发光二极管结构

摘要

本发明涉及一种发光二极管结构，用以增加电流的扩散程度，改善发光效率；所述发光二极管结构于N型半导体层之间再添加一N型电流扩散层，用以使流经N型半导体层的电流均匀分布；其中，N型电流扩散层包含三层以上的子层，其通式为InxAlyGa(1-x-y)N(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1)，并自基板侧朝发光层侧依次由低能隙层叠至高能隙。

权利要求

1.一种发光二极管结构，其特征在于，其包含：

一基板(21)；

一N型半导体层(22)，形成于所述基板(21)上；

一发光层(24)，形成于所述N型半导体层(22)上；

一P型半导体层(25)，形成于所述发光层(24)上；

一电极(28)，设于所述N型半导体层(22)的一外露平面(220)上，与所述外露平面(220)形成一接面；

其中，所述N型半导体层(22)于所述接面之上还包含至少一个N型电流扩散层(23)，用以使流经N型半导体层(22)的电流均匀分布；所述N型电流扩散层(23)包含三层以上的子层，所述子层的通式为InxAlyGa(1-x-y)N (0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1)，并自所述基板(21)侧朝所述发光层(24)侧依次由低能隙层叠至高能隙。

2.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其特征在于，所述N型电流扩散层(23)包含三个子层，所述子层自低能隙层叠至高能隙分别为一氮化铟镓层(231)、一氮化镓层(232)以及一氮化铝镓层(233)。

3.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其特征在于，所述N型电流扩散层(23)为一硅掺杂结构。

4.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其特征在于，所述N型电流扩散层(23)为一无掺杂结构。

5.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其特征在于，所述N型电流扩散层(23)的厚度介于1nm至200nm之间。

6.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其特征在于，所述发光二极管结构还包含一缓冲层(29)，所述缓冲层形成于所述基板(21)与所述N型半导体层(22)之间。

7.根据权利要求6所述的发光二极管结构，其特征在于，所述缓冲层(29)的厚度介于

1nm至200nm之间。

8.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其特征在于，所述基板(21)的材质可选自由氧化铝、氮化铝、氮化镓、氧化镁、氧化锌、碳化硅、硅、氧化锂镓以及氧化铝锂所组成的群组中的任一种。

说明书

发光二极管结构

技术领域

[0001] 本发明涉及一种发光二极管(light-emitting diode，LED)结构，尤其涉及一种能增加电流分布能力的发光二极管结构。

背景技术

[0002] 发光二极管(Light Emitting Diode，LED)具有发光效率高、寿命长、体积小、低耗电以及色彩表现佳等许多优点，因此在讲求环保节能的诉求下，大量地替代现有的发光光源。自1993年日本提出的氮化镓基发光二极管产生重大突破后，全球掀起了氮化镓基发光二极管的研究风潮。

[0003] 已知的发光二极管结构10如图1所示，其包含一基板11、一N型半导体层12、一发光层13(或称为活性层(active layer))、一P型半导体层14、一P型电流扩散层15(current spreading layer)、一第一电极16以及一第二电极17；其中，该N型半导体层
12形成于基板11上，该发光层13形成于N型半导体层12上，该P型半导体层14形成于发光层13上，该P型电流扩散层15形成于该P型半导体层14上；该第一电极16形成于P型电流扩散层15上，该第二电极17则形成于该N型半导体层12上的外露平面上。该N型半导体层12例如为一N型氮化镓(GaN)层，该P型半导体层14例如为一P型氮化镓层，该发光层13例如为一氮化铟镓(InGaN)层。

[0004] 由于平面式或大面积的发光二极管在第一电极16与P型半导体层14之间的片电阻值(sheet resistance)较大，容易发生电流拥挤(current crowding)现象，因此可通过加入P型电流扩散层15改善电流拥挤现象并同时提升发光效率。

[0005] 传统的发光二极管是采用镍金或铬金合金做为P型电流扩散层15，由此提升电流分布的均匀性。但是，镍金或铬金合金材质的P型电流扩散层15透光性不佳，必须限制其厚度介于数百 以获得较佳的透光效果。然而，过薄的厚度不易形成致密稳定的薄膜，因此难以在均匀分散电流和透光要求下取得平衡。

