CN103456858B - 发光元件及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种发光元件，包含一第一型掺杂半导体层、一发光层、一第二型掺杂半导体层、一接触层，及一电极单元。该发光层设置于该第一型掺杂半导体层上并在接受电能时将电能转换为光，该第二型掺杂半导体层设置于该发光层上并与该第一型掺杂半导体层成相反电性，该接触层以半导体材料构成，且该接触层的晶格系统为斜方晶系，该接触层设置于该第二型掺杂半导体层上，该电极单元传送来自外界的电能至该发光层。本发明利用该接触层降低与该电极单元间的接触电阻，并同时降低工作电压，及增加元件整体的导电率，进而增加元件整体的发光效率。本发明还提供该发光元件的制作方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种发光元件及其制作方法，特别是涉及一种含有接触层的发光元件及其制作方法。
背景技术
参阅图1，目前的发光元件包含由半导体材料构成的一层第一型掺杂半导体层11、一层发光层12、一层第二型掺杂半导体层13，及一个以导体材料构成的电极单元14。
该第一型掺杂半导体层11以n型半导体材料构成，例如n型氮化镓，所以通常称作n型掺杂半导体层(以下将第一型掺杂半导体层11称作n型掺杂半导体层)。该第二型掺杂半导体层13以p型半导体材料构成，例如p型氮化镓，所以通常称作p型掺杂半导体层(以下将第二型掺杂半导体层13称作p型掺杂半导体层)。该发光层12夹置于n型掺杂半导体层与p型掺杂半导体层间，并在接受电能时将电能转换为光能而发光。
该电极单元14以例如金属元素、金属合金等导体材料构成，并包括一个设置于该n型掺杂半导体层上的第一电极141，及一个设置于该p型掺杂半导体层上的第二电极142，该第一电极141、第二电极142可传送来自外界的电能。
当电极单元14的该第一电极141、第二电极142接受来自外界的电能时，电能经过该n型掺杂半导体层及该p型掺杂半导体层到达该发光层12，而将电能转换为光能发光。
由于电流需先流经该p型掺杂半导体层再到达该发光层12，但该p型掺杂半导体层为半导体材料，电流流动的速率及导电率不如以导体材料构成的电极单元14的速度快，造成第二电极142与该p型掺杂半导体层间的接触电阻高，使得发光元件整体的工作电压较高，发光效率并不理想。
虽然随着例如铟锡氧化物(Indium Tin Oxide，简称ITO)等透明、导电度佳的金属氧化物被发现后，该作为透明导电层的金属氧化物随即被导入上述的发光元件的技术中，以降低该p型掺杂半导体层与该第二电极142间的接触电阻，并同时增加电流横向扩散均匀度。然而，该以铟锡氧化物构成的透明导电层与p型掺杂半导体层间存在着材料种类差异太大导致接触电阻太高的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有低接触电阻的发光元件。
本发明发光元件包含一层第一型掺杂半导体层、一层发光层、一层第二型掺杂半导体层、一层接触层，及一个电极单元。
该发光层设置于该第一型掺杂半导体层上并在接受电能时将电能转换为光。
该第二型掺杂半导体层设置于该发光层上并与该第一型掺杂半导体层成相反电性。
该接触层以半导体材料构成，并设置于该第二型掺杂半导体层上，且该接触层的晶格系统为斜方晶系。
该电极单元传送来自外界的电能至该发光层。
较佳地，前述发光元件，其中，该第一型掺杂半导体层、该发光层以及该第二型掺杂半导体层由氮化镓基为主要材料所构成。
较佳地，前述发光元件，其中，该第一型掺杂半导体层、该发光层以及该第二型掺杂半导体层的晶格系统为六方晶系。
较佳地，前述发光元件，其中，该第一型掺杂半导体层、该发光层、该第二型掺杂半导体层以及该接触层为单晶的晶体形式。
较佳地，前述发光元件，其中，该接触层包括多个自该第二型掺杂半导体层向上凸伸的岛状结构。
较佳地，前述发光元件，其中，该接触层包括一层形成于该第二型掺杂半导体层上的层体。
较佳地，前述发光元件，其中，该接触层还包括多个自该层体往远离该第二型掺杂半导体层的方向凸伸的岛状结构。
较佳地，前述发光元件，其中，所述岛状结构的平均径宽为30nm～300nm，平均高度为10nm～20nm。
较佳地，前述发光元件，其中，两个相邻的岛状结构的间距大于100nm。
