TWI492411B - 非極性與半極性發光裝置 - Google Patents

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Description

非極性與半極性發光裝置
本發明係關於諸如發光二極體(LED)及雷射二極體(LD)之高效率非極性與半極性發光裝置。
(注意：本申請案參考如貫穿本說明書所指示之若干不同公開案。此外，可在下文標題為"參照案"之段中找到若干不同公開案之清單。此等公開案之每一者以引用之方式併入本文中。)
目前，多數市售之基於氮化鎵(GaN)之發光裝置建構在c軸定向之晶體上。因此，強壓電場控制光發射效率。在習知LED及LD之結構中，量子井(QW)的厚度僅大約2－5 nm。當QW層厚度變為大於5 nm時，QW層之傳導能帶及價帶由於強壓電場而彎曲，且接著輻射重組效率變小，且接著LED及LD之發光效率變得較小。
然而，在非極性或半極性GaN之狀況下，壓電極化得以最小化。因此，QW中之能帶彎曲較小。預期可增加QW之厚度以改良LED及LD之發光效率。近來，本發明之發明者發現QW之厚度在非極性與半極性LED及LD之狀況下應增大至10 nm以增加發光效率。
在習知LED之狀況下，為了增加來自LED正面之光輸出功率，所發射之光由置放於基板背面上的一鏡面反射或由塗佈於引線框架上的一鏡面反射，即使藍寶石基板之背面上無鏡面，且結合材料可對於發射波長透明。然而，由於 光子能量與發光物質(諸如AlInGaN多量子井(MQW))之帶隙能量幾乎相同，因此此反射光由發光層(作用層)重吸收。LED之效率或輸出功率由於發光層對LED光之此重吸收而減少。參見(例如)圖1、圖2及圖3，下文更詳細地描述該等圖。同樣參見J.J.Appl.Phys.34,L797－99(1995)及J.J.Appl.Phys.43,L180－82(2004)。
此項技術中需要在藍色、綠色、琥珀色及紅色區域中更有效產生光且更有效提取光之LED及LD結構。本發明滿足該需求。
本發明描述一種(AlN、GaN、InN)發光裝置，其中藉由製造具有新穎非極性或半極性GaN晶體幾何形態之裝置而實現高的光產生效率。由於非極性與半極性裝置具有比極性裝置明顯更低之壓電效應，因此可實現較高效率的LED及LD。
本發明之裝置可具有較大QW厚度，即大於4 nm，較佳為大約8－12 nm，且更佳為大約10 nm。經由在非極性與半極性LED中使用較厚之量子井，達成在較高電流密度下的較高效率。對於LD，較厚之QW導致增加之模態增益及減少之臨限電流密度。在另一情況下，可使用較大數目之QW以增加效率而不因較高電壓而受損。
藉由製造具有一透明接觸層之非極性與半極性LED，即使在高電流密度下亦可實現近乎理想之光提取。
一額外利益為非極性與半極性LED比c平面裝置更有效 地產生偏振光。已觀測到高達0.83的偏振光發射比率，使其有益於許多應用，諸如，LCD背光、記號、保護顯示器及照明。
本發明藉由消除鏡面及/或鏡面化表面亦最小化LED內的內部反射，以便最小化LED之發射層或作用層對光的重吸收。為輔助最小化內部反射，可使用透明電極，諸如，ITO或ZnO。
表面粗糙化、刻花、圖案化或成形(例如，借助於各向異性蝕刻(亦即，產生一錐形表面)或其他方法)亦可輔助光提取以及最小化內部反射。晶粒成形亦實現較高光提取效率。
在以下對較佳實施例之描述中，參考隨附圖式，該等隨附圖式形成本文之一部分且在該等隨附圖式中以說明之方式展示其中可實踐本發明之特定實施例。應瞭解可利用其他實施例且在不背離本發明之範疇的情況下可進行結構變化。
概述
GaN及其合金在六方纖鋅礦晶體結構中最為穩定，其中該結構由兩個(或三個)相對於彼此旋轉120∘的等效基面軸(a軸)描述，所有該等軸都垂直於一唯一的c軸。
