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TW201419571A - 發光二極體 - Google Patents

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TW201419571A
TW201419571A TW102141671A TW102141671A TW201419571A TW 201419571 A TW201419571 A TW 201419571A TW 102141671 A TW102141671 A TW 102141671A TW 102141671 A TW102141671 A TW 102141671A TW 201419571 A TW201419571 A TW 201419571A
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led device
carrier
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nano
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Yi-Keng Fu
Rong Xuan
Hsun-Chih Liu
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Ind Tech Res Inst
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Abstract

一種發光二極體裝置，其包括載體、p型半導體層及n型半導體層、主動層、第一電極與第二電極。載體具有生長表面及在生長表面上的至少一奈米圖案化結構，其中載體包括基板及配置於基板與n型半導體層之間的半導體披覆層。n型半導體層及p型半導體層位於載體的生長表面之上。主動層位於n型半導體層與p型半導體層之間，其中述主動層發射的光波長λ滿足222 nm≦λ≦405 nm之關係式，且主動層的缺陷密度小於或等於5x1010/cm2。第一電極與第二電極分別連接至n型半導體層及p型半導體層。一種用於承載半導體層的載體亦被提出。

Description

發光二極體
本揭露是有關於一種發光二極體(light emitting diode，LED)，且是有關於一種提升發光强度的發光二極體。
舉例來說，發光二極體(LED)為主要由III族至V族化合物半導體材料構成的半導體裝置。此等半導體材料具有將電力轉換成光的特性。因此，當將電流施加至半導體材料時，其中的電子將與電洞組合，且以光的形式釋放過量能量，從而達成發光的效果。
當LED的發光波長逐漸由藍光波長移至紫外光波長時，基於晶格常數，藍寶石的熱膨脹係數及化學性質不同於氮化鎵/氮化鋁的熱膨脹係數及化學性質，生長於異質基板(例如，矽基板、碳化矽基板及藍寶石基板)上的氮化鎵/氮化鋁具有大量的缺陷及錯位。隨著緩衝層(例如，氮化鎵或氮化鋁)的生長厚度增加，這些錯位將往緩衝層的厚度方向延伸。因此，晶格錯位减少LED的發光效率且縮短其壽命。
已提出各種做法來减少此類缺陷及錯位。儘管向上延伸的錯位在某些做法內可能不易於存在於緩衝層的部分中，但由於LED的發光波長移至紫外光波長，故LED的缺陷密度保持相對較高，緩衝層需要生長至某一厚度(例如，大於10μm)，且難以實現氮化物半導體層的接平(coalescence)，從而顯著地降低在紫外波長下LED的發光强度。因此，所屬領域的廠商力圖開發出具有令人滿意的發光效率的LED。
本揭露提供一種發光二極體(LED)裝置及一種用於承載半導體層的載體。透過載體的生長表面上之至少一奈米圖案化結構，氮化物半導體層的缺陷密度可以有效地降低，其中可容易實現氮化物半導體層的接平，而生長於奈米圖案化結構上方的半導體層的厚度减少，因此，在222nm至405nm波段下的LED的發光强度可在小於365nm的紫外波長下得以提升。
本揭露提出一種發光二極體，其包括載體、n型半導體層、p型半導體層、主動層、第一電極及第二電極。載體包括基板及配置於基板與n型半導體層之間的半導體披覆層。n型半導體層及p型半導體層位於載體的生長表面之上。主動層位於n型半導體層與p型半導體層之間，其中由主動層發射的光波長λ滿足222nm≦λ≦405nm之關係式，且主動層的缺陷密度小於或等於5x1010/cm2。第一電極及第二電極分別連接至n型半導體層及p型 半導體層。
本揭露提出另一種用於承載半導體層的載體，其中載體具有生長表面及在生長表面上的至少一奈米圖案化結構。載體之生長表面上的至少一奈米圖案化結構具有多個台面(mesa)，凹座(recess)形成於兩個鄰近台面之間，其中凹座的深度範圍在10nm至500nm之間，且台面的尺寸範圍在10nm至800nm之間。
基於上述，本揭露的LED裝置中，透過在載體之生長表面上的至少一奈米圖案化結構，沿厚度方向上延伸的晶格錯位可有效地降低，且經生長以在奈米圖案化結構上接平的半導體層的厚度也可以减少。載體亦可以與主動層的特定組態中的任一者結合(即，經摻雜量子阻障層的層數、量子阻障層的厚度滿足特定關係，插入中間層或部分量子井具有至少一對發光層及輔助層)，可以提升LED載子的複合率，也可以减少缺陷密度對LED效能之影響。因此，在本揭露中，在222nm至405nm波段下LED之發光强度可在小於365nm的紫外波長下顯著提升。
為讓本揭露的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
200、200A~200D、200E~200G、300、400、500、600‧‧‧發光二極體裝置
210、210'、210"‧‧‧載體
211、211'、211"、SUB‧‧‧基板
212、212'、212"‧‧‧半導體披覆層
213‧‧‧空隙
214‧‧‧遮罩層
220‧‧‧n型半導體層
222、224‧‧‧第一、第二n型經摻雜AlGaN層
230‧‧‧主動層
230A‧‧‧單量子井主動層
230B‧‧‧多量子井主動層
232、232a-232f‧‧‧量子阻障層
234、234a-234e‧‧‧量子井
2341‧‧‧輔助層
2342‧‧‧發光層
240‧‧‧p型半導體層
242、244‧‧‧第一、第二p型經摻雜AlGaN層
250‧‧‧第一電極
260‧‧‧第二電極
270、270A、270B1、270B2、270C~270G‧‧‧電子阻障層
270a、270b‧‧‧第一及第二子電子阻障層
280、280D、280E、280G‧‧‧中間層
320‧‧‧反射層
330‧‧‧結合層
a1、a2‧‧‧晶格常數
MA‧‧‧台面
n1、n2、n3‧‧‧折射係數
R‧‧‧凹座
S1~S4‧‧‧反射層之插入位置
S‧‧‧奈米圖案化結構
S'‧‧‧圖案化結構
SUBI‧‧‧載體基板
T1~Ti‧‧‧量子阻障層之厚度
t2‧‧‧中間層之厚度
t3‧‧‧電子阻障層之厚度
w1‧‧‧台面尺寸
w2‧‧‧凹座尺寸
圖1為本揭露之一例示性實施例中一種LED裝置的剖面示意圖。
圖2A為本揭露之一例示性實施例的LED裝置中一種具有單量子井結構之主動層的剖面示意圖。
圖2B為本揭露之一例示性實施例的LED裝置中一種具有多量子井結構之主動層的剖面示意圖。
圖3為本揭露之一例示性實施例的LED裝置中主動層的放大剖面示意圖。
圖4A為圖1中載體之實施型態。
圖4B為圖1中載體之另一實施型態。
圖4C為圖1中載體之又一實施型態。
圖5A及圖5B為規則地排列之奈米圖案化結構的俯視示意圖。
圖5C為隨機地排列之奈米圖案化結構的俯視示意圖。
圖6A為在微米尺度下之生長表面上的台面結構圖案的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。
圖6B及圖6C分別為在奈米尺度下之生長表面上具有不同間距的台面結構圖案的SEM圖像。
圖7A至圖7C分別為覆蓋平面基板、圖6A中微米圖案化基板及圖6B中奈米圖案化基板之AlN半導體披覆層的俯視圖的SEM圖像。
圖8A及圖8B分別為覆蓋圖7A及圖7C中平面基板及奈米圖案化基板之AlN半導體披覆層的表面的SEM圖像。
圖9A至圖9C為在各種磊晶條件下空隙在圖4A中奈米圖案 化結構上方之形成的剖面示意圖。
圖10A至圖10D為在圖4A中奈米圖案化結構上之遮罩層的製造流程的剖面示意圖。
圖11A為本揭露之一例示性實施例中比較實例的LED裝置的光學模擬圖，且圖11B為本揭露之一例示性實施例中LED裝置的光學模擬圖。
圖12A為LED裝置的量子阻障層中的不同數目個經摻雜層對電流-輸出功率曲線的影響的關係圖。
圖12B為LED裝置的量子阻障層中的不同數目經摻雜層對電流-電壓曲線的影響的關係圖。
圖13為表3所提供的LED裝置中之光輸出功率-注入電流曲線圖。
圖14為本揭露之一例示性實施例中一種LED裝置的剖面示意圖。
圖15為圖14LED裝置中之主動層的放大剖面示意圖。
圖16A至圖16D分別為根據第一例示性實施例中LED裝置的結構示意圖。
圖17A至圖17D分別為圖16A至圖16D中若干LED裝置的能帶級別的示意圖。
圖18A及圖18B分別為當施加350mA的電流時圖16A至圖16D中的LED裝置之導電帶及價電帶的模擬圖。
圖19為圖16A至圖16D中LED裝置之發光强度的模擬圖。
圖20A至圖20D分別為根據第二例示性實施例中LED裝置的結構示意圖。
圖21為圖20A至圖20D中LED裝置之發光强度的模擬圖。
圖22A至圖22D分別為當施加350mA的電流時圖20A至圖20D中的LED裝置之導電帶及價電帶的模擬圖。
圖23A及圖23B分別為圖1的LED裝置中單量子井之結構的剖面示意圖。
