TWI470826B - 發光二極體裝置 - Google Patents

Description

發光二極體裝置

  本發明係有關一種發光二極體裝置，特別是關於一種具多層結構的疊加發光二極體裝置。

  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）”，其穿隧接面使用氮化銦鎵（InGaN）。一般而言，氮化銦鎵（InGaN）若要具有好的品質，其成長厚度不能超過2奈米（nm）。於上述專利中，其穿隧接面所包含的p++重摻雜氮化銦鎵（InGaN）層厚度高達15奈米。於實務上，要達到這樣的厚度且要保持相當的品質是幾乎不可能的。因此，如何降低氮化銦鎵（InGaN）厚度且能達到穿隧效果，是目前研究發展的重要方向。

  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）”。藉由極化以製作穿隧結構（例如單層氮化銦鎵）時，銦（In）的濃度要相當高（例如大於20%），且厚度要厚（例如至少10奈米），所形成的穿隧結構具有吸光的缺點，而且應力會集中於介面（例如GaN/InGaN介面），使得堆疊發光二極體當中上方的發光二極體之成長溫度不能太高，否則應力會隨著溫度增加而導致穿隧失效。

  因此，亟需提出一種新穎的發光二極體結構，用以解決上述傳統穿隧接面的問題。

  鑑於上述，本發明實施例的目的之一在於提出一種具多層結構的疊加發光二極體裝置，用以降低穿隧結構厚度且能達到穿隧效果或/且使應力分佈平均。

  根據本發明實施例，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第一發光二極體、第二發光二極體及多層結構。第一發光二極體包含n側氮化物半導體層、第一主動層與具有一第一摻雜濃度之p側氮化物半導體層；第二發光二極體包含具有一第二摻雜濃度之n側氮化物半導體層、第二主動層與p側氮化物半導體層。多層結構的厚度小於或等於30奈米，位於第一發光二極體的p側氮化物半導體層與第二發光二極體的n側氮化物半導體層之間，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。其中多層結構無摻雜，或是p型摻雜小於第一摻雜濃度，或是n型摻雜小於第二摻雜濃度。

  第一圖顯示本發明實施例之發光二極體裝置的剖面圖。圖式僅顯示出與本實施例相關的組成要件，因此，所示層級之間可視實際應用需求而插入其他額外層級。此外，圖式中各組成要件的尺寸並未依實際比例繪製。

  本實施例之發光二極體裝置係由一或多個如第一圖所示的發光二極體單元所組成。在本實施例中，發光二極體單元由下而上依序包含第一發光二極體1、多層結構2及第二發光二極體3。換句話說，多層結構2位於第一發光二極體1與第二發光二極體3之間。

  詳而言之，第一發光二極體1由下而上依序包含n側氮化物半導體層11、第一主動層12與具有第一摻雜濃度之p側氮化物半導體層13。第二發光二極體3由下而上依序包含具有第二摻雜濃度之n側氮化物半導體層31、第二主動層32與p側氮化物半導體層33。多層結構2位於第一發光二極體1的p側氮化物半導體層13與第二發光二極體3的n側氮化物半導體層31之間，作為穿隧接面，藉以將第一發光二極體1與第二發光二極體3疊加在一起，該多層結構2係由二或多於二子層所組成。在一例子中，多層結構2的總厚度小於或等於30奈米（nm）；在另一例子中，多層結構2的總厚度小於或等於10奈米。多層結構2之每ㄧ子層的厚度小於或等於5奈米；在另一例子中，每ㄧ子層的厚度小於或等於2奈米。

  根據本實施例的特徵之一，多層結構2為無摻雜或者為輕摻雜；亦即多層結構2中所有子層都要符合無摻雜或是輕摻雜，沒有重摻雜的子層。例如，多層結構2為p型摻雜，但其摻雜濃度小於（p側氮化物半導體層13的）第一摻雜濃度；或是為n型摻雜，但其摻雜濃度小於（n側氮化物半導體層31的）第二摻雜濃度。在一例子中，多層結構2中的所有子層是無摻雜子層。在另一例子中，多層結構2中的所有子層是輕摻雜子層。在又一例子中，多層結構2中的部分子層是無摻雜子層，部分子層是輕摻雜子層。

  根據能隙（energy gap）的觀點，上述實施例中第一發光二極體1（例如，p側氮化物半導體層13）接觸或靠近多層結構2之介面具有第一能隙，第二發光二極體3（例如，n側氮化物半導體層31）接觸或靠近多層結構2之介面具有第二能隙，且多層結構2具有至少一子層的能隙小於第一能隙以及第二能隙。舉例而言，多層結構2具有至少三個子層，且至少兩個子層的能隙同時小於第一能隙以及第二能隙。

