專利名稱：發(fā)光元件及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及發(fā)光元件，尤其是一種具有多重量子阱結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管元件。
背景技術：
發(fā)光二極管(Light Emitting Diode,LED)由于具有體積小、壽命長、驅(qū)動電壓低、 耗電量低、反應速度快、耐震性佳等優(yōu)點，已被廣泛應用于如汽車、電腦、通訊與消費電子產(chǎn) 品等領域中。一般而言，發(fā)光二極管具有源層(active layer)，置于兩種不同電性的束縛層 (p-type & η-type cladding layers)之間。當于兩束縛層上方的電極施加驅(qū)動電流時，兩 束縛層的電子與空穴會注入有源層，在有源層中結(jié)合而放出光線，其光線具全向性，會于發(fā) 光二極管元件的各個表面射出。通常，有源層可為單一量子阱結(jié)構(gòu)層(SQW)或多重量子阱 結(jié)構(gòu)層(MQW)。與單一量子阱結(jié)構(gòu)層(SQW)相較，多重量子阱結(jié)構(gòu)層(MQW)具有優(yōu)選的光電 轉(zhuǎn)換效率，即使在電流很小時，它仍可以透過許多勢壘層及阱層堆疊而成的小能隙結(jié)構(gòu)，將 電流轉(zhuǎn)換為光線。然而，多重量子阱結(jié)構(gòu)層容易受到載流子溢流與壓電場效應的影響，使電子、空穴 難以有效地被局限于多重量子阱結(jié)構(gòu)中進行結(jié)合，因而使發(fā)光二極管的發(fā)光效率難以提 升。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種發(fā)光元件，包含η型束縛層；P型束縛層；以及有源層，位于η型束 縛層與P型束縛層之間。有源層是由多個勢壘層與多個阱層交錯堆疊而形成的多重量子阱 結(jié)構(gòu)。本發(fā)明提出的發(fā)光元件包含一種多重量子阱結(jié)構(gòu)，在勢壘層摻雜ρ型雜質(zhì)以增加 空穴數(shù)目，其中越靠近η型束縛層的勢壘層摻雜濃度越低，越靠近ρ型束縛層的勢壘層摻雜 濃度越高，以形成具漸變式摻雜濃度的勢壘層結(jié)構(gòu)。本發(fā)明提出一種多重量子阱結(jié)構(gòu)，其中于勢壘層摻雜的ρ型雜質(zhì)可為鎂，摻雜濃 度為 IXlO16 5 X IO1Vcm30本發(fā)明提出一種多重量子阱結(jié)構(gòu)，其中勢壘層由氮化鎵(GaN)所組成，阱層由氮 化銦鎵(InxGa1^N5O < χ < 1)所組成。本發(fā)明提出一種多重量子阱結(jié)構(gòu)，其中每一層勢壘層包含至少一個次勢壘層，且 每一層勢壘層由氮化銦鎵(InGaN)所組成，次勢壘層由氮化鎵(GaN)所組成。于次勢壘層 摻雜P型雜質(zhì)以增加空穴數(shù)目。其摻雜的P型雜質(zhì)可為鎂，摻雜濃度為1 X IO16 5 X IO17/
3
cm 。


本發(fā)明的優(yōu)選實施例將于實施方式的說明文字中輔以下列附圖做更詳細的說明圖1描述本發(fā)明實施例一的外延結(jié)構(gòu)1的示意圖。圖2描述本發(fā)明實施例二的外延結(jié)構(gòu)2的示意圖。圖3描述本發(fā)明實施例三的外延結(jié)構(gòu)3的示意圖。附圖標記說明1、2、3:外延結(jié)構(gòu)10:成長基板20:緩沖層30 :n型束縛層40:有源層40A 勢壘層40B:阱層40a 次勢壘層AOa1、40a2、、、40an 次勢壘層50 φ型束縛層