圖1為GaN之六方纖鋅礦晶體結構100的示意圖，其說明相關的主要平面，即a平面{11－20}102、m平面{1－100}104、r平面{10－12}106、c平面[0001]108，其中識別了此 等軸a1[1000]110、a2[0100]112及a3[0010]114以及c軸116，其中填充圖案意欲說明相關平面102、104及106，而非意欲表示結構100的材料。
圖2為GaN之結晶結構200的另一示意圖，其說明Ga原子202及N原子204之位置，並展示半極性平面(10－11)206，該半極性平面被展示為結晶結構中之陰影平面。第III族原子202及氮原子204沿晶體200之c軸佔據交替c平面。包括於纖鋅礦結構200中之對稱元素指示第III族氮化物沿此c軸具有主體自發極化。此外，由於纖鋅礦晶體結構200為非中心對稱，因此纖鋅礦氮化物能夠並確實額外地亦沿該c軸另外展現壓電極化。
目前用於電子及光電裝置之氮化物技術採用沿極性c方向生長之氮化物薄膜。然而，由於存在強壓電極化及自發極化，基於第III族氮化物之光電及電子裝置中之習知c平面量子井結構遭受不良的量子限制史塔克效應(QCSE)。沿c方向之較強內建電場引起電子及電洞之空間分離，此又導致受限之載體重組效率、減少的振子強度、及紅移的發射。
圖3A、3B、3C及3D說明將非極性GaN平面用於裝置結構及生長的動機。
圖3A說明c平面(Ga面)結構中的自發極化(PSP )及壓電極化(PPE )效應，其中♁指示正電荷、Θ指示負電荷、箭頭表示極化的方向、且－σ1 、＋σ2 、－σ2 及－σ1 表示GaN(p型及n型)及InGaN(作用)層的能帶拐點。圖3B說明對應於圖3A之價 帶(Ev)及傳導帶(Ec)的能帶圖。
圖3C說明非極性(a平面)結構中沒有自發極化(PSP )及壓電極化(PPE )效應的情形。圖3D說明對應於圖3C之價帶(Ev)及傳導帶(Ec)的能帶圖。
當使用GaN結構的特定平面時，極化及壓電極化引起帶彎曲及電荷分離，其導致光發射紅移、低重組效率及高臨限電流，所有該等情況均可在成品裝置中產生問題。此在其中Ev及Ec帶展示為完全不相交的c平面(Ga面)中尤為明顯。
圖4為根據本發明之一裝置結構的示意圖，其進一步說明使用非極性第III族氮化物層(其可包含m平面或a平面第III族氮化物層)的動機。在此圖中，非極性第III族氮化物發光裝置包含一雷射二極體(LD)結構400，該雷射二極體結構包括Ti－Al接觸層402、a平面n－GaN層404、n－AlGaN覆蓋層406、n－GaN導引層408、GaN作用層410、p－GaN導引層412、GaN作用層414、p－AlGaN覆蓋層416、p－GaN層418及Ni－Au接觸層420。當達成a平面及m平面生長時，達成較低之錯位密度。此外，在量子井中沒有發生極化場誘發之電荷分離，且在該等層中存在較高遷移率。此導致成品裝置具有較低臨限電流及較高可靠性。
圖5A、5B及5C說明多種極性及非極性GaN裝置的外部量子效率(EQE)與峰值波長(nm)的關係曲線。上文所討論之量子井區域中之極化場在可見光譜之綠色區域以及在紫外線區域中之發射中產生一"間隙"。藉由使用非極性(m平 面或a平面)裝置而非使用極性c平面裝置、或藉由使用半極性裝置結構，量子井區域中之極化場得以減少或消除，此可解決發射間隙問題。
圖6說明根據本發明製造之裝置的功率輸出及外部量子效率(EQE)與電流(mA)的關係曲線。EQE為此等裝置的品質因數。此外，在20毫安(mA)電流輸出下展示了一25毫瓦(mW)裝置。此結果遠遠超過由迄今任何非極性LED裝置所達成之任何結果。
圖7說明非極性(或半極性)LED及極性LED之偏振光的強度(任意單位)與偏光器角(度)的關係曲線。此外，根據本發明製造之非極性與半極性LED直接發射偏振光。此有益於許多應用，諸如，需要偏振光之液晶顯示器(LCD)背光。利用本發明之裝置，在光源與LCD顯示器之間無需偏振濾光器，因為所發射之光已經偏振。