  在本實施例中，多層結構2之子層的材質為三族氮化物，例如氮化銦鎵（InGaN）。根據本實施例的另一特徵，至少一子層的銦濃度係為逐漸變化(gradually change)。於一例子中，由第一發光二極體1往第二發光二極體3方向，某一子層的銦濃度係為逐漸增加，如第二A圖所顯示的銦濃度示意圖，其右邊往第二發光二極體3方向，而其左邊則往第一發光二極體1方向。於另一例子中，由第一發光二極體1往第二發光二極體3方向，某一子層的銦濃度係為逐漸減少，如第二B圖所顯示的銦濃度示意圖。於又一例子中，由第一發光二極體1往第二發光二極體3方向，某一子層的銦濃度先逐漸增加至一最大值之後再逐漸減少，如第二C圖所顯示的銦濃度示意圖。

  第三圖例示第一圖所示實施例之發光二極體裝置的剖面圖，顯示多層結構2的細部剖面。由第一發光二極體1往第二發光二極體3方向，多層結構2依序包含第一子層21、第二子層22以及第三子層23，其中第一子層31包含氮化銦鎵（InGaN），第二子層32包含氮化鎵（GaN），且第三子層包含氮化銦鎵（InGaN）。在一例子中，第一子層21之氮化銦鎵（InGaN）的銦濃度為固定的，第三子層23之氮化銦鎵（InGaN）的銦濃度也是固定的，如第四A圖所顯示的銦濃度示意圖。在另一例子中，第一子層21之氮化銦鎵（InGaN）的銦濃度為固定的，第三子層23之氮化銦鎵（InGaN）的銦濃度為逐漸變化（例如先逐漸增加至一最大值之後再逐漸減少），如第四B圖所顯示的銦濃度示意圖。

  根據本發明另一實施例（其結構沿用第一圖所示剖面），發光二極體裝置的多層結構2係為一超晶格結構，其主要係由二材質或組成相異的至少一第一子層與至少一第二子層交替堆疊組成。在本實施例中，超晶格結構的材質為三族氮化物，其中第一子層與第二子層的組合方式可為下列之一：AlGaN/InGaN, AlGaN/GaN, GaN/InGaN, In_x GaN/In_y GaN（其中x異於y）, Al_x GaN/Al_y GaN（其中x異於y），但不限定於此。

  第五圖顯示本發明又一實施例之發光二極體裝置的剖面圖。與第一圖所示結構不同的是，本實施例於多層結構2與第一發光二極體1的p側氮化物半導體層13之間，更包含p型中間層4A，其摻雜濃度大於（p側氮化物半導體層13的）第一摻雜濃度。此外，本實施例於多層結構2與第二發光二極體3的n側氮化物半導體層31之間，更包含n型中間層4B，其摻雜濃度大於（n側氮化物半導體層31的）第二摻雜濃度。

  第六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60，以陣列型式排列於基板64上，因此，第六圖所示的發光二極體裝置又稱為發光二極體陣列。相鄰發光二極體單元60可藉由其第一電極65或第二電極67彼此電性連結，例如：藉由銲線62或內連線而電性連結，因而形成一串聯且/或並聯序列。以串聯序列為例，位於串聯序列的最前端發光二極體單元與最後端發光二極體單元，未與其他發光二極體單元60連接的第一電極65及第二電極67分別連接至電源供應器69的兩端。第六圖所示發光二極體單元60可以是第一圖或第五圖所示實施例的發光二極體單元，其中，第一電極65電性連接最前端發光二極體單元之第一發光二極體1的n側氮化物半導體層（例如n型氮化鎵層）11；第二電極67電性連接最後端發光二極體單元之第二發光二極體3的p側氮化物半導體層（例如p型氮化鎵層）33。

  第七A圖顯示發光二極體單元的內部量子效率對電流密度關係圖，其中曲線700具有一內部量子效率峰值max。在一例子中，隨著第一主動層12且/或第二主動層32的SRH（Shockley-Read-Hall）生命期（lifetime）增加(代表晶體品質增加)，獲得曲線700’，其內部量子效率峰值max’大於max。在另一例子中，隨著第一發光二極體1之n側氮化物半導體層11的缺陷密度降低，使得上方第一主動層12且/或第二主動層32的缺陷密度降低，獲得曲線700’，其內部量子效率峰值max’ 大於max。

