TWI416764B - 發光二極體 - Google Patents

Description

發光二極體

本發明是有關於一種半導體，且特別是有關於一種發光二極體。

近幾年來，由於發光二極體的發光效率不斷提升，使得發光二極體在某些領域已漸漸取代日光燈與白熱燈泡，例如需要高速反應的掃描器燈源、液晶顯示器的背光源以及一般的照明裝置等。就發光二極體的材料而言，由於Ⅲ-Ⅴ族氮化合物(Ⅲ-Ⅴ nitrides)為寬頻帶能隙(wide band gap)的半導體材料，其發光波長幾乎含蓋整個可見光及紫外光波段，因此，如氮化鎵(GaN)等的Ⅲ-Ⅴ族氮化合物廣為應用在發光二極體中。

圖1繪示為習知的一種發光二極體的剖面示意圖。請參照圖1，發光二極體110包括一基板112、一N型摻雜半導體層114、一主動層116、一P型摻雜半導體層118、一電極E1與一電極E2。上述之N型摻雜半導體層114配置於基板112上，而主動層116配置於N型摻雜半導體層114與P型摻雜半導體層118之間。此外，電極E1配置於P型摻雜半導體層118上，而電極E2配置於N型摻雜半導體層114上。

在發光二極體110中，N型摻雜半導體層114與P型摻雜半導體層118例如為分別摻雜N型摻質與P型摻質的氮化鎵(GaN)層。電子由N型摻雜半導體層114流進主動層116後，可能因氮化鎵(GaN)層的能階不高而溢流(overflow)至P型摻雜半導體層118。另一方面，電洞由P型摻雜半導體層118流進主動層116後，可能因氮化鎵(GaN)層的能階不高而溢流(overflow)至N型摻雜半導體層114。如此一來，發光二極體100的效率將會衰減。

本發明提供一種發光二體，可維持良好的工作效率。

本發明提出一種發光二極體，包括一第一型束縛層、一第二型束縛層、一主動層以及一第一阻障層。主動層配置於第一型束縛層與第二型束縛層之間。第一阻障層配置於主動層與第一型束縛層之間。第一阻障層包括至少一第一層間阻障層以及至少一第二層間阻障層。第一層間阻障層中的至少一者位於至少一第二層間阻障層與主動層之間，其中至少一第一層間阻障層的材質包括Al_x Ga_1-x N，而至少一第二層間阻障層的材質包括Al_y Ga_1-y N，0<x,y≦1，且x<y。

在本發明之一實施例中，上述x<0.35，且0.2≦y≦1。

在本發明之一實施例中，上述之第一型束縛層為一p型摻雜半導體層，而第二型束縛層為一n型摻雜半導體層。此時，第一層間阻障層的材質包括p型摻雜的Al_x Ga_1-x N，而第二層間阻障層的材質包括p型摻雜的Al_y Ga_1-y N。

在本發明之一實施例中，上述之第一型束縛層為一n型摻雜半導體層，而第二型束縛層為一p型摻雜半導體層。此時，第一層間阻障層的材質包括n型摻雜的Al_x Ga_1-x N，而第二層間阻障層的材質包括n型摻雜的Al_y Ga_1-y N。

在本發明之一實施例中，上述之第二層間阻障層的厚度由1至100nm。

在本發明之一實施例中，上述之第一層間阻障層的數量為多個，且部分第一層間阻障層位於第二層間阻障層與主動層之間，另一部份第一層間阻障層位於第二層間阻障層與第一型束縛層之間。此外，發光二極體更包括多個波導層(waveguide layer)，波導層各自地配置於相鄰的第一層間阻障層之間。在一實施例中，第二層間阻障層的數量也可為多個。並且，又一部份第一層間阻障層各自地位於相鄰的第二層間阻障層之間。此時，多個波導層更可各自地配置於相鄰的第一層間阻障層之間以及相鄰的第二層間阻障層之間。

