TW201414008A - 發光裝置 - Google Patents
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Abstract
一種發光裝置，包括有複數具有一第一P摻雜層、一第一N摻雜層以及一第二P摻雜層之電流散布層，其中該N摻雜層具有可形成實質空乏或是完全空乏的一摻雜程度及厚度。
Description
本發明係與發光二極體(light emitting diodes,LEDs)有關，特別是有關於一種發光二極體中之橫向電流散布架構(lateral current spreading architecture)的結構。
在過去數十年中，氮化銦鎵/氮化鎵(InGaN/GaN)發光二極體(LEDs)具有極大的進展。剩下的一個問題在於發光二極體的性能仍然受限於p型GaN層。由於p型GaN層的低摻雜濃度以及低電洞遷移率(不良的導電性)，其電流集聚效應(current crowding effect)會變得非常明顯，特別是在高工作電流的情況下。p型GaN電極下之電流集聚的最直接結果包括引起熱高度局部集中以及載子濃度局部集中。如此會造成多量子井(multiple-quantum wells,MQWs)中非輻射複合速率(non-radiative recombination rate)增加，導致光輸出功率(optical output power)以及外部量子效率(external quantum efficiency,EQE)降低。
為了減緩不良的電流集聚效應，已經發展出許多技術。Sun等人提出藉由重度摻雜半導體層(第1圖之層3，5以及7)來作為電流散布層(current spreading layer)。倘若晶體優良特性能夠被維持，重摻雜層就能夠賦予較高的導電性。隨後，Feng等人也提出將金
屬墊(第2圖之標號221以及225)嵌入該透明電流散布層(第2圖之標號210，211以及212)，以使第2圖中顯示的橫向電流相對稱。詳而言之，若具有高電阻層，例如第3圖所示之以垂直GaAs為基礎之發光二極體中，用於Zn摻雜p型Al0.7Ga0.3As(第3圖之層34)中之未摻雜Al0.7Ga0.3As(第3圖之層32)，則可抑制電流集聚效應。同時，有報導指出依據能帶間隧道效應(inter-band tunnelling)的物理性質，電流能夠均勻地散布，因此發展出如第4圖所示，將透明電流散布層(第4圖之層52)設置在超薄n+-GaN層(第4圖之層53)上，以得到較好的電流散布。在一項單獨提出的技術中，如第5A圖以及第5B圖所示，發光二極體(LEDs)的電流路徑上設置有溝渠(第5A圖之標號180)，藉以局部地阻擋電流並改善電流分布。另一方面，如第6圖所示，依循極性方向生長的六方(hexagonal)III-V族氮化物具有極性場(polarization field)強的特性，其在異質介面(亦即AlGaN/GaN)可形成帶有高板電荷密度(sheet charge density)的二維電子氣(two-dimensional electron gas,2DEG)以及二維電洞氣(two-dimensional hole gas)，此種特性能夠作為電流散布層。最後但同樣重要的是，電流散布層也可透過結合未摻雜AlGaN、未摻雜GaN、n型AlGaN以及n型GaN予以完成(第7圖之標號4)，其不只利用二維電子氣(2DEG)的特性，且透過合金技術產生能帶變化。
概括而言，本發明係提出一種具有改良之電流散布層的發光裝置。該等電流散布層係為晶格匹配之磊晶沉積PNP層(lattice
matched epitaxially deposited PNP layers)。該N層的厚度以及摻雜係被刻意選擇，致使該N層能被鄰近的P層完全耗盡。如此，該N層中的摻雜物會離子化且作為電洞散布者(hole spreader)。伴隨第一PN接面的電洞阻擋效應(hole blocking effect)，將會產生無電壓消耗或是少量載子損失之整體效能的電流擴散運作(spreading operation)。相較於銦錫氧化物(Indium Tin Oxide，以下簡稱ITO)，本發明的電流擴散效率更佳，且具有輻射複合速率(radiative recombination rate)更高、工作溫度更低、輸出功率更高、效率更高及/或製造成本更低等優勢。
本發明一第一具體實施方式係提供一種發光裝置，其包括有：具有一第一P摻雜層、一第一N摻雜層以及一第二P摻雜層之複數個電流散布層，其中該N摻雜層具有一用以形成實質空乏或是完全空乏的摻雜程度與厚度。
其中在平衡的條件下，該等電流散布層中之一空乏區(depletion region)之一厚度可為0nm至300nm之間。
其中在平衡的條件下，該空乏區的厚度可為0nm至178.37nm之間。
其中在平衡或非平衡的條件下，該N摻雜層之一厚度係小於該空乏區的厚度。
其中該N摻雜層之厚度可大於1nm。
其中該第一N摻雜層之一內建電壓(built-in voltage)可高於一穿透崩潰電壓(reach-through breakdown voltage)。
其中該內建電壓可為大約3.2V，以及該穿透崩潰電壓可為大約0.08V。
其中，一擴散距離可依據下列數學式予以決定
其中D p 為電洞的一擴散常數，透過愛因斯坦關係式(Einstein relationship)而與μ p 相關，以及k為波茲曼常數(Boltzman constant)。
其中，一阻障高度(barrier height)可高於0.005eV。
