TWI805657B - 包含三維發光二極體之光電裝置 - Google Patents
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Abstract
本發明係關於光電裝置(10),包括:三維半導體元件(20),主要由第一化學元素與第二化學元素製成;主動區(24),至少部分覆蓋三維半導體元件(20)的側壁,且包括主要由第一與第二化學元素製成的至少一第一層和主要由第一與第二化學元素及第三化學元素製成的至少一第二層的堆疊;第三層(26),覆蓋主動區,第三層主要由第一、第二與第三化學元素及第四化學元素製成,第三層的第三與第四化學元素質量比例隨距基板(12)的距離增加而增加或減少;及第四層(28),主要由第一與第二化學元素製成,並覆蓋第三層(26)。
Description
本申請案大體係關於包含由半導體材料組成三維發光二極體的光電裝置。
影像像素相當於光電裝置顯示影像單位元素。為顯示彩色影像,光電裝置通常包含至少三個部件來顯示影像的各像素,此亦稱作顯示子像素,部件各自發射實質單色(例如紅、綠和藍)的光輻射。三個顯示子像素發射的輻射疊加提供觀察者對應顯示影像像素的色感。在此情況下,由三個顯示影像像素用的顯示子像素形成的組件稱作光電裝置的顯示像素。
現有光電裝置包含能形成三維發光二極體(或LED)的三維半導體元件。每一發光二極體包含覆蓋三維半導體元件側壁的主動區。主動區係發射發光二極體大部分發射輻射的發光二極體區域。主動區覆蓋上電子阻擋層(EBL)。在EBL製造期間,某些元素含量可能不均勻遍及EBL。同樣地,主動區可覆蓋電洞阻擋層(HBL),以及某些元素含量可能不均勻遍及HBL。此會造成不均勻電流分布供應主動區。如此,主動區發射的輻射強度可能不均勻遍及主動區,以致發光二極體的效率不盡理想。
因此,實施例的目的為至少部分克服前述光電裝置的缺點。
故實施例提供光電裝置,包含:
基板;
三維半導體元件,主要由第一化學元素與第二化學元素製成,並安置在基板上;
主動區,至少部分覆蓋三維半導體元件的側壁,且包含主要由第一與第二化學元素製成的至少一第一層和主要由第一與第二化學元素及第三化學元素製成的至少一第二層的堆疊;
第三層,覆蓋主動區,第三層主要由第一、第二與第三化學元素及第四化學元素製成,第三層的第三與第四化學元素質量比例隨距基板的距離增加而增加或減少;及
第四層,主要由第一與第二化學元素製成,並覆蓋第三層。
根據一實施例,主動區能發射電磁輻射,以及第三層係電荷載子阻擋層。
根據一實施例,第三層中的第三化學元素含量為0.1%-10%。
根據一實施例,第三層中的第四化學元素含量為10%-40%。
根據一實施例,第一化學元素係III族元素。
根據一實施例,第一化學元素係鎵。
根據一實施例,第二化學元素係V族元素。
根據一實施例,第二化學元素係氮。
根據一實施例,第三化學元素係III族元素。
根據一實施例,第三化學元素係銦。
根據一實施例,第四化學元素係III族元素。
根據一實施例,第四化學元素係鋁。
根據一實施例,半導體元件為線形。
根據一實施例,半導體元件為角錐形。
根據一實施例,第三層中的最大能隙變化小於不含第三化學元素的相同層中的最大能隙變化。
根據一實施例,第三層係電子阻擋層或電洞阻擋層。
各圖中,相同的元件以相同的元件符號表示,又,各圖未按比例繪製。為清楚起見,僅圖示及詳述有助於理解所述實施例的步驟和元件。特別地,用於控制後述光電裝置的手段屬熟諳此技術者的能力範圍內,故不再贅述。
在下文中,涉及相對位置用語時,例如「上」、「下」等用語,乃參照附圖的相關元件位向。本文所用「約」和「實質」一詞表示論述值的容差為±10%,較佳為±5%。
本發明係關於包含三維形狀徑向型發光二極體的光電裝置,其中發光二極體的主動區形成在三維形狀半導體元件上,三維形狀例如微米線、奈米線或角錐形。
「微米線」或「奈米線」一詞表示細長狀三維結構,例如沿偏好方向呈圓柱、圓錐或錐形,且至少二尺寸(稱作次要尺寸)為5奈米(nm)至2.5微米(μm),較佳為50 nm至2.5 μm,第三尺寸(稱作主要尺寸)為大於或等於最大次要尺寸的1倍,較佳為大於或等於5倍,更佳為大於或等於10倍。在某些實施例中,次要尺寸為小於或等於約1 μm,較佳為100 nm至1 μm,更佳為100 nm至800 nm。在某些實施例中,各微米線或奈米線的高度為大於或等於50 nm,較佳為50 nm至50 μm,更佳為1 μm至10 μm。線基底例如可具橢圓、圓形或多邊形形狀,特別係三角形、矩形、方形或六邊形。
