TWI572061B - 半導體發光結構 - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種發光結構，且特別是有關於一種半導體發光結構。
現今，世界各大發光二極體(light-emitting diode,LED)製造公司皆想在照明市場一展長才，並針對如何提高發光效率與減少耗電為開發之目標。LED的發光效率(如外部量子效率(external quantum efficiency,EQE)是內部量子效率(internal quantum efficiency,IQE)與光取出效率(light extraction efficiency)的乘積。在過去的20年中，藉由改善磊晶品質與設計量子井結構等技術以提升內部量子效率已至一門檻，這是因為影響內部量子效率的關鍵因素為電子-電洞對的復合效率。
由於電洞的遷移率(mobility)小於電子的遷移率數十倍，以及氮化鎵與藍寶石基板間晶格常數差異大所造成的量子侷限史塔克效應(quantum-confined Stark effect,QCSE)，造成電子溢流(overflow)，使得電子-電洞對的復合效率大幅降低。因此，
國際各大廠為了提高外部量子效率，皆從光取出效率著手。光取出效率的提升是在發光層前後作反射率的改變以使光取出效率提升，或是在後段製程作複雜的光學設計結構以提升光取出效率。無論採用那種方式提升光取出效率，都會增加LED製作的時間，進而影響到製造成本。
本發明提供一種半導體發光結構，其能夠在保持較低的操作電壓下具有較高的發光效率。
本發明的一實施例的一種半導體發光結構包括一第一型摻雜半導體層、一第二型摻雜半導體層、一發光層、一第一電極、一第二電極及一磁性層。發光層配置於第一型摻雜半導體層與第二型摻雜半導體層之間。第一電極電性連接至第一型摻雜半導體層，而第二電極電性連接至第二型摻雜半導體層。磁性層連接第一電極與第一型摻雜半導體層，其中磁性層的至少一部分具有磁性，磁性層的至少另一部分的能隙(bandgap)大於0電子伏特且小於或等於5電子伏特，且磁性層的材料包括金屬、金屬氧化物或其組合。
本發明的一實施例的一種半導體發光結構包括一第一型摻雜半導體層、一第二型摻雜半導體層、一發光層、一第一電極、一第二電極及一磁性層。發光層配置於第一型摻雜半導體層與第二型摻雜半導體層之間。第一電極電性連接至第一型摻雜半導體
層，而第二電極電性連接至第二型摻雜半導體層。磁性層連接第一電極與第一型摻雜半導體層，其中磁性層中摻雜的至少一摻雜元素的價電子數大於磁性層的主材料中的至少一元素的價電子數。
在本發明的實施例的半導體發光結構中，由於磁性層的至少另一部分的能隙大於0電子伏特且小於或等於5電子伏特，或者由於磁性層中摻雜的至少一摻雜元素的價電子數大於磁性層的主材料中的至少一元素的價電子數，因此半導體發光結構能夠在保持較低的操作電壓下具有較高的發光效率。
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。
100、100a、100b、100c‧‧‧半導體發光結構
110、120c‧‧‧第一型摻雜半導體層
120、110c‧‧‧第二型摻雜半導體層
130‧‧‧發光層
140、140b、150c‧‧‧第一電極
150‧‧‧第二電極
160、160a、160c‧‧‧磁性層
162、162c‧‧‧磁性子層
164、164c‧‧‧導電子層
170‧‧‧基板
180‧‧‧緩衝層
190‧‧‧電子阻擋層
210‧‧‧透明導電層
圖1為本發明的一實施例的半導體發光結構的剖面示意圖。
圖2為圖1之半導體發光結構與不含有磁性層的發光二極體的光功率相對於電流密度的曲線圖。
圖3A為圖1之半導體發光結構與不含有磁性層的發光二極體的電致發光強度相對於波長的實驗曲線圖。
圖3B為圖1之半導體發光結構與不含有磁性層的發光二極體的電致發光強度相對於波長的模擬曲線圖。
圖4為本發明之另一實施例之半導體發光結構的剖面示意
圖。
