TW441140B - Quantum well type light-emitting diode - Google Patents
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Description
t 4 41 1 4 0 Δ.
Ai ------------ 五、發明說明（Ϊ ) 本案係基於曰本專利申請案第n_107865號，申請曰 1999年4月15曰，其内容併述於此以供參考。 f請先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁) 發明背景 發明領域 本發明係關於、一種量子井類型發光二極體（LED)之改 良，具有至少一量子井結構之光產生層及一光諧振器，其 係由一對反射層介於其間插置該光產生層組成。 相關技術之討論 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 已知一種量子井型發光二極體係經由複數半導體層形 成，半導體層層合於一半導體基材上，其中複數半導體層 包括至少一量子井結構之光產生層，其發光且具有厚度值 小於電子波波長（1 〇〇埃亦即10毫微米），及一光错振器係 由一對反射層設置於光產生層的兩相對邊用於反射由光產 生層產生的光組成β經由外加電流二電極（二電極分別形 成於由複數半導體層組成之一層狀結構之二主面上），光 產生層產生之光由基材遠端層狀結構之兩相對主面之一發 射。如此構成的量子井型發光二極體中，光產生層之電子 波及光谐振器之光波麵合在一起，故光產生層僅於諧振模 產生光。此種現象俗稱腔穴QED效應。由於此種腔穴qed 效應，前述發光二極體可發光，光具有高度方向性及窄線 寬，因此發光不會有於晶體表面上全然反射的問題，確保 高度外部量子效率》此種發光二極艘之例揭示於jP_A_4_ 167484及JP-A-I0-27945 。 前述量子井型發光二極體具有光諧振器，其中設置量 4 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4规格（210 * 297公釐） A7
五、發明說明（2 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 子井結構之光產生層’該發光二極體可碟保高度外部量子 效率。此種發光二極體非期望地於相對大幅度電流外加於 二極體用於改良其發光輸出時’造成光諧振器連續感應或 刺激發射。如此如前述構造發光二極體可能引發雷射振盈 ，理由如後。 特定言之，當多層半導體層係藉晶體生長於基材上而 形成時’半導體層之晶格常數通常彼此匹配。如此當發光 層形成為具有量子井結構時，於發光層之價帶出現帶分裂 ’因此發光層之償帶有二子帶係由一輕電調帶LH及一重 電調帶HH組成’重電調帶具有比輕電調帶lh更高的能量 位準以電流導入光產生層之電子儲存於傳導帶，而導入光 產生層之電調主要係儲存於重電調帶HH，因此具相對高 準位被激發拉子係於光產生層產生。若外加於發光二極體 的電流提高其光輸出，具有高能準位之被激發粒子數目隨 著電流幅度的增高而增加’因此造成光諧振器連續感應或 刺激發射，結果導致雷射振盪。 發明概述 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 因此本發明之目的係提供一種量子井型發光二極體， 具有一光反射器其中設置至系一量子井結構之光產生層， 即使於發光二極體獲得相對大光輸出時，發光二極體仍不 會出現雷射振盪。 本發明發明人經徹底研究結果，發現者光產生層於厚 度方向被提供壓縮應變，則由於至少一光產生層之晶格常 數與毗鄰光產生層且位在兩相對側兩層之晶格常數間之差 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公鼇） 441 14 0
五、發明說明（3 ) 異，二子帶亦即輕電洞帶LH及重電洞帶HH於光產生層價 帶之能量準位彼此接近，因而防止雷射振盪。基於此項發 現而完成本發明。 根據本發明之第一態樣可達成前述本發明之目的，提 供一種量子井型發光二極體，具有一發光部且係由複數半 導體層形成，半導體層包含至少一量子井型光產生層用於 產生光’及一對反射層介於其間至少插置一層光產生層， 該光反射層用於反射由至少一光產生層產生之光，因此該 對反射層作為光諧振器’量子井型發光二極體可發射由發 光部之光產生層產生之光，其中改良部分包含：至少一光 產生層具有晶格常數其係小於複數半導想層中至少二半導 體層之晶格常數’該二半導想層之位置係此鄰且位在至少 一光產生層之兩相對側。 