TW201818564A - 發光元件 - Google Patents

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Abstract

一發光元件包含一半導體疊層具有一第一半導體層，一第二半導體層，以及一可發出UV光之活性層位於第一半導體層及第二半導體層之間；一第一層位於第二半導體層之上，第一層包含金屬氧化物；以及一第二層位於第一層之上，第二層包含石墨烯，其中第一層係整面覆蓋於第二半導體層之上，第一層包含一厚度小於10奈米。

Description

發光元件
本發明係關於一種發光元件，且特別係關於一種發光元件，其包含一半導體疊層及一導電層位於半導體疊層上。
發光二極體(Light-Emitting Diode, LED)為固態半導體發光元件，其優點為功耗低，產生的熱能低，工作壽命長，防震，體積小，反應速度快和具有良好的光電特性，例如穩定的發光波長。因此發光二極體被廣泛應用於家用電器，設備指示燈，及光電產品等。
一發光元件包含一半導體疊層具有一第一半導體層，一第二半導體層，以及一可發出UV光之活性層位於第一半導體層及第二半導體層之間；一第一層位於第二半導體層之上，第一層包含金屬氧化物；以及一第二層位於第一層之上，第二層包含石墨烯，其中第一層係整面覆蓋於第二半導體層之上，第一層包含一厚度小於10奈米。
一種製造一發光元件的方法包含提供一半導體疊層，半導體疊層具有一第一半導體層，一第二半導體層，以及一可發出UV光之活性層位於第一半導體層及第二半導體層之間；形成一第一層於第二半導體層之上，第一層包含金屬氧化物；以及形成一第二層於第一層之上，第二層包含石墨烯，其中第一層係整面覆蓋於第二半導體層之上，第一層包含一厚度小於10奈米。
為了使本發明之敘述更加詳盡與完備，請參照下列實施例之描述並配合相關圖示。惟，以下所示之實施例係用於例示本發明之發光元件，並非將本發明限定於以下之實施例。又，本說明書記載於實施例中的構成零件之尺寸、材質、形狀、相對配置等在沒有限定之記載下，本發明之範圍並非限定於此，而僅是單純之說明而已。且各圖示所示構件之大小或位置關係等，會由於為了明確說明有加以誇大之情形。更且，於以下之描述中，為了適切省略詳細說明，對於同一或同性質之構件用同一名稱、符號顯示。
第1圖~第3圖係本發明一實施例中所揭示之一發光元件1的製造方法。
如第1圖~第3圖所示，發光元件1的製造方法包含提供一基板10；形成一半導體疊層20於基板10上，其中半導體疊層20包含一第一半導體層21，一第二半導體層22，以及一活性層23位於第一半導體層21及第二半導體層22之間；形成一第一層51於半導體疊層20上；提供一載體500；形成一第二層52於載體500上；形成一支撐層55於第二層52上；移除載體500；接合第二層52於第一層51並移除支撐層55；形成一第一電極30於第一半導體層21上及一第二電極40於第二半導體層22上；以及形成一絕緣層60以覆蓋半導體疊層20及/或第一電極30、第二電極40之一表面上。
於本發明之一實施例中，提供基板10以做為一成長基板，包括用以成長磷化鋁鎵銦(AlGaInP)之砷化鎵(GaAs)晶圓，或用以成長氮化銦鎵(InGaN)、氮化鋁鎵(AlGaN)之藍寶石(Al2 O3 )晶圓、氮化鎵(GaN)晶圓或碳化矽(SiC)晶圓。
於本發明之一實施例中，藉由有機金屬化學氣相沉積法(MOCVD)、分子束磊晶(MBE)、氫化物氣相沉積法(HVPE)、物理氣相沉積法(PVD)或離子電鍍方法以形成具有光電特性之半導體疊層20於基板10上，例如發光(light-emitting)疊層，其中物理氣象沉積法包含濺鍍 (Sputtering)或蒸鍍(Evoaporation)法。第一半導體層21和第二半導體層22，可為包覆層(cladding layer)或限制層(confinement layer)，兩者具有不同的導電型態、電性、極性，或依摻雜的元素以提供電子或電洞，例如第一半導體層21為n型電性的半導體，第二半導體層22為p型電性的半導體。活性層23形成在第一半導體層21和第二半導體層22之間，電子與電洞於一電流驅動下在活性層23複合，將電能轉換成光能，以發出一光線。藉由改變半導體疊層20中一層或多層的物理及化學組成以調整發光元件1發出光線的波長。半導體疊層20之材料包含Ⅲ-Ⅴ族半導體材料，例如Alx Iny Ga(1-x-y) N或Alx Iny Ga(1-x-y) P，其中0≦x，y≦1；(x+y)≦1。
