201135972 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種發光二極體，特別是與一種氮化鎵系 發光二極體有關，以導入一埋入式能障，來提升電流於其中 之擴散效應。 /、 【先前技術】 相較於一般燈泡’發光二極體（Light Emitting Di〇de， LED)具有更加輕量化、壽命長、省電、切換速度快、單色 性及可靠度轉優點’所以發光二極體早已成為日常生活中 不可或缺的光電元件。近年來由於材料科技的突艇進，使 得發光二極體的亮度不斷升高、多彩化及價格降低，故使得 其應用領域也絲愈廣。其巾，魏化鎵（GaN)為主要製 造材料的藍光二極體不過問世幾年，現在已成為固態照明 (S〇lid-State lighting，SSL)建造中的重要元件，更是下世代照明 的主要元件。 發光二極體之發光的基本原理，說明如下：在半導體材 料中’電流順向流入半導體材料中p_n接面時，電子與電洞 於-適當條件下結合會產生光子。依材料的不同，電子和電 洞所具有的能階也不同’其相對能階高度差即是決定電子盘 電洞結合所發出能量的高低，因而產生具有不同能量之;^ 子’猎此可以控制發光二極體所發出光的波長，也就是光譜 或顏色。 發光二極體另可區分兩類：水平式發光二極體及垂直式 發光-極體。其中’水平式發光二極體由於其結構特性，相 較於垂直式發光二歸’使得電流於其中無法纽擴散，導 201135972 此=幻限制’並且其操作壽命以及其飽和電流降低。 佈不均白，之水平式發光二極體在大電流操作下’其電流散 力不足Τ’亚且低濕度環境下易產生靜電聚焦，其抗靜電能 盆轉Ξ此，如何改善發光二極體之電流擴散能力，並且提升 電防_力，是本技術領域亟欲解決之問題。 【發明内容】 t日月之—目的係在於提供一 n型摻雜層在介面處形成 ，处成電場，藉此料電流在此 特徵中m的-其步他的目了t優點可以從本發明所揭露的技術 ，達上述之-或部份或全部目的或是其他目的，本發明 一緩衝層 P型層 ίΓΙί例的—種發光二極體，由下而上依序成長：一基板、 —η型層、—多重量子井層、1型摻雜層、- Μ _透明導電層及一電極，其中電極成長於透明導電 層及η型層之上。 相較於習知，本發明實施例藉由於多重量子井層_型 層中加入一 η型摻雜層，因此生成一埋入式ρ-η接面，、以誘 發内建電場，対克職糾阻塞在最短導祕徑之問題， 並可提升發光二極||之光電效能。此埋入式㈣接面所誘發 的内建電场可以有效分散過於集中的電流路徑，降低電流擁 «crowding)效應，以及降低發光二極體之寄生電阻值，使得 電流擴散效能上升、導職壓下降，並且抗靜電放電能力優 化。此外，當本發萄作在正向偏壓時，具有較為均勾的電 201135972 流擴散(spreading)效應。 【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 下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的 呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、卢、 右、前或後等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方 向用語是用來說明並非用來限制本發明。
請參照第-®，其係為本發明實施例之—種發光二極體 100之結構圖。發光二極體100之半導體層成長於一基板1〇1 上，其半導體層由下而上依序包括：一緩衝層1〇2、一 η型 層103、-多重量子井層1〇4、- η型掺雜層1〇5、一 ρ型層 觸、一透明導電層1〇7及-電極1〇8。其中，基板1〇1之二 料為半絕緣型氧化鋁(Α12〇3)。 , 們用鱼屬有機氣相化學沈積法（Metal
Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD )或分子束磊晶 法（_咖^纖__)成長於基板1〇1上，其中，緩^ 層1〇2之材料為未摻雜型氮化鎵(⑽)，並且其膜層之厚度範 圍為0.1 _錢⑽。在一較佳實施例中，緩衝層搬之膜 層厚度為500nm。 、 ^層103利用金屬有機氣相化學沈積法或分子束蟲晶 =長於緩衝層搬上，其中，n型層係為一 n型氮化 1並且摻元素於其中’其電子载子濃度約為MW 編且其厚度範圍約為。在 較佳貧施例中，η型層1〇3之膜層厚度為。 201135972 多重量子井層104利用金屬有機氣相化學沈積法或分子 束蟲晶法成長於1^層朋上，其中，多重量子井層1〇4由 複數量子井結構所堆疊而成，每—量子井結構包括:氮化錄 (GaN)層及-氮化銦鎵(InxGaixN)層，這些量子井結構之數量 ，為2至5G，並且其x值範圍約為請至〇 25。此外，多重 量子井層104 +每-氮化鎵層之厚度範圍約$ 1〇 至 腹’並骑-統之摻雜元素騎，且其摻雜濃度範圍 =為lxl016cm·3至lxl0i9cm-3，以及每一氮化麵錄層之厚度 範圍約為1 nm至5 nm。在-較佳實施例t，多重量子井層 104包括15個重複堆疊之砍摻雜氮化鎵/氮化錮蘇 之量子井結構，其摻雜濃度為lxlG]W，並且每一氮化録 層之厚度為12nm，以及每-氮化銦鎵層之厚度為3腹。 η型摻雜層105利用金屬有機氣相化學沈積法，原子層沉積技術(Atomic Layer Deposition，ALD)，或分子束磊晶法 成長於多重量子井層104之上，其中，„型捧雜層1〇5之材 料為氮化銦鎵(ΙηΑ·χΝ)或氮化鎵，並且氮化鋼鎵之χ值範圍 約為0.01至0.3。此外’ η型摻雜層105之電子载子濃度約為 1x10 cm3至lxl〇19cm3 ’以及其厚度範圍約為丨⑽至1〇〇 nm。在一較佳實施例中，n型摻雜層1〇5之電子載子濃度為 lxl019cm·3，以及其厚度為5 nm。 P型層106利用金屬有機氣相化學沈積法或分子束磊晶 法成長於η型摻雜層105上，並且於蟲晶成長過程中，其載 子之活化溫度約為300°C至l〇〇(TC。其中，ρ型層之材^係 為一摻雜型氮化鎵，其電洞載子濃度之範圍約為1χ1〇16 cm·3 至1x10 8 cm3 ’以及其厚度範圍約為微米至1微米，並 201135972 且其換雜元素為鎖(Mg)或鋅(Zn)。在一較佳實施例中，p型層 106之電洞載子濃度為4xl〇17cm_3，並且其厚度為〇.3/zm。 透明導電層107利用熱蒸鍵法(thermal evaporating)、賤 鏡法(sputtering)或電子束蒸鑛法(E-beam evaporating)成長於p 型層106上’並且於成長過程中包含一合金化過程，其合金 溫度約為50°C至500。(：。其中，透明導電層1〇7之材料係為 金屬薄膜或其氧化物，並且其電阻率範圍係為l〇_8Q_cm至 10'1 Ω-cm。在一較佳實施例中’透明導電層107之電子載子 濃度為4xl〇2Qcm_3，並且其厚度為250nm。 在一較佳實施例中’更包括一覆蓋鈍化層(未圖示）。透 明絕緣型覆蓋鈍化層利用電漿辅助化學氣相沉積 (Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)、低壓 化學氣相沉積(Low-Pressure Chemical Vapor Deposition， LPCVD)、電子束蒸鍍法或濺鍍法成長於透明導電層，以避 免長^•間之氧化效應。