技术领域
[0001] 本
发明是有关于一种量子阱结构，且特别是有关于一种多重量子阱层结构。 背景技术
[0002] 当物质的尺寸缩小到纳米等级时，不仅尺寸大幅微小化，一些量子效应如，局限效应、表面界面效应、穿隧效应等也会特别显著，而这些特性的出现可以应用在
电子元件的改良、
生物芯片的制作、医疗仪器的灵敏度的增加等方面。
[0003] 更详细的来说，由于电子具有粒子性和
波动性，在
纳米材料中，电子波函数长度与量子结构的特征尺寸相近，此时电子的波动性可得到充分展现。所以当一种材料在某一方向降低尺寸到几纳米时，
量子局限效应便会出现在这个方向上，此时电子会被局限在另外两个维度所构成的二维空间中自由运动，这样的系统称为量子阱(quantum well)。量子阱可利用较高
能隙的
半导体层作为能障层，而以能隙较低的半导体作为能阱层。将能障层从两旁夹住能阱层形成如阱状的能带结构的量子阱，可使载体容易被局限住，以增加发光的效率。
[0004] 在制作量子阱的过程中，经常是生长
异质结构(heterostructure)的情况，例如是生长氮化镓(GaN)与氮化铟镓(InGaN)的多重量子阱结构。当所生长的两种
异质结构材料的晶格不匹配时，结构中会有应
力的累积。随着生长厚度越厚时，所累积的
应力就越大，当超过某临界值，材料层就无法承受此应力，而必须以其他形式来释放应力。如此，经常造成磊晶上的
缺陷，使得多重量子阱的结构受到破坏，进而降低发光的效率。 发明内容
[0005] 本发明提供一种多重量子阱层结构，其具有低
密度的磊晶形成缺陷和良 好的结构性。
[0006] 本发明的一
实施例提出一种多重量子阱层结构。多重量子阱层结构包括多个能阱能障对，其沿着一方向排列。每一能阱能障对包括一能障层以及一与能障层相邻的能阱层。这些能阱能障对的这些能障层与这些能阱层交替配置，每一能阱能障对的能阱层与能障层在此方向上的厚度比为能阱能障厚度比，且部分能阱能障对的能阱能障厚度比沿着此方向递增。
[0007] 本发明的另一实施例提出一种多重量子阱层结构。多重量子阱层结构包括多个能阱能障对，其沿着一方向排列。每一能阱能障对包括一能障层及一与能障层相邻的能阱层。其中，这些能阱能障对的这些能障层与这些能阱层交替配置。每一能阱能障对的能阱层与能障层在此方向上的厚度比为能阱能障厚度比。至少部分能阱能障对的能阱能障厚度比沿着此方向递增，这些能阱能障对的能障层在此方向上的厚度沿着此方向递减，且这些能阱能障对的能阱层在此方向上的厚度沿着此方向递增。
[0008] 本发明的又一实施例提出一种多重量子阱层结构。多重量子阱层结构包括多组能阱能障对，其沿着一方向排列。每一组能阱能障对包括多个相邻堆叠的能阱能障对，且每一能阱能障对包括一能障层以及一与能障层相邻的能阱层。其中，此多组能阱能障对的这些能阱能障对的这些能障层与这些能阱层交替配置，每一组能阱能障对的这些能阱能障对的这些能阱层与这些能障层在此方向上的总厚度的比为总能阱能障厚度比，且至少部分能阱能障对的总能阱能障厚度比沿着此方向递增。
[0009] 基于上述，本发明的一实施例的多重量子阱层结构中的部分能阱能障对的能阱能障厚度比沿着排列方向递增，如此可有效降低因能障层与能阱层的晶格差异所产生的应力，以降低多重量子阱层结构中形成V形缺陷的机会，进而有效提升多重量子阱层结构的品质。本发明的另一实施例的多重量子阱层结构中至少部分能阱能障厚度比沿着排列方向递增，其中能阱能障对中的能障层的厚度和能阱层的厚度是渐变式的，如此可有效降低因能障层与能阱层的晶格差异所产生的应力，以降低多重量子阱层结构中形成V形缺陷的机会，进而有效提升多重量子阱层结构的品质。本发明再一实施例的多重量子阱层结构中，至少部分多组能阱能障对的总能阱能障厚度比沿着排列方向递增，如此可有效降低因能障层与能阱层的晶格差异所产生的应力，以降低多 重量子阱层结构中形成V形缺陷的机会，进而有效提升多重量子阱层结构的品质。
[0010] 为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所
