TWI416762B - 同質異相量子井 - Google Patents

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Description

同質異相量子井
本發明係關於一種量子井，尤其是，一種同質異相量子井。
由於氮化鎵(GaN)具有直接寬能隙之特性，故氮化鎵已經被廣泛的運用在發光元件之製造上，例如：發光二極體(Light Emitting Diodes,LEDs)及雷射二極體(LASER Diodes,LDs)。其中，量子井(Quantum Wells)技術可提高該發光二極體及該雷射二極體之發光效率，且該量子井的品質更直接影響到元件中的量子效率(quantum efficiency)。習知三-氮族量子井皆係利用能隙不同的異質結構所形成，例如：GaN/InGaN/GaN，但是由於異質結構的晶格不匹配，往往產生許多缺陷而降低發光效率，另一方面，因為晶格不匹配造成的應力(strain)之下，其壓電效應(piezoelectric effect)產生的電場(electrostatic field)會使得量子井的部分能帶彎曲，更直接的影響到其量子效率。
為解決上述晶格不匹配之問題，中華民國公告第200840082號「以氧化鋅製作之發光二極體結構」發明專利申請案，揭示一種以氧化鋅製作之發光二極體結構，係選擇一鋁酸鋰(LiAlO2)基板，並在該鋁酸鋰基板上依序磊晶生長一氧化鋅(ZnO)緩衝層及一氮化鎵(GaN)成核層，利用該氧化鋅與氮化鎵具有相似之Wurtzite結構，可以獲得高質量氮化鎵，並以此一磊晶後之GaN/ZnO/LiAlO2結構生長一多重量子井(Multiple Quantum Well,MQW)及一第一金屬電極層，再蝕刻去除該鋁酸鋰基板及該氧化鋅緩衝層，並在該氮化鎵成核層之下方生長一第二金屬電極層。藉此，利用單晶薄膜狀之氧化鋅緩衝層不僅可使氮化鎵成核層在鋁酸鋰基板上成功成長，且可降低氮化鎵之缺陷密度，進而達到近似晶格匹配(nearly lattice match)之特性。
按，上述以氧化鋅製作之發光二極體結構，係利用該氧化鋅與該氮化鎵皆具有相似之Wurtzite結構，可相互結合以降低氮化鎵之缺陷密度，進而達到近似晶格匹配(nearly lattice match)之特性。惟，以異質材料所形成之量子井，由於異質材料間之原子大小、間距不同，無法使異質材料之晶格完全匹配，因此，發光元件之發光效率無法有效改善。再者，由於晶格不匹配所造成之壓電效應，使得量子井的部分能帶彎曲，因此，對發光元件之量子效率造成影響。若能提供一種由同質材料組成之量子井，則可解決上述問題。
本發明之目的乃改良上述缺點，以提供一種同質異相量子井，該同質異相量子井係由一同質材料形成之量子井，具有晶格匹配之特性，因此，可有效改善發光元件之發光效率。
本發明之次一目的，係提供一種同質異相量子井，該同質異相量子井係由一同質材料形成之量子井，具有晶格匹配之特性，因此，不影響發光元件之量子效率。
本發明之同質異相量子井，係包含一第一結構層、一第二結構層及一第三結構層，該第二結構層係設於該第一結構層與該第三結構層間。其中，該第一結構層、該第二結構層及該第三結構層係皆由一相同材料之原子沿一成長方向成長而成形，且該第二結構層之能隙係小於該第一結構層及該第三結構層之能隙。
為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
