CN1159774C - 具有反向隧穿层的发光二极管 - Google Patents

Abstract

具有反向隧穿层的发光二极管包含半导体叠层，具有第一主表面与第二主表面的发光层、具有第一导电性且结合在该第一主表面的第一半导体层、及具有第二导电性且结合于该第二主表面的一第二半导体层，该发光层、该第一半导体层、及该第二半导体层共同形成第一方向的极性；n+型反向隧穿层，具有第一导电性且形成在该半导体层叠层上，其与该半导体层叠层间所形成的p-n接面具有第二方向的极性，且该第一方向与该第二方向是相反方向；以及透明导电层，形成在该n+型反向隧穿层上。

Description

具有反向隧穿层的发光二极管

技术领域

本发明涉及一种发光二极管，特别涉及一种具有反向隧穿接触层的发光二极管。

背景技术

发光二极管的应用颇为广泛，例如，可应用于光学显示装置、交通号志、数据存储装置、通讯装置、照明装置、以及医疗装置。在此技术中，目前技术人员重要课题之一为如何提高发光二极管的亮度。

现有技术的发光二极管如图1所示，包含由蓝宝石形成的一绝缘基板10、形成在绝缘基板10上的一氮化镓缓冲层11、形成在缓冲层11上的一n型氮化镓接触层12、形成在n型氮化镓接触层12上的一n型氮化铝镓束缚层13、形成在n型氮化铝镓束缚层13上的一氮化铟镓多量子阱发光层14、形成在发光层14上的一p型氮化铝镓束缚层15、形成在p型氮化铝镓束缚层15上的一p型氮化镓接触层16、形成在p型氮化镓接触层16上的一Ni/Au透明导电层17，其中央部分以蚀刻方式除去，使露出部分p型氮化镓接触层16、以及形成在p型氮化镓接触层16的该露出部分上的一p型前电极18，并使前电极18与透明导电层17接触，又由于蓝宝石不导电，故须将发光二极管适当地蚀刻至n型氮化镓接触层12，然后在n型氮化镓接触层12上形成一n型后电极19。

美国专利第6,078,064号(其与本案具有相同受让人)揭露另一种发光二极管构造，其中以ITO透明导电层形成在一p型接触层上。但p型接触层的主要缺点在于其表面形成许多缺陷，因而增大与ITO透明导电层间的接触电阻，且其中所掺杂的载子浓度不易达5e18/cm³以上，因而电阻系数不易降低，此等缺点皆造成发光二极管正向电压的增大，而对发光二极管的电性产生不良影响。

本案发明人为提高现有技术发光二极管的亮度，认为在透明导电层与发光二极管的半导体叠层间提供一n+型反向隧穿层，藉由此反向隧穿层所产生的接触作用与/或电流分散作用，即可能提高发光二极管的亮度。此处“反向”意指此n+反向隧穿层与其邻接半导体层所形成p-n接面的极性方向，相反于发光二极管中发光层与其邻接p型束缚层及n型束缚层所形成p-n接面的极性方向，换言之，此n+反向隧穿层与其一邻接半导体层所形成p-n接面的极性方向相反于半导体装置的p型电极与n型电极所形成的极性方向。“隧穿”意指此n+反向隧穿层能够让电流藉由隧穿效应(tunneling effect)穿过其中。本案发明人经实验证实此种n+反向隧穿层，在其厚度相当小的情形，出人意料之外，竟然实质上不增大发光二极管的正向电压，且确实能够达到上述提高发光二极管亮度的预期效果。

发明内容

因而，本发明的主要目的在于提供一种具有n+反向隧穿层的发光二极管，其能够达到提高亮度的进步功效。

为实现上述目的，本发明提供一种具有反向隧穿层的发光二极管，包含由蓝宝石形成的一绝缘基板、形成在该绝缘基板上且包含氮化镓的一缓冲层、形成在该缓冲层上且包含氮化镓的一n型接触层、形成在该n型接触层上且包含氮化铝镓的一n型束缚层、形成在该n型束缚层上且包含氮化铟镓的一多量子阱发光层、形成在该发光层上且包含氮化铝镓的一p型束缚层、形成在该p型束缚层上且包含氮化镓的一p型接触层、形成在该p型接触层上，包含氮化铟镓，且具有高载流子浓度的一n+型反向隧穿层、形成在该n+型反向隧穿层上且包含ITO的一透明导电层，其中一部分以蚀刻方式除去，使露出部分该n+型反向隧穿层、以及形成在该n+型反向隧穿层的该露出部分上的一p型前电极，并使该前电极与该n+型反向隧穿层接触，又由于蓝宝石不导电，故须将发光二极管适当地蚀刻至该n型接触层，然后在该n型接触层上形成一n型后电极。

