TWI626766B - 發光元件 - Google Patents
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Abstract
一種發光元件包含一磊晶結構。磊晶結構包含一第一型半導體層、一第二型半導體層與一發光層。第一型半導體層包含一第一子半導體層。發光層設置於第一型半導體層與第二型半導體層之間。第一子半導體層具有摻雜第一型摻雜物的一高摻雜部與一低摻雜部。高摻雜部的摻雜濃度大於10
17原子數/立方公分且小於等於10
18原子數/立方公分。低摻雜部的摻雜濃度的小於等於10
17原子數/立方公分。
Description
本發明係關於一種發光元件，特別關於一種具有高摻雜濃度部與低摻雜濃度部的發光二極體。
發光二極體(light emitting diode, LED)作為高效率的發光元件，被廣泛的使用在各種領域。目前習用的發光二極體製造方法是透過磊晶的方式，在基板上依序形成N型半導體層、發光層與P型半導體層，藉此得到發光二極體的磊晶結構。
在發光二極體的磊晶結構中，由於基板、N型半導體層、發光層與P型半導體層的組成材料各不相同，各個材料之間的晶格不匹配(lattice mismatch)使得各個接面累積了大量的應力(stress)。再者，當半導體層被摻雜了大量的摻雜物時，摻雜物也會壓迫與干擾半導體層的晶格的正常排列，導致應力累積在晶格中。當接面或是晶格中累積的應力過高時，磊晶結構的接面上或是晶格中將形成缺陷(defect)以釋放累積的應力。然而，這些缺陷的存在將使發光二極體出現漏電流提高或是崩潰電壓下降等問題，導致發光二極體的可靠度下降。
本發明旨在提供一種發光元件，特別是一種具有應力調節結構的發光元件，用以減少應力累積產生的缺陷，進而解決缺陷所導致的發光二極體可靠度下降的問題。
依據本發明一實施例的發光元件，包含磊晶結構。磊晶結構包含第一型半導體層、第二型半導體層與發光層。第一型半導體層包含第一子半導體層。發光層設置於第一型半導體層與第二型半導體層之間。第一子半導體層具有摻雜第一型摻雜物的高摻雜部與低摻雜部。高摻雜部的第一型摻雜物的摻雜濃度大於10
17原子數/立方公分且小於等於10
18原子數/立方公分。低摻雜部的第一型摻雜物的摻雜濃度小於等於10
17原子數/立方公分。
綜上所述，本發明一實施例的發光元件透過具有摻雜濃度差異大的高摻雜部與低摻雜部，降低磊晶結構中的應力累積，進而降低磊晶結構中的缺陷數量。如此一來，缺陷所導致發光元件可靠度下降的問題得到了解決。
以上之關於本揭露內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本發明之精神與原理，並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。
以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。
首先說明本發明第一實施例的發光元件1，請參照圖1與圖2。圖1為本發明第一實施例的發光元件的剖面示意圖。圖2為本發明第一實施例的摻雜濃度分布的示意圖。本發明第一實施例的發光元件1包括磊晶結構。磊晶結構包括第一型半導體層400、第二型半導體層500、以及設置於第一型半導體層400與第二型半導體層500之間的發光層300。磊晶結構的厚度T以不超過6微米為佳，且磊晶結構的厚度通常大於1微米，太厚或太薄都將影響後續製程的良率。發光元件1的最大寬度尺寸介於1到100微米之間，較佳是介於3到30微米之間，亦即第一實施例中的發光元件1為一微米級的微型發光元件(Micro LED)。
第一型半導體層400與第二型半導體層500的摻雜類型不同。舉例來說，第一型半導體層400中主要摻雜的是第一型摻雜物，第一型摻雜物包括IVA族元素，例如是矽(Si)、碳(C)或鍺(Ge)，因此第一型半導體層400為N型摻雜的半導體層。第二型半導體層500中主要摻雜的是第二型摻雜物，第二型摻雜物包括摻雜IIA族元素，例如是鎂(Mg)，因此第二型半導體層為P型摻雜的半導體層。以下將以第一型半導體層400為N型摻雜的半導體層，第二型半導體層500為P型摻雜的半導體層，說明本發明第一實施例的發光元件1。
