阻障层的带隙大于井层的带隙。
本发明的氮化物系半导体发光结构包含4至15对量子井结构，多个井层及阻障层彼此重复交互堆栈而成。靠近N型氮化物系半导体层的至少两对量子井结构定义为非发光区；其余的多对量子井结构则定义为发光区。其中，非发光区的多对量子井结构的阻障层厚度大于发光区的多对量子井结构的阻障层厚度5至10纳米。该非发光区的该多对量子井结构的阻障层厚度介于15至25纳米之间，较佳则介于18至23纳米之间。并且，该发光区的该多对量子井结构的阻障层厚度介于10至20纳米之间，较佳则介于11至16纳米之间。总之，本发明的氮化物系半导体主动层包含发光区和非发光区，由于非发光区的阻障层较厚，方能有效地减低磊晶制程中所产生的多余应力。
更具体而言，发光区及非发光区皆包含至少两对量子井结构。其中，发光区及非发光区的井层的组成成分为氮化镓铟(组成化学式：GaYInZN，0≤Y，Z≤1，Y+Z＝1)，而阻障层的组成成分为氮化镓(GaN)。然而，发光区与非发光区之间的差异不仅在于阻障层的厚度不同，另一方面，非发光区的井层还不掺杂离子。这样，电子和电洞不易在非发光区中复合，多数电子和电洞集中在发光区中复合，并以光子的模式释放出能量而产生光，用以有效地提高发光效率。
此外，本发明还提供一种氮化物系半导体发光结构，其特征在于，P型氮化物系半导体层及N型氮化物系半导体层中不含铝。
根据本发明优选实施样态，本发明的氮化物系半导体发光结构包含一基材及一缓冲层(Buffer layer)，其中，缓冲层形成于基材表体上，且N型氮化物系半导体层形成于缓冲层表体上。因此可利用缓冲层降低基材与氮化镓磊晶层因晶格差异所造成的应力，以使磊晶缺陷减少，同时还可提升发光效果。
根据本发明优选实施样态，本发明的氮化物系半导体发光结构包含一基材、一缓冲层及一未掺杂的氮化物系半导体层，其中，缓冲层形成于基材表体上，未掺杂的氮化物系半导体层形成于缓冲层表体上，且N型氮化物系半导体层形成于未掺杂的氮化物系半导体层表体上。当然，该N型氮化物系半导体层也可直接形成于基材表体上。
本发明的基材可为蓝宝石基板、碳化硅(SiC)基板、硅(Si)基板、砷化镓(CaAs)基板、偏铝酸锂(LiAlO2)基板、镓酸锂(LiGaO2)基板、氮化镓基板或氮化铝(AlN)基板。
由于实施了上述技术方案，本发明的氮化物系半导体发光结构具有如下特点及有益效果：
(1)本发明的氮化物系半导体发光结构，发光主波长介于500至540纳米，其中氮化物系半导体主动层包含非发光区与发光区，非发光区的阻障层厚度大于发光区的阻障层厚度5至10纳米；
(2)本发明的氮化物系半导体发光结构，其中P型氮化物系半导体层及N型氮化物系半导体层不含铝；
(3)本发明的氮化物系半导体发光结构，其中非发光区的多对量子井结构能够使得磊晶制程中产生的多余应力得以释放。
附图说明
图1为本发明的氮化物系半导体发光结构第一实施例的示意图；
图2为本发明的氮化物系半导体发光结构第二实施例的示意图。
结合附图在其上标记以下附图标记：
1-基材；2-N型氮化物系半导体层；3-氮化物系半导体主动层；300-量子井结构；31-非发光区；32-发光区；312、314、322、324、326-井层；311、313、321、323、325、327-阻障层；4-P型氮化物系半导体层；5-电极；6-缓冲层；7-未掺杂的氮化物系半导体层。
具体实施方式
以下将参照上述相关附图，说明依本发明的氮化物系半导体发光结构的实施例，为便于理解，下述实施例中的相同组件以相同的符号标示来说明。
图1、图2分别为本发明的氮化物系半导体发光结构第一实施例的示意图及本发明的氮化物系半导体发光结构第二实施例的示意图。第一实施例所述的氮化物系半导体主动层3形成于P型氮化物系半导体层4及N型氮化物系半导体层2之间，其发光主波长介于500至540纳米之间。另外，本发明与现有技术的差异还在于P型氮化物系半导体层4及N型氮化物系半导体层2不含铝。此外，氮化物系半导体主动层3包含复数对量子井结构300，每一对量子井结构300堆栈成为夹层状，在此仅以五对量子井结构300为例，但并非具限制性。靠近N型氮化物系半导体层2的至少两对量子井结构定义为非发光区31，其余的多对量子井结构300则定义为发光区32。换言之，发光区32与非发光区31均为多对量子井结构300，每一对量子井结构300各包含一井层312、314、322、324、326以及一阻障层311、313、321、323、325、327，而所述阻障层311、313、321、323、325、327的带隙大于井层312、314、322、324、326的带隙，且每一阻障层311、313、321、323、325、327的厚度介于10至25纳米之间。
