TWI496319B - 發光二極體結構及形成發光二極體結構的方法 - Google Patents
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Description
本發明大體關於一發光二極體結構及形成一發光二極體結構之一方法。
紅色、綠色及藍色發光二極體(LED)之組合可產生白色光。然而，已注意到，目前的白色LED很少利用上述原理。在生產中“白色”LED目前為典型的已調整過的藍色LED，即具有氮化銦鎵(InGaN)主動層的基於氮化鎵(GaN)的LED，其發出具有大約450nm到470nm之間的波長之藍色光。典型地，該InGaN-GaN結構被包含鈰摻雜釔鋁石榴石(Ce3+：YAG)晶體之一黃色磷光層覆蓋，該等鈰摻雜釔鋁石榴石(Ce3：YAG)晶體已經被製成粉狀且被黏合在一種黏性黏合劑中。這樣的一LED晶粒發出藍色光，其部分藉由該Ce3+：YAG材料被有效地轉變成中心在大約580nm(黃光放射)之一廣譜。由於黃色光刺激眼睛的紅色及綠色感受體，藍光與黃光之最終混合提供白光之出現，該最終色度典型地稱為“月白色”。該Ce3+：YAG材料之淺黃色放射可藉由用諸如鋱及釓之其它稀土族元素代替鈰而被調整且可藉由用鎵代替該YAG中的鋁之一些或者全部而被進一步調整。
由於這樣的LED之光譜特性，可能出現的一個問題是用藍黃光照射的物體之紅色及綠色沒有在廣譜光中那樣鮮明。而且，該磷光層之製造變異及不同厚度典型地使LED產生具有不同色溫之光，例如包括黃到冷藍之間的光。嚴格來講，不利地的是，該等生成的LED需要由其製造中的實際特性來分類。
作為上述之一可選擇方式，白色LED可藉由用高效率以銪為基的發紅及藍光之磷光體與發綠光的銅和鋁之摻硫化鋅的混合塗布發出近紫外光的LED而製得。此方法相似於典型的螢光燈如何工作。然而，一個問題是紫外線光典型地會使該等LED的環氧樹脂及LED封裝中之其它材料光退化。該光退化典型地導致較短的使用期。而且，此方法典型地比上文討論的具有YAG：Ce磷光層之該藍色LED較不具能量效率，因為此方法之斯托克斯位移較大，且因此更多的能量需要被轉換成熱，即使按照此方法產生的光具有較好的光譜特性及顯色。
除上述外，現存的商用白色LED典型地是昂貴的且典型地利用塗有一層磷光體而產生較高生產成本的藍色LED。而且，磷光層典型地降低該等LED之顯色指數。
因此，存在解決至少一個上述問題之發光二極體結構及形成一發光二極體結構之一方法之需要。
根據本發明之一第一層面，提供了一發光二極體結構，該結構包含包含一超晶格，其包含一第一阻擋層；形成於該第一阻擋層上之包含基於第一金屬氮化物之材料之一第一量子井層；形成於該第一量子井層上之一第二阻擋層；及形成於該第二阻擋層上之包含基於該第一金屬氮化物之材料之一第二量子井層；且其中該第一量子井層之傳導帶能量與該第二量子井層傳導帶能量之間的一差異匹配於一單一或多個光頻聲子能量，用以降低該超晶格中的電子動能。
該超晶格可被重覆形成n次，其中2<n<10。
該第一阻擋層之傳導帶能量與該第一量子井層之傳導帶能量之一差異可匹配於一單一或多個光頻聲子能量，用以降低該超晶格中的電子動能。
該第二量子井層可被安排以具有比該第一量子井層之金屬元素的莫耳分率大的莫耳分率，以促進該傳導帶能量差異之匹配。
該結構可進一步包含一主動區量子井層，其包含一第三阻擋層、形成於該第三阻擋層上之包含基於該第一金屬氮化物之材料之一電子捕獲區層、形成於該電子捕獲區層上之包含基於該第一金屬氮化物之材料之一第三量子井層，該第三量子井層具有埋植入其中之量子點納米結構；且其中該電子捕獲區層之材料成分及厚度受組配以促進電子捕獲。
該主動區量子井層以1<m<5在該結構中重覆m次地形成。
該結構可進一步包含形成於該等量子井層之一最外層上之一p型接觸結構，該p型接觸結構包含一p型金屬氮化物層。
該p型接觸結構可包含一多階段摻雜分佈。
該p型接觸結構可用鎂(Mg)摻雜。
每一阻擋層包含基於一第二金屬氮化物之材料，該基於一第二金屬氮化物之材料具有相比於基於該第一金屬氮化物之材料之一不同的金屬元素。
基於該第一金屬氮化物之材料可包含銦鎵氮化物(InGaN)。
該第一量子井層中的銦之莫耳分率在大約0.05到大約0.35之範圍中。
該第二量子井層中的銦之莫耳分率在大約0.0810到大約0.38之範圍中。
該第三量子井層中的銦之莫耳分率在大約0.15到大約0.45之範圍中。