發光層300例如為多重量子井(multiple quantum well，MQW)結構。發光層300的材料例如為In
yGa
1-yN，0≦y＜1。於本發明第一實施例中，發光層300包括多層氮化銦鎵(InGaN)以及多層氮化鎵(GaN)構成的多重量子井結構，但不以此為限。發光層300的厚度介於0.1微米至1微米之間，但不以此為限。
第一型半導體層400包括第一子半導體層410。第一子半導體層410的材料為三元半導體材料，例如是In
xGa
1-xN，0＜X＜1，但不以此為限。第一子半導體層410的厚度例如為50奈米(nm)至250奈米，過厚將影響發光元件的磊晶品質，但不以此為限。於本發明第一實施例中，第一子半導體層410的材料為氮化銦鎵(InGaN)，相較於其他材料可具有較佳的應力釋放效果。第一子半導體層410的厚度為200奈米。於本發明其他實施例中，第一子半導體層的厚度可為75奈米、100奈米、150奈米、或225奈米。特別說明的是，於本發明第一實例中，第一子半導體層410為一單層半導體層。詳細來說，在電子顯微鏡或二次離子質譜儀(SIMS)的影像中，第一子半導體層410中的各個區域具有一致的明暗度。
本發明第一實施例之第一子半導體層410的第一型摻雜物的摻雜濃度分布請參照圖2，第一子半導體層410具有摻雜第一型摻雜物的至少一高摻雜部411與至少一低摻雜部412。第一型摻雜物為第一子半導體層410中的主要摻雜物。其中，低摻雜部412的摻雜濃度小於等於10
17原子數/立方公分(atoms/cm
3)，較佳是低摻雜部412的摻雜濃度小於等於5×10
16原子數/立方公分，更佳是低摻雜部412的摻雜濃度小於等於10
16原子數/立方公分。特別說明的是，低摻雜部412的摻雜濃度可趨近於未摻雜，在此並不為限。高摻雜部411的摻雜濃度為大於10
17原子數/立方公分且小於等於10
18原子數/立方公分，較佳是高摻雜部411的摻雜濃度為大於5×10
17原子數/立方公分且小於等於10
18原子數/立方公分，更佳是高摻雜部411的摻雜濃度為大於8×10
17原子數/立方公分且小於等於10
18原子數/立方公分。此處，高摻雜部411的摻雜濃度與低摻雜部412的摻雜濃度的比值大於10。較佳是，高摻雜部411的摻雜濃度與低摻雜部412的摻雜濃度的比值大於等於10
2。透過具有摻雜濃度差異大的高摻雜部411與低摻雜部412，磊晶時產生的應力被降低。特別說明的是，高摻雜部411的摻雜濃度與低摻雜部412的摻雜濃度的比值例如是以高摻雜部411中的摻雜濃度最高的濃度與低摻雜部412中的摻雜濃度最低的濃度做比較。本發明第一實施例的發光元件中，第一型半導體層410為N型半導體層，第一子半導體層410的高摻雜部411與低摻雜部412的摻雜濃度均為第一型摻雜物的摻雜濃度，第一型摻雜物為矽，但不以此為限。
於本發明第一實施例中，低摻雜部412設置於高摻雜部411與發光層300之間，但不以此為限。於本發明其他實施例中，高摻雜部可設置於低摻雜部與發光層之間。
於本發明第一實施例中，高摻雜部與低摻雜部的數量均為一。此處在一垂直發光元件1的方向中，低摻雜部412覆蓋高摻雜部411，亦即低摻雜部412與高摻雜部411是在磊晶成長第一子半導體層410時的不同階段形成，但不以此為限。於本發明第一實施例中，以第一型半導體層400接觸發光層300的表面往遠離發光層300的方向為基準，厚度D1至D4的部分對應的是第一型半導體層400，厚度D2至D3的部分對應的是低摻雜部412，厚度D3至D4的部分對應的是高摻雜部411。低摻雜部412設置於高摻雜部411與發光層300之間，但不以此為限。於本發明其他實施例中，高摻雜部411可設置於低摻雜部412與發光層300之間。
