TW202002324A - 發光二極體 - Google Patents

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Abstract

一種發光二極體，包括N型半導體層、P型半導體層以及發光層。P型半導體層位於N型半導體層上。發光層位於P型半導體層與N型半導體層之間。N型半導體層具有相連的第一區以及第二區。第一區於第一方向上重疊於發光層與P型半導體層。第二區於第一方向上不重疊於發光層與P型半導體層。P型半導體層的片電阻小於N型半導體層的片電阻。

Description

發光二極體
本發明是有關於一種發光元件，且特別是有關於一種發光二極體。
一般而言，發光二極體包括P型半導體層、N型半導體層以及發光層，其中發光層位於P型半導體層與N型半導體層之間。當對發光二極體施加電壓時，電子與電洞會於發光層中結合並放出光線。
隨著科技的進步，發光二極體的尺寸不斷的被縮小。由於發光層在靠近側壁的部位通常具有較差的發光效率，當發光二極體的尺寸被縮小後，發光效率較差的部分所佔的體積比例也隨之增加，導致發光二極體的整體發光效率變差。因此，目前亟需一種能解決前述問題的方法。
本發明提供一種發光二極體，能改善發光二極體發光效率差的問題。
本發明的至少一實施例提供一種發光二極體，包括N型半導體層、P型半導體層以及發光層。P型半導體層位於N型半導體層上。發光層位於P型半導體層與N型半導體層之間。N型半導體層具有相連的第一區以及第二區。第一區於第一方向上重疊於發光層與P型半導體層。第二區於第一方向上不重疊於發光層與P型半導體層。P型半導體層的片電阻小於N型半導體層的片電阻。
基於上述，本發明至少一實施例中之發光二極體之P型半導體層的片電阻調整為小於N型半導體層的片電阻，藉此能改善發光二極體發光效率差的問題。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖1A是依照本發明的一實施例的一種發光二極體的剖面示意圖。圖1B是圖1A剖面線A-A’的剖面示意圖，為了方便說明，圖1A省略絕緣層I。
發光二極體10包括N型半導體層100、P型半導體層300以及發光層200。P型半導體層300位於N型半導體層100上。發光層200位於P型半導體層300與N型半導體層100之間。舉例來說，N型半導體層100具有第一面T1與相對於第一面T1的第二面B1，發光層200設置於第一面T1上。P型半導體層300具有第三面T3與相對於第三面T3的第四面B3，第四面B3鄰近於發光層200。
在一些實施例中，N型半導體層的厚度H1約為2~4微米。在一些實施例中，發光層200的厚度H2約為1奈米~200奈米。在一些實施例中，P型半導體層300的厚度H3約為0.5~1.5微米。
在本實施例中，發光二極體10為水平式發光二極體。N型半導體層100具有相連的第一區R1以及第二區R2。第一區R1在垂直於第一表面T1的第一方向D1上重疊於發光層200與P型半導體層300。換句話說，發光層200與P型半導體層300係依序形成於N型半導體層100的第一區R1上方。值得注意的是，由於N型半導體層100、P型半導體層300以及發光層200的側壁有可能為斜面，因此部分的第一區R1於第一方向D1上可能不重疊於發光層200及/或P型半導體層300。舉例來說，圖1B中第一區R1最左側的傾斜部分不重疊於發光層200及P型半導體層300。在本實施例中，第二區R2於第一方向D1上不重疊於發光層200與P型半導體層300。
在一些實施例中，發光二極體10更包括絕緣層I。絕緣層I覆蓋N型半導體層100、發光層200以及P型半導體層300所形成堆疊結構的多個側壁上，並部分覆蓋N型半導體層100的第一面T1且部分覆蓋P型半導體層300的部分第三面T3，而未覆蓋或露出N型半導體層100的部分第一面T1(亦即第二區R2的上表面)以及P型半導體層300的部分第三面T3。
