CN101740672B - 光电元件、背光模块装置和照明装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光电元件、背光模块装置和照明装置。该光电元件包括第一发光结构，可发出第一波长光；以及第二发光结构，可发出第二波长光。其中第一发光结构为纳米柱结构，并具有第一有源层，且第一有源层可吸收第二波长光，而产生第一波长光。

Description

光电元件、背光模块装置和照明装置

技术领域

本发明涉及光电元件，尤其是涉及一种具有纳米柱结构的发光二极管元件。

背景技术

发光二极管元件(Light-emitting Diode，LED)，具有体积小、寿命长、驱动电压低、耗电量低、反应速度快、耐震性佳等优点，所以被广泛应用于如背光模块，照明装置等领域之中。

同时，发光二极管在具有光电转换特性的固态元件里，也是一个相当重要的技术领域。其结构是由有源层(active layer)，被两种不同电性的覆盖层(p-type & n-type cladding layers)所包夹而成。当于上述两覆盖层上方的接触电极施加驱动电流时，两覆盖层的电子与空穴会注入有源层，在有源层中复合而放出光线，其光线具全向性，会通过此发光二极管元件的各个表面而射出。通常，有源层可为单一量子阱结构(SQW)或多重量子阱结构(MQW)。与单一量子阱结构(SQW)相比，多重量子阱结构(MQW)通常具有较高的光电转换效率，且即使在电流很小时，它仍可以透过许多能障层及阱层堆叠而成的小能隙结构，将电流转换为光。

但是多重量子阱结构(MQW)的转换效率，很容易受到晶体品质(crystalquality)与压电场(piezoelectric field)的影响。例如在氮化镓系列的发光二极管中，为了获得波长较长的光时，需要增加量子阱内的铟含量，容易增加压电场效应，产生更多的晶格缺陷，破坏整体的晶体品质，而使得发光二极管的发光效率大幅下降。

发明内容

本发明提供一种可提高发光效率的光电元件，包括第一发光结构，可发出第一波长光；以及第二发光结构，可发出第二波长光。其中第一发光结构为纳米柱结构，并具有第一有源层，且第一有源层可吸收第二波长光，而产生第一波长光。

在本发明实施例中，第二发光结构具有第二有源层，第二有源层的能隙大于第一有源层的能隙。

在本发明实施例中，纳米柱结构包括透明绝缘体与多个纳米柱，第一有源层形成于多个纳米柱内，透明绝缘体填充于多个纳米柱之间。

在本发明实施例中，光电元件还包括基板，第一发光结构位于基板上，第二发光结构位于第一发光结构上。并且光电元件还可包括位于基板与第一发光结构之间的缓冲层。

在本发明实施例中，第二发光结构包括与第一发光结构相连的第一覆盖层、第二覆盖层及位于第一覆盖层与第二覆盖层之间的第二有源层。第二有源层的能隙可大于第一有源层的能隙。第一覆盖层、第二覆盖层、第一有源层及第二有源层可为氮化镓系列的半导体。

上述光电元件，第一发光结构具有纳米柱结构，且纳米柱结构中的第一有源层可吸收第二发光结构发出的光线而产生另一光线，由于纳米柱结构本身的特性，使得第一有源层具有较高的发光效率，因此易于提高光电元件的发光效率。

一种背光模块装置包含光源装置，由上述任意一实施例的光电元件所组成；光学装置，置于光源装置的出光路径上；以及电源供应系统，提供光源装置所需的电源。

一种照明装置包含光源装置，由上述任意一实施例的光电元件所组成；电源供应系统，提供光源装置所需的电源；以及控制元件，控制电源输入光源装置。

为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合所附图，作详细说明如下。

附图说明

图1为本发明第一实施例光电元件结构的示意图。

图2为本发明第二实施例光电元件结构的示意图。

图3为本发明第三实施例光电元件结构的示意图。

图4为本发明第四实施例光电元件结构的示意图。

图5为本发明第五实施例光电元件结构的示意图。

图6为本发明实施例的背光模块结构。

图7为本发明实施例的照明装置结构。

附图标记说明

10、20、30、40、50、611、711：光电元件

11、51：基板

12、22、32、42、52：第一发光结构

122、222、322、422、522：第一有源层

324：透明绝缘体

13、53：缓冲层

14、24、34、34、44、54：第二发光结构

142、242、442：n型覆盖层

144、244：第二有源层

146、246、446：p型覆盖层

444：第二纳米柱结构       4442：第一端部

4444：有源部              4446：第二端部

521：外部                 523：中心部

600：背光模块装置         610、710：光源装置

620：光学装置             630、720：电源供应系统

700：照明装置             730：控制元件

具体实施方式

图1为本发明第一实施例的光电元件结构的示意图。如图所示，光电元件10为发光二极管(LED)结构，包括第一发光结构12与第二发光结构14。第一发光结构12可发出第一波长光；第二发光结构14可发出第二波长光。其中第一发光结构12为纳米柱结构，且具有第一有源层122，可吸收由第二发光结构14所产生的第二波长光，而产生第一波长光。再者，第一发光结构12也可以包含多个有源层，同时被第二发光结构14所产生的第二波长光所激发，而产生多个波长不同的光，并进行混光。例如，第二波长光为短波长光，可以激发第一发光结构12的红色、绿色及蓝色波长的三个有源层，混光后产生白光。

