CN103199163B - 发光二极管装置 - Google Patents

Abstract

一种发光二极管，包含至少一个发光二极管单元。每一个发光二极管单元包含至少一个发光二极管，其包含第一掺杂层、第二掺杂层及导电缺陷层。其中，导电缺陷层形成于第一或第二掺杂层上。导电缺陷层可位于两个迭加发光二极管之间，或者位于第一/第二掺杂层与电极之间。

Description

发光二极管装置

技术领域

本发明涉及一种发光二极管装置，特别是涉及一种具缺陷层的发光二极管装置。

背景技术

为了提升发光二极管(LED)的发光效率，方法之一是使用穿隧接面(tunneljunction)将两个或多个发光二极管迭加起来。迭加发光二极管比单一发光二极管放射更多的光线，因而提高了亮度。使用穿隧接面还可强化电流的分散(spreading)，使得主动层内更多的载子可进行再结合(recombination)。此外，迭加发光二极管比同样数目的单一发光二极管具有较少的电极接触，不但可节省空间，而且可降低所造成的电致迁移(electromigration)问题。

传统形成穿隧接面的方法之一是使用重掺杂技术，如美国专利第6,822,991号，题为“含有穿隧接面的发光装置(LightEmittingDevicesIncludingTunnelJunctions)”。由于穿隧距离通常很短，因此，使用重掺杂技术较难达到所要的穿隧接面。再者，重掺杂也可能影响到邻近层级的掺杂浓度。

传统形成穿隧接面的另一方法是使用极化(polarization)技术，如美国专利第6,878,975号，题为“极化场增强之穿隧结构(PolarizationFieldEnhancedTunnelStructures)”。此种方法需要较复杂的工艺控制，而且会限制材质使用的选择性。

提升发光二极管的发光效率的另一方法是在发光二极管的电极处形成欧姆接触(ohmiccontact)。传统形成欧姆接触的方法之一是使用重掺杂技术，此方法的缺点会影响到邻近层级的掺杂浓度。

因此，亟需提出一种新颖的发光二极管结构，用以解决上述的问题。

发明内容

鉴于上述，本发明实施例的目的之一在于提出一种发光二极管装置，其使用导电缺陷层以形成穿隧接面或者欧姆接触，以提升发光二极管的发光效率。相较于传统发光二极管，本发明实施例使用较简单的工艺及架构来形成穿隧接面或欧姆接触，不但能改善发光效率且不会引发其它问题。

根据本发明实施例之一，发光二极管包含第一发光二极管、第二发光二极管及导电缺陷层。其中，导电缺陷层位于该第一发光二极管与该第二发光二极管之间，作为穿隧接面，藉以将第一发光二极管与第二发光二极管迭加在一起。

根据本发明另一实施例，发光二极管包含第一掺杂层、第二掺杂层、导电缺陷层及至少一个电极。其中，导电缺陷层位于第一/第二掺杂层与电极之间，藉以形成欧姆接触。

附图说明

图1显示本发明第一实施例的发光二极管装置的剖面简化示意图。

图2A显示图1的第一发光二极管及第二发光二极管为同质接面结构的剖面示意图。

图2B显示图1的第一发光二极管及第二发光二极管为异质接面结构的剖面示意图。

图3显示图2B的第二掺杂层与导电缺陷层的晶格示意图。

图4显示本发明第二实施例的剖面示意图。

图5显示发光二极管装置的立体示意图。

主要组件符号说明

11第一发光二极管

111n型掺杂层

112p型掺杂层

113第一掺杂层

114主动层

115第二掺杂层

116共价键

117第一电极

12导电缺陷层

121共价键

122悬键

13第二发光二极管

131n型掺杂层

132p型掺杂层

133第一掺杂层

134主动层

135第二掺杂层

136第二电极

20发光二极管单元

22焊线

24基板

25第一电极

27第二电极

29电源供应器

41n型掺杂层

42主动层

43p型掺杂层

44导电缺陷层

45p型电极

46n型电极

具体实施方式

图1显示本发明第一实施例的发光二极管装置的剖面简化示意图。发光二极管装置包含至少一各发光二极管单元，而每一个发光二极管单元包含迭加(stack)在一起的第一发光二极管11(LED1)与第二发光二极管13(LED2)，两者之间形成有一导电缺陷(defect)层12，用以作为穿隧接面(tunneljunction)，其具有低阻抗及低光损失(opticalloss)。其中，第一发光二极管11的顶部面向第二发光二极管13的底部。本实施例虽以迭加的两个发光二极管作为例示，然而，本实施例可扩展应用于两个以上的发光二极管的迭加。

