CN103022287A

CN103022287A - 多波长发光二极管芯片

Info

Publication number: CN103022287A
Application number: CN2012104591552A
Authority: CN
Inventors: 徐国伟; 叶俊逸; 丁逸圣; 郑惟纲; 潘锡明
Original assignee: Formosa Epitaxy Inc
Current assignee: Formosa Epitaxy Inc
Priority date: 2012-11-15
Filing date: 2012-11-15
Publication date: 2013-04-03

Abstract

本发明公开了一种多波长发光二极管芯片，通过其具有纳米等级的光致发光材料所组成的量子点层，使整体发光二极管芯片除了发光层之外，还能产生其余波长的光；通过调控量子点层中纳米晶体的颗粒大小，凭借着多波长光的优势，本发明在发光二极管芯片出光颜色的表现上将更具灵活性。

Description

多波长发光二极管芯片

技术领域

本发明涉及一种发光二极管芯片，尤其是指一种具有量子点层而能发出多波长光的多波长发光二极管芯片。

背景技术

由于近代石化能源逐渐匮乏，对节能产品需求日益扩大，因此发光二极管（LED）的技术有长足的进步。在石油价格不稳定的条件下，全球各个国家都积极地投入到节能产品的开发，并且由于全球各国政府禁用汞的环保政策，也驱使研究人员投入白光发光二极管的研发与应用。在全球环保风潮方兴未艾之际，被喻为绿色光源的发光二极管符合全球的主流趋势，例如将发光二极管应用于省电灯泡便是这一趋势下的产物。另外，随着发光二极管技术的进步，白光或其它颜色（例如：蓝光）发光二极管的应用也逐渐广泛。

发光二极管除了有耗电低、不含汞、寿命长、二氧化碳排放量低等优势外，还普遍应用于3C产品指示器与显示设备上；而且随着发光二极管生产良率的提高，单位制造成本也已大幅降低，因此发光二极管的需求持续增加。

综上所述，目前开发高亮度的发光二极管已成为各国厂商的研发重点，然而，如何将发光二极管的应用做进一步的提升，就是在改良上所应着重的焦点。

过去曾有提出过量子点的概念，量子点是将电子、空穴及激子（Exciton）在立体三维空间方向上束缚住的半导体纳米结构。这种束缚可以归纳为静电位在两种不同半导体材料的接口上的差异。另外，量子点本身具有分离的量子化能谱，这是因为块状半导体因晶体尺寸远大于激发子波尔半径，使电子空穴对得以在较远距离上自由分离，但如果晶体尺寸小于激发子波尔半径，例如量子点纳米晶粒体，那么电子空穴对只能局限在近距离，能阶不再是连续性。在这里，其产生的独特性质即为量子效应，也就是说，当量子点处的颗粒尺寸为纳米等级时，将会引起尺寸效应、量子局限效应、穿遂效应和表面效应，进而展现不同于宏观世界中的物理化学性质。

由上文所知，量子尺寸效应概略地来说，是通过控制量子点的形状、结构和尺寸，就可以调节其能量间隙、激子束缚能的大小以及激子的能量蓝光位移等电子状态。随着量子点尺寸的逐渐减小，量子点的光吸收谱将会出现蓝移现象，并且尺寸越小，光谱的蓝移现象也将越发显著。

在现有技术中，曾经有将量子点应用于发光二极管的封装，使量子点的纳米晶体散布于封装体中，通过这种方法提升发光效率及效果。然而，如何将量子点的特性在发光二极管领域做更深入的应用，即是所面临的课题。

所以本发明针对发光二极管芯片的结构做出特别设计，使发光二极管的芯片再利用量子点的特性后能进一步发挥更好的发光效率。

发明内容

本发明的主要目的，是提供一种多波长发光二极管芯片，其除了发光层所能发出的一波长的光之外，还可另通过半导体光致发光材料所构成的量子点层，进而再发出另一波长的光。

本发明的次要目的，是提供一种多波长发光二极管芯片，其结构上具有一量子点层，而且该量子点层中的纳米晶体大小可以影响出光颜色，因此仅需调整所使用的纳米晶体径粒大小，即可制做出可发出不同色光的发光二极管芯片。

本发明的另一目的，是提供一种多波长发光二极管芯片，其所具有的量子点层受到透明导电层或介电层的保护，可以稳定的维持出光效率。

本发明的再一目的，是提供一种多波长发光二极管芯片，其所具有的量子点层可为点状散布的部分覆盖，可获得更好的光混合效果。

为了达到上述的目的，本发明公开了一种多波长发光二极管芯片，其包括一第一半导体层；一发光层，设于该第一半导体层上；一第二半导体层，设于该发光层上；及一量子点层，设于该第二半导体层上；其中，该量子点层为一半导体光致发光材料，并可发出一光波长。

