TWI473296B - 發光裝置 - Google Patents

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TWI473296B TW98120243A TW98120243A TWI473296B TW I473296 B TWI473296 B TW I473296B TW 98120243 A TW98120243 A TW 98120243A TW 98120243 A TW98120243 A TW 98120243A TW I473296 B TWI473296 B TW I473296B
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Dae-Sung Kal
Ki-Bum Nam
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Chung-Hoon Lee
Dae-Won Kim
Dae-Sung Kal
Ki-Bum Nam
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Description

發光裝置
本發明是有關於可用於發光二極體(light emitting diode，LED)及雷射二極體(laser diode，LD)之發光裝置。更特定而言，本發明是有關於在多量子井結構內之至少一層中包含至少一載體陷阱(carrier trap)部分的發光裝置。
第III族氮化物(諸如，GaN、AlN、InGaN及類似物)具有良好熱穩定性及直接過渡型能帶(energy-band)結構，且作為用於藍色及UV發光二極體以及雷射二極體之材料，近年來已受到關注。特定而言，InGaN化合物半導體由於其窄帶隙能量而引起注意。使用GaN基化合物半導體之LED具有各種應用，包含全色平板顯示器、背光單元之光源、信號燈、室內照明、高清晰度光源、高解析度輸出系統、光學通信以及類似應用。
大體而言，LED包含n型半導體層、p型半導體層以及插入於n型半導體層與p型半導體層之間的主動區(active region)。n型半導體層及p型半導體層可由第III族氮化物半導體層形成，例如，(Al,In,Ga)N基化合物半導體層。主動區可具有一帶有單個井層之單量子井結構或一帶有多個井及障壁層之多量子井結構。多量子井結構可包含InGaN井層及GaN障壁層，其交替堆疊於彼此之頂部上。InGaN井層可由n型半導體層或p型半導體層形成，其具有比障壁層小之帶隙，使得量子井層可形成以准許其中之電子及電洞重組。
第III族氮化物半導體層經由金屬有機化學氣相沈積及類似方法生長於具有六方結構之異質基板(諸如，藍寶石基板或碳化矽基板)上。然而，當第III族氮化物半導體層生長於異質基板上時，半導體層由於半導體層與基板之間的晶格常數及熱膨脹係數的差異而經歷破裂或翹曲及位錯(dislocation)。
為防止此等問題，在生長半導體層之前在基板上形成緩衝層，以便可在生長於緩衝層上之半導體層中實質上防止晶體缺陷。然而，作用層仍具有高晶體缺陷密度，進而成為對第III族氮化物半導體層之應用的嚴重阻礙。此外，主動區中諸如位錯之晶體缺陷截獲引入主動區內之載體且不發射光，因而成為非輻射中心且顯著降低LED之內部量子效率。
本發明之一目的為提供一種發光裝置，其經組態以防止由諸如主動區中之位錯之晶體缺陷引起的內部量子效率降低。
本發明之另一目的為提供一種發光裝置，其經組態以改良多量子井結構之晶體品質。
根據一方面，一種發光裝置包含基板、在所述基板上之第一半導體層、在所述第一半導體層上之第二半導體層以及多量子井結構，多量子井結構包含位於所述第一半導體層與所述第二半導體層之間的至少一井層及至少一障壁層，在所述多量子井結構內之至少一層包含形成於其中之至少一載體陷阱部分，所述至少一載體陷阱部分具有自所述載體陷阱部分之周邊至所述載體陷阱部分之中心減少的帶隙能量。
所述載體陷阱部分可具有自所述載體陷阱部分之周邊至所述載體陷阱部分之中心以直線形狀、階梯形狀或曲線形狀逐漸減少的帶隙能量。
所述載體陷阱部分可形成於所述多量子井結構內之所述井層中。舉例而言，所述載體陷阱部分可嵌入在所述井層中。
包含載體陷阱部分之層可含有銦。舉例而言，所述包含載體陷阱部分之層可由AlInGaN基化合物半導體(AlInGaN-based compound semiconductor)或AlInGaP基化合物半導體(AlInGaP-based compound semiconductor)所組成。
所述發光裝置可更包含在所述多量子井結構中之銦蒸發防止層，用以防止銦自所述包含載體陷阱部分之層蒸發。
所述載體陷阱部分可含有自載體陷阱部分之周邊至載體陷阱部分之中心逐漸增加的量的銦。載體陷阱部分之中心可含有比載體陷阱部分之最外區多至少2%或2%以上的銦。
