TWI818845B - 發光二極體 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種發光二極體，包括基板、第一中介層及二維材料結構。第一中介層位於基板上；二維材料結構位於第一中介層上，二維材料結構係以複數二維材料層堆疊而成，且複數二維材料層之層數不小於2；其中藉由二維材料結構發出或吸收具有特定波長之光線。
Description
本發明係關於一種半導體光電元件，尤指一種應用二維材料結構之發光二極體。
近年來，發光二極體廣泛地應用在照明、醫療及3C產品上。目前常見之發光二極體晶片主要以不同之半導體材料製成，藉由電流通過二種半導體材料之連接面，產生電致發光效應以將電能轉化為光能，使得發光二極體晶片不但能發出高亮度之光線，更具節能省電功效。
習知發光二極體晶片在結構設計上，常因為不同半導體材料之磊晶堆疊而產生晶格不匹配（lattice mismatch）之問題，特別是針對前述不同半導體材料之連接面，使得發光二極體之特性及效能容易受到影響。此外，習知發光二極體晶片雖然可以藉由使用不同半導體材料來改變發光波長，然而習知發光二極體晶片只能提供單一波段之發光波長，在應用上有所限制。
因此，如何設計出能解決前述問題之發光二極體，實為一個值得研究之課題。
本發明之目的在於提供一種應用二維材料結構之發光二極體，藉由堆疊複數二維材料層產生發光效果。
本發明之另一目的在於提供具有複數發光波長之發光二極體。
為達上述目的，本發明之發光二極體包括基板、第一中介層及二維材料結構。第一中介層位於基板上；二維材料結構位於第一中介層上，二維材料結構係以複數二維材料層堆疊而成，且複數二維材料層之層數不小於2；其中藉由二維材料結構發出或吸收具有特定波長之光線。
在本發明之一實施例中，發光二極體更包括第二中介層，位於二維材料結構上。
在本發明之一實施例中，發光二極體更包括至少一組合結構，位於二維材料結構及第二中介層之間，各組合結構包括附加中介層及附加二維材料結構。附加二維材料結構形成於附加中介層上，附加二維材料結構係以複數附加二維材料層堆疊而成，且複數附加二維材料層之層數不小於複數二維材料層之層數。其中藉由附加二維材料結構發出或吸收具有特定波長或另一附加特定波長之光線。
在本發明之一實施例中，至少一組合結構為複數時，至少一組合結構中之任一目標組合結構之附加二維材料結構之附加二維材料層之層數不大於堆疊於目標組合結構上之相鄰組合結構之附加二維材料結構之附加二維材料層之層數。
在本發明之一實施例中，複數附加二維材料層之層數不大於50。
在本發明之一實施例中，複數二維材料層及複數附加二維材料層以相同之二維材料所構成。
在本發明之一實施例中，各二維材料層之材料係選自於二硫化鉬（MoS
2）、二硫化鎢（WS
2）、二硒化鉬（MoSe
2）及二硒化鎢（WSe
2）所組成之群組。
在本發明之一實施例中，第一中介層及第二中介層係以氮化銦鎵或氮化鋁銦鎵所構成。
在本發明之一實施例中，基板係以氮化鎵材料或藍寶石材料所構成。
在本發明之一實施例中，發光二極體更包括緩衝層，緩衝層位於基板及第一中介層之間，且緩衝層係以單一層之二維材料所構成。
在本發明之一實施例中，特定波長介於670nm至1630nm之間。
據此，本發明之發光二極體藉由二維材料結構作為發光層，且二維材料結構可避免與其他半導體材料產生晶格不匹配之問題。此外，本發明之發光二極體藉由複數二維材料結構之堆疊，可同時提供複數發光波長或者加強特定發光波長之發光強度，更能增加其使用範圍及應用靈活度。
由於各種態樣與實施例僅為例示性且非限制性，故在閱讀本說明書後，具有通常知識者在不偏離本發明之範疇下，亦可能有其他態樣與實施例。根據下述之詳細說明與申請專利範圍，將可使該等實施例之特徵及優點更加彰顯。
於本文中，係使用「一」或「一個」來描述本文所述的元件和組件。此舉只是為了方便說明，並且對本發明之範疇提供一般性的意義。因此，除非很明顯地另指他意，否則此種描述應理解為包括一個或至少一個，且單數也同時包括複數。
於本文中，用語「第一」或「第二」等類似序數詞主要是用以區分或指涉相同或類似的元件或結構，且不必然隱含此等元件或結構在空間或時間上的順序。應了解的是，在某些情形或組態下，序數詞可以交換使用而不影響本創作之實施。
於本文中，用語「包括」、「具有」或其他任何類似用語意欲涵蓋非排他性之包括物。舉例而言，含有複數要件的元件或結構不僅限於本文所列出之此等要件而已，而是可以包括未明確列出但卻是該元件或結構通常固有之其他要件。
