CN100397665C

CN100397665C - 发光二极管

Info

Publication number: CN100397665C
Application number: CNB2005100021992A
Authority: CN
Inventors: 王德忠; 卓昌正; 苏忠杰; 蔡敬恩; 李政鸿
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2005-01-14
Filing date: 2005-01-14
Publication date: 2008-06-25
Anticipated expiration: 2025-01-14
Also published as: CN1805157A

Abstract

本发明公开了一种发光二极管，在氮化铟镓发光二极管的各薄膜中分别添加铝原子，使其发出人眼完全看不见的波长为300-380纳米的紫外光；而此发光二极管可用以搭配不同颜色的荧光粉层或是量子井/量子点结构，使其激发出不同波长(颜色)的光线，以调变为不同波长(颜色)的发光二极管。

Description

发光二极管

技术领域

本发明涉及一种发光二极管，尤其涉及一种波长为300-380纳米，利用其发出的紫外光而激发为任意可见光的发光二极管。

背景技术

发光二极管(Light Emitting Diode，LED)是一种半导体发光组件，不同于传统的白炽灯泡以大电流使灯丝热到发光，发光二极管仅需一极小的电流即可激发出相当的光亮。发光二极管利用半导体材料中的电子空穴结合时以发光的方式来显示其释放出的能量；发光二极管具体积小、寿命长、驱动电压低、耗电量低、反应速率快、耐震性特佳及单色性佳等优点，为各种电器、信息看板、通讯产品等的发光组件。依据芯片种类及工艺的控制，可以得到各种的单色光。

由于LED具有省能源的特性，未来将可望替代部分电灯泡作为照明器具，但是由于目前白光LED由于发光亮度及价格的因素仍不能普及，不过长期而言，白光LED是LED产业大跃进的一个领域。白光LED现时的产品大多是以蓝光发光二极管激发荧光粉来发出黄色光，两种光线混合之后就可在视觉上形成白光。而随着蓝光发光二极管亮度逐渐的提升，使得开发白光发光二极管的应用在照明市场上充满希望。

高亮度LED的发展，让LED的产业注入活力，尤其蓝绿光发光二极管的开发成功，而且将发光的效能更逐日的提升，目前亮度已可达到数个烛光以上，并在往上提升中，也因蓝光的亮度越来越高，所以由蓝光发光二极管涂上荧光粉所激发出的白光LED，应用在照明市场上的用途也随之日趋扩展。但是，由于其白光是由蓝光与黄光混合而成，白光LED所发出的光线很难控制为纯白，大约是白中带青或是带有黄色光晕，即具有不均匀的色温(ColorTemperature)。

而目前已商品化成熟的产品，是由日本日亚化学所研发出的无机白光发光二极管，其结构示意图如图1所示，在波长为460纳米的蓝光晶粒10上涂一层乙铝石榴石荧光粉20，利用蓝光发光二极管激发乙铝石榴石荧光粉20，以产生与蓝光互补的555纳米波长的黄光，再利用透镜原理，将互补的黄光和蓝光予以混合，得到所需的白光。此方法所制作的白光发光二极管成本较低，且电源回路构造也较简单。

但由于日亚公司掌握制作技术专利，因此，现今业者大多投入在三波长光的开发。三波长光即是以无机紫外光芯片所发出的紫外光激发蓝光、绿光与红光三基色荧光粉，若发出的三基色光的成分适量，其混合光便是白光。

实际上，现有技术中所研发出来的紫外光芯片所发出的光线并非纯粹的紫外光，研发人员认为只要发光波长在400纳米以上、470纳米以下即可称之为紫外光发光二极管。然而，波长在380纳米以上的光线，在人眼所见仍为紫色，因此，此紫外光发光二极管所发出的光线会干扰到它原本所要激发的光线，而无法得到纯粹的白光。

发明内容

本发明所要解决的主要问题在于提供一种发光二极管，通过在氮化铟镓发光二极管的每一层薄膜中都加入铝原子，以产生主要波长为300-380纳米的紫外光输出。由于波长为300-380纳米的紫外光为人眼所不能看见的光线，因此，本发明的发光二极管可用以搭配不同波长(颜色)的荧光粉层或是量子阱/量子点结构，使其激发出不同波长(颜色)的光线，以调变为不同波长(颜色)的发光二极管。