具體實施例方式本發(fā)明第一實施例披露關于一種包含有源層的發(fā)光元件。其有源層是由多個勢壘 層與多個阱層交錯堆疊而形成多重量子阱結(jié)構(gòu)，其中于勢壘層摻雜P型雜質(zhì)以增加空穴數(shù) 目，且越靠近η型束縛層的勢壘層摻雜濃度越低，越靠近P型束縛層的勢壘層摻雜濃度越 高，以形成具漸變式摻雜濃度的勢壘層結(jié)構(gòu)。為了使本實施例的敘述更加詳盡與完備，可配 合圖1的附圖，參照下列描述。圖1揭示符合本發(fā)明發(fā)光元件的外延結(jié)構(gòu)的第一實施例，外延結(jié)構(gòu)1包括成長基 板10、緩沖層20形成于成長基板10之上、η型束縛層(Claddinglayer) 30形成于緩沖層20 之上、有源層(active layer) 40形成于η型束縛層30之上、以及ρ型束縛層50形成于有 源層40之上。形成外延結(jié)構(gòu)1的方法包括提供成長基板10 ；接著，在成長基板10上以有 機金屬化學氣相沉積法(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition)于第一成長條件下 外延成長緩沖層20，在完成緩沖層20的成長后，在第二成長條件下成長η型束縛層30。于 完成η型束縛層30成長，在第三成長條件下成長有源層40，并于第四成長條件下成長ρ型 束縛層50以形成發(fā)光元件的外延結(jié)構(gòu)。其中，緩沖層20的晶格常數(shù)介于η型束縛層30與 成長基板10之間，可提高外延品質(zhì)及降低晶格缺陷。于本發(fā)明的定義，“成長條件”一詞為 包括至少一工藝參數(shù)設定值選自于溫度、壓力及氣體流量、及其他工藝參數(shù)設定值所組成 的群組。其中于第三之一成長條件下成長的有源層40是由多個勢壘層^A1JOA2UdOAn(η >1)與多個阱層40Β交錯堆疊而形成的多重量子阱結(jié)構(gòu)。于本實施例中，其中勢壘層40~、 40A2、、、40An由氮化鎵(GaN)所組成，阱層40B由氮化銦鎵(InxGa1^xNjO < χ < 1)所組成。 于勢壘層摻雜例如鎂(Mg)的ρ型雜質(zhì)以增加空穴數(shù)目，且越靠近η型束縛層30的勢壘層 摻雜濃度越低，越靠近P型束縛層50的勢壘層摻雜濃度較越高，以形成具漸變式摻雜濃度 的勢壘層結(jié)構(gòu)，其摻雜濃度范圍介于為IXlO16 SXlO1Vcm3之間。此種多重量子阱結(jié)構(gòu) 至少可達到下列功效1.越靠近P型束縛層的勢壘層摻雜濃度越高，可以增加空穴注入量子阱的效率。2.越靠近η型束縛層的勢壘層摻雜濃度越低，對于電子可造成阻擋的效果，避 免大量電子溢流至P側(cè)。本發(fā)明第二實施例披露關于一種包含有源層的發(fā)光元件。其有源層是由多個勢壘 層與多個阱層交錯堆疊而形成的多重量子阱結(jié)構(gòu)，其中每一層勢壘層包含至少一個次勢壘 層，以形成具有次勢壘層的發(fā)光元件。為了使本實施例的敘述更加詳盡與完備，可配合圖2 的附圖，參照下列描述。圖2揭示符合本發(fā)明發(fā)光元件的外延結(jié)構(gòu)的第二實施例，外延結(jié)構(gòu) 2與外延結(jié)構(gòu)1比較，除了有源層(active layer) 40結(jié)構(gòu)不同外，其余各層結(jié)構(gòu)與成長條件 相同。其中于第三之二成長條件下成長的有源層40是由多個勢壘層40A與多個阱層40B 交錯堆疊而形成的多重量子阱結(jié)構(gòu)，其中每一層勢壘層40A包含至少一個次勢壘層40a。于 本實施例中，形成勢壘層40A的材料為氮化銦鎵(InGaN)，形成次勢壘層40a的材料為氮化 鎵(GaN)，形成阱層的材料為氮化銦鎵GnxGi^xN, 0 < χ < 1)。設計此種多重量子阱結(jié)構(gòu)可 降低勢壘層與阱層之間極化電荷所造成的能帶彎曲現(xiàn)象，并可增加電子空穴在量子阱的結(jié) 合效率。本發(fā)明第三實施例披露關于一種包含有源層的發(fā)光元件。其有源層是由多個勢壘 層與多個阱層交錯堆疊而形成的多重量子阱結(jié)構(gòu)，其中每一層勢壘層包含至少一個次勢壘 層，且于次勢壘層摻雜例如鎂的P型雜質(zhì)以增加空穴數(shù)目，形成具有摻雜P型雜質(zhì)次勢壘層 的發(fā)光元件。為了使本實施例的敘述更加詳盡與完備，可配合圖3的附圖，參照下列描述。 