较佳地，前述发光元件，其中，该接触层的化学式为InyGa1-yOxN1-x，其中，0＜y＜1，0＜x≦1。
较佳地，前述发光元件还包含一层遮覆该接触层的透明导电层。
较佳地，前述发光元件，其中，该透明导电层是选自铟锡氧化物、掺铝氧化锌、铟锌氧化物，及前述的一组合。
较佳地，前述发光元件，其中，该透明导电层的晶格系统为立方晶系。
较佳地，前述发光元件，其中，该透明导电层为多晶或非晶的固体形式。
此外，本发明之另一目的，即在提供一种具低接触电阻的发光元件的制作方法。
于是，本发明发光元件的制作方法包含一个磊晶步骤，及一个电极设置步骤。
该磊晶步骤以有机金属化学气相沉积法的方式依序在一个基材上形成一层六方晶系的第一型掺杂半导体层、一层六方晶系的发光层、一层六方晶系的第二型掺杂半导体层，及一层斜方晶系的接触层。
该电极设置步骤形成一个可传送来自外界的电能至该发光层的电极单元。
较佳地，前述发光元件的制作方法，其中，该接触层的化学式为InyGa1-yOxN1-x，其中，0＜y＜1，0＜x≦1。
较佳地，前述发光元件的制作方法，其中，该磊晶步骤导入作为镓源的三甲基镓、作为铟源的三甲基铟、作为氧源的含氧化物，及作为载体的氮气成长该接触层。
较佳地，前述发光元件的制作方法，其中，该磊晶步骤中的含氧化物选自水、氧、二氧化碳、一氧化碳，及前述的一组合为材料所构成。
较佳地，前述发光元件的制作方法还包含一个透明导电层形成步骤，利用物理气相沉积法于该接触层表面形成一层以金属氧化物或金属薄膜为主要材料所构成的透明导电层。
本发明的有益效果在于：利用有机金属化学气相沉积法于该第二型掺杂半导体层上形成低接触电阻的接触层，借此降低元件的工作电压，进而提升元件的发光效率。
附图说明
图1是一剖视示意图，说明目前的发光元件；
图2是一剖视示意图，说明本发明发光元件的一个较佳实施例；
图3是由厂牌为JEOL及型号为JSM-6700F的能量分析仪(EDS)分析该较佳实施例的接触层所具有的化学成份的一成份分析图，说明该较佳实施例的一接触层含有铟、镓，及氧；
图4是一含量分析表，说明该接触层所含有铟、镓，及氧的重量百分比；
图5是一剖视示意图，说明本发明的接触层包括一层层体；
图6是一剖视示意图，说明本发明的接触层包括该层体及岛状结构；
图7是一剖视示意图，说明本发明发光元件还包含一层透明导电层；
图8是一剖视示意图，说明本发明为垂直型发光元件；
图9是一流程图，说明本发明发光元件的制作方法；
图10是一流程图，说明本发明发光元件的制作方法还包含一个透明导电层形成步骤。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
参阅图2，本发明发光元件的一个较佳实施例，包含一个基材20、一层形成于该基材20上的第一型掺杂半导体层21、一层第二型掺杂半导体层23、一层夹置于该第一型掺杂半导体层21与该第二型掺杂半导体层23间的发光层22、一层形成于该第二型掺杂半导体层23上的接触层24，及一个传送来自外界电能至该发光层22的电极单元25。
该第一型掺杂半导体层21以有机金属化学气相沉积法形成于该基材20上面，并以n型氮化物半导体材料所构成，在该第一较佳实施例中，n型氮化物半导体材料是n型氮化镓(GaN)。第一型掺杂半导体层21在该领域的研究人员通常称作n型掺杂半导体层，因此以下以n型掺杂半导体层21代称第一型掺杂半导体层21。
该发光层22形成于该n型掺杂半导体层21上，并在接受电能时将电能转换为光能。特别地，该发光层22可为双异质接面结构(doublehetero-junction structure)、单一量子井结构(single quantum wellstructure)，或是多重量子井结构(multiple quantum well structure)，其中，多重量子井结构可包含多数个阻障层部与多数个井层部，所述阻障层部与所述井层部自该n型掺杂半导体层表面依序交错地叠置，其中，所述阻障层部为氮化镓(gallium nitride,GaN)，所述井层部为氮化铟镓(indium gallium nitride,InGaN)。且该发光层22的井层部与阻障层部间的配置方式已为熟习本领域的技术人员所熟知，在此不再多加赘述。
