TWI499081B

TWI499081B - 發光二極體

Info

Publication number: TWI499081B
Application number: TW101137771A
Authority: TW
Inventors: Yi Keng Fu; Yu Hsuan Lu
Original assignee: Ind Tech Res Inst
Priority date: 2012-10-12
Filing date: 2012-10-12
Publication date: 2015-09-01
Also published as: TW201415664A

Description

發光二極體

本發明是有關於一種發光二極體，且特別是有關於一種可提高發光效率的發光二極體(light emitting diode，簡稱LED)。

發光二極體是一種半導體元件，主要是由III-V族元素化合物半導體材料所構成。因為這種半導體材料具有將電能轉換為光的特性，所以對這種半導體材料施加電流時，其內部之電子會與電洞結合，並將過剩的能量以光的形式釋出，而達成發光的效果。

一般而言，由於發光二極體中作為主動層材料的氮化物材料因本身擁有直接能隙且能隙範圍涵蓋深紫外光到遠紅外光(6.2eV~0.7eV)等優點，因此習知技術中將其作為綠光至紫(外)光的發光波段材料可以擁有高的內部量子效率。習知技術中為了提升載子的侷限效應，於成長完最後一層量子阻障層後會成長一層電子阻障層以提升發光二極體整體的發光效率，然而，由於電子阻障層與最後一層量子能障層彼此間的晶格常數差異會造成極化場(polarization field)不匹配現象，因此無法達到好的載子侷限效果且會降低電洞注入效率，導致發光效率下降。因此業界亟力開發具有高發光效率的發光二極體。

本發明提供一種發光二極體，其於主動層中最靠近P型半導體層的量子阻障層與電子阻障層之間插入一晶格常數不同於該量子阻障層與電子阻障層的中間層，可有效提升導電帶能階，使其高於費米能階並降低電洞注入的位能障，提升電洞的注入效率，從而提升發光二極體的發光效率。

本發明提供另一種發光二極體，其於主動層中最靠近P型半導體層的量子阻障層與電子阻障層之間插入一中間層，使得中間層的厚度與電子阻障層的厚度滿足特定關係，藉此可有效提升導電帶能階高於費米能階並降低電洞注入的位能障，提升電洞的注入效率，從而提升發光二極體的發光效率。

本發明再提供一種發光二極體，其於主動層中最靠近P型半導體層的量子阻障層與電子阻障層之間插入一中間層，使得中間層的晶格常數大於電子阻障層的晶格常數，藉此可有效提升導電帶能階高於費米能階並降低電洞注入的位能障，提升電洞的注入效率，從而提升發光二極體的發光效率。

本發明提出一種發光二極體，其包括基板、N型半導體層與P型半導體層、主動層、中間層、電子阻障層、第一電極以及第二電極。N型半導體層位於基板與P型半導體層之間。主動層位於N型半導體層以及P型半導體層之間，主動層包括i層的量子阻障層以及(i-1)層量子井層，各量子井層於任兩層量子阻障層之間，且i為大於等於2的自然數，其中量子阻障層中最靠近P型半導體側的量子阻障層的晶格常數為a₁ 。中間層位於主動層與P型半導體之間，並與最靠近P型半導體側的量子阻障層接觸，其中中間層的晶格常數為a₂ 。電子阻障層位於中間層與P型半導體之間，並與中間層以及P型半導體之間接觸，電子阻障層的晶格常數為a₃ ，其中a₂ 不等於a₁ 與a₃ 。第一電極位於N型半導體層的部分區域上，且第二電極位於P半導體層的部分區域上。

本發明提出另一種發光二極體，其包括基板、N型半導體層與P型半導體層、主動層、中間層、電子阻障層、第一電極以及第二電極。N型半導體層位於基板與P型半導體層之間。主動層位於N型半導體層以及P型半導體層之間，主動層包括i層的量子阻障層以及(i-1)層量子井層，各量子井層於任兩層量子阻障層之間，且i為大於等於2的自然數，其中量子阻障層中最靠近P型半導體側的量子阻障層的晶格常數為a₁ 。中間層位於主動層與P型半導體之間，並與最靠近P型半導體側的量子阻障層接觸，其中中間層的晶格常數為a₂ ，且中間層的厚度為t₂ 。電子阻障層位於中間層與P型半導體之間，並與中間層以及P型半導體之間接觸，電子阻障層的晶格常數為a₃ ，電子阻障層的厚度為t₃ ，其中a₂ 不等於a₁ 與a₃ ，且t₂ ≦0.9t₃ 。第一電極位於N型半導體層的部分區域上，且第二電極位於P半導體層的部分區域上。

本發明再提出一種發光二極體，其包括基板、N型半導體層與P型半導體層、主動層、中間層、電子阻障層、第一電極以及第二電極。N型半導體層位於基板與P型半導體層之間。主動層位於N型半導體層以及P型半導體層之間，主動層包括i層的量子阻障層以及(i-1)層量子井層，各量子井層於任兩層量子阻障層之間，且i為大於等於2的自然數，其中量子阻障層中最靠近P型半導體側的量子阻障層的晶格常數為a₁ 。中間層位於主動層與P型半導體之間，並與最靠近P型半導體側的量子阻障層接觸，其中中間層的晶格常數為a₂ 。電子阻障層位於中間層與P型半導體之間，並與中間層以及P型半導體之間接觸，電子阻障層的晶格常數為a₃ ，其中a₂ 不等於a₁ 與a₃ ，且a₂ >a₃ 。第一電極位於N型半導體層的部分區域上，且第二電極位於P半導體層的部分區域上。