圖3揭示符合本發(fā)明發(fā)光元件的外延結(jié)構(gòu)的第三實施例，外延結(jié)構(gòu)3與外延結(jié)構(gòu)2比較，除 了有源層(active layer)40結(jié)構(gòu)不同外，其余各層結(jié)構(gòu)與成長條件相同。其中于第三之三 成長條件下成長的有源層40是由多個勢壘層40A與多個阱層40B交錯堆疊而形成的多重 量子阱結(jié)構(gòu)，其中每一層勢壘層4(^包含至少一個次勢壘層40￡11、40￡12、、、40￡111(11> 1)。于 本實施例中，形成勢壘層40A的材料為氮化銦鎵(InGaN)，形成次勢壘層40 、40 、、、40知 的材料為氮化鎵(GaN)，且摻雜例如鎂的ρ型雜質(zhì)，其中摻雜濃度可以相同或越靠近η型束 縛層30的次勢壘層摻雜濃度越低，越靠近ρ型束縛層50的次勢壘層摻雜濃度較越高，以形 成具漸變式摻雜濃度的次勢壘層結(jié)構(gòu)，其摻雜濃度范圍介于為IX IO16 5Χ IO1Vcm3之間。 形成阱層的材料為氮化銦鎵(Infah^O < χ < 1)。設計此種多重量子阱結(jié)構(gòu)可降低勢壘 層與阱層之間極化電荷所造成的能帶彎曲現(xiàn)象，并可增加電子空穴在量子阱的結(jié)合效率。上述的諸實施例，其中，所述的緩沖層、η型束縛層、ρ型束縛層、以及有源層的材 料包含III-V族化合物，例如氮化鎵系列或磷化鎵系列的材料。所述的成長基板例如為包 括至少一種材料選自于藍寶石、碳化硅、氮化鎵、以及氮化鋁所組成的群組。所述的緩沖層、 η型束縛層、以及ρ型束縛層可為單層或多層結(jié)構(gòu)，例如為超晶格結(jié)構(gòu)。另外，本發(fā)明的所述 的發(fā)光外延結(jié)構(gòu)并不限于以成長方式成長所述的成長基板之上，其他形成方式，例如以接 合方式直接接合或通過介質(zhì)接合至導熱或?qū)щ娀逡鄬俦景l(fā)明的范圍。雖然本發(fā)明已以優(yōu)選實施例披露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何本發(fā)明所 屬技術領域中普通技術人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當可作各種的更動與潤飾， 因此本發(fā)明的保護范圍當視所附的權(quán)利要求所界定為準。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)光元件，至少包含第一電性半導體層；第二電性半導體層；以及有源層，位于該第一電性半導體層與該第二電性半導體層之間，且該有源層是由多個 勢壘層與多個阱層交錯堆疊而形成多重量子阱結(jié)構(gòu)，其中該勢壘層摻雜P型雜質(zhì)以增加空 穴數(shù)目，且該P型雜質(zhì)的摻雜濃度越靠近該第一電性半導體層濃度越低，越靠近該第二電 性半導體層濃度越高，以形成具漸變式摻雜濃度的勢壘層結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光元件，其中該第一電性半導體層為η型束縛層，該第二電性 半導體層為P型束縛層。
3.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光元件，其中該P型雜質(zhì)可為鎂，且該P型雜質(zhì)的摻雜濃度于 該具漸變式摻雜濃度的勢壘層結(jié)構(gòu)為ι χ IO16 5 X IO1Vcm3之間。
4.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光元件，其中該勢壘層由氮化鎵所組成，該阱層由氮化銦鎵 (InxGa1^N5O < χ < 1)所組成。
5.一種發(fā)光元件，至少包含第一電性半導體層；第二電性半導體層；以及有源層，位于該第一電性半導體層與該第二電性半導體層之間，且該有源層是由多個 勢壘層與多個阱層交錯堆疊而形成多重量子阱結(jié)構(gòu)，其中該每一層勢壘層包含至少一個次 勢壘層。
6.如權(quán)利要求5所述的發(fā)光元件，其中該第一電性半導體層為η型束縛層，該第二電性 半導體層為P型束縛層。