請閱第1圖所示，其係本發明之同質異相量子井的結構示意圖，該同質異相量子井係包含一第一結構層1、一第二結構層2及一第三結構層3，且該第二結構層2係設於該第一結構層1與該第三結構層3間。該第一結構層1、該第二結構層2及該第三結構層3皆由一相同材料之原子沿一成長方向D成長而成形，且該第二結構層2之能隙係小於該第一結構層1及該第三結構層3之能隙，以形成一晶格匹配之量子井。其中，在本發明之較佳實施例中，該第一結構層1及第三結構層3係呈纖維鋅礦(wurtzite)氮化鎵(GaN)的結構，而該第二結構層2則呈閃鋅礦(zinc-blende)氮化鎵的結構，惟該數個結構層1、2、3的實施方式並非僅限於以該閃鋅礦氮化鎵及纖維鋅礦氮化鎵的材料及結構。
詳言之，請再參閱第1圖所示，本發明之較佳實施例中呈纖維鋅礦氮化鎵結構之第一結構層1，係包含至少一第一A原子層11及至少一第一B原子層12，該第一A原子層11與該第一B原子層12係重覆疊合且相互鍵結，即呈現ABAB...AB之結構。呈閃鋅礦氮化鎵結構之第二結構層2係包含至少一第二A原子層21、至少一第二B原子層22及至少一C原子層23，該第二A原子層21、該第二B原子層22及該C原子層23係重覆疊合且相互鍵結，即呈現ABCABC...ABC之結構。呈纖維鋅礦氮化鎵結構之第三結構層3係包含至少一第三A原子層31及至少一第三B原子層32，該第三A原子層31與該第三B原子層32係重覆疊合且相互鍵結，即呈現ABAB...AB之結構。因此，該同質異相量子井之原子層排列係呈ABAB...ABCABC...ABAB...之結構。上述之「纖維鋅礦氮化鎵」及「閃鋅礦氮化鎵」之結構係為熟悉該技藝者所可以理解。然而，為求更明確說明此二結構與本發明之同質異相量子井的關係，係於後敘述之。
請參閱第2圖所示，其係繪示該第一結構層1之原子結構圖，尤其是表示纖維鋅礦氮化鎵之原子層間之關係。其中，該第一結構層1之第一A原子層11及該第一B原子層12係重覆疊合，且皆係氮-鎵相互鍵結之雙原子層。該第一結構層1之任一第一A原子層11係具有一鎵原子層111及一氮原子層112，該鎵原子層111係包含鎵原子111a、111b、111c、111d、111e、111f及111g組成之六角形平面，該氮原子層112係與該鎵原子層111相互鍵結；鄰接該第一A原子層11的該第一B原子層12係具有一鎵原子層121及一氮原子層122，該鎵原子層121與該氮原子層122相互鍵結；鄰接於該第一B原子層12之另一側的該另一第一A原子層11’係具有一鎵原子層111’及一氮原子層112’，該鎵原子層111’係呈六角形平面，該氮原子層112’係與該鎵原子層111’相互鍵結。因此，該第一結構層1之結構特徵在於：該第一A原子層11及該第一B原子層12係以ABAB...AB之堆疊方式，重覆疊合形成六角柱狀的纖維鋅礦氮化鎵晶體結構，其係屬於六方最密堆積的纖維鋅礦晶體結構。此外，為說明其結構的相對關係，乃定義該氮原子112沿該鎵原子111之方向為一第一方向D1、該鎵原子111a沿該鎵原子111b之方向為一第二方向D2、該鎵原子111a沿該鎵原子111d之方向為一第三方向D3及該鎵原子111a沿該鎵原子111f之方向為一第四方向D4。其中，若採一個四軸座標系統定義上述各方向，則該第一方向D1為一c軸之[000-1]方向、該第二方向D2為[0010]方向、該第三方向D3為[1000]方向及該第四方向D4為[0100]方向，且該四軸座標系統之其他方向可由上述四方向推論得知。另，該第三結構層3之原子結構係與該第一結構層1之原子結構相同。
