CN103296047A

CN103296047A - 发光二极管装置

Info

Publication number: CN103296047A
Application number: CN2012101134803A
Authority: CN
Inventors: 谢炎璋; 施雅萱
Original assignee: PHOSTEK Inc
Current assignee: PHOSTEK Inc
Priority date: 2012-03-02
Filing date: 2012-04-17
Publication date: 2013-09-11

Abstract

一种发光二极管装置，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n侧氮化物半导体层、p侧氮化物半导体层及主动层，其位于n侧氮化物半导体层与p侧氮化物半导体层之间。主动层具有一个或多个井层，至少一个该井层为多层结构。

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，特别涉及一种三族氮化物发光二极管装置。

背景技术

传统发光二极管可以为同质接面(homojunction)结构或者异质接面(heterojunction)结构。同质接面结构的发光二极管主要包含n型掺杂层及p型掺杂层，这两层的材料相同，因此具有相同的能隙(energygap)。p型掺杂层与n型掺杂层之间会形成p-n接面。

异质接面结构的发光二极管主要包含下包覆(cladding)层、主动层及上包覆层。上/下包覆层与主动层使用不同材料，因此具有相异的能隙。藉此，载子可被局限于主动层以形成井区。

异质接面结构的发光二极管是目前发光二极管的主流，通常会在主动层使用单一量子井(single quantum well，SQW)或多重量子井(multiple quantum well，MQW)架构，其能隙小于包覆层的能隙，因而得以提高电子电洞的再结合速率，用以提升发光二极管的发光效率及光发射输出。虽然多重量子井(MQW)的光输出远比单一量子井(SQW)来得大，然而，由于总厚度的增加造成串联电阻的提高，因而造成正向电压也跟着变大。

鉴于传统发光二极管的量子井架构具有上述的限制，因而无法有效缩短光激发光生命期(photoluminescence lifetime，PL lifetime)及载子溢流的机率，使得量子井中电子与电洞的辐射再结合(radiactiverecombination)速率无法有效提高。

因此，亟需提出一种新颖的量子井架构，用以提升发光二极管的发光效率及光发射输出。

发明内容

根据本发明的一实施例，至少一个发光二极管单元包含至少一个发光二极管，发光二极管包含n侧氮化物半导体层、p侧氮化物半导体层及主动层，该主动层位于n侧氮化物半导体层与p侧氮化物半导体层之间。主动层具有一个或多个井层，且上述一个或多个井层中至少一个井层为多层结构。

附图说明

图1A显示本发明实施例的发光二极管装置的剖面示意图。

图1B显示传统发光二极管装置的剖面示意图。

图1C显示本发明另一实施例的发光二极管装置的剖面示意图。

图2A例示图1B所示发光二极管的能带图。

图2B例示图1C所示发光二极管的能带图。

图3例示图1B发光二极管与图1C发光二极管的内部量子效率(IQE)的比较。

图4显示本发明另一实施例的发光二极管装置的剖面图。

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

1 第一发光二极管

2 第二发光二极管

11 n侧氮化物半导体层

12 第一中间层

121 氮化铝镓子层

122 氮化铟镓子层

13 主动层

131 井层

1311 第一子井层

1312 第二子井层

132 井障层

14 第二中间层

141 氮化镓子层

142 氮化铟镓子层

15 p侧氮化物半导体层

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

31 单一量子井的发光二极管的IQE

32 超晶格量子井的发光二极管的IQE

40 第一电极

41 n侧氮化物半导体层

42 主动层

43 p侧氮化物半导体层

44 穿隧接面

50 第二电极

51 n侧氮化物半导体层

52 主动层

53 p侧氮化物半导体层

具体实施方式

在部分实施例中，图1A显示发光二极管装置的剖面示意图。为了便于了解本发明实施例的技术特征，图式仅显示相关的层级。发光二极管装置包含至少一个发光二极管单元，而每一个发光二极管单元包含一发光二极管，其包含三族氮化物(III-nitride)发光二极管。如图1A所示，发光二极管包含n侧氮化物半导体层(n-side nitridesemiconductor layer)11、p侧氮化物半导体层(p-side nitridesemiconductor layer)15及主动层(active layer)13，该主动层位于n侧氮化物半导体层11与p侧氮化物半导体层15之间。n侧氮化物半导体层11可包含n型氮化镓(GaN)，p侧氮化物半导体层15可包含p型氮化镓。本实施例的主动层13具有一个或多个井层131，且至少一个井层131为多层结构(multilayered structure)。

在部分实施例中，主动层13是由至少一个井层131与至少一个井障层132交替堆栈组成。上述井层131的多层结构可为超晶格(superlattice)结构，其包含至少一个第一子井层1311及至少一个第二子井层1312，该第一子井层1311与该第二子井层1312交替堆栈组成所述多层结构。在部分实施例中，第一子井层1311可包含氮化铟镓(In_xGa_1-xN)，第二子井层1312可包含氮化铟镓(In_yGa_1-yN)。其中，铟浓度x不同于铟浓度y。值得注意的是，铟浓度x较大的氮化铟镓所相应的能隙(energy gap)小于铟浓度y较小的氮化铟镓，而井障层131(例如氮化镓)所具有的能隙则大于所有氮化铟镓的能隙。在部分实施例中，本实施例的井障层131也可采用四元的三族氮化物，例如氮化铝铟镓(如Al_0.1In-_0.2Ga_0.7N)，以形成极化匹配(polarization-matched)的结构。

