TWI345841B - Heterostructures for iii-nitride light emitting devices - Google Patents

Description

1345841 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明一般相關於半導體發光裝置並更特定於m氮化 .物發光裝置的作用區。 【先前技術】 半導體發光裝置例如發光二極體（LEDs)為目前可量產的 表有效率的光源。目前有興趣生產可操作在可見光譜的之 高亮度材料系統為LEDs族群III-V半導體，特定於鎵，銘， 銦，及氮的二元素，三元素及四元素合金也參考為ΠΙ•氮化 物材料。典型的，m_氮化物層為長出在藍寶石，碳化矽， 或乳化嫁基板的蟲晶。 ΠΙ-氮化物裝置的長出通常伴有發光或作用區，其包含由 障蔽層分開之多個量子井層。此作用區夾層在p-型態區域 及η-型態區域之間。此p_及卜型態區域供應了正與負的電荷 載子（電子與電洞）到作用區中的量子井，其正與負電荷載子 重新結合以產生光。發光裝置的亮度至少部分由裝置内部 的量子效率所決定，其為在此作用區發生多少發光電子電 洞之重新結合的指示。 每一量子井層在特定時間内可保有有限數目的電荷載 子。半導體層的載子容量取決於有多少材質出現在此層 中，因此量子井層越厚，該量子井層可保有更多的載子。 然而，在III·氮化物裝置中，此量子井層典型上為InGaN·， 其結晶品質比其他III-氮化物層的差，因為銦原子的大小較 大以及使得量子井發光所需的銦數量。Le_另外的棘手問題 93876.doc 1345841 疋InGaN的長出溫度低於GaN的，這造成結晶品質的惡化。 另外，在InGaN層中有銦的變動，其限制了發光層的載子容 S。壓電場可造成較少的電子及電洞波動函數的重疊，以 車乂少的展盪強度來重新結合。最後，裝置之結晶半導體層 中的瑕疵可造成正與負電荷載子的非放射性重新結合，其 错由剝取電荷載子的量子井層減少裝置所產生光的量。因 此為了維持結晶品質以及發光裝置的内部量子效率，此 置子井層一般會薄而與量子井層分開的障蔽層通常為比含 鋼量子井層有較佳結晶品質的厚層。 【發明内容】 根據本發明之具體實例，在此揭示針對ΠΙ_氮化物發光裝 置例如發光一極體之異質結構設計可增加作用區量子井 層中的有效電荷載子數目。在第一具體實例中，發光裝置 作用區中的儲存層包含有障蔽層及量子井層。某些具體實 例中，此儲存層比障蔽層及量子井層為厚，有比障蔽層較 大的銦組成，而有比量子井層較小的銦組成。某些具體實 例中，此儲存層鄰近於量子井層並且逐漸變化到"通過漏斗 狀·•使載子進入到量子井層。 在第二具體實例中’發光裝置的作用區為一超點.陣的交 錯量子井層及障蔽層。某些具體實例中，障蔽層薄到可讓 電荷載子經障蔽層隧通在量子蔽層間。 · 【實施方式】 根據本發明具體實例，異質結構設計，其可增加πι-氮化 物發光裝置，例如發光二極體，作用區量子井層中的有效 93876.doc 1345841 電荷載子數目。在此使用之ΠΙ_氮化物半導體層參考—般公 式 AlxGayIni-x.yN(0 ^1，0 μ μ u+y y)所代表的合成 物，其還可包含族群m的元件例如硼及蛇而其中某些氮可 替換為磷，砷，銻或叙。 切面 圖 的沈 圖1說明根據本發明第—具體實例之發光裝置的橫 。