TW201304188A - 具有多層發光疊層的發光元件 - Google Patents
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Abstract
一發光元件具有一基板；一第一發光疊層位於基板之上；一穿隧層位於第一發光疊層之上；一第二發光疊層位於穿隧層之上；以及一接觸層位於第二發光疊層之上。
Description
本發明關於一種發光元件，特別是關於一種具有多層發光層交互堆疊之發光元件。
發光二極體(Light-emitting Diode；LED)係一種固態半導體元件，其至少包含一p-n接面(p-n junction)，此p-n接面係形成於p型與n型半導體層之間。當於p-n接面上施加一定程度之偏壓時，p型半導體層中之電洞與n型半導體層中之電子會結合而釋放出光。此光產生之區域一般又稱為發光區(light-emitting region)。
LED的主要特徵在於尺寸小、發光效率高、壽命長、反應快速、可靠度高和色度良好，目前已經廣泛地使用在電器、汽車、招牌和交通號誌上。隨著全彩LED的問世，LED已逐漸取代傳統的照明設備，如螢光燈和白熱燈泡。
在LED的製造成本中，基板的價格在製造成本中佔很大的比重，所以如何降低基板在LED中的使用量是值得關注的議題。
一發光元件具有一基板；一第一發光疊層位於基板之上；一穿隧層位於第一發光疊層之上；一第二發光疊層位於穿隧層之上；以及一接觸層位於第二發光疊層之上。第一發光疊層具有一第一半導體層、一第一發光層與一第二半導體層自基板依序形成於基板與穿隧層之間；第二發光疊層具有一第三半導體層、一第二發光層與一第四半導體層自穿隧層依序形成於接觸層與穿隧層之間。
本發明之實施例會被詳細地描述，並且繪製於圖式中，相同或類似的部分會以相同的號碼在各圖式以及說明出現。
一實施例如第1圖所示，一發光元件1具有一基板10；一第一發光疊層2位於基板10之上；一穿隧層12位於第一發光疊層2之上；一第二發光疊層3位於穿隧層12之上；以及一接觸層14位於第二發光疊層3之上。第一發光疊層2具有一第一半導體層22、一第一發光層24與一第二半導體層26自基板10依序形成於基板10與穿隧層12之間；第二發光疊層3具有一第三半導體層32、一第二發光層34與一第四半導體層36自穿隧層12依序形成於接觸層14與穿隧層12之間。習知發光元件係一個基板上具有一個發光疊層，此實施例之發光元件1係一個基板10上具有兩個發光疊層，優點之一係可以具有大約兩個習知發光元件的發光效率；然而相較於兩個習知發光元件需使用兩個基板，此實施例的另一優點係僅使用一個基板，減少基板的使用量，降低製造成本。
基板10可用以成長及/或支持其上之發光疊層。其材料可為絕緣材料，例如為藍寶石(Sapphire)、鑽石(Diamond)、玻璃(Glass)、石英(Quartz)、壓克力(Acryl)或氮化鋁(AlN)等。基板10之材料亦可為導電材料，包含銅(Cu)、鋁(Al)、類鑽碳薄膜(Diamond Like Carbon；DLC)、碳化矽(SiC)、金屬基複合材料(Metal Matrix Composite；MMC)、陶瓷基複合材料(Ceramic Matrix Composite；CMC)、矽(Si)、磷化碘(IP)、硒化鋅(ZnSe)、砷化鎵(GaAs)、鍺(Ge)、碳化矽(SiC)、磷化鎵(GaP)、磷砷化鎵(GaAsP)、硒化鋅(ZnSe)、氧化鋅(ZnO)、磷化銦(InP)、鎵酸鋰(LiGaO2)或鋁酸鋰(LiAlO2)。其中可用以成長發光疊層之材料例如為藍寶石(Sapphire)、砷化鎵(GaAs)或碳化矽(SiC)等。
