TW201338200A - 發光二極體裝置 - Google Patents

Abstract

一種發光二極體裝置，包含至少一發光二極體單元。每一發光二極體單元包含至少一發光二極體，其包含n側氮化物半導體層、p側氮化物半導體層及主動層，其位於n側氮化物半導體層與p側氮化物半導體層之間。主動層具有一或多個井層，至少一個該井層係為多層結構。

Description

發光二極體裝置

  本發明係有關一種發光二極體裝置，特別是關於一種三族氮化物發光二極體裝置。

  傳統發光二極體可以為同質接面（homojunction）結構或者為異質接面（heterojunction）結構。同質接面結構之發光二極體主要包含n型摻雜層及p型摻雜層，該二層的材質相同，因此具有相同的能隙（energy gap）。p型摻雜層與n型摻雜層之間會形成p-n接面。

  異質接面結構之發光二極體主要包含下包覆（cladding）層、主動層及上包覆層。上/下包覆層與主動層使用不同材質，因此具有相異的能隙。藉此，載子可被侷限於主動層以形成井區。

  異質接面結構之發光二極體是目前發光二極體的主流，通常會於主動層使用單一量子井（single quantum well, SQW）或多重量子井（multiple quantum well, MQW）架構，其能隙小於包覆層的能隙，因而得以提高電子電洞的再結合速率，用以提升發光二極體的發光效率及光發射輸出。雖然多重量子井（MQW）的光輸出遠較單一量子井（SQW）來得大，然而，由於總厚度的增加造成串聯電阻的提高，因而造成順向電壓也跟著變大。

  鑑於傳統發光二極體的量子井架構具有上述的限制，因而無法有效縮短光激發光生命期（photoluminescence lifetime, PL lifetime）及載子溢流的機率，使得量子井中電子與電洞的輻射再結合（radiactive recombination）速率無法有效提高。

  因此，亟需提出一種新穎的量子井架構，用以提升發光二極體的發光效率及光發射輸出。

  根據本發明之一實施例，至少一發光二極體單元包含至少一發光二極體，發光二極體包含n側氮化物半導體層、p側氮化物半導體層及主動層，其位於n側氮化物半導體層與p側氮化物半導體層之間。主動層具有一或多個井層，且上述一或多個井層中至少一個井層係為多層結構。

  在部分實施例中，第一A圖顯示發光二極體裝置的剖面示意圖。為了便於瞭解本發明實施例的技術特徵，圖式僅顯示相關的層級。發光二極體裝置包含至少一發光二極體單元，而每ㄧ發光二極體單元包含一發光二極體，其包含三族氮化物（III-nitride）發光二極體。如第一A圖所示，發光二極體包含n側氮化物半導體層(n-side nitride semiconductor layer)11、p側氮化物半導體層(p-side nitride semiconductor layer)15及主動層(active layer)13，其位於n側氮化物半導體層11與p側氮化物半導體層15之間。n側氮化物半導體層11可包含n型氮化鎵（GaN），p側氮化物半導體層15可包含p型氮化鎵。本實施例的主動層13具有一或多個井層131，且至少一個井層131係為多層結構(multilayered structure)。

  在部分實施例中，主動層13係由至少一井層131與至少一井障層132交替堆疊組成。上述井層131的多層結構可為超晶格（superlattice）結構，其包含至少一第一子井層1311及至少一第二子井層1312，該第一子井層1311與該第二子井層1312交替堆疊組成所述多層結構。在部分實施例中，第一子井層1311可包含氮化銦鎵（In_xGa_1-xN），第二子井層1312可包含氮化銦鎵（In_yGa_1-yN）。其中，銦濃度x異於銦濃度y。值得注意的是，銦濃度x較大的氮化銦鎵所相應的能隙（energy gap）小於銦濃度y較小的氮化銦鎵，而井障層131（例如氮化鎵）所具有的能隙則又大於所有氮化銦鎵的能隙。在部分實施例中，本實施例的井障層131也可採用四元的三族氮化物，例如氮化鋁銦鎵（如Al_0.1In-_0.2Ga_0.7N），以形成極化匹配（polarization-matched）的結構。

