TW201133925A - High injection efficiency polar and non-polar III-nitrides light emitters - Google Patents

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Description

201133925 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於極性及非極性111族氮化物發光器（亦即’ 發光二極體及雷射二極體）之注入效率。 本申請案主張於2010年2月4曰申請之美國臨時專利申請 案第61/301，523號之權利。 【先前技術】 在III族氮化物發光器中，對非極性技術進展之預期非常 高（見 Wetzel 等人，「RPI starts to extinguish the green gap，」Cowpowwc? jSew/cowi/MCior·? ’ 第 15 卷’第 21-23 頁’ 2009)。在非極性結構中内部極化場之不存在及相關量子 約束斯達克（Stark)效應之缺乏意味非極性裝置之較好傳送 及光學特性（見 Waltereit 等人，「Nitride semiconductors free of electrostatic fields for efficient white light-emitting diodes，」iVaiwre，第 406卷，第 865-868 頁，2000)。預期 非極性模板尤其有利於在綠-黃光譜區中操作之發光器， 在該等發光器中在作用量子井（QW)中之較高的銦併入係 必要的，且因此較高的應變誘發極化將抑制極性裝置之特 性。然而，綠色雷射二極體實際上第一次同時在極性（見 Miyoshi 等人，「510-515 nm InGaN-Based Green Laser Diodes on c-Plane GaN Substrate，」P/zyhcj 以，vol. 2，p. 062201，2009 ; Queren等人，「500 nm electrically driven InGaN based laser diodes，」却 Physics Letters，第 94 卷，第 081119-3 頁，2009 ;及 153946.doc 201133925
Avramescu等人，「InGaN laser diodes with 50 mW output power emitting at 515 nm，△ Applied Physics Letters，％ 95卷’第071103-3頁，2009)及非極性（見〇kamo to等人， 「Nonpolar m-plane InGaN multiple quantum well laser diodes with a lasing wavelength of 499.8 nm，」却；j/zec/ 尸/13^_以1川6以’第94卷，第071 105-3頁，2009)晶體定向 模板兩者上實施’而無後者之任何實質優點，此情形指示 了對於III族氮化物極性及非極性發光結構之共同缺點的存 在。 【發明内容】 藉由實例且並非以限制方式來說明本發明，在隨附圖式 之諸圖中，相同參考數字指代相似元件。 在本發明之以下詳細描述中對「一實施例」或「實施 例」之參考意謂結合該實施例所描述之特定特徵、結構或 特性包括於本發明之至少一實施例中。在此詳細描述中之 各處出現之片語「在一實施例中」未必均指代相同實施 例0 在現存III族氮化物發光結構中之高程度之光學及電學損 耗使得作用區之多重QW(MQW)設計成為必要。在極性結 構中，強大的内建式自發性及壓電極化場產生針對不同
