CN103489973A - 半导体发光结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种半导体发光结构，包括一n型半导体层、一p型半导体层以及一有源层。有源层位于n型半导体层与p型半导体层之间，且有源层是由多数阱层以及多数势垒交错层叠而成为一多量子阱结构。靠近n型半导体层的此些阱层中至少包括一层第一厚度的第一阱层，且靠近p型半导体层的此些阱层中至少包括一层第二厚度的第二阱层，第一厚度大于第二厚度，使得有源层相对靠近n型半导体层的区域对电子的局限能力增加，以提高有源层的转换效率，且第一厚度与第二厚度之间具一厚度差△d1，且0nm＜△d1≦10nm。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体发光结构，且特别是涉及一种增加电子局限能力的半导体发光结构。
背景技术
发光二极管（Light-Emitting Diode，LED）主要是通过电能转化为光能的半导体发光结构。传统的发光二极管包括一外延堆叠结构以及分别配置于外延堆叠结构的顶面与底面的上电极层与下电极层。当提供电能至发光二极管的上、下电极层时，电流通过外延堆叠结构，且外延堆叠结构因电子与空穴结合后释放能量，并以光的形式发出。
外延堆叠结构以有机金属化学气相沉积（MOCVD）法形成第一半导体层、有源层与第二半导体层，再分别加入施体（donor）与受体（acceptor）于第一半导体层与第二半导体层中，而成为带负电荷的n型半导体（n-typesemiconductor）层以及带正电荷的p型半导体（p-type semiconductor）层，以使发光二极管可通过电子传导或空穴传导的方式传输电流。
此外，传统的发光二极管使用高带隙的AlXGa(1-X)N半导体材料做为电子阻挡层（Electron blocking layer），以阻挡电子并使其局限于有源层中，其中0≦x≦1。然而，当电子阻挡层的厚度太厚或AlXGa(1-X)N化合物中Al含量太高时，会造成外延堆叠结构的串联电阻太高，而使发光二极管必须以较高偏压驱动。此外，AlXGa(1-X)N半导体材料的带隙（energy gap）较高，空穴不易越过电子阻挡层而传输至有源层，因而有源层的转换效率相对降低，且有源层发光不均匀，有待进一步改善。
发明内容
本发明的目的在于提供一种半导体发光结构，通过改善有源层对于电子的局限能力，以提高有源层的转换效率。
根据本发明的一方面，提出一种半导体发光结构，包括一n型半导体层、一p型半导体层以及一有源层。有源层位于n型半导体层与p型半导体层之间，且有源层是由多数阱层以及多数势垒交错层叠而成为一多量子阱（MultiQuantum Well）结构。靠近n型半导体层的此些阱层中至少包括一层第一厚度的第一阱层，且靠近p型半导体层的此些阱层中至少包括一层第二厚度的第二阱层，第一厚度大于第二厚度，使得有源层相对靠近n型半导体层的区域对电子的局限能力增加，以提高有源层的转换效率，且第一厚度与第二厚度之间具一厚度差△d1，且0nm＜△d1≦10nm。
根据本发明的另一方面，提出一种半导体发光结构，包括一n型半导体层、一p型半导体层以及一有源层。有源层位于n型半导体层与p型半导体层之间，且有源层是由多数个阱层以及多数个势垒交错层叠而形成一多量子阱结构。靠近n型半导体层的此些势垒中至少包括一层第一厚度的第一势垒，且靠近p型半导体层的此些势垒中至少包括一层第二厚度的第二势垒，第一厚度大于第二厚度，使得有源层相对靠近n型半导体层的区域对电子的局限能力增加，以提高有源层的转换效率。
根据本发明的另一方面，提出一种半导体发光结构，包括一n型半导体层、一p型半导体层、一有源层以及多数第一电子阻挡层。有源层位于n型半导体层与p型半导体层之间，且有源层由多数个阱层以及多数个势垒交错层叠而形成一多量子阱结构。此些第一电子阻挡层在靠近n型半导体层处，与此些阱层和此些势垒交错层叠，以使有源层相对靠近n型半导体层的区域对电子的局限能力增加，以提高有源层的转换效率。
为了对本发明的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举实施例，并配合所附附图，作详细说明如下：
附图说明
图1为本发明一实施例的半导体发光结构的示意图；
图2为图1的半导体发光结构的能带示意图；
图3为本发明一实施例的半导体发光结构的示意图；
图4为图3的半导体发光结构的能带示意图；
