CN100454594C

CN100454594C - 发光二极管元件及其驱动方法

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Publication number: CN100454594C
Application number: CNB2005100901598A
Authority: CN
Inventors: 陈铭胜; 武良文; 简奉任
Original assignee: Formosa Epitaxy Inc
Current assignee: Epistar Corp
Priority date: 2005-08-11
Filing date: 2005-08-11
Publication date: 2009-01-21
Anticipated expiration: 2025-08-11
Also published as: CN1913180A

Abstract

一种发光二极管元件，包括基板、第一发光单元、第二发光单元、第一电极对以及第二电极对。其中，第一发光单元设置于基板上，且第二发光单元设置于第一发光单元上。第一电极对设置于第一发光单元上，且与第一发光单元电连接。第二电极对设置于第二发光单元上，且与第二发光单元电连接。上述发光二极管元件适于通过交流驱动信号来驱动，以使第一发光单元及第二发光单元交替发光，进而获得适当色温的白光。

Description

发光二极管元件及其驱动方法

技术领域

本发明涉及一种发光二极管元件及其驱动方法，且特别涉及一种白光发光二极管元件及其驱动方法。

背景技术

发光二极管(Light Emitting Diode，LED)属于半导体元件，其发光芯片的材料一般可使用III-V族化学元素，如：磷化镓(GaP)、砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)等化合物半导体。利用对这些化合物半导体施加电流，通过电子-空穴对的结合，可将电能转为光能，而以特定波段的光波释出，达到发光的效果。由于发光二极管的发光现象是属于冷性发光，而非通过加热发光，因此发光二极管的寿命可长达十万小时以上，且无须暖灯时间(idling time)。此外，发光二极管具有反应速度快(约为10^-9秒)、体积小、用电省、污染低(不含水银)、可靠度高、适合批量生产等优点，因此其所能应用的领域十分广泛，如扫描仪的灯源、液晶屏幕的背光源，或是照明设备等等。另外，发光二极管也可产生白光光源，此原理乃利用不同波段的光波加以混光而得到白光光源。由于发光二极管具有上述优点，因此如何制造出白光的发光二极管元件，用以取代传统的日光灯与白炽灯泡，乃成为如今一个非常重要的研发课题。

目前公知的白光发光二极管元件主要是利用蓝光发光二极管芯片搭配上黄色荧光粉所构成，当发光二极管元件中的黄色荧光粉受到蓝光发光二极管芯片所发出的蓝光激发后，会产生黄光，而蓝光与黄光混合后即可获得白光。由于上述技术是采用蓝光发光二极管芯片搭配黄色荧光粉，因此所混成的白光会有显色性不佳的问题。除了上述的白光产生机制外，白光发光二极管元件也可由紫外光发光二极管芯片搭配红色、绿色及蓝色荧光粉所组成，当红色、绿色及蓝色荧光粉被紫外光发光二极管芯片所发出的紫外光激发后，会发出红光、绿光及蓝光，而红光、绿光及蓝光混合后即可获得白光。然而，由于目前仍无法有效提升紫外光发光二极管芯片的发光强度，使得此搭配设计难以实行。

为了避免上述显色性不佳、发光强度不足等问题，另一种直接使用红光、绿光以及蓝光发光二极管芯片以混成白光的技术已被提出。由于上述结构必须使用到三个发光二极管芯片，因此其成本大幅提高。此外，用以同时驱动三个发光二极管芯片的电路设计较为复杂，使得上述结构在推广及制造上均面临障碍。

发明内容

鉴于上述情况，本发明的目的就是在提供一种具有至少两个发光单元的发光二极管元件。

本发明的另一目的是提供一种发光二极管元件的驱动方法，其通过提供正极性及负极性驱动信号至发光二极管元件中的多个发光单元，以使各发光单元交替发光。

基于上述或其它目的，本发明提出一种发光二极管元件，包括基板、第一发光单元、第二发光单元、第一电极对以及第二电极对。其中，第一发光单元设置于基板上，且第二发光单元设置于第一发光单元上。第一电极对设置于第一发光单元上，且与第一发光单元电连接。第二电极对设置于第二发光单元上，且与第二发光单元电连接。

