[go: up one dir, main page]

TWI542035B - 發光元件的堆疊結構 - Google Patents

發光元件的堆疊結構 Download PDF

Info

Publication number
TWI542035B
TWI542035B TW103117190A TW103117190A TWI542035B TW I542035 B TWI542035 B TW I542035B TW 103117190 A TW103117190 A TW 103117190A TW 103117190 A TW103117190 A TW 103117190A TW I542035 B TWI542035 B TW I542035B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
light
semiconductor layer
stacked structure
emitting element
layer
Prior art date
Application number
TW103117190A
Other languages
English (en)
Other versions
TW201543715A (zh
Inventor
羅奕凱
施政宏
曾百亨
Original Assignee
國立中山大學
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 國立中山大學 filed Critical 國立中山大學
Priority to TW103117190A priority Critical patent/TWI542035B/zh
Priority to US14/661,663 priority patent/US20150333226A1/en
Publication of TW201543715A publication Critical patent/TW201543715A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI542035B publication Critical patent/TWI542035B/zh

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/80—Constructional details
    • H10H20/81—Bodies
    • H10H20/822—Materials of the light-emitting regions
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/80—Constructional details
    • H10H20/81—Bodies
    • H10H20/822—Materials of the light-emitting regions
    • H10H20/824—Materials of the light-emitting regions comprising only Group III-V materials, e.g. GaP
    • H10H20/825—Materials of the light-emitting regions comprising only Group III-V materials, e.g. GaP containing nitrogen, e.g. GaN
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/80—Constructional details
    • H10H20/83—Electrodes
    • H10H20/832—Electrodes characterised by their material
    • H10H20/833—Transparent materials