所述包含載體陷阱部分之層可為井層，且所述障壁層可含有鋁(Al)。此處，所述障壁層之Al含量可經調節以產生能夠抵消所述包含載體陷阱部分之層中產生之壓縮應力的拉伸強度。含鋁之障壁層可由AlGaInN基化合物半導體(AlGaInN-based compound semiconductor)或AlGaInP基化合物半導體(AlGaInP-based compound semiconductor)所組成。
所述載體陷阱部分可在所述包含載體陷阱部分之層生長時與所述包含載體陷阱部分之層同時形成。所述載體陷阱部分可以比所述包含載體陷阱部分之層之位錯密度高的密度分佈。
所述載體陷阱部分可具有1nm~10nm之尺寸。舉例而言，所述載體陷阱部分可具有2nm~5nm之尺寸。
所述發光裝置可更包含藉由叢集至少兩個載體陷阱部分而形成之載體陷阱叢集。所述載體陷阱叢集可與另一鄰近載體陷阱叢集分離至少20nm或20nm以上的距離。舉例而言，所述載體陷阱叢集可與另一鄰近載體陷阱叢集分離至少40nm~120nm的距離。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
下文中將參見附圖詳細描述本揭露案之例示性實施例。以說明方式給出以下實施例以使熟習此項技術者能全面理解本發明。因此應瞭解，依據本揭露案，其它實施例將是顯見的，且可在不脫離本揭露案之範疇的情況下做出 修改及改變。同樣應注意，圖式未按準確比例繪製，且在圖中某些尺寸經誇大以便描述得清楚。另外，說明書及圖式中始終以相同參考標號表示相同元件。
圖1說明根據本發明之一實施例之發光裝置的堆疊結構。
參見圖1，第一半導體層15位於基板11上。此處，緩衝層13可形成於第一半導體層15與基板11之間以減輕其間之晶格失配。舉例而言，緩衝層13包含GaN或AlN。基板11可包含但不限於藍寶石、尖晶石或碳化矽(SiC)。第一半導體層15可為n型摻雜質GaN層(n-type impurity-doped GaN layer)。
第二半導體層19位於第一半導體層15上，且主動區17插入於第一半導體層15與第二半導體層19之間。主動區17可具有多量子井(multi-quantum well，MQW)結構，其中一或多個井層17b及一或多個障壁層17a交替堆疊於彼此之頂部上。此處，井層17b具有比障壁層17a窄之帶隙能量。井層17b及障壁層17a可由AlInGaN基化合物半導體所組成。舉例而言，井層17b可為摻雜質或未摻雜的InGaN，且障壁層17a可為摻雜質或未摻雜的InGaN或GaN。第二半導體層19可為p型摻雜質GaN。
第二電極21可形成於第二半導體層19上。第二電極21可為透明電極，其允許光穿過其透射。透明電極21可包含ITO。結合墊23可形成於透明電極21上以用於外部連接。結合墊23可包含但不限於Cr/Au、Ni/Au或類似物。 此外，第一電極25可形成於第一半導體層15之曝露區上，所述曝露區是藉由部分移除第二半導體層19及多量子井結構17而形成。第一電極25亦可包含但不限於Cr/Au、Ni/Au或類似物。
根據本發明之一實施例，發光裝置在多量子井結構17內之至少一層中包含至少一載體陷阱部分27。載體陷阱部分27用以藉由佔據多量子井結構17中之位錯而截獲載體。為此目的，如圖3及圖4中所示，載體陷阱部分27經組態以具有自載體陷阱部分27之周邊至其中心逐漸減小的帶隙能量。圖4之(a)為沿圖3之線I(a)-I(b)及II(a)-II(b)截取之能帶圖。沿線II(a)-II(b)截取之能量圖實質上與由井層及障壁層組成之一般多量子井結構之能量圖相同。然而，在沿線I(a)-I(b)截取之能量圖中，帶隙能量朝井層17b中之載體陷阱部分27之中心逐漸減小。此處，儘管帶隙能量之減小在圖4之(a)中繪示為直線，但藉由在井層17b之生長期間控制腔室中之源氣體的溫度、壓力及流動速率，帶隙能量可以如圖4之(b)所示之階梯形狀或以如圖4之(c)所示之曲線形狀減小。舉例而言，當包含載體陷阱部分27之層含有銦時，載體陷阱部分27可經組態以使得載體陷阱部分27之銦含量自其周邊向其中心逐漸增加。載體陷阱部分27之最外區與中心之間的銦含量差異可為至少2%或更高。
本文中，載體陷阱部分27指能夠使用可由位錯截獲及丟失之載體的結構。此結構不限於實體形狀。換言之， 根據本發明之實施例，載體陷阱部分27可為能夠有效使用可由位錯截獲及丟失之載體的實體形狀或量子機械能態。
如上所述，由於載體陷阱部分27充當截獲注入多量子井結構17內之載體以發射光的輻射中心，因此根據實施例之載體陷阱部分27可形成於多量子井結構17內之井層17b中。舉例而言，如圖2或3所示，載體陷阱部分27可嵌入井層17b中。然而應瞭解，井層17b中之載體陷阱部分27之組態不限於此。