附图说明详细说明如下。
附图说明
[0011] 图1A是本发明一实施例的多重量子阱层结构的示意图；
[0012] 图1B是对应到图1A的多重量子阱层结构的能带图；
[0013] 图2A是本发明另一实施例的多重量子阱层结构的示意图；
[0014] 图2B是对应到图2A的多重量子阱层结构的能带图；
[0015] 图3A是本发明再一实施例的多重量子阱层结构的示意图；
[0016] 图3B是对应到图3A的多重量子阱层结构的能带图；
[0017] 图4A为本发明一实施例的发光装置示意图；
[0019] 图5为本发明另一实施例的发光装置示意图。
[0020] 附图标记说明：
[0021] 100、200、300：多重量子阱层结构；
[0022] 110：能阱能障对；
[0023] 112：能障层；
[0024] 114：能阱层；
[0025] 400、500：发光装置；
[0026] 410、510：第一型掺杂半导体层；
[0027] 420、520：第二型掺杂半导体层；
[0028] 430、530：发光层；
[0030] 440、540：超晶格层；
[0031] 550：导电基板；
[0033] E2：第二电极；
[0034] H1：能障层厚度；
[0035] H2：能阱层厚度；
[0036] A：虚线；
[0037] B、C：能阱能障对组；
[0038] P1：位能障；
[0039] P2：位能阱；
[0040] x：方向。
具体实施方式
[0041] 图1A是本发明一实施例的多重量子阱层结构的示意图。图1B是对应到图1A的多重量子阱层结构的能带图。参照至图1A，本实施例的多重量子阱层结构100包括多个能阱能障对110，沿着方向x排列，每一能阱能障对110包括一能障层112以及一与能障层112相邻的能阱层114。其中，能阱能障对110的能障层112与能阱层114交替配置，每一能阱能障对110的能阱层114与能障层112在方向x的厚度比为能阱能障厚度比，且部分能阱能障对110的能阱能障厚度比沿着方向x递增。
[0042] 参照至图1A，图中示范性的示出多个能阱能障对110中任意三个能阱能障对110。在本实施例中，多重量子阱层结构100中能阱能障对110的数目可以依设计者的需求而调整，例如包括5个能阱能障对110到25个能阱能障对110。这些能阱能障对110沿着一方向排列，亦即例如沿图1A中的方向x排列，且多个能障层112与多个能阱层114呈现交替配置。这些能障层112与这些能阱层114呈现交替配置便会产生位能障P1与位能阱P2交替配置的能带结构。请参照至图1B，能隙较大的位能障P1即是由图1A中的能障层112所贡献，而能隙较小的位能阱P2即是图1A中的能阱层114所贡献。
[0043] 此外，每一能阱能障对110的能障层112与能阱层114在方向x上分别有能障层厚度H1和能阱层厚度H2，而H2/H1的值定义出能阱能障厚度比。在本实施例中，部分能阱能障对110的能阱能障厚度比(H2/H1)沿着方向x递增。详细而言，如图1A中显示了多个能阱能障对110中部分的三个能阱能障对110，而此三个能阱能障对110的能阱能障厚度比(H2/H1)的相对大小例如是其中任两个能阱能障厚度比(H2/H1)之间有沿着方向x增加的情形或者是三个能阱能障厚度比(H2/H1)之间有沿着方向x连续增加的情形。 [0044] 图2A是本发明另一实施例的多重量子阱层结构的示意图。图2B是对应到图2A的多重量子阱层结构的能带图。参照至图2A，图中示出了完整的多重量子阱层结构200，本实施例的多重量子阱层结构200包括5个能阱能障对110。图2A的多重量子阱层结构200与图1A的多重量子阱层结构100类似，惟二者主要差异之处在于：图1A的多重量子阱层结构100中部分的能阱能障对110的能阱能障厚度比(H2/H1)沿着方向x有递增的情形，而图2A的多重量子阱层结构200是至少部分的能阱能障对110的能阱能障厚度比(H2/H1)沿着方向x递增，换言之，多重量子阱层结构200中，部分能阱能障对110的能阱能障厚度比(H2/H1)呈现递增外，也可以是全部的能阱能障对110的能阱能障厚度比(H2/H1)皆递增。