为实现上述目的，本发明的发光二极管包含：一基板、一成核层、一缓冲层、一n型接触层、一n型被覆层、一发光层、一p型阻障层、一p型被覆层及一p型接触层。

此基板需采用适于外延材质所组成。此成核层设置在基板上，且由Al_xGa_1-xN所形成，以解决晶格不匹配的现象，其中0＜x＜1。

此缓冲层设置在成核层上，其材料可为未掺杂的Al_xGa_1-xN或是n-Al_xGa_1-xN所形成，其中0＜x≤0.3。此n型接触层设置在缓冲层上，且电性连接在一n型电极，而此n型接触层由n-Al_xGa_1-xN所形成，其中0＜x≤0.3。

此n型被覆层设置在n型接触层上，且由n-Al_xGa_1-xN所形成，其中0＜x≤0.3。此发光层设置在n型披覆层之上，且其为发光二极管中主要发光的部分，而此发光层可为一In_yAl_xGa_1-x-yN/In_yAl_xGa_1-x-yN量子阱/量子点的结构，其中0＜x≤0.3、0＜y≤0.2。

此p型阻障层形成在发光层上，以防止载流子溢流，而此p型阻障层由p-Al_xGa_1-xN所形成，其中0＜x≤0.4。此p型被覆层形成在p型阻障层之上，以局限载流子，而此p型被覆层由p-Al_xGa_1-xN所形成，其中0＜x≤0.3。此p型接触层位于p型被覆层之上，且电性连接在一p型电极，此p型接触层由p-Al_xGa_1-xN所形成，其中0＜x≤0.15。

当在n型电极与p型电极施加一适当的顺向偏压时，即可激发此发光层产生波长为300-380纳米的紫外光输出。

有关本发明的特征与实作，配合附图对最佳实施例详细说明如下。

附图说明

图1，为现有的白光发光二极管的结构示意图；

图2，为本发明的发光二极管的结构示意图；

图3，为本发明的发光二极管制作成一般的发光二极管灯的型式后，所测得的电激发光频谱；

图4，为在本发明的发光二极管结构上制作一R/G/B InGaN量子阱/量子点受激发光层的结构示意图；

图5，为利用本发明的发光二极管所发出的紫外光，以激发任意可见光发光二极管的结构示意图；

图6，为将图4中所示的具有InGaN量子阱/量子点受激发光层的发光二极管置在图5的发光二极管结构的示意图；及

图7至图10分别为利用本发明的发光二极管所发出的紫外光，以激发红光、绿光、蓝光及混合红色/绿色/蓝色荧光胶的发光二极管，所量得的红光、绿光、蓝光及白光的发光频谱。

其中，附图标记：

10、蓝光晶粒

20、乙铝石榴石荧光粉

30、基板

40、成核层

50、缓冲层

60、n型接触层

61、n型电极

70、n型被覆层

80、发光层

90、p型阻障层

100、p型被覆层

110、p型接触层

111、p型电极

120、InGaN量子阱/量子点受激发光层

130、基板

131、全方位反射膜

140、发光二极管芯片

150、荧光胶

160、全方位反射片

具体实施方式

如图2所示，为本发明的发光二极管的结构示意图。此发光二极管在氮化铟镓发光二极管的每一层薄膜中都加入铝原子，以拉大其能隙、增加载流子灌入的效应，而另一方面则是防止吸光的效应，随着调变铝原子的含量，而产生主要波长为300-380纳米的紫外光输出，此波长在300-380纳米左右的光线是人眼所看不见的。

由于此波长为300-380纳米的发光二极管点亮时，人眼并不会看到它的颜色(即并不会干扰到此发光二极管原本所要激发的颜色)，因此，可通过此发光二极管搭配不同波长的荧光粉，或是在此发光二极管最上层长出量子阱/量子点结构，以调变出具有不同波长(颜色)的发光二极管。

本发明的发光二极管包含有：一基板30、一成核层40、一缓冲层50、一n型接触层60、一n型被覆层70、一发光层80、一p型阻障层90、一p型被覆层100及一p型接触层110。

此发光二极管所选用的基板30需适合进行外延，例如：蓝宝石基板(Al2O3)、硅(Si)基板、碳化硅(SiC)基板、氮化镓(GaN)基板、氮化铝(AlN)基板、氮化铝镓(AlGaN)基板及氧化锌(ZnO)基板。

