CN103367574A - 发光二极管装置 - Google Patents

Abstract

本发明为一种发光二极管装置，包含至少一发光二极管单元。每一发光二极管单元包含第一发光二极管、第二发光二极管及多层结构。多层结构的厚度小于或等于30纳米，位于第一发光二极管与第二发光二极管之间，作为隧道结。其中多层结构无掺杂，或是p型掺杂小于第一发光二极管之p侧氮化物半导体层的第一掺杂浓度，或是n型掺杂小于第二发光二极管之n侧氮化物半导体层的第二掺杂浓度。

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，特别是涉及一种具多层结构的叠加发光二极管装置。 

背景技术

为了提升发光二极管(LED)的发光效率，方法之一是使用隧道结(tunnel junction)将两个或多个发光二极管叠加起来。叠加发光二极管较单一发光二极管放射更多的光线，因而提高亮度。使用隧道结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，叠加发光二极管较同样数目之单一发光二极管具有较少的电极接触，不但可节省空间，且可降低所造成的电迁移(electromigration)问题。 

传统形成隧道结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“含有隧道结的发光装置(Light Emitting Devices Including Tunnel Junctions)”，其隧道结使用氮化铟镓(InGaN)。一般而言，氮化铟镓(InGaN)若要具有好的质量，其成长厚度不能超过2纳米(nm)。于上述专利中，其隧道结所包含的p++重掺杂氮化铟镓(InGaN)层厚度高达15纳米。实际操作中，要达到这样的厚度且要保持相当的质量是几乎不可能的。因此，如何降低氮化铟镓(InGaN)厚度且能达到隧穿效果，是目前研究发展的重要方向。 

传统形成隧道结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“极化场增强之隧穿结构(Polarization Field Enhanced Tunnel Structures)”。通过极化以制作隧穿结构(例如单层氮化铟镓)时，铟(In)的浓度要相当高(例如大于20％)，且厚 度要厚(例如至少10纳米)，所形成的隧穿结构具有吸光的缺点，而且应力会集中于接口(例如GaN/InGaN接口)，使得堆叠发光二极管当中上方的发光二极管之成长温度不能太高，否则应力会随着温度增加而导致隧穿失效。 

因此，亟需提出一种新颖的发光二极管结构，用以解决上述传统隧道结的问题。 

发明内容

鉴于上述，本发明的目的之一在于提出一种具多层结构的叠加发光二极管装置，用以降低隧穿结构厚度且能达到隧穿效果或/且使应力分布平均。 

根据本发明实施例，发光二极管装置包含至少一发光二极管单元，该发光二极管单元包含第一发光二极管、第二发光二极管及多层结构。第一发光二极管包含n侧氮化物半导体层、第一主动层与具有一第一掺杂浓度之p侧氮化物半导体层；第二发光二极管包含具有一第二掺杂浓度之n侧氮化物半导体层、第二主动层与p侧氮化物半导体层。多层结构的厚度小于或等于30纳米，位于第一发光二极管的p侧氮化物半导体层与第二发光二极管的n侧氮化物半导体层之间，作为隧道结，由此将第一发光二极管与第二发光二极管叠加在一起。其中多层结构无掺杂，或是p型掺杂小于第一掺杂浓度，或是n型掺杂小于第二掺杂浓度。 

其中所述第一发光二极管接触所述多层结构之接口具有一第一能隙，所述第二发光二极管接触所述多层结构之接口具有一第二能隙，所述多层结构具有至少一子层的能隙小于所述第一能隙以及所述第二能隙。 