[0045] 图3A是本发明再一实施例的多重量子阱层结构的示意图。图3B是对应到图3A的多重量子阱层结构的能带图。图3A的多重量子阱层结构300与图1A的多重量子阱层结构100类似，惟二者主要差异之处在于：多重量子阱层结构300包括多组能阱能障对B、C沿着方向x排列，而每一组能阱能障对B、C包括多个相邻堆叠的能阱能障对110。此外每一组能阱能障对B、C的能阱能障对的能阱层与能障层在方向x上的总厚度的比为总能阱能障厚度比，且至少部分多组能阱能障对B、C的总能阱能障厚度比沿着方向x递增。 [0046] 参照至图3A，图中示范性的示出出多组能阱能障对中任意两组能阱能障对B、C。图3A中的虚线A的两边分成两组能阱能障对B、C，其中B组能阱能障对有三个能阱能障对
110，而C组能阱能障对有两个能阱能障对110。因此B组能阱能障对有三个能障层112和能阱层114在方向x上的能障层厚度H1、能阱层厚度H2，而C组能阱能障对有两个能障层
112和能阱层114在方向x上的能障层厚度H1、能阱层厚度H2。所以B组能阱能障对有加总的能障层112厚度H1’和加总的能阱层114厚度H2’，进而得到总能阱能障厚度比(H2’/H1’)。同理C组能阱能障对也有总能阱能障厚度比(H2’/H1’)。在本实施例中，沿着方向x上，总能阱能障厚度比(H2’/H1’)是递增的，所以C组能阱能障对的总能阱能障厚度比(H2’/H1’)大于B组能阱能障对的总能阱能障厚度比(H2’/H1’)。然而，在另一实施例中，B、C两组能阱能障对的总能阱能障厚度比(H2’/H1’)也可以是相同的，而是位于C组能阱能障对的相对于B组能阱能障对的一侧的另一组能阱能障对(例如图3A中C 组能阱能障对的上方的另一组能阱能障对)的总能阱能障厚度比(H2’/H1’)较大，或者是B组能阱能障对的相对于C组能阱能障对的一侧的另一组能阱能障对(例如图3A中B组能阱能障对的下方的另一组能阱能障对)的总能阱能障厚度比(H2’/H1’)较小。
[0047] 参照至图1A到图3A，在这三个实施例中，部分的能阱能障对110的能阱能障厚度比(H2/H1)沿着方向x递增，而能阱能障对110中的能障层112在方向x上的能障层厚度H1沿着方向x递减，并且能阱能障对110中的能阱层114在方向x上的能阱层厚度H2沿着方向x递增。换言之，能阱层114的能阱层厚度H2沿着方向x递增，同时能障层112的能障层厚度H1沿着方向x递减，然后造成能阱能障厚度比(H2/H1)呈现递增的变化。 [0048] 在图1A到图3A的实施例中，能阱能障对110的能阱能障厚度比(H2/H1)的值可以是界于0.25到2之间。此外，图1A到图3A的实施例里，多重量子阱层结构100、多重量子阱层结构200、多重量子阱层结构300中能阱能障厚度比(H2/H1)或总能阱能障厚度比(H2’/H1’)的递增情形可以是至少出现两次。举例而言，参考至图1A，在多重量子阱层结构100中至少可以找到任意三个能阱能障对110，而这三个能阱能障对110的能阱能障厚度比(H2/H1)沿着方向x依序递增，意指这三个能阱能障厚度比(H2/H1)是不同的而且沿着方向x连续增大。
[0049] 图4A为本发明一实施例的发光装置的示意图，而图4B为图4A的发光层局部示意图。请参考图4A与图4B，本实施例的发光装置400为一种
水平式发光装置，发光装置400包括基板450、第一型掺杂半导体层410、发光层430、第二型掺杂型半导体层420、第一电极E1以及第二电极E2。第一电极E1以及第二电极E2配置成面向同一侧。发光层120配置在第一型掺杂半导体层410上，而第二型掺杂半导体层420配置在发光层430上，意即发光层430是位于第一型掺杂半导体层410与第二型掺杂半导体层420之间。具体而言，第一型掺杂半导体层410例如为N型半导体层，而第二型掺杂半导体层420例如为P型半导体层，其中N型半导体层与P型半导体层的材质系可由氮化镓(GaN)、氮化
