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CN111326631A - 紫外光c发光二极管 - Google Patents

紫外光c发光二极管 Download PDF

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CN111326631A
CN111326631A CN201910062467.1A CN201910062467A CN111326631A CN 111326631 A CN111326631 A CN 111326631A CN 201910062467 A CN201910062467 A CN 201910062467A CN 111326631 A CN111326631 A CN 111326631A
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刘学兴
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Industrial Technology Research Institute ITRI
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Abstract

本发明公开一种紫外光C发光二极管，其包括N型半导体层、P型半导体层、有源层、第一电子阻挡层及第二电子阻挡层。有源层位于N型半导体层和P型半导体层之间，有源层发出的光谱的最大峰值的波长是落在230纳米至280纳米的范围内，且有源层中的镁的浓度小于1017原子数/立方厘米。第一电子阻挡层和第二电子阻挡层位于P型半导体层和有源层之间，第二电子阻挡层中的镁的浓度大于第一电子阻挡层中的镁的浓度，且第二电子阻挡层中的镁的浓度大于1018原子数/立方厘米。

Description

紫外光C发光二极管
技术领域
本发明涉及一种发光二极管，且特别是涉及一种紫外光C发光二极管。
背景技术
紫外光C发光二极管(ultraviolet C light-emitting diode,UVC-LED)结构中的电子阻挡层(electron blocking layer,EBL)为了让空穴载流子容易注入于发光层，会通过掺杂铍、镁或锌等形成P型半导体。如此一来，除了可以增加空穴浓度外，更进一步可以提高紫外光C发光二极管元件的效能。
但是当在电子阻挡层中掺杂铍、镁或锌等时，由于电子阻挡层中的铝浓度相较发光层中的量子势垒中的铝浓度高，使得铍、镁或锌等不易掺杂。另一方面，若提高铍、镁或锌等的掺杂量，则会面临的问题是铍、镁、锌等的记忆效应(memory effect)及其扩散到量子阱中。如此一来，过多的杂质会在量子阱中形成缺陷，导致紫外光C发光二极管元件的发光效能下降，且产生不必要的缺陷放光。
发明内容
本发明提供一种紫外光C发光二极管，其具有较佳的发光效能。
本发明的一实施例提出一种紫外光C发光二极管，其包括N型半导体层、P型半导体层、有源层、第一电子阻挡层及第二电子阻挡层。有源层位于N型半导体层和P型半导体层之间，有源层发出的光谱的最大峰值的波长是落在230纳米至280纳米的范围内，且有源层中的镁的浓度小于1017原子数/立方厘米。第一电子阻挡层和第二电子阻挡层位于P型半导体层和有源层之间，第二电子阻挡层中的镁的浓度大于第一电子阻挡层中的镁的浓度，且第二电子阻挡层中的镁的浓度大于1018原子数/立方厘米。
在本发明的实施例的紫外光C发光二极管中，由于采用了第二电子阻挡层中的镁的浓度大于第一电子阻挡层中的镁的浓度，且第二电子阻挡层中的镁的浓度大于1018原子数/立方厘米的设计，因此通过特定比例关系的镁掺杂，可以有效抑制有源层中的电子溢流至P型半导体层的情形，进而提升紫外光C发光二极管的元件效能。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附的附图作详细说明如下。