该第二型掺杂半导体层23形成于该发光层22上，且以有机金属化学气相沉积法形成于该发光层22远离该n型掺杂半导体层21的表面，并以p型氮化物半导体材料所构成，在该第一较佳实施例中，p型氮化物半导体材料是p型氮化镓。第二型掺杂半导体层23在该领域的研究人员通常称作p型掺杂半导体层，因此以下以p型掺杂半导体层23代称第二型掺杂半导体层23。
值得注意的是，上述该n型掺杂半导体层21、该发光层22以及该p型掺杂半导体层23皆由氮化镓基(GaN Based)为主要材料所构成，且n型掺杂半导体层21、该发光层22以及该p型掺杂半导体层23均为单晶(single crystal)的固体形式，且其晶格系统皆为六方晶系(hexagonal system)。
该接触层24透明并可导电，且以有机金属化学气相沉积法形成于该p型掺杂半导体层23中远离该n型掺杂半导体层21的表面，该接触层24包括多数个自该p型掺杂半导体层23的表面凸伸而出的岛状结构241。
该接触层24以半导体材料构成，该接触层24为单晶的固体形式，且该晶格系统为斜方晶系，该接触层24的成份可为InyGa1-yOxN1-x，其中，0＜y＜1，0＜x≦1。当x=1时，该接触层24的成份为InyGa1-yO，其中，0＜y＜1。
配合参阅图3、图4，该二图分别为实际量测根据该较佳实施例所完成的一具体例的接触层24成份分析图。先由厂牌为JEOL及型号为JSM-6700F的能量分析仪(EDS)分析该接触层24具有的化学成份(如图3)，再利用各化学成份的峰值(peak)推算得到如图4所示各成份的重量百分比。
从图式可清楚看出，该接触层24至少是以铟、镓、氧三种元素组合而成，且经计算后，各元素的重量百分比约为铟为77.97wt%，镓为16.36wt%，氧为5.67wt%。
本发明的接触层24与该p型掺杂半导体层23二者都是单晶的固体形式，所以二者间的材料兼容度高。因此，该接触层24与该p型掺杂半导体层间的附着性佳。
再者，由于该接触层24由可导电的材料所构成，所以当电流流过该接触层24时较为顺畅，而有更佳的导电性。在该较佳实施例中，借由电子显微镜发现该接触层24的结构为斜方晶系，确实成规则排列的原子键结模式，而供电洞更易于穿越，进而具备导电性佳的特性。
又因该接触层24包括多数个岛状结构241，该接触层24的岛状结构241可增加垂直方向的电流传递的效率，且较佳地，有机金属化学气相沉积法适合形成尺寸小于300nm或是低密集程度的岛状结构，而尺寸大于30nm的岛状结构可更为有效地增加垂直方向的电流传递的效率。因此，较佳地，每一岛状结构241的平均径宽为30nm～300nm，每一岛状结构241的平均高度为10nm～20nm，且两相邻的岛状结构241的间距大于100nm。
该电极单元25包括一个与该n型掺杂半导体层21电性连结且与该发光层22位于同一表面的第一电极251，及一个与该接触层24电性连结的第二电极252，构成侧向型的发光元件。
当该第一电极251、第二电极252相配合传送来自外界的电能时，电能经由该接触层24、该n、p型掺杂半导体层21、23传送至该发光层22而将电能转换为光能发光，且由于该接触层24的导电性佳，也供电流快速地到达该发光层22，进一步地增加电子电洞对复合而产生光的机率，进而有效地提升元件的内部量子效率。
且特别地，本发明发光元件除了可适用于一般的封装方式，也可以覆晶的方式来封装。
参阅图5，需提出说明的是，上述本发明较佳实施例的接触层24还可以如图5所示，包括一层形成于该p型掺杂半导体层23上的层体242。该接触层24的层体242除了提供与该p型掺杂半导体层23间良好的欧姆接触外，也由于与该p型掺杂半导体层23间的附着性佳，因此可大幅提升电流横向扩散的均匀程度。又或是如图6所示，该接触层24还包括多数个间隔地自该层体242往远离该p型掺杂半导体层23方向凸伸的岛状结构241，也就是该接触层24包括一层体242，及多数个自该层体242表面形成的岛状结构241，并借此达到横向电流均匀扩散，同时也具有垂直方向的电流传递效率佳的特性。
参阅图7，还需说明的是，本发明还可包含一层遮覆该接触层24的透明导电层26，在此以上述图6所说明的发光元件再设置透明导电层26作说明，该第二电极252与该透明导电层26连结，该接触层24透过该透明导电层26而与该电极单元25电性连接。借由该透明导电层26与该接触层24相配合地供该电极单元25的电流更均匀地传送至该发光层22。