請參考圖1為本發明之發光二極體之第一實施例之示意圖。如圖1所示，本發明之發光二極體1包括基板10、第一中介層20及二維材料結構30。基板10為發光二極體1之基礎結構件。在本發明中，基板10可採用氮化鎵（GaN）或藍寶石所構成，但本發明不以此為限，基板10也可採用其他半導體材料所構成。
第一中介層20位於基板10上。在本發明中，第一中介層20係以氮化銦鎵（InGaN）或氮化鋁銦鎵（AlInGaN）所構成，但本發明不以此為限，第一中介層20也可採用其他材料所構成。第一中介層20用以作為基板10與二維材料結構30之連接層。
二維材料結構30位於第一中介層20上。二維材料結構30係以複數二維材料層31堆疊而成，而每一層二維材料層31是由單一原子層之二維材料所構成。二維材料結構30主要作為發光層，在本發明中，二維材料結構30之複數二維材料層31可採用相同之二維材料所構成，但本發明不以此為限，複數二維材料層31也可以針對不同之二維材料層31採用不同之二維材料構成，例如採用過渡金屬硫屬化物（transition metal dichalcogenide）。此處所述各二維材料層31之材料係選自於二硫化鉬（MoS
2）、二硫化鎢（WS
2）、二硒化鉬（MoSe
2）及二硒化鎢（WSe
2）所組成之群組。
在設計上，二維材料結構30之複數二維材料層31之層數不小於2，因此，藉由複數二維材料層31之堆疊使得二維材料結構30可提供發出特定波長之光線之效果。此外，由於不同層數之二維材料層31具有之能隙不同，可發出不同之波長之光線，因此本發明可藉由調整複數二維材料層31之層數來改變所發出光線之特定波長。舉例來說，當複數二維材料層31之層數為2層時，二維材料結構30所發出光線之波長約為670nm；而當複數二維材料層31之層數為50層時，二維材料結構30所發出光線之波長約為1630nm。也就是說，在本發明之一實施例中，二維材料結構30所發出光線之特定波長約介於670nm至1630nm之間。此處二維材料結構30之複數二維材料層31之層數係不大於50，但本發明不以此為限。
在本發明之一實施例中，本發明之發光二極體1更可包括第二中介層40（如圖1中虛線部分所示）。第二中介層40位於二維材料結構30上。藉由第二中介層40之設置，使得本發明之發光二極體1可依不同設計需求，於二維材料結構30上間接增設其他電性元件或結構。
請參考圖2為本發明之發光二極體之第二實施例之示意圖。如圖2所示，在本實施例中，本發明之發光二極體1a更包括緩衝層50。緩衝層50位於基板10及第一中介層20之間，且緩衝層50用以處理基板10表面之應力，以提供基板10及第一中介層20之較佳接面結合效果。在本發明中，緩衝層50可採用單一層之二維材料所構成，而此處二維材料也可係選自於二硫化鉬（MoS
2）、二硫化鎢（WS
2）、二硒化鉬（MoSe
2）及二硒化鎢（WSe
2）所組成之群組，例如可採用與前述複數二維材料層31相同之二維材料，但本發明不以此為限。
請參考圖3為本發明之發光二極體之第三實施例之示意圖。本實施例係為前述第一實施例之變化型式，主要增加了組合結構之設計。如圖3所示，在本實施例中，本發明之發光二極體1b更包括至少一組合結構60。至少一組合結構60位於二維材料結構30及第二中介層40之間。此處先以單一組合結構60為例加以說明，但至少一組合結構60之數量亦可為複數。組合結構60包括附加中介層61及附加二維材料結構62，且附加二維材料結構62形成於附加中介層61上。因此，當組合結構60位於二維材料結構30上時，可藉由附加中介層61將附加二維材料結構62與二維材料結構30隔開，避免彼此干擾。在本發明中，組合結構60之附加中介層61同樣以氮化銦鎵或氮化鋁銦鎵所構成，但本發明不以此為限。
附加二維材料結構62係以複數附加二維材料層621堆疊而成，而每一層附加二維材料層621是由單一原子層之二維材料所構成。附加二維材料結構62同樣作為發光層，在本發明中，附加二維材料結構62之複數附加二維材料層621可採用相同之二維材料所構成，但本發明不以此為限，複數附加二維材料層621也可以針對不同之附加二維材料層621採用不同之二維材料構成。此處所述各附加二維材料層621之材料係選自於二硫化鉬（MoS
2）、二硫化鎢（WS
2）、二硒化鉬（MoSe
2）及二硒化鎢（WSe
2）所組成之群組。
