CN114361306A - 一种发光元件 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种发光元件，包括由下而上依序形成的：基底、穿隧接面层、下披覆层、下局限层、主动层、上局限层、上披覆层、窗口层及上电极。本发明利用穿隧接面层而使得窗口层及上电极从传统LED的p型转置为本发明的n型，由于n型窗口层的电阻比p型窗口层的电阻小得多，因此本申请发光元件的窗口层具有低电阻从而有更佳的电流分布功效，有效提高了发光效率。又由于n型上电极的电阻比p型上电极的电阻小得多，因此本发明发光元件的n型上电极相对于传统LED的p型上电极而言，更有利于欧姆接触。
Description
技术领域
本发明涉及光学半导体技术领域，具体为一种发光元件。
背景技术
光学半导体元件例如发光元件，其包含发光二极管(Light-emitting diod e，LED)及激光二极管(Laser Diode，LD)，发光元件是利用磊晶技术在半导体底材上形成p-n接面或p-i-n接面，以达到发光的目的。现有技术中，发光元件(例如LED)是由磊晶形成，其结构由下而上依序包括：基底(Substate)、分布式布拉格反射镜(distributed Braggreflector，DBR)层、下披覆层(lo wer cladding layer)、下局限层(confinement layer)、主动层(active lay er)、上局限层、上披覆层(upper cladding layer)及窗口层(windowlayer)。另有二个接触层(Contact)例如为下电极(electrode)及上电极，在基底的下方则为下电极，至于在窗口层的上方则形成上电极，下电极及上电极分别与基底及窗口层形成欧姆接触(ohmic contact)以对该主动层提供电能并注入载子。下电极、基底、分布式布拉格反射层及下披覆层是第一传导型例如n型，上电极、窗口层及上披覆层是第二传导型例如p型，下局限层、主动层及上局限层则是未掺杂。例如，磷化铝镓铟(AlGaInP)是LED的的磊芯片结构是在砷化镓(GaAs)构成的n型基底上依序生长n型DBR层、n型下披覆层，以及未掺杂AlGaInP构成的下局限层、主动层及上局限层，接着p型上披覆层、磷化镓(GaP)构成的p型窗口层，以及接着GaP构成的p型上电极。
一般而言，窗口层是做为电流分布(Current Spreading)层，这是利用窗口层的高导电率(低电阻)而使电流横向扩散，以提高LED的发光效率。传统LED的窗口层是以镁掺杂(doping)的p型窗口层，其为了提高导电率而以9.0x1017atoms/cm3的掺杂浓度进行镁(Mg)掺杂，然而p型窗口层的镁掺杂浓度有其限制，镁掺杂浓度的上限值仅能达3.0x1018atoms/cm3。即是说，目前LED以镁掺杂的p型窗口层无法更进一步降低电阻。另外，以镁进行掺杂存在另外一个问题是，使用镁掺杂易有记忆效应，这使得磊晶制程中的反应腔背景环境维持及浓度设定参数等制程条件不易控制。
p型窗口层伴随而来的是p型上电极，其为p型欧姆接触层，通常是以高的掺杂浓度进行碳(C)掺杂以达到低电阻的要求，例如1.0x1019atoms/cm3，然而高的碳掺杂浓度在制程上也并不容易控制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种发光元件，以解决上述背景技术中提出的技术问题。
为实现上述目的，根据本发公开的一个方面，提供了一种发光元件，所述发光元件包括：基底；穿隧接面层，所述穿隧接面层设置于所述基底的上方；下披覆层，所述下披覆层设置于所述穿隧接面层的上方；下局限层，所述下局限层设置于所述下披覆层的上方；主动层，所述主动层设置于所述下局限层的上方；上局限层，所述上局限层设置于所述主动层的上方；上披覆层，所述上披覆层设置于所述上局限层的上方；窗口层，所述窗口层设置于所述上披覆层的上方。