  在部分實施例中，發光二極體裝置更包含一基板，上述發光二極體單元設置於基板上。於部分實施例中，基板的材質包含藍寶石(sapphire), 鍺(germanium, Ge), 碳化矽(silicon carbide, SiC), 砷化鎵(gallium arsenide, GaAs), 氧化鋅(zinc oxide, ZnO)，以及氫化鋁鋰(lithium aluminum oxide, LiAlO₂)。於部分實施例中，基板包含極性基板(polar substrate)、半極性基板(semi-polar substrate)與非極性基板(non-polar substrate)。

  在部分實施例中，基板係為極性基板(polar substrate)，第一子井層與第二子井層的厚度各小於或等於2奈米（nm）。在部分實施例中，基板係為半極性基板(semi-polar substrate)或非極性基板(non-polar substrate)，第一子井層與第二子井層的厚度各小於或等於10奈米（nm）。舉例來說，第一A圖顯示使用極性基板，井層131包含至少三層子井層，而每ㄧ子井層的厚度大約相等且小於或等於2奈米（nm）。在部分實施例中，井層131包含至少五層子井層，而每ㄧ子井層的厚度大約相等且小於或等於2奈米（nm）。

  繼續參閱第一A圖，在部分實施例中，發光二極體可包含第一中間層12，其位於n側氮化物半導體層11與主動層13之間，第一中間層12可以接觸或是不接觸n側氮化物半導體層11且/或主動層13。發光二極體也可包含第二中間層14，其位於主動層13與p側氮化物半導體15之間，第二中間層14可以接觸或是不接觸主動層13且/或p側氮化物半導體層15。在部分實施例中，第一中間層12與第二中間層14的成分可不相同，用以形成非對稱結構。如第一A圖所示，其中第一中間層12包含氮化鋁鎵子層121及氮化銦鎵子層122，其中氮化銦鎵子層122接觸主動層13；第二中間層14包含氮化鎵子層141及氮化銦鎵子層142，其中氮化鎵子層141接觸主動層13。

  第一B圖與第一C圖顯示具有單一量子井結構之發光二極體裝置的剖面示意圖。第一B圖係為傳統結構，顯示主動層13僅包含單一井層131（總厚度為5 nm），且單一井層131的成分係均勻分佈（包含In_0.162Ga_0.838N）；第一C圖係根據本發明之部分實施例，顯示主動層13僅包含單一井層131（總厚度為5 nm），且單一井層131係為成分不同的多層結構，其包含至少一第一子井層131（厚度為1 nm）及至少一第二子井層1312（厚度為1 nm），交替堆疊組成所述多層結構。

  在部分實施例中，第一子井層1311可包含氮化銦鎵（In_xGa_1-xN），第二子井層1312可包含氮化銦鎵（In_yGa_1-yN）。其中，銦濃度x異於銦濃度y。在部分實施例中，銦濃度x小於銦濃度y。例如，濃度x等於0.14，而濃度y等於0.18。值得注意的是，銦濃度x較大的氮化銦鎵所相應的能隙（energy gap）小於銦濃度y較小的氮化銦鎵。

  第二A圖例示第一B圖所示傳統單一量子井結構之發光二極體的能帶圖。第二B圖例示第一C圖所示單一量子井，且單一井層具有多層結構的能帶圖。根據圖示的能帶圖可以觀察到單一井層131內共五個子井層1311/1312的相對能隙大小。

  第一C圖所揭露的發光二極體，其單一井層131具有超晶格結構(調整各子井層的能隙不同)，可使單一井層131的電子與電洞波函數重疊率獲得提升，有效縮短光激發光生命期（photoluminescence lifetime, PL lifetime）及載子溢流的機率，進而提高輻射再結合（radiactive recombination）速率與光增益，因而使發光二極體的發光效率大幅提升。第三圖例示第一B圖發光二極體與第一C圖發光二極體的內部量子效率（internal quantum efficiency, IQE）的比較，其中曲線31代表傳統使用單一量子井的發光二極體，而曲線32則代表本發明使用單一量子井，且單一井層具有多層結構的發光二極體，由圖可知相同電流下，曲線32效率值遠大於曲線31效率值。