於本發明之一實施例中，活性層23之材料為AlGaN系列或AlInGaN系列材料時，可發出波長介於400 nm及250 nm之間的紫外光(UV)。活性層23可為單異質結構(single heterostructure, SH)，雙異質結構(double heterostructure, DH)，雙側雙異質結構(double-side double heterostructure, DDH)，多層量子井結構(multi-quantum well, MQW) 。活性層23之材料可為中性、p型或n型電性的半導體。
於本發明之一實施例中，形成PVD氮化鋁(AlN)於半導體疊層20及基板10之間，PVD氮化鋁(AlN)可做為緩衝層，用以改善半導體疊層20的磊晶品質。在一實施例中，用以形成PVD氮化鋁(AlN)的靶材係由氮化鋁所組成。在另一實施例中，係使用由鋁組成的靶材，於氮源的環境下與鋁靶材反應性形成氮化鋁。
於本發明之一實施例中，如第1圖所示，首先放置具有一厚度的載體500於一水平爐管內，在惰性環境下通入氫氣並加熱至800℃以上以去除載體500表面的原生氧化層，再通入含碳的氣源以形成第二層52於載體500之表面上，最後通入惰性氣體加速冷卻爐管，使爐管降至室溫後取出形成有第二層52的載體500，接著提供一支撐層55以貼覆於第二層52的表面上，並移除載體500。具體而言，選擇例如一銅箔做為載體500，銅箔本身厚度為25μm，將銅箔放置於一水平爐管內，在氬(Ar)氣環境下通入10 sccm氫氣並加熱至900℃以去除銅箔表面的原生氧化層，再通入5 sccm含碳的氣源，例如甲烷，以形成第二層52，例如石墨烯，於銅箔之表面上，最後通入100 sccm氬氣加速冷卻爐管，使爐管降至室溫後取出形成有石墨烯的銅箔，接著利用熱移除膠帶(thermal release tape)做為支撐層55，將其貼覆於石墨烯的表面上，並浸泡至三氯化鐵(FeCl3 )溶液中，以蝕刻移除銅箔。
於本發明之一實施例中，載體500包含金屬材料，做為一金屬觸媒以生長石墨烯，載體500可為一可撓式基板，載體500之形狀不限，包含矩形或圓形。
於本發明之一實施例中，支撐層55包含高分子材料，例如聚甲基丙稀酸甲酯（poly methyl methacrylate，PMMA)。支撐層55的厚度例如是10奈米至2釐米。
於本發明之一實施例中，如第2圖所示，利用原子層化學氣相沉積(ALD)沉積0.1至5奈米厚的金屬氧化物，例如氧化鎳，於半導體疊層20上以形成第一層51。於本發明之一實施例中，先驅物例如為水及NiCp2 ，鍍率為0.42 A/cycle。於本發明之一實施例中，第一層51之厚度介於0.1至5 nm。
於本發明之一實施例中，第一層51係做為在UV光範圍具有高穿透率且導電性良好的薄膜，若要增加第一層51在UV光的穿透率，需要將其製成極薄的薄膜，例如厚度低於10奈米，但是當薄膜厚度低於10奈米時，薄膜會形成島狀不連續，使薄膜的接觸電阻增加；如果要製成連續的薄膜，則要增加薄膜厚度，其缺點為降低薄膜於UV光的穿透度。於本發明之一實施例中，利用原子層化學氣相沉積(ALD)形成包含金屬氧化物之第一層51，第一層51係整面完全覆蓋於半導體疊層20上，第一層51具有一厚度變異小於5奈米，較佳為2奈米。
於本發明之一實施例中，如第1圖及第2圖所示，藉由熱壓印方式施壓於支撐層55並加熱至130℃以上以將第二層52貼附於鍍完第一層51之半導體疊層20上，再移除支撐層55，留下第二層52於第一層51之上。