圖8說明與本發明相關聯之額外裝置結構及額外優點。舉例而言，根據本發明製造之非極性或半極性裝置可用於LCD背光，因為此等裝置減少或消除了內建式極化場。一用於LCD背光之結構包括光源800、偏光器802、配向膜804、液晶806、配向膜808、偏光器810，當該結構由一AC電壓源812啟動時，產生光輸出814。此外，該等裝置提供一大約7 x 1018 cm－3 的p型濃度，LED峰值波長與電流之比最小。此外，如關於圖7所討論，由於非極性(例如，m平面或a平面)或半極性LED直接發射偏振光，因此，較多光814可用於LCD顯示器。通常，可得到一額外百分比 之光814，且該百分比已經觀測可得到大約40－70%的額外光。然而，在不背離本發明之範疇的情況下，可得到一較大或較小百分比之光。
圖9A及9B說明通常沿c軸生長之c平面LED的結構。在圖9A中，c平面LED900包括基板902、p型層904、作用層906、n型層908、電極910、結合墊912及電極914。圖9B展示一相似之c平面LED916，其中發光表面通常在氮面(N面)上，其可為經粗糙化之表面918或經另外處理之表面以增加來自該等裝置之光產量。
圖10為說明根據本發明之具有包含一或多個p型層、一作用區域及一或多個n型層之複數個非極性第III族氮化物層的非極性第III族氮化物發光裝置的示意圖。在此實施例中，該裝置為一側面發光m平面LED 1000，其包括一金屬引線框架1002、發射光1006之p－GaN/GaN/n－GaN層的一集體1004、透明電極層1008、1010及p接觸1012。裝置1000之一或多個發光表面可為一粗糙化、刻花、圖案化或成形表面1012以增強光提取(例如，裝置1000之發光表面可為一錐形表面)。此外，裝置1000包含一側面發光裝置，其中展示了接觸1012及金屬框架1002之適當位置。
圖11為說明根據本發明之另一具有包含一或多個p型層、一作用區域及一或多個n型層之複數個非極性第III族氮化物層的非極性第III族氮化物發光裝置的示意圖。在此實施例中，該裝置為一垂直頂部發光m平面LED 1100，其包括一基板1102、發射光之p－GaN/GaN/n－GaN層的一集體 1104、一頂部透明層1006以及p接觸1008及n接觸1010。在此實施例中，集體1104包括一作用區域1112，該作用區域包含一或多個具有一大於4 nm(較佳為大約8－12 nm之厚度，且更佳為大約10 nm之厚度)之厚度的QW。
圖12為說明根據本發明之另一具有包含一或多個p型層、一作用區域及一或多個n型層之複數個非極性第III族氮化物層的非極性第III族氮化物發光裝置的示意圖。在此實施例中，該裝置為一側面發光m平面LED 1200的俯視圖，其包括一p型電極層1202、一金屬p型結合墊1204及一用以增強光1208之提取的粗糙化、刻花、圖案化或成形表面1206。
p型電極層1202為一可經粗糙化、刻花、圖案化或成形之導電透明層。p型電極層1202通常為為一ITO或ZnO層，但其可為其他透明金屬氧化物或在相關波長下大體或完全透明之其他傳導材料。p型電極層1202經形成相鄰於非極性第III族氮化物層之集體且大體覆蓋晶粒的整個頂部。可在p型電極層1202之前沈積一電流擴散層，且一金屬結合墊1204沈積於p型電極層1202上並佔據p型電極層1202的一小部分。發射1208之主體自裝置1200之側面發出，然而某些發射亦可經由p型電極層1202射出。
圖13為說明根據本發明之另一具有包含一或多個p型層、一作用區域及一或多個n型層之複數個非極性第III族氮化物層的非極性第III族氮化物發光裝置的示意圖。在此實施例中，該裝置為一側面發光m平面LED 1300，其包括 一透明傳導座架1302、發射光之p－GaN/GaN/n－GaN層的一集體1304、透明電極層1306、1308及p接觸1310。此裝置1300亦包括一粗糙化、刻花、圖案化或成形表面1312以增強光1314之提取。此外，裝置1300包含一側面發光裝置，其中接觸1306、1308處於適當位置。裝置1300可置放於一透明座架結構1302上，該座架結構在相關波長下大體或完全透明，且包含玻璃、環氧樹脂、塑膠或其他透明材料。