附图说明
图1是本发明的一实施例的紫外光C发光二极管的剖面示意图；
图2为利用二次离子质谱仪测量图1的紫外光C发光二极管所得的成分分布图；
图3为图1的紫外光C发光二极管的光谱图；
图4为一比较例中的紫外光C发光二极管的能带图；
图5为图1的紫外光C发光二极管的能带图；
图6是本发明的另一实施例的紫外光C发光二极管的剖面示意图；
图7为利用二次离子质谱仪测量一比较例的紫外光C发光二极管所得的成分分布图；
图8为图7的比较例的紫外光C发光二极管的光谱图；
图9为利用二次离子质谱仪测量本发明的另一实施例的紫外光C发光二极管所得的成分分布图；
图10为图9对应的实施例的紫外光C发光二极管的光谱图；
图11为本发明的又一实施例的紫外光C发光二极管的剖面示意图；
图12为本发明的再一实施例的紫外光C发光二极管的剖面示意图。
符号说明
50：第一电极
60：第二电极
100、100a、100b、100c：紫外光C发光二极管
110：N型半导体层
112：第一N型氮化铝镓层
114：第二N型氮化铝镓层
120：P型半导体层
122：第一P型氮化镓或氮化铝镓层
124：第二P型氮化镓或氮化铝镓层
130：有源层
132：势垒层
134：能阱层
160：蓝宝石基板
170：氮化铝模板层
180：缓冲层
190：非故意掺杂氮化铝镓层
200、200a、200b、200c：电子阻挡层
210、210c：第一电子阻挡层
212：第一子层
214：第二子层
220：第二电子阻挡层
Ec：导电带的最低能阶
Efn：N型半导体的费米能阶
Efp：P型半导体的费米能阶
Ev：价带的最高能阶
P1：第一发光波峰
P2：第二发光波峰
Q1、Q2：点
T1、T11、T12、T2、T2a、T2b：厚度
ΔEc：势垒高度差
具体实施方式
图1是本发明的一实施例的紫外光C发光二极管的剖面示意图。请参照图1，本实施例的紫外光C发光二极管100包括N型半导体层110、P型半导体层120、有源层130及电子阻挡层200。N型半导体层110例如为N型氮化铝镓层，其可具有IVA族的掺杂源(例如碳或硅)，此IVA族的掺杂源用以取代铝或镓原子，而多出自由电子，或可具有VIA族元素的掺杂源，此VIA族元素的掺杂源用以取代氮原子，而多出自由电子，或可具有其他元素的掺杂源，其取代铝、镓和氮后具多出自由电子的特征。在本实施例中，紫外光C发光二极管100还包括蓝宝石基板160、氮化铝模板层170、缓冲层180及非故意掺杂氮化铝镓层(unintentionallydoped aluminum gallium nitride layer)190，其中氮化铝模板层170、缓冲层180、非故意掺杂氮化铝镓层190及N型半导体层110依序堆叠于蓝宝石基板160上。缓冲层180的材料例如为氮化铝镓，其铝的阳离子莫耳分率的范围为95％至50％，且镓的阳离子莫耳分率的范围为5％至50％。或者，缓冲层180可以是具有超晶格结构的氮化铝镓层，其铝的阳离子莫耳分率的范围为95％至50％，且镓的阳离子莫耳分率的范围为5％至50％。。
在本实施例中，N型半导体层110包括第一N型氮化铝镓层112与第二N型氮化铝镓层114，其中第一N型氮化铝镓层112的N型掺杂浓度高于第二N型氮化铝镓层114的N型掺杂浓度，且第二N型氮化铝镓层114与第一N型氮化铝镓层112依序堆叠于非故意掺杂氮化铝镓层190上。
有源层130为发光层，在本实施例中，有源层130为多重量子阱层，其包括交替堆叠于N型半导体层110上的多个势垒层(barrier layer)132与能阱层(well layer)134。在本实施例中，势垒层132与能阱层134的材料都为氮化铝镓，只是势垒层132中的铝浓度高于能阱层134中的铝浓度。