圖5為本發明之又一實施例之半導體發光結構的剖面示意圖。
圖6為本發明之再一實施例之半導體發光結構的剖面示意圖。
圖1為本發明的一實施例的半導體發光結構的剖面示意圖。請參照圖1，本實施例的半導體發光結構100包括一第一型摻雜半導體層110、一第二型摻雜半導體層120、一發光層130、一第一電極140、一第二電極150及一磁性層160。發光層130配置於第一型摻雜半導體層110與第二型摻雜半導體層120之間。在本實施例中，第一型摻雜半導體層110為N型半導體層，且第二型摻雜半導體層120為P型半導體層。然而，在其他實施例中，亦可以是第一型摻雜半導體層110為P型半導體層，而第二型摻雜半導體層120為N型半導體層。此外，在本實施例中，發光層130例如為多重量子井層(multiple quantum well)或量子井層。在本實施例中，半導體發光結構100為一發光二極體(light-emitting diode,LED)。在本實施例中，第一型摻雜半導體層110、第二型摻雜半導體層120及發光層130所採用的材料可以是以氮化鎵(gallium nitride,GaN)為主的材料，其中多重量子井層的能井與能障可利用摻入不同濃度的銦(indium,In)來形成。
第一電極140電性連接至第一型摻雜半導體層110，而第二電極150電性連接至第二型摻雜半導體層120。磁性層160連接第一電極140與第一型摻雜半導體層110。在本實施例中，第二電極150配置於第二型摻雜半導體層120上。此外，在本實施例中，磁性層160的至少一部分具有磁性，磁性層160的至少另一部分的能隙大於0電子伏特且小於或等於5電子伏特，且磁性層160的材料包括金屬、金屬氧化物或其組合。在本實施例中，磁性層160例如為磁性半導體層，磁性層160中至少摻雜有摻雜元素，且此摻雜元素的價電子數大於磁性層160的主材料(host material)中的至少一元素的價電子數。在本說明書中，主材料是指非摻雜材料，且主材料中的任一元素在整個材料(在本實施例中例如是磁性層160的材料)中的莫耳百分比皆大於或等於7.5%。在本實施例中，第一電極140與第二電極150的材料例如為金屬或其他具有高導電率的材料。
此外，在本實施例中，磁性層160例如為一堆疊層，且磁性層160包括堆疊的一磁性子層162與一導電子層164，其中導電子層164例如為透明導電子層。導電子層164配置於第一型摻雜半導體層110與磁性子層162之間，且磁性子層162配置於導電子層164與第一電極140之間。然而，在其他實施例中，亦可以是磁性子層162配置於第一型摻雜半導體層110與導電子層164之間，且導電子層164配置於磁性子層162與第一電極140之間。
在本實施例中，波長為450奈米的光對於導電子層164
的穿透率大於或等於30%，且導電子層164的能隙大於0電子伏特且小於或等於5電子伏特。在一實施例中，波長450奈米的光對於導電子層164的穿透率例如是大於或等於70%。在本實施例中，磁性子層162的飽和磁化強度大於10-5電磁單位。舉例而言，在常溫下(例如在25℃下)，磁性子層162的飽和磁化強度大於10-5電磁單位。此外，在本實施例中，磁性子層162的能隙大於0電子伏特，且磁性子層162的能隙小於或等於5電子伏特。具體而言，在一實施例中，磁性子層162的能隙可大於2.5電子伏特。
具體而言，在本實施例中，磁性子層162的材料包括摻雜有鈷(Co)且未摻雜有其他刻意摻雜元素的氧化鋅(ZnO)，或包括摻雜有鈷及其他摻雜元素的ZnO，其中此「其他摻雜元素」包括鎵(Ga)、鋁(Al)、銦(In)、錫(Sn)或其組合。舉例而言，磁性子層162的材料可以是摻雜有Ga與Co的ZnO、摻雜有Al與Co的ZnO、摻雜有Ga、Al及Co的ZnO…等，以此類推。此外，在本實施例中，導電子層164的材料包括摻雜有摻雜元素的ZnO，其中此摻雜元素包括Ga、Al、In、Sn或其組合。舉例而言，導電子層164的材料可以是摻雜有Ga的ZnO、摻雜有Al的ZnO、摻雜有Ga與Al的ZnO、…等，以此類推。其中，Co、Zn、Ga、Al、In、Sn及O分別為鈷、鋅、鎵、鋁、銦、錫及氧的元素符號。