图5A～图5C分别为本发明一实施例的半导体发光结构的能带示意图。
主要元件符号说明
10、20：半导体发光结构
100、200、300：n型半导体层
110、210、310：有源层
111、113、115、117：阱层
112、114、116、118：势垒
120、220、320：p型半导体层
130、230、330：电子阻挡层
211、213、215、217：阱层
212、214、216、218：势垒
311、314、317：第一电子阻挡层
311’、314’、317’：第一电子阻挡层
311”、314”、317”：第一电子阻挡层
313、316：阱层
312、315、318：势垒
H1、H3：第一厚度
H2、H4：第二厚度
e-：电子
具体实施方式
本实施例揭露的半导体发光结构，改变有源层靠近n型半导体层处的多量子阱结构，例如增加靠近n型半导体层的阱层（well layer）的厚度、增加靠近n型半导体层的势垒(barrier layer)的厚度或于靠近n型半导体层处的有源层中加入电子阻挡层(electron blocking layer,EBL)等等，用于改善有源层对于电子的局限能力，以提高有源层的转换效率。在一实施例中，n型半导体层、p型半导体层及有源层的阱层与势垒选自于由氮化镓（GaN）、氮化铟镓（InGaN）、氮化铝镓（AlGaN）及氮化铝铟镓（AlInGaN）所组成的群组中其中一种材质。举例来说，有源层的阱层与势垒的材质例如为氮化铟镓（InGaN），且于氮化铟镓化合物中In含量不同而使得势垒的带隙大于阱层的带隙。当靠近n型半导体层的阱层或势垒的厚度增加时，将使更多的电子被局限于有源层相对靠近n型半导体层的区域中。此外，在另一实施例中，电子阻挡层例如为含有n型掺杂物的氮化铝镓（AlGaN），其与靠近n型半导体层处的阱层与势垒交错层叠，且电子阻挡层的带隙大于阱层与势垒的带隙，以使更多电子被局限于有源层相对靠近n型半导体层的区域中，并且均匀分布，进而改善有源层的转换效率。
以下提出各种实施例进行详细说明，实施例仅用以作为范例说明，并非用以限缩本发明欲保护的范围。
第一实施例
请参照图1，其绘示依照本发明一实施例的半导体发光结构的示意图。半导体发光结构10包括一n型半导体层100、一p型半导体层120以及一位于n型半导体层100与p型半导体层120之间的有源层110，且有源层110例如是多量子阱（MQW）结构，其层数可例如为10～30层但不以此为限，在图1中仅绘示多个阱层111、113、115、117以及多个势垒112、114、116、118交错层叠的结构，其中靠近n型半导体层100的阱层111、113中至少包括一层第一厚度H1的阱层，且靠近p型半导体层120的阱层115、117中至少包括一层第二厚度H2的阱层。第一厚度H1大于第二厚度H2，且第一厚度H1与第二厚度H2之间具一厚度差，以△d1表示，较佳为0nm＜△d1≦10nm。也就是说，本实施例通过增加靠近n型半导体层100的阱层的厚度，以使更多的电子e-由n型半导体层100流向有源层110时被局限于有源层110相对靠近n型半导体层100的区域中，以期增加有源层110的转换效率。
图2绘示图1的半导体发光结构10的能带示意图。简言之，用于制造发光二极管的半导体材料可为Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体，例如为氮化镓、氮化铟镓、氮化铝镓或氮化铝铟镓，而GaN化合物半导体内有不同含量的铟、铝会有不同的带隙，用于调整出所欲发光的波长。带隙代表价带电子和导带电子之间的能带间隙，带隙越高，表示价带电子需要更高的能量才能到达导带。在图2中，靠近n型半导体层100的阱层111、113例如为In含量较高的GaInN，其厚度H1大于靠近p型半导体层120的阱层115、117的厚度H2。此外，有源层110中的势垒112、114、116、118例如为In含量较低的GaInN，以使其带隙大于阱层111、113、115、117的带隙。
另外，在图1及图2中，半导体发光结构10可包括一电子阻挡层130，其位于有源层110与p型半导体层120之间。电子阻挡层130的材质可为氮化镓（GaN）、氮化铟镓（InGaN）、氮化铝镓（AlGaN）、氮化铝铟镓（AlInGaN）或其组合。电子阻挡层130较佳为高带隙的AlGaN半导体材料，以使电子阻挡层130的带隙大于势垒112、114、116、118的带隙与阱层111、113、115、117的带隙。此外，电子阻挡层130的厚度可薄化，使得空穴容易越过电子阻挡层130而传输至有源层110，因此有源层110的转换效率相对提高。