在一种可能的实现方式中，所述窗口层为n型窗口层。
在一种可能的实现方式中，所述穿隧接面层包含重掺杂p型层及重掺杂n型层，所述重掺杂p型层毗邻设置于所述重掺杂n型层的上方。
在一种可能的实现方式中，所述重掺杂n型层设置于所述基底的上方，所述下披覆层毗邻设置于所述重掺杂p型层的上方。
在一种可能的实现方式中，上电极与所述窗口层形成欧姆接触，所述上电极为n型电极。
本申请实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种技术效果：
在本发明实施例提供的一种发光元件，其窗口层具有低电阻而使得电流分布更佳以提高发光效率，且窗口层及上电极的制程容易控制。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
图1为本发明发光元件实施例1的结构剖视图。
图2为本发明发光元件实施例2的结构剖视图。
附图标记说明：100、发光元件；10、下电极；11、基底；12、DBR层；13、下披覆层；14、下局限层；15、主动层；16、上局限层；17、上披覆层；18、窗口层；19、上电极；L、光场；TJ、穿隧接面层；TJ1、重掺杂p型层；TJ2、重掺杂n型层。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本公开实施方式作进一步地详细描述。
首先请参阅图1，本发明提供了一种发光元件(Light-emitting diode，发光元件)100，该发光元件100可以是发光二极管(Light-emitting diode，LED)及激光二极管(LaserDiode，LD)。为了方便理解本发明的原理，以下实施方式是以LED的结构为举例，然而本领域技术人员应当可以理解本发明的原理及结构也适用于LD。在第一种实施方式中，该发光元件100至少包含：一下电极10；一基底11，基底11与下电极10接触，基底11可以设置于下电极10的上方或下方；一分布式布拉格反射镜(DBR)层12，DBR层12设置于基底11的上方，DBR层12可以与基底11的上表面接触；一下披覆层13，下披覆层13设置于DBR层12的上方，下披覆层13可以与DBR层12的上表面接触；一下局限层14，下局限层14设置于下披覆层13的上方，下局限层14可以与下披覆层13的上表面接触；一主动层15，主动层15设置于下局限层14的上方，主动层15可以与下局限层14的上表面接触；一上局限层16，上局限层16设置于主动层15的上方，上局限层16可以与主动层15的上表面接触；一上披覆层17，上披覆层17设置于上局限层16的上方，上披覆层17可以与上局限层16的上表面接触；一穿隧接面(tunneljunction)层TJ，穿隧接面层TJ设置于上披覆层17的上方，穿隧接面层TJ可以与上披覆层17的上表面接触；一窗口层18，窗口层18设置于穿隧接面层TJ的上方，窗口层18可以与穿隧接面层TJ的上表面接触；一上电极19，上电极19设置于窗口层18的上方，上电极19可以与窗口层18接触。下电极10及上电极19分别为一接触层(Contact)，下电极10及上电极19分别与基底11及窗口层18形成欧姆接触(ohmic contact)以对主动层15提供电能并注入载子。即是说，发光元件100的结构是由下而上利用磊晶技术依序形成有：基底11、DBR层12、下披覆层13、下局限层14、主动层15、上局限层16、上披覆层17、穿隧接面层TJ、窗口层18及上电极19，例如以分子束磊晶法(Molecular Beam Epitaxy，MBE)、金属有机气相磊晶法((metalorganic vapor phase epitaxy,MOPVE)、低压气相磊晶法(low pressure vapor phaseepitaxial method,LPMOVPE)或有机金属气相沈积法(Metal Organic Chemical VaporDeposition，MOCVD)等相关技术于反应腔室中的原位(in-suit)形成。当然，也可以不设置DBR层12，此时下披覆层13设置于基底11的上方，下披覆层13可以与基底11的上表面接触。
