CN100401541C

CN100401541C - 一种量子点/量子阱发光二极管

Info

Publication number: CN100401541C
Application number: CNB2005100069760A
Authority: CN
Inventors: 王德忠; 卓昌正; 蔡敬恩; 赖志铭
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: 2008-07-09
Anticipated expiration: 2025-01-14
Also published as: CN1805159A

Abstract

本发明公开了一种量子点/量子阱发光二极管，于一基板的一侧制作一发光二极管，并于此基板的另一侧制作一第二发光层与一第三发光层，当施加一适当的顺向偏压于此发光二极管，使其第一发光层发出一第一光线时，即可通过此第一光线激发此第二发光层与第三发光层，而分别产生不同颜色的第二光线及第三光线输出，此第一光线、第二光线及第三光线经过混光后，即可产生所需颜色的光线输出。

Description

一种量子点/量子阱发光二极管

技术领域

本发明涉及一种发光二极管，特别是涉及一种免用荧光粉的量子点/量子阱发光二极管。

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，发光二极管仅须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电洞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、信息广告牌、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，因此仍未能普及，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于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(Color Temperature)。

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，其结构示意图请参考图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。

此白光发光二极管中主要包含有蓝光晶粒及荧光粉两大部分，然由于荧光粉的使用寿命不长，因此，会使得现有的发光二极管的使用寿命受限于荧光粉的使用寿命。此外，由于此发光二极管本身所发出的光线并不包含红色的光，因此，当它打在红色物体上时即无法发出红色的光线，而使得其演色性(ColorRendering Index)相当的差。

而为解决演色性不佳的问题，有人便提出利用红、蓝、绿三色各单一的发光二极管经过混光而产生白色发光光源。然而，由于各个波长的发光二极管并不位于同一面积之上，而是彼此分开一固定距离，因此，其同样具有演色性不佳的问题。

而目前较为先进的技术，利用二种发出不同波长的磊晶材料，经由晶片键合(Wafer bonding)或是晶片融合(Wafer fusion)的技术结合为一白色发光光源。然由于此光源的制作过程中加入了晶片键合的工艺，对于二芯片接口造成的吸收将会减少其发光效率，间接提高其技术及成本的门坎，且也会增加工艺的困难度及降低产品的良率。

因此，如何研发出一种可不需使用荧光粉，且同时具有高演色性、较长的使用寿命、低成本等特性的发光二极管，实为亟待解决的一大难题。

发明内容

鉴于以上的问题，本发明的主要目的在于提供一种量子点/量子阱发光二极管，于一基板的一侧制作一发光二极管，而在此基板的另一侧制作一第二发光层与一第三发光层，当施加一适当的顺向偏压于此发光二极管中的n型掺杂氮化层与p型掺杂氮化层，使其发光层发出一第一光线，并通过此第一光线激发此第二发光层与第三发光层，使其分别产生不同颜色的第二光线及第三光线输出，而此第一光线、第二光线及第三光线经过混光后，即可产生所需颜色的光线输出。

使用者可依据使用上不同的需求，而更换此发光二极管中的发光层、第二发光层及第三发光层的组成材料，使其发出不同颜色的光线，通过调整不同颜色、不同比例的光线组合，以混合成所需颜色的光线输出。

由于本发明的量子点/量子阱发光二极管利用再回收光子反应而使第二发光层及第三发光层激发出不同颜色的光线，因此，其使用寿命并不会受限于荧光粉的使用寿命，所以，其使用寿命会比现有的含有荧光粉的白光发光二极管还要长。

此外，由于其发光层的结构利用磊晶的方式制作于一基板上，因此，其体积相对于现有技术中需利用三个R/G/B发光二极管来混光的白光光源而言，不论是其本身的体积或是所占的面积皆可大幅降低。