QW(其中p側QW主導光學發射）的非均一佈居之條件（見 David等人，「Carrier distributi〇n 比（〇〇〇i)inGaN/GaN multiple quantum welI Hght_emiuing 山〇化，」柳細 户/^α £扣的，第92卷，第〇535〇2·3頁，2〇〇8 ;—等 153946.doc 201133925 人， 「Barrier effect on hole transport and carrier distribution in InGaN/GaN multiple quantum well visible light-emitting diodes，」P/z少hci ，第 93 卷，第 021102-3 頁，2008 ;及 Xie等人，「On the efficiency droop in InGaN multiple quantum well blue light emitting diodes and its reduction with p-doped quantum well barriers，」P/zpz’ci Zeiiers，第 93卷，第 121107-3 頁，2008)。在雷射結構中，過低泵激之QW可將其帶間吸 收添加至總損失因而增加雷射臨限值。在經極化之QW中 的雷射狀態之間的減少空間重疊導致較小光學增益且要求 在極性雷射器之作用區中的較多QW。考慮到在寬間隙III 族氮化物中之固有高透明度濃度，增加數目之QW將甚至 進一步增加在極化結構中之雷射臨限值。此情形使得非極 性或半極性技術成為極性模板之具吸引力的替代物。實際 上，在不存在内部極化場的情況中，在達到平能帶條件之 後，在非極性作用區中之QW應得以更均一地佈居，因而 確保針對非極性發光裝置之較低臨限值。然而，在本發明 中，吾人強調甚至在不存在内部極化場的情況中，具有高 QW銦含量（深QW)之非極性MQW結構在一寬範圍之注入電 流下仍遭受同等嚴重的非均一 QW佈居。本文中所展示之 結果表明此不勻性為極性及非極性模板兩者之共同特徵。 該不勻性由在深QW中之載子約束所誘發且由剩餘QW電荷 予以自洽地（self-consistently)支援。該載子佈居非均一性 伴隨QW深度而增加，且因此在較長波長發射器中變得更 153946.doc 201133925 明顯。本發明表明將銦併入至波導及障壁層中藉由使作用 QW有效地更淺而改良在極性及非極性⑴族氮化物發射器 兩者中之QW注入均一性《視所要的發射波長而定，具有 增強之銦併入之波導及障壁層之最佳組成亦可包括用於應 變管理之鋁。在無銦之III族氮化物結構中，應維持併入至 波導及障壁層中的鋁之最佳含量以確保淺的作用qW及均 一 QW注入。 給定當前III族氮化物發光裝置之前述缺點，則克服此等 弱點當然具有顯著的商業價值。因此，本發明之目標係提 供一種III族氮化物發光裝置結構，該ΙΠ族氮化物發光裝置 結構包含多重量子井且將最佳銦及/或鋁濃度併入至其波 導層及/或裝置作用區之障壁層中。將最佳銦及/或鋁併入 至該III族氮化物發光裝置之波導及障壁層中改良了該等作 用QW之注入均一性’改良之注入均一性導致該結構之總 體較高注入效率、針對雷射二極體之較低臨限電流及針對 發光二極體之較高外部效率。自參考隨附圖式進行之本發 明的較佳實施例之以下詳細描述，本發明之額外目標及優 點將變得顯而易見。 本文描述一種ΠΙ族氮化物多重量子井（MQW)發光裝置， 該III族氮化物多重量子井（MQW)發光裝置具有併入於其波 導層及作用區障壁層中之銦及/或鋁。在以下描述中，出 於解釋之目的，闡述眾多特定細節以提供本發明之透徹理 解。然而’熟習此項技術者應顯而易見可藉由不同特定細 節來實踐本發明。在其他例子中，以方塊圖形式展示結構 153946.doc 201133925 及裝置以避免使本發明混淆。 【實施方式】 圖1說明本發明之III族氮化物發光半導體裝置1〇〇之多層 橫截面的例示性實施例。如在圖1中所說明，本發明之ΠΙ 族氮化物發光裝置1 〇〇之較佳實施例為一具有MQW作用區 之半導體二極體結構，該MQW作用區藉由使用被通稱為 金屬有機化學氣相沈積（MOCVD)之熟知磊晶沈積製程而生 長於一氮化鎵（GaN)基板上。亦可使用諸如液相磊晶（LpE)、 分子束蠢晶（MBE)、金屬有機氣相磊晶（m〇VPE)、氫化物 氣相蟲晶（HVPE)、氫化物金屬有機氣相磊晶（h_m〇vpe) 之其他沈積製程或其他已知晶體生長製程，且可採用其他 基板材料。將藉由選擇多層結構之若干設計參數之恰當值 來達成由該發光裝置之例示性實施例1 〇〇發射之光的所要 波長及其他相干特性’該若干設計參數包括（但不限於）： 在該等作用區層中所使用之ΙΠ族氮化物合金組成Ιηχ(^|χΝ、 AlyGa^yN及AlylnxGa^.yN、量子井層之數目、該等量子井層之 寬度、及分離該MQW作用區中之該等量子井層之障壁層 的寬度。該多層半導體結構之例示性實施例之設計參數經 選擇以使得由發光裝置100發射之光將具有45〇 nm之主波 長。