TWI463696B - 多量子阱結構及發光二極體 - Google Patents

多量子阱結構及發光二極體 Download PDF

Info

Publication number
TWI463696B
TWI463696B TW101129295A TW101129295A TWI463696B TW I463696 B TWI463696 B TW I463696B TW 101129295 A TW101129295 A TW 101129295A TW 101129295 A TW101129295 A TW 101129295A TW I463696 B TWI463696 B TW I463696B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
layer
semiconductor layer
barrier
well
type semiconductor
Prior art date
Application number
TW101129295A
Other languages
English (en)
Other versions
TW201405860A (zh
Inventor
Shih Cheng Huang
Ya Wen Lin
Po Min Tu
Original Assignee
Advanced Optoelectronic Tech
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Advanced Optoelectronic Tech filed Critical Advanced Optoelectronic Tech
Publication of TW201405860A publication Critical patent/TW201405860A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI463696B publication Critical patent/TWI463696B/zh

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/025—Physical imperfections, e.g. particular concentration or distribution of impurities
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/04—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a quantum effect structure or superlattice, e.g. tunnel junction
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/04—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a quantum effect structure or superlattice, e.g. tunnel junction
    • H01L33/06—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a quantum effect structure or superlattice, e.g. tunnel junction within the light emitting region, e.g. quantum confinement structure or tunnel barrier
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/26—Materials of the light emitting region
    • H01L33/30—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table
    • H01L33/305—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table characterised by the doping materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/26—Materials of the light emitting region
    • H01L33/30—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table
    • H01L33/32—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table containing nitrogen

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Led Devices (AREA)

