TW201351689A - 半導體發光結構 - Google Patents
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Abstract
一種半導體發光結構，包括一n型半導體層、一p型半導體層以及一主動層。主動層位在n型半導體層與p型半導體層之間，且主動層是由多數井層以及多數能障層交錯層疊而成為一多量子井結構。靠近n型半導體層之此些井層中至少包括一層第一厚度之第一井層，且靠近p型半導體層之此些井層中至少包括一層第二厚度之第二井層，第一厚度大於第二厚度，使得主動層相對靠近n型半導體層之區域對電子的侷限能力增加，以提高主動層的轉換效率，且第一厚度與第二厚度之間具一厚度差△d1，且0nm＜△d1≦10nm。
Description
本發明是有關於一種半導體發光結構，且特別是有關於一種增加電子侷限能力之半導體發光結構。
發光二極體(Light-Emitting Diode，LED)主要是透過電能轉化為光能的半導體發光結構。傳統的發光二極體包括一磊晶堆疊結構以及分別配置於磊晶堆疊結構的頂面與底面的上電極層與下電極層。當提供電能至發光二極體的上、下電極層時，電流通過磊晶堆疊結構，且磊晶堆疊結構因電子與電洞結合後釋放能量，並以光的形式發出。
磊晶堆疊結構係以有機金屬化學氣相沉積(MOCVD)法形成第一半導體層、主動層與第二半導體層，再分別加入施體(donor)與受體(acceptor)於第一半導體層與第二半導體層中，而成為帶負電荷的n型半導體(n-type semiconductor)層以及帶正電荷之p型半導體(p-type semiconductor)層，以使發光二極體可藉由電子傳導或電洞傳導的方式傳輸電流。
此外，傳統的發光二極體使用高能隙之AlXGa(1-X)N半導體材料做為電子阻擋層(Electron blocking layer)，以阻擋電子並使其侷限於主動層中，其中0≦x≦1。然而，當電子阻擋層的厚度太厚或AlXGa(1-X)N化合物中Al含量太高時，會造成磊晶堆疊結構的串聯電阻太高，而使發光二
極體必須以較高偏壓驅動。此外，AlXGa(1-X)N半導體材料的能隙(energy gap)較高，電洞不易越過電子阻擋層而傳輸至主動層，因而主動層的轉換效率相對降低，且主動層發光不均勻，有待進一步改善。
本發明係有關於一種半導體發光結構，藉由改善主動層對於電子的侷限能力，以提高主動層的轉換效率。
根據本發明之一方面，提出一種半導體發光結構，包括一n型半導體層、一p型半導體層以及一主動層。主動層位在n型半導體層與p型半導體層之間，且主動層是由多數井層以及多數能障層交錯層疊而成為一多量子井(Multi Quantum Well)結構。靠近n型半導體層之此些井層中至少包括一層第一厚度之第一井層，且靠近p型半導體層之此些井層中至少包括一層第二厚度之第二井層，第一厚度大於第二厚度，使得主動層相對靠近n型半導體層之區域對電子的侷限能力增加，以提高主動層的轉換效率，且第一厚度與第二厚度之間具一厚度差△d1，且0nm<△d1≦10nm。
根據本發明之另一方面，提出一種半導體發光結構，包括一n型半導體層、一p型半導體層以及一主動層。主動層位在n型半導體層與p型半導體層之間，且主動層是由多數個井層以及多數個能障層交錯層疊而形成一多量子井結構。靠近n型半導體層之此些能障層中至少包括一層第一厚度之第一能障層，且靠近p型半導體層之此些能
障層中至少包括一層第二厚度之第二能障層，第一厚度大於第二厚度，使得主動層相對靠近n型半導體層之區域對電子的侷限能力增加，以提高主動層的轉換效率。
根據本發明之另一方面，提出一種半導體發光結構，包括一n型半導體層、一p型半導體層、一主動層以及多數第一電子阻擋層。主動層位在n型半導體層與p型半導體層之間，且主動層由多數個井層以及多數個能障層交錯層疊而形成一多量子井結構。此些第一電子阻擋層在靠近n型半導體層處，與此些井層和此些能障層交錯層疊，以使主動層相對靠近n型半導體層之區域對電子的侷限能力增加，以提高主動層的轉換效率。
為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
本實施例揭露之半導體發光結構，係改變主動層靠近n型半導體層處之多量子井結構，例如增加靠近n型半導體層之井層(well layer)的厚度、增加靠近n型半導體層之能障層(barrier layer)的厚度或於靠近n型半導體層處之主動層中加入電子阻擋層(electron blocking layer,EBL)等等，藉以改善主動層對於電子的侷限能力，以提高主動層的轉換效率。在一實施例中，n型半導體層、p型半導體層及主動層之井層與能障層係選自於由氮化鎵(GaN)、氮化銦鎵(InGaN)、氮化鋁鎵(AlGaN)及氮化鋁銦鎵(AlInGaN)所組成的群組中其中一種材質。舉例