然而，熟習此項技術者將知曉如何選擇針對圖1之多 層結構的前述參數來達成一不同波長，該不同波長比可經 由選擇圖1之多層半導體結構的例示性實施例之設計參數 而達成之波長短或長。 如圖1中所說明’多層半導體結構10〇包括一厚度為1〇〇_ 153946.doc 201133925 nm之以6x1018 cm·3層級捧雜的摻Si之GaN的η型接觸層 162’ η型接觸層162生長於一具有所要晶體定向（亦即，極 性、半極性或非極性）之厚GaN基板模板160上。儘管在典 型III族氮化物裝置結構中之基板160及η型接觸層162通常 為GaN，但銦-鎵-氮化物（InxGa^xN)或鋁-銦-鎵-氮化物 (AlylnxGa^x-yN)材料合金可用於圖1之多層半導體結構之例 示性實施例的基板160及η型接觸層162。在η型接觸層162
上沈積AlyGai.yN/GaN超晶格（SL)之η型覆蓋層164，覆蓋層 164通常為 500-nm厚且具有 2xl〇i8 cm-3iSi摻雜。InxGai χΝ 及AlylnxGa^x-yN材料合金亦可用於覆蓋層16〇在覆蓋層 164上沈積100-nm厚之n型GaN波導層166，㈣波導層166 通常以10丨8 cm·3層級經摻雜Sie InxGa丨xN&AlyInxGaixyN 材料合金亦可用於波導層166。在波導層166上沈積發光裝
置結構100之作用區13 1，作用 層168分離之多個In。2Ga。8N 作用區131包含由inxGai_xN障壁 a〇‘8N QW 層 170。InxGa〗_xN 或
AlyInxGai-x.yN材料合金亦可用於卩貿層17〇及/或障壁層ι68 以實現在此等層中之所要帶隙值。QW層Μ及障壁層168
153946.doc 201133925 長。 儘管圖1展示包含三個QW之發光裝置1〇〇的作用區13ι， 但可增加或減少所使用的QW之數目以精細調諧發光裝置 100之操作特性。此外，發光裝置1 〇〇之作用區1 3丨亦可包 含多種量子線或量子點來代替量子井。 在作用區131之上沈積一可經摻雜或未經摻雜的⑺^也厚 之GaN分隔層172。在分隔層172上沈積i5-nm厚之AlyGai yN 電子阻擋層174,電子阻擋層174通常藉由大致1〇xl〇i8 cm· 之摻雜層級以鎂（Mg)來加以p型摻雜。inxGa丨·χΝ或 AlylnxGa^^yN材料合金亦可用於分隔層172及電子阻擋層 174 °併入電子阻擋層174以減小電子漏電流，電子漏電流 將增加發光裝置100之臨限電流及操作溫度。 在電子阻擋層174之上沈積l〇〇-nm厚之p型GaN波導層 176 ’ P型波導層176通常以1019 cm·3層級經摻雜鎂（Mg)。 在波導層176上沈積400-nm厚之p型AlyGa^yN/GaN超晶格 (SL)覆蓋層178，覆蓋層178通常以1〇19 cm·3層級經摻雜鎂 (Mg)。在覆蓋層178上沈積50-nm厚之ρ型GaN接觸層179， p型GaN接觸層179通常以1019 cm·3層級經摻雜鎂。ir^GabxN 及AlyInxGai-x_yN材料合金亦可用於波導層176、覆蓋層178 及接觸層179。 熟習此項技術者知曉多層164-166-13 1-172-174-176為發 光裝置100之光學諧振器或光學約束區，由MQW作用區 131所產生之光在該光學諧振器或光學約束區内得以約 束°此等光學約束結構通常用以提供在雷射二極體裝置之 153946.doc 201133925 實施中所需之回饋或在諧振腔發光二極體裝置中之光再循 環。 藉由模擬的方式來說明本發明之III族氮化物發光裝置結 構100之預期益處。對於載子傳送模擬，傳統的漂移擴散 近似對於III族氮化物裝置模型化係廣泛接受的（見J. Piprek, Optoelectronic devices : advanced simulation and ⑽New York: Springer, 2005 ;及J. Piprek，「Nitride Semiconductor Devices: Principles and Simulation，」Berlin: Wiley-VCH Verlag GmbH，2007，第 496頁）。在吾人之模擬 中，對作用QW中之載子約束之詳細模型化特別重視。