在圖i顯示的裝置，一或多個n•型態的層u為磊晶 殿在基板1〇上。基板10可以是，例如，藍寶石，加，㈣ 或任何其他適合的基板。n_型態層11τ以包含，例如，緩 衝器層’接觸層，為摻雜的結晶層，以及η_型態層變動的 合成比率及摻雜物濃度。作用區18接著形成在η_型態層 11。一或多個ρ-型態層15接著形成在此作用區18上。Ρ_型態 層15可以包含，例如，約束層，接觸層，及其他的卜型態 層的不同合成比率及摻雜物濃度。其將形成卜型態層1 $的 電極或接觸的一或多個ρ_金屬層16接著沈澱在ρ_型態層15 上。部分的作用區及ρ-型態層被移除以暴露出其中一 η型態 層U。一或多個η-金屬層17沈澱在此暴露部分的η_型態層η 上以便接觸此裝置的η _型態層。 作用區18包含量子井層14,障蔽層13及儲存層12。圖2 說明顯示在圖1中裝置的某些層的傳導帶邊緣能量圖範 例°如圖2說明的，儲存層有較量子井14大的能量帶隙，以 及比障蔽層以及作用區外之裝置層丨丨，丨5小的能量帶隙。 畺子井層14及儲存層12可以是InGaN，而障蔽層1 3可以是 當匕^…層中銦的 數量減少時’此能量帶隙增加，因此儲存層1 2可以包 93876.doc 1^841 3幸乂里子井層14少的銦以及較障蔽層13多的銦。量子井層 14可以有圍從0%(例如，當障蔽層為AlGaN時）到大約30% 之姻合成比率’並且通常會有範圍在大約4%及大約25%間 的姻合成比率。障蔽層可以有範圍在0%及1 5%之間的銦合 成比率’並且通常會有範圍在大約0%及大約5%間的銦合成 比率。儲存層可以！GaN，InGaN4 A1InGaN。在一具體實 例中，此儲存層為有著範圍在〇%及大約25%之間的銦合成 比率的InGaN。 障蔽層13夠薄到電荷載子可以經障蔽層13從儲存層^隧 通到量子井層14 ^障蔽層丨3的厚度可以在大約5埃及大約 2〇〇埃之間，且常常厚度為2〇埃或更少；量子井層14的厚度 在大約5埃及大約} 00埃之間且常常厚度為大約25埃；而儲 存層的厚度可以在5埃及大約500埃之間，且常常厚度大於 大約25埃。儲存層12及障蔽層13可以摻雜或不摻雜卜或^ 型態的摻雜物。在一具體實例中，儲存層摻雜^或型態掺 雜物到在大約5χ10ΐ6 cm-3及大約5χι〇19 cm.3之間的摻雜物濃 度。在一具體貫例中，儲存層i 2摻雜了相同傳導型態的摻 雜物作為作用區18的其他層。 儲存層12提供載子在非常接近量子井14的儲存，其可輕 易的經由障蔽13隧通進入到量子井14。儲存層12將載子送 入到量子井層14使得一旦載子離開量子井層，例如經由放 射的重新結合，另一個載子可輕易的從儲存層12來取代它 的位置。因為儲存層12有較量子井層14少的銦，儲存層^ 有較佳的結晶品質，其可讓儲存層12保有載子—段長的衰 93876.doc 1345841 減時間。量子井層14,障蔽層13及儲存層12的合成比率及 尽度可加以選擇以使得 ^RV>>TTUN>>TW (1) 其中TRV載子在儲存層12的駐存時間，⑽為載子從儲存層 12隧通到量子井層14所需要的時間，而^載子在量子井層 14中的駐存時間，在載子重新結合以產生光之前。因為在 儲存層的駐存時間遠長於在量子井14中駐存時間，儲存 層12可有載子的固定供應來填補量子井14中的任何空 缺。 經障蔽13遂通的機率可藉由選擇儲存12與量子井的合成 比率及厚度加以最大化，如此健存12及量子井14中電荷载 子有效狀態的能量位準可接近於相等。