图1所示的第一发光二极管11及第二发光二极管13可以为同质接面(homojunction)结构或者为异质接面(heterojunction)结构。图2A显示当第一发光二极管11及第二发光二极管13为同质接面结构的剖面示意图。第一发光二极管11主要包含n型掺杂层111及p型掺杂层112，该二层的材质相同，因此具有相同的能隙(energygap)。p型掺杂层112与n型掺杂层111之间会形成p-n接面。类似的情形，第二发光二极管13主要包含n型掺杂层131及p型掺杂层132。第一电极117位于n型掺杂层111上，而第二电极136位于p型掺杂层132上。

图2B显示当第一发光二极管11及第二发光二极管13为异质接面结构的剖面示意图。在部分范例中，第一发光二极管或第二发光二极管为三族氮化物(group-IIInitride)发光二极管。第一发光二极管11主要包含第一掺杂层113、主动(active)层114及第二掺杂层115。第一掺杂层/第二掺杂层113/115与主动层114使用不同材质，因此具有相异的能隙。藉此，载子可被局限于主动层114所形成的井区(well)。在部分范例中，第一掺杂层113为n型掺杂层(例如氮化镓(GaN))，主动层114为氮化铟镓(InGaN)，而第二掺杂层115为p型掺杂层(例如氮化镓(GaN))。类似的情形，第二发光二极管13主要包含第一掺杂层133、主动层134及第二掺杂层135。第一电极117位于第一掺杂层113上，而第二电极136位于第二掺杂层135上。由于异质接面结构的发光二极管为目前的主流，因此以下实施例的说明将以图2B作为例示。图2A及图2B所显示的剖面结构仅为简化示意图，可依实际应用情形在所示层级之间额外插入一个或多个层级。

在部分范例中，第一发光二极管11的主动层114与第二发光二极管13的主动层134可使用相同的材质，因而得以发射相同波长的光线。在部分范例中，第一发光二极管11的主动层114与第二发光二极管13的主动层134可使用不同的材质，因而得以发射不同波长的光线。相关细节可参考美国专利第6822991号，题为“含穿隧接面的发光二极管装置(LightEmittingDeviceIncludingTunnelJunctions)”，其内容视为本说明书的一部份。

在部分范例中，导电缺陷层12可使用磊晶技术形成于第一发光二极管11的顶部，例如第二掺杂层115的上表面。在部分范例中，导电缺陷层12提升缺陷密度至其成长面缺陷密度的5倍以上，藉由高缺陷密度提供导电的效果；在部分范例中，导电缺陷层12提升缺陷密度至其成长面缺陷密度的2个数量级以上。在部分范例中，导电缺陷层12的材质可为氮化硅(SiN)、金属(例如：镓(Ga)、铝(A1)、铟(In)...等)、碳化硅(SiC)或硅(Si)，但不以此为限。导电缺陷层12的厚度可为数纳米(nm)至数十纳米之间。在部分范例中，导电缺陷层12的厚度小于或等于100纳米(nm)。

在部分范例中，导电缺陷层12与第二发光二极管13之间还包含一缓冲层(未显示于图中)，缓冲层邻接导电缺陷层12，且降低缺陷密度至其成长面缺陷密度的5分之1以下。在部分范例中，缓冲层降低缺陷密度至其成长面缺陷密度的2个数量级以下。在部分范例中，缓冲层的厚度大于或等于10纳米。在部分范例中，缓冲层的厚度约为数百个纳米。另外，导电缺陷层12的缺陷密度可为10⁷～10²¹/立方厘米。