使 用具有應變誘發之形變位勢（deformation potential)及價帶 混合能級（mixing term)之多能帶哈密爾頓函數 (Hamiltonian)來自洽地計算III族氮化物QW次能帶結構及 井内電荷分佈（見 Μ. V. Kisin，「Modeling of the Quantum Well and Cascade Semiconductor Lasers using 8-Band Schrddinger and Poisson Equation System，」in C(9M*SOjL <2007, Newton，MA，USA, 2007,第 489-493 頁）。 所採用之裝置模擬允許在包括極性及非極性模板之任意結 晶定向中生長之III族氮化物QW的模型化（見Kisin等人， 「Modeling of Ill-Nitride Quantum Wells with Arbitrary Crystallographic Orientation for Nitride-Based Photonics >」 in COM5OZ Con/erewce 2005，Boston, MA，USA，2008)。經 模擬之QW特性考慮到在QW次能帶之間的熱載子重新分佈 及内部極化場之QW内屏蔽（見Kisin等人，「Optical 153946.doc -10- 201133925 characteristics of Ill-nitride quantum wells with different crystallographic orientations，j Journal of Applied Physics， 第 105卷，第013112-5 頁，2009;及 Kisin等人，「Optimum quantum well width for Ill-nitride nonpolar and semipolar laser diodes，」Zeiieri，第 94 卷，第 021108-3頁，2009)。基於COMSOL之程式化接著允許將 QW約束之能量位準、次能帶狀態密度（DOS)參數、經屏蔽 之極化場及QW輻射複合率之注入依賴性自洽地併入至該 傳送模型化中（見Kisin等人，「Software Package for Modeling Ill-Nitride Quantum-Well Laser Diodes and Light Emitting Devices > j in COMSOL Conference 2009, Boston, MA, USA, 2009) ° 特定言之，經模型化之基準裝置結構（極性C-l及非極性 M-1)包含對於非極性及極性晶體定向為3 nm及2.5 nm寬之 三個In〇.2Ga().8ON QW;分別還包含兩個各為8 nm寬之!!型 摻雜GaN障壁，及將以上描述之MQW層與15 nm寬之 Al〇.15Ga〇.85N P型摻雜電子阻擋層（EBL)分離的10 nm寬之 未經換雜GaN分隔層。MQW作用區夾於100 nm之N型摻雜 GaN波導層與100 nm之P型摻雜GaN波導層之間。已自相同 來源提取用於模型化之所有微觀參數（見Vurgaftman等人， 「Electron band structure parameters，j in Nitride semiconductor devices: Principles and simulation, j Piprek，Ed.: Wiley, New York，2007,第 13-48]頁），除了 InGaN基本能帶隙彎曲係數之較高值2.8 eV取自（見Moret等 153946.doc 201133925 人， 「Optical, structural investigations and band-gap bowing parameter of GalnN alloys，」Journal of Crystal Growi/z，第 311卷，第 2795-2797 頁，2009)。對於所有介 面而言，價帶對傳導帶偏移比為3:7。對於所有經模型化 的裝置結構而言，假定該作用區之假晶生長具有經彈性應 變以配合該GaN波導材料之晶格的QW層。所有該等所接 受的特定材料參數值對模型化結果並不具決定性；在吾人 的模型化中所表明之該QW佈居不勻性僅源於該作用區中 之深QW的存在，此為所有長波長III族發光器之特性特 徵。 出於比較目的而將具有與圖1中所說明之結構實質上相 同之多層結構的四個發光裝置結構模型化以表明本發明之 益處。