专利名称：具多孔性发光层的发光元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种发光元件，具体而言，涉及一种具有多孔性发光层的发光元件。
背景技术：
近年来随着发光二极管的售价越来越便宜，各种利用发光二极管轻薄短小、省电、多彩化特性的应用产品越来越普遍，如各种电子仪器装饰辅助背光、汽车仪表版、公共场所装饰灯、各种室内指示灯、商店招牌广告灯等。展望未来，利用固态发光二极管取代所有既有发光元件已并非梦想。
回顾发光二极管的发展历史，其最早的发光层结构为简单的P、N结合，但由于电子，电洞复合机率不高，因此效率欠佳。自从人们知道如何利用量子工程(Quantum engineering)或能带间隙(Energy band Gap)工程来制作具有异质介面的量子井结构发光层结构后，发光二极管的发光效率因而被大幅度改善。
参考图1所示，常规的量子井发光层10具有一量子井结构12、一第一阻挡层11及一第二阻挡层(图未示出)。该第一阻挡层11在该量子井结构12之下；该第二阻挡层在该量子井结构12之上。量子井发光层10为利用成长有限厚度的低能障材料(量子井结构12)被上下两层具有较大能障材料(第一阻挡层11及第二阻挡层)所包含。以能障角度来看，此结构可提供一度空间的载子局限，因此可有效将载子局限(trap)在此低能障的量子井结构内。
但是其缺点为虽然此量子井可将大部分的载子捕获进而局限在井内无法跳出，但是此载子依然有两度空间的载子活动能力，因此导致量子井性能受到限制。其中包括驱动电压无法进一步降低，抗静电能力无法有效提升，发光效率受限于量子井有限的载子复合效率等缺点。此外虽然发光二极管发展至今已是非常商业化的产品，但市场上所见的发光二极管依然局限于单晶片单波长的特性。
因此，有必要提供一种创新且具进步性的发光元件，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具多孔性发光层的发光元件，其包括一个基板、一层第一导电性包覆层、一层第二导电性包覆层及至少一层多孔性发光层。该多孔性发光层形成于该第一导电性包覆层及该第二导电性包覆层之间，该多孔性发光层具有一上阻挡层、一下阻挡层及一载子局限层，该载子局限层处于该上阻挡层及下阻挡层之间，该载子局限层具有复数个山形结构，该等山形结构界定复数个山谷形结构，该载子局限层为含铟的氮化物结构，该载子局限层的能障小于该上阻挡层及该下阻挡层的能障。
利用本发明的发光元件，其元件驱动电压可大幅下降，因此可利用此发光层结构来减少于发光层中的掺杂浓度而不影响驱动电压，进而可得到较好的晶体结构进而改善抗静电能力与元件可靠度。
再者，本发明的发光元件可成长不同波长的复数层多孔性发光层，以有效提升发光元件的性能，更可实现单晶片混光元件，同时具有高发光效益、高可靠度、高混光调制性及低成本等特性。并且，本发明的多孔性发光层结构可克服常规技术上发光元件仅能发光单一波长的缺点，本发明的发光元件可实现将不同发光频谱的发光层结合而产生有效率，高弹性混光比例的元件。
图1为常规量子井发光层的结构示意图；图2为本发明多孔性发光层的结构立体示意图；图3为本发明多孔性发光层的结构剖面示意图；图4为本发明第一实施例发光元件的结构示意图；图5为本发明第二实施例发光元件的结构示意图；
图6为本发明第二实施例的发光元件的光强度与频谱分布图；图7为本发明第三实施例发光元件的结构示意图；图8为本发明第三实施例的发光元件的光强度与频谱分布图；图9为本发明第四实施例发光元件的结构示意图；及图10为本发明第四实施例的发光元件的光强度与频谱分布图。
具体实施例方式
由研究发现利用常规量子井平面结构已无法进一步改良PN结合特性。因此，本发明开发出具有多孔性结构的发光层来改进发光二极管特性。此想法为希望利用创造一不同于传统平面连续结构的量子井发光层，使其改变为一具有多孔性发光层结构来以改进发光元件的特性。
