TWI389344B - 光電元件 - Google Patents
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Description
本發明係關於一光電元件，尤其是一種具有多重量子井結構之發光二極體元件。
發光二極體(Light Emitting Diode，LED)由於具有體積小、壽命長、驅動電壓低、耗電量低、反應速度快、耐震性佳等優點，已被廣泛應用於如汽車、電腦、通訊與消費電子產品等領域中。
一般而言，發光二極體具一發光層(Active layer)，被兩種不同電性的覆蓋層(p－type & n－type cladding layers)所包夾而成。當於兩覆蓋層上方之接觸電極施加一驅動電流時，兩覆蓋層之電子與電洞會注入發光層，於發光層中結合而放出光線，其光線具全向性，會射出此發光二極體元件的各個表面。通常，發光層可為單一量子井結構層(SQW)或多重量子井結構層(MQW)。與單一量子井結構層(SQW)相較，多重量子井結構層(MQW)具有較佳的光電轉換效率，並且即使在電流很小時，它仍可以透過許多能障層及井層堆疊而成的小能隙結構，將電流轉換為光。
然而，多重量子井結構層容易受到載子溢流與壓電場效應
之影響，使電子、電洞難以有效地被局限於多重量子井結構中進行結合，因而使發光二極體之發光效率難以提升。
本發明提出一種光電元件，包含一n型覆蓋層；一p型覆蓋層；以及一發光層位於n型覆蓋層與p型覆蓋層之間，且發光層係由複數個能障層與複數個井層交錯堆疊而成之一多重量子井結構；其中於最靠近p型覆蓋層之能障層掺入可以改變能障之雜質，以形成一能障調變層。
在本發明之一實施例中，上述能障調變層之能障係大於其他能障層。形成能障調變層掺入的雜質可為鋁(Al)原子，能障調變層之厚度可小於其他能障層或可小於或等於90埃。
在本發明之另一實施例中，上述能障調變層之能障係小於其他能障層。形成能障調變層所掺入的雜質可為銦(In)原子。且能障調變層可以是一層或多層。
上述光電元件，由於具有靠近p型覆蓋層的能障調變層，其能障與發光層的其他能障層之能障不同，因此能障調變層可增加電子、電洞的結合機率，提高發光二極體的發光效率。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，
下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
圖1所示為本發明第一實施例，一具有多重量子井發光層之光電元件結構。光電元件10為一發光二極體結構，其包括一p型覆蓋層12，一n型覆蓋層16，一位於p型覆蓋層12與n型覆蓋層16之間的發光層14，一位於p型覆蓋層12上方之第一接觸電極11以及一與n型覆蓋層16接觸之第二接觸電極17。其中發光層14係由複數個井層142與複數個能障層144交錯堆疊而成之多重量子井結構，並且於最靠近p型覆蓋層12之發光層14中的能障層，掺入可以改變其能障之雜質，以形成一能障調變層143。當於兩接觸電極11、17上施加一驅動電流時，p型覆蓋層12與n型覆蓋層16之電洞與電子會注入發光層14，於發光層14中結合而放出光線。
p型覆蓋層12、n型覆蓋層16以及發光層14可為氮化鎵系列之半導體，例如p型覆蓋層12之材質為p型氮化鎵，n型覆蓋層16之材質為n型氮化鎵，發光層14的井層142之材質為氮化銦鎵，發光層14的能障層144之材質為氮化鎵。再者，光電元件10還可在靠近發光層14之p型覆蓋層12的區域，形成一高能障區122，如圖2所示。高能障區122可藉由掺入鋁(Al)原子形成。
於本實施例中，發光層14中的井層142有四層，能障層144有二層，能障調變層143僅有一層；且相對於發光層14中的
