TWI455355B - Light emitting diode structure - Google Patents

Description

發光二極體結構

　　本發明有關一種發光二極體(light-emitting diode, LED)結構，尤指一種能增加電流分佈能力的發光二極體結構。

　　發光二極體(Light Emitting Diode, LED)具有發光效率高、壽命長、體積小、低耗電以及色彩表現佳等許多優點，因此在講求環保節能的訴求下，大量地替代現有的發光光源。自1993年日本提出之氮化鎵基發光二極體產生重大突破後，全球掀起了氮化鎵基發光二極體的研究風潮。

　　習知之發光二極體結構10如「圖1」所示，其包含一基板11、一N型半導體層12、一發光層13(或稱為活性層(active layer))、一P型半導體層14、一P型電流擴散層15(current spreading layer)、一第一電極16以及一第二電極17；其中，該N型半導體層12形成於基板11上，該發光層13形成於N型半導體層12上，該P型半導體層14形成於發光層13上，該P型電流擴散層15形成於該P型半導體層14上；該第一電極16形成於P型電流擴散層15上，該第二電極17則形成於該N型半導體層12上的外露平面。該N型半導體層12例如為一N型氮化鎵(GaN)層，該P型半導體層14例如為一P型氮化鎵層，該發光層13例如為一氮化銦鎵(InGaN)層。

　　由於平面式或大面積的發光二極體在第一電極16與P型半導體層14之間的片電(sheet resistance)阻值較大，容易發生電流擁擠(current crowding)現象，因此可藉由加入P型電流擴散層15改善電流擁擠現象並同時提升發光效率。

　　傳統的發光二極體係採用鎳金或鉻金合金做為P型電流擴散層15，藉以提升電流分布的均勻性。惟，鎳金或鉻金合金材質的P型電流擴散層15透光性不佳，必須限制其厚度介於數百Å以獲得較佳的透光效果。然而，過薄的厚度不易形成緻密穩定的薄膜，因此難以在均勻分散電流和透光要求下取得平衡。

　　近幾年來，逐漸以透明導電氧化物(transparent conductive oxide, TCO)薄膜取代上述金屬合金薄膜做為P型電流擴散層15，藉以改善透光的問題。然而，透明導電氧化物的透光率雖可達90%以上，但仍有與P型半導體層14歐姆接觸不佳的問題，導致容易產生電流擁擠現象(current crowding)，降低整體的出光效率。改善上述歐姆接觸不佳的習知技術甚多，例如中華民國專利第579608號之「發光元件形成電極的方法與結構」，其係於P型氮化鎵半導體層上先形成金屬或金屬合金材質的歐姆接觸點，遂再於其上形成透光氧化物薄膜；或如中華民國專利第I240443號之「發光二極體及其製造方法」，其係於P型氮化鎵半導體層上先形成一超晶格應力接觸層，而後再形成透明導電層。

　　高電流注入下的均勻電流分佈，一直都是高功率、大面積氮化鎵系發光二極體以及固態照明技術的發展重點。惟，P型電流擴散層15雖改善了P型半導體層14區域的電流擁擠現象並降低該區域的片電阻值，但對於大面積及高電流注入的發光二極體來說，電流擁擠現象會轉移至N型半導體層12區域。由於高電流注入時發生的電流擁塞現象會劇烈地影響發光層13的發光效率，同時造成元件局部區域過熱，如此會降低發光二極體元件的內部量子效率，導致發光效率不佳。

　　有鑑於此，本發明的目的在於解決上述問題，進而提出一種能提升N型區域電流擴散效果，降低N型區域片電阻值的發光二極體結構。

　　為了達成前述目的，本發明係於N型半導體層之間再添加一N型電流擴散層，用以使流經N型半導體層的電流均勻分佈。本發明提出之發光二極體結構包含：一基板、一N型半導體層、一發光層、一P型半導體層以及至少一N型電流擴散層。其中，該N型半導體層形成於該基板上，發光層形成於該N型半導體層上，P型半導體層形成於該發光層上；該N型電流擴散層則包含三層以上的子層，該些子層之通式為In_x Al_y Ga_(1-x-y) N (0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦x+y≦1)，並自該基板側朝該發光層側依序由低能隙層疊至高能隙。