其中，一理想因子(ideality factor)可為1至7。
其中，當該N摻雜層為實質空乏或是完全空乏時，該N摻雜層中的摻雜物可被配置為會離子化且作為電洞散布者。
該發光裝置可進一步包括一主動層以及一電子注入層，而其中該等電子散布層可被配置為與該主動層及/或該電子注入層晶格匹配。
其中各該電流散布層可包括有由GaN、InGaN、AlInGaN、AlInGaPAsSb、ZnO、CdSe及其組合所構成之族群中選出的一種半導體材料。
其中該等P摻雜層可摻雜由鈹(Be)、鎂(Mg)、鋅(Zn)、磷(P)、氮(N)、砷(As)、銻(Sb)及其組合所構成之族群中選出的一種材料。
其中該第一N摻雜層可摻雜由矽(Si)、鍺(Ge)、氧(O)、鎵(Ga)、鋁(Al)及其組合所構成之族群中選出的一種材料。
該等P摻雜層的鎂摻雜程度可高於一本質載子(intrinsic carrier)濃度，以及該第一N摻雜層的矽摻雜程度可高於一本質載子濃度。
該發光裝置可進一步包括一位於該等電流散布層上之透明電流散布層，該透明電流散布層係可選自由ITO、鎵摻雜氧化鋅(Gallium doped ZnO,GZO)、鋁摻雜氧化鋅(Aluminium doped ZnO,AZO)、氟錫氧化物(Fluorine Tin Oxide,FTO)、石墨烯(Graphene)及其組合所構成之族群。
或者是，該發光裝置可進一步包括一位於該等電流散布層上之半透明電流散布層，該半透明電流散布層可包含有鎳/金合金(alloyed Ni/Au)。
其中該等電流散布層可進一步包括一第二N摻雜層以及一第三P摻雜層。
該發光裝置可進一步包括複數個另外的N摻雜層以及P摻雜層。
其中該N摻雜層可被配置為完全空乏、少量載子擴散長度可較n型層的厚度短、以及用於n型層之穿透崩潰電壓可被配置為由一外部施加偏壓(external applied bias)所提供。
本發明一第二具體實施方式係提供一種發光裝置的製造方法，其包括有下列步驟：
在一主動層上或鄰近一主動層，以磊晶方式沉積一第一P型電流散布層；在該第一P型電流散布層上或鄰近該第一P型電流散布層，以磊晶方式沉積一第一N型電流散布層；在該第一N型電流散布層上或鄰近該第一N型電流散布層，以磊晶方式沉積一第二P型電流散布層；以及活化該第一以及第二P型電流散布層中的摻雜物。
其中該磊晶方式沉積可包括金屬有機物化學氣相沉積法(metal-organic chemical vapour deposition,MOCVD)、分子束磊晶法(molecular beam epitaxy,MBE)、氫化物氣相磊晶法(hydride vapour phase epitaxy,HVPE)、相位鎖定磊晶法(phase-locked epitaxy,PLE)以及任何前述長晶方法之組合。
其中，沉積該第一與第二P型電流散布層以及該第一N型電流散布層係可在一低於沉積一電子注入層之溫度的溫度下進行。
其中，沉積該第一與第二P型電流散布層以及該第一N型電流散布層係可在一等於或高於沉積一電子注入層之溫度的溫度下進行。
本發明一第三具體實施方式係提供一種發光二極體，其包括有：一PNP半導體材料電流散布層，其中一N型半導體係配置為完全空乏或是實質空乏，使離子化之矽原子作為電流散布者(current spreader)，其中當該N型材
料的厚度小於少量載子的擴散長度時，該PNP層不會消耗少量載子，以及其中在該PNP層中之一耗盡電壓超過一穿透崩潰電壓，以將該PNP層中的電壓損耗降至最低。
現將透過下列圖式來描述本發明的一種或多種實施例。
800‧‧‧裝置
802‧‧‧基板
804，806‧‧‧電子注入層(n-GaN層)
808‧‧‧N型電極(陰極)
810‧‧‧主動發光層
812‧‧‧電洞注入層
814‧‧‧P型電極(陽極)
816‧‧‧電流散布層(PNP-GaN層)
1600‧‧‧電洞能障
1700‧‧‧裝置
1712‧‧‧電洞注入層
1716‧‧‧PNP-GaN層
1718‧‧‧ITO層
2500‧‧‧電洞能障
第1圖至第7圖為習知技術之發光二極體之電流散布層的剖視圖。
第8圖為InGaN/GaN發光二極體(裝置B)之PNP-GaN電流散布層的剖視圖，同時顯示一不具有透明電流散布層之參考發光二極體(裝置A)。
第9A圖為長晶於一絕緣基板(例如藍寶石)上之具有側向電流注入電路(I1>I2>I3>I4>.....>In)但不具有透明電流散布層之傳統InGaN/GaN發光二極體的等效電流圖。
第9B圖為本發明一第一實施例之具有可能電流路徑(J1以及J2)之InGaN/GaN發光二極體之PNP-GaN電流散布層的簡化等效電路圖。
第10A圖為根據施加偏壓所得之模擬電流曲線圖。
第10B圖為根據施加偏壓經實驗測得之電流曲線圖。
第11A圖為裝置A(不具有透明電流散布層之參考發光二極體)經實驗測得之電致發光光譜圖。
第11B圖為裝置B(不具有透明電流散布層之PNP發光二極體)經實驗測得之電致發光光譜圖。
第12圖為裝置A以及裝置B在不同電流注入條件下之載子溫度圖(裝置A：不具有透明電流散布層之參考發光二極體；裝置B：不具有透明電流散布層之PNP發光二極體)。
第13圖為裝置A以及裝置B之模擬光輸出功率與外部量子效率的關係圖(裝置A：不具有透明電流散布層之參考發光二極體；裝置B：不具有透明電流散布層之PNP發光二極體)。
第14圖為裝置A以及裝置B之實驗測得之光輸出功率與外部量子效率的關係圖(裝置A：不具有透明電流散布層之參考發光二極體；裝置B：不具有透明電流散布層之PNP發光二極體)。