基於上述，本發明之發光二極體中，藉由於主動層中最靠近P型半導體層的量子阻障層與電子阻障層之間插入一晶格常數不同於該量子阻障層與電子阻障層的中間層，或藉由使中間層的厚度與電子阻障層的厚度滿足特定關係，或藉由使中間層的晶格常數大於電子阻障層的晶格常數，藉由上述任一技術手段可以改變主動層中最後一層量子能障與電子阻障層相接的導電和價電帶之能帶，使得導電能帶高於費米能階，藉此可增加電子侷限效應和減少電子溢流行為發生，且價電帶中可消除最後一層量子能障和電子阻障層間的能帶不連續面，從而可有效地幫助電洞注入，或者使得中間層與電子阻障層的極化場方向不同於量子阻障層與電子阻障層的極化場方向，藉此可有效提升導電帶能階高於費米能階並降低電洞注入的位能障，提升電洞的注入效率，因此本發明之發光二極體藉由上述任一技術手段即可大幅地提升發光二極體發光效率。

為讓本發明之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1A為本發明之一實施例中一種發光二極體的剖面示意圖，而圖1B為圖1A中M1處膜層的放大圖。

請先參照圖1A，發光二極體200包括基板210、N型半導體層220、主動層230、P型半導體層240、以及第一電極250與第二電極260，而基板210例如是藍寶石基板(c-sapphire)。具體來說，於藍寶石基板210的一表面上依序形成氮化物半導體披覆層212(例如是未摻雜的氮化鎵)、N型半導體層220、主動層230以及P型半導體層240的疊層，主動層230位於N型半導體層220與P型半導體層240之間，N型半導體層220可包含依序位於氮化物半導體披覆層212上的第一N型摻雜氮化鎵層222以及第二N型摻雜氮化鎵層224的疊層，P型半導體層240可包含依序位於主動層230上的第一P型摻雜氮化鎵層242以及第二P型摻雜氮化鎵層244的疊層，其中第一N型摻雜氮化鎵層222與第二N型摻雜氮化鎵層224之間、或者第一P型摻雜氮化鎵層242與第二P型摻雜氮化鎵層244之間的差異可為厚度不同或是摻雜濃度不同。此外，N型半導體層220與P型半導體層240的材料例如為氮化鋁鎵，在此領域的技術人員可以依實際需求來選擇所成長之氮化物半導體披覆層212、第一N/P型摻雜氮化鎵層222、242、第二N/P型摻雜氮化鎵層224、244的厚度、摻雜濃度和鋁含量，本發明並不以此為限。

詳言之，如圖1A所示，於藍寶石基板210上依序形成氮化物半導體披覆層212(例如是未摻雜(un-doped)之氮化鎵)、第一N型摻雜氮化鎵層222以及第二N型摻雜氮化鎵層224、主動層230、第一P型摻雜氮化鋁鎵層242以及第二P型摻雜氮化鎵層244，並且再分別於第二N型摻雜氮化鎵層224和第二型P型摻雜氮化鎵層244表面的部分區域上形成第一電極250與第二電極260，以使第一電極250電性連接N型半導體層220，並使第二電極260電性連接P型半導體層240。當然，亦可於藍寶石基板與N型半導體之間增設一層氮化物緩衝層，本發明並不以此為限。

主動層230的構成型態例如為圖2A與圖2B所示，其可為單一量子井層主動層230A或是多重量子井層主動層230B。圖2A為本發明一實施例之發光二極體中一種單一量子井層主動層的剖面示意圖，而圖2B為本發明一實施例之發光二極體中一種多重量子井層主動層的剖面示意圖。一般來說，主動層包括i層的量子阻障層以及(i-1)層量子井層，且各量子井層夾於任兩層量子阻障層之間，因此i為大於等於2的自然數。例如，如圖2A所示，單一量子井層主動層230A可由兩量子阻障層232以及夾於其間的一量子井層234所構成，而構成量子阻障層232/量子井層234/量子阻障層232。以222nm~405nm發光波段的發光二極體200為例，量子阻障層232之材料例如是Al_x In_y Ga_1-x-y N，其中0x1，0y0.3，且x+y1，而量子井層234之材料例如是Al_m In_n Ga_1-m-n N，其中0m<1，0n0.5，m+n1，且x>m,n≧y，在所屬領域的技術人員可針對不同發光波段等實際需求來選擇所成長之m、n的含量、或x、y含量，本發明並不以此為限。

另外，主動層的構成型態亦可如圖2B所示之多重量子井層主動層230B的型態。如圖2B所示，多重量子井層主動層230B可由量子阻障層232與量子井層234的至少兩對疊層所構成，如圖2B中所繪示之三對量子阻障層232/量子井層234重覆的疊層。

圖3為發光二極體之主動層的放大剖面示意圖。如圖3所示，本實施例之主動層230例如包括六層量子阻障層與五層量子井層，且各量子井層夾於任兩層量子阻障層之間。量子阻障層自P型半導體側起算依序為232a、232b、232c、232d、232e、232f，而量子井層，其自P型半導體側起算依序為量子井層234a、234b、234c、234d、234e。