該第四量子井層中的銦之莫耳分率在大約0.20到大約0.50之範圍中。
該結構可能夠發黃褐色光。
該結構可進一步包含一個或多個發藍色/綠色光之多量子井層，藉以該結構能夠發白光。
該光頻聲子能量可以是一縱向光頻聲子能量。
根據本發明之一第二層面，提供了形成一發光二極體結構之一方法，該方法包含以下步驟：形成一超晶格，藉由形成一第一阻擋層；在該第一阻擋層上形成一第一量子井層，該第一量子井層包含基於一第一金屬氮化物之材料；在該第一量子井層上形成一第二阻擋層；在該第二阻擋層上形成一第二量子井層，該第二量子井層包含基於該第一金屬氮化物之材料；且其中該第一量子井層之傳導帶能量與該第二量子井層之傳導帶能量之間的一差異匹配於一單一或多個光頻聲子能量，用於降低該超晶格中電子動能。
該方法進一步包含以2<n<10重覆形成該超晶格n次。
該第一阻擋層之傳導帶能量與該第一量子井層之傳導帶能量之間的一差異可匹配於一單一或多個光頻聲子能量，用於降低該超晶格中電子動能。
該方法可進一步包含形成該第二量子井層，其金屬元素的莫耳分率比該第一量子井層多，以促進該傳導帶能量差異之匹配。
該方法可進一步包含形成一主動區量子井層，藉由形成一第三阻擋層；在該第三阻擋層上形成包含基於該第一金屬氮化物之材料之一電子捕獲區層；在該電子捕獲區層上形成包含基於該第一金屬氮化物之材料之一第三量子井層，該第三量子井層具有埋植入其中之量子點納米結構；且其中該電子捕獲區層之材料成分及厚度受組配以促進電子捕獲。
該方法可進一步包含以1<m<5重覆形成該主動區量子井層m次。
該方法可進一步包含在該等量子井層之最外層上形成一p型接觸結構，該p型接觸結構包含一p型金屬氮化物層。
該p型接觸結構可包含一多階段摻雜分佈。
該結構可能夠發黃褐色光。
該方法可進一步包含形成一個或多個發藍色/綠色光之多量子井層，藉以該結構能夠發白光。
該光頻聲子能量可以是一縱向光頻聲子能量。
從以下只以舉例方式寫出的描述且結合圖式，本發明之實施例對於熟於此技藝者來說將被更好的理解且容易明白，其中：第1(a)圖是說明一範例實施例中的一發光二極體(LED)結構之一示意圖。
第1(b)圖是更詳細地說明該LED結構之一示意圖。
第2(a)圖顯示了一範例實施例之一LED樣本之一二次離子質譜(SIMS)深度分佈，該LED樣本包含在第一階段處大約7×1017
cm-3
、在一第二階段處大約2×1018
cm-3
及在一第三階段處大約7×1018
cm-3
之多階段摻雜之一p-GaN外延層。
第2(b)圖顯示了具有一致類型摻雜GaN外延層之一習知LED之一SIMS深度分佈，該一致類型摻雜GaN外延層具有大約2×1018
cm-3
之一恆定濃度。
第3圖是說明一範例實施例中一LED結構之一示意圖。
第4圖顯示了根據該範例實施例形成的一黃褐色-橙色LED樣本之在變化的注入電流下之一電致發光光譜。
第5圖是更詳細地說明第3圖之一InGaN/GaN多量子井(MQWs)層之一示意圖。
第6圖是更詳細地說明第3圖之一p-GaN層之一示意圖。
第7圖顯示了用於根據該範例實施例形成之一白色LED之電致發光光譜。
第8圖是在範例實施例中形成一發光二極體結構之一方法之流程圖。
第9圖是說明一範例實施例中之帶隙能量之示意性能量圖。
下面描述的範例實施例可提供用於形成一大功率白色LED之結構及方法，該大功率白色LED包含設計成InGaN/GaN量子點(QDs)/量子井(QWs)之帶隙及具有多階段摻雜分佈之一p-GaN層。
第1(a)圖是說明一範例實施例中之一發光二極體(LED)結構之示意圖。第1(b)圖是更詳細地說明該發光二極體(LED)結構之示意圖。
在該範例實施例中，一發光二極體結構100利用一GaN型板102形成。該GaN型板102包含一藍寶石基板130、形成於該基板130之上之一低溫GaN緩衝物132、形成於該緩衝物132之上之一未摻雜u-GaN層134及形成於該u-GaN層134之上之一n摻雜n-GaN層136。
該LED結構100包含具有一個或多個Ina
Ga1-a
N/GaN/Inb
Ga1-b
N/GaN超晶格之層104、具有一單一或多堆疊之QDs/QWs結構的層106及具有一多階段鎂(Mg)摻雜分佈之一p-GaN外延層108。
在該範例實施例中，一GaN間隔層110形成於該GaN型板102上。該Ina
Ga1-a
N/GaN/Inb
Ga1-b