在本實施例中，導電子層164中至少摻雜有摻雜元素，且此摻雜元素的價電子數大於導電子層164的主材料中的至少一元素的價電子數。在本實施例中，導電子層的主材料中的任一元
素在導電子層中的莫耳百分比皆大於或等於7.5%。舉例而言，導電子層164的主材料為ZnO，Zn的價電子數為2，因此可摻雜價電子數為3的硼(B)、Ga、Al、In或鉈(Tl)等IIIA族元素。此外，由於ZnO的O的價電子數為6，因此可以摻雜價電子數為7的氟(F)、氯(Cl)、溴(Br)、碘(I)或砈(astatine,At)等VIIA族元素。其中，上述這些摻雜是用以作為電子施體(electron donor)。在本實施例中，磁性層160的材料包括過渡元素化合物。舉例而言，磁性子層162的材料可包括鈷(Co)。在一實施例中，導電子層164中的Ga的莫耳百分比可落在0.1%至3.5%的範圍內。
在本實施例中，導電子層164的厚度是落在20奈米至70奈米的範圍內。在一實施例中，導電子層164的厚度例如為30奈米。此外，在本實施例中，磁性子層162的厚度是落在30奈米至500奈米的範圍內。在一實施例中，磁性子層162的厚度是落在100奈米至130奈米的範圍內。舉例而言，磁性子層162的厚度為120奈米。
在本實施例的半導體發光結構100中，由於磁性層160的至少另一部分的能隙大於0電子伏特且小於或等於5電子伏特，或者由於磁性層160中摻雜的至少一摻雜元素的價電子數大於磁性層160的主材料中的至少一元素的價電子數，或者由於磁性層160包括磁性子層162與透明的導電子層164，因此半導體發光結構100能夠在保持較低的操作電壓下具有較高的發光效率。具體而言，來自第一電極140的電子在通過磁性子層162時，會
與磁性子層162內的磁矩產生交換耦合效應，而使電子在進入發光層130(即多重量子井層)前的遷移率(mobility)下降。一般而言，若未採用磁性子層162，電子的遷移率比電洞高，因此當部分電子移動得過快，而導致在穿越發光層130之後，才在第二型摻雜半導體層120中與電洞復合時，這種復合是不會發光的。然而，在本實施例中，由於採用磁性子層162來減緩電子的遷移率，將使得大部分的電子盡量在發光層130中與電洞復合，以發出光，如此便可增進半導體發光結構100的發光效率。
此外，當增加磁性子層162時，會使半導體發光結構100的順向電壓(forward voltage,VF)增加，進而使半導體發光結構100的操作電壓上升。因此，在本實施例中，採用了導電子層164，且使導電子層164中摻雜的至少一摻雜元素的價電子數大於導電子層164的主材料中的至少一元素的價電子數，如此便可有效地降低接觸電阻，進而降低半導體發光結構100的順向電壓與操作電壓。如此一來，半導體發光結構100便能夠在維持較低的順向電壓的情況下有效地提升發光效率。
圖2為圖1之半導體發光結構與不含有磁性層的發光二極體的光功率相對於電流密度的曲線圖，圖3A為圖1之半導體發光結構與不含有磁性層的發光二極體的電致發光強度相對於波長的實驗曲線圖，而圖3B為圖1之半導體發光結構與不含有磁性層的發光二極體的電致發光強度相對於波長的模擬曲線圖。請參照圖1、圖2、圖3A及圖3B，在圖2及圖3A的實驗中及在圖3B
的模擬中，半導體發光結構100的磁性層160的磁性子層162的材料是採用摻雜有Co的ZnO，而導電子層164的材料則是採用摻雜有Ga的ZnO，由圖2、圖3A及圖3B可明顯看出，採用本實施例之磁性層160的半導體發光結構100具有較高的發光效率。
在一實施例中，磁性子層162所採用的摻雜有Co的ZnO材料中的Co的莫耳百分比例如約為7%，磁性子層162的厚度例如為120奈米，導電子層164所採用的摻雜有Ga的ZnO的材料中的Ga的莫耳百分比例如約為3.5%，而導電子層164的厚度例如為30奈米。在一實施例中，磁性層160的下表面至第一型摻雜半導體層110的下表面的垂直距離可大於700奈米。
