TW201417341A

TW201417341A - 亮度及靜電放電保護特性優異的氮化物半導體發光裝置

Info

Publication number: TW201417341A
Application number: TW102138133A
Authority: TW
Inventors: Won-Yong Lee; Jung-Won Park; Sung-Hak Lee; Tae-Wan Kwon; Won-Jin Choi
Original assignee: Iljin Led Co Ltd
Priority date: 2012-10-22
Filing date: 2013-10-22
Publication date: 2014-05-01
Also published as: US20150263228A1; WO2014065530A1; KR20140052173A; KR101473819B1

Abstract

本發明是關於一種亮度及靜電放電保護特性優異的氮化物半導體發光裝置。本發明的氮化物半導體發光裝置，包括形成於p型氮化物半導體層和活性層之間的電子阻擋層，該電子阻擋層中包含AlInGaN，該電子阻擋層離該活性層越遠，銦的濃度越增加。

Description

亮度及靜電放電保護特性優異的氮化物半導體發光裝置

本發明是關於一種氮化物半導體發光裝置，特別是關於一種藉由對形成於活性層和p型氮化物半導體層之間的電子阻擋層(Electron Blocking Layer，EBL)的組成進行調節來顯出優異的亮度及靜電放電(Electro-Static discharge，ESD)保護特性的氮化物半導體發光裝置。

發光裝置(Light Emitting Device)是利用電子(electron)和電洞(hole)的重新結合(re-combination)時產生的發光現象的裝置。

典型的發光裝置有基於將氮化鎵(GaN)為代表的氮化物半導體的氮化物半導體發光裝置。氮化物半導體發光裝置由於能隙(band gap)大而能夠表現出各種色光，並且熱穩定性優異，應用於很多領域。

第1圖是表示習知的氮化物半導體發光裝置。

參照第1圖，氮化物半導體發光裝置通常具有在基板101上依次形成n型氮化物半導體層110、活性層120及p型氮化物半導體層130的結構。並且，還可形成為了注入電洞而與p型氮化物半導體層130電連接的p-電極極板(electrode pad)，為了注入電子而與n型氮化物半導體層110電連接的n-電極極板。

另一方面，活性層120和p型氮化物半導體層130之間還可以形成有電子阻擋層(Electron Blocking Layer，EBL)。電子阻擋層發揮防止從n型氮化物半導體層110供給的電子向p型氮化物半導體層130溢出(overflow)的作用。

通常的電子阻擋層由AlGaN形成。但是，由AlGaN形成的電子阻擋層的情況下，雖然電子阻擋效果高，但存在著也阻擋電洞的問題。

與本發明相關聯的背景技術有韓國公開專利公報第10-2010-0070250號(2010年06月25日公開)。該文獻揭露了形成有包括AlGaN膜之電子阻擋層的氮化物半導體發光裝置。

本發明的目的在於提供一種能夠對為了防止電子在p型氮化物半導體層和活性層之間溢出而形成的電子阻擋層之組成進行調節來增大向活性層供給的電洞的量，從而發揮優異的亮度及靜電放電(ESD)保護特性的氮化物半導體發光裝置。

為了達成上述目的，本發明實施例中的氮化物半導體發光裝置，其包括：一第一導電型氮化物半導體層；一活性層，形成於該第一導電型氮化物半導體層上；一第二導電型氮化物半導體層，形成於該活性層上；以及一電子阻擋層，形成於該第一導電型氮化物半導體層及該第二導電型氮化物半導體層中的由p型氮化物半導體形成的層和該活性層之間，並含有銦(In)；該電子阻擋層離該活性層越遠，銦(In)的濃度越增加。

此時，該電子阻擋層可以包含摻雜了p型雜質的AlInGaN。這種情況下，該電子阻擋層離該活性層越遠，p型雜質的濃度越增加。

為了達成上述目的，本發明另一實施例中的氮化物半導體發光裝置，其包括：一第一導電型氮化物半導體層；一活性層，形成於該第一導電型氮化物半導體層上；一第二導電型氮化物半導體層，形成於該活性層上；以及一電子阻擋層，形成於該第一導電型氮化物半導體層及該第二導電型氮化物半導體層中的由p型氮化物半導體形成的層和該活性層之間；該電子阻擋層沿著離該活性層遠的方向，包括，一電洞擴散層、一電洞傳遞層及一電洞注入層，該電洞擴散層、該電洞傳遞層及該電洞注入層各含有銦，該電洞注入層的銦的平均濃度高於該電洞擴散層的銦的平均濃度和電洞傳遞層的銦的平均濃度。