於本發明第一實施例中，低摻雜部412的厚度(D2-D3)佔第一子半導體層410的厚度(D1-D4)的10%至95%。較佳是，低摻雜部412的厚度佔第一子半導體層410的厚度的60%至95%。更佳是，低摻雜部412的厚度佔第一子半導體層410的厚度的80%至95%。低摻雜部412的厚度佔第一子半導體層410的厚度的比例越高，可使本發明的發光元件1具有更佳的電性。於本發明其他實施例中，第一子半導體層可具有多個高摻雜部與多個低摻雜部，且多個高摻雜部與多個低摻雜部彼此交錯排列，低摻雜部的總厚度佔第一子半導體層的厚度的10%至95%，較佳是低摻雜部的總厚度佔第一子半導體層的厚度的60%至95%，更佳是低摻雜部的總厚度佔第一子半導體層的厚度的80%至95%。
第二型半導體層500設置於發光層300遠離第一型半導體層400的一側。第二型半導體層500的材料可包括Ⅲ-Ⅴ族氮化物材料，例如氮化鎵(GaN)、氮化鋁(AlN)、氮化銦(InN)、氮化銦鎵(InGaN)、氮化鋁鎵(AlGaN)或氮化鋁銦鎵(AlInGaN)。第二型半導體層500的材料較佳為氮化鎵層(GaN)或氮化鋁鎵(AlGaN)。第二型摻雜物為第二型半導體層500中的主要摻雜物。於本發明第一實施例中，第二型半導體層500為P型半導體層，第二型摻雜物為鎂，但不以此為限。
由於在單一層的第一子半導體層410中，同時具有高摻雜部411與低摻雜部412，且高摻雜部411的摻雜濃度與低摻雜部412的摻雜濃度的具有較大的差異，低摻雜部412的晶格排列受摻雜物干擾的程度低於高摻雜部412的晶格排列受摻雜物干擾的程度。如此一來，低摻雜部412的晶格中累積的應力小於高摻雜部411的晶格中累積的應力，磊晶結構中累積的應力在第一子半導體層410的低摻雜部412中得到緩衝與釋放，避免大量的應力繼續累積到發光層300中。低摻雜部412的厚度佔第一子半導體層410的厚度的比例越高，低摻雜部412對應力的緩衝與釋放效果越佳。透過設置於第一子半導體層410中的低摻雜部412，發光層300因應力累積而產生的缺陷減少，使得發光層300中的缺陷密度例如是介於10
4/cm
2至10
8/cm
2之間。藉此，發光元件1的發光均勻性、發光強度與崩潰電壓得到提高，漏電流情況得到改善，使得發光元件整體的電性表現與可靠度都得到提升。
接下來說明本發明第二實施例的發光元件，請參照圖3至圖5。圖3為本發明第二實施例的發光元件的剖面示意圖。圖4為本發明第二實施例的摻雜濃度分布的示意圖。圖5為本發明第二實施例中的磊晶結構與基板的剖面示意圖。發光元件包含第一電極100、第二電極200、以及設置於第一電極100與第二電極200之間的磊晶結構。第一電極100與第二電極200例如為高功函數金屬如鉑、鎳、鈦、金、鉻、銀、上述之合金及上述材料之組合、金屬氧化物如氧化銦錫及氧化鋅、或是導電的非金屬材料如導電高分子、石墨、石墨烯及黑磷。高功函數金屬例如為功函數不小於4.5電子伏特的金屬材料。本發明第二實施例的發光元件2為垂直式發光元件，磊晶結構設置於第一電極100與第二電極200之間，但不以此為限。於本發明其他實施例中，發光元件亦可為水平式發光元件或是其他類型的發光元件。發光元件2的最大寬度尺寸介於1到100微米之間，較佳是介於3到30微米之間，亦即第二實施例中的發光元件2為一微米級的微型發光元件(Micro LED)。再者，本發明第二實施例的發光元件2的一外部量子效率曲線的一最大峰值電流密度，較佳地，介於0.01 A/cm
2至2 A/cm
2之間。意即，本發明的發光元件適於在低電流密度的情況下操作。
請參照圖3，磊晶結構包含發光層300、設置於發光層300與第一電極100之間的第一型半導體層400、以及設置於發光層300與第二電極200之間的第二型半導體層500。磊晶結構的厚度T以不超過6微米為佳，且磊晶結構的厚度T通常大於1微米，太厚或太薄都將影響後續製程的良率。以下將以第一電極為100為N型電極，第二電極為200為P型電極，第一型半導體層400為N型摻雜的半導體層，第二型半導體500為P型摻雜的半導體層，說明本發明第二實施例的發光元件2。