第15A圖為裝置A以及裝置B計算而得之電洞分布圖(裝置A：不具有透明電流散布層之參考發光二極體；裝置B：不具有透明電流散布層之PNP發光二極體)。
第15B圖為裝置A以及裝置B計算而得之輻射複合速率圖(裝置A：不具有透明電流散布層之參考發光二極體；裝置B：不具有透明電流散布層之PNP發光二極體)。
第16A圖為裝置A之能帶圖(裝置A：不具有透明電流散布層之參考發光二極體)。
第16B圖為裝置B之能帶圖(裝置B：不具有透明電流散布層之PNP發光二極體)。
第17圖為依據本發明一第二實施例之裝置B的剖視圖，而裝置A列為參考(裝置A：具有透明電流散布層之參考發光二極體；裝置B：具有透明電流散布層之PNP發光二極體)。
第18A圖為裝置B的等效電路圖(裝置B：具有透明電流散布層之PNP發光二極體)。
第18B圖為裝置B的簡化等效電路圖(裝置B：具有透明電流散布層之PNP發光二極體)。
第19A圖為裝置A以及裝置B根據施加偏壓所得之模擬電流曲線圖(裝置A：具有透明電流散布層之參考發光二極體；裝置B：具有透明電流散布層之PNP發光二極體)。
第19B圖為裝置A以及裝置B根據施加偏壓經實驗測得之電流曲線圖(裝置A：具有透明電流散布層之參考發光二極體；裝置B：具有透明電流散布層之PNP發光二極體)。
第20A圖為裝置A(具有透明電流散布層之參考發光二極體)經實驗測得之電致發光光譜圖。
第20B圖為裝置B(具有透明電流散布層之PNP發光二極體)經實驗測得之電致發光光譜圖。
第21圖為裝置A以及裝置B的載子溫度圖(裝置A：具有透明電流散布層之參考發光二極體；裝置B：具有透明電流散布層之PNP發光二極體)。
第22圖為裝置A以及裝置B之模擬光輸出功率與外部量子效率的關係圖(裝置A：具有透明電流散布層之參考發光二極體；裝置B：具有透明電流散布層之PNP發光二極體)。
第23圖為裝置A以及裝置B之實驗測得之光輸出功率與外部量子效率的關係圖(裝置A：具有透明電流散布層之參考發光二極體；
裝置B：具有透明電流散布層之PNP發光二極體)。
第24A圖為裝置A以及裝置B計算而得之電洞分布圖(裝置A：具有透明電流散布層之參考發光二極體；裝置B：具有透明電流散布層之PNP發光二極體)。
第24B圖為裝置A以及裝置B計算而得之輻射複合速率圖(裝置A：具有透明電流散布層之參考發光二極體；裝置B：具有透明電流散布層之PNP發光二極體)。
第25A圖為裝置A之能帶圖(裝置A：具有透明電流散布層之參考發光二極體)。
第25B圖為裝置B之能帶圖(裝置B：具有透明電流散布層之PNP發光二極體)。
第8圖所示之一第一實施例包括有一發光二極體(LED)裝置800。該裝置800由氮化鎵(GaN)所形成且沉積於一藍寶石基板802上。複數N摻雜電子注入層804，806係設置於該基板802上。一主動發光層810係夾設於該等電子注入層804，806以及複數電洞注入層812之間。一N型電極(陰極)808係位於該n-GaN層806上，以及一P型電極(陽極)814係位於該電洞注入層812上。
在該第一實施例中所提供之該電洞注入層812係作為PNP電流散布層816。舉例來說，如第8圖所示，可能為p-GaN/n-GaN/p-GaN單一結構，或是可能為諸如p-GaN/n-GaN/p-GaN/n-GaN/p-GaN重複結構的多重結構。
第17圖所示之一第二實施例包括有一發光二極體(LED)裝置1700。該裝置1700與裝置800相似，但包括有一在該電洞注入層1712之頂端上的ITO層1718。
實施例可透過將該PNP電流散布層816用於該裝置800中以試圖抑制電流集聚效應。鄰近的該等P-GaN層會完全地消耗該薄n-GaN層。如此，會積極地離子化矽摻雜物，使其可作為良好的電洞散布者。
電流散布效應
第8圖以及第17圖顯示該PNP-GaN層816，1716的能帶示意圖。在該PNP-GaN區域中的第一接面F1降低電洞的垂直傳遞，而提高電洞的側向傳遞。如後面內容將要描述者，該N-GaN層在一實施例中可被設計為足夠薄，以使空乏區與擴散長度能夠大於N-GaN層的厚度，致使該崩潰電壓低於該內建電壓。在一實施例中，該N-GaN層也可被設計為足夠厚，以提供充分的電洞阻擋，從而具有高於所需程度的電洞阻障高度。該N-GaN區域的摻雜程度也可同時設計為達成此目標。換句話說，該(等)N-GaN層的厚度以及摻雜程度可設計為滿足全空乏、無載子消耗、及/或能使電流散布之夠高的電洞阻障。
如第9A圖所示，長晶於絕緣基板上之具有側向電流注入電路的InGaN/GaN發光二極體，電流會垂直以及側向運行。如眾所週知的電流集聚效應，由於n-GaN的片電阻(sheet resistance)遠低於p-GaN的片電阻，因此電流傾向流經低電阻的n-GaN層(第9A圖)，使得p-GaN中的電流分布不均勻(亦即I1>I2>I3>I4>.....>In)。若
將PNPNP-GaN使用於發光二極體的結構中，則可抑制前述電流集聚效應。第9B圖描繪具有內嵌PNPNP-GaN等質接面之InGaN/GaN發光二極體的簡化等效電路圖，其中該總電流被區分為垂直電流(J 1 )以及水平電流(J 2 )。總電壓降(total voltage drop)由p-接點、p-GaN、多量子井(MQW)區、n-GaN以及n-接點中的電壓降所組成。以第9B圖之等效電路為基礎，可以獲得方程式(1)(適用於電流路徑1)以及方程式(2)(適用於電流路徑2)。