在下文中,「線」一詞用於意指「微米線」或「奈米線」。
在下文中,「角錐」或「截角錐」一詞表示角錐形三維結構。角錐結構可呈截頭,即錐體頂部不存在,而是用平坦區替代。角錐基底內切於側邊尺寸100 nm至10 μm(較佳為1至3 μm)的多邊形內。形成角錐基底的多邊形可為六邊形。角錐基底與頂點或頂部平台間的角錐高度為100 nm至25 μm,較佳為1 μm至10 μm。
第1圖係能發射電磁輻射的光電裝置10的局部簡化截面圖。
裝置10包含包含平行表面14、16的基板12,例如半導體。表面14接觸第一偏壓電極18。
半導體元件20(第1圖圖示單一個)接觸基板12的表面16。在第1圖實例中,每一半導體元件20具有從基板12延伸的線形狀。然半導體元件20可具另一三維形狀。
電氣絕緣層22覆蓋基板12的表面16,並圍繞各線20的下部,即各線20最靠近基板12的部分。
各線20的上部側壁(即未被絕緣層22圍住的部分)至少部分覆蓋上主動區24,在此為全體覆蓋。
主動區24覆蓋上電子阻擋層26或EBL。
EBL 26覆蓋上半導體層28和形成第二電極的導電層30。
線20、主動區24、EBL 26和半導體層28構成的組件形成發光二極體。當電壓施加至電極18與30間時,主動區24將發射光輻射。當複數個發光二極體形成於基板12上時,發光二極體可串聯及/或並聯形成發光二極體組件。特別地,層30可覆蓋複數個發光二極體的半導體層28。同樣地,層26和28可覆蓋複數條線20的主動區24。光電裝置的發光二極體數量可從1至數億個不等。
電極18可相應於在基板12的表面14延伸的導電層。形成電極18的材料例如為矽化鎳(NiSi)、鋁(Al)、矽化鋁(AlSi)、鈦(Ti)或矽化鈦(TiSi)。
基板12可相應於單塊結構或覆蓋另一材料製成支撐件的層。基板12較佳為半導體基板,例如由矽、鍺、碳化矽、III-V化合物或II-VI化合物,例如ZnO(氧化鋅)製成的基板。基板12亦可由藍寶石或石墨烯製成。較佳地,基板12係單晶矽基板。較佳地,基板係與微電子業採行製造方法相容的半導體基板。基板12可相應於矽覆絕緣體型多層結構,此亦稱作SOI。基板12可重摻雜、輕摻雜或未摻雜。
II族化學元素實例包含IIA族化學元素,特別係鈹(Be)和鎂(Mg),及IIB族化學元素,特別係鋅(Zn)、鎘(Cd)和汞(Hg)。VI族化學元素實例包含VIA族化學元素,特別係氧(O)和碲(Te)。II-VI化合物實例為ZnO、ZnMgO、CdZnO、CdZnMgO、CdHgTe、CdTe或HgTe。通常,II-VI化合物的化學元素可以不同莫耳分率化合。
絕緣層22可由介電材料製成或包含介電層堆疊,介電層例如氧化矽(SiO2
)、氮化矽(Six
Ny
,其中x約等於3,y約等於4,例如Si3
N4
)、氧氮化矽(特別係通式SiOx
Ny
,例如Si2
ON2
)、氧化鉿(HfO2
)或鑽石。例如,絕緣層22的厚度可為1 nm至20 μm,較佳為5 nm至150 nm。
各半導體元件20接觸基板12的表面16。或例如,由有利半導體元件20生成的材料製成的晶種層可插置在基板12與半導體元件20之間。例如,形成晶種層的材料可為出自化學元素週期表中第IV、V或VI欄的過渡金屬氮化物、碳化物或硼化物或上述化合物組合物。例如,晶種層16可由氮化鋁(AlN)、氧化鋁(Al2
O3
)、硼(B)、氮化硼(BN)、鈦(Ti)、氮化鈦(TiN)、鉭(Ta)、氮化鉭(TaN)、鉿(Hf)、氮化鉿(HfN)、鈮(Nb)、氮化鈮(NbN)、鋯(Zr)、硼酸鋯(ZrB2
)、氮化鋯(ZrN)、碳化矽(SiC)、碳氮化鉭(TaCN)、Mgx
Ny
形式的氮化鎂(其中x約等於3,y約等於2,例如,Mg3
N2
形式的氮化鎂)製成。晶種層可摻雜和基板12一樣的導電類型。晶種層的厚度例如為1至100奈米,較佳為10至30奈米。或例如,晶種層可用晶種墊替代,晶種墊安置在基板12的表面16上,各線20安置在晶種墊上。