电子阻挡层200包括第一电子阻挡层210及第二电子阻挡层220。在本实施例中，第一电子阻挡层210与第二电子阻挡层220依序叠堆于有源层130上。第一电子阻挡层210与第二电子阻挡层220例如都为掺杂镁的氮化铝镓层，其中第二电子阻挡层220中的镁的浓度大于第一电子阻挡层210中的镁的浓度，且第二电子阻挡层220中的镁的浓度大于1018原子数/立方厘米。
P型半导体层120堆叠于电子阻挡层200上。在本实施例中，P型半导体层120包括依序堆叠于电子阻挡层200上的第一P型氮化镓或氮化铝镓层122与第二P型氮化镓或氮化铝镓层124，其中第二P型氮化镓或氮化铝镓层124的P型掺杂浓度高于第一P型氮化镓或氮化铝镓层122的P型掺杂浓度。第一P型氮化镓或氮化铝镓层122与第二P型氮化镓或氮化铝镓层124中的P型掺杂可以是IIA族元素，例如是铍或镁，而在本实施例中是以镁为例。
在本实施例中，有源层130位于N型半导体层110和P型半导体层120之间，有源层130发出的光谱的最大峰值的波长是落在230纳米至280纳米的范围内，也就是落在紫外光C的波段内。紫外光波段包括紫外光A(ultraviolet A,UVA)波段、紫外光B(ultraviolet B,UVB)波段及紫外光C(ultraviolet C,UVC)波段。紫外光A波段的波长范围约为400纳米至315纳米，也就是其光子能量范围约为3.10电子伏特至3.94电子伏特。紫外光B波段的波长范围约为315纳米至280纳米，也就是其光子能量范围约为3.94电子伏特至4.43电子伏特。紫外光C波段的波长范围约为280纳米至100纳米，也就是其光子能量范围约为4.43电子伏特至12.4电子伏特。有源层130中的镁的浓度小于1017原子数/立方厘米。此外，第一电子阻挡层210和第二电子阻挡层220位于P型半导体层120和有源层130之间。在本实施例中，第二电子阻挡层220位于第一电子阻挡层210与P型半导体层120之间。
本实施例的紫外光C发光二极管100可还包括第一电极50与第二电极60，其中第一电极50与N型半导体层110电连接，而第二电极60与P型半导体层120电连接。通过对第一电极50与第二电极60施加顺向偏压，则紫外光C发光二极管100的有源层130便可以发出紫外光C波段。在图1中，第一电极50与第二电极60是采用水平配置的形式为例，也就是第一电极50与第二电极60位于紫外光C发光二极管100的同一侧。然而，在其他实施例中，第一电极50与第二电极60也可以采用垂直配置的形式，也就是第一电极50是位于N型半导体层110的下方，而第二电极60是位于P型半导体层120的上方。
在本实施例的紫外光C发光二极管100中，由于采用了第二电子阻挡层220中的镁的浓度大于第一电子阻挡层210中的镁的浓度，且第二电子阻挡层220中的镁的浓度大于1018原子数/立方厘米的设计，因此通过特定比例关系的镁掺杂，可以有效抑制有源层130中的电子溢流至P型半导体层120的情形，进而提升紫外光C发光二极管100的元件效能。另外，在本实施例的紫外光C发光二极管100中，通过电子阻挡层200中适当的铝的阳离子莫耳分率及适当的镁掺杂量的调配，除了可阻挡电子溢流至P型半导体层120之外，还可以提升空穴注入有源层130的效率，进而使紫外光C发光二极管100的发光效能增加。
在本实施例中，第二电子阻挡层220的厚度T2是落在0.1纳米至20纳米的范围内，而第一电子阻挡层210的厚度T1是落在10纳米至100纳米的范围内。