具体于本实施例中，光电元件10还具有基板11及缓冲层13；其中缓冲层13、第一发光结构12及第二发光结构14依次位于基板11上方。再者，第二发光结构14包括n型覆盖层142、第二有源层144以及p型覆盖层146，其中n型覆盖层142与第一发光结构12相连，第二有源层144及p型覆盖层146依次位于n型覆盖层142的上方；其中第二发光结构14的第二有源层144可为量子阱结构，且n型覆盖层142、第二有源层144及p型覆盖层146可为氮化镓系列的半导体，例如n型覆盖层142的材料为n型氮化镓，p型覆盖层146的材料为p型氮化镓，第二有源层144为氮化铟镓的量子阱。

第一发光结构12的纳米柱结构中含有多个纳米柱。纳米柱两端分别与缓冲层13及n型覆盖层142相接。为增加界面相容性，纳米柱两端的材料可分别为与缓冲层13及n型覆盖层142相近的材料，具体在本实施例中，纳米柱两端的材料分别为氮化镓。每一纳米柱的轴向中部位置均形成有有源部，有源部可为氮化铟镓量子阱。第一有源层122即由多个纳米柱中的有源部所一起构成。第一有源层122的能隙可小于第二有源层144的能隙，即第二有源层144所产生的第二波长光的波长可较第一有源层122所产生的第一波长光的波长短，例如第二有源层144产生蓝光、第一有源层122产生绿光。具体在本实施例中，为使第二有源层144所产生的第二波长光的波长较第一有源层122所产生的第一波长光的波长短，可使第二有源层144中铟的浓度小于第一有源层122中铟的浓度。此外，基板11的材料可为蓝宝石、氮化镓、氮化铝、氮化铝镓或碳化硅。

上述光电元件10的第一发光结构12具有纳米柱结构，其中第一有源层122可吸收第二发光结构14发出的第二波长光而产生第一波长光，由于纳米柱结构具有应力松弛(stress relaxation)与提高侧面的表面积等特点，因此可使得第一有源层122的压电场减弱、缺陷减少、光萃取效率提升(lightextraction efficiency)，使第一有源层122具有较高的发光效率，进而提高光电元件10的发光效率。再者，由于第一有源层122的能隙小于第二有源层144的能隙，所以利用第二有源层144较高的发光效率与第一有源层122中纳米柱结构的优越光取出特性，可以将第二有源层144的短波长光高效率的转化为第一有源层122的较长波长的光，从而提高较长波长光的发光效率。具体在本实施例中，第二有源层144的铟浓度较低，因此容易减少/避免第二有源层144受压电场影响，而以较高效率产生波长较短的光线；第一有源层122虽然铟的浓度较高，但其利用纳米柱结构与光致发光的方式，将来自第二有源层144的短波长光转化为长波长光，因此仍能具有较高出光效率，从而提高光电元件10的较长波长光的出光效率。

上述光电元件10的制备方法可先在基板11上进行第一次外延，以氮化镓系列的半导体为例，第一次外延过程为先在基板11上沉积第一氮化镓层，再沉积氮化铟镓量子阱层，接着沉积另一氮化镓层，从而形成第一外延层。然后用反应离子蚀刻(Reactive ion etching，RIE)工艺将第一外延层垂直蚀刻至与基板11相接触的第一氮化镓层中，其中第一氮化镓层未蚀刻而保留的部分可构成缓冲层13；被蚀刻处则形成多个随机分布的纳米柱，从而形成纳米柱结构以构成第一发光结构12。接着，在第一发光结构12上继续进行第二次外延，以形成第二发光结构14，从而完成光电元件10的制备。光电元件10的另一制备方法是在基板11上先沉积形成缓冲层13；然后再于缓冲层13上的部分区域定向生长纳米柱，而形成纳米柱结构以构成第一发光结构12；接着在第一发光结构12上继续进行外延，以形成第二发光结构14，从而完成光电元件10的制备。

请参阅图2，所示为本发明第二实施例的光电元件结构。第二实施例的光电元件20与第一实施例的光电元件10相似，包括第一发光结构22与第二发光结构24；第一发光结构22为纳米柱结构，且具有第一有源层222；第二发光结构24包括n型覆盖层242，第二有源层244与p型覆盖层246。然而，在光电元件20中，第一有源层222与第二有源层244分别为多重量子阱结构。多重量子阱结构(MQW)具有较高的光输出能力，因此容易使光电元件20的发光效率进一步提高。本实施例光电元件20，其第一有源层222与第二有源层244，也可以是两者其中之一为多重量子阱结构。