來說，主動層之井層與能障層的材質例如為氮化銦鎵(InGaN)，且於氮化銦鎵化合物中In含量不同而使得能障層的能隙大於井層的能隙。當靠近n型半導體層之井層或能障層的厚度增加時，將使更多的電子被侷限於主動層相對靠近n型半導體層之區域中。此外，在另一實施例中，電子阻擋層例如為含有n型摻雜物之氮化鋁鎵(AlGaN)，其與靠近n型半導體層處之井層與能障層交錯層疊，且電子阻擋層的能隙大於井層與能障層的能隙，以使更多電子被侷限於主動層相對靠近n型半導體層之區域中，並且均勻分佈，進而改善主動層的轉換效率。
以下係提出各種實施例進行詳細說明，實施例僅用以作為範例說明，並非用以限縮本發明欲保護之範圍。
請參照第1圖，其繪示依照本發明一實施例之半導體發光結構的示意圖。半導體發光結構10包括一n型半導體層100、一p型半導體層120以及一位在n型半導體層100與p型半導體層120之間的主動層110，且主動層110例如是多量子井(MQW)結構，其層數可例如為10~30層但不以此為限，在第1圖中僅繪示多個井層111、113、115、117以及多個能障層112、114、116、118交錯層疊之結構，其中靠近n型半導體層100之井層111、113中至少包括一層第一厚度H1之井層，且靠近p型半導體層120之井層115、117中至少包括一層第二厚度H2之井層。第一厚度H1大於第二厚度H2，且第一厚度H1與第二厚度
H2之間具一厚度差，以△d1表示，較佳為0nm<△d1≦10nm。也就是說，本實施例藉由增加靠近n型半導體層100之井層的厚度，以使更多的電子e-由n型半導體層100流向主動層110時被侷限於主動層110相對靠近n型半導體層100之區域中，以期增加主動層110的轉換效率。
第2圖繪示第1圖之半導體發光結構10的能帶示意圖。簡言之，用於製造發光二極體的半導體材料可為Ⅲ-V族化合物半導體，例如為氮化鎵、氮化銦鎵、氮化鋁鎵或氮化鋁銦鎵，而GaN化合物半導體內有不同含量之銦、鋁會有不同的能隙，藉以調整出所欲發光的波長。能隙代表價帶電子和導帶電子之間的能帶間隙，能隙越高，表示價帶電子需要更高的能量才能到達導帶。在第2圖中，靠近n型半導體層100之井層111、113例如為In含量較高之GaInN，其厚度H1大於靠近p型半導體層120之井層115、117的厚度H2。此外，主動層110中之能障層112、114、116、118例如為In含量較低之GaInN，以使其能隙大於井層111、113、115、117之能隙。
另外，在第1及2圖中，半導體發光結構10可包括一電子阻擋層130，其位於主動層110與p型半導體層120之間。電子阻擋層130之材質可為氮化鎵(GaN)、氮化銦鎵(InGaN)、氮化鋁鎵(AlGaN)、氮化鋁銦鎵(AlInGaN)或其組合。電子阻擋層130較佳為高能隙之AlGaN半導體材料，以使電子阻擋層130的能隙大於能障層112、114、116、118的能隙與井層111、113、115、117的能隙。此外，電子阻擋層130的厚度可薄化，使得電洞容易越過電
子阻擋層130而傳輸至主動層110，因此主動層110的轉換效率相對提高。
請參照第3圖，其繪示依照本發明一實施例之半導體發光結構的示意圖。半導體發光結構20包括一n型半導體層200、一p型半導體層220以及一位在n型半導體層200與p型半導體層220之間的主動層210，且主動層210例如是多量子井(MQW)結構，其層數可例如為10~30層但不以此為限。在本實施例中，靠近n型半導體層200之能障層212、214中至少包括一層第一厚度H3之能障層，且靠近p型半導體層220之能障層216、218中至少包括一層第二厚度H4之能障層。第一厚度H3大於第二厚度H4，且第一厚度H3與第二厚度H4之間具一厚度差，以△d2表示，較佳為0nm<△d2≦100nm。也就是說，本實施例藉由增加靠近n型半導體層200之能障層的厚度，以使更多的電子e-由n型半導體層200流向主動層210時被侷限於主動層210相對靠近n型半導體層200之區域中，以期增加主動層210的轉換效率。
第4圖繪示第3圖之半導體發光結構20的能帶示意圖。在第4圖中，靠近n型半導體層200之能障層212、214例如為In含量較低之GaInN，其厚度H3大於靠近p型半導體層220之能障層216、218的厚度H4。此外，藉由調整GaInN的In含量，以使主動層210中之能障層212、214、216、218的能隙大於井層211、213、215、217之能
