TW201530806A - 發光元件 - Google Patents

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Abstract

一種發光元件，包括一第一型摻雜半導體層、一第二型摻雜半導體層以及一發光層。發光層配置於第一型摻雜半導體層與第二型摻雜半導體層之間。發光層包括多個阻障層以及多個量子井層。各量子井層分別位於二相鄰阻障層之間，其中這些量子井層具有鍺摻質。

Description

發光元件
本發明是有關於一種發光元件，且特別是有關於一種具有多重量子井(quantum well)層的發光元件。
發光二極體是一種應用於發光裝置的半導體元件。由於發光二極體具有低耗電量、低污染、使用壽命長、反應速度快等特性，因此發光二極體已被廣泛應用在各領域當中，諸如交通號誌、戶外看板、以及顯示器背光源等。是以，發光二極體已日漸成為近年來備受矚目的光電產業之一。
一般而言，發光二極體是利用有機金屬氣相沉積法(Metal-organic Chemical Vapor Deposition,MOCVD)於基板上形成磊晶層(包括n型摻雜半導體層、發光層、p型摻雜半導體層等等)。在成長發光層的過程中，可藉由調整磊晶的參數，諸如成長壓力、成長溫度、反應氣體之流量(例如三甲基銦(TMIn)的流量)等，來調整發光二極體所發出光線的波長。在習知技術中，發光層多半採用多重量子井之設計，發光層中的量子井層的材料通常為氮化銦鎵(InGaN)，而發光層中的阻障層的材料通常為氮化鎵 (GaN)，當量子井層的銦摻雜濃度越高時，發光層所發出之光線的波長便越長。反之，當量子井層的銦摻雜濃度越低時，發光層所發出之光線的波長則越短。因此，在製作發光二極體時，可利用調控量子井層中的銦摻雜濃度以使發光層能夠發出波長較長的光線，例如綠光、黃光、橘光、紅光等。
在現有技術中，除了增加反應氣體(即三甲基銦)的流量以使量子井層中的銦摻雜濃度提高之外，亦需降低量子井層的成長溫度，方可製作出能夠發出綠光的發光二極體。詳細而言，在高成長溫度下，由於銦原子的去吸附效應與氮化銦本身低裂解溫度的特性，會導致氮化銦鎵材料的含銦量降低，而在較低成長溫度下，上述兩種效應較弱，因此可以成長出較高銦含量的氮化銦鎵材料，而製作出可提供較長發光波長的發光二極體。
此外，發光二極體於磊晶時的成長溫度的條件控制亦為影響氮化銦鎵材料中銦組成的直接參數。舉例而言，一般可發出具有綠光波長(525nm)光線的發光二極體的成長溫度大約介於690-735℃之間。然而，若要製作可提供具有更長波長的光線的發光二極體時，例如黃光(560nm)或橘光(620nm)，就需要再降低成長溫度以增加量子井層中的含銦量。然而，當成長溫度過低時，可能會導致量子井層的磊晶品質變差而產生過多的缺陷，進而導致發光亮度銳減甚至無法發光的問題。
本發明提供一種發光元件，其適於發出長波長且具有良好的可靠度(reliability)。
本發明的一種發光元件，其包括一第一型摻雜半導體層、一第二型摻雜半導體層以及一發光層。發光層配置於第一型摻雜半導體層與第二型摻雜半導體層之間。發光層包括多個阻障層以及多個量子井層。各量子井層分別位於二相鄰阻障層之間，其中這些量子井層具有鍺摻質。
在本發明的一實施例中，上述的量子井層的材質包括具有鍺摻質的氮化銦鎵(Ge：InGaN)。
在本發明的一實施例中，上述的阻障層的材質包括氮化鎵(GaN)。
在本發明的一實施例中，上述的阻障層的材質包括具有鍺摻質的氮化鎵(Ge：GaN)。
在本發明的一實施例中，上述的第一型摻雜半導體層為N型摻雜半導體層，且第二型摻雜半導體層為P型摻雜半導體層。
在本發明的一實施例中，上述的第一型摻雜半導體層為P型摻雜半導體層，且第二型摻雜半導體層為N摻雜型半導體層。
在本發明的一實施例中，上述的發光元件更包括一基板，其中第一型摻雜半導體層配置於基板上，且第一型摻雜半導體層位於基板與發光層之間。
在本發明的一實施例中，上述的發光元件更包括一緩衝層，配置於基板與第一型摻雜半導體層之間。
在本發明的一實施例中，上述的發光元件更包括：一第一電極以及一第二電極。第一電極與第一型摻雜半導體層電性連接，且第二電極與第二型摻雜半導體層電性連接。
在本發明的一實施例中，上述的基板包括氧化鋁(Al2O3)基板、矽(Si)基板、碳化矽(SiC)基板、鋁酸鋰(LiAlO2)基板、鎵酸鋰(LiGaO2)基板、氮化鎵(GaN)基板、燐化鎵(GaP)基板或砷化鎵(GaAs)基板。
在本發明的一實施例中，上述的發光層發出的光波長介於365nm至850nm之間。
基於上述，本發明可藉由量子井層中的鍺摻質而使得發光元件發出較長波長的光線。此外，本發明可以在不大幅度降低成長溫度或者維持原本成長溫度的條件下進行發光層的製作，可提升發光元件的可靠性。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
100‧‧‧發光元件
110‧‧‧基板
120‧‧‧緩衝層
130‧‧‧第一型摻雜半導體層
140‧‧‧發光層
141‧‧‧阻障層
142‧‧‧量子井層
150‧‧‧第二型摻雜半導體層
160‧‧‧第一電極
170‧‧‧第二電極
CB‧‧‧傳導帶
VB‧‧‧價帶
EG‧‧‧能隙
圖1A是本發明一實施例的一種發光元件的架構示意圖。
圖1B是圖1A的發光層的示意圖。
圖1C是圖1A的發光元件的組成成分圖。
圖1D是圖1A的發光層中的能隙示意圖。
圖2A是本發明一實施例的發光元件的波長分布圖。
圖2B是本發明另一實施例的發光元件的波長分布圖。
圖1A是本發明一實施例的一種發光元件的剖面示意圖。請參照圖1A，在本實施例中，發光元件100包括一基板110、一緩衝層120、一第一型摻雜半導體層130、一發光層140以及一第二型摻雜半導體層150。舉例而言，在本實施例中，基板110可以是氧化鋁(Al2O3)基板、矽(Si)基板、碳化矽(SiC)基板、鋁酸鋰(LiAlO2)基板、鎵酸鋰(LiGaO2)基板、氮化鎵(GaN)基板、燐化鎵(GaP)基板或砷化鎵(GaAs)基板。此外，在本實施例中，第一型摻雜半導體層130例如為N型摻雜半導體層，且第二型摻雜半導體層150為P型摻雜半導體層，但本發明不以此為限。在其他實施例中，第一型摻雜半導體層130亦可為P型摻雜半導體層，且第二型摻雜半導體層150則為N摻雜型半導體層。
