TW201717424A - 紫外光發光二極體 - Google Patents

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zhong-jie Yang
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Abstract

本發明有關一種紫外光發光二極體，其包含一漸進式超晶格層，該漸進式超晶格層包含一第一超晶格層與一第二超晶格層，該第一超晶格層係包含多層結構以一第一層與一第二層依序堆疊成一單元後重複堆疊該單元而成，及該第二超晶格層係包含多層結構以一第三層與一第四層依序堆疊成一單元後重複堆疊該單元而成，該N型半導體層設置於該漸進式超晶格層上，其中該第一層、該第二層、該第三層與該第四層之鋁的含量組成比依序遞減，透過該漸進式超晶格層之設置具有明顯改善磊晶結構品質。

Description

紫外光發光二極體
本發明係有關於一種紫外光發光二極體，尤指一種能改善磊晶結構品質之紫外光發光二極體。
科技日新月異，發光二極體產業趨向很好的發展，有關於照明、醫療、殺菌、淨水、高密度光記錄等領域中可較佳的使用發光二極體，特別是於紫外光區域之發光二極體額外得受到矚目。
迄今為了形成半導體發光裝置之發光二極體，大多已使用III族氮化物作為半導體材料，因III族氮化物之磊晶特性，而被廣泛運用於電子設備或發光元件等，使得III族氮化物之磊晶性高低，已成為電子設備或發光元件效率好壞之因素所在。係因III族氮化物在基板上成長時，容易產生錯位缺陷(Dislocation)，因而影響發光二極體的磊晶結構品質，而導致發光二極體之發光效率不佳等問題產生。
而為了改善發光二極體之磊晶結構品質，通常於氮化物類半導體層於基板上磊晶生長時，為了緩和氮化物類半導體層相對於基板之磊晶結構的不同、晶格錯位或熱膨脹係數差等等引起的缺陷，目前研究出了各式各樣的緩衝層結構之解決方法。
目前來說，關於發光二極體產業隨著技術的進步，電源輸出的改善、效率提高、壽命增加與成本降低， 紫外光發光二極體以成為可以進入的應用市場，而紫外光發光二極體起始成長於基板材料，因為避免吸光問題由原本藍光發光二極體所使用的GaN材料改為AIN材料，而材料成長於基板上仍會遇到晶格常數不匹配的問題，影響紫外光發光二極體磊晶結構品質，進而影響到紫外光發光二極體之發光效率下降。
故，發明人針對於上述習知技術之缺點，進行研究開發如何改善III族氮化物之磊晶適性匹配，及容易產生錯位缺陷等等問題，如此以提高發光二極體之磊晶結構品質。
本發明之一目的，在於提供一種紫外光發光二極體，其利用漸進式超晶格結構能提高發光二極體之磊晶結構品質。
本發明之一目的，在於提供一種紫外光發光二極體，其利用多層N型半導體結構摻雜不同含量之矽藉以改善電性，以增加發光二極體之發光效率。
為達上述所指稱之各目的及功效，本發明為一種紫外光發光二極體，其係於一基板上設置之一緩衝層，並於該緩衝層上設置一漸進式超晶格層，該漸進式超晶格層包含一第一超晶格層，其係包含多層結構以一第一層與一第二層依序堆疊成一單元後重複堆疊單元而成及一第二超晶格層，其係包含多層結構以一第三層與一第四層依序堆疊成一單元後重複堆疊單元而成，藉由該第一層、該第二層、該第三層與該第四層之鋁的含量組成比依序遞減，以降低其晶格缺陷以提高磊晶之品質。
經查，超晶格係由兩種不同性質之薄膜材料交互替生長而成的多層的晶體，使用者可藉由控制其薄膜厚度來控制週期長度。又因為週期長度比一般的晶格還要長很多倍，能帶也變得比較寬，所能容納的電子也比一般的晶格多，所以稱為超晶格。
本發明之一實施例，在於揭露該第一層之鋁(Al)的含量組成比小於等於該緩衝層之鋁的含量組成比。
本發明之一實施例，在於揭露該緩衝層包含氮化鋁(AlN)。
本發明之一實施例，在於揭露該第四層之鋁(Al)的含量組成比大於等於該N型半導體層之鋁(Al)的含量組成比。
本發明之一實施例，在於揭露該N型半導體層包含氮化鋁鎵(AlGaN)。
本發明之一實施例，在於揭露更進一步該緩衝層包括一第一緩衝層與該第二緩衝層，該第二緩衝層為未摻雜氮化鋁(u-AlN)。
又，本發明另揭示一N型半導體層依磊晶順序更包含一第一N型半導體層、一第二N型半導體層與一第三N型半導體層，該第一N型半導體層摻雜之含量組成比大於該第三N型半導體層摻雜之含量組成比，該第二N型半導體層未摻雜，以摻雜不同含量藉以改善電性，以增加發光二極體之發光效率。
本發明之一實施例，在於揭露該第一N型半導體層與該第三N型半導體層摻雜矽(Si)。
本發明之一實施例，在於揭露該第一N型半導體層之厚度大於該第二N型半導體層與該第三N型半導體層。
本發明之一實施例，在於揭露該第一N型半導體層之厚度大於1um，該第二N型半導體層與該第三N型半導體層之厚度小於0.2um。
本發明之一實施例，在於揭露該漸進式超晶格層摻雜矽(Si)。
1‧‧‧磊晶結構
10‧‧‧基板
20‧‧‧緩衝層
21‧‧‧第一緩衝層
22‧‧‧第二緩衝層
30‧‧‧漸進式超晶格層
31‧‧‧第一超晶格層
310‧‧‧單元
311‧‧‧第一層
312‧‧‧第二層
32‧‧‧第二超晶格層
320‧‧‧單元
321‧‧‧第三層
322‧‧‧第四層
33‧‧‧矽
40‧‧‧N型半導體層
41‧‧‧第一N型半導體層
42‧‧‧第二N型半導體層
43‧‧‧第三N型半導體層
50‧‧‧發光層
60‧‧‧P型半導體層

