CN102104094B - 发光元件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种发光元件及其制造方法。该发光元件包含n型束缚层；p型束缚层；以及有源层，位于n型束缚层与p型束缚层之间，有源层是由多个势垒层与多个阱层交错堆叠而形成的多重量子阱结构。于势垒层掺杂p型杂质以增加空穴数目，其中越靠近n型束缚层的势垒层掺杂浓度越低，越靠近p型束缚层的势垒层掺杂浓度越高，以形成具渐变式掺杂浓度的势垒层结构。上述的元件可增加空穴和电子结合的几率，提高发光效率。

Description

发光元件及其制造方法

技术领域

本发明涉及发光元件，尤其是一种具有多重量子阱结构的发光二极管元件。

背景技术

发光二极管(Light Emitting Diode，LED)由于具有体积小、寿命长、驱动电压低、耗电量低、反应速度快、耐震性佳等优点，已被广泛应用于如汽车、电脑、通讯与消费电子产品等领域中。

一般而言，发光二极管具有源层(active layer)，置于两种不同电性的束缚层(p-type & n-type cladding layers)之间。当于两束缚层上方的电极施加驱动电流时，两束缚层的电子与空穴会注入有源层，在有源层中结合而放出光线，其光线具全向性，会于发光二极管元件的各个表面射出。通常，有源层可为单一量子阱结构层(SQW)或多重量子阱结构层(MQW)。与单一量子阱结构层(SQW)相较，多重量子阱结构层(MQW)具有优选的光电转换效率，即使在电流很小时，它仍可以透过许多势垒层及阱层堆叠而成的小能隙结构，将电流转换为光线。

然而，多重量子阱结构层容易受到载流子溢流与压电场效应的影响，使电子、空穴难以有效地被局限于多重量子阱结构中进行结合，因而使发光二极管的发光效率难以提升。

发明内容

本发明提出一种发光元件，包含n型束缚层；p型束缚层；以及有源层，位于n型束缚层与p型束缚层之间。有源层是由多个势垒层与多个阱层交错堆叠而形成的多重量子阱结构。

本发明提出的发光元件包含一种多重量子阱结构，在势垒层掺杂p型杂质以增加空穴数目，其中越靠近n型束缚层的势垒层掺杂浓度越低，越靠近p型束缚层的势垒层掺杂浓度越高，以形成具渐变式掺杂浓度的势垒层结构。

本发明提出一种多重量子阱结构，其中于势垒层掺杂的p型杂质可为镁，掺杂浓度为1×10¹⁶～5×10¹⁷/cm³。

本发明提出一种多重量子阱结构，其中势垒层由氮化镓(GaN)所组成，阱层由氮化铟镓(In_xGa_1-xN，0＜x＜1)所组成。

本发明提出一种多重量子阱结构，其中每一层势垒层包含至少一个次势垒层，且每一层势垒层由氮化铟镓(InGaN)所组成，次势垒层由氮化镓(GaN)所组成。于次势垒层掺杂p型杂质以增加空穴数目。其掺杂的p型杂质可为镁，掺杂浓度为1×10¹⁶～5×10¹⁷/cm³。

附图说明

本发明的优选实施例将于实施方式的说明文字中辅以下列附图做更详细的说明：

图1描述本发明实施例一的外延结构1的示意图。

图2描述本发明实施例二的外延结构2的示意图。

图3描述本发明实施例三的外延结构3的示意图。

附图标记说明

1、2、3：外延结构

10：成长基板

20：缓冲层

30：n型束缚层

40：有源层

40A：势垒层

40B：阱层

40a：次势垒层

40a₁、40a₂、、、40a_n：次势垒层

50：p型束缚层

具体实施方式

本发明第一实施例披露关于一种包含有源层的发光元件。其有源层是由多个势垒层与多个阱层交错堆叠而形成多重量子阱结构，其中于势垒层掺杂p型杂质以增加空穴数目，且越靠近n型束缚层的势垒层掺杂浓度越低，越靠近p型束缚层的势垒层掺杂浓度越高，以形成具渐变式掺杂浓度的势垒层结构。为了使本实施例的叙述更加详尽与完备，可配合图1的附图，参照下列描述。