經濟部智慧財產局員工消費合作杜印製 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 根據本發明之第一方面構成之發光二極體中，其中光 產生層之晶格常數係小於二層之晶格常數，該二層位置毗 鄰且位於光產生層之兩相對側，具相對小厚度之光產生層 於平行面方向被施加應變，因此光產生層晶體之晶格間隔 等於位在光產生層兩相對側之赴鄰二層之晶想的晶格間隔 ’因此光產生層被施加作用於其厚度方向的壓縮應變》此 種狀態下，於光產生層之價帶之輕電洞帶LH及重電洞帶 HH之能量準位彼此接近，故被導入光產生層之電洞儲存 及積聚於價帶之輕及重電洞帶LH及HH二者，結果導致電 洞之激發能量準位降低。如此本配置即使於大量電洞被引 進光產生層，當外加相對大量電流至發光二極體上，由於 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐> -6 - -----— -經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 _B7_ 五、發明說明（4 ) 引起連續感應或刺激發射的高能粒子數目相當小，故此種 配置可有利地防止雷射振盪。 前述本發明之目的也可根據本發明之第二徵方面達成 ，提供一種量子井型發光二極體，具有一發光部且係由複 數半導體層組成，半導體層包括至少一量子井結構光產生 層用於產生光’從及一對反射層，介於其間插置至少一光 產生層用於反射由至少一光產生層產生之光，因此該對反 射層可作為光諧振器’量子井型發光二極體發射來自發光 部藉光產生層產生之光，其中改良部分包含：至少一光產 生層被提供壓縮應變，因此於其厚度方向壓縮。 如此組構的發光二極體中，其中光產生層被提供壓縮 應變作用於其厚度方向’於光產生層之價帶之輕電洞帶LH 及重電調帶HH之能量準位彼此接近，因此被導入的電洞 儲存於價帶之輕及重電洞帶LH及HH，結果導致電洞之激 發能量準位降低。如此此種配置即使於大量電洞被導入光 產生層時’當外加相對大量電流至發光二極體時，由於起 連續感應或刺激發射的高能粒子數目相當少，故此種配置 可有利地防止雷射振盪。 前述本發明之目的也可藉本發明之第三特徵方面達成 ，提供一種量子井型發光二極體，具有一發光部且係由複 數半導體層組成，包括至少一量子井結構光產生層用於產 生光’及一對反射層介於其間插置至少一層光產生層用於 反射由該至少一光產生層產生之光，因此該對反射層作為 光諧振器，量子井型發光二極體發射來自發光部由光產生 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐〉 I I I 1----I I I I I in----^*1 —---I I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 t ^ 441 14 0 A7 ___ B7 五、發明說明（5) 層產生之光’其中改良部分包含：各至少一光產生層具有 一價帶分裂成二子帶由一輕電洞帶（LH)及一重電洞帶 (HH)組成’輕電洞帶及重電洞帶之能量準位實質上彼此 相等。 如此構成之發光二極體中，其中於光產生層之價帶之 輕電洞帶LH及重電洞帶HH之能量準位實質上彼此相等， 被導入各光產生層之電洞係儲存或累積於輕及重電洞帶 LH及HH。如此本配置即使於大量電洞被導入光產生層， 於外加相對大量電流至發光二極體時，由於引起連續感應 或刺激發射的高能粒子數目相當少，故此種配置可優異地 防止雷射振盪β 前述本發明之第一、第二及第三特徵方面之較佳形式 中’光產生層被提供0.4至0.5%範圍之壓縮應變。根據此 種配置’光產生層之價帶之輕及重電洞帶LH及ΗΗ之能量 準位實質上彼此相等。若光產生層被提供小於0.4%之壓 縮應變，則輕電洞帶LH之能量準位不如重電洞帶ΗΗ之能 量準位高。若光產生層被提供壓縮應變大於0.5%，則輕 電洞帶LH之能量準位高於重電洞帶ΗΗ之能量準位，非期 望地引起雷射振盪。 前述本發明之第一、第二及第三方面之另一較佳形式 中’該對反射層係由第一反射層及第三反射層組成，第一 反射層係由多單元半導體組成，單元半導體係由晶體生長 於單晶GaAs基材形成且組成第一分布拉格（Bragg)反射器 其係位於基材一邊，各至少一量子井結構之光產生層係插 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS〉A4規格（210 * 297公釐） 8 -----------一W裝 ------訂----；-------線V (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（6) 置於二半導體遮蔽層間，遮蔽層係由晶趙生長形成，第二 反射層係由多個單元半導體組成’單元半導體係由晶趙生 長於二遮蔽層之上層上形成，二遮蔽層間插置至少一光產 生層之最上層，第二反射層之多個單元半導體組成第二分 布布拉格反射器，其係位於發光部該邊。 