在部分实施例中，发光二极管装置还包含一基板，上述发光二极管单元设置于基板上。在部分实施例中，基板的材料包含蓝宝石(sapphire)，锗(germanium，Ge)，碳化硅(silicon carbide，SiC)，砷化镓(gallium arsenide，GaAs)，氧化锌(zinc oxide，ZnO)，以及氢化铝锂(lithium aluminum oxide，LiAlO₂)。在部分实施例中，基板包含极性基板(polar substrate)、半极性基板(semi-polar substrate)与非极性基板(non-polar substrate)。

在部分实施例中，基板为极性基板(polar substrate)，第一子井层与第二子井层的厚度各小于或等于2纳米(nm)。在部分实施例中，基板为半极性基板(semi-polar substrate)或非极性基板(non-polarsubstrate)，第一子井层与第二子井层的厚度各小于或等于10纳米(nm)。举例来说，图1A显示使用极性基板，井层131包含至少三层子井层，而每一层子井层的厚度大约相等且小于或等于2纳米(nm)。在部分实施例中，井层131包含至少五层子井层，而每一层子井层的厚度大约相等且小于或等于2纳米(nm)。

继续参阅图1A，在部分实施例中，发光二极管可包含第一中间层12，其位于n侧氮化物半导体层11与主动层13之间，第一中间层12可以接触或是不接触n侧氮化物半导体层11和/或主动层13。发光二极管也可包含第二中间层14，其位于主动层13与p侧氮化物半导体15之间，第二中间层14可以接触或是不接触主动层13和/或p侧氮化物半导体层15。在部分实施例中，第一中间层12与第二中间层14的成分可不相同，用以形成非对称结构。如图1A所示，其中第一中间层12包含氮化铝镓子层121及氮化铟镓子层122，其中氮化铟镓子层122接触主动层13；第二中间层14包含氮化镓子层141及氮化铟镓子层142，其中氮化镓子层141接触主动层13。

图1B与图1C显示具有单一量子井结构的发光二极管装置的剖面示意图。图1B为传统结构，显示主动层13仅包含单一井层131(总厚度为5nm)，且单一井层131的成分是均匀分布(包含In_0.162Ga_0.838N)；图1C是根据本发明的部分实施例，显示主动层13仅包含单一井层131(总厚度为5nm)，且单一井层131为成分不同的多层结构，其包含至少一个第一子井层131(厚度为1nm)及至少一个第二子井层1312(厚度为1nm)，交替堆栈组成所述多层结构。

在部分实施例中，第一子井层1311可包含氮化铟镓(In_xGa_1-xN)，第二子井层1312可包含氮化铟镓(In_yGa_1-yN)。其中，铟浓度x不同于铟浓度y。在部分实施例中，铟浓度x小于铟浓度y。例如，浓度x等于0.14，而浓度y等于0.18。值得注意的是，铟浓度x较大的氮化铟镓所相应的能隙(energy gap)小于铟浓度y较小的氮化铟镓。

图2A例示图1B所示的传统单一量子井结构的发光二极管的能带图。图2B例示图1C所示的单一量子井，且单一井层具有多层结构的能带图。根据图示的能带图可以观察到单一井层131内共五个子井层1311/1312的相对能隙大小。

图1C所公开的发光二极管，其单一井层131具有超晶格结构(调整各子井层的能隙不同)，可使单一井层131的电子与电洞波函数重迭率获得提升，有效缩短光激发光生命期(photoluminescence lifetime，PLlifetime)及载子溢流的机率，进而提高辐射再结合(radiactiverecombination)速率与光增益，因而使发光二极管的发光效率大幅提升。图3例示图1B的发光二极管与图1C的发光二极管的内部量子效率(internal quantum efficiency，IQE)的比较，其中曲线31代表传统使用单一量子井的发光二极管，而曲线32则代表本发明使用单一量子井，且单一井层具有多层结构的发光二极管，由图可知，在相同电流下，曲线32效率值远大于曲线31效率值。

