TWI458124B - 光發射元件 - Google Patents
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Description
此申請案係被基於及主張來自2010年11月2日提出的先前日本專利申請案第2010-246409號之優先權的利益；其全部內容係以引用的方式併入本文中。
在此中所敘述之具體實施例大致上有關光發射元件。
光發射元件係日益增加地被要求對於應用至照明裝置、顯示裝置、交通號誌等具有較高的輸出。
當高濃度電流分佈層被提供於光發射層及電極之間時，由該電極所注射之載子係分佈於光發射層平面中，且較高的光線輸出被輕易地發射。
再者，當細微之凹凸結構被形成在該光發射側面上之電流分佈層的表面上時，光擷取效率被改善，且光線輸出可被進一步造成較高。於此案例中，藉由使用諸如RIE(反應式離子蝕刻)之乾式蝕刻法形成細微的凹凸結構，其係可能形成具有確實地不超過所發射之光的波長之尺寸的細微凹凸結構，且亦具有增加之產生力。
然而，當該乾式蝕刻法被使用時，晶體缺陷係在被處理區域中輕易地造成，且離子種類有時候侵入該光發射層。藉此，該光線輸出有時候於長操作時間期間被降級。
本發明之具體實施例提供在長時間操作中具有改良之可靠性的光發射元件，同時保持高光線輸出。
大致上，根據一具體實施例，光發射元件包括光發射層、第一導電型之披覆層、該第一導電型之電流分佈層、該第一導電型之第二層、及電極。該光發射層係能夠發射發射光。該電流分佈層包括經表面處理層及第一層。該經表面處理層具有一包括凸出部及被提供毗連該等凸出部之底部的表面。該第一層被提供於該經表面處理層與該披覆層之間。該第二層被提供於該經表面處理層與該披覆層之間，且包括雜質濃度高於該電流分佈層之雜質濃度的區域。該電極被提供於該經表面處理層之表面的一區域中，在此區域未提供該等凸出部與該等底部。該被覆層、該電流分佈層、及該第二層被設在該光發射層的一表面側上。
根據本發明之具體實施例，改善長時間操作中之可靠性同時保持高光線輸出的光發射元件被提供。
在下文，本發明之具體實施例將參考該等圖面被敘述。
圖1A係根據本發明之第一具體實施例的光發射元件之概要平面圖，且圖1B係取自沿著剖線A-A之概要橫截面視圖。
該光發射元件包括基板10、設在該基板10上之堆疊本體32、設在該堆本體32上之第一電極50、及設在該基板10的後表面上之第二電極13。
該堆本體32具有光發射層22、設在該光發射層22上之第一導電型層30、及設在該光發射層22之下的第二導電型層18。該第一導電型層30包括披覆層24、電流分佈層26、第二層25、及在該光發射層22的一表面側上之接觸層28。再者，該第二導電型層18可包括一接觸該光發射層22之披覆層。
該光發射層22可為由諸如Inx
(Gay
Al1-y
)1-x
P(0x1及0y1)、Alx
Ga1-x
As(0x1)、與Inx
Gay
Al1-x-y
N(0x1、0y1、且x+y1)之材料所製成。再者，該基板可為由GaAs、GaP等所製成。於晶圓接合被施行之案例中，該基板10可為由GaP、Si、藍寶石等所製成。
該電流分佈層26包括一設有凹凸結構27之表面的經表面處理層26b、及被提供於該經表面處理層26b與該披覆層24間之第一層26a，且具有第一導電型。該第二層25被提供於該經表面處理層26b及該披覆層24之間。再者，該第二層25包括雜質濃度高於該電流分佈層26之雜質濃度的區域、及具有與該電流分佈層26之摻雜劑不同的摻雜劑之區域的其中之一，且具有該第一導電型。
另一選擇係，該第二層25可包括一區域及具有該第一導電型，該區域包括一與該電流分佈層26之構成元素不同的構成元素。