在一些實施例中，發光二極體10更包括第一電極110以及第二電極310。第一電極110電性連接N型半導體層100且設置於第二區R2的上表面，亦即，第一電極110設置於N型半導體層100的部分第一面T1上。第二電極310電性連接P型半導體層300。第二電極310設置於P型半導體層300的第三面T3上。
矩形之半導體層的電阻R可藉由式1計算： 式1 R=(ρ/t)×(L/W) 在式1中ρ為半導體層的的電阻率。W代表半導體層的寬度。L代表半導體層的長度。t代表半導體層的厚度，例如為N型半導體層的厚度H1或P型半導體層300的厚度H3。
半導體層的片電阻RS 可藉由式2計算： 式2 RS =(ρ/t) 在一些實施例中，半導體層的寬度W與半導體層的長度L相近，因此半導體層的電阻R等於半導體層的片電阻RS 。
在本實施例中，P型半導體層300的片電阻小於N型半導體層100的片電阻。在對發光二極體10施加電壓時，電流會趨向於P型半導體層300中流動，並於靠近發光層200的側壁S1時穿過發光層200，藉此減少電流於片電阻較大之N型半導體層100中的移動路徑。舉例來說，電流會趨向沿著路徑X移動。因此，可以減少電子電洞在靠近發光層200側壁（例如包括側壁S2、靠近側壁S2的部分側壁S3以及靠近側壁S2的部分側壁S4）的非輻射再結合（non-radiative sidewall recombination），以提升發光二極體10的整體發光效率。
在一些實施例中，發光二極體10的長度Q1為數微米到數百微米，寬度Q2為數微米到數百微米。當發光二極體10的尺寸較小時，邊緣發光效率差的占比相對較大，因此藉由調整半導體層的電阻率可以更明顯的增加發光二極體10的發光效率。
圖2A是依照本發明的一實施例的一種發光二極體的剖面示意圖。圖2B是圖2A剖面線B-B’的剖面示意圖，為了方便說明，圖2A省略絕緣層I。在此必須說明的是，圖2A和圖2B的實施例沿用圖1A和圖1B的實施例的元件標號與部分內容，其中採用相同或近似的標號來表示相同或近似的元件，並且省略了相同技術內容的說明。關於省略部分的說明可參考前述實施例，在此不贅述。
圖2B之發光二極體20與圖1B之發光二極體10的主要差異在於：發光二極體20的P型半導體層300具有缺角N2，或具有兩種不同厚度。
請參考圖2A與圖2B，P型半導體層300具有一缺角N2，且缺角鄰近於P型半導體層300中最遠離第一電極110的側壁或側邊。在本實施例中，缺角N2鄰近於P型半導體層300最遠離第一電極110的側壁或側邊，使得P型半導體層300成為具有兩種不同膜厚t3與膜厚t4的階梯狀。舉例來說，缺角N1位於第三面T3最遠離第一電極110的側邊。在本實施例中，至少部分第二電極310位於缺角N2內。
在一些實施例中，形成缺角N2的方式例如包括感應耦合電漿離子蝕刻（Inductively Coupled Plasma Reactive Ion Etching），但本發明不以此為限。
在本實施例中，P型半導體層具有相連的第三部分P3以及第四部分P4。第三部分P3於第一方向D1上重疊於缺角N2，第三部分P3具有厚度t3，可避免形成缺角N2時蝕刻到發光層200進而影響發光效率。第三部分P3的厚度t3小於第四部分P4的厚度t4，厚度t3大於零微米至小於等於厚度t4的百分之八十五時較佳，厚度t3在大於厚度t4的百分之十至小於等於厚度t4的百分之八十時，為更佳的範圍。由式2可以得知，相同材料及相同摻雜程度時，當半導體層的厚度t越小時，半導體層的片電阻越大。因此，第三部分P3的片電阻大於第四部分P4的片電阻。在本實施例中，N型半導體層100的片電阻大於第三部分P3的片電阻與第四部分P4的片電阻。電流會趨向於流經靠近側壁S1的發光層200，以減少電流於第三部分P3以及N型半導體層100中的流動路徑。藉此可以減少電子電洞在靠近發光層200側壁（例如包括側壁S2、靠近側壁S2的部分側壁S3以及靠近側壁S2的部分側壁S4）的非輻射再結合（non-radiative sidewall recombination），以提升發光二極體20的整體發光效率。厚度t3在大於厚度t4的百分之十至小於等於厚度t4的百分之八十時，可達到適度上述的效果，厚度t3愈小時效果愈佳，但若大於厚度t4的百分之十時，更可避免蝕刻到發光層200進而影響發光效率，進而達到較佳的發光效率。