第一圖：其係為本發明之第一實施例之紫外光發光二極體示意圖；
第二圖：其係為本發明之第一實施例之紫外光發光二極體之改良數據示意圖；
第三圖：其係為本發明之第二實施例之紫外光發光二極體示意圖；以及
第四圖：其係為本發明之第三實施例之紫外光發光二極體示意圖。
為使　貴審查委員對本發明之特徵及所達成之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例及配合詳細之說明，說明如後：
目前由於紫外光發光二極體起始成長於基板材料，因為避免吸光問題由原本藍光發光二極體所使用的氮化鎵(GaN)材料改為氮化鋁(AIN)材料，而材料成長於基板上仍會遇到晶格常數不匹配的問題，影響紫外光發光二極體磊晶結構品質，進而影響到紫外光發光二極體之發光效率下降，故，針對現有的技術之缺點進行改良，而提供一種能改善磊晶結構品質之紫外光發光二極體，其中紫外光發光二極體係以UVA、UVB及UVC。
請參閱第一圖與第二圖，其係為本發明之第一實施例之紫外光發光二極體之示意圖與改良數據示意圖；如圖所示，本實施例為一種紫外光發光二極體之磊晶結構1，該磊晶結構1係包含一基板10、一緩衝層20、一漸進式超晶格層30、一N型半導體層40，而該漸進式超晶格層30包含一第一超晶格層31與一第二超晶格層32，本發明主要利用該漸進式超晶格層30能夠明顯改善紫外光發光二極體之該磊晶結構1之磊晶品質。
於本實施例中，該基板1之材質可為藍寶石、玻璃或陶瓷等等材料，本實施例以藍寶石基板為例，進行以下說明，該緩衝層20設置於該基板10上，該緩衝層20更進一步包含一第一緩衝層21與一第二緩衝層22，該第一緩衝層21摻雜氮化鋁(AlN)，該第二緩衝層未摻雜氮化鋁(u-AlN)，未摻雜氮化鋁(u-AlN)之該第二緩衝層22位於摻雜氮化鋁(AlN)之該第一緩衝層21之上方。於該緩衝層20之上依序設置一第一超晶格層31與一第二超晶格層32，該第一超晶格層31係包含多層結構以一第一層311與一第二層312依序堆疊一單元300後，重複堆疊該單元300而成，該第二超晶格層32同樣係包含多層結構以一第三層321與一第四層322依序堆疊一單元320後，重複堆疊該單元320而成，該N型半導體層40設置於該漸進式超晶格層30上。
承上所述，本實施例有關於該漸進式超晶格層30之主要之各層材料差異在於，該第一超晶格層31之該第一層311的鋁(Al)的含量組成比大於等於該第一超晶格層31之第二層312的鋁(Al)的含量組成比；該第一超晶格層31之第二層312的鋁(Al)的含量組成比大於等於該第二超晶格層32之第三層321的鋁(Al)的含量組成比；該第二超晶格層32之第三層321的鋁(Al)的含量組成比大於等於該第二超晶格層32之第四層322的鋁(Al)的含量組成比，其中該第一層311、該第二層312、該第三層321與該第四層322之鋁的含量組成比依序遞減，上述各層(311、312、321與322)之厚度約為10Å到12Å之間。
又，該第一超晶格層31之該第一層311的鋁(Al)的含量組成比小於等於該緩衝層20之鋁(Al)的含量組成比，該緩衝層20包含氮化鋁(AlN)；該第二超晶格層32之第二層322的鋁(Al)的含量組成比大於等於該N型半導體層40之鋁(Al)的含量組成比，其中該漸進式超晶格層30之鋁(Al)的含量組成範圍介於該緩衝層20之鋁(Al)的含量組成與該N型半導體層40之鋁(Al)的含量組成之間，該N型半導體層40包含氮化鋁鎵(AlGaN)。
本實施例習知利用氮化鋁(AlN)材料成長於基板上會遇到晶格常數不匹配的問題，影響紫外光發光二極體之磊晶結構品質，導致紫外光發光二極體之發光效率不佳，其原因在於，若相鄰堆疊各層之間的鋁(Al)的含量組成比之差異性過大，會導致晶格錯位、釋放應力差等缺陷，故，本實施例利用該漸進式超晶格層30設置於該緩衝層20與該N型半導體層30之間，該漸進式超晶格層30之鋁(Al)的含量組成範圍介於該緩衝層20之鋁(Al)的含量組成與該N型半導體層40之鋁(Al)的含量組成之間，而該漸進式超晶格層30包含該第一晶格層31與該第二晶格層32，該第一晶格層31包含該第一層311與該第二層312，該第二晶格層32包含該第三層321與該第四層322，其中該第一層311、該第二層312、該第三層321與該第四層322之鋁的含量組成比依序遞減，如此方式，使相鄰每一層結構之鋁的含量組成比差異性不會太大，能夠有效釋放應力以及阻擋晶格錯位串升，請參閱第二圖，此圖式係以X光進行繞射本實施例之磊晶結構，於圖中可得知由B線(未設有漸進式超晶格層)變成A線(設有該漸進式超晶格層30)，得證明有效改善紫外光發光二極體之磊晶結構品質，另外，本實施例中並不限制該第一層311、該第二層312之堆疊單元及該第三層321與該第四層322之堆疊單元數量，其可係依據不同結構所需要調整的應力和晶格錯位而進行增減。