Landscapes

  • Led Devices (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Description

發光元件的堆疊結構
本發明係關於一種發光元件的堆疊結構；特別是關於一種可用電能產生光能之發光元件的堆疊結構。
利用電能產生光能之發光元件(如：發光二極體或雷射二極體等)，可利用電致發光效應，將電能轉為光能，以利進行顯示、照明或測量等用途。以發光二極體為例，習知商業化的發光二極體仍以矽製品為大宗，惟以矽製成之光電元件因其間接能隙(Indirect Bandgap)特性，導致發光效率不佳及熱損耗問題。相較之下，利用具有直接能隙(Direct Bandgap)特性的材料(如：二硒化銅銦，CuInSe2)製作發光二極體，則可相對改善上述問題。
習知具有二硒化銅銦之發光二極體結構係以砷化鎵(GaAs)、矽(Si)或磷化鎵(GaP)基板成長二硒化銅銦(CuInSe2)，再於二硒化銅銦及基板分別設置一電極，用以輸入直流電力，使發光二極體產生光能輸出。
惟，習知發光二極體結構之基板中所含的砷化鎵、矽、磷化鎵的能隙分別為1.42、1.04、2.27，其窄能隙特性將會吸收發光二極體所產生的光能；且，砷化鎵、矽、磷化鎵基板為不透光材料，將會遮蔽由基板方向發出的光能，致其發光效率不高；又，砷化鎵具有毒性，在發光二極體製程中會對環境造成污染，經特定處理後縱可降低污染程度，惟須增加 製程成本。
有鑑於此，有必要改善上述先前技術的缺點，以符合實際需求，提升其實用性。
本發明之主要目的係提供一種發光元件的堆疊結構，可由基板方向發光。
本發明之次一目的係提供一種發光元件的堆疊結構，可減少基板方向光源吸收量。
本發明之又一目的係提供一種發光元件的堆疊結構，無需使用砷化鎵作為基板。
本發明提出一種發光元件的堆疊結構，包含：一導電基板，主要由可透光之三族氮化物構成；一第一半導體層，設置於該導電基板，該第一半導體層主要由黃銅礦相之三元化合物構成；一第二半導體層，設置於該第一半導體層；一導電層，設置於該第二半導體層，該導電層主要由可透光之半導體材料構成，該導電層與該導電基板之材料不同；及二電極，分別設置於該導電基板及該導電層。
較佳地，該三族氮化物為氮化鎵或氮化鋁。
較佳地，該氮化鎵為以c軸方向成長而成的氮化鎵。
較佳地，該三元化合物含有一、三、六族元素，該一、三、六族元素的元素莫爾比例為1：1：2，該一族元素為銅，該三族元素為銦、鎵或鋁，該六族元素為硒或硫。
較佳地，該第二半導體層主要由硫化鎘、硫化鋅、氫氧化鋅或硫化銦構成。
較佳地，該導電層主要由氧化鋅或銦錫氧化物構成。
較佳地，另包含一緩衝層設置於該第一半導體層與該第二半 導體層之間。
較佳地，該緩衝層主要由氮化銦構成。
〔本發明〕
1‧‧‧導電基板
2‧‧‧第一半導體層
3‧‧‧第二半導體層
4‧‧‧導電層
5‧‧‧電極
6‧‧‧緩衝層
第1圖係本發明發光元件的堆疊結構第一實施例之組合剖視圖。
第2圖係本發明發光元件的堆疊結構第二實施例之組合剖視圖。
第3a圖係本發明發光元件的堆疊結構之第一半導體層為CuInSe2(112)的明視野影像。
第3b圖係本發明發光元件的堆疊結構之第一半導體層為CuInSe2的選區繞射圖。
第3c圖係本發明發光元件的堆疊結構之第一半導體層/導電基板為CuInSe2/GaN的選區繞射圖。
第3d圖係本發明發光元件的堆疊結構之導電基板為GaN的選區繞射圖。
為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：本發明全文所述之「電致發光效應」(electroluminescence effect)，係指當電流流過二極體(diode)之接面(p-n junction)時，電子(electron)與電洞(hole)於其內復合而發出光線，係本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以理解。
本發明全文所述之「間接能隙」(indirect bandgap)，係指電子在半導體材料之價帶與導帶的躍遷涉及晶格動量的改變，除會產生熱能，亦會降低光電轉換效率，係本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以理解。
本發明全文所述之「直接能隙」(direct bandgap)，係指電子在半導體材料之價帶與導帶的躍遷不涉及晶格動量的改變，故可提升光電轉換效率，係本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以理解。
請參閱第1圖所示，其係本發明發光元件的堆疊結構第一實施例之組合剖視圖。其中，該發光元件的堆疊結構包含一導電基板1、一第一半導體層2、一第二半導體層3、一導電層4及二電極5，該導電基板1依序堆疊該第一半導體層2、第二半導體層3及導電層4，該二電極5分別設置於該導電基板1及導電層4。
請再參閱第1圖所示，該導電基板1可由具有透光性之材料製成，較佳主要由可透光之非金屬材料構成，如：可透光的三族氮化物(III-nitride)等半導體材料；該三族氮化物較佳選為在可見光區呈現透明的氮化鎵(GaN)或氮化鋁(A1N)等三族氮化物，惟不以此為限，用以傳導該發光元件的堆疊結構所需的電能，及透出該發光元件的堆疊結構通電後產生的光能，且該等三族氮化物可以提高電子遷移率，其直接能隙特性可提升光電轉換效率，相較於砷化物亦不具毒性。在本實施例中，該導電基板1可由磊晶方式製成，該導電基板1係以氮化鎵作為實施態樣，惟不以此為限；其中，由於單晶氮化鎵(較佳為以c軸方向成長而成的氮化鎵，c-plane GaN)具有透光性，可使該導電基板1透出該發光元件的堆疊結構產生的光線；且，氮化鎵為直接能隙(direct bandgap)材料，當電子電洞結合時，可直接將電能轉為光能，可進一步提高發光效率，且能量轉換時幾乎無動能損耗，有效抑制熱量產生，氮化鎵之寬能隙(3.42eV)特性，使該導電基板1與第一半導體層2之間形成較深的量子井(Quantum Well)，可有效侷限注入該第一半導體層2之載子(Carrier)，亦可增加發光元件的發光效率。