圖14為說明根據本發明之另一具有包含一或多個p型層、一作用區域及一或多個n型層之複數個非極性第III族氮化物層的非極性第III族氮化物發光裝置的示意圖。在此實施例中，該裝置為一成形m平面LED 1400，其包括一透明引線框架(未展示)、發射光之p－GaN/GaN/n－GaN層的一集體1402、透明電極層1404及p接觸1406。此外，裝置1400之一個以上發光表面1408、1410及1412經粗糙化、刻花、圖案化或成形以增強光1414自裝置1400之多個刻面之提取(儘管圖14中僅展示自表面1408之提取)。
圖15為說明根據本發明之另一具有包含一或多個p型層、一作用區域及一或多個n型層之複數個非極性第III族氮化物層的非極性第III族氮化物發光裝置的示意圖。在此實施例中，該裝置為一具有發射白光之多個發光層的非極性LED 1500。非極性LED 1500包括發射光之p－GaN/GaN/n－GaN層的一集體1502、透明層1504、1506以及p接觸1508。在此實施例中，集體1502包括一作用區域1510，(若需要)該作用區域可為一包含以一個以上波長發 光之多個發光層的QW井層。舉例而言，作用區域1510較佳以紅色、綠色及藍色波長發射，當該等波長組合時產生白光(或任何其他色彩之光)。現此為可能的，因為沒有在c平面裝置中出現的干擾場誘發之電荷分離。
圖16為說明本發明之非極性LED之外部量子效率(EQE)百分比量測值與電流(mA)之關係曲線的圖表。如所見，一旦正向電流達到一臨限值，本發明之非極性LED具有一平坦EQE。
圖17為說明本發明之非極性LED之快速測試功率(mV)與電流(mA)之關係曲線的圖表。對於本發明之m平面LED而言，所示之功率輸出相對於電流輸入為線性的。
參照案
以下參照案以引用之方式併入本文中：1. Appl.Phys.Lett.56,737－39(1990).
2. Appl.Phys.Lett.64,2839－41(1994).
3. Appl.Phys.Lett.81,3152－54(2002).
4. Jpn.J.Appl.Phys.,43,L1275－77(2004).
5. Jpn.J.Appl.Phys.,45,L1084－L1086(2006).
6. Jpn.J.Appl.Phys.,34,L797－99(1995).
7. Jpn.J.Appl.Phys.,43,L180－82(2004).
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結論
儘管主要關於m平面氮化鎵進行討論，然而氮化鎵及其他相關材料系統的其他非極性與半極性幾何形態也可受益於本發明。此外，用於其他電子裝置或相似電子裝置的其他材料亦可受益於本發明，諸如，電射二極體(LD)、高電子遷移率電晶體(HEMT)、垂直空腔側面發光雷射器(VCSEL)、太陽能電池、電晶體、二極體、其他發光裝置及其他使用半導體加工技術製造之裝置。
此總結本發明之較佳實施例之描述。為達成說明及描述之目的而呈現本發明之一或多個實施例之上述描述。並非意欲為詳盡的或將本發明限制於所揭示之精確形式。根據上述教示，許多修改及變化係可能的。
100‧‧‧纖鋅礦晶體/纖鋅礦晶體結構
102‧‧‧a平面{11－20}
104‧‧‧m平面{1－100}
106‧‧‧r平面{10－12}
108‧‧‧c平面[0001]
110‧‧‧軸a1[1000]
112‧‧‧軸a2[0100]
114‧‧‧軸a3[0010]
116‧‧‧c軸