值得一提的是，本發明於主動層230與P型半導體層240之間插入鄰接於P型半導體層240的電子阻障層270，並且於主動層230中最靠近P型半導體層240之量子阻障層232(如圖3所示，以下將主動層230中最靠近P型半導體層240之量子阻障層標號為232a)以及電子阻障層270之間插入中間層280，使得中間層280以其兩表面與該量子阻障層232a以及電子阻障層270接觸，藉由改變中間層280的晶格常數、厚度等技術手段，使得中間層280的晶格常數a₂ 與該量子阻障層232a的晶格常數a₁ 或電子阻障層270的晶格常數a₃ 滿足特定關係來控制主動層230中最後一層量子能障232a與電子阻障層270相接的導電和價電帶之能帶，或者使得中間層280的厚度t₂ 與電子阻障層270的厚度t₃ 滿足特定關係來控制主動層230中最後一層量子阻障層232a與電子阻障層270相接的導電和價電帶之能帶，從而提升電洞的注入效率，以提升發光二極體200整體的發光效率。

具體來說，其晶格常數的定義為平均晶格常數，從習知公式Al_a In_b Ga_1-a-b N晶格常數公式可算出晶格常數=3.112×a+3.544×b+3.1892×(1-a-b)，舉例b=0的情況來說，當鋁含量a=0.08時候，其對應的晶格常數為3.1830Å，當為多層結構時候，如厚度t₁ 的Al_c In_d Ga_1-c-d N和厚度t₂ 的Al_e In_f Ga_1-e-f N時候，其Al_c In_d Ga_1-c-d N和Al_e In_f Ga_1-e-f N可對應到晶格常數a₁ 和a₂ ，其平均晶格常數則為：具體來說，在主動層230與P型半導體240之間插入電子阻障層270可以提升發光二極體中載子的侷限效應，以提升LED發光效率。並且，本發明更藉由在電子阻障層270與最後一層量子阻障層232a之間插入中間層280，在一實施例中，此中間層280可以是梯度中間層(graded interlayer)的型態，在另一實施例中，也可以是此中間層280可以是極化反轉中間層(polarization field reversal interlayer)的型態。具體而言，藉由改變中間層280的晶格常數或/及厚度，可以有效地控制主動層230中最後一層量子阻障層232a與電子阻障層270相接的導電和價電帶之能帶，避免在電子阻障層與最後一層量子阻障層因彼此間的晶格常數差異造成極化場不匹配的現象，藉此可使得導電能帶高於費米能階，增加電子侷限效應和減少電子溢流行為的發生，且價電帶中可消除最後一層量子能障和電子阻障層間的能帶不連續面，從而可有效地幫助電洞注入，有效地提升發光效率。尤其是，特別是對於主動層230所發出之波長範圍為222nm至405nm波段的光線更具有顯著的提升效果。

以下將以實驗結果來輔助說明發明者所提出之本發明之發光二極體200的功效。在以下實施例中，是以鋁氮化物作為量子阻障層以及電子阻障層的材料，並以調整膜層中鋁含量來控制各膜層的晶格常數為例，但本領域的技術人員亦可使用其他材料來代替實施例中的鋁氮化物，也可以使用其他與鋁屬同族之IIIA族中的其他元素來代替實施例中的鋁，同樣可以實現本發明。

第一實施例

在本發明發光波長為365nm的實施例中，量子井層之材料是In_c Ga_1-c N，其中0≦c≦0.05，量子阻障層的材料是Al_d Ga_1-d N，其中0.13≦d≦0.30，第一P型摻雜氮化鋁鎵之材料是Al_e Ga_1-e N，e為0至0.15之間，在本實施例中，鋁含量e最佳值是0.04~0.08之間，第一摻雜氮化鋁鎵的厚度例如為40nm-200nm，在本實施例中，厚度較佳為60nm-160nm，第二P型摻雜氮化鋁鎵之材料是Al_f Ga_1-f N，f為0至0.10之間，在本實施例中是使用氮化鎵。

圖4A至圖4D分別為各發光二極體的結構型態示意圖，其中圖4D為本發明第一實施例之發光二極體的結構，而圖4A至圖4C分別為作為本發明第一實施例之發光二極體的比較例。圖4A至圖4D之發光二極體200A~200D詳細的各膜層結構如前文圖1A與圖1B所述，在圖4A至圖4D中僅繪示出部分膜層的相對位置以及各膜層材料的簡要說明，其中圖4A至圖4D的各膜層材料是以元素組成表示，例如發光二極體200A~200D中之第一P型摻雜氮化鋁鎵層242的材料例如為Al_0.08 Ga_0.92 N，主動層230中之量子阻障層的材料為Al_d Ga_1-d N，而量子井層的材料為In_c Ga_1-c N，第二P型摻雜氮化鎵層244與N型半導體層220的材料例如分別為P⁺ GaN與GaN。請參照圖4A至圖4D，發光二極體200A~200D之不同處在於第一P型摻雜氮化鋁鎵層242與主動層230之間的夾層結構，如圖4A-4D中M2處所標示的膜層結構與組成。

圖5A至圖5D分別為前述圖4A至圖4D之發光二極體的幾種發光二極體的能帶圖，同前述圖4A至圖4D發光二極體200A至200C的說明，圖5A至圖5C為比較例，而圖5D為本發明第一實施例中的一種發光二極體，橫軸代表各發光二極體200A-200D中堆疊位置關係中各膜層的相對位置(厚度)，縱軸代表各膜層中的鋁含量，其各膜層上方標示該厚度(厚度單位：奈米)。並且，在本發明之第一實施例中，主要說明中間層280屬於梯度中間層的實施型態。

請先參照比較例圖4A與圖5A，發光二極體200A中的電子阻障層270A為固定含量25%之25nm之Al_0.25 Ga_0.75 N薄膜，而比較例圖4B之發光二極體200B、比較例圖4C之發光二極體200C、和實施例圖4D之發光二極體200D則是將夾設於P型半導體層240與主動層230之間的膜層，例如電子阻障層270等分成不同鋁含量之結構。

