TW515112B - Light emitting diode - Google Patents

Description

515112 A7 B7 五、發明説明（j 發明背景 1 ·發明範疇· 本發明與改善發光二極體（LED)之輸出有關；此發光二 極體包括一個多重量子井層；以及位於多重量子井層下方 的一個反射層。特別疋相關於包括由銘鎵銦磷（Αΐ〇αιηρ)型 材貝製成的多重量子井層之發光二極體；與作為反射層的 一個分配型布扭格反射層（distribution type Bragg reflection， DBR” 2 ·相關技藝之說明： 已採用由铭鎵銦磷型半導體材質製成的半導體元件用作 可見光之發射元件；因為此格子化的材質能結合一個鎵化 砷基板，且在第三族與第五族混合半導體中，能顯露出最 大的直接轉移帶隙（bandgap)。用作發光二極體，在550毫微 米至690毫微米的範圍内，此半導體元件能進行直接轉換光 之*fe射；其具有南光發射效率。 將此元件用作主動層時，多重量子井層能顯示出較高於 巨型（bulk)主動層之光發射效率。增加包括多重量子井層在 内的井層數能獲得較高的輸出。欲使井層數達到1 〇個或以 上的數目（參考日本未檢視專利出版號碼HEI 6(1994)-112528” 一 圖3 (a)顯示使用鋁鎵銦磷製成的傳統奁光二極體之實 例。於圖3(a)中’參考數字丨丨代表一個^型鎵化砷基板； 一個η型鋁鎵銦磷被覆（(：1吨層13、鋁鎵銦磷型材質之多重 f子井層（主動層）34、一個p型銘嫁麵辯被覆層15、一個 t纸張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公羡f--------- A7 B7 五、發明説明（2 P型鎵銦磷電流擴散層16等係形成於11型鎵化砷基板上。此 外，私極1 7與1 8係個別形成於p邊與n邊上，以完成此發 光-極體。如圖3(b)所示，多重量子井主動層包括1〇個或 以上數目的鋁鎵銦磷型井層34a，與1〇個或以上數目的交 互堆疊的障壁層（barrier layer) 34b。 為改良傳統發光二極體之輸出，形成位於主動層下方能 反射的反射層，並取出射向此基板的光，可能係一種可能 的改良方式。根據此結構，能篩選已被吸收於基板内的光 、’泉因此，若反射層之反射率係百分之百時，則將加倍其 輸出。 男際上，分配型布拉格反射結構的鋁鎵坤型反射層，能 顯露出9 5 %的自身（by itsdf)反射率。然而，甚至若施加此 反射層於發光二極體時，輸出之改善係少於95% ;因為， 當光線穿透主動層時，主動層能吸收反射於反射層上的光 線。主動層之光線吸收愈顯著，則反射層將變成愈沒效 率〇 發明概要 本發明之目的即在於使多重量子井主動層之分層構造最 佳化’改良輸出’以抑制吸收反射自主動層的反射光。 根據本發明，一個發光二趣體中（包括一個多重量子井 層與位於多重量子井層下方的反射層），…使此多重量子井 層之構造最佳化，可獲得較高輸出，以抑制吸收反射光。 因此’本發明能提供一個發光二極體；其包括用作主動 層之多重量子井層，與位於多重量子井層下方的反射層； ---- ----_ 本紙張尺度適財@ g家標準(CNS) A4規格(21() χ 297公董) ~ )丄5112 、發明説明（j 其中，判疋在多重量子井層内的井芦 开層數目，使得此多重量 子井層能顯露出外部量子效率，係 、 ？阿於包括一個單一井 層的多重量子井層之效率。 本：明又能提供一個發光二極體；其包括作為一個主動 广重置子井層’與位於主動層下方的—個反射層；其 旦判定在多重量子井層内的此等井層的總厚度，使得多 里子井層成展現出最佳的外部量子效率。 由下文之詳細說明能更立即了解本發明的此等與其他目 1。然而’應了解的是當指出本發明之較佳具體實施例 時，係僅使用說明方式作詳.細說明與一些特定實例；因為 熟諳於本技藝者’經此詳細說明後，#了解符合本發明範 疇與精神所作的各種改變與修改。 . 附圖之簡述 圖1係根據本發明之實例i，用以說明一個發光二極體的 簡單剖面圖； 圖2係根據本發明之實例2，用以說明一個發光二極體的 簡單剖面圖； 圖3(a)與3(b)係用以說明一個傳統發光二極體的簡單剖 面圖； 圖4係用以說明此井層數與内部量子效率間之關係的 形； … 田 圖5係用以說明此井層數與主動層之光透射率間之關係 的圖形； “ 圖6係用以說明此井層數與外部量子效率間之關係的臼 -6 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公|)_ 裝 訂 線 五、發明説明（4 形；