隙。
另外，在第3及4圖中，電子阻擋層230位於主動層210與p型半導體層220之間。電子阻擋層230較佳為高能隙之AlGaN半導體材料，以使電子阻擋層230的能隙大於能障層212、214、216、218的能隙。此外，電子阻擋層230的厚度可薄化，使得電洞容易越過電子阻擋層230而傳輸至主動層210，因此主動層210的轉換效率相對提高。
請參照第5A~5C圖，其分別繪示依照本發明一實施例之半導體發光結構的能帶示意圖。除了上述實施例改變井層與能障層的厚度的作法之外，本實施例之半導體發光結構在不改變井層與能障層的厚度下，係藉由分散多個第一電子阻擋層311、314、317於主動層310靠近n型半導體層300之區域。如第5A圖所示，第一電子阻擋層311、314、317在靠近n型半導體層300處，與井層313、316與能障層312、315、318交錯層疊，以使主動層310相對靠近n型半導體層300之區域對電子e-的侷限能力增加。第一電子阻擋層311、314、317較佳為含n型摻雜物之AlGaN半導體材料，n型摻雜物例如為矽，可提供多餘的自由電子，且第一電子阻擋層311、314、317的能隙大於能障層312、315、318的能隙與井層313、316的能隙，以使更多電子e-被侷限於主動層310相對靠近n型半導體層300之區域中，以期增加主動層310的轉換效率。
此外，半導體發光結構可包括一第二電子阻擋層330，其位於主動層310與p型半導體層320之間。第二電子阻擋層330較佳為高能隙之AlGaN半導體材料，且第二電子阻擋層330的能隙大於第一電子阻擋層311、314、317的能隙。
請參照第5B圖，多個第一電子阻擋層311’、314’、317’等間距或等厚度地穿插於井層313、316與能障層312、315、317之間，相對於第5A圖，第一電子阻擋層311’、314’、317’的厚度增加，且不需再配置高能隙之第二電子阻擋層330。接著，請參照第5C圖，多個第一電子阻擋層311”、314”、317”分別穿插於井層313、316與能障層312、315、318之間，相對於第5B圖，第一電子阻擋層311”、314”、317”之厚度由n型半導體層300向p型半導體層320方向逐次變薄。
由於上述之第一電子阻擋層呈分散排列，並使用摻雜的方式加入n型摻雜物，故不會造成主動層310的串聯電阻太高，而使半導體發光結構能以較低的偏壓驅動。此外，藉由分散排列之第一電子阻擋層，可使電子e-均勻分散到主動層310之各個區域中，進而改善主動層310發光之均勻性。
綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專
利範圍所界定者為準。
10、20‧‧‧半導體發光結構
100、200、300‧‧‧n型半導體層
110、210、310‧‧‧主動層
111、113、115、117‧‧‧井層
112、114、116、118‧‧‧能障層
120、220、320‧‧‧p型半導體層
130、230、330‧‧‧電子阻擋層
211、213、215、217‧‧‧井層
212、214、216、218‧‧‧能障層
311、314、317‧‧‧第一電子阻擋層
311’、314’、317’‧‧‧第一電子阻擋層
311”、314”、317”‧‧‧第一電子阻擋層
313、316‧‧‧井層
312、315、318‧‧‧能障層
H1、H3‧‧‧第一厚度
H2、H4‧‧‧第二厚度
e-‧‧‧電子
第1圖繪示依照本發明一實施例之半導體發光結構的示意圖。
第2圖繪示第1圖之半導體發光結構的能帶示意圖。
第3圖繪示依照本發明一實施例之半導體發光結構的示意圖。
第4圖繪示第3圖之半導體發光結構的能帶示意圖。
第5A~5C圖分別繪示依照本發明一實施例之半導體發光結構的能帶示意圖。
10‧‧‧半導體發光結構
100‧‧‧n型半導體層
110‧‧‧主動層
111、113、115、117‧‧‧井層
112、114、116、118‧‧‧能障層
120‧‧‧p型半導體層
130‧‧‧電子阻擋層
H1‧‧‧第一厚度
H2‧‧‧第二厚度
Claims (20)
- 一種半導體發光結構，包括：一n型半導體層；一p型半導體層；以及一主動層，位在該n型半導體層與該p型半導體層之間，且該主動層是由複數井層以及複數能障層交錯層疊而成為一多量子井(Multi Quantum Well)結構；其中，靠近該n型半導體層之該些井層中至少包括一層第一厚度之第一井層，且靠近該p型半導體層之該些井層中至少包括一層第二厚度之第二井層，該第一厚度大於該第二厚度，使得該主動層相對靠近該n型半導體層之區域對電子的侷限能力增加，以提高該主動層的轉換效率，且該第一厚度與該第二厚度之間具一厚度差△d1，且0nm<△d1≦10nm。