假定第一發光裝置結構（表示為C-1)將生長於C-平面 (極性）晶體定向上，而假定第二、第三及第四裝置結構（表 示為M-1、M-2及M-3)已生長於m-平面（非極性）晶體定向 上。將發光裝置結構佈局C-1及M-1與本發明之在波導及障 壁層中併入銦的發光裝置結構M-2及M-3進行比較（見表 1)»可在以下文獻中找到c-平面（極性）及m-平面（非極性）生 長之MQW的次能帶結構及輻射特性的詳細比較（見Kisin等 人，「Optical characteristics of Ill-nitride quantum wells with different crystallographic orientations，」Journal of ^4户/?/以<^尸/7>^£^，第105卷，第013112-5頁，2009;及1^5111 等人，「Optimum quantum well width for Ill-nitride nonpolar and semipolar laser diodes ，」Applied Physics 153946.doc -12- 201133925 ，第94卷，第021 108-3頁，2009)。在微觀模型化期 間所獲得的所約束的能量位準、次能帶狀態密度（DOS)、 輻射複合率及經屏蔽之極化場對MQW注入能階之依賴性 用於經由COMSOL程式間資料内插程序之傳送模型化中， 以確保對MQW佈居動態之真實模擬。該等QW參數中之一 些呈現於針對極性（C-1)及非極性（M-l、M-2及M-3)裝置結 構之表1中。在模型化中所使用之有效宏觀參數包括輻射 常數B=0.2xl0·10 cm3/s、載子非輻射SRH-複合壽命te=l〇 ns 及th=20 ns，及歐傑（Auger)複合係數C=l〇·30 cm6/s。此等 值非常接近典型實驗估計（見Zhang等人’ 「Direct measurement of Auger recombination in In〇.iGa〇 9N/GaN quantum wells and its impact on the efficiency of In01Ga09N/GaN multiple quantum well light emitting diodes，」，第 95卷，第 201108-3 頁，2009) ^再次，應強調所有以上參數對於實現本發明 之益處並不具決定性，實現本發明之益處主要決定於在深 III族氮化物MQW中之強載子約束。 QW參數 極性 非極性 C-1 M-1 M-2 M-3 以eV計之QW材料能帶隙(300K，有應變） 2.725 2.618 2.618 2.618 波導銦(％) 0 0 5 10 以meV計之QW能帶偏移(Ac/Δν) 498/214 573/246 381/163 273/117 以eV計之主要光學轉變cl_hl 2.647 2.748 2.733 2.730 以nm計之發射波長 468 451 454 454 表1 經模型化之極性及非極性MQW發光結構之基本參數》 153946.doc -13· 201133925 圖2比較在1.5 kA/cm2之高注入能階計算之在基準裝置結 構CM及Μ·1中的作用區能帶分佈。重要的是，甚至在此高 注入能階，在非極性結構M1中未達成平能帶條件。雖然 在裝置結構M-1中不存在極性結構⑽典型不利特徵（諸如 在EBL兩側上之極化誘發電位凹穴中之極化井間電位障壁 及強的載子累積），情形仍係如此。實情為，洽於㈣漱 QW之負剩餘電荷所造成的強庫糾—⑽）障壁為非極性 、。構Μ 1之特性，該特性提供在非極性結構之作用區中之 潑㈣見圖2結構Μ·卜對於相當之注人能階，在非極 性結構Μ -1之作用區中的内部場可十分相當於在極性結構 中之内%在非極性結構Μ-1之作用區中的内部場由 極Ν側量子井（表示為QW1(負））及極ρ側量子井（表示為 QW3(正）)之相反電荷來予以支援；見圖3。注意到在極性 '。構C1中’該等QW電荷係相反的。當強的載子溢流開始 起作用時，該等QW甚至在非常高注入電流密度下仍保持 帶電。當溢流逐步形成時，典型注入能階值對於極性結構 (C-1)，大約i kA/cm2且對於非極性結構（Μ-D為大約 kA/crn^藉由由於在祖邊界處之電荷累積所造成的狐 降級來解釋極性結構（CM)之劣等特性；見圖】。不具有 的兩種，纟。