TWI605613B - 半導體發光元件 - Google Patents

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Description

半導體發光元件
本發明是有關於一種發光元件，且特別是有關於一種半導體發光元件。
隨著半導體技術的蓬勃發展，半導體發光元件例如發光二極體（light-emitting diode, LED）與雷射二極體（laser diode, LD）的問世大大地改變了人們的生活。發光二極體兼具省電、體積小、反應時間短、壽命長等諸多優點，目前已廣泛地使用在顯示器與照明方面的領域。另外，雷射二極體則具有能量效率高、體積小、重量輕且價格低等優點也已廣泛使用於光纖通信、光碟、雷射印表機、雷射掃描器、雷射指示器等多個領域。
一種習知半導體發光元件的發光形式是透過對於N型半導體層與P型半導體層施加電流，使得電子與電洞在N型半導體層與P型半導體層之間的發光層上形成結合而釋放出光線，且光線會通過這些半導體層而由半導體發光元件射出，藉以實現電致發光。一般而言，P型半導體層會以鎂元素來進行摻雜，以藉由其半導體特性來實現半導體發光元件的電致發光。然而，透過上述摻雜而形成的P型半導體層的吸光能力較強，其吸光率例如是大於N型半導體層的吸光率，使得當光線通過P型半導體層時，會有一部分的光線被吸收，進而造成半導體發光元件一定程度的光損失（optical loss）。因此，半導體發光元件的發光效率不易提升。
本發明提供一種半導體發光元件，其光損失較少，且具有較佳的發光效率。
本發明實施例的半導體發光元件包括發光層、第一N型波導層以及多個半導體層。發光層具有第一側以及相對於第一側的第二側。第一N型波導層配置於第一側，且這些半導體層配置於第二側。這些半導體層包括至少一P型半導體層以及多個N型半導體層，且這些N型半導體層的數量大於至少一P型半導體層的數量。
在本發明的一實施例中，上述的至少一P型半導體層為包括P型波導層，這些N型半導體層包括配置於P型波導層旁的第二N型波導層。
在本發明的一實施例中，上述的P型波導層與第二N型波導層之間形成穿隧接面。
在本發明的一實施例中，上述的P型波導層摻雜有濃度落在10 18原子數/立方公分至10 20原子數/立方公分的範圍內的P型摻雜物，且第二N型波導層摻雜有濃度落在10 18原子數/立方公分至10 20原子數/立方公分的範圍內的N型摻雜物。
在本發明的一實施例中，上述的這些半導體層包括未刻意摻雜波導層，配置於P型波導層與發光層之間。
在本發明的一實施例中，上述的這些波導層的材料包括氮化銦鎵或氮化鎵。
在本發明的一實施例中，上述的半導體發光元件更包括第一N型半導體材料層以及第一N型半導體披覆層。第一N型半導體材料層以及第一N型半導體披覆層配置於第一側。第一N型半導體披覆層配置於第一N型半導體材料層與第一N型波導層之間，且第一N型波導層配置於第一N型半導體披覆層與發光層之間。
在本發明的一實施例中，上述的這些N型半導體層包括第二N型半導體材料層以及第二N型半導體披覆層。第二N型半導體披覆層配置於第二N型半導體材料層與第二N型波導層之間，且第二N型波導層配置於第二N型半導體披覆層與發光層之間。
在本發明的一實施例中，上述的這些N型半導體層更包括電子阻擋層，配置於第二N型半導體披覆層與第二N型波導層之間。電子阻擋層的能隙大於發光層的能隙。
在本發明的一實施例中，上述的半導體發光元件更包括半導體接觸層。第二N型半導體材料層配置於半導體接觸層與第二N型半導體披覆層之間。
在本發明的一實施例中，上述的半導體接觸層具有一摻雜濃度落在10 19原子數/立方公分至10 21原子數/立方公分的N型摻雜。
在本發明的一實施例中，上述的至少一P型半導體層的數量為一。
基於上述，本發明實施例的半導體發光元件的第一N型波導層配置於發光層的第一側，且這些半導體層配置於發光層的第二側。這些半導體層包括至少一P型半導體層以及多個N型半導體層，且這些N型半導體層的數量大於至少一P型半導體層的數量。具體而言，由於本發明實施例的半導體發光元件的P型半導體層的數量較少，使得P型半導體層對於發光層發出的光線的吸收量較少。因此，半導體發光元件的光損失較少，使得半導體發光元件具有較佳的發光效率。