图3显示第二掺杂层115与导电缺陷层12的晶格示意图。第二掺杂层115的晶格之间以共价键(covalentbond)116相连结，导电缺陷层12的晶格之间也以共价键121相连结。由于第二掺杂层115与导电缺陷层12的晶格常数不同，造成两者之间的晶格不匹配(mismatch)，因此第二掺杂层115与导电缺陷层12之间会形成悬键(danglingbond)122而非共价键。组成悬键122的电子比较不受到原子核的约束而形成自由电子，因而增加导电缺陷层12的极性，藉以形成第一发光二极管11与第二发光二极管13之间的穿隧接面。

本实施例的导电缺陷层12的形成除了使用磊晶技术外，还可使用其它技术。例如，对第一发光二极管11的顶部(例如第二掺杂层115的上表面)施以布值(implantation)工艺，撞击(impact)第二掺杂层115的上表面以形成导电缺陷层12。

图4显示本发明第二实施例的剖面示意图。如前所述，发光二极管可为同质接面结构或者异质接面结构，如图2A或图2B所示。在部分范例中，发光二极管为三族氮化物(group-IIInitride)发光二极管。在本实施例中，发光二极管主要包含n型掺杂层41、主动层(或p-n接面)42及p型掺杂层43。在本实施例中，形成导电缺陷层44于p型掺杂层43或/且n型掺杂层41的表面，再于导电缺陷层44的表面分别形成p型电极45或n型电极46。藉此，p型掺杂层43与p型电极45之间可形成欧姆接触(ohmiccontact)，使其电压-电流的关系为线性。类似的情形，n型掺杂层41与n型电极46之间也可形成欧姆接触。

在本实施例中，导电缺陷层44可使用磊晶技术形成于p型掺杂层43的表面或/且n型掺杂层41的表面。类似于前述第一实施例，导电缺陷层44提升缺陷密度至其成长面缺陷密度的5倍以上，藉由高缺陷密度提供导电的效果；在部分范例中，导电缺陷层44提升缺陷密度至其成长面缺陷密度的2个数量级以上。在部分范例中，导电缺陷层44的材质可为氮化硅(SiN)、金属(例如：镓(Ga)、铝(A1)、铟(In)...等)、碳化硅(SiC)或硅(Si)，但不以此为限。导电缺陷层44的厚度可为数纳米(nm)至数十纳米之间。在部分范例中，导电缺陷层44的厚度小于或等于100纳米(nm)。

在部分范例中，导电缺陷层44与p型掺杂层43的表面和/或n型掺杂层41的表面之间还包含一缓冲层(未显示于图中)，缓冲层邻接导电缺陷层44，且降低缺陷密度至其成长面缺陷密度的5分之1以下。在部分范例中，缓冲层降低缺陷密度至其成长面缺陷密度的2个数量级以下。在部分范例中，缓冲层的厚度大于或等于10纳米。在部分范例中，缓冲层的厚度约为数百个纳米。另外，导电缺陷层44的缺陷密度可为10⁷～10²¹/立方厘米。

图5显示发光二极管装置的立体示意图，其包含多个发光二极管单元20，以数组型式排列于基板24上，因此，图5所示的发光二极管装置又称为发光二极管数组。相邻发光二极管20的第一电极25及第二电极27藉由焊线22或内联机而电性连结，因而形成一串联序列。位于串联序列的最前端的发光二极管与最后端的发光二极管，未与其它发光二极管20连接的第一电极25及第二电极27分别连接至电源供应器29的两端。图5所示的发光二极管单元20可以是第一实施例(图1)的垂直迭加发光二极管，也可以是第二实施例(图4)的单一发光二极管。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并非用以限定本发明；凡其它未脱离发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在权利要求所限定的范围内。

Claims (12)