该透明导电层26以金属氧化物或金属薄膜为主要材料构成，其中，金属氧化物可选自铟锡氧化物(indium tin oxide,ITO)、铟锌氧化物(indium zinc oxide,IZO)、铟锡锌氧化物(indium tin zinc oxide,ITZO)、氧化锌(zinc oxide)、铝锡氧化物(aluminum tin oxide,ATO)、掺铝氧化锌(aluminum zinc oxide,AZO)、镉铟氧化物(cadmium indiumoxide,CIO)、镉锌氧化物(cadmium zinc oxide,CZO)、镓锌氧化物(GZO)及锡氟氧化物(FTO)，及前述的一组合为材料所构成；而金属薄膜可自选镍(Ni)、金(Au)，及前述的一组合为材料所构成。较佳地，该透明导电层26选自铟锡氧化物、掺铝氧化锌、铟锌氧化物，及前述的一组合。
且在此还需说明的是，该透明导电层26的晶格系统为立方晶系(cubic system)；且该透明导电层26为多晶(polycrystalline)或非晶(amorphous)的固体形式。
在本发明的较佳实施例中，该透明导电层26是以铟锡氧化物(ITO)为例，但不以此为限。
此外，值得一提的是，本发明的接触层24亦可应用于垂直型的发光元件。参阅图8，当电极单元25的第一电极251配置于n型掺杂半导体层21的下方(即远离发光层22的一侧)，即构成垂直型的发光元件，在此图式是以上述图7所示的发光元件简易更动为垂直型的发光元件作说明。
上述本发明发光元件的较佳实施例，在通过以下制作方法的说明后，当可更加清楚的明白。
参阅图2、图9，本发明发光元件的较佳实施例的制作方法包含一个磊晶步骤31，及一个电极设置步骤32。
首先，进行该磊晶步骤31，以有机金属化学气相沉积法依序在该基材20上形成六方晶系的一层第一型掺杂半导体层21、一层发光层22、及一层第二型掺杂半导体层23，及一层斜方晶系的接触层24。
该磊晶步骤31中的第一型掺杂半导体层21、发光层22以及第二型掺杂半导体层23由氮化镓基为主要材料所构成。而该磊晶步骤31中的接触层24的化学式InyGa1-yOxN1-x，其中，0＜y＜1，0＜x≦1。上述的第一型掺杂半导体层21、发光层22、第二型掺杂半导体层23以及接触层24均为单晶的晶体形式。
该磊晶步骤31中的接触层24的形成方式是在有机金属化学气相沉积反应器的腔体中导入作为镓源的三甲基镓((CH3)3Ga，或Trimmethyl Ga，简称TMGa)、作为铟源的三甲基铟((CH3)3In，或Trimmethyl In，简称TMIn)、作为氧源的含氧化物，及作为载体的氮气(N2)，再以有机金属化学气相沉积法制成。该含氧化物选自水(H2O)、氧(O2)、二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)，及前述的一组合为材料所构成。
且需说明的是，该接触层24可依据所需要的型态，借由控制腔体中温度、所通入的气流速率，或是沉积的时间形成所述彼此间隔设置的岛状结构241与该层体242，且以该较佳实施例的制作方法所得到较佳的每一岛状结构241的平均径宽为30nm～300nm，每一岛状结构241的平均高度为10nm～20nm，且两个相邻的岛状结构241的间距大于100nm。
接着，进行该电极设置步骤32，形成分别与该第一掺杂半导体层21、第二掺杂半导体层23电性连接而可传送来自外界的电能至该发光层的电极单元25。
更详细地说，该电极设置步骤32是分别于该第一型掺杂半导体层21与该第二型掺杂半导体层23上形成该第一电极251与该第二电极252，该第一电极251与该第二电极252共同构成该电极单元25。
上述的制作方法利用控制有机金属化学气相沉积反应器中的含氧化物的气体的种类与反应时的流速，再配合作为镓源的TMGa、作为铟源的TMIn等的起始物，与腔体内的温度及压力，而在该第二型掺杂半导体层23顶面构成透明可透光且导电性优良的接触层24，借此克服目前铟锡氧化物和第二型掺杂半导体层23间附着性不佳并导致接触电阻高的问题。