铝镓(AlGaN)、氮化铟镓(InGaN)、氮化铝铟镓(AlInGan)至少其中之一掺杂II族元素或IV族元素所构成，其中本实施例系以氮化镓(GaN)作为举例说明。然而，在其他实施例中，第一型掺杂半 导体层410亦可以是P型半导体层，而第二型掺杂半导体层420为N型半导体层。 [0050] 请继续参考图4A与图4B，在发光装置400中，发光层430可以是采用如图1A到图3A实施例的多重量子阱层结构100、多重量子阱层结构200、多重量子阱层结构300，亦即图
4B中多个能阱能障对110的相对两侧分别配置有第一型掺杂半导体层410(例如为N型半导体层)及第二型掺杂半导体层420(例如为P型半导体层)，且部分能阱能障对110的能阱能障厚度比(H2/H1)从靠近第一型掺杂半导体层(例如为N型半导体层)410的一侧往靠近第二型掺杂半导体层(例如为P型半导体层)420的一侧递增。同时，部分能阱能障对
110的能障层112的能障层厚度H1从靠近第一型掺杂半导体层(例如为N型半导体层)410的一侧往靠近第二型掺杂半导体层(例如为P型半导体层)420的一侧递减，且部分能阱能障对110的能阱层114的能阱层厚度H2从靠近第一型掺杂半导体层(例如为N型半导体层)410的一侧往靠近第二型掺杂半导体层(例如为P型半导体层)420的一侧递增。 [0051] 参照至图4B，在本实施例中，多个能阱能障对110中的能障层112例如是氮化镓(GaN)层，而能阱层114例如是氮化铟镓(InGaN)层，进一步的说，其中氮化镓(GaN)层中的杂质可以小于10％，而氮化铟镓(InGaN)层中的含铟量可以是大于15％，如此可以调整能隙以致发光装置400能发出蓝色光波段的光线，此外，在本实施例中，能障层112也可是氮化铝镓(AlGaN)层，而能阱层114则为氮化铝铟镓(InAlGaN)层。
[0052] 本实施例中的发光层430采用如图1A到图3A实施例的多重量子阱层结构100、多重量子阱层结构200、多重量子阱层结构300。进一步来说，发光层430例如采用图3A实施例的多重量子阱层结构300，其中部分多组能阱能障对(如图3A中的B组能阱能障对、C组能阱能障对)的总能阱能障厚度比沿着方向x递增，因此发光层430采用多重量子阱层结构300的情况下，最靠近第一型掺杂半导体层(例如为N型半导体层)410的能阱能障对110的能障层112的能障层厚度H1大于其他能障层112的能障层厚度H1，如此一来，多个能阱能障对110的结构性较佳。依能障层112和能阱层114分别是氮化镓(GaN)和氮化铟镓(InGaN)层的例子来说，由于氮化镓(GaN)与氮化铟镓(InGaN)的晶格常数不匹配而导致在量子阱中会产生应力存在， 当氮化铟镓(InGaN)的磊晶厚度超过临界值时，会倾向由位错(dislocation)的形式来降低总自由能及其所积累积的应力，而延伸到表面形成V型的裂缝缺陷。所以在本实施例中，一开始由较薄的能阱层114磊晶在较厚的能障层112能够产生较佳的结晶性，以减少因位错(dislocation)而导致的V型缺陷，进而加强电子和空穴的复合率(recombination)，提升
发光效率。
[0053] 此外，发光层430例如采用图1A实施例的多重量子阱层结构100，其中部分能阱能障对110的能阱能障厚度比沿着方向x递增，因此发光层430采用多重量子阱层结构100的情况下，最靠近第二型掺杂半导体层(例如为P型半导体层)420的能阱能障对110的能阱层114的能阱层厚度H2大于其他能阱层114的能阱层厚度H2，如此使得电子和空穴有较佳的复合率(recombination)。详细而言，因为电子和空穴的等效