其中所述多层结构具有至少三个子层，且至少两个所述子层的能 隙同时小于该所述一能隙以及所述第二能隙。 

其中所述多层结构具有复数个子层，所述子层的厚度小于或等于5纳米，所有所述子层均为无掺杂子层或是轻掺杂子层。 

其中所述多层结构具有复数个子层，所述子层的厚度小于或等于5纳米，部分所述子层是无掺杂子层，部分所述子层是轻掺杂子层。 

其中所述多层结构具有复数个子层，至少一所述子层包含氮化铟镓(InGaN)，且铟浓度为逐渐变化。 

其中由所述第一发光二极管往该所述二发光二极管方向，所述铟浓度为逐渐增加或是逐渐减少。 

其中由所述第一发光二极管往该所述二发光二极管方向，所述铟浓度先增加至一最大值之后减少。 

其中所述多层结构为一超晶格结构，由至少一第一子层与至少一第二子层交替堆叠组成。 

其中，还包含： 

一P型中间层，位于所述多层结构与所述第一发光二极管的p侧氮化物半导体层之间，所述P型中间层的掺杂浓度大于所述第一掺杂浓度；与 

一N型中间层，位于所述多层结构与所述第二发光二极管的n侧氮化物半导体层之间，所述n型中间层的掺杂浓度大于该第二掺杂浓度。 

其中，还包含： 

一第一电极，所述第一发光二极管的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n型氮化镓层；及 

一第二电极，所述第二发光二极管的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p型氮化镓层。 

其中包含多个所述发光二极管单元，以阵列型式排列，其中，相邻的所述发光二极管单元可通过第一电极或第二电极彼此电性连结，因而形成一串联序列和/或并联序列。 

其中所述发光二极管单元的内部量子效率对电流密度图形具有一内部量子效率峰值；随着所述第一主动层且/或第二主动层的晶体质量增加，所述内部量子效率峰值跟着增加。 

其中所述发光二极管单元的内部量子效率对电流密度图形具有一内部量子效率峰值；随着所述第一发光二极管之n侧氮化物半导体层的缺陷密度降低，使得上方第一主动层且/或第二主动层的缺陷密度降低，所述内部量子效率峰值跟着增加。 

附图说明

图1显示本发明实施例之发光二极管装置的剖面图。 

图2A至图2C显示多层结构之子层的铟浓度示意图。 

图3例示图1所示实施例之发光二极管装置的剖面图，显示多层结构的细部剖面。 

图4A至图4B显示图3之多层结构的铟浓度示意图。 

图5显示本发明又一实施例之发光二极管装置的剖面图。 

图6显示发光二极管装置的立体示意图。 

图7A显示发光二极管单元的内部量子效率对电流密度关系图。 

图7B显示发光二极管单元的操作电流密度区域。 

附图中符号说明 

1 第一发光二极管 

11 n侧氮化物半导体层 

12 第一主动层 

13 p侧氮化物半导体层 

2 多层结构 

21 第一子层 

22 第二子层 

23 第三子层 

3 第二发光二极管 

31 n侧氮化物半导体层 

32 第二主动层 

33 p侧氮化物半导体层 

4A p型中间层 

4B n型中间层 

60 发光二极管单元 

62 焊线 

64 基板 

65 第一电极 

67 第二电极 

69 电源 

700 曲线 

700’ 曲线 

具体实施方式

图1显示本发明实施例之发光二极管装置的剖面图。附图仅显示出与本实施例相关的组成要件，因此，所示层级之间可视实际应用需求而插入其它额外层级。此外，附图中各组成要件的尺寸并未依实际比例绘制。 

本实施例之发光二极管装置由一或多个如图1所示的发光二极管单元所组成。在本实施例中，发光二极管单元由下而上依次包含第一 发光二极管1、多层结构2及第二发光二极管3。换句话说，多层结构2位于第一发光二极管1与第二发光二极管3之间。 

详而言之，第一发光二极管1由下而上依序依次包含n侧氮化物半导体层11、第一主动层12与具有第一掺杂浓度之p侧氮化物半导体层13。第二发光二极管3由下而上依序依次包含具有第二掺杂浓度之n侧氮化物半导体层31、第二主动层32与p侧氮化物半导体层33。多层结构2位于第一发光二极管1的p侧氮化物半导体层13与第二发光二极管3的n侧氮化物半导体层31之间，作为穿隧接面隧道结，藉以由此将第一发光二极管1与第二发光二极管3迭加叠加在一起，该多层结构2系由二两个或多于二两个子层所组成。在一例子中，多层结构2的总厚度小于或等于30奈米纳米(nm)；在另一例子中，多层结构2的总厚度小于或等于10奈米纳米。多层结构2之每丨一子层的厚度小于或等于5奈米纳米；在另一例子中，每丨一子层的厚度小于或等于2奈米纳米。 

根据本实施例的特征之一，多层结构2为无掺杂或者为轻掺杂；亦即多层结构2中所有子层都要符合无掺杂或是轻掺杂，没有重掺杂的子层。例如，多层结构2为p型掺杂，但其掺杂浓度小于(p侧氮化物半导体层13的)第一掺杂浓度；或是为n型掺杂，但其掺杂浓度小于(n侧氮化物半导体层31的)第二掺杂浓度。在一例子中，多层结构2中的所有子层是无掺杂子层。在另一例子中，多层结构2中的所有子层是轻掺杂子层。在又一例子中，多层结构2中的部分子层是无掺杂子层，部分子层是轻掺杂子层。 

