TWI714891B - 發光元件及其製造方法 - Google Patents

Abstract

一種發光元件，包含：一基板；一第一半導體導電層，形成於基板 上；一第一阻障層，位於第一半導體導電層上；一井層，位於第一阻障層上，井層包含：一第一區域具有一第一能隙；以及一第二區域具有一第二能隙，且較第一區域靠近第二半導體導電層；一第二阻障層，位於井層上；以及一第二半導體導電層，形成於第二阻障層上；其中，第一能隙沿發光元件之一堆疊方向遞減並具有一第一梯度，第二能隙沿堆疊方向遞增並具有一第二梯度，且第一梯度之絶對值小於第二梯度之絶對值。此外，一種發光元件的製造方法亦被提出。

Description

發光元件及其製造方法

本發明關於一種發光元件，特別是有關於一種具有量子井結構的發光二極體。

相較於傳統光源，發光二極體使用壽命更長、更輕薄，以及效率較佳，已經廣泛地使用在光學顯示裝置、交通號誌、資料儲存裝置、通訊裝置、照明裝置與醫療器材上。發光二極體除了可以單獨使用外，還可以與其他裝置結合以形成發光裝置，像是先將發光二極體放置於基板之上再連接到載體的一側，或是以焊料接點或者黏膠等材料形成於載體與發光二極體之間以形成發光裝置。此外，載體上更可以包含電路電性連接到發光二極體的電極。

一般而言，發光二極體包含n型半導體層、主動區、p型半導體層。為了提升發光二極體的發光效率，還可以在主動區內形成多重量子井結構。如何藉由量子井結構以提高發光效率，已成為現今改善發光二極體效能的重要課題。

本發明關於一種發光元件，包含：一基板；一第一半導體導電層，形成於基板上；一第一阻障層，位於第一半導體導電層上；一井層，位於第一 阻障層上，井層包含：一第一區域具有一第一能隙；以及一第二區域具有一第二能隙，且較第一區域靠近第二半導體導電層；一第二阻障層，位於井層上；以及一第二半導體導電層，形成於第二阻障層上；其中，第一能隙沿發光元件之一堆疊方向遞減並具有一第一梯度，第二能隙沿堆疊方向遞增並具有一第二梯度，且第一梯度之絶對值小於第二梯度之絶對值。

本發明還關於一種發光元件的製造方法，包含：形成一第一半導體導電層於一基板上；形成一第一阻障層於第一半導體導電層上；形成一井層於第一阻障層上，其中形成井層之步驟包含：在一第一時距中，於一第一操作溫度下通入一含鎵元素氣體、一含銦元素氣體，以及一含氮元素氣體以形成一第一區域；以及在一第二時距中，於一第二操作溫度下通入含鎵元素氣體、含銦元素氣體，以及含氮元素氣體以形成一第二區域，其中第二時距晚於第一時距；形成一第二阻障層於該井層上；以及形成一第二半導體導電層於第二阻障層上。

為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，作詳細說明如下。

1:發光元件

10:基板

20:成核層

30:晶格緩衝層

40:第一半導體導電層

50:應力釋放層

60:主動區

601、601’、S01:井層

603、603’、S03:阻障層

6010、6010’:區域I

6012、6012’:區域II

6014、6014’:區域III

70:第二半導體導電層

80:第一電極

90:第二電極

S:習知發光元件

S-P:極化作用下的習知發光元件

G:第一實施例發光元件

G-P:極化作用下的第一實施例發光元件

N:第二實施例發光元件

t₁、t₂、t₃:時間

T₁、T₂、T₃:預設值(溫度)