在本發明之一實施例中，上述之發光二極體更包括一第二阻障層，配置於主動層與第二型束縛層之間。第二阻障層包括至少一第三層間阻障層以及至少一第四層間阻障層，且第三層間阻障層中的至少一者位於第四層間阻障層與主動層之間，其中第三層間阻障層的材質包括Al_z Ga_1-z N，而第四層間阻障層的材質包括Al_w Ga_1-w N，0<w,z≦1，且z<w。

在本發明之一實施例中，上述之y值例如由第二層間阻障層的兩側向中間漸增。

基於上述，本發明在發光二極體的束縛層與主動層之間配置一阻障層，其包括不同能隙的層間阻障層。所以，發光二極體中電子不容易溢流至主動層旁的p型摻雜半導體層，而電洞也不容易溢流至主動層旁的n型摻雜半導體層。如此一來，發光二極體可維持良好的效率。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖2繪示為本發明之一實施例的發光二極體的剖面示意圖。請參照圖2，發光二極體200包括一第一型束縛層210、一第二型束縛層220、一主動層230以及一第一阻障層240。主動層230配置於第一型束縛層210與第二型束縛層220之間。第一阻障層240配置於主動層230與第一型束縛層210之間。在本實施例中，主動層230例如是一多重量子井層，而第一型束縛層210以及第二型束縛層220分別為摻雜的半導體層，其中第一型束縛層210的摻雜型態不同於第二型束縛層220的摻雜形態。第一阻障層240的能階則高於第一型束縛層210以及主動層230。

舉例來說，第一型束縛層210以及第二型束縛層220分別為p型摻雜的半導體層以及n型摻雜的半導體層。發光二極體200發光時，電子例如由第二型束縛層220進入主動層230。在本實施中，第一阻障層240的能階則高於第一型束縛層210以及主動層230，所以電子流經主動層230後不易越過第一阻障層240而降低了電子溢流的情形。

不過，本發明並不限於此，圖3繪示為本發明之另一實施例的發光二極體的剖面示意圖。請參照圖3，發光二極體300包括一第一型束縛層310、一第二型束縛層320、一主動層330以及一第一阻障層340。主動層330配置於第一型束縛層310與第二型束縛層320之間。第一阻障層340配置於主動層330與第一型束縛層310之間。在本實施例中，主動層330例如是一多重量子井層，而第一型束縛層310以及第二型束縛層320分別為n型摻雜的半導體層以及p型摻雜的半導體層。

換言之，本實施例與前述實施例不同之處主要在於，本實施例的第一型束縛層310為n型摻雜的半導體層。在本實施例中，第一阻障層340的能階大於第一型束縛層310以及主動層330。所以，電洞由第二型(p型)半導體層320流經主動層330後，不易越過第一阻障層340而可以避免電洞溢流的現象。也就是說，第一阻障層340的設置有助於維持發光二極體300的工作效率。

圖4繪示為本發明之又一實施例的發光二極體的剖面示意圖。請參照圖4，發光二極體400包括一第一型束縛層410、一第二型束縛層420、一主動層430、一第一阻障層440以及一第二阻障層450。主動層430配置於第一型束縛層410與第二型束縛層420之間。第一阻障層440配置於主動層430與第一型束縛層410之間，而第二阻障層450配置於主動層430與第二型束縛層420之間。

在本實施例中，第一型束縛層410與第二型束縛層420中一者為p型摻雜半導體層，而另一者為n型摻雜半導體層。第一阻障層440以及第二阻障層450分別位於主動層430的相對兩側而有助於抑制電子溢流與電洞溢流的現象。也就是說，發光二極體400可以維持良好的工作效率。