上表一列出各種形式的半導體發光結構的實驗參數值。其中，「無磁性層」是指第一電極140與第一型摻雜半導體層110之間沒有配置磁性層的半導體發光結構；「單一ZnO：Co層」是指在第一電極140與第一型摻雜半導體層110之間配置有單一的摻
雜有Co的ZnO層的半導體發光結構；「單一ZnO：Ga層」是指在第一電極140與第一型摻雜半導體層110之間配置有單一的摻雜有Ga的ZnO層的半導體發光結構；「ZnO：Co層+ZnO：Ga層」是指本實施例之半導體發光結構100，亦即其中在第一電極140與第一型摻雜半導體層110之間配置有磁性層160，磁性層160包括磁性子層162與導電子層164，磁性子層162的材料為摻雜有Co的ZnO，而導電子層164的材料為摻雜有Ga的ZnO。此外，「平均光功率」與「平均順向電壓」是指實驗中多個半導體發光結構100所得到的平均值，而「平均光功率差值(%)」(或「平均順向電壓差值(%)」)分別是指該列的平均光功率(或平均順向電壓)先減去「無磁性層」那列的平均光功率(或平均順向電壓)後，再除以「無磁性層」那列的平均光功率(或平均順向電壓)所得到的百分比數值。
由表一可明顯看出，採用單一的ZnO：Co層時，雖然平均光功率提升了18.09%，但半導體發光結構的順向電壓也提升了16.19%，因而導致所需操作電壓過高，進而導致較高的功率消耗與較差的可應用性。此外，採用單一的ZnO：Ga層時，雖然平均順向電壓降低了-10.35%，但平均光功率幾乎沒有增加(只增加了0.53%)，因而仍無法有效提升半導體發光結構的光功率。相較之下，在本實施例中，相對於不含有磁性層160的發光二極體(即表一所列的「無磁性層」)，本實施例之半導體發光結構100所提供的輸出光功率多了18.68%，而操作電壓少了8.35%。也就是說，
操作電壓甚至還可以比不含有磁性層160的發光二極體低，而輸出光功率也有效地被提升。如此一來，本實施例之半導體發光結構100便可以具有較高的亮度與較佳的可應用性。
在一實施例中，磁性子層162的厚度可以是落在30至500奈米的範圍內，磁性子層162所採用的摻雜有Ga與Co的ZnO或摻雜有Co的ZnO材料中的Co的莫耳百分比例如是落在從1%至3%的範圍內，磁性層160的下表面至第一型摻雜半導體層110的下表面的垂直距離可大於1微米，磁性子層162所採用的摻雜有Ga與Co的ZnO或摻雜有Co的ZnO材料中的O的莫耳百分比例如是落在45%與65%之間。此外，對於磁性子層162所採用的摻雜有Ga與Co的ZnO材料而言，Ga相對於Ga、Co與Zn的總合的莫耳百分比小於10%，且Co相對於Ga、Co與Zn的總合的莫耳百分比大於3%。
在本實施例中，半導體發光結構100可更包括一基板170、一緩衝層(buffer layer)180、一電子阻擋層(electron blocking layer,EBL)190及一透明導電層210。緩衝層180配置於基板170上，而第一型摻雜半導體層110配置於緩衝層180上。在本實施例中，基板170的材料可以是藍寶石(sapphire)或其他適當材料，緩衝層180的材料例如為氮化鎵。電子阻擋層190配置於發光層130與第二型摻雜半導體層120之間，以盡量使電子在發光層130中與電洞復合，進而提升半導體發光結構100的發光效率。在本實施例中，電子阻擋層190的材料例如為氮化鋁鎵、氮化鋁銦鎵
或氮化鋁銦。透明導電層210配置於第二電極150與第二型摻雜半導體層120之間，以降低第二電極150與第二型摻雜半導體層120的接觸電阻。在本實施例中，透明導電層210的材料例如為氧化銦錫(indium tin oxide,ITO)或其他適當的材料。