质量不同，使得电子和空穴大部分是在靠近第二型掺杂半导体层(例如为P型半导体层)420的能阱层114中复合，而依图1A实施例的多重量子阱层结构100，靠近第二型掺杂半导体层(例如为P型半导体层)420的能阱层114的能阱层厚度H2较厚，因而有更多的电子可以局限于能阱中，换言之，当发光装置400被驱动时，最靠近第二型掺杂半导体层(例如为P型半导体层)420的能阱层114便可承载较多的载体，从而可提升发光装置400的整体发光效率。 [0054] 另外值得一提的是，发光层430例如采用图2A实施例的多重量子阱层结构200，其中至少部分的能阱能障对110的能阱能障厚度比(H2/H1)沿着方向x递增，而且能障层112的能障层厚度H1沿着方向x递减，能阱层114的能阱层厚度H2沿着方向x递增。因此发光层430采用多重量子阱层结构200的情况下，能障层112的能障层厚度H1往靠近第二型掺杂半导体层(例如为P型半导体层)420的一侧递减，而且能阱层114的能阱层厚度H2往靠近第二型掺杂半导体层(例如为P型半导体层)420的一侧递增。换句话说，能阱能障对110中的能阱层114和能障层112是呈现厚度渐变式的方式配置，而且厚度上的渐变出现在至三个能阱能障对110中，如此产生在能阱层114和能障层112间的应力差异可以减小，进而减低由位错(dislocation)而导致的V型缺陷。于是，多重量子阱层结构200的缺陷减少使得高漏
电流的情形被抑制，然后电子和空穴的复合率(recombination)增加，从而可提升发光装置400的整体发光效率。此外，在本实施例中，发光装置400可进一步的 包括超晶格层440配置在第一型掺杂半导体层(例如为N型半导体层)410与发光层430之间，而超晶格层440可以是氮化铝镓(AlInGan)层与氮化镓(GaN)层交替配置的超晶格结构，如此也有助于降低由应力释放所产生的位错(dislocation)缺陷密度。 [0055] 图5为本发明另一实施例的发光装置示意图。本实施例的发光装置500包括第一型掺杂半导体层510(例如为N型半导体层)、发光层530、第二型掺杂半导体层520(例如为P型半导体层)、第一电极E1以及第二电极E2。由图5可知，本实施例的发光装置500为一种垂直式发光装置，因此第一电极E1配置在第一型掺杂半导体层510(例如为N型半导体层)的另一侧，且第一型掺杂半导体层510(例如为N型半导体层)位于发光层530与第一电极E1之间。在本实施例中，发光装置500可包括有导电基板550，配置在第二型掺杂半导体层520(例如为P型半导体层)与第二电极E2之间。需要说明的是，由于本实施例的发光层530亦是采用前述的发光层430所描述的实施态样，意即发光层530亦可采用如图1A至图3A所示出的多重量子阱层结构100、多重量子阱层结构200、多重量子阱层结构300，能阱能障厚度比(H2/H1)由第一型掺杂半导体层510往第二型掺杂半导体层520的方向递增，因此，本实施例的发光装置500的功效可参考前述说明，在此便不再赘述。此外，在本实施例中，发光装置500亦可进一步的包括超晶格层540配置在第一型掺杂半导体层(例如为N型半导体层)510与发光层530之间，而超晶格层540的功效可参考前述说明。 [0056] 综上所述，本发明的一实施例的多重量子阱层结构中的部分能阱能障对的能阱能障厚度比沿着排列方向递增，如此可有效降低因能障层与能阱层的晶格差异所产生的应力，以降低多重量子阱层结构中形成V形缺陷的机会，进而有效提升多重量子阱层结构之品质。本发明的另一实施例的多重量子阱层结构中至少部分能阱能障厚度比沿着排列方向递增，其中能阱能障对中的能障层的厚度和能阱层的厚度是渐变式的，如此可有效降低因能障层与能阱层的晶格差异所产生的应力，以降低多重量子阱层结构中形成V形缺陷的机会，进而有效提升多重量子阱层结构的品质。本发明再一实施例的多重量子阱层结构中，至少部分多组能阱能障对的总能阱能障厚度比沿着排列方向递增，如此可有效降低因能障层与能阱层的晶格差异所产生的应力，以降低多 重量子阱层结构中形成V形缺陷的机会，进而有效提升多重量子阱层结构的品质。
[0057] 最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行
修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