第一电极10为一第一传导型电极，例如为n型电极。基底11为一第一传导型基底，例如为n型砷化镓(GaAs)。DBR层12为一第一传导型DBR层，例如为n型DBR层，DBR层12可以为砷化铝镓(AlGaAs)。下披覆层13为一第一传导型披覆层，例如为n型披覆层，下披覆层13可以为磷化铝铟(AlInP)。下局限层14的材料可以为(AlxGa1-x)0.5In0.5P，其中0<x<1，例如为0.65。主动层15可以是具有一多重量子井结构的发光层，多重量子井结构是由复数个堆栈对(图未绘出)重复堆栈所构成，每一个堆栈对包括一井层和一能障层。主动层15的材料可以为(AlyGa1-y)0.5In0.5P，其中0<y<1，例如为0.65。上局限层16的材料可以为(AlzGa1-z)0.5In0.5P，其中0<z<1，例如为0.65。下局限层14、主动层15及上局限层16则是未掺杂。上披覆层17为一第二传导型披覆层，例如为p型披覆层，上披覆层17可以为磷化铝铟(AlInP)。
穿隧接面层TJ可以为包含一重掺杂第二型层及一重掺杂第一型层的多层结构，例如分别为重掺杂p型层TJ1及重掺杂n型层TJ2，重掺杂n型层TJ2毗邻设置于重掺杂p型层TJ1的上方，即是说，重掺杂第一型层毗邻设置于重掺杂第二型层的上方。穿隧接面层TJ的重掺杂p型层TJ1设置于上披覆层17的上方，例如穿隧接面层TJ的重掺杂p型层TJ1毗邻上披覆层17；窗口层18毗邻设置于重掺杂n型层TJ2的上方。穿隧接面层TJ的材料可以是与基底11匹配(match)的材料，例如基底11使用GaAs，则穿隧接面层TJ可以使用GaAs、AlGaAs、InGaP(磷化铟镓)、AlInP(磷化铝铟)、AlGaInP或GaP。
窗口层18为一第一传导型窗口层，例如为n型窗口层，窗口层18具有较宽或不直接(indirect)的能隙(energy gap)以及较高的传导性，窗口层18可以为GaP、GaAsP或AlGaAs。窗口层18可以是硅(Si)掺杂的GaP，硅掺杂浓度可以是1.0x1018atoms/cm3。
上电极19为一第一传导型电极，例如为n型电极，而n型电极则可以是Si/Te(碲)掺杂的GaP，掺杂浓度可以是大于5.0x1018atoms/cm3。
下表一列出传统LED比较例1的结构对照表。
表一(比较例1)
下表二列出本发明发光元件100实施例1(第一种实施方式)的结构对照表。
表二(实施例1)
本发明发光元件100实施例1(表二)与传统LED比较例1(表一)相比较，实施例1是在比较例1的上披覆层与窗口层之间，实施例1多增加设置了穿隧接面层TJ。与比较例1相对应之下，实施例1产生了以下优势：(1)实施例1的穿隧接面层TJ将比较例1的p型窗口层，转置为实施例1的n型窗口层(前述窗口层18)，由于n型窗口层的电阻比p型窗口层的电阻小得多，因此实施例1的窗口层18具有低电阻，所以窗口层18具有更佳的电流分布功效，因而提高了实施例1的发光效率。(2)由于实施例1的窗口层18为n型窗口层，因此上电极19也为n型电极，即是说，穿隧接面层TJ也使得实施例1将比较例1的p型上电极，转置为实施例1的n型上电极(前述上电极19)，由于n型上电极的电阻比p型上电极的电阻小得多，因此实施例1的上电极19(n型上电极)相对于比较例1的上电极(p型上电极)而言，更有利于欧姆接触。