CN101640236A - 组合式电子阻挡层发光元件 - Google Patents

Abstract

一种组合式电子阻挡层发光元件，可具有一有源发光层、一n型氮化镓层、以及一p型氮化镓层、以及两种能隙不同的三五族半导体层，具有周期性地重复沉积在上述有源发光层上，以作为一势垒较高的电子阻挡层，用以阻挡过多电子溢流有源发光层。本发明可以实现通过电子阻挡层阻挡电子溢流，以增加电子与空穴在有源发光层复合的机率，放出光子并且通过晶格大小不同的三五族半导体层的组合，提供应力补偿，以减少其与有源发光层之间应力的累积。

Description

组合式电子阻挡层发光元件

技术领域

本发明涉及一种电子产品，尤其涉及一种发光元件。

背景技术

在发光元件的操作过程中，电子溢流的现象，不仅会降低元件的发光效率，连带的也会造成温度的上升，影响元件的使用寿命。因此，在制造发光元件时，如何有效降低电子溢流，是非常重要的一个环节。

图1示出一种使用氮化镓系半导体的传统形式的发光元件剖面示意图。请参阅图1，传统形式的发光元件具有n型氮化镓层102、有源发光层1 12、以及p型氮化镓层122。

图2示出根据图1的各层能隙的能量示意图。其中，图2上方所描绘的，是电子所走的路径能量。图2下方所描绘的，是空穴所走的路径能量。一般而言，上述的电子迁移率会比空穴大，浓度也会比空穴多。因此，到接近p型氮化镓层122时，会有过多电子(e^-，见图2上方)溢流有源发光层112的现象。电子溢流的现象，会减少辐射复合的机率。

美国专利第7067838号以及美国专利第7058105号，分别提出一种使用氮化镓系半导体的发光元件。这些发光元件具有阻挡层，其能隙能量大于其他层的能隙能量，用以减少电子溢流的现象。需要注意的是，这些专利使用氮化铝镓(AlGaN)作为阻挡层。由于氮化铝镓与氮化镓的晶格不匹配，为了提供足够高的势垒阻挡电子溢流，这些元件的铝含量势必也要提高。然而，铝含量提高，相对使发光元件所受的应力也就越大。当超过一定的临界厚度(critical thickness)，便会释放应力(strain release)，而造成元件崩裂(crack)。此外，铝含量越高，晶格品质越差，对于氮化铝镓的空穴浓度提升相对也显得困难。

因此，有必要提出一种发光元件，既能减少电子溢流的现象，同时也避免上述应力释放的缺失。

发明内容

本发明提供一种组合式电子阻挡层发光元件，可具有一有源发光层、一n型氮化镓层、以及一p型氮化镓层。上述组合式电子阻挡层发光元件，可还包括第一种三五族半导体层，以及第二种三五族半导体层。这两种三五族半导体层，能隙不同，且具有周期性地重复沉积在上述有源发光层上，以作为一势垒较高的电子阻挡层，用以阻挡过多电子溢流有源发光层。

本发明提供一种组合式电子阻挡层发光元件，包括：一基板；一缓冲层，位在该基板上；一n型氮化镓层，位在该缓冲层上；一有源发光层，位在该n型氮化镓层上；两种能隙不同的三五族半导体层，具有周期性地重复沉积在该有源发光层上；以及一p型氮化镓层，位在该些三五族半导体层上。

本发明还提供一种组合式电子阻挡层发光元件，包括：一有源发光层；以及一组合式外延结构，由一第一氮化铝铟镓(Al_xIn_yGa_1-x-yN)层以及一第二氮化铝铟镓(Al_uIn_vGa_1-u-vN)层所组合而成，其中0＜x≤1，0≤y＜1，x+y≤1，0≤u＜1，0≤v≤1以及u+v≤1。

本发明的优点之一，在于其电子阻挡层可阻挡电子溢流，增加电子与空穴在有源发光层复合的机率，放出光子。此外，晶格大小不同的三五族半导体层的组合，有应力补偿的效果，可以减少其与有源发光层之间应力的累积。