此成核层40设置在基板30之上，且由Al_xGa_1-xN所形成，以解决晶格不匹配的现象，其中0＜x＜1。

此缓冲层50设置在成核层40之上，而此缓冲层50所选用的材质可为ud(un-doping，未掺杂的)-Al_xGa_1-xN或是n-Al_xGa_1-xN，其中0＜x≤0.3。

此n型接触层60设置在缓冲层50之上，且其上方制作有一与其电性连接的n型电极61，此n型接触层60由n-Al_xGa_1-xN所形成，其中0＜x≤0.3。

此n型被覆层70设置在n型接触层60之上，用以局限载流子，且此n型被覆层70由n-Al_xGa_1-xN所形成，其中0＜x≤0.3。

此发光层80设置在n型被覆层70之上，而此发光层80可为一In_yAl_xGa_1-x-yN/In_yAl_xGa_1-x-yN量子阱/量子点的结构，其中0＜x≤0.3、0＜y≤0.2。此发光层80为发光二极管中主要发光的部分。

此p型阻障层90形成在发光层80上，其目的用以防止载流子溢流，此p型阻障层90由p-Al_xGa_1-xN所形成，其中0＜x≤0.4。

此p型被覆层100形成在p型阻障层90之上，其目的用以局限载流子，此p型被覆层100由p-Al_xGa_1-xN所形成，其中0＜x≤0.3。

此p型接触层110位于p型被覆层100之上，其上方制作有一p型电极111，而此p型接触层110由p-Al_xGa_1-xN所形成，其中0＜x≤0.15。

当在n型电极61与p型电极111施加一适当的顺向偏压时，即可透过此外延结构而激发此发光层80产生主要波长为300-380纳米的紫外光输出。

如图3所示，为本发明的发光二极管制作成一般的发光二极管灯的型式后，所测得的电激发光频谱，而此频谱图中可知：此发光二极管所发出光线的波长介于200纳米到400纳米之间，而其主要波长为369.73纳米。

此300-380纳米的紫外光对于人眼的色彩感受几乎是没有任何贡献的，但，我们可利用此发光二极管搭配不同颜色的荧光粉，或是在此发光二极管上再长上一层量子阱/量子点结构，利用所产生的紫外光以激发荧光粉或是量子阱/量子点的方式，以制作成各种不同发光波长的发光二极管。

如图4所示，为在本发明的发光二极管结构上制作上一红色/绿色/蓝色(R/G/B)InGaN量子阱/量子点受激发光层120，通过下方的发光二极管所产生的紫外光以激发此R/G/B InGaN量子阱/量子点受激发光层120，而此R/G/BInGaN量子阱/量子点受激发光层120受激发后所发出的红、绿、蓝三色光线经过混光后，即可产生白光。

由于此红、绿、蓝三色光线由单一芯片、同一量子阱/量子点受激发光层上所发出，因此，相对于现有技术中利用各自独立的发光二极管经过混色后所组成的发光源而言，此发光二极管具有较佳的演色性。当然，此量子阱/量子点受激发光层也可为任意单一波长的量子阱/量子点结构，以作为不同波长(颜色)的发光二极管。

如图5所示，为利用本发明的发光二极管所发出的紫外光，以激发任意可见光发光二极管的结构。

此发光二极管包括有：一基板130、一发光二极管芯片140、一荧光胶150及一全方位反射片160。

此基板130上可制作一全方位反射膜131，例如：可全方位反射紫外光并穿透可见光的光子晶体镀膜或是光学反射膜，用以反射入射在基板130上的光线。而此基板130的形状并不限定于碗状结构，使用者可依其使用上的需求，而将此发光二极管芯片140应用于不同型式的基板上。

此发光二极管芯片140是设置在基板130的上，而此发光二极管芯片即为上述在氮化铟镓发光二极管的每一层薄膜中都加入铝原子，以发出波长为300-380纳米的发光二极管。通过外加电流而驱动此发光二极管芯片140发出紫外光，用以提供激发荧光胶150所需的光源。

在发光二极管芯片140的外围，涂布有用以产生荧光的荧光胶150，此荧光胶150是由荧光粉与树脂混合而成，当发光二极管芯片140发出的紫外光穿过此荧光胶150时，紫外光会激发荧光粉产生二次可见光源，即发出荧光。