在本发明之一实施例中，基板的材质例如包括氧化铝(Sapphire)、碳化硅(6H-SiC或4H-SiC)、Si、ZnO、GaAs或尖晶石(MgAl₂O₄)。

在本发明之一实施例中，第一发光单元包括第一半导体层、第一主动层以及第二半导体层。其中，第一主动层设置于第一半导体层上，且第二半导体层设置于第一主动层上。在本实施例中，第一半导体层与第二半导体层的掺杂型态不同。另外，第一半导体层包括缓冲层、第一接触层以及第一被覆层。其中，缓冲层设置于基板上，且第一接触层设置于缓冲层上，而第一被覆层设置于第一接触层上。此外，第二半导体层包括第二被覆层以及第二接触层。其中，第二被覆层设置于第一主动层上，且第二接触层设置于第二被覆层上。

在本发明之一实施例中，第二发光单元包括第三半导体层、第二主动层以及第四半导体层。其中，第二主动层设置于第三半导体层上，而第四半导体层设置于第二主动层上，且第三半导体层与第四半导体层的掺杂型态不同。

在本发明之一实施例中，第三半导体层包括第三接触层以及第三被覆层。其中，第三接触层设置于第一发光单元上，且第三被覆层设置于第三接触层上。此外，第四半导体层包括第四被覆层以及第四接触层。其中，第四被覆层设置于第二主动层上，且第四接触层设置于第四被覆层上。

在本发明之一实施例中，第一电极对例如包括第一正电极以及第一负电极。其中，第一正电极与第一负电极电绝缘。此外，发光二极管元件还可进一步包括第一透明导电层。其中，第一透明导电层设置于第一发光单元上，并与第一正电极电连接。

在本发明之一实施例中，第二电极对例如包括第二正电极以及第二负电极。其中，第二正电极与第二负电极电绝缘。此外，发光二极管元件还可进一步包括第二透明导电层。其中，第二透明导电层设置于第二发光单元上，并与第二正电极电连接。

本发明另提出一种发光二极管元件的驱动方法，适于驱动发光二极管元件。其中，发光二极管元件具有至少一个第一发光单元与至少一个第二发光单元，且第一发光单元与第二发光单元反向并联。而发光二极管元件的驱动方法包括：提供驱动信号至发光二极管元件，由于驱动信号具有多个正极性驱动信号以及多个负极性驱动信号，故可使第一发光单元与第二发光单元交替地发出第一光线以及第二光线。

在本发明之一实施例中，发出第一光线与发出第二光线的间隔时间例如小于1/30秒。

在本发明之一实施例中，正极性驱动信号与负极性驱动信号的持续时间以及振幅可为相同，也可为不同。如此可以调整第一光线与第二光线的持续时间以及发光强度，以达成最佳的混光状态。

上述之发光二极管元件及其驱动方法中，主要是通过这些(两个以上)发光单元交替发出不同波长的光线，以获得特定的色光。

为让本发明之上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1A所示为依照本发明一实施例发光二极管元件的剖面示意图。