當此狀態的能量位 準接近於相等’有非t高的機率載子會随通在料Η及量 子井二之間。此隨通機率也可以藉由利用在m-氮化物材質 中本質上發生之極性化場的優點而最大化。圖3說明顯示在 圖1中之裝置某些層的傳導帶邊緣能量圖範例，考量出現在 IH-氮化物層t的極性化場。此極性化場扭曲能量帶圖使得 角落30上的儲存層12中的傳導帶低於儲存層12的其餘部 刀。類似的’角落32上量子井14中的傳導帶低於量子井" ^其餘部分1為載子將傾向收集在角落对因為此傳導 π低於儲存1 2的其餘部分，載子被”推”向量子井丨4。 雖然圖i顯示在每一量子井層14任一面上的储和，在此 作用區中可以使用不同的儲存組態。首先，二或多個量子 井層可以夾層在儲存之間。例如，此作用區可加以配置使 93876.doc 4儲存壓在n_型態層上第— 子井壓在第一障蔽上笛$蚊層[在儲存上，第-量 旦 第—障蔽壓在第一量子井上，第- 置子井壓在第二障蔽上，第二 第— 全一 障敗壓在第二量子井上，技 者弟二儲存壓在第三障蔽上。甘 卩 ”久，儲存可能只用在作用 ^ 的取外層可以是障蔽層或量子井，且不 *要是如在圖1所顯干步罢士 居可以…人 的储存層。第三，不同的錯存 臂了以有不同合成比牽另库ώ 所顯干…η 此儲存層不需要是與在圖1 ^ +及厚度。第四，在作用區中的 儲存層不需要對稱的放置。 斤甘 裝置可以有相鄰於作用 b某一面上之η-型態層的儲 接者卩早敗層或S子井相鄰 :作用區另一面上之Ρ·型態層。 圖4說明根據本發明第二 示的裝置中，量子井声14並：發先裝置^在圖4顯 里十开層14並未以障蔽層與儲存層^分開。 障蔽層13可以如圖4中s目干沾收曰， Τ ·.-員不的將量子井層14彼此分開，或是 另一儲存層可分開量子井層14。 圖5-8 5兒明在圖4中顯示夕肚要^ ^ 曰 國T j不之裝置的某些層的傳導帶邊緣能 置圖範例。如圖5,8所示，儲存層12可以有逐漸變化的合成 比率。如在此使㈣，當在說明裝置中之層中的合成比率 或摻雜物濃度時的術語"逐漸變化"意指包含以任何方式達 成單一步階之合成㈣及/或摻雜物濃度以外的任何合成 比率及/或摻雜物濃度中的變化結構。在一範例中，在圖7 中說明的’逐漸變化㈣存為層的堆疊，^有與兑相 鄰的任一層不同的合成比率及/或接雜物濃度。如層為可分 解的厚度’逐漸變化的區域已知為步階逐漸變化或索引逐 93876.doc 1345841 漸變化區域。在個別層厚度接近於零的限制中，逐漸變化 的儲存區域已知為連續的逐漸變化區域。構成逐漸變化儲 存區域的層可加以配置形成合成比率及/或摻雜物濃度相 對於厚度之多種側寫檔，包含’但不限於，線性的逐漸變 化，拋物線狀的逐漸變化，以及指數定律的逐漸變化。還 有’逐漸變化的儲存區域不限於單一逐漸變化側寫槽，但 可包含部分的不同逐漸變化側寫檔以及一或多個部分實質 上固定的合成比率及/或摻雜物濃度區域。 如圖5及6中說明的，儲存層12可以線性單調合成的逐漸 變化來製造。在圖5所顯示的裝置中，儲存12中的銦合成比 率從η-型態層11中銦的百分比，通常是零，逐漸變化到少 於量子井層14中的銦合成物之銦合成比率。此銦合成比率 接著在量子井層14中增加。如圖6所顯示裝置中的說明，儲 存層12中的銦合成比率可以從η_型態層丨丨中銦合成比率連 續的逐漸變化到量子井14中的銦合成比率，在逐漸變化的 儲存區域12與量子井層14之間沒有銦合成比率的突然步階 變化。