附图说明

图1示出一种使用氮化镓系半导体的传统形式的发光元件剖面示意图；

图2示出根据图1的各层能隙的能量示意图；

图3示出根据本发明一较佳实施例的一种组合式电子阻挡层发光元件的剖面示意图；以及

图4示出根据图3的各层能隙的能量示意图。

其中，附图标记说明如下：

102n型氮化镓层

112有源发光层

122p型氮化镓层

212有源发光层

202n型氮化镓层

222p型氮化镓层

230电子阻挡层、组合式外延结构

232第一氮化铝铟镓层

332第一氮化铝铟镓层的能隙

234第二氮化铝铟镓层

334第二氮化铝铟镓层的能隙

242第三氮化铝铟镓层

244第四氮化铝铟镓层

252第五氮化铝铟镓层

254第六氮化铝铟镓层

262第七氮化铝铟镓层

264第八氮化铝铟镓层

410基板

420缓冲层

具体实施方式

本发明在此所探讨的方向为一种发光元件。为了能彻底地了解本发明，将在下列的描述中提出详尽的结构元件。显然地，本发明的施行并未限定发光元件的本领域普通技术人员所公知的特殊细节。另一方面，众所周知的元件并未描述于细节中，以避免造成本发明不必要的限制。本发明的较佳实施例会详细描述如下，然而除了这些详细描述之外，本发明还可以广泛地施行在其他的实施例中，且本发明的范围不受限定，以其之后的权利要求的范围为准。

图3示出根据本发明一较佳实施例的一种组合式电子阻挡层发光元件的剖面示意图。图4示出根据图3的各层能隙的能量示意图。请参阅图3以及图4的组合式电子阻挡层发光元件，可具有一基板410、一缓冲层420位在该基板410上、一n型氮化镓层202位在该缓冲层420上、一有源发光层212、以及一p型氮化镓层222。有源发光层212内可以有多个电子，图4则以一个电子(e^-)作为示例。

上述基板的材料，可以是蓝宝石(Sapphire)、碳化硅(SiC)、硅(Si)、氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)、偏铝酸锂(LiAlO₂)、镓酸锂(LiGaO₂)、或氧化硅(ZnO)

上述组合式电子阻挡层发光元件，可还包括第一种三五族半导体层232、242，以及第二种三五族半导体层234、244。这两种三五族半导体层，能隙不同，且具有周期性地重复沉积在上述有源发光层212上，以作为一势垒较高的电子阻挡层230(势垒高于有源发光层的势垒)，用以阻挡过多电子(e^-)溢流有源发光层212。

请参阅图4，上述电子阻挡层230是位于p型氮化镓层222以及有源发光层212之间。当电子(e^-)在遇到势垒够高的电子阻挡层230时，就像遇到一道墙，会被弹回有源发光层212的量子井内，而与空穴复合，放出光子。因此，本发明的电子阻挡层230，可以增加电子空穴复合率，避免发生过多电子溢流的现象。

另外，值得注意的是，两层晶格大小不同的三五族半导体层232、234的组合，有应力补偿的效果，可以减少与有源发光层212之间的应力。

上述电子阻挡层230，也可说是一种组合式外延结构230。上述组合式外延结构230，可以由一第一氮化铝铟镓(Al_xIn_yGa_1-x-yN)层232以及一第二氮化铝铟镓(Al_uIn_vGa_1-u-vN)层234所组合而成，以此重复沉积至少两次。其中，0＜x≤1，0≤y＜1，x+y≤1，0≤u＜1，0≤v≤1以及u+v≤1。当 x＝u时，y≠v。上述组合式外延结构230也能有效提升空穴浓度。

请参阅图3，上述第一氮化铝铟镓层232具有一第一厚度，上述第二氮化铝铟镓层234具有一第二厚度。其中，第一氮化铝铟镓层232在下，其能隙332(如图4所示)较大。第二氮化铝铟镓层234在上，其能隙334较小。这两种氮化铝铟镓层232、234的不同之处，在于其氮、镓、铟、铝四种元素的比例不同。设定不同比例的目的之一，在于使第一氮化铝铟镓层232的能隙332，可以高于第二氮化铝铟镓层234的能隙334。一般而言，铝元素的比例增加，能隙会提高；铟元素的比例增加，能隙会降低。