圖24為本揭露之LED裝置的實施型態。
圖25為本揭露之LED裝置的另一實施型態。
圖26為本揭露之LED裝置的又一實施型態。
本文中將參照隨附圖式詳細描述例示性實施例，以便所屬領域的一般技術人員容易認識至。本揭露概念可以各種形式體現而不限於本文中所陳述的例示性實施例。對熟知部分的描述出於清楚起見而被省略，且相似參考數字遍及全文指代相似元件。
圖1為本揭露之一例示性實施例中一種LED裝置的剖面示意圖。參照圖1，LED裝置200包括載體210、n型半導體層220、主動層230、p型半導體層240、第一電極250及第二電極260。載體210包含基板211及半導體披覆層212，其中基板211為(例如)藍寶石基板、氮化鎵(GaN)基板、矽基板、碳化矽(SiC)基板或氮化鋁(AlN)基板，且半導體披覆層212為(例如)未經 摻雜GaN層或未經摻雜AlN層，其中在本揭露中使用藍寶石基板及未經摻雜AlN半導體披覆層來進行說明，但本揭露不限於此。在本揭露的實施例中，AlN代替GaN用以作為半導體披覆層的材料，且這是基於AlN的能帶隙高於GaN的能帶隙，使得可避免光吸收。載體210的半導體披覆層212可配置於基板211與n型半導體層220之間。舉例來說，半導體披覆層212、n型半導體層220、主動層230及p型半導體層240的堆疊層形成於基板211(即，藍寶石基板)的表面上。
主動層230配置於n型半導體層220與p型半導體層240之間，其中由主動層230發射的光波長λ滿足222nm≦λ≦405nm之關係式，且主動層230的缺陷密度小於或等於5x1010/cm2，較佳地小於或等於2.5x1010/cm2，且更佳地小於或等於5x109/cm2。n型半導體層220可包含配置於半導體披覆層212上的第一n型經摻雜AlGaN層222及第二n型經摻雜AlGaN層224的堆疊層。p型半導體層240可包含順序地配置於主動層230上的第一p型經摻雜AlGaN層242及第二p型經摻雜AlGaN層244的堆疊層。應注意，第一n型經摻雜AlGaN層222與第二n型經摻雜AlGaN層224之間的差異或第一p型經摻雜AlGaN層242與第二p型經摻雜AlGaN層244之間的差異可為厚度或摻雜濃度。除此之外，舉例來說，n型半導體層220(包含第一n型經摻雜層222及第二n型經摻雜層224)及p型半導體層240(包含第一p型經摻雜層242及第二p型經摻雜層244)的材料可為GaN，但本揭露不限於此。
更具體來說，如圖1所示，半導體披覆層212(例如，未經摻雜GaN或未經摻雜AlN)、第一n型經摻雜AlGaN層222及第二n型經摻雜AlGaN層224、主動層230、第一p型經摻雜AlGaN層242及第二p型經摻雜AlGaN層244形成於基板211上，其中半導體披覆層212的缺陷密度小於或等於1x1010/cm2，較佳地小於或等於5x109/cm2，且更佳地小於或等於1x109/cm2。此外，第一電極250及第二電極260分別形成於第二n型經摻雜AlGaN層224及第二p型經摻雜AlGaN層244的部分上，使得第一電極250電連接至n型半導體層220，且第二電極260電連接至p型半導體層240。當然，氮化物緩衝層還可添加於基板211與n型半導體220之間，但本揭露不限於此。根據實際要求，所屬領域的技術人員可選擇厚度、摻雜濃度及鋁濃度以用於生長半導體披覆層212、第一n/p型經摻雜AlGaN層222及242、第二n/p型經摻雜AlGaN層224及244，但本揭露不限於此。
如圖2A及圖2B所示，主動層230可由單量子井(即，單量子井主動層230A)或多量子井(例如，多量子井主動層230B)組成。圖2A為本揭露之一例示性實施例的LED裝置中一種具有單量子井結構之主動層的剖面示意圖。圖2B為本揭露之一例示性實施例的LED裝置中一種具有多量子井結構之主動層的剖面示意圖。一般來說，主動層230包含i個量子井及(i+1)個量子阻障層。量子井中的每一者位於任何兩個量子阻障層之間，且i為大於或等於1的自然數。舉例來說，如圖2A所示，單量子井主動層 230A可由兩個量子阻障層232及包夾於其間的量子井234形成，因此構成量子阻障層232/量子井234/量子阻障層232的結構。以具有222nm至405nm的發射波長的LED裝置200為例，量子阻障層232的材料為AlxInyGa1-x-yN，其中0x1，0y0.3，且x+y1。此外，量子井234的材料可為AlmInnGa1-m-nN，其中0m<1，0n0.5，m+n1，x>m且n≧y。根據實際要求(例如，不同發射波長)，所屬領域的技術人員可選擇m及n或x及y的濃度以用於生長，但本揭露不限於此。
如圖2B所示，主動層230可由多個量子井(即，多量子井主動層230B)組成。多量子井主動層230B可由至少兩對經堆疊量子阻障層232及量子井234形成。舉例來說，圖2B中的多量子井主動層230B包括三對經堆疊的量子阻障層232/量子井234。另外，在發光波長為365nm的本揭露的實施例中，量子井的材料為IncGa1-cN，其中0≦c≦0.05，且量子阻障層的材料為AldGa1-dN，其中0≦d≦0.25。在實施例中，舉例來說，較佳鋁濃度在0.09與0.20之間，且量子阻障層的厚度為5nm至15nm。在實施例中，量子阻障層的較佳厚度為6nm至11nm。
圖3為本揭露之一例示性實施例的LED裝置中主動層的放大剖面示意圖。參照圖3，本實施例中所描述的主動層230包含五層量子井234a-234e及六層量子阻障層232a-232f。量子井234a-234e中的每一者位於量子阻障層232a-232f中的任何兩者之間。量子阻障層232a-232f自n型半導體層220側起算依序為 232a、232b、232c、232d、232e及232f，且從n型半導體層220計數，量子井234a-234e自n型半導體層220側起算依序為234a、234b、234c、234d及234e。
在本揭露的實施例中，半導體披覆層212、n型半導體層220、主動層230及p型半導體層240透過金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)而沉積在基板211上。然而，半導體披覆層212、n型半導體層220、主動層230及p型半導體層240的製造方法不限於上文所提及的MOCVD方法，其它合適的方法可適用於本揭露中。
此外，在此後的實施例中，矽被用作n型摻質，以作為實施型態的例示性範圍，但所屬領域的技術人員還可使用與矽在同一IVA族中的其它元素以透過取代矽來實施本揭露中的實施例。或者，V族或VIA族中的其它元素(例如，砷、磷或氧)透過取代矽來實施本揭露中的實施例。
基於氮化鋁的生長性質，氮化鋁的磊晶層傾向於以三維模式而非二維模式生長於基板上，使得此AlN層的側向接平變得困難。將透過後續生長接平的AlN磊晶層的厚度相對較厚(例如，經常大於10μm)，且還需要較長的生長時間。待沉積在基板上的其它磊晶材料(除了氮化鋁之外)將不具有側向接平的問題，當將這些材料沉積在平面基板上時較容易引起裂紋。因此，在本揭露的實施例中，提供在生長表面上具有至少一圖案結構的載體以便减少待接平的生長時間及所需要的生長厚度，且還基於至少一 圖案結構的奈米尺度而减少LED裝置的缺陷密度。
舉例來說，在本揭露的LED裝置200中(如圖1所示)，至少一奈米圖案化結構S可形成於載體210的生長表面上，使得沉積在奈米圖案化結構S上的層之側向生長的距離可在執行磊晶方法時經縮短，從而减少待接平的後續生長AlN層的生長時間及所需要的厚度。磊晶方法包含氫化物氣相磊晶(HVPE)、分子束磊晶(MBE)或金屬有機氣相磊晶(MOVPE)，且將奈米圖案化結構S製造於載體210上包含例如乾式蝕刻方法、濕式蝕刻方法、光微影方法或所屬領域的技術人員已知的其它方法等任何方法，但本揭露不限於此。舉例來說，在蝕刻之後的奈米圖案化結構S包含多個圖案，其中所述圖案中的每一者可為圓柱體、球狀體、金字塔或多邊形，其中載體210上的每一圖案的正投影可為圓形形狀、半圓形形狀、橢圓形形狀、正方形形狀、等邊三角形形狀、等腰三角形形狀、矩形形狀、梯形形狀、平行四邊形形狀、六邊形形狀或十字形或適用於待沉積於其上的磊晶的其它本體/形狀，但本揭露不限於此。
圖4A為圖1中載體之實施型態。參照圖4A，奈米圖案化結構S形成於基板211的表面上，且半導體披覆層212覆蓋奈米圖案化結構S且與其接觸。圖4B為圖1中載體之另一實施型態。參照圖4B，基板211'具有平面表面，半導體披覆層212'覆蓋基板211'之平面表面。奈米圖案化結構S形成於半導體披覆層212'的表面上，且n型半導體層220覆蓋奈米圖案化結構S且與其接 觸。此外，圖4C為圖1中載體之又一實施型態。參照圖4C，基板211"具有圖案化表面S'，且半導體披覆層212"覆蓋基板211"之圖案化表面S'，且奈米圖案化結構S形成於半導體披覆層212"的表面上，且n型半導體層220覆蓋奈米圖案化結構S且與其接觸。圖4C中所描繪的圖案化表面S'不限於奈米尺度，且表面S'可為微米圖案化尺度，或可在半導體披覆層212"的側向生長之後變為微米及奈米圖案化尺度，本揭露不限於基板211"的圖案化表面S'的尺度，只要此表面經圖案化以用於其上的後續磊晶生長即可。
如圖4A至圖4C所示，平面半導體披覆層212及奈米圖案化半導體披覆層212'、212"經由MOCVD方法而分別形成於基板211(即，奈米圖案化基板)、平面基板211'及圖案化基板211"上。所形成的半導體披覆層212、212'、212"的厚度可小於或等於10μm，小於或等於7μm，或小於或等於5μm，其中較佳的厚度範圍在1μm至4μm之間。在實施例中，半導體披覆層的材料包含氮化鎵(GaN)、氮化鋁鎵(AlGaN)、氮化鋁(AlN)、氮化銦鎵(InGaN)或其組合。