第二实施例
请参照图3，其绘示依照本发明一实施例的半导体发光结构的示意图。半导体发光结构20包括一n型半导体层200、一p型半导体层220以及一位于n型半导体层200与p型半导体层220之间的有源层210，且有源层210例如是多量子阱（MQW）结构，其层数可例如为10～30层但不以此为限。在本实施例中，靠近n型半导体层200的势垒212、214中至少包括一层第一厚度H3的势垒，且靠近p型半导体层220的势垒216、218中至少包括一层第二厚度H4的势垒。第一厚度H3大于第二厚度H4，且第一厚度H3与第二厚度H4之间具一厚度差，以△d2表示，较佳为0nm＜△d2≦100nm。也就是说，本实施例通过增加靠近n型半导体层200的势垒的厚度，以使更多的电子e-由n型半导体层200流向有源层210时被局限于有源层210相对靠近n型半导体层200的区域中，以期增加有源层210的转换效率。
图4绘示图3的半导体发光结构20的能带示意图。在图4中，靠近n型半导体层200的势垒212、214例如为In含量较低的GaInN，其厚度H3大于靠近p型半导体层220的势垒216、218的厚度H4。此外，通过调整GaInN的In含量，以使有源层210中的势垒212、214、216、218的带隙大于阱层211、213、215、217的带隙。
另外，在图3及图4中，电子阻挡层230位于有源层210与p型半导体层220之间。电子阻挡层230较佳为高带隙的AlGaN半导体材料，以使电子阻挡层230的带隙大于势垒212、214、216、218的带隙。此外，电子阻挡层230的厚度可薄化，使得空穴容易越过电子阻挡层230而传输至有源层210，因此有源层210的转换效率相对提高。
第三实施例
请参照图5A～图5C，其分别绘示依照本发明一实施例的半导体发光结构的能带示意图。除了上述实施例改变阱层与势垒的厚度的作法之外，本实施例的半导体发光结构在不改变阱层与势垒的厚度下，通过分散多个第一电子阻挡层311、314、317于有源层310靠近n型半导体层300的区域。如图5A所示，第一电子阻挡层311、314、317在靠近n型半导体层300处，与阱层313、316与势垒312、315、318交错层叠，以使有源层310相对靠近n型半导体层300的区域对电子e-的局限能力增加。第一电子阻挡层311、314、317较佳为含n型掺杂物的AlGaN半导体材料，n型掺杂物例如为硅，可提供多余的自由电子，且第一电子阻挡层311、314、317的带隙大于势垒312、315、318的带隙与阱层313、316的带隙，以使更多电子e-被局限于有源层310相对靠近n型半导体层300的区域中，以期增加有源层310的转换效率。
此外，半导体发光结构可包括一第二电子阻挡层330，其位于有源层310与p型半导体层320之间。第二电子阻挡层330较佳为高带隙的AlGaN半导体材料，且第二电子阻挡层330的带隙大于第一电子阻挡层311、314、317的带隙。
请参照图5B，多个第一电子阻挡层311’、314’、317’等间距或等厚度地穿插于阱层313、316与势垒312、315、317之间，相对于图5A，第一电子阻挡层311’、314’、317’的厚度增加，且不需再配置高带隙的第二电子阻挡层330。接着，请参照图5C，多个第一电子阻挡层311”、314”、317”分别穿插于阱层313、316与势垒312、315、318之间，相对于图5B，第一电子阻挡层311”、314”、317”的厚度由n型半导体层300向p型半导体层320方向逐次变薄。
由于上述的第一电子阻挡层呈分散排列，并使用掺杂的方式加入n型掺杂物，故不会造成有源层310的串联电阻太高，而使半导体发光结构能以较低的偏压驱动。此外，通过分散排列的第一电子阻挡层，可使电子e-均匀分散到有源层310的各个区域中，进而改善有源层310发光的均匀性。
综上所述，虽然结合以上较佳实施例揭露了本发明，然而其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中熟悉此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围应以附上的权利要求所界定的为准。
Claims (20)
1.一种半导体发光结构，包括：
n型半导体层；
p型半导体层；以及