N/GaN超晶格結構層104在該GaN間隔層110形成後被加入。該超晶格結構層104包含一第一量子井層InGa1-a
N及一第二量子井層Inb
Ga1-b
N。在該範例實施例中，該超晶格結構層104可重覆n次，其中2<n<10。該超晶格結構層104之目的是透過熱化使快速移動的電子減速，且藉由帶隙能量增大電子在主動區層例如該層106中之停留時間。該Ina
Ga1-a
N/GaN/Inb
Ga1-b
N/GaN超晶格結構層104被設計使得傳導帶能量差異(即傳導帶偏移)或包含GaN 112及Ina
Ga1-a
N 114及GaN 116及Inb
Ga1-b
N118之該超晶格之第一量化能級匹配於一單一或多個光頻聲子能量，較佳地縱向光頻聲子能量。
第9圖是說明該範例實施例中帶隙能量之一示意性能量圖。數字902顯示了GaN 112(第1圖)之傳導帶能量，數字904顯示了Ina
Ga1-a
N 114(第1圖)之傳導帶能量，數字906顯示了GaN 116(第1圖)之傳導帶能量及數字908顯示了Inb
Ga1-b
N 118(第1圖)之傳導帶能量。在該範例實施例中，藉由把Ina
Ga1-a
N 114(第1圖)之傳導帶能量904與Inb
Ga1-b
N 118(第1圖)之傳導帶能量908之間的差異(即數字912指示的差異)匹配於一單一或多個光頻聲子能量，電子動能透過例如釋放具有大約0.092eV之一聲子能量之縱向光頻聲子而被降低。
較佳地，GaN 112(第1圖)之該傳導帶能量902與Ina
Ga1-a
N 114(第1圖)之該傳導帶能量904之間的一差異(即見數字910)也匹配於一單一或多個光頻聲子能量使得電子動能透過例如釋放縱向光頻聲子而被降低。
返回第1(a)圖及第1(b)圖，該GaN 116保持薄(即大約3到20nm)以促進電子穿隧且由於以上描述的該帶隙能量被提升。因此，以上的設計在透過釋放例如縱向光頻聲子而降低電子動能上是有效的。從而，當電子經過該超晶格結構層104時，在其進入該主動區例如層106之前，其開始以一較低速度移動，從而提供了再結合之較高可能性。以此方式，該LED結構100之再結合效率或載子注入效率及內部量子效率可被提高。
形成該超晶格結構層104後，一GaN上覆層119形成。
在該範例實施例中，以一較長波長(比例如藍/綠)例如黃、黃褐色及紅色發射之該單一或多堆疊InGaN QDs/QWs結構層106形成於該GaN上覆層119上。在該範例實施例中，該InGaN QDs/QWs結構層106可被重覆m次，1<m<5。為了形成該InGaN QDs/QWs結構層106，一u-GaN阻擋層120被形成。該u-GaN阻擋層120形成後，具有一低銦莫耳分率之一Inw
Ga1-w
N層122形成。Inx
Ga1-x
N QDs/QWs 124形成於該Inw
Ga1-w
N層122上。該Inw
Ga1-w
N層122在電子轉移到Inx
Ga1-x
N QDs/QWs 124之前用作一電子捕獲區用以輻射再結合以提供黃色、黃褐色或紅色放射。在該範例實施例中，該Inw
Ga1-w
N層122還發揮一浸潤層的作用以在一叢發過程期間增強氮化銦量子點之合併。該Inx
Ga1-x
N QDs/QWs 124為具有量子點納米結構或埋植入其中之量子點127之一Inx
Ga1-x
N量子井層125。藉由改變此Inw
Ga1-w
N層122之銦組成及厚度，載子carrier捕獲效率被提高。即，勢能可被降低且電子在進入Inx
Ga1-x
N QDs/QWs 124之前在該Inw
Ga1-w
N層122中可被進一步減速。該Inw
Ga1-w
N層122較佳地保持在大約3到20nm範圍之一厚度中且較佳地大約7nm之一厚度用於最佳載子捕獲效率。發明人已經認識到，如果該Inw
Ga1-w
N層122太厚(例如，大於20nm)，該材料品質及量子點納米結構之形成可能會受到不利的影響。
形成該InGaN QDs/QWs結構層106後，一AlN層126及一GaN上覆層128被形成。
在該範例實施例中，具有一多級鎂摻雜分佈之p接觸層或p-GaN外延層108形成於該GaN上覆層128上。雙環戊二烯鎂(Cp2
MG)前驅物用作pGaN外延層108之p摻雜物。藉由改變該Cp2
MG流速或一三甲基鎵(TMGa)流速，摻雜濃度在從該上覆層108之底部到頂部呈梯級變化。