更具體而言，請參照比較例圖4B與圖5B，發光二極體200B是在成長完最後一層量子能障層232a(繪示於圖1B及圖3)後，接著成長厚度15nm、固定鋁含量25%之電子阻障層270B1，接著再將鋁含量逐漸減少到8%作為電子阻障層270B2與p-Al_0.08 Ga_0.92 N相接。

請參照比較例圖4C與圖5C，發光二極體200C是在成長完最後一層量子能障後232a後，成長一層厚度為25nm、逐漸將鋁含量從17%增加到25%作為電子阻障層270C。請參照實施例圖4D與圖5D，發光二極體200D是在成長完最後一層量子能障232a後，接著成長厚度為10nm、逐漸提升鋁含量到從17%到25%作為中間層280D，接著成長厚度15nm、固定鋁含量25%之電子阻障層270D。

圖6A與圖6B分別為前述圖4A至圖4D中各發光二極體的導電帶以及價電帶在350mA電流注入圖。由圖6A以及圖6B可清楚看出發光二極體200D的結構藉由中間層280D可改變最後一層量子能障232a與電子阻障層270相接的導電和價電帶之能帶。詳細而言，如圖6A所示，發光二極體200D中中間層280D的導電能帶會高於費米能階，這代表發光二極體200D的膜層結構可增加電子侷限效應和減少電子溢流行為發生。此外，如圖6B所示，發光二極體200D中中間層280D的價電帶中可消除最後一層量子能障和電子阻障層間的能帶不連續面，藉此可有效地幫助電洞注入。

進一步探究發光二極體200A-200D之屬於梯度中間層型態的中間層以及電子阻障層之膜層結構對發光強度影響的機制。

圖7A至圖7D分別表示圖4A至圖4D中各發光二極體的電子模擬圖，而圖8A至圖8D則分別表示圖4A至圖4D中各發光二極體的電洞濃度模擬圖，其中橫軸表示膜層堆疊距離基板的位置(單位：奈米)，例如位置2060奈米處為靠近P型半導體層240側之量子阻障層232a的位置，而位置2000奈米為靠近N型半導體層220側，縱軸表示電子濃度或電洞濃度(單位：cm^-3 )。由圖7A至圖7D可清楚看出發光二極體200C和發光二極體200D之電子阻障層270D的結構有助於電子侷限效應，因此整體電子濃度向上提升。此外，由圖8A至圖8D可清楚看出發光二極體200D之電子阻障層270D結構也有助於電洞的注入，尤其是發光二極體200D之電子和電洞濃度更進一步高於發光二極體200C。

圖9A至圖9D分別進一步表示圖4A至圖4D中各發光二極體的輻射複合機率圖。由圖9A至圖9D可清楚發現本發明第一實施例之發光二極體200D具有最高的複合效率。

表1為本實施例中發光二極體200A~200D中各量子井層234的波函數重疊機率模擬圖。請同時參照表1與圖9A至圖9D，可清楚的看到發光二極體200D在靠近P型半導體層240的三層量子井層234a-234c(繪示於圖3)具有較高的複合機率。

表1

圖10進一步表示圖4A至圖4D中各發光二極體的電子電流密度圖。由圖10可清楚發現發光二極體200D之電子阻障層270D以及中間層280D的膜層結構有助於降低電子溢流現象的發生，尤其以發光二極體200D具有最低的電子溢流現象。

圖11進一步表示圖4A至圖4D中各發光二極體的光強度模擬圖，從圖中可清楚發現本發明第一實施例之發光二極體200D具有最強的光強度。

發明者依據前述圖4A~圖4D至圖11之結果，於主動層中最靠近P型半導體之量子阻障層以及電子阻障層之間插入中間層，並且改變中間層中之鋁含量，使得中間層的晶格常數變化，換言之，梯度中間層即為中間層的實施型態，推論中間層的晶格常數變化對發光二極體發光強度的影響機制如下。

中間層的晶格常數可以藉由改變中間層之材料中的鋁含量來調變。換言之，在本實施例中，當中間層材料中的鋁含量越高時，中間層的晶格常數則越低，從習知的 Al_a In_b Ga_1-a-b N晶格常數公式可算出晶格常數=3.112×a+3.544×b+3.1892×(1-a-b)，舉例b=0的情況來說，當鋁含量a=0.08時候，其對應的晶格常數為3.1830Å，當鋁含量a=0.17時候，其對應的晶格常數為3.1761Å，當鋁含量a=0.25時候，其對應的晶格常數為3.1699Å。

換言之，在本實施例中，藉由將中間層材料中的鋁含量由主動層中最靠近P型半導體層的量子阻障層的鋁含量漸變至電子阻障層的鋁含量，可以使得中間層的晶格常數不同於量子阻障層與電子阻障層的晶格常數，藉此，如前述圖4A~圖4D至圖11之結果可以得知，由於中間層的晶格常數不同於與其鄰接的量子阻障層以及電子阻障層的晶格常數，可以改變主動層中最後一層量子能障與電子阻障層相接的導電和價電帶之能帶，使得導電能帶高於費米能階，進而增加電子侷限效應和減少電子溢流行為發生。並且，藉此在其價電帶中可消除最後一層量子能障和電子阻障層間的能帶不連續面，從而可有效地幫助電洞注入，提升電洞的注入效率，進而大幅地提升發光二極體發光效率。

同理，藉由使中間層的厚度t₂ 與電子阻障層的厚度t₃ 滿足t₂ ≦0.9t₃ 的特定關係，在t₃ 厚度夠厚的情況下，可以避免電子從最後一層的量子能障層穿隧電子阻障層到p型半導體，因此增加電子侷限效果，進而增強上述的效果。

