TWI434431B - 發光結構 - Google Patents
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Description
本發明係一種含有氮化銦鎵量子井的發光結構。
本專利申請要求享有德國專利申請10 2007 043 096.7及10 2007 058 723.8之優先權。
在發光結構中，氮化銦鎵量子井(以下簡寫為InGaN量子井)被(In)GaN障蔽層隔開。量子井及障蔽層之間的異質接面會形成一個電位障(potential barrier)，這個電位障會阻礙電荷載體(也就是電子及電洞)的注入。異質接面的電位障的形成是因為量子井及障蔽層之間很高的壓電場。由於異質接面的數量會隨著量子井數量的增加而增加，因此很難建立含有多個量子井的發光結構。
本發明的目的是提出一種輻射效率很高的發光結構。
本發明提出的發光結構具有一個p型摻雜區域及一個n型摻雜區域。p型摻雜區域是供注入電洞之用。n型雜區域是供注入電子之用。在p型及n型摻雜區域之間至少有一個第一種量子井，而且是最好是有多個第一種量子井。第一種量子井彼此之間是被第一種(In)GaN障蔽層隔開，也就是被至少含有GaN、且有時還另外含有銦的第一種障蔽層隔開。
此外還具有至少一個第二種InGaN量子井。第二種量子井的特徵是比第一種量子井含有更高的銦含量。
第一種量子井的銦含量相當低，第二種量子井的銦含量則較高。發光結構含有一個活性區，該活性區是由多個埋在障蔽層之間且銦含量較低之量子井所構成。此外，活性區內至少有一個銦含量較高的量子井。至少一個第一種量子井是與n型摻雜區相鄰，而至少一個第二種量子井則是與p型摻雜區相鄰。也就是說第一種量子井是位於發光結構的活性區的n型邊，而第二種量子井則是位於活性區的p型邊。這種構造方式可以將已經逃脫的電荷載體進一步注入，所有能夠提高發光元件的效率。這種發光結構的優點是由於第一種量子井的銦含量較低，因此從異質接面到障蔽層的壓電場也會較低。這會使得電洞注入銦含量較低之量子井結構的效率高於注入銦含量較高之量子井結構的效率。
如果是銦含量較高的量子井位於活性區與p型摻雜區之相鄰邊上的情況，則可以經由調整p型摻雜及為量子井結構附近選擇適當的摻雜輪廓，而達到降低p型摻雜區的邊上的電位障的效果。特別是使用p型摻雜物的鎂。
根據發光結構的一種實施方式，量子井的構造是第一種量子井會發射紫外線範圍的光，而第二種量子井則是發射藍綠範圍的光。
根據一種實施方式，第一種量子井的銦含量被調整到使其發射的輻射波長位於370nm至440nm之間。如果第一種障蔽層是由GaN製成，則第一種量子井發射的輻射波長位於370nm至420nm之間。如果第一種障蔽層是由InGaN
製成，則第一種量子井發射的輻射波長位於390nm至440nm之間。
第一種量子井的銦含量最好是介於4%至12%之間。尤其是第一種量子井最好是含有Inx
Ga1-x
N，其中0.04≦x≦0.12。
第一種量子井的厚度應在2nm至7nm之間，尤其最好是在2nm至4nm之間。
最好是將第一種障蔽層的銦含量調整到小於5%的程度。尤其是第一種障蔽層最好是含有Inx
Ga1-x
N，其中x≦0.05。第一種障蔽層的銦含量與第一種量子井的銦含量的差異應小於7%，尤其最好是小於5%。
根據發光結構的一種實施方式，第二種量子井的銦含量被調整到使其發射的輻射波長位於440nm至580nm之間。
第二種量子井的銦含量最好是在12%至25%之間。尤其是第二種量子井最好是含有Inx
Ga1-x
N，其中0.12≦x≦0.25。第二種量子井的厚度應在2nm至7nm之間，尤其最好是在2nm至4nm之間。
為了控制長波輻射及短波輻射之間的強度比，可以適當的調整障蔽層的摻雜及摻雜輪廓。根據一種實施方式，第一種障蔽層是以矽摻雜，摻雜濃度為1.0x1017
l/cm3
至2.0x1019
l/cm3
之間。
為了將第一種量子井與第二種量子井隔開，可以在這兩種量子井之間另外設置一個第二種障蔽層。第一種量子
井及第二種量子井最好都是與第二種障蔽層直接相鄰。為了適當的調整長波輻射及短波輻射之間的強度比，因此第二種障蔽層有摻雜矽，且摻雜濃度不超過5x1017
l/cm3
。第二種障蔽層是介於銦含量較高之量子井及銦含量較低之量子井之間的障蔽層。
能夠用來控制強度比的另外一個參數是適當的選擇障蔽層的厚度。障蔽層的厚度應在3nm至15nm之間，尤其最好是在6nm至12nm之間。第一種障蔽層的厚度及第二種障蔽層的厚度可以是相同的，也可以是不同的。
為了調整長波輻射及短波輻射之間的強度比，也可以調整第一種量子井的數量。
量子井的數量最好是在1之30之間。
雖然由於第二種量子井的銦含量較高，因而在活性區與p型摻雜區域相鄰的邊上會出現較高的電位障。但只要使用適當的p型摻雜就可以附低這個電位障，以確保足夠良好的電洞導電。只是朝第一種量子井方向的電洞導電會變差。因此為了確保電洞注入第一種量子井的情況仍能保持在足夠良好的程度，需要將電位障降低。這可以經由使第一種量子井的銦含量相當低而獲得實現。第一種量子井的銦含量最好是小於第二種量子井的銦含量。此外，最好是能夠縮小第一種量子井的銦含量與第一種障蔽層的銦含量的差異，這可以經由提高障蔽層的銦含量而獲得實現。但是縮小此二者之銦含量的差異會導致對量子井內的電荷載體的約束力變小。因此一種有利的方式是使用多個第一
種量子井，而第二種量子井則只需要一個即已足夠。第一種量子井的數量最好是大於第二種量子井的數量。本發明的發光結構可以改善螢光物質的發光效率及顏色重現性。可以使用純的螢光物質，以發射一有利波長範圍的輻射。另外一種可行的方式是使用發射波長範圍較廣的混合的螢光物質。
可以針對純的螢光物質或混合的螢光物質的亮度及/或顏色重現性進行最佳化，尤其是發光結構發射之輻射峰值的相對強度。
此處描述的發光結構可以加上一種輻射波長與發光結構之量子井相近的螢光物質或數種螢光物質的混合。螢光物質可以被發光結構發射的短波光光學抽運。例如所產生的發射光譜可能是在藍光或綠光範圍的增強的輻射，且該輻射具有寬廣的藍光或綠光範圍的背景發射。這種寬帶的藍光或綠光輻射給人的眼睛的感覺會比在相當窄的波長範圍內發射的量子井的光線更為舒適及柔和。
如果必要的話，可以利用適當的吸收體吸收經過螢光物質吸收後剩下的短波光線，該吸收體塗層或封裝的方式加上去。
如前所述，這樣就可以提出一種具有發光結構的元件，其中在量子井的輻射方向上，該發光結構的後面至少有一種螢光物質，且該螢光物質會被量子井(尤其是第一種量子井)發射的光線光學抽運。
可以使用一種純的螢光物質或是數種螢光物質的混合
。例如螢光物質或螢光物質的混合可以具有類似於量子井的輻射波長。
螢光物質可以存在於彼此被隔開且發射不同波長範圍之光線的不同種的量子井中。
以下配合圖式及實施例對發光結構及具有發光結構之元件做進一步的說明。
以上圖式並非按比例尺繪製，而是為了便於說明或理解而將某些元件放大或縮小繪製。
相同或相同作用的元件在各圖式中均以相同的元件符號標示。
第1圖的發光構件(7)具有一個上下堆壘在一起的層堆。發光結構(7)的底部有一個n型摻雜區域(2)，其作用是在接通一電壓時讓電子注入發光結構。
n型摻雜區域的上方有複數個第一種量子井(4)。第一種量子井(4)含有InGaN，其中銦含量的選擇要使量子井在受激發時會發射出紫外線或紫色光範圍的輻射。第一種量子井(4)被第一種障蔽層(3)將彼此分開。發光結構(7)的上半部有一個同樣也含有氮化銦鎵的第二種量子井(5)，第二種量子井(5)的銦含量的選擇要使量子井會發射出藍光或綠光範圍的輻射。第二種量子井(5)被一個第二種障蔽層(6)與一個相鄰的第一種量子井(4)隔開。所有的第一種量子井(4)最好都位於第二種量子井(5)的同一邊。
在第二種量子井(5)的上方有一個p型摻雜區(1)，其作
用是讓電洞注入發光結構(7)。第二種障蔽層(6)的厚度(d6)在3nm至15nm之間，尤其最好是在2nm至6nm間。第一種障蔽層(3)的厚度(d3)的厚度(d6)在3nm至15nm之間，尤其最好是在2nm至6nm間。厚度(d3)及厚度(d6)可以是相同的，也可以是不同的。
為了控制對p型邊的電位障，因此有一個鎂摻雜輪廓，也就是鎂的濃度會在2nm到15nm的距離之間從p型摻雜區域(1)底部開始一路向上升高到最大值。鎂的最大濃度在1.0x1018
l/cm3
至100x1018
l/cm3
之間。然後鎂的濃度又會朝p型接點的方向從這個最大值一路下降到最低值。鎂的最小濃度在大約等於最大濃度的三分之一到一半之間。接著鎂的濃度又會朝p型接點(例如一個氮化鎵層)的方向一路升高到最好是大於5.0x1019
l/cm3
的程度。
第一種量子井的數量是可以變化的，如第1圖中以虛線標示的第一種量子井(4)及第一種障蔽層(3)的組合。例如第一種量子井的數量可以在1至30之間變化。第1圖顯示的整個發光結構可以是元件的一部分，尤其是發光二極體(LED)的一部分。
第2圖顯示如第1圖之發光結構的輻射光譜。第一種量子井發射之光線的強度與波長λ的關係如曲線(104)所示。曲線(104)顯示第一種量子井(4)的光輻射與波長的關係。
第二種量子井發射之光線的強度與波長λ的關係如曲線(105)所示。曲線(105)顯示第二種量子井的光輻射與波長的關係。曲線(100)顯示光輻射的總光譜。
例如第2圖的輻射光譜是由多個銦含量不超過3%的第一種障蔽層、多個銦含量約8%的第一種量子井、多個銦含量不超過5%的第二種障蔽層、以及一個銦含量不超過18%的第二種量子井所產生。尤其是第一種障蔽層含有Inx
Ga1-x
N，其中x≦0.03，第一種量子井含有Inx
Ga1-x
N，其中x0.08，第二種障蔽層含有Inx
Ga1-x
N，其中x≦0.05，第二種量子井含有Inx
Ga1-x
N，其中x≦0.18。
第一種量子井發射的光線的峰值波長λ4介於400nm至450nm之間。
第二種量子井發射的光線的峰值波長λ5介於450nm至500nm之間。
第3圖的元件具有一個如第1圖的發光光結構(7)。在發光結構(7)的上方有一個螢光物質層(8)。螢光物質層(8)含有數種螢光物質的混合。
例如第3圖的螢光物質層(8)可以含有以氮化矽為主要成分的發射藍光的螢光物質。發射綠光的螢光物質的一個例子是以YAG為主要成分的螢光物質。例如可以使用主要成分為YAG：Ce(Y3
Al5
O12
：Ce3+
)的螢光物質。
螢光物質層(8)可以在抽運過程中吸收發光結構(7)發射的一部分光線，而且其本身也可以發射不同波長的光線。
第6圖顯示如第3圖之元件發射的光線。除了類似第2圖的峰值波長λ4及λ5外，還有螢光物質層(8)發射的光線，這種光線的強度與波長關係如第6圖之曲線(108)所示
。螢光物質層(8)發射的光線與峰值波長為λ4及λ5的輻射重疊成一個由總光譜(100)所示的總輻射。由此可以看出，螢光物質層(8)可以使在藍光光譜範圍發射的峰值的寬度明顯變大，這樣可以使人的眼睛感覺更舒適。
第7圖顯示另外一個例子。在這種情況下，第二種量子井的輻射峰值是在500nm至550nm之間。只要選擇適當的螢光物質層(8)，就可以使螢光物質層(8)的輻射波長範圍也位於這個範圍。曲線(108)顯示螢光物質層(8)發射的光線。從曲線(100)顯示的總光譜可以看出，在峰值波長在峰值波長λ5範圍內時，螢光物質層(8)可以使在綠光範圍的輻射峰值的寬度變大。這樣可以使人的眼睛感覺更舒適。
在第4圖的元件中，發光結構(7)的上方也有設置螢光物質層。與第3圖不一樣的地方是，第4圖的螢光物質層是由兩種不同的螢光物質以上下交替出現的方式排列而成，也就是由第一種螢光物質層(91)及第二種螢光物質層(92)交替排列而成。
第一種螢光物質層(91)最好是一種發射綠光的螢光物質，第二種螢光物質層(92)則是一種發射黃-紅(橘)光的螢光物質。這兩種螢光物質層(91，92)的區別在於激發效率的不同。第一種螢光物質層(91)對波長λ4的激發效率較佳，而第二種螢光物質層(92)則對波長λ5的激發效率較佳。
第4圖的實施方式可以達到如第5圖顯示的輻射光譜。由於這種實施方式使用不同的螢光物質，因此螢光物質發射的光波長也不相同。第一種螢光物質層(91)發射峰值
波長為λ91的光線。曲線(191)顯示光線強度與波長的關係。第二種螢光物質層(92)發射峰值波長為λ92的光線，且λ92大於λ91。曲線(192)顯示第二種螢光物質層(92)發射之光線強度與波長的關係。從總光譜(100)可以看出，在藍光範圍(500nm到600nm)的強度是很均勻的。第4圖顯示的4波長發射層可以產生很好的顏色分佈，以改善人的眼睛感受到的色感。這主要是因為這種顏色分佈對顏色光譜中綠光範圍的涵蓋程度更大。
這種多層配置方式的一個優點是可利用相對而言較薄的層進行晶片層面的轉換。尤其是可以經由重複沉積出的薄層加大整個層的總厚度，因而使光轉換效率獲得改善。
此外，還可以經由螢光物質層(91)及螢光物質層(92)之間的厚度匹配調整最終的輻射光譜。
本發明的範圍並非僅限於以上所舉的實施例。每一種新的特徵及兩種或兩種以上的特徵的所有組合方式(尤其是申請專利範圍中提及的特徵的所有組合方式)均屬於本發明的範圍，即使這些特徵或特徵的組合方式未在本說明書之說明部分或實施例中被明確指出。
1‧‧‧p型摻雜區域
2‧‧‧n型摻雜區域
3‧‧‧第一種阻擋區
4‧‧‧第一量子井
5‧‧‧第二種量子井
6‧‧‧第二種障蔽層
7‧‧‧發光二極體
8‧‧‧混合的螢光物質層
91‧‧‧第一種螢光物質層
92‧‧‧第二種螢光物質層
100‧‧‧總光譜
191‧‧‧第一種螢光物質層的輻射
192‧‧‧第二種螢光物質層的輻射
108‧‧‧混合螢光物質的輻射
104‧‧‧第一種量子井的輻射
105‧‧‧第二種量子井的輻射
λ4‧‧‧第一種量子井的峰值波長
λ5‧‧‧第二種量子井的峰值波長
λ91‧‧‧第一種螢光物層層的峰值波長
λ92‧‧‧第二種螢光物層層的峰值波長
d6‧‧‧第二種障蔽層的厚度
d3‧‧‧第一種障蔽層的厚度
I‧‧‧強度
λ‧‧‧波長
第1圖：一個發光結構的斷面示意圖。
第2圖：發光結構之發射光譜與波長的關係。
第3圖：一個具有發光結構及混合色素的元件。
第4圖：一個具有發光結構及不同的螢光物質的元件。
第5圖：如第4圖之元件發射的光線與波長的關係。
第6圖：如第3圖之元件發射的在藍光範圍具有一寬廣的峰值的光線與波長的關係。
第7圖：如第3圖之元件發射的在綠光範圍具有一寬廣的峰值的光線與波長的關係。
1‧‧‧p型摻雜區域
2‧‧‧n型摻雜區域
3‧‧‧第一種阻擋區
4‧‧‧第一量子井
5‧‧‧第二種量子井
6‧‧‧第二種障蔽層
7‧‧‧發光二極體
Claims (10)
- 一種發光結構(7)，具有：--注入電洞用的p型摻雜區域(1)；--注入電子用的n型摻雜區域(2)；及--位於n型摻雜區域(2)及p型摻雜區域(1)之間的活性區，具有複數個發射輻射的第一種InGaN量子井(4)及至少一個發射輻射的第二種InGaN量子井(5)，其中第二種InGaN量子井(5)含有比第一種InGaN量子井(4)更高的銦含量，其中該等第一種InGaN量子井(4)被第一種(In)GaN障蔽層(3)彼此隔開，並且其中在第二種量子井(5)與邊緣的第一種量子井(4)之間設有第二種障蔽層(6)，其中第一種障蔽層(3)與第二種障蔽層具有不同的厚度，其中第一種障蔽層(3)以在1.0x1017 l/cm3 至2.0x1019 l/cm3 之間的濃度來摻雜矽，且第二種障蔽層(6)以不超過5x1017 l/cm3 的濃度來摻雜矽，其中第一種障蔽層和第二種障蔽層(3和6)的厚度介於2nm至6nm之間。
- 如申請專利範圍第1項的發光結構(7)，其中，該等第一種量子井(4)是與n型摻雜區(2)相鄰，而至少一個第二種量子井(5)則是與p型摻雜區(1)相鄰。
- 如申請專利範圍第1或2項的發光結構(7)，其中，該等第一種量子井(4)的銦含量被調整到使其發射波長位於370nm至440nm之間的輻射。
- 如申請專利範圍第1或2項的發光結構(7)，其中，第一種障蔽層(3)的銦含量小於百分之五。
- 如申請專利範圍第1或2項的發光結構(7)，其中，第二種量子井(5)的銦含量被調整到使其發射波長位於440nm至580nm之間的輻射。
- 如申請專利範圍第1或2的發光結構(7)，其中，第一種量子井(4)的數量在2至30之間。
- 如申請專利範圍第1或2的發光結構(7)，其中，p型摻雜區域(1)有摻雜鎂，其中局部的濃度可達到其餘p型摻雜區域(1)的3倍。
- 一種元件，其具有如申請專利範圍第1項之發光結構(7)，其中，在發射方向上、在量子井之後設有螢光物質，且該螢光物質係藉由來自量子井(4，5)的光以光學方式泵激(optically pumped)。
- 如申請專利範圍第8項的元件，其中，使用數種螢光物質的混合物，其中該混合物具有與第二種量子井(5)類似的發射波長。
- 如申請專利範圍第8或9項的元件，其中，在光程中設置有針對紫外線或紫色光的吸收體。
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