構之模型化雄認載子溢流與所觀察到的在作 用區中之能帶分佈彎曲無關：儘管在一非咖結構中茂漏 在較低;主入處開始，但針對一給定電流密度之作用區内建 場實際上仍保持相同。 MQW佈居自然地傾向於隨著增加之注入能階（亦即，電 I53946.doc 14 201133925 偏壓）而集中。圖4展示在極性結構C-1中，此類集中在大 致10 A/cm之較低注入能階處開始，然而，極p側q之 相對佈居超過高達1〇 kA/cm2之非常高的注入能階。在非 極性結構Ml中，qw佈居之不勻性在一較寬注入電流範圍 中仍保持顯著地強且由極N側QW1主導。 具有不同QW寬度及組成的qw結構之模型化揭露出導致 QW佈居不勻性之最重要因素為電子及電洞QW之深度； QW内屏蔽、次能帶間載子重新分佈、輻射及非輻射複合 率、層摻雜之變化及載子移動力之細節經證明為次等重要 的。吾人之模型化展示’由於在MQW深度對於電洞超過 100 mev且對於電子超過2〇〇 meV時發生之充足的載子約 束’所以吾人之基準佈局C-1及Μ-1之作用區MQW總是經 非均一佈居。藉由變化該能帶偏移比，該模型化亦指示： 較強電洞約束及/或較弱電子約束使得p側Qw之佈居為主 導’同時較強電子約束及/或較弱電洞約束提供極N側qW 之主導。 該等模型化結果可易於藉由剩餘MQW電荷之自洽動作 來加以解釋。在極性結構C-i中，由於内部極化場之效 應，所以該等MQW有效地較淺且至波導層中之電子熱逸 出亦較有效。此情形促進了隨後的電子朝向卩側Qw之漂移 擴散傳送，同時在極性結構中之電洞注入亦受到Ebl強烈 地抑制；見圖2(C-1)。在間隔_EBL介面處之強的電子累積 亦支援卩側QW之主導》在具有相同組成之非極性結構中， 該等MQW有效地更深。此情形抑制電子逸出至波導中且 153946.doc •15- 201133925 阻止電子漂移至P側QW。另-方面，經由非極性ebl之電 洞注入更有效；見圖2(M-1)。此情形促進了經由該結構朝 向帶負電之N側QW的電洞傳送且增強了其佈居。然而，在 非常高的注入能階，經由波導之電子傳送變得充足且p側 MQW重新獲得主導。 該作用區5又a十之影響載子約束之特徵亦景多響mqw佈居 均-性。舉例而言，在非極性結構中，使用較寬QW改良 了光學模式約束且允許達到較長的波長發射，但同時使得 該結構更易於受非均一的QW注入之影響。吾人之模型化 展示：可根據本發明之較佳實施例藉由將銦併入至波導及 /或障壁層中（此舉有效地用以減少阽9貿深度及載子約束） 來補償非均一注入之缺點。圖5說明本發明之ΠΙ族氮化物 發光裝置100之較佳實施例的標稱能帶分佈（無電偏壓及空 間電荷電場）。如圖5中所說明，將銦併入至發光結構波導 層及障壁層中確保了輕邊f子^之實現。較淺QW之實現 允許本發明之發光裝置結構1 〇〇在實施於非極性晶體定向 中時在其MQW内達成電荷載子佈居均一性及因此較高之 注入效率及在雷射二極體中之較低雷射臨限值。 圖6展示將銦併入至本發明之發光裝置1 〇〇之非極性結構 M-2及M-3之波導層及障壁層中的效應，其特徵為將5%(μ· 2)及10%(Μ-3)之銦併入至N型波導及障壁層中。重要的是 注意到，電荷載子（電子及電洞）在結構Μ-2及Μ-3中之作用 MQW中之均一分佈提供了該結構之較高注入效率及發光 裝置之較高光學輸出。 153946.doc -16- 201133925 遵循相同趨勢’使用較狹窄QW寬度亦可改良MQW佈居 之均一性。在較寬qw中，載子約束較強，且該等載子能 量位準在能量上定位地較深。與之相反，狹窄Qw有效地 較淺，且在狹窄QW中之載子約束較弱。因此，為達成作 用QW之均一佈居的目的，使用狹窄QW補充至波導層中之 銦併入。然而，QW寬度為在Qw佈居之均一性與淺QWi 熱致佈居減少之間的取捨主題；針對ΠΙ族氮化物發光 MQW結構之最佳寬度不應超過5 nm(見Kisin等人， 「Optimum quantum well width f〇r m_nitride n〇np〇lar and semipolar laser diodes，」却〆以户；^"仍第 94卷， 第021 108-3頁，2009) ^相關地注意到在非極性結構中將 QW變窄較有效，在極性qW_，由於内部極化場之效應， 有效QW寬度已小於標稱值，且對應地，該載子約束較 弱。舉例而言，吾人之模型化展示將QW寬度改變至2 nm 不產生在結構C-1中之相關Qw佈居之任何值得注意的改 變，而在結構M-1中2QW寬度的類似改變使得MQW佈居 在更加低的注入能階100 A/cm2集中。 