图2为利用二次离子质谱仪(secondary ion mass spectrometer,SIMS)测量图1的紫外光C发光二极管所得的成分分布图，而图3为图1的紫外光C发光二极管的光谱图。请参照图1至图3，本实施例的紫外光C发光二极管100所发出的光的光谱包括第一发光波峰P1与第二发光波峰P2，且第一发光波峰P1的光谱强度为第二发光波峰P2的光谱强度的20倍以上。在图3中，第二发光波峰P2并不明显，但若将纵轴(即光谱强度)取对数值，则可明显看出第二发光波峰P2。这是因为第一发光波峰P1的光谱强度与第二发光波峰P2的光谱强度之间相差的倍数过大导致图3中看不出第二发光波峰P2，但纵轴取对数值后就可使第二发光波峰P2突显出来。在本实施例中，第二发光波峰P2的波长减去第一发光波峰P1的波长所得到的差值是落在20纳米至40纳米的范围内。第二发光波峰P2是由缺陷发光所产生，由图3可明显得知，本实施例的紫外光C发光二极管100的缺陷发光受到良好的抑制，因此紫外光C发光二极管100具有良好的发光效能。
在本实施例中，第二电子阻挡层220中的最高镁浓度(例如为图2中Q1点的镁浓度为第一电子阻挡层210中的最低镁浓度(例如为图2中Q2点的镁浓度)的5到200倍，另一实施例为20到80倍。此外，在本实施例中，第二电子阻挡层220中的镁浓度为P型半导体层120中的镁浓度的1/2至1/50倍。此外，在本实施例中，第一电子阻挡层210与第二电子阻挡层220的整体的镁浓度从P型半导体120至有源层130的分布曲线呈现先陡降后平缓而后陡降的样貌，如图2所示。
在本实施例中，该第一电子阻挡层210与该第二电子阻挡层220中的铝的阳离子莫耳分率是落在60％至80％的范围内。举例而言，当第一电子阻挡层210与第二电子阻挡层220的主要成分的化学式可表示为AlxGa1-xN时，则此化学式中的x即为上述铝的阳离子莫耳分率。
在本实施例中，第二电子阻挡层220的折射率小于有源层130的能阱层134的折射率，且小于有源层130的势垒层132的折射率。此外，第一电子阻挡层210的折射率也小于有源层130的能阱层134的折射率，且小于有源层130的势垒层132的折射率。一般而言，在氮化铝镓的材料中，铝含量越高，则折射率越小。
在本实施例的紫外光C发光二极管100中，由于第二电子阻挡层220位于第一电子阻挡层210与P型半导体层120之间，因此可以有效地把镁掺杂在第二电子阻挡层220中而不至于使镁以梯度分布的方式扩散到有源层130中。如此一来，便可以有效降低镁进到有源层130后所诱发的缺陷发光，进而提升紫外光C发光二极管100的发光效率。在本实施例中，紫外光C发光二极管100的发光强度为17.4毫瓦。
图4为一比较例中的紫外光C发光二极管的能带图，而图5为图1的紫外光C发光二极管的能带图。请参照图1、图4与图5，图4与图5所对应的紫外光C发光二极管的结构可都相同于图1的紫外光C发光二极管100的结构，而两者的不同处在于图4中的电子阻挡层200中的镁浓度约为5×1017原子数/立方厘米，而图5中的电子阻挡层200中的镁浓度约为5×1018原子数/立方厘米。在图4与图5中，Ec所对应的曲线为导电带(conduction)的最低能阶，Efn所对应的曲线为电子的准费米能阶(Quasi-fermi energy level)，Ev所对应的曲线为价带(valence band)的最高能阶，而Efp所对应的曲线为空穴的准费米能阶。由图4与图5可知，当电子阻挡层200中的镁浓度较高时，第二电子阻挡层220所形成的导电带势垒比有源层130所形成的导电带势垒所高出的势垒高度差ΔEc(如图4与图5中所示)较大，而势垒高度差越ΔEc大会使得来自有源层130的电子更不容易溢流至P型半导体层120。在图1的实施例中，第二电子阻挡层220所形成的导电带势垒比有源层130所形成的导电带势垒高出0.2至1电子伏特，因此可有效阻挡来自有源层130的电子溢流至P型半导体层120，以有效避免上述电子的溢流所导致的发光效率下降。
图6是本发明的另一实施例的紫外光C发光二极管的剖面示意图。图7为利用二次离子质谱仪测量一比较例的紫外光C发光二极管所得的成分分布图，而图8为图7的比较例的紫外光C发光二极管的光谱图。请先参照图6，本实施例的紫外光C发光二极管100a与图1的紫外光C发光二极管100类似，而两者的差异如下所述。在本实施例的紫外光C发光二极管100a中，电子阻挡层200a的第二电子阻挡层220位于第一电子阻挡层210与有源层130之间。在本实施例中，第二电子阻挡层220的厚度T2a是落在0.1纳米至10纳米的范围内，而第一电子阻挡层210的厚度T1是落在10纳米至100纳米的范围内。