图1揭示符合本发明发光元件的外延结构的第一实施例，外延结构1包括成长基板10、缓冲层20形成于成长基板10之上、n型束缚层(claddinglayer)30形成于缓冲层20之上、有源层(active layer)40形成于n型束缚层30之上、以及p型束缚层50形成于有源层40之上。形成外延结构1的方法包括提供成长基板10；接着，在成长基板10上以有机金属化学气相沉积法(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition)于第一成长条件下外延成长缓冲层20，在完成缓冲层20的成长后，在第二成长条件下成长n型束缚层30。于完成n型束缚层30成长，在第三成长条件下成长有源层40，并于第四成长条件下成长p型束缚层50以形成发光元件的外延结构。其中，缓冲层20的晶格常数介于n型束缚层30与成长基板10之间，可提高外延品质及降低晶格缺陷。于本发明的定义，“成长条件”一词为包括至少一工艺参数设定值选自于温度、压力及气体流量、及其他工艺参数设定值所组成的群组。其中于第三之一成长条件下成长的有源层40是由多个势垒层40A₁、40A₂、、、40A_n(n＞1)与多个阱层40B交错堆叠而形成的多重量子阱结构。于本实施例中，其中势垒层40A₁、40A₂、、、40A_n由氮化镓(GaN)所组成，阱层40B由氮化铟镓(In_xGa_1-xN，0＜x＜1)所组成。于势垒层掺杂例如镁(Mg)的p型杂质以增加空穴数目，且越靠近n型束缚层30的势垒层掺杂浓度越低，越靠近p型束缚层50的势垒层掺杂浓度较越高，以形成具渐变式掺杂浓度的势垒层结构，其掺杂浓度范围介于为1×10¹⁶～5×10¹⁷/cm³之间。此种多重量子阱结构至少可达到下列功效：1.越靠近p型束缚层的势垒层掺杂浓度越高，可以增加空穴注入量子阱的效率。2.越靠近n型束缚层的势垒层掺杂浓度越低，对于电子可造成阻挡的效果，避免大量电子溢流至p侧。

本发明第二实施例披露关于一种包含有源层的发光元件。其有源层是由多个势垒层与多个阱层交错堆叠而形成的多重量子阱结构，其中每一层势垒层包含至少一个次势垒层，以形成具有次势垒层的发光元件。为了使本实施例的叙述更加详尽与完备，可配合图2的附图，参照下列描述。图2揭示符合本发明发光元件的外延结构的第二实施例，外延结构2与外延结构1比较，除了有源层(active layer)40结构不同外，其余各层结构与成长条件相同。其中于第三之二成长条件下成长的有源层40是由多个势垒层40A与多个阱层40B交错堆叠而形成的多重量子阱结构，其中每一层势垒层40A包含至少一个次势垒层40a。于本实施例中，形成势垒层40A的材料为氮化铟镓(InGaN)，形成次势垒层40a的材料为氮化镓(GaN)，形成阱层的材料为氮化铟镓(In_xGa_1-xN，0＜x＜1)。设计此种多重量子阱结构可降低势垒层与阱层之间极化电荷所造成的能带弯曲现象，并可增加电子空穴在量子阱的结合效率。