上述方程式中l表示側向電流路徑長度，l 0為自平台邊緣(mesa edge)至n-接點中心的距離，以及w為條狀p-接點的長度。p-GaN以及n-GaN的厚度分別為t p 以及t n ；ρ p-GaN 以及ρ n-GaN 分別為p-GaN以及n-GaN的電阻；V pn 表示InGaN/GaN發光二極體中之多重量子井的接面電壓降(junction voltage drop)，以及V p-contact 以及V n-contact 分別為穿過p-接點以及n-接點的電壓降。ρ PNP 為在各PNP-GaN接面中由阻障高度引發之特徵界面電阻。N為PNP-GaN接面的總數量，而在我們的裝置中有2個PNP-GaN接面(亦即PNPNP-GaN)，因此N為2(亦即總特徵界面電阻為2×ρ PNP )。
將方程式(1)與方程式(2)予以等化會獲得方程式(3)。不過，l約莫為裝置平台尺寸，其為350μm×350μm，而t p 為p-GaN的厚度數值，約為200nm。由於t p 遠小於l，因此方程式(3)可以簡化為方程式(4)。
方程式(4)顯示N．ρ PNP /ρ p-GaN 的比值較高會有助於提升側向電流(亦即J2)。為了提高N．ρ PNP /ρ p-GaN 的比值，N．ρ PNP 必須增加或者是ρ p-GaN 必須減少。增加p-GaN層的厚度(t p )也是能夠提升側向電流的方式。
第18B圖描繪具有透明電流散布層(亦即ITO)之InGaN/GaN發光二極體的簡化等效電路圖。在內嵌PNPNP-GaN作為電流散布層的例子中，我們將該總電流區分為垂直電流(J 1 )以及水平電流(J 2 )。與沒有透明電流散布層的裝置相似，該總電壓降由p-接點、p-GaN、多量子井(MQW)區、n-GaN以及n-接點中之ITO與鈦/金(Ti/Au)之間的電壓降所組成。以第18B圖之等效電路為基礎，可以獲得方程式(5)(適用於電流路徑1)以及方程式(6)(適用於電流路徑2)。
上述方程式中l表示側向電流路徑長度，l 0為自平台邊緣至n-接點中心的距離，以及w為裝置平台的寬度。t ITO 與w ITO 分別為ITO的厚度以及寬度(在我們的例子中，w為350μm以及w ITO 為330μm)，而ρ ITO 為ITO的電阻。p-GaN以及n-GaN的厚度分別為t p 以及t n ；ρ p-GaN 以及ρ n-GaN 分別為p-GaN以及n-GaN的電阻；V pn 表示InGaN/GaN發光二極體中之多重量子井的接面電壓降，以及V p-contact 以及V n-contact 分別為穿過p-接點(ITO上的鈦/金)以及n-接點的電壓降。ρ PNP 為在各PNP-GaN接面中由阻障高度引發之特徵界面電阻。N為PNP-GaN接面的總數量，而在我們的裝置中有2個PNP-GaN接面(亦即PNPNP-GaN)，因此N為2(亦即總特徵界面電阻為2×ρ PNP )。
將方程式(5)與方程式(6)予以等化會獲得方程式(7)。不過，l、w以及w ITO 約莫為裝置平台尺寸，其為350μm×350μm，而t ITO 為200nm(t ITO 遠小於l)，因此方程式(7)可以簡化為方程式(8)。
方程式(8)顯示N．ρ PNP /ρ TCL 的比值較高會有助於提升側向電流(亦即J2)。因此，為了提高N．ρ PNP /ρ TCL 的比值，N．ρ PNP 必須增加或者是ρ TCL 必須減少。同時，適當地增加p-GaN層的厚度(t p )也能夠改善電流散布效應。
此外，由於摻雜物的擴散，特別是鎂擴散，PNPNP-GaN不會具有非常陡峭的接面。然而，透過適當地增加矽摻雜濃度及/或該n-GaN層的厚度，仍然可以維持PNPNP-GaN的接面。如此，在各個PNP-Ga中可以形成接面阻障(亦即ρ PNP )，且方程式(3)、方程式(4)、方程式(7)以及方程式(8)仍然能夠用來解釋電流散布。同時，該n-GaN摻雜以及n-GaN厚度必須按照如前所述的設計準則，使得n-GaN被完全耗盡，而該逆向接面(reversed junction)F2將不會阻擋任何電流。
裝置製造
一實施例係可使用兩個PNP-GaN接面來製造，例如用於第8圖以及第17圖中之裝置A與B之p-GaN的總厚度為200nm，前述總厚度係排除n-GaN的厚度。然而，依據在n-GaN與p-GaN區域各自的厚度以及摻雜物濃度，更多個PNP-GaN可以被嵌入以及最佳化。
利用愛思強(AIXTRON)之近耦合噴淋頭金屬有機物化學氣相沉積(metal-organic chemical vapour deposition,MOCVD)反應器將兩組InGaN/GaN發光二極體晶圓(亦即第8圖所示之參考發光二極體以及PNPNP-GaN發光二極體)各自長晶於c面圖案化藍寶石基板(c-plane patterned-sapphire substrate)上。三甲基鎵/三乙基鎵/三甲基銦
(TMGa/TEGa/TMIn)以及氨(NH3)分別作為三族源(group-III source)以及五族源(group-V source)。稀釋之雙環茂二烯鎂(Cp2Mg)以及矽甲烷(SiH4)分別作為p型以及n型GaN的摻雜前驅物。前述長晶係自一30nm的低溫GaN緩衝層開始，然後再於1050℃下長一2μm之u-GaN層以及一4μm之n-GaN層(Nd=5×1018cm-3)。在成長之發光二極體磊晶樣品中，該活化層係由井厚度以及阻障厚度分別為3nm以及12nm的五週期In0.15Ga0.75N/GaN多重量子井(MQWs)所組成。該等井以及阻障皆於730℃的相同溫度下生長。該參考發光二極體具有一0.2μm厚的p-GaN層，其電洞濃度為3×1017cm-3。透過均勻地將兩個20nm的n-GaN層(Nd=2×1017cm-3)嵌入p-GaN層中，我們得到具有與參考裝置中之p-GaN層相同厚度的PNPNP-GaN結構(0.067μm/20nm/0.067μm/20nm/0.067μm)。