TWI446572B - 發光元件 - Google Patents

Description

發光元件

本發明揭示一種發光元件結構，特別是關於活性層中具有至少一摻雜阻障層與一未摻雜阻障層之發光元件。

發光二極體(light－emitting diode,LED)是光電元件中一種被廣泛使用的光源。相較於傳統的白熾燈泡或螢光燈管，發光二極體具有省電及使用壽命較長的特性，因此逐漸取代傳統光源，而應用於各種領域，如交通號誌、背光模組、路燈照明、醫療設備等。

第1A圖為習知之發光元件結構示意圖，如第1A圖所示，習知之發光元件100包含一基板10、一位於基板10上之半導體疊層12，以及一位於半導體疊層12上之電極14，其中半導體疊層12由上而下至少包含一p型半導體層120、一活性層122，以及一n型半導體層124；此外，於習知之發光元件100中，其活性層122係一多重量子井(Multiple Quantum Well,MQW)結構，所謂之「多重量子井結構」係指活性層122係由複數量子井層(quantum well layer)126與複數阻障層128(barrier layer)交錯堆疊之區域。

發光二極體100之發光原理係藉由電子與電洞分別由n型半導體層124與p型半導體層120注入活性層122中，電子e與電洞h於活性層122中之量子井層126結合並以光之形式釋放出能量。第1B圖為習知發光二極體之能隙(bandgap)及發光機制示意圖，如第1B圖所示，由於電洞h之載子遷移率(carrier mobility)較電子e之載子遷移率小，習知發光二極體100中電子e與電洞h往往僅於較靠近p型半導體層120之量子井層126結合(recombine)，是故，於活性層122中發光區域集中於靠近p型半導體124幾個量 子井層126附近，造成活性層122中僅有少數結構能夠發光。

本發明之主要目的係揭露一發光元件，包含一半導體疊層，其中半導體疊層具有一活性層，此活性層更包含相鄰交錯堆疊之複數量子井層與複數阻障層，其中上述複數阻障層中至少有一摻雜阻障層(doped barrier layer)與一未摻雜阻障層(undoped barrier layer)。

本發明之另一目的在於提供一具有多重量子井結構活性層之發光元件，其中多重量子井結構中具有選擇性p型摻雜之阻障層，以提高電洞之載子遷移率。

本發明之又一目的在於藉由多重量子井結構中具有選擇性p型摻雜之阻障層提高電洞之載子遷移率，使電洞均勻地分佈於活性層中，藉此增加多重量子井結構之發光區域並提升內部量子效率。

以下配合圖式說明本發明之實施例。

第2圖與第3圖為本發明實施例之結構示意圖。如第2圖所示，發光元件200包含一基板20、一位於基板20上之半導體疊層22，以及至少一電極24位於半導體疊層22上，其中上述之基板20可以係絕緣、導電、透明或吸光基板，其材質可以是金屬、氧化鋅(ZnO)、碳化矽(SiC)、藍寶石(sapphire)、矽(silicon)、砷化鎵(GaAs)或砷化磷(GaP)等材料，而上述之半導體疊層22之材質可以選自材質包含鋁(Al)、鎵(Ga)、銦(In)、磷(P)、砷(As)或氮(N)等三五族之半導體材料，諸如氮化鎵(GaN)系列材料、磷化鋁鎵銦(AlGaInP)系列材料或砷化鎵(GaAs)材料等；本實施例係以基板20為氧化鋅導電透明基板而半導體疊層22係氮化鎵系列材料進行說明。

上述半導體疊層22由上而下至少包含一第一導電型半導體層220、一活性層222，以及一第二導電型半導體層224，其中此活 性層222係一由複數量子井層(quantum well layer)226與複數阻障層(barrier layer)228相鄰且交錯堆疊而形成之多重量子井(multiple quantum well)結構，其中量子井層226之材質係為氮化銦鎵(InGaN)，而阻障層228之材質則為氮化鎵(GaN)。

