TWI662106B - 一種具障礙層的稀土元素發光二極體結構 - Google Patents

Abstract

本發明係為一種以介面障礙層方式提升於逆偏壓下操作之稀土元素發光二極體結構。主要在稀土元素發光層之側邊介面上製作一能階高於發光層材料的障礙層。藉由不同偏壓的操作，此障礙層可控制載子進入發光層的情況。與無障礙層的稀土元素發光二極體相比，此具障礙層的稀土元素發光二極體可抑制未達臨界電壓時之暗電流，以及提升在超過臨界電壓後的二極體發光強度。

Description

一種具障礙層的稀土元素發光二極體結構

本發明係有關於一種在電激發之稀土元素發光二極體結構中，利用介面障礙層方式來提升此發光二極體光度的結構。

電激發稀土元素發光二極體，為一種在二極體結構中以含稀土元素之材料為發光層，利用電激發下載子於這些稀土元素能態的躍遷，而發出對應於稀土元素能態波長的一種發光二極體。與傳統二極體於順向偏壓下操作不同，此種發光二極體結構能於逆向偏壓下因電子與或電洞對稀土元素的撞擊游離複合造成其能態躍遷而發光。

參照論文研究[G.Franzo et al,Appl.Phys.Lett.64(17),pp2235-2237(1994)]，為將Er元素以離子佈植方式植入PN二極體結構中，經由後續620℃高溫熱處理，以達到電激發光的做法。

參照美國專利公告號第US6846509號，其揭示了一種於低溫下以濺鍍法沉積氧化鉺(Er₂O₃)，利用後續高過600℃以上高溫的熱處理，以增進其光激發光強度的做法。

參照論文研究[S.Iwan et al,Physica B 407, pp2721-2724(2012)]，為將醋酸鉺與醋酸鋅混合，於450℃下進行氧化鋅摻鉺薄膜，而完成鉺摻雜發光二極體元件的做法。此方式不必經由後續高溫熱處理，可直接電激發光。

參照論文研究[T.H.Lin et al,Sensors and Materials,30,pp939-946(2018)]，為在發光層上增加一歐姆接觸層。此結構可降低此種發光二極體的電阻，提升元件品質。

職是之故，申請人乃進行試驗與研究，提出一種能增進此種具稀土元素發光二極體品質的結構，特別係具有障礙層的異質結構。於發光層旁引入一障礙層，使得元件特性達到操作電壓低於臨界電壓時的電流抑制，與高於臨界電壓時的光亮度提升，提升此種發光二極體品質的功效。

緣是，發明人有鑑於此，秉持多年該相關行業之豐富設計開發及實際製作經驗，針對現有之技術及缺失予以研究改良，提供一種具障礙層的稀土元素發光二極體結構，以期達到更佳實用價值性之目的者。

鑒於上述習知技術，本發明之主要目的在於提出一種能增進具稀土元素發光二極體品質的結構，於發光層旁引入一障礙層(高導電帶能階材料)，使得元件特性達到操作電壓低於臨界電壓時的電流抑制，與高於臨界電壓時的光亮度提升，提升此種發光二極體品質的功效。

為達到上述目的，本發明提出一種能增進稀土元素發光二極體品質的結構包含：一基板金屬接觸層；一p型材料，係形成於該基板金屬接觸層上；一摻雜稀土元素發光層，係形成於該p型材料上；一n型材料，係形成於該摻雜稀土元素發光層上；以及一上方金屬接觸層，係形成於該n型材料上；其中該p型材料於靠近該摻雜稀土元素發光層之材料端，形成一高導電帶能階材料以與該摻雜稀土元素發光層結合；或該n型材料於靠近該摻雜稀土元素發光層之材料端，形成該高導電帶能階材料以與該摻雜稀土元素發光層結合；或該p型材料及該n型材料於靠近該摻雜稀土元素發光層之材料端皆形成該高導電帶能階材料以與該摻雜稀土元素發光層結合。

較佳地，該p型材料及該n型材料係可選自半導體材料、高分子材料或上述之組合。

較佳地，該p型材料及該n型材料係可選自氧化鋅、氧化鎂、二氧化矽、稀土元素或上述之組合。

較佳地，該基板金屬接觸層及該上方金屬接觸層係可選自銦、金、鎳、氧化鎳、氧化銦錫或上述之組合。

較佳地，該p型材料、該n型材料與摻雜製作方式係可選自噴霧塗佈、熱蒸鍍、電子束蒸鍍、濺鍍、氣相沉積、液相沉積或上述之組合。

本發明於具稀土元素發光二極體結構中，含稀土元素發光層之旁，製作一材料，此材料之能階高於發光層：在 p型摻雜一端，製作一高導電帶之障礙層材料；在n型摻雜一端，製作一高導電帶之障礙層材料；或二者之組成，以提升此種發光二極體品質的功效。