於本發明之一實施例中，第一電極30及/或第二電極40可為單層或疊層結構。為了降低與半導體疊層20相接的電阻，第一電極30及/或第二電極40之材料包含金屬材料，例如鉻(Cr)、鈦(Ti)、鎢(W)、金(Au)、鋁(Al)、銦(In)、錫(Sn)、鎳(Ni)、鉑(Pt)等金屬或上述材料之合金。
於本發明之一實施例中，第一電極30及/或第二電極40之材料包含具有高反射率之金屬，例如鋁(Al)、銀(Ag)或鉑(Pt)。
於本發明之一實施例中，第一電極30及/或第二電極40與半導體疊層20相接觸之一側包含鉻(Cr)或鈦(Ti)，以增加第一電極30及/或第二電極40與半導體疊層20的接合強度。
於本發明之一實施例中，絕緣層60係用於保護半導體層不受外部環境影響。絕緣層60具有透光性，係為非導電材料所形成，包含有機材料，例如Su8、苯并環丁烯(BCB)、過氟環丁烷(PFCB)、環氧樹脂(Epoxy)、丙烯酸樹脂(Acrylic Resin)、環烯烴聚合物(COC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚碳酸酯(PC)、聚醚醯亞胺(Polyetherimide)、氟碳聚合物(Fluorocarbon Polymer)，或是無機材料，例如矽膠(Silicone)、玻璃(Glass)，或是介電材料，例如氧化鋁(Al2 O3 )、氮化矽(SiNx )、氧化矽(SiOx )、氧化鈦(TiOx )，或氟化鎂(MgFx )。
第3圖所揭示係本發明一實施例之發光元件1的結構。發光元件1包含一半導體疊層20具有一第一半導體層21，一第二半導體層22，以及一可發出UV光之活性層23位於第一半導體層21及第二半導體層22之間；一導電層50位於第二半導體層22之上。導電層50包含一第一層51位於靠近第二半導體層22之一側，以及一第二層52位於遠離第二半導體層22之一側。
於本發明之一實施例中，導電層50包含複數層各具有不同的材料以形成一透明電極，例如第一層51之材料包含金屬或金屬氧化物，第二層52包含非金屬材料，例如石墨烯。
於本發明之一實施例中，第一層51包含一片阻值大於第二層52所包含之一片阻值。於本發明之一實施例中，第二層52所包含片阻值位於2.1~3.9 ohm/square。
於本發明之一實施例中，導電層50與第二半導體層22具有一小於10-3 ohm/cm2 之接觸電阻。
於本發明之一實施例中，第二半導體層22具有p型摻雜質，並具有一摻雜濃度大於1E+19cm-3 。p型摻雜質包含鎂(Mg)、鋅(Zn)、鎘(Cd)、鈹(Be)、或鈣(Ca)等Ⅱ族元素。
於本發明之一實施例中，第一層51係與第二半導體層22形成低電阻接觸，例如歐姆接觸。在一實施例中，當第二半導體層22為p型的氮化鎵(GaN)時，第一層51所包含之材料具備一功函數大於4.5 eV，較佳位於5~7 eV之間，或是第二半導體層22為p型的氮化鋁鎵(AlGaN)時，第一層51所包含之材料具備一功函數大於4.5 eV，較佳位於5~7 eV之間。第一層51之材料包含金屬或金屬氧化物，例如氧化鎳(NiO) 、氧化鈷(Co3 O4 ) 、氧化銅(Cu2 O)。
於本發明之一實施例中，第二半導體層22包含Alx Ga1-x N，且0.55＜x＜0.65，第二半導體層22包含ㄧ厚度小於1000 埃(Å)或是介於1000 埃(Å)及250 埃(Å)之間。發光元件1包含一接觸層(圖未示)位於第二半導體層22及第一層51之間，其中接觸層包含GaN，接觸層包含ㄧ厚度，在此厚度之接觸層實值上能讓自活性層23發出的光穿透並與第一層51形成低電阻接觸，例如歐姆接觸。於本實施例中，接觸層之厚度小於150 埃(Å)或是介於50 埃(Å)及150 埃(Å)之間，當GaN層的膜厚小於100 埃(Å)時，能夠將發光元件1約90%以上的光取出。接觸層所包含的GaN具有p型摻雜質，並具有一摻雜濃度大於1*1020 cm-3 或介於1*1020 及2*1020 cm-3 之間。