為讓本發明的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。
圖1繪示本發明一實施例的半導體發光元件的示意圖，請參考圖1。需注意的是，為了能清楚說明半導體發光元件100各層結構，圖1的各層結構予以繪示適當的大小、厚度。本發明並不設限於圖1所繪示之半導體發光元件100其各層結構的大小以及厚度關係。在本實施例中，半導體發光元件100包括發光層110、第一N型波導層120以及多個半導體層SC。發光層110具有第一側S1以及相對於第一側S1的第二側S2。第一N型波導層120配置於發光層110的第一側S1，而這些半導體層SC配置於發光層110的第二側S2。詳細而言，這些半導體層SC包括至少一波導層130。另外，這些半導體層SC包括至少一P型半導體層以及多個N型半導體層，且這些N型半導體層的數量大於上述的至少一P型半導體層的數量。
在本實施例中，半導體發光元件100更包括第一N型半導體材料層180以及第一N型半導體披覆層190，且第一N型半導體材料層180以及第一N型半導體披覆層190配置於發光層110的第一側S1。第一N型半導體披覆層190配置於第一N型半導體材料層180與第一N型波導層120之間，且第一N型波導層120配置於第一N型半導體披覆層190與發光層110之間。
詳細而言，在本實施例中，這些半導體層SC包括第二N型半導體材料層140、第二N型半導體披覆層150以及上述的至少一波導層130。第二N型半導體披覆層150配置於第二N型半導體材料層140與上述的至少一波導層130之間，且上述的至少一波導層130配置於第二N型半導體披覆層150與發光層110之間，透過配置於發光層110兩側的至少一波導層130以及第一N 型波導層120，使電子被局限於發光層110內部或者發光層110附近，因此電子電洞在發光層110內結合的機會增加，使得半導體發光元件100的發光效能增加。第一N型半導體披覆層190以及第二N型半導體披覆層150分別設於發光層110的第一側S1以及第二側S2。第一N型半導體披覆層190以及第二N型半導體披覆層150的材料例如是N型氮化鎵（GaN）、N型氮化鋁銦鎵（AlInGaN）或是其他N型摻雜的III-V族半導體化合物。另外，第一N型半導體材料層180以及第二N型半導體材料層140也是分別設於發光層110的第一側S1以及第二側S2，且N型半導體材料層180以及N型半導體材料層140的材料例如是N型氮化鎵或是其他N型摻雜的III-V族半導體化合物。詳細而言，上述的N型摻雜可以例如是透過摻雜N型摻雜物，包括元素矽（Si）、鍺（Ge）、錫（Sn）或碳（C）所組成的群組至少之一者而實現，本發明並不以此為限。
在本實施例中，上述第二N型半導體材料層140、第二N型半導體披覆層150、第一N型半導體材料層180以及第一N型半導體披覆層190可以是單層結構（single layer structure）、多層結構（multi-layered structures）、超晶格結構（super lattice, SL）或者是其他形式的結構。舉例而言，第二N型半導體披覆層150以及第一N型半導體披覆層190可以例如是包括由多個氮化鋁銦鎵層以及多個氮化鎵層交替堆疊而構成的超晶格結構。此外，至少上述第二N型半導體材料層140、第二N型半導體披覆層150、第一N型半導體材料層180以及第一N型半導體披覆層190的材料以及結構可以彼此相同或者是不相同，本發明不以此為限。另外，在本實施例中，發光層110可以包括多重量子井結構（multiple quantum well, MQW）或量子井結構（quantum well, QW）。舉例而言，發光層110可以包括多個氮化鎵層與多個氮化銦鎵（InGaN）層交替堆疊而成的多重量子井結構，且發光層110的多重量子井結構例如是超晶格結構，本發明並不以此為限。