7.如權(quán)利要求5所述的發(fā)光元件，其中該次勢壘層由氮化鎵所組成，該勢壘層由氮化 銦鎵所組成，該阱層由氮化銦鎵(InxGai_xN，0 <x< 1)所組成。
8.如權(quán)利要求5所述的發(fā)光元件，其中該次勢壘層摻雜ρ型雜質(zhì)以增加空穴數(shù)目，且該 P型雜質(zhì)可為鎂。
9.如權(quán)利要求8所述的發(fā)光元件，其中該次勢壘層摻雜的ρ型雜質(zhì)濃度可相同。
10.如權(quán)利要求8所述的發(fā)光元件，其中該次勢壘層摻雜的ρ型雜質(zhì)濃度越靠近該第 一電性半導體層濃度越低，越靠近該第二電性半導體層濃度越高，以形成具漸變式摻雜濃 度的次勢壘層結(jié)構(gòu)，且該P型雜質(zhì)的摻雜濃度于該具漸變式摻雜濃度的次勢壘層結(jié)構(gòu)為 IXlO16 5X1017/cm3 之間。
11.一種發(fā)光元件的制造方法，其步驟包含提供基板；于第一成長條件下成長緩沖層于該基板上；于第二成長條件下成長第一電性半導體層于該緩沖層上；于第三之一成長條件下成長有源層于該第一電性半導層上；以及于第四成長條件下成長第二電性半導體層于該有源層上；其中該有源層是由多個勢壘層與多個阱層交錯堆疊而形成多重量子阱結(jié)構(gòu)，且該勢壘 層摻雜P型雜質(zhì)，越靠近該第一電性半導體層的勢壘層其P型雜質(zhì)摻雜濃度越低，越靠近該 第二電性半導體層的勢壘層其P型雜質(zhì)摻雜濃度越高，以形成具漸變式摻雜濃度的勢壘層結(jié)構(gòu)。
12.如權(quán)利要求11所述的制造方法，其中該成長條件包括至少一工藝參數(shù)設定值選自 于溫度、壓力及氣體流量、及其他工藝參數(shù)設定值所組成的群組。
13.一種發(fā)光元件的制造方法，其步驟包含 提供基板；于第一成長條件下成長緩沖層于該基板上； 于第二成長條件下成長第一電性半導體層于該緩沖層上； 于第三之二成長條件下成長有源層于該第一電性半導體層上；以及 于第四成長條件下成長第二電性半導體層于該有源層上；其中該有源層是由多個勢壘層與多個阱層交錯堆疊而形成多重量子阱結(jié)構(gòu)，且該每一 層勢壘層包含至少一個次勢壘層。
14.如權(quán)利要求13所述的制造方法，其中該成長條件包括至少一工藝參數(shù)設定值選自 于溫度、壓力及氣體流量、及其他工藝參數(shù)設定值所組成的群組。
15.一種發(fā)光元件的制造方法，其步驟包含 提供基板；于第一成長條件下成長緩沖層于該基板上； 于第二成長條件下成長第一電性半導體層于該緩沖層上； 于第三之三成長條件下成長有源層于該第一電性半導體層上；以及 于第四成長條件下成長第二電性半導體層于該有源層上；其中該有源層是由多個勢壘層與多個阱層交錯堆疊而形成多重量子阱結(jié)構(gòu)；該每一層 勢壘層包含至少一個次勢壘層，且該次勢壘層可摻雜雜質(zhì)。
16.如權(quán)利要求15所述的制造方法，其中該次勢壘層可摻雜ρ型雜質(zhì)以增加空穴數(shù)目。
17.如權(quán)利要求15所述的制造方法，其中該成長條件包括至少一工藝參數(shù)設定值選自 于溫度、壓力及氣體流量、及其他工藝參數(shù)設定值所組成的群組。
全文摘要
一種發(fā)光元件及其制造方法。該發(fā)光元件包含n型束縛層；p型束縛層；以及有源層，位于n型束縛層與p型束縛層之間，有源層是由多個勢壘層與多個阱層交錯堆疊而形成的多重量子阱結(jié)構(gòu)。于勢壘層摻雜p型雜質(zhì)以增加空穴數(shù)目，其中越靠近n型束縛層的勢壘層摻雜濃度越低，越靠近p型束縛層的勢壘層摻雜濃度越高，以形成具漸變式摻雜濃度的勢壘層結(jié)構(gòu)。上述的元件可增加空穴和電子結(jié)合的幾率，提高發(fā)光效率。
文檔編號H01L33/26GK102104094SQ200910260838
公開日2011年6月22日 申請日期2009年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月21日
發(fā)明者蔡孟倫, 蔡清富, 顏勝宏 申請人:晶元光電股份有限公司