發(fā)光元件及其制造方法
【專利摘要】一種發(fā)光元件及其制造方法。該發(fā)光元件，至少包含：第一電性半導(dǎo)體層；第二電性半導(dǎo)體層；以及有源層，位于該第一電性半導(dǎo)體層與該第二電性半導(dǎo)體層之間，且該有源層包括由多個(gè)勢(shì)壘層與多個(gè)阱層交錯(cuò)堆疊而形成的多重量子阱結(jié)構(gòu)，其中該多個(gè)勢(shì)壘層分別包含至少一個(gè)次勢(shì)壘層。上述的元件可增加空穴和電子結(jié)合的機(jī)率，提高發(fā)光效率。
【專利說明】發(fā)光元件及其制造方法
[0001]本申請(qǐng)是申請(qǐng)日為2009年12月21日且發(fā)明名稱為“發(fā)光元件及其制造方法”的中國發(fā)明專利申請(qǐng)200910260838.3的分案申請(qǐng)。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及發(fā)光元件，尤其是一種具有多重量子阱結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管元件。
【背景技術(shù)】
[0003]發(fā)光二極管(Light Emitting Diode,LED)由于具有體積小、壽命長(zhǎng)、驅(qū)動(dòng)電壓低、耗電量低、反應(yīng)速度快、耐震性佳等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于如汽車、電腦、通訊與消費(fèi)電子產(chǎn)品等領(lǐng)域中。
[0004]一般而言，發(fā)光二極管具有源層(active layer)，置于兩種不同電性的束縛層(p-type&n-type cladding layers)之間。當(dāng)于兩束縛層上方的電極施加驅(qū)動(dòng)電流時(shí),兩束縛層的電子與空穴會(huì)注入有源層，在有源層中結(jié)合而放出光線，其光線具全向性，會(huì)于發(fā)光二極管元件的各個(gè)表面射出。通常，有源層可為單一量子阱結(jié)構(gòu)層(SQW)或多重量子阱結(jié)構(gòu)層(MQW)。與單一量子阱結(jié)構(gòu)層(SQW)相較，多重量子阱結(jié)構(gòu)層(MQW)具有優(yōu)選的光電轉(zhuǎn)換效率，即使在電流很小時(shí)，它仍可以透過許多勢(shì)壘層及阱層堆疊而成的小能隙結(jié)構(gòu)，將電流轉(zhuǎn)換為光線。
[0005]然而，多重量子阱結(jié)構(gòu)層容易受到載流子溢流與壓電場(chǎng)效應(yīng)的影響，使電子、空穴難以有效地被局限于多重量子阱結(jié)構(gòu)中進(jìn)行結(jié)合，因而使發(fā)光二極管的發(fā)光效率難以提升。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提出一種發(fā)光元件，包含η型束縛層；？型束縛層；以及有源層，位于η型束縛層與P型束縛層之間。有源層是由多個(gè)勢(shì)壘層與多個(gè)阱層交錯(cuò)堆疊而形成的多重量子阱結(jié)構(gòu)。
[0007]本發(fā)明提出的發(fā)光元件包含一種多重量子阱結(jié)構(gòu)，在勢(shì)壘層摻雜P型雜質(zhì)以增加空穴數(shù)目，其中越靠近η型束縛層的勢(shì)壘層摻雜濃度越低，越靠近P型束縛層的勢(shì)壘層摻雜濃度越高，以形成具漸變式摻雜濃度的勢(shì)壘層結(jié)構(gòu)。
[0008]本發(fā)明提出一種多重量子阱結(jié)構(gòu)，其中于勢(shì)壘層摻雜的P型雜質(zhì)可為鎂，摻雜濃度為 IXlO16 ?5 X IO1Vcm3。
[0009]本發(fā)明提出一種多重量子阱結(jié)構(gòu)，其中勢(shì)壘層由氮化鎵(GaN)所組成，阱層由氮化銦鎵(InxGa1-JO < χ < I)所組成。
[0010]本發(fā)明提出一種多重量子阱結(jié)構(gòu)，其中每一層勢(shì)壘層包含至少一個(gè)次勢(shì)壘層，且每一層勢(shì)壘層由氮化銦鎵(InGaN)所組成，次勢(shì)壘層由氮化鎵(GaN)所組成。于次勢(shì)壘層摻雜P型雜質(zhì)以增加空穴數(shù)目。其摻雜的P型雜質(zhì)可為鎂，摻雜濃度為I X IO16?5 X IO17/