該第一電極50被提供於該經表面處理層26b之表面的一區域中，在此該等凹凸部份27未被提供及注射載子至該電流分佈層26。所注射之載子被擴散，且該等載子(電流)係分佈在該光發射層22之平面中。在此，該第一電極50被組構成具有圓形之形狀，該圓形具有120微米等之直徑DE。該第一電極50之形狀不被限制於該圓，並可為長方形、橢球形、多邊形、及其一組合。再者，該第一電極50可額外地具有一薄金屬線電極。譬如，當一或多數薄金屬線電極被環繞著該圓形電極時，當減少藉由該電極所切開之光量，其變得易於增加光線輸出。
圖2A係局部放大像島狀凸出部之概要橫截面視圖，圖2B係該像島狀凸出部之概要局部立體圖，且圖2C係像網目狀凸出部之概要局部立體圖。
於圖2A及2B中，該等凹凸結構27包括像島狀凸出部27a及被提供環繞著該等凸出部27a的底部27b。該經表面處理層26b之厚度係大於該等凸出部27a的高度HH，且被組構來造成該底部27b不會抵達該第二層25。另一選擇係，該底部27b可被組構成不會貫穿該第二層25。
於該等凸出部27a係藉由多數島狀部所形成之案例中，在由一島狀部至該周遭島狀部的距離之中，最小距離係藉由間距P1、P2等所標示。於該島狀部之形狀為隨機的案例中，該島狀部係藉由一具有相同面積之圓所替換，且該距離被界定為其中心間之距離。該等間距之平均值被界定為該等像島狀凸出部27a之平均間距。再者，於該等凸出部27a係如圖2C所示像網目狀之案例中，在由被提供毗連該等凸出部27a的底部27b之中心至該周圍底部27b之中心的距離之中，最小距離係標示為間距P11、P12、P13、P14等。以此方式，該等間距之平均值被界定為該等像網目狀凸出部27a之平均間距。
於該外側折射率係低於該電流分佈層26之折射率的案例中，設有該等凸出部27a的電流分佈層26之折射率具有分級式折射率，其中該折射率由該電流分佈層26之折射率減少朝向該外側折射率。藉此，其係可能增加該光線擷取效率。再者，當該平均間距被製成不超過該發射光之波長時，該等凸出部27a起作用為一光柵，且n階繞射光(n=±1、±2、...)的一部份能被擷取，及其係可能進一步增加該光線擷取效率。
其次，該凹凸結構27之形成製程將被說明。該電流分佈層26、該披覆層24、及該光發射層22之每一者被假設為由Inx
(Gay
Al1-y
)1-x
P(0x1及0y1)所製成。再者，該第一層26a及該經表面處理層26b被假設為藉由相同之成份公式所表示。
具有比該發射光之波長較小的平均間距之凸出部27a能藉由譬如使用嵌段共聚物之自我組織圖案當作遮罩的諸如RIE之乾式蝕刻法所形成。
首先，藉由譬如於相等數量中混合聚苯乙烯(PS)/聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)與PMMA均聚物、及在PS均聚物及丙二醇乙醚乙酸酯(PGMEA)之溶劑中交融，該嵌段共聚物能被製備。在該嵌段共聚物被以均勻的厚度藉由使用旋轉塗覆器塗在晶圓上之後，譬如，諸如烘焙及退火之熱處理被進行。其結果是，相位分離係於該PS及該PMMA之間造成。亦即，該PS及該PMMA係以自我組織之方式被聚集，且微粒形PS層被形成。
於此案例中，藉由改變該PS及該PMMA間之成份比率，其係可能改變該PS層之微粒直徑、微粒佔用率等。該RIE隨後被進行，且該PMMA係藉由選擇性蝕刻所去除。該PS層保留作為譬如具有10奈米至300奈米的範圍中之平均間距的凸出部27a。再者，譬如SiO2
薄膜遮罩係使用該PS層圖案當作遮罩所製成，且該等想要之凸出部27a能藉由使用該SiO2
薄膜當作遮罩之乾式蝕刻法所形成。在此，該乾式蝕刻法可藉由使用抗蝕劑圖案當作該遮罩來進行。