本發明之III族氮化物發光裝置1〇〇之主要特徵中之一者 (亦即，將銦併入至波導層166中）的一附加優勢在於：此類 特徵將促進至MQW層Π0中之較高銦引入（意謂較高含量之 銦併入）。在諸如表1之裝置結構C-1之典型m族氮化物發 光裝置中，自在波導層166中無銦併入（意謂Γχ」之零值） 至在第一量子井層QW-1 17〇中之有限比率「χ」之銦的轉 變可導致在該兩層之間的足夠顯著的晶格失配，該晶格失 153946.doc -17· 201133925 配將防止以所要併入比率ΓΧ」將銦有效且均一地併入至 MQW 170中。已知此類效應防止在MQW内之高姻含量之 併入，而此將防止實現來自該m族氮化物發光裝置之較長 波長的光發射。除了達成如先前所描述之較高注入效率之 優點之外，將銦併入至波導層166中將造成在該波導層與 QW-1層170之間的晶格失配的減小，而結果是此將促進將 較高比率「X」之銦有效且均一地併入至本發明之m族氮 化物發光裝置100之MQW層17〇中。因此，藉由將銦併入 至波導層166中而促進實現高比率rx」的銦併入至Mqw 層170中，藉此將銦併入至波導層166中作為遍及波導層 166之銦的比率「X」之漸進或步進的離散增加來達成，如 圖5中所說明。 總體上看，經由數值模擬及模型化展示，具有併入至裝 置結構之波導/障壁層中之銦（意謂銦併入比率「χ」係非 零）的本發明之發光裝置結構將改良電荷載子佈居均一 性’而此隨後將引出高注入效率及低臨限值⑴族氮化物發 光裝置之實現。 在以上詳細描述中’已參考本發明之特定實施例來描述 本發明。然而，應顯而易見，可在不背離本發明之廣泛精 神及範疇的情況下對本發明作出各種修改及改變。因此， 該等設計細節及圖式應看作說明性意義而非限制性意義。 熟習者將認識到可以一不同於以上對較佳實施例所描述的 實施之方式來實施本發明之部分》舉例而言，熟習者將瞭 解可藉由針對裝置之量子井之數目、量子井之寬度、障壁 I53946.doc -18 _ 201133925 之寬度、在波導層中之銦；^ /十加似 ®及/或銘併入比率、在障壁層中 之銦及/或銘併入比率、雷； 千電子阻擋層（EBL)之組成、p型摻 雜層及η型摻雜層之摻雜屉铋 ν雜層級以及波導層及覆蓋層之厚度 的眾多變化來實施本發明之具有在裝置結構的波導及障壁 層中之最佳銦及併人的包含多重量子井之m族氣化 物發光裝置結構。 應注意在以上描述中，例示性實施例使用姻作為合金中 之主要組分來達成所要結果4選擇主制以達成待發射 之光的所要m而’注意到本發明可用於至少在自红 外線至紫外線之範圍中發射的發μ置卜，特定針 對穿過！外線之藍光而言，紹可為用於獲得所要能帶隙之 主要組分。因而’大體上，本發明之實施例將使腹族氛 化物合金 InxGai.xN、AlyGai ^及 /或 ΑΜηχ(}1 χ ^(在 χ及 / 或y允許為零的條件下此等表達式係針對此等合金之最普 通表達式）。藉由將對於N型摻雜波導及障壁層使用
AlylhGa^-yN(其中X及/或y非零）之發光裝置的效能與具有 均等於零之X及y的對應發光裝置之效能進行比較來判定本 發明之裝置的比較效能。就此而言，可想而知N型摻雜波 導可具有一自X及y之零值（亦即，GaN)漸進或步進地級變 至AlyInxGai-x-yN(其中乂及丫中之一者或兩者為非零）（鄰近作 用多重量子井區）之能帶隙。就此而言，自圖5可看出較佳 地該N型波導之能帶隙大致與在該多重量子井區中之障壁 層的能帶隙相同，但一般而言此並非本發明之限制。 熟習者將進一步認識到可在不背離本發明之基礎原理及 153946.doc •19· 201133925 教不的情況下對本發明之前述實施例的細節作出許多改 =因此，本發明之範嘴應僅藉由以下申請專利範圍來判 定。 【圖式簡單說明】 圖1說明裝置之大體結構。插入圖詳細描述3_QW作用區 之佈局。 圖2說明在相同注人能階下在波導層巾無銦之典型極性 及非極MQW發光裝置結構之3_qw作用區巾的傳導與價 帶分佈。虛線指示電子及電洞準費米（Fermi)能階之位置。 圖3說明在波導層中無銦之模型化3_QW極性（ci)及非極 性（Ml)發光裝置結構中之量子井剩餘電荷。 圖4說明在波導層中無銦之典型極性（C1)及非極性（mi) 發光裝置結構中作為注入電流密度之函數的作用量子井之 電子及電洞佈居》 圖5說明在裝置之波導及障壁層中有銦併入（結構M3)的 本發明之III族氣化物發光裝置之作用區的標稱能帶分佈。 