TW560087B - Light-emitting device and light-emitting apparatus using the same - Google Patents

Description

560087 玖、發明說明： 本發明是有關於一種高效率發光元件及使用此發光元 件之裝置。 砂（Si)半導體基底可以應用於高積集度邏輯電路，操 作元件’以及其中具有高可靠度之驅動元件。這是因爲與 一合成半導體相比，矽的價格便宜，且在矽基底上可形成 高積集度之電路。因此，矽已成爲多數積體電路所使用之 基本材料。 基於矽的優點，使用一般集體電路製程製造一矽基礎 之發光元件’以實現低價格光電元件已有相當的成就，實 驗證明多孔矽及納米結晶矽具有發光的能力，因此類似的 硏究得以持續進行。 第1圖示出形成於一單晶矽主體表面之多孔矽(Porous Si)區域的截面，以及多孔矽區域之價電帶（Valence Band) 及導電帶（Conduction Band)之間的能隙（Bandgap)。 多孔矽可藉在包含例如是氫氟酸（HF)溶液之電解溶液 中，單晶矽主體表面之陽極電化學解離而得。 當主體矽於一氫氟酸溶液中受到陽極電化學解離時，具 有一定數目之孔洞la的多孔區域1則在主體矽表面形成’ 如第1圖所示。在形成孔洞la的區域中，比不溶於氫氟 酸之突起區域lb存在較多的矽-氫（Si-H)鍵，而價電帶Εν 及導€帶Ec之間的能隙則與多孔矽區域1的形狀相反。 在由突起區域包圍之能隙曲線中，且與多孔矽區域1 中，與孔洞區la環繞之突起區域lb相對應的凹陷區域提 09235pin.doc/008 6 560087 供了一個量子局限效應，因此在此區域中之能隙係增加至 高於主體矽，而使電子與電洞在此一區域中被捕獲而發 光。 例如，在多孔矽區域1中，由孔洞區域la環繞之突 起區域lb形成爲單晶矽之量子線(Quantum Wire)以提供量 · 子局限效應，且電子及電洞則被此量子線捕獲而耦合發 光。發射的波長範圍係根據量子線之大小（寬度及長度）由 一近紅外光至一藍光波長，在第1圖所示之範例中，多孔 區域la之寬度約爲5納米，而其最大厚度約爲3納米。 馨 因此，在製造一多孔矽基礎發光元件時，由於預定電 壓係施加於發光元件中之多孔砂區域，可發射光線之波長 係決定多孔矽區域1之孔隙度。 然而，以上所述之多孔矽基礎發光元件並非高可靠度 之發光元件，且此一發光元件之外量子效應（EQE)僅有 0.1% 〇 第2圖係一納米結晶矽基礎發光元件之截面圖，參考 第2圖，該納米結晶矽基礎發光元件具有一多層結構，其 包括p型單晶矽基底2，形成於矽基底2之一非晶矽層3， 形成於非晶矽層3上之一絕緣層5，以及分別形成於矽基 底2底面及絕緣層5表面之上下電極6及7。一納米結晶 矽4係在非晶矽層3中形成，以作爲一量子點。 作爲量子點之納米結晶砂4係在非晶砂層3在氧氣中加 熱至700°C以再結晶時所形成的。在此，非晶矽層3具有 3納米之厚度，而納米結晶矽4之大小約爲2-3納米。 09235pifl.doc/008 7 560087 使用以上所述之納米結晶矽4之發光元件中’當一 反向偏壓施加在上下電極6及7之間時，非晶砂層3之邊 緣，矽基底2及納米結晶矽4之間則產生一加強電場’因 此產生激發於高能階之電子及電洞。這些電子及電洞遂穿 至納米結晶矽4中，且彼此耦合而發光。在此納米結晶矽 基礎發光元件中，隨著納米結晶矽量子點之減小’其產生 之光波長將變短。 如以上所述使用納米結晶矽之發光元件的大小及納米 結晶矽量子點的均勻度很難控制，因此其效率相當低。 爲解決以上問題，本發明之一個目的在於提供一種發 光元件及使用此發光元件之發光裝置，其具有使用較多孔 矽及納米結晶矽之發光元件高的效率，以及改善的發光波 長選擇性。 爲達本發明以上之目的，提供一種發光元件，包括： 一 η型或p型基底；形成於該基底表面至一超淺深度之間 之一摻雜區域，其具有與該基底相反電性之預定摻雜，因 此可在摻雜區域及基底之間p-ri界面上利用量子局限效應 發光；一共振器，用以改善由p-ri界面發光波長之選擇性； 以及第一及第二電極，分別形成於基底之兩個表面，以注 射電洞及電子。 