其他能障層144，能障調變層143與p型覆蓋層12之距離較小。能障調變層143之能障與發光層14中的其他能障層144之能障不同；於較佳實施例中能障調變層143之能障係大於能障層144之能障，如圖2所示。能障調變層143可為掺入有鋁(Al)原子之氮化鎵能障層。
相較於發光層14中的其他能障層144，能障調變層143具有較高之能障，因此能障調變層143可抑制電洞載子從靠近p型覆蓋層12之量子井溢流出，從而可增加電子、電洞的結合機率，提高光電元件10的發光效率。此外，能障調變層143因掺入鋁(Al)原子而形成氮化鋁鎵，由於氮化鋁鎵的晶格常數較氮化鎵小，而氮化銦鎵量子井的晶格常數較氮化鎵大，因此掺入鋁原子之調節能障層143可讓等效量子井的晶格常數較容易與氮化鎵匹配，從而減少壓電場對量子井的影響，提升內部量子效應，進一步提高光電元件10的發光效率。
圖3所示為本發明第二實施例之光電元件之能障示意圖。本實施例與第一實施例之光電元件10之結構相似，包括一p型覆蓋層22，一n型覆蓋層26，一位於p型覆蓋層22與n型覆蓋層26之間的發光層，發光層包括井層242、能障層244及能障調變層243，能障調變層243之能障大於能障層244之能障；其不同點在於能障調變層243之厚度小於能障層244之厚度。能障調變層243之厚度可小於或等於90埃。能障調變層243厚度較小可進一步增強光電元件的發光效率；例如當能障調變層243的厚度為90埃時，光電元件的發光效率可達
89%。
圖4所示為本發明第三實施例之光電元件之能障示意圖。本實施例與第一實施例之光電元件10之結構相似，包括一p型覆蓋層32，一n型覆蓋層36，一位於p型覆蓋層32與n型覆蓋層36之間的發光層，發光層包括井層342、能障層344及能障調變層343；其不同點在於能障調變層343之能障小於能障層344之能障。能障調變層343掺入之雜質可為銦(In)原子而形成氮化銦鎵。能障調變層343相較於發光層中的其他能障層344具有較低之能障，因此可以增加電子、電洞於能障調變層343結合的機率，提高光電元件的發光效率，使得光電元件的發光效率可達到93%。
圖5所示為本發明第四實施例之光電元件之能障示意圖。本實施例與第一實施例之光電元件10之結構相似，包括一p型覆蓋層42，一n型覆蓋層46，一位於p型覆蓋層42與n型覆蓋層46之間的發光層，發光層係由複數個井層442與複數個能障層444交錯堆疊而成之多重量子井結構，其不同點在於最靠近p型覆蓋層之兩層能障層掺入改變能障之雜質，例如銦原子，以形成一具多層結構之能障調變層443。能障調變層443之能障小於能障層444之能障。上述具有多層結構之能障調變層443之光電元件的發光效率可達到83%。能障調變層443亦可多於兩層，且其掺入之雜質亦可為鋁原子，而使得能障調變層443之能障大於能障層444之能障。
圖6所示為本發明第五實施例之光電元件之能障示意圖。本實施例與第四實施例之光電元件相似，包括一p型覆蓋層52，一n型覆蓋層56，一位於p型覆蓋層52與n型覆蓋層56之間的發光層，發光層包括井層542、能障層544及能障調變層543；其不同點在於每一能障調變層543之厚度小於能障層544之厚度。
綜上所述，在本發明之光電元件，由於具有靠近p型覆蓋層的能障調變層，其能障與發光層的其他能障層不同，因此能障調變層可增加電子、電洞的結合機率，提高發光二極體的發光效率。
請參閱圖7，其顯示本發明實施例之背光模組結構。其中背光模組裝置600包含：由本發明上述任意實施例之光電元件611所構成的一光源裝置610；一光學裝置620置於光源裝置610之出光路徑上，將光做適當處理後出光；以及一電源供應系統630，提供上述光源裝置610所需之電源。