  雖然上述實施例以單一發光二極體為例，然而本發明的發光二極體單元也可包含堆疊的多個發光二極體。第四圖顯示本發明另一實施例之發光二極體裝置的剖面圖。發光二極體裝置包含至少一發光二極體單元，而每ㄧ發光二極體單元包含複數堆疊之發光二極體。在本實施例中，發光二極體單元包含第一發光二極體1及第二發光二極體2，藉由一穿隧接面44將第一發光二極體1與第二發光二極體2疊加在一起。第一發光二極體1主要包含n側氮化物半導體層41、主動層42、p側氮化物半導體層43及第一電極40。其中，主動層42位於n側氮化物半導體層41與p側氮化物半導體層43之間；第一電極40電性連接n側氮化物半導體層41。舉例而言，n側氮化物半導體層41包含n型氮化鎵（GaN）層，主動層42包含氮化銦鎵（InGaN），p側氮化物半導體層43包含p型氮化鎵層。類似的情形，第二發光二極體2主要包含n側氮化物半導體層51、主動層52、p側氮化物半導體層53及第二電極50。其中，主動層52位於n側氮化物半導體層51與p側氮化物半導體層53之間；第二電極50電性連接p側氮化物半導體層53。舉例而言，n側氮化物半導體層51包含n型氮化鎵（GaN）層，主動層52包含氮化銦鎵（InGaN），p側氮化物半導體層53包含p型氮化鎵層。在一實施例中，第一發光二極體1的主動層42與第二發光二極體的主動層52可使用相同的材質，因而得以發射相同波長的光線。在另一實施例中，第一發光二極體1的主動層42與第二發光二極體的主動層52可使用不同的材質，因而得以發射不同波長的光線。相關細節可參考美國專利第6822991號，題為“含有穿隧接面的發光裝置（Light Emitting Device Including Tunnel Junctions）”，其內容視為本說明書的一部份。

  第五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20，以陣列型式排列於基板24上，因此，第五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20可藉由其第一電極25或第二電極27彼此電性連結，例如：藉由銲線22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20連接的第一電極25及第二電極27分別連接至電源供應器29的兩端。第五圖所示發光二極體單元20可以是第一圖所示實施例的單一發光二極體，也可以是第四圖所示實施例的垂直疊加發光二極體。

  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

2．．．第二發光二極體

11．．．n側氮化物半導體層

12．．．第一中間層

121．．．氮化鋁鎵子層

122．．．氮化銦鎵子層

13．．．主動層

131．．．井層

1311．．．第一子井層

1312．．．第二子井層

132．．．井障層

14．．．第二中間層

141．．．氮化鎵子層

142．．．氮化銦鎵子層

15．．．p側氮化物半導體層

20．．．發光二極體單元

22．．．銲線

24．．．基板

25．．．第一電極

27．．．第二電極

29．．．電源供應器

31．．．單一量子井之發光二極體的IQE

32．．．超晶格量子井之發光二極體的IQE

40．．．第一電極

41．．．n側氮化物半導體層

42．．．主動層

43．．．p側氮化物半導體層

44．．．穿隧接面

50．．．第二電極

51．．．n側氮化物半導體層

52．．．主動層

53．．．p側氮化物半導體層

第一A圖顯示本發明實施例之發光二極體裝置的剖面示意圖。
第一B圖顯示傳統發光二極體裝置的剖面示意圖。
第一C圖顯示本發明另一實施例之發光二極體裝置的剖面示意圖。
第二A圖例示第一B圖所示發光二極體的能帶圖。
第二B圖例示第一C圖所示發光二極體的能帶圖。
第三圖例示第一B圖發光二極體與第一C圖發光二極體的內部量子效率（IQE）的比較。
第四圖顯示本發明另一實施例之發光二極體裝置的剖面圖。
第五圖顯示發光二極體裝置的立體示意圖。