FR1、FR2、FR3:流量

C_N:成長方向

第1A圖為本發明之一實施例的發光元件剖面圖。

第1B圖為第1A圖的局部放大圖。

第1C圖為第1B圖的局部轉正視圖。

第2A圖為本發明第一實施例之形成井層與阻障層時的流量與時間關係圖。

第2B圖為本發明第一實施例之井層與阻障層示意圖。

第2C圖為本發明第一實施例之形成井層與阻障層時的溫度與時間關係圖。

第2D圖為本發明第一實施例之井層與阻障層的能帶與結構對照圖。

第3A圖為本發明第二實施例之形成井層與阻障層時的流量與時間關係圖。

第3B圖為本發明第二實施例之井層與阻障層示意圖。

第3C圖為本發明第二實施例之形成井層與阻障層時的溫度與時間關係圖。

第3D圖為本發明第二實施例之井層與阻障層的能帶與結構對照圖。

第4圖為本發明第一實施例和第二實施之發光元件與習知發光元件的井層與阻障層能帶圖

第5圖為本發明第一實施例和第二實施例之發光元件與習知發光元件的內部量子效率與功率關係圖。

第6A圖為本發明第一實施例和第二實施例之發光元件與習知發光元件的輸出功率與電流密度關係圖。

第6B圖為本發明第一實施例和第二實施例之發光元件與習知發光元件的歸一化效率與電流密度關係圖。

第7A圖為習知發光元件之井層與阻障層的載子濃度、能帶與位置關係圖。

第7B圖為習知發光元件之井層與阻障層能帶與費米能階圖。

第8A圖為本發明第一實施例之井層與阻障層的載子濃度、能帶和位置關係圖。

第8B圖為本發明第一實施例之井層與阻障層能帶與費米能階圖。

第9A圖為本發明第二實施例之井層與阻障層的載子濃度、能帶和位置關係圖。

第9B圖為本發明第二實施例之井層與阻障層能帶與費米能階圖。

第10圖為本發明第一實施例和第二實施例的發光元件與習知發光元件之復合率與位置模擬關係圖。

第11圖為本發明第一實施例的發光元件與習知發光元件之歸一化效率與電流密度模擬關係圖。

以下實施例將伴隨著圖式說明本發明之概念，在圖式或說明中，相似或相同之部分係使用相同之標號，並且在圖式中，元件之形狀或厚度可擴大或縮小。需特別注意的是，圖中未繪示或描述之元件，可以是熟習此技藝之人士所知之形式。

第1A圖為本發明之一實施例的發光元件剖面圖。發光元件1，包含基板10、成核層20、晶格緩衝層30、第一半導體導電層40、應力釋放疊層50、主動區60、第二半導體導電層70、第一電極80，以及第二電極90。於本實施例中，上述的各層是以磊晶方式成長於基板10上，其成長方向以箭頭C_N表示，磊晶方式例如為金屬有機物化學氣相磊晶法(metal-organic chemical vapor deposition,MOCVD)或分子束磊晶法(molecular-beam epitaxy,MBE)；基板10可以選用單晶基板，例如導電基板或絕緣基板；導電基板例如是矽基板、氮化鎵基板或者是碳 化矽(SiC)基板，也可以選用絕緣基板如具透光性的藍寶石基板等。於本實施例中，是以MOCVD磊晶法成長各層於藍寶石基板的C平面上，為了提高光萃取率，基板10的表面還可以蝕刻製程使其磊晶成長面具有圖案畫表面。此外，磊晶選用的三族的成長源例如為三甲基鎵(TMGa)、三乙基鎵(TEGa)、三甲基鋁(TMAl)、三甲基銦(TMIn)。五族的成長源例如為氨氣(NH₃)。摻雜源例如是矽烷(silane,SiH₄)、二環戊二烯鎂(bis-cyclopentadienyl magnesium,Cp₂Mg)。

為了縮小基板10與第一半導體導電層40之間的晶格差異以減少晶體缺陷，還可以依序成長成核層20、晶格緩衝層30於基板10和第一半導體導電層40之間，兩者的厚度可分別約為幾十奈米(例如，30奈米)與幾微米(例如，3微米)。成核層20、晶格緩衝層30材料例如是三五族材料，包括氮化鎵(GaN)或氮化鋁(AlN)等材料。

第一半導體導電層40，例如是n型半導體導電層，形成於基板10上、成核層20與晶格緩衝層30上。於本實施例中，第一半導體導電層40的厚度約為幾微米(例如，2.5um)，其組成材料是氮化鎵，並可透過比例約為1000：1的五族成長源(例如，氨氣NH₃)以及三族成長源(例如，三甲基鎵)來成長第一半導體導電層40，另於成長時通以矽烷作為摻雜源以構成矽摻雜的氮化鎵層，但組成材料不以此為限，亦可以是其他三五族材料。

類似地，為了縮小第一半導體導電層40與主動區60之間的晶格差異以減少晶體缺陷，還可以於第一半導體導電層40上形成應力釋放層50，應力釋放層50例如是超晶格結構，其由不同材料組成的兩半導體層為一組相互交疊而成，兩半導體層例如是氮化銦鎵層(InGaN)與氮化鎵層，厚度約為數百奈米(例如，120奈米)，應力釋放層50亦可以由具有相同功效的多層不同材料組成的半導 體疊層構成。