請參照第3圖所示，其係繪示該第二結構層2之原子結構圖，尤其是表示閃鋅礦氮化鎵之原子層間之關係。其中，該第二結構層2之第二A原子層21、該第二B原子層22及該C原子層23係重覆疊合，且皆係氮-鎵相互鍵結之雙原子層。該第二結構層2之任一第二A原子層21係具有一鎵原子層211及一氮原子層212，該鎵原子層211含有一鎵原子211a，該氮原子層212係與該鎵原子層211相互鍵結；鄰接該第二A原子層21的該第二B原子層22係具有一鎵原子層221及一氮原子層222，該鎵原子層221含有數個鎵原子221a、221b、221c、221d及221e，該氮原子層222係與該鎵原子層221相互鍵結；鄰接於該第二B原子層之另一側的該C原子層23係具有一鎵原子層231及一氮原子層232，該鎵原子層231含有數個鎵原子231a、231b、231c、231d、231e及231f，該氮原子層232係與該鎵原子層231相互鍵結；鄰接於該C原子層23之另一側的該另一第二A原子層21’係具有一鎵原子層211’及一氮原子層212’，該鎵原子層211’含有一鎵原子211a’，該氮原子層212’與該鎵原子層211’相互鍵結。其中，該鎵原子211a、221a、231c、221c及221b係共平面，該鎵原子211a、221a、231e、221e及221d係共平面，該鎵原子211a、221c、231f及221e係共平面，該鎵原子211a’、231f、221c、231c及231b係共平面，該鎵原子221a’、231f、221e、231e及231d係共平面，該鎵原子221a’、231c、221a、231e及231a係共平面，上述六平面係形成一個面心立方的閃鋅礦晶體結構。因此，該第二結構層2之結構特徵在於：該第二A原子層21、該第二B原子層22及該C原子層23係以ABCABC...ABC之方式，重覆疊合形成面心立方的閃鋅礦氮化鎵晶體結構。此外，為說明其結構的相對關係，乃定義該鎵原子211a沿該鎵原子221a之方向為一第五方向D5、該鎵原子211a沿該鎵原子221c之方向為一第六方向D6、該鎵原子211a沿該鎵原子221e之方向為一第七方向D7及該鎵原子211a沿該鎵原子211a’之方向為一第八方向D8。其中，若採一個三軸座標系統定義上述各方向，則該第五方向D5為[001]方向、該第六方向D6為[100]方向、該第七方向D7為[0-10]方向及該第八方向D8為[1-11]方向，且該三軸座標系統之其他方向可由上述四方向推論得知。
另，由於該第一結構層1、該第二結構層2及該第三結構層3皆具有一A原子層(即該第一A原子層11、該第二A原子層21或該第三A原子層31)，因此，可藉由該A原子層與其他原子層之相互鍵結關係，使該第一結構層1、該第二結構層2及該第三結構層3間相互結合，其相對關係乃以第4、5及6圖說明如後。
請參照第4圖所示，其係該第一結構層1及該第二結構層2之組合側視圖。其中，由於該第一結構層1係由纖維鋅礦氮化鎵構成，且閃鋅礦氮化鎵之第八方向D8(即[1-11]方向)可由纖維鋅礦氮化鎵之第一方向D1(即c軸[000-1]方向)轉換而來，因此，可於成長該第一方向D1之纖維鋅礦氮化鎵後，於該第一結構層1之第一B原子層12，成長該第二結構層2之第二A原子層21，形成以該第八方向D8成長之閃鋅礦氮化鎵，而構成該第二結構層2。其中，該第一方向D1及該第八方向D8皆係朝向該成長方向D。
另，由於該四軸座標系統可推論得知一[11-20]方向，且該三軸座標系統可推論得知一[110]方向及一[002]方向，因此，若使閃鋅礦氮化鎵之[110]方向平行於纖維鋅礦氮化鎵之[11-20]方向，則閃鋅礦氮化鎵之{002}面族與{1-11}面族之夾角為55度，其中，{002}面族係於閃鋅礦氮化鎵中，垂直於[002]方向之各平面所形成之族群；{1-11}面族係於閃鋅礦氮化鎵中，垂直於[1-11]方向之各平面所形成之族群。
