TWI566431B

TWI566431B - 組合式電子阻擋層發光元件

Info

Publication number: TWI566431B
Application number: TW097128065A
Authority: TW
Inventors: 吳芃逸; 黃世晟; 凃博閔; 葉穎超; 林文禹; 徐智鵬; 詹世雄
Original assignee: 榮創能源科技股份有限公司
Priority date: 2008-07-24
Filing date: 2008-07-24
Publication date: 2017-01-11
Also published as: TW201005998A; JP2010034549A; US20100019256A1

Description

組合式電子阻擋層發光元件

本發明係關於一種電子產品；尤指一種發光元件。

在發光元件的操作過程中，電子溢流的現象，不僅會降低元件的發光效率，連帶的也會造成溫度的上升，影響元件的使用壽命。因此，在製造發光元件時，如何有效降低電子溢流，是非常重要的一個環節。

第一圖繪示一種使用氮化鎵系半導體，傳統形式的發光元件剖面示意圖。請參閱第一圖，傳統形式的發光元件具有n型氮化鎵層102、主動發光層112、以及p型氮化鎵層122。

第二圖繪示根據第一圖，各層能隙的能量示意圖。其中，第二圖上方所描繪的，是電子所走的路徑能量。第二圖下方所描繪的，是電洞所走的路徑能量。一般而言，上述的電子遷移率會比電洞大，濃度也會比電洞多。因此，到接近p型氮化鎵層122時，會有過多電子(e-；第二圖上方)溢流主動發光層112的現象。電子溢流的現象，會減少輻射複合的機率。

美國專利第7067838號以及美國專利第7058105號，分別提出一種使用氮化鎵系半導體的發光元件。這些發光元件具有阻擋層，其能隙能量大於其他層的能隙能量，用以減少電子溢流的現象。惟應注意的是，這些專利係使用氮化鋁鎵(AlGaN)作為阻擋層。由於氮化鋁鎵與氮化鎵的晶格不匹配，為了提供足夠高的能障阻擋電子溢流，這些元件的鋁含量勢必也要提高。然而，鋁含量提高，相對使發光元件所受的應力也就越大。當超過一定的臨界厚度(critical thickness)，便會釋放應力(strain release)，而造成元件崩裂(crack)。此外，鋁含量越高，晶格品質越差，對於氮化鋁鎵的電洞濃度提升相對也顯得困難。

因此，有必要提出一種發光元件，既能減少電子溢流的現象，同時也避免上述應力釋放的缺失。

本發明提供一種組合式電子阻擋層發光元件，可具有一主動發光層、一n型氮化鎵層、以及一p型氮化鎵層。上述組合式電子阻擋層發光元件，可更包括第一種三五族半導體層，以及第二種三五族半導體層。這兩種三五族半導體層，能隙不同，且係具有週期性地重複沉積在上述主動發光層上，以作為一能障較高的電子阻擋層，用以阻擋過多電子溢流主動發光層。

本發明的優點之一，在於其電子阻擋層可阻擋電子溢流，增加電子與電洞在主動發光層複合的機率，放出光子。此外，晶格大小不同的三五族半導體層的組合，有應力補償之效果，可以減少其與主動發光層之間應力的累積。

102‧‧‧n型氮化鎵層

112‧‧‧主動發光層

122‧‧‧p型氮化鎵層

212‧‧‧主動發光層

202‧‧‧n型氮化鎵層

222‧‧‧p型氮化鎵層

230‧‧‧電子阻擋層、組合式磊晶結構

232‧‧‧第一氮化鋁銦鎵層

332‧‧‧第一氮化鋁銦鎵層的能隙

234‧‧‧第二氮化鋁銦鎵層

334‧‧‧第二氮化鋁銦鎵層的能隙

242‧‧‧第三氮化鋁銦鎵層

244‧‧‧第四氮化鋁銦鎵層

252‧‧‧第五氮化鋁銦鎵層

254‧‧‧第六氮化鋁銦鎵層

262‧‧‧第七氮化鋁銦鎵層

264‧‧‧第八氮化鋁銦鎵層

410‧‧‧基板

420‧‧‧緩衝層

第一圖繪示一種使用氮化鎵系半導體，傳統形式的發光元件剖面示意圖；第二圖繪示根據第一圖，各層能隙的能量示意圖；第三圖繪示根據本發明一較佳實施例，一種組合式電子阻擋層發光元件的剖面示意圖；以及第四圖繪示根據第三圖，各層能隙的能量示意圖。

本發明在此所探討的方向為一種發光元件。為了能徹底地瞭解本發明，將在下列的描述中提出詳盡的結構元件。顯然地，本發明的施行並未限定發光元件之技藝者所熟習的特殊細節。另一方面，眾所周知的元件並未描述於細節中，以避免造成本發明不必要之限制。本發明的較佳實施例會詳細描述如下，然而除了這些詳細描述之外，本發明還可以廣泛地施行在其他的實施例中，且本發明的範圍不受限定，其以之後的申請專利範圍為準。