本發明第二實施例的發光層300相似於本發明第一實施例的發光層300，有關發光層300的說明在此便不再贅述。
第一型半導體層400除了包含第一子半導體層410外，更包含設置於第一電極100與第一子半導體層410之間的第二子半導體層420、設置於發光層300與第一子半導體層410之間的載子提供層430、以及設置於第二子半導體層420遠離第一子半導體層410的一側的電流擴散層440。
第一子半導體層410的材料相似於本發明第一實施例的第一子半導體層410的材料，在此便不再贅述。本發明第二實施例之發光元件2的第一型摻雜物的摻雜濃度分布請參照圖4，第一子半導體層410具有至少一高摻雜部分411與至少一低摻雜部分412。於本發明第二實施例中，以第二型半導體層500遠離發光層300的表面往第一型半導體層400的方向為基準，厚度D1至D4的部分對應的是第一型半導體層400，厚度D2至D3的部分對應的是低摻雜部分412，厚度D3至D4的部分對應的是高摻雜部分411。厚度D5至D6的部分對應的是發光層300。厚度D6至D1的部分對應的是載子提供層430。厚度D4至D7的部分對應的是第二子半導體層420。厚度D7往遠離厚度D4方向的部分是電流擴散層440。
於本發明第二實施例中，高摻雜分411設置於低摻雜部412與第二半導體層420之間，但不以此為限。於本發明其他實施例中，低摻雜部可設置於高摻雜部與第二型半導體層之間。本發明第二實施例之高摻雜部411與低摻雜部412的摻雜濃度關係以及厚度關係相似於本發明第一實施例之高摻雜部411與低摻雜部412的摻雜濃度關係與厚度關係，在此便不再加以贅述。
第二子半導體層420設置於第一電極100與第一子半導體層410之間。第二子半導體層420的材料例如為Al
rIn
sGa
1-r-sN，r≧0，s≧0且1≧r＋s≧0，但不以此為限。第二子半導體層420的厚度例如為50奈米(nm)至100奈米，但不以此為限。於本發明第二實施例中，第二子半導體層420的材料為氮化鎵(GaN)，第二子半導體層420的厚度為80奈米。於本發明其他實施例中，第二子半導體層的材料為InGaN、AlGaN或AlInGaN。特別說明的是，第二子半導體層420可以為一單層半導體層。
第二子半導體層420中包含有第一型摻雜物。於本發明第二實施例中，第二子半導體層420為N型半導體層，第一型摻雜物為矽，但不以此為限。第二子半導體層420中的第一型摻雜物的摻雜濃度高於高摻雜部411中的第一型摻雜物的摻雜濃度。更進一步於第二子半導體層420中，第一型摻雜物的摻雜濃度大於10
18原子數/立方公分且小於等於10
20原子數/立方公分，較佳的，第一型摻雜物的摻雜濃度大於10
18原子數/立方公分且小於等於10
19原子數/立方公分。於本發明第二實施例中，第二子半導體層420的位置對應圖4中厚度D4至D7的部分。由於第二子半導體層420的摻雜濃度高於第一子半導體層410中的高摻雜部411的摻雜濃度，第二子半導體層420可進一步增加第一型半導體層400中的載子數量，藉此進一步提升發光層300的發光強度。
載子提供層430設置於發光層300與第一子半導體層410之間。載子提供層430的材料例如為Al
rIn
sGa
1-r-sN，r≧0，s≧0且1≧r＋s≧0，但不以此為限。載子提供層430的厚度例如為10奈米(nm)至30奈米，過厚會使後續磊晶成長的半導體層產生缺陷。於本發明第二實施例中，載子提供層430的材料為氮化鎵(GaN)，載子提供層430的厚度為20奈米。於本發明其他實施例中，載子提供層的材料為InGaN、AlGaN或AlInGaN。特別說明的是，載子提供層430可以為一單層半導體層。
載子提供層430中包含有第一型摻雜物與第二型摻雜物，且第一型摻雜物的摻雜濃度大於第二型摻雜物的摻雜濃度。於本發明第二實施例中，載子提供層430為N型半導體層，第一型摻雜物為矽，第二型摻雜物為鎂，但不以此為限。載子提供層430中第一型摻雜物的摻雜濃度高於高摻雜部411中第一型摻雜物的摻雜濃度。更進一步於載子提供層430中，第一型摻雜物的摻雜濃度大於10