具體來說，奈米圖案化結構S在載體210的生長表面上包括多個台面MA，且凹座R形成於兩個鄰近台面MA之間。舉例來說，在基板211的表面上的奈米圖案化結構S上執行磊晶方法以形成半導體披覆層212期間，半導體披覆層212從每一台面MA的頂部表面上側向地生長，且接著半導體披覆層212接平於奈 米圖案化結構S上，如圖4A所示。基於台面MA的尺寸在奈米尺度下，待接平的半導體披覆層212的兩個鄰近台面之間的距離縮短，使得待接平的半導體披覆層212的厚度小於不具有奈米圖案化結構S的構件(其通常大於10μm)，且可减少磊晶生長的時間。此外，因為半導體披覆層212側向地生長於每一奈米尺度台面MA的頂部表面上以覆蓋基板211，所以在載體210中沿厚度方向上延伸的晶格錯位可有效地减少，且進一步避免由晶格失配產生的磊晶缺陷，從而在222nm至405nm波段下的LED裝置的發光强度在小於365nm的紫外波長下得以提升。
類似地，經由如圖4B半導體披覆層212'上的奈米圖案化結構S及如圖4C在圖案化基板211"上方之半導體披覆層212"上的奈米圖案化結構S，從奈米圖案化結構S側向地生長的第一n型經摻雜AlGaN層222分別接平於載體210'及210"上，其中同時還可减少奈米圖案化結構S上的磊晶層(即，第一n型經摻雜AlGaN層222及半導體披覆層212")的所需要的厚度及缺陷密度。
圖5A及圖5B為規則地排列之奈米圖案化結構的俯視示意圖。圖5C為隨機地排列之奈米圖案化結構的俯視示意圖。舉例來說，奈米圖案化結構S的台面MA是透過蝕刻方法來形成，其中這些台面MA可規則地排列(如圖5A及圖5B所示)或隨機地排列(如圖5C所示)於載體210的生長表面上。在本揭露的實施例中，使用規則地排列的台面MA來進行說明，但本揭露不限於此。在蝕刻之後，每一凹座R的深度範圍在10nm至500nm之間， 較佳地在50nm至400nm之間，且更佳地在100nm至300nm之間，且每一台面MA的尺寸範圍在10nm至800nm之間，較佳地在50nm至700nm之間，且更佳地在100nm至500nm之間，其中尺寸指示台面MA的直徑，且凹座R的深度還暗示台面MA的深度。多個凹座R環繞台面MA中的每一者，且彼此互連。或者，台面MA中的每一者可經形成為條狀且規則地或隨機地排列在載體的生長表面上，而凹座R中的每一者也經形成為條狀且位於兩個鄰近台面MA之間，其中凹座R不連續且透過台面MA而彼此分離。在實施例中，台面MA的尺寸w1及凹座R的尺寸w2滿足以下關係：0.0125[w1/w2]80，較佳地0.07[w1/w2]14，且更佳地0.2[w1/w2]5。
同時，隨著台面MA的深度增加(即，奈米圖案化結構S的厚度增加)，待沉積在台面MA的頂部表面上的磊晶增加，且基板211與氮化物磊晶層(例如，半導體披覆層212及第一n型經摻雜AlGaN層222)之間的接觸面積降低，使得可减少由熱膨脹失配及晶格失配導致的應力，從而降低在製造LED裝置之後在冷却階段處出現裂紋的機率。
為了進一步驗證上文得出結論的演繹，在下文所描述的實驗結果的支持下進一步說明LED裝置200中的奈米圖案化結構S的效果。在本實施例中，2μm厚的AlN半導體披覆層分別覆蓋平面基板、微米圖案化基板及兩個奈米圖案化基板(其中間距為450nm及750nm)且與其接觸。
圖6A為在微米尺度下的生長表面上的台面的結構圖案的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。圖6B及圖6C分別為在奈米尺度下的生長表面上的具有不同間距的台面的結構圖案的SEM圖像。圖6B中所描繪的台面MA的間距為450nm，且圖6C中所描繪的台面MA的間距為750nm。圖6A至圖6C中所描繪的台面MA規則地排列，其中圖6A至圖6C中所描繪的台面MA的深度分別為1.5μm、0.05μm、0.05μm；圖6A至圖6C中所描繪的台面MA的尺寸w1分別為2.27μm、0.45μm、0.7μm；且圖6A至圖6C中所描繪的凹座R的尺寸w2分別為0.78μm、0.45μm、0.7μm。
圖7A至圖7C分別為覆蓋平面基板、圖6A中微米圖案化基板及圖6B中奈米圖案化基板之AlN半導體披覆層的俯視圖的SEM圖像。同時參照圖6A至圖6C及圖7A至圖7C，在平面基板、圖6A所描繪的微米圖案化基板及圖6B所描繪的奈米圖案化基板的(0,0,2)晶體定向及(1,0,2)晶體定向上執行X射線衍射(XRD)分析。表1繪示由基板的不同結構造成的對X射線衍射分析的影響。
如表1的結果及圖7A至圖7C所示，在基板的生長表面上的AlN半導體披覆層的特定厚度(即，2μm)下，對平面基板上的半導體披覆層的(0,0,2)晶體定向的X射線衍射分析為270角秒，對圖6B所描繪的奈米圖案化基板上的半導體披覆層的(0,0,2)晶體定向的X射線衍射分析為310角秒，且對圖6A所描繪的微米圖案化基板上的半導體披覆層的(0,0,2)晶體定向的X射線衍射分析在此例示性實施例中無法測量。此外，對平面基板上的半導體披覆層的(1,0,2)晶體定向的X射線衍射分析為750角秒，對圖6B所描繪的奈米圖案化基板上的半導體披覆層的(1,0,2)晶體定向的X射線衍射分析為620角秒，且對圖6A所描繪的微米圖案化基板上的半導體披覆層的(1,0,2)晶體定向的X射線衍射分析，再次，在此例示性實施例中無法測量。對圖6A所描繪的微米圖案化基板上的半導體披覆層的(0,0,2)及(1,0,2)晶體定向的X射線衍射分析兩者在此例示性實施例中均未能測量，其說明表面不能接平，使得測量不得進行。
因此，從表1中可推出，覆蓋平面基板及圖6B中所描繪的奈米圖案化基板的半導體披覆層可接平至鏡樣的平整表面，而當半導體披覆層的磊晶生長厚度限於10μm之下時，覆蓋圖6A中所描繪的微米圖案化基板的半導體披覆層未能如上文所描述的另兩者一樣接平至平整表面。如圖7B所示，圖6A中所描繪的微米圖案化基板上的半導體披覆層的表面保持仍為不平整的，如圖7B中所示。圖6A中所描繪的微米圖案化基板使之後得難以隨後 實現半導體披覆層的接平難以實現。
如圖7A及圖7C所示，儘管所實現的兩個構造已配置接平至鏡樣的平整表面，但平面基板上的半導體披覆層的裂紋密度與圖6B中所描繪的奈米圖案化基板的裂紋密度相比相對較高。圖8A及圖8B為分別為覆蓋圖7A及圖7C中所描繪的平面基板及奈米圖案化基板的AlN半導體披覆層的表面的SEM圖像。如圖8A所示，平面基板上的半導體披覆層的表面看起來像裂紋表面。相比之下，奈米圖案化基板上的半導體披覆層的表面看起來像平滑且無裂紋的表面，如圖8B所示。
換句話說，基於基板的生長表面上的奈米圖案化結構，由熱膨脹失配及晶格失配導致的應力在半導體披覆層與基板之間减少，從而降低在半導體披覆層及/或氮化物半導體結構中出現裂紋的機率，且改進LED裝置的質量。類似地，當奈米圖案化結構形成於具有平面基板的半導體披覆層上(如圖4B所示)或形成於具有圖案化基板的半導體披覆層上(如圖4C所示)時，由熱膨脹失配及晶格失配導致的應力可經由載體的生長表面上的奈米圖案化結構而减少，從而降低在半導體披覆層及/或氮化物半導體結構中出現裂紋的機率。
圖9A至圖9C為在各種磊晶條件下空隙在圖4A中奈米圖案化結構上方之形成的剖面示意圖。根據本實施例，假定在具有折射係數n1的基板211(或載體210)上方存在形成於具有折射係數n3的半導體披覆層212中的具有折射係數n2的p個空隙213， 其中1p，且n3>n2>n1，其中p為大於或等於1的自然數。在這些條件下，對於奈米圖案化結構S上的磊晶層待接平的缺陷密度及所需要的厚度的改進效果尤其明顯。
參照圖9A，因為在第一磊晶條件下，半導體披覆層212側向地生長於每一台面MA的頂部表面上以覆蓋奈米圖案化結構S，所以當接平半導體披覆層212接平時，多個空隙213形成於這些台面MA之間。同樣，參照圖9B，因為在第二磊晶條件下，半導體披覆層212側向地生長於每一台面MA的頂部表面上以覆蓋奈米圖案化結構S，所以當接平半導體披覆層212接平時，多個空隙213形成於這些台面MA之間。或者，這些空隙213還可形成於這些台面MA之間，即，空隙213中的每一者可形成於兩個鄰近凹座R之間的台面MA中的每一者上方，如圖9C中所示。這就是說，每一空隙213可形成於任何兩個鄰近台面MA之間的每一凹座R上方(如圖9A及圖9B中所示)，或可形成於在任何兩個鄰近凹座R之間的每一台面MA上方(如圖9C所示)，空隙213的位置不限於此，只要形成於奈米圖案化結構S上方即可。
類似地，空隙213還可經形成且應用於圖4B中所描繪的奈米圖案化結構S、圖4C中所描繪的奈米圖案化結構S及圖案化表面S'，以减少後續磊晶半導體層的厚度及LED裝置的缺陷密度，因此詳細描述可與在此不再重複的上文描述有關。
圖9A至圖9C之間的差異在於圖9A中的空隙213與凹座R互連以在在圖9A中的載體210中形成圓錐及圓柱空間，而半 導體披覆層212首先接平於凹座R上方，且空隙213接著形成於在圖9B中的凹座R上方或在圖9C中的台面MA上方的半導體披覆層212的經接平的部分上方。儘管使用圓錐及圓柱形狀來說明空隙213，但空隙213的形狀(其取决於給定磊晶條件)不限於此。此外，空隙213的位置也不限制(例如，在半導體披覆層212中)在半導體層212中也不限制的空隙213的位置，所屬領域的技術人員可根據實踐中的要求而確决定空隙213的位置。基於半導體披覆層212與基板211之間的空隙213的存在，載體210具有三個不同的折射係數(即，n1至n3)，使得當發射光時可透過折射係數差來降低减少LED裝置中的全內反射效果，從而提升LED裝置的光粹取率(power extraction)。此外，基於載體210中的奈米圖案化結構S，還可减少側向地生長以接平於奈米圖案化結構S上的半導體層的厚度，且可有效地降低氮化物半導體層的缺陷密度。