参考图2及图3所示，一多孔性发光层结构30包括一载子局限层31、一下阻挡层32及一上阻挡层(图未示出)。该下阻挡层32在该载子局限层31之下；该上阻挡层在该载子局限层31之上。其中，该下阻挡层32为具较大能障的材料，如氮化镓(GaN)，在该下阻挡层32上成长该载子局限层31，该载子局限层31为具较低能障的材料(较该下阻挡层32的能障低)，如氮化铟镓(InGaN)。同时利用控制成长温度，气体分压等，使该载子局限层31具有复数个山形结构311、312、313等，该等山形结构311、312、313界定复数个山谷形结构331、332等。例如山谷形结构331处于至少二山形结构311、312之间。该等山谷形结构331、332的形状为多孔形结构，形成该载子局限层31的复数个山谷形结构的多孔性型态后，再进一步成长该上阻挡层包覆该载子局限层31，该上阻挡层为具较大能障的材料(较该载子局限层31的能障大)，如氮化镓(GaN)。
参考图3所示，其显示本发明的多孔性发光层30的剖面示意图。本发明的山谷形结构，其底部与该下阻挡层32之间的距离须为大于或等于0至小于或等于20×10-10米之间，即，在图3中的H1、H2、H3、H4、H5、H6、H7必须小于20×10-10米，则该凹下结构才是本发明的山谷形结构。若该凹下结构底部与该下阻挡层32之间的距离大于20×10-10米，例如，在图3中的H8，则该凹下结构并非本发明的山谷形结构。依据上述限制，决定该等山谷形结构后，每一个山谷形结构延一方向的径长通常为10×10-9米至1000×10-9米之间，例如，在图3中的D1、D2、D 3、D4、D5、D6及D7等，即为各山谷形结构的径长。
本发明的多孔性发光层30的密度优选地为5％至75％之间，该多孔性发光层30的密度为所有山谷形结构的径长总和与该多孔性发光层的径长的比值。例如，在图3中，所有山谷形结构的径长总和为D1+D2+D3+D4+D5+D6+D7的总和；该多孔性发光层的径长为L。因此，该多孔性发光层的密度为(D1+D2+D3+D4+D5+D6+D7)/L。
以下，参照图式，说明作为本发明实施例的发光元件。在图式中，相同或类似部分指代相同或类似的元件符号、名称。另外，图式仅为示意图，图中的结构尺寸比例可能与实际结构的尺寸比例有所差异。
请参阅图4，其显示本发明第一实施例的具有多孔性发光层的发光元件50的构造。该发光元件50包括一个基板41、一层缓冲层42、一层第一导电性包覆层(cladding layer)43、五层多孔性发光层51、52、53、54及55以及一层第二导电性包覆层44。
该发光元件50还包括二电极45、46，以供与外界电源连接，此优选的实施材料为金(Au)。该缓冲层42形成于该基板41上。该第一导电性包覆层43形成于该缓冲层42上，该第一导电性包覆层43可为N型包覆层用以提供电子。该第二导电性包覆层44形成于该量子点发光层37之上，该第二导电性包覆层44可为P型包覆层用以提供电洞。该第一导电性包覆层43及该第二导电性包覆层44均为氮化铝铟镓结构，可表示为Al(1-x-y)InyGaxN。该缓冲层42为氮化物结构，优选的实施方式为先于蓝宝石基板41上成长一低温氮化镓成核层，接着在低温氮化镓成核层上成长一高温氮化硅层，在于此氮化硅层上成长一高温氮化镓层，共同组成一缓冲层42。
该第一导电性包覆层43与该电极45之间为一第一导电性电极接触层47，此优选实施例为蒸镀一铬(Cr)金属层于N型导电性氮化镓包覆层43上，作为电极45与N型导电性氮化镓包覆层43的欧姆接触层。该第二导电性包覆层44与该电极46之间为一第二导电性电极接触层48，此优选实施例为直接蒸镀一IT0透明导电层于P型导电性氮化镓包覆层44上，作为电极46与P型导电性氮化镓包覆层44的欧姆接触层。