根据能隙(energy gap)的观点，上述实施例中第一发光二极管1(例如，p侧氮化物半导体层13)接触或靠近多层结构2之接口具有第一能隙，第二发光二极管3(例如，n侧氮化物半导体层31)接触或靠近多层结构2之接口具有第二能隙，且多层结构2具有至少一子层的能隙小于第一能隙以及第二能隙。举例而言，多层结构2具有至少 三个子层，且至少两个子层的能隙同时小于第一能隙以及第二能隙。 

在本实施例中，多层结构2之子层的材质为三族氮化物，例如氮化铟镓(InGaN)。根据本实施例的另一特征， 

至少一子层的铟浓度为逐渐变化(gradually change)。于一例子中，由第一发光二极管1往第二发光二极管3方向，某一子层的铟浓度为逐渐增加，如图2A所显示的铟浓度示意图，其右边往第二发光二极管3方向，而其左边则往第一发光二极管1方向。于另一例子中，由第一发光二极管1往第二发光二极管3方向，某一子层的铟浓度为逐渐减少，如图2B所显示的铟浓度示意图。于又一例子中，由第一发光二极管1往第二发光二极管3方向，某一子层的铟浓度先逐渐增加至一最大值之后再逐渐减少，如图2C所显示的铟浓度示意图。 

图3例示图1所示实施例之发光二极管装置的剖面图，显示多层结构2的细部剖面。由第一发光二极管1往第二发光二极管3方向，多层结构2依次包含第一子层21、第二子层22以及第三子层23，其中第一子层31包含氮化铟镓(InGaN)，第二子层32包含氮化镓(GaN)，且第三子层包含氮化铟镓(InGaN)。在一例子中，第一子层21之氮化铟镓(InGaN)的铟浓度为固定的，第三子层23之氮化铟镓(InGaN)的铟浓度也是固定的，如图4A所显示的铟浓度示意图。在另一例子中，第一子层21之氮化铟镓(InGaN)的铟浓度为固定的，第三子层23之氮化铟镓(InGaN)的铟浓度为逐渐变化(例如先逐渐增加至一最大值之后再逐渐减少)，如图4B所显示的铟浓度示意图。 

根据本发明另一实施例(其结构沿用图1所示剖面)，发光二极管装置的多层结构2为一超晶格结构，其主要由两种材质或组成相异的至少一第一子层与至少一第二子层交替堆叠组成。在本实施例中，超晶格结构的材质为三族氮化物，其中第一子层与第二子层的组合方式可为下列之一：AlGaN/InGaN，AlGaN/GaN，GaN/InGaN，In_xGaN/In_yGaN(其中x异于y)，Al_xGaN/Al_yGaN(其中x异于y)， 但不限定于此。 

图5显示本发明又一实施例之发光二极管装置的剖面图。与图1所示结构不同的是，本实施例于多层结构2与第一发光二极管1的p侧氮化物半导体层13之间，还包含p型中间层4A，其掺杂浓度大于(p侧氮化物半导体层13的)第一掺杂浓度。此外，本实施例于多层结构2与第二发光二极管3的n侧氮化物半导体层31之间，更包含n型中间层4B，其掺杂浓度大于(n侧氮化物半导体层31的)第二掺杂浓度。 

图6显示发光二极管装置的立体示意图，其包含复数个发光二极管单元60，以阵列型式排列于基板64上，因此，图6所示的发光二极管装置又称为发光二极管阵列。相邻发光二极管单元60可通过其第一电极65或第二电极67彼此电性连结，例如：通过焊线62或内联机而电性连结，因而形成一串联和/或并联序列。以串联序列为例，位于串联序列的最前端发光二极管单元与最后端发光二极管单元，未与其它发光二极管单元60连接的第一电极65及第二电极67分别连接至电源供应器69的两端。图6所示发光二极管单元60可以是图1或图5所示实施例的发光二极管单元，其中，第一电极65电性连接最前端发光二极管单元之第一发光二极管1的n侧氮化物半导体层(例如n型氮化镓层)11；第二电极67电性连接最后端发光二极管单元之第二发光二极管3的p侧氮化物半导体层(例如p型氮化镓层)33。 

图7A显示发光二极管单元的内部量子效率对电流密度关系图，其中曲线700具有一内部量子效率峰值max。在一例子中，随着第一主动层12和/或第二主动层32的SRH(Shockley-Read-Hall)生命期(lifetime)增加(代表晶体质量增加)，获得曲线700’，其内部量子效率峰值max’大于max。在另一例子中，随着第一发光二极管1之n侧氮化物半导体层11的缺陷密度降低，使得上方第一主动层12且/或第二主动层32的缺陷密度降低，获得曲线700’，其内部量子效率峰值max’ 大于max。 