當該乾式蝕刻法被使用時，被用作離子種類之鹵素離子及氫離子輕易地保留在該經表面處理層26b中。這些元素之離子可藉由被施加用於操作之電場所移動。譬如，當該電流分佈層26為n型時，諸如Cl-
、Br-
、I-
及F-
之負離子傾向於移向正極側。亦於溶液蝕刻法被使用及鹵素等等被包括在蝕刻劑內之案例中，離子有時候保留，但其影響被該具體實施例所減少。
圖3係曲線圖，顯示使用Cl濃度之SIMS的分析結果。
該等發明家施加電壓至在該n型電流分佈層中不具有該高濃度第二層之光發射元件，並比較Cl濃度變化。該垂直軸顯示相對Cl濃度，且該水平軸為離該表面之深度(微米)。該虛線及該直線分別顯示在操作之前及168小時操作之後的相對C1濃度。
根據使用該二次離子質譜儀(SIMS)之分析的結果，在譬如50mA之驅動電流已被注射達168小時之後，Cl被積聚在該p型光發射層內。如果p型雜質濃度在該光發射層中或於非摻雜案例中係充分低的，負離子亦在該p型披覆層側面上被截留。以此方式，藉由使用該SIMS，其係可能以高敏感性偵測Cl積聚之輕微數量。在光發射層中所截留之Cl於該光發射層22內側造成晶體缺陷等等，且造成非輻射性之重組。這些晶體缺陷係藉由該驅動電流進一步分佈在該光發射層內，且更多降級該光線輸出。根據該等發明家之實驗，其已發現該光線輸出在1000小時操作之後有時候平均被降級直至40至60%。
圖4係該第一具體實施例中之概要局部橫截面視圖，說明該第二層阻斷一離子。
於此圖示中，該光發射層22、該披覆層24、該電流分佈層26、及該第二層25(厚度T2)之每一者被假設為由Inx
(Gay
Al1-y
)1-x
P(0x1及0y1)所製成。再者，該披覆層24、該電流分佈層26、及該第二層25之每一者被假設具有n型導電型。
於Inx
(Gay
Al1-y
)1-x
P(在此，0x1及0y1)之半導體材料係藉由該RIE方法所處理的案例中，反應種類包括諸如Cl-
、Br-
、I-
及F-
之負離子與諸如H+
之正離子。這些離子40被加速，以侵入該經表面處理層26b(厚度T3)或黏著至該等凹凸結構27。鹵素及氫離子具有高反應性，且藉由所施加之電壓等輕易地移動。
該Cl離子40傾向於移向該第二電極(p側)，但被在具有高雜質濃度的第二層25中所產生之大多數載子(電子)所減速，且被截留在該第二層25中。據此，Cl離子40之移動被抑制朝向該披覆層24。因此，該Cl離子係難以抵達該光發射層22。以此方式，該第二層25用作負離子阻斷層。
該等發明家已發現當該第二層25被組構成具有不少於5×1018
/立方公分之峰值n型雜質濃度與不超過100奈米的厚度T2時，該負離子被更確實地截留。在另一方面，當該雜質濃度變得高於1×1019
/立方公分時，光吸收增加，且該輸出急劇地減少。再者，亦當該第二層25之厚度T2變得大於100奈米時，該光吸收增加，且該輸出減少。亦即，其較佳的是藉由製成該厚度T2不超過100奈米、同時保持該峰值n型雜質濃度不少於5×1018
/立方公分來抑制該光吸收，該峰值n型雜質濃度係一輕易地截留該負離子之峰值雜質濃度。再者，當該第二層25被形成為具有在5×1012
/平方公分與1.5×1013
/平方公分(包含在內)間之範圍中的片濃度之n型Δ(delta)摻雜層時，其係可能獲得陡峭的輪廓及增強該負離子截留效果。
當該電流分佈層26之雜質濃度被設定為不超過3×1018
/立方公分時，其係可能減少該光吸收。在由該經表面處理層26b之表面至該披覆層24之距離係藉由T1所標示及(T1-T2)之厚度被設定為不少於2微米的案例中，該電流係在該光發射層22之平面中輕易地分佈。然而，當該厚度被設定為不少於5微米時，該晶體生長薄膜之品質被該晶體缺陷等等之增加所降級，且該光線輸出減少。於該具體實施例中，增加該光吸收的高濃度區域之厚度T2被減少至不超過100奈米，且藉此其係可能將該電流分佈層26之厚度(T1-T2)減少至不超過5微米，同時保持高離子移動阻斷效果及高電流分佈效果。
