TW201318203A - 光電組件 - Google Patents
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Abstract
提供一種光電組件(11)，具有一活性層，此活性層具有量子井結構(5)，其中該量子井結構(5)包括由InyGa1-yN(0≦y＜1)構成的至少一位障層(2)和由InzGa1-zN(0＜z≦1且z＞y)構成的至少一量子井層(1)，其中該量子井結構(5)中包含由Al1-xInxN(0≦x≦0.6)構成的至少一中介層(3)，其具有小於1.5奈米的厚度。
Description
本發明涉及一種光電組件，其包括一種具有量子井結構之活性層，該活性層具有氮化物化合物半導體材料，特別是InGaN。
本專利申請案主張德國專利申請案10 2011 112 713.9之優先權，其已揭示的整個內容在此一併作為參考。
由氮化物化合物半導體材料構成的量子井結構特別是具有InGaN，且在LEDs或雷射二極體中通常用作活性層，其通常在藍色光譜區中發射光譜。依據該半導體材料之組成，亦可在紫外線、綠色、黃色或紅色光譜區中發射光譜。藉由發光材料來達成的電致發光轉換，可使短波長的輻射轉換成較長的波長。以此方式可產生混合光，特別是白光。以氮化物化合物半導體材料為主之LEDs對LED照明系統是很重要的。
已顯示的事實為：具有以InGaN為主之量子井結構的LEDs之效率在高的電流密度時會下降(所謂的降落效應)。此效應例如已描述在由E.Kioupakis et al.所發表之文件“Indirect Auger recombination as a cause of efficiency droop in nitride light-emitting diodes”(應用物理信件98，161107(2011))中。已推測出：此種鑽孔(Auger)形式的重組在以InGaN為主之LEDs中是主要的損耗機制。此種損耗機制發生在電流密度遠小於一般的
操作電流密度時且會使LED的效率下降。已推測出：此種高的鑽孔形式之損耗是與聲子輔助的鑽孔重組有關。此種聲子輔助的鑽孔重組特別是發生在以InGaN為主之半導體材料中，其原因是強的電子聲子交互作用(高的Huang-Rhys因素)。
本發明的目的是提供一種具有活性層的光電組件，該活性層具有一種以InGaN為主之量子井結構，其中可藉由聲子輔助的鑽孔重組使損耗減小。於此，量子井結構之光學特性和電子特性應儘可能小地受到影響。
上述目的藉由具有申請專利範圍第1項特徵的光電組件來達成。本發明有利的佈置和其它形式係申請專利範圍各附屬項的主題。
依據至少一佈置方式，光電組件具有一活性層，此活性層具有量子井結構，其中該量子井結構包括由InyGa1-yN(0y<1)構成的至少一位障層和由InzGa1-zN(0<z1且z>y)構成的至少一量子井層。該至少一位障層由於較小的銦成份而使所具有的電子能帶間隙小於該至少一量子井層者。銦成份較佳是y<0.7或z0.7。
量子井結構中另外包含由Al1-xInxN(0x0.6)構成的至少一中介層，其具有小於1.5奈米的厚度。
已顯示的事實是：由Al1-xInxN(0x0.6)構成的該至少一中介層添加至量子井結構中，這樣可使可能存在的聲子發射模數下降，於是可使量子井結構中的聲子輔助
之鑽孔重組現象減輕。藉由此種無發射性的重組現象之減輕，則可有利地使光電組件之效率提高。藉由較薄的中介層，則量子井結構之電性只微不足道地改變。
聲子光譜特別是會受到中介層之材料Al1-xInxN之銦成份x之影響。特別適當的是0x0.35。
該中介層之銦成份x特別有利的是0.09x0.27。已顯示的事實是：特別是在銦含量的此種範圍中，LO聲子模數可大大地下降。藉由將由Al1-xInxN(0.09x0.27)構成的中介層予以埋置，則可使量子井結構中的聲子輔助之重組現象特別有效地減輕。例如，可以為x=0.18。
在一較佳的佈置方式中，該中介層具有小於1奈米的厚度。以此方式，則可有利地使量子井結構之區域中的聲子光譜改變，以使無發射性的重組現象減輕，但另一方面只使該量子井結構之光學特性和電性微不足道地改變。
在一佈置方式中，該至少一中介層配置在該位障層和該量子井層之間。在多重式量子井結構的情況下，該中介層例如分別添加至邊界面上，該邊界面上在生長方向中有一量子井層緊鄰在位障層上。或是，該中介層亦可各別地添加在該邊界面上，該邊界面上在生長方向中有一位障層緊鄰在量子井層上。