於本發明之一實施例中，第二半導體層22包含Alx Ga1-x N，發光元件1包含一接觸層(圖未示)位於第二半導體層22及第一層51之間，接觸層包含Aly Ga1-y N，其中x、y＞0，且x＞y。第二半導體層22包含ㄧ厚度小於1000 埃(Å)或是介於1000 埃(Å)及250 埃(Å)之間。接觸層包含ㄧ厚度小於150 埃(Å)或是介於150 埃(Å)及50 埃(Å)之間。接觸層所包含的AlGaN具有p型摻雜質，並具有一摻雜濃度大於1*1019 cm-3 或介於1*1019 及8*1019 cm-3 之間。
於本發明之一實施例中，第二半導體層22包含Alx Ga1-x N，發光元件1包含一接觸層(圖未示)位於第二半導體層22及第一層51之間，接觸層包含Aly Ga1-y N，其中0.55＜x＜0.65，0.05＜y＜0.1。
於本發明之一實施例中，接觸層所包含的Aly Ga1-y N具有p型摻雜質，例如鎂(Mg)、鋅(Zn)、鎘(Cd)、鈹(Be)、或鈣(Ca)等Ⅱ族元素。並且較佳的，0.01≦y≦0.1。
於本發明之一實施例中，接觸層所包含的Aly Ga1-y N具有p型摻雜質，並具有一摻雜濃度大於1*1019 cm-3 或介於1*1019 及8*1019 cm-3 之間。
於本發明之一實施例中，導電層50與接觸層具有一小於10-3 ohm/cm2 之接觸電阻。
於本發明之一實施例中，第一層51所包含之金屬氧化物包含一金屬，金屬具有多個氧化態，例如氧化鎳(NiOx ) 之鎳原子包含一第一氧化態為+2價及一第二氧化態為+3價。
於本發明之一實施例中，第一層51所包含之金屬氧化物包含一金屬，金屬具有單一氧化態。
於本發明之一實施例中，第一層51所包含之金屬氧化物的金屬與氧的化學計量比(stoichiometry)不等於1。
於本發明之一實施例中，第一層51包含p型摻雜質以降低接觸電阻。
於本發明之一實施例中，第一層51所包含之金屬氧化物具有一能隙大於3eV，較佳大於3.2eV，更佳大於3.4eV。舉例而言，金屬氧化物，例如氧化鎳(NiOx ) ，其能隙約為3.6~4eV。
於本發明之一實施例中，第一層51係整面完全覆蓋於第二半導體層22之上，第一層51包含一厚度小於10奈米，較佳為小於5奈米，更佳為小於2奈米。第一層51具有一厚度變異小於5奈米，較佳為2奈米。於本實施例中，所述第一層51完全覆蓋第二半導體層22之情形係指第二半導體層22之上表面完全為第一層51所覆蓋，而沒有露出第二半導體層22之上表面。
於本發明之一實施例中，第一層51及或第二層52對於200~280奈米之波長具有80%以上之穿透度。
於本發明之一實施例中，第二層52包含透光性材料，例如石墨烯。石墨烯為一種由碳原子以sp2 混成軌域鍵結所組成之六角形的二維平面材料，石墨烯結構中碳-碳鍵約0.142 nm，六角形結構之面積約0.052 nm2 ，單層厚度大小僅僅0.34 nm，具有高於5300 W/m·K的導熱係數，高於15000 cm2 /V·s的電子遷移率，低於10-6 Ω·cm之電阻率
於本發明之一實施例中，第二層52具有一p型摻雜質，p型摻雜質包含鎂(Mg)、鋅(Zn)、鎘(Cd)、鈹(Be)、或鈣(Ca)等Ⅱ族元素。
於本發明之一實施例中，第二層52包含複數個次層，例如2~10層之石墨烯層。
於本發明之一實施例中，石墨烯層由複數個單元所構成，任一個單元包含碳原子組成之六角形，複數個單元彼此相連接形成具扶手椅型(Armchair) 結構的二維平面材料或是鋸齒型(Zigzag) 結構的二維平面材料。
於本發明之一實施例中，，第二層52包含一或複數個石墨烯層，其中每一石墨烯層具有一厚度。
第4圖係為依本發明一實施例之發光裝置2之示意圖。將前述實施例中的發光元件1以打線或以倒裝晶片之形式安裝於封裝基板70之第一墊片711、第二墊片712上。第一墊片711、第二墊片712之間藉由一包含絕緣材料之絕緣部700做電性絕緣。倒裝晶片安裝係將與焊墊形成面相對之成長基板側向上設為主要的光取出面。為了增加發光裝置2之光取出效率，可於發光元件1之周圍設置一反射結構74。