11．．．n側氮化物半導體層

12．．．第一中間層

121．．．氮化鋁鎵子層

122．．．氮化銦鎵子層

13．．．主動層

131．．．井層

1311．．．第一子井層

1312．．．第二子井層

132．．．井障層

14．．．第二中間層

141．．．氮化鎵子層

142．．．氮化銦鎵子層

15．．．p側氮化物半導體層

Claims (15)

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至少一發光二極體，該發光二極體包含：
   一n側氮化物半導體層(n-side nitride semiconductor layer)；
   　　　　　 一p側氮化物半導體層(p-side nitride semiconductor layer)；及
   　　　　　 一主動層(active layer)，位於該n側氮化物半導體層與該p側氮化物半導體層之間；
   　　 其中該主動層具有一或多個井層，該一或多個井層中至少一個該井層係為多層結構(multilayered structure)。
2. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體裝置，其中該多層結構包含至少一第一子井層及至少一第二子井層，該第一子井層與該第二子井層交替堆疊組成該多層結構，且該多層結構係為一超晶格結構。
3. 如申請專利範圍第2項所述之發光二極體裝置，其中該n側氮化物半導體層包含n型氮化鎵（GaN），該p側氮化物半導體層包含p型氮化鎵，該第一子井層與該第二子井層各包含氮化銦鎵（InGaN）。
4. 如申請專利範圍第3項所述之發光二極體裝置，其中該第一子井層的銦濃度異於該第二子井層的銦濃度。
5. 如申請專利範圍第2項所述之發光二極體裝置，其中該第一子井層的能隙異於該第二子井層的能隙。
6. 如申請專利範圍第2項所述之發光二極體裝置，更包含一基板，該發光二極體單元設置於該基板上。
7. 如申請專利範圍第6項所述之發光二極體裝置，其中該基板係為極性基板(polar substrate)，該第一子井層與該第二子井層的厚度各小於或等於2奈米（nm）。
8. 如申請專利範圍第6項所述之發光二極體裝置，其中該基板係為半極性基板(semi-polar substrate)或非極性基板(non-polar substrate)，該第一子井層與該第二子井層的厚度各小於或等於10奈米（nm）。
9. 如申請專利範圍第2項所述之發光二極體裝置，更包含：
   一第一中間層，位於該n側氮化物半導體層與該主動層之間；與
   一第二中間層，位於該主動層與該p側氮化物半導體之間；
   其中該第一中間層與第二中間層的成分不同。
10. 如申請專利範圍第9項所述之發光二極體裝置，其中該第一中間層包含氮化鋁鎵子層及氮化銦鎵子層，其中該氮化銦鎵子層接觸該主動層。
11. 如申請專利範圍第9項所述之發光二極體裝置，其中該第二中間層包含氮化銦鎵子層及氮化鎵子層，其中該氮化鎵子層接觸該主動層。
12. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體裝置，其中該至少一發光二極體單元包含複數該發光二極體單元，以陣列型式排列，且每ㄧ該發光二極體單元包含一第一電極及一第二電極，其中，相鄰該發光二極體單元的第一電極及第二電極電性連結，因而形成一串聯且/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包含一第一發光二極體及一第二發光二極體，藉由一穿隧接面將該第一發光二極體與該第二發光二極體疊加在一起；
    其中該第一發光二極體包含n側氮化物半導體層、主動層與p側氮化物半導體層，該第二發光二極體包含n側氮化物半導體層、主動層與p側氮化物半導體層，其中該第二發光二極體的n側氮化物半導體層藉由該穿隧接面而垂直疊加於該第一發光二極體的p側氮化物半導體層。
14. 如申請專利範圍第13項所述之發光二極體裝置，更包含：
    　　 一第一電極，該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。
15. 如申請專利範圍第14項所述之發光二極體裝置，其中該至少一發光二極體單元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，因而形成一串聯且/或並聯序列。