CN105870281A - 发光元件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开种一发光元件，其包含︰基板；以及一位于基板上的活性结构，其包含一阱层以及一阻障层，其中阱层包含多个不同的VA族元素；其中阱层和阻障层各具有一残留压缩应力，且阱层的残留压缩应力大于阻障层的残留压缩应力。

Description

发光元件
技术领域
本发明涉及一种发光元件，尤其是涉及一种具有较长寿命以及较高的可靠度的半导体发光元件。
背景技术
发光二极管被广泛地用于固态照明光源。相较于传统的白炽灯泡和荧光灯，发光二极管具有耗电量低以及寿命长等优点，因此发光二极管已逐渐取代传统光源，并且应用于各种领域，如交通号志、背光模块、路灯照明、医疗设备等。
发明内容
本发明提供一种一发光元件，其包含︰一基板；以及一位于基板上的活性结构，其包含一阱层以及一阻障层，其中阱层包含多个不同的VA族元素；其中阱层和阻障层各具有一残留压缩应力，且阱层的残留压缩应力大于阻障层的残留压缩应力。
附图说明
图1为本发明的其中一实施例的发光元件的剖视图；
图2为本发明的其中一实施例的发光元件的剖视图；
图3为本发明的其中一实施例的发光元件的剖视图；
图4为本发明的其中一实施例的发光元件的剖视图；
图5为图4中部分结构以扫瞄式电子显微镜(Scanning ElectronMicroscopy，SEM)呈现的放大图；
图6为本发明的其中一实施例的上视图；以及
图7为本发明的其中一实施例的灯泡分解示意图。
符号说明
10：基板 20：第一半导体层
30：第二半导体层 40：活性结构
50：第一电极 60：第二电极
41：阱层 42：阻障层
70a：第一中间层 70b：第二中间层
80：第一接触层 90：第二接触层
11：永久基板 100：粘接层
110：第一窗户层 111：裸露部分
112：丘陵状结构 120：第二窗户层
51：电极垫 52：第一延伸部
53：第二延伸部 161：灯罩
162：透镜 164：发光模块
166：散热鳍片 165：灯座
167：结合部 168：电连接器
163：载板
生物材料寄存
无。
具体实施方式
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图作详细说明如下。在附图或说明中，相似或相同的部分是使用相同的标号，并且在附图中，元件的形状或厚度可扩大或缩小。需特别注意的是，图中未绘示或描述的元件，可以是熟习此技术的人士所知的形式。
在本发明中，如果没有特别的说明，「本质晶格常数」代表一实质上无应变之层的晶格常数a0。
在本发明中，如果没有特别的说明，「非本质晶格常数」代表一有应变之层的晶格常数a1。
在本发明中，如果没有特别的说明，「一具有残留压缩应力之层」代表一直接成长于一底层之层，其本质晶格常数大于底层的非本质晶格常数或是本质晶格常数。因此，层具有应变，且具有压缩应变以匹配底层的非本质晶格常数或是本质晶格常数。故，层的非本质晶格常数小于层的本质晶格常数。「底层」可以是一成长基板或任何一具有本质晶格常数实质上与成长基板的本质晶格常数相同的层，或是一具有非本质晶格常数实质上与成长基板的本质晶格常数相同的有应变之层。具体地，残留压缩应力可以通过X光绕射量测(X-ray Diffraction，XRD)分析。
在本发明中，如果没有特别的说明，通式AlGaAs代表AlxGa(1-x)As，其中0x1；通式AlInP代表AlxIn(1-x)P，其中0x1；通式AlGaInP代表(AlyGa(1-y))1-xInxP，其中0x1，0y1；以及通式InGaP代表InxGa1-xP，其中0x1。调整元素的含量可以达到不同的目的，例如匹配成长基板的本质晶格常数或是调整主发光波长。