此時，該電洞擴散層、該電洞傳遞層及該電洞注入層各可以包含摻雜了p型雜質的AlInGaN。這種情況下，該電洞注入層的p型雜質的平均摻雜濃度可以高於該電洞擴散層的p型雜質的平均摻雜濃度和該電洞傳遞層的p型雜質的平均摻雜濃度。

本發明的氮化物半導體發光裝置具有電子阻擋層，該電子阻擋層包含摻雜了p型雜質的AlInGaN，且離活性層越遠，銦(In)的濃度越增加。由此，可以在電子阻擋層添加更多的p型雜質，如鎂(Mg)，因此從p型氮化物半導體層供給的電洞順暢地向活性層移動。結果，本發明的氮化物半導體發光裝置，能夠提高在活性層電子和電洞的重新結合的概率，從而能夠發揮高亮度特性。

並且，本發明的氮化物半導體發光裝置，該電子阻擋層隨著銦的添加而提供高的電流分散效果，從而存在著靜電放電(Electro Static Discharge，ESD)保護效果優異的優點。

101‧‧‧基板

110‧‧‧n型氮化物半導體層

120‧‧‧活性層

130‧‧‧p型氮化物半導體層

210‧‧‧第一導電型氮化物半導體層

220‧‧‧活性層

230‧‧‧第二導電型氮化物半導體層

240‧‧‧電子阻擋層

241‧‧‧電洞擴散層

242‧‧‧電洞傳遞層

243‧‧‧電洞注入層

第1圖表示習知的氮化物半導體發光裝置。

第2圖概括表示本發明實施例中的氮化物半導體發光裝置。

第3圖表示能夠適用於本發明之電子阻擋層的範例。

第4圖表示適用於實施例1之電子阻擋層中包含的各成分之濃度的曲線圖(profile)。

第5圖表示適用於比較例1之電子阻擋層中包含的各成分之濃度的曲線圖。

以下，參照附圖，對本發明之優異的氮化物半導體發光裝置進行詳細說明。

第2圖概括表示本發明實施例中的氮化物半導體發光裝置。

參照第2圖，本發明的氮化物半導體發光裝置包括一第一導電型氮化物半導體層210、一活性層220、一第二導電型氮化物半導體層230及一電子阻擋層240。

雖然沒有圖示，但根據提高結晶品質、注入電子及電洞等需要，本發明的氮化物半導體發光裝置還可以包括一由AlN等形成的緩衝層、一非摻雜(undoped)氮化物層、一p-電極極板、一n-電極極板等要素。

另一方面，第2圖表示的氮化物半導體發光裝置，該第一導電型氮化物半導體層210為摻雜有如矽(Si)的n型雜質的n型氮化物半導體層，該第二導電型氮化物半導體層230為摻雜有如鎂(Mg)的p型雜質的p型氮化物半導體層，該電子阻擋層240形成於該活性層220與該第二導電型氮化物半導體層230之間。

但是，本發明的氮化物半導體發光裝置不是必須被第2圖所示的範例而限定，該第一導電型氮化物半導體層210可以為p型氮化物半導體層，該第二導電型氮化物半導體層230可以為n型氮化物半導體層，該電子阻擋層240還可以形成於該活性層220與該第一導電型氮化物半導體層210之間。

本發明的氮化物半導體發光裝置是，該電子阻擋層240形成於該第一導電型氮化物半導體層210及該第二導電型氮化物半導體層230中的由p型氮化物半導體形成的層(第2圖中的230)與該活性層220之間。該電子阻擋層240由能隙能量比GaN大的物質，如AlGaN形成，來形成電子屏障，從而發揮防止由n型氮化物半導體形成的層(第2圖中的210)供給的電子向由p型氮化物半導體形成的層(第2圖中的230)溢出的作用。