巧振器最好包括：形成於基底另一表面之一第一反射 層，以及形成於摻雜區域上之一第二反射層，且共同包括 該共振器及該第一反射層，以改善光波長的選擇性，其中 第一及第二反射層其中之一的反射率較低，因此光線由外 09235pifl.doc/008 8 界發射，並穿越第一及第二反射層中具有較低反射率的一 層。第二反射層最好是一分佈布拉格反射器（DBR)，其由 具有不同折射率之材料層相間形成。第一反射層最好是在 基底的另一表面上形成，且在基底另一表面形成之第一電 極係環繞著第一反射層。或者，第一電極可以由介於基底 另一表面及第一反射層之間之一透明電極所形成。 基於本發明之發光元件最好包括一控制層，其形成於 基底之一表面，以作爲形成摻雜區域之一罩幕層，並限制 摻雜區域之深度，以使其成爲超淺深度。 基底最好是形成於包括矽之預定半導體材料上，而控 制層最好是由氧化矽形成至一預定厚度，因此摻雜區域可 具有一超淺深度（Ultra-Shallow Depth)。 本發明之目的可藉由一發光裝置達成，其包括至少一 個發光元件，且可應用至一發光系統(Illumination System) 或一顯示系統（Display System)，該至少一個發光元件包 括：一 η型或p型基底·，一摻雜區域，形成於基底之一表 面至一超淺深度之間，其具有與基底相反之一預定摻雜， 因此光線可藉量子局限效應由摻雜區域及基底之ρ-η界面 發射；一共振器，用以改善由ρ-η界面發射光線之波長選 擇性；以及分別形成於基底之表面及另一表面的第一及第 二電極，用以注射電子及電洞。 圖~式之簡單說明： 爲讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易 懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明 09235pifi.doc/008 9 560087 如下： 弟1圖係繪不在一^主體單晶砂表面形成之一^多孔石夕 區域的截面，以及在多孔矽區域中，價電帶及導電帶之間 的能隙； 第2圖係一*截面圖’繪不出納米結晶砂基礎發光兀件 的一個範例； 第3圖係一截面圖，繪示出基於本發明之一發光元件 的第一實施例； 第4圖係一截面圖，基於本發明之一發光元件的第一 實施例； 第5A圖繪示出利用非平衡擴散（Non-Equilibrium Diffusion)而形成至一超淺深度之一摻雜區域15之p-n界 面結構；以及 第5B圖繪示出第5A圖中，利用非平衡擴散而在p-n 界面形成之縱向及橫向量子井（Quantum Well)的能帶。 圖式之標記說明： la :孔洞區域 lb :突起區域 1 :多孔矽區域 2 :矽基底 3:非晶矽層 4:納米結晶矽層 5 :絕緣層 6 :下電極 09235pifl.doc/008 10 7 :上電極 11 :基底 13 :控制層 14 : p-n界面 15 :摻雜區域 17 :第一電極 19 :第二電極 21 :第一反射層 25 :第二反射層 實施例 第3圖及第4圖分別爲基於本發明，第一及第二實施 例之發光元件之截面圖。 參考第3圖及第4圖，第一及第二實施例之發光元件 各包括一基底11，形成於基底11表面之一摻雜區域15， 用以改善發光波長選擇性之一共振器，以及形成於基底另 一表面及此表面之第一及第二電極Π及19，其分別用來 注射電洞及電子。基於本發明之發光元件最好更包括一控 制層13，其形成於基底11之此一表面，以作爲形成摻雜 區域15，且使其形成至所需之超淺深度之罩幕，因此，爲 形成本發明之發光元件的摻雜區域15，此一控制層13是 必需的，且其可在形成摻雜區域15之後移除。 ί底11係由一包括有例如矽，例如是矽，碳化矽， 或鑽石之預定半導體材料所形成。此基底11最好具有η 型摻雜。 09235pifl.doc/008 11 560087 摻雜區域15係利用預定摻雜，例如是硼或磷之非平衡 擴散，經過孔制層13之一孔隙而形成於基底11中。摻雜 區域15之導電性係與基底11相反，例如是p+型。 