图1B所示为图1A的发光二极管元件的一种接线方式及其等效电路。

图2所示为依照本发明一实施例发光二极管元件的驱动方法示意图。

图3所示为图2中驱动信号的较佳实施例。

主要元件标记说明

100：发光二极管元件

110：基板

120：第一发光单元

122：第一半导体层

122a：缓冲层

122b：第一接触层

122c：第一被覆层

124：第一主动层

126：第二半导体层

126a：第二被覆层

126b：第二接触层

130：第二发光单元

132：第三半导体层

132a：第三接触层

132b：第三被覆层

134：第二主动层

136：第四半导体层

136a：第四被覆层

136b：第四接触层

140：第一电极对

142：第一正电极

144：第一负电极

150：第二电极对

152：第二正电极

154：第二负电极

160：第一透明导电层

170：第二透明导电层

210：发光二极管元件

212：第一发光单元

214：第二发光单元

220：驱动信号

220a：驱动信号

220b：驱动信号

具体实施方式

图1A所示为依照本发明一实施例发光二极管元件的剖面示意图。请参照图1A所示，本实施例的发光二极管元件100包括基板110、第一发光单元120、第二发光单元130、第一电极对140以及第二电极对150。其中，第一发光单元120设置于基板110上，且第二发光单元130设置于第一发光单元120上。第一电极对140设置于第一发光单元120上，且与第一发光单元120电连接。第二电极对150设置于第二发光单元130上，且与第二发光单元130电连接。第一发光单元120与第二发光单元130用以发出不同波段的光波。另外，第一电极对140与第二电极对150做为连接端之用，使驱动信号得以输入至第一发光单元120及第二发光单元130。在本发明之一实施例中，第一发光单元120例如是用以发出黄光，而第二发光单元130例如是用以发出蓝光，且黄光与蓝光经过混合之后便可成为具有适当色温的白光。然而，本发明并不限制第一发光单元120与第二发光单元130所发出的颜色，亦不限制发光单元的个数。举例而言，本发明可采用三个分别用以发出红光、绿光以及蓝光的发光单元，并采用三组电极对，以分别控制三种发光单元的发光情况。值得注意的是，本发明的混光机制并非限定必须产生白光，其它需要混光所产生的色光亦适用。

以下将分段详述发光二极管元件100中各个构件组成及其相对位置的关系。

基板110的材质例如包括氧化铝(Sapphire)、碳化硅(6H-SiC或4H-SiC)、硅(Si)、氧化锌(ZnO)、砷化镓(GaAs)、尖晶石(MgAl₂O₄)或其它类似材质。由图1A可知，第一发光单元120例如包括第一半导体层122、第一主动层124以及第二半导体层126，且第二发光单元130例如包括第三半导体层132、第二主动层134以及第四半导体层136。其中，第一主动层124与第二主动层134分别设置于第一半导体层122及第三半导体层132之上，且第二半导体层126与第四半导体层136分别设置于第一主动层124及第二主动层134之上。此外，第一电极对140例如包括第一正电极142以及第一负电极144，且第二电极对150例如包括第二正电极152以及第二负电极154。其中，第一正电极142与第一负电极144电绝缘，且第二正电极152与第二负电极154电绝缘。

当由第一正电极142及第一负电极144对第一发光单元120通以顺向电流时，电子及空穴会分别通过第一半导体层122及第二半导体层126传递至第一主动层124中结合，而以光线的型态释放能量。相同地，当由第二正电极152及第二负电极154对第二发光单元130通以顺向电流时，电子及空穴会分别通过第三半导体层132及第四半导体层136传递至第二主动层134中结合，而以光线的型态释放能量。其中，第一主动层124与第二主动层134例如由氮化铟镓(In_aGa_1-aN)所构成，通过不同比例的铟镓元素，可以使其发出不同波段的光波。此外，第一半导体层122与第二半导体层126的掺杂型态不同，且第三半导体层132与第四半导体层136的掺杂型态也不同。在本实施例中，第一半导体层122与第三半导体层132例如为n型半导体层，且第二半导体层126与第四半导体层136例如为p型半导体层。另外，第一正电极142与第二正电极152的材质例如为镍(Ni)、铂(Pt)、钴(Co)、钯(Pd)、铍(Be)、金(Au)、钛(Ti)、铬(Cr)、锡(Sn)、钽(Ta)、氮化钛(TiN)、氮化钛钨(TiWN_a)、硅化钨(WSi_a)或其它类似材料，且第一正电极142与第二正电极152例如以单层或多层的金属或合金型态所构成。第一负电极144与第二负电极154的材质例如为铝(Al)、铂(Pt)、钯(Pd)、钴(Co)、钼(Mo)、铍(Be)、金(Au)、钛(Ti)、铬(Cr)、锡(Sn)、钽(Ta)、氮化钛(TiN)、氮化钛钨(TiWN_a)、硅化钨(WSi_a)或其它类似材料，且第一负电极144与第二负电极154例如以单层或多层的金属或合金型态所构成。