附图说明

图1是为本发明的一种较佳实施例的结构示意图；

图2是为本发明的一种较佳实施例的结构示意图；

图3是为本发明的一种较佳实施例的结构示意图；

图4是为本发明的一种较佳实施例的结构示意图；

图5是为本发明的一种较佳实施例的结构示意图；

图6是为本发明的一种较佳实施例的结构示意图；

图7是为本发明的一种较佳实施例的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

在现有技术中的发光二极管，由于仅通过发光层产生光波长，或是将量子点散布于封装体内，在发光表现上的灵活性及效果未臻完美，或是无法将量子点的特性发挥做到稳定的控制，所以本发明针对这些缺点，将量子点制作为量子点层，并设置于能较佳表现其特性的结构位置，达成优异的出光效果。

首先，请参考图1，本发明的多波长发光二极管芯片，其包括一第一半导体层10；一发光层20；一第二半导体层30；及一量子点层40。

其中，该发光层20设于该第一半导体层10上；该第二半导体层30设于该发光层20上；该量子点层40则设于该第二半导体层30上。

然而除了上述组件之外，本发明还包括了一第一电极90与一第二电极100，该第一电极90设于该第一半导体层10上，该第二电极100则是设于该量子点层40上。

本发明的关键技术特征在于量子点层40的设置，其为一半导体光致发光材料，并可发出一光波长。更确切的描述，该半导体光致发光材料是一种尺寸介于1～15纳米的纳米晶体，其组成元素是由ⅡB-ⅥA族、ⅢB-ⅤA族或ⅣB-ⅥA族元素所组成的化合物，例如：硒化镉、硒化锌、硫化铅、磷化铟、硫化镉、氧化镉、硫化铜铟、硫化银铟或是硒化铜铟等。本发明所采用的半导体光致发光材料即是选自于上述化合物；并且这些化合物具有高光吸收率、高转换效率、高温下稳定，以及不会发生史托克位移（Stokes shift）的优点。

当量子点层40的纳米晶体在受到足够的外加电压后，将会因为穿遂效应（Tunneling effect），使其电子可以跳跃入邻近的量子点区域。在这量子点层40中，这些纳米晶体可被视一个个的量子点，而所能发出的光就会受到各量子点区域的能量间隙影响，这种能量间隙会随着纳米晶体的大小而改变，纳米晶体越大，能量间隙就会越小，光波长越偏红；纳米晶体越小，能量间隙就会越大，光波长就会越偏蓝。因此，在量子点层40所能发出的该光波长，是为蓝光波长或红光波长，然而最终发出是哪种光波长，受所采用的这些纳米晶体大小而定。

在这量子点层40的设置下，除了发光层20本身所能发出的光波长外，量子点层40也可发出蓝光波长或红光波长，使本发明为具有多波长的发光二极管芯片，不但可以提升发光二极管芯片的发光效率，而且可通过多波长的混合，使发光二极管芯片的出光效果在光谱控制上有较大的选择性，提升发光二极管芯片的应用范围，具有极佳的经济效益。

然而除了量子点层40的设置外，在其设置位置上也有所取舍；为了使量子点层40所能提供的效率及效应能达到较佳状态，本发明将量子点层40设置于第二半导体层30上，使所能发出的光波长不会受到第二半导体层30的遮蔽阻挡，不会因为需通过第二半导体层30而受到强度减弱，保持良好的出光效率及效应。

另外本发明除了前述组件外，为了进一步确保良好的发光效果，请参考图2，本发明更进一步包括了一透明导电层50，设于该量子点层40上。

该透明导电层50的材质为铟锡氧化物，也就是为铟氧化物（In₂O₃）和锡氧化物（SnO₂）的混合物，通常是采用质量比为90%的In₂O₃与10%的 SnO₂。其处于薄膜状态时为透明无色，并且具有导电性。制作方法：经由电子束蒸发、物理气相沉积，或是溅射沉积技术等方法，制做出该透明导电层50。

如图2所示，当将透明导电层50设于量子点层40上时，量子点层40介于透明导电层50与第二半导体层30之间。借助着透明导电层50，可使第一电极90的电流能较均匀地分布在整个量子点层40，使量子点层40能较均匀发光。由于透明导电层50为透明无色，所以量子点层40与发光层20所综合产生的多波长光仍可顺利出光。