(3)意外的发现是，基于载子在n型半导体的移动速率大于载子在p型半导体的移动速率，因此电子/电洞在比较例1是在主动层的上半部耦合而发光，使得光场大部分偏在主动层的上半部，主动层的下半部并无法被有效的运用；然而实施例1利用穿隧接面层TJ已经使得窗口层18及上电极19转置为n型，因此相较于比较例1而言，实施例1的载子由上而下在上电极19及窗口层18的移动速率大于比较例1的载子由上而下在上电极及窗口层的移动速率，这使得实施例1中的光场L与主动层15的量子井耦合更趋向在主动层15的中间位置，使得主动层15的上半部及下半部皆可以被有效的运用并补偿了垂直方向的光场偏移，进而提高模态增益及降低临界电流值，并使得发光元件100满足高温条件下操作及能够具有高操作速率。(4)实施例1利用穿隧接面层TJ已经使得窗口层18转置为n型，窗口层18以硅掺杂，因此不再需要以比较例1窗口层的镁掺杂，如前所述使用镁掺杂易有记忆效应而使得磊晶制程中的反应腔背景环境维持及浓度设定参数等制程条件不易控制，所以实施例1相对于比较例1而言制程容易控制；另外，由于实施例1窗口层18以硅掺杂，基于磊晶制程上以硅掺杂的容易度及稳定度大于镁掺杂，因此实施例1硅掺杂浓度可以高达1.0x1018atoms/cm3，而比较例1镁掺杂浓度仅可达9.0x1017atoms/cm3，再基于高掺杂浓度有利于降低电阻的因素，所以实施例1窗口层18的电阻值显然会低于比较例1窗口层的电阻值，也就是实施例1窗口层18具有更佳的电流分布功效，因而提高了实施例1的发光效率。(5)实施例1的上电极19已经转置为n型，上电极19以Si/Te掺杂(浓度为大于5.0x1018atoms/cm3)，因此不再需要以比较例1上电极的高的掺杂浓度(1.0x1019atoms/cm3)进行碳掺杂，如前所述高的碳掺杂浓度在制程上也并不容易控制，所以采用较低掺杂浓度的实施例1相对于需要高掺杂浓度的比较例1而言制程容易控制，而且所需的掺杂浓度也可以降低。
特别说明的是，当第一传导型为n型，则第二传导型为p型；或者，当第一传导型为p型，则第二传导型为n型。优选地，第一传导型为n型，第二传导型为p型。DBR层12也可以用一金属反射层替换，例如金属反射层以黏贴(bond)方式设置于下披覆层13下方。因此本第一种实施方式发光元件100的结构是由下而上也可以依序为：基底11、金属反射层、下披覆层13、下局限层14、主动层15、上局限层16、上披覆层17、穿隧接面层TJ、窗口层18及上电极19。当然，也可以不设置金属反射层，此时下披覆层13设置于基底11的上方，下披覆层13可以与基底11的上表面接触。
在第二种实施方式中，请参阅图2，发光元件100至少包含：下电极10；基底11与下电极10接触，基底11可以设置于下电极10的上方或下方；DBR层12设置于基底11的上方，DBR层12可以与基底11的上表面接触；穿隧接面层TJ设置于DBR层12的上方，穿隧接面层TJ可以与DBR层12的上表面接触；下披覆层13设置于穿隧接面层TJ的上方，下披覆层13可以与穿隧接面层TJ的上表面接触；下局限层14设置于下披覆层13的上方，下局限层14可以与下披覆层13的上表面接触；主动层15设置于下局限层14的上方，主动层15可以与下局限层14的上表面接触；上局限层16设置于主动层15的上方，上局限层16可以与主动层15的上表面接触；上披覆层17设置于上局限层16的上方，上披覆层17可以与上局限层16的上表面接触；窗口层18设置于上披覆层17的上方，窗口层18可以与上披覆层17的上表面接触；上电极19设置于窗口层18的上方，上电极19可以与窗口层18接触。即是说，本第二种实施方式发光元件100的结构是由下而上利用磊晶技术依序形成有：基底11、DBR层12、穿隧接面层TJ、下披覆层13、下局限层14、主动层15、上局限层16、上披覆层17、窗口层18及上电极19。当然，也可以不设置DBR层12，此时穿隧接面层TJ设置于基底11的上方，穿隧接面层TJ可以与基底11的上表面接触。