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cm ο[0011]本發(fā)明提出一種發(fā)光元件，至少包含:第一電性半導(dǎo)體層；第二電性半導(dǎo)體層；以及有源層，位于該第一電性半導(dǎo)體層與該第二電性半導(dǎo)體層之間，且該有源層包括由多個(gè)勢(shì)壘層與多個(gè)阱層交錯(cuò)堆疊而形成的多重量子阱結(jié)構(gòu)，其中該多個(gè)勢(shì)壘層分別包含至少一個(gè)次勢(shì)壘層。
[0012]本發(fā)明提出一種發(fā)光元件的制造方法，其步驟包含:
[0013]提供第一電性半導(dǎo)體層；成長(zhǎng)有源層于該第一電性半導(dǎo)體層上；以及成長(zhǎng)第二電性半導(dǎo)體層于該有源層上；其中該有源層包括彼此交錯(cuò)堆疊的多個(gè)勢(shì)壘層與多個(gè)阱層，且該多個(gè)勢(shì)壘層分別包含至少一個(gè)次勢(shì)壘層。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例將于實(shí)施方式的說明文字中輔以下列附圖做更詳細(xì)的說明:
[0015]圖1描述本發(fā)明實(shí)施例一的外延結(jié)構(gòu)I的示意圖。
[0016]圖2描述本發(fā)明實(shí)施例二的外延結(jié)構(gòu)2的示意圖。
[0017]圖3描述本發(fā)明實(shí)施例三的外延結(jié)構(gòu)3的示意圖。
[0018]附圖標(biāo)記說明
[0019]1、2、3:外延結(jié)構(gòu)
[0020]10:成長(zhǎng)基板
[0021]20:緩沖層
[0022]30:n型束縛層
[0023]40:有源層
[0024]40A:勢(shì)壘層
[0025]40B:阱層
[0026]40a:次勢(shì)壘層
[0027]AOa1、40a2、、、40an:次勢(shì)壘層
[0028]50:p型束縛層
【具體實(shí)施方式】
[0029]本發(fā)明第一實(shí)施例披露關(guān)于一種包含有源層的發(fā)光元件。其有源層是由多個(gè)勢(shì)壘層與多個(gè)阱層交錯(cuò)堆疊而形成多重量子阱結(jié)構(gòu)，其中于勢(shì)壘層摻雜P型雜質(zhì)以增加空穴數(shù)目，且越靠近η型束縛層的勢(shì)壘層摻雜濃度越低，越靠近P型束縛層的勢(shì)壘層摻雜濃度越高，以形成具漸變式摻雜濃度的勢(shì)壘層結(jié)構(gòu)。為了使本實(shí)施例的敘述更加詳盡與完備，可配合圖1的附圖，參照下列描述。
[0030]圖1揭示符合本發(fā)明發(fā)光元件的外延結(jié)構(gòu)的第一實(shí)施例，外延結(jié)構(gòu)I包括成長(zhǎng)基板10、緩沖層20形成于成長(zhǎng)基板10之上、η型束縛層(cladding layer) 30形成于緩沖層20之上、有源層(active layer) 40形成于η型束縛層30之上、以及ρ型束縛層50形成于有源層40之上。形成外延結(jié)構(gòu)I的方法包括提供成長(zhǎng)基板10 ;接著，在成長(zhǎng)基板10上以有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積法(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition)于第一成長(zhǎng)條件下外延成長(zhǎng)緩沖層20，在完成緩沖層20的成長(zhǎng)后，在第二成長(zhǎng)條件下成長(zhǎng)η型束縛層30。于完成η型束縛層30成長(zhǎng)，在第三成長(zhǎng)條件下成長(zhǎng)有源層40，并于第四成長(zhǎng)條件下成長(zhǎng)ρ型束縛層50以形成發(fā)光元件的外延結(jié)構(gòu)。其中，緩沖層20的晶格常數(shù)介于η型束縛層30與成長(zhǎng)基板10之間，可提高外延品質(zhì)及降低晶格缺陷。于本發(fā)明的定義，“成長(zhǎng)條件”一詞為包括至少一工藝參數(shù)設(shè)定值選自于溫度、壓力及氣體流量、及其他工藝參數(shù)設(shè)定值所組成的群組。其中于第三之一成長(zhǎng)條件下成長(zhǎng)的有源層40是由多個(gè)勢(shì)壘層404、40Α2、、、40Αη(η > I)與多個(gè)阱層40Β交錯(cuò)堆疊而形成的多重量子阱結(jié)構(gòu)。