虛線指示在波導及障壁層中無姻併入（結構Ml)的裝置中之 能帶分佈。 圖6說明在非極性III族氮化物發光裝置之波導及障壁層 中併入銦5%(結構M2)及併入銦10%(結構M3)對於該等模型 化裝置之作用量子井的電子及電洞佈居的不勻性之結果。 【主要元件符號說明】 100 III族氮化物發光半導體裝置 131 作用區 153946.doc •20· 201133925 160 基板 162 η型接觸層 164 η型覆蓋層 166 η型波導層 168 障壁層 170 多重量子井（MQW)層 172 分隔層 174 電子阻擋層 176 Ρ型波導層 178 Ρ型覆蓋層 179 Ρ型接觸層 153946.doc -21 -

Claims (1)

  1. 201133925 七、申請專利範圍： 1 · 一種固態發光裝置，其係在極性、半極性或非極性晶體 定向上使用III族氮化物合金材料來製造，該固態發光裝 置包含多個層，該多個層經分組為一p型摻雜波導層、 一作用多重量子井區、一電子阻擋層及一N型摻雜波導 區’該多重作用量子井區進一步包含多個層以形成多重 量子井及障壁層，與該N型摻雜波導區及該等障壁層相 關聯之能帶隙係經由在該等層中併入銦及/或鋁來實現。 2. 如睛求項1之固態發光裝置，其中在該n型摻雜波導區及 s亥等障壁層中之姻及/或铭的量係經選擇，以減少在該等 多重量子井與該N型摻雜波導區與該等障壁層之該等能 帶隙之間的能帶隙差。 3. 如請求項2之固態發光裝置，其中該等障壁層之該等能 ▼隙與鄰近該多重作用量子井區之該n型掺雜波導層之 該能帶隙大致相同。 4·如請求項1之固態發光裝置，其中該作用多重量子井區 及該N型摻雜波導層係使用三元半導體合金材料InxGa^N 及AlyGa丨.yN或四元半導體合金材料AiyInxGa丨·γ_χΝ來製 造，下標「X」及「y」表示在該等多重量子井、障壁及 N型掺雜波導層中所使用之合金組成。 5.如請求項4之固態發光裝置，其中針對該等多重量子井 内之該等合金的「X」及「y」之值已經選擇，以允許如 請求項1之固態發光裝置發射在一所要波長範圍内之 光0 153946.doc 201133925 6. 如請求項4之固態發光裝 其中針對該等障壁及波導 層内之該等合金的「X」及「y」之該等值已經選擇以 提供在該等多重量子井中之均-载子分佈。 7. 如請求項4之固態發光裝置，其巾 1具中針對該等障壁層内之 該專合金的「X及「y之 乏該等值已經選擇以實現在該 等夕重量子井中的均一載子佑 厂 取千佈居，從而提供一較在 X」及「y」之該等值均為零睥 率。 巧零時之主入效率南的注入效 8. 如請求項4之固態發光裝置，其中針對該n型推雜波導區 内之該等合金的「X」及「y」之該等值已經選擇以實現 在該等多重量子井中的均—載子佈居，從而提供一較在 該等組成「X」A「y」均為零時之注入效率高的注入效 率〇 9. 如請求項4之固態發光裝置，其中針對該n型推雜波導層 内之該等合金的「X」及/或「y」已經選擇，以在一遞增 非零值之範圍内漸進變化以用於與該等多重量子井晶格 匹配。 10.如請求項4之固態發光裝置，其中針對該N型摻雜波導層 内之該等合金的「X」及/或「y」已經選擇，以在一遞增 非零值之範圍内以離散步驟變化以用於與該等多重量子 井晶格匹配。 11·如請求項4之固態發光裝置，其中針對該N型摻雜波導層 内之該等合金的「X」及/或「y」之該等值已經選擇，以 在一遞增非零值之範圍内漸進變化在該N型摻雜波導内 153946.doc 201133925 之該能帶隙，從而獲得鄰近該多重作用量子井區之大致 等於該等障壁層之該能帶隙之一能帶隙。 12. 13. 14. 如叫求項4之固態發光裝置，其中針對該N型摻雜波導層 内之-亥等合金的「X」及/或ry」之該等值已經選擇，以 在一遞增非零值之範圍内以離散步驟變化在該N型摻雜 波導内之該能帶隙，從而獲得鄰近該多重作用量子井區 之大致等於該等障壁層之該能帶隙之一能帶隙。 如請求項1之固態發光裝置，其中該等多重量子井為狹 窄的以提供在該等多重量子井内之均一載子佈居。 如請求項1之固態發光裝置，其經實現為一高注入效率 雷射二極體或發光二極體裝置。 153946.doc
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