以上之概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本創作達到預定目的所採取的方式、手段及功效。而有關本創作的其他目的及優點，將在後續的說明及圖式中加以闡述。

101‧‧‧基板金屬接觸層

201‧‧‧p型材料

301‧‧‧發光層

401‧‧‧n型材料

501‧‧‧上方金屬接觸層

202、402‧‧‧高導電帶能階材料

(a)‧‧‧改善前

(b)‧‧‧改善後

V‧‧‧逆偏壓

I‧‧‧電流

L‧‧‧亮度

λ‧‧‧波長

第1圖係為具稀土元素發光二極體結構示意圖；第2圖係為改良之具稀土元素發光二極體結構示意圖；第3圖係為導電能帶示意圖；第4圖係為改善前(a)，不具二氧化矽層，與改善後(b)，具二氧化矽層的鉺摻雜氧化鋅鎂發光二極體的逆偏壓V與電流I關係；第5圖係為改善前(a)，不具二氧化矽層，與改善後(b)，具二氧化矽層的鉺摻雜氧化鋅鎂發光二極體的亮度L與電流I關係；第6圖係為改善前(a)，不具二氧化矽層，與改善後(b)，具二氧化矽層的鉺摻雜氧化鋅鎂發光二極體的 光譜圖；第7圖係於發光層上方改良型稀土元素發光二極體結構示意圖；第8圖係於發光層上方改良型稀土元素發光二極體結構示意圖。

以下係藉由特定的具體實例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容瞭解本發明之其他優點與功效。

請參考第1圖，為傳統之於具稀土元素發光二極體結構示意圖。如圖所示，其結構係包括一基板金屬接觸層101，p型材料201，其後於該p型材料201之上利用蒸鍍，濺鍍，化學氣相，噴霧，浸泡等製程，或是其組合方式完成含有稀土元素之發光層301，以及n型材料401，上方金屬接觸層501，其中p型材料201及n型材料401係可選自半導體材料、高分子材料或上述之組合，例如氧化鋅、氧化鎂、二氧化矽、稀土元素或上述之組合，基板金屬接觸層101及上方金屬接觸層501係可選自銦、金、鎳、氧化鎳、氧化銦錫或上述之組合。在本實施例中，基板金屬接觸層101為銦金屬，p型材料201為濃度 1x10¹⁹cm^-3的p型矽基板。發光層301為厚度400nm，濃度3x10¹⁷cm^-3的鉺摻雜氧化鋅鎂(Mg_0.04Zn_0.96O：Er)，n型材料401為厚度200nm，濃度1x10¹⁸cm^-3的n型銦摻雜氧化鋅(ZnO：In)。上方金屬接觸層501為以濺鍍法製作厚度300nm的黃金(Au)金屬。發光層301與n型材料401的製作方式為以醋酸鎂、醋酸鋅以及醋酸鉺水溶液為前驅物，在450℃下依序以噴霧熱解法製作而成。

在第1圖結構中於逆偏壓操作時，其電子乃於p型材料201區域產生，而電洞於n型材料401區域產生，於逆偏壓下進入鉺摻雜氧化鋅鎂發光層301。由於載子隨著逆偏壓增加而持續進入此區域，因此在逆偏壓未達產生撞擊游離發光的臨界電壓之前乃有持續的電流進入。而這些電流並無法引發撞擊游離機制而發光，對發光機制而言，乃為無效電流。大的無效電流除了需要有較高功率的電源供應以驅動元件外，其產生的熱也間接影響了元件的使用特性。

為改善上述缺點，在逆偏壓未達臨界電壓之前抑制電流，以及在超過臨界電壓後能形成高電場並順利引入電流，我們在結構中引入一高能階材料。請配合參考第2圖改良後之具稀土元素發光二極體結構示意圖。其中高導電帶能階材料202為一高能階材料，其餘結構與做法與第1圖相同。在實施例中，高導電帶能階材料202為二氧化矽(SiO₂)。製作方式為將p型材料201置於含水氣的高溫爐，於450℃以上的溫度10 分鐘以形成二氧化矽以與摻雜稀土元素發光層301結合。