根據此種配置，光產生層產生之光於光被諧振器諧振 後’由發光二極體之發光部發射’光諧振器係由該對反射 層介於其間插置光產生層組成。 前述本發明之第一至第三方面之又另一較佳形式中， 至少一光產生層形成於發光二極體，因此各至少一光產生 層係對正光反射器產生的駐波之至少一反節點之對應節點 〇 此種配置可有效提高發光二極體之量子效率，結果導 致顯著高度二極體之發光輸出。 圖式之jgr單說明 前述及其他本發明之目的、特色及優點經由研讀後文 _發明之目前較佳具體實施例之詳細說明連同附圖考慮將 更為明瞭，附囷中： 第1圖為視圈舉例說明根據本發明之具體實施例構成 之量子井型發光二極體； 第2囷為線圖顯示第1圖具有三井之發光二極體之增益 光譜，與具有不同數目井之其他發光二極體之增益光譜比 較； 第3圊為視圖示意說明習知發統二極體之主動層之能 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS〉A4现格（210 X 297公釐） 9 !!! ^^ !| —-----11^- <請先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁) 4 41 14 0 A7 ----------B7_______ 五、發明說明（7 ) 帶’其中主動層之晶格常數匹配遮蔽層之晶格常數，遮蔽 層夾置主動層於其間；以及 第4圊為視囷示意說明第1圖之發光二極體之主動層之 能量準位’其中主動層之晶格常數係小於夾置主動層於其 間之二遮蔽層之晶格常數，故主動層被提供壓縮應變。 較佳具體實施例之詳細說明 首先參照第1圖顯示量子井型發光二極體，換言之， 表面發光二極體10(後文簡為「發光二極體」）根據本發明 之一具體實施例組構而成。發現第1圈所示發光二極體1〇 之组件尺寸無需準確表示。 發光二極體10包括一單晶半導體基材12及各層半導體 層其包含第一反射層14，第一遮蔽層16，第一主動層18, 第一遮蔽層20’第二主動層22’第三遮蔽層24，第三主動 層26’第四遮蔽層28’第二反射層30,護套層32及電流封 阻層34，其係以說明順序藉磊晶晶體生長技術例如金屬有 機化學氣相沈積（MOCVD)於基材12上形成。發光二極體1〇 進一步包括一下電極36及一上電極38，分別係經由濺鍍於 基材12下表面及電流封阻層34上表面形成。發光二極趙 有一發光部48(容後詳述），位於基材12遠端之兩相對端之 — 〇 基材12為由n-GaAs單晶組成之η形化合物半導艘厚度 約350微米（舉例）。形成於基材12上之第一反射層丨4係由 各個單元半導體例如30對單元半導體，各單元半導體係由 厚約49毫微米及n-AlAs化合物半導體單晶膜之厚度約42毫 本紙張尺度適用中國0家標準（CNS)A4規格（210 X 297公* ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
W裝 i:------訂----··—*!線 V 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 10 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（8 ) 微米之n-Al0 5Ga0 5As化合物半導體單晶膜組成β二化合物 半導體膜以此種順序於基材12上彼此交互重要，故獲得多 個單元之半導想，使第一反射層14作為η形分布布拉格反 射器（DBR)。反射層14之各單元之半導體之二化合物半導 體膜之厚度值測得等於光諧振器之諧振波長之約四分之一 (容後詳述）。 第一至第四遮蔽層16,20’24,28為^(〇八07八103)0 521|10.48? 化合物半導想單晶層，且彼此重疊故二赴鄰層夾置第一、 第二、及第三主動層18, 22, 26之對應層介於其間。第一 及第四遮蔽層16,28厚約43毫微米，第二及第三遮蔽層20 ’ 24厚約86毫微米。換言之，第一及第二主動層丨8，22間 距d,2(第1圓）對應第二遮蔽層2〇厚度；第二及第三主動層22 ’ 26間距dn(第1圊）對應第三遮蔽層24厚度約86毫微米， 該值等於複合光尖峰波長之二分之一，複合光係由主動層 18 ’ 22 ’ 26產生之光且由發光部48發射，亦即約為諧振波 長之半。 第一、第二及第三主動層18, 22, 26各自插置於第一 至第四遮蔽層16，20，24，28之對應毗鄰二層間，主動層 為由i-GA0.55In0.45P化合物半導艘單晶層組成的量子井。第 一至第三主動層18, 22, 26之厚度值測定為主動層18，22 ，26提供量子井其解量準位彼此非連續。例如第一、第二 及第三主動層18，22，26之厚度值分別為8.3毫微米，6. i 毫微米及4.4毫微米，該值比電子波波長亦即1〇〇毫微米更 小。如此主動層18，22，26之發射光譜於室溫之尖峰波長 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS>A4蚬格（210 * 297公t) 11 I !!-裝--- - ---訂·--— I! I ·線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 441 14 0 A7