同樣的，圖6展示了相鄰於n_型態層u的儲存中的逐 漸變化不需相@或對稱於相鄰於P-型態、層15的儲存的逐漸 變化。 在圖7顯示的裝置中，儲存12為連串的層’每—個有不同 的銦合成比率。在相鄰於η-型態層Π的儲存12，在每一層 長出時銦的合成比率增加。銦合成比率的增加或減少在二 階逐漸變化的儲存中的每-層並不需要是相同％。在圖8 顯不的裝置中’儲存12以非線性單調合成此率逐漸變化來 ^3876.doc U45841 製造。 圖α 8中5兑明以及上述的儲存層逐漸變化設計是從相鄰 来用區之η•型態及Ρ型態中的低銦合成比率逐漸變化到相 :作用區中里子井層的儲存區域令的高銦合成比率。此 逐漸變化係加以選擇來產生"通過漏斗狀”，其導引載子進 ” 井層另外，緊鄰作用區之逐漸變化的健存層出 現增加可用來保有載子的材質數量，其增加可用在量子井 層的載子數目。 圖9說明根據本發明第三具體實例的發光裝置。在圖9顯 不的裝置中’作用區18中的此量子井層“及障蔽層㈣成 超點陣。此置子井層及障蔽層可以有與參考圖丨說明的裝 置相同的銦合成比率。在一超點陣令，量子井層的厚度可 乂在大約5埃與大約50埃之間而通常的厚度在大約埃及 大約40埃之間。此障蔽層的厚度可以在大約$埃及大約 110埃之間，並且厚度通常小於25埃。障蔽層夠薄到使得載 子可以經由作用區18的障蔽層13隧通在量子井層14間。對 特定的障蔽厚度，隧通速率取決於量子井的寬度。當量子 井的厚度減少’隨通速率增加’因為量子井與障蔽層間的 能量位準差異減少。某些具體實例中，作用區中每一量子 井的厚度可根據想要的接近量子井之隧通速率加以選擇。 圖9中說明的超點陣作用區可以與圖丨_8中說明的儲存層一 起使用。例如，圖9中顯示的裝置可以合併儲存層在此超點 陣的一或兩面上，及/或可合併一或多個儲存層在此超點陣 中。 93876.doc 1345841 當障敝薄到足夠讓載子可以在如圖9說明的裝置中的量 子井層間隧通，則此量子井層為"連結的"，意指作用區二 的動作像單-量子井層，而不是好幾個分離的薄量子井 層。這個連結可以提供許多優點。首先，因為載子在量子 井層間隨通，載子可以在任一個井中找到，使載子歷經更 多作用的材料。這是對傳統有厚障蔽層之作用區的一個改 善。結果是，更多的載子可用來在作用區之量子井層中重 新結合，其可增加裝置的光輸出。 其次’在超點陣作用區中可以比有厚障蔽層之傳統作用 區有較少的限制性不良結果。限制性的不良結果在圖 ΙΟΑ-iOC中說明，其顯示出薄量子井（圖l()A)的傳導帶邊緣 能量圖，一厚量子井（圖10B)，及一超點陣作用區（圖1〇〇。 線m說明圖1GA所說明之量子井中載子必須佔有的一能量 位準。因為圖10A的量子井很薄且載子被限制在小空間中， 能量位準很高。相反的，圖的寬量子井中的能量位 二22就遠低於圖10A令的能量位準，因為載子在圖刚的 寬量子井t的限制較少。圖1〇。說明在一超點陣作用區中載 子必須佔有的能量位準123。可以將超點陣視為其中有數個 "支柱^寬量子井。在這裡載子"駐存在"其中的任一井；因 此比薄里子井的更為分散的。障蔽層,,支柱"的出現升高有 相同作用區寬度之井的能量。能量位準決定從裝置射出光 須色因為里子井層的銦合成比率也會影響射出的顏 色’藉由使用超點陣作用區降低能量位準可以降低特定射 出顏色所需要的銦合成比率。