在下文所描述的實驗結果的支持下進一步說明本揭露中的空隙213的效果。舉例來說，在實施例的前述配置下(即，在載體210中具有奈米圖案化結構S及空隙213)，待接平的半導體披覆層212的厚度小於或等於10μm，較佳地小於或等於7μm，且更佳地小於或等於5μm，而半導體披覆層的缺陷密度小於或等於1x1010/cm2，較佳地小於或等於5x109/cm2，且更佳地小於或等於1x109/cm2，且主動層230的缺陷密度小於或等於5x1010/cm2，較佳地小於或等於2.5x109/cm2，且更佳地小於或等於5x109/cm2。相比之下，主動層的缺陷密度在平面藍寶石基板上約為 1x1011/cm2，但待接平的半導體披覆層212的厚度小於1μm，而待接平的半導體披覆層212的厚度大於5μm，且主動層的缺陷密度的範圍在具有微米圖案化結構的藍寶石基板上為在1x109/cm2至1x1011/cm2之間。因此，如上文所說明，在具有在基板與氮化物半導體結構之間具有的奈米圖案化結構及空隙的情况下，LED裝置中的待接平的磊晶半導體層可較薄，且還可减少LED裝置的缺陷密度。
另外，舉例來說，可經由增加奈米圖案化結構S的台面MA的深度或使用遮罩層覆蓋台面MA的側壁及每一凹座R的底部表面來實現空隙213的形成。具體來說，在本揭露的實施例中，除了增加台面MA的厚度之外，可以於奈米圖案化結構S上方進一步使用遮罩層，以便確保半導體披覆層212及/或第一n型經摻雜AlGaN層222的磊晶生長於奈米圖案化結構S的每一台面MA的頂部表面上。使用前述方法來說明本揭露的例示性實施例，以便减少待接平的半導體披覆層的厚度及裂紋的機率，且本揭露的範圍不限於此。
圖10A至圖10D為在圖4A中奈米圖案化結構上之遮罩層的製造方法流程的剖面示意圖。參照圖10A及圖10B，奈米圖案化結構S形成於載體210中的基板211的生長表面上。接著，經由化學氣相沉積(CVD)形成0.1μm至2μm的遮罩層214以覆蓋基板211上的奈米圖案化結構S。其後，對遮罩層214執行光微影方法，且接著透過執行蝕刻方法而部分地移除遮罩層214， 以使每一台面MA的每一者的頂部表面暴露。因此，如圖10C所示，遮罩層214覆蓋每一台面MA的側壁及兩個鄰近台面MA之間的每一凹座R的頂部表面。因此，參照圖10D，因為在磊晶方法期間，半導體披覆層212從未由遮罩層214覆蓋的每一台面MA的頂部表面側向地生長，所以半導體披覆層212可不生長於每一台面MA的側壁及每一凹座R的底部表面上，且接平於兩個鄰近台面MA之間的每一凹座R上方。
在具有遮罩層的配置下，待接平的半導體披覆層212的厚度可以以較薄方式實現，使得從而减少半導體披覆層212與奈米圖案化結構S之間的裂紋可减少。具體來說，半導體披覆層212的厚度為(例如)小於或等於5μm，其促進後續層的形成。舉例來說，遮罩層214的材料可為二氧化矽(SiO2)、氮化矽(Si3N4)或氮氧化矽(SiON)。類似地，遮罩層214還可應用於圖4B中所描繪的奈米圖案化結構S、圖4C中所描繪的奈米圖案化結構S及圖案化表面S'，以確保後續層的磊晶層生長於每一台面MA的頂部表面，使得因此詳細描述可與在此不再重複的上文描述有關。
因此據此，透過在載體的生長表面上(即，在基板的表面上，在半導體披覆層的表面，及在半導體披覆層的表面以及基板的圖案化表面上)具有的奈米圖案化結構，待接平的後續磊晶半導體層可以較薄，且可以减少LED裝置的缺陷密度。此外，透過在奈米圖案化結構上方形成的空隙，且經由空隙的分布密度及空隙、經接平的半導體層及基板之間的折射係數差，可進一步减 少待接平的後續磊晶半導體層的厚度，且還可减少LED裝置的缺陷密度。此外，透過在每一台面的側壁及凹座的底部表面上濺鍍遮罩層，後續磊晶半導體層可從奈米圖案化結構的每一台面的頂部表面側向地生長，使得可减少經接平的半導體層與具有奈米圖案化結構的半導體層之間的接觸面積减少，從而使待接平的後續磊晶半導體層變薄，且降低LED裝置的缺陷密度。因此，透過使用前述技術中的任一者，本揭露中的LED裝置的發光强度可在222nm至405nm波段下，尤其在小於365nm的紫外波長下顯著提升。
在LED裝置200中的主動層230的特定配置下(即，經摻雜量子阻障層的層數或量子阻障層的厚度滿足特定關係，插入中間層或部分量子井具有至少一對發光層及輔助層)，更多電子-電洞對可分布至主動層230的量子井234中，因此與載體210中的奈米圖案化結構S，可進一步改進在222nm至405nm波段下LED裝置200的發光强度。在任一主動層230的前述配置的情况下，在缺陷周圍形成更多銦自聚的區域。因此，當載子移動至缺陷時，由銦自聚的區域俘獲更多載子，因此提升載子的複合率。
對發光强度的影響由LED裝置200中的主動層230的各種配置導致，其在下文中進一步解釋。前述載體210(即，如圖4A、圖4B或圖4C中所示配置的奈米圖案化結構S)，例如SUB及SUBI，可應用於以下實施例中的基板。
實施例I
在此實施例中，透過使主動層中經摻雜有n型摻質的數個量子阻障層(其中經摻雜量子阻障層的層數滿足特定關係)，或透過經摻雜有n型摻質的量子阻障層中最靠近於p型半導體者具有最低摻雜濃度，或透過使得經摻雜有n型摻質的量子阻障層的摻雜濃度滿足特定關係，n型摻質可補償缺陷對載子的影響。因此，可提升LED裝置的載子的複合率。因此，透過使用前述技術中的任一者，實施例中的LED裝置的發光效率可在222nm至405nm波段下顯著提升。
圖11A為根據本揭露之一例示性實施例中比較實例的的LED裝置比較實例的光學模擬圖，且圖11B為根據本揭露之一例示性實施例中的LED裝置的光學模擬圖，其中圖11A及圖11B中的缺陷密度設定為1x108/cm3。請首先，參照圖11A，圖11A為對量子阻障層232a-232f中的經摻雜量子阻障層的層數的調整與根據例示性實施例的LED裝置的在450nm周圍的發光波長的發光强度之間的關係圖。參照圖3及圖11A兩者，橫軸表示發光波長(單位：nm)，且縱軸表示發光强度(單位：a.u.)。此外，在不同線A、B、C及D的傾斜線之前及之後的數值分別表示在量子阻障層232a-232f中的經摻雜/未經摻雜量子阻障層的層數。經摻雜層的層數從n型半導體層220側算起。舉例來說，線A中的6/0表示所有六個量子阻障層232a-232f經摻雜。線B中的4/2表示在n型半導體層220附近的四個量子阻障層232a-232d為經摻雜量子阻障層，且未經摻雜量子阻障層232e-232f的層數為兩層。線C中的 2/4表示在n型半導體層220附近的兩個量子阻障層232a-232b為經摻雜量子阻障層，且未經摻雜量子阻障層232c-232f的層數為四層。另一方面，線D中的0/6可表示所有六層量子阻障層232a-232f全部未經摻雜。如圖11A所示，結果顯示增加經摻雜量子阻障層的層數反而降低LED裝置在450nm附近波段的發光效率。
相比之下，當經摻雜量子阻障層的層數增加時，可有效地提升LED裝置在222nm至405nm波段下的發光强度。具體來說，圖11B為改變量子阻障層中的經摻雜量子阻障層的層數與發光波長在365nm附近波段的發光强度的關係圖。在圖11B中，橫軸、縱軸及線段的定義類似於圖11A，其中圖11B表示主峰為365nm的附近的222nm至405nm範圍的發光波長。如圖11B所示，結果顯示增加經摻雜量子阻障層232的層數有助於提升LED裝置在222nm至405nm波段下的發光效率。
當LED裝置所發出的發光波長在450nm附近時，可從圖11A及圖11B中所呈現的結果推斷出，基於量子井存在較强的局部效應(localized effect)，載子不易受缺陷密度的影響。因此，於量子阻障層中摻雜n型摻質，並無法有效地提升為450nm附近的發光强度。另一方面，太多的摻雜反而會導致載子溢流現象，因而降低發光强度，如圖11A所示。然而，對於發光波長在365nm附近的LED裝置而言，於量子阻障層中摻雜n型摻質的效應却與發光波長在450nm附近的LED裝置完全相反。
如圖11B所示，當LED裝置所發出的發光波長在主峰為 365nm附近的222nm至405nm的發光波長時，基於量子井的局部效應减弱，載子受至缺陷密度的影響提升，因此量子阻障層中摻雜n型摻質(例如，矽)有助於補償缺陷密度對載子的影響。換句話說，n型摻質還可提供電子作為輻射複合之用，從而有效地提升LED裝置在222nm至405nm發光波段下的的發光效率。在實施例中，此處所涉及的n型摻質可為來自從外部源提供能够代替III族元素的IV族摻質。如圖11B所示，範圍在222nm至405nm之間的發光波長的發光强度隨著經摻雜量子阻障層的層數增加而提升。當經摻雜量子阻障層的層數k及量子阻障層的總數目i滿足以下公式時，發光效率提升的效果尤其明顯：當i為偶數時，k≧i/2，且當i為奇數時，k≧(i-1)/2。
表2記錄在LED裝置中主動層的結構如圖3所示時，LED裝置在不同電流下的發光强度表現。表2還記錄隨著經摻雜量子阻障層及未經摻雜量子阻障層的層數而改變的順向電壓。在圖1中製成表的實驗中，各經摻雜量子阻障層的摻雜濃度C1、C2、…Ck為(例如)2x1018/cm3。在發光波長為365nm的實施例中，量子井的材料為IncGa1-cN，其中0≦c≦0.05，且量子阻障層的材料為AldGa1-dN，其中d在0至0.25之間。在本實施例中，鋁濃度較佳為0.09至0.20之間，且量子阻障層的厚度為(例如)5nm-15nm。在本實施例中，厚度較佳為6nm-11nm。另外，表2的結果說明於圖12A及圖12B中。圖12A為LED裝置的量子阻障層中的不同經摻雜層數對電流-輸出功率曲線的影響的關係圖。圖12B為 LED裝置的量子阻障層中的不同經摻雜層數對電流-電壓曲線的影響的關係圖。