请再参照图7与图8，在此比较例中，由图7可看出，由于有源层130中的铝的阳离子莫耳分率较电子阻挡层200低，导致第二电子阻挡层220中的镁离子容易以梯度分布的方式扩散至有源层130中导致缺陷发光，而在图8的光谱图中出现较为明显的第二发光波峰P2。如此一来，比较例的紫外光C发光二极管100a的发光强度变成5.4毫瓦。为了降低第二电子阻挡层的镁离子扩散至有源层130而导致缺陷发光的情形，在本发明的另一实施例中，可使电子阻挡层200有如图9的镁浓度分布，也就是通过特定比例关系的镁掺杂，以在电子阻挡层200掺杂镁，且使镁较不会扩散进有源层130(请比对图7和图9中有源层130中的镁浓度)，此时可发现此种镁浓度分布较不会导致缺陷发光，而其所对应的光谱图(如图10所示)中的第二发光波峰P2被有效地抑制而不明显，且几乎看不出来。也就是说，此实施例成功地让第一发光波峰P1的发光强度大于第二发光波峰P2的缺陷发光强度的20倍以上。
图11为本发明的又一实施例的紫外光C发光二极管的剖面示意图。请参照图11，本实施例的紫外光C发光二极管100b与图1的紫外光C发光二极管100类似，而两者的差异如下所述。在本实施例的紫外光C发光二极管100b中，电子阻挡层200b的第二电子阻挡层220位于第一电子阻挡层210中。在本实施例中，第二电子阻挡层220的厚度T2b是落在0.1纳米至15纳米的范围内，而第一电子阻挡层210的厚度(也就是图11中的厚度T11加上厚度T12)是落在10纳米至100纳米的范围内。
图12为本发明的再一实施例的紫外光C发光二极管的剖面示意图。请参照图12，本实施例的紫外光C发光二极管100c类似于图1的紫外光C发光二极管100，而两者的差异如下所述。在本实施例的紫外光C发光二极管100c的电子阻挡层200c中，第一电子阻挡层210c具有超晶格(superlattice)结构。具体而言，第一电子阻挡层210c具有交替堆叠的多个第一子层212与多个第二子层214，而第一子层212与第二子层214都为掺杂镁的氮化铝镓层，但第一子层212中的铝浓度不同于第二子层214中的铝浓度。也就是说，第一电子阻挡层210c中的铝浓度从靠近有源层130的一侧至靠近P型半导体层120的一侧是呈现高低交替变化。
相较之下，在图2、图7和图9的实施例中，第一电子阻挡层210在靠近P型半导体层120处的铝浓度小于在靠近有源层130处的铝浓度，例如第一电子阻挡层210的铝浓度从靠近P型半导体层120的一侧往靠近有源层130的方向逐渐上升，靠近P型半导体层120处的铝浓度与靠近有源层130处的铝浓度差异约5％阳离子莫耳分率。第一电子阻挡层210在靠近P型半导体层120处的镓浓度大于在靠近有源层130处的镓浓度，靠近P型半导体层120处的镓浓度与靠近有源层130处的镓浓度差异约5％阳离子莫耳分率。
此外，在图12的实施例中，第二电子阻挡层220也可以是配置于第一电子阻挡层210c与有源层130之间，或配置于第一电子阻挡层210c中。
本发明的各实施例的紫外光C发光二极管的各膜层可利用金属有机物化学气相沉积(metal organic chemical vapor deposition,MOCVD)制作工艺或其他适当的半导体制作工艺来制作，其为所属领域中具有通常知识者所熟知，因此在此不详述。
综上所述，在本发明的实施例的紫外光C发光二极管中，由于采用了第二电子阻挡层中的镁的浓度大于第一电子阻挡层中的镁的浓度，且第二电子阻挡层中的镁的浓度大于1018原子数/立方厘米的设计，因此通过特定比例关系的镁掺杂(例如上述的关于镁浓度的大小关系及数值范围，以及例如图2与图9中的镁浓度分布曲线)，可以有效抑制有源层中的电子溢流至P型半导体层的情形，进而提升紫外光C发光二极管的元件效能。