圖7係用以說明此井層數與實例丨之發光二極體的光線輪 出間之關係的圖形； "，J 圖8係根據實例3，用以說明一個發光二極體的簡單剖面 S3 · 圖， 較佳具體實施例之說明 本發明的其中之一特性，即在於判定多重量子井層内之 井層數，使得此多重量子井層能顯現出外部量子效率，係 較咼於包括一個單一井層之多重量子井層之效率。設定大 於1之井層數能改善主動層之發光效率。此外，限制此等 井層數不致過量，能有效地篩選出反射光；此舉能改良外 部量子之效率。 例如，欲形成一個具有厚度8〇埃之鎵銦化磷井層的紅色 發光二極體時，最好使其井層數係2至3 〇層，以獲得外部 里子效率係較高於具有單一井層情形下的效率。其數目大 於3 0時係較不佳，因為外部量子效率會變得低於具有單一 井層情況下的效率。4至若主動^的光發射效率獲得改善 時，隨著增加的井層數幾乎能將反射光吸收在主動層内/ 僅考慮對此王動層之發射光效率作改善時，最好此井層 數係1〇個或以上之數目。然而，若存在一個反射層時，: 須汪意吸收反射自反射層的光線之主動層。因為此發光二 極體的發光層亦能充作發射光的吸收層；光線的吸收率看; 隨著此井層數目的增加而增加。據此，增加主動層的發^ 光效率至某程度，並降低主動層的吸收光速率至某程度， 本纸張尺度適用巾SS家標準(CNS) Α4規格(210Χ297公爱）7:----—--—— 五、發明説明（ 能強化此發光二極體的外部量子效率。 圖4中說明井層數目與發射光效率間的關係。根據圖4， 此發射光效率隨井層數目的增加而上升。此外，圖5說明 此井層數目與反射光的透射率間的關係。周5透露出此透 射率會隨著井層數目的減少而增加。根據此井層與障壁層 的厚度與組合，能改變此等值；但能觀察到相似的傾向。 將向上的發射光與向下的發射光的和，乘上反射率與透 :率能計算出輸幻直；且因此能畫出如圖6所示的圖形。 隨著不同反射層的反射率可能有不同的輸出；但是，具有 大約3至7個井層數的主動層能擁有高輸出。因為井層數係 3 土 7時，發射光之效率與主動層的透射率係相當平均，且 能改善此外部量子效率；是以能製造高效能的發光二極 體。 特別是此井層數最好係、4。因為當有4個井料，發射光 之效率與主動層的透射率係最為平均，且更加改良此外部 量子之效率；是以能製造高效能的發光二極體。 本發明的另一種特性，係能判定此等井層的總厚度，使 得多重量子井層能展現出最佳的外部量子效率。調整井層 的總厚度能改良主動層發射光的效率，且因此能適度配合 於反射光的透射率，進而氚改善此外部量子之效率。 吾人認為甚至當以此等井層的總厚度、橫㈣，將能獲 得類似如圖4至圖6所示的一些結果。更特定的是此油厚度 最好係綱至_埃。於此範_之厚度，料得Μ平衡 的發射光效率與主動層之透射率；並能改善此外部^子之 -8 - A7