[0006] 近几年来，逐渐以透明导电氧化物(transparent conductive oxide，TCO)薄膜取代上述金属合金薄膜作为P型电流扩散层15，以便改善透光的问题。然而，透明导电氧化物的透光率虽可达90％以上，但仍有与P型半导体层14奥姆接触不佳的问题，导致容易产生电流拥挤现象(current crowding)，降低整体的出光效率。改善上述奥姆接触不佳的已知技术甚多，例如中国台湾专利第579608号的“发光组件形成电极的方法与结构”，其是于P型氮化镓半导体层上先形成金属或金属合金材质的奥姆接触点，再于其上形成透光氧化物薄膜；或如中国台湾专利第I240443号的“发光二极管及其制造方法”，其是于P型氮化镓半导体层上先形成一超晶格应力接触层，而后再形成透明导电层。

[0007] 高电流注入下的均匀电流分布，一直都是高功率、大面积氮化镓发光二极管以及固态照明技术的发展重点。但是，P型电流扩散层15虽改善了P型半导体层14区域的电流拥挤现象并降低该区域的片电阻值，但对于大面积及高电流注入的发光二极管来说，电流拥挤现象会转移至N型半导体层12区域。由于高电流注入时发生的电流拥塞现象会剧烈地影响发光层13的发光效率，同时造成组件局部区域过热，如此会降低发光二极管组件的内部量子效率，导致发光效率不佳。

发明内容

[0008] 因此，本发明的目的在于解决上述问题，进而提出一种能提升N型区域电流扩散效果，降低N型区域片电阻值的发光二极管结构。

[0009] 为了达成前述目的，本发明于N型半导体层之间再添加一N型电流扩散层，用以使流经N型半导体层的电流均匀分布。本发明提出的发光二极管结构包含：一基板、一N型半导体层、一发光层、一P型半导体层以及至少一个N型电流扩散层。其中，该N型半导体层形成于该基板上，发光层形成于该N型半导体层上，P型半导体层形成于该发光层上；该N型电流扩散层则包含三层以上的子层，这些子层的通式为InxAlyGa(1-x-y)N(0≤x≤1，
0≤y≤1，0≤x+y≤1)，并自该基板侧朝该发光层侧依次由低能隙层叠至高能隙。

[0010] 通过N型电流扩散层提供较高的电子浓度，可有效提升电流的均匀分布并降低片电阻值；同时地，通过本发明也可降低发光二极管的操作电压，且提升其发光效率。有关本发明的详细技术内容及较佳实施例，配合图式说明如下。

附图说明

[0011] 结合图式描述本发明的实施方式：

[0012] 图1为已知发光二极管的结构示意图；

[0013] 图2为本发明一实施例的结构示意图；

[0014] 图3为本发明另一实施例的结构示意图；

[0015] 图4-1与图4-2为本发明对照已知结构的实验比较图；及

[0016] 图5为本发明另一实施例的结构示意图。

具体实施方式

[0017] 本发明的发光二极管结构是于N型半导体层间再形成至少一个N型电流扩散层，由此增加电流于N型半导体层的侧向均匀分布，使其拥有较高的电子浓度与较低的片电阻。然而，需说明的是，本发明中“N型电流扩散层”与“P型电流扩散层”词汇中的“N型”与“P型”是用以区分这些电流扩散层位于N型或P型的区域，而非指电流扩散层本身必定限定为N型掺杂或P型掺杂，实务上可选用的材质将于后述作详细的说明。有关本发明的详细说明及技术内容，现配合图式说明如下：

[0018] 参照图2所示，其为本发明一实施例的结构示意图，如图所示：该实施例中，发光二极管结构20包含：一基板21、一N型半导体层22、一N型电流扩散层23、一发光层24、一P型半导体层25、一P型电流扩散层26、一第一电极27以及一第二电极28。其中，该N型半导体层22形成于基板21上；该N型电流扩散层23形成于该N型半导体层22之间(即发光层24与基板21之间的区域)；该发光层24形成于N型半导体层22的部分区域上，致使该N型半导体层22形成一外露平面220；该P型半导体层25形成于发光层24上；该P型电流扩散层26形成于该P型半导体层25上；该第一电极27形成于P型电流扩散层26上，该第二电极28则形成于该N型半导体层22上的外露平面220上。