在摻雜該摻雜區域15時，該摻雜區域15最好是被摻 雜至一超淺深度，因此形成至少一個量子井，量子點 (Quantum Dot)。而量子線係形成於摻雜區域15及基底11， 亦即一 p-η界面14，以提供一量子局限效應，進而致能光 電反轉。 量子井幾乎是形成於P-η界面14中，然而量子點或量 子線可以在p-n界面14中形成。至少兩個量子井，量子 點，及量子線可以同時在p-n界面14上形成。爾後，爲 簡化目的，本發明係以一量子井形成爲該p-n界面14爲 例，而量子井應被視爲至少量子井，量子點以及量子線的 其中之一。 第5A圖係繪示出藉由非平衡擴散形成而具有一超淺 深度之摻雜區域15之p-η界面14的結構。第5B圖係繪 示出在第5A圖中，藉非平衡擴散形成之p-n界面14中所 形成之縱向及橫向量子井(QW)的能帶。在第5B圖中，Ec 係指示導電能階，Εν係指價電階，而Ef係指費米能階(Fermi Level)。這些能階皆爲半導體相關領域中熟知的參數，因 此在此不作詳細敘述。 如第5A圖及第5B圖所示，接近p-n界面14，不同摻 雜型式所形成之摻雜區域係交互地形成，以提供一量子井 結構。量子井結構及下面的阻障具有一定深度，例如分別 09235pin.doc/008 12 560087 爲2納米及3納米。 對p-ri界面14摻雜以形成量子井至一超淺深度可以利 用控制控制層13之厚度以及將擴散製程最佳化而實現。 利用適當的擴散溫度及基底11表面變形的位能，擴散 輪廓的厚度可以在擴散製程中調整成例如是10-20納米， 結果，量子井系統可在此一超淺深度擴散輪廓中形成。基 底11表面的形變則是利用控制初始控制層之厚度及使擴 散製程最佳化而達到。 當基底11由包括矽之預定半導體材料形成時，控制層 13最好是由氧化矽所形成至一適當厚度，因此摻雜區域15 可以摻雜至一超滲深度。例如，爲形成控制層13，一氧化 矽層係在基底11表面上形成，且利用微影將此氧化矽層 蝕刻，以移除用以擴散之孔隙部分，因此導致該控制層13 具有一罩幕結構。 已知在擴散技術的領域，如果氧化矽層之厚度超過一 適當的厚度（數千埃），或是擴散溫度過底，擴散則會被空 穴(Vacancy)影響而導致深的擴散輪廓(Diffusion Profile)。 相對地，如果氧化矽層的厚度低於適當厚度，或是擴散溫 度過高時，擴散則會被矽的自我間隙影響而導致深擴散輪 廓。因此，利用將氧化矽形成至一適當厚度，而使其中之 自我間隙（Self-Interstitial)及空穴（Cavity)以一相當的比例 產生並彼此耦合，可達到不擴散摻雜的目的，而形成超淺 深度的摻雜區域。間隙及空穴在擴散技術的相關物理特性 係爲已知，因此不在此詳細敘述。 09235pifl.doc/008 13 560087 或者，基底11可摻雜成P型，而摻雜區域15可摻雜 成n+型。 共振器包括形成於基底11之另一表面之一第一反射層 21，以及形成於摻雜區域15上之一第二反射層25，以改 善發射光線之波長的選擇性。 爲得產生光線之最大效率，並將光線發射於外界之一 預定方向上，第一反射層21係具有高反射率，最好是接 近100%。接近摻雜區域15之第二反射層25最好是具有 較第一反射層21低之反射率，因此由p-n界面14發射的 光線可以經第二反射層25於外界發射。在共振器的另一 個結構中，第一反射層21可以較第二反射層25具有較低 的反射率，因此光線可以經第一反射層21向外發射。 第一反射層21可以藉一般反射層或分佈布拉格反射器 實現，第二反射層25最好與一分佈布拉格反射器形成以 減低其頻寬或發射光譜。第二反射層25係在用以形成第 二電極I9之外，控制層13之孔隙部分中形成的。在此， 分佈布拉格反射器係利用將材料層，例如是具有不同折射 率之合成半導體浦層。交形麵關。當需要具有以 分佈布拉格反射器’以經第：：：反射層25向外發光之第一 及第一反射層21及25的共_時，第二賴層25翻 用堆，較弟-反射層21少的材料層所形成，因此第二反 射層25具有較第一反射層21小的反射率。 