於形成應力釋放層50之後成長主動區60。請參考第1B圖及第1C圖，第1B圖為第1A圖之主動區60的局部放大圖，第1C圖為第1B圖的局部轉正視圖。於本實施例中，主動區60為多重量子井結構，但本發明並不以此為限，於其他實施例中亦可為單層量子井結構。主動區60由多個井層601以及多個阻障層603相互交疊而成，於本實施例中，在應力釋放層50上先成長阻障層603，然後再成長井層601，接著重複成長阻障層603與井層601，最後再成長一層阻障層603或井層601。上述的主動區60之多重量子井結構亦可以先成長井層601，接著成長阻障層603，然後重複交疊成長。每一個井層601的厚度範圍約在數奈米之間(例如是2奈米~3奈米)，且包括區域I 6010、區域II 6012、區域III 6014。其中，區域I 6010離第一半導體導電層40和應力釋放層50較近，區域II 6012位於區域I 6010和區域III 6014之間，而區域III 6014離第一半導體導電層40和應力釋放層50較遠。阻障層603的材料可以是三五族材料，例如為氮化鎵或氮化鋁，井層601的材料亦可以是三五族材料，例如是In_xGa_(1-x)N(氮化銦鎵系)、Al_xGa_(1-x)N(氮化鋁鎵系)、Al_xIn_yGa_(1-x-y)N(氮化鋁銦鎵系)、Al_xIn_1-xN(氮化鋁銦系)或是上述的組合，其中0≦x、y、(1-x-y)<1。於本實施例中，阻障層603的材料為氮化鎵，井層601的材料為氮化銦鎵。於形成主動區60時，可以透過比例約為18000：1的五族成長源(如，氨氣)和三族成長源(如，三甲基銦)來成長主動區60的井層601，並透過比例約為2000：1的五族成長源(如，氨氣)和三族成長源(如三乙基鎵)來成長主動區60的阻障層603，然本發明不以上述為限。

在形成主動區60之後，形成第二半導體導電層70於主動區60上。於本實施例中，第二半導體導電層70例如是p型半導體導電層，p型半導體導電層 可以是摻雜鎂(Mg)的氮化鎵層，但不以此為限，亦可以是其他三五族材料。本實施例中，透過比例約為5000：1的五族成長源(如，氨氣NH3)以及三族成長源(如，三甲基鎵)成長第二半導體導電層70，並且使用二環戊二烯作為鎂的摻雜源。在形成第二半導體層70之後，再透過黃光製程、蝕刻、金屬沉積等方式製作第一電極80與第二電極90以完成發光元件1的製作。前文所說的第一半導體導電層40及第二半導體導電層70可以分別是單層或多層疊層，亦可以分別於第一半導體導電層40或第二半導體導電層70中插入不摻雜之半導體層。

請參閱第2A~2D圖以進一步了解主動區60的形成方式。第2A圖為本發明第一實施例之形成井層601與阻障層603時的流量與時間關係圖；第2B圖為本發明第一實施例之井層601與阻障層603示意圖；第2C圖為本發明第一實施例之形成井層601與阻障層603時的溫度與時間關係圖；第2D圖為本發明第一實施例之井層601與阻障層603的能帶與結構對照圖。如前文所述，主動區60由多個井層601與多個阻障層603相互交疊而層。如第2A~2D圖所示，井層601位於兩阻障層603之間，在成長阻障層603時(僅示意部分區域)會持續通入含鎵元素氣體(例如是三乙基鎵TEGa)、含銦元素氣體(例如是三甲基銦TMIn)，以及含氮元素氣體(例如是氨氣NH₃)三種氣體，其中含鎵元素氣體流量FR1、含銦元素氣體流量FR2、含氮元素氣體流量FR3可各維持在一定值，而操作溫度維持在第一預設值T₁(例如是攝氏870度)，阻障層603成長的厚度約為幾奈米到幾十奈米之間(例如12奈米)。