[0019] 该N型电流扩散层23用以提供更高的电子浓度并同时降低N型电流扩散层23的片电阻，以增加电流通过N型半导体层22的分散程度，促使电流均匀分布。其中，该N型电流扩散层23是由三层或三层以上的子层组成，且这些子层是由低能隙(band gap)材料层叠至高能隙材料，且低能隙材料的子层靠近基板21侧，高能隙材料的子层靠近发光层24侧。更进一步地，该N型电流扩散层23各子层的材质可以通式InxAlyGa(1-x-y)N表示，其中0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1。通过选择不同x与y的数值，可获得不同的能隙材料。举例来说，在本发明的一实施例中，该N型电流扩散层23自低能隙至高能隙可分别包含一氮化铟镓(InxGa1-xN，0≤x≤1)层231、一氮化镓(GaN)层232以及一氮化铝镓(AlxGa1-xN，0≤x≤1)层233，三者形成多异质接面(heterojunction)结构。其中，在氮化铟镓层231与氮化镓层232的接面处，两材料的晶格失配(lattice mismatch)会导致压电场(piezoelectric field)极化，进而产生高浓度的电子；在氮化镓232与氮化铝镓233的接面处则会发生自发性极化(spontaneous polarization)现象而增加电子浓度，因此可大幅提升N型电流扩散层23的电子浓度。此外，该N型电流扩散层23位于N型半导体层22间的位置，可考虑设置于该第二电极28与该N型半导体层22的接面上方，即该外露平面
220最低处的上方，以获得较佳的电流分散效果。

[0020] 此外，该N型电流扩散层23的磊晶可为硅掺杂结构或是无掺杂结构，在此并无限定；在一实施例中，该N型电流扩散层23的厚度可介于1nm～200nm之间。在制程上，该N型电流扩散层23的形成方法是可先于基板21上先形成一第一N型半导体层221，再于该第一N型半导体层221上依低能隙子层至高能隙子层的顺序形成该N型电流扩散层23，随后再依序形成一第二N型半导体层222、发光层24、P型半导体层25等。

[0021] 在本发明的一实施例中，上述的基板21可为一绝缘基板，举例而言，作为该绝缘基板的材料包括：氧化铝(蓝宝石)(Al2O3，sapphire)、氮化铝(AlN)、氮化镓(GaN)、氧化镁(MgO)、氧化锌(ZnO)、氧化锂镓(LiGaO3)和氧化铝锂(LiAlO3)、碳化硅(SiC)、硅基板(Si)等。

[0022] 在本发明的一实施例中，发光层24可为一多层量子井(multi-quantum well，MQW)结构。此外，构成上述N型半导体层22、发光层24与P型半导体层25的材质可为含有氮化镓的三五族元素材料，以通式InxAlyGa(1-x-y)N表示，其中0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1。该氮化镓化合物的形成方法并无特殊的限定，例如：金属有机化学气相沉积法(MOCVD)、氢化气相磊晶成长法(HVPE)、氯化物气相磊晶法、分子束磊晶成长法(MBE)等可供成长上述材料的所有方法。

[0023] 在本发明的一实施例中，该N型半导体层22与该基板21之间可再形成一缓冲层29，该缓冲层29例如为氮化物、氧化锌等与基板21或N型半导体层22间晶格常数(lattice constant)较相近的材料。在一实施例中，该缓冲层的厚度可介于1nm～200nm之间。

[0024] 在本发明的一实施例中，上述的P型电流扩散层26用以增加P型区域的电流分布，其可为一透明导电氧化物(transparentconductive oxide，TCO)层，例如材质为：氧化铟锡(indium tin oxide，ITO)、氧化镉锡(cadmium tin oxide，CTO)、氧化锑锡(antimony tinoxide，ATO)、氧化铝锌(aluminum(doped)zinc oxide，AZO)、氧化铟锌(indium(doped)zinc oxide，IZO)、氧化锌(zinc oxide，ZnO)、氧化铟(indium tin oxide，InO)、氧化锡(tin oxide，SnO)、氧化铝铜(copper aluminum oxide，CAO)以及氧化铜锶(strontiumcopper oxide，SCO)等。