值得一提的是，以上實施例皆採用剖面結構說明本發明之發光二極體。不過，為了更加清楚闡述本發明之精神以下將以數個實施例說明本發明的發光二極體中主動層、阻障層以及束縛層之間的能隙關係。在以下的實施例中所述的主動層可以是前述實施例的主動層230、330、430中任何一者，而以下所述的束縛層可以是p型摻雜半導體層或是n型摻雜半導體層，也就是前述實施例所述的第一型束縛層210、310、410與第二型束縛層220、320、420中任何一者。另外，以下所述的阻障層可以是前述實施例中第一阻障層240、340、440與第二阻障層450中任何一者。

圖5~9分別繪示為本發明之一實施例的發光二極體中，主動層、阻障層以及束縛層的能隙與相對位置關係，其中相同的將以相同的符號標示。請先參照圖5，本實施例係將主動層510、阻障層520以及束縛體層530的相對位置繪示出來，其中阻障層520位於主動層510與束縛層530之間。阻障層520包括一第一層間阻障層522以及一第二層間阻障層524，且第一層間阻障層522位於第二層間阻障層524與主動層510之間。由圖5可知，主動層510具有量子井結構(quantum well structure)，其中井層(well layer)512以及障壁層(barrier layer) 514交替地層壓以構成主動層510。以本實施例而言，主動層510與阻障層520之間還配置有一波導層(waveguide layer)540，且波導層540的能隙實質上近似於或是等同於障壁層514的能隙。

此外，在本實施例中，第一層間阻障層522的材質包括Al_x Ga_1-x N，而第二層間阻障層524的材質包括Al_y Ga_1-y N，0<x,y≦1，且x<y。舉例來說，x<0.35，且0.2≦y≦1。由於鋁含量越高，則層間阻障層的能隙越大。所以，本實施例的第一層間阻障層522相對第二層間阻障層524具有較低的能隙。一但電子或電洞由主動層510朝向束縛層530移動時，第一層間阻障層522與第二層間阻障層524可提供雙重的阻障作用以降低電子或電洞溢流的情形，而提升元件的品質。

在一實施例中，當束縛層530為p型摻雜半導體層時，第一層間阻障層522的材質可以是p型摻雜的Al_x Ga_1-x N，而第二層間阻障層524的材質則是p型摻雜的Al_y Ga_1-y N。相似地，當束縛層530為n型摻雜半導體層時，第一層間阻障層522的材質可以為n型摻雜的Al_x Ga_1-x N，而第二層間阻障層524的材質則為n型摻雜的Al_y Ga_1-y N。也就是說，本發明並不限定阻障層520是由本徵(intrinsic)鋁氮化鎵所組成或是由摻雜的(doped)鋁氮化鎵所組成，而是可以隨不同的需求而選擇性地摻雜或是不摻雜摻質。亦即，以下的所有描述中，第一與第二層間阻障層都可以選擇性地摻雜或是不摻雜摻質。

具體來說，在實際的結構設計上，第二層間阻障層524的厚度可以由1至100nm。第一層間阻障層522的厚度可以選擇性地等於、大於或是小於第二層間阻障層524的厚度以在能隙分布上構成至少二階(two steps)的分布態樣。換言之，第一層間阻障層522與第二層間阻障層524都是在空間中具有一厚度的結構，且此結構在此厚度範圍內具有實質上相同的化學組成(或是鋁含量)。

當然，上述厚度僅是舉例說明之用，並非用以限定本發明之發光二極體的實際結構。此外，在本實施例中，第一層間阻障層522緊接著波導層540設置，而第二阻障層524緊接著第一阻障層522設置，且摻雜半導體層530也是緊鄰著第二層間阻障層524而設。所以，在相鄰兩層之間能隙的變化呈現驟然躍升的態樣。

不過，在其他的實施例中，如圖6所示，任何相鄰兩層之間可更設置有一過度層550，以使能隙在不同層之間呈現漸增或漸減的變化趨勢。也就是說，波導層540與第一層間阻障層522之間、第一阻障層522與第二阻障層524之間以及第二阻障層524與束縛層530之間都配置有過度層550，其呈現斜的(inclined)能階變化趨勢。另外，圖6雖以直線繪示過度層550的能隙分布，不過隨著實際的設計需求，過度層550的能隙分布也可以是呈現弧線的分布。值得一提的是，在以下的所有實施例中雖都未繪示出過度層550，不過在實際的應用中，任何相鄰兩層之間都可以選擇性的配置有過度層550。所以，以下實施例並非侷限於圖示中所繪示的態樣。