五层多孔性发光层51、52、53、54及55依序形成于该第一导电性包覆层43上。以该多孔性发光层51为例说明，该多孔性发光层51具有一载子局限层511、一下阻挡层515及一上阻挡层516。该载子局限层511具有复数个山形结构512及513等。该下阻挡层515处于该等山形结构512及513等之下，该上阻挡层516处于该等山形结构512及513等之上，并覆盖该等山形结构512及513等。该下阻挡层515及该上阻挡层516均为氮化铝铟镓结构，可表示为Al(1-x-y)InyGaxN，其中，x大于零；y大于或等于零；(1-x-y)大于或等于零。并且该下阻挡层515及该上阻挡层516的能障均须大于该等山形结构512及513等的能障。
该载子局限层511为氮化铝铟镓结构，可表示为Al(1-x-y)InyGaxN，其中，x大于或等于零；y大于零；(1-x-y)大于或等于零。该等山形结构512及513等之间界定复数个山谷形结构561、562等。该等山谷形结构561、562最后由该上阻挡层516所覆盖填满。该等山谷形结构561、562必须符合上述图2及图3的尺寸限制，且该等多孔性发光层51、52、53、54、55的密度优选地为5％至75％之间。
该多孔性发光层51为掺杂特定浓度杂质。其优选实施例为主动掺杂硅(Si)杂质于该多孔性发光层51，使该多孔性发光层51的硅原子掺杂数目小于5×1017/cm3，其更好的实施方式为在成长该多孔性发光层51时，不主动掺杂硅(Si)原子。
利用本发明第一实施例的该发光元件结构，其元件驱动电压可大幅下降，因此可利用该发光元件的结构来减少于发光层中的掺杂浓度且不影响驱动电压，进而可得到优选的晶体结构且改善抗静电能力与元件可靠度。
参考图5，其显示本发明第二实施例的具多孔性发光层的发光元件60。在图5中，有关与第一实施例的结构相同的部分将标注相同的元件符号，并且若没有特别提及则其具有相同的构造及功能。
如图5所示，本发明第二实施例的发光元件60，是在N型导电性包覆层43及P型导电性包覆层44之间，其包括五层掺杂硅(Si)杂质的量子井发光层61、62等、两层第一波长多孔性发光层63、64等及两层第二波长多孔性发光层65、66。
五层掺杂硅(Si)杂质的量子井发光层61、62等依序形成于该N型导电性包覆层43上。以该量子井发光层61为例说明，该量子井发光层61具有一量子井结构611及二阻挡层612及613。
在该掺杂硅(Si)杂质的量子井发光层62之上依序为两层第一波长多孔性发光层63、64。以该第一波长多孔性发光层63为例说明，其具有一载子局限层631、一下阻挡层635及一上阻挡层636。该第一波长多孔性发光层63、64应用于产生一第一波长，本实施例的该第一波长为570nm。
在该第一波长多孔性发光层64之上依序为两层第二波长多孔性发光层65、66。以该第二波长多孔性发光层65为例说明，其具有一载子局限层651、一下阻挡层655及一上阻挡层656。该第二波长多孔性发光层65、66应用于产生一第二波长，本实施例的该第二波长为467nm。该第二波长与第一波长不同。
该等多孔性发光层63、64、65、66为掺杂特定浓度杂质。其优选实施例为主动掺杂硅(Si)杂质于该等多孔性发光层，使该等多孔性发光层的硅原子掺杂数目小于5×1017/cm3，其更好的实施方式为在成长该等多孔性发光层时，不主动掺杂硅(Si)原子。并且，该等多孔性发光层63、64、65、66的结构如图2及图3所述，在此不加赘述。
在常规技术中，为使一发光层的发光波长为较长，通常必须使该发光层为高铟含量。但是在常规技术中，该高铟含量的发光层的发光效率不高。在本发明的实施例中，虽然该较长发光波长的发光层为高铟含量，仍能具有相当好的高度发光效率。
参考图6所示，该第一波长多孔性发光层63、64是应用于产生第一波长，其为570nm，且可控制其最大光强度为100。该第二波长多孔性发光层65、66是应用于产生第二波长，其为467nm，且可控制其最大光强度为170。在该实施例中，该第一波长多孔性发光层63、64的密度为7％；该第二波长多孔性发光层65、66的密度为25％，以得到上述的最大光强度分别为100及170。
