TWI466343B - 發光二極體裝置 - Google Patents

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Description

發光二極體裝置
本發明係有關一種發光二極體裝置，特別是關於一種具缺陷層的發光二極體裝置。
為了提升發光二極體(LED)的發光效率，方法之一是使用穿隧接面(tunnel junction)將二或多個發光二極體疊加起來。疊加發光二極體較單一發光二極體放射更多的光線，因而提高亮度。使用穿隧接面還可強化電流的分散(spreading)，使得主動層內更多的載子可進行再結合(recombination)。此外，疊加發光二極體較同樣數目之單一發光二極體具有較少的電極接觸，不但可節省空間，且可降低所造成的電致遷移(electromigration)問題。
傳統形成穿隧接面的方法之一是使用重摻雜技術，如美國專利第6,822,991號，題為“含有穿隧接面的發光裝置(Light Emitting Devices Including Tunnel Junctions)”。由於穿隧距離通常 很短，因此，使用重摻雜技術較難達到所要的穿隧接面。再者，重摻雜也可能影響到鄰近層級的摻雜濃度。
傳統形成穿隧接面的另一方法是使用極化(polarization)技術，如美國專利第6,878,975號，題為“極化場增強之穿隧結構(Polarization Field Enhanced Tunnel Structures)”。此種方法需要較複雜的製程控制，且會限制了材質使用的選擇性。
提升發光二極體之發光效率的另一方法是形成歐姆接觸(ohmic contact)於發光二極體的電極處。傳統形成歐姆接觸的方法之一是使用重摻雜技術，此方法的缺點會影響到鄰近層級的摻雜濃度。
因此，亟需提出一種新穎的發光二極體結構，用以解決上述的問題。
鑑於上述，本發明實施例的目的之一在於提出一種發光二極體裝置，其使用導電缺陷層以形成穿隧接面或者歐姆接觸，以提升發光二極體的發光效率。相較於傳統發光二極體，本發明實施例使用較簡單製程及架構以形成穿隧接面或歐姆接觸，不但能改善發光效率且不會引發其他問題。
根據本發明實施例之一，發光二極體包含第一發光二 極體、第二發光二極體及導電缺陷層。其中，導電缺陷層位於該第一發光二極體與該第二發光二極體之間，作為穿隧接面，藉以將第一發光二極體與第二發光二極體疊加在一起。
根據本發明另一實施例，發光二極體包含第一摻雜層、第二摻雜層、導電缺陷層及至少一電極。其中，導電缺陷層位於第一/第二摻雜層與電極之間，藉以形成歐姆接觸。
11‧‧‧第一發光二極體
111‧‧‧n型摻雜層
112‧‧‧p型摻雜層
113‧‧‧第一摻雜層
114‧‧‧主動層
115‧‧‧第二摻雜層
116‧‧‧共價鍵
117‧‧‧第一電極
12‧‧‧導電缺陷層
121‧‧‧共價鍵
122‧‧‧懸鍵
13‧‧‧第二發光二極體
131‧‧‧n型摻雜層
132‧‧‧p型摻雜層
133‧‧‧第一摻雜層
134‧‧‧主動層
135‧‧‧第二摻雜層
136‧‧‧第二電極
20‧‧‧發光二極體單元
22‧‧‧銲線
24‧‧‧基板
25‧‧‧第一電極
27‧‧‧第二電極
29‧‧‧電源供應器
41‧‧‧n型摻雜層
42‧‧‧主動層
43‧‧‧p型摻雜層
44‧‧‧導電缺陷層
45‧‧‧p型電極
46‧‧‧n型電極
第一圖顯示本發明第一實施例之發光二極體裝置的剖面簡化示意圖。
第二A圖顯示第一圖之第一發光二極體及第二發光二極體為同質接面結構的剖面示意圖。
第二B圖顯示第一圖之第一發光二極體及第二發光二極體為異質接面結構的剖面示意圖。
第三圖顯示第二B圖之第二摻雜層與導電缺陷層的晶格示意圖。
第四圖顯示本發明第二實施例的剖面示意圖。
第五圖顯示發光二極體裝置的立體示意圖。