本发明第三实施例披露关于一种包含有源层的发光元件。其有源层是由多个势垒层与多个阱层交错堆叠而形成的多重量子阱结构，其中每一层势垒层包含至少一个次势垒层，且于次势垒层掺杂例如镁的p型杂质以增加空穴数目，形成具有掺杂p型杂质次势垒层的发光元件。为了使本实施例的叙述更加详尽与完备，可配合图3的附图，参照下列描述。图3揭示符合本发明发光元件的外延结构的第三实施例，外延结构3与外延结构2比较，除了有源层(active layer)40结构不同外，其余各层结构与成长条件相同。其中于第三之三成长条件下成长的有源层40是由多个势垒层40A与多个阱层40B交错堆叠而形成的多重量子阱结构，其中每一层势垒层40A包含至少一个次势垒层40a₁、40a₂、、、40a_n(n＞1)。于本实施例中，形成势垒层40A的材料为氮化铟镓(InGaN)，形成次势垒层40a₁、40a₂、、、40a_n的材料为氮化镓(GaN)，且掺杂例如镁的p型杂质，其中掺杂浓度可以相同或越靠近n型束缚层30的次势垒层掺杂浓度越低，越靠近p型束缚层50的次势垒层掺杂浓度较越高，以形成具渐变式掺杂浓度的次势垒层结构，其掺杂浓度范围介于为1×10¹⁶～5×10¹⁷/cm³之间。形成阱层的材料为氮化铟镓(In_xGa_1-xN，0＜x＜1)。设计此种多重量子阱结构可降低势垒层与阱层之间极化电荷所造成的能带弯曲现象，并可增加电子空穴在量子阱的结合效率。

上述的诸实施例，其中，所述的缓冲层、n型束缚层、p型束缚层、以及有源层的材料包含III-V族化合物，例如氮化镓系列或磷化镓系列的材料。所述的成长基板例如为包括至少一种材料选自于蓝宝石、碳化硅、氮化镓、以及氮化铝所组成的群组。所述的缓冲层、n型束缚层、以及p型束缚层可为单层或多层结构，例如为超晶格结构。另外，本发明的所述的发光外延结构并不限于以成长方式成长所述的成长基板之上，其他形成方式，例如以接合方式直接接合或通过介质接合至导热或导电基板亦属本发明的范围。

虽然本发明已以优选实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何本发明所属技术领域中普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求所界定为准。

Claims (5)

1.一种发光元件，至少包含：

第一电性半导体层；

第二电性半导体层；以及

有源层，位于该第一电性半导体层与该第二电性半导体层之间，且该有源层是由多个势垒层与多个阱层交错堆叠而形成多重量子阱结构，其中该势垒层掺杂p型杂质以增加空穴数目，且该p型杂质的掺杂浓度越靠近该第一电性半导体层浓度越低，越靠近该第二电性半导体层浓度越高，以形成具渐变式掺杂浓度的势垒层结构，

其中该第一电性半导体层为n型束缚层，该第二电性半导体层为p型束缚层。

2.如权利要求1所述的发光元件，其中该p型杂质可为镁，且该p型杂质的掺杂浓度于该具渐变式掺杂浓度的势垒层结构为1×10¹⁶～5×10¹⁷/cm³之间。

3.如权利要求1所述的发光元件，其中该势垒层由氮化镓所组成，该阱层由氮化铟镓In_xGa_1-xN所组成，0＜x＜1。

4.一种发光元件的制造方法，其步骤包含：

提供基板；

于第一成长条件下成长缓冲层于该基板上；

于第二成长条件下成长第一电性半导体层于该缓冲层上；

于第三之一成长条件下成长有源层于该第一电性半导层上；以及

于第四成长条件下成长第二电性半导体层于该有源层上；

其中该有源层是由多个势垒层与多个阱层交错堆叠而形成多重量子阱结构，且该势垒层掺杂p型杂质，越靠近该第一电性半导体层的势垒层其p型杂质掺杂浓度越低，越靠近该第二电性半导体层的势垒层其p型杂质掺杂浓度越高，以形成具渐变式掺杂浓度的势垒层结构，

其中该第一电性半导体层为n型束缚层，该第二电性半导体层为p型束缚层。

5.如权利要求4所述的制造方法，其中该成长条件包括至少一工艺参数设定值选自于包括温度、压力及气体流量的群组。

Images