TWI390770B - Diffraction grating light emitting diodes - Google Patents

Description

繞射光柵型發光二極體

本發明係有關一種繞射光柵型發光二極體。

作為半導體發光元件之發光二極體(LED：Light Emitting Diode)，具有低耗電、壽命長、小型、及高可靠性等特徵，因而被廣泛地用在顯示用光源、汽車之尾燈、信號燈、行動電話等可攜式機器的背光源等各種領域。又，近年來，被期待於能應用在汽車的頭燈或照明燈等，而期望發光二極體的高亮度化。

發光二極體係將p型半導體層、活性層、n型半導體層予以積層，並具有以一對之電極將其等挾入於其間之構成。發光二極體，係藉由將電壓施加於該一對電極間，使電子及電洞移動至活性層，在此使兩者再結合而產生光。發光二極體的發光效率(外部量子效率)，係由在活性層發光時之內部量子效率、以及將所產生的光由外部取出之取出效率所決定。所產生的光大多並非由外部取出，而是留在活性層內，因此，取出效率的提升，係與外部量子效率的提升相關聯，可謀求高亮度化。

例如，在專利文獻1，揭示有一種在發光二極體形成光子結晶構造以提高外部量子效率的方法。

在光子結晶內，因其週期構造，對結晶中的光能形成能帶構造，存在著無法進行光傳播之能量區域(波長帶、光 子能隙(PBG))。具有光子能隙內之波長的光，並不會在形成有週期構造之面內傳播，而僅會在與該面垂直的方向傳播。光子能隙係由介電體之折射率或週期構造的週期所決定。

在專利文獻1之發光二極體，係於一對電極與設在其間之由p型半導體層、活性層、n型半導體層構成之層構造，以2維週期性之方式形成複數個能貫通此3層之空孔，藉此，形成光子結晶構造。藉此構成，在活性層藉電子與電洞之再結合所得之發光，不會在與各層平行之面內進行傳播，而僅會在與其等各層垂直之方向被取出。亦即，可實現具有高取出效率之發光二極體。

光子結晶構造，雖藉由在半導體層以2維週期性之方式形成空孔而獲得，然而，就算是與光子結晶同樣的構造，亦有作為繞射光柵而發揮功能之情形。此種構造，一般係稱為繞射光柵型構造，上述之光子結晶構造，在以下的說明中則稱為光子能隙型(PBG型)構造。PBG型構造與繞射光柵型構造，其提升發光體之外部量子效率之機制並不相同。

在PBG型構造，係將空孔之週期設定成與發光體之發光波長相同程度，並且將發光波長設定在PBG波長域內以抑制面內發光，增強朝面垂直方向的發光，藉此提升外部量子效率。又，將發光波長設定於PBG端，利用在此之大的狀態密度以提升外部量子效率。

相對於此，在繞射光柵型構造，係將空孔之週期設定為大於發光波長，將發光體內部與外部之面內波數向量守 恆律限制，置換成包含藉光子結晶所產生之逆光柵向量之守恆律，藉以放寬全反射條件而提升光取出效率，亦即提升外部量子效率。

如此，在發光二極體以2維週期性之方式形成空孔以設置光子結晶構造之情形，若未將其週期與發光波長的比例適當設定，則該構造無法有效發揮功能。

上述之專利文獻1，係在發光二極體設置PBG型之光子結晶構造以謀求提升發光效率者，當光子結晶週期大於發光波長之程度時，外部量子效率反而有降低之可能性。

(專利文獻1)日本特開2004－289096號公報

本發明針對於所欲解決的課題在於，提供一種繞射光柵型發光二極體，在以2維週期性之方式形成空孔之情形時，能適當設定其週期以謀求提升外部量子效率。

為解決上述課題，本發明係一種繞射光柵型發光二極體，具備：依序積層之第1半導體層、活性層、第2半導體層；與該第1半導體層形成電氣連接之第1電極；以及與該第2半導體層形成電氣連接之第2電極；其特徵在於：以2維週期性之方式配置貫通該第1半導體層及第2半導體層之至少一方與該活性層之複數個空孔，且設計成設非發光再結合速度為v_s 時，該空孔的配置週期a滿足下式： (其中，η_in ⁽⁰⁾ 表示未設有空孔時的內部量子效率，K表示由空孔之排列狀體所決定的常數，f表示空孔之2維充填率，R_sp 表示設有空孔時之自然放出速率，F_γ 係表示設有空孔之構造相對於未設有空孔之構造的光取出效率增加比)。