五、發明說明（9 ) 为別為約625毫微米，615毫微米及607毫微米。本具體實 施例中，主動層18，22，26係作為量子井結構之光產生層 類似基材12該邊之第一反射層14，發光部48側邊的第 二反射層30係由多個單元半導體組成，例如1〇對單元半導 體’各單元半導體係由一厚約49毫微米之p-AlAs化合物半 導想單晶膜及一厚約42毫微米之p-Alo 5Ga〇.5As化合物半導 體單晶膜組成。兩種化合物半導體膜交替疊置，因而提供 多個單之半導體，因此第二反射層3〇作為p型分布布拉格 反射器（DBR)。本具體實施例中，該對反射層丨4，3〇組成 光諧振器，二層14, 30間距，換言之，諧振器長度L為約 915毫微米，該值係於光證振器置於真空其中折射率為n== 1時測量》光諧振器長度L( = 915毫微米）為約複合光譜尖 峰波長（=610毫微米）之約1.5倍，複合光係由主動層18， 22，26產生之光且由發光部48發射。根據此種配置，主動 層18 ’ 22 ’ 26產生之光介於第一與第二反射層14，30重覆 反射因而產生駐波40’如第1圓所示。因光諧振器長度l 及第一至第四遮蔽層16, 20, 24，28之厚度值如前述測定 ’故主動層1 8，22，26對正駐波40之個別反節點，如第1 圖所示。本具體實施例中，其中光諧振器（14，3〇)内部的 半導體層（16-28)實質上係由InGaAlP之化合物半導體形成 ’光諧振器内載子（電子或電洞）之擴散長度為約0.5微米 ，電子之相干長度為約50毫微米。此種配置t，第一與第 二主動層18 ’ 22間距d|2以及第二與第三主動層22，26間 本紙張尺度適用中國國家襍準<CNS>A4规格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) W 裝 ----訂----：----!線" 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 12 .經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（10) 距七3充分小於載子擴散長度’但充分大於電子之相干長 度。 護套層32為厚約2微米？-八1〇5〇&〇5八8化合物半導體單 b曰層’電流封阻層34為厚約1微米η·Α1〇 5Ga〇 5As化合物半 導體單晶層。護套層32及電流封阻層34於第1圊以斜線指 示部分使用P型摻雜劑雜質如Zn摻雜而形成擴散區42，其 中雜質係從向濃度擴散。於此擴散區42，護套層32之導電 性提高’而電流封阻層34之極性改成p型。如此形成的發· 光二極體10中，於電流封阻層34中心部形成窄或約束的電 流流動路徑’其中p型雜質由η型擴散至p型而改變極性， 該路徑係於全體厚度向下至護套層32交界面。於二極體10 被激勵時，電流值可流過電流封阻層34之窄電流流動路徑 〇 下電極36之厚度為約1微米係由層狀構造形成，層狀 構造包含Au-Ge合金’ Ni及Au彼此以所述順序疊置於基材 料12上因而遮蓋基材料12下表面之全體表面。上電極38厚 約1微米且係形成為層狀構造，層狀構造包含Au_Zn合金 及Au其以所述順序彼此疊置於電流封阻層34之上表面44 上’但圓心中部係對應前述窄電流流經寬度。下及上電極 36 ’ 38為歐姆電極。 電流封阻層34其上未設置上電極38之囿心中部形成有 一凹部46，直徑約50微米。光產生層產生之光由對應此凹 部46之發光部48發射。凹部46底部界定前述窄電流路徑上 端，其直徑等於發光部48直徑。凹部46係藉蝕刻形成，例 本紙張尺度適用中國國家棵準（CNS)A4规格（210 X 297公«〉 13 — — — — — — — — — — — I. . — II I I I 訂 * — — — — — 1! (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 441 14 0 A7 ___ B7 五、發明說明（11) 如用於增加雜質通過電流封阻層34上表面44向下擴散出護 套層32之電流封阻層34中部的擴散深度。 前述發光二極體係以下述方式（舉例）製造。