TW201036203A - GaN-series LED containing Mg-doped layer - Google Patents

Description

201036203 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種發光二極體，特別是指一種氮化 鎵系的發光二極體。 【先前技術】 傳統氮化銦鎵/氮化鎵系發光二極體（InGaN/GaN-LED) 在高電流密度操作下會產生嚴重的發光效率衰減 (efficiency droop)問題，所以不利於高功率LED之應用， Ο 為了改善上述缺失，如圖1所示，為I.V. Rozhansky等人 於期刊「Phys. Stat. Sol.(a) 204, No.l，No· 227-230」所提 出的一種發光二極體1，並包含：一 n型披覆層11、一連 接該η型披覆層11的AlGaN阻障層12、一連接該阻障層 12的p型發光層13’以及一連接該p型發光層13的p型 披覆層14’所述p型發光層13是由InGaN/GaN所構成的 多重量子井（Multiple Quantum Well，簡稱MQW)結構。亦 即，Rozhansky所提出之發光二極體丨，是將以往技術中夫 一 經摻雜或摻雜成η型的發光層，改變為摻雜成p型的發光 層13。 該發光二極體1確實可以改善高電流密度下的效率衰 減問題，但是在發光層13膜層磊晶時需要額外添加電洞 載子，例如加入鎂（Mg)才能使其成為ρ型。雖然在已知技 藝中，於發光層中添加η型載子仍可將磊晶品質控制良 . 好，但是一般而言，當添加Ρ型載子時，膜層之磊晶品質 _ 則無法獲得良好控制，因此上述Rozhansky之發光二極體 201036203 卜將該發光層u摻雜成p型後，其p型發光層13之品 質不佳，即使該元件確實改善了高電流密度的外部量子效 率（External Quantum Efficiency，簡稱 EQE)衰減問題，但 是實際上其元件之發光效率仍然無法提高，此乃因為膜層 品質不佳而造成元件效能不好。 【發明内容】 因此，本發明之目的，即在提供一種在高電流密度下 可以提升發光效率，而且膜層品質佳的含有鎮換雜層的說 化鎵系發光二極體。 於是本發明含有鎂摻雜層的氮化鎵系發光二極體， 包含.一 η型披覆單元、一與該n型披覆單元間隔的p型 披覆層一層位於該η型披覆單元與該？型披覆層之間的 鎂摻雜層’以及一個位於該鎂摻雜層以及該ρ型被覆層之 間的發光單元4中’該鎂摻雜層是由_系材料製成並 且摻雜鎂原子。 藉由設置該鎂摻雜層而具有阻隔效果，降低大電流操 作時由η型披覆單元流人該發光單元的電子朝該ρ型披 覆層的溢流，因此本發明操作於大電流時，可以提升元件 的電子與電洞在該發光單元中結合的機率，進而提升發光 效=。所述鎂摻層之鎂原子的摻雜濃度為5xl〇I6cm_3〜 7 時，可以達到良好的阻隔電子擴散之效果，其中， 當摻雜濃度過低而小於5xlGl6em.3時，對於電子溢流的阻 隔效果不佳，當摻雜濃度過高而大於2xl〇19cm-3時，則會 因為過度摻雜而影響膜層品質，故本發明之鎮原子的推雜 201036203 而且較佳地為lxl0ncm-3〜5x 濃度以上述範圍為佳 l〇18cm'3 ° 其中，該η型披覆單元包括一層第一濃度層，以及一 層位於該帛/農度層與該錢掺雜層之間的第二濃度層，該 等第一、二濃度層之摻雜濃度可以相同亦可以不同。該第 二濃度層可以為單—材料製成之單層結構，也可以由至少 —種以上之材料製成的多層膜層堆疊結構，在本發明之實