請參閱第三圖，其係為本發明之第二實施例之紫外光發光二極體示意圖；如圖所示，本實施例與第一實施例置之差異在於，本實施例之該N型半導體層40包含氮化鋁鎵(AlGaN)材料，依其磊晶順序包含一第一N型半導體層41、一第二N型半導體層42與一第三N型半導體層43，該第二N型半導體層42未摻雜，該第一N型半導體層41摻雜之含量組成比大於該第三N型半導體層43摻雜之含量組成比，其中該第一N型半導體層41與該第三N型半導體層43摻雜矽(Si)33。又，該第一N型半導體層41之厚度大於該第二N型半導體層42與該第三N型半導體層43，本實施例中，該第一N型半導體層41之厚度大於1um，該第二N型半導體層42與該第三N型半導體層43之厚度小於0.2um。再將該發光層50(multiple quantum well，MQW)設置於該N型半導體層40之該第三N型半導體層43上，該P型半導體層60設置於該發光層50上。
承上所述，本實施例之該N型半導體層40包含該第一N型半導體層41、該第二N型半導體層42與該第三N型半導體層43之結構之原因在於，若直接於摻雜矽(Si)之N型半導體層上堆疊該發光層50，會因為N型半導體層內的矽(Si)含量過多，而導致該發光層50的磊晶結構品質受到影響，進而影響到發光效率，所以將未摻雜矽(Si)之該第二N型半導體層42摻雜矽(Si)該第一N型半導體41上，以作為改善該發光層50之磊晶結構品質，又，為了避免由該N型半導體層40進入該發光層50的電子過少，再進一步，將有摻雜矽(Si)之該第三N型半導體層43設置於該第二N型半導體層42之上，以彌補電子過少的缺失，故，該第二N型半導體層42與該第三N型半導體層43主要作為調整該第一N型半導體層41之電性的結構，本實施例以上述之方式達到提高電性與改善磊晶結構品質，進一步，該第二N型半導體層42與該第三N型半導體層43之結構厚度以足夠調整該第一N型半導體層41之電性結構即可，所以並不會超過該第一N型半導體層41之厚度。
請參閱第四圖，其係為本發明之第三實施例之紫外光發光二極體示意圖；如圖所示，本實施例與第一實施例之差異在於，本實施例進一步於該漸進式超晶格層30摻雜矽(Si)33，其目的在於，當該漸進式超晶格層30內有摻雜矽(Si)有助於磊晶成長於該緩衝層20之該第二緩衝層22(即未摻雜氮化鋁(u-AlN)層)上。
綜上所述，本發明為一種紫外光發光二極體，該漸進式超晶格層設置於該緩衝層與該N型半導體層之間，該漸進式超晶格層包含一第一超晶格層與一第二超晶格層，該第一超晶格層係包含多層結構以一第一層與一第二層依序堆疊一單元後重複堆疊單元而成，及該第二超晶格層係包含多層結構以一第三層與一第四層依序堆疊一單元後重複堆疊單元而成，該N型半導體層設置於該漸進式超晶格層上，其中該第一層、該第二層、該第三層與該第四層之鋁的含量組成比依序遞減，如此方式，使相鄰每一層結構之鋁的含量組成比差異性不會太大，能夠有效釋放應力以及阻擋晶格錯位串升，以提升磊晶結構品質。又，該N型半導體層包含一第一N型半導體層、一第二N型半導體層與一第三N型半導體層，該第一N型半導體層摻雜矽(Si)之含量組成比大於該第三N型半導體層摻雜矽(Si)之含量組成比，該第二N型半導體層未摻雜矽(Si)，該第二N型半導體層與該第三N型半導體層主要作為調整該第一N型半導體層之電性的結構，另外，該漸進式超晶格層內有摻雜少量的矽(Si)有助於磊晶成長於該緩衝層之該第二緩衝層(即未摻雜氮化鋁(u-AlN)層)上。
惟以上所述者，僅為本發明一較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，故舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。
故本發明實為一具有新穎性、進步性及可供產業上利用者，應符合我國專利法專利申請要件無疑，爰依法提出發明專利申請，祈 鈞局早日賜至准專利，至感為禱。
1‧‧‧磊晶結構
10‧‧‧基板
20‧‧‧緩衝層
21‧‧‧第一緩衝層
22‧‧‧第二緩衝層
30‧‧‧漸進式超晶格層
31‧‧‧第一超晶格層
310‧‧‧單元
311‧‧‧第一層
312‧‧‧第二層
32‧‧‧第二超晶格層
320‧‧‧單元
321‧‧‧第三層
322‧‧‧第四層
40‧‧‧N型半導體層

