CN1256778C - AlGaInP发光二极管组件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可提高发光强度的AlGaInP发光二极管组件，包括一半导体基底、一再发光层、具一第一掺质浓度的一AlGaInP层、具小于第一掺质浓度的一第二掺质浓度的一AlGaInP下局限层、一未掺杂AlGaInP主动层、一AlGaInP上局限层、一窗户层、一环形顶部电极于窗户层上及一层状底部电极于半导体基底下方，此再发光层包含至少一由此再发光层形成的第一区域及由Al2O3形成的一第二区域，此第二区域包围第一区域，由于介于AlGaInP下局限层与再发光层之间的AlGaInP层的第一掺质浓度大于AlGaInP下局限层的第二掺质浓度，此AlGaInP层可提供横向导通能力，此Al2O3第二区域同时可将照射于其上的光线完全反射回去，因此，本发明的AlGaInP发光二极管组件可提高发光强度。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体发光二极管组件，特别是一种可提高发光强度的AlGaInP发光二极管组件。
背景技术
发光二极管(Light-Emitting Diode)(LED)从1960年代开始，研究发展至今已经超过四十年。由传统的LED到现今的高亮度LED，LED在生活上的应用已经相当广泛，举凡交通标志、汽车指示灯、户外大型全彩看板，甚至是将来在照明上的应用。
然而，在目前磊晶技术已经可以将内部量子效率(internal quantumefficiency)提升至90％甚至是更高的同时，高亮度LED的外部量子效率(external quantum efficiency)却只有10％或者更低；因此，如何将LED内部产生的光由各种组件结构及制程的研发将它们导引出来，对于提高LED的亮度而言，是一个非常重要的课题。
如图1所示，其为一现有(AlxGa1-x)0.5In0.5P发光二极管组件10剖面结构示意图。此(AlxGa1-x)0.5In0.5P发光二极管组件结构包括一厚度约200μm的N型GaAs基板101、一N型布拉格反射器(Distributed BraggReflector)(DBR)102、一厚度约2μm的(AlxGa1-x)0.5In0.5P发光层(activeregion)103、一P型GaP窗户层104、一P型顶部电极105及一N型底部电极106。
N型布拉格反射器102可以是一N型AlAs/AlxGa1-xAs层或N型AlAs/(AlxGa1-x)0.5In0.5P层或者是N型(AlxGa1-x)0.5In0.5P层。此N型布拉格反射器102用以反射来自(AlxGa1-x)0.5In0.5P发光层103的发射光。
(AlxGa1-x)0.5In0.5P发光层(active region)103包括一N型(AlxGa1-x)0.5In0.5P下局限层(lower cladding layer)、一(AlxGa1-x)0.5In0.5P动作层(active layer)及一P型(AlxGa1-x)0.5In0.5P上局限层(upper claddinglayer)。N型(AlxGa1-x)0.5In0.5P下局限层及P型(AlxGa1-x)0.5In0.5P上局限层用以将载子(电子/电洞)射入(AlxGa1-x)0.5In0.5P动作层，并将射入的载子限制在(AlxGa1-x)0.5In0.5P动作层内。N型(AlxGa1-x)0.5In0.5P下局限层及P型(AlxGa1-x)0.5In0.5P上局限层的个别厚度须大于射出载子的扩散长度，以防止载子从动作层扩散进入此二局限层。
P型GaP窗户层104用以将电流有效地扩散，并且帮助(AlxGa1-x)0.5In0.5P发光层(active region)103的发射光有效地射出组件，以改善发光二极管组件的光输出(light extraction)效果。
P型顶部电极105形成于P型GaP窗户层l04表面正中央，其正面的P型电极一般为圆形或者其它形状。N型底部电极106形成于N型GaAs基板101下方。
发光二极管组件10为一正向偏压的PN接合二极管组件，其由P型(AlxGa1-x)0.5In0.5P上局限层(upper cladding layer)射出电洞及N型(AlxGa1-x)0.5In0.5P下局限层(lower cladding layer)射出电子。电洞与电子流至PN接面的(AlxGa1-x)0.5In0.5P动作层(active layer)，使得电子电洞结合产生光。