附图说明

现参考附图，详细说明本发明的各较佳实施例。

图1为一示意图，显示一现有技术发光二极管的构造；

图2为一示意图，显示依本发明第一较佳实施例发光二极管的构造；

图3为一示意图，显示依本发明第二较佳实施例发光二极管的构造；以及

图4为一示意图，显示依本发明第三较佳实施例发光二极管的构造。

具体实施方式

现参照各附图，详细说明本发明。

参照图2，依本发明第一较佳实施例具有反向隧穿层的发光二极管，包含由蓝宝石形成的一绝缘基板10、形成在绝缘基板10上且包含氮化镓的一缓冲层11、形成在缓冲层11上且包含氮化镓的一n型接触层12、形成在n型接触层12上且包含氮化铝镓的一n型束缚层13、形成在n型束缚层13上且包含氮化铟镓的一多量子阱发光层14、形成在发光层14上且包含氮化铝镓的一p型束缚层15、形成在p型束缚层15上且包含氮化镓的一p型接触层16、形成在p型接触层16上，包含氮化铟镓，且具有高载流子浓度的一n+型反向隧穿层20、形成在n+型反向隧穿层20上且包含Ni/Au的一透明导电层17，其中一部分以蚀刻方式除去，使露出部分n+型反向隧穿层20、以及形成在n+型反向隧穿层20的该露出部分上的一p型前电极18，并使前电极18与n+型反向隧穿层20接触，又由于蓝宝石不导电，故须将发光二极管适当地蚀刻至n型接触层12，然后在n型接触层12上形成一n型后电极19。在此实施例中，n+型反向隧穿层20的载流子浓度为1.5e20/cm³，厚度约为20埃，其透光度极佳，此反向隧穿层20与接触层16间所形成p-n接面的极性方向，相反于发光层14与其邻接p型束缚层15及n型束缚层13所形成p-n接面的极性方向，此反向隧穿层20的高载流子浓度使电子藉由隧穿效应而得以穿过其中。在20mA的定电流下实验，结果显示依本发明此实施例发光二极管的亮度约为前述现有技术发光二极管亮度的119％，而其正向电压实质上不增大。此亮度的提高，显然属于有价值的增进功效。

图3显示本发明的第二较佳实施例，其与上述第一较佳实施例不同之处在以氧化铟锡(ITO)所形成的透明导电层17a取代前段中所述包含Ni/Au的透明导电层17。Ni/Au透明导电层17的透光率仅约50％，而ITO透明导电层17a的透光度高于95％，在此实施例中，ITO透明导电层17a的厚度约为2800埃，在20mA的定电流下实验，结果显示，较之第一较佳实施例发光二极管，此第二较佳实施例发光二极管的亮度约增加48％，且此第二较佳实施例发光二极管的正向电压实质上不增加。亦即，较之前述现有技术发光二极管，此第二较佳实施例发光二极管的亮度约增加76％，此亮度的大幅提高，确实极有价值的增进功效。此第二较佳实施例的另一优点在于无需对ITO透明导电层17a进行护层处理，因而能够省除现有技术中，为避免金属氧化，而需对Ni/Au透明导电层17进行护层的处理程序，故能够达到简化制造程序的效果。本案发明人另外对于不同厚度的n+型氮化铟镓反向隧穿层也进行实验，结果发现厚度增大时，发光二极管的顺向电压随之增加，故其厚度不宜太大。实际上适当厚度可经由实验决定。

本领域的技术人员可轻易了解，就前述二较佳实施例而言，绝缘基板10可包含选自于蓝宝石、LiGaO₃、及LiAlO₃所构成材料群组中的一种材料；缓冲层11可由GaN材料制成；n型接触层12可包含选自于GaN与AlGaN所构成材料群组中的一种材料；n型束缚层13包含Al_xGa_1-xN，其中，0≤x≤1；氮化铟镓多量子阱发光层14包含r个氮化铟镓量子阱与r+1个氮化铟镓阻挡层，使得每一个氮化铟镓量子阱上下二侧皆有一氮化铟镓阻挡层，其中，r≥1，每一氮化铟镓量子阱是由In_eGa_1-eN构成，每一氮化铟镓阻挡层是由In_fGa_1-fN构成，且0≤f≤e≤1；p型束缚层15可包含Al_zGa_1-zN，其中，0≤z≤1；p型接触层16可包含选自于GaN与AlGaN所构成材料群组中的一种材料；ITO透明导电层17a亦可以CTO或TiWN透明导电层取代；n+型反向隧穿层20可包含选自于InGaN、GaN、以及其他氮化镓系材料所构成材料群组中的一种材料。

图4显示本发明的第三较佳实施例，其中一n型电极40形成于一n型GaAs基板41的下表面并与其形成欧姆接触，一AlGaInP分布式布拉格反射层42形成于n型GaAs基板41上，一n型AlGaInP束缚层43形成于分布式布拉格反射层42上，一AlGaInP发光层44形成在n型AlGaInP束缚层43上，一p型AlGaInP束缚层45形成在发光层44上，一p型窗口层46形成于p型AlGaInP束缚层45上，窗口层46宜采用如GaP、GaAsP、GaInP、或AlGaAs等透明材料制成，包含氮化铟镓且具有高载流子浓度的一n+型反向隧穿层47形成在窗口层46上，在此实施例中，n+型反向隧穿层47的载流子浓度为1.5e20/cm³，厚度约为20埃，一ITO透明导电层48形成在n+型反向隧穿层47上，一p型电极49形成于透明导电层48上。在此实施例中，AlGaInP分布式布拉格反射层42可省除。