由图1A可知，第一半导体层122例如包括缓冲层122a、第一接触层122b以及第一被覆层122c。第二半导体层126例如包括第二被覆层126a以及第二接触层126b。第三半导体层132例如包括第三接触层132a以及第三被覆层132b。第四半导体层136例如包括第四被覆层136a以及第四接触层136b。其中，缓冲层122a设置于基板110上，而第一接触层122b设置于缓冲层122a上，且第一被覆层122c设置于第一接触层122b上。第二被覆层126a设置于第一主动层124上，且第二接触层126b设置于第二被覆层126a上。第三接触层132a设置于第一发光单元120上，且第三被覆层132b设置于第三接触层132a上。第四被覆层136a设置于第二主动层134上，且第四接触层136b设置于第四被覆层136a上。

承上所述，缓冲层122a例如由氮化铝镓铟(Al_aGa_bIn_1-a-bN，0≤a，b＜1，a+b≤1)所构成。第一接触层122b及第三接触层132a可以为n型接触层，且第一被覆层122c及第三被覆层132b可以为n型被覆层。第二接触层126b及第四接触层136b可以为p型接触层，且第二被覆层126a及第四被覆层136a可以为p型被覆层。这些n型接触层、n型被覆层、p型接触层以及p型被覆层例如由氮化镓系材质所构成，并通过掺杂离子杂质种类及浓度不同而调整其特性。

在本实施例中，发光二极管元件100可进一步包括第一透明导电层160以及第二透明导电层170。其中，第一透明导电层160设置于第一发光单元120上，并与第一正电极142电连接。第二透明导电层170设置于第二发光单元130上，并与第二正电极152电连接。第一透明导电层160与第二透明导电层170可为金属导电层或为透明氧化层。其中，金属导电层的材质例如为镍(Ni)、铂(Pt)、钴(Co)、钯(Pd)、铍(Be)、金(Au)、钛(Ti)、铬(Cr)、锡(Sn)、钽(Ta)或其它类似材料，且金属导电层例如由单层或多层的金属或合金型态所构成。透明氧化层的材质例如为氧化铟锡(ITO)、CTO、ZnO:Al、ZnGa₂O₄、SnO₂:Sb、Ga₂O₃:Sn、AgInO₂:Sn、In₂O₃:Zn、CuAlO₂、LaCuOS、NiO、CuGaO₂或SrCu₂O₂，且透明氧化层例如由单层或多层薄膜型态所构成。

图1B所示为图1A的发光二极管元件的一种接线方式及其等效电路。请参阅图1B所示，将第一负电极144及第二正电极152分别连接到电源V₁，且将第一正电极142及第二负电极154分别连接到电源V₂。其中，电源V₁和电源V₂不是同相电源，且第一发光单元120及第二发光单元130可等同为二极管元件。因此，其等效电路可视为第一发光单元120与第二发光单元130反向并联，并连接到电源V₁及电源V₂。当电源V₁为高电压V_h1且电源V₂为低电压V₁₂时，则第二发光单元130处于顺向偏压而发光，且第一发光单元120处于逆向偏压而不发光。反之，当电源V₁为低电压V₁₁且电源V₂为高电压V_h2时，则第一发光单元120处于顺向偏压而发光，且第二发光单元130处于逆向偏压而不发光。若电源V₁与电源V₂的相位不断变化，则第一发光单元120及第二发光单元130便会不断地交替发光。