二次離子質譜(SIMS)深度分佈是於包含具有一多級鎂摻雜分佈之一上覆層之該範例實施例之一個樣本中執行，以基於原子量決定鎵(Ga)、鎂(Mg)、氮(N)及銦(In)之不同元素隨著深度之組成分佈。作為一比較，用在一習知的LED中的一習知的非均勻摻雜p-GaN層中的該鎂摻雜物也可利用SIMS測量。
第2(a)圖顯示了該範例實施例之該LED樣本之一SIMS深度分佈圖，該LED樣本包含具有在一第一階段之大約7×1017
cm-3
、在一第二階段之大約2×1018
cm-3
及在一第三階段之大約7×1018
cm-3
之多階段摻雜之p-GaN外延層。第2(b)圖顯示了具有一均勻摻雜類型GaN外延層之該習知的LED之一SIMS深度分佈圖，該均勻摻雜類型GaN外延層具有大約2×108
cm-3
濃度之恆定摻雜。如第2(a)圖中所示，在該範例實施例之該樣本中之Mg分佈中，有一階梯狀的分佈(見數字202、204)。在形成該堆疊的QDs/QWs後，該Mg成分在與該GaN上覆層(對照第1(a)圖中的上覆層128)之接面處被估算為大約7×1017
cm-3
。該p摻雜接著步進增加到大約2×1018
cm-3
且隨後在該外延層(對照第1(a)圖中的外延層108)之頂部增加到7×1018
cm-3
，其目的是接觸一塑料Ni/Au電極。相反，Mg濃度沿如第2(b)圖中顯示的該習知的均勻摻雜p-GaN中的整個p-接觸層實質上是不變的(見數字206)。
該等發明人已經認識到，在具有一不變濃度之一習知的重摻雜p接觸層中，期望形成一歐姆接觸層時，一重摻雜p接觸層很可能把該摻雜物擴散到一LED結構之主動區。而且，一重摻雜p接觸層很可能使電洞遷移率下降。
另一方面，具有該範例實施例之該樣本之多級摻雜之一p-GaN外延層可解決上述問題。該外延層之摻雜濃度在該金屬接觸介面處被控制得相對於該外延層之其它區域較高，而該外延層之該摻雜物濃度在較接近主動區(對照第1(a)圖中的層106)處被控制得較低。因此，一良好的歐姆接觸可透過該金屬接觸形成，而同時摻雜物到該等主動區之擴散可被降低。而且，當較接近該等主動區之摻雜較低時，電洞遷移率很可能較高。此可促進電洞更深入地移動到該等主動區且進而產生一較高電子電洞再結合量。
而且，該多階段p型摻雜接觸層或該範例實施例之該樣本之外延層之厚度可變得比該習知的一階段p接觸層厚，以促進圖案表面化使得光學萃取有利地增強。
在一範例實施例中，一發白光二極體(LED)之形成利用金屬有機化學氣相沉積系統執行。
三甲基鎵(TMGa)、三甲基銦(TMIn)、三甲基鋁(TMA)、雙環戊二烯鎂(Cp2
MG)及矽烷(SIH4
)被用作前驅物。氫及氮被用作用於該LED表面上的相關元素之有效摻和之氣體載體。
第3圖是說明一範例實施例中一發光二極體(LED)結構300之一示意圖。
在該範例實施例中，提供了一藍寶石基板302。一低溫GaN緩衝物304在大約520℃到大約550℃之範圍中形成大約25nm之厚度以促進GaN在該藍寶石基板302上之聚集。隨後，一高溫度未摻雜GaN層306在大約1020℃到大約1030℃在該GaN緩衝物304上增長大約2μm。具有大約2-2.5μm且具有大約1×1018
cm-3
到大約9×1018
cm-3
範圍中之濃度之一重矽摻雜GaN層308接著形成於該未摻雜GaN層306上。n-GaN(即具有小於大約5×1017
cm-3
之濃度之Si)或未摻雜GaN之一間隔層310形成於該GaN層308上。利用SIH4
實現N型摻雜。具有在大約50到200nm範圍中之厚度之該間隔層310在大約800℃到大約900℃之間之溫度形成。在該範例實施例中，該藍寶石基板302與各個層304、306及308共同稱為一GaN模板312。
在該GaN模板312及該間隔層310形成後，一Ina
Ga1-a
N/GaN/Inb
Ga1-b
N超晶格載子熱化層314之形成予以描述。
具有大約3nm到大約20nm之間之厚度之一n-GaN阻擋層316(具有大約2×1017
cm-3
到大約1×1018
cm-3
之n之Si摻雜)在大約750℃到大約900℃之溫度下形成。該阻擋層316之厚度較佳地小於大約5nm以致能載子穿隧。該溫度接著降到大約760℃到大約800℃之溫度以形成具有大約2nm到10nm之厚度之一Ina
Ga1-a
N層318(其中0.05<a<0.35)。大約3nm到20nm厚度之間的一GaN阻擋層320接著在大約750℃到大約900℃之溫度下被加入。具有大約2nm到10nm之厚度之一Inb
