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TWI568016B - 半導體發光元件 - Google Patents

半導體發光元件 Download PDF

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TWI568016B
TWI568016B TW103144979A TW103144979A TWI568016B TW I568016 B TWI568016 B TW I568016B TW 103144979 A TW103144979 A TW 103144979A TW 103144979 A TW103144979 A TW 103144979A TW I568016 B TWI568016 B TW I568016B
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李玉柱
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Description

半導體發光元件
本發明是有關於一種發光元件，且特別是有關於一種半導體發光元件。
隨著光電技術的演進，傳統的白熾燈泡與螢光燈管已逐漸被新一代的固態光源例如是發光二極體(light-emitting diode,LED)所取代，其具有諸如壽命長、體積小、高抗震性、高光效率及低功率消耗等優點，因此已經廣泛在家用照明及各種設備中作為光源使用。除了液晶顯示器的背光模組與家用照明燈具已廣泛採用發光二極體作為光源之外，近年來，發光二極體的應用領域已擴展至道路照明、大型戶外看板、交通號誌燈及相關領域。發光二極體已經成為發展兼具省電及環保功能之照明光源的主要項目之一。
時下的固態光源的研發者莫不致力於追求良好的發光效率。關於提升發光二極體的光效率所要考量的問題一般分為如何提升內部量子效率(即發光層的發光效率)以及外部量子效率(進一步受光取出率所影響)。然而，在傳統的氮化鎵發光二極體中， 由於P型氮化鎵半導體層與N型氮化鎵半導體層的能隙(band gap)接近於發光層的能隙，因此容易吸收發光層所發出的紫外光或藍光而導致發光二極體的發光效率降低。
本發明提供一種半導體發光元件，其具有較佳的發光效率。
本發明的一實施例提出一種半導體發光元件，包括一N型半導體層、多個P型半導體層、一發光層及一接觸層。發光層配置於N型半導體層與這些P型半導體層的整體之間。這些P型半導體層配置於接觸層與發光層之間。在發光層與接觸層之間的所有P型半導體層皆含有鋁。
在本發明的一實施例中，這些P型半導體層的P型摻雜為IIA族元素摻雜。
在本發明的一實施例中，IIA族元素摻雜為鎂摻雜。
在本發明的一實施例中，這些P型半導體層包括一第一P型超晶格層及一P型氮化銦鋁鎵層。P型氮化銦鋁鎵層配置於發光層與第一P型超晶格層之間，且第一P型超晶格層配置於P型氮化銦鋁鎵層與接觸層之間。
在本發明的一實施例中，第一P型超晶格層包括交替堆疊的多個第一P型氮化鋁鎵層與多個第二P型氮化鋁鎵層，其中每一第一P型氮化鋁鎵層的P型摻雜濃度不同於每一第二P型氮 化鋁鎵層的P型摻雜濃度。
在本發明的一實施例中，這些P型半導體層更包括一第二P型超晶格層，其配置於第一P型超晶格層與接觸層之間，其中第二P型超晶格層中的鋁濃度低於第一P型超晶格層中的鋁濃度。
在本發明的一實施例中，第二P型超晶格層包括交替堆疊的多個第三P型氮化鋁鎵層與多個第四P型氮化鋁鎵層，其中每一第三P型氮化鋁鎵層的P型摻雜濃度不同於每一第四P型氮化鋁鎵層的P型摻雜濃度。
在本發明的一實施例中，接觸層為歐姆接觸層。
在本發明的一實施例中，半導體發光元件更包括一第一電極及一第二電極。第一電極電性連接至N型半導體層，且第二電極配置於接觸層上。
在本發明的一實施例中，發光層所發出的光包括藍光、紫外光或其組合。
在本發明的實施例的半導體發光元件中，由於在發光層與接觸層之間的所有P型半導體層皆含有鋁，因此這些P型半導體層的能隙會被提高。如此一來，發光層所發出的光便較不會被這些P型半導體層所吸收，進而提升半導體發光元件的發光效率。
為讓本發明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。
100、100a‧‧‧半導體發光元件
110‧‧‧N型半導體層
120‧‧‧P型半導體層
122‧‧‧P型氮化銦鋁鎵層
124‧‧‧第一P型超晶格層
1241‧‧‧第一P型氮化鋁鎵層
1242‧‧‧第二P型氮化鋁鎵層
126‧‧‧第二P型超晶格層
1261‧‧‧第三P型氮化鋁鎵層
1262‧‧‧第四P型氮化鋁鎵層
130‧‧‧發光層
140‧‧‧基板
142‧‧‧表面圖案
150‧‧‧成核層
160‧‧‧緩衝層
170‧‧‧未刻意摻雜的半導體層
180‧‧‧接觸層
190‧‧‧透明導電層
210、210a‧‧‧第一電極
220‧‧‧第二電極
圖1為本發明之一實施例之半導體發光元件的剖面示意圖。
圖2為本發明之另一實施例之半導體發光元件的剖面示意圖。
圖1為本發明之一實施例之半導體發光元件的剖面示意圖。請參照圖1，本實施例之半導體發光元件100包括一N型半導體層110、多個P型半導體層120、一發光層130及一接觸層180。發光層130配置於N型半導體層110與這些P型半導體層120的整體之間。這些P型半導體層120配置於接觸層180與發光層130之間。發光層130所發出的光可包括藍光、紫外光或其組合。在本實施例中，發光層130例如為由多個N型氮化銦鎵層與多個N型氮化鎵層交替堆疊而成的多重量子井層，其可發出藍光。此外，在本實施例中，在發光層130與接觸層180之間的所有P型半導體層120皆含有鋁。