请参阅图3，所示为本发明第三实施例的光电元件结构的示意图。第三实施例的光电元件30与第一实施例的光电元件10相似，包括第一发光结构32与第二发光结构34；第一发光结构32为纳米柱结构，具有多个纳米柱，且多个纳米柱内中具有第一有源层322。然而，在光电元件30中，第一发光结构32还包括填充于多个纳米柱之间的透明体324。透明体324，可保护纳米柱免受外部的影响。透明体324的材料可为旋涂玻璃(Spin-on-glass)、二氧化硅、环氧树脂或包含有荧光粉材料的材料。

请参阅图4，所示为本发明第四实施例的光电元件结构的示意图。第四实施例的光电元件40与第一实施例的光电元件10相似，包括第一发光结构42与第二发光结构44；第一发光结构42为纳米柱结构，且具有第一有源层422；第二发光结构44具有n型覆盖层442，p型覆盖层446。然而，在光电元件40中的第二发光结构44中，包夹在n型覆盖层442与p型覆盖层446之间另有一第二纳米柱结构444。第二纳米柱结构444包括第一端部4442、有源部4444及第二端部4446。第一端部4442与n型覆盖层442相连，第二端部4446与p型覆盖层446相连，有源部4444位于第一端部4442与第二端部4446之间。所有的有源部4444一起构成第二有源层。第一端部4442与第二端部4446的材料可分别为n型半导体与p型半导体，有源部4444可为量子阱。由于光电元件40的第二发光结构44采用纳米柱结构，因此更易于进一步提高光电元件40的发光效率。

请参阅图5，所示为本发明第五实施例的光电元件结构的示意图。第五实施例的光电元件50与第一实施例的光电元件10相似，包括第二发光结构54、第一发光结构52、缓冲层53与基板51；其中，第一发光结构52是由多个纳米柱所形成的纳米柱结构。每一个纳米柱包括外部521、有源部522与中心部523；且由每一个纳米柱的多个有源部522构成第一有源层。相较于第一实施例的光电元件10，本实施例将有源部形成于纳米柱的侧壁位置，可以增加有源部的面积，因而提升其效率并使第一有源层中所产生的光线更易于从侧面出光。此侧壁通常为非极性或半极性结晶面，使有源部中的压电场效应大幅降低因此增加发光效率。

综上所述，在本发明的光电元件，由于第一发光结构具有纳米柱结构，且纳米柱结构中的第一有源层可吸收第二发光结构发出的光线而产生另一光线，由于纳米柱结构本身的优异特性，使得第一有源层具有较高的发光效率，因此易于提高光电元件的发光效率。

请参阅图6，其显示本发明实施例的背光模块结构。其中背光模块装置600包含：由本发明上述任意实施例的光电元件611所构成的光源装置610；光学装置620置于光源装置610的出光路径上，将光做适当处理后出光；以及电源供应系统630，提供上述光源装置610所需的电源。

请参阅图7，其显示本发明实施例的照明装置结构。上述照明装置700可以是车灯、街灯、手电筒、路灯、指示灯等等。其中照明装置700包含：光源装置710，由本发明上述的任意实施例的光电元件711所构成；电源供应系统720，提供光源装置710所需的电源；以及控制元件730控制电源输入光源装置710。

虽然本发明已通过各实施例说明如上，然其并非用以限制本发明的范围。对于本发明所作的各种修饰与变更，例如，在光电元件10中将n型覆盖层142与p型覆盖层146的位置调换，或变更缓冲层13的组成省略基板11，亦或变更基板11的组成省略缓冲层13等，皆不脱离本发明的精神与范围。

Claims (10)

1.一种光电元件，包含：

第一发光结构，可发出第一波长光；以及

第二发光结构，可发出第二波长光；

其中该第一发光结构为纳米柱结构，并具有第一有源层，且该第一有源层可吸收该第二波长光，而产生该第一波长光。

2.如权利要求1所述的光电元件，其中该第二发光结构具有多重量子阱结构的第二有源层，该第二有源层的能隙大于该第一有源层的能隙。

3.如权利要求1所述的光电元件，其中该第二发光结构是由另一纳米柱结构所形成。

4.如权利要求1所述的光电元件，其中该纳米柱结构包括透明绝缘体与多个纳米柱，该第一有源层形成于该多个纳米柱内，该透明绝缘体填充于该多个纳米柱之间。

5.如权利要求1所述的光电元件，其中该第一波长光的波长大于该第二波长光的波长。

6.如权利要求1所述的光电元件，其中该纳米柱结构包含多个纳米柱，每一纳米柱的轴向中部位置形成有有源部，该第一有源层即由该多个有源部所构成。

7.如权利要求1所述的光电元件，其中该纳米柱结构包含多个纳米柱，每一纳米柱的侧壁形成有有源部，该第一有源层即由该多个有源部所构成。

8.如权利要求1所述的光电元件，其中该第一发光结构具有多个不同能隙的第一有源层。

9.一种背光模块装置，包含：

光源装置，由权利要求1～8所述的光电元件任选其一所组成；

光学装置，置于该光源装置的出光路径上；以及

电源供应系统，提供该光源装置所需的电源。

10.一种照明装置，包含：

光源装置，由权利要求1～8所述的光电元件任选其一所组成；

电源供应系统，提供该光源装置所需的电源；以及

控制元件，控制该电源输入该光源装置。

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