请参考图7B，前述实施例的发光二极管单元可操作在内部量子效率峰值max左右降低约20％之间的电流密度区域，因而可提高发光效率。 

以上所述仅为本发明之优选实施例而已，并非用以限定本发明之申请专利范围；凡其它未脱离发明所揭示之精神下所完成之等效改变或修饰，均应包含在本发明范围内。 

Claims (14)

1.一种发光二极管装置，包含：

至少一发光二极管单元，该发光二极管单元包含：

一第一发光二极管，该第一发光二极管包含n侧氮化物半导体层、第一主动层与具有一第一掺杂浓度之p侧氮化物半导体层；

一第二发光二极管，该第二发光二极管包含具有一第二掺杂浓度之n侧氮化物半导体层、第二主动层与p侧氮化物半导体层；及

一多层结构，该多层结构厚度小于或等于30纳米，位于所述第一发光二极管的p侧氮化物半导体层与所述第二发光二极管的n侧氮化物半导体层之间，作为隧道结，由此将所述第一发光二极管与所述第二发光二极管叠加在一起；

其中所述多层结构无掺杂或者为轻掺杂，定义轻掺杂为所述多层结构中p型掺杂小于该第一掺杂浓度，或是所述多层结构中n型掺杂小于该第二掺杂浓度。

2.如权利要求1所述之发光二极管装置，其中所述第一发光二极管接触所述多层结构之接口具有一第一能隙，所述第二发光二极管接触所述多层结构之接口具有一第二能隙，所述多层结构具有至少一子层的能隙小于所述第一能隙以及所述第二能隙。

3.如申权利要求2所述之发光二极管装置，其中所述多层结构具有至少三个子层，且至少两个所述子层的能隙同时小于该所述一能隙以及所述第二能隙。

4.如权利要求1所述之发光二极管装置，其中所述多层结构具有复数个子层，所述子层的厚度小于或等于5纳米，所有所述子层均为无掺杂子层或是轻掺杂子层。

5.如权利要求1所述之发光二极管装置，其中所述多层结构具有复数个子层，所述子层的厚度小于或等于5纳米，部分所述子层是无掺杂子层，部分所述子层是轻掺杂子层。

6.如权利要求1所述之发光二极管装置，其中所述多层结构具有复数个子层，至少一所述子层包含氮化铟镓(InGaN)，且铟浓度为逐渐变化。

7.如权利要求6所述之发光二极管装置，其中由所述第一发光二极管往该所述二发光二极管方向，所述铟浓度为逐渐增加或是逐渐减少。

8.如权利要求6所述之发光二极管装置，其中由所述第一发光二极管往该所述二发光二极管方向，所述铟浓度先增加至一最大值之后减少。

9.如权利要求1所述之发光二极管装置，其中所述多层结构为一超晶格结构，由至少一第一子层与至少一第二子层交替堆叠组成。

10.如权利要求1所述之发光二极管装置，还包含：

一P型中间层，位于所述多层结构与所述第一发光二极管的p侧氮化物半导体层之间，所述P型中间层的掺杂浓度大于所述第一掺杂浓度；与

一N型中间层，位于所述多层结构与所述第二发光二极管的n侧氮化物半导体层之间，所述n型中间层的掺杂浓度大于该第二掺杂浓度。

11.如权利要求1所述之发光二极管装置，还包含：

一第一电极，所述第一发光二极管的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n型氮化镓层；及

一第二电极，所述第二发光二极管的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p型氮化镓层。

12.如权利要求11所述之发光二极管装置，其中包含多个所述发光二极管单元，以阵列型式排列，其中，相邻的所述发光二极管单元可通过第一电极或第二电极彼此电性连结，因而形成一串联序列和/或并联序列。

13.如权利要求1所述之发光二极管装置，其中所述发光二极管单元的内部量子效率对电流密度图形具有一内部量子效率峰值；随着所述第一主动层且/或第二主动层的晶体质量增加，所述内部量子效率峰值跟着增加。

14.如权利要求1所述之发光二极管装置，其中所述发光二极管单元的内部量子效率对电流密度图形具有一内部量子效率峰值；随着所述第一发光二极管之n侧氮化物半导体层的缺陷密度降低，使得上方第一主动层且/或第二主动层的缺陷密度降低，所述内部量子效率峰值跟着增加。

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