在本實施例的半導體發光元件100中，由於在發光層130與接觸層180之間的所有P型半導體層120皆含有鋁，因此這些P型半導體層120的能隙會被提高。如此一來，發光層130所發出的光(例如藍光、紫外光或其組合)便較不會被這些P型半導體層120所吸收，進而提升半導體發光元件100的發光效率。
在本實施例中，這些P型半導體層120的P型摻雜為IIA族元素摻雜，例如為鎂摻雜。此外，在本實施例中，這些P型半導體層120包括一第一P型超晶格層124及一P型氮化銦鋁鎵層122。P型氮化銦鋁鎵層122配置於發光層130與第一P型超晶格層124之間，且第一P型超晶格層124配置於P型氮化銦鋁鎵層122與接觸層180之間。
在本實施例中，第一P型超晶格層124包括交替堆疊的多個第一P型氮化鋁鎵層1241與多個第二P型氮化鋁鎵層1242，其中每一第一P型氮化鋁鎵層1241的P型摻雜濃度(如鎂的摻雜濃度)不同於每一第二P型氮化鋁鎵層1242的P型摻雜濃度(如鎂的摻雜濃度)。
在本實施例中，這些P型半導體層120更包括一第二P型超晶格層126，配置於第一P型超晶格層124與接觸層180之間，且第二P型超晶格層126中的鋁濃度低於第一P型超晶格層124中的鋁濃度。在本實施例中，第二P型超晶格層126包括交替堆疊的多個第三P型氮化鋁鎵層1261與多個第四P型氮化鋁鎵層1262，其中每一第三P型氮化鋁鎵層1261的P型摻雜濃度(如鎂摻雜濃度)不同於每一第四P型氮化鋁鎵層1262的P型摻雜濃度(如鎂摻雜濃度)。
在一實施例中，第一P型氮化鋁鎵層1241的鎂摻雜濃度是落在1019原子數/立方公分至1020原子數/立方公分的範圍內，且其鋁濃度的莫耳百分率是落在10~15%的範圍內。第二P型氮化鋁 鎵層1242的鎂摻雜濃度可落在5×1018原子數/立方公分至5×1019原子數/立方公分的範圍內，且其鋁濃度的莫耳百分率可落在1~5%的範圍內。第三P型氮化鋁鎵層1261的鎂摻雜濃度可落在1019原子數/立方公分至5×1019原子數/立方公分的範圍內，且其鋁濃度的莫耳百分率可落在3~8%的範圍內。第四P型氮化鋁鎵層1262的鎂摻雜濃度可落在5×1018原子數/立方公分至1019原子數/立方公分的範圍內，且其鋁濃度的莫耳百分率可落在1~3%的範圍內。
在其他實施例中，半導體發光元件100亦可以具有第一P型超晶格層124而不具有第二P型超晶格層126。
在本實施例中，N型半導體層110例如為N型氮化鎵層。此外，在本實施例中，半導體發光元件100更包括一第一電極210及一第二電極220，第一電極210電性連接至N型半導體層110，例如是配置於N型半導體層110上，且第二電極220配置於接觸層180上。在本實施例中，半導體發光元件100更包括一透明導電層190(例如氧化銦錫層)，配置於接觸層180上，而第二電極220則配置於透明導電層190上。接觸層180用以降低透明導電層190與P型半導體層120之間的接觸電阻。在本實施例中，接觸層180為歐姆接觸層，其為導體，也就是高濃度的P型摻雜層或N型摻雜層。在一實施例中，接觸層180中的電子施體(donor)或電子受體(acceptor)的濃度大於或等於1020原子數/立方公分，因此接觸層180的導電率類似導體所具有的導電率。舉例而言，接觸層180為P型氮化銦鎵層，例如為摻雜鎂的氮化銦鎵層。
在本實施例中，半導體發光元件100更包括一基板140、一成核層(nucleation layer)150、一緩衝層160及一未刻意摻雜的半導體層(unintentionally doped semiconductor layer)170。在本實施例中，基板140為一圖案化藍寶石基板(patterned sapphire substrate)，其具有表面圖案142(例如凸起圖案)，以提供光散射效果，進而增加光取出率。基板140上依序堆疊有成核層150、緩衝層160、未刻意摻雜的半導體層170、N型半導體層110、發光層130、這些P型半導體層120、接觸層180、透明導電層190及第二電極220。在本實施例中，成核層150、緩衝層160及未刻意摻雜的半導體層170的材質例如皆為未刻意摻雜的氮化鎵。
圖2為本發明之另一實施例之半導體發光元件的剖面示意圖。請參照圖2，本實施例之半導體發光元件100a與圖1之半導體發光元件100類似，而兩者的主要差異如下所述。圖1之半導體發光元件100為水平式發光二極體，其第一電極210與第二電極220皆位於半導體發光元件100的同一側，本實施例之半導體發光元件100a為垂直式發光二極體，其第一電極210a與第二電極220位於半導體發光元件100的相對兩側。在本實施例中，第一電極210a為配置於N型半導體層110之背對發光層130的表面上之電極層。然而，在其他實施例中，第一電極210a與N型半導體層110之間亦可配置有導電基板，也就是第一電極210a與N型半導體層110分別配置於此導電基板的相對兩表面上。
綜上所述，在本發明的實施例的半導體發光元件中，由 於在發光層與接觸層之間的所有P型半導體層皆含有鋁，因此這些P型半導體層的能隙會被提高。如此一來，發光層所發出的光便較不會被這些P型半導體層所吸收，進而提升半導體發光元件的發光效率。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧半導體發光元件
110‧‧‧N型半導體層
120‧‧‧P型半導體層
122‧‧‧P型氮化銦鋁鎵層
124‧‧‧第一P型超晶格層
1241‧‧‧第一P型氮化鋁鎵層
1242‧‧‧第二P型氮化鋁鎵層
126‧‧‧第二P型超晶格層
1261‧‧‧第三P型氮化鋁鎵層
1262‧‧‧第四P型氮化鋁鎵層
130‧‧‧發光層
140‧‧‧基板
142‧‧‧表面圖案
150‧‧‧成核層
160‧‧‧緩衝層
170‧‧‧未刻意摻雜的半導體層
180‧‧‧接觸層
190‧‧‧透明導電層
210‧‧‧第一電極
220‧‧‧第二電極