當形成井層601時，首先在成長時間t₁到t₂之時距下(約160秒)，通入的含鎵元素氣體流量FR1、含銦元素氣體流量FR2、含氮元素氣體流量FR3一樣可各自維持在一定值，成長溫度從第一預設值T₁(例如是攝氏870度)逐漸下降至第二預設值T₂(例如攝氏755度)以形成井層601的區域I 6010。上述成長溫度下降變化方 式包含以線性變化、階梯變化的方式，或者是其他變化方式。一般而言，在以金屬有機物化學氣相沉積的方式形成磊晶層的時候，銦含量會隨著操作溫度的下降而上升(或說隨著操作溫度的上升而下降)，藉由上述調整操作溫度的方式，可以逐漸調整區域I 6010的銦含量，使得區域I 6010的銦含量沿著發光元件1的堆疊方向(成長方向以箭頭C_N表示)遞增，例如是從GaN遞增至In_0.25Ga_0.75N，但不以此為限。遞增的方式可以是線性變化、階梯變化，或者是其他變化方式。

形成區域I 6010之後，在成長時間t₂到t₃之時距(約60秒)成長井層601的區域II 6012，操作溫度可以維持在第二預設值T₂。此外，含鎵元素氣體流量FR1、含銦元素氣體流量FR2、含氮元素氣體流量FR3可各自維持在一定值。由於在此時距中，操作溫度維持在第二預設值T₂，因此區域II 6012的銦含量實質上可視為一常數(例如是維持在In_0.25Ga_0.75N)。

在形成區域I 6010及區域II 6012之後，在t₃到t₄之時距下(例如為60秒)成長井層601的區域III 6014，此時含鎵元素氣體流量FR1、含銦元素氣體流量FR2、含氮元素氣體流量FR3同樣各自維持在前述定值下，操作溫度從第二預設值T₂以線性變化、階梯變化的方式，或其他方式逐漸上升至第三預設值T₃(例如是攝氏875度)，藉此逐漸調整區域III 6014的銦含量，使得區域III 6014的銦含量沿著磊晶的堆疊方向遞減，例如是從In_0.25Ga_0.75N遞增至GaN，遞減的方式可以是線性變化或者是階梯變化。此外，針對個別的井層601而言，區域III 6014是較區域I 6010靠近第二半導體層70，而區域II 6012是位於區域I 6010與區域III 6014之間。也就是說依序形成區域I 6010、區域II 6012及區域III 6014。然而本發明區域I、區域II、區域III的形成順序不以上述為限，於其他實施例中，形成順序亦可有變動。

於形成井層601之後，再形成一層阻障層603(僅示意部分區域)，且 以成長井層601及井層之前的阻障層603相同的氣體流量條件，持續通入含鎵元素氣體(例如是三乙基鎵TEGa)、含銦元素氣體(例如是三甲基銦TMIn)，以及含氮元素氣體(例如是氨氣NH₃)三種氣體，而操作溫度維持在第三預設值T₃。

另外，如第2D圖所示，區域I 6010具有能隙Eg_I(未標示於圖中)，能隙Eg_I沿著發光元件1的堆疊方向(基板10之C平面的法線方向，以箭頭C_N表示)以線性變化、階梯變化或其他方式遞減，並具有第一梯度(於本實施例中，第一梯度的定義為在區域I 6010中每單位厚度的能隙變化量△Eg_I/△D_I，其中厚度方向平行於堆疊方向C_N。於本實施例中是以氮化銦鎵In_xGa_(1-x)N作為井層，能隙Eg_I遞減的原因在於形成區域I 6010時，操作溫度隨堆疊方向逐漸下降，而導致銦含量會隨著溫度下降而升高(x變大)，進而使能隙Eg_I遞減。

另一方面，區域II 6012具有能隙Eg_II(未標示於圖中)。由於在形成區域II 6012時，操作溫度維持在第二預設值T₂，因此在區域II 6012的銦含量大致上維持一定，可將其能隙Eg_II視為一常數，換句話說能隙Eg_II沿堆疊方向不具有梯度變化。

