TWI249966B - Light-emitting device having porous light-emitting layer - Google Patents

Description

1249966 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種發光元件，詳言之，係關於一種具有 多孔性發光層之發光元件。 【先前技術】 近年來隨著發光二極體之售價越趨便宜，各種利用發光 一極體輕薄短小，省電，多彩化特性之應用產品越來越普 遍，如各種電子儀器裝飾輔助背光，汽車儀表版，公共場 所裝飾燈，各種室内指示燈，商店看板廣告燈等。展望未 來，利用固態發光二極體取代所有既有發光元件已並非夢 想。 回顧發光二極體之發展歷史，其最早之發光層結構為簡 單之P、N結合，但由於電子，電洞復合機率不高，因此效 率欠佳。自從人們知道如何利用量子工程（Quantum engmeering)或稱能障（Energy band Gap)工程來製作具有異 質介面之量子井結構發光層結構後，發光二極體之發光效 率因而被大幅度改善。 一阻障層11及第二阻障層）所包含 構可提供一度空間之載子侷限， 參考圖1所示，習知之量子井發光層10具有一量子井結構 12、一第一阻障層丨丨及一第二阻障層（圖未示出該第一阻 障層11在该ΐ子井結構12之下；該第二阻障層在該量子井 結構12之上。量子井發光層10係為利用成長有限厚度之低 能障材料（量子井結構12)被上下兩層具有較大能障材又料（第 。以能障角度來看，此結 因此可有效將載子侷限 95926.doc 1249966 (trap)在此低能障之量子井結構内。 但是其缺點為雖然此量子井可將大部分之載子捕獲進而 偏限在井内無法跳出，但是此載子依然有兩度空間之載子 活動能力，因此導致量子井性能受到限制。其中包括驅動 電塵無法進-步降低，抗靜電能力無法有效提升，發光效 率受限於量子井有限之載子復合效率等缺點。此外雖然發 光二極體發展至今已是非常商業化之產品，但市場上所見 之發光二極體依然侷限於單晶片單波長之特性。 因此，有必要提供一種創新且具進步性的發光元件，以 解決上述問題。 【發明内容】 本發明之目的在於提供一種具多錄發光層之發光元 件’包括：一基板、一第一導電性披覆層、一第二導電性 披覆層及至少-多孔性發光層。該多孔性發光層形成於該 第一導電性披覆層及該第二導電性披覆層之間，該多孔性 發光層具有-上阻障層、一下阻障層及一載子侷限層，該 載子侷限層係於該上阻障層及下阻障層之間，該載;侷: 層具有複數個山形結構，該等山形結構界定複數個山谷形 結構，該載子侷限層係為含銦之氮化物結構，該载子侷限 層之能障小於該上阻障層及該下阻障層之能障。 利用本發明之發光元件，其元件驅動電壓可大幅下降， 因此可利用此發光層結構來減少於發光層中之摻雜濃度而 不影響驅動電壓，進而可得到較佳之晶體結構進而改$抗 靜電能力與元件可靠度。 95926.doc 1249966 再者，本發明之發光元件 J成長不同波長之複數層多孔 性發光層，以有效提升發朵分 开^九兀件之性能，更可實現單晶片 混光元件，同時具有高發光#^ 七尤政盈、尚可靠度、高混光調變 f生及低成本等特性。並且，本發明之多孔性發光層結構可 克服習知技術上發光元件僅能發光單—波長之缺點，本發 明之發光元件可實現將不同^ # u七九頻譜之發光層結合而產生 有效率，高彈性混光比例之元件。 【實施方式】 由研究發現利用習知量子井平面結構已無法進一步改良 PN結合特性。因此，太私日日戸弓义* ^月開务出具有多孔性結構之發光 層來改進發光二極體特性。此想法為希望利用創造一不同 於傳統平面連續結構之量子井發光層，改之以一具有多孔 性發光層結構來以改進發光元件之特性。 