200‧‧‧氮化鎵纖鋅礦晶體/氮化鎵纖鋅礦晶體結構
202‧‧‧Ga原子
204‧‧‧N原子
206‧‧‧(10－11)半極性平面
400‧‧‧雷射二極體(LD)結構
402‧‧‧Ti－Al接觸層
404‧‧‧a平面n－GaN層
406‧‧‧n－AlGaN覆蓋層
408‧‧‧n－GaN導引層
410‧‧‧GaN作用層
412‧‧‧p－GaN導引層
414‧‧‧GaN作用層
416‧‧‧p－AlGaN覆蓋層
418‧‧‧p－GaN層
420‧‧‧Ni－Au接觸層
800‧‧‧光源
802‧‧‧偏光器
804‧‧‧配向膜
806‧‧‧液晶
808‧‧‧配向膜
810‧‧‧偏光器
812‧‧‧AC電壓源
814‧‧‧光輸出
900‧‧‧c平面LED
902‧‧‧基板
904‧‧‧p型層
906‧‧‧作用層
908‧‧‧n型層
910‧‧‧電極
912‧‧‧結合墊
914‧‧‧電極
916‧‧‧c平面LED
918‧‧‧經粗糙化之表面
1000‧‧‧側面發光m平面LED
1002‧‧‧金屬引線框架
1004‧‧‧p－GaN/GaN/n－GaN層之集體
1006‧‧‧光
1008‧‧‧透明電極層
1010‧‧‧透明電極層
1012‧‧‧p接觸
1100‧‧‧垂直頂部發光m平面LED
1102‧‧‧基板
1104‧‧‧p－GaN/GaN/n－GaN層之集體
1106‧‧‧頂部透明層
1108‧‧‧P接觸
1110‧‧‧n接觸
1112‧‧‧作用區域
1200‧‧‧側面發光m平面LED
1202‧‧‧p型電極層
1204‧‧‧金屬p型結合墊
1206‧‧‧粗糙化、刻花、圖案化或成形表面
1208‧‧‧光
1300‧‧‧側面發光m平面LED
1302‧‧‧透明傳導座架
1304‧‧‧p－GaN/GaN/n－GaN層之集體
1306‧‧‧透明電極層
1308‧‧‧透明電極層
1310‧‧‧p接觸
1312‧‧‧粗糙化、刻花、圖案化或成形表面
1314‧‧‧光
1400‧‧‧成形m平面LED
1402‧‧‧p－GaN/GaN/n－GaN層之集體
1404‧‧‧透明電極層
1406‧‧‧p接觸
1408‧‧‧發射表面
1410‧‧‧發射表面
1412‧‧‧發射表面
1414‧‧‧光
1500‧‧‧非極性LED
1502‧‧‧p－GaN/GaN/n－GaN層之集體
1504‧‧‧透明層
1506‧‧‧透明層
1508‧‧‧p接觸
1510‧‧‧作用區域
圖1為氮化鎵之六方纖鋅礦(wrtzite)晶體結構的示意圖。
圖2為氮化鎵結晶結構的另一示意圖。
圖3A、3B、3C及3D說明將非極性氮化鎵平面用於裝置結構及生長的動機。
圖4為根據本發明之裝置結構的示意圖。
圖5A、5B及5C說明多種極性與非極性氮化鎵裝置的外部量子效率(EQE)與峰值波長(nm)的關係曲線。
圖6說明根據本發明製造之裝置的功率輸出及外部量子效率(EQE)與電流(mA)的關係曲線。
圖7說明非極性(或半極性)發光二極體與極性發光二極 體的偏振光之強度(任意單位)與偏光器角(度)的關係曲線。
圖8說明與本發明相關聯之額外裝置結構及額外優點。
圖9A及圖9B說明通常沿c軸生長之c平面發光二極體的結構。
圖10為說明根據本發明之一側面發光m平面發光二極體的示意圖。
圖11為說明根據本發明之一垂直頂部發光m平面發光二極體的示意圖。
圖12為說明根據本發明之一側面發光m平面發光二極體之俯視圖的示意圖。
圖13為說明根據本發明之一側面發光m平面發光二極體的示意圖。
圖14為說明根據本發明之成形m平面發光二極體的示意圖。
圖15為說明根據本發明之具有多個發射白光之發光層的非極性發光二極體的示意圖。
圖16為說明本發明之非極性發光二極體之外部量子效率(EQE)百分比量測值與電流(mA)之關係曲線的圖表。
圖17為說明本發明之非極性發光二極體之快速測試功率(mV)與電流(mA)之關係曲線的圖表。