以下進一步提出相關的實驗數據來佐證上述的推論。表2中記載當前述發光二極體200A、200B、200D中改變主動層中最靠近P型半導體層的量子阻障層與電子阻障層270之間的結構如圖4A、圖4B、圖4D所示時，各發光二極體200A、200B、200D在350mA與700mA電流注入下發光強度的表現以及順向導通電壓，其中在本實施例中，主動層230包括五層量子井層234，且各量子井層234a-234e的厚度為3奈米。

由表2以及圖4A看來，使用單一層固定鋁含量之電子阻障層270A的發光二極體200A的結構，其光輸出強度為33.1mW。相對於此，如表2以及圖4D所示，將電子阻障層270D以及中間層280D的結構改成發光二極體200D之結構時，可大幅度的提升光輸出強度，從原本的33.1mW提升到54.0mW。此外，由表2以及圖4D可明顯看出，發光二極體200D之結構有助於降低最後一層量子能障層232a與電子阻障層270D之間的能帶不連續效應，有助於電洞之注入並減少接面間的阻值，因此有助於減少順向導通電壓，可從原本的4.28V降低到4.17V。

並且，請參照表2與圖4D，發光二極體200D中之中間層280D的厚度t₂ 為10nm，而電子阻障層270D的厚度t₃ 為15nm，換言之中間層的厚度t₂ 與電子阻障層的厚度t₃ 滿足t₂ (10nm)≦0.9t₃ (15nm×0.9=13.5nm)的特定關係亦可以達到上述的效果。換言之，藉由使中間層的厚度t₂ 與電子阻障層的厚度t₃ 滿足t₂ ≦0.9t₃ 的特定關係，可以避免電子從最後一層的量子能障層穿隧電子阻障層到p型半導體，而增加電子侷限效果，進而增強上述的技術效果。

更進一步而言，如圖4D所示，中間層280D的晶格常數a₂ 隨厚度t₂ 的變化率滿足下述關係，亦即，由於中間層280D的晶格常數a₂ 變化可視為中間層280D的鋁含量變化(例如鋁含量x%變化至y%可對應到晶格常數為a_x Å變化至a_y Å)，因此中間層280D的晶格常數a₂ 隨厚度t₂ 的變化率m可藉由下式(1)運算：

換言之，當中間層280D的晶格常數a₂ 隨厚度t₂ 的變化率m滿足m≧9×10^-4 (%/Å)的關係時，可以達到有效的提升電子阻障效應、降低電子溢流行為、提升電洞注入效率和提升光輸出強度的效果，以本實施例來說，鋁含量17%對應的晶格常數為3.1761Å，鋁含量a=0.25時候，其對應的晶格常數為3.1699Å，因此在厚度t₂ =10nm(100Å)下，其

同樣的，從上述實驗結果可知道將在成長完最後一層量子能障層後，將鋁含量逐漸提升到電子阻障層鋁含量將有助於提升光輸出強度，因此，發光二極體中主動層最靠近P型半導體層的量子阻障層與P型半導體層之間的鋁含量變化可如圖12所示，換言之，其鋁含量的變化可為線性變化、階梯式變化、鋸齒狀變化和拋物線變化等，其中相互間的變化可互相搭配而成，本發明並不以此為限。在此領域的技術人員可以參照本申請案上述的實施方式，利用例行性實驗而將發光二極體中主動層最靠近P型半導體層的量子阻障層與P型半導體層之間的鋁含量變化以如圖12的方式進行變化，同樣可以達到本案的技術效果，本發明並不限定最靠近P型半導體層的量子阻障層與P型半導體層之間的鋁含量變化方式。

綜上所述，在本發明之第一實施例中，藉由於主動層中最靠近P型半導體層的量子阻障層與電子阻障層之間插入一晶格常數不同於該量子阻障層與電子阻障層的中間層，亦即將最靠近P型半導體層的鋁含量實質上大於靠近N型半導體層之鋁含量，即可有效的提升電子阻障效應、降低電子溢流行為、提升電洞注入效率和提升光輸出強度。

此外，如表2所示，在本發明之第一實施例中，藉由使中間層的厚度t₂ 與電子阻障層的厚度t₃ 滿足t₂ ≦0.9t₃ 的特定關係，特別是如前述圖4D所示使中間層的晶格常數隨厚度的變化率大於等於9×10^-4 (%/Å)，亦可有效的提升電子阻障效應、降低電子溢流行為、提升電洞注入效率和提升光輸出強度。

第二實施例

圖13A至圖13D分別為本發明第二實施例中各發光二極體的結構型態示意圖，其中圖13A至圖13D之發光二極體200A、200E~200G的詳細各膜層堆疊結構如前文圖1A與圖1B所述，惟，在圖13A至圖13D中僅改變中間層中的組成，並改變電子阻障層中的結構，換言之，在本發明之第二實施例中，中間層主要即為極化反轉中間層的實施型態。其餘的膜層部分與前文類似，不再贅述。

具體而言，圖13A至圖13D分別為發光二極體200A、200E~200G的幾種發光二極體的結構圖，其中圖13B與13D分別為本發明第二實施例之發光二極體的結構，而圖13A與圖13C分別為作為本發明第二實施例之發光二極體的比較例。圖13A至圖13D中橫軸代表各發光二極體中堆疊位置關係中各膜層的相對位置(厚度)，縱軸代表各膜層中的鋁含量，其各膜層上方標示該厚度(厚度單位：奈米)，其中本實施例之發光二極體200A與前述實施例繪示於圖4A及圖5A之發光二極體200A結構相同。