參考圖2及圖3所示，一多孔性發光層結構30包括-載子 侷限層3卜一下阻障層32及一上阻障層（圖未示出）。該下阻 障層32在耗子偈限層取下；該上轉層在該載子僞限 層31之上。其中，該下阻障層32為具較大能障之材料，如 氮化鎵（GaN)，在該下阻障層32上成長該載子侷限層31，該 載子侷限層3 1係為具較低能障之材料（較該下阻障層32之 月b障低），如氮化銦鎵（InGaN)。同時利用控制成長溫度， 氣體分壓等，使該载子侷限層31具有複數個山形結構311、 312、313等，該等山形結構311、312、313界定複數個山谷 形結構33卜332等。例如··山谷形結構331係於至少二山形 結構311、312之間。該等山谷形結構331、332之形狀為多 95926.doc 1249966 與貫際結構之尺寸比例有所差異。 請參閱圖4，其顯示本發明第一實施例之具有多孔性發光 層之發光元件50之構造。該發光元件50包括：一基板41、 一緩衝層42、一第一導電性披覆層（cia(jding layer)43、五層 多孔性發光層51、52、53、54及55以及一第二導電性披覆 層44 〇 該發光元件50另包括二電極45、46，以供與外界電源連 接’此較佳之實施材料為金（Au)。該緩衝層42係形成於該 基板41上。該第一導電性披覆層43係形成於該緩衝層42 上，該第一導電性披覆層43可為N型披覆層用以提供電子。 該第二導電性被覆層44形成於該量子點發光層37之上，該 第二導電性彼覆層44可為P型披覆層用以提供電洞。該第一 導電性披覆層4 3及該第二導電性披覆層4 4均為氮化鋁銦鎵 、衾。構，可表示為Al^x-wInyGaxN。該緩衝層42為氮化物結 構，較佳之實施方式為先於藍寶石基板41上成長一低溫氮 化叙成核層’接績在低溫氮化蘇成核層上成長一高溫氮化 石夕層’在於此氮化矽層上成長一高溫氮化鎵層，共同組成 一緩衝層42。 該第一導電性披覆層43與該電極45之間為一第一導電性 電極接觸層47，此較佳之實施例為蒸鍍一鉻（Cr)金屬層 型導電性氮化鎵披覆層43上，作為電極45與Ν型導電性氮化 鎵披覆層43之歐姆接觸層。該第二導電性披覆層44與該電 極46之間為一第二導電性電極接觸層48，此較佳之實施例 為直接蒸鍍一 ΙΤΟ透明導電層於ρ型導電性氮化鎵披覆層44 95926.doc 1249966 上，作為電極46與P型導電性氮化鎵披覆層44之歐姆接觸 層。 五層多孔性發光層51、52、53、54及55依序形成於該第 一導電性披覆層43上。以該多孔性發光層51為例說明，該 夕孔性發光層5丨具有一載子侷限層511、一下阻障層515及 上阻障層516。該載子侷限層511具有複數個山形結構512 及513等。该下阻障層515係於該等山形結構512及513等之 下，該上阻障層516係於該等山形結構512及513等之上，並 覆蓋该等山形結構512及513等。該下阻障層515及該上阻障 層^“均為氮化鋁銦鎵結構’可表示為八^+…丨^^^以’其 大於零，y大於或荨於零，·（l_x_y)大於或等於零。並 且该下阻障層5 1 5及該上阻障層5丨6之能障均須大於該等山 形結構5 12及5 13等之能障。 該載子侷限層511係為氮化鋁銦鎵結構，可表示為 Al(1-x-y)InyGaxN，其中，x大於或等於零；乂大於零； 大於或等於零。該等山形結構512及513等之間界定複數個 山谷形結構561、562等。該等山谷形結構561、562最後係 由该上阻障層516所覆蓋填滿。該等山谷形結構561、562 '、、眉付曰上述圖2及圖3之尺寸限制，且該等多孔性發光層 51、52、53、54、55之密度較佳係為5%至75%之間。 该多孔性發光層5 1係摻雜特定濃度雜質。