第一圖顯示本發明第一實施例之發光二極體裝置的剖面簡化示意圖。發光二極體裝置包含至少一發光二極體單元，而每一發 光二極體單元包含第一發光二極體11(LED1)與第二發光二極體13(LED2)疊加(stack)在一起，兩者之間形成有一導電缺陷(defect)層12，用以作為穿隧接面(tunnel junction)，其具有低阻抗及低光損失(optical loss)。其中，第一發光二極體11的頂部面向第二發光二極體13的底部。本實施例雖以疊加的二個發光二極體作為例示，然而，本實施例可擴展應用於二個以上之發光二極體的疊加。
第一圖所示的第一發光二極體11及第二發光二極體13可以為同質接面(homojunction)結構或者為異質接面(heterojunction)結構。第二A圖顯示當第一發光二極體11及第二發光二極體13為同質接面結構的剖面示意圖。第一發光二極體11主要包含n型摻雜層111及p型摻雜層112，該二層的材質相同，因此具有相同的能隙(energy gap)。p型摻雜層112與n型摻雜層111之間會形成p-n接面。類似的情形，第二發光二極體13主要包含n型摻雜層131及p型摻雜層132。第一電極117位於n型摻雜層111上，而第二電極136位於p型摻雜層132上。
第二B圖顯示當第一發光二極體11及第二發光二極體13為異質接面結構的剖面示意圖。在部分範例中，第一發光二極體或第二發光二極體係為三族氮化物(group-III nitride)發光二極體。第一發光二極體11主要包含第一摻雜層113、主動(active)層114及第二摻雜層115。第一摻雜層/第二摻雜層113/115與主動層114使用不同材質，因此具有相異的能隙。藉此，載子可被侷限於主動層114所形成的井區(well)。在部分範例中，第一摻雜層113為n型摻雜層(例如氮化 鎵(GaN))，主動層114為氮化銦鎵(InGaN)，而第二摻雜層115為p型摻雜層(例如氮化鎵(GaN))。類似的情形，第二發光二極體13主要包含第一摻雜層133、主動層134及第二摻雜層135。第一電極117位於第一摻雜層113上，而第二電極136位於第二摻雜層135上。由於異質接面結構的發光二極體為目前的主流，因此以下實施例的說明將以第二B圖作為例示。第二A圖及第二B圖所顯示的剖面結構僅為簡化示意圖，可依實際應用情形於所示層級之間額外插入一或多層級。
在部分範例中，第一發光二極體11的主動層114與第二發光二極體13的主動層134可使用相同的材質，因而得以發射相同波長的光線。在部分範例中，第一發光二極體11的主動層114與第二發光二極體13的主動層134可使用不同的材質，因而得以發射不同波長的光線。相關細節可參考美國專利第6822991號，題為“含穿隧接面的發光二極體裝置(Light Emitting Device Including Tunnel Junctions)”，其內容視為本說明書的一部份。
在部分範例中，導電缺陷層12可使用磊晶技術形成於第一發光二極體11的頂部，例如第二摻雜層115的上表面。在部分範例中，導電缺陷層12提升缺陷密度至其成長面缺陷密度的5倍以上，藉由高缺陷密度提供導電的效果；在部分範例中，導電缺陷層12提升缺陷密度至其成長面缺陷密度的2個數量級以上。在部分範例中，導電缺陷層12的材質可為氮化矽(SiN)、金屬[例如：鎵(Ga)、鋁(Al)、銦(In)…等]、碳化矽(SiC)或矽(Si)，但不以此為限。導電缺陷 層12的厚度可為數奈米(nm)至數十奈米之間。在部分範例中，導電缺陷層12的厚度小於或等於100奈米(nm)。
在部分範例中，導電缺陷層12與第二發光二極體13之間更包含一緩衝層(未顯示於圖中)，緩衝層鄰接導電缺陷層12，且降低缺陷密度至其成長面缺陷密度的5分之1以下。在部分範例中，緩衝層降低缺陷密度至其成長面缺陷密度的2個數量級以下。在部分範例中，緩衝層的厚度大於或等於10奈米。在部分範例中，緩衝層的厚度約為數百個奈米。另外，導電缺陷層12的缺陷密度可為107~1021/立方厘米。
