CN110767786A - 发光二极管装置 - Google Patents
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Abstract
一种发光二极管装置包含一第一半导体层、一第二半导体层、一发光层、一导电层以及一高介电系数绝缘层。发光层位于第一半导体层与第二半导体层之间。导电层位于第二半导体层上。高介电系数绝缘层均匀的铺设于第二半导体层与导电层之间。本发光二极管装置可通过全平面电子形成穿隧电流进入半导体层以激发出光，以解决电流扩散发光局域性问题，更可减少图形设计上光受到电极遮蔽等问题。
Description
技术领域
本发明是关于一种出光面能均匀发光的发光二极管装置。
背景技术
目前发光二极管产品上，铟锡氧化物透明导电薄膜常使用作为电流扩散层。铟锡氧化物薄膜的平面传导电阻(sheet resistance,Rs)相对较高，导致电流于晶片表面扩散困难，而发光区域受到局限，因此发光二极管仍无法均匀的整面发光。
为了使发光二极管更均匀的整面发光，目前在铟锡氧化物薄膜上设计金属电极使电子流均匀分散于整面发光二极管晶片。金属电极设计于晶面上确实能有效改善电子流在二极管中较均匀分散，但不透光的金属电极却也造成了大量的遮光问题以及可靠度的问题。
发明内容
本发明提出一种创新的发光二极管装置，解决先前技术的问题。
于本发明的一实施例中，一种发光二极管装置包含一第一半导体层、一第二半导体层、一发光层、一导电层以及一高介电系数绝缘层。发光层位于第一半导体层与第二半导体层之间。导电层位于第二半导体层上。高介电系数绝缘层均匀的铺设于第二半导体层与导电层之间。
于本发明的一实施例中，高介电系数绝缘层的介电系数大于或等于4。
于本发明的一实施例中，高介电系数绝缘层包含该高介电系数绝缘层包含氧化铝(Al2O3)、钛酸钡(BaTiO3)、二氧化钛(TiO2)、二氧化铪(HfO2)、氧化镧(La2O3)或氧化镨(Pr2O3)。
于本发明的一实施例中，发光二极管装置还包含一金属电极，其接触导电层，且金属电极与导电层接触的对应区域内不具有电流阻挡层。
于本发明的一实施例中，当导电层被施加一电压且电压小于发光二极管装置的一点亮电压时，导电层、高介电系数绝缘层以及第二半导体层形成一电容。
于本发明的一实施例中，发光二极管装置还包含一金属电极，其接触导电层，当发光二极管装置于发光状态时，施加于金属电极的电流与电压为一非线性关系。
于本发明的一实施例中，发光二极管装置还包含一金属电极，其接触导电层，当发光二极管装置于发光状态时，施加于金属电极的电流与电压为一曲线关系。
于本发明的一实施例中，发光二极管装置于导电层的出光强度除金属电极的阻光区外的最大差值在30％的范围内。
于本发明的一实施例中，高介电系数绝缘层的厚度小于15纳米。
于本发明的一实施例中，高介电系数绝缘层的厚度范围介于3～8纳米。
综上所述，本发明发光二极管装置的电子穿隧方式达成的电流传导方式，低偏压时(例如电压小于发光二极管的点亮电压)堆积电荷形成表面等电位，高偏压时(例如电压大于发光二极管的点亮电压)全平面电子形成穿隧电流进入半导体层以激发出光。此方式可解决电流扩散发光局域性问题，更可减少图形设计上光受到电极遮蔽等问题。此传导机制更可运用于不同尺寸晶粒，晶粒大小只需要改变位能障状况。
以下将以实施方式对上述的说明作详细的描述，并对本发明的技术方案提供更进一步的解释。
附图说明
为让本发明的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附附图的说明如下：
图1是绘示依照本发明一实施例的一种发光二极管装置的剖面示意图；
图2是绘示图1的发光二极管装置于低偏压时的运作原理示意图；
图3是绘示图1的发光二极管装置于高偏压时的运作原理示意图；
图4是绘示图1的发光二极管装置于高偏压时的电流-电压关系图；
图5是绘示一种已知的发光二极管装置的电极示意图；
图6是绘示依照本发明一实施例的一种发光二极管装置的电极示意图；以及
图7是绘示沿图5、6的线段7-7’的发光二极管装置的发光强度分布图。
具体实施方式
为了使本发明的叙述更加详尽与完备，可参照所附的附图及以下所述各种实施例，附图中相同的号码代表相同或相似的元件。另一方面，众所周知的元件与步骤并未描述于实施例中，以避免对本发明造成不必要的限制。
发光二极管发展至今始终存在着电子经电场分布流至发光区的分布不均问题，因此在发光二极管电极设计上始终无法达成电流在晶片上为均匀扩散的状况。本发明即提出一种发光二极管装置使电流在晶片上的扩散更为均匀。