18原子數/立方公分且小於等於10
20原子數/立方公分，較佳的，第一型摻雜物的摻雜濃度大於10
18原子數/立方公分且小於等於10
19原子數/立方公分。載子提供層430中的第二型摻雜物的摻雜濃度小於10
18原子數/立方公分。於本發明其他實施例中，載子提供層中可僅有第一型摻雜物。由於載子提供層430中第一型摻雜物的摻雜濃度高於高摻雜部411中第一型摻雜物的摻雜濃度，載子提供層430可進一步增加第一型半導體層400中的載子數量，藉此進一步提升發光層300的發光強度。
電流擴散層440設置於第二子半導體層420遠離第一子半導體層的一側。電流擴散層440的材料為Al
rIn
sGa
1-r-sN，r≧0，s≧0且1≧r＋s≧0。電流擴散層440的厚度例如為1微米(μm)至3微米，但不以此為限。電流擴散層440中第一型摻雜物的摻雜濃度相異於第二子半導體層420中第一型摻雜物的摻雜濃度。電流擴散層440中大部分的區域，第一型摻雜物的摻雜濃度較佳為大於第二子半導體層420中第一型摻雜物的摻雜濃度。於本發明第二實施例中，電流擴散層440的材料為GaN，且電流擴散層440為厚度2微米的N型摻雜半導體層，第二型摻雜物為矽，第二型摻雜物的摻雜濃度大於10
19原子數/立方公分，但不以此為限。
於本發明第二實施例中，電流擴散層440設置於第一電極100與第二子半導體層420之間，但不以此為限。於本發明其他實施例中，第一電極與第二子半導體層亦可設置於電流擴散層的同一側。在電流擴散層440的幫助下，由第一電極100進入電流擴散層440的電流可被更均勻的散佈至第一型半導體層400中，進而使發光層300的發光強度分布更為均勻。
於本發明第二實施例中，第一子半導體層410、第二子半導體層420、載子提供層430與電流擴散層440中摻雜的第一型摻雜物均為矽，但不以此為限。於本發明其他實施例中，第一子半導體層、第二子半導體層、載子提供層與電流擴散層中摻雜的第一型摻雜物可為相異的第一型摻雜物，而第一型摻雜物可為矽或碳。
第二子半導體層420與電流擴散層440中摻雜了大量的摻雜物，使得第二子半導體層420與電流擴散層440的晶格排列受到摻雜物干擾，導致應力累積在第二子半導體層420與電流擴散層440的晶格中。由於第一子半導體層410中，高摻雜部411的摻雜濃度與低摻雜部412的摻雜濃度的差異大，低摻雜部412的晶格排列受摻雜物干擾的程度低於高摻雜部411的晶格排列受摻雜物干擾的程度。如此一來，低摻雜部412的晶格中累積的應力小於高摻雜部411的晶格中累積的應力。
第二子半導體層420與電流擴散層440中累積的應力在第一子半導體層410的低摻雜部412中得到緩衝與釋放，避免大量的應力繼續累積到載子提供層430與發光層300中。低摻雜部412的厚度佔第一子半導體層410的厚度的比例越高，低摻雜部412對應力的緩衝與釋放效果越佳。透過設置於第一子半導體層410中的低摻雜部412，發光層300因應力累積而產生的缺陷減少，發光元件2的發光均勻性、發光強度與崩潰電壓得到提高，漏電流情況得到改善，使得發光元件整體的電性表現得到提升。
第二型半導體層500設置於發光層300遠離第一型半導體層400的一側。第二型半導體層500的材料可包括Ⅲ-Ⅴ族氮化物材料如氮化鎵(GaN)、氮化鋁(AlN)、氮化銦(InN)、氮化銦鎵(InGaN)、氮化鋁鎵(AlGaN)或氮化鋁銦鎵(AlInGaN)。第二型半導體層500的材料較佳為氮化鎵層(GaN)或氮化鋁鎵(AlGaN)。於本發明第二實施例中，第二型半導體層500為P型半導體層，第二型摻雜物為鎂，第二型摻雜物的摻雜濃度介於10
19原子數/立方公分至10
20原子數/立方公分，但不以此為限。於本發明第二實施例中，第二電極200設置於第二型半導體層500遠離發光層300的一側，但不以此為限。