又，本發明，係一種繞射光柵型發光二極體，具備：依序積層之第1半導體層、活性層、第2半導體層；與該第1半導體層形成電氣連接之第1電極；以及與該第2半導體層形成電氣連接之第2電極；其特徵在於：以2維週期性之方式配置貫通該第1半導體層及第2半導體層之至少一方與該活性層之複數個空孔，且其配置週期係設定成該活性層之發光中心波長的1.8倍以上。

在半導體的表面附近，由於界面的影響或光柵缺陷等所致，會在電子或電洞之能量位準形成多數個缺陷位準。因此，當在半導體之表面附近有電子與電洞再結合情形時，在該過程中電子或電洞會佔據該缺陷位準，因而所放出的並非光，而是熱(表面再結合或非發光再結合)。在發光二極體形成空孔之情形，其深度越深，則越能提升繞射效率，但若空孔的深度深到足以貫通活性層時，則會因空孔側面之表面再結合而降低發光效率、能量效率。因此，習知在發光二極體的表面所設置者，係不致於會通過活性層 內之程度較淺的空孔。

相對於此，本發明中，係將足以貫通活性層之深度較深的空孔呈週期性地設置在發光二極體，並且加大其配置週期，因此，既可提升繞射效率，又可減少附著在空孔側壁之電子及電洞的比例，而能抑制非發光表面再結合。又。由於將週期加大，在發光二極體表面之全反射條件被放寬，其結果，可提升光取出效率。

本發明之發光二極體所具有之構造，係積層p型半導體層、活性層、n型半導體層，並以1對電極將之挾於其間。在p型半導體層與活性層之間，在活性層與n型半導體層之間，在p型或n型半導體層與電極之間，亦可挾有間隔層(spacer)等其他層。

在該發光二極體的表面，以2維週期性之方式設有多數個空孔。該空孔，至少能貫通p型半導體層/n型半導體層與活性層，藉此而在發光二極體表面形成繞射光柵構造。各空孔，可採能完全貫通3層者，亦可採在p型半導體層/n型半導體層內終止者。與習知相同地，能將空孔配置成正方格子狀或三角格子狀等。又，各空孔之形狀亦能與習知相同地成為圓柱狀等各種柱狀。

設置在發光二極體表面之空孔，若其深度較深，雖可提升繞射效率，但在貫通活性層之情形時，會因在空孔側壁之非發光再結合中心的發生，而增加非發光過程。

相對於此，若將空孔之配置週期加大，可減少附著在空孔側壁之載子(電子及電洞)比例，而能抑制非發光再結合。此際，空孔之充填率(設空孔之配置週期為a，空孔之直徑為r時，若空孔配置成三角格子狀，則充填率f為f＝(r/a)² ×(2π /)，成正方格子狀時，則充填率f為f＝π (r/a)² )若能保持一定，則繞射帶來之光的取出效率就能保持一定。

本發明，係基於此種考量而適當設計空孔之週期構造，而能達成外部量子效率較高之發光二極體。

具體而言，設非發光再結合速度v_s 與空孔之配置週期a之比例滿足下述之式(1)時，藉由空孔之設置效果將能增加外部量子效率。

其中，η_in ⁽⁰⁾ 表示不具空孔時之內部量子效率，K表示常數(空孔為三角格子時K＝1.07，正方格子時K＝1)，f表示空孔的充填率，R_sp ⁽⁰⁾ 表示不具空孔時之自然放出速率，R_sp 表示具有空孔時之自然放出速率，F_γ 表示具有空孔時之光取出效率相對於不具空孔時之光取出效率的增加比值。