區域III 6014具有能隙Eg_III(未標示於圖中)，能隙Eg_III沿堆疊方向以線性變化、階梯變化或是其他變化方式遞增(原因如前文所述)，並具有第二梯度。第二梯度G_III的定義為在區域III 6014中每單位厚度的能隙變化量△Eg_III/△D_III。由第2D圖可知，能隙Eg_I的變化量較能隙Eg_III的變化量小(僅考慮數值的變化)，即第一梯度的絕對值｜△Eg_I/△D_I｜小於第二梯度的絕對值｜△Eg_III/△D_III｜。這是因為在成長區域I 6010時操作溫度在較長的t₁-t₂時距中(例如是160秒)從第一預設值T₁降低到第二預設值T₂，而對應影響區域I 6010中的銦含量在較長的時間(例如是160秒)內從較低含量變化到較高含量，而在成長區域III 6014時操作溫 度在較短的t₃-t₄時距中(例如是60秒)從第二預設值T₂上升到第三預設值T₃，而對應影響區域III 6014中的銦含量在較短的時間(例如是60秒)內從較高含量變化到較低含量。此外，如第2D圖所示，能隙Eg_I的平均值或能隙Eg_III的平均值大於能隙Eg_II，另外阻障層603的能隙亦會大於井層601的能隙。

本實施例中雖然是透過操作溫度來調整銦含量，進而改變井層中不同區域的能隙值，然而本發明並不以改變操作溫度為限，通入的氣體也不以上述為限，所調整的金屬含量也不以銦為限。於其他實施例中，亦可透過其他手段來調整井層中的金屬含量(例如，鋁)，進而改變能隙值，以使第一梯度的絕對值｜△Eg_I/△D_I｜小於或大於第二梯度的絕對值｜△Eg_III/△D_III｜。舉例來說，若阻障層的材料為氮化鋁AlN而井層的材料為氮化鋁鎵Al_xGa_(1-x)N層時，其中0≦x、(1-x)≦1，則通入的氣體會包括含鋁元素氣體。由於氮化鋁AlN的能隙約為6.1eV，大於氮化鎵GaN之3.4eV，故為了使區域I的能隙Eg_I隨著堆疊方向而下降，以及使區域III的能隙Eg_III隨著堆疊方向而上升，則會使區域I中的鋁含量隨著堆疊方向而減少，區域III中的鋁含量隨著堆疊方向而增加。

請參閱第3A~3D圖，第3A圖為本發明第二實施例之形成井層與阻障層時的流量與時間關係圖；第3B圖為本發明第二實施例之井層與阻障層示意圖；第3C圖為本發明第二實施例之形成井層與阻障層的溫度與時間關係圖；第3D圖為本發明第二實施例之井層與阻障層的能帶與結構對照圖。第3A~3D圖的第二實施例與第2A~2D圖的第一實施例大致類似，主要的差異是在主動區之井層的結構。於第二實施例中，主動區包含井層601’和阻障層603’，同樣是在t₁-t₂時距中形成井層601’的區域I 6010’，在t₂-t₃時距中形成井層601’的區域II 6012’，以及在t₃-t₄時距中形成井層601’的區域III 6014’，其中區域I 6010’的 組成例如是從GaN遞增至In_0.25Ga_0.75N，區域II 6012’的組成例如是In_0.25Ga_0.75N，而區域III 6014’的組成例如是從In_0.25Ga_0.75N遞增至GaN。第一實施例與第二實施例的不同之處在於第3A~3D圖中的t₁-t₂時距(例如是60秒)較t₃-t₄時距(例如是160秒)短，故在t₁-t₂時距中每單位時間的銦含量變化量會較t₃-t₄時距中每單位時間的銦含量變化量大(僅考慮數值)。因此，如第3D圖所示，區域I 6010’的能隙Eg_I’隨著厚度D_I’的變化量會較區域III 6014’之能隙Eg_III’隨著厚度D_III’的變化量大(僅考慮數值大小)。換句話說，第二實施例中第一梯度的絕對值｜△Eg_I’/△D_I’｜大於第二梯度的絕對值｜△Eg_III’/△D_III’｜。

於本發明第一實施例和第二實施例中的t₁-t₂時距、t₂-t₃時距、t₃-t₄時距的持續時間並不限於160秒、60秒、60秒或者是60秒、60秒、160秒。於其他實施例中為了使各時距的銦含量變化方式不同，可對應變化不同時距的持續時間。舉例而言t₁-t₂時距可以是t₃-t₄時距的2~3倍，或者是t₁-t₂時距比t₃-t₄時距短，也或者是t₃-t₄時距及t₂-t₃時距皆長於t₁-t₂時距。本發明並不以上述為限，僅需t₁-t₂時距與t₃-t₄時距中每單位時間內溫度的變化量不同(絕對值)，以藉此對應使得區域I與區域III每單位厚度的銦含量變化量(梯度)之絕對值不相同。此外，第一預設值、第二預設值及第三預設值也不以攝氏870度、攝氏755度、攝氏875度為限，第一預設值及第三預設值大於第二預設值即可。於其他實施例中，也可將第一預設值及第三預設值設在攝氏900度的附近，第二預設值小於攝氏900度。此外，於其他實施例中第一預設值可以介於攝氏870度到攝氏900度，第二預設值可以介於攝氏750度至攝氏780度，第三預設值可以介於攝氏870度至攝氏900度之間。