半導體元件20主要由包含第一化學元素與第二化學元素的化合物形成,特別係由二元化合物形成。第一化學元素可為III族元素。第二化學元素可為V族元素。半導體元件20故可由III-V化合物製成。
III族化學元素實例包含鎵(Ga)、銦(In)或鋁(Al)。V族化學元素實例包含氮、磷或砷。III-N化合物實例為GaN、AlN、InN、InGaN、AlGaN或AlInGaN。通常,III-V化合物的化學元素可以不同莫耳分率化合。
半導體元件20亦可主要由AlGaInP型合金製成。
半導體元件20可包含摻質。例如,就III-V化合物而言,摻質可選自包含P型II族摻質(例如鎂(Mg)、鋅(Zn)、鎘(Cd)或汞(Hg))、P型IV族摻質(例如碳(C))或N型IV族摻質(例如矽(Si)、鍺(Ge)、硒(Se)、硫(S)、鋱(Tb)或錫(Sn))的群組。
當光電裝置的三維半導體元件20相當於線時,各線的高度可為50 nm至50 mm。各線20可具有沿實質垂直表面16的軸D伸長的半導體結構。
當光電裝置10的三維半導體元件20相當於角錐時,各角錐的高度可為100 nm至25 mm。各角錐20可具有沿實質垂直表面16的軸伸長的半導體結構。
各線20或各角錐的截面可具大致橢圓、圓形或多邊形形狀,特別係三角形、矩形、方形或六邊形。二相鄰線20或角錐的中心可相距0.25 μm至10 μm,較佳為1.5 μm至5 μm。例如,線20或角錐可規則分布,特別係呈六邊形網格。
主動區24可包含單一量子井。主動區24故可包含主要由三元III-V化合物製成的層。較佳地,主動區24包含主要包含前述半導體元件20相關第一與第二化學元素及和第一化學元素同族且除第一化學元素以外之第三化學元素的層。
主動區24可包含多個量子井。主動區故可包含形成交替量子井的半導體層與阻障層堆疊。主動區可由主要由二元III-V化合物製成的層和主要由三元III-V化合物製成的層交替形成。較佳地,主動區包含主要包含第一與第二化學元素的層和主要包含第一、第二與第三化學元素的層交替相間。
半導體層28可由和半導體元件20一樣的元素製成。半導體層例如主要包含第一元素和第二元素。半導體層28摻雜的摻雜型態例如與半導體元件20的摻雜型態相反。
電極30能偏壓覆蓋各半導體元件20的主動區24,及讓發光二極體發射的電磁輻射通過。形成電極30的材料可為透明導電材料,例如氧化銦錫(ITO)、氧化鋅、摻雜或未摻雜鋁或鎵、或石墨烯。例如,電極層30的厚度可為5 nm至200 nm,較佳為20 nm至50 nm。
以已知方式,EBL 26主要由包含第一化學元素、第二化學元素和第四化學元素的三元合金製成,第四化學元素與第一化學元素同族,但除第一或第三化學元素以外。在線20由GaN製成且量子井包含Iny
Ga(1-y)
N層,其中y係In的比例,通常表示為InGaN的情況下,已知EBL主要由氮化鋁鎵Alx
Ga(1-x)
N製成,其中x係鋁的比例,通常表示為AlGaN,並接觸主動區24,以於主動區24提供良好電荷載子分布。例如,層26的厚度可為5 nm至60 nm,鋁的比例x可為5%至60%,較佳為15%至25%。比例意指無氮的原子比例。例如,在Al0.2
Ga0.8
N組分例子中,20%的非氮原子為鋁,80%的非氮原子為鎵。
生成各半導體元件20、主動區24、EBL 26和半導體層28的方法可為如化學氣相沉積(CVD)或金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)(亦稱作金屬有機氣相磊晶(MOVPE))等方法。然諸如分子束磊晶(MBE)、氣源MBE(GSMBE)、金屬有機MBE(MOMBE)、電漿輔助MBE(PAMBE)、原子層磊晶(ALE)或氫化物氣相磊晶(HVPE)等方法也可使用。
例如,方法可包含將第一化學元素的前驅物和第二化學元素的前驅物及選擇性第三化學元素的前驅物及/或第四化學元素的前驅物注入反應器。
在下文中,考量第一化學元素為鎵(Ga),第二化學元素為氮(N),第三化學元素為銦(In),第四化學元素為鋁(Al)。然所述不同現象可擴及其他化學元素,例如前述化學元素。