Ga1-b
N層322(有0.0810<b<0.38，其中b>a)在大約730℃到大約790℃之溫度範圍下形成於該GaN阻擋層320上。關係b>a被選擇使得該超晶格載子熱化層314之傳導帶能量差異(即傳導帶偏移)匹配於一單一或多個縱向光頻聲子能量，如以上結合第9圖所述。用於該Inb
Ga1-b
N層322之形成之TMIn流速比用於該Ina
Ga1-a
N層318的高。在該範例實施例中，此等四層316、318、320、322 GaN/Ina
Ga1-a
/GaN/Inb
Ga1-b
N重覆達一週期n(其中2<n<10)。只有一組顯示在第3圖中用於說明。對照第1(b)圖之超晶格結構層104。
形成最後一個Inb
Ga1-b
N層322後(超過該週期n)，一未摻雜GaN上覆層324接著在大約750℃到大約900℃之溫度下形成於該超晶格層314之上面。該GaN上覆層324具有大約3到20之間的厚度。該阻擋層324之厚度較佳地小於大約5nm以致能載子穿隧。
該超晶格層314與該GaN上覆層324形成後，形成具有Inw
Ga1-w
N載子捕獲層之InGaN QDs/QWs以產生以較長波長範圍發射是予以描述。
一u-GaN阻擋層326在大約750℃到大約900℃之溫度下在該GaN上覆層324上形成達大約3nm到大約20nm之間的厚度。該溫度接著降到大約750℃-810℃之溫度範圍用於形成大約3nm到大約20nm之厚度之一Inw
Ga1-w
N層328(其中0.15≦w≦0.45)。形成Inw
Ga1-w
N層328後，TMGa流速被設定為0以用於TNIn加工以形成InGaN QDs例如330達從大約6s到大約30s之一時間段。該TMIn流速設定在大約5.0μmol/min到大約100μmol/min之範圍中且該形成溫度在大約700-760℃之範圍中。形成條件可決定該InGaN QDs例如330中的銦之大小及成分。
該InGaN QDs例如330形成後，一Inx
Ga1-x
N QW層332(其中0.20≦x≦0.50)在以上同一溫度下形成。銦摻和量決定發射之顔色。在該範例實施例中，該u-GaN阻擋層326、該Inw
Ga1-w
N層328、InGaN QDs例如330及該Inx
Ga1-x
N QW層332重覆一週期m(其中1<m<5)。只有一組顯示在第3圖中用於說明。對照第1(b)圖之層106。
層332之個別量子井以一AlN層334覆蓋，該AlN層334防止該In充足的InGaN QDs例如330擴散到層332之該量子井或者到該GaN阻擋層326。該AlN層324相對於該井層332保持得薄(較佳地小於3nm)。應當注意到，InGaN井層332形成後，形成該AlN層334之前，例如30秒之充足時間被提供以用於銦及鎵吸附原子的遷移。該AlN層334之形成溫度被設定在大約10℃到大約1000℃，其高於該InGaN井層332之形成以獲得較好的晶體品質。
在此階段，直到AlN層334之該結構300可用作一黃褐色-橙色LED，只要該頂部接觸結構形成。
第4圖顯示了在變化的注入電流下根據該範例實施例形成之一黃褐色-橙色LED樣本之一電致發光光譜。可觀察到，亮度或光功率輸出實質上隨注入電流之一增長成線性地增長。而且，可觀察到，峰值波長(見例如402、404)實質上保持不變，其暗指發出的顔色隨增大注入電流而保持實質不變。
返回第3圖，用於顔色調整以獲得一白色LED之一綠色或藍色InGaN/GaN多量子井(MQWs)層336之形成可被執行。一綠色或藍色或者綠色與藍色MQWs之一堆疊可形成於該AlN層334上。
第5圖是更詳細地說明第3圖之該InGaN/GaN MQWs層336之一示意圖。為了形成發藍光的MQWs，大約7nm到大約20nm厚之一GaN層502在大約750℃到大約900℃之溫度下首先形成。該溫度接著降到大約760℃到大約800℃之間以形成一Iny
Ga1-y
N井504(其中0.15<y<0.25)且具有大約2nm到5nm之厚度。該等量子井502-504重覆一週期m(其中1<m<5)。只有一組顯示在第5圖中用於說明。
為了形成發綠光的MQWs，大約7nm到20nm厚之一GaN層506在大約750℃到大約900℃之溫度下首先形成。一Iny
Ga1-y
N井508(其中0.30<y<0.40)接著在大約740℃到大約780℃之間的溫度範圍下形成且具有大約2nm到5nm之厚度。該等量子井506-508重覆一週期m(其中1<m<5)。只有一組顯示在第5圖中用於說明。