[0025] 在本发明的一实施例中，作为上述第一电极27及第二电极28的材质可为任何作为电极的材料，举例来说，其可为选自铟(In)、锡(Sn)、锌(Zn)、镍(Ni)、金(Au)、铬(Cr)、钴(Co)、镉(Cd)、铝(Al)、钒(V)、银(Ag)、钛(Ti)、钨(W)、铂(Pt)、钯(Pd)、铑(Rh)以及钌(Ru)所构成群组中的其一或其二元或二元以上的金属合金，但不以其为限。且第一电极27及第二电极28的厚度可介于1～10,000nm间。

[0026] 参照图3，其为本发明另一实施例的结构示意图，与上述实施例相异处在于，本实施例的N型半导体层22中可包含多个N型电流扩散层23，这些N型电流扩散层23可位于第二电极28和N型半导体层22接面处与发光层24之间，且每一N型电流扩散层23互相不接触，且也不接触于发光层24，其间以N型半导体作为间隔。因此，通过多个N型电流扩散层23可加强电流于N型区域的分散效果，而助于提升整体的发光效率。

[0027] 本发明并以实验显示上述的N型电流扩散层23确实可增加电流分散的能力。若以图1的发光二极管结构10为对照组，图2的发光二极管结构20为实验组，比对在相同条件下N型电流扩散层23结构对N型半导体层22的电流扩散效果与片电阻的影响，其相关参数与结果如下表1所示。可发现包含N型电流扩散层23的N型半导体层22，其片电阻值仅为未包含N型电流扩散层23者的约20％。再施加电压下，N型区域的电流扩散能力则可2
以电流密度(current density)的量值来估计，若以电流密度高于600(A/cm)且平行基板
21方向的区域范围来估算，实验组可相对于对照组提升约20％。

[0028] 表1

[0029]对照组 实验组
P型半导体层 GaN(0.2μm) GaN(0.2μm)
发光层 In0.16Ga0.84N In0.16Ga0.84N
N型半导体层 GaN(3μm) GaN(3μm)
(Al0.1Ga0.9N/GaN/In0.07Ga0.93N)
N型电流扩散层 无
(30nm/20nm/15nm)
片电阻(ohm/sq) 50 10.4
电流密度＞600(A/cm2)长度 365(μm) 436(μm)

[0030] 图4-1与图4-2则分别显示上述实验组与对照组的接面温度(junction temperature)与操作电压(operation voltage)变化。由结果可知，加入N型电流扩散层23后可降低整体发光二极管的操作电压并可降低接面温度，而具有省电、节能的优势；同时，由于电流均匀分布，可提升发光二极管整体的发光效率。

[0031] 参照图5，其为本发明另一实施例的结构示意图。本发明也适用于直立式发光二极管结构30，其包含：一基板31、一N型半导体层32、一N型电流扩散层33、一发光层34、一P型半导体层35、一P型电流扩散层36、一第一电极37，且该N型半导体层32形成于基板31上，该N型电流扩散层33形成于该N型半导体层32之间，结构同于上述；该发光层34形成于N型半导体层32上，该P型半导体层35形成于发光层34上；该P型电流扩散层36形成于该P型半导体层35上；该第一电极37形成于P型电流扩散层36上。其中，该基板31为一导电型半导体，在该基板31与第一电极37施加一操作电压的情况下，该发光二极管结构30可发出光亮。其中，该基板31为导电型材质，例如可为：碳化硅(SiC)、氧化锌(ZnO)、硅(Si)、磷化镓(GaAs)、砷化镓(GaAs)、硒化锌(ZnSe)、磷化铟(InP)及加入硅掺杂的导电型氮化镓(GaN)等。

[0032] 然而，以上所述内容仅为本发明的较佳实施例，并非欲局限本发明专利的专利保护范围，因此凡应用本发明说明书及图式内容所做的等效变化与修饰，均同理包含于本发明的权利保护范围内。