Claims (11)

  1. 一種紫外光發光二極體，其包含：
    一基板；
    一緩衝層，其設置於該基板上；
    一漸進式超晶格層，其設置於該緩衝層上，包含：以及
    一第一超晶格層，其係包含多層結構以一第一層與一第二層依序堆疊成一單元後重複堆疊該單元而成；及
    一第二超晶格層，其係包含多層結構以一第三層與一第四層依序堆疊成一單元後重複堆疊該單元而成；
    一N型半導體層，其設置於該漸進式超晶格層上；
    其中，該第一層、該第二層、該第三層與該第四層之鋁的含量組成比依序遞減。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之紫外光發光二極體，其中該第一層之鋁(Al)的含量組成比小於等於該緩衝層之鋁(Al)的含量組成比。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之紫外光發光二極體，其中該緩衝層包含氮化鋁(AlN)。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之紫外光發光二極體，其中該第四層之鋁(Al)的含量組成比大於等於該N型半導體層之鋁(Al)的含量組成比。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之紫外光發光二極體，其中該N型半導體層包含氮化鋁鎵(AlGaN)。
  6. 如申請專利範圍第1、2或4項所述之紫外光發光二極體，更進一步該緩衝層包括一第一緩衝層與一第二緩衝層，該第二緩衝層為未摻雜氮化鋁(u-AlN)。
  7. 如申請專利範圍第1、2或4項所述之紫外光發光二極體，其中該N型半導體層依磊晶順序包含一第一N型半導體層、一第二N型半導體層與一第三N型半導體層，該第一N型半導體層摻雜之含量組成比大於該第三N型半導體層摻雜之含量組成比，該第二N型半導體層未摻雜。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之紫外光發光二極體，其中該第一N型半導體層與該第三N型半導體層摻雜矽(Si)。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之紫外光發光二極體，其中該第一N型半導體層之厚度大於該第二N型半導體層與該第三N型半導體層。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之紫外光發光二極體，其中該第一N型半導體層之厚度大於1um，該第二N型半導體層與該第三N型半導體層之厚度小於0.2um。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之紫外光發光二極體，其中該漸進式超晶格層摻雜矽(Si)。
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