Description

多量子阱結構及發光二極體
本發明涉及一種半導體結構，尤其涉及一種多量子阱結構及具有該種多量子阱結構的發光二極體。
相較於傳統的發光源，發光二極體（Light Emitting Diode，LED）具有重量輕、體積小、污染低、壽命長等優點，其作為一種新型的發光源，已經被越來越多地應用到各領域當中，如路燈、交通燈、信號燈、射燈及裝飾燈等。
現有的發光二極體結構中通常形成有多量子阱結構，該多量子阱結構通常包括多個勢壘層以及被勢壘層隔開的多個阱層，所述阱層的導帶和價帶之間的能帶間隙小於勢壘層的導帶和價帶之間的能帶間隙，從而利用勢壘層較大的能帶間隙將由P型半導體向N型半導體遷移的電洞和由N型半導體向P型半導體遷移的電子局限在阱層，使得電洞和電子在阱層內複合，進而達成發光的目的。
然而，現有的多量子阱結構中，由於電洞的有效品質較大，導致電洞之遷移速度遠低於電子，所以電子與電洞在阱層中的分佈非常不均勻，從此而影響了發光效率的提升。
有鑒於此，有必要提供一種發光效率高的多量子阱結構以及具有該種多量子阱結構的發光二極體。
一種多量子阱結構，包括兩個第一勢壘層、夾設在該兩個第一勢壘層之間的兩個阱層、以及夾設在兩個阱層之間的具有摻雜的第二勢壘層，該第二勢壘層的導帶、價帶能級分別趨向與其相鄰的阱層的導帶、價帶能級漸變過渡，且該第二勢壘層的摻雜濃度沿從一個阱層到另一個阱層的方向漸變。
一種發光二極體，包括第一導電類型半導體層、第二導電類型半導體層、以及夾設在該第一導電類型半導體層和第二導電類型半導體層之間的至少一個如上所述的多量子阱結構。
一種發光二極體，包括N型半導體層、P型半導體層、以及夾設在該N型半導體層與P型半導體層之間的多量子阱結構，該多量子阱結構包括兩個第一勢壘層以及夾設在該兩個第一勢壘層之間的多個阱層，該多量子阱結構還包括多個具有摻雜的第二勢壘層，該第二勢壘層分別夾設在各相鄰兩阱層之間，該第二勢壘層的導帶、價帶能級分別趨向與其相鄰的阱層的導帶、價帶能級漸變過渡，且距離P型半導體層最近的第二勢壘層的摻雜濃度沿從該距離P型半導體層最近的第二勢壘層兩側的兩個阱層中的一個阱層到另一個阱層的方向漸變。
該種多量子阱結構及發光二極體包括設置在兩個阱層之間的第二勢壘層，且該第二勢壘層的摻雜濃度沿從一個阱層到另一個阱層的方向漸變，從而使得該第二勢壘層具有較小的價帶能級變化幅度，該較小的價帶能級變化幅度能有效減少電洞由P型半導體向N型半導體遷移時受到的阻礙，彌補因電洞有效品質較大而導致的電洞遷移速度低於電子的缺點，使更多的電洞能夠順利遷移，從而提高了電洞在阱層中的分佈數量，平衡電子與電洞在多量子阱結構中的分佈均勻度，有效提升多量子阱結構及發光二極體的發光效率。
下面參照附圖，結合具體實施例對本發明作進一步的描述。
參見圖1及圖2，本發明實施方式提供一種發光二極體10，其包括第一導電類型半導體層11、多量子阱結構12以及第二導電類型半導體層13。
所述第一導電類型半導體層11為N型摻雜GaN半導體層。本實施例中，該第一導電類型半導體層11形成在藍寶石基板14上。優選的，該藍寶石基板14上預先形成有成核層15(nucleation layer)，而該第一導電類型半導體層11形成在成核層15。
所述多量子阱結構12形成在第一導電類型半導體層11上。該多量子阱結構12包括兩個第一勢壘層120、夾設在兩個第一勢壘層120之間的兩個阱層122、以及夾設在該兩個阱層122之間的第二勢壘層124。
該第二勢壘層124的導帶、價帶能級分別趨向與其相鄰的阱層122的導帶、價帶能級漸變過渡。本實施例中，該第二勢壘層124為具有In摻雜的GaN半導體層。
所述第二導電類型半導體層13為P型摻雜GaN半導體層。該第二導電類型半導體層13形成在多量子阱結構12上。本實施例中，該第二導電類型半導體層13與多量子阱結構12之間還夾設有一P型摻雜AlGaN層16。
與圖3所示的現有技術中多量子阱結構的能階分佈對比來看，圖2所示的本發明實施例中第二勢壘層124較小的價帶能級變化幅度能夠減小該第二勢壘層124與阱層122之間價帶能級差，從而減少由第二導電類型半導體層13向第一導電類型半導體層11遷移的電洞所受到的阻礙作用，彌補因電洞有效品質較大而導致的電洞遷移速度低於電子的缺點，使更多的電洞能夠順利遷移，從而提升電洞在多量子阱結構12中的分佈數量，平衡電子與電洞在多量子阱結構12中的分佈均勻度，進而有效提升了多量子阱結構12的發光效率。
本實施例中給出兩種能夠達成上述技術效果的多量子阱結構12各個層結構製作材質的技術方案：
1. 第一勢壘層120的材質為GaN，阱層122的材質為Inx Ga1-x N，第二勢壘層124的材質為Iny Ga1-y N，其中，x＞y≧0，且在“從下方阱層122到上方阱層122”的方向(也即發光二極體10各層結構的生長方向，如圖1箭頭所示)上y值逐漸趨近於0，從而使得第二勢壘層124的導帶、價帶能級分別趨向與其相鄰的阱層122的導帶、價帶能級漸變過渡。
2. 第一勢壘層120的材質為Alz Ga1-z N，阱層122的材質為Inx Ga1-x N，第二勢壘層124的材質為Aly Ga1-y N，其中，x>0，z＞y≧0，且在“從下方阱層122到上方阱層122”的方向(也即發光二極體10各層結構的生長方向，如圖1箭頭所示)上y值逐漸趨近於z，從而使得第二勢壘層124的導帶、價帶能級分別趨向與其相鄰的阱層122的導帶、價帶能級漸變過渡。
進一步地，該多量子阱結構12還可設置成為包括兩個第一勢壘層120、夾設在兩個第一勢壘層120之間的兩個以上阱層122、以及夾設在該各相鄰兩阱層122之間的第二勢壘層124。該多個第二勢壘層124中該靠近第二導電類型半導體層13的第二勢壘層124的導帶、價帶能級分別趨向與其相鄰的阱層122的導帶、價帶能級漸變過渡。
當然，該多量子阱結構12並不局限於只包括兩個阱層122和一個第二勢壘層124。所述阱層122的數量可為三個或更多，相應的，夾設在各相鄰兩阱層122之間的第二勢壘層124的數量可為兩個或更多。以下，僅以三個阱層122、兩個第二勢壘層124為例進行說明。
參見圖4，該多量子阱結構12的兩個第一勢壘層120之間設置有三個阱層122、以及兩個第二勢壘層124。該兩個第二勢壘層124分別夾設在相鄰兩阱層122之間。在此，多量子阱結構12的第一勢壘層120、阱層122以及第二勢壘層124的結構以及製作材質選擇可參照之前所述的兩個方案。
需要說明的是，圖4所示兩個第二勢壘層124中，只要最為靠近P型摻雜半導體層的一個第二勢壘層124被設置成為如前所述技術方案中提供的結構以及材質，即可達到提高發光效率的技術目的。也即，只要使得最靠近P型摻雜半導體層一側的一個第二勢壘層124具有較小的價帶能級變化幅度，便能夠降低來自P型摻雜半導體層的電洞所受到的遷移阻礙，進而有效提升發光效率。而除了最靠近P型摻雜半導體層一側的一個第二勢壘層124之外，其他的第二勢壘層124並不局限於如前所述技術方案中提供的結構以及材質。
可以理解的是，該多量子阱結構12中各個層結構的製作材質並不局限於上面提及的兩種技術方案，只要能夠使得第二勢壘層124的價帶能級趨向與其相鄰的阱層122的價帶能級漸變過渡時具有較小的價帶能級變化幅度，便可實現提高發光效率的技術目的。
綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施方式，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。
10．．．發光二極體
11．．．導電類型半導體層
12．．．多量子阱結構
120．．．第一勢壘層
122．．．阱層
124．．．第二勢壘層
13．．．第二導電類型半導體層
14．．．藍寶石基板
15．．．成核層
16．．．P型摻雜AlGaN層
圖1為本發明實施方式提供的多量子阱結構的剖面示意圖。
圖2為圖1所示的多量子阱結構的能帶圖。
圖3為現有的多量子阱結構的能帶圖。
圖4為本發明實施方式提供的另一種多量子阱結構的能帶圖。
11．．．導電類型半導體層
120．．．第一勢壘層
122．．．阱層
124．．．第二勢壘層
13．．．第二導電類型半導體層