請參照實施例圖13B，發光二極體200E是在最後一層量子能障層232a與電子阻障層270E之間插入了一層厚度為3nm的GaN磊晶層作為中間層280E，此時中間層280E屬於極化場反轉中間層，而電子阻障層270E的組成同圖13A。請參照比較例圖13C與實施例圖13D，比較例發光二極體200F與實施例發光二極體200G是將電子阻障層270F、270G拆成四個迴圈(即四個重複單元)，換言之，將電子阻障層270F、270G分別為以第一電子阻障子層270a與第二電子阻障子層270b作為重複單元的四組疊層，其中該第一電子阻障子層270a位於鄰近主動層230的一側，且各該第一電子阻障子層270a的鋁含量與各該第二電子阻障子層270b的鋁含量不同。如圖13C所示，比較例發光二極體200F是由作為第一電子阻障子層270a的Al_0.25 Ga_0.75 N與作為第二電子阻障子層270b的Al_0.17 Ga_0.83 N所組成，如圖13C所示，第一電子阻障子層270a的鋁含量大於第二電子阻障子層270b的鋁含量，當然，在其他實施例中，第一電子阻障子層270a的鋁含量也可以小於第二電子阻障子層270b的鋁含量，本發明並不以此為限。

另外，請參照實施例圖13D，發光二極體200G則在圖13C之發光二極體200F的膜層結構基礎上，進一步於最後一層量子能障層232a與電子阻障層270G之間插入了一層厚度3nm之GaN磊晶層作為中間層280G，且該第一電子阻障子層270a與該中間層280G接觸，此時中間層280G屬於極化場反轉中間層。

圖14表示圖13A至圖13D中各發光二極體的光強度模擬圖。從圖14可清楚的發現當電子阻障層的結構為前述四迴圈(四個重複單元的疊層)的由作為第一電子阻障子層270a的Al_0.25 Ga_0.75 N以及作為第二電子阻障子層270b的Al_0.17 Ga_0.83 N所組成時，光輸出強度比鋁含量固定之單一層電子阻障層高，例如圖13D之發光二極體200G的光輸出強度大於圖13B之發光二極體200E的光輸出強度，且圖13C之發光二極體200F的光輸出強度大於圖13A之發光二極體200A的光輸出強度。

另外，請繼續參照圖14，當在最後一層量子阻障層232a與電子阻障層270之間插入一層GaN磊晶層作為中間層280E、280G時，其光輸出強度可被大幅度的提升，例如即使於鋁含量固定之單一層電子阻障層結構的發光二極體200A中。

請參照圖14並搭配比較例圖13A與實施例圖13B，在最後一層量子阻障層232a與固定鋁含量之單一層電子阻障層270E之間插入中間層280E的發光二極體200E的光輸出強度大於在該處未插入中間層之繪示於圖13A之發光二極體200A的光輸出強度。並且，請參照圖14並搭配比較例圖13C與實施例圖13D，在最後一層量子阻障層232a與四迴圈之鋁含量變化的電子阻障層270G之間插入中間層280G的發光二極體200G的光輸出強度大於在該處未插入中間層之繪示於圖13C之發光二極體200F的光輸出強度。

圖15A與圖15D分別為前述圖13A至圖13D中各發光二極體的導電帶以及價電帶在350mA電流注入圖。如圖 15A與圖15C所示，可清楚看出，當電子阻障層是使用四迴圈之作為第一電子阻障子層270a的Al_0.25 Ga_0.75 N以及作為第二電子阻障子層270b的Al_0.17 Ga_0.83 N彼此交替的結構時，其可有效的消除電子阻障層270與P型半導體層240間的能帶不連續面，有助於降低電洞阻塞於電子阻障層270和P型半導體層240之間，進而提升電洞注入效率。

此外，對於紫外光發光二極體而言，其量子能障層和電子阻障層通常皆使用氮化鋁鎵材料，其中電子阻障層之鋁含量大於量子阻障層之鋁含量，因此本實施例中藉由在最後一層量子能障層與電子阻障層之間插入一層GaN磊晶層作為極化場反轉中間層，藉由使極化場反轉中間層與量子能障層的極化場(polarization field)方向不同於量子能障層與電子阻障層的極化場方向，換言之，透過氮化鎵與氮化鋁鎵的極化場方向不同於氮化鋁鎵與氮化鋁鎵的極化場方向，將可有效提升導電帶能階高於費米能階並降低電洞注入的位能障，提升電洞的注入效率。

進一步探究發光二極體200A、200E~200G之屬於極化場反轉中間層的中間層以及電子阻障層之膜層結構對發光強度影響的機制。

圖16A至圖16D分別表示圖13A至圖13D中各發光二極體的載子模擬圖，其中橫軸表示膜層堆疊距離基板的位置(單位：奈米)，例如位置2100奈米處為靠近P型半導體層240側，而位置2000奈米為靠近N型半導體層220側，縱軸表示載子濃度(單位：cm^-3 )，而線條A、B則分別表示電子濃度與電洞濃度(單位：cm^-3 )。由圖16可清楚得知，當使用四迴圈的電子阻障層結構(如圖16C之發光二極體200F以及圖16D之發光二極體200G)時，可有效的降低電洞阻塞於電子阻障層270與P型半導體層240之間，藉此可提升分佈於主動層裡的電洞濃度。