第三圖顯示第二摻雜層115與導電缺陷層12的晶格示意圖。第二摻雜層115的晶格之間以共價鍵(covalent bond)116相連結，導電缺陷層12的晶格之間也以共價鍵121相連結。由於第二摻雜層115與導電缺陷層12的晶格常數不同，造成兩者之間的晶格不匹配(mismatch)，因此第二摻雜層115與導電缺陷層12之間會形成懸鍵(dangling bond)122而非共價鍵。組成懸鍵122的電子比較不受到原子核的約束而形成自由電子，因而增加導電缺陷層12的極性，藉以形成第一發光二極體11與第二發光二極體13之間的穿隧接面。
本實施例之導電缺陷層12的形成除了使用磊晶技術外，還可使用其他技術。例如，對第一發光二極體11的頂部(例如第二摻雜層115的上表面)施以佈值(implantation)製程，撞擊(impact)第二摻雜層115的上表面以形成導電缺陷層12。
第四圖顯示本發明第二實施例的剖面示意圖。如前所述，發光二極體可為同質接面結構或者異質接面結構，如第二A圖或第二B圖所示。在部分範例中，發光二極體係為三族氮化物(group-III nitride)發光二極體。在本實施例中，發光二極體主要包含n型摻雜層41、主動層(或p-n接面)42及p型摻雜層43。在本實施例中，形成導電缺陷層44於p型摻雜層43或/且n型摻雜層41的表面，再於導電缺陷層44的表面分別形成p型電極45或n型電極46。藉此，p型摻雜層43與p型電極45之間可形成歐姆接觸(ohmic contact)，使其電壓-電流的關係為線性。類似的情形，n型摻雜層41與n型電極46之間也可形成歐姆接觸。
在本實施例中，導電缺陷層44可使用磊晶技術形成於p型摻雜層43的表面或/且n型摻雜層41的表面。類似於前述第一實施例，導電缺陷層44提升缺陷密度至其成長面缺陷密度的5倍以上，藉由高缺陷密度提供導電的效果；在部分範例中，導電缺陷層44提升缺陷密度至其成長面缺陷密度的2個數量級以上。在部分範例中，導電缺陷層44的材質可為氮化矽(SiN)、金屬[例如：鎵(Ga)、鋁(Al)、銦(In)…等]、碳化矽(SiC)或矽(Si)，但不以此為限。導電缺陷層44的厚度可為數奈米(nm)至數十奈米之間。在部分範例中，導電缺陷層44的厚度小於或等於100奈米(nm)。
在部分範例中，導電缺陷層44與p型摻雜層43的表面且/或n型摻雜層41的表面之間更包含一緩衝層(未顯示於圖中)，緩衝層鄰接導電缺陷層44，且降低缺陷密度至其成長面缺陷密度的5分之1以下。在部分範例中，緩衝層降低缺陷密度至其成長面缺陷密度的2個數 量級以下。在部分範例中，緩衝層的厚度大於或等於10奈米。在部分範例中，緩衝層的厚度約為數百個奈米。另外，導電缺陷層44的缺陷密度可為107~1021/立方厘米。
第五圖顯示發光二極體裝置的立體示意圖，其包含複數個發光二極體單元20，以陣列型式排列於基板24上，因此，第五圖所示的發光二極體裝置又稱為發光二極體陣列。相鄰發光二極體20的第一電極25及第二電極27藉由銲線22或內連線而電性連結，因而形成一串聯序列。位於串聯序列的最前端發光二極體與最後端發光二極體，未與其他發光二極體20連接的第一電極25及第二電極27分別連接至電源供應器29的兩端。第五圖所示發光二極體單元20可以是第一實施例(第一圖)的垂直疊加發光二極體，也可以是第二實施例(第四圖)的單一發光二極體。
以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。
11‧‧‧第一發光二極體
12‧‧‧導電缺陷層
13‧‧‧第二發光二極體

Claims (12)