上述之複數阻障層228包含有最靠近第一導電型半導體層220與第二導電型半導體層224之外側阻障層2280，以及內側阻障層2282；於上述之內側阻障層2282中，任意挑選一個或數個內側阻障層進行摻雜，其摻雜物(impurity)係為p型摻雜物，其材質可以係鈹(Be)、鎂(Mg)、鋇(Ba)或碳(C)等材料。換言之，於本發明實施例中，內側阻障層2282至少包含一具有p型摻雜物之p型摻雜阻障層2282’，且外側阻障層2280係為未摻雜阻障層(undoped barrier layer)。

如第2圖所示，於此實施例中，活性層222係以10對(pair)阻障層228與量子井層226相鄰且交互堆疊而成之結構為例，於上述之阻障層228中，可以選擇位於活性層222中間之內側阻障層2282進行摻雜，換句話說，即是選擇靠近第一導電型半導體層220算起之第5層阻障層進行摻雜，以形成p型摻雜阻障層2282’。

此外，本發明實施例亦可如第3圖所示，選擇靠近第一導電型半導體層220算起之第3層與第7層之阻障層228進行摻雜，以形成p型摻雜阻障層2282’，使p型摻雜阻障層2282’均勻地分佈於活性層222中。

本發明之p型摻雜阻障層2282’，除了可以如第2圖或第3圖所示，位於活性層222中間或均勻地分佈於活性層222中外，亦可如第4圖與第5圖所示不均勻地分佈於活性層222中。第4圖與第5圖為本發明另一實施例結構示意圖，如第4圖所示，於內側阻障層2282中選擇靠近第一導電型半導體層220之區域進行p型摻雜，使p型摻雜阻障層2282’形成於靠近第一導電型半導體層220之區域。此外，亦可如第5圖所示，於內側阻障層2282中選擇靠近第二導電型半導體層224之區域進行p型摻雜，使p型摻 雜阻障層2282’形成於靠近第二導電型半導體層224之區域。

不僅如此，於本發明所揭露之發光元件200中，摻雜物除了能均勻地摻雜分佈於p型摻雜阻障層2282’中外，亦可將摻雜物集中於p型摻雜阻障層2282’中特定之摻雜區域。第6圖與第7圖為本發明又一實施例結構示意圖，如第6圖所示，本發明實施例係將雜質以δ摻雜(delta doping)之方法摻雜於p型摻雜阻障層2282’中，使p型摻雜阻障層2282’中形成未摻雜區域B包夾著摻雜區域A之結構；如第7圖所示，摻雜區域A係位於p型摻雜阻障層2282’中靠近相鄰之量子井層區域。

第8圖為本發明實施例之能隙示意圖，如第8圖所示，p型摻雜阻障層2282’提高了電洞h之遷移率，增加電洞h之注入量，使得電洞h能夠較均勻地分佈於活性層222中，藉此使得電子e與電洞h結合(recombine)之區域較為均勻。

藉由本發明所揭示之發光元件結構，能增加發光元件200之內部量子結合之機率，以提高內部量子效率(internal quantum efficiency)以及發光元件之亮度。