請參閱圖8，其顯示本發明實施例之照明裝置結構。上述照明裝置700可以是車燈、街燈、手電筒、路燈、指示燈等等。其中照明裝置700包含：一光源裝置710，係由本發明上述之任意實施例的光電元件711所構成；一電源供應系統720，提供光源裝置710所需之電源；以及一控制元件730控制電源輸入光源裝置710。
雖然本發明已藉各實施例說明如上，然其並非用以限制本發
明之範圍。對於本發明所作之各種修飾與變更，皆不脫本發明之精神與範圍。
10、611、711‧‧‧光電元件
11‧‧‧第一接觸電極
12、22、32、42、52‧‧‧p型覆蓋層
122‧‧‧高能障區
14‧‧‧發光層
142、242、342、442、542‧‧‧井層
143、243、343、443、543‧‧‧能障調變層
144、244、344、444、544‧‧‧能障層
16、26、36、46、56‧‧‧n型覆蓋層
17‧‧‧第二接觸電極
600‧‧‧背光模組裝置
610、710‧‧‧光源裝置
620‧‧‧光學裝置
630、720‧‧‧電源供應系統
700‧‧‧照明裝置
730‧‧‧控制元件
圖1係本發明第一實施例之具有多重量子井發光層之光電元件的示意圖。
圖2係圖1所示光電元件之能障圖。
圖3係本發明第二實施例之具有多重量子井發光層之光電元件的能障圖。。
圖4係本發明第三實施例之具有多重量子井發光層之光電元件的能障圖。
圖5係本發明第四實施例之具有多重量子井發光層之光電元件的能障圖。
圖6係本發明第五實施例之具有多重量子井發光層之光電元件的能障圖。
圖7係本發明實施例之背光模組結構。
圖8係本發明實施例之照明裝置結構。
10‧‧‧光電元件
11‧‧‧第一接觸電極
14‧‧‧發光層
142‧‧‧井層
143‧‧‧能障調變層
144‧‧‧能障層
16‧‧‧n型覆蓋層
17‧‧‧第二接觸電極
Claims (12)
- 一種光電元件，包含：一n型覆蓋層；一p型覆蓋層；以及一發光層，位於該n型覆蓋層與該p型覆蓋層之間，且該發光層係由複數個能障層與複數個井層交錯堆疊而形成一多重量子井結構，其中該多重量子井結構包含一能障調變層，該能障調變層係為至少一層最靠近該p型覆蓋層之能障層，且包含一雜質使該能障調變層之能障與其他能障層之能障不同，其中該能障調變層之厚度小於其他能障層。
- 如申請專利範圍第1項所述之光電元件，其中該n型覆蓋層、該p型覆蓋層以及該發光層為氮化鎵系列之半導體層。
- 如申請專利範圍第1項所述之光電元件，其中該能障調變層之能障大於其他能障層。
- 如申請專利範圍第3項所述之光電元件，其中該雜質係鋁(Al)原子。
- 如申請專利範圍第4項所述之光電元件，其中該能障調變層之厚度小於或等於90埃。
- 如申請專利範圍第1項所述之光電元件，其中該能障調變層之能 障係小於其他能障層。
- 如申請專利範圍第6項所述之光電元件，其中該雜質係銦(ln)原子。
- 如申請專利範圍第1項所述之光電元件，其中該能障調變層可以是一層或多層。
- 如申請專利範圍第1項所述之光電元件，更包含於該p型覆蓋層中靠近該發光層的區域，形成一高能障區。
- 如申請專利範圍第9項所述之光電元件，其中該高能障區係掺入鋁(Al)原子。
- 一種背光模組裝置包含：一光源裝置，係由申請專利範圍第1~10項所述之光電元件任選其一所組成；一光學裝置，置於該光源裝置之出光路徑上；以及一電源供應系統，提供該光源裝置所需之電源。
- 一種照明裝置包含：一光源裝置，係由申請專利範圍第1~10項所述之光電元件任選其一所組成；一電源供應系統，係提供該光源裝置所需之電源；以及一控制元件，係控制該電源輸入該光源裝置。
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