該PNPNP-GaN層皆於1020℃下生長，其溫度低於用以供u-GaN層以及n-GaN層生長的溫度(1050℃)，以抑制源自該InGaN量子井的InN外擴散(out-diffusion)。具體而言，在該PNPNP-GaN結構中之n-GaN以及p-GaN的生長壓力設定為150mbar。在PNPNP-GaN生長過程中的V族源與III族源比例(V/III ratio)(NH3/TMGa)保持在4100。待該磊晶晶圓生長後，我們進行熱退火(thermal annealing)處理以活化p-GaN層的鎂摻雜物。該參考發光二極體以及該PNPNP-GaN發光二極體晶圓的熱退火處理係於充滿氮氣(N2)的環境下在720℃的溫度條件中進行10分鐘。
待該等發光二極體晶圓生長完畢後，四組發光二極體晶粒經由下述標準製造流程予以組裝。該等磊晶晶圓係透過反應式離子
蝕刻(reactive ion etch,RIE)而圖案化成尺寸350μm×350μm的平台。鎳/金膜(10nm/150nm)先沉積作為p-電極，之後該p-接點在大氣壓條件中於515℃下在氧氣(O2)與氮氣(N2)的混合物中退火5分鐘。最後，鈦/金(30nm/150nm)沉積作為n-電極。我們製造了兩組沒有ITO覆蓋層的裝置(亦即沒有ITO的參考發光二極體，以及沒有ITO的PNPNP-GaN發光二極體)。另外兩組製造成具有ITO覆蓋層作為透明電流散布層的裝置(亦即有ITO的參考發光二極體，以及有ITO的PNPNP-GaN發光二極體，顯示於圖式中)。在沉積電極之前，該透明電流散布層(亦即ITO)係被濺鍍並於充滿氮氣(N2)的環境下在500℃的溫度條件中退火120秒。並且，我們在以適當邊界條件(boundary condition)解帕松方程式(Poisson equation)、連續方程式(continuity equation)以及薛丁格方程式(Schrödinger equation)之APSYS模擬軟體中對前述四組裝置進行數值模擬。用於這些模擬中的歐傑複合(Auger recombination)係數為1×10-30cm6s-1，而傳導帶(conduction band)與價帶(valence band)之間的能帶偏移(energy band offset)為70/30。考量到經由產生錯位(dislocation)所致之晶體鬆弛(crystal relaxation)，理論極化電荷假設為40%。其他的參數可於I.Vurgaftman以及J.R.Meyer於2003年發表於J.Appl.Phys期刊第94卷第6期，第3675頁至第3696頁，名稱「Band parameters for nitrogen-containing semiconductors」內容中。前述期刊的內容併入本案以資參照。
如第17圖所示之覆蓋有作為外部透明電流散布層之ITO膜的InGaN/GaN發光二極體(亦即具有ITO覆蓋層之參考發光二
極體以及具有ITO覆蓋層之PNPNP-GaN發光二極體)係利用類似的製程予以製造。200nm厚的ITO膜係被濺鍍於各個裝置上，之後在充滿氮氣的環境下在500℃的溫度條件中退火120秒。在這些裝置中，該等沉積的鈦/金(30nm/150nm)接點係分別作為p-電極以及n-電極。
p-GaN(67nm)的摻雜濃度為3×1017cm-3，而薄n-GaN(20nm)的摻雜濃度為2×1017cm-3。
空乏區
如第8圖以及第17圖所示，該等PNPNP-GaN發光二極體(亦即沒有ITO之PNPNP-GaN發光二極體以及具有ITO之PNPNP-GaN發光二極體)擁有兩層薄n-GaN層(20nm)，係夾設於67nm厚的p-GaN層之間。各該薄n-GaN層在該等介面(亦即F1與F2)處形成兩個接面。當該InGaN/GaN發光二極體為正向偏壓時，F1同樣為順向偏壓(forward biased)，但F2為逆向偏壓(reversely biased)。隨著施加偏壓增加，F1的空乏區會縮減，而F2會擴展其空乏區而越過n-GaN。如此，整個n-GaN層中的空乏區得以被補償，使離子化的矽施體(Si donor)作為電洞散布者。就摻雜濃度為2×1017cm-3的n-GaN與摻雜濃度為3×1017cm-3的p-GaN而言，p-GaN/n-GaN的內建電壓為3.23V(，e為基本電荷，而GaN的n i 為1.9×10-10cm-3)。假定n-GaN與p-GaN具有無限長度，空乏區的總厚度為162.83nm(，GaN的ε r 為8.9，以及ε o 為絕對介電常數)，係由n-GaN以及p-GaN中之分別為97.70nm以及65.13nm的空乏區厚
度所組成。因此，在PNPNP-GaN發光二極體中，厚度僅為20nm之n-GaN層為全空乏。同時，依據同質接面(homojunction)之空乏區中的電荷中性原理，PNP-GaN接面之p-GaN中的實際空乏寬度僅為約13.33nm。
空乏區寬度可大於n-GaN的厚度，因此裝置可獲得降低的順向電壓。或者是，空乏區的寬度可以小於n-GaN的厚度，而可透過外部施加偏壓促進n-GaN的全空乏。然而，此舉可能會導致裝置的順向電壓增高。