第2圖圖示依距基板12的距離,第1圖所示發光二極體中主要由AlGaN製成的EBL 26的鋁含量x(百分比)變化曲線40和EBL 26的能隙(電子伏特)變化曲線42。
EBL 26形成期間,發明人證示第四化學元素(在此為AlGaN化合物的鋁)的含量非恆定遍及層26。實際上,當基板12與層26的考量點間距增大時,層26的鋁含量可能增加或減少。在曲線40所示實例中,在線20的下部(「底部」)與線20的頂部(「頂部」)之間,鋁含量增加。
此含量變化伴隨曲線42所示主要由AlGaN製成EBL 26的類似能隙變化。能隙變化可依現有已知技術測定,特別係依Sakalauskas等人發表刊物「“Dielectric function and optical properties of quaternary AlInGaN alloys”(Journal of Applied Physics 110,013102 (2011))」所述。線20的頂部水平面的能隙高於線20的下部水平面的能隙。流過主動區24的電流分布和主動區24發射的輻射強度因而不均勻。是以發光二極體的效率不盡理想。
根據一實施例,第三元素加入EBL 26的組成。故EBL 26主要由包含第一、第二、第三和第四化學元素的四元化合物製成。在第3圖及第4圖所述相關實施例中,EBL 26非由AlGaN製成,而是由Alx
Inz
Ga(1-x-z)
N製成,其中x係鋁含量,z係銦含量,此通常表示為AlInGaN。
第3圖圖示第1圖所示發光二極體中主要由AlInGaN製成的EBL 26的鋁與銦含量(百分比)變化曲線43、44。作為比較,第3圖亦圖示依距基板的距離,由AlGaN製成層和由AlInGaN製成層的能隙(電子伏特)變化曲線42、46。
曲線43所示EBL 26的鋁含量變化仍類似主要由AlGaN製成的EBL 26的鋁含量變化。另外,在線20的下部與頂部之間,曲線44所示主要由AlInGaN製成的EBL 26的銦(In)含量變化亦非恆定,在此為增加。
發明人證示第3圖的實質恆定曲線46所示主要由AlInGaN製成的EBL 26的能隙變化較曲線42所示主要由AlGaN製成的EBL 26的能隙變化小。流過主動區24的電流分布故更均勻遍及發光二極體,主動區24發射的輻射強度因而亦更均勻。發光二極體的效率從而得以改善。
主要由第一、第二、第三和第四化學元素化合物製成的EBL 26中的第四化學元素含量例如為10%至40%,例如15%至35%。主要由第一、第二、第三和第四化學元素化合物製成的EBL 26中的第三化學元素含量例如為10%至40%,例如0.5%至10%,例如1%至5%。
第4圖圖示依距基板的距離,第1圖所示發光二極體的EBL 26的測得能隙變化曲線,基板具有發光二極體形成於上。類似第3圖的曲線42,曲線48對應於主要由AlGaN製成的EBL 26,類似第3圖的曲線46,曲線50對應於主要由AlInGaN製成的EBL 26。
至於測試方面,EBL 26例如在75-500托耳的壓力暨800℃-1000℃的溫度下形成。所用前驅物例如為流率82.75 sccm(標準立方公分/分鐘)的三甲基鎵(為得鎵)、流率50公升/分鐘的氨(為得氮)、流率900 sccm的三甲基銦(為得銦)和流率570 sccm的三甲基鋁(為得鋁)。
如第3圖所述,據察對應於AlInGaN的曲線50變化明顯小於AlGaN相關曲線48,特別係就線上部而言。另外,曲線50的能隙值小於曲線48的能隙值。
更特別地,根據前述條件進行測試,在具有主要由AlGaN製成EBL的線下部(B),鋁含量實質等於15%,能隙實質等於3.75 eV。在線中間(M),鋁含量實質等於25%,能隙實質等於3.96 eV。在線上部(T),鋁含量實質等於30%,能隙實質等於4.1 eV。
根據前述測試,在具有主要由AlInGaN製成EBL的線下部(B),鋁含量實質等於15%,銦含量實質等於1%,能隙實質等於3.7 eV。在線中間(M),鋁含量實質等於25%,銦含量實質等於2%,能隙實質等於3.88 eV。在線上部(T),鋁含量實質等於30%,銦含量實質等於5%,能隙實質等於3.9 eV。
優點在於,加入EBL組成的第三元素已存於發光二極體的其他層組成,特別係主動區中。故已備好提供第三元素前驅物注入。如此可減少修改現存方法。