特別是對該至少一中介層之銦含量x作調整，使得該中介層之電子能帶間隙等於相鄰的位障層之電子能帶間隙。在另一有利的佈置中，對該至少一中介層之銦含量x作調整，使得該中介層之電子能帶間隙等於相鄰的
量子井層之電子能帶間隙。藉由中介層之電子能帶間隙相對於該位障層或量子井層之調整，則可有利地使該至少一中介層只微不足道地對該量子井結構之電性造成影響。
在一有利的佈置中，該量子井結構具有多重式量子井結構，其具有分別由三層構成的多個周期(period)，其中該三層是位障層、中介層和量子井層。
在另一佈置中，量子井結構是多重式量子井結構，其具有分別由四層構成的多個周期，其中該四層是中介層、位障層、另一中介層及量子井層。在此種佈置中，該位障層在二側是由該些中介層所包圍著。該另一中介層具有與前述之中介層相同的特性和有利的佈置。
在另一佈置中，量子井結構是多重式量子井結構，其中以第一周期長度多次重覆該位障層和該量子井層。在量子井結構中有利地埋置著多個中介層，其以第二周期長度多次重覆著，其中第一周期長度不等於第二周期長度。在此種情況下，各中介層因此不是分別準確地配置在中介層和量子井層之間的邊界面上而是以第二周期長度分佈在量子井結構中，量子井結構之該第二周期長度不等於第一周期長度。在此種佈置中，第二周期長度較佳是小於第一周期長度。以此方式可確保：在由一位障層和一量子井層構成的每一層對(pair)中分別埋置著至少一中介層。第一周期長度(即，量子井結構之周期長度)較佳是介於4奈米(含)和10奈米(含)之間。多個中介層以第二周期長度重複著，該第二周期長度較佳是介於
2奈米(含)和4奈米(含)之間。
量子井結構中至少一位障層之厚度較佳是介於1奈米和3奈米之間。量子井結構中該至少一量子井層較佳是具有一種介於2奈米和4奈米之間的厚度。
本發明以下將依據多個實施例及相關的圖1至圖3來詳述。
各圖式中相同或作用相同的各組件分別設有相同的參考符號。所示的各元件和各元件之間的比例未必依比例繪出。
在圖1所示的光電組件11之實施例中，該光電組件是一種LED，其具備發出輻射用之活性層5。該活性層5配置在第一半導體區6和第二半導體區7之間。第一半導體區6和第二半導體區7具有不同的導電型。例如，第一半導體區6可以是n摻雜者且第二半導體區7可以是p摻雜者。第一半導體區6和第二半導體區7可分別由多個半導體層構成，為了使圖式簡化，各個半導體層未分別地顯示出。
第一半導體區6之半導體層、第二半導體區7之活性層5例如以磊晶方式生長在基板8上。第二半導體區7之與該基板8相對向的表面用作該LED之輻射發出面。為了達成電性接觸，例如在該基板8之背面上設置一第一電性接觸區9且在第二半導體區7之表面上設置一第二電性接觸區10。
光電組件11未必具有已舉例列出的構造。例如，光
電組件11亦可以是一種所謂薄膜LED，其中用來生長半導體層序列之生長基板8由該半導體層序列剝離且該半導體層序列在與原來的生長基板相對向的一側上係與一載體相連接。在此種薄膜LED中，面向該載體的第一半導體區6通常是p摻雜者且面向該輻射發出面之第二半導體區7是n摻雜者。
光電組件11之半導體層序列5、6、7係以氮化物化合物半導體為主。「以氮化物化合物半導體材料」為主此處是指，此種名稱之半導體層序列或其至少一層包含III-V(應加上V)氮化物化合物半導體材料，此種材料較佳是InxAlyGa1-x-yN(0x1,0y1且x+y1)。因此，此種材料未必含有上述形式之以數學所表示之準確的組成。反之，此種材料可具有一種或多種摻雜物質以及其它成份，這些成份基本上不會改變此InxAlyGa1-x-yN材料之物理特性。然而，為了簡單之故，上述形式只含有晶格(In,Al,Ga,N)之主要成份，這些主要成份之一部份亦可由少量的其它物質來取代。
光電組件11之活性層5是一種量子井結構。此量子井結構5包含由InzGa1-zN(0<z1)構成的量子井層1及由InyGa1-yN(0y<1)構成的位障層2，其中z>y。較佳是0<z0.4且0y<0.4。量子井層1所具有的銦含量大於位障層2者，使量子井層1所具有的電子能帶間隙小於位障層2者。位障層2中，銦含量例如亦可為y=0，因此所述位障層具有GaN。例如，量子井層1可具有In0.2Ga0.8N且位障層2可具有GaN。量子井層1例如具
有一種介於2奈米和4奈米之間的厚度。位障層2之厚度例如介於1奈米和3奈米之間。