舉例來說，在平衡狀態下，該空乏區可介於0nm至178.37nm之間。若p-GaN的載子濃度(NA)能夠理想化地高於n-GaN的載子濃度(ND)，亦即ND遠小於NA，而我們可以假定ND為1×1017cm-3，其係與u-GaN(亦即由氧及/或氮空位(vacancy)非刻意n-摻雜GaN(unintentionally n-doped GaN))的載子濃度相同，則在平衡狀態下，n-GaN之全空乏的厚度必須小於178.37nm。對於其他典型的材料系統而言，該厚度以及該摻雜程度係彼此密切相關，且為必須首先選定者。在平衡狀態下，對於其他任何無氮化物的材料系統而言，該空乏區的厚度可介於0nm至300nm之間。
擴散長度
n-GaN的厚度可小於少量載子的擴散長度，前述少量載子係指本例中的電洞。該擴散長度可能取決於該n-GaN層的摻雜濃度。
該n-GaN中之電洞的擴散長度(L D )可透過使用數學式而獲得(其中D p 為電洞的擴散常數，透過愛
因斯坦關係式而與μ p 相關，而k為波茲曼常數)。此時，當該少量載子(電洞)的遷移率設定為26cm2/Vs，則在摻雜濃度為2×1017cm-3之n-GaN中之該少量載子(電洞)的生命週期假定為0.8ns。μp以及τp可在不同n-GaN摻雜程度下利用電子束引致電流(electron beam induced current,EBIC)來測量，或者是可以使用經驗估計值。如此，電洞的擴散長度計算為約231.9nm，遠大於該PNPNP-GaN發光二極體中之各個PNP-GaN接面中之n-GaN(20nm)的厚度。是以，整個n-GaN區域將不會有任何少量載子(電洞)損失。再次強調，這代表在不需要額外消耗電力的情況下，可改善載子注入(在本例中為電洞注入)。
該少量載子的擴散長度取決於摻雜濃度以及錯位密度(dislocation density)。該錯位密度必須降低以維持長的擴散長度。為了沒有載子損失，該擴散長度可大於該n-GaN的厚度。該擴散長度也可小於該n-GaN的厚度，但是可能會導致少量載子損失。
內建電壓
該逆向偏壓接面(亦即F2)存在有一穿透崩潰電壓，且在本例中該穿透崩潰電壓為0.08V(，W N 為n-GaN的寬度)。值得一提的是，在該p-GaN/n-GaN接面中，該BVRT小於上述所定之內建電壓，並且，此點由留下離子化矽摻雜物作為電洞散布者亦可證實。
因此，待該空乏區擴展至整個n-GaN區域後，高於0.08V之施加偏壓的任何增加將會促使少量載子(在本例中為電洞)自該
順向偏壓接面(F1)注入，使得導電性改善以及電流量提高。此結果在PNP-GaN接面中並沒有顯著的電壓消耗(電力浪費)。相較於第10A圖以及第19A圖所示的傳統發光二極體，如第10B圖以及第19B圖所示，在運作過程中，PNP-GaN發光二極體中的順向偏壓會降低。
該穿透崩潰電壓可小於3.2V。在施加偏壓時，該穿透崩潰電壓會使空乏區擴展至整個n-GaN層。在本例中，電流能夠通過。理想的穿透可在任何施加偏壓程序之前發生，亦即在平衡狀態下，該n-GaN已經為全空乏。
所謂平衡，在本例中，可理解為沒有施加任何外部偏壓。同樣地，所謂非平衡，可為施加偏壓的情況。在一實施例中，該n-GaN可在沒有任何外部偏壓下為完全耗盡；如此，該PNPNP-GaN層中不會有電壓消耗。在另一實施例中，該n-GaN可在施加外部偏壓於該裝置後才完全耗盡，但這可能會造成些許額外的壓降。
阻障高度
為了探究嵌入式PNPNP-GaN的散布電流，如第10B圖以及第19B圖所示，我們顯示根據施加偏壓而得之電流曲線。在低順向電壓狀態下(第10B圖以及第19B圖中的0至3V)，在第10B圖中，相對於沒有ITO膜的參考發光二極體，沒有ITO覆蓋層的PNPNP-GaN發光二極體展現出較低的漏電流(leakage current)，而相同的結果也顯示於第19B圖中，具有ITO覆蓋層之PNPNP-GaN發光二極體相對於具有ITO之參考發光二極體之情形。由於該等參考發光二極體(亦即沒有ITO以及具有ITO的參考發光二極體)以及該等
PNPNP-GaN發光二極體(亦即沒有ITO以及具有ITO的PNPNP-GaN發光二極體)之(102)與(002)X-ray繞射圖譜的半高寬(full-width at half-maximum,FWHM)皆分別為約213.5與216.0arcsec，因此該等參考發光二極體以及該等PNPNP-GaN發光二極體具有相似的晶體品質(crystal quality)。因此，PNPNP-GaN發光二極體中之漏電流能被抑制係由於接面阻障高度的增加。由於該等PNPNP-GaN接面被嵌入此種具有多重異質接面(heterojunction)的InGaN/GaN發光二極體中，因而難以得到適合PNPNP-GaN的阻障高度。在此，我們透過下列數學式計算有效的總阻障高度，
其中Ø B 為LED裝置內的總阻障高度，以及n為二極體的理想因子(ideality factor)。計算出沒有ITO之參考發光二極體以及沒有ITO之PNPNP-GaN發光二極體的Ø B 分別為1.10V以及1.31V。結果清楚顯示，當PNPNP-GaN整合於p-型層時可獲得較高的總阻障高度。沒有ITO之參考發光二極體以及沒有ITO之PNPNP-GaN發光二極體的理想因子分別為5.32以及4.19。PNPNP-GaN發光二極體中改善的電流散布是理想因子降低的原因。此外，由於沒有ITO之PNPNP-GaN發光二極體中改善的電流散布效應，當施壓偏壓高於3V時，相較於沒有ITO之參考發光二極體，沒有ITO之PNPNP-GaN發光二極體的電氣性能有所改善。同理，有ITO之參考發光二極體以及有ITO之PNPNP-GaN發光二極體的Ø B 分別為1.33V以及1.44V。更