在結構設計上，附加二維材料結構62之複數附加二維材料層621之層數不小於二維材料結構30之複數二維材料層31之層數；也就是說，附加二維材料結構62之複數附加二維材料層621之層數同樣不小於2，且複數附加二維材料層621之層數只能大於或等於複數二維材料層31之層數。例如在本實施例中，複數附加二維材料層621之層數為4，而複數二維材料層31之層數為2。因此，藉由複數附加二維材料層621之堆疊使得附加二維材料結構62可發出具有附加特定波長（即堆疊4層附加二維材料層621所對應之波長）之光線，且該附加特定波長會大於前述二維材料結構30所發出光線之特定波長（即堆疊2層二維材料層31所對應之波長）。據此，本發明之發光二極體1b可同時發出具有特定波長及附加特定波長之光線，也就是說，本發明之發光二極體1b可同時發出不同波長之光線。此外，本發明同樣可藉由調整複數附加二維材料層621之層數來改變所發出光線之附加特定波長，例如在本發明中，附加二維材料結構62所發出光線之附加特定波長約介於670nm至1630nm之間。
請參考圖4為本發明之發光二極體之第四實施例之示意圖。本實施例係為前述第三實施例之變化型式，主要改變了組合結構之設計。如圖4所示，在本實施例中，本發明之發光二極體1c之複數附加二維材料層621之層數為3，而複數二維材料層31之層數亦為3。因此，基於複數二維材料層31及複數附加二維材料層621均使用相同材料之前提下，藉由複數附加二維材料層621之堆疊使得附加二維材料結構62可發出具有附加特定波長（即堆疊3層附加二維材料層621所對應之波長）之光線，且該附加特定波長會等於前述二維材料結構30所發出光線之特定波長（即堆疊3層二維材料層31所對應之波長）。據此，本發明之發光二極體1b可同時發出具有針對該特定波長之增強效果之光線，也就是說，本發明之發光二極體1b可提供強化單一特定波長之光線之效果。
請參考圖5為本發明之發光二極體之第五實施例之示意圖。本實施例係為前述第一實施例之變化型式，主要增加了複數組合結構之設計。如圖5所示，在本實施例中，本發明之發光二極體1d更包括複數組合結構60。複數組合結構60位於二維材料結構30及第二中介層40之間，且複數組合結構60係逐一堆疊於二維材料結構30上。各組合結構60包括附加中介層61及附加二維材料結構62，且附加二維材料結構62形成於附加中介層61上。因此，當任一組合結構60位於二維材料結構30上或任二個組合結構60相互堆疊時，可藉由附加中介層61將附加二維材料結構62與二維材料結構30或附加二維材料結構62隔開，避免彼此干擾。
各附加二維材料結構62係以複數附加二維材料層621堆疊而成，而每一層附加二維材料層621是由單一原子層之二維材料所構成。各附加二維材料結構62同樣作為發光層，在本發明中，各附加二維材料結構62之複數附加二維材料層621可採用相同之二維材料所構成，但本發明不以此為限，各複數附加二維材料層621也可以針對不同之附加二維材料層621採用不同之二維材料構成。此處所述各附加二維材料層621之材料係選自於二硫化鉬（MoS
2）、二硫化鎢（WS
2）、二硒化鉬（MoSe
2）及二硒化鎢（WSe
2）所組成之群組。
在結構設計上，各附加二維材料結構62之複數附加二維材料層621之層數不小於二維材料結構30之複數二維材料層31之層數；也就是說，各附加二維材料結構62之複數附加二維材料層621之層數同樣不小於2，且複數附加二維材料層621之層數只能大於或等於複數二維材料層31之層數。此外，於複數組合結構60中，任一目標組合結構60之附加二維材料結構62之附加二維材料層621之層數不大於堆疊於目標組合結構60上之另一相鄰組合結構60之附加二維材料結構62之附加二維材料層621之層數。也就是說，每一個組合結構60之附加二維材料結構62之複數附加二維材料層621之層數只能大於或等於位於其下方之任一個組合結構60之附加二維材料結構62之複數附加二維材料層621之層數。
例如在本實施例中，將複數組合結構60逐一堆疊於二維材料結構30上。其中二維材料結構30之複數二維材料層31之層數為2，最接近二維材料結構30之組合結構60之附加二維材料結構62之複數附加二維材料層621之層數為3，第二接近二維材料結構30之組合結構60之附加二維材料結構62之複數附加二維材料層621之層數為4，…，以此類推，而最接近第二中介層40之組合結構60之附加二維材料結構62之複數附加二維材料層621之層數為n。此處n係不大於50，較佳者為n不大於20，但本發明不以此為限。據此，由於每個組合結構60之附加二維材料結構62之複數附加二維材料層621之層數均不同且向上遞增，使得本發明之發光二極體1d形成可發出具有特定波長區間（即包括堆疊2層二維材料層31所對應之波長以及堆疊3~n層附加二維材料層621所各別對應之波長）之光線，進而促使本發明之發光二極體1d成為具有寬能帶之發光二極體。