請繼續參考圖1，在本實施例中，半導體發光元件100更包括電子阻擋層（electron blocking layer, EBL）160。電子阻擋層160配置於第二N型半導體披覆層150與上述的至少一波導層130之間。詳細而言，電子阻擋層160的能隙（band-gap）大於發光層110的能隙。因此，電子阻擋層160可以用以阻擋電子。由於被電子阻擋層160阻擋的電子被局限於發光層110內部或者發光層110附近，因此電子電洞在發光層110內結合的機會增加，使得半導體發光元件100的發光效能增加。在本實施例中，電子阻擋層160的材料例如包括氮化鋁鎵（AlGaN）、氮化鋁銦鎵（AlGaInN）或是其他半導體材料。另外，電子阻擋層160例如是具有N型摻雜，且此N型摻雜可以例如是透過摻雜N型摻雜物，包括元素矽（Si）、鍺（Ge）、錫（Sn）或碳（C）所組成的群組至少之一者而實現，本發明並不以此為限。
另外，半導體發光元件100更包括基板SUB、第一電極E1以及第二電極E2。第一電極E1以及第二電極E2分別配置於發光層110的第一側S1以及第二側S2。在本實施例中，第一N型半導體材料層180配置於第一N型半導體披覆層190與第一電極E1之間，且第二N型半導體材料層140配置於第二N型半導體披覆層150與第二電極E2之間。詳細而言，半導體發光元件100藉由第一電極E1以及第二電極E2與外界對應之電極電性連接，而發光層110藉由外界對應之電極所傳導的電流而發光。另外，基板SUB配置於第一N型半導體材料層180與第一電極E1之間。基板SUB的材質例如是氮化鎵或是其他可導電的材質。在一些實施例中，基板SUB的材質採用晶格常數（lattice constant）接近於第一N型半導體材料層180的單晶化合物。此外，在一些實施例中，半導體發光元件100可以更包括一未刻意摻雜半導體層，配置於N型半導體材料層180與基板SUB之間。未刻意摻雜半導體層的材料例如包括未刻意摻雜氮化鎵（unintentionally doped GaN, u-GaN）或是其他半導體化合物，使後續生長的半導體層可有較佳的磊晶品質。除此之外，在一些實施例中，半導體發光元件100更可以包括一半導體緩衝層，配置於未刻意摻雜半導體層與基板SUB之間。半導體緩衝層用以提供適當應力釋放，使得半導體發光元件100的磊晶品質得以改善。
在本實施例中，半導體發光元件100還包括半導體接觸層170，且第二N型半導體材料層140配置於半導體接觸層170與第二N型半導體披覆層150之間。詳細而言，半導體接觸層170配置於於第二電極E2與第二N型半導體材料層140之間。半導體接觸層170用以使得第二N型半導體材料層140與第二電極E2之間形成良好的電性連接，藉以實現歐姆接觸（ohmic contact）。半導體接觸層170的材料可以包括氮化銦鎵、氮化鎵或其他半導體化合物，且半導體接觸層170可以例如是具有N型摻雜，且此N型摻雜可以例如是透過摻雜N型摻雜物，包括元素矽（Si）、鍺（Ge）、錫（Sn）或碳（C）所組成的群組至少之一者而實現。特別說明的是，此處可透過對半導體接觸層170摻雜高濃度的N型摻雜，例如是摻雜濃度10 19原子數/立方公分到10 21原子數/立方公分的矽，較佳是大於10 20原子數/立方公分，可讓半導體接觸層170有更佳的歐姆接觸。具體而言，半導體接觸層170的材料可以相同或不同於第二N型半導體材料層140的材料。在一些實施例中，當半導體接觸層170的材料相同於第二N型半導體材料層140的材料時，半導體接觸層170與第二N型半導體材料層140實質上是形成一體的，本發明並不以此為限。
在本實施例中，半導體發光元件100為半導體雷射，例如是雷射二極體（laser diode, LD）。半導體發光元件100的上述的至少一波導層130為多個波導層130，且這些波導層130包括P型波導層132、配置於P型波導層132旁的第二N型波導層134以及未刻意摻雜波導層136。詳細而言，半導體發光元件100的發光層110的第二側S2例如是只具有一層P型半導體層（P型波導層132），且厚度例如是介於20奈米至30奈米之間，相較於習知的多層P型半導體層配置，可有效減少P型半導體層的吸光。然而本發明並不限於此，在其他實施例中，可以依據實際需求而設置適當數量的P型半導體層於發光層110的第二側S2或第一側S1。在本實施例中，P型波導層132配置於第二N型波導層134與發光層110之間，且未刻意摻雜波導層136配置於P型波導層132與發光層110之間。具體而言，這些波導層130（P型波導層132、第二N型波導層134以及未刻意摻雜波導層136）的材料包括氮化銦鎵或氮化鎵。