如上所述，通常的電子阻擋層由AlGaN形成，但這種情況下，雖然電子阻擋能力優異，但妨礙電洞的移動，從而成為降低電子和電洞在活性層重新結合的概率的重要因素。

但是，包括在本發明的氮化物半導體發光裝置的電子阻擋層240，其包含摻雜了p型雜質的AlInGaN，尤其，離活性層220越遠，銦的濃度越增加。在此，離活性層越遠，銦(In)的濃度越增加是指，離活性層越遠，總體上銦的濃度越增加，並不意味著必須沿著電子阻擋層的厚度方向，銦的濃度繼續增加。

作為包含在電子阻擋層的p型雜質，可以包含鎂(Mg)、鈹 (Be)、鋅(Zn)及鎘(Cd)中的至少一種。

利用以如上所述的形態調節銦(In)之濃度的電子阻擋層的結果，在相同條件下，相對於適用基於AlGaN的電子阻擋層的氮化物半導體發光裝置，得到亮度大概提高3%左右的效果。

並且，利用以如上所述的形態調節銦(In)的濃度的電子阻擋層的結果，靜電放電(Electro Static Discharge，ESD)保護效果優異，這意味著，適用於本發明的電子阻擋層隨著銦的添加而表現出優異的電流分散效果。

較佳地，該電子阻擋層240中，隨著從活性層放出的波長變短，鋁(Al)的濃度相對地變高。

較佳地，活性層放出具有藍色波長的光的氮化物半導體發光裝置的情況下，電子阻擋層中，鋁(Al)的濃度為鋁(Al)、銦(In)及鎵(Ga)的總原子數的15%~20%。活性層主要放出藍色光的氮化物半導體發光裝置的電子阻擋層中鋁的濃度小於15%的情況下，電子阻擋效率會下降。相反，鋁的濃度超過20%的情況下，電洞移動效率會下降。

相反，較佳地，活性層放出具有紫外線波長的光的情況下，電子阻擋層中Al的濃度為鋁(Al)、銦(In)及鎵(Ga)的總原子數的20%以上，最佳為20%~25%。活性層主要放出紫外光的氮化物半導體發光裝置的情況下，由於混入活性層的量子阱(Quantum well)的銦(In)的量少，因此活性層的量子阱的深度淺，從而電子從活性層的量子阱向電子阻擋層溢出(overflow)的可能性大。

並且，較佳地，活性層放出具有綠色波長的光的氮化物半導體發光裝置的情況下，電子阻擋層中鋁(Al)的濃度為鋁(Al)、銦(In)及鎵(Ga)的總原子數的15%以下，最佳為10%~15%。這是由於，活性層主要放出綠色光的氮化物半導體發光裝置的情況下，由於混入活性層的量子阱(Quantum well)的銦(In)的量多，因此活性層的量子阱的深度相對深，從而在活性層的量子阱停留的電子數增加，而向電子阻擋層溢出的可能性相對小。

並且，較佳地，在電子阻擋層240中，銦(In)的濃度為鋁 (Al)、銦(In)及鎵(Ga)的總原子數的0.2%~1.5%。銦的濃度小於0.2%的情況下，向活性層注入的電洞移動效率的提高效果不充分。相反，電子阻擋層的銦的濃度很難超過1.5%。

另一方面，對電子阻擋層240的如上所述的銦的濃度進行調節的結果，離活性層220越遠，p型雜質的濃度可與銦的濃度成正比地增加，這種情況下，能夠更加提高從由p型氮化物半導體形成的層230供給的電洞的移動能力。隨著四成分系的電子阻擋層內與p型氮化物半導體層相鄰的部分的銦(In)增加，摻雜Mg等p型雜質的量成正比地變多，從而電洞的活性化增加。因此，向活性層注入的電洞的數量增加，這可以看成對亮度增加起了影響。

此時，如上所述地沿著厚度方向調節銦的濃度的情況下，較佳地，電子阻擋層240中，包括向活性層的最上端擴散的p型雜質在內的p型雜質的濃度是1×10¹⁸atoms/cm³~5×10²⁰atoms/cm³。p型雜質的濃度小於1×10¹⁸atoms/cm³的情況下，電洞移動能力會下降。相反，p型雜質為5×10²⁰atoms/cm³以上的情況下，因過多個p型雜質濃度而導致發光裝置整體的特性下降。