若固定该第一波长多孔性发光层63、64的密度为7％，调整该第二波长多孔性发光层65、66的密度为5％，将使得该第一波长与第二波长的最大光强度比值为1/5(第二波长的光强度为第一波长的光强度五倍)。若该第二波长多孔性发光层65、66的密度调整为43％，将使得到最大光强度分别为100及120。因此，利用调整该第二波长多孔性发光层65、66的密度，可以调整其最大光强度，并进而可调整第一波长及第二波长的混光比例。因而本发明的发光元件可应用于产生各色光源，如粉红色、粉蓝色、粉黄色、粉绿色、各类色温白光等。
本发明具多孔性发光层的发光元件结构不同于常规量子井发光层之处为其将较低能障的含铟化合物半导体材料进一步成长塑成具有多孔性结构的含铟化合物半导体结构。换句话说，此具较低能障的含铟化合物半导体单一平面上，将具有复数个山谷形结构，而该等山谷形结构将被较大能障的阻挡层材料所包覆，应用上可以调控该等山谷形结构的直径大小与深度，甚至该等山谷形结构可直接贯穿含铟化合物半导体层。利用成长该多孔性发光层结构时可大幅度降低元件驱动电压与漏电特性。此外当成长不同波长的多层多孔性发光层时，电子电洞复合可产生在具有不同能障的发光层内。
因此本发明的多孔性发光层不仅可有效提升发光元件的性能，更可实现单晶片混光元件，同时具有高发光效益、高可靠度、高混光调制性及低成本等特性。并且，本发明的多孔性发光层结构可克服常规技术上发光元件仅能发光单一波长的缺点，本发明的发光元件可实现将不同发光频谱的发光层结合而产生有效率，高弹性混光比例的元件。
如图7所示，本发明第三实施例的发光元件70，是在N型导电性包覆层43及P型导电性包覆层44之间，其包括两层掺杂硅(Si)杂质的量子井发光层71、72、五层第一波长多孔性发光层73、74等及两层第二波长多孔性发光层75、76。
两层掺杂硅(Si)杂质的量子井发光层71、72等依序形成于该N型导电性包覆层43上。以该量子井发光层71为例说明，该量子井发光层71具有一量子井结构711及二阻挡层712及713。
在该掺杂硅(Si)杂质的量子井发光层72之上依序为五层第一波长多孔性发光层73、74。以该第一波长多孔性发光层73为例说明，其具有一载子局限层731、一下阻挡层735及一上阻挡层736。该第一波长多孔性发光层73、74应用于产生一第一波长，本实施例的该第一波长为565nm。
在该第一波长多孔性发光层74之上依序为两层第二波长多孔性发光层75、76。以该第二波长多孔性发光层75为例说明，其具有一载子局限层751、一下阻挡层755及一上阻挡层756。该第二波长多孔性发光层75、76应用于产生一第二波长，本实施例的该第二波长为465nm。该第二波长与第一波长不同。
该等多孔性发光层73、74、75、76为掺杂特定浓度杂质。其优选实施例为主动掺杂硅(Si)杂质于该等多孔性发光层，使该等多孔性发光层的硅原子掺杂数目小于5×1017/cm3，其更好的实施方式为在成长该等多孔性发光层时，不主动掺杂硅(Si)原子。并且，该等多孔性发光层73、74、75、76的结构如图2及图3所述，在此不加赘述。
参考图8所示，该第一波长多孔性发光层73、74应用于产生第一波长，其为565nm，且可控制其最大光强度为120。该第二波长多孔性发光层75、76应用于产生第二波长，其为465nm，且可控制其最大光强度为180。在该实施例中，该第一波长多孔性发光层73、74的密度为5％；该第二波长多孔性发光层75、76的密度为28％，以得到上述的最大光强度分别为120及180。
若固定该第二波长多孔性发光层75、76的密度为28％，调整该第一波长多孔性发光层73、74的密度为43％，将使得该第一波长与第二波长的最大光强度比值为3(第一波长的光强度为第二波长的光强度三倍)。因此，利用调整该第一波长多孔性发光层73、74的密度，可以调整其最大光强度，并进而可调整第一波长及第二波长的混光比例。