第一發光疊層2及/或第二發光疊層3可直接於基板10成長形成，或是藉由黏結層(未顯示)固定於基板10之上。第一發光疊層2與第二發光疊層3之材料包含一種以上之元素選自鎵(Ga)、鋁(Al)、銦(In)、磷(P)、氮(N)、鋅(Zn)、鎘(Cd)與硒(Se)所構成之群組。第一半導體層22與第二半導體層26的電性相異；第三半導體層32與第四半導體層36的電性相異。第一發光層24與第二發光層34可產生光線，其中第一發光層24具有一第一能隙，第二發光層34具有一第二能隙。此實施例中，第一能隙與第二能隙相異，第一能隙與第二能隙之能隙差介於0.3eV與0.5eV之間，第一能隙可小於或大於第二能隙，例如第一能隙為1.45eV，第二能隙為1.9eV。又一實施例中，第一發光層24所產生之光係人眼無法辨識之不可見光，此實施例之不可見光波長約為小於400 nm或大於780 nm，較佳為介於780nm與2500nm之間或介於300nm與400nm之間，更佳為介於780 nm與900 nm之間。第二發光層34所產生之光係人眼可辨識之可見光，此實施例之可見光波長約介於400nm與780nm之間，較佳為介於560nm與750nm之間。另一實施例中，第一發光層24所產生之光具有一第一主波長，第二發光層34所產生之光具有一第二主波長，第一主波長與第二主波長之波長差約為150nm至220nm，第一主波長可大於或小於第二主波長。此實施例可應用於醫療領域，優點之一係一個發光元件可同時具有不同功能；例如第一主波長為815nm，可促進傷口癒合，第二主波長為633nm，有助於消除細紋。
另一實施例中，第一發光層24由一第一量子井與一第二量子井交互堆疊形成，其中第一量子井具有一第一量子井能隙，第二量子井具有一第二量子井能隙，第一量子井能隙與第二量子井能隙相異，第一量子井能隙與第二量子井能隙之能隙差約為0.06eV至0.1eV，第一量子井能隙可小於或大於第二量子井能隙。第二發光層34由一第三量子井與一第四量子井交互堆疊形成，其中第三量子井具有一第三量子井能隙，第四量子井具有一第四量子井能隙，第三量子井能隙與第四量子井能隙相異，第三量子井能隙與第四量子井能隙之能隙差約為0.06eV至0.1eV，第一量子井能隙可小於或大於第二量子井能隙。
穿隧層12係成長於第一發光疊層2之上，其摻雜濃度大於8x1018/cm3，可讓電子藉由穿隧效應通過其中，其材料包含一種以上之元素選自鎵(Ga)、鋁(Al)、銦(In)、磷(P)、氮(N)、鋅(Zn)、鎘(Cd)與硒(Se)所構成之群組。另一實施例中，穿隧層12可置換為第一黏結層，用以接合第一發光疊層2與第二發光疊層3。第一黏結層的材料包含透明導電材料，例如氧化銦錫(ITO)、氧化銦(InO)、氧化錫(SnO)、氧化鎘錫(CTO)、氧化銻錫(ATO)、氧化鋅(ZnO)、氧化鎂(MgO)、砷化鋁鎵(AlGaAs)、氮化鎵(GaN)、磷化鎵(GaP)、氧化鋁鋅(AZO)、氧化鋅錫(ZTO)、氧化鎵鋅(GZO)、氧化銦鋅(IZO)或氧化鉭(Ta2O5)；或是絕緣材料，例如Su8、苯并環丁烯(BCB)、過氟環丁烷(PFCB)、環氧樹脂(Epoxy)、丙烯酸樹脂(Acrylic Resin)、環烯烴聚合物(COC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚亞醯胺(PI)、聚碳酸酯(PC)、聚醚醯亞胺(Polyetherimide)、氟碳聚合物(Fluorocarbon Polymer)、玻璃(Glass)、氧化鋁(Al2O3)、氧化矽(SiO2)、氧化鈦(TiO2)、氮化矽(SiNx)、旋塗玻璃(SOG)或四乙氧基矽烷(TEOS)。接觸層14用以傳導電流，其材料包含GaP、AlxGa1-xAs(0x1)或AlaGabIn1-a-bP(0a1，0b1，0a+b1)。
一實施例如第2圖所示，一發光裝置4具有一載體40；一第二黏結層42位於載體40之上；一第一發光結構41與一第二發光結構43位於第二黏結層42之上；一電絕緣層44位於第二黏結層42、第一發光結構41與第二發光結構43之上；以及一電連接結構46位於電絕緣層44之上，電連接第一發光結構41與第二發光結構43。第一發光結構41與第二發光結構43與上述第一實施例之發光元件1類似，具有第一發光疊層2；穿隧層12；第二發光疊層3；以及接觸層14位於透明黏結層42之上。但第一發光結構41與第二發光結構43更分別具有一第一電極16位於接觸層14之上與一第二電極18位於第一發光疊層2之上；電連接結構46可電連接第一發光結構41之第二電極18與第二發光結構43之第一電極16。