較佳地，P型波導層132的材料包括氮化銦鎵。另外，P型波導層132摻雜有濃度落在10 18原子數/立方公分至10 20原子數/立方公分的範圍內的P型摻雜物，包括元素鎂（Mg）、鋅（Zn）、鈣（Ca）、鍶（Sr）或鋇（Ba）所組成的群組至少之一者，此處例如是鎂。且第二N型波導層134摻雜有濃度落在10 18原子數/立方公分至10 20原子數/立方公分的範圍內的N型摻雜物，例如是矽。舉例而言，P型波導層132所摻雜的鎂元素的摻雜濃度例如是 原子數/立方公分，而第二N型波導層134所摻雜的矽元素的摻雜濃度例如是 原子數/立方公分。此外，在本實施例中，第二N型波導層134的厚度例如落在20 nm至30 nm的範圍內。然而，本發明並不以此為限。
在本實施例中，P型波導層132與第二N型波導層134之間形成穿隧接面（tunneling junction）TJ。具體而言，藉由P型波導層132與第二N型波導層134適當的摻雜，P型波導層132的價帶（valence band）與第二N型波導層134的導帶（conductive band）對齊或是近乎對齊。此時，電子可以藉由穿隧效應（tunneling effect）而移動於P型波導層132的價帶與第二N型波導層134的導帶之間，進而形成電流的傳導。因此，外界提供的電流可以通過這些波導層130而使得發光層110藉由外界提供的電流而發光。具體而言，在本實施例的發光層110的第二側S2的這些半導體層SC之中，這些N型半導體層（例如是上述的半導體接觸層170、第二N型半導體材料層140、第二N型半導體披覆層150、電子阻擋層160、第二N型波導層134）的數量大於上述的至少一P型半導體層（例如是上述的P型波導層132）的數量。相較於習知而言，在本實施例的發光層110的第二側S2的這些半導體層中，以鎂元素來進行摻雜而具有較大吸光率的P型半導體層的數量小於以矽元素來進行摻雜而具有較小吸光率的N型半導體層的數量。換句話說，半導體發光元件100的P型半導體層的數量較少，使得P型半導體層對於半導體發光元件100的發光層110發出的光線的吸收量也較少。因此，本實施例的半導體發光元件100的光損失（optical loss）較少，使得半導體發光元件100具有較佳的發光效率。
圖2繪示本發明另一實施例的半導體發光元件的示意圖，請參考圖2。圖2實施例的半導體發光元件200類似於圖1實施例的半導體發光元件100。半導體發光元件200的構件以及相關敘述可以參考圖1實施例的半導體發光元件100，在此不再贅述。半導體發光元件200與半導體發光元件100的差異如下所述。在本實施例中，第一電極E1配置於第一N型披覆層290一側的表面上，且第一N型材料層180與基板SUB配置於第一N型披覆層290另外一側的表面上。另外，半導體發光元件200的基板SUB例如是藍寶石基板（sapphire substrate）、氮化鎵基板，或是其他不導電或導電的材質。詳細而言，半導體發光元件200例如是水平式結構的雷射二極體，而圖1實施例的半導體發光元件100例如是垂直式結構的雷射二極體。然而，半導體發光元件100以及半導體發光元件200亦可以是其他結構形式的雷射二極體，或是不同結構形式的其他類型的發光元件，本發明並不以上述結構形式為限。具體而言，本實施例的半導體發光元件200亦至少可以獲致如圖1實施例的半導體發光元件100所述的功效，其光損失較少，且具有較佳的發光效率。
綜上所述，本發明實施例的半導體發光元件的第一N型波導層配置於發光層的第一側，且這些半導體層配置於發光層的第二側。這些半導體層包括至少一P型半導體層以及多個N型半導體層，且這些N型半導體層的數量大於至少一P型半導體層的數量。具體而言，由於本發明實施例的半導體發光元件的P型半導體層的數量較少，使得P型半導體層對於發光層發出的光線的吸收量較少。因此，半導體發光元件的光損失較少，使得半導體發光元件具有較佳的發光效率。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100、200、300‧‧‧半導體發光元件
110、310‧‧‧發光層
120、320‧‧‧第一N型波導層
130‧‧‧波導層