初步由第 一反射層14至電流封阻層34之全部各層皆係藉M〇cVD方 法（舉例）藉晶粒生長於基材12上，因而製成磊晶晶圓。然 後外加抗蚀層遮盍電流封阻層34上表面44，但直徑50微米 之圓中心部除外。表面44便用蝕刻液體進行蝕刻，蝕刻液 組成為按及過氧化氫水溶液，如此未被抗姓層遮蔽蓋的電 流封阻層34之圓中心部被蝕刻而形成前述凹部46。 於由電流封阻層34表面44移開抗蝕層後，作為摻雜劑 雜質的鋅藉熱擴散例如密封管擴散法擴散入電流封阻層34 。特定言之，於電流封阻層34具有原先厚度之外周邊部， 以及未形成凹部46之部分，電流封阻層34僅有上半部厚度 被摻雜鋅。於電流封阻層34之藉蝕刻形成凹部46之圓中心 部分’鋅向下擴散入護套層32之上半厚度部分，超過電流 封阻層34與護套層32中間邊界，因此電流封阻層34之圓中 心部分被摻雜鋅直到其全體厚度，因而提供前述窄電流流 徑。如此形成鋅以高濃度擴散通過的擴散區42。執行鋅的 熱擴散時’蟲晶晶圓連同擴散來源（例如ZnAs2)被置於石 英安瓿内’安瓿於真·空密封。然後安瓿於電爐加熱於約600 °C維持二十四小時。當下及上電極36，38分別形成於基材 料12之下表面及電流封阻層34之上表面後，磊晶晶圓藉將 各晶粒對應個別發光二極體10切晶粒切割。所得發光二極 體10於密封時藉壓模黏合至T018扁平柱（圖中未顯示）。於 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公* ) 14 -----------.W 裝 i:------訂----‘ί !線V (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 Α7 Β7 五、發明說明（I2) 此狀態，發光二極想10藉外加正電壓至上電極38及負電壓 至下電極36作業》 參照第2圖，顯示一線圖指示三發光二極體之光發射 光譜’發光二極體具有下表指示之不同數目井。詳言之， 具有三井及根據本具體實施例組構而成之發光二極體1〇之 發射光譜以實線指示於第2圖之線圈；而具有三井及根據 本發明之另一具體實施例組構而成之發統二極體之發射光 譜以單點鍵線指示。進一步，有一井且足夠作為比較例之 發光二極體之發射光譜以虛線指示。第2圊之線圖顯然易 知’作為比較例（以虛線指示）之發光二極體於8〇%相對增 益具有相對小波長寬度八又1=12毫微米，其尖峰等於1 ; 而本發明之發光二極體10(以實線指示）於80%相對增益具 有相對大波長寬度△ λ 3 = 17毫微米。如此於本發明之發 光二極體10之增益為80%或以上之溫度範圍比較比較例發 光二極體之溫度範圍（範圍約等於110。〇相當大（範圍約等 於 142。(：）。
井數目 井宽度 (各井尖 峰波長） 毫微米 尖峰 波長 波長 芄度 溫度 範圍 1 5.0(610) 610毫微米 12毫微米 100°C 2 4.5(608) 6.7(618) 610毫微米 14毫微米 117。。 3 4.4(607) 6.1(615) 8.3(625) 610毫微米 17毫微米 142°C 本發光二極體10，電壓外加於下電極36及上電極38間 ，電流於一方向由二極體上部通過前述窄電流路徑流至二 極體下部，因此主動層18，22，26被激勵而發光。由各不 同量子井形的主動層18, 22, 26形式之光產生層係設置於 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 15 — — — — — —-------裝---I----訂！1 -線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 441 14 0 A/ ___B7 五、發明說明（13 ) 由該對反射層14, 30組成之光諧振器（微諧振器）内部，故 各主動層18，22，26產生光具有於可滿足諧振條件之波長 具有相對小的發射光譜寬度。本發光二極體10中，其中光 產生層亦即主動層1 8，22，26係由不同量子井組成，量子 井具有各自不同的厚度值，由主動層18, 22, 26產生的光 之尖峰波長如上表所示彼此不同。如此由主動層18，22， 26產生之光組成及由發光部48發射的複合光及發射光譜係 由各主動層（光產生層）產生之光之發射之譜組成，該等發 射光譜彼此重4，因此獲得增益之波長寬度於三個發射光 譜的組合成的發射光譜比個別主動層（光產生層）之發射光 譜獲得增益的波長寬度更大。由個別三層主動層18，22， 26之三個發射光譜組合組成的發射光譜之複合光之尖峰波 長為約610毫微米（舉例）。換言之，獲得增益之波長範圍 之尖峰值為約610毫微米。 第1圊所示發光二極體10中，其中第一及第二主動層18 ’ 22間距dlz及第二及第三主動層22，26間距d3為86毫微 米’對應距離dl2及d13之光學長度等於諧振波長之半（％) 亦即前述複合光之尖峰波長之半。