虽然结合以上实施例公开了如上，然而其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围应当以附上的权利要求所界定的为准。

Claims (20)

1.一种紫外光C发光二极管，其特征在于，包括：
N型半导体层；
P型半导体层；
有源层，位于该N型半导体层和该P型半导体层之间，该有源层发出的光谱的最大峰值的波长是落在230纳米至280纳米的范围内，该有源层中的镁的浓度小于1017原子数/立方厘米；以及
第一电子阻挡层和第二电子阻挡层，位于该P型半导体层和该有源层之间，该第二电子阻挡层中的镁的浓度大于该第一电子阻挡层中的镁的浓度，且该第二电子阻挡层中的镁的浓度大于1018原子数/立方厘米。
2.如权利要求1所述的紫外光C发光二极管，其中该紫外光C发光二极管所发出的光的光谱包括第一发光波峰与第二发光波峰，且该第一发光波峰的光谱强度为该第二发光波峰的光谱强度的20倍以上。
3.如权利要求2所述的紫外光C发光二极管，其中该第二发光波峰的波长减去该第一发光波峰的波长所得到的差值是落在20纳米至40纳米的范围内。
4.如权利要求1所述的紫外光C发光二极管，其中该第二电子阻挡层中的最高镁浓度为该第一电子阻挡层中的最低镁浓度的5到200倍。
5.如权利要求1所述的紫外光C发光二极管，其中该第二电子阻挡层中的镁浓度为该P型半导体层中的镁浓度的1/2至1/50倍。
6.如权利要求1所述的紫外光C发光二极管，其中该第一电子阻挡层与该第二电子阻挡层的整体的镁浓度从该P型半导体至该有源层的分布曲线呈现先陡降后平缓而后陡降的样貌。
7.如权利要求1所述的紫外光C发光二极管，其中该第二电子阻挡层的折射率小于该有源层的能阱层的折射率，且小于该有源层的势垒层的折射率。
8.如权利要求1所述的紫外光C发光二极管，其中该第二电子阻挡层位于该第一电子阻挡层与该P型半导体层之间。
9.如权利要求8所述的紫外光C发光二极管，其中该第二电子阻挡层的厚度是落在0.1纳米至20纳米的范围内，而第一电子阻挡层的厚度是落在10纳米至100纳米的范围内。
10.如权利要求1所述的紫外光C发光二极管，其中该第二电子阻挡层位于该第一电子阻挡层与该有源层之间。
11.如权利要求10所述的紫外光C发光二极管，其中该第二电子阻挡层的厚度是落在0.1纳米至10纳米的范围内，而该第一电子阻挡层的厚度是落在10纳米至100纳米的范围内。
12.如权利要求1所述的紫外光C发光二极管，其中该第二电子阻挡层位于该第一电子阻挡层中。
13.如权利要求12所述的紫外光C发光二极管，其中该第二电子阻挡层的厚度是落在0.1纳米至15纳米的范围内，而第一电子阻挡层的厚度是落在10纳米至100纳米的范围内。
14.如权利要求1所述的紫外光C发光二极管，其中该第一电子阻挡层与该第二电子阻挡层中的铝的阳离子莫耳分率是落在60％至80％的范围内。
15.如权利要求1所述的紫外光C发光二极管，其中该第二电子阻挡层所形成的导电带势垒比该有源层所形成的导电带势垒高出0.2至1电子伏特。
16.如权利要求1所述的紫外光C发光二极管，其中该第一电子阻挡层具有超晶格结构。
17.如权利要求1所述的紫外光C发光二极管，其中该第一电子阻挡层在靠近该P型半导体层的一侧处的镓浓度大于在靠近该有源层的一侧处的镓浓度。
18.如权利要求17所述的紫外光C发光二极管，其中靠近P型半导体层的铝浓度与靠近有源层的铝浓度差异约5％阳离子莫耳分率。
19.如权利要求1所述的紫外光C发光二极管，其中该第一电子阻挡层在靠近该P型半导体层的一侧处的铝浓度小于在靠近该有源层的一侧处的铝浓度。
20.如权利要求19所述的紫外光C发光二极管，其中靠近P型半导体层的镓浓度与靠近有源层的镓浓度差异约5％阳离子莫耳分率。
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