該披覆層24、該電流分佈層26、及該第二層25亦可具有p型導電型。於Inx
(Gay
Al1-y
)1-x
P(在此，0x1及0y1)之半導體材料係藉由該RIE方法所處理的案例中，諸如H+
之正離子亦可被用作該反應種類。該正離子被加速至侵入該經表面處理層26b或黏著至該凹凸結構27。此一正離子具有高反應性及傾向於藉由該電流施加移至負電極側。
氫離子傾向於移向該n側電極，但被在具有高雜質濃度的第二層25中所產生之大多數載子(電洞)所減速，且在該第二層25中被截留。據此，該氫離子移動被抑制朝向該披覆層24。因此，該等氫離子係難以抵達該光發射層22。以此方式，該第二層25用作正離子阻斷層。
於此案例中，當該第二層25被組構，以具有高於該電流分佈層26之p型雜質濃度的p型雜質濃度時，其係可能更確實地截留該正離子。再者，當該電流分佈層26之摻雜劑及該第二層25的摻雜劑被組構成在至少一元素中彼此不同時，其係亦可能確實地截留該正離子。
於圖4中，該電流分佈層26被假設為由In0.5
(Ga0.7
Al0.3
)0.5
P(雜質濃度：不少於5×1017
/立方公分)所製成。該披覆層24被假設為由In0.5
Al0.5
P(雜質濃度：4×1017
/立方公分及厚度：0.6微米)所製成。該接觸層28被假設為由GaAs(雜質濃度：1.0×1018
/立方公分及厚度：0.1微米)所製成。再者，該等凸出部27b之高度HH譬如被假設為0.5微米等。當前向電壓係施加至該p-n接合處及載子係由該電極50注射時，該載子之流動F係分佈於該電流分佈層26中，且經由該披覆層24分佈於該光發射層22之平面中。
該光發射層22能具有包括由In0.5
(Ga0.9
Al0.1
)0.5
P(厚度：8奈米)所製成之阱層及由In0.5
(Ga0.4
Al0.6
)0.5
P(厚度：5奈米)所製成之障礙層的MQW(多層量子阱)結構。在此，阱之數目被組構成譬如於30至60之範圍中。藉此，其變得可能發射具有530至700奈米之波長範圍的可見光。
在另一方面，該光發射層22、該披覆層24、該電流分佈層26、及該第二層25之每一者被組構成為由Inx
(Ga1-y
Aly
)1-x
P(0x1及0y1)所製成。該電流分佈層26之摻雜劑及該第二層25之摻雜劑可在至少一元素中製成不同的。譬如，該電流分佈層26被組構成包括Si當作施子(摻雜劑)，且該第二層25被組構成包括C、Sn、及Ge之一當作施子(摻雜劑)。當摻雜劑元素被適當地選擇時，有時候與鹵素離子耦合被增強，且該離子被確實地截留。於此案例中，當該第二層25之雜質濃度被製成高於該電流分佈層26的雜質濃度時，該離子可被進一步確實地截留。該電流分佈層26之摻雜劑可包括二或更多元素。再者，該第二層25之摻雜劑可包括二或更多元素。
再者，該第二層25可被提供於該第一層26a中，並由與該電流分佈層26之構成元素不同的構成元素所製成，且被組構成具有不低於該電流分佈層26之雜質濃度的第一導電型之雜質濃度。譬如，該光發射層22及該披覆層24被組構成包括以Inx
(Ga1-y
Aly
)1-x
P(0x1及0y1)的成份公式所表示之構成元素。再者，該電流分佈層26被組構成包括以Inx
(Ga1-y
Aly
)1-x
P(0x1及0y1)的成份公式所表示之構成元素。該第二層25可為由Alx
Ga1-x
As(0x1)、GaAs、GaP、與Inx
(Ga1-y
Aly
)1-x
P(0x1及0y1)的其中之一所製成，且亦包括與該電流分佈層26之構成元素不同的構成元素。