且本发明的量子点/量子阱发光二极管于同一面积上发出三种不同波长(红、蓝、绿)的光线，因此，相对于现有利用各自独立的发光二极管进行混色的发光源而言，此发光二极管具有较佳的演色性。

此外，由于本发明利用磊晶的方式一层一层地成长所需的薄膜结构，因此，不需像现有技术一样需将二种发出不同波长的磊晶材料经由晶片键合技术结合为一白色发光光源，因此，并不会有现有技术中发光效率减低的困扰，且也不会有因晶片黏合所导致的可靠度的问题。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为现有的无机白光发光二极管的架构示意图；

图2为再回收光子反应的示意图；

图3A为本发明的量子点/量子阱发光二极管第一实施例的结构示意图；

图3B为本发明的量子点/量子阱发光二极管第二实施例的结构示意图；

图4A为本发明的量子点/量子阱发光二极管第三实施例的结构示意图；及

图4B为本发明的量子点/量子阱发光二极管第四实施例的结构示意图。

其中，附图标记：

10 蓝光晶粒

20 乙铝石榴石荧光粉

30 基础光源

40 第二发光材料

50 第三发光材料

60 基板

61 第一表面

62 第二表面

70 发光二极管结构

71 n型掺杂氮化层

711 n型电极

72 第一发光层

73 p型掺杂氮化层

731 p型电极

80 第二发光层

90 间隔层

100 第三发光层

具体实施方式

请参考图2所示，本发明的量子点/量子阱发光二极管利用再回收光子反应，将一基础光源30所发出的部份光线分别用以激发一第二发光材料40及一第三发光材料50(此第二发光材料40及第三发光材料50可吸收基础光源30波段的能量，以发出不同颜色的光线)，当然，由第二发光材料40所发出的部份光线也可用以激发此第三发光材料50，而此基础光源30、第二发光材料40及第三发光材料50所发出的三种颜色的光线经过混光后，即可产生所需颜色的光线输出。

请参考图3A所示，为本发明的量子点/量子阱发光二极管第一实施例的结构示意图。此量子点/量子阱发光二极管主要包含有：一基板60、一发光二极管结构70、一第二发光层80、一间隔层90及一第三发光层100。

此基板60包括有一第一表面61及一第二表面62。而此基板60需选用适合磊晶的材料，例如：蓝宝石基板(Sapphire)、硅(Si)基板、碳化硅(SiC)基板、三氧化二铝(Al2O3)基板、氮化镓(GaN)基板、氮化铝(AlN)基板、砷化镓(GaAs)基板及氧化锌(ZnO)基板等化合物，并且经过抛光处理而成，以作为磊晶之用。

此蓝光发光二极管结构70成长于基板60下方的第一表面61上，其主要包括有一n型掺杂氮化层71、一p型掺杂氮化层73，及夹置于n型掺杂氮化层71与p型掺杂氮化层73之间的第一发光层72。此第一发光层72的材料为以含铟或铝的氮化物为基础，而其结构为一可局限载子的量子阱/量子点。

而此n型掺杂氮化层71与p型掺杂氮化层73上分别形成有一n型电极711与一p型电极731，此n型电极711与p型电极731形成于n型掺杂氮化层71与p型掺杂氮化层73的部分表面上。当使用时，利用此n型电极711与p型电极731，以施加一适当的顺向偏压于此n型掺杂氮化层71与p型掺杂氮化层73，即可激发此第一发光层72发出蓝光。

此第二发光层80形成于基板60的第二表面62上，其组成材料以氮化物为基础，而其结构为可局限载子的量子点/量子阱层。此第二发光层80可吸收第一发光层72所发出的蓝光，而发出绿光。

此间隔层90形成于第二发光层80之上，其组成材料同样以氮化物为基础，其目的是用以分隔第二发光层80与第三发光层100。

此第三发光层100形成于间隔层90之上，其组成材料也是以氮化物为基础，而其结构为可局限载子的量子点/量子阱层。此第三发光层100可吸收第一发光层72所发出的蓝光及第二发光层80所发出的绿光，而发出红光。