图1为本发明的其中一实施例的发光元件的剖视图。发光元件1包含一基板10、一位于基板10上的第一半导体层20、一位于第一半导体层20上的第二半导体层30、一介于第一半导体层20以及第二半导体层30之间的活性结构40、一位于第二半导体层30上的第一电极50以及一位于基板10相反于活性结构40的一侧的第二电极60。活性结构40包含交替设置的阱层41和阻障层42，其中每一阱层41包含多个不同的VA族元素，用于调整阱层41的残留应力以及调整阱层41的导电带和相邻的阻障层42导电带之间的差异(ΔEc，导电带偏移)。阻障层42的能阶较阱层41的能阶大。在一实施例中，其中一阱层41的能阶和其中一阻障层42的能阶之间的差异不小于0.4电子伏特(eV)，且较佳的，介于0.4和0.6电子伏特之间，且更佳的，介于0.5和0.55电子伏特之间。于一实施例中，每一阱层41包含两个不同的VA族元素，用于增加阱层41的导电带和相邻的阻障层42导电带之间的差异，进而增进限制载流子于阱层41的能力。较佳的，阱层41包含InxGa1-xAs1-yPy，其中x≠0且0.001y0.1，且较佳的，0.01y0.08，且更佳的，0.04y0.07。于本实施例中，相较于未包含磷的InxGa1-xAs1-y的阱层，含有InxGa1-xAs1-yPy的阱层41其导电带和阻障层42的导电带之间具有较大的差异(ΔEc)，进而增进限制载流子于阱层41的能力。此外，相较于未包含磷的InxGa1-xAs1-y的阱层，含有InxGa1-xAs1-yPy的阱层41具有的残留应力小于包含InxGa1-xAs1-y的阱层的残留应力。因此，本实施例的活性结构40的品质提高，发光元件1的可靠度因而改善。当阱层41中InxGa1-xAs1-yPy的磷含量高于0.1，亦即，y>0.1，阱层41的品质会劣化，进而导致活性结构40具有较差的品质。在一实施例中，活性结构40发出一主波长介于750纳米(nm)至1050纳米之间的辐射。于一实施例中，每一阱层41的厚度小于一临界厚度，其中临界厚度会导致阱层41释放应力，进而使阱层41的非本质晶格常数调整至实质上相同于阱层41的本质晶格常数。具体地，调整阱层41的厚度以及阱层41的材料可以调整主波长。较佳的，每一阱层41具有一介于3纳米至8纳米之间的厚度。在一实施例中，阻障层42的厚度小于一临界厚度，其中临界厚度会导致阻障层42释放应力，进而使阻障层42的非本质晶格常数调整至实质上相同于阻障层42的本质晶格常数。较佳的，每一阻障层42具有一介于8纳米至20纳米之间的厚度。
在一实施例中，基板10为一用于在其上成长半导体层的成长基板，且基板10具有一第一本质晶格常数。各阱层41包含一实质上彼此相同的第二本质晶格常数，各阻障层42包含一实质上彼此相同的第三本质晶格常数，其中第二本质晶格常数和第三本质晶格常数皆大于第一本质晶格常数。此外，第三本质晶格常数介于第二本质晶格常数和第一本质晶格常数之间。较佳的，第二本质晶格常数大于第三本质晶格常数不超过且较佳的，不超过又更佳的，不超过较佳的，第二本质晶格常数大于第一本质晶格常数不超过且较佳的，不超过 又更佳的，不超过于本实施例中，通过降低例如为差排的缺陷密度，活性结构40的外延品质可以提升，进而提高发光元件的可靠度以及寿命。
在一实施例中，各阱层41的具有一残留应力，且各阻障层42具有一残留应力。相对于成长基板10，阱层41的残留应力与阻障层42的残留应力皆为压缩应力。具体地，各阱层41具有一实质上彼此相同的第一残留压缩应力，各阻障层42具有一实质上彼此相同的第二残留压缩应力。各阱层41的第一残留压缩应力大于各阻障层42的第二残留压缩应力。于一实施例中，相较于成长基板，第一残留压缩应力小于百万分之3000(3000ppm，(parts permillion))，且较佳的，小于2800ppm，又更佳的，小于2500ppm。相较于成长基板，第二残留压缩应力小于600ppm。较佳的，第一残留压缩应力与第二残留压缩应力之间的差异不超过2500ppm，且较佳的，不超过2000ppm。