于本實(shí)施例中，其中勢(shì)壘層AOk1AOk2 AOkn由氮化鎵(GaN)所組成，阱層40Β由氮化銦鎵(InxGa1 xN7O < χ < I)所組成。于勢(shì)壘層摻雜例如鎂(Mg)的ρ型雜質(zhì)以增加空穴數(shù)目，且越靠近η型束縛層30的勢(shì)壘層摻雜濃度越低，越靠近P型束縛層50的勢(shì)壘層摻雜濃度較越高，以形成具漸變式摻雜濃度的勢(shì)壘層結(jié)構(gòu)，其摻雜濃度范圍介于為IXlO16?5Χ IO1Vcm3之間。此種多重量子阱結(jié)構(gòu)至少可達(dá)到下列功效:1.越靠近P型束縛層的勢(shì)壘層摻雜濃度越高，可以增加空穴注入量子阱的效率。2.越靠近η型束縛層的勢(shì)壘層摻雜濃度越低，對(duì)于電子可造成阻擋的效果，避免大量電子溢流至P偵U。
[0031]本發(fā)明第二實(shí)施例披露關(guān)于一種包含有源層的發(fā)光元件。其有源層是由多個(gè)勢(shì)壘層與多個(gè)阱層交錯(cuò)堆疊而形成的多重量子阱結(jié)構(gòu)，其中每一層勢(shì)壘層包含至少一個(gè)次勢(shì)壘層，以形成具有次勢(shì)壘層的發(fā)光元件。為了使本實(shí)施例的敘述更加詳盡與完備，可配合圖2的附圖，參照下列描述。圖2揭示符合本發(fā)明發(fā)光元件的外延結(jié)構(gòu)的第二實(shí)施例，外延結(jié)構(gòu)2與外延結(jié)構(gòu)I比較，除了有源層(active layer) 40結(jié)構(gòu)不同外,其余各層結(jié)構(gòu)與成長(zhǎng)條件相同。其中于第三之二成長(zhǎng)條件下成長(zhǎng)的有源層40是由多個(gè)勢(shì)壘層40A與多個(gè)阱層40B交錯(cuò)堆疊而形成的多重量子阱結(jié)構(gòu)，其中每一層勢(shì)壘層40A包含至少一個(gè)次勢(shì)壘層40a。于本實(shí)施例中，形成勢(shì)壘層40A的材料為氮化銦鎵(InGa N)，形成次勢(shì)壘層40a的材料為氮化鎵(Ga N)，形成阱層的材料為氮化銦鎵(InxGa1J, O < χ < I)。設(shè)計(jì)此種多重量子阱結(jié)構(gòu)可降低勢(shì)壘層與阱層之間極化電荷所造成的能帶彎曲現(xiàn)象，并可增加電子空穴在量子阱的結(jié)合效率。
[0032]本發(fā)明第三實(shí)施例披露關(guān)于一種包含有源層的發(fā)光元件。其有源層是由多個(gè)勢(shì)壘層與多個(gè)阱層交錯(cuò)堆疊而形成的多重量子阱結(jié)構(gòu)，其中每一層勢(shì)壘層包含至少一個(gè)次勢(shì)壘層，且于次勢(shì)壘層摻雜例如鎂的P型雜質(zhì)以增加空穴數(shù)目，形成具有摻雜P型雜質(zhì)次勢(shì)壘層的發(fā)光元件。為了使本實(shí)施例的敘述更加詳盡與完備，可配合圖3的附圖，參照下列描述。圖3揭示符合本發(fā)明發(fā)光元件的外延結(jié)構(gòu)的第三實(shí)施例，外延結(jié)構(gòu)3與外延結(jié)構(gòu)2比較，除了有源層(active layer)40結(jié)構(gòu)不同外，其余各層結(jié)構(gòu)與成長(zhǎng)條件相同。其中于第三之三成長(zhǎng)條件下成長(zhǎng)的有源層40是由多個(gè)勢(shì)壘層40A與多個(gè)阱層40B交錯(cuò)堆疊而形成的多重量子阱結(jié)構(gòu)，其中每一層勢(shì)壘層40A包含至少一個(gè)次勢(shì)壘層{OaidOay'dOaJn > I)。于本實(shí)施例中，形成勢(shì)壘層40A的材料為氮化銦鎵(InGaN)，形成次勢(shì)壘層40a1、40a2、 、40an的材料為氮化鎵(GaN)，且摻雜例如鎂的ρ型雜質(zhì)，其中摻雜濃度可以相同或越靠近η型束縛層30的次勢(shì)壘層摻雜濃度越低，越靠近ρ型束縛層50的次勢(shì)壘層摻雜濃度較越高，以形成具漸變式摻雜濃度的次勢(shì)壘層結(jié)構(gòu)，其摻雜濃度范圍介于為IX IO16?5Χ IO1Vcm3之間。形成阱層的材料為氮化銦鎵(InxGai_xN，O < χ < I)。設(shè)計(jì)此種多重量子阱結(jié)構(gòu)可降低勢(shì)壘層與阱層之間極化電荷所造成的能帶彎曲現(xiàn)象，并可增加電子空穴在量子阱的結(jié)合效率。