其中，覆蓋鈍化層之材料係為氧化辞 (ZnO)、二氧化矽(Si〇2)或氮化矽⑦^凡^，並且其厚度範圍介 於10nm至500nm之間。 電極108利用熱4鑛法、濺錢法或電子束蒸錢法披覆於 j層103與透明導電層1〇7之上，並且於成長過程中包含 一高溫退火過程’其退火溫度範圍介於50°C至60(TC之間。 =中，屯極108係為一歐姆接觸電極，電極1〇8包括一 p型 包極及一 n型電極’P型電極成長於透明導電層1G7，以及n ㈣1G3之上。_極由鉻、鉬與金所組 、之厚度fc圍約為lrm^100nm，麵之厚度範圍約 ’’、、扭11至30〇nm，以及金之厚度範圍約為1〇〇 nm至 201135972 3000nm。n型賴祕、倾麵組成，或是由鈦與金所組 成’其中，若η型電極由鉻、鉬與金所組成，鉻之範 約為-至論m，紅厚度範圍約為伽m至3Q(J= 及金之厚度範圍約為職m至3_麵；若η型電極由欽愈 金所組成，鈦之厚度範圍約為lnm至1〇〇nm，以及金咖 範圍約為l〇〇nm至3〇〇〇nm。 又 明參照第二圖’係為本發明實施例之一種發光二極體 ⑽之部份放大_建電場E之示意圖。由於多重量子井層 104與p型層1()6中具有n型摻雜層1〇5，於是發光二極體 獅中生成一埋入式p_n接面。將發光二極體1〇〇操作於正向 導通電塵下，其P_n接面之間會誘發喊電場E，能夠有效 分散過於集中的電流丨之路徑，使得㈣二極體丨⑽具有較 大面積的K擴散範圍，來降低電流擁撥效應。 如第二圖所不，係為本發明實施例之一種發光二極體 100與習知比較之正向電流_電壓曲線圖。其中，曲線A代表 發光二極體100中η型摻雜層1〇5為氮化鎵之正向電流-電壓 1測結果，曲線Β代表發光二極體1〇〇中η型摻雜層1〇5為 氮化銦鎵(InxGaNxN)之正向電流_電壓量測結果，以及曲線c 代表習知之發光二極體之正向電流_電壓量測結果。若定義正 向導通偏壓Vf為電流於2〇 mA時之電壓值，則曲線a所對 應之正向導通偏壓VfA為3.Π V，曲線B所對應之正向導通 偏壓VfB為3.35 V，以及曲線c所對應之正向導通偏壓 為3.48 V，則可知VfA < vffi < VfC。此外，由第二圖中可知本 發明實施例之發光二極體1〇〇之擴散電流在發光面上分佈十 分均勻，因此，具有較小的寄生電阻效應，使得其串聯寄生 201135972 電阻降低’以得到較小的正向導ϋ偏壓vfA及VfB。 一經=計算，可由第三圖得到第四圖，係為本發明實施例 之-，發光=靖⑽與習知比較之錢_電流線性圖。其 中藉由σ十算二條線性趨近線之斜率，可得到不同的發光二 極體之串聯寄生電阻計算值：曲線Α代表發光二極體^中 =型/參雜層1G5為氮化鎵之電壓電流線性結果，其寄生電阻 十^為15.2Ώ，曲線B代表發光二極體1〇〇中n型摻雜層1〇5 ，氮化銦鎵(InxGalxN)之電壓_電流線性結果’其寄生電阻計 =為18.9Ω ;以及，曲線c代表習知之發光二極體之電壓_ 電流線性結果’其寄生電阻計算為31.5Ω。由第三圖及第四 圖可證實本發明實施例之-種發光二極體1GG巾具有反向之 内建電場E，能有效降低發光二極體1〇〇中串聯寄生電阻效 應，使得發光二極體100具有寬廣且均勻的發光面積。 參照第五圖，係為本發明實施例之一種發光二極體1〇〇 之局部能帶圖。其中，多重量子井層104之能帶係由一重複 性之氮化鎵層之大能隙l〇4a及氮化銦鎵層之小能隙1〇牝所 堆疊組成，並且CB代表傳導帶，Y3代表價電帶。