施例五中’该第二濃度層包括數個彼此間隔的第-膜層， 以及數個與該等第—膜層交錯排列的第二膜層。所述第一 膜層疋由GaN系材料所製成，所述第二膜層是由inGaN 系材料所製成。 【實施方式】 有關本發明之前述及其他技術内容、特點與功效，在 以下配合參考圖式之五個較佳實施例的詳細說明中，將可 清楚的呈現。在本發明被詳細描述之前，要注意的是，在 以下的說明内容中’類似的元件是以相同的編號來表示。 參閱圖2’本發明含有鎂摻雜層的氮化鎵系發光二極 體之第一較佳實施例，包含：一基板單元2、一位於該基 板單元2上的n型披覆單元3、一個間隔位於該η型披覆 單元3上方的ρ型披覆層4、一個位於該η型彼覆單元3 的表面的鎂摻雜層5、一連接該鎂摻雜層5與該ρ型披覆 層4的發光單元6,以及二個分別位於該^型彼覆單元3 和該Ρ型披覆層4之表面的電極7。 該基板單元2包括一基板21，以及一彼覆在該基板 5 201036203 21的表面的緩衝層22。所述基板21可以使用藍寶石基 板、氮化鎵基板或矽基板，本實施例是使用藍寶石基板， 而該緩衝層22之主要材料為氮化鎵（GaN)。 該η型披覆單元3包括一層設置在該緩衝層22上的 第一濃度層31，以及一層位於該第一濃度層31與該鎂摻 雜層5之間的第二濃度層32。其中，該第一濃度層31之 厚度為5ym’前述其中一電極7是位於該第一濃度層31 的表面。所述第一濃度層31與第二濃度層32的主要材料 皆為氮化鎵’該第一濃度層31摻雜有lxl〇i9cm-3的梦（Si) 而形成η型半導體，該第二濃度層32摻雜有5xl〇18cm-3 的碎而亦形成η型半導體。 該Ρ型披覆層4之主要材料為GaN，並摻雜有1χ 102QcnT3的鎂（Mg)而形成ρ型半導體，其厚度為2〇〇nm。 該鎂摻雜層5之主要材料亦為GaN，並摻雜有5χ 1018cnT3的鎂（Mg)，其厚度為50nm。 本實施例之發光單元6為多重量子井（MQW)結構，並 包括數個彼此間隔的阻障層61，以及與等阻障層Η交錯 排列的井層62,而且該發光單元6的最上方與最下方皆^ 阻障層61，下方的阻障層61連接該鎂摻雜層5,上方的 阻障層61連接該p型披覆層4。所述阻障層6ι是以 的材料所製成’其厚度$ 12nm。上述井$ 62是以化學式

In〇.15Ga0.85N的材料所製成，其厚度為2 5nm，井層 能隙小於阻障層6 1，而日鉍ν土 & & a ο 構 早增οι而且較佳地井層62可具有量子點結 201036203 本發明含有鎂摻雜層的氮化鎵系發光二極體之第二〜 第四較佳實施例，與該第一較佳實施例之結構大致相同， 不同之處僅在於該第二濃度層32的si摻雜濃度，或是鎂 掺雜層5中的Mg摻雜濃度，請見表一。另外’表一之比 較例一與本發明不同之處在於：比較例一為一般傳統的氮 化鎵系發光二極體’比較例一沒有設置本發明之鎂摻雜層