此種配置可防止量子井 耗合在一起’因而防止另一能量準位形成，原因在於距離 d!2及七3充分大於光諧振器之電子相干長度。如此主動層18 ，22，26之發射光譜不因交互干涉改變。此種配置中，發 光二極體10之增益光譜（發射光譜）對應三層主動層18，22 ’ 26個別三個不同發射光譜的組合，三個發射光譜波此重 疊。此種配置允許發光二極體10具有預定增益光譜（發射 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4现格<2i〇 * 297公釐〉 16 I———11.^裝！—訂·——:—^—線 · (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 B7 五、發明說明（14) -經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 光譜）’獲得方式係經由設置不同的三層主動層18, 22, 26 ，具有個別不同發射光譜，彼此組合獲得發光二極體1〇之 增益光譜。換言之，於本發光二極趙1〇，主動層18，22， 26之材料及厚度測得為發光二極體具有第2圖之線圖以 實線指示之發光光譜。本發光二極體1〇中，其中主動層18 ’ 22 ’ 26係由Ga0.55In0.45P化合物半導艘形成，以及第一至 第四遮蔽層 16’ 20, 24, 28係由（Ga〇.7A1〇3Wn()48P化合 物半導體製成，光諧振器之電子相干長度為約5〇毫微米。 第一與第二主動層18，22間距d12及第二與第三主動 層22 ’ 26間距約等於光错振器諸振波長之半。此種配 置中’光產生層（主動層18, 22, 26)之量子井位置對正駐 波40個別的反節點，如第i圓所示，因此發光二極趙1〇可 確保顯著高度發光輸出。前述距離d|2&d23比光諧振器之 載子擴散長度（本具體實施例為約〇·5微米）更小，故載子 充分擴散超出遮蔽層進入全部量子井（主動層18, 22, 26) 内部’結果獲得發光二極體10的顯著高度發射輸出。 本發光二極體10中，作為光產生層之主動層丨8, 22, 26係由i-Ga0 55In0 CP單晶層製成，而各自夾置對應主動層 18，22 ’ 26於其間的第一及第四遮蔽層16，2〇，24，28係 由^-(〇30.7八10.3)0.521110.48?單晶層製成，主動層18，22，26 之晶格常數dA(=5.6391埃）比位在對應主動層18，22，26 之兩相對側之赴鄰的遮蔽層16，20，24，28之晶格常數dB( =5.6516埃）小。此種配置中各主動層18,22,26平行平 面方向所約束，故主動層18, 22, 26於厚度方向被提供壓 --------------裝--- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) V -η . -線.
本紙張尺度適用中國國家標準（CNS>A4規格（21〇 X 297公釐 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 441 1 4 0 a? ___ B7 五、發明說明（15) 面方向所約束，故主動層18，.22，26於厚度方向被提供壓 縮應變0.4-0.5%。此種配置中，各主動層18，22，26之價 帶之輕電洞帶LH及重電洞帶HH之能量準位調整為實質上 彼此相等。換言之，各主動層18，22，26之償帶之輕及重 電洞帶之能量準位彼此接近，因而發光二極體1〇可確保光 輸出具有高度穩定度同時防止雷射振盪。若作用於各主動 層18，22，26之壓縮應變小於0.4%，則輕電洞帶LH之能 量準位不夠接近重電洞帶HH之能量準位》換言之，若壓 縮應變超過0.5%，剐輕電洞帶LH之能量準位過度高於重 電洞帶HH之能量準位，因此發光二極體10非期望地出現 雷射振盪問題。 一般而言，主大/罾之晶格常數dA經由形成i-Ga0 52In() 48p 單晶層之主動層調整等於第一至第四遮蔽層16，20，24， 28之晶敕常數dB。此例中，各主動層之價帶之能帶分成二 子帶’其能量準位彼此不同，亦即如第3囷所示，輕電洞 帶LH及重電洞帶HH之能量準位係高於輕電洞帶lh之能量 準位。相反地’本發光二極體1〇中，其中主動層丨8, 22, 26係由i_Ga0.55In0.45P單晶層製成，主動層μ，22，26之晶 格常數dA調整為比位在對應主動層18，22，26兩相對邊之 批鄰第一至第四遮蔽層16’ 20, 24, 28之晶格常數小，故 主動層18 ’ 22，26被提供壓縮應變0.4-0.5%。如此於主動 層18 ’ 22 ’ 26之價帶之輕電洞帶LH及重電洞帶HH之能量 準位調整為彼此相等，如第4圓所示。 