請再參閱第1圖所示，該第一半導體層2設置於該導電基板 1與第二半導體層3之間，該第一半導體層2用以形成P-N接面(p-n junction)，該第一半導體層2可由具有P型(p-type)半導體特性之材料構成，該第一半導體層2較佳以具有黃銅礦相(chalcopyrite phase)之三元化合物(ternary compound)，該三元化合物含有一、三、六族元素，該一、三、六族元素以1：1：2的元素莫爾(mole)比例合成三元化合物(I-III-VI2)，其中一族元素可選為銅(Cu)等，三族元素可選為銦(In)、鎵(Ga)或鋁(Al)等，六族元素可選為硒(Se)或硫(S)等，惟不以此為限，以利提高該第一半導體層2與該導電基板1之間的界面(Interface)的排列規則性(arrangement regularity)。在此實施例中，該第一半導體層2可利用分子束磊晶系統(MPE)於三族氮化物磊晶成長具有黃銅礦相之三元化合物，如：二硒化銅銦(CuInSe2，CIS)、二硒化銅鎵(CuGaSe2)、二硒化銅鋁(CuAlSe2)、二硫化銅銦(CuInS2)、二硫化銅鎵(CuGaS2)、二硫化銅鋁(CuAlS2)等，惟不以此為限；其中，以二硒化銅銦(CuInSe2)磊晶成長於單晶氮化鎵(GaN)為例，氮化鎵與二硒化銅銦的介面不會因化學反應而產生雜質，除可提升光電元件的發光效能，更可確保光電元件的電性可靠度；其中，二硒化銅銦之能隙(1.04eV)與氮化鎵之能隙(3.42eV)相差2.38eV，可形成較深的位能井，有助於提升光電元件的發光效率。
請再參閱第1圖所示，該第二半導體層3設置於該第一半導體層2與導電層4之間，該第二半導體層3可由具有N型(n-type)半導體特性之材料構成，如：硫化鎘(CdS)、硫化鋅(ZnS)、氫氧化鋅(ZnOH)或硫化銦(InS)等，該第二半導體層3與第一半導體層2可利用電致發光效應，將電能轉換為光能，其工作原理係所屬技術領域中具有通常知識者可以理解，在此容不贅述。在此實施例中，該第二半導體層3係以硫化鎘製成，並使用化學浴法(chemical bath)及濺鍍法(sputting)於該第一半導體層2上製作而成，惟不以此為限。
請再參閱第1圖所示，該導電層4設置於第二半導體層3，該導電層4較佳主要由可透光之半導體材料構成，如：氧化鋅(ZnO)或銦錫氧化物(ITO)等半導體材料，用以傳導該發光元件的堆疊結構所需的電能，及透出該發光元件的堆疊結構產生的光能，惟該導電層4與導電基板1之材料不同。在此實施例中，該導電層4係以氧化鋅製成，並使用化學浴法及濺鍍法於該第二半導體層3上製作而成，惟不以此為限；其中，由於氧化鋅為直接能隙材料，除可增加發光效率，更可減少光電轉換時所產生的熱能。
請再參閱第1圖所示，該二電極5較佳由導電性佳的材料構成，如：金(Au)、鉑(Pt)或鋁(Al)等，該二電極5分別設置於該導電基板1及導電層4，用以輸入電力至該導電基板1、導電層4。在此實施例中，該二電極5係以鋁製成，惟不以此為限。
請參閱第2圖所示，其係本發明發光元件的堆疊結構第二實施例之組合剖視圖，其中，該第二實施例除包含第一實施例之導電基板1、第一半導體層2、第二半導體層3、導電層4及電極5外，另包含一緩衝層6，該緩衝層6設置於該第一半導體層2與第二半導體層3之間，該緩衝層6主要由氮化銦(InN)構成，用以作為一遠紅外光發光層(按InN、CIS之能隙分別為0.7、1.04eV)，以利進一步發出遠紅外光段能量，使可發光的頻段增加，進而提升光能的輸出量。在此實施例中，該緩衝層6可由磊晶方式製成，惟不以此為限。
請再參酌第1及2圖所示，其中，本發明發光元件的堆疊結構於使用時，可將直流電能經由該二電極5、導電基板1、導電層4、緩衝層6輸入該第一半導體層2及第二半導體層3，因此，該第一半導體層2及第二半導體層3可利用電致發光效應(electroluminescence effect)，將電能轉換為光能，其工作原理係其所屬技術領域中具有通常知識者可以理 解，在此容不贅述，以便作為發光二極體(diode)等光電元件，惟不以此為限。
請參閱第3a、3b、3c及3d圖所示，第3a圖係本發明發光元件的堆疊結構之第一半導體層為CuInSe2(112)之明視野影像，第3b圖係本發明發光元件的堆疊結構之第一半導體層為CuInSe2的選區繞射圖，第3c圖係本發明發光元件的堆疊結構之第一半導體層/導電基板為CuInSe2/GaN的選區繞射圖，第3d圖係本發明發光元件的堆疊結構之導電基板為GaN的選區繞射圖。其中，由第3b、3c圖可知，CuInSe2與GaN之介面間的選區繞射圖的繞射點排列非常規則，可證明CuInSe2確實能磊晶成長於GaN上，故可利用CuInSe2/GaN介面提升光電轉換效率。因此，本發明與習知技術相較，確實能提升光電轉換效率。
值得注意的是，由於磊晶材料間的晶格缺陷(lattice fault)會造成發光效率變差，乃導致發光半導體元件效率無法提升的主因，探究晶格缺陷原因有二，其一為晶格不匹配，如：在藍寶石基材上成長氮化鎵，二者雖皆屬六方晶系，惟兩者晶格大小不同；另一為結晶結構不匹配，如：在矽基材上成長氮化鎵，六方晶系(hexagonal crystal system)之氮化鎵與立方晶系(cubic)之矽基材的結晶結構不同，詳參「Gajanan Niranjan Chaudhari,Vijay Ramkrishna Chinchamalatpure,Sharada Arvind Ghosh,American Journal of Analytical Chemistry,2011,2,984-988.“Structural and electrical characterization of GaN thin films on Si(100)”」。又，結晶結構不匹配通常伴隨晶格不匹配，由習知半導體物理理論可知，晶格不匹配率過大的材料應會造成晶格缺陷而無法順利磊晶，如：氮化鎵(GaN)與二硒化銅銦(CuInSe2)晶格不匹配率過大(28.5%)，應無法以磊晶方式成長。惟，本發明經由實驗證實CuInSe2(112)與GaN(0001)結合時，其晶格不匹配率係由28.5%(理論值)減少到3.6%(實際值)。因此，CuInSe2(112)可 磊晶成長在GaN(0001)材料上，實已克服本發明所屬技術領域中具有通常知識者長久以來根深柢固之技術偏見(即晶格不匹配率過大的材料無法磊晶)，GaN(0001)材料在可見光區呈現透明，確實可解決習知「發光元件無法由基板方向發光」問題。
藉由前揭之技術手段，本發明發光元件的堆疊結構上述實施例的主要特點列舉如下：該發光元件的堆疊結構包含該導電基板、第一半導體層、第二半導體層、導電層及二電極，該導電基板主要由可透光之非金屬材料構成，該第一半導體層設置於該導電基板，且該第一半導體層主要由黃銅礦相之三元化合物構成，該第二半導體層設置於該第一半導體層，該導電層設置於該第二半導體層，且該導電層主要由可透光之半導體材料構成，該導電層與該導電基板之材料不同，該二電極分別設置於該導電基板及該導電層。此外，該第一半導體層與該第二半導體層之間還可設置一緩衝層。藉此，本發明發光元件的堆疊結構可由基板及其相對方向發出光源，且可減少基板吸收光源量，達成「提升發光效能」及「確保電性可靠度」等功效。
雖然本發明已利用該較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對該實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
1‧‧‧導電基板
2‧‧‧第一半導體層
3‧‧‧第二半導體層
4‧‧‧導電層
5‧‧‧電極