如上述的，當一層㈣的數 93876.doc 1345841 ^加mu通常會有不良的影響。差的結晶品 貝可能降低效率。因此，合併超點陣作用區的裝置可以更 有效率1而量子井裝置未連結的較高銦合成比率可有相 同的射出光顏色。 第三’超點陣作料可以降低極性化場的效應。圖im :月超點陣作用區的能量帶圖。用在超點陣作用區中的薄障 蚁層可以藉由允_在空間上的間接重新結合降低極性化場 的效應’其可增加作用區所產生光的數量。因為極性化場， 其"扭曲"每個量子井底部，載子將傾向在每個量子井層的 區域110中集合。因為超點陣作用區中的障蔽層很薄，載子 可以跨障蔽層的重新結合，如箭頭114所示。 圖12為封裝的發光裝置的分解圖。一吸熱嵌片1〇〇被放在 1入鑄杈的鉛框106中。此插入鑄模的鉛框係為例如， if杈在提供電氣路徑之金屬框周圍的填充塑膠材料。嵌片 100可以包含選項的反射杯102。發光裝置晶粒104,其可以 疋上述任一種裝置，其經熱傳導次貼附103直接或間接的貼 附在到嵌片1〇〇上。可以加入一光學鏡片108。 至此本發明以加以詳盡說明，那些熟習此技藝的人可發 現，就本發明而言，可在不背離此創新概念的精神下對本 發明加以修改。因此本發明之範疇不侷限在此說明及描述 的特定具體實例。 - 【圖式簡單說明】 — 圖1說明根據本發明第一具體實例的發光裝置。 圖2說明圖i中所說明裝置的層傳導帶邊緣能量之一範 93876.doc 1345841 例0 圖3說明圖1中所說明裝置的層傳導帶邊緣能量之一範 例’考量極性化場。 圖4說明根據本發明第二具體實例的發光裝置。 圖5-8說明圖1中所說明裝置的層傳導帶邊緣能量之範 例0 圖9說明根據本發明第三具體實例之發光褒置。 圖1 OA-1 0C說明薄量子井，厚量子井及超點陣作用區的傳 導帶邊緣能量之範例。 圖11說明圖9中所說明考量超點陣極性化場的能量帶圖。 圖12為包含封裝之發光裝置的分解圖。 【主要元件符號說明】 10 基板 11 n-型態層 12 儲存層 13 障敗層 14 量子井層 15 P-型態層 16 P-金屬層 17 η-金屬層 18 作用區 100 吸熱嵌片 102 反射杯 103 次貼附 93876.doc 1345841 104 晶粒 106 插入鑄模的錯框 108 光學鏡 110 區域 93876.doc · 17·

Claims (1)

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第093117230號專利申請案 中文申清專利範圍替換本(100年1月） 十、申請專利範圍： 一種發光裝置，其包含： 一基板； 一壓在該基板上第一傳導性型態的區域； 該作用區 層包含 ··» 去b »|>1 月b置帶 -壓在該第-傳導性型態區域上的作用區 包含： 複數個量子井層，每一量子井 AlxGayIni-”N(〇h幻，〇分引，〇Q+y幻）且具有第 隙； ' 一障蔽層；以及 ^儲存層’配置在該等量子井層之二者間，該儲存層 包含八1,〇\1111^：^(〇^^1，〇^^1，〇么+01)，具有第二能 畺f隙’並知_供電荷載子到該量子井層；以及 壓在该作用區上的第二傳導性型態的區域； 其中該第一能量帶隙小於該第二能量帶隙，該儲存層 之厚度大於該障蔽層之厚度。 2_如申請專利範圍第1項的發光裝置，其中： 該障蔽層有一第三能量帶隙；以及 該第三能量帶隙大於該第二能量帶隙。 