且，有ITO之參考發光二極體以及有ITO之PNPNP-GaN發光二極體的理想因子分別為6.52以及4.51。我們也觀察到有ITO之PNPNP-GaN發光二極體中的總能障高度(energy barrier height)增加，其同時使理想因子降低並使電氣特性改善，此係相較於具有ITO之參考發光二極體而言。這些現象皆歸因於透過結合使用PNPNP-GaN同質接面所致之改善的電流散布效應。
該等參考發光二極體(亦即沒有以及具有ITO之參考發光二極體)以及該等PNPNP-GaN發光二極體(亦即沒有以及具有ITO之PNPNP-GaN發光二極體)的能帶圖分別顯示於第16A圖以及第25A圖。依據第16A圖，當參考發光二極體中之電洞傳遞通過p-GaN時，該等電洞不會經歷阻障。相反地，就PNPNP-GaN發光二極體而言，第16B圖以及第25B圖中顯示兩個由n-GaN層中之離子化矽摻雜物造成的電洞能障1600，2500。在電洞能障的幫助下，電洞散布被提高，而能減緩InGaN/GaN發光二極體中的電洞集聚效應，並使側向電洞傳遞能夠改善。
舉例來說，該能障高度可能大於0.005eV。一方面，理想的能障高度能夠有效地散布電流(因此，n-GaN層不能太薄)，而另一方面，理想的能障高度又不能增高順向電壓(n-GaN層不能太厚)。前述的理想能障高度取決於應用；例如n-GaN已經完全耗盡，而在施加任何偏壓之前發生穿透。
然而，並無單一解決方法來處理能障高度、穿透崩潰電壓等。該等參數係相互關連，且係依據各種應用的必要條件而設計。
最重要的條件可為在施加任何偏壓之前n-GaN已經完全耗盡。而摻雜程度及/或厚度可相應地設計。
如第13、14、22以及23圖所示，相較於習用的發光二極體，PNP-GaN發光二極體可以實現增加的光功率以及外部量子效率(EQE)。第11A、11B、20A以及20B圖所示之發射光譜圖亦顯示PNP-GaN發光二極體的優勢超越習用發光二極體。除此之外，由於電流集聚所致之局部熱能也嚴重的影響發光二極體的運作及其使用壽命。然而，若將PNP-GaN嵌入InGaN/GaN發光二極體中，則能顯著地降低前述局部熱能。第12圖顯示PNP-GaN發光二極體中的載子溫度低於參考發光二極體，並且，如第21圖所示，若加入該透明電流散布層則可進一步降低該載子溫度。
沒有與具有ITO之參考發光二極體，以及沒有與具有ITO之PNPNP-GaN發光二極體的電致發光光譜圖(第11A、11B、20A以及20B圖)係於注入電流為10、20、30、40以及50mA的條件下獲得。第11A圖以及第11B圖顯示之沒有ITO之參考發光二極體以及沒有ITO之PNPNP-GaN發光二極體的電致發光光譜圖，在注入電流增加時皆顯示紅移(red shift)，此係由於測試過程中漸增的接面溫度所致。然而，第20A圖以及第20B圖中之具有ITO之參考發光二極體以及具有ITO之PNPNP-GaN發光二極體的電致發光光譜並沒有那麼明顯的紅移，其係歸因於ITO結合後顯著地改善電流散布情形，而抑制了由電流集聚所致的高局部熱能。我們也可以看到沒有與具有ITO之PNPNP-GaN發光二極體的電致發光強度都比沒有與具有ITO之參考
發光二極體還要高。我們也測量了完整的光輸出功率與外部量子效率(EQE)(第14圖以及第23圖)，其係與四組研究裝置的模擬結果(第13圖以及第22圖)相互比較。在實驗以及模擬之沒有以及具有ITO之PNPNP-GaN發光二極體中，其光輸出功率與外部量子效率都有所改善。相較於第14圖中之沒有ITO之參考發光二極體，沒有ITO之PNPNP-GaN發光二極體在20mA以及100mA時分別顯現出10.19%以及12.16%的功率增加，而相較於具有ITO之參考發光二極體，第23圖中之具有ITO之PNPNP-GaN發光二極體在20mA以及100mA時分別顯現出16.98%以及14.37%的功率增加。沒有以及具有ITO之PNPNP-GaN發光二極體之裝置效能的改善，係歸因於電流集聚效應的降低。這也抑制了高局部載子濃度，導致多重量子井中之非輻射歐傑複合(Auger recombination)降低。
如第15A圖以及第15B圖所示，PNP-GaN發光二極體係獲得自平台邊緣(mesa edge)距離50μm時測得之較高的電洞濃度以及輻射複合速率，此係適用於第24A圖以及第24B圖所示之使用PNP-GaN電流散布層與透明電流散布層的發光二極體。
相較於第1圖所示之使用重摻雜層且非常容易因產生錯位(dislocation)而損壞之發光二極體，本發明第一與第二實施例可維持優異的晶體品質(crystal quality)。同時，該PNP電流散布層可直接地藉由金屬有機物化學氣相沉積法(MOCVD)形成，免除第2圖、第5A圖以及第5B圖所示之額外的後成長處理。此外，若我們結合PNP半導體材料而非如第3圖所示使用未摻雜區域，則能障高度對於較佳的
電流散布效應而言是更為重要的。如同上文已述及者，PNP區域不會消耗電壓，與第4圖所示需要較大偏壓以產生用於帶間穿隧(interband tunneling)的強電場不同。最後，N型半導體材料與P型半導體材料(例如N-GaN以及P-GaN)可具有相似的成長過程，因此兩層之間不會有晶格不匹配(lattice mismatch)的問題，因此，縱使為了更好的電流散布效應而有多個PNP生長週期，仍然能夠輕易地維持其優異的晶體品質，並且，相較於第6圖以及第7圖的技術，本發明的長晶費用更省。
商業應用