总而言之，本发明的氮化物系半导体发光结构包含数量为4至15对的量子井结构300，多个井层312、314、322、324、326及阻障层311、313、321、323、325、327彼此重复交互堆栈而成。其中，非发光区31的的多对量子井结构300的阻障层311、313的厚度大于发光区32的多对量子井结构300的阻障层321、323、325、327的厚度5至10纳米。同时，该非发光区31的该多对量子井结构300的阻障层311、313的厚度介于15至25纳米之间，较佳则介于18至23纳米之间。并且，该发光区32的该多对量子井结构300的阻障层321、323、325、327的厚度介于10至20纳米之间，较佳则介于11至16纳米之间。总之，本发明的氮化物系半导体主动层3包含发光区32和非发光区31，由于非发光区31的阻障层311、313较厚，能有效地减低磊晶制程中所产生的多余应力。
更具体而言，发光区32及非发光区31皆包含至少两对量子井结构300。其中，发光区32及非发光区31的井层312、314、322、324、326的组成成分为氮化镓铟(组成化学式：GaYInZN，0≤Y，Z≤1，Y+Z＝1)，而阻障层311、313、321、323、325、327的组成成分为氮化镓(GaN)。然而，发光区32与非发光区31之间的差异不仅在于阻障层311、313、321、323、325、327的厚度不同，另一方面，非发光区31的井层312、314还不掺杂离子。这样，电子和电洞不易在非发光区31中复合，多数电子和电洞集中在发光区32中复合，并以光子的模式释放出能量而产生光，用以有效的提高发光效率。
进一步如图2所示，本发明的氮化物系半导体发光结构还包含一基材1、一缓冲层6以及一未掺杂的氮化物系半导体层7。其中，缓冲层6形成于基材1表体上，同时在缓冲层6上形成未掺杂的氮化物系半导体层7，最后在未掺杂的氮化物系半导体层7上依序形成N型氮化物系半导体层2、氮化物系半导体主动层3及P型氮化物系半导体层4。该缓冲层6可缓冲基材1和半导体层间的晶格差异，以使磊晶的效果得以提升。
综上所述，依据本发明的主要技术特征的实施样态不仅只在于此两个实施例，以上所述仅为最佳实施例的公开，而非用以限定本发明。任何未脱离本发明的精神与范畴，而进行的等效修改或变更，均应包含于本发明的专利保护范围中。
Claims (10)
1.一种氮化物系半导体发光结构，包含：
一P型氮化物系半导体层；
一N型氮化物系半导体层；以及
一氮化物系半导体主动层，其形成于该P型氮化物系半导体层及该N型氮化物系半导体层之间，其特征在于，该氮化物系半导体主动层包含复数对量子井结构，该复数对量子井结构的发光主波长介于500至540纳米之间，且每一该复数对量子井结构包含一井层及一阻障层，该阻障层厚度介于10至25纳米之间。
2.如权利要求1所述的氮化物系半导体发光结构，其特征在于，该氮化物系半导体主动层的该复数对量子井结构的数量为4至15对。
3.如权利要求2所述的氮化物系半导体发光结构，其特征在于，该复数对量子井结构中靠近该N型氮化物系半导体层的至少两对为非发光区，其余的该复数对量子井结构为发光区，该非发光区的该复数对量子井结构的该阻障层厚度大于该发光区的该复数对量子井结构的该阻障层厚度5至10纳米。
4.如权利要求3所述的氮化物系半导体发光结构，其特征在于，该发光区的该复数对量子井结构的该阻障层厚度介于10至20纳米之间。
5.如权利要求4所述的氮化物系半导体发光结构，其特征在于，该发光区的该复数对量子井结构的该阻障层厚度介于11至16纳米之间。
6.如权利要求3所述的氮化物系半导体发光结构，其特征在于，该非发光区的该复数对量子井结构的该阻障层厚度介于15至25纳米之间。
7.如权利要求6所述的氮化物系半导体发光结构，其特征在于，该非发光区的该复数对量子井结构的该阻障层厚度介于18至23纳米之间。
8.如权利要求1所述的氮化物系半导体发光结构，其特征在于，该N型氮化物系半导体层、该P型氮化物系半导体层以及该氮化物系半导体主动层均不含铝。
9.如权利要求1所述的氮化物系半导体发光结构，其特征在于，还包含一基材及一缓冲层，该缓冲层形成于该基材表体上，且该N型氮化物系半导体层形成于该缓冲层表体上。
10.如权利要求9所述的氮化物系半导体发光结构，其特征在于，还包含一未掺杂的氮化物系半导体层，其位于该缓冲层与该N型氮化物系半导体层之间。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| TR01 | Transfer of patent right |