参阅图10并配合图7，本发明发光元件的另一较佳实施例的制作方法，可进一步包含一个于该电极设置步骤32前进行的透明导电层形成步骤33，利用物理气相沉积的方法在该接触层24表面形成该以金属氧化物或金属薄膜为主要材料所构成的透明导电层26，则可制作出如图7所示的发光元件，在该第二型掺杂半导体层24及该第二电极252间形成具有该接触层24与该透明导电层26的发光元件。
该较佳实施例的制作方法借着透明的接触层24和第二型掺杂半导体层23的附着性佳，及接触层24的晶格系统为斜方晶系而具良好的导电性，再配合透明导电层26将电流横向扩散，而达到更均匀的电流分布，使得发光元件的内部量子效率有效增加，进而显著地提升元件整体发光效率。
综上所述，本发明呈斜方晶系的接触层24设置于该p型掺杂半导体层23和电极单元25间，而具备较佳的导电性，且较目前直接将透明导电层26设置于p型掺杂半导体层23和电极单元25间的接触电阻低，克服以往透明导电层26和p型掺杂半导体层23间的附着性不佳及电洞率速低的问题，进而增加内部量子效率与整体发光亮度，所以确实能达成本发明的目的。
Claims (17)
1.一种发光元件，其特征在于，包含：
一层第一型掺杂半导体层；
一层发光层，设置于该第一型掺杂半导体层上并在接受电能时将电能转换为光；
一层第二型掺杂半导体层，设置于该发光层上并与该第一型掺杂半导体层成相反电性；
一层接触层，以半导体材料构成，并设置于该第二型掺杂半导体层上，且该接触层的晶格系统为斜方晶系；及
一个电极单元，传送来自外界的电能至该发光层；
该接触层的化学式为InyGa1-yOxN1-x，其中，0＜y＜1，0＜x≦1。
2.根据权利要求1所述的发光元件，其特征在于：该第一型掺杂半导体层、该发光层，以及该第二型掺杂半导体层由氮化镓基为主要材料所构成。
3.根据权利要求1所述的发光元件，其特征在于：该第一型掺杂半导体层、该发光层，以及该第二型掺杂半导体层的晶格系统为六方晶系。
4.根据权利要求1所述的发光元件，其特征在于：该第一型掺杂半导体层、该发光层、该第二型掺杂半导体层，以及该接触层为单晶的晶体形式。
5.根据权利要求1所述的发光元件，其特征在于：该接触层包括多个自该第二型掺杂半导体层向上凸伸的岛状结构。
6.根据权利要求1所述的发光元件，其特征在于：该接触层包括一层形成于该第二型掺杂半导体层上的层体。
7.根据权利要求6所述的发光元件，其特征在于：该接触层还包括多个自该层体往远离该第二型掺杂半导体层的方向凸伸的岛状结构。
8.根据权利要求5或7所述的发光元件，其特征在于：所述岛状结构的平均径宽为30nm～300nm，平均高度为10nm～20nm。
9.根据权利要求5或7所述的发光元件，其特征在于：两个相邻的岛状结构的间距大于100nm。
10.根据权利要求1所述的发光元件，其特征在于：该发光元件还包含一层遮覆该接触层的透明导电层。
11.根据权利要求10所述的发光元件，其特征在于：该透明导电层是选自铟锡氧化物、掺铝氧化锌、铟锌氧化物，及前述的一组合。
12.根据权利要求10所述的发光元件，其特征在于：该透明导电层的晶格系统为立方晶系。
13.根据权利要求10所述的发光元件，其特征在于：该透明导电层为多晶或非晶的固体形式。
14.一种发光元件的制作方法，其特征在于，包含：
一个磊晶步骤，以有机金属化学气相沉积法的方式依序在一个基材上形成一层六方晶系的第一型掺杂半导体层、一层六方晶系的发光层、一层六方晶系的第二型掺杂半导体层，及一层斜方晶系的接触层；及
一个电极设置步骤，形成一个可传送来自外界的电能至该发光层的电极单元；
该接触层的化学式为InyGa1-yOxN1-x，其中，0＜y＜1，0＜x≦1。
15.根据权利要求14所述的发光元件的制作方法，其特征在于：该磊晶步骤导入作为镓源的三甲基镓、作为铟源的三甲基铟、作为氧源的含氧化物，及作为载体的氮气成长该接触层。
16.根据权利要求15所述的发光元件的制作方法，其特征在于：该磊晶步骤中的含氧化物选自水、氧、二氧化碳、一氧化碳，及前述的一组合为材料所构成。
17.根据权利要求14所述的发光元件的制作方法，其特征在于：该发光元件的制作方法还包含一个透明导电层形成步骤，利用物理气相沉积法于该接触层表面形成一个以金属氧化物或金属薄膜为主要材料所构成的透明导电层。
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