實施例 Si掺雜濃度（cm·3) Mg摻雜濃度（cm'3) 一 5xl018 5xl018 二 5xl018 2.5xl018 三 5xl018 1.25xl018 四 比較例一 lxlO19 5xl018 X 配合參閱圖3 ’為本發明實施例·—四與比較例一之外 部量子效率（External Quantum Efficiency，簡稱 EQE)·電流 密度（current density)比較圖，而且縱輛之外部量子效率為 歸一化（normalized)的數值。比較例一之曲線顯示該發光二 極體在電流密度約為10 A/cm2左右，其外部量子效率達到 最大值，之後隨著電流密度增加而明顯地下降。反觀本發 明實施例一 ~三，其外部量子效率皆是隨著電流密度增加 而增加，而實施例四的外部量子效率則是在電流密度約為 7 201036203 Γ，A::2左右達到最大值，之後雖然隨著電流增加而降 -旦八降低幅度極為緩和，並且仍維持在8〇%以上， 施例四之特性顯*，其可適料電流操作範圍更廣。= 此，發明確實可以降低在大電流操作下的效率衰 題，有利於應用在高功率的發光二極體。 ° 由以上說明可知，本發明具有下列優點. (-)本發明藉由設置該鎖摻雜層5,利用 子的摻雜，使該鎂摻雜 、有鎂原 此·電m 電子擴散的功效，因 =子與電洞注入該發光單元6時，該鎂摻雜層5可以 電子往該P型披覆層4移動，進而提升 該發光單元6巾結合_ 同在 密度之效率衰域心 明可以改善高電流 羊哀減問4、提升發光效率， 二極體之良好靡田7作為间功率發光 因為叫的說明的是，摻雜層5是否會 要藉由=ρ型半導體層，並非所問，因為只 要藉由鎂原子的摻雜 散之功效即可。 子朝該Ρ型披覆層4擴 (二）本發明是在該鎂摻雜 發光單元6則不兩Φ 作摻雜的動作，沉積該 膜層在蟲晶二：摻雜製程，因此該發光單元6各 曰π猫曰曰^儿積時，品質仍 影響其膜層& ，·、、良好，不會有掺雜原子 一發:極:^ 媒層品質而；=:較之下，確實具有較佳之發光層 參閱圖4 電流操作下的發光效率。 體之第五較佳實=明：有鎂摻雜層的氮化鎵系發光二極 歹，、該第四較佳實施例之結構大致相 201036203 .同，不同之處在於：本實施例之n型披覆單元3的第二濃 度層32’包括數個彼此交錯排列的第一膜層321以及第二 膜層322，所述第一膜層321是以化學式GaN的材料所製 成，其厚度為12 nm，第二膜層322是以111〇1(}&〇以材料 所製成，其厚度為2.5 nm。該第二濃度層32之矽摻雜濃 度為lxlO19 cm·3 ’並且藉由第一、二膜層321、322交錯 排列而形成超晶格（super lattice)結構。 本實施例之發光單元6的阻障層61是以化學式GaN 〇 的材料所製成，而井層62是以In〇_25GaQ.75N材料所製成。 本實施例之鎂摻雜層5的鎂摻雜濃度為125xl〇i8cm·3。 配合參閱圖5，為本發明實施例五與比較例二之外部 量子效率-電流密度比較圖，比較例二之各層的結構與濃度 • 皆與實施例五相同，但是該比較例二沒有設置本發明之鎂 摻雜層5。圖5之縱轴數值為實測數值，並未歸一化，由 圖中可看出當電流密度大於15 A/Cm2之後，本發明之外部 量子效率高於比較例二，所以本發明確實提高元件操作於 〇 大電流下的發光效率，有助於高功率發光二極體之應用。 综上所述，本發明主要是藉由該鎂摻雜層5來提升發 光效率並且可以維持良好膜層品質，而且該鎂摻雜層5與 其它膜層的相對關係，是必須位於η型披覆單元3及發光 單元6之間。而任何其它類似之結構，無論其膜層結構如 何變化’例如即使在鎂摻雜層5與η型披覆單元3之間又 多加其它膜層時，只要該鎂摻雜層5的相對位置是在η型 彼覆單元3及發光單元6之間，即為本發明所保護之範 201036203 圍：。此外i實施時不需以該發光單^ 6之型態為限制，只 要該發光單兀6未經p型摻雜並且可供電子、電洞結合即 可’所以例如多看县1 1 . 夕重篁子井、至少二種材料堆疊之異質接 面’或者單一材料形成之膜層…等結構皆可使用。 惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不 能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發㈣請專利 範圍及發明說明内容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍 屬本發明專利涵蓋之範圍内。 【圖式簡單說明】 圖1是一種已知發光二極體的結構示意圖； 圖2是一示tW，顯示本發明含有鎮換雜層的氮化錄 系發光二極體之一第一較佳實施例； 圖3是本發明實施例一〜四與比較例一之外部量子效 率-電流密度比對圖，而且縱軸之外部量子效率為被歸一化 (normalized)後的數值； 圖4是一不意圖，顯示本發明含有鎮推雜層的氣化錄 系發光二極體之一第五較佳實施例；及 圖5是本發明實施例五與比較例二之外部量子效率_ 電流密度比對圖，縱軸之數值為實際測試數值，並未歸一 化。 10 201036203 【主要元件符號說明】 〇 基板單元 322 〇 1 / I «丨 «6» -基板 4… 22……… •緩衝層 5 ·· 2 • η型披覆單元 6 * 〇 1 ，第一濃度層 61 3 2 '* -第二濃度層 62 321 *»^f * * •第一膜層 7… -…第二膜層 …· P型披覆層 •…鎂摻雜層 …-發光單元 •…阻障層 •…井層 …電極

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Claims (1)

1. 201036203 七、申請專利範圍： ι· 一種含有鎂摻雜層的氮化鎵系發光二極體，包含. 一 η型彼覆單元； 一 Ρ型披覆層’與該η型披覆單元間隔； 一鎂摻雜層，位於該η型披覆單元與該卩型披覆層之 間，該鎂掺雜層是由GaN系材料製成並且摻雜鎮原子. 及 ' * 一發光單元，位於該鎂摻雜層以及該p型披覆層之 間。 2.依據申請專利範圍第 系發光二極體，其中 xl016cm'3~2xl019cm'3 1項所述之含有鎂摻雜層的氮化鎵 該鎂摻層之鎂原子的摻雜濃度為5 3. 依據申請專利範圍第 系發光二極體，其中 xl017cm'3~5xl〇18cm'3 2項所述之含 ’鎂摻雜層的氮化鎵 ，該鎂摻層之鎂屌 原子的摻雜濃度為1 4. 依據申請專利範圍第 系發光二極體，其中， 層，以及一層位於該第 濃度層。 項所述之3有鎂摻雜層的氮化鎵 該n型披覆單元包括—層第一濃度 濃度層與該鎂摻雜層之間的第二 5. 依據申請專利範圍第 系發光二極體，其中 1項所述之含有 該η型披覆單元 的第-膜層，以及數個與該等第 層。 鎂摻雜層的氮化鎵 包括數個彼此間隔 交錯排列的第二膜 6.依據申請專利範圍第 5項所述之含有 鎂摻雜層的氮化鎵 12 201036203 系發光二極體，其中，所述第一膜層是由GaN系材料所 製成，所述第二膜層是由InGaN系材料所製成。

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