以上所述，仅为用以方便说明本发明，本发明的范围不限于此等较佳实施例，凡依本发明所做的任何变更，皆属本发明权利要求的范围。例如，该第一较佳实施例中的氮化铟镓多量子阱发光层14可以本领域的技术人员的单一量子阱结构取代，或以纯氮化铟镓发光层取代；又例如，省除氮化镓缓冲层11/或p型接触层16，不蚀刻透明导电层17或17a而使p型电极18直接形成在透明导电层17或17a上，也显然皆不脱离本发明的精神与范围。此外，依本发明的反向隧穿层显然也可使用于发光二极管以外的其他种类化合物半导体装置中，在一金属或金属氧化物导电层与一化合物半导体层间提供接触作用，也皆不脱离本发明的范围。又，本发明的概念显然也可应用于具有透明导电基板的发光二极管构造中。

Claims (8)

1.一种具有反向隧穿层的发光二极管，包含：

一个半导体叠层构造，包括具有一第一主表面与一第二主表面的一发光层、具有第一导电性且结合在该第一主表面的一第一半导体层、及具有第二导电性且结合在该第二主表面的一第二半导体层，该发光层、该第一半导体层、及该第二半导体层共同形成一第一方向的极性；

一n+型反向隧穿层，其具有第一导电性且形成在该半导体叠层上，其与该半导体叠层间所形成的p-n接面具有第二方向的极性，且该第一方向与该第二方向是相反方向；以及

一透明导电层，形成在该n+型反向隧穿层上。

2.如权利要求1的具有反向隧穿层的发光二极管，其中：

该第一半导体层是一n型束缚层，具有一第一主表面与一第二主表面，其第二主表面结合在该发光层的该第一主表面上；

该第二半导体层是一p型束缚层，具有一第一主表面与一第二主表面，其第一主表面结合在该发光层的该第二主表面上；

该n+型反向隧穿层结合于该p型束缚层的该第二主表面上。

3.如权利要求2的一种具有反向隧穿层的发光二极管，其中该透明导电层包含选自于Ni/Au、ITO、CTO、以及TiWN所构成材料群组中的一种材料。

4.一种具有反向隧穿层的发光二极管，包含：

一基板；

一缓冲层，形成在该基板上；

一n型接触层，形成在该缓冲层上，且具有一第一上表面部分与一第二上表面部分；

一n型束缚层，形成于该n型接触层的该第一上表面部分上；

一发光层，形成在该n型束缚层上；

一p型束缚层，形成在该发光层上；

一p型接触层，形成在该p型束缚层上；

一n+型反向隧穿层，形成在该p型接触层上；

一透明导电层，形成在该n+型反向隧穿层上，其中并形成一中空部，使露出部分n+型反向隧穿层；

一p型电极，形成在该n+型反向隧穿层的该露出部分上，并与该透明导电层接触；以及

一n型电极，形成在该n型接触层的该第二上表面部分上。

5.如权利要求4的一种具有反向隧穿层的发光二极管，其中该透明导电层包含选自于Ni/Au、ITO、CTO、以及TiWN所构成材料群组中的一种材料。

6.如权利要求4的一种具有反向隧穿层的发光二极管，其中该n+型反向隧穿层包含选自于InGaN、GaN、以及其他氮化镓系材料所构成材料群组中的一种材料。

7.一种具有反向隧穿层的发光二极管，包含：

一n型电极；

一n型GaAs基板，其具有一第一主要表面与一第二主要表面，该第一主要表面与该n型电极间形成欧姆接触；

一n型AlGaInP束缚层形成在该n型GaAs基板上；

一AlGaInP发光层形成在该n型AlGaInP束缚层上；

一p型AlGaInP束缚层形成在该发光层上；

一p型窗口层形成在该p型AlGaInP束缚层上；

一n+型反向隧穿层形成在该p型窗口层上；

一透明导电层形成在该n+型反向隧穿层上；以及

一p型电极形成在该透明导电层上。

8.一种具有反向隧穿层的发光二极管，包含：

一n型电极；

一n型GaAs基板，其具有一第一主要表面与一第二主要表面，该第一主要表面与该n型电极间形成欧姆接触；

一AlGaInP分布式布拉格反射层形成在该n型GaAs基板的该第二主要表面上；

一n型AlGaInP束缚层形成在该AlGaInP分布式布拉格反射层上；

一AlGaInP发光层形成在该n型AlGaInP束缚层上；

一p型AlGaInP束缚层形成在该发光层上；

一p型窗口层形成在该p型AlGaInP束缚层上；

一n+型反向隧穿层形成在该p型窗口层上；

一透明导电层形成在该n+型反向隧穿层上；以及

一p型电极形成在该透明导电层上。

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