其較佳之實施 例為主動摻雜矽（Si)雜質於該多孔性發光層5丨，使該多孔性， 發光層51之矽原子摻雜數目小K5xl〇n/cm3,其更佳之實施 方式為在成長該多孔性發光層51時，不主動摻雜梦⑻原 95926.doc -10- 1249966 子。 利用本發明第一實施例之該發光元件結構，其元件驅動 電壓可大幅下降，因此可利用該發光元件之結構來減少於 發光層中之摻雜濃度且不影響驅動電壓，進而可得到較佳 之晶體結構且改善抗靜電能力與元件可靠度。 參考圖5,其顯示本發明第二實施例之具多孔性發光層之 發光元件60。在圖5中，有關與第一實施例之結構相同的部 分將註記相同的元件符號，並且若沒有特別提及則其具有 相同的構造及功能者。 如圖5所示，本發明第二實施例之發光元件6〇，係在1^型 導電性披覆層43及P型導電性披覆層44之間，包括五層摻雜 石夕（Si)雜質之量子井發光層61、62等、二層第一波長多孔性 發光層63、64等及二層第二波長多孔性發光層65、66。 五層摻雜矽（si)雜質之量子井發光層6卜62等依序形成於 該N型導電性披覆層43上。以該量子井發光層61為例說明， 該量子井發光層61具有一量子井結構61丨及二阻障層612及 613。 在該摻雜矽（Si)雜質之量子井發光層62之上依序為二層 第一波長多孔性發光層63、64。以該第一波長多孔性發光 層63為例說明，其具有一載子侷限層631、一下阻障層635 及一上阻障層636。該第一波長多孔性發光層63、64係應用 於產生一第一波長，本實施例之該第一波長為57〇nm。 在該第一波長多孔性發光層64之上依序為二層第二波長 多孔性發光層65、66。以該第二波長多孔性發光層65為例 95926.doc -11 - 1249966 說明，其具有一載子揭限層65 j、一下阻障層655及—上阻 障層656。該第二波長多孔性發光層應用於產生一 第二波長，本實施例之該第二波長為467 nm。該第二波長 與第一波長不同。 該等多孔性發光層63、64、65、66係摻雜特定濃度雜質。 其較佳之實施例為主動摻雜矽（Si)雜質於該等多孔性發光 層j使$該等多孔性發光層之矽原子摻雜數目小於5 χ 10 /cm其更佳之貫施方式為在成長該等多孔性發光層 時，不主動摻雜矽（Si)原子。並且，該等多孔性發光層63曰、 64、65、66之結構如圖2及圖3所述，在此不加贅述。 在習知技術中，為使一發光層之發光波長為較長時，通 常必須使該發光層為高錮含量。但是在習知技術中，該高 銦含量之發光層之發光效率不佳。在本發明之實施例中， 雖然該較長發光波長之發光層為高銦含量，仍能具有相當 好之高度發光效率。 爹考圖6所示’该第一波長多孔性發光層63、64係應用於 產生第波長，其為57〇 nm，且可控制其最大光強度為 1〇〇 。亥第一波長多孔性發光層65、66係應用於產生第二波 長，其為467 rnn，且可控制其最大光強度為17〇。在該實施 例中β亥第波長多孔性發光層63、64之密度為;該第 一波長多孔性發光層65、66之密度為25%，以得到上述之 最大光強度分別為100及17〇。 若固疋該第一波長多孔性發光層63、64之密度為，調 整該第二波長多孔性發光層65、66之密度為5%，將使得該 95926.doc 12 1249966 第一波長與第二波長之最大光強度比值為1/5(第二波長之 光強度為第一波長之光強度五倍）。若該第二波長多孔性發 光層65、66之密度調整為43%，將使得到最大光強度分別 為1〇〇及120。因此，利用調整該第二波長多孔性發光層65、 66之密度，可以調整其最大光強度，並進而可調整第一波 長及第二波長之混光比例。故本發明之發光元件可應用於 產生各色光源，如粉紅色，粉藍色，粉黃色，粉綠色，各 類色溫白光等。 本發明具多孔性發光層之發光元件結構不同於習知量子 井發光層之處為其將較低能障之含銦化合物半導體材料進 一步成長塑成具有多孔性結構之含銦化合物半導體結構。 