形成一預期組MQWs例如502-508後，一薄GaN上覆層335在大約780℃到大約900℃下形成為大約15nm到大約30nm之厚度。對照第1(b)圖之層128。較佳地，p-Alz
Ga1-z
N(其中0.1<z<0.3)之一電子阻礙層337接著形成到大約20nm到50nm之厚度。用於該p-Alz
Ga1-z
N層337之形成之TMA流速在大約780℃到大約900℃之一形成溫度下被保持在大約40μmol/min到大約100μmol/min之間。該Cp2
Mg源在形成期間保持在大約0.3到大約1.8μmol/min之速率。此層337有助於阻止電子直接橫越到一隨後的p-GaN區(見第3圖之數字338)由此致能在該等MQWs例如502-508的有效再結合。
返回第3圖，具有一多階段摻雜分佈之一p-GaN層338被形成以與一電極(圖未示)接觸。在該範例實施例中，使用的摻雜物為Mg。
第6圖是更詳細地說明第3圖之該p-GaN層338之一示意圖。為了形成層338，該溫度保持在大約780℃到大約950℃。用於該p-GaN 338之三個或更多形成階段可被採用。例如，在該範例實施例中，在p-GaN之第一階段層602(大約50到100nm厚)中，在大約1017
到大約1018
cm-3
範圍中之一輕Mg摻雜被利用。關於P-GaN之第二階段層604(大約50到100nm厚)，大約1018
到5×1018
cm-3
之一Mg摻雜被利用。關於第三層606，即其臨接一電極(圖未示)之Ni/Au接觸層，該摻雜濃度藉由增大該Cp2
Mg流速被增大到大約5×1018
到大約109
cm-3
之間。
一樣本白光LED利用該範例實施例製造。發現強烈的白光發射藉由位於該p-GaN外延層與n+-GaN層上之銦接觸獲得。第7圖顯示了用於該白光LED之一電致發光光譜。利用大約60mA之一注入電流，可觀察到基於相符之下在數字702處之大約437.4nm(藍光)、數字704處之大約500.9nm(綠光)及數字706處之大約566.6nm(黃光)之三個發射峰值。白光發射之不同的色度可透過層叠的QDs/QWs(對照第1(a)圖之106)與藍色及/或綠色發射QWs之一組合獲得。
利用三種感興趣之組成部分即Ina
Ga1-a
N/GaN/Inb
Ga1-b
N/GaN超晶格、一單一或多層疊QDs/QWs結構及具有多階段摻雜分佈之p-GaN外延層，另一樣本LED基於該以上之範例實施例被製造及組裝。發現該樣本LED可顯示在大約30mA具有一發光效率LE=15.91m/W之一冷白色。
利用三種感興趣之組成部分即Ina
Ga1-a
N/GaN/Inb
Ga1-b
N/GaN超晶格、一單一或多層疊QDs/QWs結構及具有多階段摻雜分佈之p-GaN外延層，又一樣本LED基於該以上的範例實施例被製造及組裝。發現該樣本LED可顯示在大約30mA具有一發光效率LE=43.51m/W之一暖白色。
第8圖是說明一範例實施例中形成一發光二極體結構之一方法之流程圖800。在步驟802，形成一超晶格之一第一阻擋層。在步驟804，一第一量子井層形成於該第一阻擋層上，該第一量子井層包含基於一第一金屬氮化物之材料。在步驟806，一第二阻擋層形成於該第一量子井層上。在步驟808，一第二量子井層形成於該第二阻擋層上，該第二量子井層包含基於該第一金屬氮化物之材料。在步驟810，該第一量子井層之傳導帶能量與該第二量子井層之傳導帶能量之間的差異匹配於一個或多個光頻聲子能量，用於降低該超晶格中的電子動能。
該等以上描述的範例實施例可提高載子注入效率。該等以上描述的範例實施例可提高載子捕獲效率。該等以上描述的範例實施例可提高電子電洞再結合量且從而提高內部量子效率。該等以上描述的範例實施例可增大基於InGaN量子點之LED之功率輸出。
在該等範例實施例中，使用的材料包括GaN與InGaN。然而，將明白的是，該材料不限制為以上材料且可包括任意不同的基於金屬氮化物之材料。
將被熟於此技術領域者明白的是，如該等特定實施例中所示可對本發明做許多修改及/或改變而不脫離廣泛描述的本發明之精神及範圍。因此，這些實施例在所有的層面中被認為是說明性的而不是限制性的。
100．．．發光二極體結構、LED結構
102．．．GaN型板
104．．．Ina
Ga1-a
N/GaN/Inb
Ga1-b