132‧‧‧P型波導層
134‧‧‧第二N型波導層
136‧‧‧未刻意摻雜波導層
140‧‧‧第二N型半導體材料層
150‧‧‧第二N型半導體披覆層
160‧‧‧電子阻擋層
170‧‧‧半導體接觸層
180‧‧‧第一N型半導體材料層
190、290‧‧‧第一N型半導體披覆層
E1‧‧‧第一電極
E2‧‧‧第二電極
S1‧‧‧第一側
S2‧‧‧第二側
SC‧‧‧半導體層
SUB‧‧‧基板
TJ‧‧‧穿隧接面
圖1繪示本發明一實施例的半導體發光元件的示意圖。 圖2繪示本發明另一實施例的半導體發光元件的示意圖。
100‧‧‧半導體發光元件
110‧‧‧發光層
120‧‧‧第一N型波導層
130‧‧‧波導層
132‧‧‧P型波導層
134‧‧‧第二N型波導層
136‧‧‧未刻意摻雜波導層
140‧‧‧第二N型半導體材料層
150‧‧‧第二N型半導體披覆層
160‧‧‧電子阻擋層
170‧‧‧半導體接觸層
180‧‧‧第一N型半導體材料層
190‧‧‧第一N型半導體披覆層
E1‧‧‧第一電極
E2‧‧‧第二電極
S1‧‧‧第一側
S2‧‧‧第二側
SC‧‧‧半導體層
SUB‧‧‧基板
TJ‧‧‧穿隧接面

Claims (11)

  1. 一種半導體發光元件，包括： 一發光層，具有一第一側以及相對於該第一側的一第二側； 一第一N型波導層，配置於該第一側；以及 多個半導體層，配置於該第二側，其中該些半導體層包括至少一P型半導體層以及多個N型半導體層，且該些N型半導體層的數量大於該至少一P型半導體層的數量。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的半導體發光元件，其中該至少一P型半導體層包括一P型波導層，該些N型半導體層包括配置於該P型波導層旁的一第二N型波導層。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的半導體發光元件，其中該P型波導層與該第二N型波導層之間形成一穿隧接面。
  4. 如申請專利範圍第2項所述的半導體發光元件，其中該P型波導層摻雜有濃度落在10 18原子數/立方公分至10 20原子數/立方公分的範圍內的P型摻雜物，且該第二N型波導層摻雜有濃度落在10 18原子數/立方公分至10 20原子數/立方公分的範圍內的N型摻雜物。
  5. 如申請專利範圍第2項所述的半導體發光元件，其中該些半導體層更包括一未刻意摻雜波導層，配置於該P型波導層與該發光層之間。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的半導體發光元件，更包括一第一N型半導體材料層以及一第一N型半導體披覆層，該第一N型半導體材料層以及該第一N型半導體披覆層配置於該第一側，其中該第一N型半導體披覆層配置於該第一N型半導體材料層與該第一N型波導層之間，且該第一N型波導層配置於該第一N型半導體披覆層與該發光層之間。
  7. 如申請專利範圍第2項所述的半導體發光元件，其中該些N型半導體層包括一第二N型半導體材料層以及一第二N型半導體披覆層，該第二N型半導體披覆層配置於該第二N型半導體材料層與該第二N型波導層之間，且該第二N型波導層配置於該第二N型半導體披覆層與該發光層之間。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的半導體發光元件，其中該些N型半導體層更包括一電子阻擋層，配置於該第二N型半導體披覆層與該第二N型波導層之間，其中該電子阻擋層的能隙大於該發光層的能隙。
  9. 如申請專利範圍第7項所述的半導體發光元件，更包括一半導體接觸層，其中該第二N型半導體材料層配置於該半導體接觸層與該第二N型半導體披覆層之間。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的半導體發光元件，其中該半導體接觸層具有一摻雜濃度落在10 19原子數/立方公分至10 21原子數/立方公分的N型摻雜。
  11. 如申請專利範圍第1項所述的半導體發光元件，其中該至少一P型半導體層的數量為一。
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