請參照第5圖所示，其係該第二結構層2及該第三結構層3之組合側視圖。其中，由於該第二結構層2係由閃鋅礦氮化鎵構成，且纖維鋅礦氮化鎵之第一方向D1(即c軸[000-1]方向)可由閃鋅礦氮化鎵之第八方向D8(即[1-11]方向)轉換而來，因此，可於成長該第八方向D8之閃鋅礦氮化鎵後，於該第二結構層2之C原子層23，成長該第三結構層3之第三A原子層31，形成以該第一方向D1成長之纖維鋅礦氮化鎵，而構成該第三結構層3。其中，該第一方向D1及該第八方向D8皆係朝向該成長方向D。
請閱第6圖所示，其係本發明之同質異相量子井之組合上視圖，並以第二結構層2為例，闡釋A、B及C原子層間之關係。其中，該第二A原子層21之鎵原子層211、該第二B原子層22之鎵原子層221及該C原子層23之鎵原子層231皆呈六角形之平面。該鎵原子層211之鎵原子211a、211b及211c與該鎵原子層221之鎵原子221a、221b及221d包圍該鎵原子層231之鎵原子231a。另，該第二B原子層22與該第二A原子層21間具有數個鍵結B1、B2及B3，且該第二B原子層22與該C原子層23間具有數個鍵結B4、B5及B6，其中，該鍵結B1與該鍵結B4間具有60度之夾角，該鍵結B2與該鍵結B5間及該鍵結B3與該鍵結B6間亦各具有60度之夾角。
綜上所述，氮化鎵以該第一方向D1成長可以分為兩種堆疊方式，若第一層為該A原子層(即該第一A原子層11、該第二A原子層21或該第三A原子層31)且第二層為一B原子層(即該第一B原子層12、該第二B原子層22或該第三B原子層32)，則第三層之排列係決定其屬於何種結構。換言之，若第三層為該A原子層，即呈ABAB...AB之結構，則會形成該第一方向D1之六角柱狀纖維鋅礦氮化鎵晶體結構；若第三層為一C原子層(即該C原子層23)，即呈ABCABC...ABC之結構，則會形成該第八方向D8之面心立方閃鋅礦氮化鎵晶體結構。因此，纖維鋅礦與閃鋅礦之間的轉換，是由原本纖維鋅礦氮化鎵之ABAB...AB的堆疊方式，將該B原子層具有三重對稱垂直的氮-鎵鍵旋轉60度，而形成該C原子層。因此，先接著以ABCABC...ABC的堆疊方式形成閃鋅礦氮化鎵，接著再形成ABAB...AB堆疊方式的纖維鋅礦氮化鎵，因此，各原子層以ABAB...ABCABC...ABAB...的堆疊方式，形成一個晶格匹配之該第一方向D1纖維鋅礦/該第八方向D8閃鋅礦/該第一方向D1纖維鋅礦之氮化鎵同質異相量子井。
另，本發明之同質異相量子井之各結構層之能隙關係乃說明如後，由於纖維鋅礦氮化鎵之能隙為3.536eV，故該第一結構層1之能隙及該第三結構層3之能隙皆為3.536eV；此外，同質異相量子井之閃鋅礦氮化鎵的二維電子氣(2DEG)與二維電洞氣(2DHG)在該同質異相量子井之第n個能帶之能隙為3.204eV，該同質異相量子井之第n個能帶之能隙係與該第二結構層2之厚度成反比，且該同質異相量子井之第n個能帶之能隙大於原本閃鋅礦氮化鎵之能隙。承上所述，可得知該第一結構層1之能隙及該第三結構層3之能隙與該同質異相量子井之第n個能帶之能隙的能隙差皆為0.332eV，因此，該第一結構層1、該第二結構層2及該第三結構層3，可藉由呈現纖維鋅礦氮化鎵/纖維鋅礦氮化鎵/纖維鋅礦氮化鎵之組合，而形成該氮化鎵同質異相量子井。另，纖維鋅礦氮化鎵在室溫下的折射率為2.78，閃鋅礦氮化鎵在室溫下的折射率為2.91，而全反射的臨界角為72.8度，有助於該氮化鎵同質異相量子井成為一個好的波導結構，並應用在雷射二極體上。因此，可利用理想(無缺陷、無應力)之氮化鎵同質異相量子井，來製作一個高效能的光激發體。