[0033]上述的諸實(shí)施例，其中，所述的緩沖層、η型束縛層、ρ型束縛層、以及有源層的材料包含II1-V族化合物，例如氮化鎵系列或磷化鎵系列的材料。所述的成長(zhǎng)基板例如為包括至少一種材料選自于藍(lán)寶石、碳化硅、氮化鎵、以及氮化鋁所組成的群組。所述的緩沖層、η型束縛層、以及ρ型束縛層可為單層或多層結(jié)構(gòu)，例如為超晶格結(jié)構(gòu)。另外，本發(fā)明的所述的發(fā)光外延結(jié)構(gòu)并不限于以成長(zhǎng)方式成長(zhǎng)所述的成長(zhǎng)基板之上，其他形成方式，例如以接合方式直接接合或通過介質(zhì)接合至導(dǎo)熱或?qū)щ娀逡鄬俦景l(fā)明的范圍。
[0034]雖然本發(fā)明已以優(yōu)選實(shí)施例披露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何本發(fā)明所屬【技術(shù)領(lǐng)域】中普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作各種的更動(dòng)與潤(rùn)飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視所附的權(quán)利要求所界定為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種發(fā)光元件，至少包含: 第一電性半導(dǎo)體層； 第二電性半導(dǎo)體層；以及 有源層，位于該第一電性半導(dǎo)體層與該第二電性半導(dǎo)體層之間，且該有源層包括由多個(gè)勢(shì)壘層與多個(gè)阱層交錯(cuò)堆疊而形成的多重量子阱結(jié)構(gòu)，其中該多個(gè)勢(shì)壘層分別包含至少一個(gè)次勢(shì)壘層。
2.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光元件，其中該第一電性半導(dǎo)體層為η型，該第二電性半導(dǎo)體層為P型。
3.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光元件，其中該至少一個(gè)次勢(shì)壘層由氮化鎵所組成，該多個(gè)勢(shì)壘層由氮化銦鎵所組成，該多個(gè)阱層由氮化銦鎵InxGahN所組成，0〈χ〈I。
4.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光元件,其中該次勢(shì)壘層摻雜P型雜質(zhì)。
5.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光元件，其中該多個(gè)勢(shì)壘層中的各個(gè)該次勢(shì)壘層的摻雜濃度可相同。
6.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光元件，其中該次勢(shì)壘層的雜質(zhì)濃度越靠近該第一電性半導(dǎo)體層濃度越低，越靠近該第二電性半導(dǎo)體層濃度越高。
7.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光元件，其中該多個(gè)勢(shì)壘層中的各該次勢(shì)壘層的摻雜濃度在該第一電性半導(dǎo)體與該第二電性半導(dǎo)體層間漸變。
8.一種發(fā)光元件的制造方法，其步驟包含: 提供第一電性半導(dǎo)體層； 成長(zhǎng)有源層于該第一電性半導(dǎo)體層上；以及 成長(zhǎng)第二電性半導(dǎo)體層于該有源層上； 其中該有源層包括彼此交錯(cuò)堆疊的多個(gè)勢(shì)壘層與多個(gè)阱層，且該多個(gè)勢(shì)壘層分別包含至少一個(gè)次勢(shì)壘層。
9.如權(quán)利要求8所述的制造方法，其中該多個(gè)勢(shì)壘層中的各該次勢(shì)壘層的摻雜濃度可相同。
10.如權(quán)利要求8所述的制造方法，其中該多個(gè)勢(shì)壘層中的各該次勢(shì)壘層的摻雜濃度在該第一電性半導(dǎo)體與該第二電性半導(dǎo)體層間漸變。
【文檔編號(hào)】H01L33/06GK103441196SQ201310309950
【公開日】2013年12月11日 申請(qǐng)日期:2009年12月21日 優(yōu)先權(quán)日:2009年12月21日
【發(fā)明者】顏勝宏, 蔡孟倫, 蔡清富 申請(qǐng)人:晶元光電股份有限公司