在此，可知R_sp ⁽⁰⁾ 及R_sp 、η_in ⁽⁰⁾ 及η_in 、γ _ex ⁽⁰⁾ 及γ _ex 、η_ex ⁽⁰⁾ 及η_ex ，以及F _η ，分別由下述之式(2)至(10)所表示。再者，各記號之右上有無(0)，係對應於「不具空孔」及「具有空孔」之意。又，各記號之右下之「in」及「ex」，係分別對 應於發光二極體之內部發光及外部發光之意。

(再者、、)

若使上述之式(10)中的F _γ >1，則式(10)成為下式之式(11)。

將式(11)予以變形，則可導出上述之式(1)。

式(1)之右邊之最小值為R_sp ×η _in ^(0)－1 左右。因此，在內部量子效率較小之氮化鎵(GaN)系發光二極體中，以實際性的週期(約10 μm以下)，能形成具備繞射光柵功能之滿足式(1)條件的空孔。

圖1表示在GaN系發光二極體設置空孔時的效果。圖1係將下述數值代入各參數以計算外部量子效率而求出者。

R_sp ⁽⁰⁾ (/s)＝1.00E＋07 R_sp (/s)＝1.00E＋07 R_non ⁽⁰⁾ (/s)＝4.00E＋08 F _γ ＝6.80η _in ＝0.02(＝η in⁽⁰⁾ ) f＝0.58 v_s (cm/s)＝5.00E＋03 K＝1.075

在圖1中，橫軸表示空孔之配置週期與外部發光波長之比值(a/λ)，縱軸表示外部量子效率。又，實線A表示在本發明之發光二極體中，其空孔可貫通活性層之繞射光柵 型發光二極體的外部量子效率變化程度，虛線B1表示空孔未貫通活性層之繞射光柵型LED的外部量子效率變化程度。又，另以虛線B2表示PGB型發光二極體(光子能隙型發光二極體)之外部量子效率，作為參考之用。

由圖1可以了解，當橫軸之空孔之配置週期與外部發光波長的比值a/λ在1.8以上時，相較於未貫通活性層之繞射光柵型發光二極體，可得到較高的外部量子效率。又，如上述，PGB型發光二極體中，以相同於發光波長之週期而形成空孔時，雖可得到高的外部量子效率，然而，在本發明之繞射光柵型LED中，以發光波長之1.8倍以上之週期來形成空孔時，可得到高的外部量子效率。

又，繞射光柵型LED中，一般可成立下式。

因此，可將上述之式(1)置換成下述之式(12)。

尤其，在綠色發光材料之InGaN系LED，一般v_s 為10³ (cm/s)，η _in ⁽⁰⁾ <0.1，可滿足式(12)。

圖2表示以中心發光波長異於520nm之IngaN系LED 之週期來形成空孔，藉時間分解冷光測定法來測定發光壽命，以算出非發光再結合速度(表面再結合速度)的結果例。在圖2中，橫軸表示G(10⁵ cm^－1 )，縱軸表示1/τ (10⁸ s^－1 )。又，τ 表示發光壽命，G能以下式表示。

(其中，τ ^－1 ＝τ ^－1 _rad ＋τ ^－1 _nonrad ⁽⁰⁾ ＋τ ^－1 _nonrad ^{(hole )} τ ^－1 _nonrad ^{(hole )} ＝v _s G )

在此，空孔之充填率f約為0.58，藉由改變空孔週期a之方式而求出G。由圖2可以了解，G越小，亦即空孔之週期a越大，則有越長的壽命。又，圖2所示之實線之斜率，乃是非發光再結合速度v_s 。藉由計算，v_s ＝3.7×10³ (cm/s)。

(實施例)