圖4為本發明之另一實施例之半導體發光結構的剖面示意圖。請參照圖4，本實施例之半導體發光結構100a類似於圖1之半導體發光結構100，而兩者的差異如下所述。在本實施例之半導體發光結構100a中，磁性層160a為一單一膜層。在本實施例中，磁性層160a具有磁性，磁性層160a的能隙大於0電子伏特且小於或等於5電子伏特，且磁性層160a的材料包括金屬、金屬氧化物或其組合。在一實施例中，磁性層160a的能隙大於2.5電子伏特。在本實施例中，磁性層160a例如為磁性半導體層，磁性層160a中至少摻雜有摻雜元素，且此摻雜元素的價電子數大於磁性層160a的主材料中的至少一元素的價電子數。
在本實施例中，波長為450奈米的光對於磁性層160a的穿透率大於或等於30%，且磁性層160a的能隙大於0電子伏特且小於或等於5電子伏特。在一實施例中，波長450奈米的光對於磁性層160a的穿透率例如是大於或等於60%。在本實施例中，磁性層160a的飽和磁化強度大於10-5電磁單位。舉例而言，在常溫下(例如在25℃下)，磁性層160a的飽和磁化強度大於10-5電磁單位。
在本實施例中，磁性層160a的材料包括過渡元素化合
物。舉例而言，磁性層160a的材料可包括鈷(Co)。
在本實施例中，磁性層160a的材料包括摻雜有Co與其他摻雜元素的ZnO，其中此「其他參雜元素」包括Ga、Al、In、Sn或其組合。舉例而言，磁性層160a的材料可以是摻雜有Ga與Co的ZnO、摻雜有Al與Co的ZnO、摻雜有Ga、Al及Co的ZnO等，以此類推。在一實施例中，磁性層160a中的Co的莫耳百分比例如約為7%。在一實施例中，磁性層160a中的Ga的莫耳百分比例如是落在從0.1%至3.5%的範圍內。在本實施例中，磁性層160a的厚度是落在100奈米至130奈米的範圍內。在一實施例中，磁性層160a的厚度例如為120奈米。
在本實施例中，由於呈單一膜層的磁性層160a中同時具有過渡元素Co與電子施體Ga，因此可在維持較低的順向電壓的情況下有效地提升發光效率。
圖5為本發明之又一實施例之半導體發光結構的剖面示意圖。請參照圖5，本實施例之半導體發光結構100b與圖1之半導體發光結構100類似，而兩者的差異如下所述。圖1之半導體發光結構100為水平式發光二極體結構，也就是第一電極140與第二電極150位於半導體發光結構100的同一側。然而，本實施例之半導體發光結構100b為垂直式發光二極體結構，也就是第一電極140b與第二電極150位於半導體發光結構100b的相對兩側。具體而言，磁性層160可配置於第一型摻雜半導體層110的下表面上，而第一電極140b為一配置於磁性層160的下表面上之導電
層。在其他實施例中，圖5中的磁性層160也可以採用如圖4中的單一膜層的磁性層160a來取代。
圖6為本發明之再一實施例之半導體發光結構的剖面示意圖。請參照圖6，本實施例之半導體發光結構100c與圖1之半導體發光結構100類似，而兩者的差異如下所述。在本實施例之半導體發光結構100c中，第一型摻雜半導體層120c為P型半導體層，其配置於第一電極150c與電子阻擋層190之間，而第二型摻雜半導體層110c為N型半導體層，其配置於基板170與發光層130之間。也就是說，磁性層160c是配置於P型半導體層(即第一型摻雜半導體層120c)與第一電極150c之間。在本實施例中，磁性層160c的磁性子層162c配置於第一電極150c與導電子層164c之間，且導電子層164c是配置於磁性子層162c與第一型摻雜半導體層120c之間。
在其他實施例中，圖6中的磁性層160c也可以採用如圖4中的單一膜層的磁性層160a來取代。
綜上所述，在本發明的實施例的半導體發光結構中，由於磁性層的至少另一部分的能隙大於0電子伏特且小於或等於5電子伏特，或者由於磁性半導體層中摻雜的至少一摻雜元素的價電子數大於磁性層的主材料中的至少一元素的價電子數，或者由於堆疊層包括磁性子層與透明導電子層，因此半導體發光結構能夠在保持較低的操作電壓下具有較高的發光效率。
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。
100‧‧‧半導體發光結構
110‧‧‧第一型摻雜半導體層
120‧‧‧第二型摻雜半導體層
130‧‧‧發光層
140‧‧‧第一電極