图2为图1的发光二极管组件10内部电流分布图。P型顶部电极105位于P型GaP窗户层104表面正中央的一圆形电极。P型顶部电极105之下的电流密度最高，但是在P型顶部电极105之下产生的光，部分被P型顶部电极105吸收，部分被反射回晶粒之内，而被反射回晶粒的光，有相当大的比例被晶粒本身吸收。故，此种现有发光二极管组件10的结构设计会影响发光二极管组件的亮度表现。
据此，亟待发展出一种改良的组件结构设计，使得电流不经过P型顶部电极的下方区域，以解决现有结构的缺失。
发明内容
本发明的主要目的是克服现有技术的不足与缺陷，提供一种AlGaInP发光二极管组件，其形成一经掺杂AlGaInP层于一布拉格反射器与一AlGaInP发光层之间。以使此AlGaInP层的掺质浓度大于AlGaInP发光层的一AlGaInP下局限层的掺质浓度或其厚度大于AlGaInP下局限层的厚度，此AlGaInP层可提供横向导通能力，以使此AlGaInP发光二极管的发光区域占AlGaInP发光层整个面积，以提高此AlGaInP发光二极管的发光强度。
本发明的另一目的是提供一种AlGaInP发光二极管组件，其提供一环形顶部电极于一窗户层上，以使其一AlGaInP发光层发出的光线不会被此顶部电极挡住，以提高AlGaInP发光二极管的发光强度。
本发明的又一目的是提供一种AlGaInP发光二极管组件，其中其一再发光层包含至少一由此再发光层形成的一第一区域及包围第一区域由Al2O3形成的一第二区域。由于Al2O3的折射率小于AlGaInP发光层折射率非常多，照射于再发光层的Al2O3区域的光线即可被完全反射回去，由此可提高AlGaInP发光二极管的发光强度。
根据以上所述的目的，本发明提供一种AlGaInP发光二极管组件，其包括：具一第一导电性的一半导体基底；具该第一导电性的一再发光层于该半导体基底上；具该第一导电性及一第一掺质浓度的一AlGaInP层于该再发光层上；具该第一导电性及一第二掺质浓度的一AlGaInP下局限层位于具该第一导电性及该第一掺质浓度的AlGaInP层上，该第二掺质浓度小于该第一掺质浓度；一未掺杂AlGaInP主动层于该AlGaInP下局限层上；具电性相反于该第一导电性的一第二导电性的一AlGaInP上局限层于该未掺杂AlGaInP主动层上；具该第二导电性的一窗户层于该AlGaInP上局限层上；具该第二导电性的一环形顶部电极于该窗户层上；及具该第一导电性的一层状底部电极于该半导体基底下方。由于AlGaInP层的第一掺质浓度大于AlGaInP下局限层的第二掺质浓度，此AlGaInP层可提供横向导通能力，以使此AlGaInP发光二极管的发光区域占AlGaInP发光层整个面积，故可提高本发明AlGaInP发光二极管组件的发光强度。
附图说明
图1是一现有(AlxGa1-x)0.5In0.5P发光二极管组件剖面结构示意图；
图2是图1的(AlxGa1-x)0.5In0.5P发光二极管内部电流分布图；
图3是本发明一第一较佳具体实施例的截面示意图；
图4是本发明一第二较佳具体实施例的截面示意图；
图5是本发明一第三较佳具体实施例的截面示意图；
图6是本发明一第四较佳具体实施例的截面示意图。
图中符号说明
10 (AlxGa1-x)0.5In0.5P发光二极管组件
101 N型GaAs基板
102 N型布拉格反射器
103 (AlxGa1-x)0.5In0.5P发光层
104 P型GaP窗户层
105 P型顶部电极
106 N型底部电极
30 AlGaInP发光二极管组件结构
300 N型半导体基底
301 N型布拉格反射器
302 N型AlGaInP层
303 N型AlGaInP下局限层
304 未掺杂AlGaInP层
305 P型AlGaInP上局限层
306 P型GaP窗户层
307 P型环状顶部电极
308 N型层状底部电极
40 AlGaInP发光二极管组件结构
400 N型半导体基底
401 N型布拉格反射器
402 环状Al2O3区域
403 N型AlGaInP层
404 N型AlGaInP下局限层
405 未掺杂AlGaInP层
406 P型AlGaInP上局限层
407 P型GaP窗户层
408 P型环状顶部电极
409 N型层状底部电极
50 AlGaInP发光二极管组件结构
500 N型半导体基底
501 N型AlAs/AlxGa1-xAs再发光层第一区域
502 Al2O3第二区域
503 N型AlGaInP层
504 N型AlGaInP下局限层
505 未掺杂AlGaInP层
506 P型AlGaInP上局限层
507 P型GaP窗户层
508 P型环状顶部电极
509 N型层状底部电极
60 AlGaInP发光二极管组件结构
600 N型半导体基底
601 N型AlAs/AlxGa1-xAs再发光层第一区域