在本实施例中，包含含有InxGa1-xAs1-yPy的阱层的发光元件经过一发光二极管可靠度的测试，其测试条件为：环境温度为85℃、相对湿度为85％且驱动电流为1000毫安培(mA)。在持续测试1000小时后，发光元件的光输出功率依旧保持其最大功率的80％。然而，经过同一测试，包含未含磷的InxGa1-xAs1-y的阱层的发光元件，其光输出功率下降至最大功率的20％。
在一实施例中，阱层41或阻障层42的数目大于10，进而增进活性结构40的可靠度。亦即，活性结构40包含超过10层的阻障层42以及超过10层的阱层41。较佳的，阱层41或阻障层42的数目介于10和30之间，且更佳的，介于15和25之间。
在一实施例中，基板10包含砷化镓(GaAs)，阱层41包含InxGa1-xAs1-yPy，其中x介于0.04和0.08之间，且y介于0.05和0.07之间。阻障层42包含AlzGa1-zAs，其中z介于0.35和0.45之间。活性结构40发出一具有一主波长约为810±10纳米的非同相辐射。具体地，活性结构40包20层的阱层41以及21层的阻障层42。全部的阱层41以及阻障层42为非掺杂，用于增进活性结构40的可靠度。在一实施例中，主波长约为790±10纳米。
在一实施例中，第一半导体层20以及第二半导体层30的能阶皆大于阻障层42的能阶。第一半导体层20的导电型态和/或掺杂物不同于第二半导体层30的导电型态和/或掺杂物。于本实施例中，第一半导体层20包含提供电子的n型半导体层。第二半导体层30包含提供空穴的p型半导体层。第一半导体层20和第二半导体层30包含三五族半导体材料，例如为磷化铟铝(AlInP)、磷化铝镓铟(AlGaInP)或铝砷化镓(AlGaAs)。n型掺杂物可为硅(Si)或碲(Te)。p型掺杂物可为碳(C)、锌(Zn)或镁(Mg)。在本实施例中，第一半导体层20和第二半导体层30皆包含铝砷化镓(AlGaAs)。
第一电极50以及第二电极60用于传导电流。第一电极50以及第二电极60的材料包含透明导电材料或是金属材料。透明导电材料包含透明导电氧化物，金属材料包含铜(Cu)、锡(Sn)、金(Au)、镍(Ni)、铂(Pt)、铝(Al)、钛(Ti)、铬(Cr)、铅(Pb)、铜锡(Cu-Sn)、铜锌(Cu-Zn)、铜镉(Cu-Cd)、锡铅锑(Sn-Pb-Sb)、锡铅锌(Sn-Pb-Zn)、镍锡(Ni-Sn)、镍钴(Ni-Co)、金合金、金铜镍金(Au-Cu-Ni-Au)或其等的组合。
图2为本发明的其中一实施例的发光元件的剖视图。发光元件2实质上包含与图1的发光元件相同的结构，且更包含一第一中间层70a以及一第二中间层70b，其中第一中间层70a设置于活性结构40和第一半导体层20之间，第二中间层70b设置于活性结构40和第二半导体层30之间。第一中间层70a具有一能阶，其大于阱层41的能阶且小于第一半导体层20的能阶。第二中间层70b具有一能阶，其大于阱层41的能阶且小于第二半导体层30的能阶。第一中间层70a以及第二中间层70b各具有一厚度，其大于各阻障层42的厚度，用于改善活性结构40的可靠度。较佳的，第一中间层70a的厚度和/或第二中间层70b的厚度大于200纳米，且更佳的，介于200至2000纳米之间。在一实施例中，第一中间层70a和第二中间层70b包含不同于阻障层42的材料。在一实施例中，第一中间层70a和第二中间层70b包含相同的材料。于本实施例中，第一中间层70a和第二中间层70b是未掺杂的且具有与阻障层42相同的材料。具体地，第一中间层70a和第二中间层70b包含AlzGa1-zAs，其中z不小于0.4，用于增进发光元件的发光强度。