接著，請參照圖7A，在另一實施例中，第一層間阻障層522的數量可以為兩個，且其中一個第一層間阻障層522位於第二層間阻障層524與主動層510之間，另一個第一層間阻障層522位於第二層間阻障層524與束縛層530之間。也就是說，第一層間阻障層522的數量可依照不同的需求而為一個或是數個。當然，本發明亦不限定第二層間阻障層524的數量，並且以下實施例將以多數個第二層間阻障層524以及多數個第一層間阻障層522來進行說明。

當然，本發明並不限定第二層間阻障層524須在一厚度範圍內具有由固定大小的能隙，或是固定的成分。因此，請參照圖7B，第二層間阻障層524本身的能隙分布可以是逐漸增加而後逐漸減低。也就是說，第二層間阻障層524中的材質為Al_y Ga_1-y N時，y值的大小可以由第二層間阻障層524的兩側向中間逐漸增加，其中增加的速率可以是固定的或是非固定的。換言之，圖7B雖以直線繪示第二層間阻障層524的能隙分布，不過隨著實際的設計需求，第二層間阻障層524的能隙分布也可以是呈現弧線的分布。

請參照圖8，在本實施例中，第一層間阻障層522以及第二層間阻障層524的數量皆為多個。部分第一層間阻障層522位於第二層間阻障層524與主動層510之間，另一部份第一層間阻障層522位於第二層間阻障層524與束縛層530之間。此外，相鄰的第一層間阻障層522之間以及相鄰的第二層間阻障層524之間都配置有波導層560。也就是說，阻障層520中，波導層560與第一層間阻障層522係交替地配置，而波導層560也與第二層間阻障層524交替地配置。換言之，第一層間阻障層522以及第二層間阻障層524分別地是以超晶格(superlattice)形式形成的。另外，本實施例的第二層間阻障層524應用於前述實施例的發光二極體200、300、400時，單一層第二層間阻障層524的厚度可以由1至100nm，或是所有第二層間阻障層524的整體厚度是由1至100nm。

除此之外，請參照圖9，在本實施例中，相鄰兩第二層間阻障層524之間配置有一層第一層間阻障層522。也就是說，本實施例是以第一層間阻障層522取代圖8中相鄰兩第二層間阻障層524之間的波導層560。圖7~9所繪示的實施例中，部份的第一層間阻障層522係配置於第二層間阻障層524與束縛層530之間，不過本發明並不限於此。在其他的實施例中，第一層間阻障層522可以不配置於第二層間阻障層524與束縛層530之間，而呈現如圖5所繪示的能隙變化趨勢，也就是束縛層530緊鄰著第二層間阻障層524而設。

無論層間間隙層的配置方式為何，只要是主動層與束縛層之間依序配置有至少一層第一層間間隙層與一層第二層間間隙層就可以達到本發明之抑制電阻或電洞溢流的現象。因此，以上的配置方式僅是利用能隙與相對位置的關係舉例說明，實際上本發明的發光二極體可以隨不同的設計需求而具有特定的結構。

綜上所述，本發明在發光二極體的主動層與束縛層之間配置至少兩種能隙的阻障層。因此，電子或電洞不易穿過阻障層而有效地降低電子或電洞溢流的現象。如此一來，本發明的發光二極體的工作效率不易衰減而具有更佳的品質。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故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。