在使用具有以上所述結梅之共振器時，根據該共振器 之共振條件，只有在-_增長區域的光會被放大及產 09235pin.doc/008 560087 生，因此發射光波長的選擇性顯著地改善。此一共振器係 具有配合欲發射光之波長的共振條件。 第一電極17係形成於基底11之另一表面，而第二電 極19係形成於基底11之此一表面且環繞著第二反射層 15。 如第3圖所示，其繪示出基於本發明之發光元件的第 一實施例，其中第一電極Π可以插入基底11之另一表面 及第一反射層21之間。如此，第一電極17最好是以一透 明電極形成，例如是一銦錫氧化物（ITO)，因此光可以穿 透第一電極17。 如第4圖所示，其繪示出基底本發明之發光元件的第 二實施例，其中第一反射層21可以最強的電場效應形成 於基底11之另一表面的一個區域中，且第一電極17係形 成於基底11之另一表面而環繞第一反射層21。 依據本發明，具有以上所述結構之發光元件因具有此 量子井而可發射光線，其中如以上所述，電子-電洞對在 摻雜區域15及基底11間之p-n界面14消滅。在發射光 線之後，根據包括第一及第二反射層21及25之共振器的 共振條件，只有在所需波長範圍之內的光線會被放大及經 由第二反射層25向外發射。其中發射光線之波長及強度 係取決於施加的電流量。 本發明發光元件的發光如以下所述，例如，當一電源(電 壓或電流)施加至第一電極Π及第二電極19之間時，電 子及電洞等載子注入P-n界面14中之量子井，而因量子 09235pifl.doc/008 15 560087 井之次能帶能階再結合（消減Annihilation)。在此，一預 定之波長電致發光EL的發光係根據載子結合處的狀態而 發生，而發射光的強度則根據施加於第一及第二電極17 及19間電源(電流及電壓)量的改變而改變。 由本發明之發光元件所發射光線的波長主要取決於基 底11表面（事實上，摻雜區域15之表面）之微缺陷（Micro-Defect)形成之 微空穴 （Micro-Cavity) 。 藉著發光元件製造 過程中微空穴大小的調整，可以得到由發光元件發射之一 預定波長的光線。 如果電致發光的波長與基底11表面微缺陷形成之微空 穴的共振頻率匹配時，電致發光的強度可以放大。 微空穴係因摻雜區域15微缺陷而導致之變形電位所發 生，該量子井可藉變形電位的控制而變形，因此可以決定 微空穴的大小。利用此方法調整微空穴的大小可以發射一 所需波長範圍的光線。 如以上所述，本發明之發光元件提供一量子局限效應， 其係在摻雜區域15下方，p-n界面14中電荷分佈電位之 局部改變。還有，因爲量子井中之次能帶能階，本發明之 發光元件具有高量子效率。 本發明之發光元件根據包括第一及第二反射層21及25 之共振器的共振條件，僅放大p-n界面14所發射之光線 中，一所欲窄波長帶之光線。 以上所述本發明之發光元件可應用於一發光裝置，以 使一顯不系統或發光系統具有較傳統發光兀件改善的色彩 09235pifi.doc/008 16 560087 鮮明度，而此發裝置具有至少一個以上所述之發光元件。 當以上所述之發光元件應用在一顯示系統的一個發光 裝置中時，發光裝置則具有複數個以上所述之發光元件排 列於兩度空間。本發明之發光元件可藉製造一半導體元件 之製程，使用一半導體材料而製造成一小的尺寸。因此， 很明顯地，本發明之發光元件可以應用於顯示系統，特別 是一平面固態顯示器。本發明之發光元件具有高度提升的 波長選擇性，因此，如果本發明中發光裝置之每一個發光 元件係以所欲顯示系統之各個圖素之共振條件架構而成， 然後再組合成發光裝置，紅色，綠色，藍色則可在不使用 分別的色彩過濾器而實現，需知其他的顏色亦可依據本發 安裝於該發光裝置中，以改善顯示色彩的鮮明度。 當根據本發明使用此發光元件之發光裝置係用於一發 光系統中，發光裝置係與至少一個發光元件架構而成，以 配合發光系統之用途，達到發光的需求。用於發光裝置之 發光元件包括一共振器，其依據色彩要求而被最佳化。 上述根據本發明使用此發光元件之發光裝置足夠推論 出發光裝置的整個結構，因此不再提供其詳細描述。 如以上所述，在發光元件及使用此發光元件之發光裝 置中’形成一超淺摻雜區域而使光線得以p-n界面中之量 子局限效應而發射。一僅在一特定的波長共振之共振器結 構明||地改善了波長的選擇性，並具有極優良的效率。該 光線發射的強度係由此共振結構放大，而發射光線之方向 性則再更進一步較傳統的發光元件改善。 09235pifl.doc/008 17