由於多重 里子井層104與p型層1〇6中具有^型摻雜層1〇5，於是發 光二極體100中所生成ρ_η接面，將誘發内建電場Ε，此内 建電場Ε所導入之能障會侷限電子e與電洞h之移動。對於 傳輸之自由載子：電子e與電洞h，埋入式p_n接面所誘發之 内建電場E在局部所造成的能障會阻擔住電流之最短導通路 徑。例如，當電洞h注入此埋入式p_n接面時，電洞h必須 先跨越内建電場E所造成之能障，使能進入埋入式p-n接面， 進而與電子e結合放出光子。因此，電洞h在埋入式p_n接 201135972 面會傾向水平式擴散而注入到多重量子井層104，而非直接 跨越p-n接面，因此將提升氮化鎵發光二極體1〇〇之電流擴 散能力。 如第六圖所示，係為本發明實施例之一種發光二極體 刚與習知比較之機器模式(Machine m〇(iel)下元件存活率 (pass yield)-輸入電壓之對照關係曲線圖，也是靜電放電 (Electrostatic discharge)測試結果之示意圖。其中，曲線a代 表發光二極體100中η型摻雜層1()5為氮化鎵之測試結果， 曲線Β代表發光二極體1〇〇巾η型_層1〇5為氮化姻鎵 (InxGai-xN)之測試結果，以及曲線c代表習知之發光二極體 之測試結果。測試時，加人—正向紐衝擊於發光二極體之 陽極，並將陰極接地。 由第六圖可知’當齡—正向偏壓5QQV時，可分別得 到發光二極體100中η型接雜層1〇5為氮化鎵之元件存活率 為100〇/〇，發光二極體100中η型摻雜層1〇5為氮化鋼錄 (ΙηΑχΝ)之元件存鮮為542%，以及f知之發光二極體 之凡件存活率為〇 %。由測試結果圖可知，由於發光二極體 1〇〇之電流分散效應的提升，使得本發明在_靜電放電後 因此’埋入式㈣接面所誘發之内 建電％可〜㈣加％流’以降低於靜電 體100所受到的熱載子(hotcarrier)破壞性。 先一桎 建電場，鼠，上財_/；^：；=生成，以誘發内 201135972 擁擠效應 、有效分散發光二極體100中電流路徑，來降低 電流 一、降低發光二極體1〇〇之寄生電阻值，使得電流 效能上升。 擴散 三、由於發光二極體1〇〇之寄生電阻值下降，使 偏壓減少。 通
四、由於發光二極體1〇〇之施加電流被有效分散，使 其抗靜電放電能力優化。·,當本發明操作在正向偏壓時，更具有較均勾的 流擴散效應。 惟=上_者，縣本發日狀錄實侧㈣，當不能 以it限疋本發明實狀範圍，即大凡 及發明說咖雜狀辟料效龜雜 用來限制本發明之權利範圍。过件技哥之用’亚非 【圖式簡單說明】 =一圖，係為本發明實施例之—種發光二極體之結構圖。 弟-圖’係為本發明實施例之 大的内建電場之示意圖。 么先-桎體之晶放 較之Si本發明實施例之一種發光二極體與習知比 平乂 &止向電流-電壓曲線圖。 第四圖，係為本㈣實施例之—種發光二極體與習知比 電 201135972 較之電壓-電流線性圖。 第五圖，係為本發明實施例之一種發光二極體之局部能 帶圖。 第六圖所示，係為本發明實施例之一種發光二極體與習 知比較之機器模式下元件存活率-輸入電壓之對照關係曲線 圖。 【主要元件符號說明】 100 :發光二極體 101 :基板 102 :緩衝層 103 : η型層 104 :多重量子井層 104a :氮化鎵層 104b :氮化銦鎵層 105: η型掺雜層 φ 106 : ρ型層 107 :透明導電層 108 :電極 A，B,C :曲線 E :内建電場 e :電子 h :電洞 12 201135972
i:電流
VfA，VfB，Vfc .導通偏麼 CB :傳導帶 VB :價電帶 p-n :接面 13