第3圖為改善後的導電能帶示意圖，包括p型材料201，高導電帶能階材料202與鉺摻雜氧化鋅鎂發光層301之導電能帶示意圖。圖中之改善前(a)為外加偏壓低於臨界電壓之導電能帶圖，改善後(b)為外加偏壓高於臨界電壓之導電能帶圖。在未加偏壓或是外加偏壓未達臨界電壓值時，此時由p型材料201層產生的電子受到障礙層之高導電帶能階材料202的阻擋，而無法進入發光層301層，重而抑制此時的電流。當外加偏壓高於臨界電壓值時，由圖3的改善後(b)可以看到在高導電帶能階材料202區域的能帶彎曲較大，此時電子可利用Fowler-Nordheim穿隧方式進入發光層301，此時之高電場產生之撞擊游離效果較佳，從而提升元件的亮度。

第4圖為改善前(a)，不具二氧化矽層，與改善後(b)，具二氧化矽層的鉺摻雜氧化鋅鎂發光二極體的逆偏壓V與電流I關係。由此圖可以看到在相同偏壓下，具二氧化矽障礙層的元件，如圖中改善後(b)所示，有較低的元件電流值。

第5圖為改善前(a)的不具二氧化矽層，與改善後(b)具二氧化矽層的鉺摻雜氧化鋅鎂發光二極體亮度L與電流I關係。由此圖可以看到改善前(a)的氧化鋅鎂發光二極體，其電流需達20mA後才有明顯的光輸出。改善後(b)的發光二極體，在電流10mA時即有有明顯的光輸出。在相同電流下，具二氧化矽障礙層的元件有較高之亮度。

第6圖為改善前(a)，不具二氧化矽層，與改善後(b)，具二氧化矽層的鉺摻雜氧化鋅鎂發光二極體於60mA操作時的光譜圖。其中觀察到波長λ 537nm與558nm的綠光與660nm的紅光產生，為對應於載子於Er³⁺的⁴ S _3/2→⁴ I _15/2，⁴ H _11/2→⁴ I _15/2與⁴ F _9/2→⁴ I _15/2能階躍遷。在改善前後，各波段光譜分布相同，僅亮度L強度不同。

上述之實施例僅為例示性說明本發明之特點及其功效，而非用於限制本發明之實質技術內容的範圍。據本發明之精神，亦可於發光層301上方，施以高能階材料為之：如第7圖所示。其高導電帶能階材料402為阻礙電洞進入發光層301的高能階材料，而造成與第2圖相似之效果。或是如第8圖所示p型材料201及n型材料401於靠近摻雜稀土元素發光層301之材料端皆形成高導電帶能階材料202、402以與摻雜稀土元素發光層301結合。任何熟習此技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化。因此，本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。

本發明之p型材料201、n型材料401與摻雜製作方式係可選自噴霧塗佈、熱蒸鍍、電子束蒸鍍、濺鍍、氣相沉積、液相沉積或上述之組合。

綜上所述，本發明利用於發光層301旁引入一障礙層(高導電帶能階材料202、402)，使得元件特性達到操作電壓低於臨界電壓時的電流抑制，與高於臨界電壓時的光亮度 提升，提升此種發光二極體品質的功效。

上述之實施例僅為例示性說明本發明之特點及其功效，而非用於限制本發明之實質技術內容的範圍。任何熟習此技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化。因此，本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。

Claims (5)

1. 一種具障礙層的稀土元素發光二極體結構，係包括：一基板金屬接觸層；一p型材料，係形成於該基板金屬接觸層上；一發光層，其摻雜稀土元素，係形成於該p型材料上；一n型材料，係形成於該摻雜稀土元素發光層上；以及一上方金屬接觸層，係形成於該n型材料上；其中該p型材料於靠近該摻雜稀土元素發光層之材料端，形成一高導電帶能階材料以與該摻雜稀土元素發光層結合；或該n型材料於靠近該摻雜稀土元素發光層之材料端，形成該高導電帶能階材料以與該摻雜稀土元素發光層結合；或該p型材料及該n型材料於靠近該摻雜稀土元素發光層之材料端皆形成該高導電帶能階材料以與該摻雜稀土元素發光層結合，其中該高導電帶能階材料為二氧化矽。
2. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體結構，其中該p型材料及該n型材料係選自半導體材料、高分子材料或上述之組合。
3. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體結構，其中該p型材料及該n型材料係選自氧化鋅、氧化鎂、二氧化矽、稀土元素或上述之組合。
4. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體結構，其中該基板金屬接觸層及該上方金屬接觸層係選自銦、金、鎳、氧化鎳、氧化銦錫或上述之組合。
5. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體結構，其中該p型材料、該n型材料與摻雜製作方式係選自噴霧塗佈、熱蒸鍍、電子束蒸鍍、濺鍍、氣相沉積、液相沉積或上述之組合。