Claims (1)

1. 560087 拾、申請專利範圍： 1. 一種發光元件，包括： 一η型或p型基底； 一摻雜區域，形成於該基底的一表面至一超淺深度， 其具有與該基底相反導電性之一預定摻雜，以使光線藉_ 量子局限效應由該摻雜區域及該基底之一 Ρ-η界面發射； 一共振器，用以改善由該P-η界面發射之光線的波長 選擇性；以及 一第一及一第二電極’分別形成於該基底之該表面及 另一表面，以注射電洞子電子。 2·如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該 共振器包括： 一第一反射層，形成於該基底之該另一表面上；以及 一第二反射層，形成於該摻雜區域上，並包括一共振 子與該第一反射層同時改善被發射光線之波長選擇性； 其中該第一及該第二反射層其中之一的反射率較低， 以使得光線經由具有較低反射率之該第一或第二反射層向 外發射。 3·如申請專利範圍第2項所述之發光元件，其中該第 二反射層係由具有不同折射率之材料層交互形成之一分佈 布拉格反射器(DBR)。 4.如申請專利範圍第2或3項所述之發光元件，其 中該第一反射層係形成於該基底之該另一表面上，且該第 一電極係在該基底之該另一表面上形成而環繞該第一反射 09235pifl.doc/008 18 560087

   ο 5·如申請專利範圍第2或3項所述之該發光元件， 其中該第一電極係由介於該基底之該另一表面及該第一反 射層之間的一透明電極所形成。 6·如申請專利範圍第1或2項所述之發光元件，更 包括一控制層形成於基底之該表面上，以在形成該摻雜區 域時作爲一罩幕，而限制該摻雜區域之深度爲超淺。 7·如申請專利範圍第6項所述之發光元件，其中該 基底係由包括矽之預定半導體材料所形成，且該控制層係 由一具有一適當厚度之氧化矽形成，因此該摻雜區域可以 具有該超淺深度。 8· —種發光裝置，包括至少一發光元件，且可應用 於一發光系統或一顯示系統，該至少一發光元件包括： 一 η型或ρ型基底； 一摻雜區域，形成於該基底之一表面上至一超淺深 度’其具有與該基底相反導電性之一預定摻雜，因此光線 可藉著一量子局限效應而由該摻雜區域及該基底之間之一 P-η界面發射； 一共振器，改善由該ρ-η界面發射之光線的波長選擇 性；以及 一第一及一第二電極，分別形成於該基底之該表面及 一另=表面上，以注射電洞及電子。 9.如申請專利範圍第8項所述之發光裝置，其中該 共振器包括： 09235pifl.doc/008 19 560087 一第一反射層，形成於該基底之該表面上；以及 一第二反射層，形成於該摻雜區域，並包括一共振子， 以與該第一反射層共同改善發射光線之波長選擇性； 其中該第一及第二反射層其中之一係具有一較低的反 射率’因此光線可以經由具有較低反射率之該第一或第二 反射層而向外發射。 10. 如申請專利範圍第8項所述之發光裝置，其中該 第二反射層係由具有不同折射率之材料層交互形成之一分 佈布拉格反射器(DBR)。 11. 如申請專利範圍第9或10項所述之發光裝置， 其中該第一反射層係形成於該基底之該另一表面上，且該 桌一'電極係在該基底之該另一^表面上形成而環繞該第一反 射層。 12. 如申請專利範圍第9或10項所述之該發光裝置， 其中該第一電極係由介於該基底之該另一表面及該第一反 射層之間的一透明電極所形成。 13. 如申請專利範圍第9或10項所述之發光裝置， 更包括一控制層形成於基底之該表面上，以在形成該摻雜 區域時作爲一罩幕，而限制該摻雜區域之深度爲超淺。 14·如申請專利範圍第13項所述之發光裝置，其中 該基底係由包括矽之預定半導體材料所形成，且該控制層 係由一具有一適當厚度之氧化矽形成，因此該摻雜區域可 以具有該超淺深度。 09235pifl.doc/008 20