具有以此方式之組構，其係可能在一雜異介面橫越不同的帶間隙截留離子。於此案例中，當該第二層25之厚度T2被製成較小時，晶格匹配變得更容易，且該堆疊本體之晶體品質能被改善。亦即，離子移動能被該雜異介面所抑制。
圖5A係根據第二具體實施例的光發射元件之概要局部橫截面視圖，且圖5B係其一變動之概要局部橫截面視圖。
該第二層25可為多數層，如圖5A所示提供者。該等第二層25之第一個的第一表面25a接觸具有T3之厚度的經表面處理層26b。當該第二層25係以此方式多層地提供時，其係可能更確實地截留負離子。再者，如圖5B所示，該等第二層25之第四個的第二表面25b可接觸該披覆層24。於此案例中，該第一層26a在該四個第二層25之中包括三個分開區域。在此，包括二或更多區域之第二層25能被組構，而設有具有雜質濃度高於該電流分佈層26之雜質濃度的區域、及具有與該電流分佈層26之摻雜劑不同的摻雜劑之區域的其中之一。再者，包括二或更多區域之第二層25可為由與該電流分佈層26之構成元素不同的構成元素所製成。該第二層25可具有該p型導電型，以截留該正離子。
根據上述具體實施例，改善長時間操作中之可靠性同時保持高光線輸出的光發射元件被提供。這些光發射元件能夠發射在該可見光波長範圍中之光，且能被廣泛地使用於照明設備、顯示裝置、交通號誌等。
雖然某些具體實施例已被敘述，這些具體實施例已僅只當作範例被呈現，且不意欲限制該等發明之範圍。實際上，在此中所敘述之新穎具體實施例可被以各種其他形式具體化；再者，在此中所敘述之具體實施例的形式中之各種省略、替代及變化可被作成，而未由該等發明之精神脫離。所附申請專利範圍及其同等項係意欲涵蓋此等形式或修改，如將落在該等發明之範圍及精神內。
10．．．基板
13．．．電極
18．．．導電型層
22．．．光發射層
24．．．披覆層
25．．．第二層
25a．．．第一表面
25b．．．第二表面
26．．．電流分佈層
26a．．．第一層
26b．．．經表面處理層
27．．．凹凸部份
27a．．．像島狀凸出部
27b．．．底部
28．．．接觸層
30．．．導電型層
32．．．堆疊本體
40．．．離子
50．．．電極
P1．．．間距
P2．．．間距
P11．．．間距
P12．．．間距
P13．．．間距
P14．．．間距
T1．．．厚度
T2．．．厚度
T3．．．厚度
圖1A係根據第一具體實施例的光發射元件之概要平面圖，且圖1B係取自沿著剖線A-A之概要橫截面視圖；
圖2A係一局部放大像島狀凸出部之概要橫截面視圖，圖2B係該等像島狀凸出部之概要局部立體圖，且圖2C係像網目狀凸出部之概要局部立體圖；
圖3係曲線圖，顯示使用Cl濃度之SIMS的分析結果；
圖4係該第一具體實施例中之概要局部橫截面視圖，說明該第二層阻斷負離子；及
圖5A係根據第二具體實施例的光發射元件之概要局部橫截面視圖，且圖5B係其一變化之概要局部橫截面視圖。
10．．．基板
13．．．電極
18．．．導電型層
22．．．光發射層
24．．．披覆層
25．．．第二層
26．．．電流分佈層
26a．．．第一層
26b．．．經表面處理層
27．．．凹凸部份
28．．．接觸層
30．．．導電型層
32．．．堆疊本體
50．．．電極
Claims (13)
- 一種光發射元件，包括：光發射層，能夠發射出(emitting)發射光(emission light)光；第一導電型之披覆層；該第一導電型之電流分佈層，包括經表面處理層及第一層，該經表面處理層具有一包括凸出部及被設置成毗連該等凸出部之底部的表面，該第一層被設在該經表面處理層與該披覆層之間，其中該第一層的第一雜質濃度和該經表面處理層的第二雜質濃度相同；該第一導電型之第二層，被設在該經表面處理層與該第一層之間，該第二層的雜質濃度高於該電流分佈層之第三雜質濃度；及電極，被設置於該經表面處理層之表面的一區域中，在此區域未設置該等凸出部與該等底部，其中該披覆層、該電流分佈層、及該第二層被設在該光發射層的一表面側上，和其中該電流分佈層的該第三雜質濃度不小於5×1017 /立方公分且不大於3×1018 /立方公分，且該電流分佈層的該第三雜質濃度大於該分佈層的第四雜質濃度。