請參閱第4圖，第4圖為本發明第一實施例和第二實施例之發光元件與習知發光元件的井層與阻障層能帶圖，於第4圖中，S表示習知的發光元件， G表示本發明第一實施例的發光元件，N表示本發明第二實施例的發光元件。於第4圖中，習知發光元件S的井層S01與阻障層S03的材料分別為氮化銦鎵In_0.25Ga_0.75N以及氮化鎵GaN，而井層S01的能隙為固定值，並沒有隨著厚度而變化。

請參閱第5圖，第5圖為本發明第一實施例與第二實施例的發光元件與第4圖之習知發光元件的內部量子效率與功率關係圖。於第5圖中，S表示第4圖中的習知發光元件，A表示根據本發明第一實施例與第二實施例的發光元件(A同時表示G與N)，由第5圖可清楚看出根據本發明第一實施例與第二實施例的發光元件在同樣的功率下，內部量子效率比習知的發光元件的內部量子效率來的高。

請參閱第6A~6B圖，第6A圖為本發明第一實施例和第二實施例之發光元件與習知發光元件的輸出功率與電流密度關係圖，第6B圖為本發明第一實施例和第二實施例之發光元件與習知發光元件的歸一化效率與電流密度關係圖。圖中S表示習知的發光元件，G表示根據本發明第一實施例的發光元件，N表示根據本發明第二實施例的發光元件。第6A圖為發光元件在室溫操作下進行量測的結果，而第6B圖則是將此量測結果分別以各元件在低溫下進行量測的輸出功率結果進行歸一化，得到發光元件效率隨電流密度增加之變化趨勢。如第6A圖所示，在相同的操作電壓，電流密度為69A/cm²的條件下，第一實施例及第二實施例和習知的發光元件的輸出功率分別為136.8mW、122.7mW、110.1mW，第一實施例及第二實施例之發光元件的輸出功率分別比習知的發光元件增加了24.3%及11.4%。而第6B圖顯示本發明第一實施例的發光元件與習知發光元件在電流密度為69A/cm²的條件下，其歸一化效率分別為73%與61%，亦即第一實施例的發光元件隨電流密度增加元件效率下降程度比習知發光元件少。

此外，在電流密度為13.8A/cm²的條件下，習知的發光元件、第一實施例和第二實施例發光元件的外部量子效率(未圖示)分別為59.6%、68.3%、66.5%，且第一實施例第二實施例的發光元件的輸出功率值分別較習知的發光元件增加了11.7%及5.8%。由上可知，不論是在電流密度為69A/cm²或者13.8A/cm²的情況下，本發明之第一實施例及第二實施例的發光元件相對習知的發光元件具有較高的輸出功率及較高的發光效率。

請參閱第7A、8A、9A圖，其為外加偏壓下的模擬結果。第7A圖為習知的發光元件之井層與阻障層的載子濃度、能帶與位置關係圖；第8A圖為本發明第一實施例之井層601與阻障層603的載子濃度、能帶和位置關係圖；第9A圖為本發明第二實施例之井層601’與阻障層603’的載子濃度、能帶和位置關係圖。為了清楚起見，第7A、8A、9A圖中，圖面上方分別標示著該位置所對應的結構代號(即阻障層、井層、區域I、區域II、區域III)。由第7A、8A、9A圖可以得知，較高的載子濃度出現在井層處，並且相較於習知的發光元件，本發明第一實施例與第二實施例之電子濃度的峰值與電洞濃度的峰值的位置較為靠近，此代表的意義為電子和電洞在空間中的波函數較為重疊，復合率會較習知的發光元件佳。另外，如第8A圖所示，能隙的變化在井層601的區域I 6010較為緩和而在區域III 6014較為劇烈，當本發明第一實施例的發光元件作動時，電子從區域I 6010往區域III 6014移動，而電洞是從區域III 6014往區域I 6010移動，這樣的設計可加速電洞的移動而提高效率，並且有效侷限電子移動而改善電子溢流的狀況。