具體而言，在本實施例中，緩衝層120配置於基板110與第一型摻雜半導體層130之間。第一型摻雜半導體層130配置於基板110上，且第一型摻雜半導體層130位於基板110與發光層140之間。發光層140配置於第一型摻雜半導體層130與第二型摻雜半導體層150之間。此外，前述的各膜層例如係藉由金屬有機化學氣相沉積的方式形成於基板110上，但本發明不以此為限。
圖1B是圖1A的發光層的示意圖，圖1C是圖1A的發光元件的組成成分圖，而圖1D是圖1A的發光層140中的能隙示意圖。請參照圖1B，發光層140包括多個阻障層141以及多個量子井層142。換言之，在本實施例中，發光層140例如是一多重量子井結構。舉例而言，在本實施例中，量子井層142的材質包括具有鍺摻質的氮化銦鎵(Ge：InGaN)，而阻障層141的材質例如為氮化鎵(GaN)。更詳細而言，各量子井層142分別位於二相鄰阻障層141之間，其中這些量子井層142具有鍺(Ge)摻質。
如圖1C所示，在發光元件的深度為140nm至300nm處，可清楚看出具有鍺(Ge)摻質的存在。應注意的是，上述各參數範圍僅作為例示說明，其並非用以限定本發明。
如圖1D所示，在本實施例中，位在量子井層142的鍺摻質能夠縮小傳導帶(Conduction Band,CB)與價帶(Valance Band,VB)之間的能隙EG(energy gap)。值得注意的是，在習知技術中，鍺摻質主要是用以作為N型摻質，且鍺摻質會被摻雜於N型摻雜半導體層中，以提高N型摻雜半導體層中中的載子濃度。然而，本實施例中的鍺摻質是摻雜於發光層140的量子井層142中，以降低傳導帶CB與價帶VB之間的能隙EG，進而使得發光層140能夠發出較長波長的光線。此外，在本實施例中，摻雜於發光層140的量子井層142中的鍺摻質可以在使發光層140的成長溫度維持在相對高溫。
舉例而言，在量子井層142的成長溫度約為750℃的情況 下，利用傳統氮化鎵/氮化銦鎵對(GaN/InGaN pairs)所形成的發光層只能發出波長約為450nm的藍光。然而，在本實施例中，利用具有氮化鎵/鍺摻質的氮化銦鎵對(GaN/Ge：InGaN pairs)所形成的發光層140可在成長溫度約為750℃的條件下發出波長約為525nm的綠光。換言之，在同樣的成長溫度下或者無須大幅降低成長溫度的情況下，本實施例可利用具有鍺摻質之量子井層142使發光層140發出較長波長的光線(例如綠光、黃光、橘光、紅光等)。
此外，當量子井層142的鍺摻質的摻雜濃度越高時，傳導帶CB與價帶VB之間的能隙EG越小(如圖1D所示)，則發光層140所發出之光線的波長越長。反之，量子井層142的鍺摻質的摻雜濃度越低時，傳導帶CB與價帶VB之間的能隙EG越大，則發光層140所發出之光線的波長越短。
在本實施例中，利用鍺摻質來調控發光元件100的發光波長的機制亦與利用銦摻質來調控習知發光元件波長的機制類似。然而，相較於銦摻質而言，將鍺摻質摻雜於量子井層142中可以避免發光層140的成長溫度下降或者是將發光層140的成長溫度維持在相對高溫。此外，將鍺摻質摻雜於量子井層142中可避免因為成長溫度過低而讓量子井層142產生過多缺陷，進而導致發光層140之發光亮度銳減甚至無法發光的風險。據此，本實施例之發光元件100的可靠性獲得一定程度的提升。
圖2A是本發明一實施例的發光元件的波長分布圖。圖2B是本發明另一實施例的發光元件的波長分布圖。請參照圖2A 及圖2B，基於上述機制，利用這些摻雜在量子井層142的鍺摻質，將可製造出能提供黃光波長(550nm)的發光元件100(如圖2A所示)或紅光波長(650nm)的發光元件100(如圖2B所示)，而可以跨越所謂的綠光障礙(green gap)的限制。舉例而言，在本實施例中，發光層140發出的光波長λ介於365nm至850nm之間。應注意的是，上述各參數範圍僅作為例示說明，其並非用以限定本發明。
請參照圖1A，除了基板110、緩衝層120、第一型摻雜半導體層130、發光層140以及第二型摻雜半導體層150之外，本實施例之發光元件100可進一步包括一第一電極160以及一第二電極170，其中第一電極160與第一型摻雜半導體層130電性連接，且第二電極170與第二型摻雜半導體層150電性連接。更詳細而言，如圖1A所示，在本實施例中，發光元件100的電極配置的實施型態例如為水平電極配置，但本實施例不以此為限。意即，第一摻雜型半導體層130的部分區域未被第二型摻雜半導體層150所覆蓋，而第一電極160位於未被第二型摻雜半導體層150所覆蓋之第一摻雜型半導體層130的部分區域上，第二電極170則位於第二型摻雜半導體層150的部分區域上。在其他可行的實施例中，發光元件100的電極配置可採用垂直電極配置。
值得注意的是，前述的阻障層141的材質並不限定必須為氮化鎵。在其他可行的實施例中，阻障層141的材質亦可為具有鍺摻質的氮化鎵(Ge：GaN)。
舉例而言，在磊晶的過程中，摻雜在量子井層142的少 部份鍺摻質亦將會擴散到阻障層141內，使得阻障層141之材質轉變為具有鍺摻質的氮化鎵(Ge：GaN)。詳細而言，阻障層141內的鍺摻質摻雜濃度通常會小於量子井層142的鍺摻質摻雜濃度。不論阻障層141內是否含有鍺摻質，量子井層142的鍺摻質皆可縮小傳導帶CB與價帶VB之間的能隙EG。
綜上所述，本發明可藉由量子井層中的鍺摻質而使得發光元件發出較長波長的光線。此外，本發明可以在不大幅度降低成長溫度或者維持原本成長溫度的條件下進行發光層的製作，可提升發光元件的可靠性。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧發光元件
110‧‧‧基板
120‧‧‧緩衝層
130‧‧‧第一型摻雜半導體層
140‧‧‧發光層
150‧‧‧第二型摻雜半導體層
160‧‧‧第一電極
170‧‧‧第二電極