然而量子点层40除了全面覆盖透明导电层50与第二半导体层30之间以外，通过蚀刻或是其他方法，量子点层40可以采用部分覆盖的方式设置于第二半导体层30上，这时量子点层具有若干个间隙401，因此量子点层40是以非全平面的方式散布于第二半导体层30与透明导电层50之间，请参考图3；如图所示，由于量子点层40受到间隙401的影响而不为完全覆盖，其未覆盖的部分即由透明导电层50所填满，这时量子点层40的光并非全平面地产生，而是均匀零星地散布，因此可以和发光层20的光部分混合，搭配发光层20未经混合的光，可有更均匀的光波长混合效果。

除了透明导电层50外，本发明还可更进一步包括一介电层60，设于该透明导电层50上。为了避免透明导电层50与量子点层40受到外界后续的封装动作而受到损伤，影响产品的良率及稳定性，所以请参考图4，本发明可将介电层60设置于透明导电层50上，这时量子点层40与透明导电层50受到介电层60的保护，所以可以稳定其发光表现。

本发明的基本设计为横式发光二极管，然而这量子点层40也可以应用于垂直式发光二极管的结构设计。请参考图5，在应用在垂直式发光二极管芯片时，本发明的多波长发光二极管芯片除了包括第一半导体层10；发光层20；第二半导体层30；及量子点层40外，请参考图6，另包括一金属反射层70。然而在结构上，发光层20设于第一半导体层10下；第二半导体层30设于发光层20下；量子点层40，设于第二半导体层30下；金属反射层70设于量子点层40下方。如同横式发光二极管结构，这种垂直式结构中的量子点层40也为一半导体光致发光材料，并可发出一光波长。

另外与外接电压所链接的则是第一电极90与第二电极100，第一电极90设于第一半导体层10上，第二电极100则是设于量子点层40下；若是设有金属反射层70，那么第二电极100设于金属反射层70下。

在这种结构中，量子点层40所产生的光波长除了由上方稳定出光之外，通过金属反射层70将向下发散的光波长反射回上方，进而达到提升发光效率的目的。同时，这种结构中的量子点层40通过蚀刻或是其他方法，让量子点层40部分覆盖于金属反射层70上，这时量子点层40可具若干个间隙401散布，所以量子点层40是以非全平面的方式散布于第二半导体层30与金属反射层70之间，请参考图7；如图所示，由于量子点层40受到这些间隙401的影响而为不完全覆盖，未覆盖的部分由金属反射层70的材质所填满；这时量子点层40所产生的光并非以全平面出现，而是均匀零星地散布，因此可以和发光层20的光部分混合，搭配发光层20未经混合的光，可有更均匀的光波长混合效果。

通过本发明具有量子点层40的设置，借助着其半导体光致发光材料中的纳米晶体所提供的量子能量间隙，使电子在跃迁时得以发出蓝光波长或是红光波长，使本发明的多波长发光二极管芯片能够提供不止一种光波长；并且通过结构上的设计，使量子点层40的出光效果能达到较佳状态，确保多波长发光二极管的高出光效率以及广泛应用效益的目标得以达成。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种多波长发光二极管芯片，其特征在于，包括：

一第一半导体层；

一发光层，设于所述第一半导体层上；

一第二半导体层，设于所述发光层上；及

一量子点层，设于所述第二半导体层上；

其中，所述量子点层为一半导体光致发光材料，并可发出一光波长。

2.如权利要求1所述的多波长发光二极管芯片，其特征在于，所述半导体光致发光材料为若干个纳米晶体，所述纳米晶体尺寸大于与等于1纳米，且小于或等于15纳米。

3.如权利要求1所述的多波长发光二极管芯片，其特征在于，所述半导体光致发光材料包括选自ⅡB-ⅥA族、ⅢB-ⅤA族以及ⅣB-ⅥA族元素所组成的化合物群组其中之一。

4.如权利要求1所述的多波长发光二极管芯片，其特征在于，所述半导体光致发光材料包括选自硒化镉、硒化锌、硫化铅、磷化铟、硫化镉、氧化镉、硫化铜铟、硫化银铟以及硒化铜铟所组成的群组其中之一。

5.如权利要求1所述的多波长发光二极管芯片，其特征在于，所述光波长为蓝光波长或红光波长。

6.如权利要求1所述的多波长发光二极管芯片，其特征在于，还包括一透明导电层，设于所述量子点层上。

7.如权利要求1所述的多波长发光二极管芯片，其特征在于，所述量子点层覆盖于所述第二半导体层上的至少一部分。

8.一种多波长发光二极管芯片，其特征在于，包括：

一第一半导体层；

一发光层，设于所述第一半导体层下；

一第二半导体层，设于所述发光层下；及

一量子点层，设于所述第二半导体层下；

9.如权利要求8所述的多波长发光二极管芯片，其特征在于，还包含一金属反射层，设于所述量子点层下。

10.如权利要求9所述的多波长发光二极管芯片，其特征在于，所述量子点层覆盖于所述金属反射层上的至少一部分。