- 如申請專利範圍第1項之光發射元件，其中該等凸出部為島狀或網目狀。
- 如申請專利範圍第2項之光發射元件，其中該等凸出部被組構成具有不超過該發射光的波長之平均間距。
- 如申請專利範圍第1項之光發射元件，其中該光發射層、該披覆層、該電流分佈層、與該第二層之每一者係由Inx (Ga1-y Aly )1-x P(0x1及0y1)所製成，及該第二層具有不少於5×1018 /立方公分之峰值雜質濃度與不超過100奈米的厚度。
- 如申請專利範圍第1項之光發射元件，其中該光發射層、該披覆層、該電流分佈層、與該第二層之每一者係由Inx (Ga1-y Aly )1-x P(0x1及0y1)所製成，及該第二層被形成為δ-摻雜層，該δ-摻雜層具有在5×1012 /平方公分與1.5×1013 /平方公分(包含在內)間之範圍中的片(sheet)濃度。
- 如申請專利範圍第1項之光發射元件，其中該光發射層、該披覆層、該電流分佈層、與該第二層之每一者係由Inx (Ga1-y Aly )1-x P(0x1及0y1)所製成。
- 如申請專利範圍第1項之光發射元件，其中該電流分佈層的厚度不大於5微米(μm)。
- 一種光發射元件，包括：光發射層，能夠發射出發射光；第一導電型之披覆層；該第一導電型之電流分佈層，包括經表面處理層及第一層，該經表面處理層具有一包括凸出部及被設置成毗連該等凸出部之底部的表面，該第一層被設在該經表面處理層與該披覆層之間，其中該第一層的第一雜質濃度和該經表面處理層的第二雜質濃度相同； 該第一導電型之第二層，被設在該經表面處理層與該第一層之間；及電極，被設置於該經表面處理層之表面的一區域中，在此區域未設置該等凸出部與該等底部，其中該披覆層、該電流分佈層、及該第二層被設在該光發射層的一表面側上，其中被包括在該經表面處理層和該第二層其中一者內的至少一摻雜劑不被包括在該經表面處理層和該第二層其中的另一者內，該電流分佈層的第三雜質濃度不小於5×1017 /立方公分且不大於3×1018 /立方公分，且該電流分佈層的該第三雜質濃度大於該分佈層的第四雜質濃度，和其中該光發射層、該披覆層、該電流分佈層、與該第二層之每一者係由Inx (Ga1-y Aly )1-x P(0x1及0y1)所製成，且該第二層具有不少於5×1018 /立方公分之峰值雜質濃度與不超過100奈米的厚度。
- 如申請專利範圍第8項之光發射元件，其中該等凸出部為島狀或網目狀。
- 如申請專利範圍第9項之光發射元件，其中該等凸出部被組構成具有不超過該發射光的波長之平均間距。
- 如申請專利範圍第8項之光發射元件，其中該光發射層、該披覆層、該電流分佈層、與該第二層之每一者係由Inx (Ga1-y Aly )1-x P(0x1及0y1)所製成，及該第二層被形成為δ-摻雜層，該δ-摻雜層具有在5×1012 /平方公分與1.5×1013 /平方公分(包含在內)間之範 圍中的片濃度。
- 如申請專利範圍第8項之光發射元件，其中該光發射層、該披覆層、該電流分佈層、與該第二層之每一者係由Inx (Ga1-y Aly )1-x P(0x1及0y1)所製成。
- 如申請專利範圍第8項之光發射元件，其中該電流分佈層的厚度不大於5微米(μm)。
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