N/GaN超晶格結構層
106．．．InGaN QDs/QWs結構層
108．．．p-GaN外延層、p接觸層
110．．．GaN間隔層
112、116．．．GaN
114．．．Ina
Ga1-a
N
118．．．Inb
Ga1-b
N
119、128．．．GaN上覆層
120．．．u-GaN阻擋層
122．．．Inw
Ga1-w
N層
124．．．Inx
Ga1-x
N QDs/QWs
125．．．Inx
Ga1-x
N量子井層
126、334．．．AlN層
127．．．量子點納米結構、量子點
130、302．．．藍寶石基板
132．．．低溫GaN緩衝物
134．．．未摻雜u-GaN層
136．．．n摻雜n-GaN層
202、204、206．．．分佈
300．．．發光二極體(LED)結構
304．．．溫度GaN緩衝物
306．．．高溫度未摻雜GaN層
308．．．重矽摻雜GaN層
310．．．間隔層
312．．．GaN模板
314．．．Ina
Ga1-a
N/GaN/Inb
Ga1-
bN超晶格載子熱化層、超晶格層
316．．．n-GaN阻擋
318．．．Ina
Ga1-a
N層
320．．．GaN阻擋層
322．．．Inb
Ga1-b
N層
324．．．未摻雜GaN上覆層
326．．．u-GaN阻擋層
328．．．Inw
Ga1-w
N層
330．．．InGaN QDs
332．．．Inx
Ga1-x
N QW層、InGaN井層
335．．．薄GaN上覆層
336．．．綠色或藍色InGaN/GaN多量子井(MQWs)層InGaN/GaN MQWs層
337．．．電子阻礙層
338．．．p-GaN層
402、404．．．峰值波長
502．．．GaN層、量子井、MQWs
504．．．Iny
Ga1-y
N井、量子井、MQWs
506．．．GaN層、量子井、MQWs
508．．．Iny-
Ga1-y
N井、量子井、MQWs
602．．．第一階段層
604．．．第二階段層
606．．．第三層
702、704、706．．．發射峰值
800．．．流程圖
802、804、806、808．．．步驟
902、904、906、908．．．傳導帶能量
910、912．．．差異
第1(a)圖是說明一範例實施例中的一發光二極體(LED)結構之一示意圖。
第1(b)圖是更詳細地說明該LED結構之一示意圖。
第2(a)圖顯示了一範例實施例之一LED樣本之一二次離子質譜(SIMS)深度分佈，該LED樣本包含在第一階段處大約7×1017
cm-3
、在一第二階段處大約2×1018
cm-3
及在一第三階段處大約7×1018
cm-3
之多階段摻雜之一p-GaN外延層。
第2(b)圖顯示了具有一致類型摻雜GaN外延層之一習知LED之一SIMS深度分佈，該一致類型摻雜GaN外延層具有大約2×1018
cm-3
之一恆定濃度。
第3圖是說明一範例實施例中一LED結構之一示意圖。
第4圖顯示了根據該範例實施例形成的一黃褐色-橙色LED樣本之在變化的注入電流下之一電致發光光譜。
第5圖是更詳細地說明第3圖之一InGaN/GaN多量子井(MQWs)層之一示意圖。
第6圖是更詳細地說明第3圖之一p-GaN層之一示意圖。
第7圖顯示了用於根據該範例實施例形成之一白色LED之電致發光光譜。
第8圖是在範例實施例中形成一發光二極體結構之一方法之流程圖。
第9圖是說明一範例實施例中之帶隙能量之示意性能量圖。
800．．．流程圖
802、804、806、808．．．步驟
Claims (29)
- 一種發光二極體結構，該結構包含：一包含一電子捕獲區層之主動區；一耦合至該主動區之超晶格，其包含：一第一阻擋層；形成於該第一阻擋層上之一第一量子井層，其包含一基於一第一金屬氮化物之材料；形成於該第一量子井層上之一第二阻擋層；及形成於該第二阻擋層上之一第二量子井層，其包含基於該第一金屬氮化物之材料；及其中該第一量子井層之傳導帶能量與該第二量子井層之傳導帶能量之間的一差異匹配於一單一或多個光頻聲子能量，該光頻聲子能量係用於在一電子進入該電子捕獲區層前降低該超晶格中的電子動能。
- 如申請專利範圍第1項所述之結構，其中該超晶格以2<n<10重覆地形成n次。
- 如申請專利範圍第1項所述之結構，其中該第一阻擋層之傳導帶能量與該第一量子井層之該傳導帶能量之間的一差異匹配於一單一或多個光頻聲子能量，該光頻聲子能量係用於降低該超晶格中的電子動能。