Claims (8)

  1. 一種半導體發光元件，包括：一N型半導體層；多個P型半導體層，包括：一第一P型超晶格層，該第一P型超晶格層包括交替堆疊的多個第一P型氮化鋁鎵層與多個第二P型氮化鋁鎵層，且每一該第一P型氮化鋁鎵層的P型摻雜濃度不同於每一該第二P型氮化鋁鎵層的P型摻雜濃度，其中各該第一P型氮化鋁鎵層的鎂摻雜濃度介於1019原子數/立方公分至1020原子數/立方公分之間，且各該第一P型氮化鋁鎵層的鋁濃度的莫耳百分率介於10%至15%之間，而各該第二P型氮化鋁鎵層的鎂摻雜濃度介於5×1018原子數/立方公分至5×1019原子數/立方公分之間，且各該第二P型氮化鋁鎵層的鋁濃度的莫耳百分率介於1%至5%之間；以及一P型氮化銦鋁鎵層；一發光層，配置於該N型半導體層與該些P型半導體層的整體之間，其中該P型氮化銦鋁鎵層配置於該發光層與該第一P型超晶格層之間；以及一氮化銦鎵接觸層，其中該些P型半導體層配置於該氮化銦鎵接觸層與該發光層之間，且該第一P型超晶格層配置於該P型氮化銦鋁鎵層與該氮化銦鎵接觸層之間，其中，在該發光層與該氮化銦鎵接觸層之間的所有P型半導體層皆含有鋁，該氮化銦鎵接觸層中的電子施體或電子受體的濃 度大於或等於1020原子數/立方公分。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的半導體發光元件，其中該些P型半導體層的P型摻雜為IIA族元素摻雜。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的半導體發光元件，其中該IIA族元素摻雜為鎂摻雜。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的半導體發光元件，其中該些P型半導體層更包括一第二P型超晶格層，配置於該第一P型超晶格層與該氮化銦鎵接觸層之間，且該第二P型超晶格層中的鋁濃度低於該第一P型超晶格層中的鋁濃度。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的半導體發光元件，其中該第二P型超晶格層包括交替堆疊的多個第三P型氮化鋁鎵層與多個第四P型氮化鋁鎵層，其中每一該第三P型氮化鋁鎵層的P型摻雜濃度不同於每一該第四P型氮化鋁鎵層的P型摻雜濃度。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的半導體發光元件，其中該氮化銦鎵接觸層為歐姆接觸層。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的半導體發光元件，更包括：一第一電極，電性連接至該N型半導體層；以及一第二電極，配置於該氮化銦鎵接觸層上。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的半導體發光元件，其中該發光層所發出的光包括藍光、紫外光或其組合。
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