並且，較佳地，電子阻擋層240的厚度為5奈米(nm)~100nm。電子阻擋層的厚度小於5nm的情況下，不能充分執行電子阻擋層的作用。相反地，電子阻擋層的厚度超過100nm的情況下，由於p型氮化物物質向活性層方向的阻抗成分變大，而很難注入電洞，因此亮度或正向電壓降落(Vf)特性下降。

第3圖表示能夠適用於本發明的電子阻擋層的範例。

參照第3圖，圖示的電子阻擋層240沿著離活性層遠的方向包括電洞擴散層241、電洞傳遞層242及電洞注入層243。

電洞注入層243發揮從由p型氮化物半導體形成的層(第2圖中的230)向電子阻擋層240內部注入電洞的作用。電洞傳遞層242從電子阻擋層240內部向電洞擴散層241方向傳遞電洞，電洞擴散層241使傳遞的電洞向活性層220擴散。

此時，電洞擴散層241、電洞傳遞層242及電洞注入層243 分別包含摻雜了p型雜質的AlInGaN，尤其，電洞注入層243的銦的平均濃度高於電洞擴散層241的銦的平均濃度和電洞傳遞層242的銦的平均濃度。並且，電洞傳遞層242的銦的平均濃度可以大於電洞擴散層241的銦的平均濃度。電洞注入層243的銦的平均濃度最高，因此，能夠在電子阻擋層240添加更多的如鎂(Mg)的p型雜質，電洞從由p型氮化物半導體形成的層(第2圖中的230)至電子阻擋層240的內部及活性層220順利擴散。

藉由如上所述地調節銦的濃度，電洞從由p型氮化物半導體形成的層(第2圖中的230)順暢地移動至活性層220。

另一方面，從電洞擴散層241至電洞傳遞層242以及從電洞傳遞層242至電洞注入層243，銦的濃度顯出連續增加的傾向。在這裡，銦的濃度連續增加的傾向是指，銦的濃度整體上增加的趨勢，並不意味著銦的濃度應該繼續增加。

並且，藉由如上所述地調節銦的濃度，電洞注入層243的p型雜質的平均摻雜濃度可高於電洞擴散層241的p型雜質的平均摻雜濃度及電洞傳遞層242的p型雜質的平均摻雜濃度。進而，電洞傳遞層242的p型雜質的平均摻雜濃度可高於電洞擴散層241的p型雜質的平均摻雜濃度。並且，p型雜質也與銦相同，從電洞擴散層241至電洞傳遞層242以及從電洞傳遞層242至電洞注入層243，其濃度顯出增加的傾向。

實施例

以下，藉由本發明的較佳的實施例，更詳細地說明本發明的結構及作用。這些範例只是作為本發明的較佳實施例而提出的，無論什麼情況下也不能解釋為本發明局限於此。未記載於此的內容，如果是本發明所屬技術領域的普通技術人員能夠充分進行技術性類推，因此省略其說明。

第4圖表示適用於實施例1的電子阻擋層中包含的各成分的濃度的曲線。如第4圖所示，適用於實施例1的電子阻擋層由AlInGaN形成，離活性層漸遠，銦及鎂的濃度顯出增加的傾向。

第5圖表示適用於比較例1的電子阻擋層中包含的各成分的濃度的曲線。如第5圖所示，適用於比較例1的電子阻擋層由AlInGaN形成，表1表示適用於實施例1的電子阻擋層及適用於比較例1的電子阻擋層中包含的氮化物半導體發光裝置的發光及靜電放電(ESD)特性的評價結果。

參照表1可以看出，包括適用於實施例1之電子阻擋層的氮化物半導體發光裝置及包括適用於比較例1之電子阻擋層的氮化物半導體發光裝置，工作電壓都類似，但將比較例1的亮度設為100%時，實施例1的亮度大概增加了3%左右。

並且，參照表1，實施例1的情況下，相對於比較例1，在大概4kV以上的高電壓的生存率高，因此，可以看出包括適用於實施例1之電子阻擋層的氮化物半導體發光裝置的靜電放電(ESD)特性優異。