於習知發光二極體，其中各主動層之輕電洞帶lh及 本紙張尺度適用中國國家揉準（CNS)A4规格（210 X 297公m 18 ------------ W 裳· — ;------訂----：----!線、、V. (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（16) 重電洞帶HH之能量準位彼此不同，如第3圖所示，大半引 進各主動層電洞係儲存或堆積入重電洞帶HH，因此被激 勵之電洞（激勵能）之能量準位升高’故具有高能之激勵粒 子於光產生層產生。藉由外加相對大幅度電流至發光二極 想來使二極艘產生大的光輸出，產生大量具有高能之激勵 粒子，藉此引起連續被利激或感應發射於光諧振器。如此 發光二極體有雷射振盪問題，特別藉外加相對大量電流而 使二極體產生大量光輸出時尤為如此》 本發明之發光二極體10中，主動層18，22，26之晶格 常數dA具有個別厚度值其充分小於第一至第四遮蔽層16, 20 ’ 24，28之厚度值’晶格常數被調整為小於位在對應主 動層18，22，26兩相對側之毗鄰遮蔽層16，20，24，28之 晶格常數心，故主動層18，22，26具有壓縮應變0.4-0.5% 。換言之，各主動層18, 22, 26係於平行平面方向應變， 故各主動層18，22，26之晶格間隔匹配夾置主動層18，22 ，26於其間之遮蔽層16，20，24，28之晶格間隔。如此主 動層18，22，26於厚度方向被提供壓縮應變。於此配置， 各主動層18，22，26之價帶之輕電洞帶LH及重電洞帶HH 之能量準位彼此接近，且實際上彼此相等，故被導入的電 洞被儲存或堆積於輕電洞帶LH及重電洞帶HH二者，結果 導致被激勵電洞之能量準位降低》因即使於大量電洞被導 入各主動層18，22，26(藉施加相對大幅度電流至發光二 極體10)時，具有高能粒子數目不足以引發連續刺激或感 應發射，故本發光二極體10可產生具有高穩定度之光輸出 本紙張尺度適用中國國家標準<CNS>A4规格（210 X 297公* > 19 -------------裝--------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 4 4114 1' at _____B7_____ 五、發明說明（l7 ) 而無雷射振盪問題。 <請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 雖然已經於較佳具體實施例說明本發明，但本發明可 以其他方式具體表現。 雖然於第1圖之具體實施例之發光二極體10具有以量 子井形成之三層主動層18 ’22, 26’主動層18, 22, 26係 失置於第一至第四遮蔽層16, 20, 24, 28之對應兩層間， 但主動層數目非囿限於第1圖之具體實施例之數目。發光 二極體10可有一或二主動層。另外發光二極體10可有四或 四層以上的主動層。進一步二或二以上的主動層可改置成 對正光諧振器產生的駐波40之個別反節點。 毗鄰二主動層間距非限於諧振波長之半，如第1圖舉 例說明具體實施例，反而可適當改變，只要比電子之相干 長度更長即可。為了使發光二極體10具有儘可能高的發射 效率，毗鄰二主動層間距較佳短於載子擴散長度。更佳毗 鄰二主動層間距為諧振波長之半》 線>. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 具體實施例之發光二極體具有InAlGaAs結構，其中 半導體層例如主動層18係由Ga().55In().45P化合物半導體製成 。本發明原現可應用於他型發光二極體，其中半導體層係 由AlGaAs單晶、GaAsP單晶或InGaAsP單晶製成。 第1圖之具體實施例中，該對反射層係由第一及第二 反射層14，30組成，反射層係由多層半導體反射層形成。 該對反射層係由介電層或金屬層形成。 具體實施例之發光二極體10為點光源型二極體，其中 產生光僅由形成於電流封阻層34上表面44中部的發光部48 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS>A4規格（210 X 297公釐) · 20 · A7 _B7 五、發明說明（18 ) 發射。本發明原理可應用至其他二極體’例如表面發光二 極體其中產生的光係由上表面44全體表面發射。 需了解本發明可未背離如隨附之申請專利範圍界定之 本發明之範圍及精髓由業界人士以多種變化、修改及改良 具體表現。 元件標號對照 -------------裝-----I--訂-------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) .經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 10…發光二極體 30…光諸振器 12…基材 32…護套層 14…光諸振器 34…電流封阻層 16…遮蔽層 36…下電極 18…主動層，光產生層 38···上電極 20…遮蔽層 40…標準波 22···主動層，光產生層 42…擴散區 24…遮蔽層 44…上表面 26··*主動層，光產生層 46.··凹部 28…遮蔽層 48···發光部 21 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS>A4規格<210 X 297公釐〉