3·如申請專利範圍第1項的發光裝置，其中： 該量子井層有第一銦合成比率； 該儲存層有第二銦合成比率；以及 該第一銦合成比率大於該第二銦合成比率。 4.如申請專利範圍第3項的發光裝置，其中： 93876-1000ni.doc 1345,841 -該障蔽層有第三銦合成比率；以及 該第二銦合成比率大於該第三銦合成比率。 5_如申請專利範圍第1項的發光裝置，其中： 該量子井有第一厚度； 該儲存層有第二厚度；以及 該第二厚度大於該第一厚度。 6. 如申請專利範圍第1項的發光裝置，其中： 該障蔽層的厚度在大約5埃及大約5〇埃之間； s玄量子井層的厚度在大約5埃及大約1 〇〇埃之間； 該儲存層的厚度在大約5埃及大約25〇埃之間。 7. 如申請專利範圍第i項的發光裝置，其中： s亥障蔽層為有在大約〇%及大約丨5%之間的銦合成比率 的 GaN 或 InGaN ; 該量子井層為有在大約〇%及大約3〇%之間的銦合成比 率的GaN或InGaN ; 該儲存層為有在大約〇%及大約25%之間的銦合成比率 的 InGaN。 8. 如申請專利範圍第1項的發光裝置，其中至少部分儲存層 的合成比率為逐漸改變的。 9. 如申請專利範圍第8項的發光裝置，其中的逐漸變化是單 調性的。 10·如申請專利範圍第8項的發光裝置，其中合成比率係以從 包含線性，步階變化及拋物線狀之群組選出的侧寫棺逐 漸變化。 93876-1000111.doc “月專仙圍第1項的發光裝置，其中該儲存層包含有 Z固定合成比率的第-部分及有著逐漸變化合成比率的 第二部分。 申明專利範圍第1項的發光裝置，其還包含： —連接到第—傳導性型態區域的第-接觸； I連接到第二傳導性型態區域的第二接觸； -連接到該第-與該第二接觸的次貼附；以及 壓在5亥基板上的鏡片。 3.:申π專利範圍第!項的發光裝置#中該量子井層，障 敝層及儲存層的每—個有—合·成㈣及—厚度使得： ^錯存層中電荷载子的駐存時間大於電荷載子從該儲 子θ隧通到該量子井層所需要的時間，·以及 電何載子從該儲存層隧通到該量子井層所需要的時間 於電荷載子在該量子井層中的駐存時間。 “·-種形成發光裝置的方法，該方法包含·· 提供一第一傳導性型態的區域； 提供一第二傳導性型態的區域；以及 提供一分開該第一傳導性型態的區域與該第二傳導性 的區域之作用區’其卜提供-作用區”包含:選擇； ㈣量子井層、障蔽層及儲存層之一合成比率及厚度使 传* · 該儲存層配置在該等量子 層之厚度大於該障蔽層之厚度間’並且該儲存 該儲存層中電荷载子的駐存時間大於電荷載子從該健 93876-I000JU.doc 15. 16. 17. IB. 存層：通到該量子井層所需要的時間；以及 電荷載子從該儲存層隨通到該量 大於電荷載子右兮旦工此私； $作篇 在該置子井層中的駐存時間。 如申請專利範圍第14項的方法，其中： 該量子井層有第一銦合成比率； 該儲存層有第二銦合成比率；以及 該第-銦合成比率大於該第二銦合成比率。 如申請專利範圍第1 5項的方法，其中： 該障蔽層有第三銦合成比率；以及 °亥第—銦合成比率大於該第三銦合成比率。 如申請專利範®第14項的方法，其中：。 該量子井層有一第—厚度； 該儲存層有一第二厚度；以及 s亥第二厚度大於該第一厚度。如申請專利範圍第17項的方法，其中： 該障蔽層有一第三厚度；以及 該第一厚度大於該第三厚度。 93876-1000111.doc