Claims (11)

  1. 一種發光元件，包括：一第一型摻雜半導體層；一第二型摻雜半導體層；以及一發光層，配置於該第一型摻雜半導體層與該第二型摻雜半導體層之間，其中該發光層包括多個阻障層以及多個量子井層，各該量子井層分別位於二相鄰阻障層之間，其中該些量子井層具有鍺摻質。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的發光元件，其中該些量子井層的材質包括具有鍺摻質的氮化銦鎵(Ge：InGaN)。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的發光元件，其中該些阻障層的材質包括氮化鎵(GaN)。
  4. 如申請專利範圍第2項所述的發光元件，其中該些阻障層的材質包括具有鍺摻質的氮化鎵(Ge：GaN)。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的發光元件，其中該第一型摻雜半導體層為N型摻雜半導體層，且該第二型摻雜半導體層為P型摻雜半導體層。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的發光元件，其中該第一型摻雜半導體層為P型摻雜半導體層，且該第二型摻雜半導體層為N摻雜型半導體層。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的發光元件，更包括：一基板，其中該第一型摻雜半導體層配置於該基板上，且該 第一型摻雜半導體層位於該基板與該發光層之間。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的發光元件，更包括：一緩衝層，配置於該基板與該第一型摻雜半導體層之間。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的發光元件，更包括：一第一電極；以及一第二電極，其中該第一電極與該第一型摻雜半導體層電性連接，且該第二電極與該第二型摻雜半導體層電性連接。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的發光元件，其中該基板包括氧化鋁(Al2O3)基板、矽(Si)基板、碳化矽(SiC)基板、鋁酸鋰(LiAlO2)基板、鎵酸鋰(LiGaO2)基板、氮化鎵(GaN)基板、燐化鎵(GaP)基板或砷化鎵(GaAs)基板。
  11. 如申請專利範圍第1項所述的發光元件，其中該發光層發出的光波長介於365nm至850nm之間。
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