載體40可用以成長及/或支持其上之發光結構，其材料可為透明材料，例如為藍寶石(Sapphire)、鑽石(Diamond)、玻璃(Glass)、石英(Quartz)、壓克力(Acryl)、氧化鋅(ZnO)或氮化鋁(AlN)等。載體40之材料亦可為導熱材料，包含銅(Cu)、鋁(Al)、類鑽碳薄膜(Diamond Like Carbon；DLC)、碳化矽(SiC)、金屬基複合材料(Metal Matrix Composite；MMC)、陶瓷基複合材料(Ceramic Matrix Composite；CMC)、矽(Si)、磷化碘(IP)、硒化鋅(ZnSe)、砷化鎵(GaAs)、鍺(Ge)、碳化矽(SiC)、磷化鎵(GaP)、磷砷化鎵(GaAsP)、硒化鋅(ZnSe)、磷化銦(InP)、鎵酸鋰(LiGaO2)或鋁酸鋰(LiAlO2)。其中可用以成長發光結構之材料例如為藍寶石(Sapphire)、砷化鎵(GaAs)或碳化矽(SiC)等。
第二黏結層42用以黏結發光結構與載體40，其材料可為透明黏結材料，例如Su8、苯并環丁烯(BCB)、過氟環丁烷(PFCB)、環氧樹脂(Epoxy)、丙烯酸樹脂(Acrylic Resin)、環烯烴聚合物(COC)、聚亞醯胺(PI)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚碳酸酯(PC)、聚醚醯亞胺(Polyetherimide)、氟碳聚合物(Fluorocarbon Polymer)、玻璃(Glass)、氧化鋁(Al2O3)、氧化矽(SiO2)、氧化鈦(TiO2)、氮化矽(SiNx)、旋塗玻璃(SOG)或四乙基矽烷(TEOS)。第二黏結層42可同時為電絕緣材料以電絕緣第一發光結構41與第二發光結構43。另一實施例中，第二黏結層42可置換為用以成長發光結構之緩衝層，其材料包含AlxGa1-xAs(0x1)、AlaGabIn1-a-bP或AlaGabIn1-a-bN(0a1，0b1，0a+b1)。
電絕緣層44用以保護與電絕緣第一發光結構41與第二發光結構43，其材料可為絕緣材料，例如Su8、苯并環丁烯(BCB)、過氟環丁烷(PFCB)、環氧樹脂(Epoxy)、丙烯酸樹脂(Acrylic Resin)、環烯烴聚合物(COC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚亞醯胺(PI)、聚碳酸酯(PC)、聚醚醯亞胺(Polyetherimide)、氟碳聚合物(Fluorocarbon Polymer)、玻璃(Glass)、氧化鋁(Al2O3)、氧化矽(SiO2)、氧化鈦(TiO2)、氮化矽(SiNx)、旋塗玻璃(SOG)或四乙基矽烷(TEOS)。電連接結構46用以電連接第一發光結構41與第二發光結構43，其材料為透明導電材料，例如氧化銦錫(ITO)、氧化銦(InO)、氧化錫(SnO)、氧化鎘錫(CTO)、氧化銻錫(ATO)、氧化鋅(ZnO)、氧化鎂(MgO)、砷化鋁鎵(AlGaAs)、氮化鎵(GaN)、磷化鎵(GaP)、氧化鋁鋅(AZO)、氧化鋅錫(ZTO)、氧化鎵鋅(GZO)、氧化銦鋅(IZO)或氧化鉭(Ta2O5)，或金屬材料，例如鍺(Ge)、銅(Cu)、鋁(Al)、鉬(Mo)、銅-錫(Cu-Sn)、銅-鋅(Cu-Zn)、銅-鎘(Cu-Cd)、鎳-錫(Ni-Sn)、鎳-鈷(Ni-Co)或金合金(Au alloy)。
本發明所列舉之各實施例僅用以說明本發明，並非用以限制本發明之範圍。任何人對本發明所作之任何顯而易知之修飾或變更皆不脫離本發明之精神與範圍。
1．．．發光元件
10．．．基板
12．．．穿隧層
14．．．接觸層
16．．．第一電極
18．．．第二電極
2．．．第一發光疊層
22．．．第一半導體層
24．．．第一發光層
26．．．第二半導體層
3．．．第二發光疊層
32．．．第三半導體層
34．．．第二發光層
36．．．第四半導體層
4．．．發光裝置
40．．．載體
41．．．第一發光結構
42．．．第二黏結層
43．．．第二發光結構
44．．．電絕緣層
46．．．電連接結構
第1圖為本發明所揭露之一實施例。
第2圖為本發明所揭露之又一實施例。
1．．．發光元件
10．．．基板
12．．．穿隧層
14．．．接觸層