请参照图1，其绘示依照本发明一实施例的一种发光二极管装置的剖面示意图。本案的发光二极管装置100包含一第一半导体层102与一第二半导体层106。发光层104形成于第一半导体层102与第二半导体层106之间。一导电层110位于第二半导体层106上，并于第二半导体层106与导电层110之间均匀的铺设一高介电系数绝缘层108。导电层110上另形成金属电极112，第一半导体层102未被覆盖的部分另形成金属电极114。
在本发明的实施例中，第一半导体层102为一N型GaN半导体层，而第二半导体层106为一P型GaN半导体层，但本发明的第一、二半导体层的材料并不以为限，其他已知发光二极管常用的材料亦能适用。
在本发明的实施例中，位于第一、二半导体层之间的发光层104可以是多层结构的量子井(Multiple Quantum Well,MQW)，但本发明的发光层的结构并不以为限，其他已知的P-N接面发光结构亦能适用。
在本发明的实施例中，导电层110可以是铟锡氧化物薄膜，但并不以此为限。
在本发明的实施例中，介于第二半导体层106与导电层110之间均匀铺设的高介电系数绝缘层108可以是介电系数大于或等于4的绝缘层。
在本发明的实施例中，高介电系数绝缘层108可以例如是氧化铝(Al2O3)、钛酸钡(BaTiO3)、二氧化钛(TiO2)、二氧化铪(HfO2)、氧化镧(La2O3)或氧化镨(Pr2O3)等，但仍不以此为限。
在本发明中，电子穿过高介电系数绝缘层108的传输机制为电子穿隧效应，因此绝缘层的位能障非常关键。结构上必须选用高绝缘值的绝缘层，表层需平坦且致密，缺陷极少的薄膜。因此，本发明使用例如原子层堆积(ALD)的方式制作高阻值低厚度高致密性的高介电系数绝缘层108，以达到良好穿隧效果的电子穿隧式发光二极管。
在本发明的实施例中，使用原子层堆积(ALD)的方式制作厚度范围介于3～8纳米的高介电系数绝缘层，但高介电系数绝缘层的厚度范围并不以此为限。
在本发明的实施例中，为达到电子穿隧效应达成的可能性，高介电系数绝缘层的厚度应小于15纳米较佳，但本发明的高介电系数绝缘层的厚度范围并不以此为限。
相较于已知的发光二极管装置，发光二极管装置100的金属电极112与导电层110接触的对应区域内并不具有电流阻挡层，而是藉高介电系数绝缘层108达成电流在导电层110均匀扩散的目的。
请参照图2，其绘示图1的发光二极管装置于低偏压时的运作原理示意图。当施加偏压于发光二极管装置100的金属电极112与金属电极114时，在还未发光前的低偏压状况(即电压小于发光二极管装置的点亮电压)，电子尚未穿过高介电系数绝缘层108(即电子穿隧效应尚未产生)，因此导电层110、高介电系数绝缘层108以及第二半导体层106形成一电容。
请参照图3，其绘示图1的发光二极管装置于高偏压时的运作原理示意图。当施加偏压于发光二极管装置100的金属电极112与金属电极114上，且发光二极管装置已发光(即电压大于发光二极管装置的点亮电压)，电子开始穿过高介电系数绝缘层108(即电子穿隧效应开始产生)。电子穿隧效应经过高介电系数绝缘层108的机制，使得电流能在导电层110达到较均匀扩散的目的。
请参照图4，其绘示图1的发光二极管装置于高偏压时的电流-电压关系图。当施加偏压于发光二极管装置100时，若电子开始穿过高介电系数绝缘层108(即电子穿隧效应开始产生)而发光二极管装置处于发光状态时，施加于金属电极112的电流与电压之间的关系如本图4所绘示的一曲线关系或一非线性关系，并非如已知发光二极管点亮时电流-电压的线性关系。
上述金属电极的电流I与电压V的关系符合以下数学式：
I＝exp[(cΔx2V-cΔx2E)1/2]
其中△x为该高介电系数绝缘层的厚度，E为该高介电系数绝缘层的介电屏障位能，m*为载子有效质量其中分为:electron effect mass～0.2m0,hole effect mass～0.8m0(m0＝9.11x10-31kg)，h为普朗克常数(Plank constant):6.626x10-34m2kg/s。
本发明的技术关键为高介电系数绝缘层制作的品质，绝缘层品质不良(缺陷过多或平整度不够好)极有可能造成其他效应产生(例如漏电流)。绝缘层的选用也是关键之一，根据薛丁格穿隧机率方程式解释(例如上述简化的数学式)，绝缘层绝缘性(或绝缘层介电系数)效果不够好，亦会造成漏电流的可能，绝缘层太厚也会造成穿隧机率过低而使发光二极管效能不彰。