以上所述之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。

100‧‧‧發光元件

10‧‧‧基板

12‧‧‧半導體疊層

120‧‧‧p型半導體層

122‧‧‧活性層

124‧‧‧n型半導體層

126‧‧‧量子井層

128‧‧‧阻障層

14‧‧‧電極

200‧‧‧發光元件

20‧‧‧基板

22‧‧‧半導體疊層

220‧‧‧第一導電型半導體層

222‧‧‧活性層

224‧‧‧第二導電型半導體層

226‧‧‧量子井層

228‧‧‧阻障層

2280‧‧‧外側阻障層

2282‧‧‧內側阻障層

2282’‧‧‧p型摻雜阻障層

24‧‧‧電極

第1A圖為習知之發光元件結構示意圖。

第1B圖為習知之發光元件能隙與發光原理示意圖。

第2圖為本發明一實施例之結構示意圖。

第3圖為本發明又一實施例之結構示意圖。

第4圖為本發明再一實施例之結構示意圖。

第5圖為本發明另一實施例之結構式意圖。

第6圖為本發明另一實施例之結構式意圖。

第7圖為本發明另一實施例之結構式意圖。

第8圖為本發明實施例之能隙示意圖。

20‧‧‧基板

22‧‧‧半導體疊層

220‧‧‧第一導電型半導體層

222‧‧‧活性層

224‧‧‧第二導電型半導體層

226‧‧‧量子井層

228‧‧‧阻障層

2280‧‧‧外側阻障層

2282‧‧‧內側阻障層

2282’‧‧‧p型摻雜阻障層

24‧‧‧電極

Claims (18)

1. 一種發光元件，至少包含一第一導電型半導體層、一活性層，以及一第二導電型半導體層，其中該活性層係由複數個量子井層與複數個阻障層交錯堆疊所組成之結構，該複數個阻障層中至少包含一p型摻雜阻障層，且最靠近該第一導電型半導體層之阻障層及最靠近該第二導電型半導體層之阻障層係未摻雜。
2. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，更包含：一基板，位於該第二導電型半導體層下；以及至少一電極，位於該第一導電型半導體層上。
3. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該活性層係一多重量子井結構。
4. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該p型摻雜阻障層之摻雜物可以是鈹(Be)、鎂(Mg)、鋇(Ba)或碳(C)。
5. 如申請專利範圍第4項所述之發光元件，其中該摻雜物係均勻地分佈於該p型摻雜阻障層中。
6. 如申請專利範圍第4項所述之發光元件，其中該摻雜物係分佈於該p型摻雜阻障層中之特定區域。
7. 如申請專利範圍第6項所述之發光元件，其中該p型摻雜阻障層中之特定區域係靠近該量子井層之部分。
8. 如申請專利範圍第4項所述之發光元件，其中該摻雜物係以δ摻雜之方法摻雜於該p型摻雜阻障層中。
9. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該第一導電型半導體層、該活性層與該第二導電型半導體層之材料係選自包含鋁(Al)、鎵(Ga)、銦(In)、氮(N)、磷(P)或砷(As)之半導體物質。
10. 一種發光元件，包含一半導體疊層，其中該半導體疊層具有一活性層，該活性層包含複數個交錯堆疊之量子井層與阻障層，其中該些阻障層包含至少一外側阻障層以及複數內側阻 障層，其中該外側阻障層係一未摻雜阻障層，而該些內側阻障層包含複數個未摻雜阻障層及一p型摻雜阻障層。
11. 如申請專利範圍第10項所述之發光元件，更包含：一基板，位於該半導體疊層下；以及至少一電極，位於該半導體疊層上。
12. 如申請專利範圍第10項所述之發光元件，其中該活性層係一多重量子井結構。
13. 如申請專利範圍第10項所述之發光元件，其中該p型摻雜阻障層之摻雜物可以是鈹(Be)、鎂(Mg)、鋇(Ba)或碳(C)。
14. 如申請專利範圍第13項所述之發光元件，其中該摻雜物係均勻地分佈於該p型摻雜阻障層中。
15. 如申請專利範圍第13項所述之發光元件，其中該摻雜物係分佈於該p型摻雜阻障層中之特定區域。
16. 如申請專利範圍第14項所述之發光元件，其中該p型摻雜阻障層中之特定區域係靠近該量子井層之部分。
17. 如申請專利範圍第13項所述之發光元件，其中該摻雜物係以δ摻雜(delta-doping)之方法摻雜於該p型摻雜阻障層中。
18. 如申請專利範圍第10項所述之發光元件，其中該半導體疊層之材料係選自包含鋁(Al)、鎵(Ga)、銦(In)、氮(N)、磷(P)或砷(As)之半導體物質。