图3为本发明的其中一实施例的发光元件的剖视图。发光元件3包含实质上与图1的发光元件相同的结构，且更包含第一接触层80和第二接触层90，第一接触层80介于基板10和第一半导体层20之间，第二接触层90介于第一电极50和第二半导体层30之间。第二电极60通过第一接触层80和活性结构40电连接，第二电极60和第一半导体层20形成欧姆接触。第一电极50通过第二接触层90和活性结构40电连接，第二接触层90和第二半导体层30形成欧姆接触。在本实施例中，第一接触层80为n型半导体，第二接触层90为p型半导体。第一接触层80的厚度或第二接触层90的厚度小于100纳米，且较佳的，介于50(含)至100纳米(含)之间，用于降低光吸收。第一接触层80的掺杂浓度或第二接触层90的掺杂浓度大于1018/cm3，且较佳的，介于1×1018/cm3(含)和5×1019/cm3(含)之间。第一接触层80的材料包含一三五族半导体材料，例如砷化镓(GaAs)、铝砷化镓(AlGaAs)、磷化铟镓(InGaP)或磷化铝镓铟(AlGaInP)。第二接触层90的材料包含一三五族半导体材料，例如砷化镓(GaAs)、铝砷化镓(AlGaAs)、磷化铟镓(InGaP)、磷化铝镓铟(AlGaInP)或磷化镓(GaP)。
图4为本发明的其中一实施例的发光元件的剖视图。发光元件4包含实质上与图1的发光元件相同的结构，但如图3所示的成长基板10是被移除的。具体地，发光元件4更包含一永久基板11，在成长基板10被移除之前，永久基板11通过一粘接层100与第二接触层90黏接。因此，第一半导体层20较第二半导体层30远离永久基板11。永久基板11的材料包含硅(Si)、锗(Ge)、铜(Cu)、钼(Mo)、钨化钼(MoW)、氮化铝(AlN)或氧化锌(ZnO)。发光元件4更包含一介于第一接触层80和第一半导体层20之间的第一窗户层110。相较于第一半导体层20，第一窗户层110具有较低的掺杂浓度以及较厚的厚度。第一半导体层20于本实施例中为提供电子的n型半导体。第一窗户层110用于散布电流使电流扩及活性结构40。在一实施例中，第一窗户层110具有一大于2000纳米的厚度，且较佳的，介于2000纳米(含)至7000纳米(含)之间，以利散布电流。请参阅图5，第一窗户层110包含一未被第一电极50覆盖的裸露部分111，裸露部分111经粗化后包含丘陵状结构112，用于降低第一窗户层110和周遭环境之间的全反射。裸露部分111的粗糙度介于1至5微米(μm)之间，且较佳的，介于1至3微米之间。在一实施例中，第一窗户层110包含磷化铝镓铟(AlGaInP)或铝砷化镓(AlGaAs)。在本实施例中，第一窗户层110为n型半导体且包含铝砷化镓(AlGaAs)。具体地，第一窗户层110的铝含量小于第一中间层70a以及一第二中间层70b的铝含量。
粘接层100包含多个子层(图未示)。粘接层100包含透明导电氧化物或金属材料。透明导电氧化物包含氧化铟锡(ITO)、氧化铟(InO)、氧化锡(SnO)、氧化镉锡(CTO)、氧化锑锡(ATO)、氧化铝锌(AZO)、氧化锌锡(ZTO)、氧化镓锌(GZO)、氧化铟钨(IWO)、氧化锌(ZnO)或氧化铟锌(IZO)。金属材料包含铝(Al)、铟(In)、铬(Cr)、铜(Cu)、锡(Sn)、金(Au)、镍(Ni)、钛(Ti)、铂(Pt)、铅(Pb)、锌(Zn)镉(Cd)、锑(Sb)、钴(Co)或其等的合金。
请参阅图4，在一实施例中，发光元件更包含一介于第二接触层90和第二半导体层30之间的第二窗户层120。相较于第二半导体层30，第二窗户层120具有较低的掺杂浓度以及较厚的厚度，用于散布电流使电流扩及活性结构40。在一实施例中，第二窗户层120具有一厚度，其小于第一窗户层110的厚度，且较佳的，第二窗户层120的厚度介于1000纳米至4000纳米之间。在一实施例中，第二窗户层120包含磷化铝镓铟(AlGaInP)或铝砷化镓(AlGaAs)。在本实施例中，第二窗户层120为p型半导体且包含铝砷化镓(AlGaAs)。具体地，第二窗户层120的铝含量小于第一中间层70a以及一第二中间层70b的铝含量。在本实施例中，第二窗户层120的铝含量和第一窗户层110的铝含量实质上相同。