磊晶結構是透過半導體製程設置於基板600的緩衝層700。基板600、緩衝層700與磊晶結構的堆疊順序示意圖請參照圖5。詳細來說，第二子半導體層420、第一子半導體層410、載子提供層430、發光層300與第二型半導體層500依序一層一層的被設置於緩衝層700遠離基板600的一側以得到本發明第二實施例中的磊晶結構。
基板600的材料例如為藍寶石、矽、碳化矽、玻璃、陶瓷、其他晶格結構與緩衝層700的晶格結構相匹配的材料，但不以此為限。於本發明其他實施例中，當基板材料的晶格結構與電流擴散層的晶格結構相匹配時，電流擴散層可直接形成於基板上。
緩衝層700設置於基板600表面。緩衝層700的材料例如為未刻意摻雜的氮化鎵(GaN)，但不以此為限。緩衝層700的晶格結構與基板600的晶格結構之間的晶格匹配度，以及緩衝層700的晶格結構與電流擴散層440的晶格結構之間的晶格匹配度，兩者均高於基板600的晶格結構與電流擴散層440的晶格結構之間的晶格匹配度。藉此，使電流擴散層440的晶格排列較為整齊，電流擴散層440中的缺陷數量因此下降，使得電流擴散層300中的電流分布較為均勻。於未繪示出的一實施例中，緩衝層700與基板600間更可包括一與基板600的晶格結構相匹配的成核層，例如是未刻意摻雜的氮化鋁(AlN)，可使後續磊晶結構的晶格排列更為整齊。
於本發明第二實施例的發光元件2中，第一型半導體層400為N型摻雜的半導體層，第一型半導體層400中摻雜物的濃度為N型摻雜物的濃度，第二型半導體500為P型摻雜的半導體層，第一電極100為N型電極，第二電極200為P型電極，但不以此為限。於本發明其他實施例的發光元件中，第一型半導體層為P型摻雜的半導體層，第一型半導體層中摻雜物的濃度為P型摻雜物的濃度，第二型半導體層為N型摻雜的半導體層，第一電極為P型電極，第二電極為N型電極。
接下來說明本發明第三實施例的發光元件3，請參照圖6。圖6為本發明第三實施例的發光元件的剖面示意圖。本發明第三實施例的發光元件3相似於本發明第二實施例的發光元件2，但本發明第三實施例的發光元件3未設置第二子半導體層與載子提供層。
詳細來說，本發明第三實施例的發光元件3為垂直式發光元件，包括第一電極100、第二電極200、設置於第一電極100與第二電極200之間的發光層300、設置於第一電極100與發光層300之間的第一子半導體層410、設置於第一電極100與第一子半導體層410之間的電流擴散層440、以及設置於第二電極200與發光層300之間的第二型半導體層500。
接下來說明本發明第四實施例的發光元件4，請參照圖7。圖7為本發明第四實施例的發光元件的剖面示意圖。本發明第四實施例的發光元件4相似於本發明第二實施例的發光元件2，但本發明第四實施例的發光元件4未設置載子提供層。
詳細來說，本發明第四實施例的發光元件4為垂直式發光元件，包括第一電極100、第二電極200、設置於第一電極100與第二電極200之間的發光層300、設置於第一電極100與發光層300之間的第一子半導體層410、設置於第一電極100與第一子半導體層410之間的第二子半導體層420、設置於第一電極100與第二子半導體層420之間的電流擴散層440、以及設置於第二電極200與發光層300之間的第二型半導體層500。
接下來說明本發明第五實施例的發光元件5，請參照圖8。圖8為本發明第五實施例的發光元件的剖面示意圖。本發明第五實施例的發光元件5相似於本發明第二實施例的發光元件2，但本發明第四實施例的發光元件4未設置第二子半導體層。
詳細來說，本發明第五實施例的發光元件5為垂直式發光元件，包括第一電極100、第二電極200、設置於第一電極100與第二電極200之間的發光層300、設置於第一電極100與發光層300之間的第一子半導體層410、設置於發光層300與第一子半導體層410之間的載子提供層430、設置於第一電極100與第一子半導體層410之間的電流擴散層440、以及設置於第二電極200與發光層300之間的第二型半導體層500。