如表2及圖12A的結果所示，LED裝置200A-200E的輸出功率隨著在既有量子阻障層中經摻雜量子阻障層的數目增長而提升。具體來說，首先，當量子阻障層未摻雜有n型摻質時，其摻雜濃度為0，且GaN材料具有根據不同磊晶技術或不同磊晶質量而不同的背景摻雜濃度。在本實施例中，因為無法測量至背景摻雜濃度，因此未經摻雜濃度由N.A來表示。此時，當六層量子阻障層中皆未摻雜有n型摻質(例如，矽)時，輸出功率為9.5mW(LED裝置200A)。當六層量子阻障層中的兩層摻雜有n型摻質時(例如，對圖3所描繪的量子阻障層232a-232f中最靠近於n型半導體層220的兩層量子阻障層232a-232b)，LED裝置200B的輸出功率可從皆未經摻雜的9.5mW提升至10.6mW。較佳地，當在六層量子阻障層232中有四層經摻雜量子阻障層232時(例如，對圖3中最靠近於n型半導體層220的四層量子阻障層 232a-232d)，LED裝置200C的輸出功率可從未經摻雜的9.5mW顯著提升至17.0mW，其為原來的兩倍。因此，當經摻雜量子阻障層232的層數k大於或等於量子阻障層232的總數目i的一半時，可有效地提升LED裝置200C的發光效率。此外，當摻雜五層量子阻障層時，LED裝置200D的輸出功率為24.2mW。當所有量子阻障層232都摻雜時(例如，對圖3中所有六個量子阻障層232a-232f摻雜)，LED裝置200E的輸出功率可提升至31.1mW，其接近原來的三倍。
此外，如表2及圖12B的結果所示，透過在量子阻障層中摻雜n型摻質，除可有效地提升LED裝置200A的發光效率之外，更可進一步降低量子阻障層的電阻值，從而降低LED裝置的順向電壓。舉例來說，順向電壓由所有量子阻障層未經摻雜的4.36V下降至所有量子阻障層經摻雜的4.14V。前述結果表示，透過增加量子阻障層中的摻雜層數，可補償缺陷密度對LED裝置在222nm至405nm波段下(主峰在365nm附近)的發光效率的影響。
實施例II
在此實施例中，透過最靠近於p型半導體層的三個量子阻障層中的一者(其厚度具有大於另兩個量子阻障層的厚度)，或在主動層中量子阻障層的厚度滿足特定關係，電子-電洞對可均勻地分布於主動層中，電子電洞複合的機率可提升，且可顯著改進LED裝置在222nm至405nm波段下的發光强度。
根據本實施例，假定LED裝置200的主動層230具有圖3所示的結構，且施加300mA的電流及700mA的電流。在這些條件下，當量子阻障層232a-232f在不同位置處的厚度(單位：nm)改變時，在表3中提供LED裝置200的發光强度。本文中，每一量子井234a-234e者的厚度為3nm。除此之外，在本實施例中，量子井234a-234e由(例如)IncGa1-cN製成，且0c0.05；量子阻障層232a-232f由(例如)AldGa1-dN製成，且0d0.25(較佳地0.09d0.20)。
即，根據本實施例，如圖3所示，主動層230具有六層量子阻障層232a-232f。從p型半導體層240起算的六層量子阻障層232a-232f的厚度按順序為T1、T2,、T3…及Ti(在本實施例中i=6)。即，T1表示最靠近於p型半導體層240的量子阻障層232f的厚度，且T6表示最靠近於n型半導體層220的量子阻障層232a的厚度。
如表3所示，LED裝置I當施加350mA的電流時具有17.0mW的發光强度。參照圖3及表3，在LED裝置200最靠近於p型半導體層240的三層量子阻障層232d-232f中，當最靠近於 p型半導體層240的量子阻障層232f的厚度T1大於相對地靠近於n型半導體層220的量子阻障層232e及232d的厚度T2及T3時(即，當T1大於T2且大於T3時)，可有效地改進LED裝置200的發光强度。
具體來說，與LED裝置I的發光强度相比較，LED裝置II的發光强度顯著地降低至5.9mW。因為在LED裝置II中最靠近於p型半導體層240的量子阻障層232f的厚度T1相對較薄，所以未能有效地將電子局限於量子井中，且LED裝置II的發光强度大程度地减弱。這符合先前實施例中所描述的機制。
與LED裝置I中的中間量子阻障層232d及232c的厚度T3及T4相比較，LED裝置III中的中間量子阻障層232d及232c的厚度T3及T4减薄之後，LED裝置III的發光强度接著可提升至24mW。在所述厚度設計的情况下，相對於LED裝置I，電洞可容易朝向n型半導體層220將注入至更多的量子井234a-234e。在LED裝置IV中，進一步將量子阻障層232b及232a的厚度减薄，而光輸出功率更顯著提升至30.3mW。
在LED裝置V中，如果從p型半導體層240至n型半導體層220算起，那麽量子阻障層232f-232a的厚度T1-T6逐漸减小。如表3所示，T1的厚度至T6的厚度逐漸减少，其發光强度逐漸倍增至約33.1mW。即，在LED裝置中最靠近於p型半導體層240的三層量子阻障層232的厚度T1-T3滿足T1≧T2且T1≧T3的關係，使得電洞可均勻地分布於主動層的量子井中，且可抑制電子 的溢流現象。藉此，可有效地提升LED裝置的發光强度。
圖13為表3所提供的LED裝置中的光輸出功率-注入電流曲線圖。可從表3及圖13得知，可透過調整主動層230中的量子阻障層232f-232a的厚度來改進LED裝置的光輸出功率。尤其是，靠近於p型半導體層240的三層量子阻障層232f-232d對電洞遷移率比其它量子阻障層232c-232a有更大程度地影響，因此可透過調整量子阻障層232f-232d的厚度來有效地提升發光强度的效果。
在主動層230中的i層量子阻障層232當中，如果厚度T1與厚度T2至Ti相比較具有最大值，那麽LED裝置的發光强度即可改良。
根據表3，LED裝置(例如，LED裝置III)中，中間量子阻障層的厚度(例如，T3及T4)可小於靠近於n型半導體層220及p型半導體層240的量子阻障層的厚度，且可以有效的方式改進光輸出功率。靠近於n型半導體層220的量子阻障層232b及232a的厚度可經設計成小於靠近於p型半導體層240的量子阻障層232f及232e的厚度，使得量子阻障層232d至232a的厚度相等。因此，可進一步提升LED裝置(例如，LED裝置IV)的光輸出功率。注意，LED裝置(例如，量子阻障層232的厚度在從p型半導體層240至n型半導體層220算起的情况下逐漸减小的LED裝置V)的發光强度與LED裝置I至IV的發光强度相比較具有最大值。
根據上文所描述的實驗結果，可推出透過使電子-電洞對均勻地分布於主動層230的量子井中及透過提升靠近於p型半導體層240的量子阻障層的載子局限效果可有效地提升LED裝置的發光效率。
將上文實驗中所描述的六層量子阻障層232取作實例，最靠近於p型半導體層240的第一量子阻障層232f的厚度T1具有最大值，且第二量子阻障層232e的厚度T2小於或等於第一量子阻障層232f的厚度T1。藉此，最靠近於p型半導體層240的第一量子井可最佳程度地實現局限效果，可避免電子溢出，且電子及電洞的輻射複合可得以提升。
鑒於上文實驗及推論，最靠近於p型半導體層240的第一量子阻障層232f的厚度T1具有最大值，藉此可避免電子溢流，且電子及電洞的輻射複合可更為有效。因此，所屬領域的技術人員應注意至，當第二量子阻障層232e的厚度T2等於第一量子阻障層232f的厚度T1時，最靠近於p型半導體層240的第一量子井可具有較佳的局限效果。因此，仍可達到避免電子溢流，且電子及電洞的輻射複合仍可得以實現。
更具體來說，與厚度T1及T2相比較，第三量子阻障層232d的厚度T3在厚度T1至T3之間是最薄的(見表3中的LED裝置III至V)。這對於電洞注入是有益的(即，電洞可朝向n型半導體層220側的量子井234注入)，且電洞可均勻地分布至主動層230中。如表3所示，當T1>T2=T3時，LED裝置I的光輸出功率 可大於LED裝置II。如表3中所示的LED裝置IV及V，當最靠近於n型半導體層的量子阻障層的厚度Ti(在本實施例中i=6)具有最小值時，LED裝置IV及V在施加350mA的電流及700mA的電流下具有最有利的發光强度。即，當最靠近於n型半導體層的量子阻障層的厚度Ti具有i層量子阻障層的厚度當中的最薄時，可有效地提升光輸出功率。
實施例III
圖14為本揭露之一例示性實施例中一種LED裝置的剖面示意圖。圖14中所描繪的LED裝置300的結構類似於圖1中所描繪的LED裝置200，除了電子阻障層270及中間層280位於主動層230與p型半導體層240之間。圖15為圖14中所描繪的LED裝置中的主動層的放大剖面示意圖。圖15中所描繪的主動層230的結構類似於圖3中所描繪的主動層230的結構，除了從p型半導體層240算起的量子阻障層232a-232f的順序為232a、232b、232c、232d、232e及232f，且從p型半導體層240算起的量子井234a至234e的順序為234a、234b,、234c、234d及234e，且電子阻障層270及中間層280位於量子阻障層232a與p型半導體層240之間。
在此實施例中，為了减少基於電子阻障層與最靠近於p型半導體層的量子阻障層之間的晶格常數的差的極化場的失配現象，且為了改進電子局限效果且减少電子溢流，鄰近於p型半導 體層240的電子阻障層270插入於主動層230與p型半導體層240之間。中間層280插入於電子阻障層270與主動層230中最靠近於p型半導體層240的量子阻障層232之間(如圖15所示，主動層230中最靠近於p型半導體層240的量子阻障層在下文中標記為232a)，使得中間層280的兩個表面與量子阻障層232a及電子阻障層270接觸。透過使用前述技術中的任一者(例如，改變中間層280的晶格常數或厚度)，中間層280的晶格常數a2與量子阻障層232a的晶格常數a1或電子阻障層270的晶格常數a3滿足特定關係，以便控制在連接至電子阻障層270的主動層230中最靠近於p型半導體層240的量子阻障層的導電帶及價電帶的能帶。或者，使得中間層280的厚度t2與電子阻障層270的厚度t3滿足特定關係，還可控制在連接至電子阻障層270的主動層230中最靠近於p型半導體層240的量子阻障層的導電帶及價電帶的能帶以便改進電洞注入效率，從而提升LED裝置300的總發光效率。