如图9所示，本发明第四实施例的发光元件80，是在N型导电性包覆层43及P型导电性包覆层44之间，其包括四层掺杂硅(Si)杂质的量子井发光层81、82、两层第一波长多孔性发光层83、84等及两层第二波长多孔性发光层85、86。
两层掺杂硅(Si)杂质的量子井发光层81、82等依序形成于该N型导电性包覆层43上。以该量子井发光层81为例说明，该量子井发光层81具有一量子井结构811及二阻挡层812及813。
在该掺杂硅(Si)杂质的量子井发光层82之上依序为两层第一波长多孔性发光层83、84。以该第一波长多孔性发光层83为例说明，其具有一载子局限层831、一下阻挡层835及一上阻挡层836。该第一波长多孔性发光层83、84应用于产生一第一波长，本实施例的该第一波长为410nm。
在该第一波长多孔性发光层84之上依序为两层第二波长多孔性发光层85、86。以该第二波长多孔性发光层85为例说明，其具有一载子局限层851、一下阻挡层855及一上阻挡层856。该第二波长多孔性发光层85、86应用于产生一第二波长，本实施例的该第二波长为470nm。该第二波长与第一波长不同。
该等多孔性发光层83、84、85、86为掺杂特定浓度杂质。其优选实施例为主动掺杂硅(Si)杂质于该等多孔性发光层，使该等多孔性发光层的硅原子掺杂数目小于5×1017/cm3，其更好的实施方式为在成长该等多孔性发光层时，不主动掺杂硅(Si)原子。并且，该等多孔性发光层83、84、85、86的结构如图2及图3所述，在此不加赘述。
参考图10所示，该第一波长多孔性发光层83、84为应用于产生第一波长，其为410nm，且可控制其最大光强度为120。该第二波长多孔性发光层85、86应用于产生第二波长，其为470nm，且可控制其最大光强度为150。在该实施例中，该第一波长多孔性发光层83、84的密度为15％；该第二波长多孔性发光层85、86的密度为34％，以得到上述的最大光强度分别为120及150。
由于目前利用波长为455-470nm的蓝光来激发黄绿光萤光粉(如YAG)所产生的白光方法并无法得到更好的演色性，这是因为能符合激发黄绿光黄色萤光粉的蓝光波长并无法同时被利用来激发如黄橙光、红光的长波长萤光粉来产生高的光转换效率。而目前研究显示优选的光转换波长为370nm-450nm，因此可利用本发明的多频谱单晶片技术来增加除了蓝光波长外另一发光波长为410nm的频谱来最优化萤光粉的转换效率。
若固定该第一波长多孔性发光层83、84的密度为15％，调整该第二波长多孔性发光层85、86的密度为7％，将使得该第一波长与第二波长的最大光强度分别为40及210。因此，利用调整该第二波长多孔性发光层85、86的密度，可以调整其最大光强度，并进而可调整第一波长及第二波长的混光比例。
本发明的发光元件不限于上述的第一波长多孔性发光层及第二波长多孔性发光层，其可还包括复数个多孔性发光层，形成于该N型导电性包覆层及该P型导电性包覆层之间，该等多孔性光层的具有复数个发光波长，该等发光波长与该第一波长及该第二波长不同，以实现将不同发光频谱的发光层结合而产生有效率，高弹性混光比例的元件。
上述实施例仅为说明本发明的原理及其功效，而非限制本发明。因此，所属领域技术人员可在不违背本发明的精神的前提下对上述实施例进行修改及变化。本发明的权利范围应如前述的权利要求中所列。
权利要求
1.一种具多孔性发光层的发光元件，其包括一个基板；一层第一导电性包覆层；一层第二导电性包覆层；及至少一层多孔性发光层，形成于该第一导电性包覆层及该第二导电性包覆层之间，该多孔性发光层具有一上阻挡层、一下阻挡层及一载子局限层，该载子局限层处于该上阻挡层及下阻挡层之间，该载子局限层具有复数个山形结构，该等山形结构界定复数个山谷形结构，该载子局限层为含铟的氮化物结构，该载子局限层的能障小于该上阻挡层及该下阻挡层的能障。