当通过此n型电极711与p型电极731，而施加一适当的顺向偏压于此n型掺杂氮化层71与p型掺杂氮化层73时，即可激发其中的第一发光层72产生一第一光线输出，此第一光线即为蓝光。而此第一光线中的部分光线会直接输出，而其它部份的光线则用以分别激发此第二发光层80及第三发光层100，当第二发光层80的量子点/量子阱层吸收此蓝光后，会产生一第二光线，此第二光线即为绿光；而此第三发光层100的量子点/量子阱层吸收此由第一发光层72所产生的部份蓝光及第二发光层80所产生的部份绿光后，则会产生一第三光线，此第三光线即为红光；如此一来，通过第一光线(蓝光)、第二光线(绿光)及第三光线(红光)的混光效果，即可产生所需的白光输出，而此n型电极711与p型电极731可用以反射此第一光线、第二光线与第三光线。

当然，使用者可依据使用上不同的需求，而更换此第一发光层72、第二发光层80及第三发光层100的组成材料，使其发出不同颜色的光线，通过调整不同颜色、不同比例的光线组合，以混合成所需颜色的光线输出。

请参考图3B所示，为本发明的量子点/量子阱发光二极管第一实施例的结构示意图，此第二实施例的架构大致上是与第一实施例雷同，仅省略其中之间隔层90，也可达到相同的发光效果。

请参考图4A所示，为本发明的量子点/量子阱发光二极管第三实施例的结构示意图，此第三实施例的架构大致上是与第一实施例雷同，不过其蓝光发光二极管结构70的结构是与第一实施例中相反而已，在上述的第一实施例中，其发光二极管结构70的制作方式依序在基板60的第一表面61上形成n型掺杂氮化层71、第一发光层72与p型掺杂氮化层73。而在此第二实施例中，其发光二极管结构70的制作方式则是依序在基板60的第一表面61上形成p型掺杂氮化层73、第一发光层72与n型掺杂氮化层71，此发光二极管结构70的结构同样用以发出激发此第二发光层80及第三发光层100的第一光线，此第一光线即为蓝光。

此第一光线中的部分光线会直接输出，而其它部份的光线则用以分别激发此第二发光层80及第三发光层100，当第二发光层80的量子点/量子阱层吸收此蓝光后，会产生一第二光线，此第二光线即为绿光；而此第三发光层100的量子点/量子阱层吸收此由第一发光层72所产生的部份蓝光及第二发光层80所产生的部份绿光后，则会产生一第三光线，此第三光线即为红光；如此一来，通过第一光线(蓝光)、第二光线(绿光)及第三光线(红光)的混光效果，即可产生所需的白光输出。

请参考图4B所示，为本发明的量子点/量子阱发光二极管第四实施例的结构示意图，此第四实施例的架构大致上是与第三实施例雷同，此发光二极管的结构同样是省略其中的间隔层90，也可达到相同的发光效果。

当然，本发明还可有其他多种实施例，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于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims

1.一种量子点/量子阱发光二极管，其特征在于：

一基板，该基板包括有一第一表面及一第二表面；

一发光二极管结构，设置于该基板的第一表面上，该发光二极管结构包括有一n型掺杂氮化层、一p型掺杂氮化层及夹置于二该氮化层间的一第一发光层；

一第二发光层，位于该第二表面之上；及

一第三发光层，位于该第二发光层之上；

其中，所述第一发光层、第二发光层、第三发光层的结构均为可局限载子的量子阱/量子点，当于该n型掺杂氮化层与该p型掺杂氮化层施加一适当的顺向偏压时，即可激发该第一发光层产生一第一光线输出，而该第一光线中的部分光线用以分别激发该第二发光层及该第三发光层，以产生一第二光线及一第三光线输出，该第二光线也可用以激发该第三发光层，通过该第一光线、该第二光线及该第三光线的混合，以产生所需颜色的光线输出。