政率’是以能製造高效能的發光二極體。 特別是此井層的總厚度係最佳為32〇埃。於此厚度下，發 射光的效率與透射率係最為均衡，且更能改善此外部量^ 放率’是以能製造高效能的發光二極體。 較佳係此多重量子井層能滿足此情形下的井層數與绚尸 度。 ”予 根據本發明不特別限定此多重量子井層與其由任意已知 材貝所製成。最好特別是使用鋁鎵銦磷型材質製造此多重 量子井層。另項選擇為，當形成於矽基板上時，可由第三 族與第五族之混合半導體材質製成此多重量子井層；此混 合半導體材質包括氮。此鋁鎵銦磷型材質，能呈現出第= 族與第五族混合半導體内的最大直接轉移帶隙，使得亦可 將其用作可見光之發射元件。此外，當施加於發光二極體 時，其將進行500至690毫微米範圍内的直接轉移之發射 光。其能呈現出高發射光效率。採用包括含括氮之第三族 與第五族混合半導體材質，是以能得到紫外線至藍光範圍 内的發射光。 更特定的是’最好使用係交互層疊的銘鎵銦鱗障壁層與 鎵銦磷井層，製成此多重量子井層。 根據本發明，係不特別地限定此反射層與任意已知結構 與可施加的材質。 更特定的是，此反射層係最佳係由銘鎵銦磷型材質所製 成的分配型布拉格反射層。因為分配型布拉格反射層係相 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐） 515112 A7 B7 五、發明説明（7 ) 同於多重量子井層的材質型式。易於調整材質氣體的流動 率或切換在汽相生長（vapor phase growth)中的氣體，能輕而易 舉地形成分配型布拉格反射層。舉例來說，此分配型布拉 格反射層可能係鋁鎵銦磷層與鋁銦磷層之分層結構。 本發明之反射層可為包括多層鋁鎵坤型材質之分配型布 拉格反射層；此鋁鎵砷型材質具有殊異於一般的折射係數 (refractive index)。據此，能獲得較高反射率的反射層，並能 改進此外部量子之效率。例如，此分配裂布拉格反射層， 可能係分層結構之鋁鎵坤層與一個鋁坤層。 另項選擇為，此反射層可為分配型布拉格反射層；此層 包括分層結構之鋁鎵銦磷型材質層與鋁鎵砷型材質層；此 等層具有殊異於一般的折射係數。據此，能獲得較高反射 率的反射層，並能改善外部量子之效率。 除了多重量子井層與此反射層外，此等發光二極體之成 分包括一個基板、一個被覆層、一個電流擴散層與一些電 極。並不特別限制此成分，且能適度地選擇任意材質與結 構。 實例 實例1 將說明根據本發明實例1之發光二極體。圖1顯示實例1 之發光二極體的剖面圖。此分層之發光二極體包括： 一個η型鎵化珅基板1 1 ; 一個包括2 0層η型（鋁鎵化坤或鋁化珅）層的分配型布拉 格反射層1 2 ; -10- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公釐)

裝 訂

515112 A7

一個1微米厚度的n型鋁銦化磷被覆層1 3 ; 一個包括多重鎵銦化磷井層與多重（Al〇 sGa〇 5)〇 sIn〇貸之障壁 層之多重量子井層（主動層）14 ;此多重鎵銦化磷井層之各 層具有80埃的厚度；此多重（之障壁層的各 層具有120埃之厚度； 一個1微米厚度的P型鋁銦化磷被覆層1 5 ;與 一個7微米厚度的p型Gaa9ln()lP電流擴散層16。 境極17與18係各形成於一個p邊與一〈固η邊上。 製成的各發光二極體之多重量子井層内的井層數係不相 同；且因而能測得其輸出。圖7所示為其結果。當此井層 數為3至7，且其總厚度為2〇〇至600埃時，能獲得較佳的輸 出。特別是當此井層數係4時，能顯現最大的輸出。 實例2 將說明根據本發明實例2之發光二極體。圖2顯示出實例 2之發光二極體的剖面圖。此分層結構的發光二極體包 括： 一個η型鎵化坤基板1 1 ; 一個包括1 0層η型（銘鎵銦磷或銘銦磷）層的分配型布拉 格反射層22 ; 一個1微米厚度的η型鋁銦磷被覆層13 ; 一個包括多重（Al(uGa0.9)0.5In〇.5P井層與多重（Al0.5Ga0.5)0.5In〇.5P 之障壁層24 ;前者之各層具有50埃之厚度；而後者之各層 厚度為120埃； 一個1微米厚度的P型鋁銦化磷被覆層1 5 ;與 ---— _-11 -_ 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 515112 A7 B7 五、發明説明（ 一個7微米厚度的1>型（^{)9111()11>電流擴散層16 ; 各开）成於一個p邊與一個n邊上的電極17與18。 貝例2的發光二極體，採用鋁鎵銦磷材質製成的分配型 布拉格反射層，是與實例1不同的地方。由此形成的分配 土布拉格反射層也顯現出南反射率，使得能獲得相同的效 應。甚至在改變此多重量子井層的厚度與成分的情況下， 能發射較短波長的光線；具有4個井層的多重量子井層能 獲得多於具有10個井層的多重量子井層之輸出。 本發明並不限定於上述的兩個例子。可改變此多重量子 井層之鋁鎵銦磷的成分，以發射各波長的光。 此外，此分配型布拉格之反射層可能係一個鋁鎵化坤型 材質層與一個鋁鎵銦磷型材質層的分層結構。 實例3 將說明根據本發明之實例3之發光二極體。圖8顯示出實 例3之發光二極體的剖面圖。此分層結構的發光二極體包 括： 一個η型矽基板41 ; 一個分配型布拉格反射層42 ;其包括20層η型（鎵化氮 或鋁鎵化氮）層； 一個厚度係2微米的η型緣化氮外覆層4 3 ; 一個多重量子井層（主動層）4 4 ;其包括多重銦鎵化氮井 層與多重銦鎵化氮障壁層；前後者之各層厚度係100埃； 一個厚度係0.02微米的ρ型鋁鎵化氮被覆層45 ;與 L____-12- 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公釐）