雖然本發明已用較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

241‧‧‧電洞擴散層

242‧‧‧電洞傳遞層

243‧‧‧電洞注入層

Claims

一種氮化物半導體發光裝置，包括：一第一導電型氮化物半導體層；一活性層，形成於該第一導電型氮化物半導體層上；一第二導電型氮化物半導體層，形成於該活性層上；以及一電子阻擋層，形成於該第一導電型氮化物半導體層及該一第二導電型氮化物半導體層中的由p型氮化物半導體形成的層和該活性層之間，並含有銦(In)，該電子阻擋層離活性層越遠，銦(In)的濃度越增加。
如申請專利範圍第1項所述之氮化物半導體發光裝置，其中該電子阻擋層包含摻雜了p型雜質的AlInGaN。
如申請專利範圍第2項所述之氮化物半導體發光裝置，其中該活性層放出具有藍色波長的光的情況下，該電子阻擋層中，鋁(Al)的濃度為鋁(Al)、銦(In)及鎵(Ga)的總原子數的15%~20%。
如申請專利範圍第2項所述之氮化物半導體發光裝置，其中該活性層放出具有紫外線波長的光的情況下，該電子阻擋層中，鋁(Al)的濃度為鋁(Al)、銦(In)及鎵(Ga)的總原子數的20%以上。
如申請專利範圍第2項所述之氮化物半導體發光裝置，其中該活性層放出具有綠色波長的光的情況下，該電子阻擋層中，鋁(Al)的濃度為鋁(Al)、銦(In)及鎵(Ga)的總原子數的15%以下。
如申請專利範圍第2項所述之氮化物半導體發光裝置，其中該電子阻擋層中，銦(In)的濃度為鋁(Al)、銦(In)及鎵(Ga)的總原子數的0.2%~1.5%。
如申請專利範圍第2項所述之氮化物半導體發光裝置，其中該電子阻擋層離該活性層越遠，p型雜質的濃度越增加。
如申請專利範圍第2項所述之氮化物半導體發光裝置，其中該電子阻擋層中，銦的濃度和p型雜質的濃度成正比地變化。
如申請專利範圍第8項所述之氮化物半導體發光裝置，其中該電子阻擋層中，p型雜質的濃度為1×10¹⁸atoms/cm³~5×10²⁰atoms/cm³。
如申請專利範圍第1項所述之氮化物半導體發光裝置，其中該電子阻擋層的厚度為5奈米~100奈米。
一種氮化物半導體發光裝置，包括：一第一導電型氮化物半導體層；一活性層，形成於該第一導電型氮化物半導體層上；一第二導電型氮化物半導體層，形成於該活性層上；以及一電子阻擋層，形成於該第一導電型氮化物半導體層及該第二導電型氮化物半導體層中的由p型氮化物半導體形成的層和該活性層之間，該電子阻擋層沿著離該活性層遠的方向，包括一電洞擴散層、一電洞傳遞層及一電洞注入層，該電洞擴散層、該電洞傳遞層及該電洞注入層各含有銦，該電洞注入層的銦的平均濃度高於該電洞擴散層的銦的平均濃度和電洞傳遞層的銦的平均濃度。
如申請專利範圍第11項所述之氮化物半導體發光裝置，其中該電洞傳遞層的銦的平均濃度高於該電洞擴散層的銦的平均濃度。
如申請專利範圍第11項所述之氮化物半導體發光裝置，從該電洞擴散層至該電洞傳遞層以及從該電洞傳遞層至該電洞注入層，銦的濃度顯出增加的傾向。
如申請專利範圍第11項所述之氮化物半導體發光裝置，其中該電洞擴散層、該電洞傳遞層及該電洞注入層各包含摻雜了p型雜質的AlInGaN。
如申請專利範圍第14項所述之氮化物半導體發光裝置，其中該電洞注入層的p型雜質的平均摻雜濃度高於該電洞擴散層的p型雜質的平均摻雜濃度和該電洞傳遞層的p型雜質的平均摻雜濃度。
如申請專利範圍第15項所述之氮化物半導體發光裝置，其中該電洞傳遞層的p型雜質的平均摻雜濃度高於該電洞擴散層的p型雜質的平均摻雜濃度
如申請專利範圍第15項所述之氮化物半導體發光裝置，從該電洞擴散層至該電洞傳遞層以及從該電洞傳遞層至該電洞注入層，p型雜質的濃度顯出增加的傾向。