請參考圖6為本發明之發光二極體之第六實施例之示意圖。本實施例係為前述第五實施例之變化型式，主要改變了複數組合結構之設計。如圖6所示，在本實施例中，本發明之發光二極體1e之二維材料結構30之複數二維材料層31之層數為2，最接近二維材料結構30之組合結構60之附加二維材料結構62之複數附加二維材料層621之層數為2，第二接近二維材料結構30之組合結構60之附加二維材料結構62之複數附加二維材料層621之層數為4，第三接近二維材料結構30之組合結構60之附加二維材料結構62之複數附加二維材料層621之層數為5，而最接近第二中介層40之組合結構60之附加二維材料結構62之複數附加二維材料層621之層數為7。據此，本發明之發光二極體1e可發出強化單一特定波長（即堆疊2層二維材料層31及2層附加二維材料層621所對應之波長）之光線，同時也能發出具有不同附加特定波長之光線（即堆疊4、5、7層附加二維材料層621所各別對應之波長），進而促使本發明之發光二極體1e可靈活提供不同之發光波長而增加其應用性。
以上實施方式本質上僅為輔助說明，且並不欲用以限制申請標的之實施例或該等實施例的應用或用途。此外，儘管已於前述實施方式中提出至少一例示性實施例，但應瞭解本發明仍可存在大量的變化。同樣應瞭解的是，本文所述之實施例並不欲用以透過任何方式限制所請求之申請標的之範圍、用途或組態。相反的，前述實施方式將可提供本領域具有通常知識者一種簡便的指引以實施所述之一或多種實施例。再者，可對元件之功能與排列進行各種變化而不脫離申請專利範圍所界定的範疇，且申請專利範圍包含已知的均等物及在本專利申請案提出申請時的所有可預見均等物。
1、1a、1b、1c、1d、1e:發光二極體
10:基板
20:第一中介層
30:二維材料結構
31:二維材料層
40:第二中介層
50:緩衝層
60:組合結構
61:附加中介層
62:附加二維材料結構
621:附加二維材料層
圖1為本發明之發光二極體之第一實施例之示意圖。
圖2為本發明之發光二極體之第二實施例之示意圖。
圖3為本發明之發光二極體之第三實施例之示意圖。
圖4為本發明之發光二極體之第四實施例之示意圖。
圖5為本發明之發光二極體之第五實施例之示意圖。
圖6為本發明之發光二極體之第六實施例之示意圖。
1:發光二極體
10:基板
20:第一中介層
30:二維材料結構
31:二維材料層
40:第二中介層
Claims (9)
- 一種發光二極體，包括：一基板；一第一中介層，位於該基板上；一二維材料結構，位於該第一中介層上，該二維材料結構係以複數二維材料層堆疊而成，且該複數二維材料層之層數不小於2；一第二中介層，位於該二維材料結構上；以及至少一組合結構，位於該二維材料結構及該第二中介層之間，各該組合結構包括：一附加中介層；以及一附加二維材料結構，形成於該附加中介層上，該附加二維材料結構係以複數附加二維材料層堆疊而成，且該複數附加二維材料層之層數不小於該複數二維材料層之層數；其中藉由該二維材料結構發出具有一特定波長之光線，藉由該附加二維材料結構發出具有一附加特定波長之光線，且該附加特定波長不小於該特定波長。
- 如請求項1所述之發光二極體，其中該至少一組合結構為複數時，該至少一組合結構中之任一目標組合結構之該附加二維材料結構之該附加二維材料層之層數不大於堆疊於該目標組合結構上之一相鄰組合結構之該附加二維材料結構之該附加二維材料層之層數。
- 如請求項1所述之發光二極體，其中該複數附加二維材料層之層數不大於50。
- 如請求項1所述之發光二極體，其中該複數二維材料層及該複數附加二維材料層以相同之二維材料所構成。
- 如請求項4所述之發光二極體，其中各該二維材料層之材料係選自於二硫化鉬、二硫化鎢、二硒化鉬及二硒化鎢所組成之群組。
- 如請求項1所述之發光二極體，其中該第一中介層及該第二中介層係以氮化銦鎵或氮化鋁銦鎵所構成。
- 如請求項1所述之發光二極體，其中該基板係以氮化鎵材料或藍寶石材料所構成。
- 如請求項1所述之發光二極體，更包括一緩衝層，該緩衝層位於該基板及該第一中介層之間，且該緩衝層係以單一層之二維材料所構成。
- 如請求項1所述之發光二極體，其中該特定波長介於670nm至1630nm之間。
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