量子井層1和位障層2之間有利地分別配置一中介層3。此中介層3含有Al1-xInxN，其中較佳是0x0.35。該中介層3之厚度較佳是小於1.5奈米，特別有利的是小於1奈米。
本實施例中該量子井結構5是一種多重式量子井結構，其包含分別由量子井層1、中介層3和位障層2構成的周期4。量子井結構5亦可具有其它數目的周期，例如，該數目介於1和10之間。特別是該量子井結構5亦可為一種只具有1周期之單一量子井結構。周期4之數目較佳是介於4(含)和7(含)之間。量子井結構5之每一周期4例如具有一種介於4奈米(含)和10奈米(含)之間的厚度。
本實施例中，多個中介層3在半導體層序列之生長方向中分別配置在邊界面上，在邊界面上有一位障層2緊鄰在一量子井層1上。或是，亦可將多個中介層3分別配置在該邊界面上，在該邊界面上在生長方向中有一量子井層1緊鄰在一位障層2上。
光電組件11之活性層係用來發出輻射，特別是紫外線、藍色或綠色光譜區的輻射。由於各中介層3在量子井結構5中係配置在量子井層1和位障層2之間，則可有利地使輻射產生時的效率提高。這特別是與「量子井結構5中電荷載體之非發射性的重組現象已減輕」有關，其中涉及聲子輔助之鑽孔重組。特別是已顯示的事
實為：藉由Al1-xInxN構成之中介層3之添加，則可使量子井結構5中LO聲子之物態密度下降。特別明顯的是：這在當中介層3之銦成份x介於0.09(含)和0.27(含)之間時是一種有利的效應。例如，中介層可具有Al0.82In0.18N。
特別是當該光電組件11以高的電流密度來操作時，藉由中介層3之添加使量子井結構5之量子效率提高。此外，已顯示的事實是：藉由中介層3之添加，可使半導體材料中的應力下降。這樣可使晶體品質改善，藉此特別是亦可在較小的電流強度中使量子效率提高。
中介層3之晶格常數可藉由銦成份x之改變而改變，使晶格可適應於(adapted to)相鄰的量子井層1或鄰接的位障層2。藉由中介層3之銦成份x之適當的調整，則另外可有利地使中介層3之電子能帶間隙適應於相鄰的位障層2或量子井層1。
圖2所示的光電組件11之第二實施例不同於第一實施例之處在於：在多重式量子井結構5中於全部相鄰之量子井層1和位障層2之間分別配置一中介層3。此情況下，量子井結構5之每一周期4係由第一中介層3、量子井層1、另一中介層3和位障層2所構成。中介層3有利地分別具有小於1奈米的厚度。此外，中介層3、量子井層1和位障層2以及光電組件11之有利的佈置對應於第一實施例。
第二實施例中由於在量子井層1和位障層2之間全部的邊界面上都添加該中介層3，則聲子物態密度仍可有效地下降，使聲子輔助之鑽孔重組形式的不期望之非
發射性的重組仍可有效地受到抑制。
圖3中以橫切面顯示的光電組件之第三實施例就像先前的實施例一樣具有多重式量子井結構5，其由多個周期4形成，各周期分別包含一量子井層1和一位障層2。量子井層1和位障層2之佈置對應於第一實施例。
多個由Al1-xInxN(0x0.6)構成的中介層3埋置於多重式量子井結構5中。相對於第一(應改為先前)二個實施例而言，一周期序列中的各中介層3係埋置於量子井結構5中，其中各中介層3之配置的周期長度d2不等於量子井結構5之周期長度d1。換言之，量子井層1和位障層2所形成的序列具有第一周期長度d1且多個中介層3所形成的序列具有第二周期長度d2，其中d1≠d2。
結果，各中介層3未必分別配置在量子井層1和位障層2之間的邊界面上。反之，各中介層3亦可埋置於量子井層1或位障層2中。在此種情況下，中介層3因此亦由各別的量子井層1或位障層2之第一部份層和第二部份層所包圍著。例如，生長方向中最下方的周期4之第一量子井層1具有第一部份層1a和第二部份層1b，其中一中介層3配置於第一部份層1a和第二部份層1b之間。此外，一個或甚至二個中介層埋置於其它之一些量子井層1和多個位障層2之間。量子井結構5之在生長方向中最上方的周期4例如具有一位障層2，其具有第一部份層2a和第二部份層2b，其中一中介層3配置在第一部份層2a和第二部份層2b之間。
此外，這些實施例中亦可存在以下情況：中介層3
之至少一部份配置在量子井層1和位障層2之間的邊界面上。例如，生長方向中最下方的周期4之位障層2在二側鄰接於一中介層3。
本實施例中，各中介層3較薄時是有利的。各中介層3之厚度較佳是小於1奈米，特別佳時小於0.5奈米。