2.如权利要求1所述的发光元件，其中该载子局限层为氮化铝铟镓结构，可表示为Al(1-x-y)InyGaxN，其中，x大于或等于零；y大于零；(1-x-y)大于或等于零。
3.如权利要求1所述的发光元件，其中该下阻挡层及该上阻挡层均为氮化铝铟镓结构，可表示为Al(1-x-y)InyGaxN，其中，x大于零；y大于或等于零；(1-x-y)大于或等于零。
4.如权利要求1所述的发光元件，其中该多孔性发光层为掺杂特定浓度杂质，该特定浓度杂质的含量为0至5×1017/cm3之间。
5.如权利要求1所述的发光元件，其中每一个山谷形结构的底部与该下阻挡层之间的距离为大于或等于0至小于或等于20×10-10米之间，每一个山谷形结构的径长为5×10-9米至1000×10-9米之间。
6.如权利要求5所述的发光元件，其中该多孔性发光层的密度为5％至75％之间，该多孔性发光层的密度为所有山谷形结构的径长总和与该多孔性发光层的径长的比值。
7.一种具多孔性发光层的发光元件，其包括一个基板；一层N型导电性包覆层；一层P型导电性包覆层；及至少一层第一波长多孔性发光层及至少一层第二波长发光层，其形成于该N型导电性包覆层及该P型导电性包覆层之间，该第一波长与该第二波长不同，该第一波长多孔性发光层具有一上阻挡层、一下阻挡层及一载子局限层，该载子局限层处于该上阻挡层及下阻挡层之间，该载子局限层具有复数个山形结构，该等山形结构界定复数个山谷形结构，该载子局限层为含铟的氮化物结构，该载子局限层的能障小于该上阻挡层及该下阻挡层的能障。
8.如权利要求7所述的发光元件，其中该第一波长多孔性发光层邻近该P型导电性包覆层。
9.如权利要求7所述的发光元件，其中该第二波长发光层为第二波长多孔性发光层。
10.如权利要求7所述的发光元件，其还包括复数个多孔性发光层，形成于该N型导电性包覆层及该P型导电性包覆层之间，该等多孔性光层具有复数个发光波长，该等发光波长与该第一波长及该第二波长不同。
11.如权利要求7所述的发光元件，其中该载子局限层为氮化铝铟镓结构，可表示为Al(1-x-y)InyGaxN，其中，x大于或等于零；y大于零；(1-x-y)大于或等于零。
12.如权利要求7所述的发光元件，其中该下阻挡层及该上阻挡层均为氮化铝铟镓结构，可表示为Al(1-x-y)InyGaxN，其中，x大于零；y大于或等于零；(1-x-y)大于或等于零。
13.如权利要求7所述的发光元件，其中该等多孔性发光层为掺杂特定浓度杂质，该特定浓度杂质的含量为0至5×1017/cm3之间。
14.如权利要求7所述的发光元件，其中每一个山谷形结构的底部与该多孔性发光层的底部之间的距离为大于或等于0至小于或等于20×10-10米，每一个山谷形结构的径长为5×10-9米至1000×10-9米之间。
15.如权利要求14所述的发光元件，其中该等多孔性发光层的密度为5％至75％之间，该多孔性发光层的密度为所有山谷形结构的径长总和与该多孔性发光层的径长的比值。
全文摘要
本发明涉及一种具多孔性发光层的发光元件，包括基板、第一导电性包覆层、第二导电性包覆层及至少一层多孔性发光层。该多孔性发光层形成于该第一导电性包覆层及该第二导电性包覆层之间，其具有一上阻挡层、一下阻挡层及一载子局限层。该载子局限层处于该上阻挡层及下阻挡层之间，其具有界定出复数个山谷形结构的山形结构。该载子局限层为含铟的氮化物，其能障小于该上阻挡层及该下阻挡层的能障。本发明的发光元件其驱动电压可大幅下降，得到优选的晶体结构，改善元件抗静电能力与可靠度。本发明发光元件可成长不同波长的复数层多孔性发光层，有效提升发光元件性能，实现单晶片混光元件，同时具有高发光效益、高可靠度、高混光调制性及低成本。
文档编号H01L33/00GK1783520SQ20041009608
公开日2006年6月7日 申请日期2004年11月29日 优先权日2004年11月29日
发明者陈政权 申请人:新世纪光电股份有限公司