第5圖係為依本發明一實施例之發光裝置3之示意圖。發光裝置3為一球泡燈包括一燈罩602、一反射鏡604、一發光模組610、一燈座612、一散熱片614、一連接部616以及一電連接元件618。發光模組610包含一承載部606，以及複數個發光單元608位於承載部606上，其中複數個發光單元608可為前述實施例中的發光元件1或發光裝置2。
本發明所列舉之各實施例僅用以說明本發明，並非用以限制本發明之範圍。任何人對本發明所作之任何顯而易知之修飾或變更皆不脫離本發明之精神與範圍。
1‧‧‧發光元件
2，3‧‧‧發光裝置
55‧‧‧支撐層
10‧‧‧基板
20‧‧‧半導體疊層
21‧‧‧第一半導體層
22‧‧‧第二半導體層
23‧‧‧活性層
30‧‧‧第一電極
40‧‧‧第二電極
50‧‧‧導電層
51‧‧‧第一層
52‧‧‧第二層
70‧‧‧封裝基板
500‧‧‧載體
711‧‧‧第一墊片
712‧‧‧第二墊片
700‧‧‧絕緣部
74‧‧‧反射結構
602‧‧‧燈罩
604‧‧‧反射鏡
606‧‧‧承載部
608‧‧‧發光單元
610‧‧‧發光模組
612‧‧‧燈座
60‧‧‧絕緣層
614‧‧‧散熱片
616‧‧‧連接部
618‧‧‧電連接元件
第1圖係本發明一實施例中所揭示之一發光元件1的製造方法。
第2圖係本發明一實施例中所揭示之一發光元件1的製造方法。
第3圖係本發明一實施例中所揭示之一發光元件1的結構。
第4圖係本發明一實施例中所 揭示之一發光裝置2的結構。
第5圖係本發明一實施例中所揭示之一發光裝置3的結構。

Claims (10)

  1. 一發光元件，包含： 一半導體疊層具有一第一半導體層，一第二半導體層，以及一可發出UV光之活性層位於該第一半導體層及該第二半導體層之間； 一第一層位於該第二半導體層之上，該第一層包含金屬氧化物；以及 一第二層位於該第一層之上，該第二層包含石墨烯，其中該第一層係整面覆蓋於該第二半導體層之上，該第一層包含一厚度小於10奈米。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的發光元件，其中該金屬氧化物具有一功函數大於4.5eV。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的發光元件，其中該金屬氧化物具有一功函數介於5 eV ~7eV之間。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的發光元件，其中該金屬氧化物包含氧化鎳、氧化銅、氧化鈷。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的發光元件，其中該金屬氧化物包含一金屬，該金屬具有一第一氧化態及一第二氧化態。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的發光元件，其中該UV光包含一波長介於100~290奈米之間。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的發光元件，更包含一接觸層位於該第二半導體層及該第一層之間，其中該第二半導體層包含AlGaN以及該接觸層包含GaN。
  8. 如申請專利範圍第6項所述的發光元件，其中該第一層及/或該第二層與該第二半導體層之間包含一接觸電阻小於10-3 Ω•cm2 。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的發光元件，其中該第一層包含一片電阻值大於該第二層之一片電阻值。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的發光元件，其中該第二層包含複數個次層。
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