而发光二极管所使用的荧光粉的发光的可见光光谱，需针对发光二极管芯片140所发出的光的波长而设计；当使用不同的发光二极管芯片时，也需使用相对应其光波长的荧光粉，才会产生荧光。

此发光二极管芯片140采用紫外光发光二极管芯片，使用者可依据不同的使用需求，而搭配不同颜色的荧光胶150，以激发出不同颜色的光线，例如：红光、黄光、绿光、白光等。此外，利用蓝光发光二极管芯片搭配上黄光、绿光、红光荧光胶150也可分别激发出白光、绿光、红光与其它色光。

由于荧光胶150外围的全方位反射片160会完全反射紫外光，因此，会使紫外光被局限于荧光胶150中，而产生反复且多方向的反射，类似一个法布里-柏罗(Fabry-Perot)共振腔的结构。通过紫外光在全方位反射片内多次的反射，让紫外光尽量激发出荧光粉，使紫外光的能量耗尽，而使发光二极管发出更多的光线。此全方位反射片160可利用光子晶体或是光学镀膜的方式制作而成。

且某些特定荧光的可见光波长在经过设计之后，可控制其透出全方位反射片160的光量，而达到控制发光二极管所发出光线的色温与亮度的目的。

此外，如图6所示，也可将图4中所示的具有InGaN量子阱/量子点受激发光层120的发光二极管置在图5的结构中，如此一来，即不需填充此荧光胶150，而通过调整InGaN量子阱/量子点受激发光层120的组成比例，同样可以形成各种波长(颜色)的发光二极管。

最后，如图7至图10所示，分别为利用本发明的发光二极管所发出的紫外光，以激发红光、绿光、蓝光及混合红色/绿色/蓝色荧光胶的发光二极管，所量得的红光、绿光、蓝光及白光的发光频谱。因此，利用本发明的发光二极管搭配上不同波长(颜色)的荧光胶，确实可以激发出不同颜色的光线。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属在本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims

1.一种发光二极管，其特征在于，包含有：

一基板；

一成核层，设置在该基板上，且由Al_xGa_1-xN所形成，以解决晶格不匹配的现象，其中0＜x＜1；

一缓冲层，设置在该成核层上；

一n型接触层，设置在该缓冲层上，且电性连接在一n型电极，该n型接触层由n-Al_xGa_1-xN所形成，其中0＜x≤0.3；

一n型被覆层，设置在该n型接触层上，且由n-Al_xGa_1-xN所形成，其中0＜x≤0.3；

一发光层，设置在该n型被覆层上；

一p型阻障层，形成在该发光层上，以防止载流子溢流，该p型阻障层由p-Al_xGa_1-xN所形成，其中0＜x≤0.4；

一p型被覆层，是形成在该p型阻障层之上，以局限载流子，该p型被覆层是由p-Al_xGa_1-xN所形成，其中0＜x≤0.3；及

一p型接触层，位于该p型被覆层之上，且电性连接于一p型电极，该p型接触层由p-Al_xGa_1-xN所形成，其中0＜x≤0.15；

其中，当在该n型电极与该p型电极施加一适当的顺向偏压时，即可激发该发光层产生波长为300-380纳米的光线输出。

2.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，该发光层选自由一In_yAl_xGa_1-x-yN/In_yAl_xGa_1-x-yN量子阱及一In_yAl_xGa_1-x-yN/In_yAl_xGa_1-x-yN量子点所成组合之一，其中0＜x≤0.3，且0＜y≤0.2。

3.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，该基板选自由蓝宝石基板、硅基板、碳化硅基板、氮化镓基板、氮化铝基板、氮化铝镓基板及氧化锌基板所成组合之一。

4.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，该缓冲层由未掺杂的Al_xGa_1-xN所形成，其中0＜x≤0.3。

5.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，该缓冲层由n-Al_xGa_1-xN所形成，其中0＜x≤0.3。

6.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，该p型接触层上还包含有一InGaN量子阱/量子点受激发光层，以通过紫外光激发该InGaN量子阱/量子点受激发光层，而产生不同颜色的光线。