Claims (8)

  1. 一種發光元件的堆疊結構，包含：一導電基板，主要由可透光之三族氮化物構成；一第一半導體層，設置於該導電基板，該第一半導體層主要由黃銅礦相之三元化合物構成；一第二半導體層，設置於該第一半導體層；一導電層，設置於該第二半導體層，該導電層主要由可透光之半導體材料構成，該導電層與該導電基板之材料不同；及二電極，分別設置於該導電基板及該導電層。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述之發光元件的堆疊結構，其中該三族氮化物為氮化鎵或氮化鋁。
  3. 根據申請專利範圍第2項所述之發光元件的堆疊結構，其中該氮化鎵為以c軸方向成長而成的氮化鎵。
  4. 根據申請專利範圍第1項所述之發光元件的堆疊結構，其中該三元化合物含有一、三、六族元素，該一、三、六族元素的元素莫爾比例為1：1：2，該一族元素為銅，該三族元素為銦、鎵或鋁，該六族元素為硒或硫。
  5. 根據申請專利範圍第1項所述之發光元件的堆疊結構，其中該第二半導體層主要由硫化鎘、硫化鋅、氫氧化鋅或硫化銦構成。
  6. 根據申請專利範圍第1項所述之發光元件的堆疊結構，其中該導電層主要由氧化鋅或銦錫氧化物構成。
  7. 根據申請專利範圍第1至7項中任一項所述之發光元件的堆疊結構，另包含一緩衝層設置於該第一半導體層與該第二半導體層之間。
  8. 根據申請專利範圍第7項所述之發光元件的堆疊結構，其中該緩衝層主要由氮化銦構成。
TW103117190A 2014-05-15 2014-05-15 發光元件的堆疊結構 TWI542035B (zh)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW103117190A TWI542035B (zh) 2014-05-15 2014-05-15 發光元件的堆疊結構
US14/661,663 US20150333226A1 (en) 2014-05-15 2015-03-18 Stacking structure of a light-emitting device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW103117190A TWI542035B (zh) 2014-05-15 2014-05-15 發光元件的堆疊結構