602 Al2O3第二区域
603 N型AlGaInP层
604 N型AlGaInP下局限层
605 未掺杂AlGaInP层
606 P型AlGaInP上局限层
607 P型GaP窗户层
608 P型环状顶部电极
609 N型层状底部电极
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的具体实施方式。
本发明提供一种可提高发光强度的AlGaInP发光二极管组件，通过形成一环形顶部电极(annular-shaped top electrode)于此AlGaInP发光二极管组件的一窗户层(window layer)上，以使AlGaInP发光二极管发出的光线不被顶部电极挡住。另一方面，本发明于AlGaInP发光二极管组件的一布拉格反射器(distributed bragg reflector)与一AlGaInP发光层(AlGaInP illuminating layer)之间形成一额外的经掺杂AlGaInP层。此额外的经掺杂AlGaInP层可提供横向导通能力(transverse currentspreading)，以使发光区域占AlGaInP发光层的整个面积。本发明亦形成Al2O3区域于布拉格反射器中，Al2O3的折射率为1.5，AlGaInP发光层的折射率系3～3.5。由于Al2O3的折射率小于AlGaInP发光层的折射率非常多，当AlGaInP发光二极管的发光照射于布拉格反射器的Al2O3区域上时，可被Al2O3区域完全反射回去。本发明上述AlGaInP发光二极管组件结构的设计，可提高发光强度。
本发明的AlGaInP发光二极管将于较佳具体实施例配合附图，予以详细说明。
图3是根据本发明一第一较佳具体实施例的AlGaInP发光二极管组件结构30的截面示意图。此AlGaInP发光二极管组件结构30包括一N型半导体基底300、一N型布拉格反射器301、具第一掺质浓度的一N型AlGaInP层302、具小于第一掺质浓度的第二掺质浓度的一N型AlGaInP下局限层(AlGaInP lower cladding layer)303、一未掺杂AlGaInP主动层304、一P型AlGaInP上局限层(AlGaInP upper claddinglayer)305及具厚度10μm的一P型GaP窗户层306。
N型半导体基底300可以是一厚度约200μm的N型GaAs底材。N型布拉格反射器301可以是形成于N型半导体基底300上的一N型AlAs/AlxGa1-xAs再发光层(light re-emitting layer)。N型AlGaInP下局限层303、未掺杂AlGaInP层304及P型AlGaInP上局限层305构成一AlGaInP发光层(AlGaInP illuminating layer)。N型AlGaInP层302形成于N型布拉格反射器301与N型AlGaInP下局限层303之间。较佳地，N型AlGaInP下局限层303是掺质浓度约1×1017ions/cm3的一N型In0.5(Ga1-xAlx)0.5P下局限层，未掺杂AlGaInP层304是一未掺杂In0.5(Ga1-xAlx)0.5P主动层及P型AlGaInP上局限层305是掺质浓度约1×1017ions/cm3的一P型In0.5(Ga1-xAlx)0.5P上局限层。N型AlGaInP层302较佳是具掺质浓度约1×1018ions/cm3的一N型In0.5(Ga1-xAlx)0.5P层。P型GaP窗户层306形成于P型AlGaInP上局限层305上方。再者，一P型环状顶部电极307形成于P型GaP窗户层306上方。
P型环状顶部电极307的形成步骤如下：将清洗好的芯片送至黄光室，均匀布上IC59的负光阻，使用形状为一环形的光罩，经软烤、曝光、显影、硬烤等步骤后，使光阻形成所要的环状图形，再将芯片放入热阻式蒸镀机中，镀AuBe/Au至芯片上，厚约3000埃至约5000埃。将镀好金属的芯片放入丙酮中，去除光阻，留下环状部分金属，再以甲醇、去离子水洗净并以氮气枪吹干。如此一来，即完成P型环状顶部电极307的形成步骤。一N型层状底部电极308形成于N型半导体基底301下方，其将清洗好的芯片放入热阻式蒸镀机中，镀上厚度约2000埃的AuGe/Ni作为N型层状底部电极308。
参照图3，N型AlGaInP层302的第一掺质浓度大于N型AlGaInP下局限层303的第二掺质浓度，如此一来，N型AlGaInP层302可提供横向导通能力(transverse current spreading)，使得AlGaInP发光二极管的发光区域占AlGaInP发光层的整个面积。再者，环状顶部电极307将不会挡住AlGaInP发光二极管发出的光线。因此，借助P型环状顶部电极307结合具横向导通能力的N型AlGaInP层302，可提高AlGaInP发光二极管组件30的发光强度。