接下來說明本發明第六實施例的發光元件6，請參照圖9。圖9為本發明第六實施例的發光元件的剖面示意圖。本發明第六實施例的發光元件6相似於本發明第二實施例的發光元件2。
詳細來說，本發明第六實施例的發光元件6為水平式發光元件，包括電流擴散層440、第二型半導體層500、設置於電流擴散層440與第二型半導體層500之間的發光層300、設置於電流擴散層440與發光層300之間的第一子半導體層410、設置於電流擴散層440與第一子半導體層之間的第二子半導體層420、設置於發光層300與第一子半導體層410之間的載子提供層430、連接電流擴散層440的第一電極100、以及連接第二型半導體層500的第二電極200。第一電極100與第二子半導體層420設置於電流擴散層440的同一側。進一步來說，第二子半導體層420設置並覆蓋於電流擴散層440朝向發光層300的一部分表面，第一電極100設置並覆蓋於電流擴散層440朝向發光層300的另一部分表面。
接下來說明本發明第七實施例的發光元件7，請參照圖10。圖10為本發明第七實施例的發光元件的剖面示意圖。本發明第七實施例的發光元件7相似於本發明第二實施例的發光元件2。
發光元件包括電流擴散層440、第二型半導體層500、設置於電流擴散層440與第二型半導體層500之間的發光層300、設置於電流擴散層440與發光層300之間的第一子半導體層410、設置於電流擴散層440與第一子半導體層之間的第二子半導體層420、設置於發光層300與第一子半導體層410之間的載子提供層430、連接電流擴散層440的第一電極100、以及連接第二型半導體層500的第二電極200。第一電極100與第二子半導體層420設置於電流擴散層440的同一側。
詳細來說，磊晶結構具有貫穿第二子半導體層420、第一子半導體層410、載子提供層430、發光層300與第二型半導體層500的一貫孔A，且電流擴散層440暴露於貫孔A中。一絕緣層B設置於貫孔A的側壁面。絕緣層B的材料例如為介電質薄膜或高分子材料。舉例來說，絕緣層B的材料例如為氧化鋁（Al
2O
3）、氧化矽（SiO
2）或氮化矽（Si
3N
4）及上述材料之組合。特別說明的是，絕緣層B的材料的楊氏係數小於磊晶結構、第一電極100及第二電極200上述任一的楊氏係數，因此在後續接合發光元件7到一應用裝置(未繪示，例如是顯示背板)時可透過形變度較大的絕緣材料做為接合時的緩衝。第一電極100設置並電性連接於暴露在貫孔A中的電流擴散層440，且第一電極100貫穿第二子半導體層420、第一子半導體層410、載子提供層430、發光層300與第二型半導體層500。第一電極100透過絕緣層B電性絕緣於第二子半導體層420、第一子半導體層410、載子提供層430、發光層300與第二型半導體層500。
綜上所述，本發明之發光元件透過高摻雜部的摻雜濃度與低摻雜部的摻雜濃度差異大，使得低摻雜部累積的應力小於高摻雜部，進而使第一型半導體層中累積的應力在低摻雜部得到緩衝與釋放，避免大量的應力繼續累積到發光層中。如此一來，發光層因應力累積而產生的缺陷減少，發光層的發光均勻性、發光強度與崩潰電壓得到提高，漏電流情況改善，使得發光元件整體的電性表現與可靠度均得到提升。
雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。
1、2、3、4、5、6、7‧‧‧發光元件
100‧‧‧第一電極
200‧‧‧第二電極
300‧‧‧發光層
400‧‧‧第一型半導體層
410‧‧‧第一子半導體層
411‧‧‧高摻雜部
412‧‧‧低摻雜部
420‧‧‧第二子半導體層
430‧‧‧載子提供層
440‧‧‧電流擴散層
500‧‧‧第二型半導體層
600‧‧‧基板
700‧‧‧緩衝層
A‧‧‧貫孔
B‧‧‧絕緣層
T‧‧‧厚度