需注意的是，前述高介电系数绝缘层的厚度虽有较佳的温度范围，但高介电系数绝缘层的厚度范围仍会因为发光二极管元件的尺寸(或发光二极管元件的出光面的面积)、高介电系数绝缘层的材料或欲适用的工作偏压而有不同适用的高介电系数绝缘层厚度。即使高介电系数绝缘层的材料相同，也会因发光二极管元件的尺寸，而需求不同厚度的高介电系数绝缘层。因此，即使针对某种高介电系数绝缘材料，亦难以确认高介电系数绝缘层的绝对厚度范围。
请参照图5、6、7，图5是绘示一种已知的发光二极管装置的电极示意图；图6是绘示依照本发明一实施例的一种发光二极管装置的电极示意图；图7是绘示沿图5、6的线段7-7’的发光二极管装置的发光强度分布图。
为展示本发明发光二极管装置发光强度的均匀性，使用图5的已知的指状电极作为比较例，图6为本发明的电极，不具有类似图5的指状电极延伸电极(例如位于上述导电层110上的金属电极112的上视图)，针对具有图5指状电极的发光二极管以及具有图6非指状电极的本发明发光二极管施以相同的电压、电流，并沿线段7-7’量测发光强度，而绘制图7的发光强度分布图。本发明发光二极管即具有图1～4、6的技术特征的发光二极管。
请参照图7，光强度曲线A是使用图5的已知的指状电极的发光二极管的发光强度分布；光强度曲线B是使用图6的非指状电极的本发明发光二极管的发光强度分布。由光强度曲线A得知，即使已知的发光二极管具有指状电极的设计，其发光强度分布由电极中心的0.05(W/cm2)往两侧的晶片边缘快速跌落。反观光强度曲线B，即使不具有指状电极延伸电极的设计，其发光强度分布由电极中心的0.03(W/cm2)往两侧的晶片边缘下降至0.021(W/cm2)。换言之，就本实施例而言，本发明发光二极管的发光强度分布除金属电极的阻光区外的最大差值在小于30％([0.03-0.021]/0.03＝30％)的范围内。若制程再精进，本发明发光二极管的发光强度分布除金属电极的阻光区外的最大差值甚至可控制在小于20％的范围内。
综上所述，本发明发光二极管装置的电子穿隧方式达成的电流传导方式，低偏压时(例如电压小于发光二极管的点亮电压)堆积电荷形成表面等电位，高偏压时(例如电压大于发光二极管的点亮电压)全平面电子形成穿隧电流进入半导体层以激发出光。此方式可解决电流扩散发光局域性问题，更可减少图形设计上光受到电极遮蔽等问题。此传导机制更可运用于不同尺寸晶粒，晶粒大小只需要改变位能障状况。
虽然本发明已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此技艺者，于不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种发光二极管装置，其特征在于，包含：
一第一半导体层与一第二半导体层；
一发光层，位于该第一半导体层与该第二半导体层之间；
一导电层，位于该第二半导体层上；以及
一高介电系数绝缘层，均匀的铺设于该第二半导体层与该导电层之间。
2.根据权利要求1所述的发光二极管装置，其特征在于，该高介电系数绝缘层的介电系数大于或等于4。
3.根据权利要求1所述的发光二极管装置，其特征在于，该高介电系数绝缘层包含氧化铝、钛酸钡、二氧化钛、二氧化铪、氧化镧或氧化镨。
4.根据权利要求1所述的发光二极管装置，其特征在于，还包含一金属电极，其接触该导电层，且该金属电极与该导电层接触的对应区域内不具有电流阻挡层。
5.根据权利要求1所述的发光二极管装置，其特征在于，当该导电层被施加一电压且该电压小于该发光二极管装置的一点亮电压时，该导电层、高介电系数绝缘层以及该第二半导体层形成一电容。
6.根据权利要求1所述的发光二极管装置，其特征在于，还包含一金属电极，其接触该导电层，当该发光二极管装置于发光状态时，施加于该金属电极的电流与电压为一非线性关系。
7.根据权利要求1所述的发光二极管装置，其特征在于，还包含一金属电极，其接触该导电层，当该发光二极管装置于发光状态时，施加于该金属电极的电流与电压为一曲线关系。
8.根据权利要求4所述的发光二极管装置，其特征在于，该发光二极管装置于该导电层的出光强度除该金属电极的阻光区外的最大差值在30％的范围内。
9.根据权利要求1所述的发光二极管装置，其特征在于，该高介电系数绝缘层的厚度小于15纳米。
10.根据权利要求1所述的发光二极管装置，其特征在于，该高介电系数绝缘层的厚度范围介于3～8纳米。
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