圖3A是依照本發明的一實施例的一種發光二極體的剖面示意圖。圖3B是圖3A剖面線C-C’的剖面示意圖，為了方便說明，圖3A省略繪示了絕緣層I。在此必須說明的是，圖3A和圖3B的實施例沿用圖1A和圖1B的實施例的元件標號與部分內容，其中採用相同或近似的標號來表示相同或近似的元件，並且省略了相同技術內容的說明。關於省略部分的說明可參考前述實施例，在此不贅述。
圖3B之發光二極體30與圖1B之發光二極體10的主要差異在於：發光二極體30的N型半導體層100具有缺角N1，或具有兩種不同膜厚。
請參考圖3A與圖3B，在本實施例中，N型半導體層100的第一區R1具有缺角N1，且缺角N1鄰近於N型半導體層100最遠離第一電極110的側壁或側邊，使得N型半導體層100成為具有兩種不同膜厚t1與膜厚t2的階梯狀。舉例來說，缺角N1位於第二面B1最遠離第一電極110的側邊，亦即位在遠離第二區R2的側邊。
在一些實施例中，形成缺角N1的方式例如包括感應耦合電漿離子蝕刻（Inductively Coupled Plasma Reactive Ion Etching），但本發明不以此為限。
在本實施例中，N型半導體層具有相連的第一部分P1以及第二部分P2。第一部分P1於第一方向D1上重疊於缺角N1。第一部分P1的厚度t1小於第二部分P2的厚度t2。厚度t1大於零微米至小於等於厚度t2的百分之八十五時較佳，厚度t1在大於厚度t2的百分之三至小於等於厚度t2的百分之八十時，為更佳的範圍。由式2可以得知，相同材料及相同摻雜程度時，當半導體層的厚度t越小時，半導體層的片電阻越大。因此，第一部分P1的片電阻大於第二部分P2的片電阻。因此電流會趨向於流經靠近側壁S1的發光層200，以減少電流於第一部分P1中的流動路徑。藉此可以減少電子電洞在靠近發光層200側壁（例如包括側壁S2、靠近側壁S2的部分側壁S3以及靠近側壁S2的部分側壁S4）的非輻射再結合（non-radiative sidewall recombination），以提升發光二極體30的整體發光效率。厚度t1在大於厚度t2的百分之三至小於等於厚度t2的百分之八十時，可達到適度的效果，厚度t1愈小時效果愈佳，但若大於厚度t2的百分之三時，更可避免蝕刻到發光層200進而影響發光效率。
圖4A是依照本發明的一實施例的一種發光二極體的剖面示意圖。圖4B是圖4A剖面線D-D’的剖面示意圖，為了方便說明，圖4A省略絕緣層I。在此必須說明的是，圖4A和圖4B的實施例沿用圖2A和圖2B的實施例以及圖3A和圖3B的實施例的元件標號與部分內容，其中採用相同或近似的標號來表示相同或近似的元件，並且省略了相同技術內容的說明。關於省略部分的說明可參考前述實施例，在此不贅述。
請參考圖4A與圖4B，在本實施例中，發光二極體40同時具有缺角N1以及缺角N2。缺角N1與缺角N2於第一方向D1上重疊。
在一些實施例中，第一部分P1的片電阻大於第三部分P3的片電阻。在一些實施例中，第二部分P2的片電阻大於第四部分P4的片電阻。在一些實施例中，第二部分P2的片電阻大於第三部分P3的片電阻。
在本實施例中，第二部分P2沿著第一方向D1投影於第一面T1的面積大於第三部分P3沿著第一方向D1投影於第一面T1的面積與第四部分P4沿著第一方向D1投影於第一面T1的面積。第四部分P4沿著第一方向D1投影於第一面T1的面積與第二部分P2沿著第一方向D1投影於第一面T1的面積具有重疊部分，藉此，電流會趨向於流經靠近側壁S1的發光層200，以減少電流於部分P1中的流動路徑，使得發光二極體40可以維持高的發光面積及效率。在一些實施例中，發光二極體40的電流密度不大於 3A/cm2 。
在一些實施例中，第二電極310的面積小於發光層200之面積的一半，前述的面積例如為垂直投影於第一面T1上的面積，如各上視圖所示。在一些實施例中，第二電極310與第一電極110之間的水平最短距離G1為發光層200之寬度W1的一半以上，如圖1A所示。藉此，電流於發光二極體10、發光二極體20、發光二極體30或發光二極體40中，可以具有較有效益的流動路徑，使發光二極體10、發光二極體20、發光二極體30或發光二極體40能有較高的發光效率。