2.根据权利要求1所述的量子点/量子阱发光二极管，其特征在于，还包含有一间隔层，夹置于该第二发光层与该第三发光层之间。

3.根据权利要求1所述的量子点/量子阱发光二极管，其特征在于，还包含有一n型电极与一p型电极，该n型电极连接于该n型掺杂氮化层，该p型电极连接于该p型掺杂氮化层，通过施加电压于该n型电极与该p型电极，以施加一适当的顺向偏压于该n型掺杂氮化层与该p型掺杂氮化层。

4.根据权利要求3所述的量子点/量子阱发光二极管，其特征在于，该n型电极与该p型电极分别形成于该n型掺杂氮化层与该p型掺杂氮化层的部分表面上，且可用以反射该第一光线、该第二光线与该第三光线。

5.根据权利要求1所述的量子点/量子阱发光二极管，其特征在于，该n型掺杂氮化层形成于该基板的该第一表面上。

6.根据权利要求1所述的量子点/量子阱发光二极管，其特征在于，该p型掺杂氮化层形成于该基板的该第一发光层之上。

7.根据权利要求1所述的量子点/量子阱发光二极管，其特征在于，该基板选自由蓝宝石基板、硅基板、碳化硅基板、三氧化二铝基板、氮化镓基板、氮化铝基板、砷化镓基板及氧化锌基板所成组合之一，而且该基板的该第一表面和该第二表面须为镜面。

8.根据权利要求1所述的量子点/量子阱发光二极管，其特征在于，该第一发光层的材料为以含铟氮化物为基础。

9.根据权利要求1所述的量子点/量子阱发光二极管，其特征在于，该第二发光层及该第三发光层的材料为以氮化物为基础。

10.根据权利要求1所述的量子点/量子阱发光二极管，其特征在于，该第一光线的波长属于蓝光的波长范围。

11.根据权利要求1所述的量子点/量子阱发光二极管，其特征在于，该第二光线及该第三光线的波长分别属于绿光及红光的波长范围。

12.一种量子点/量子阱发光二极管，其特征在于，其包含有：

一基板；

一第二发光层，位于该发光二极管结构上，与所述p型掺杂氮化层相邻；

一间隔层，位于该第二发光层之上；及

一第三发光层，位于该间隔层之上；

13.根据权利要求12所述的量子点/量子阱发光二极管，其特征在于，还包含有一n型电极与一p型电极，该n型电极连接于该n型掺杂氮化层，该p型电极连接于该p型掺杂氮化层，通过施加电压于该n型电极与该p型电极，以施加一适当的顺向偏压于该n型掺杂氮化层与该p型掺杂氮化层。

14.根据权利要求12所述的量子点/量子阱发光二极管，其特征在于，该n型掺杂氮化层形成于该基板之上。

15.根据权利要求12所述的量子点/量子阱发光二极管，其特征在于，该p型掺杂氮化层形成于该第一发光层之上。

16.根据权利要求12所述的量子点/量子阱发光二极管，其特征在于，该基板选自由蓝宝石基板、硅基板、碳化硅基板、三氧化二铝基板、氮化镓基板、氮化铝基板、砷化镓基板及氧化锌基板所成组合之一。

17.根据权利要求12所述的量子点/量子阱发光二极管，其特征在于，该第一发光层的材料为以含铟氮化物为基础。

18.根据权利要求12所述的量子点/量子阱发光二极管，其特征在于，该第二发光层及该第三发光层的材料为以氮化物为基础。

19.根据权利要求12所述的量子点/量子阱发光二极管，其特征在于，该第一光线的波长属于蓝光的波长范围。

20.根据权利要求12所述的量子点/量子阱发光二极管，其特征在于，该第二光线及该第三光线的波长分别属于绿光及红光的波长范围。