換吕之，此具較低能障之含銦化合物半導體單一平面上， 將具有複數個山谷形結構，而該等山谷形結構將被較大能 障之阻障層材料所包覆，應用上可以調控該等山谷形結構 之直徑大小與深度，甚至該等山谷形結構可直接貫穿含銦 化合物半導體層。利用成長該多孔性發光層結構時可大幅 度降低元件驅動電壓與漏電特性。&外當《長不$波長之 夕層多孔性發光層時，電子電洞復合可產生在具有不同能 障之發光層内。 因此本發明之多孔性，發光層不僅可有效提升發光元件之 性能，更可實現單晶片混光元件，同時具有高發光效益、 高可靠度、高混光調變性及低成本等特性。並且，本發明 之多孔性發光層結構可克服f知技術上發光元件僅能發光 單-波長之缺點，本發明之發光元件可實現將不同發光頻 95926.doc 1249966 居之發光層結合而產生有效率’高彈性混光比例之元件。 如圖7所示，本發明第三實施例之發光元件70，係在N型 導電性披覆層43及P型導電性彼覆層44之間，包括二層摻雜 石夕（Si)雜質之量子井發光層71、72、五層第一波長多孔性發 光層73、74等及二層第二波長多孔性發光層75、76。 二層摻雜矽（Si)雜質之量子井發光層7卜72等依序形成於 该N型導電性披覆層43上。以該量子井發光層7丨為例說明， 該量子井發光層71具有一量子井結構711及二阻障層712及 713 〇 在該摻雜矽（Si)雜質之量子井發光層72之上依序為五層 第一波長多孔性發光層73、74。以該第一波長多孔性發光 層73為例δ兒明，其具有一載子侷限層731、一下阻障層735 及一上阻障層736。該第一波長多孔性發光層73、％係應用 於產生一第一波長，本實施例之該第一波長為565 。 在該第-波長多孔性發光層7 4之上依序為二層第二波長 ^多孔性發光層75、76。以㈣二波長多孔性發光層75為例 次明，其具有一載子侷限層751、一下阻障層乃$及一上阻 J1 早層756。該第二波長多孔性發光層乃、”係應用於產生一 第二波長’本實施例之該第二波長為奶⑽。該第二波長 與第一波長不同。 该等多孔性發光層73、74、乃、76係摻雜特定漠度雜質。 其較佳之實施例為主動摻雜石夕（s〇雜質於該等多孔 層，使該等多孔性發井屏♦ a @ 2 f生么先層之矽原子摻雜數目小於5 χ 10 /cm3，其更佳之實施 乃式為在成長该等多孔性發光層 95926.doc -14- 1249966 第-波長多孔性發光層83、84。以該第一波長多孔性發光 層83為例β兒明，其具有—载子侷限層1、—下阻障層 及-上阻障層836。該第-波長多孔性發光層83、84係應用 於產生-第-波長，本實施例之該第一波長為41〇細。 在該第-波長多孔性發光層84之上依序為二層第二波長 多孔性發光層85、86。以該第二波長多孔性發光層85為例 說明，其具有一載子侷限層851、一下阻障層855及一上阻 障層856。該第二波長多孔性發光層85、86係應用於產生一 第二波長，本實施例之該第二波長為47〇 nm。該第二波長 與第一波長不同。 。亥等夕孔性發光層83、84、85、86係摻雜特定濃度雜質。 其較佳之實施例為主動摻雜矽（Si)雜質於該等多孔性發光 層，使该等多孔性發光層之矽原子摻雜數目小於5 X 10 /cm，其更佳之實施方式為在成長該等多孔性發光層 時，不主動摻雜矽（Si)原子。並且，該等多孔性發光層83、 84、85、86之結構如圖2及圖3所述，在此不加贅述。 參考圖10所示，該第一波長多孔性發光層83、84係應用 於產生第一波長，其為41〇 nm，且可控制其最大光強度為 120。该第二波長多孔性發光層85、86係應用於產生第二波 長，其為470 nm，且可控制其最大光強度為15〇。