在一些變化實施例中，發光二極體10、發光二極體20、發光二極體30或發光二極體40可在不脫離本發明的精神和範圍內結構相同，但於應用時上下倒置，如作為覆晶式發光二極體使用。更具體地說，發光二極體10、發光二極體20、發光二極體30或發光二極體40可以用第一面T1朝向接收基板的正裝方式置於接收基板上，也可以用第三面T3朝向接收基板的倒裝方式置於接收基板上。
在一些實施例中，可以藉由調整半導體層的電阻率來控制半導體層之片電阻，例如調整半導體層的材料或摻雜濃度以調整半導體層之電阻率。在一些實施例中，P型半導體層300的材料為砷化鎵、氮化鎵、氮化銦鎵或其他合適材料，N型半導體層100的材料為砷化鎵、氮化鎵、氮化銦鎵或其他合適材料。P型半導體層300的電阻率為ρp ，N型半導體層100的電阻率為ρn ，其中，ρp ≦0.75ρn 。在一些實施例中，P型半導體層300之摻雜濃度為N型半導體層100之摻雜濃度的50倍以上。舉例來說，P型半導體層300為摻雜濃度5×1016 cm-3 之砷化鎵，N型半導體層100為摻雜濃度1015 cm-3 之砷化鎵，P型半導體層300的電阻率ρp 約為0.75Ω⋅cm，N型半導體層100的電阻率ρn 約為1 Ω⋅cm。在一些實施例中，P型半導體層300的摻質為鎂，N型半導體層100的摻質為矽。
綜上所述，本發明至少一實施例中之發光二極體之P型半導體層的片電阻調整為小於N型半導體層的片電阻，藉此能改善發光二極體發光效率差的問題。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
10、20、30、40‧‧‧發光二極體100‧‧‧N型半導體層110‧‧‧第一電極200‧‧‧發光層300‧‧‧P型半導體層310‧‧‧第二電極A-A’、B-B’、C-C’、D-D’‧‧‧剖面線B1‧‧‧第二面B3‧‧‧第四面D1‧‧‧第一方向G1‧‧‧距離H1、H2、H3、t1、t2、t3、t4‧‧‧厚度I‧‧‧絕緣層N1、N2‧‧‧缺角P1、P2、P3、P4‧‧‧部分Q1‧‧‧長度R1‧‧‧第一區R2‧‧‧第二區S1、S2、S3、S4‧‧‧側壁T1‧‧‧第一面T3‧‧‧第三面W1、Q2‧‧‧寬度X‧‧‧路徑
圖1A是依照本發明的一實施例的一種發光二極體的上視示意圖。 圖1B是圖1A剖面線A-A’的剖面示意圖。 圖2A是依照本發明的一實施例的一種發光二極體的上視示意圖。 圖2B是圖2A剖面線B-B’的剖面示意圖。 圖3A是依照本發明的一實施例的一種發光二極體的上視示意圖。 圖3B是圖3A剖面線C-C’的剖面示意圖。 圖4A是依照本發明的一實施例的一種發光二極體的上視示意圖。 圖4B是圖4A剖面線D-D’的剖面示意圖。
10‧‧‧發光二極體
100‧‧‧N型半導體層
110‧‧‧第一電極
200‧‧‧發光層
300‧‧‧P型半導體層
310‧‧‧第二電極
A-A’‧‧‧剖面線
B1‧‧‧第二面
B3‧‧‧第四面
D1‧‧‧第一方向
G1‧‧‧距離
H1、H2、H3‧‧‧厚度
I‧‧‧絕緣層
R1‧‧‧第一區
R2‧‧‧第二區
S1、S2、S3、S4‧‧‧側壁
T1‧‧‧第一面
T3‧‧‧第三面
W1‧‧‧寬度
X‧‧‧路徑

Claims (20)

  1. 一種發光二極體，包括： 一N型半導體層； 一P型半導體層，位於該N型半導體層上；以及 一發光層，位於該P型半導體層與該N型半導體層之間，其中該N型半導體層具有相連的一第一區以及一第二區，該第一區於一第一方向上重疊於該發光層與該P型半導體層，且該第二區於該第一方向上不重疊於該發光層與該P型半導體層，其中該P型半導體層的片電阻小於該N型半導體層的片電阻。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體，其中該P型半導體層的厚度為0.5~1.5微米，該N型半導體層的厚度為2~4微米。