　　藉由N型電流擴散層提供較高的電子濃度，可有效提升電流的均勻分佈並降低片電阻值；同時地，透過本發明亦可降低發光二極體的操作電壓，且提升其發光效率。有關本發明的詳細技術內容及較佳實施例，配合圖式說明如後。

　　本發明之發光二極體結構，係於N型半導體層間再形成至少一N型電流擴散層，藉以增加電流於N型半導體層的側向均勻分布，使其擁有較高的電子濃度與較低的片電阻。惟須說明的是，本發明中「N型電流擴散層」與「P型電流擴散層」詞彙中之「N型」與「P型」係用以區分該些電流擴散層位於N型或P型的區域，而非指電流擴散層本身必定限定為N型摻雜或P型摻雜，實務上可選用的材質將於後述作詳細的說明。有關本發明之詳細說明及技術內容，現配合圖式說明如下：

　　請參閱「圖2」所示，其為本發明一實施例之結構示意圖，如圖所示：該實施例中，發光二極體結構20包含：一基板21、一N型半導體層22、一N型電流擴散層23、一發光層24、一P型半導體層25、一P型電流擴散層26、一第一電極27以及一第二電極28。其中，該N型半導體層22形成於基板21上；該N型電流擴散層23形成於該N型半導體層22之間(即發光層24與基板21之間的區域)；該發光層24形成於N型半導體層22的部分區域上，致使該N型半導體層22形成一外露平面220；該P型半導體層25形成於發光層24上；該P型電流擴散層26形成於該P型半導體層25上；該第一電極27形成於P型電流擴散層26上，該第二電極28則形成於該N型半導體層22上的外露平面220。

　　該N型電流擴散層23用以提供更高的電子濃度並同時降低N型電流擴散層23的片電阻，以增加電流通過N型半導體層22的分散程度，促使電流均勻分佈。其中，該N型電流擴散層23係由三層或三層以上的子層組成，且該些子層係由低能隙(band gap)材料層疊至高能隙材料，且低能隙材料的子層靠近基板21側，高能隙材料的子層係靠近發光層24側。更進一步地，該N型電流擴散層23各子層的材質可以通式In_x Al_y Ga_(1-x-y) N表示，其中0≦x≦1，0≦y≦1，0≦x+y≦1。藉由選擇不同x與y的數值，可獲致不同的能隙材料。舉例來說，在本發明的一實施例中，該N型電流擴散層23自低能隙至高能隙可分別包含一氮化銦鎵(In_x Ga_1-x N, 0≦x≦1)層231、一氮化鎵(GaN)層232以及一氮化鋁鎵(Al_x Ga_1-x N, 0≦x≦1)層233，三者形成多異質接面(heterojunction)結構。其中，在氮化銦鎵層231與氮化鎵層232的接面處，兩材料的晶格失配(lattice mismatch)會導致壓電場(piezoelectric field)極化，進而產生高濃度的電子；在氮化鎵232與氮化鋁鎵233的接面處則會發生自發性極化(spontaneous polarization)現象而增加電子濃度，因此可大幅提升N型電流擴散層23的電子濃度。此外，該N型電流擴散層23位於N型半導體層22間的位置，可考量設置於該第二電極28與該N型半導體層22的接面上方，即該外露平面220最低處之上方，以獲得較佳的電流分散效果。

　　此外，該N型電流擴散層23的磊晶可為矽摻雜結構或是無摻雜結構，在此並無限定；在一實施例中，該N型電流擴散層23的厚度可介於1nm~200nm之間。在製程上，該N型電流擴散層23的形成方法係可先於基板21上先形成一第一N型半導體層221，再於該第一N型半導體層221上依低能隙子層至高能隙子層的順序形成該N型電流擴散層23，隨後再依序形成一第二N型半導體層222、發光層24、P型半導體層25等。

　　在本發明之一實施例中，上述之基板21可為一絕緣基板，舉例而言，做為該絕緣基板的材料包括：氧化鋰鎵(LiGaO₃ )、氧化鋁鋰(LiAlO₃ ) 、氮化鎵(GaN)、氧化鎂(MgO)、氧化鋅(ZnO)、氧化鋁(藍寶石)(Al₂ O₃ , sapphire)和氮化鋁(AlN)、碳化矽(SiC)、矽基板(Si)等。