虽然上述实施例以单一发光二极管为例，然而本发明的发光二极管单元也可包含堆栈的多个发光二极管。图4显示本发明另一实施例的发光二极管装置的剖面图。发光二极管装置包含至少一个发光二极管单元，而每一个发光二极管单元包含多个堆栈的发光二极管。在本实施例中，发光二极管单元包含第一发光二极管1及第二发光二极管2，藉由一穿隧接面44将第一发光二极管1与第二发光二极管2迭加在一起。第一发光二极管1主要包含n侧氮化物半导体层41、主动层42、p侧氮化物半导体层43及第一电极40。其中，主动层42位于n侧氮化物半导体层41与p侧氮化物半导体层43之间；第一电极40电性连接n侧氮化物半导体层41。举例而言，n侧氮化物半导体层41包含n型氮化镓(GaN)层，主动层42包含氮化铟镓(InGaN)，p侧氮化物半导体层43包含p型氮化镓层。类似的情形，第二发光二极管2主要包含n侧氮化物半导体层51、主动层52、p侧氮化物半导体层53及第二电极50。其中，主动层52位于n侧氮化物半导体层51与p侧氮化物半导体层53之间；第二电极50电性连接p侧氮化物半导体层53。举例而言，n侧氮化物半导体层51包含n型氮化镓(GaN)层，主动层52包含氮化铟镓(InGaN)，p侧氮化物半导体层53包含p型氮化镓层。在一实施例中，第一发光二极管1的主动层42与第二发光二极管的主动层52可使用相同的材料，因而得以发射相同波长的光线。在另一实施例中，第一发光二极管1的主动层42与第二发光二极管的主动层52可使用不同的材料，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“含有穿隧接面的发光装置(LightEmitting Device Including Tunnel Junctions)”，其内容视为本说明书的一部份。

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。相邻发光二极管单元20可藉由其第一电极25或第二电极27彼此电性连结，例如：藉由焊线22或内联机而电性连结，因而形成一串联核/或并联序列。以串联序列为例，位于串联序列的最前端的发光二极管单元与最后端的发光二极管单元，未与其它发光二极管单元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所示发光二极管单元20可以是图1所示实施例的单一发光二极管，也可以是图4所示实施例的垂直迭加发光二极管。

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公开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

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至少一个发光二极管，该发光二极管包含：

一n侧氮化物半导体层；

一p侧氮化物半导体层；及

一主动层，该主动层位于所述n侧氮化物半导体层与所述p侧氮化物半导体层之间；

其中，所述主动层具有一个或多个井层，该一个或多个井层中的至少一个所述井层为多层结构。

2.如权利要求1所述的发光二极管装置，其中，所述多层结构包含至少一个第一子井层及至少一个第二子井层，该第一子井层与该第二子井层交替堆栈组成所述多层结构，且所述多层结构为一超晶格结构。

3.如权利要求2所述的发光二极管装置，其中，所述n侧氮化物半导体层包含n型氮化镓(GaN)，所述p侧氮化物半导体层包含p型氮化镓，所述第一子井层与所述第二子井层各包含氮化铟镓(InGaN)。

4.如权利要求3所述的发光二极管装置，其中，所述第一子井层的铟浓度不同于所述第二子井层的铟浓度。

5.如权利要求2所述的发光二极管装置，其中，所述第一子井层的能隙不同于所述第二子井层的能隙。

6.如权利要求2所述的发光二极管装置，还包含一基板，所述发光二极管单元设置于该基板上。

7.如权利要求6所述的发光二极管装置，其中，所述基板为极性基板，所述第一子井层与所述第二子井层的厚度各小于或等于2纳米。

8.如权利要求6所述的发光二极管装置，其中，所述基板为半极性基板或非极性基板，所述第一子井层与所述第二子井层的厚度各小于或等于10纳米。

9.如权利要求2所述的发光二极管装置，还包含：

一第一中间层，该第一中间层位于所述n侧氮化物半导体层与所述主动层之间；与

一第二中间层，该第二中间层位于所述主动层与所述p侧氮化物半导体之间；

其中，所述第一中间层与第二中间层的成分不同。

10.如权利要求9所述的发光二极管装置，其中，所述第一中间层包含氮化铝镓子层及氮化铟镓子层，其中，所述氮化铟镓子层接触所述主动层。

11.如权利要求9所述的发光二极管装置，其中，所述第二中间层包含氮化铟镓子层及氮化镓子层，其中，所述氮化镓子层接触所述主动层。

12.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所述发光二极管单元，以数组型式排列，且每一个所述发光二极管单元包含一第一电极及一第二电极，其中，相邻的发光二极管单元的第一电极及第二电极电性连结，因而形成一串联和/或并联序列。

13.如权利要求1所述的发光二极管装置，其中，所述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，藉由一穿隧接面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，所述第一发光二极管包含n侧氮化物半导体层、主动层与p侧氮化物半导体层，所述第二发光二极管包含n侧氮化物半导体层、主动层与p侧氮化物半导体层，其中，所述第二发光二极管的n侧氮化物半导体层藉由所述穿隧接面而垂直迭加于所述第一发光二极管的p侧氮化物半导体层。

14.如权利要求13所述的发光二极管装置，还包含：

一第一电极，所述n侧氮化物半导体层包含n型氮化镓层，所述第一电极电性连接所述n型氮化镓层；及

一第二电极，所述p侧氮化物半导体层包含p型氮化镓层，所述第二电极电性连接所述p型氮化镓层。

15.如权利要求14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所述发光二极管单元，以数组型式排列，其中，相邻的发光二极管单元可藉由其第一电极或第二电极彼此电性连结，因而形成一串联和/或并联序列。