茲已描述特定實施例。熟諳此技術者當可作各種更動及潤飾。特別地,三維元件的形狀不限於本發明所述實例。
在全文中,視光電裝置為包含發光二極體。然所述實施例亦可施行於光二極體的例子。在此例中,主動區能擷取電磁輻射及將擷取光子轉換成電荷載子。
另外,前述實施例亦可應用到HBL。另外,EBL或HBL可插置在主動區與三維半導體元件之間。
具不同變型的各種實施例已描述如上。應注意熟諳此技術者可結合各種實施例和變型的各種元件,而無需展現任何進步性。
10‧‧‧光電裝置
12‧‧‧基板
14、16‧‧‧表面
18‧‧‧電極
20‧‧‧半導體元件/線
22‧‧‧絕緣層
24‧‧‧主動區
26‧‧‧EBL
28‧‧‧半導體層
30‧‧‧導電層
40、42、43、44、46、48、50‧‧‧曲線
D‧‧‧軸
上述和其他特徵與優點將配合附圖詳述於以下非限定特定實施例說明,其中:
第1圖係包含三維發光二極體的光電裝置的局部簡化截面圖;
第2圖圖示依距基板的距離,第1圖所示發光二極體各層的鋁含量變化曲線和能隙變化曲線,基板具有發光二極體形成於上;
第3圖圖示依距基板的距離,第1圖所示發光二極體各層的鋁與銦含量變化曲線和能隙變化曲線,基板具有發光二極體形成於上;
第4圖圖示依距基板的距離,第1圖所示發光二極體各層的測得能隙變化曲線(電子伏特(eV)),基板具有發光二極體形成於上。
國內寄存資訊 (請依寄存機構、日期、號碼順序註記)
無
國外寄存資訊 (請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記)
無
10‧‧‧光電裝置
12‧‧‧基板
14、16‧‧‧表面
18‧‧‧電極
20‧‧‧半導體元件/線
22‧‧‧絕緣層
24‧‧‧主動區
26‧‧‧EBL
28‧‧‧半導體層
30‧‧‧導電層
D‧‧‧軸
Claims (15)
- 一種光電裝置(10),包含:一基板(12);一三維半導體元件(20),主要由一第一化學元素與一第二化學元素製成,並安置在該基板(12)上;一主動區(24),至少部分覆蓋該三維半導體元件(20)的一側壁,且包含主要由該第一化學元素與該第二化學元素製成的至少一第一層和主要由該第一化學元素與該第二化學元素及一第三化學元素製成的至少一第二層的一堆疊;一第三層(26),覆蓋該主動區,該第三層主要由該第一化學元素、該第二化學元素與該第三化學元素及一第四化學元素製成,該第三層的該第三化學元素與該第四化學元素的一質量比例隨距該基板(12)的距離增加而自該三維半導體元件的底部至頂部增加或隨距該基板(12)的距離增加而自該三維半導體元件的底部至頂部減少;及一第四層(28),主要由該第一化學元素與該第二化學元素製成,並覆蓋該第三層(26)。
- 如請求項1所述之光電裝置,其中該主動區(24)能發射一電磁輻射,以及其中該第三層(26)係一電荷載子阻擋層。
- 如請求項1或2所述之光電裝置,其中該第三層(26)中的該第三化學元素含量為0.1%-10%。
- 如請求項1或2所述之光電裝置,其中該第三層(26)中的該第四化學元素含量為10%-40%。
- 如請求項1或2所述之光電裝置,其中該第一化學元素係一III族元素。
- 如請求項1或2所述之光電裝置,其中該第一化學元素係鎵。
- 如請求項1或2所述之光電裝置,其中該第二化學元素係一V族元素。
- 如請求項1或2所述之光電裝置,其中該第二化學元素係氮。
- 如請求項1或2所述之光電裝置,其中該第三化學元素係一III族元素。
- 如請求項1或2所述之光電裝置,其中該第三化學元素係銦。
- 如請求項1或2所述之光電裝置,其中該第四化學元素係一III族元素。
- 如請求項1或2所述之光電裝置,其中該第四化學元素係鋁。
- 如請求項1或2所述之光電裝置,其中該半導體元件(20)為線形。
- 如請求項1或2所述之光電裝置,其中該半導體元件(20)為角錐形。
- 如請求項1或2所述之光電裝置,其中該第三層(26)中的最大能隙變化小於不含該第三化學元素的一相同層中的最大能隙變化。
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