1.一种发光二极管装置，包含：

至少一个发光二极管单元，该发光二极管单元包含：

一第一发光二极管及一第二发光二极管；及

一导电缺陷层，位于所述第一发光二极管与所述第二发光二极管之间，作为穿隧接面，藉以将所述第一发光二极管与所述第二发光二极管迭加在一起,

所述导电缺陷层将缺陷密度提升至其成长面缺陷密度的5倍以上，所述导电缺陷层的厚度小于或等于100纳米。

2.如权利要求1所述的发光二极管装置，其中所述第一发光二极管或所述第二发光二极管为三族氮化物发光二极管，所述第一发光二极管或所述第二发光二极管包含：

一第一掺杂层；

一第二掺杂层，该第二掺杂层的极性相反于所述第一掺杂层的极性；

一主动层，位于所述第一掺杂层与所述第二掺杂层之间；

其中所述第一发光二极管的第二掺杂层藉由所述导电缺陷层而与所述第二发光二极管的第一掺杂层迭加在一起。

3.如权利要求1所述的发光二极管装置，其中所述导电缺陷层的材质可为氮化硅、金属、碳化硅或硅。

4.如权利要求1所述的发光二极管装置，其中所述导电缺陷层以磊晶或布植技术所形成。

5.如权利要求1所述的发光二极管装置，其中所述至少一个发光二极管单元包含多个发光二极管单元，以数组型式排列，且每一个发光二极管单元包含一第一电极及一第二电极，其中，相邻发光二极管单元的第一电极及第二电极电性连结，因而形成一串联序列。

6.一种发光二极管装置，包含：

至少一个发光二极管单元，该发光二极管单元包含：

一第一发光二极管及一第二发光二极管；及

一导电缺陷层，位于所述第一发光二极管与所述第二发光二极管之间，作为穿隧接面，藉以将所述第一发光二极管与所述第二发光二极管迭加在一起,

其中所述导电缺陷层与所述第二发光二极管之间还包含一缓冲层，该缓冲层邻接所述导电缺陷层，且将缺陷密度降低至其成长面缺陷密度的5分之1以下，该缓冲层的厚度大于或等于10纳米。

7.一种发光二极管装置，包含：

至少一个发光二极管单元，该发光二极管单元包含：

一第一掺杂层；

一第二掺杂层，该第二掺杂层的极性相反于所述第一掺杂层的极性；

一导电缺陷层，形成于所述第一掺杂层或所述第二掺杂层上；及

至少一个电极，位于所述导电缺陷层上，藉此，形成欧姆接触于所述电极与所述第一/第二掺杂层之间，所述导电缺陷层将缺陷密度提升至其成长面缺陷密度的5倍以上，该导电缺陷层的厚度小于或等于100纳米。

8.如权利要求7所述的发光二极管装置，还包含一主动层，位于所述第一掺杂层与所述第二掺杂层之间，所述发光二极管单元为三族氮化物发光二极管。

9.如权利要求7所述的发光二极管装置，其中所述导电缺陷层的材质可为氮化硅、金属、碳化硅或硅。

10.如权利要求7所述的发光二极管装置，其中所述导电缺陷层以磊晶或布值技术所形成。

11.如权利要求7所述的发光二极管装置，其中所述至少一个发光二极管单元包含多个发光二极管单元，以数组型式排列，且每一个发光二极管单元包含一第一电极及一第二电极，其中，相邻发光二极管单元的第一电极及第二电极电性连结，因而形成一串联序列。

12.一种发光二极管装置，包含：

至少一个发光二极管单元，该发光二极管单元包含：

一第一掺杂层；

一第二掺杂层，该第二掺杂层的极性相反于所述第一掺杂层的极性；

一导电缺陷层，形成于所述第一掺杂层或所述第二掺杂层上；及

至少一个电极，位于所述导电缺陷层上，藉此，形成欧姆接触于所述电极与所述第一/第二掺杂层之间，

其中所述导电缺陷层与所述第二发光二极管之间还包含一缓冲层，该缓冲层邻接所述导电缺陷层，且将缺陷密度降低至其成长面缺陷密度的5分之1以下，该缓冲层的厚度大于或等于10纳米。