具體來說，實施例中所描述的晶格常數可定義為平均晶格常數，且晶格常數公式AlaInbGa1-a-bN可計算出晶格常數為3.112×a+3.544×b+3.1892×(1-a-b)。在b=0的狀况下，當鋁濃度a等於0.08時，對應晶格常數為3.1830Å。當為多層結構時(例如，具有厚度t1的AlcIndGa1-c-dN及具有厚度t2的AleInfGa1-e-fN)時，對應於AlcIndGa1-c-dN及AleInfGa1-e-fN的晶格常數為a1及a2，且此結構的平均晶格常數為：
具體來說，當電子阻障層270插入於主動層230與p型半導體層240之間時，可改進LED裝置中的載子局限效果以便提升LED裝置的發光效率。此外，在實施例中，中間層280插入於電子阻障層270與最靠近於p型半導體層240的量子阻障層之間。在實施例中，中間層280可以是梯度中間層(graded interlayer)的形式。在另一實施例中，中間層280可以是極化反轉中間層的形式。具體來說，透過改變中間層280的晶格常數及/或厚度，可有效地控制在連接至電子阻障層270的主動層230中最靠近於p型半導體層240的量子阻障層的導電帶及價電帶的能帶以避免由電子阻障層與最靠近於p型半導體層的量子阻障層之間的晶格常數的差異造成極化場不匹配的現象，使得導電帶能帶高於費米能階，從而改進電子局限效果，且减少電子溢流。此外，可從價電帶可消除電子阻障層與最靠近於p型半導體層的量子阻障層之間的能帶不連續性，從而促進電洞注入且有效地提升發光效率。特定來說，特別是對於主動層230所發出之波長範圍為222nm至405nm波段的光線，提升效果尤其明顯。
圖16A至圖16D分別為根據第一例示性實施例中LED裝置的結構示意圖，其中圖16D為根據第一例示性實施例的LED裝置的結構，且圖16A至圖16C充當第一例示性實施例中LED裝置的比較實例。描繪於圖16A至圖16D中的LED裝置200A-200D 中的層結構的細節清楚地說明於圖14中所描繪的結構中，且因此對層的部分之間的相對位置及每一層的材料的簡短描述說明於圖16A至圖16D中。圖16A至圖16D中所描繪的每一層材料由元素組成表示，例如LED裝置200A-200D中的第一p型經摻雜AlGaN層242的材料為Al0.08Ga0.92N，主動層230中的量子阻障層的材料為AldGa1-dN，且量子井的材料為IncGa1-cN。此外，第二p型經摻雜AlGaN層244及n型半導體層220的材料分別為(例如)P+AlGaN及AlGaN。參照圖16A至圖16D，LED裝置200A-200D之間的差異為第一p型經摻雜AlGaN層242與主動層230之間的夾層結構及圖16A至圖16D中在M2處所標示的膜層結構與組成元素。
圖17A至圖17D分別為圖16A至圖16D中若干LED裝置的能帶示意圖。與圖16A至圖16C中所描繪的前述LED裝置200A-200C相同，圖17A至圖17C為比較實例，且圖17D為第一例示性實施例的LED裝置。橫軸表示LED裝置200A-200D中堆疊位置關係中各膜層的相對位置(厚度)，縱軸表示各膜層的鋁濃度。其各膜層上方標示該厚度(單位：nm)。此外，在第一例示性實施例中，主要說明中間層280屬於梯度中間層的實施型態。
參照圖16A及圖17A，在LED裝置200A中，電子阻障層270A為具有25%的固定鋁濃度及25nm的厚度的Al0.25Ga0.75N薄膜，而圖16B的LED裝置200B、圖16C的LED裝置200C及圖16D的LED裝置200D中的包夾於p型半導體層240與主動層230之間的膜層結構(例如，電子阻障層270)等分成不同鋁濃度 的結構。
更具體來說，參照圖16B及圖17B，在LED裝置200B中，在成長完最靠近於p型半導體層240的量子阻障層之後(如圖15所示)，隨後成長具有固定鋁濃度25%及成長厚度15nm的電子阻障層270B1，且接著生長具有從25%逐漸减少至8%的鋁濃度的電子阻障層270B2，且所述電子阻障層270B2與p-Al0.08Ga0.92N層(即，第一p型經摻雜AlGaN層242)接觸。
參照圖16C及圖17C，在LED裝置200C中，在最靠近於p型半導體層240的量子阻障層的生長之後，生長具有鋁濃度從17%逐漸增加至25%及成長厚度25nm的電子阻障層270C。參照圖16D及圖17D，在第一例示性實施例的LED裝置200D中，在最靠近於p型半導體層240的量子阻障層的生長之後，隨後生長具有鋁濃度從17%逐漸增加至25%及成長厚度25nm的中間層280D，且接著成長具有固定鋁濃度25%及成長厚度15nm的電子阻障層270D。
圖18A及圖18B分別為當施加350mA的電流時圖16A至圖16D中所描繪的LED裝置的導電帶及價電帶的模擬圖。可從圖18A及圖18B中看出，透過使得中間層280D插入至LED裝置200D的結構中，可改變電子阻障層與最靠近於p型半導體層的量子阻障層連接的導電帶及價電帶的能帶。具體來說，如圖18A所示，LED裝置200D中的中間層280D的導電帶能階高於費米能階，其代表LED裝置200D的膜層結構可提升電子局限效果且减 少電子溢流。另外，如圖18B所示，基於LED裝置200D中的中間層280D的價電帶，可消除在電子阻障層與最靠近於p型半導體層的量子阻障層之間的能帶不連續性，以便有效地促進電洞注入。
此外，圖19為圖16A至圖16D中LED裝置之發光强度的模擬圖。從圖19中，在第一例示性實施例中，LED裝置200D具有最高發光强度。
類似地，透過使中間層的厚度t2及電子阻障層的厚度t3滿足特定關係(即，t2≦0.9t3)，且在厚度t3足够厚的條件下，可避免電子從最靠近於p型半導體層的量子阻障層穿隧電子阻障層至p型半導體層。因此，改進電子局限效果，從而提升前述效果。
在下文所描述的實驗結果的支持下進一步說明前述推論。表4記錄在LED裝置200A、200B及200D中改變主動層中電子阻障層與最靠近於p型半導體層的量子阻障層之間的結構(如圖16A、圖16B及圖16D所示)時，LED裝置200A、200B及200D在不同電流(即，施加350mA及700mA的電流)下產生的發光强度及順向接通電壓。在本實施例中，主動層230包含五層量子井234，且各量子井234a-234e的厚度為3nm。
如表4及圖16A所示，當應用具有電子阻障層270A(即，具有固定鋁濃度的一層)的LED裝置200A時，LED裝置200A具有33.1mW的發光强度。相比之下，如表4及圖16D所示，當電子阻障層270D及中間層280D的結構改成LED裝置200D之結構時，發光强度可從原本的33.1mW顯著提升至54.0mW。另外，從表4及圖16D，LED裝置200D的結構可促進减少電子阻障層270D與最靠近於p型半導體層240的量子阻障層之間的能帶不連續性效應，且促進改進電洞注入，且减少接面之間的阻值，以便促進减少順向接通電壓(從原本的4.28V至4.17V)。
此外，參照表4及圖16D，在LED裝置200D中，中間層280D的厚度t2為10nm，且電子阻障層270D的厚度t3為15nm。換句話說，中間層的厚度t2及電子阻障層的厚度t3滿足特定關係，即t2(10nm)≦0.9t3(15nm×0.9=13.5nm)，亦可以達到上述效果。換句話說，透過使中間層的厚度t2及電子阻障層的 厚度t3滿足特定關係(即，t2≦0.9t3)，可避免電子從最靠近於p型半導體層的量子阻障層穿隧電子阻障層至p型半導體層。因此，改進電子局限效果，從而提升前述效果。
更具體來說，如圖16D所示，從中間層280D的晶格常數a2及厚度t2的變化率滿足以下關係。即，因為中間層280D的晶格常數a2的變化可視為中間層280D的鋁濃度的變化，例如鋁濃度從x%變化至y%可對應於晶格常數從ax Å變化至ay Å。因此，從中間層280D的晶格常數a2及厚度t2的變化率m可由以下公式(1)計算：
換句話說，當從中間層280D的晶格常數a2及厚度t2的變化率m滿足關係(即，m≧9×10-4(%/Å))時，可實現例如提升電子局限效果、降低電子溢流、提升電洞注入及提升發光强度等效果。在本實施例中，當鋁濃度為17%時，對應晶格常數為3.1761Å，且當鋁濃度a等於0.25時，對應晶格常數為3.1699Å，且因此在厚度t2=10nm(100Å)的狀况下，其中：
綜上所述，在一例示性實施例中，透過在主動層中電子阻障層與最靠近於p型半導體層的量子阻障層之間插入中間層(其 晶格常數不同於量子阻障層及電子阻障層的晶格常數)，即將最靠近於p型半導體層的鋁濃度實質上大於最靠近於n型半導體層的鋁濃度，可有效地改進電子局限效果，可减少電子溢流活動，且可提升電洞注入效率及發光强度。
另外，如表4所指示，在一例示性實施例中，透過使中間層的厚度t2及電子阻障層的厚度t3滿足特定關係t2≦0.9t3，特別是使得從中間層(如圖16D所示)的晶格常數及厚度的變化率大於或等於9×10-4(%/Å)，還可有效地改進電子局限效果，可减少電子溢流行為，且可提升電洞注入效率及發光强度。