Claims (1)
- A8 B8 C8 D8 441 14 0 六、申請專利範圍 L 一種量子井型發光二極體，具有一發光部（48)且係由 複數半導體層組成’半導體層包括至少一量子井結構 之光產生層（18，22，26)用以產生光，及一對反射層（14 ’ 30)，介於反射層間插置該至少一光產生層，反射層 用於反射由至少一光產生層產生之光，因此該對反射 層作為光諧振器，該量子井型發光二極體由發光部發 射光產生層產生之光，其中改良部分包含： * 各該至少一光產生層（18 ’ 22，26)具有晶格常數 小於複數半導體層之至少二半導體層（16，20，24，28) 之晶格常數’該二半導趙層彼此抵鄰且位在至少—光 產生層之兩相對邊上。 2. —種量子井型發光二極體，具有一發光部（48)且係由 複數半導體層組成，半導體層包括至少一量子井結構 之光產生層（18, 22’ 26)用以產生光，及一對反射層（14 ’ 30)，介於反射層間插置該至少一光產生層，反射層 用於反射由至少一光產生層產生之光，因此該對反射 層作為光證振器’該量子井型發光二極體由發光部發 射光產生層產生之光，其中改良部分包含： 各該至少一光產生層（18，22，26)被提供壓縮應 變，因此於其厚度方向被壓縮。 3. —種量子井型發光二極體’具有一發光部（48)且係由 複數半導想層組成，半導雜層包括至少一量子井結構 之光產生層（18，22，26)用以產生光，及一對反射層（14 ，70)，介於反射層間插置該至少一光產生層，反射層 用於反射由至少一光產生層產生之光，因此該對反射 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS〉A4现格（210 * 297公 — — — — — — — — — — — — ·1111111 — — — — — — — — ^ -· W (請先閱讀背面之注意^項再填寫本頁) ， 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 22 A8B8C8D8 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 六、申請專利範圍 層作為光諧振器，該量子井型發光二極體由發光部發 射光產生層產生之光，其中改良部分包含： 各該至少一光產生層（18，22，26)具有一價帶被 分裂成二子帶係由一輕電洞帶（LH)及一重電洞帶（HH) 組成，該輕電洞帶及該重電洞帶具有實質上彼此相等 的能量準位。 4. 如申請專利範圍第1〜3項中任一項之量子井型發光二 極體’其中加諸各光產生層之壓縮應變至0.4〜0.5%之 範圍。 5. 如申請專利範圍第1〜3項中任一項之量子井型發光二 極體，其中該對反射層係由一第一反射層（丨4)及—第 二反射層（30)組成，第一反射層係由複數單元半導體 組成’單元半導體係由晶體生長於單晶GaAs基材（12) 上形成’其構成一第一分布布拉格（Bragg)反射器其位 於基材該邊上；各該至少一量子井結構光產生層可插 置於藉晶體生長形成之二半導體遮蔽層（16，20，24， 28)間；第二反射層係由複數單元半導體組成，單元半 導體係由晶體生長於二遮蔽層（24，28)上層之上形成 ，二遮蔽層（24, 28)間插置至少一光產生層之最上層 (26)，第二反射層之複數單元半導體組成第二分布布 拉格反射器，其係位於發光部該邊。 6. 如申請專利範圍第1〜3項中任一項之量子井型發光二 極體’其中該至少一光產生層係形成於發光二極體， 因此各該至少一光產生層係對應於光反射器產生的駐 波（40)及至少一反節點之對應節點。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNSJA4规格（210 X 297公釐） 23 — — — — — — — — — — — — — * — — — — — — — ^ — — — — — — — (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
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