另外，N型AlGaInP层302的第一掺质浓度可相等于N型AlGaInP下局限层303的第二掺质浓度，并且使得N型AlGaInP层302的厚度大于N型AlGaInP下局限层303的厚度。如此一来，借助厚度的改变，亦可使N型AlGaInP层302提供横向导通能力。
图4是根据本发明一第二较佳具体实施例的一AlGaInP发光二极管组件结构40的截面示意图。此AlGaInP发光二极管组件结构40包括一N型半导体基底400、具有一环状Al2O3区域402于其周围的一N型布拉格反射器401、具第一掺质浓度的一N型AlGaInP层403、具小于第一掺质浓度的第二掺质浓度的一N型AlGaInP下局限层(AlGaInPlower cladding layer)404、一未掺杂AlGaInP主动层405、一P型AlGaInP上局限层(AlGaInP upper cladding layer)406及具厚度10μm的一P型GaP窗户层407。一P型环状顶部电极408形成于P型GaP窗户层407上，及一N型层状底部电极409形成于N型半导体基底400的下方。
除了AlGaInP发光二极管组件40的N型布拉格反射器401具有一环状Al2O3区域402外，AlGaInP发光二极管组件40的结构与各层材质大致上与AlGaInP发光二极管组件30的结构与各层材质相同。Al2O3的折射率为1.5及N型AlGaInP层403的折射率为3～3.5。由于两者的折射率差异甚大，当AlGaInP发光二极管的发光照射在N型布拉格反射器401的环状Al2O3区域402上时，可被完全反射回去。
在本发明第二较佳具体实施例中，环状Al2O3区域402可由湿式氧化法形成。此一湿式氧化法是将整个AlGaInP发光二极管结构40放入400℃～440℃的高温炉管中，此时高温炉管通入流量约1～5升/每分钟的氮气，做为水气的携带气体，此氧化制程步骤的时间约1.5小时至约3.5小时。
上述湿式氧化法用以氧化N型布拉格反射器401的AlAs及AlxGa1-xAs，其氧化后的生成物主要为Al2O3。由于进行此氧化制程步骤时，是将整个芯片放入高温炉管中，N型布拉格反射器401的侧面直接曝露在水气中，因此，会从N型布拉格反射器401侧面开始进行氧化，而在N型布拉格反射器401周边区域形成一环状Al2O3区域402，如图4所示。
N型AlGaInP层403提供横向导通能力，使得AlGaInP发光二极管的发光区域占AlGaInP发光层的整个面积，环状Al2O3区域402可完全反射来自AlGaInP发光层的发光，并且环状顶部电极408不会挡住AlGaInP发光二极管所发出的光线。因此，AlGaInP发光二极管组件40的发光强度可进一步被提高。
图5是根据本发明一第三较佳具体实施例的一AlGaInP发光二极管结构50的截面示意图。AlGaInP发光二极管结构50包括一N型半导体基底500、具有由N型AlAs/AlxGa1-xAs再发光层形成的一第一区域501及包围第一区域501由Al2O3形成的一第二区域502的一布拉格反射器、具第一掺质浓度的一N型AlGaInP层503、具小于第一掺质浓度的第二掺质浓度的一N型AlGaInP下局限层(AlGaInP lowercladding layer)504、一未掺杂AlGaInP主动层505、一P型AlGaInP上局限层(AlGaInP upper cladding layer)506及具厚度10μm的一P型GaP窗户层507。一P型环状顶部电极508形成于P型GaP窗户层507上，及一N型层状底部电极509形成于N型半导体基底500的下方。
AlGaInP发光二极管组件50的结构与各层材质系大致上与AlGaInP发光二极管组件40的结构与各层材质相同，但其布拉格反射器包含由N型AlAs/AlxGa1-xAs再发光层形成的一第一区域501及包围第一区域501由Al2O3形成的一第二区域502。
图6是根据本发明一第四较佳具体实施例的一AlGaInP发光二极管组件结构60的截面示意图。此AlGaInP发光二极管组件结构60包括一N型半导体基底600、具有由N型AlAs/AlxGa1-xAs再发光层形成的复数个第一区域601及包围数个第一区域601由Al2O3形成的一第二区域602的一布拉格反射器、具第一掺质浓度的一N型AlGaInP层603、具小于第一掺质浓度的第二掺质浓度的一N型AlGaInP下局限层(AlGaInP lower cladding layer)604、一未掺杂AlGaInP主动层605、-P型AlGaInP上局限层(AlGaInP upper cladding layer)606及具厚度10μm的一P型GaP窗户层607。一P型环状顶部电极608形成于P型GaP窗户层607上，及一N型层状底部电极609形成于N型半导体基底600的下方。