請參閱第7B、8B、9B圖，其為外加偏壓下的模擬結果。第7B圖為習知的發光元件之井層與阻障層能帶與費米能階圖；第8B圖為本發明第一實施 例之井層與阻障層能帶與費米能階圖；第9B圖為本發明第二實施例之井層與阻障層能帶與費米能階圖。於第7B、8B、9B圖中有四條線段，上方的實線與虛線分別表示導帶和電子的費米能階，下方的實線與虛線則分別表示價帶和電洞的費米能階。相較於第7B圖，第8B圖中電子的費米能階較遠離導帶的最小值(谷值)，此代表著電子在井層601的出現機率較電子在井層S01高，而且費米能階和導帶所圍成的面積較多(如斜線所示)，意味著電子數量在井層601也較多。

請參閱第10圖，第10圖為本發明第一實施例和第二實施例的發光元件與習知發光元件之復合率與位置模擬關係圖。S、G、N分別代表習知的發光元件和第一實施例與第二實施例的發光元件。如圖10所示，本發明第一實施例與第二實施例的發光元件，其主動區的復合率較習知的發光元件之主動區復合率來的佳。

請參閱第11圖，第11圖為本發明第一實施例的發光元件與習知的發光元件之歸一化效率與電流密度模擬關係圖。S、G分別代表沒有極化電場之習知的發光元件和第一實施例的發光元件。S-P、G-P分別代表處於極化電場(0.7Mvolt˙cm^-1)的情況下之習知發光元件和本發明第一實施例之發光元件。由圖可知，不論有沒有因極化電場極化作用，本發明第一實施例的發光元件隨電流密度增加其效率下降程度比習知發光元件少。

雖然本發明已說明如上，然其並非用以限制本發明之範圍、實施順序、或使用之材料與製程方法。對於本發明所作之各種修飾與變更，皆不脫本發明之精神與範圍。

601:井層

603:阻障層

6010:區域I

6012:區域II

6014:區域III

Claims (10)

1. 一種發光元件，包含：一基板；一第一半導體導電層，位於該基板上；一第一阻障層，位於該第一半導體導電層上；一井層，位於該第一阻障層上，該井層包含一具有一第一能隙的第一區域以及一具有一第二能隙的第二區域，且該第一區域較該第二區域靠近該第一半導體導電層；一第二阻障層，位於該井層上；以及一第二半導體導電層，位於第二阻障層上；其中，該第一能隙沿該發光元件之一堆疊方向遞減並具有一第一梯度，該第二能隙沿該堆疊方向遞增並具有一第二梯度，且該第一梯度之絕對值大於該第二梯度之絕對值。
2. 如申請專利範圍第1項所述的發光元件，其中該第一區域包含銦，該第一區域的銦含量沿著該堆疊方向遞增。
3. 如申請專利範圍第1項所述的發光元件，其中該第二區域包含銦，該第二區域的銦含量沿著該堆疊方向遞減。
4. 如申請專利範圍第1項所述的發光元件，其更包含位於該第一區域以及該第二區域之間的一第三區域，其中該第三區域具有一第三能隙，該第三能隙沿該堆疊方向不具有梯度變化。
5. 如申請專利範圍第4項所述的發光元件，其中該第三區域包含銦，該第三區域的銦含量為一常數。
6. 如申請專利範圍第1項所述的發光元件，其中該第一阻障層具有一能隙，該第二阻障層具有一能隙，且該第一能隙的一最大值實質上與該第一阻障層的該能隙相同，或是該第二能隙的一最大值實質上與該第二阻障層的該能隙相同。
7. 如申請專利範圍第1項所述的發光元件，其中該第一能隙沿該堆疊方向遞減是以線性變化或階梯變化遞減。
8. 如申請專利範圍第1項所述的發光元件，其中該第二能隙沿該堆疊方向遞增是以線性變化或階梯變化遞增。
9. 如申請專利範圍第1項所述的發光元件，其中該第一區域包含鋁，該第一區域的鋁含量沿著該堆疊方向遞減。
10. 如申請專利範圍第1項所述的發光元件，其中該第二區域包含鋁，該第二區域的鋁含量沿著該堆疊方向遞增。

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