　　在本發明之一實施例中，發光層24可為一多層量子井(multi-quantum well, MQW)結構。此外，構成上述之N型半導體層22、發光層24與P型半導體層25之材質可為含有氮化鎵之三五族元素材料，以如下的通式In_x Al_y Ga_(1-x-y) N表示，其中0≦x≦1，0≦y≦1，0≦x+y≦1。該等氮化鎵化合物的形成方法並無特殊的限定，例如：金屬有機化學氣相沉積法(MOCVD)、氫化氣相磊晶成長法(HVPE)、氯化物氣相磊晶法、分子束磊晶成長法(MBE)等可供成長上述材料的所有方法。

　　在本發明之一實施例中，該N型半導體層22與該基板21之間可再形成一緩衝層29，該緩衝層29例如為氮化物、氧化鋅等與基板21或N型半導體層22間晶格常數(lattice constant)較相近的材料。在一實施例中，該緩衝層的厚度可介於1nm~200nm之間。

　　在本發明之一實施例中，上述之P型電流擴散層26用以增加P型區域的電流分佈，其可為一透明導電氧化物(transparent conductive oxide, TCO)層，例如材質為：氧化銦錫(indium tin oxide, ITO)、氧化鎘錫(cadmium tin oxide, CTO)、氧化銻錫(antimony tin oxide, ATO)、氧化鋁鋅(aluminum (doped) zinc oxide, AZO)、氧化銦鋅(indium (doped) zinc oxide, IZO)、氧化鋅(zinc oxide, ZnO)、氧化銦(indium tin oxide, InO)、氧化錫(tin oxide, SnO)、氧化鋁銅(copper aluminum oxide, CAO)以及氧化銅鍶(strontium copper oxide, SCO)等。

　　在本發明之一實施例中，作為上述第一電極27及第二電極28的材質可為任何作為電極的材料，舉例來說，其可為選自銦(In)、錫(Sn)、鋅(Zn)、鎳(Ni)、金(Au)、鉻(Cr)、鈷(Co)、鎘(Cd)、鋁(Al)、釩(V)、銀(Ag)、鈦(Ti)、鎢(W)、鉑(Pt)、鈀(Pd)、銠(Rh)以及釕(Ru)所構成群組中的其一或其二元或二元以上的金屬合金，但不以其為限。且第一電極27及第二電極28的厚度可介於1~10,000nm間。

　　請再參閱「圖3」，其為本發明另一實施例之結構示意圖，與上述實施例相異處在於，本實施例之N型半導體層22中可包含複數個N型電流擴散層23，該些N型電流擴散層23可位於第二電極28與N型半導體層22接面處與發光層24之間，且每一N型電流擴散層23互相不接觸，且亦不接觸於發光層24，其間以N型半導體作為間隔。藉此，透過複數個N型電流擴散層23可加強電流於N型區域的分散效果，而助於提升整體之發光效率。

　　本發明並以實驗顯示上述之N型電流擴散層23確實可增加電流分散的能力。若以「圖1」的發光二極體結構10為對照組，「圖2」的發光二極體結構20為實驗組，比對在相同條件下N型電流擴散層23結構對N型半導體層22的電流擴散效果與片電阻的影響，其相關參數與結果如下表一所示。可發現包含N型電流擴散層23的N型半導體層22，其片電阻值僅為未包含N型電流擴散層23者之約20%。再施加電壓下，N型區域的電流擴散能力則可以電流密度(current density)的量值來估計，若以電流密度高於600(A/cm² )且平行基板21方向的區域範圍來估算，實驗組可較對照組提升約20%。

表一

　　「圖4-1」與「圖4-2」則分別顯示上述實驗組與對照組的接面溫度(junction temperature)與操作電壓(operation voltage)變化。由結果可知，加入N型電流擴散層23後可降低整體發光二極體的操作電壓並可降低接面溫度，而具省電、節能的優勢；同時，由於電流均勻分布，可提升發光二極體整體的發光效率。