铟元素在上述第一氮化铝铟镓层232以及上述第二氮化铝铟镓层234中，有其重要性。因为，若没有铟元素，铝元素对有源发光层而言，晶格常数的差异较大，容易发生传统的应力释放问题。有了铟元素比例存在，可使本发明电子阻挡层230的晶格结构，不至于与有源发光层212的晶格结构差距过大，可减少应力累积的问题。

上述组合式外延结构230，必须包括一第三氮化铝铟镓层242以及上述第四氮化铝铟镓层244。上述第三氮化铝铟镓层242具有一第三厚度，上述第四氮化铝铟镓层244具有一第四厚度，且其中上述第三厚度加上第四厚度，等于上述第一厚度加上上述第二厚度。

上述组合式外延结构，可还包括一第五氮化铝铟镓层252、上述第六氮化铝铟镓层254、第七氮化铝铟镓层262、以及上述第八氮化铝铟镓层264。其中，第五氮化铝铟镓层252以及第六氮化铝铟镓层254的厚度总值，最好是等于上述第一厚度加上上述第二厚度。此外，第七氮化铝铟镓层262以及第八氮化铝铟镓层264的厚度总值，也最好是等于上述第一厚度加上上述第二厚度。

本发明以上所提及的氮化铝铟镓(AlInGaN)，并非用以限定本发明。所谓的氮化铝铟镓，即使由下列材料替代，仍属本发明的范围：氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)、氮化铟(InN)、氮化铝镓(AlGaN)、氮化铟镓(InGaN)、氮化铝铟(AlInN)。

本发明的优点之一，在于其电子阻挡层可阻挡电子溢流，将电子弹回有源发光层的量子井内，而与空穴复合，放出光子。此外，晶格大小不同的三五族半导体层的组合，有应力补偿的效果，可以减少其与有源发光层之间的应力。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，然其并非用以限定本发明。任何本领域普通技术人员，所作各种更动或修正，仍属本发明的精神和范围。本发明的保护范围应以随附的权利要求的范围为准。

Claims (8)

1.一种组合式电子阻挡层发光元件，包括：

一基板；

一缓冲层，位在该基板上；

一n型氮化镓层，位在该缓冲层上；

一有源发光层，位在该n型氮化镓层上；

两种能隙不同的三五族半导体层，具有周期性地重复沉积在该有源发光层上；以及

一p型氮化镓层，位在该些三五族半导体层上。

2.如权利要求1所述的组合式电子阻挡层发光元件，其中该些三五族半导体层材料为氮化铝铟镓、氮化镓、氮化铝、氮化铟、氮化铝镓、氮化铟镓、或氮化铝铟。

3.一种组合式电子阻挡层发光元件，包括：

一有源发光层；以及

一组合式外延结构，由一第一氮化铝铟镓层以及一第二氮化铝铟镓层所组合而成，其中该第一氮化铝铟镓层为Al_xIn_yGa_1-x-yN层，该第二氮化铝铟镓层为Al_uIn_vGa_1-u-vN层，0＜x≤1，0≤y＜1，x+y≤1，0≤u＜1，0≤v≤1以及u+v≤1。

4.如权利要求3所述的组合式电子阻挡层发光元件，其中当x＝u时，y≠v。

5.如权利要求4所述的组合式电子阻挡层发光元件，其中该第一氮化铝铟镓层具有一第一厚度，该第二氮化铝铟镓层具有一第二厚度。

6.如权利要求5所述的组合式电子阻挡层发光元件，其中该组合式外延结构还包括一第三氮化铝铟镓层以及该第四氮化铝铟镓层。

7.如权利要求6所述的组合式电子阻挡层发光元件，其中该第三氮化铝铟镓层具有一第三厚度，该第四氮化铝铟镓层具有一第四厚度，且其中该第三厚度加上第四厚度，等于该第一厚度加上该第二厚度。

8.如权利要求7所述的组合式电子阻挡层发光元件，其中该组合式外延结构还包括一第五氮化铝铟镓层以及该第六氮化铝铟镓层。

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