150‧‧‧第二電極
160‧‧‧磁性層
162‧‧‧磁性子層
164‧‧‧導電子層
170‧‧‧基板
180‧‧‧緩衝層
190‧‧‧電子阻擋層
210‧‧‧透明導電層
Claims (13)
- 一種半導體發光結構，包括：一第一型摻雜半導體層；一第二型摻雜半導體層；一發光層，配置於該第一型摻雜半導體層與該第二型摻雜半導體層之間；一第一電極，電性連接至該第一型摻雜半導體層；一第二電極，電性連接至該第二型摻雜半導體層；以及一磁性層，連接該第一電極與該第一型摻雜半導體層，其中該磁性層的至少一部分具有磁性，該磁性層的至少另一部分的能隙大於0電子伏特且小於或等於5電子伏特，且該磁性層的材料包括金屬、金屬氧化物或其組合，其中該磁性層包括堆疊的一磁性子層與一導電子層，其中該磁性子層位於該第一電極與該導電子層之間，該導電子層位於該磁性子層與該第一型摻雜半導體層之間，該導電子層中至少摻雜有一摻雜元素，該摻雜元素的價電子數大於該導電子層的主材料中的至少一元素的價電子數。
- 如申請專利範圍第1項所述的半導體發光結構，其中該導電子層的該主材料中的任一元素在該導電子層中的莫耳百分比皆大於或等於7.5%。
- 如申請專利範圍第1項所述的半導體發光結構，其中該磁性層包括堆疊的一磁性子層與一導電子層，且該磁性子層的飽和磁化強度大於10-5電磁單位。
- 如申請專利範圍第1項所述的半導體發光結構，其中該第一型摻雜半導體層為N型半導體層，且該第二型摻雜半導體層為P型半導體層。
- 一種半導體發光結構，包括：一第一型摻雜半導體層；一第二型摻雜半導體層；一發光層，配置於該第一型摻雜半導體層與該第二型摻雜半導體層之間；一第一電極，電性連接至該第一型摻雜半導體層；一第二電極，電性連接至該第二型摻雜半導體層；以及一磁性層，連接該第一電極與該第一型摻雜半導體層，其中該磁性層中摻雜的至少一摻雜元素的s軌域與p軌域的價電子數大於該磁性層的主材料中的至少一元素的s軌域與p軌域的價電子數。
- 如申請專利範圍第5項所述的半導體發光結構，其中該磁性層包括堆疊的一磁性子層與一導電子層，波長為450奈米的光對於該導電子層的穿透率大於或等於30%，且該導電子層的能隙大於0電子伏特且小於或等於5電子伏特。
- 如申請專利範圍第5項所述的半導體發光結構，其中該磁性層包括堆疊的一磁性子層與一導電子層，該導電子層中摻雜的至少一摻雜元素的價電子數大於該導電子層的主材料中的至少一元素的價電子數。
- 如申請專利範圍第5項所述的半導體發光結構，其中該磁性層為一單一膜層，且該磁性層的飽和磁化強度大於10-5電磁單位。
- 如申請專利範圍第5項所述的半導體發光結構，其中該第一型摻雜半導體層為N型半導體層，且該第二型摻雜半導體層為P型半導體層。
- 如申請專利範圍第5項所述的半導體發光結構，其中該至少一摻雜元素包括IIIA族元素、VIIA族元素或其組合。
- 如申請專利範圍第10項所述的半導體發光結構，其中該IIIA族元素包括鎵，且鎵在該磁性層中的莫耳百分比是落在0.1%至3.5%的範圍內。
- 如申請專利範圍第5項所述的半導體發光結構，其中該磁性層的該主材料中的任一元素在該磁性層中的莫耳百分比皆大於或等於7.5%。
- 一種半導體發光結構，包括：一第一型摻雜半導體層；一第二型摻雜半導體層；一發光層，配置於該第一型摻雜半導體層與該第二型摻雜半導體層之間；一第一電極，電性連接至該第一型摻雜半導體層；一第二電極，電性連接至該第二型摻雜半導體層；以及一磁性層，連接該第一電極與該第一型摻雜半導體層，其中 該磁性層的至少一部分具有磁性，該磁性層的至少另一部分的能隙大於0電子伏特且小於或等於5電子伏特，且該磁性層的材料包括金屬、金屬氧化物或其組合，其中該磁性層為一單一膜層，且該磁性層的飽和磁化強度大於10-5電磁單位，其中該磁性層中摻雜的至少一摻雜元素的s軌域與p軌域的價電子數大於該磁性層的主材料中的至少一元素的s軌域與p軌域的價電子數。
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