再者，請繼續參照圖16A至圖16D，當於最後一層量子能障層與電子阻障層之間插入一層GaN磊晶層作為屬於極化場反轉中間層的中間層(如圖16B之發光二極體200E以及圖16D之發光二極體200G)時，電洞濃度將被大幅度的提升。

圖17A至圖17D分別進一步表示圖13A至圖13D中各發光二極體的輻射複合機率圖。圖17A至圖17D可清楚看出在固定鋁含量之單一層電子阻障層270A、270E的結構中，實施例發光二極體200E的輻射複合機率高於比較例發光二極體200A的輻射複合機率；另一方面，在四迴圈之鋁含量交替變化的電子阻障層270F、270G的結構中，實施例發光二極體200G的輻射複合機率高於比較例發光二極體200E的輻射複合機率。由此可知，當於量子能障層與電子阻障層之間插入極化場反轉中間層(如本實施例之GaN磊晶層)時，可大幅地提升輻射複合機率。

表3為本實施例中發光二極體200A、200E~200G中各量子井層234的波函數重疊機率模擬圖。請同時參照表1與圖13A至圖13D，可清楚的看出發光二極體200F中各層量子井層輻射複合機率皆高於發光二極體200A。並且，當於量子能障層與電子阻障層之間插入作為中間層的GaN磊晶層時，在靠近P型半導體層240的三層量子井層234a-234c(繪示於圖3)的輻射複合機率可被大幅度的提升，尤其以發光二極體200G之結構可獲得最佳的輻射複合機率。

以下進一步提出相關的實驗數據來佐證上述的推論。表4中記載當發光二極體中改變主動層中最靠近P型半導體層的量子阻障層與電子阻障層之間的結構(如是否插入中間層、中間層組成、電子阻障層的組成與型態)時，對發光二極體在350mA與700mA電流注入下的發光強度有何影響。具體來說，表4中發光二極體200A、200F、200G的膜層結構如分別繪示於圖13A、圖13C、圖13D，而發光二極體200H的膜層結構可如圖18所示，其電子阻障層270H的構成型態為前述四迴圈之由彼此交替之第一電子阻障子層270a以及第二電子阻障子層270b所構成，惟發光二極體200H中，電子阻障層270H中鄰接中間層280H的第一電子阻障子層270a的鋁含量小於第二電子阻障子層270b的鋁含量。

由表4以及圖13A看來，使用單一層固定鋁含量之電子阻障層270A的發光二極體200A的結構，其光輸出強度為33.1mW。相對於此，如表4以及圖13C所示，將電子阻障層270的結構改成如發光二極體200F般之四迴圈的結構時，可提升光輸出強度，從原本的33.1mW提升到46.9mW。再者，如表4以及圖13D所示，將電子阻障層270的結構改成如發光二極體200G般之四迴圈的結構時，並進一步將作為中間層之GaN磊晶層插入最後一層量子能障層與電子阻障層之間時，其發光二極體200G更可提升光輸出強度到61.8mW。並且，如表4以及圖18所示，將電子阻障層270H的結構改成如發光二極體200H般之四迴圈的結構時，其中鄰接中間層280H的第一電子阻障子層270a(Al_0.17 Ga_0.83 N)的鋁含量(17%)小於第二電子阻障子層270b(Al_0.25 Ga_0.75 N)的鋁含量(27%)，發光二極體200H的光輸出強度為51.3mW，相較於發光二極體200A、200E的仍具有提升光輸出強度的效果。上述之結果更揭露四迴圈的電子阻障層中，使鄰接中間層的第一電子阻障子層270a(Al_0.25 Ga_0.75 N)的鋁含量(27%)大於第二電子阻障子層270b(Al_0.17 Ga_0.83 N)的鋁含量(17%)可以獲得最佳之光輸出強度。

發明者依據前述第二實施例之圖13A~圖13D至圖18以及相關表3、4之結果發現，於主動層中最靠近P型半導體之量子阻障層以及電子阻障層之間插入具有極化場反轉效果的中間層(以下稱極化場反轉中間層)，並且使極化場反轉中間層的晶格常數大於電子阻障層的晶格常數可有效地提升發光二極體發光強度，發明者推論極化場反轉中間層的晶格常數變化對發光二極體發光強度的影響機制如下。

如前述，極化場反轉中間層的晶格常數可以藉由改變極化場反轉中間層之材料中的鋁、銦含量來調變。從習知的Al_a In_b Ga_1-a-b N晶格常數公式可算出晶格常數=3.112×a+3.544×b+3.1892×(1-a-b)，舉例來說，當鋁含量a=0.17和銦含量=0時候，其對應的晶格常數為3.1761Å，當鋁含量a=0.25和銦含量=0時候，其對應的晶格常數為3.1699Å，當鋁和銦含量=0時候，其對應的晶格常數為3.1892Å(本實施例)，當鋁含量=0和銦含量=0.1時候，對應的晶格常數為3.2247Å。換言之，在本實施例中，當極化場反轉中間層材料中的鋁含量越低時或著銦含量越高時，極化場反轉中間層的晶格常數則越高。在本發明之第二實施例中，極化場反轉中間層的材料為氮化鎵，因此晶格常數大於量子阻障層以及電子阻障層，換言之，可藉由使極化場反轉中間層的晶格常數大於電子阻障層的晶格常數，使得極化場反轉中間層與電子阻障層的極化場方向不同於量子阻障層與電子阻障層的極化場方向，藉此可有效提升導電帶能階高於費米能階並降低電洞注入的位能障，提升電洞的注入效率，從而大幅地提升發光二極體發光效率。