第三圖繪示根據本發明一較佳實施例，一種組合式電子阻擋層發光元件的剖面示意圖。第四圖繪示根據第三圖，各層能隙的能量示意圖。請參閱第三圖以及第四圖，組合式電子阻擋層發光元件，可具有一基板410、一緩衝層420位在該基板410上、一n型氮化鎵層202位在該緩衝層420上、一主動發光層212、以及一p型氮化鎵層222。主動發光層212內可以有複數個電子，第四圖則以一個電子(e-)作為示例。

上述基板的材料，可以是藍寶石(Sapphire)、碳化矽(SiC)、矽(Si)、氮化鎵(GaN)、氮化鋁(AlN)、偏鋁酸鋰(LiAlO2)、鎵酸鋰(LiGaO2)、或氧化矽(ZnO)

上述組合式電子阻擋層發光元件，可更包括第一種三五族半導體層232、242，以及第二種三五族半導體層234、244。這兩種三五族半導體層，能隙不同，且係具有週期性地重複沉積在上述主動發光層212上，以作為一能障較高的電子阻擋層230(能障高於主動發光層的能障)，用以阻擋過多電子(e-)溢流主動發光層212。

請參閱第四圖，上述電子阻擋層230，係位在p型氮化鎵層222以及主動發光層212之間。當電子(e-)在遇到能障夠高的電子阻擋層230時，就像遇到一道牆，會被彈回主動發光層212的量子井內，而與電洞複合，放出光子。因此，本發明的電子阻擋層230，可以增加電子電洞複合率，避免發生過多電子溢流的現象。

另外，值得注意的是，兩層晶格大小不同的三五族半導體層232、234的組合，有應力補償之效果，可以減少與主動發光層212之間的應力。

上述電子阻擋層230，也可說是一種組合式磊晶結構230。上述組合式磊晶結構230，可以由一第一氮化鋁銦鎵(AlxInyGa1-x-yN)層232以及一第二氮化鋁銦鎵(AluInvGa1-u-vN)層234所組合而成，以此重複沉積至少兩次。其中，0<x≦1，0≦y<1，x+y≦1，0≦u<1，0≦v≦1以及u+v≦1。當x=u時，y≠v。上述組合式磊晶結構230也能有效提升電洞濃度。

請參閱第三圖，上述第一氮化鋁銦鎵層232具有一第一厚度，上述第二氮化鋁銦鎵層234具有一第二厚度。其中，第一氮化鋁銦鎵層232在下，其能隙332(第四圖)較大。第二氮化鋁銦鎵層234在上，其能隙334較小。這兩種氮化鋁銦鎵層232、234的不同之處，在於其氮、鎵、銦、鋁四種元素的比例不同。設定不同比例的目的之一，在於使第一氮化鋁銦鎵層232的能隙332，可以高於第二氮化鋁銦鎵層234的能隙334。一般而言，鋁元素的比例增加，能隙會提高；銦元素的比例增加，能隙會降低。

銦元素在上述第一氮化鋁銦鎵層232以及上述第二氮化鋁銦鎵層234中，有其重要性。因為，若沒有銦元素，鋁元素對主動發光層而言，晶格常數的差異較大，容易發生傳統的應力釋放問題。有了銦元素比例存在，可使本發明電子阻擋層230的晶格結構，不至於與主動發光層212的晶格結構差距過大，可減少應力累積的問題。

上述組合式磊晶結構230，必須包括一第三氮化鋁銦鎵層242以及上述第四氮化鋁銦鎵層244。上述第三氮化鋁銦鎵層242具有一第三厚度，上述第四氮化鋁銦鎵層244具有一第四厚度，且其中上述第三厚度加上第四厚度，等於上述第一厚度加上上述第二厚度。

上述組合式磊晶結構，可更包括一第五氮化鋁銦鎵層252、上述第六氮化鋁銦鎵層254、第七氮化鋁銦鎵層262、以及上述第八氮化鋁銦鎵層264。其中，第五氮化鋁銦鎵層252以及第六氮化鋁銦鎵層254的厚度總值，最好是等於上述第一厚度加上上述第二厚度。此外，第七氮化鋁銦鎵層262以及第八氮化鋁銦鎵層264的厚度總值，也最好是等於上述第一厚度加上上述第二厚度。

本發明以上所提及的氮化鋁銦鎵(AlInGaN)，並非用以限定本發明。所謂的氮化鋁銦鎵，即使由下列材料替代，仍屬本發明的範圍：氮化鎵(GaN)、氮化鋁(AlN)、氮化銦(InN)、氮化鋁鎵(AlGaN)、氮化銦鎵(InGaN)、氮化鋁銦(AlInN)。

本發明的優點之一，在於其電子阻擋層可阻擋電子溢流，將電子彈回主動發光層的量子井內，而與電洞複合，放出光子。此外，晶格大小不同的三五族半導體層的組合，有應力補償之效果，可以減少其與主動發光層之間的應力。

雖然本發明已以較佳實施例揭示如上，然其並非用以限定本發明。任何熟習此技藝者，所作各種更動或修正，仍屬本發明的精神和範圍。本發明之保護範圍，視後附之申請專利範圍所界定者為準。