本發明之同質異相量子井，係由一同質材料形成之量子井，具有晶格匹配之特性，因此，可達成有效改善發光元件的發光效率之功效。
本發明之同質異相量子井，係由一同質材料形成之量子井，具有晶格匹配之特性，因此，具有不影響發光元件的量子效率之功效。
雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，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。
 [本發明]
1．．．第一結構層
11．．．第一A原子層
111．．．鎵原子層
111a．．．鎵原子
112b．．．鎵原子
113c．．．鎵原子
114d．．．鎵原子
115e．．．鎵原子
116f．．．鎵原子
117g．．．鎵原子
112．．．氮原子層
12．．．第一B原子層
121．．．鎵原子層
122．．．氮原子層
11’．．．第一A原子層
111’．．．鎵原子層
112’．．．氮原子層
2．．．第二結構層
21．．．第二A原子層
211．．．鎵原子層
211a．．．鎵原子
211b．．．鎵原子
211c．．．鎵原子
212．．．氮原子層
22．．．第二B原子層
221．．．鎵原子層
221a．．．鎵原子
221b．．．鎵原子
221c．．．鎵原子
221d．．．鎵原子
221e．．．鎵原子
222．．．氮原子層
23．．．C原子層
231．．．鎵原子層
231a．．．鎵原子
231b．．．鎵原子
231c．．．鎵原子
231d．．．鎵原子
231e．．．鎵原子
231f．．．鎵原子
232．．．氮原子層
21’．．．第二A原子層
211’．．．鎵原子層
211a’．．．鎵原子
212’．．．氮原子層
3．．．第三結構層
31．．．第三A原子層
311．．．鎵原子層
312．．．氮原子層
32．．．第三B原子層
321．．．鎵原子層
322．．．氮原子層
D‧‧‧成長方向
D1‧‧‧第一方向
D2‧‧‧第二方向
D3‧‧‧第三方向
D4‧‧‧第四方向
D5‧‧‧第五方向
D6‧‧‧第六方向
D7‧‧‧第七方向
D8‧‧‧第八方向
B1‧‧‧鍵結
B2‧‧‧鍵結
B3‧‧‧鍵結
B4‧‧‧鍵結
B5‧‧‧鍵結
B6‧‧‧鍵結
〔習知〕
(無)
第1圖：本發明之同質異相量子井之結構立體圖。
第2圖：本發明之同質異相量子井之第一結構層立體圖。
第3圖：本發明之同質異相量子井之第二結構層立體圖。
第4圖：本發明之同質異相量子井之原子排列第一立體圖。
第5圖：本發明之同質異相量子井之原子排列第二立體圖。
第6圖：本發明之同質異相量子井之原子排列上視圖。
1．．．第一結構層
11．．．第一A原子層
12．．．第一B原子層
2．．．第二結構層
21．．．第二A原子層
22．．．第二B原子層
23．．．C原子層
3．．．第三結構層
31．．．第三A原子層
32．．．第三B原子層
D．．．成長方向

Claims (1)

  1. 一種同質異相量子井，係包含：一第一結構層、一第二結構層及一第三結構層，該第二結構層係設於該第一結構層與該第三結構層間；其中，該第一結構層、該第二結構層及該第三結構層係皆由一相同材料之原子沿一成長方向成長而成形，且該第二結構層之能隙係小於該第一結構層及該第三結構層之能隙，形成該第一結構層、該第二結構層及該第三結構層之材料係為氮化鎵，該第一結構層為纖維鋅礦結構，該第二結構層為閃鋅礦結構，該第三結構層為纖維鋅礦結構，該纖維鋅礦結構以一第一方向朝向該成長方向，該閃鋅礦結構以一第八方向朝向該成長方向。
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