在一实施例中，发光元件更包含一介于粘接层100和第二接触层90之间的反射镜(图未示)，用于反射活性结构40发出的光。于一实施例中，反射镜包含金属，其包含铜(Cu)、铝(Al)、锡(Sn)、金(Au)、银(Ag)、铅(Pb)、钛(Ti)、镍(Ni)、铂(Pt)、钨(W)或其等的合金。于一实施例中，反射镜包含一全方位反射镜(omni-directionalreflector，ODR)，其包含一折射率大于2.0的透明层以及一反射率大于90％的金属层。
图6为本发明其中一实施例的发光元件的上视图。于本实施例中，第一电极50包含两个电极垫51、多个第一延伸部52以及多个第二延伸部53。电极垫51用于连接一外部元件，多个第一延伸部52自电极垫51朝向远离电极垫51的方向延伸，多个第二延伸部53横跨第一延伸部52且沿着第一延伸部52形成两个对称的部分，其中每一第二延伸部53与第一延伸部52垂直。
前述的发光元件可以与其他的下游结构形成一灯泡。图7为本发明的其中一实施例的灯泡分解示意图。灯泡包含一灯罩161、一设置于灯罩161内的透镜162、一位于透镜162下方的发光模块164、一包含一散热鳍片166的灯座165、一结合部167以及一电连接器168，其中灯座165用于支承发光模块164，结合部167连结灯座165以及电连接器168。发光模块164包含一载板163以及多个任何如前述的实施例的发光元件，其中多个发光元件位于载板163上。
其中发光模块44包含一载板43，并在上包含至少一个上述实施例中的发光元件1。
以上各附图与说明虽仅分别对应特定实施例，然而，各个实施例中所说明或揭露的元件、实施方式、设计准则、及技术原理除在彼此显相冲突、矛盾、或难以共同实施之外，吾人当可依其所需任意参照、交换、搭配、协调、或合并。
虽然本发明揭示的内容已说明如上，然其并非用以限制本发明的范围、实施顺序、或使用的材料与制作工艺方法。对于本发明所作的各种修饰与变更，皆不脱本发明的精神与范围。

Claims (10)

1.一发光元件，包含︰
基板；以及
位于该基板上的活性结构，其包含阱层以及阻障层，其中该阱层包含多个不同的VA族元素；
其中该阱层和该阻障层各具有一残留压缩应力，且该阱层的该残留压缩应力大于该阻障层的该残留压缩应力。
2.如权利要求1所述的发光元件，其中该基板具有第一本质晶格常数，该阱层具有第二本质晶格常数，该阻障层具有第三本质晶格常数，该第三本质晶格常数介于该第二本质晶格常数以及该第一本质晶格常数之间。
3.如权利要求2所述的发光元件，其中该第二本质晶格常数大于第三本质晶格常数不超过0.02埃
4.如权利要求1所述的发光元件，其中该阱层包含InxGa1-xAs1-yPy，x≠0且0.001y0.1。
5.如权利要求1所述的发光元件，其中该阱层的该残留压缩应力与该阻障层的该残留压缩应力之间的差异不大于2500ppm。
6.如权利要求1所述的发光元件，其还包含具有第一导电型态的第一半导体层以及具有第二导电型态的第二半导体层，该活性结构位于该第一半导体层以及该第二半导体层之间，且该发光元件还包含一介于该第一半导体层以及该活性结构之间的中间层，其中该第一半导体层具有第一能阶，该第二半导体层具有第二能阶，该阱层具有第三能阶，该中间层具有第四能阶，其中该第一能阶以及该第二能阶皆大于该第四能阶，且该第四能阶大于该第三能阶，该中间层以及该阻障层各具有一厚度，该中间层的厚度大于该阻障层的厚度。
7.如权利要求6所述的发光元件，其还包含位于该第一半导体层上的第一窗户层，其中该中间层包含Alz1Ga1-z1As，该第一窗户层包含Alz2Ga1-z2As，且z1>z2。
8.如权利要求1所述的发光元件，其中该阱层和/或该阻障层是未掺杂的。
9.一发光元件，包含︰
活性结构，其包含阱层以及阻障层，该阱层包含InxGa1-xAs1-yPy，该阻障层包含AlzGa1-zAs，该活性结构发出一主波长介于750纳米(nm)至1050纳米之间的辐射，其中x≠0，y≠0且z≠0。
10.如权利要求9所述的发光元件，其中0.001≤y0.1。
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