　　請再參閱「圖5」，其為本發明另一實施例之結構示意圖。本發明亦適用於直立式發光二極體結構30，其包含：一基板31、一N型半導體層32、一N型電流擴散層33、一發光層34、一P型半導體層35、一P型電流擴散層36、一第一電極37，且該N型半導體層32形成於基板31上，該N型電流擴散層33形成於該N型半導體層32之間，結構同於上述；該發光層34形成於N型半導體層32上，該P型半導體層35形成於發光層34上；該P型電流擴散層36形成於該P型半導體層35上；該第一電極37形成於P型電流擴散層36上。其中，該基板31為一導電型半導體，在該基板31與第一電極37施加一操作電壓的情況下，該發光二極體結構30可發出光亮。其中，該基板31為導電型材質，例如可為：碳化矽(SiC)、氧化鋅(ZnO)、矽(Si)、磷化鎵(GaAs)、砷化鎵(GaAs)、硒化鋅(ZnSe)、磷化銦(InP)及加入矽摻雜之導電型氮化鎵(GaN)等。

　　惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例，非欲侷限本發明專利之專利保護範圍，故舉凡運用本發明說明書及圖式內容所為之等效變化與修飾，均同理包含於本發明之權利保護範圍，合予陳明。

10,20,30‧‧‧發光二極體結構

11,21,31‧‧‧基板

12,22,32‧‧‧N型半導體層

13,24,34‧‧‧發光層

14,25,35‧‧‧P型半導體層

15,26,36‧‧‧P型電流擴散層

16,27,37‧‧‧第一電極

17,28‧‧‧第二電極

23,33‧‧‧N型電流擴散層

29‧‧‧緩衝層

220‧‧‧外露平面

221‧‧‧第一N型半導體層

222‧‧‧第二N型半導體層

231‧‧‧氮化銦鎵層

232‧‧‧氮化鎵層

233‧‧‧氮化鋁鎵

　　本發明的實施方式係結合圖式予以描述：

「圖1」為習知發光二極體之結構示意圖；

「圖2」為本發明一實施例之結構示意圖；

「圖3」為本發明另一實施例之結構示意圖；

「圖4-1」與「圖4-2」為本發明對照習知結構之實驗比較圖；及

「圖5」為本發明另一實施例之結構示意圖。

20‧‧‧發光二極體結構

21‧‧‧基板

22‧‧‧N型半導體層

23‧‧‧N型電流擴散層

24‧‧‧發光層

25‧‧‧P型半導體層

26‧‧‧P型電流擴散層

27‧‧‧第一電極

28‧‧‧第二電極

29‧‧‧緩衝層

220‧‧‧外露平面

221‧‧‧第一N型半導體層

222‧‧‧第二N型半導體層

231‧‧‧氮化銦鎵層

232‧‧‧氮化鎵層

233‧‧‧氮化鋁鎵

Claims (9)

1. 一種發光二極體結構，包含：
   一基板；
   一N型半導體層，形成於該基板上；
   一發光層，形成於該N型半導體層上；
   一P型半導體層，形成於該發光層上；
   其中，該N型半導體層中更包含至少一N型電流擴散層，用以使流經N型半導體層的電流均勻分佈；該N型電流擴散層包含三層以上的子層，該些子層的通式可表示為In_x Al_y Ga_(1-x-y) N (0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦x+y≦1)，並自該基板側朝該發光層側依序由低能隙層疊至高能隙。
2. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體結構，其更包含一電極，該電極設置於該N型半導體層之一外露平面上，與該外露平面形成一接面；其中，該N型電流擴散層位於該接面之上。
3. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體結構，其中該N型電流擴散層包含三子層，該些子層自低能隙層疊至高能隙分別為一氮化銦鎵層、一氮化鎵層以及一氮化鋁鎵層。
4. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體結構，其中該N型電流擴散層為一矽摻雜結構。
5. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體結構，其中該N型電流擴散層為一無摻雜結構。
6. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體結構，其中該N型電流擴散層的厚度介於1nm至200nm。
7. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體結構，其更包含一緩衝層，形成於該基板與該N型半導體層之間。
8. 如申請專利範圍第7項所述之發光二極體結構，其中該緩衝層的厚度介於1nm至200nm。
9. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體結構，其中該基板之材質可選自由氧化鋁、氮化鋁、氮化鎵、氧化鎂、氧化鋅、碳化矽、矽、氧化鋰鎵以及氧化鋁鋰所組成的群組之任一。