可藉由三維生長(three-dimensional growth)而達成在層中形成載體陷阱部分27。三維生長指藉由控制腔室內源氣體之壓力、溫度及流動速率而以三維形狀生長層的方法。舉例而言，若包含載體陷阱部分27之層為包含InGaN之井層17b，則InGaN之初始生長是以二維方式實行，直至InGaN生長至預定厚度或預定厚度以上為止，且隨後改變為三維生長，藉此InGaN層進一步生長至預定厚度或預定厚度以上，使得包含根據本發明之實施例之載體陷阱部分的層可藉由銦之相分離特性而形成。此外，當銦含量超過5%且生長溫度超過600℃時，銦經受層中之相分離且展現出形成根據本發明實施例之載體陷阱部分27的強烈趨勢。藉由此方法，載體陷阱部分27可在包含載體陷阱部分之層形成時與所述包含載體陷阱部分之層同時形成。
然而如圖6所示，三維載體陷阱部分27在井層中誘發壓縮應力，因而引起多量子井結構17之晶體品質劣化。就此而言，包括鋁(Al)之層，例如由AlGaInN基化合物 半導體或AlGaInP基化合物半導體組成之層，可形成為多量子井結構中之障壁層17a以產生能夠抵消壓縮應力之拉伸強度，藉此解決由壓縮應力引起之晶體品質劣化的問題。根據一實施例，障壁層17a之Al含量經調節以產生與InGaN井層17b中產生之壓縮應力之強度相同的拉伸強度。
此外，當InGaN井層17b與GaN障壁層17a一起使用時，InGaN井層17b之晶格常數由於載體陷阱部分27而變為類似於GaN障壁層17a之晶格常數，所述載體陷阱部分27形成於InGaN井層17b中且具有自載體陷阱部分27之周邊至中心逐漸增加的銦含量，藉此解決由InGaN井17b與GaN障壁層17a之間的晶格差異引起的問題。
如上所述，根據本發明實施例之發光裝置經組態以防止由多量子井結構17中之位錯引起之內部量子效率降低。為此，此實施例之載體陷阱部分27可以比包含載體陷阱部分27之層中之位錯之密度高的密度分佈。
載體陷阱部分27可具有1nm~10nm之尺寸。或者，載體陷阱部分27可具有2nm~5nm之尺寸。
當多量子井結構17含有銦時，可存在由於銦之特性而引起之銦蒸發的問題。為防止此問題，根據本發明之一實施例之多量子井結構17可更包含銦蒸發防止層(未圖示)以防止銦自包含載體陷阱部分27之層蒸發。
根據另一實施例，多量子井結構17可更包含載體陷阱叢集，其是藉由叢集至少兩個如上所述之載體陷阱部分 27而形成。此組態清楚繪示於圖5之點線部分中或圖6中。可藉由在包含載體陷阱部分27之層之三維生長期間調節腔室內源氣體之溫度、壓力及流動速率來形成載體陷阱叢集。當形成包含例如InGaN之井層17b時，腔室中之300托或300托以上之壓力將導致叢集載體陷阱部分27而形成載體陷阱叢集的強烈趨勢。
載體陷阱叢集可與另一鄰近載體陷阱叢集分離至少20nm或20nm以上的距離。舉例而言，載體陷阱叢集可與另一鄰近載體陷阱叢集分離至少40nm~120nm之距離。
儘管在以上描述中參考AlInGaN基化合物半導體描述一些實施例，但一般熟習此項技術者將瞭解本發明可應用於其它化合物半導體，諸如AlInGaP基化合物半導體及類似物。
如上所述，根據本發明之實施例，發光裝置在多量子井結構17內之層中包含載體陷阱部分27及/或載體陷阱叢集以有效截獲載體，所述載體可由多量子井結構17中之位錯截獲，使得由載體陷阱部分27及/或載體陷阱叢集截獲之載體可用於發光，藉此改良發光裝置之內部量子效率。
此外，根據本發明之另一實施例，發光裝置之多量子井結構17經組態以產生能夠抵消多量子井結構17中產生之壓縮應力的拉伸應力，使得多量子井結構17具有改良之晶體品質。
鑒於上文詳述之描述可對實施例做出此等及其它改變。大體而言，在以下申請專利範圍中，所使用之術語不 應解釋為將申請專利範圍限制於說明書及申請專利範圍中揭露之特定實施例，而是應解釋為包含所有可能實施例以及此申請專利範圍被賦予之完整範疇之等效物。因此，申請專利範圍不受揭露內容之限制。
11‧‧‧基板
13‧‧‧緩衝層
15‧‧‧第一半導體層
17‧‧‧主動區
17a‧‧‧障壁層
17b‧‧‧井層
19‧‧‧第二半導體層
21‧‧‧第二電極
25‧‧‧第一電極
27‧‧‧載體陷阱部分
圖1是說明根據本發明之一實施例之發光裝置之堆疊結構的橫截面圖。
圖2是根據本發明之一實施例之具有載體陷阱部分之多量子井(multi-quantum well，MQW)的TEM影像。
圖3是根據本發明之一實施例之具有載體陷阱部分之MQW的圖。
圖4之(a)是沿圖3之線I(a)-I(b)及II(a)-II(b)截取之能帶圖，圖4之(b)及圖4之(c)是沿圖3之線I(a)-I(b)截取之另一可能的能帶圖。
圖5是根據本發明之另一實施例之具有載體陷阱叢集之多量子井(MQW)的TEM影像。
圖6是根據本發明之另一實施例之具有載體陷阱叢集之多量子井(MQW)的APT影像。