AlGaInP发光二极管组件60的结构与各层材质系大致上与AlGaInP发光二极管组件50的结构与各层材质相同，但其布拉格反射器包含由N型AlAs/AlxGa1-xAs再发光层形成的数个第一区域601及包围此些第一区域601由Al2O3形成的一第二区域602。
本发明AlGaInP发光二极管组件的半导体基底可以P型导电性底材取代，而发光二极管组件各层的导电性再随之配合改变。
以上所述仅为本发明的具体实施例，并非用以限定本发明的保护范围；凡其它未脱离本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书的范围内。
Claims (10)
1.一种AlGaInP发光二极管组件，其特征在于，其包括：
具一第一导电性的一半导体基底；
具该第一导电性的一再发光层于该半导体基底上；
具该第一导电性及一第一掺质浓度的一AlGaInP层于该再发光层上；
具该第一导电性及一第二掺质浓度的一AlGaInP下局限层位于具该第一导电性及该第一掺质浓度的AlGaInP层上，该第二掺质浓度小于该第一掺质浓度；
一未掺杂AlGaInP主动层于该AlGaInP下局限层上；
具电性相反于该第一导电性的一第二导电性的一AlGaInP上局限层于该未掺杂AlGaInP主动层上；
具该第二导电性的一窗户层于该AlGaInP上局限层上；
具该第二导电性的一环形顶部电极于该窗户层上；及
具该第一导电性的一层状底部电极于该半导体基底下方。
2.如权利要求1所述的AlGaInP发光二极管组件，其特征在于，上述的具第一导电性及第一掺质浓度的AlGaInP层的厚度不小于该AlGaInP下局限层的厚度。
3.如权利要求1所述的AlGaInP发光二极管组件，其特征在于，更包含一环状Al2O3区域环绕于该再发光层周围。
4.如权利要求1所述的AlGaInP发光二极管组件，其特征在于，一布拉格反射器包含由上述再发光层形成的一第一区域及由Al2O3形成的包围该第一区域的一第二区域。
5.如权利要求1所述的AlGaInP发光二极管组件，其特征在于，一布拉格反射器包含由上述再发光层形成的复数个第一区域及由Al2O3形成的包围该复数个第一区域的第二区域。
6.如权利要求1所述的AlGaInP发光二极管组件，其特征在于，上述的半导体基底包含GaAs。
7.如权利要求1所述的AlGaInP发光二极管组件，其特征在于，上述的再发光层包含AlAs/AlxGa1-xAs。
8.如权利要求1所述的AlGaInP发光二极管组件，其特征在于，上述的AlGaInP下局限层包含一掺质浓度为1×1017ions/cm3的In0.5(Ga1-xAlx)0.5P。
9.如权利要求1所述的AlGaInP发光二极管组件，其特征在于，上述的AlGaInP上局限层包含一掺质浓度为1×1017ions/cm3的In0.5(Ga1-xAlx)0.5P。
10.如权利要求1所述的AlGaInP发光二极管组件，其特征在于，上述的AlGaInP层包含一掺质浓度为1×1018ions/cm3的In0.5(Ga1-xAlx)0.5P。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| 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 | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Assignee: Luxtaltek Corporation Assignor: Zhoulei Science &. Technology Co., Ltd. Contract record no.: 2010990001026 Denomination of invention: Al-Ga-In-P light-emitting diode module Granted publication date: 20060517 License type: Exclusive License Open date: 20040428 Record date: 20101231 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20060517 Termination date: 20161022 |