裝 訂

線 515112 A7 B7 五、發明説明（10 ) 一個厚度係0 · 2微米的p型鎵化氮接觸層4 6。 在p型鎵化氮接觸層4 6上方，形成一個光透射電極471與 键結墊位（bonding pad)472 ;而一個電極4 8係形成於η型碎基 板上。 此多重量子井層係使用包含氮材質，是與實例1與2不同 的地方。據此，能獲得紫外線至藍色光範圍内的發射光。 因此，根據本發明，此發光二極體内包括多重量子井主 動層與位於主動層下方的反射層；此多重量子井主動層之 構造係最佳化，以抑制吸收反射自反射層的光線，以獲得 較高之輸出。 -13- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210X 297公釐)

Claims (1)

1. 川112

   • 種發光一極體’包括作為主動層的多重量子井（ 與位於主動層下方的反射層；其中，多重量子井層内的 井層數係被決定，俾使多重量子井層能展現，較高於包 括單一井層在内的多重量子井層之外部量子效率。 2.如申請專利範圍第1項之發光二極體，其中判定此等井 層數，俾使能展現最佳的外部量子效率。 3·如申請專利範圍第2項之發光二極體，其中此等井層數 係3至7。 4·如申請專利範圍第3項之發光二極體，其中此等井層數 係4 〇 5.如申請專利範圍第1項之發光二極體，其中此多重量子 井層包括鋁鎵銦磷型材質層。 6·如申請專利範圍第1項之發光二極體，其中此多重量子 井層係形成於矽基板上，且包括含括氮在内的第三族與 第五族之混合半導體層。 7·如申請專利範圍第5項之發光二極體，其中此反射層係 一個分佈型布拉格反射（DBR)層；此分佈型布拉格反射 (DBR)層包含一個鋁鎵銦磷型材質層、一個鋁鎵砷型材 質層或一個此等類型之分層結構。 8· —種發光二極體，包括作為主動層的多重量子井（mqw) 層與位於主動層下方的反射層；其中，多重量子井層内 的井層總厚度係被決定，俾使多重量子井層能展現最佳 的外部量子效率。 9·如申μ專利範圍第§項之發光二極體，其中此等井層的 -14-

   515112 A B c D 々、申請專利範圍 總厚度係200至600埃。 10. 如申請專利範圍第9項之發光二極體，其中此等井層的 總厚度係320埃。 11. 如申請專利範圍第8項之發光二極體，其中此多重量子 井層包括一個鋁鎵銦磷型材質層。 12. 如申請專利範圍第8項之發光二極體，其中此多重量子 井層係形成於矽基板上，且包括含括氮在内的第三族與 第五族之混合半導體層。 13. 如申請專利範圍第8項之發光二極體，其中此反射層係 一個分佈型布拉格反射（DBR)層；此分佈型布拉格反射 層包含一個鋁鎵銦磷型材質層、一個鋁鎵砷型材質層或 一個此等類型之分層結構。 -15- 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐)