TWI442599B - 三族氮化合物半導體紫外光發光二極體 - Google Patents
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Description
本發明涉及一種三族氮化合物半導體紫外光發光二極體。
對於發光二極體這類光電子器件，要求對注入之電子(n型載流子)和空穴(p型載流子)都能夠限制在有源區，並在有源區內複合發光。人們在有源區之兩側用禁帶寬度比有源層之更大之半導體材料形成勢壘層，並根據摻雜之不同，可分別實現對電子和空穴之約束。對於包層之材料，不僅要考慮能否形成適當之勢壘高度，還要考慮考慮到它兩邊之半導體層和量子阱層能否晶格匹配，否則將破壞器件結構和性能。另外還要考慮是否能有低之電阻率和高之遷移率，以滿足器件電學上之要求。對於三族氮化合物半導體紫外光發光二極體，通常在雙異質結或單、多量子阱層之兩側，分別生長一層n型或p型之AlGaN層與n型或P型之GaN勢壘層，所述n型或p型之GaN勢壘層形成對電子和空穴之勢壘而約束載流子。AlGaN和GaN之間之晶格失配比較小，但是，由於藍寶石(a=4.758)基板和GaN(a=3.189)之晶格失配非常大，外延層缺陷密度大，遷移率低，儘管生長了過渡層，介面上之缺陷仍然向上傳遞延伸，從而會造成有源層與GaN層之間存在較大之晶格
失配，引起顯著之量子限制斯塔克效應(QCSE)，導致能帶傾斜。隨著注入電流之增加，阱內電子空穴波函數空間分裂嚴重，波函數重疊積分大大減小，電子空穴對之複合輻射幾率降低，限制了器件內量子效率之提高，發光效率嚴重下降。
有鑒於此，有必要提供一種可維持晶格品質，提升量子阱發光強度之三族氮化合物半導體發光二極體。
一種三族氮化合物半導體發光二極體，其包括藍寶石襯底、依次成長在該藍寶石襯底上之n型半導體層、有源層以及p型半導體層。所述n型半導體層與有源層之間還成長有一n型應變層晶格結構。所述n型應變層晶格結構之晶格常數大於等於所述有源層之晶格常數，小於等於所述n型半導體層之晶格常數。
上述三族氮化合物半導體發光二極體在有源層與n型半導體層之間插入一n型應變層晶格結構，使所述n型半導體層與所述有源層之間達成漸變晶格匹配，可以消除n型半導體層從下面傳遞來之缺陷，及減緩晶格部匹配造成之能帶傾斜，以提升量子阱發光強度。
10‧‧‧三族氮化合物半導體發光二極體
11‧‧‧藍寶石襯底
12‧‧‧GaN生長層
13‧‧‧GaN過渡層
14‧‧‧n型GaN層
15‧‧‧n型應變層晶格結構
16‧‧‧InyGa1-yN/AlzGa1-zN有源層
17‧‧‧p型AlGaN層
18‧‧‧p型GaN層
圖1為本發明實施方式中之三族氮化合物半導體發光二極體之結構示意圖。
圖2為n型半導體層、n型應變層晶格結構以及有源層之晶格關係示意圖。
圖3為先前技術三族氮化合物半導體發光二極體以及本發明之三族氮化合物半導體發光二極體之電流與發光強度曲線圖。
圖4為先前技術三族氮化合物半導體發光二極體以及本發明之三族氮化合物半導體發光二極體之電流與功率曲線圖。
以下將結合附圖對本發明作進一步之詳細說明。
實施方式一
請參閱圖1，本發明實施方式提供之三族氮化合物半導體發光二極體10包括一藍寶石襯底11、順序生長在所述藍寶石襯底11上之一未摻雜之GaN生長層12、一未摻雜之GaN過渡層13、一n型GaN層14、一n型應變層晶格結構15、一InyGa1-yN/AlzGa1-zN有源層16、一p型AlGaN層17以及一p型GaN層18。該p型AlGaN層17用作電子阻擋層。
在InyGa1-yN/AlzGa1-zN有源層16包括阱層InyGa1-yN和阱層InyGa1-yN兩側之勢壘層AlzGa1-zN，其中0≦y≦1；0≦z≦1。
所述n型應變層晶格結構15之具體結構為(AlxGa1-xN-GaN)m，其由AlxGa1-xN層和GaN層交替分佈。其中0≦x≦1，m代表層數。所述n型應變層晶格結構15之厚度大於1微米，優選地，所述n型應變層晶格結構15之厚度為2~2.5微米。所述x以及m根據所述InyGa1-yN/AlzGa1-zN有源層16所設定之出光波長而可以進行調整。
請參閱圖2，由於InN之晶格常數大於GaN，而帶隙小於GaN；而
AlN之晶格常數小於並接近GaN，而帶隙遠大於GaN。因此，可以選擇所述結構(AlxGa1-xN-GaN)m，藉由調整x以及m之值，使所述n型GaN層14、n型應變層晶格結構15以及InyGa1-yN/AlzGa1-zN有源層16之晶格常數滿足下式：n型GaN層14≧n型應變層晶格結構15≧InyGa1-yN/AlzGa1-zN有源層16
從而使所述n型GaN層14與所述InyGa1-yN/AlzGa1-zN有源層16之間達成漸變之晶格匹配。
在本實施方式中，所述結構(AlxGa1-xN-GaN)m是採用金屬化學氣相澱積(MOCVD)法在製備LED器件之過程中一次性生長出來。
本發明還可以在n型應變層晶格結構15中摻Si(矽)等n型雜質，其濃度為1017EA/cm3-1018EA/cm3；在p型AlGaN層17與p型GaN層18中摻Mg(鎂)等p型雜質，其濃度為1016EA/cm3-1017EA/cm3，該雜質能夠為複合發光提供載流子。
所述結構(AlxGa1-xN-GaN)m能夠將GaN層從下面傳遞來之缺陷“掩蓋”或者“撫平”。在其上面再生長高完整性之有源層，可以使有源層與GaN層之晶格達成漸變匹配，以減少載流子之缺陷散射、非輻射躍遷中心和光之吸收與散射，從而提高複合發光效率。
請參閱圖3，其為先前技術三族氮化合物半導體發光二極體以及本發明之三族氮化合物半導體發光二極體10之電流與發光強度曲線圖，其中虛線代表先前技術三族氮化合物半導體發光二極體，
實線代表本發明之三族氮化合物半導體發光二極體10。從圖中可以看出，隨著電流注入之增大，本發明之三族氮化合物半導體發光二極體10相對於先前技術發光二極體之發光強度明顯提高。對於大功率之紫外光發光二極體來說，一般使用350mA之操作電流，從圖3中可以看出，當通入350mA之操作電流時，發光強度相對於先前技術有明顯提高。
請參閱圖4，其為先前技術三族氮化合物半導體發光二極體以及本發明之三族氮化合物半導體發光二極體10之電流與功率曲線圖，其中虛線代表先前技術三族氮化合物半導體發光二極體，實線代表本發明之三族氮化合物半導體發光二極體10，從圖中可以看出，對於大功率之紫外光發光二極體來說，當藉由350mA之操作電流時，本發明之三族氮化合物半導體發光二極體10之發光效率相對於先前技術有明顯提高。
實施方式二
本發明第二實施方式之三族氮化合物半導體發光二極體10相對於所述第一實施方式之三族氮化合物半導體發光二極體10之區別在於：所述n型應變層晶格結構15之結構具體為(AlxGa1-xN-AlkGa1-kN)m，其由AlxGa1-xN層和AlkGa1-kN層交替分佈。其中0≦x≦1，0≦k≦1。所述(AlxGa1-xN-AlkGa1-kN)m之厚度大於1微米，優選地，所述(AlxGa1-xN-AlkGa1-kN)m之厚度為2~2.5微米。
相較於先前技術，本發明之三族氮化合物半導體發光二極體在有
源層與n型半導體層之間插入一n型應變層晶格結構，使所述n型半導體層與所述有源層之間達成漸變晶格匹配，可以消除n型半導體層從下面傳遞來之缺陷，提升量子阱發光強度。
另外，本領域技術人員還可在本發明精神內做其他變化，當然，這些依據本發明精神所做之變化，都應包含在本發明所要求保護之範圍之內。
10‧‧‧三族氮化合物半導體發光二極體
11‧‧‧藍寶石襯底
12‧‧‧GaN生長層
13‧‧‧GaN過渡層
14‧‧‧n型GaN層
15‧‧‧n型應變層晶格結構
16‧‧‧InyGa1-yN/AlzGa1-zN有源層
17‧‧‧p型AlGaN層
18‧‧‧p型GaN層
Claims (9)
- 一種三族氮化合物半導體發光二極體，其包括藍寶石襯底、依次成長在該藍寶石襯底上之n型半導體層、有源層以及p型半導體層，其改進在於，所述n型半導體層與有源層之間還成長有一n型應變層晶格結構，所述n型應變層晶格結構之晶格常數大於所述有源層之晶格常數，小於所述n型半導體層之晶格常數，使所述n型半導體層與所述有源層之間達成漸變晶格匹配。
- 如申請專利範圍第1項所述之三族氮化合物半導體發光二極體，其中：所述n型半導體層為n型GaN層，所述有源層為InyGa1-yN/AlzGa1-zN，所述p型半導體層為p型AlGaN層及p型GaN層，式中0≦y≦1；0≦z≦1。
- 如申請專利範圍第1項所述之三族氮化合物半導體發光二極體，其中：所述n型應變層晶格結構之具體結構為(AlxGa1-xN-GaN)m，由AlxGa1-xN層和GaN層交替分佈，其中0≦x≦1，m代表層數。
- 如申請專利範圍第1項所述之三族氮化合物半導體發光二極體，其中：所述n型應變層晶格結構之結構具體為(AlxGa1-xN-AlkGa1-kN)m，由AlxGa1-xN層和AlkGa1-kN層交替分佈，其中0≦x≦1，0≦k≦1，m代表層數。
- 如申請專利範圍第1項所述之三族氮化合物半導體發光二極體，其中：所述藍寶石襯底上還依次生長有一未摻雜之GaN生長層、一未摻雜之GaN過渡層，所述n型半導體層生長在該未摻雜之GaN過渡層上。
- 如申請專利範圍第1項所述之三族氮化合物半導體發光二極體，其中：所述p型半導體層上還生長有一p型GaN層。
- 如申請專利範圍第1項所述之三族氮化合物半導體發光二極體，其中：所述n型應變層晶格結構之厚度為2~2.5微米。
- 如申請專利範圍第1項所述之三族氮化合物半導體發光二極體，其中：所述n型應變層晶格結構採用金屬化學氣相澱積法在製備發光二極體器件之過程中一次性生長出來。
- 如申請專利範圍第1項所述之三族氮化合物半導體發光二極體，其中：所述n型應變層晶格結構中摻矽n型雜質；所述p型半導體層中摻鎂p型雜質。
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