圖3(a)及(b)係本實施例之繞射光柵型發光二極體的縱截面圖及橫截面圖。再者，在圖3中為便於說明起見，將厚度方向之長度記載的較實際之發光二極體要為誇大。

發光二極體，係在藍寶石基板10上經積層n型GaN層12、InGaN/GaN活性層14、p型GaN層16而構成。n型GaN層12、InGaN/GaN活性層14、及p型GaN層16之厚度尺寸，分別被設定為2200nm、120nm、500nm。InGaN/GaN活性層14，包含有使n型GaN層12之電子與p型GaN層 16之電洞再結合以發光之接合區域。InGaN/GaN活性層14，包含多重量子井構造，例如6層之量子井構造。

在p型GaN層16之上有積層透明電極層18，在透明電極層18之上，形成p型電極20。在該發光二極體中，係在藍寶石基板10之上使用一般之積層技術將n型GaN層12、InGaN/GaN活性層14、p型GaN層16、及透明電極層18予以積層後，去除該積層構造的一部分而使n型GaN層12外露。在外露之n型GaN層之上形成n型電極22。

在透明電極層18、p型GaN層16、InGaN/GaN活性層14、n型GaN層12中，設有複數個延伸於與其等各層大致垂直之方向之空孔24。該空孔24，係呈三角格子狀地被配置在平行於p型半導體層18、活性層16、n型半導體層14之面內。再者，在透明電極層18上之設有該p型電極20的區域，並未形成空孔24。

該空孔24之徑長為800nm，深度為850nm，三角格子之一邊之長度被設定為1 μm，係貫通於透明電極層18，p型GaN層16、及InGaN/GaN活性層14，並在n型GaN層12內終止。

具上述構成之發光二極體，若將電壓施加至p型電極20與n型電極22之間，則會由p型電極20之側將電洞注入p型GaN層16，由n型電極22之側將電子注入n型GaN層12。其等之電子與電洞，係朝活性層14移動，經再結合而發光。

圖4所示係一實驗之結果，目的在於評量具有上述構 成之發光二極體之空孔24所取得的外部量子效率(光取出效率)。由圖4所示可以了解，與不具空孔24之發光二極體相較，具有空孔24之本實施例之發光二極體，波長為470~570nm之發光強度有大幅度的增強。本實施例之發光二極體之中心發光波長為520nm，因此，外部量子效率較習知之發光二極體更提升。

10‧‧‧藍寶石基板

12‧‧‧n型GaN層

14‧‧‧InGaN/GaN活性層

16‧‧‧p型GaN層

18‧‧‧透明電極層

20‧‧‧p型電極層

22‧‧‧n型電極

24‧‧‧空孔

圖1表示在GaN系發光二極體設置空孔時之外部量子效率的變化圖。

圖2表示空孔之週期與發光壽命的關係圖。

圖 3(a)係本實施例之發光二極體的縱截面圖，(b)係沿著X－X’線之橫截面圖。

圖4表示設有空孔之發光強度的變化圖。

10‧‧‧藍寶石基板

12‧‧‧n型GaN層

14‧‧‧InGaN/GaN活性層

16‧‧‧p型GaN層

18‧‧‧透明電極層

20‧‧‧p型電極層

22‧‧‧n型電極

24‧‧‧空孔

Claims (2)

1. 一種繞射光柵型InGaN系發光二極體，具備：依序積層之第1半導體層、活性層、第2半導體層；與該第1半導體層形成電氣連接之第1電極；以及與該第2半導體層形成電氣連接之第2電極；其特徵在於：以2維週期性之方式配置貫通該第1半導體層及第2半導體層之至少一方與該活性層之複數個空孔，且設計成設非發光再結合速度為v_s 時，該空孔的配置週期a滿足下式： (其中，η_in ⁽⁰⁾ 表示未設有空孔時的內部量子效率，K表示由空孔之排列狀態所決定的常數，f表示空孔之2維充填率，R_sp 表示設有空孔時之自然放出速率，F_γ 係表示設有空孔之構造相對於未設有空孔之構造的光取出效率增加比)。
2. 如申請專利範圍第1項之繞射光柵型InGaN系發光二極體，其中，該活性層之發光中心波長為470~570nm。