第一电极10为第一传导型电极，例如为n型电极。基底11为第一传导型基底，例如为n型基底。DBR层12为第一传导型DBR层，例如为n型DBR层。穿隧接面层TJ的重掺杂p型层TJ1毗邻设置于重掺杂n型层TJ2的上方，即是说，重掺杂第二型层毗邻设置于重掺杂第一型层的上方。穿隧接面层TJ的重掺杂n型层TJ2设置于DBR层12的上方，例如穿隧接面层TJ的重掺杂n型层TJ2毗邻设置于DBR层12的上方；下披覆层13毗邻设置于重掺杂p型层TJ1的上方。
下披覆层13为第二传导型披覆层，例如为p型披覆层。上披覆层17为一第一传导型披覆层，例如为n型披覆层。窗口层18为一第一传导型窗口层，例如为n型窗口层。上电极19为一第一传导型电极，例如为n型电极。
类似于前述第一种实施方式，DBR层12也可以用金属反射层替换，例如金属反射层以黏贴(bond)方式设置于穿隧接面层TJ下方。因此，本第二种实施方式发光元件100的结构是由下而上也可以依序为：基底11、金属反射层、穿隧接面层TJ、下披覆层13、下局限层14、主动层15、上局限层16、上披覆层17、窗口层18及上电极19。当然，也可以不设置金属反射层，此时穿隧接面层TJ设置于基底11的上方，穿隧接面层TJ可以与基底11的上表面接触。
下表三列出本发明发光元件100实施例2(第二种实施方式)的结构对照表。
表三(实施例2)
实施例2是将传统LED的n-i-p半导体接面形式转换成p-i-n形式，本发明发光元件100实施例2(表三)与传统LED比较例1(表一)相比较，实施例2是在比较例1的DBR层与下披覆层之间，实施例2多增加设置了穿隧接面层TJ。与比较例1相对应之下，实施例2产生了以下优势：(1)实施例2的穿隧接面层TJ将比较例1的p型窗口层，转置为实施例2的n型窗口层(前述窗口层18)，由于n型窗口层的电阻比p型窗口层的电阻小得多，因此实施例2的窗口层18具有低电阻，所以窗口层18具有更佳的电流分布功效，因而提高了实施例2的发光效率。(2)由于实施例2的窗口层18为n型窗口层，因此上电极19也为n型电极，即是说，穿隧接面层TJ也使得实施例2将比较例1的p型上电极，转置为实施例2的n型上电极(前述上电极19)，由于n型上电极的电阻比p型上电极的电阻小得多，因此实施例2的上电极19(n型上电极)相对于比较例1的上电极(p型上电极)而言，更有利于欧姆接触。(3)意外的发现是，基于载子在n型半导体的移动速率大于载子在p型半导体的移动速率，因此电子/电洞在比较例1是在主动层的上半部耦合而发光，使得光场大部分偏在主动层的上半部，主动层的下半部并无法被有效的运用；然而实施例2利用穿隧接面层TJ已经使得上披覆层17、窗口层18及上电极19转置为n型，因此相较于比较例1而言，实施例1的载子由上而下在上电极19、窗口层18及上披覆层17的移动速率大于比较例1的载子由上而下在上电极及窗口层的移动速率，这使得实施例2中的光场L与主动层15的量子井耦合更趋向在主动层15的中间位置，使得主动层15的上半部及下半部皆可以被有效的运用并补偿了垂直方向的光场偏移，进而提高模态增益及降低临界电流值，并使得发光元件100满足高温条件下操作及能够具有高操作速率。另外，实施例2与实施例1相比较之下，实施例2与实施例1的上披覆层17分别为n型与p型，因此实施例2的载子由上而下在上电极19、窗口层18及上披覆层17的移动速率大于实施例1的载子由上而下的移动速率，这使得实施例2中的光场L与主动层15的量子井耦合比实施例1更趋向在主动层15的中间位置，使得实施例2主动层15的上半部及下半部比实施例1更可以被有效的运用并补偿了垂直方向的光场偏移，进而比实施例1更提高模态增益及降低临界电流值，并使得实施例2发光元件100比实施例1更满足高温条件下操作及能够具有高操作速率。