  1. 一種發光二極體裝置，包含：至少一發光二極體單元，該發光二極體單元包含：一第一發光二極體及一第二發光二極體；及一導電缺陷層，位於該第一發光二極體與該第二發光二極體之間，作為穿隧接面，藉以將該第一發光二極體與該第二發光二極體疊加在一起，該導電缺陷層提升缺陷密度至其成長面缺陷密度的5倍以上，該導電缺陷層的厚度小於或等於100奈米(nm)。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體裝置，其中該第一發光二極體或該第二發光二極體係為三族氮化物(group-III nitride)發光二極體，該第一發光二極體或該第二發光二極體包含：一第一摻雜層；一第二摻雜層，其極性相反於該第一摻雜層的極性；一主動層，位於該第一摻雜層與該第二摻雜層之間；其中該第一發光二極體的第二摻雜層藉由該導電缺陷層而與該第二發光二極體的第一摻雜層疊加在一起。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體裝置，其中該導電缺陷層包含氮化矽(SiN)、金屬、碳化矽(SiC)或矽(Si)。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體裝置，其中該導電缺陷層 與該第二發光二極體之間更包含一緩衝層，該緩衝層鄰接該導電缺陷層，且降低缺陷密度至其成長面缺陷密度的5分之1以下，該緩衝層的厚度大於或等於10奈米(nm)。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體裝置，其中該導電缺陷層係以磊晶或佈值(implantation)技術所形成。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體裝置，其中該至少一發光二極體單元包含複數該發光二極體單元，以陣列型式排列，且每一該發光二極體單元包含一第一電極及一第二電極，其中，相鄰該發光二極體單元的第一電極及第二電極電性連結，因而形成一串聯序列。
  7. 一種發光二極體裝置，包含：至少一發光二極體單元，該發光二極體單元包含：一第一摻雜層；一第二摻雜層，其極性相反於該第一摻雜層的極性；一導電缺陷層，形成於該第一摻雜層或該第二摻雜層上，該導電缺陷層提升缺陷密度至其成長面缺陷密度的5倍以上，該導電缺陷層的厚度小於或等於100奈米(nm)；及至少一電極，位於該導電缺陷層上，藉此，形成歐姆接觸於該電極與該第一/第二摻雜層之間。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之發光二極體裝置，更包含一主動層，位於該第一摻雜層與該第二摻雜層之間，該發光二極體單元係為三族氮化物(group-III nitride)發光二極體。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之發光二極體裝置，其中該導電缺陷層包含氮化矽(SiN)、金屬、碳化矽(SiC)或矽(Si)。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之發光二極體裝置，其中該導電缺陷層與該第二發光二極體之間更包含一緩衝層，該緩衝層鄰接該導電缺陷層，且降低缺陷密度至其成長面缺陷密度的5分之1以下，該緩衝層的厚度大於或等於10奈米(nm)。
  11. 如申請專利範圍第7項所述之發光二極體裝置，其中該導電缺陷層係以磊晶或佈值(implantation)技術所形成。
  12. 如申請專利範圍第7項所述之發光二極體裝置，其中該至少一發光二極體單元包含複數該發光二極體單元，以陣列型式排列，且每一該發光二極體單元包含一第一電極及一第二電極，其中，相鄰該發光二極體單元的第一電極及第二電極電性連結，因而形成一串聯序列。
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