  請參考第七B圖，前述實施例的發光二極體單元可操作在內部量子效率峰值max左右降低約20%之間的電流密度區域，因而可提高發光效率。

  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。

1．．．第一發光二極體

11．．．n側氮化物半導體層

12．．．第一主動層

13．．．p側氮化物半導體層

2．．．多層結構

21．．．第一子層

22．．．第二子層

23．．．第三子層

3．．．第二發光二極體

31．．．n側氮化物半導體層

32．．．第二主動層

33．．．p側氮化物半導體層

4A．．．p型中間層

4B．．．n型中間層

60．．．發光二極體單元

62．．．銲線

64．．．基板

65．．．第一電極

67．．．第二電極

69．．．電源供應器

700．．．曲線

700’．．．曲線

第一圖顯示本發明實施例之發光二極體裝置的剖面圖。
第二A圖至第二C圖顯示多層結構之子層的銦濃度示意圖。
第三圖例示第一圖所示實施例之發光二極體裝置的剖面圖，顯示多層結構的細部剖面。
第四A圖至第四B圖顯示第三圖之多層結構的銦濃度示意圖。
第五圖顯示本發明又一實施例之發光二極體裝置的剖面圖。
第六圖顯示發光二極體裝置的立體示意圖。
第七A圖顯示發光二極體單元的內部量子效率對電流密度關係圖。
第七B圖顯示發光二極體單元的操作電流密度區域。

1．．．第一發光二極體

11．．．n側氮化物半導體層

12．．．第一主動層

13．．．p側氮化物半導體層

2．．．多層結構

3．．．第二發光二極體

31．．．n側氮化物半導體層

32．．．第二主動層

33．．．p側氮化物半導體層

Claims (14)

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，其包含n側氮化物半導體層、第一主動層與具有一第一摻雜濃度之p側氮化物半導體層；
   一第二發光二極體，其包含具有一第二摻雜濃度之n側氮化物半導體層、第二主動層與p側氮化物半導體層；及
   一多層結構，其厚度小於或等於30奈米，位於該第一發光二極體的p側氮化物半導體層與該第二發光二極體的n側氮化物半導體層之間，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；
   其中該多層結構無摻雜或者為輕摻雜，定義輕摻雜為該多層結構中p型摻雜小於該第一摻雜濃度，或是該多層結構中n型摻雜小於該第二摻雜濃度。
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接觸該多層結構之介面具有一第一能隙，該第二發光二極體接觸該多層結構之介面具有一第二能隙，該多層結構具有至少一子層的能隙小於該第一能隙以及該第二能隙。
3. 如申請專利範圍第2項所述之發光二極體裝置，其中該多層結構具有至少三個子層，且至少兩個子層的能隙同時小於該第一能隙以及該第二能隙。
4. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體裝置，其中該多層結構具有複數個子層，該子層的厚度小於或等於5奈米，所有該子層係為無摻雜子層或是輕摻雜子層。
5. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體裝置，其中該多層結構具有複數個子層，該子層的厚度小於或等於5奈米，部分子層是無摻雜子層，部分子層是輕摻雜子層。
6. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體裝置，其中該多層結構具有複數個子層，至少一子層包含氮化銦鎵（InGaN），且銦濃度係為逐漸變化。
7. 如申請專利範圍第6項所述之發光二極體裝置，其中由該第一發光二極體往該第二發光二極體方向，該銦濃度係為逐漸增加或是逐漸減少。
8. 如申請專利範圍第6項所述之發光二極體裝置，其中由該第一發光二極體往該第二發光二極體方向，該銦濃度先增加至一最大值之後減少。
9. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體裝置，其中該多層結構係為一超晶格結構，由至少一第一子層與至少一第二子層交替堆疊組成。
10. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體裝置，更包含:
    一P型中間層，位於該多層結構與該第一發光二極體的p側氮化物半導體層之間，該P型中間層的摻雜濃度大於該第一摻雜濃度；與
    一N型中間層，位於該多層結構與該第二發光二極體的n側氮化物半導體層之間，該n型中間層的摻雜濃度大於該第二摻雜濃度。
11. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體裝置，更包含：
    　 一第一電極，該第一發光二極體的n側氮化物半導體層包含n型氮化鎵層，該第一電極電性連接n型氮化鎵層；及
    　 一第二電極，該第二發光二極體的p側氮化物半導體層包含p型氮化鎵層，該第二電極電性連接p型氮化鎵層。
12. 如申請專利範圍第11項所述之發光二極體裝置，其中包含複數該發光二極體單元，以陣列型式排列，其中，相鄰的發光二極體單元可藉由其第一電極或第二電極彼此電性連結，因而形成一串聯序列且/或並聯序列。
13. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體裝置，其中該發光二極體單元的內部量子效率對電流密度圖形具有一內部量子效率峰值；隨著該第一主動層且/或第二主動層的晶體品質增加，內部量子效率峰值跟著增加。
14. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體裝置，其中該發光二極體單元的內部量子效率對電流密度圖形具有一內部量子效率峰值；隨著該第一發光二極體之n側氮化物半導體層的缺陷密度降低，使得上方第一主動層且/或第二主動層的缺陷密度降低，內部量子效率峰值跟著增加。