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW201543715A TW201543715A (zh) 2015-11-16
TWI542035B true TWI542035B (zh) 2016-07-11

Family

ID=54539218

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW103117190A TWI542035B (zh) 2014-05-15 2014-05-15 發光元件的堆疊結構

Country Status (2)

Country Link
US (1) US20150333226A1 (zh)
TW (1) TWI542035B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11705530B2 (en) * 2018-04-20 2023-07-18 Sony Corporation Imaging device, stacked imaging device, and solid-state imaging apparatus

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005006393A2 (en) * 2003-05-27 2005-01-20 Triton Systems, Inc. Pinhold porosity free insulating films on flexible metallic substrates for thin film applications
KR101245371B1 (ko) * 2009-06-19 2013-03-19 한국전자통신연구원 태양전지 및 그 제조방법
US9112085B2 (en) * 2009-11-30 2015-08-18 The Royal Institution For The Advancement Of Learning/Mcgill University High efficiency broadband semiconductor nanowire devices
EP2834847B1 (en) * 2012-04-03 2021-06-02 Flisom AG Thin-film photovoltaic device with wavy monolithic interconnects

Also Published As

Publication number Publication date
US20150333226A1 (en) 2015-11-19
TW201543715A (zh) 2015-11-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wierer et al. The impact of piezoelectric polarization and nonradiative recombination on the performance of (0001) face GaN/InGaN photovoltaic devices
Grundmann et al. Oxide bipolar electronics: materials, devices and circuits
Wierer et al. Influence of barrier thickness on the performance of InGaN/GaN multiple quantum well solar cells
JP7209338B2 (ja) 半導体素子
Nakai et al. Ultraviolet light-absorbing and emitting diodes consisting of a p-type transparent-semiconducting NiO film deposited on an n-type GaN homoepitaxial layer
Hidayat et al. Applications of molecular beam epitaxy in optoelectronic devices: an overview
Lee et al. Enhanced conversion efficiency of InGaN multiple quantum well solar cells grown on a patterned sapphire substrate
CN103855263A (zh) 一种具有极化隧道结的GaN基LED外延片及其制备方法
Saleem et al. Self-powered, all-solution processed, trilayer heterojunction perovskite-based photodetectors
Laxmi et al. III-Nitride/Si tandem solar cell for high spectral response: key attributes of auto-tunneling mechanisms
Zhao et al. High 400° C operation temperature blue spectrum concentration solar junction in GaInN/GaN
Don et al. What Can Sb 2 Se 3 Solar Cells Learn from Cd Te?
US20150001467A1 (en) Semiconductor device having superlattice thin film laminated by semiconductor layer and insulator layer
Yang et al. Enhancement of the conversion efficiency of GaN-based photovoltaic devices with AlGaN/InGaN absorption layers
Liu et al. Investigation of bandgap engineering of gallium zinc oxide-based ultraviolet photodetector by mist atmospheric pressure chemical vapor deposition
US20140048818A1 (en) Photoelectric conversion element, photoelectric conversion system, and method for production of photoelectric conversion element
TWI542035B (zh) 發光元件的堆疊結構
US8654807B2 (en) Electrical devices formed using ternary semiconducting compounds
Dogmus et al. High structural quality InGaN/GaN multiple quantum well solar cells
US20190067507A1 (en) Semiconductor device
Chen et al. Improved performance of a back-illuminated GaN-based metal-semiconductor-metal ultraviolet photodetector by in-situ modification of one-dimensional ZnO nanorods on its screw dislocations
Wu et al. Efficiency of GaN/InGaN double-heterojunction photovoltaic cells under concentrated illumination
TWI520362B (zh) 光電元件的堆疊結構
Salmani et al. Band gap engineering of (InGaN) for photovoltaic application
Zhou et al. The III-nitrides as a universal compound semiconductor material: a review

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A Annulment or lapse of patent due to non-payment of fees