圖7是說明產生於載體陷阱部分中之壓縮應力以及產生於障壁層中用以抵消所述壓縮應力之拉伸應力的圖。
11．．．基板
13．．．緩衝層
15．．．第一半導體層
17．．．主動區
17a．．．障壁層
17b．．．井層
19．．．第二半導體層
21．．．第二電極
25．．．第一電極

Claims (19)

  1. 一種發光裝置，包括：基板；在所述基板上之第一半導體層；在所述第一半導體層上之第二半導體層；多量子井結構，其包含位於所述第一半導體層與所述第二半導體層之間的至少一井層及至少一障壁層，在所述多量子井結構內之至少一層包含形成於其中之至少一載體陷阱部分，所述至少一載體陷阱部分具有自所述載體陷阱部分之周邊至所述載體陷阱部分之中心減少的帶隙能量；以及藉由叢集至少兩個載體陷阱部分而形成之載體陷阱叢集，其中所述載體陷阱叢集與另一鄰近載體陷阱叢集分離至少20nm或20nm以上的距離。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之發光裝置，其中所述載體陷阱部分具有自所述載體陷阱部分之周邊至所述載體陷阱部分之中心以直線形狀減少的帶隙能量。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之發光裝置，其中所述載體陷阱部分具有自所述載體陷阱部分之周邊至所述載體陷阱部分之中心以階梯形狀減少的帶隙能量。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之發光裝置，其中所述載體陷阱部分具有自所述載體陷阱部分之周邊至所述載體陷阱部分之中心以曲線形狀減少的帶隙能量。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之發光裝置，其中所述載體陷阱部分形成於所述多量子井結構內之所述井層中。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之發光裝置，其中所述載體陷阱部分嵌入在所述井層中。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之發光裝置，其中所述包含所述載體陷阱部分之層含有銦。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之發光裝置，其中所述包含所述載體陷阱部分之層由AlInGaN基化合物半導體或AlInGaP基化合物半導體所組成。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之發光裝置，更包括：在所述多量子井結構中之銦蒸發防止層，用以防止銦自所述包含所述載體陷阱部分之層蒸發。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之發光裝置，其中所述載體陷阱部分含有自所述載體陷阱部分之周邊至所述載體陷阱部分之中心逐漸增加的量的銦。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之發光裝置，其中所述載體陷阱部分之中心含有比所述載體陷阱部分之最外區多至少2%或2%以上的銦。
  12. 如申請專利範圍第7項所述之發光裝置，其中所述包含所述載體陷阱部分之層是所述井層，且所述障壁層含有鋁。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之發光裝置，其中所述障壁層之Al含量經調節以產生能夠抵消所述包含所述載體陷阱部分之層中產生之壓縮應力的拉伸應力。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之發光裝置，其中所述障壁層由AlGaInN基化合物半導體或AlGaInP基化合物半導體所組成。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之發光裝置，其中所述載體陷阱部分是在所述包含所述載體陷阱部分之層生長時與所述包含所述載體陷阱部分之層同時形成。
  16. 如申請專利範圍第1項所述之發光裝置，其中所述載體陷阱部分是以比所述包含所述載體陷阱部分之層之位錯密度高的密度分佈。
  17. 如申請專利範圍第1項所述之發光裝置，其中所述載體陷阱部分具有1nm~10nm之尺寸。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之發光裝置，其中所述載體陷阱部分具有2nm~5nm之尺寸。
  19. 如申請專利範圍第1項所述之發光裝置，其中所述載體陷阱叢集與另一鄰近載體陷阱叢集分離至少40nm~120nm的距離。
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