在該實施 例中，该第一波長多孔性發光層83、84之密度為丨5% ;該 第二波長多孔性發光層85、86之密度為34%，以得到上述 之最大光強度分別為120及150。 由於目前利用波長為455〜470 nm之藍光來激發黃綠光螢 95926.doc -16 - 1249966 光泰（如YAG)所產生的白光方法並無法得到更加之演色 生，這是因為能符合激發黃綠光黃色螢光粉的藍光波長並 無法同時被利用來激發如黃橙光、紅光之長波長螢光粉來 產生问的光轉換效率。而目前研究顯示較佳之光轉換波長 為370 nm〜450 nm，因此可利用本發明之多頻譜單晶片技術 來增加除了藍光波長外另一發光波長為41〇 nm之頻譜來最 佳化螢光粉之轉換效率。 若固定該第一波長多孔性發光層83、84之密度為15%， 調整該第二波長多孔性發光層85、86之密度為7%，將使得 該第一波長與第二波長之最大光強度分別為4〇及21()。因 此，利用調整該第二波長多孔性發光層85、86之密度，可 以調整其最大光強度，並進而可調整第一波長及第二波長 之混光比例。 本發明之發光元件不限於上述之第一波長多孔性發光層 及第一波長多孔性發光層，可另包括複數個多孔性發光 層，形成於該N型導電性披覆層及該p型導電性彼覆層之 間’該等多孔性光層之具有複數個發光波長，該等發光波 長與該第一波長及該第二波長不同，以實現將不同發光頻 譜之發光層結合而產生有效率，高彈性混光比例之元件。 惟上述實施例僅為說明本發明之原理及其功效，而非限 制本發明。因此’習於此技術之人士可在不違背本發明之 精神對上述實施例進行修改及變化。本發明之權利範圍應 如後述之申請專利範圍所列。 【圖式簡單說明】 95926.doc -17- 1249966 圖1為習知量子井發光層之結構示意圖； 圖2為本發明多孔性發光層之結構立體示意圖； 圖3為本發明多孔性發光層之結構剖面示意圖； 圖4為本發明第一實施例發光元件之結構示意圖； 圖5為本發明第二實施例發光元件之結構示意圖； 圖6為本發明第二實施例之發光元件之光強度與頻譜分 佈圖； 圖7為本發明第三實施例發光元件之結構示意圖； 圖8為本發明第二貫施例之發光元件之光強度與頻譜分 佈圖； 圖9為本發明第四實施例發光元件之結構示意圖；及 圖1〇為本發明第四實施例之發光元件之光強度與頻譜分 佈圖。 【主要元件符號說明】 10 習知量子井發光層 11 第一阻障層 12 量子井結構 30 多孔性發光層 31 載子侷限層 32 下阻障層 50 第一實施例之發光元件 41 基板 42 緩衝層 43 第一導電性坡覆層 95926.doc . ^ 44 1249966 45、46 47 48 51 、 52 、 53 、 54 、 55 60 61 > 62 63、64 65 > 66 70 71、72 73、74 75、76 80 81、82 83、84 85、86 311 、 312 、 313 331 、 332 511 512 、 513 515 、 516 561 、 562 611 第二導電性坡覆層 電極 第一導電性電極接觸層 第二導電性電極接觸層 多孔性發光層 第二實施例之發光元件 摻雜矽雜質之量子井發光層 第一波長多孔性發光層 第二波長多孔性發光層 第三實施例之發光元件 摻雜矽雜質之量子井發光層 第一波長多孔性發光層 第二波長多孔性發光層 第四實施例之發光元件 摻雜矽雜質之量子井發光層 第一波長多孔性發光層 第二波長多孔性發光層 山形結構 山谷形結構 載子侷限層 山形結構 阻障層 山谷形結構 量子井 95926.doc -19- 1249966 612 、 613 631 635 、 636 651 655 、 656 711 712 、 713 731 735 、 736 751 755 、 756 811 812 、 813 831 835 、 836 851 855 、 856 阻障層 載子侷限層 阻障層 載子侷限層 阻障層 量子井 阻障層 載子侷限層 阻障層 載子侷限層 阻障層 量子井 阻障層 載子侷限層 阻障層 載子侷限層 阻障層 95926.doc -20-