Claims (10)

  1. 一種多量子阱結構，包括兩個第一勢壘層以及夾設在該兩個第一勢壘層之間的兩個阱層，其改進在於：該多量子阱結構還包括夾設在兩個阱層之間的具有摻雜的第二勢壘層，該第二勢壘層的導帶、價帶能級分別趨向與該第二勢壘層相鄰的阱層的導帶、價帶能級漸變過渡，且該第二勢壘層的摻雜濃度沿從一個阱層到另一個阱層的方向漸變。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的多量子阱結構，其中，所述阱層的材質為Inx Ga1-x N，其中，X>0。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的多量子阱結構，其中，所述第一勢壘層的材質為GaN，所述第二勢壘層的材質為Iny Ga1-y N，其中，x＞y≧0，且從一個阱層到另一個阱層的方向上y逐漸趨近於0。
  4. 如申請專利範圍第2項所述的多量子阱結構，其中，所述第一勢壘層的材質為Alz Ga1-z N，所述第二勢壘層的材質為Aly Ga1-y N，其中，z＞y≧0，且從一個阱層到另一個阱層的方向上y逐漸趨近於z。
  5. 一種發光二極體，包括第一導電類型半導體層、第二導電類型半導體層、以及夾設在該第一導電類型半導體層和第二導電類型半導體層之間的至少一個如權利要求1-4任意一項所述的多量子阱結構。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的發光二極體，其中，所述第一導電類型半導體層為N型摻雜GaN半導體層。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的發光二極體，其中，該發光二極體還包括藍寶石基板以及形成在藍寶石基板上的成核層，所述N型摻雜GaN半導體層設置在該成核層上。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的發光二極體，其中，該第二導電類型半導體層為P型摻雜GaN半導體層。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的發光二極體，其中，該P型摻雜GaN半導體層與多量子阱結構之間還夾設有一P型摻雜AlGaN層。
  10. 一種發光二極體，包括N型半導體層、P型半導體層、以及夾設在該N型半導體層與P型半導體層之間的多量子阱結構，該多量子阱結構包括兩個第一勢壘層以及夾設在該兩個第一勢壘層之間的多個阱層，其改進在於：該多量子阱結構還包括多個具有摻雜的第二勢壘層，該第二勢壘層分別夾設在各相鄰兩阱層之間，該第二勢壘層的導帶、價帶能級分別趨向與該第二勢壘層相鄰的阱層的導帶、價帶能級漸變過渡，且距離P型半導體層最近的第二勢壘層的摻雜濃度沿從該距離P型半導體層最近的第二勢壘層兩側的兩個阱層中的一個阱層到另一個阱層的方向漸變。
TW101129295A 2012-07-16 2012-08-14 多量子阱結構及發光二極體 TWI463696B (zh)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201210244973.0A CN103545406A (zh) 2012-07-16 2012-07-16 多量子阱结构及发光二极管