- 如申請專利範圍第1項所述之結構，其中該第二量子井層被安排以具有金屬元素之一莫耳比例比該第一量子井層之金屬元素之一莫耳比例大，以促進該傳導帶能量差異之匹配。
- 如申請專利範圍第1項所述之結構，該主動區包含：一第三阻擋層；形成於該第三阻擋層上之該電子捕獲區層，其包含基於該第一金屬氮化物之材料；形成於該電子捕獲區層上之一第三量子井層，其包含該基於該第一金屬氮化物之材料，該第三量子井層具有埋植入其中之量子點奈米結構；及其中該電子捕獲區層之材料成分及厚度受組配以促進電子捕獲。
- 如申請專利範圍第5項所述之結構，其中該主動區以1<m<5在該結構中重覆地形成m次。
- 如申請專利範圍第1項所述之結構，其進一步包含形成於該等量子井層之一最外層上的一p型接觸結構，該p型接觸結構包含一p型金屬氮化物層。
- 如申請專利範圍第7項所述之結構，其中該p型接觸結構包含一多階段摻雜摻雜分佈。
- 如申請專利範圍第8項所述之結構，其中該p型接觸結構被以鎂(Mg)摻雜。
- 如申請專利範圍第1項所述之結構，其中每一阻擋層包含一基於第二金屬氮化物之材料，其具有相比於基於該第一金屬氮化物之材料的一不同金屬元素。
- 如申請專利範圍第5項所述之結構，其中基於該第一金屬氮化物之材料包含氮化銦鎵(InGaN)。
- 如申請專利範圍第11項所述之結構，其中該第一量子井 層中銦之莫耳分率在大約0.05到大約0.35之範圍中。
- 如申請專利範圍第11項所述之結構，其中該第二量子井層中銦之莫耳分率在大約0.0810到大約0.38之範圍中。
- 如申請專利範圍第11項所述之結構，其中該電子捕獲區層中銦之莫耳分率在大約0.15到大約0.45之範圍中。
- 如申請專利範圍第11項所述之結構，其中該第三量子井層中銦之莫耳分率在大約0.20到大約0.50之一範圍中。
- 如申請專利範圍第3項所述之結構，其中該結構能夠發黃褐色光。
- 如申請專利範圍第3項所述之結構，該結構進一步包含一個或多個發藍色/綠色光之多量子井層，藉以該結構能夠發白光。
- 如申請專利範圍第1項所述之結構，其中該光頻聲子能量為一縱向光頻聲子能量。
- 一種形成一發光二極體結構之方法，該方法包含以下步驟：形成包含一電子捕獲區層之一主動區；形成一超晶格，藉由形成一第一阻擋層；在該第一阻擋層上形成一第一量子井層，該第一量子井層包含基於一第一金屬氮化物之材料；在該第一量子井層上形成一第二阻擋層；在該第二阻擋層上形成一第二量子井層，該第二量子井層包含基於該第一金屬氮化物之材料；及 其中該第一量子井層之傳導帶能量與該第二量子井層之傳導帶能量之間的一差異匹配於一單一或多個光頻聲子能量，該光頻聲子能量用於在一電子進入該電子捕獲區層前降低該超晶格中電子動能。
- 如申請專利範圍第19項所述之方法，其進一步包含以2<n<10，n次地重覆形成該超晶格。
- 如申請專利範圍第19項所述之方法，其中該第一阻擋層之傳導帶能量與該第一量子井層之該傳導帶能量之間的一差異匹配於一單一或多個光頻聲子能量，用於降低該超晶格中電子動能。
- 如申請專利範圍第19項所述之方法，其進一步包含形成該第二量子井層，以具有比該第一量子井層之金屬元素的莫耳分率大的金屬元素之莫耳分率，以促進該傳導帶能量差異之匹配。
- 如申請專利範圍第19項所述之方法，其進一步包含形成一主動區，藉由形成一第三阻擋層；在該第三阻擋層上形成包含基於該第一金屬氮化物之材料之該電子捕獲區層；在該電子捕獲區層上形成包含基於該第一金屬氮化物之材料之一第三量子井層，該第三量子井層具有埋植入其中之量子點納米結構；及其中該電子捕獲區層之材料成分及厚度受組配以促進電子捕獲。
- 如申請專利範圍第23項所述之方法，其進一步包含以1<m<5重覆地形成該主動區m次。
- 如申請專利範圍第19項所述之方法，其進一步包含在該等量子井層之一最外層上形成一p型接觸結構，該p型接觸結構包含一p型金屬氮化物層。
- 如申請專利範圍第25項所述之方法，其中該p型接觸結構包含一多級摻雜分佈。
- 如申請專利範圍第19項所述之方法，其中該結構能夠發黃褐色光。
- 如申請專利範圍第19項所述之方法，其進一步包含形成一個或多個發藍色/綠色光之多量子井層，藉以該結構能夠發白光。
- 如申請專利範圍第19項所述之方法，其中該光頻聲子能量為一縱向光頻聲子能量。
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