110、200、300、400．．．發光二極體

112．．．基板

114．．．N型摻雜半導體層

116、230、330、430、510．．．主動層

118．．．P型摻雜半導體層

210、310、410．．．第一型束縛層

220、320、420．．．第二型束縛層

240、340、440．．．第一阻障層

450．．．第二阻障層

512．．．井層

514．．．障壁層

520．．．阻障層

522．．．第一層間阻障層

524．．．第二層間阻障層

530．．．束縛層

540、560．．．波導層

550．．．過渡層

E1．．．電極

E2．．．電極

圖1繪示為習知的一種發光二極體的剖面示意圖。

圖2繪示為本發明之一實施例的發光二極體的剖面示意圖。

圖3繪示為本發明之另一實施例的發光二極體的剖面示意圖。

圖4繪示為本發明之又一實施例的發光二極體的剖面示意圖。

圖5~7A、7B~9分別繪示為本發明之一實施例的發光二極體中，主動層、阻障層以及束縛層的能隙與相對位置關係。

510．．．主動層

512．．．井層

514．．．障壁層

520．．．阻障層

522．．．第一層間阻障層

524．．．第二層間阻障層

530．．．束縛層

540．．．波導層

Claims (14)

1. 一種發光二極體，包括：一第一型束縛層；一第二型束縛層；一主動層，配置於該第一型束縛層與該第二型束縛層之間；以及一第一阻障層，配置於該主動層與該第一型束縛層之間，該第一阻障層包括至少一第一層間阻障層以及至少一第二層間阻障層，且該至少一第一層間阻障層中的至少一者位於該至少一第二層間阻障層與該主動層之間，其中該至少一第一層間阻障層的材質包括Al_x Ga_1-x N，而該至少一第二層間阻障層的材質包括Al_y Ga_1-y N，0<x,y≦1，且x<y。
2. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體，其中x<0.35，且0.2≦y≦1。
3. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體，其中該第一型束縛層為一p型摻雜半導體層，而該第二型束縛層為一n型摻雜半導體層。
4. 如申請專利範圍第3項所述之發光二極體，其中該至少一第一層間阻障層的材質包括p型摻雜的Al_x Ga_1-x N，而該至少一第二層間阻障層的材質包括p型摻雜的Al_y Ga_1-y N。
5. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體，其中該第一型束縛層為一n型摻雜半導體層，而該第二型束縛層為一p型摻雜半導體層。
6. 如申請專利範圍第5項所述之發光二極體，其中該至少一第一層間阻障層的材質包括n型摻雜的Al_x Ga_1-x N，而該至少一第二層間阻障層的材質包括n型摻雜的Al_y Ga_1-y N。
7. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體，其中該至少一第二層間阻障層的厚度由1至100nm。
8. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體，其中該至少一第一層間阻障層的數量為多個，且部分該至少一第一層間阻障層位於該至少一第二層間阻障層與該主動層之間，另一部份該至少一第一層間阻障層位於該至少一第二層間阻障層與該第一型束縛層之間。
9. 如申請專利範圍第8項所述之發光二極體，更包括多個波導層，各自地配置於相鄰的該至少一第一層間阻障層之間。
10. 如申請專利範圍第8項所述之發光二極體，其中該第二層間阻障層的數量為多個。
11. 如申請專利範圍第10項所述之發光二極體，其中又一部份該至少一第一層間阻障層各自地位於相鄰的該至少一第二層間阻障層之間。
12. 如申請專利範圍第10項所述之發光二極體，更包括多個波導層，各自地配置於相鄰的該至少一第一層間阻障層之間以及相鄰的該至少一第二層間阻障層之間。
13. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體，更包括一第二阻障層，配置於該主動層與該第二型束縛層之間，該第二阻障層包括至少一第三層間阻障層以及至少一第四層間阻障層，且該至少一第三層間阻障層中的至少一者位於該至少一第四層間阻障層與該主動層之間，其中該至少一第三層間阻障層的材質包括Al_z Ga_1-z N，而該至少一第四層間阻障層的材質包括Al_w Ga_1-w N，0<w,z≦1，且z<w。
14. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體，其中y值由該第二層間阻障層的兩側向中間漸增。