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體，更包括： 一第一電極，電性連接該N型半導體層且設置於該第二區；以及 一第二電極，電性連接該P型半導體層。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的發光二極體，其中該N型半導體層之該第一區以及該P型半導體層中的至少一者具有一缺角，且該缺角鄰近於該N型半導體層以及該P型半導體層中的至少一者最遠離該第一電極的側壁。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的發光二極體，其中該N型半導體層之該第一區具有該缺角，該N型半導體層之該第一區具有相連的一第一部分以及一第二部分，該第一部分於該第一方向上重疊於該缺角，且該第一部分的片電阻大於該第二部分的片電阻。
  6. 如申請專利範圍第4項所述的發光二極體，其中該N型半導體層之該第一區具有該缺角，該N型半導體層之該第一區具有相連的一第一部分以及一第二部分，該第一部分具有一第一厚度小於該第二部分之一第二厚度。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的發光二極體，其中該第一厚度大於零微米至小於等於該第二厚度的百分之八十五。
  8. 如申請專利範圍第4項所述的發光二極體，其中該P型半導體層具有該缺角，該P型半導體層具有相連的一第三部分以及一第四部分，該第三部分於該第一方向上重疊於該缺角，且該第三部分的片電阻大於該第四部分的片電阻。
  9. 如申請專利範圍第4項所述的發光二極體，其中該P型半導體層具有該缺角，該P型半導體層具有相連的一第三部分以及一第四部分，該第三部分具有一第三厚度小於該第四部分之一第四厚度。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的發光二極體，其中該第三厚度大於該第四厚度的百分之十至小於等於該第四厚度的百分之八十。
  11. 如申請專利範圍第3項所述的發光二極體，其中該N型半導體層具有鄰近該發光層的一第一面與相對於該第一面的一第二面，該第一區具有一第一缺角，且該第一缺角鄰近於該第二面最遠離該第一電極的側邊。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的發光二極體，其中該P型半導體層具有一第三面以及相對於該第三面的一第四面，且該第三面面對該發光層，其中該P型半導體層具有一第二缺角，該第二缺角鄰近於該第四面最遠離該第一電極的側邊。
  13. 如申請專利範圍第12項所述的發光二極體，其中該第一缺角與該第二缺角於該第一方向上重疊。
  14. 如申請專利範圍第12項所述的發光二極體，其中至少部分該第二電極位於該第二缺角內。
  15. 如申請專利範圍第12項所述的發光二極體，其中該N型半導體層具有相連的一第一部分以及一第二部分，該第一部分於該第一方向上重疊於該第一缺角，其中該P型半導體層具有相連的一第三部分以及一第四部分，該第三部分於該第一方向上重疊於該第二缺角，其中該第一部分的片電阻大於該第三部分的片電阻。
  16. 如申請專利範圍第15項所述的發光二極體，其中該第二部分的片電阻大於該第四部分的片電阻。
  17. 如申請專利範圍第15項所述的發光二極體，其中該第二部分沿著該第一方向投影於該第一面的面積大於該第一部分沿著該第一方向投影於該第一面的面積與該第四部分沿著該第一方向投影於該第一面的面積。
  18. 如申請專利範圍第3項所述的發光二極體，其中該第二電極與該第一電極之間的水平最短距離為該發光層之寬度的一半以上。
  19. 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體，其中該P型半導體層的電阻率為ρp ，該N型半導體層的電阻率為ρn ，ρp ≦0.75ρn 。
  20. 如申請專利範圍第19項所述的發光二極體，其中該P型半導體層之摻雜濃度為該N型半導體層之摻雜濃度的50倍以上。
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