Claims (1)

1249966 十、申請專利範圍： 1 · 一種具多孔性發光層之發光元件，包括·· 一基板； 一第一導電性披覆層； 第一導電性披覆層；及 至少一多孔性發光層，形成於該第一導電性披覆層 及該第二導電性披覆層之間，該多孔性發光層具有一 上阻障層、一下阻障層及一載子侷限層，該載子侷限 層係於該上阻障層及下阻障層之間，該載子侷限層具 1複數個山形結構，該等山形結構界定複數個山谷形 結構，該載子侷限層係為含銦之氮化物結構，該載子 侷限層之能障小於該上阻障層及該下阻障層之能障。 2·如請求項1之發光元件，其中該載子侷限層係為氮化銘 姻鎵結構，可表示為A1(i-”)InyGaxN，其中，x大於或 專於零’ y大於零，（l_x_y)大於或等於零。 3.如請求項1之發光元件，其中該下阻障層及該上阻障層 均為氮化鋁銦鎵結構，可表示為A1(i x y)InyGaxN，^ 中，X大於零；y大於或等於零；（1_x_y)大於或等於零。 4·如請求項丨之發光元件，其中該多孔性發光層係摻雜特 定濃度雜質，該特定濃度雜質之含量為 之間。 5。如請求項1之發光元件，其中每一個山谷形結構之底部 與該下阻障層間之距離為大於或等於〇至小於或等於 20X10·10公尺之間，每一個山谷形結構之徑長為5χΐ〇_9 95926.doc 1249966 公尺至1000x1 〇-9公尺之間。 6·如請求項5之發光元件，其中該多孔性發光層之密度係 為5%至75%之間，該多孔性發光層之密度係為所有山 谷形結構之徑長總和與該多孔性發光層之徑長之比 值。 7· —種具多孔性發光層之發光元件，包括·· 一基板； 一Ν型導電性披覆層； 一 Ρ型導電性披覆層；及 ,至夕―第—波長多孔性發光層及至少—第二波長發 光層，形成於該Ν型導電性披覆層及該ρ型導電性披覆 層之間，該第一波長與該第二波長不同，該第一波^ 多孔性發光層具有—上阻障層、_下阻障層及_載子 侷限層，該載子侷限層係於該上阻障層及下阻障層之 間’該載子偈限層具有複數個山形結構，料山形結 構界疋硬數個山谷形結構，該載子偏限層係為含鋼之 氮化物結構’該載子侷限層之能障小於該上阻障層及 該下阻障層之能障。 8.如請求項7之發光元件’其中該第—波長多孔性發光層 係鄰近該Ρ型導電性披覆層。 9·如明求項7之發光元件，其中該第二波長發光層係第二 波長多孔性發光層。 〇· u員7之發光兀件，另包括複數個多孔性發光層， Φ成於，亥Ν型導電性披覆層及該ρ型導電性披覆層之 95926.doc J249966 間’該等多孔性光； 光 複數個發光波長，該等發 如請求項 及該第二波長不同。 銦鉉^ <發光元件’其中該载子㈣層係為氮化銘 箄、、、° ，可表示為AI(^WnyGaxN，其中，χ大於或 12二零；7大於零；（丨+y)大於或等於零。 、月求項7之發光元件，其中該下阻障層及該上阻障層 均為氮化銘銦鎵結構，可表示為Ah.AGaxN，其 中/大於零；y大於或等於零；〇_x_y)大於或等於零。 女明求項7之發光元件，其中該等多孔性發光層係摻雜 特定濃度雜質，該特定濃度雜質之含量為〇至5 χ l〇17/cm3之間。 14·如晴求項7之發光元件，其中每一個山谷形結構之底部 與該多孔性發光層之底部間之距離為大於或等於〇至 小於或等於20xl(r1G公尺，每一個山谷形結構之徑長為 5xl〇_9公尺至1000xl0_9公尺之間。 15 ·如請求項14之發光元件，其中該等多孔性發光層之密 度係為5%至75%之間，該多孔性發光層之密度係為所 有山谷形結構之徑長總和與該多孔性發光層之徑長之 比值。 95926.doc