2．．．第一發光疊層
22．．．第一半導體層
24．．．第一發光層
26．．．第二半導體層
3．．．第二發光疊層
32．．．第三半導體層
34．．．第二發光層
36．．．第四半導體層
Claims (20)
- 一發光元件包含：一第一發光層，產生具有一第一主波長之光；以及一第二發光層位於該第一發光層之上，產生具有一第二主波長之光，其中該第一主波長與該第二主波長之波長差係150nm至220nm。
- 如申請專利範圍第1項所述的發光元件，其中該第一主波長小於或大於該第二主波長。
- 如申請專利範圍第1項所述的發光元件，其中該第一主波長之波長介於780 nm與900 nm之間。
- 如申請專利範圍第1項所述的發光元件，其中該第二主波長之波長介於560nm與750nm之間。
- 一發光元件包含：一第一發光層，具有一第一能隙；以及一第二發光層位於該第一發光層之上，具有一第二能隙，其中該第一能隙與該第二能隙之能隙差介於0.3eV與0.5eV之間。
- 如申請專利範圍第5項所述的發光元件，其中該第一能隙小於或大於該第二能隙。
- 如申請專利範圍第5項所述的發光元件，其中該第一發光層包含一第一量子井與一第二量子井交互堆疊以形成該第一發光層。
- 如申請專利範圍第7項所述的發光元件，其中該第一量子井具有一第一量子井能隙，該第二量子井具有一第二量子井能隙，該第一量子井能隙與該第二量子井能隙之能隙差介於0.06eV與0.1eV之間。
- 如申請專利範圍第5項所述的發光元件，其中該第二發光層包含一第三量子井與一第四量子井交互堆疊以形成該第二發光層。
- 如申請專利範圍第9項所述的發光元件，其中該第三量子井具有一第三量子井能隙，該第四量子井具有一第四量子井能隙，該第三量子井能隙與該第四量子井能隙之能隙差介於0.06eV與0.1eV之間。
- 如申請專利範圍第5項所述的發光元件更包含：一基板，位於該第一發光層之下；一第一半導體層，位於該基板與該第一發光層之間；一第二半導體層，位於該第一發光層與該第二發光層之間；一第三半導體層，位於該第二半導體層與該第二發光層之間；以及一第四半導體層，位於該第二發光層之上。
- 如申請專利範圍第11項所述的發光元件，其中該基板之材料選自砷化鎵(GaAs)、碳化矽(SiC)與藍寶石(Sapphire)所構成之群組。
- 如申請專利範圍第11項所述的發光元件，其中該第一半導體層、該第二半導體層、該第三半導體層及/或該第四半導體層之材料包含一種以上之元素選自鎵(Ga)、鋁(Al)、銦(In)、砷(As)、磷(P)、氮(N)、鋅(Zn)、鎘(Cd)與硒(Se)所構成之群組。
- 如申請專利範圍第11項所述的發光元件更包含一穿隧層或一粘結層，位於該第二半導體層與該第三半導體層之間。
- 如申請專利範圍第14項所述的發光元件，其中該穿隧層之材料包含一種以上之元素選自鎵(Ga)、鋁(Al)、銦(In)、砷(As)、磷(P)、氮(N)與鋅(Zn)所構成之群組。
- 如申請專利範圍第14項所述的發光元件，其中該粘結層之材料包含一種或一種以上之物質選自氧化銦錫(ITO)、氧化銦(InO)、氧化錫(SnO)、氧化鎘錫(CTO)、氧化銻錫(ATO)、鍺(Ge)、氧化鋅(ZnO)、氧化鎂(MgO)、砷化鋁鎵(AlGaAs)、氮化鎵(GaN)、磷化鎵(GaP)、氧化鋁鋅(AZO)、氧化鋅錫(ZTO)、氧化鎵鋅(GZO)、氧化銦鋅(IZO)與氧化鉭(Ta2O5)所構成之群組。
- 如申請專利範圍第5項所述的發光元件，其中該第一發光層及/或該第二發光層之材料包含一種以上之元素選自鎵(Ga)、鋁(Al)、銦(In)、砷(As)、磷(P)、氮(N)、鋅(Zn)、鎘(Cd)與硒(Se)所構成之群組。
- 一發光元件包含：一第一發光層，發出不可見光；以及一第二發光層位於該第一發光層之上，發出可見光。
- 如申請專利範圍第18項所述的發光元件，其中該第一發光層具有一第一能隙，該第二發光層具有一第二能隙，該第一能隙小於或大於該第二能隙。
- 如申請專利範圍第18項所述的發光元件，其中該可見光與該不可見光之波長差係150nm~220nm。
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