400‧‧‧雷射二極體(LD)結構
402‧‧‧Ti－Al接觸層
404‧‧‧a平面n－GaN層
406‧‧‧n－AlGaN覆蓋層
408‧‧‧n－GaN導引層
410‧‧‧GaN作用層
412‧‧‧p－GaN導引層
414‧‧‧GaN作用層
416‧‧‧p－AlGaN覆蓋層
418‧‧‧p－GaN層
420‧‧‧Ni－Au接觸層

Claims (28)

  1. 一種非極性或半極性第III族氮化物發光裝置，其包含：包含一或多個p型層、一作用區域及一或多個n型層之複數個非極性或半極性第III族氮化物層，其中該作用區域具有發射具有在20毫安(mA)下之至少25毫瓦(mW)的一輸出功率的光的一結構和組成。
  2. 如請求項1之裝置，其中該作用區域包括具有一高於5奈米之厚度之一或多個量子井層，以在與具有5奈米或少於5奈米之厚度的量子井層相比的情況增加發射效率。
  3. 如請求項2之裝置，其中該等量子井層具有一大約8-12奈米之厚度。
  4. 如請求項3之裝置，其中該等量子井層具有一大約10奈米之厚度。
  5. 如請求項1之裝置，其中該等非極性第III族氮化物層包含m平面或a平面第III族氮化物層。
  6. 如請求項1之裝置，其中該裝置之一或多個發光表面經粗糙化、刻花、圖案化或成形。
  7. 如請求項6之裝置，其中該裝置之一個以上發光表面經粗糙化、刻花、圖案化或成形。
  8. 如請求項6之裝置，其中該裝置之該發光表面為一錐形表面。
  9. 如請求項1之裝置，其中該作用區域包含以一個以上波長發光的多個發光層。
  10. 如請求項1之裝置，其進一步包含一與該等非極性或半 極性第III族氮化物層相鄰地形成的透明電極層。
  11. 如請求項10之裝置，其中該透明電極層為一導電接觸層。
  12. 如請求項10之裝置，其中該透明層之一表面經粗糙化、刻花、圖案化或成形。
  13. 如請求項10之裝置，其中在該透明電極層之前沈積一電流擴散層。
  14. 如請求項1之裝置，其中該裝置置放於一透明座架結構上。
  15. 一種製造一非極性或半極性第III族氮化物發光裝置之方法，其包含：形成包含一或多個p型層、一作用區域及一或多個n型層之複數個非極性或半極性第III族氮化物層，其中該作用區域具有發射具有在20毫安(mA)下之至少25毫瓦(mW)的一輸出功率的光的一結構和組成。
  16. 如請求項15之方法，其中該作用區域包括具有一高於5奈米之厚度之一或多個量子井層，以在與具有5奈米或少於5奈米之厚度的量子井層相比的情況增加發射效率。
  17. 如請求項16之方法，其中該等量子井層具有一大約8-12奈米之厚度。
  18. 如請求項17之方法，其中該等量子井層具有一大約10奈米之厚度。
  19. 如請求項15之方法，其中該等非極性第III族氮化物層包 含m平面或a平面第III族氮化物層。
  20. 如請求項15之方法，其中該裝置之一或多個發光表面經粗糙化、刻花、圖案化或成形。
  21. 如請求項20之方法，其中該裝置之一個以上發光表面經粗糙化、刻花、圖案化或成形。
  22. 如請求項20之方法，其中該裝置之該發光表面為一錐形表面。
  23. 如請求項15之方法，其中該作用區域包含以一個以上波長發光的多個發光層。
  24. 如請求項15之方法，其進一步包含形成一與該等非極性或半極性第III族氮化物層相鄰的透明電極層。
  25. 如請求項24之方法，其中該透明電極層為一導電接觸層。
  26. 如請求項24之方法，其中該透明層之一表面經粗糙化、刻花、圖案化或成形。
  27. 如請求項24之方法，其中在該透明電極層之前沈積一電流擴散層。
  28. 如請求項15之方法，其中該裝置置放於一透明座架結構上。
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