總括而言，實施的例子並不局限於InGaN/GaN發光二極體，而是涵蓋所有種類的半導體發光二極體。在降低電力消耗的條件下，一個或多個實施例可實現增高的光輸出功率以及外部量子效率。換句話說，本發明可實現改善的發光效率(單位為流明每瓦(unit in lumens per watt))以及降低每一單位光束的成本(單位為元每流明(unit in $/lumens))。在改善的光輸出功率以及發光效率的重點上，一個或是多個實施例還可降低由電流集聚所致的局部熱能，而有助於高功率發光二極體的運作，以及能夠降低運作過程中由於發光二極體局部熱能所致的失敗率。實施例可應用於光電子產業，特別是諸如GaAs、GaP以及以GaN為基礎之發光二極體的應用。
雖然本發明透過上述實施例詳細說明，然而對本技術領域的讀者而言，各種在本發明範圍內的變化皆俱屬本發明之範疇。
800‧‧‧裝置
802‧‧‧基板
804，806‧‧‧電子注入層(n-GaN層)
808‧‧‧N型電極(陰極)
810‧‧‧主動發光層
812‧‧‧電洞注入層
814‧‧‧P型電極(陽極)
816‧‧‧電流散布層(PNP-GaN層)
Claims (26)
- 一種發光裝置，包含有：具有一第一P摻雜層、一第一N摻雜層以及一第二P摻雜層之複數個電流散布層；其中該N摻雜層具有一用以形成實質空乏或是完全空乏的摻雜程度以及厚度。
- 如請求項1所述之發光裝置，其中在平衡的條件下，該等電流散布層中之一空乏區的厚度為0nm至300nm之間。
- 如請求項2所述之發光裝置，其中在平衡的條件下，該空乏區的厚度為0nm至178.37nm之間。
- 如請求項2或3所述之發光裝置，其中在平衡或非平衡的條件下，該N摻雜層之厚度小於該空乏區的厚度。
- 如請求項4所述之發光裝置，其中該N摻雜層的厚度大於1nm。
- 如前述請求項中任一請求項所述之發光裝置，其中該第一N摻雜層之一內建電壓高於一穿透崩潰電壓。
- 如請求項6所述之發光裝置，其中該內建電壓為約3.2V，以及該穿透崩潰電壓為約0.08V。
- 如前述請求項中任一請求項所述之發光裝置，其中，一擴散距離係依據予以決定，其中D p 為電洞的擴散常數，透過愛因斯坦關係式而與μ p 相關，以及k為波茲曼常數。
- 如前述請求項中任一請求項所述之發光裝置，其中一阻障高度高於0.005eV。
- 如前述請求項中任一請求項所述之發光裝置，其中一理想因子為1至7。
- 如前述請求項中任一請求項所述之發光裝置，其中當該N摻雜層為實質空乏或是完全空乏時，該N摻雜層中的摻雜物被配置為會離子化且作為電洞散布者。
- 如前述請求項中任一請求項所述之發光裝置，更包含有一主動層以及一電子注入層，其中該等電子散布層被配置為與該主動層及/或該電子注入層晶格匹配。
- 如前述請求項中任一請求項所述之發光裝置，其中各該電流散布層包括有由GaN、InGaN、AlInGaN、AlInGaPAsSb、ZnO、CdSe及其組合所構成之族群中選出的一種半導體材料。
- 如前述請求項中任一請求項所述之發光裝置，其中該等P摻雜層摻雜有由鈹(Be)、鎂(Mg)、鋅(Zn)、磷(P)、氮(N)、砷(As)、銻(Sb)及其組合所構成之族群中選出的一種材料。
- 如前述請求項中任一請求項所述之發光裝置，其中該第一N摻雜層摻雜有由矽(Si)、鍺(Ge)、氧(O)、鎵(Ga)、鋁(Al)及其組合所構成之族群中選出的一種材料。
- 如前述請求項中任一請求項所述之發光裝置，其中該等P摻雜層的鎂摻雜程度高於一本質載子濃度，以及該第一N摻雜層的矽摻雜程度高於一本質載子濃度。
- 如前述請求項中任一請求項所述之發光裝置，更包含有一位於該等電流散布層上之透明電流散布層，該透明電流散布層係選自由銦 錫氧化物(ITO)、鎵摻雜氧化鋅(GZO)、鋁摻雜氧化鋅(AZO)、氟錫氧化物(FTO)、石墨烯及其組合所構成之族群。
- 如前述請求項中任一請求項所述之發光裝置，更包含有一位於該等電流散布層上之半透明電流散布層，該半透明電流散布層包含有鎳/金合金。
- 如前述請求項中任一請求項所述之發光裝置，其中該等電流散布層更具有一第二N摻雜層以及一第三P摻雜層。
- 如請求項19所述之發光裝置，更包含有複數個另外的N摻雜層以及P摻雜層。
- 如前述請求項中任一請求項所述之發光裝置，其中該N摻雜層被配置為完全空乏、少量載子擴散長度較n型層的厚度短、以及用於n型層之穿透崩潰電壓被配置為由一外部施加偏壓所提供。
- 一種發光裝置的製造方法，包含有下列步驟：鄰近一主動層或在一主動層上，以磊晶方式沉積一第一P型電流散布層；鄰近該第一P型電流散布層或在該第一P型電流散布層上，以磊晶方式沉積一第一N型電流散布層；鄰近該第一N型電流散布層或在該第一N型電流散布層上，以磊晶方式沉積一第二P型電流散布層；以及活化該第一以及第二P型電流散布層中的摻雜物。
- 如請求項21所述之發光裝置的製造方法，其中該磊晶方式沉積包括金屬有機物化學氣相沉積法(MOCVD)、分子束磊晶法(MBE)、氫 化物氣相磊晶法(HVPE)、相位鎖定磊晶法(PLE)以及任何前述長晶方法之組合。
- 如請求項21所述之發光裝置的製造方法，其中沉積該第一與第二P型電流散布層以及該第一N型電流散布層係在一低於沉積一電子注入層之溫度的溫度下進行。
- 如請求項21所述之發光裝置的製造方法，其中沉積該第一與第二P型電流散布層以及該第一N型電流散布層係在一等於或高於沉積一電子注入層之溫度的溫度下進行。
- 一種發光二極體，包含有：一PNP半導體材料電流散布層，其中一N型半導體係配置為完全空乏或是實質空乏，使離子化之矽原子作為電流散布者，其中當該N型材料的厚度小於少量載子的擴散長度時，該PNP層不會消耗少量載子，以及其中在該PNP層中之一耗盡電壓超過一穿透崩潰電壓，藉以降低該PNP層中的電壓損耗。
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