在本实施例中，发光二极管元件本身即具有两个发光单元以达成混成白光的效果，因此可以大幅减少成本(单一芯片结构)。此外，由于发光单元间的电路连接均已设计于发光二极管元件内，因此在应用上，只需设计连接外部电源的电路即可。

图2所示为依照本发明一实施例发光二极管元件的驱动方法示意图。请参照图2所示，本发明的发光二极管元件的驱动方法用于驱动发光二极管元件210。其中，发光二极管元件210具有第一发光单元212与第二发光单元214，且第一发光单元212与第二发光单元214反向并联。在本发明之一实施例中，第一发光单元212与第二发光单元214可形成于同一基板上，或形成于不同基板上。而发光二极管元件的驱动方法包括：提供驱动信号220至发光二极管元件210，由于驱动信号220具有多个正极性驱动信号(+)以及多个负极性驱动信号(-)，而使第一发光单元212与第二发光单元214交替地发出第一光线以及第二光线。

在本实施例中，发光二极管元件210具有两个连接端分别连接至电源V₁与电源V₂，而提供驱动信号220之一较佳方式例如为：将电源V₂接地，并将电源V₁输入交流电的电流源或电压源。如此，驱动信号220即为正极性驱动信号(+)以及负极性驱动信号(-)交替排列而组成。当发光二极管元件210接收正极性驱动信号(+)时，则第一发光单元212处于顺向偏压而发出第一光线，且第二发光单元214处于逆向偏压而不发光。当发光二极管元件210接收负极性驱动信号(-)时，则第二发光单元214处于顺向偏压而发第二光线，且第一发光单元212处于逆向偏压而不发光。因此，第一发光单元212与第二发光单元214得以依据此驱动信号220而交替地发出第一光线以及第二光线。

如上所述，当驱动信号220的正极性驱动信号(+)以及负极性驱动信号(-)的变化周期小于视觉暂留时间，亦即发出第一光线与发出第二光线的间隔时间小于特定时间时(例如是小于1/30秒时)，则会使人眼感受到由第一光线以及第二光线混色后的单一色光，而非实际的闪光。在本实施例中，第一光线例如为黄光，且第二光线例如为蓝光，则第一光线及第二光线即得以混成白光。

图3所示为图2中驱动信号的较佳实施例。请参照图3所示，将以驱动信号220a及驱动信号220b为较佳实施例作说明。在本实施例所使用的驱动信号中，正极性驱动信号(+)与负极性驱动信号(-)的持续时间可相同或不同，而正极性驱动信号(+)的振幅与负极性驱动信号(-)的振幅可相同或不同。

在驱动信号220a中，正极性驱动信号(+)的持续时间与负极性驱动信号(-)的持续时间不同，但正极性驱动信号(+)的振幅与负极性驱动信号(-)的振幅彼此相同，因此，驱动信号220a可以调整对应的发出第一光线与发出第二光线的持续时间，亦即可以调整其光亮度的比例，以达成最佳的混光状态。在驱动信号220b中，正极性驱动信号(+)的持续时间与负极性驱动信号(-)的持续时间相同，但正极性驱动信号(+)的振幅与负极性驱动信号(-)的振幅不同，如此，驱动信号220b可以调整对应的第一光线与第二光线的光亮度，亦即可以调整其光亮度的比例，以达成最佳的混光状态。然而，上述实施例非用以限定本发明，且本发明对于驱动信号的振幅、波形及频率均不作任何的限制。

综上所述，在本发明的发光二极管元件及其驱动方法中，由于在此发光二极管元件中设置至少两个发光单元以达成混成白光的效果，因此可以大幅减少成本。并且由于发光单元间的电路连接均已制造于发光二极管元件内，使得外部连接电路设计因此较为简单。此外，在发光二极管元件的驱动方法中，可以调整驱动信号的形式，以使发光二极管元件可以达成最佳的混光效果。