7.一种利用一发光二极管芯片所发出的紫外光以激发任意可见光发光二极管的结构，其特征在于，包含有：

一第一基板；

一个以上的发光二极管芯片，设置在该基板上，由该发光二极管芯片的一出射面发射出一光线，该发光二极管芯片包括有：

一第二基板；

一缓冲层，设置在该成核层上；

一发光层，设置在该n型被覆层上；

一p型被覆层，形成在该p型阻障层之上，以局限载流子，该p型被覆层由p-Al_xGa_1-xN所形成，其中0＜x≤0.3；及

一p型接触层，位于该p型被覆层之上，且电性连接在一p型电极，该p型接触层由p-Al_xGa_1-xN所形成，其中0＜x≤0.15；当在该n型电极与该p型电极施加一适当的顺向偏压时，即可激发该发光层产生波长为300-380纳米的光线输出；

一荧光胶，由一荧光粉与一树脂混合而成，并涂布在该发光二极管芯片的外围，当该发光二极管芯片发出的该光线穿过该荧光胶时，该光线会激发该荧光粉发出一荧光；及

一全方位反射片，设置在该荧光胶相对于该第一基板的一侧，当该发光二极管芯片发出的该光线穿过该荧光胶时，该光线会激发该荧光粉发出荧光，而该全方位反射片会限制该光线在该荧光胶内，使其在该荧光胶中反复且多方向的反射，以提高该光线的转换效能。

8.根据权利要求7所述的利用一发光二极管芯片所发出的紫外光以激发任意可见光发光二极管的结构，其特征在于，该第一基板上还包含有一可全方位反射紫外光并穿透可见光的光子晶体镀膜。

9.根据权利要求7所述的利用一发光二极管芯片所发出的紫外光以激发任意可见光发光二极管的结构，其特征在于，该第一基板上还包含有一可全方位反射紫外光并穿透可见光的光学反射膜。

10.根据权利要求7所述的利用一发光二极管芯片所发出的紫外光以激发任意可见光发光二极管的结构，其特征在于，该发光层选自由一In_yAl_xGa_1-x-yN/In_yAl_xGa_1-x-yN量子阱及一In_yAl_xGa_1-x-yN/In_yAl_xGa_1-x-yN量子点所成组合之一，其中0＜x≤0.3，且0＜y≤0.2。

11.根据权利要求7所述的利用一发光二极管芯片所发出的紫外光以激发任意可见光发光二极管的结构，其特征在于，该第二基板选自由蓝宝石基板、硅基板、碳化硅基板、氮化镓基板、氮化铝基板、氮化铝镓基板及氧化锌基板所成组合之一。

12.根据权利要求7所述的利用一发光二极管芯片所发出的紫外光以激发任意可见光发光二极管的结构，其特征在于，该缓冲层由未掺杂的Al_xGa_1-xN所形成，其中0＜x≤0.3。

13.根据权利要求7所述的利用一发光二极管芯片所发出的紫外光以激发任意可见光发光二极管的结构，其特征在于，该缓冲层由n-Al_xGa_1-xN所形成，其中0＜x≤0.3。

14.根据权利要求7所述的利用一发光二极管芯片所发出的紫外光以激发任意可见光发光二极管的结构，其特征在于，该p型接触层上更包含有一InGaN量子阱/量子点受激发光层，以通过紫外光激发该InGaN量子阱/量子点受激发光层，而产生不同颜色的光线。

15.根据权利要求7所述的利用一发光二极管芯片所发出的紫外光以激发任意可见光发光二极管的结构，其特征在于，该发光二极管芯片为一紫外光发光二极管芯片，并可搭配不同颜色的该荧光胶，以激发出不同颜色的该光线。

16.根据权利要求7所述的利用一发光二极管芯片所发出的紫外光以激发任意可见光发光二极管的结构，其特征在于，该发光二极管芯片为一蓝光发光二极管芯片，而该荧光胶为黄光荧光胶，以激发出白光。

17.根据权利要求7所述的利用一发光二极管芯片所发出的紫外光以激发任意可见光发光二极管的结构，其特征在于，该发光二极管芯片为一蓝光发光二极管芯片，而该荧光胶为红光荧光胶，以激发出红光。

18.根据权利要求7所述的利用一发光二极管芯片所发出的紫外光以激发任意可见光发光二极管的结构，其特征在于，该发光二极管芯片为一蓝光发光二极管芯片，而该荧光胶为绿光荧光胶，以激发出绿光。