- 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光結構，其中該n型半導體層、該p型半導體層、該些井層與該些能障層之材質係選自於由氮化鎵(GaN)、氮化銦鎵(InGaN)、氮化鋁鎵(AlGaN)或氮化鋁銦鎵(AlInGaN)所組成的群組。
- 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光結構，更包括一電子阻擋層，位於該主動層與該p型半導體層之間，該電子阻擋層的能隙大於該些能障層的能隙，且該些能障層的能隙大於該些井層的能隙。
- 如申請專利範圍第3項所述之半導體發光結構，其中該電子阻擋層之材質為選自於由氮化鎵(GaN)、氮化 銦鎵(InGaN)、氮化鋁鎵(AlGaN)或氮化鋁銦鎵(AlInGaN)所組成的群組。
- 一種半導體發光結構，包括：一n型半導體層；一p型半導體層；以及一主動層，位在該n型半導體層與該p型半導體層之間，且該主動層是由複數個井層以及複數個能障層交錯層疊而形成一多量子井結構；其中，靠近該n型半導體層之該些能障層中至少包括一層第一厚度之第一能障層，且靠近該p型半導體層之該些能障層中至少包括一層第二厚度之第二能障層，該第一厚度大於該第二厚度，使得該主動層相對靠近該n型半導體層之區域對電子的侷限能力增加，以提高該主動層的轉換效率。
- 如申請專利範圍第5項所述之半導體發光結構，其中該第一厚度與該第二厚度之間具一厚度差△d2，且0nm<△d2≦100nm。
- 如申請專利範圍第5項所述之半導體發光結構，其中該n型半導體層、該p型半導體層、該些井層與該些能障層之材質係選自於由氮化鎵(GaN)、氮化銦鎵(InGaN)氮化鋁鎵(AlGaN)或氮化鋁銦鎵(AlInGaN)所組成的群組。
- 如申請專利範圍第5項所述之半導體發光結構，更包括一電子阻擋層，位於該主動層與該p型半導體層之間，該電子阻擋層的能隙大於該些能障層的能隙，且該些 能障層的能隙大於該些井層的能隙。
- 如申請專利範圍第8項所述之半導體發光結構，其中該電子阻擋層之材質為選自於由氮化鎵(GaN)、氮化銦鎵(InGaN)、氮化鋁鎵(AlGaN)或氮化鋁銦鎵(AlInGaN)所組成的群組。
- 一種半導體發光結構，包括：一n型半導體層；一p型半導體層；以及一主動層，位在該n型半導體層與該p型半導體層之間，且該主動層由複數個井層以及複數個能障層交錯層疊而形成一多量子井結構；以及複數第一電子阻擋層，在靠近該n型半導體層處，與該些井層與該些能障層交錯層疊，以使該主動層相對靠近該n型半導體層之區域對電子的侷限能力增加，以提高該主動層的轉換效率。
- 如申請專利範圍第10項所述之半導體發光結構，其中該些第一電子阻擋層是等間距或等厚度地穿插於該些井層與該些能障層之間。
- 如申請專利範圍第10項所述之半導體發光結構，其中該些第一電子阻擋層之厚度由n型半導體層向p型半導體層方向係逐次變薄。
- 如申請專利範圍第10項所述之半導體發光結構，其中該些第一電子阻擋層的能隙大於該些能障層的能隙，且該些能障層的能隙大於該些井層的能隙。
- 如申請專利範圍第10項所述之半導體發光結 構，其中該n型半導體層、該p型半導體層、該些井層與該些能障層之材質係選自於由氮化鎵(GaN)、氮化銦鎵(InGaN)、氮化鋁鎵(AlGaN)或氮化鋁銦鎵(AlInGaN)所組成的群組。
- 如申請專利範圍第10項所述之半導體發光結構，其中該些第一電子阻擋層含有n型摻雜物。
- 如申請專利範圍第10項所述之半導體發光結構，其中該些第一電子阻擋層為氮化鋁鎵。
- 如申請專利範圍第15項所述之半導體發光結構，其中該n型摻雜物為矽。
- 如申請專利範圍第10項所述之半導體發光結構，其中該些第一電子阻擋層的能隙大於該些能障層的能隙，且該些能障層的能隙大於該些井層的能隙。
- 如申請專利範圍第18項所述之半導體發光結構，更包括一第二電子阻擋層，位於該主動層與該p型半導體層之間，且該第二電子阻擋層的能隙大於該些第一電子阻擋層的能隙。
- 如申請專利範圍第19項所述之半導體發光結構，其中該第二電子阻擋層之材質為選自於由氮化鎵(GaN)、氮化銦鎵(InGaN)、氮化鋁鎵(AlGaN)或氮化鋁銦鎵(AlInGaN)所組成的群組。
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