虽然本发明已以多个实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明之精神和范围内，当可作些许之更动与改进，因此本发明之保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims

1.一种发光二极管元件，其特征在于包括：

基板；

第一发光单元，设置于该基板上；

第二发光单元，设置于该第一发光单元上；

第一电极对，设置于该第一发光单元上，且与该第一发光单元电连接；以及

第二电极对，设置于该第二发光单元上，且与该第二发光单元电连接；

其中，该第一发光单元与该第二发光单元反向并联。

2.根据权利要求1所述的发光二极管元件，其特征在于该基板的材质包括氧化铝、碳化硅、硅、氧化锌、砷化镓或尖晶石。

3.根据权利要求1所述的发光二极管元件，其特征在于该第一发光单元包括：

第一半导体层；

第一主动层，设置于该第一半导体层之上；以及

第二半导体层，设置于该第一主动层之上，其中该第一半导体层与该第二半导体层的掺杂型态不同。

4.根据权利要求3所述的发光二极管元件，其特征在于该第一半导体层包括：

缓冲层，设置于该基板上；

第一接触层，设置于该缓冲层上；以及

第一被覆层，设置于该第一接触层上。

5.根据权利要求3所述的发光二极管元件，其特征在于该第二半导体层包括：

第二被覆层，设置于该第一主动层上；以及

第二接触层，设置于该第二被覆层上。

6.根据权利要求2所述的发光二极管元件，其特征在于该第二发光单元包括：

第三半导体层；

第二主动层，设置于该第三半导体层之上；以及

第四半导体层，设置于该第二主动层之上，其中该第三半导体层与该第四半导体层的掺杂型态不同。

7.根据权利要求6所述的发光二极管元件，其特征在于该第三半导体层包括：

第三接触层，设置于该第一发光单元上；以及

第三被覆层，设置于该第三接触层上。

8.根据权利要求6所述的发光二极管元件，其特征在于该第四半导体层包括：

第四被覆层，设置于该第二主动层上；以及

第四接触层，设置于该第四被覆层上。

9.根据权利要求1所述的发光二极管元件，其特征在于该第一电极对包括：

第一正电极；以及

第一负电极，与该第一正电极电绝缘。

10.根据权利要求9所述的发光二极管元件，其特征在于还包括第一透明导电层，设置于该第一发光单元上，其中该第一透明导电层与该第一正电极电连接。

11.根据权利要求1所述的发光二极管元件，其特征在于该第二电极对包括：

第二正电极；以及

第二负电极，与该第二正电极电绝缘。

12.根据权利要求11所述的发光二极管元件，其特征在于还包括第二透明导电层，设置于该第二发光单元上，其中该第二透明导电层与该第二正电极电连接

13.一种发光二极管元件的驱动方法，其特征在于适于驱动发光二极管元件，其中该发光二极管元件具有至少一个第一发光单元与至少一个第二发光单元，该第一发光单元，设置于一基板上，该第二发光单元，设置于该第一发光单元上，且该第一发光单元与该第二发光单元反向并联，而该发光二极管元件的驱动方法包括：

提供驱动信号至该发光二极管元件，以使该第一发光单元与该第二发光单元交替地发出第一光线以及第二光线，其中该驱动信号具有多个正极性驱动信号以及多个负极性驱动信号。

14.根据权利要求13所述的发光二极管元件的驱动方法，其特征在于发出该第一光线与发出该第二光线的间隔时间小于1/30秒。

15.根据权利要求13所述的发光二极管元件的驱动方法，其特征在于上述这些正极性驱动信号与上述这些负极性驱动信号的持续时间不同。

16.根据权利要求13所述的发光二极管元件的驱动方法，其特征在于上述这些正极性驱动信号的振幅与上述这些负极性驱动信号的振幅不同。