有源层，位于该n型半导体层与该p型半导体层之间，且该有源层是由多个阱层以及多个势垒交错层叠而成为一多量子阱（Multi Quantum Well）结构；
其中，靠近该n型半导体层的该些阱层中至少包括一层第一厚度的第一阱层，且靠近该p型半导体层的该些阱层中至少包括一层第二厚度的第二阱层，该第一厚度大于该第二厚度，使得该有源层相对靠近该n型半导体层的区域对电子的局限能力增加，以提高该有源层的转换效率，且该第一厚度与该第二厚度之间具一厚度差△d1，且0nm＜△d1≦10nm。
2.如权利要求1所述的半导体发光结构，其中该n型半导体层、该p型半导体层、该些阱层与该些势垒的材质选自于由氮化镓（GaN）、氮化铟镓（InGaN）、氮化铝镓（AlGaN）或氮化铝铟镓（AlInGaN）所组成的群组。
3.如权利要求1所述的半导体发光结构，还包括电子阻挡层，位于该有源层与该p型半导体层之间，该电子阻挡层的带隙大于该些势垒的带隙，且该些势垒的带隙大于该些阱层的带隙。
4.如权利要求3所述的半导体发光结构，其中该电子阻挡层的材质为选自于由氮化镓（GaN）、氮化铟镓（InGaN）、氮化铝镓（AlGaN）或氮化铝铟镓（AlInGaN）所组成的群组。
5.一种半导体发光结构，包括：
n型半导体层；
p型半导体层；以及
有源层，位于该n型半导体层与该p型半导体层之间，且该有源层是由多个阱层以及多个势垒交错层叠而形成一多量子阱结构；
其中，靠近该n型半导体层的该些势垒中至少包括一层第一厚度的第一势垒，且靠近该p型半导体层的该些势垒中至少包括一层第二厚度的第二势垒，该第一厚度大于该第二厚度，使得该有源层相对靠近该n型半导体层的区域对电子的局限能力增加，以提高该有源层的转换效率。
6.如权利要求5所述的半导体发光结构，其中该第一厚度与该第二厚度之间具一厚度差△d2，且0nm＜△d2≦100nm。
7.如权利要求5所述的半导体发光结构，其中该n型半导体层、该p型半导体层、该些阱层与该些势垒的材质选自于由氮化镓（GaN）、氮化铟镓（InGaN）氮化铝镓（AlGaN）或氮化铝铟镓（AlInGaN）所组成的群组。
8.如权利要求5所述的半导体发光结构，还包括电子阻挡层，位于该有源层与该p型半导体层之间，该电子阻挡层的带隙大于该些势垒的带隙，且该些势垒的带隙大于该些阱层的带隙。
9.如权利要求8所述的半导体发光结构，其中该电子阻挡层的材质为选自于由氮化镓（GaN）、氮化铟镓（InGaN）、氮化铝镓（AlGaN）或氮化铝铟镓（AlInGaN）所组成的群组。
10.一种半导体发光结构，包括：
n型半导体层；
p型半导体层；以及
有源层，位于该n型半导体层与该p型半导体层之间，且该有源层由多个阱层以及多个势垒交错层叠而形成一多量子阱结构；以及
多个第一电子阻挡层，在靠近该n型半导体层处，与该些阱层与该些势垒交错层叠，以使该有源层相对靠近该n型半导体层的区域对电子的局限能力增加，以提高该有源层的转换效率。
11.如权利要求10所述的半导体发光结构，其中该些第一电子阻挡层是等间距或等厚度地穿插于该些阱层与该些势垒之间。
12.如权利要求10所述的半导体发光结构，其中该些第一电子阻挡层的厚度由n型半导体层向p型半导体层方向逐次变薄。
13.如权利要求10所述的半导体发光结构，其中该些第一电子阻挡层的带隙大于该些势垒的带隙，且该些势垒的带隙大于该些阱层的带隙。
14.如权利要求10所述的半导体发光结构，其中该n型半导体层、该p型半导体层、该些阱层与该些势垒的材质选自于由氮化镓（GaN）、氮化铟镓（InGaN）、氮化铝镓（AlGaN）或氮化铝铟镓（AlInGaN）所组成的群组。
15.如权利要求10所述的半导体发光结构，其中该些第一电子阻挡层含有n型掺杂物。
16.如权利要求10所述的半导体发光结构，其中该些第一电子阻挡层为氮化铝镓。
17.如权利要求15所述的半导体发光结构，其中该n型掺杂物为硅。
18.如权利要求10所述的半导体发光结构，其中该些第一电子阻挡层的带隙大于该些势垒的带隙，且该些势垒的带隙大于该些阱层的带隙。
19.如权利要求18所述的半导体发光结构，还包括一第二电子阻挡层，位于该有源层与该p型半导体层之间，且该第二电子阻挡层的带隙大于该些第一电子阻挡层的带隙。
20.如权利要求19所述的半导体发光结构，其中该第二电子阻挡层的材质为选自于由氮化镓（GaN）、氮化铟镓（InGaN）、氮化铝镓（AlGaN）或氮化铝铟镓（AlInGaN）所组成的群组。
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