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW201405860A TW201405860A (zh) 2014-02-01
TWI463696B true TWI463696B (zh) 2014-12-01

Family

ID=49913179

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW101129295A TWI463696B (zh) 2012-07-16 2012-08-14 多量子阱結構及發光二極體

Country Status (4)

Country Link
US (1) US8912527B2 (zh)
JP (1) JP2014022736A (zh)
CN (1) CN103545406A (zh)
TW (1) TWI463696B (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104393129A (zh) * 2014-11-06 2015-03-04 聚灿光电科技(苏州)有限公司 Led芯片的外延结构及其生长方法
CN106784349B (zh) * 2016-12-21 2020-02-07 Tcl集团股份有限公司 一种能级势垒高度连续变化的量子点固态膜及其制备方法
CN112436078A (zh) * 2020-10-31 2021-03-02 扬州大学 一种提高发光效率的GaN基LED外延结构
CN113782652B (zh) * 2021-10-11 2022-11-15 松山湖材料实验室 一种量子垒掺杂的紫外led外延片及其制造方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI270989B (en) * 2001-04-25 2007-01-11 Toyoda Gosei Kk III group nitride compound semiconductor luminescent element

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8031A (en) * 1851-04-08 Gkraih separator and ban
EP0510557A3 (en) * 1991-04-22 1994-06-22 Nippon Telegraph & Telephone Resonant tunneling transistor
JPH118406A (ja) 1997-06-18 1999-01-12 Daido Steel Co Ltd 面発光素子
JP3678399B2 (ja) 1999-01-29 2005-08-03 株式会社東芝 窒化物系半導体レーザ装置
JP4061040B2 (ja) 2001-07-31 2008-03-12 アンリツ株式会社 多重量子井戸半導体素子
JP2003234545A (ja) 2002-02-07 2003-08-22 Sanyo Electric Co Ltd 半導体発光素子
KR20090002241A (ko) 2007-06-25 2009-01-09 엘지이노텍 주식회사 발광소자 및 그 제조방법
KR101479623B1 (ko) 2008-07-22 2015-01-08 삼성전자주식회사 질화물 반도체 발광소자
JP5315899B2 (ja) 2008-09-30 2013-10-16 信越半導体株式会社 発光素子
CN103441196B (zh) * 2009-12-21 2017-03-01 晶元光电股份有限公司 发光元件及其制造方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI270989B (en) * 2001-04-25 2007-01-11 Toyoda Gosei Kk III group nitride compound semiconductor luminescent element

Also Published As

Publication number Publication date
US20140014899A1 (en) 2014-01-16
TW201405860A (zh) 2014-02-01
JP2014022736A (ja) 2014-02-03
US8912527B2 (en) 2014-12-16
CN103545406A (zh) 2014-01-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR20120083084A (ko) 나노 로드 발광 소자 및 그 제조 방법
CN103107255B (zh) 一种led外延片生长方法
US20150188015A1 (en) GaN-based Light Emitting Diode with Current Spreading Structure
TWI463696B (zh) 多量子阱結構及發光二極體
US8704252B2 (en) Light emitting device
TWI538184B (zh) 發光二極體陣列
TW201301552A (zh) Led磊晶結構
JP2020109819A (ja) 多波長発光ダイオードのエピタキシャル構造
TW201822379A (zh) 發光二極體晶片
JP2009059851A (ja) 半導体発光ダイオード
CN209822674U (zh) 一种可在小电流密度下提升发光效能的外延结构
TWI466343B (zh) 發光二極體裝置
TWI453968B (zh) 半導體發光結構
TW201513396A (zh) 發光二極體
CN110137326A (zh) 一种可在小电流密度下提升发光效能的外延结构及其制备方法
CN108565321B (zh) 一种电压低的半导体led芯片
TWI568016B (zh) 半導體發光元件
CN104347766A (zh) 发光二极管及其制造方法
TWI577046B (zh) 半導體發光元件及其製作方法
TW201503428A (zh) 發光二極體
KR20190099620A (ko) 나노 입자를 이용한 고효율 led
CN103779462A (zh) 一种提高发光效率的led结构
CN104425669A (zh) 发光二极管及其制作方法
KR101435511B1 (ko) 미로 모양 구조를 갖는 발광다이오드
CN209183575U (zh) 大功率led灯板

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A Annulment or lapse of patent due to non-payment of fees