在另一實施例中，圖20A至圖20D分別為根據第二例示性實施例中LED裝置的結構示意圖。圖20A至圖20D中所描繪的LED裝置200A及200E至200G中的膜層結構的細節清楚地說明於圖14及圖15中所描繪的結構中，在圖20A至圖20D中僅改變中間層的組成及電子阻障層的結構。換句話說，在第二實施例中，中間層為極化反轉中間層的實施例，其中剩餘的膜層與上文所描述的膜層相同，且因此省略進一步闡述。
參照圖20B，在LED裝置200E中於電子阻障層270E與最靠近於p型半導體層240的量子阻障層之間插入具有3nm的厚度的氮化鎵(GaN)磊晶層，以便作為中間層280E。此時，中間層280E屬於極化場反轉中間層，且電子阻障層270E與圖20A中所說明的電子阻障層相同。參照圖20C及圖20D，在LED裝置200F及200G中，電子阻障層270F及270G經設計成拆成四個迴圈(即， 四個重複單元)。換句話說，電子阻障層270F及270G分別包含四組堆疊層，其中一層第一子電子阻障層270a及一層第二子電子阻障層270b作為重複單元的四組堆疊層，其中第一子電子阻障層270a位於鄰近於主動層230的一側，且第一子電子阻障層270a的鋁濃度不同於第二子電子阻障層270b的鋁濃度。如圖20C所示，LED裝置200F的第一及第二子電子阻障層270a的Al0.25Ga0.75N及270b的Al0.17Ga0.83N所組成。如圖20C所示，第一子電子阻障層270a的鋁濃度大於第二子電子阻障層270b的鋁濃度。當然，在其它實施例中，第子電子阻障層270a的鋁濃度還可小於第二子電子阻障層270b的鋁濃度，但本揭露不限於此。
此外，參照圖20D，基於圖20C中所描繪的LED裝置200F的膜層結構，在LED裝置200G中，於電子阻障層270G與最靠近於p型半導體層240的量子阻障層之間插入具有3nm的厚度的GaN磊晶層，以便作為中間層280G。第一子電子阻障層270a與中間層280G接觸。此時，中間層280G屬於極化場反轉中間層。
圖21為圖20A至圖20D中LED裝置之發光强度的模擬圖。從圖21中，當電子阻障層的結構為四個迴圈(四個重複單元的疊層)，包括從Al0.25Ga0.75N(即，充當第一子電子阻障層270a)及Al0.17Ga0.83N(即，充當第二子電子阻障層270b)所組成時，其發光强度高於具有固定鋁濃度的電子阻障層的發光强度。舉例來說，圖20D中所描繪的LED裝置200G的發光强度大於圖20B中所描繪的LED裝置200E的發光强度，且圖20C中所描繪的LED 裝置200F的發光强度大於圖20A中所描繪的LED裝置200A的發光强度。
此外，參照圖21，當作為中間層280E/280G的GaN磊晶層插入於電子阻障層270E/270G與最靠近於p型半導體層240的量子阻障層之間時，可顯著地提升發光强度，即使是在(例如)LED裝置200A中電子阻障層具有固定鋁濃度的情况下仍如此。
參照圖21、圖20A及圖20B，於電子阻障層270E(即，具有固定鋁濃度的層)與最靠近於p型半導體層240的量子阻障層之間插入中間層280E的LED裝置200E的發光强度大於前述位置處未插入中間層之繪示於圖20A中的LED裝置200A的發光强度。此外，參照圖21、圖20C及圖20D，於電子阻障層270G(即，包括具有鋁濃度變化的四迴圈)與最靠近於p型半導體層240的量子阻障層之間插入中間層280G的LED裝置200G的發光强度大於前述位置處未插入中間層之繪示於圖20C中的LED裝置200F的發光强度。
圖22A至圖22D分別為當施加350mA的電流時圖20A至圖20D中所描繪的LED裝置之導電帶及價電帶的模擬圖。如圖22A及圖22C所示，當電子阻障層是使用四迴圈之作為Al0.25Ga0.75N(其為第一子電子阻障層270a)與Al0.17Ga0.83N(其為第二子電子阻障層270b)彼此交替結構時，可消除電子阻障層270A與p型半導體層240之間的能帶不連續性。因此，可减少電洞阻塞於電子阻障層270A與p型半導體層240之間，從而改進電 洞注入效率。
另外，關於紫外LED裝置，其電子阻障層及量子阻障層通常使用AlGaN，其中電子阻障層的鋁濃度大於量子阻障層的鋁濃度。因此，在本實施例中，透過於電子阻障層與最靠近於p型半導體層的量子阻障層之間插入一層GaN磊晶層作為極化場反轉中間層，藉由使極化場反轉中間層與量子阻障層的極化場方向不同於量子阻障層及電子阻障層的極化場方向。換句話說，因為GaN及AlGaN的極化場方向不同於AlGaN及AlGaN的極化場方向，所以導電帶能階可有效地提升至高於費米能階，且可降低電洞注入的位能障，從而改進電洞注入效率。
實施例IV
在此實施例中，透過主動層中具有個別地由輔助層及發光層構成的k層量子井(其中輔助層的銦濃度大於發光層的銦濃度)，或透過主動層中具有個別地由輔助層及發光層構成的k層量子井(其中輔助層、發光層與量子阻障層之間的晶格常數滿足特定關係)，可提升LED裝置的載子的複合率。因此，透過使用前述技術中的任一者，可顯著地提升在實施例中LED裝置的發光强度。
圖23A及圖23B分別為圖1的LED裝置中單量子井之結構的剖面示意圖，其中圖23A說明在主動層的量子井中的一對發光層及輔助層，且圖23B說明在主動層的量子井中的多對發光層 及輔助層。在此實施例中，主動層230的結構使用圖3所描繪的配置，即，從n型半導體層220算起，量子阻障層232a至232f的順序為232a、232b、232c、232d、232e及232f，且從n型半導體層220算起，量子井234a至234e的順序為234a、234b、234c、234d及234e。
參照圖23A，在主動層230中，量子井的部分中的每一者可由一對輔助層2341及發光層2342構成，且剩餘的量子井中的每一者可由發光層2342組成。在實施例中，具有輔助層2341的量子井的數目為3，但本揭露不限於此。
如圖23A所示，量子井(例如，靠近於n型半導體層的量子井234a)由發光層構成，且在具有輔助層2341的量子井(例如，如圖3所示最靠近於p型半導體層240的量子井234e)中的每一者中，發光層2342配置於輔助層2341與p型半導體層240之間(如圖3及圖23A所示)。舉例來說，在具有單量子井的主動層230(如圖2A所示)中，從p型半導體層240算起，量子阻障層232、發光層2342、輔助層2341、量子阻障層232的堆疊層按順序形成於p型半導體層240上。
如圖23B所示，在主動層230中的單量子井234(例如，如圖3所示最靠近於p型半導體層240的量子井234e)可進一步具有另一對輔助層2341及發光層2342，使得在量子井234/量子阻障層232的結構中，單量子井主動層230A為量子阻障層232/兩對發光層2342及輔助層2341。實施例的單量子井中所說明的輔助層 2341及發光層2342的對數為1及2，但本揭露不限於此。
一般來說，當波段移位靠近於紫外(UV)波段時，銦濃度在主動層中逐漸减小，使得銦自聚區域對應地减少。因此，載子可能移動至LED裝置中的缺陷區域，且可發生電子及電洞的非輻射複合，從而LED裝置的發光强度在紫外波長下顯著地降低。
相比之下，當主動層中的量子井是由一對或多對輔助層2341及發光層2342構成時，輔助層2341能够提升形成於發光層2342中的銦自聚區域，從而提升LED裝置的發光强度，其中輔助層2341的銦濃度大於發光層2342的銦濃度。
在表5中繪示LED裝置在圖23A及圖23B中所描繪的單量子井的不同結構下所得的發光强度。在本實施例中，在主動層230中不具有輔助層2341的量子井234可被視為由發光層2342組成。
如表5的結果所示，LED裝置200的輸出功率隨著單量子井中的配置數個輔助層2341而提升。具體來說，當量子井234由發光層2342組成(即，不具有輔助層2341)時，其輸出功率為79mW。當發光層2342配置於輔助層2341與p型半導體層240之間(例如，位於靠近於p型半導體層240的輔助層2341上方) 時，量子井234由一對輔助層2341及發光層2342構成，且其輸出功率從79mW提升至146mW。當在單量子井234中存在兩對輔助層2341及發光層2342(例如，從p型半導體層240算起，按發光層2342/輔助層2341/發光層2342/輔助層2341排列)時，LED裝置的輸出功率可從79mW顯著提升至170mW，其為原本的兩倍。因此，可從表5所呈現的結果推斷，透過將輔助層2341插入於發光層2342與n型半導體層220之間，可有效地提升LED裝置200的發光强度。
綜上所述，在根據本揭露的實施例的LED裝置中，透過載體的生長表面上的至少一奈米圖案化結構，沿厚度方向上延伸的晶格錯位可有效地降低，且經生長以在奈米圖案化結構上接平的半導體層之厚度也可减少。此外，前述載體可與主動層的特定配置中的任一者結合(即，經摻雜量子阻障層的層數、量子阻障層的厚度滿足特定關係，在電子阻障層與最靠近於p型半導體層的量子阻障層之間插入中間層或部分量子井具有至少一對發光層及輔助層)，使得LED裝置之載子的複合率可提升，且LED裝置的缺陷密度也可减少。因此，在本揭露中，在222nm至405nm波段下的LED裝置的發光强度可在小於365nm的紫外波長下顯著提升。
此外，本揭露的LED裝置不限於上文所描繪的實施例。LED裝置可經配置以具有水平電極或垂直電極，水平電極或垂直電極兩者可實施本揭露而不應被解釋為限制本揭露。舉例來說， 如圖24至圖26所示，可實施本揭露中的LED裝置的結構，其中圖24至圖26所描繪的主動層可使用前述載體(其在載體的生長表面上具有至少一奈米圖案化結構)及主動層(如實施例I至實施例IV中所說明)。詳細描述可與在此不再重複的上文描述有關。此外，在圖式及描述中使用相同參考數字來指代相同或相似部分，且因此省略進一步闡述。