綜上所述，本發明之發光二極體中，藉由於主動層中最靠近P型半導體層的量子阻障層與電子阻障層之間插入一晶格常數不同於該量子阻障層與電子阻障層的中間層，或藉由使中間層的厚度與電子阻障層的厚度滿足特定關係，或藉由使中間層的晶格常數大於電子阻障層的晶格常數，藉由上述任一技術手段，使得電洞可以均勻地分佈於量子井層中，藉此提升發光二極體之載子的複合效率，因此本發明之發光二極體藉由上述任一技術手段即可大幅地提升發光二極體的發光強度。

此外，本發明之發光二極體在實際應用時的實施型態不限於前述所繪示之型態，亦可以為水平電極配置或垂直電極配置，均可實現本發明，因此不亦此為限。例如，本發明之發光二極體的實施結構型態可如圖19-20所示。

圖19為本發明之發光二極體的一種實施型態。如圖19所示，發光二極體300之膜層由上至下依序包括接觸層310；前述之N型半導體層220、主動層230、電子阻障層270與中間層280、以及P型半導體層240；反射層320；接合層330；以及承載基板340。

圖20為本發明之發光二極體的另一種實施型態。如圖20所示，發光二極體400之膜層由上至下依序包括前述之基板210、氮化物半導體披覆層212、N型半導體層220以及承載基板340，並於N型半導體層220與承載基板340夾設兩疊層，如繪示於圖20左方主要由前述主動層230、電子阻障層270與中間層280、P型半導體層240、接觸層310、以及接合層330所構成的第一疊層，以及位於該第一疊層右方並與該第一疊層相隔一段距離的第二疊層，其中該第二疊層主要由接觸層310、以及接合層330所構成。並且，發光二極體400可視元件需求而將一反射層設置於右方第一疊層的接觸層310與接合層330之間，或者設置承載基板340鄰接於左方第二疊層的表面上，本發明並不以此為限。

圖21為本發明之發光二極體的再一種實施型態。如圖21所示，發光二極體500之膜層結構與圖20類似，惟不同處在於：圖21之發光二極體500相較於圖20之發光二極體400進一步省略了N型半導體層220上方之基板210與氮化物半導體披覆層212構件，其餘部分所標示的相同標號則與前述圖20中的相同，不再贅述。並且，同樣地，發光二極體500可視元件需求而將一反射層設置於右方第一疊層的接觸層310與接合層330之間，或者設置承載基板340鄰接於左方第二疊層的表面上，本發明並不以此為限。

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，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

200、200A-200I、300、400、500‧‧‧發光二極體

210‧‧‧基板

212‧‧‧氮化物半導體披覆層

220‧‧‧N型半導體層

222‧‧‧第一N型摻雜氮化鎵層

224‧‧‧第二N型摻雜氮化鎵層

230‧‧‧主動層

230A‧‧‧單一量子井層主動層

230B‧‧‧多重量子井層主動層

232、232a、232b、232c、232d、232e、232f‧‧‧量子阻障層

234、234a、234b、234c、234d、234e‧‧‧量子井層

240‧‧‧P型半導體層

242‧‧‧第一P型摻雜氮化鎵層

244‧‧‧第二P型摻雜氮化鎵層

250‧‧‧第一電極

260‧‧‧第二電極

270、270A、270B、270C、270D、270E、270F、270G、270H‧‧‧電子阻障層

280、280B、280C、280D、280E、280G、280H‧‧‧中間層

310‧‧‧接觸層

320‧‧‧反射層

330‧‧‧接合層

340‧‧‧承載基板

圖1A為本發明之一實施例中一種發光二極體的剖面示意圖，圖1B為圖1A中局部膜層的放大圖。

圖2A為本發明一實施例之發光二極體中一種單一量子井層主動層的剖面示意圖。

圖2B為本發明一實施例之發光二極體中一種多重量子井層主動層的剖面示意圖。

圖3為發光二極體之主動層的放大剖面示意圖。

圖4A至圖4D分別為本發明第一實施例中各發光二極體的結構型態示意圖。

圖5A至圖5D分別為前述圖4A至圖4D之發光二極體的幾種發光二極體的結構圖。

圖6A與圖6B分別為前述圖4A至圖4D中各發光二極體的導電帶以及價電帶在350mA電流注入圖。

圖7A至圖7D分別表示圖4A至圖4D中各發光二極體的電子模擬圖。

圖8A至圖8D則分別表示圖4A至圖4D中各發光二極體的電洞濃度模擬圖。

圖9A至圖9D分別進一步表示圖4A至圖4D中各發光二極體的輻射複合機率圖。

圖10表示圖4A至圖4D中各發光二極體的電子電流密度圖。

圖11表示圖4A至圖4D中各發光二極體的光強度模擬圖。

圖12表示發光二極體中主動層最靠近P型半導體層的量子阻障層與P型半導體層之間的鋁含量變化。

圖13A至圖13D分別為本發明第二實施例中各發光二極體的結構型態示意圖。

圖14表示圖13A至圖13D中各發光二極體的光強度模擬圖。

圖15A至圖15D分別為前述圖13A至圖13D中各發光二極體的導電帶以及價電帶在350mA電流注入圖。

圖16A至圖16D分別表示圖13A至圖13D中各發光二極體的載子模擬圖。

圖17A至圖17D分別進一步表示圖13A至圖13D中各發光二極體的輻射複合機率圖。

圖18表示本發明第二實施例中一種發光二極體的結構型態示意圖。

圖19為本發明之發光二極體的一種實施型態。

圖20為本發明之發光二極體的另一種實施型態。

圖21為本發明之發光二極體的再一種實施型態。

200‧‧‧發光二極體