(4)实施例2利用穿隧接面层TJ已经使得窗口层18转置为n型，窗口层18以硅掺杂，因此不再需要以比较例1窗口层的镁掺杂，如前所述使用镁掺杂易有记忆效应而使得磊晶制程中的反应腔背景环境维持及浓度设定参数等制程条件不易控制，所以实施例1相对于比较例1而言制程容易控制；另外，由于实施例2窗口层18以硅掺杂，基于磊晶制程上以硅掺杂的容易度及稳定度大于镁掺杂，因此实施例2硅掺杂浓度可以高达1.0x1018atoms/cm3，而比较例1镁掺杂浓度仅可达9.0x1017atoms/cm3，再基于高掺杂浓度有利于降低电阻的因素，所以实施例2窗口层18的电阻值显然会低于比较例1窗口层的电阻值，也就是实施例1窗口层18具有更佳的电流分布功效，因而提高了实施例1的发光效率。(5)实施例2的上电极19已经转置为n型，上电极19以Si/Te掺杂(浓度为大于5.0x1018atoms/cm3)，因此不再需要以比较例1上电极的高的掺杂浓度(1.0x1019atoms/cm3)进行碳掺杂，如前所述高的碳掺杂浓度在制程上也并不容易控制，所以采用较低掺杂浓度的实施例2相对于需要高掺杂浓度的比较例1而言制程容易控制，而且所需的掺杂浓度也可以降低。
本发明发光元件是在上披覆层与窗口层之间，或者DBR层与下披覆层之间，设置穿隧接面层。藉由穿隧接面层而使得窗口层及上电极从传统LED的p型转置为本发明的n型，由于n型窗口层的电阻比p型窗口层的电阻小得多，因此本发明发光元件的窗口层具有低电阻而有更佳的电流分布功效，因而提高了发光效率；又由于n型上电极的电阻比p型上电极的电阻小得多，因此本发明发光元件的n型上电极相对于传统LED的p型上电极而言，更有利于欧姆接触。基于载子在n型半导体的移动速率大于载子在p型半导体的移动速率，本发明发光元件的载子由上而下在n型上电极及n型窗口层18的移动速率大于传统LED的载子由上而下在上电极及窗口层的移动速率，使得本发明发光元件中的光场与主动层的量子井耦合更趋向在主动层的中间位置，相较于传统LED的光场大部分偏在主动层的上半部而言，本发明发光元件主动层的上半部及下半部皆可以被有效的运用。本发明发光元件的窗口层可以用硅取代传统LED有记忆效应的镁，以及上电极可以用Si/Te取代传统LED高掺杂浓度的碳，因此本发明发光元件相较于传统LED而言制程容易控制。
本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的原理或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (5)
1.一种发光元件，其特征在于，包括：
基底(11)；
穿隧接面层(TJ)，所述穿隧接面层(TJ)设置于所述基底(11)的上方；
下披覆层(13)，所述下披覆层(13)设置于所述穿隧接面层(TJ)的上方；
下局限层(14)，所述下局限层(14)设置于所述下披覆层(13)的上方；
主动层(15)，所述主动层(15)设置于所述下局限层(14)的上方；
上局限层(16)，所述上局限层(16)设置于所述主动层(15)的上方；
上披覆层(17)，所述上披覆层(17)设置于所述上局限层(16)的上方；
窗口层(18)，所述窗口层(18)设置于所述上披覆层(17)的上方。
2.根据权利要求1所述的一种发光元件，其特征在于，所述窗口层(18)为n型窗口层。
3.根据权利要求2所述的一种发光元件，其特征在于，所述穿隧接面层(T J)包含重掺杂p型层(TJ1)及重掺杂n型层(TJ2)，所述重掺杂p型层(TJ1)毗邻设置于所述重掺杂n型层(TJ2)的上方。
4.根据权利要求3所述的一种发光元件，其特征在于，所述重掺杂n型层(TJ2)设置于所述基底(11)的上方，所述下披覆层(13)毗邻设置于所述重掺杂p型层(TJ1)的上方。
5.根据权利要求4所述的一种发光元件，其特征在于，上电极(19)与所述窗口层(18)形成欧姆接触，所述上电极(19)为n型电极。
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