圖24為本揭露之LED裝置的實施型態。如圖24所示，LED裝置400從上至下按順序包含上文所描述的第一電極250、包含第一n型經摻雜AlGaN層222及第二n型經摻雜AlGaN層224的n型半導體層220、主動層230、p型半導體層240及第二電極260；反射層320；結合層330；及載體基板SUBI。此外，在實際應用中，圖24所描繪的LED裝置400能够作為一整體旋轉180度，使得載體基板SUBI位於LED裝置400的頂部而非在底部以進行實施。此處所說明的從上至下相對位置為用於實施的例示性範圍，但本揭露不限於此。
圖25為本揭露之LED裝置的另一實施型態。如圖25所示，LED裝置500從上至下按順序包含基板SUB、氮化物半導體披覆層212、包含第一n型經摻雜AlGaN層222及第二n型經摻雜AlGaN層224的n型半導體層220及載體基板SUBI，其中兩個經堆疊層包夾於n型半導體層220與載體基板SUBI之間。如圖25所示，第一經堆疊層包括主動層230、p型半導體層240、第二電極260及位於圖25的左手側的結合層330(即，第一結合層)。 此外，第二經堆疊層位於第一經堆疊層的右手側，且與第一經堆疊層分離開一段距離，其中第二經堆疊層包括第一電極250及結合層330(即，第二結合層)。此外，根據對組件的需求，在LED裝置500中，反射層可配置於位於LED裝置500的左手側的第一經堆疊層的第二電極260與結合層330(即，第一結合層)之間(例如，圖24中反射層的插入位置S1)，或可配置於位於LED裝置500的右手側的第二經堆疊層的第一電極250與結合層330(即，第二結合層)之間(例如，圖25中反射層的插入位置S2)，或反射層可同時存在於前述插入位置(即，S1及S2)處。另外，反射層還可配置於位於LED裝置500的左手側的第一經堆疊層的載體基板SUBI與結合層330(即，第一結合層)之間(例如，圖25中反射層的插入位置S3)，且配置於位於LED裝置500的右手側的第二經堆疊層的載體基板SUBI與結合層330(即，第二結合層)之間(例如，圖25中反射層的插入位置S4)。因此，從主動層230發射的光能够經由反射層反射至預定路徑，但反射層的安置位置在本揭露中不受限制。
圖26為本揭露之LED裝置的又一實施型態。如圖26所示，LED裝置600的層結構類似於圖25，除了與圖25中所描繪的LED裝置500相比較，圖26的LED裝置600省略了位於n型半導體層220上方的基板SUB及氮化物半導體披覆層212。此外，在圖式及描述中使用相同參考數字來指代相同或相似部分，且因此省略進一步闡述。類似地，根據對組件的需求，在LED裝置600 中，反射層可配置於位於LED裝置600的左手側的第一經堆疊層的第二電極260與結合層330(即，第一結合層)之間(例如，圖26中反射層的插入位置S1)，或可配置於位於LED裝置600的右手側的第二經堆疊層的第一電極250與結合層330(即，第二結合層)之間(例如，圖26中反射層的插入位置S2)，或反射層可同時存在於前述插入位置(即，S1及S2)處。另外，反射層還可配置於位於LED裝置600的左手側的第一經堆疊層的載體基板SUBI與結合層330(即，第一結合層)之間(例如，圖26中反射層的插入位置S3)，且配置於位於LED裝置600的右手側的第二經堆疊層的載體基板SUBI與結合層330(即，第二結合層)之間(例如，圖26中反射層的插入位置S4)。因此，從主動層230發射的光能够經由反射層反射至預定路徑。
雖然本揭露已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本揭露的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
200‧‧‧發光二極體裝置
210‧‧‧載體
220‧‧‧n型半導體層
230‧‧‧主動層
240‧‧‧p型半導體層
250‧‧‧第一電極
260‧‧‧第二電極
S‧‧‧奈米圖案化結構
211‧‧‧基板
212‧‧‧半導體披覆層
222、224‧‧‧第一、第二n型經摻雜AlGaN層
242、244‧‧‧第一、第二p型經摻雜AlGaN層

Claims (26)

  1. 一種發光二極體(LED)裝置，包括：一載體，其具有一生長表面及在所述生長表面上的至少一奈米圖案化結構，其中所述載體包括一基板及一半導體披覆層；一n型半導體層及一p型半導體層，其位於所述載體的所述生長表面之上，其中所述半導體披覆層配置於所述基板與所述n型半導體層之間；一主動層，其位於所述n型半導體層與所述p型半導體層之間，其中由所述主動層發射的光波長λ滿足222nm≦λ≦405nm之關係式，且所述主動層的缺陷密度小於或等於5x1010/cm2；以及一第一電極及一第二電極，其分別連接至所述n型半導體層及所述p型半導體層。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的LED裝置，其中所述半導體披覆層的缺陷密度小於或等於1x1010/cm2。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的LED裝置，其中所述至少一奈米圖案化結構在所述基板的表面上，且所述半導體披覆層覆蓋所述至少一奈米圖案化結構且與其接觸。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的LED裝置，其中所述基板具有一平面表面，所述半導體披覆層覆蓋所述平面表面，所述至少一奈米圖案化結構在所述半導體披覆層的表面上，且所述n型半導體層覆蓋所述至少一奈米圖案化結構且與其接觸。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的LED裝置，其中所述基板 具有一圖案化表面，所述半導體披覆層覆蓋所述圖案化表面，所述至少一奈米圖案化結構在所述半導體披覆層的表面上，且所述n型半導體層覆蓋所述至少一奈米圖案化結構且與其接觸。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的LED裝置，其中所述半導體披覆層的厚度小於或等於10μm，且範圍在1μm至4μm之間。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的LED裝置，其中所述半導體披覆層的材料包括氮化鎵(GaN)、氮化鋁鎵(AlGaN)、氮化鋁(AlN)、氮化銦鎵(InGaN)或其組合。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的LED裝置，其中所述至少一奈米圖案化結構包括多個台面，且一凹座形成於兩個鄰近所述台面之間。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的LED裝置，其中所述至少一奈米圖案化結構的所述台面規則地排列。
  10. 如申請專利範圍第8項所述的LED裝置，其中所述至少一奈米圖案化結構的所述台面隨機地排列。
  11. 如申請專利範圍第8項所述的LED裝置，其中所述凹座的深度的範圍在10nm至500nm之間，且所述台面的尺寸在10nm至800nm之間。
  12. 如申請專利範圍第8項所述的LED裝置，其中所述台面的尺寸w1及所述凹座的尺寸w2滿足以下關係：0.0125[w1/w2]80。
  13. 如申請專利範圍第1項所述的LED裝置，其中多個空隙在所述基板與所述n型半導體層之間形成於所述凹座上方或所述台面上方。
  14. 如申請專利範圍第13項所述的LED裝置，其中所述多個空隙中的每一者具有折射係數n2，所述基板具有折射係數n1，且所述半導體披覆層具有折射係數n3，其中n3>n2>n1。
  15. 如申請專利範圍第8項所述的LED裝置，更包括：一遮罩層，其覆蓋每一所述台面的側壁及兩個鄰近所述台面之間的所述每一凹座的底部表面。
  16. 如申請專利範圍第15項所述的LED裝置，其中所述遮罩層的厚度的範圍在0.1μm至2μm之間。
  17. 如申請專利範圍第15項所述的LED裝置，其中所述遮罩層的材料包括二氧化矽、氮化矽或氮氧化矽。
  18. 一種用於承載半導體層的載體，所述載體具有一生長表面及在所述生長表面上的至少一奈米圖案化結構，其中所述至少一奈米圖案化結構包括多個台面，一凹座形成於兩個鄰近所述台面之間，且所述凹座的深度的範圍在10nm至500nm之間，且所述台面的尺寸的範圍在10nm至800nm之間。
  19. 如申請專利範圍第18項所述的載體，其中所述至少一奈米圖案化結構的所述台面規則地排列。
  20. 如申請專利範圍第18項所述的載體，其中所述至少一奈米圖案化結構的所述台面隨機地排列。
  21. 如申請專利範圍第18項所述的載體，其中所述台面的尺寸w1及所述凹座的尺寸w2滿足以下關係：0.0125[w1/w2]80。
  22. 如申請專利範圍第18項所述的載體，其中多個空隙在所述載體與所述半導體層之間形成於所述凹座上方或所述台面上方。
  23. 如申請專利範圍第22項所述的載體，其中所述多個空隙中的每一者具有折射係數n2，所述載體具有折射係數n1，且所述半導體層具有折射係數n3，其中n3>n2>n1。
  24. 如申請專利範圍第22項所述的載體，更包括：一遮罩層，其覆蓋每一所述台面的側壁及兩個鄰近所述台面之間的每一所述凹座的底部表面。
  25. 如申請專利範圍第24項所述的載體，其中所述遮罩層的厚度的範圍在0.1μm至2μm之間。
  26. 如申請專利範圍第24項所述的載體，其中所述遮罩層的材料包括二氧化矽、氮化矽或氮氧化矽。
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