中介層3之周期長度d2較佳是介於2奈米和4奈米之間。中介層3之周期長度d2小於多重式量子井結構5之周期長度d1。以此方式可確保：量子井結構5之每一周期4中埋置著至少一中介層3。量子井結構5之周期例如可介於4奈米和10奈米之間。
在一特別佳之佈置中，多個中介層3之銦含量x分別受到調整，使中介層3之電子能帶間隙可適應於量子井層1或位障層2之材料，其中埋置著各別之中介層3。在一配置在量子井層1和位障層2之間的邊界面上之中介層3之情況下，該中介層3之銦含量x較佳是受到調整，使得該中介層3之電子能帶間隙等於相鄰之量子井層1或相鄰之位障層2者。以此方式，可有利地使量子井結構5之電子特性不會大大地受到中介層3之埋置所影響。以此方式，可有利地使半導體材料中不期望的聲子減少，所述聲子可藉由非發射性的重組而使光電組件11之效率下降，但同時使光電組件11之其它電子特性和光學特性只不明顯地改變。
本發明當然不限於依據各實施例中所作的描述。反之，本發明包含每一新的特徵和各特徵的每一種組合，特別是包含各申請專利範圍之各別特徵之每一種組合，
當相關的特徵或相關的組合本身未明顯地顯示在各申請專利範圍中或各實施例中時亦屬本發明。
1‧‧‧量子井層
2‧‧‧位障層
3‧‧‧中介層
4‧‧‧周期
5‧‧‧活性層
6‧‧‧第一半導體區
7‧‧‧第二半導體區
8‧‧‧基板
9‧‧‧第一電性接觸區
10‧‧‧第二電性接觸區
11‧‧‧光電組件
圖1是光電組件之第一實施例的橫切面圖。
圖2是光電組件之第二實施例的橫切面圖。
圖3是光電組件之第三實施例的橫切面圖。
1‧‧‧量子井層
2‧‧‧位障層
3‧‧‧中介層
4‧‧‧周期
5‧‧‧活性層
6‧‧‧第一半導體區
7‧‧‧第二半導體區
8‧‧‧基板
9‧‧‧第一電性接觸區
10‧‧‧第二電性接觸區
11‧‧‧光電組件
Claims (14)
- 一種光電組件(11)，具有一活性層，此活性層具有量子井結構(5)，其中該量子井結構(5)包括由InyGa1-yN(0y<1)構成的至少一位障層(2)和由InzGa1-zN(0<z1且z>y)構成的至少一量子井層(1)，其特徵為：該量子井結構(5)中包含由Al1-xInxN(0x0.6)構成的至少一中介層(3)，其具有小於1.5奈米的厚度。
- 如申請專利範圍第1項之光電組件，其中就該中介層(3)之銦成份x而言適合下式：0x0.35。
- 如申請專利範圍第1或2項之光電組件，其中就該中介層(3)之銦成份x而言適合下式：0.09x0.27。
- 如申請專利範圍第1至3項中任一項之光電組件，其中該至少一中介層(3)具有小於1奈米的厚度。
- 如申請專利範圍第1至4項中任一項之光電組件，其中該至少一中介層(3)配置在該位障層(2)和該量子井層(1)之間。
- 如申請專利範圍第1至5項中任一項之光電組件，其中須調整該中介層(3)之銦成份x，使該中介層(3)之電子能帶間隙等於相鄰之位障層(2)之電子能帶間隙。
- 如申請專利範圍第1至6項中任一項之光電組件，其中須調整該中介層(3)之銦成份x，使該中介層(3)之電子能帶間隙等於相鄰之量子井層(1)之電子能帶間隙。
- 如申請專利範圍第1至7項中任一項之光電組件，其中該量子井結構(5)是多重式量子井結構，其具有分別 由以下三層構成之多個周期(4)：位障層(2)，中介層(3)，以及量子井層(1)。
- 如申請專利範圍第1至7項中任一項之光電組件，其中該量子井結構(5)是多重式量子井結構，其具有分別由以下四層構成之多個周期(4)：中介層(3)，位障層(2)，另一中介層(3)，以及量子井層(1)。
- 如申請專利範圍第1至7項中任一項之光電組件，其中該量子井結構(5)是多重式量子井結構，其中以第一周期長度重複著該位障層(2)和該量子井層(1)，其中在該量子井結構(5)中埋置著多個中介層(3)，其以第二周期長度多次重複著，且該第一周期長度不等於該第二周期長度。
- 如申請專利範圍第10項之光電組件，其中該第二周期長度小於該第一周期長度。
- 如申請專利範圍第10或11項之光電組件，其中該第二周期長度係介於2奈米(含)和4奈米(含)之間。
- 如申請專利範圍第1至12項中任一項之光電組件，其中該至少一位障層(2)之厚度係介於1奈米和3奈米之間。
- 如申請專利範圍第1至13項中任一之光電組件，其 中該至少一量子井層(1)之厚度係介於2奈米和4奈米之間。
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