圖1為本發明第一實施例的發光元件的剖面示意圖。 圖2為本發明第一實施例的摻雜濃度分布的示意圖。 圖3為本發明第二實施例的發光元件的剖面示意圖。 圖4為本發明第二實施例的摻雜濃度分布的示意圖。 圖5為本發明第二實施例中的磊晶結構與基板的剖面示意圖。 圖6為本發明第三實施例的發光元件的剖面示意圖。 圖7為本發明第四實施例的發光元件的剖面示意圖。 圖8為本發明第五實施例的發光元件的剖面示意圖。 圖9為本發明第六實施例的發光元件的剖面示意圖。 圖10為本發明第七實施例的發光元件的剖面示意圖。
Claims (22)
- 一種發光元件，包含：一磊晶結構，包含：一第一型半導體層，包含一第一子半導體層；一第二型半導體層；以及一發光層，設置於該第一型半導體層與該第二型半導體層之間；其中，該第一子半導體層為一單層半導體層且同時具有摻雜一第一型摻雜物的一高摻雜部與一低摻雜部，該高摻雜部的該第一型摻雜物的摻雜濃度大於1017原子數/立方公分且小於等於1018原子數/立方公分，該低摻雜部的該第一型摻雜物的摻雜濃度小於等於1017原子數/立方公分。
- 如請求項1的發光元件，其中該高摻雜部的該第一型摻雜物的摻雜濃度與該低摻雜部的該第一型摻雜物的摻雜濃度的比值大於10。
- 如請求項1的發光元件，更包含：一第一電極；以及一第二電極；其中該磊晶結構設置於該第一電極與該第二電極之間，該第一型半導體層設置於該發光層與該第一電極之間，該第一型半導體層更包含一電流擴散層，該電流擴散層設置於該第一子半導體層與該第一電極之間。。
- 如請求項1的發光元件，其中該第一子半導體層的厚度為50奈米至250奈米。
- 如請求項4的發光元件，其中該低摻雜部的厚度佔該第一子半導體層的厚度的10%至95%。
- 如請求項5的發光元件，其中該低摻雜部的厚度佔該第一子半導體層的厚度的60%至95%。
- 如請求項1的發光元件，其中該第一子半導體層的材料為一三元半導體材料。
- 如請求項7的發光元件，其中該三元半導體材料為氮化銦鎵(InGaN)。
- 如請求項1的發光元件，其中該第一型半導體層更包含一第二子半導體層，該第一子半導體層設置於該發光層與該第二子半導體層之間，該第二子半導體層中的一第一型摻雜物的摻雜濃度大於該高摻雜部的該第一型摻雜物的摻雜濃度。
- 如請求項9的發光元件，其中該第二子半導體層的該第一型摻雜物的摻雜濃度大於1018原子數/立方公分且小於等於1020原子數/立方公分。
- 如請求項9的發光元件，其中該第二子半導體層的厚度為50奈米至100奈米。
- 如請求項9的發光元件，其中該第二子半導體層的材料為AlrInsGa1-r-sN，r≧0，s≧0且1≧r+s≧0。
- 如請求項12的發光元件，其中該第二子半導體層的材料為氮化鎵(GaN)。
- 如請求項1的發光元件，其中該第一型半導體層更包含一載子提供層，設置於該第一子半導體層與該發光層之間，該載子提供層中的一第一型摻雜物的摻雜濃度大於該高摻雜部的該第一型摻雜物的摻雜濃度。
- 如請求項14的發光元件，其中該載子提供層的該第一型摻雜物的摻雜濃度大於1018原子數/立方公分且小於等於1020原子數/立方公分。
- 如請求項14的發光元件，其中該載子提供層的厚度為10奈米至30奈米。
- 如請求項14的發光元件，其中該載子提供層的材料為AlrInsGa1-r-sN，r≧0，s≧0且1≧r+s≧0。
- 如請求項17的發光元件，其中該載子提供層的材料為氮化鎵(GaN)。
- 如請求項14的發光元件，其中該載子提供層中更包含一第二型摻雜物，其中該第一型摻雜物為N型摻雜物，且該第二型摻雜物為P型摻雜物，且該第一型摻雜物的摻雜濃度大於該第二型摻雜物的摻雜濃度。
- 如請求項1至請求項19中任一項所述的發光元件，其中該低摻雜部的該第一型摻雜物的摻雜濃度小於等於1016原子數/立方公分。
- 如請求項1至請求項19中任一項所述的發光元件，其中該第一型摻雜物均為N型摻雜物。
- 如請求項1至請求項19中任一項所述的發光元件，其中該磊晶結構的厚度小於等於6微米。
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