CN1893128A - 白光发射装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种氮化物发光装置，该发光装置包括第一和第二导电型氮化物层以及多个发射不同波长的光的活性区。该活性区依次形成在该第一和第二导电型氮化物层之间。该活性区包括至少一个具有多个第一量子阻挡层和量子势阱层的第一活性区，以及发射波长大于该第一活性区的波长的光的第二活性区。该第二活性区具有多个第二量子阻挡层和至少一个形成在多个第二量子阻挡层之间的不连续的量子势阱结构。不连续的量子势阱结构包括多个量子点或量子晶体。

Description

白光发射装置
优先权要求
本申请要求于2005年7月7日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第2005-61101号的优先权，将该专利申请公开的内容以引用方式结合于此作为参考。
技术领域
本发明涉及一种白光发射装置。更具体地，本发明涉及一种将具有发射不同波长的光的至少两个活性区形成为单一装置的整体白光发射装置，及其制造方法。
背景技术
通常，采用发光二极管(LED)的白光发射装置可以确保高亮度和高效率，因此被广泛用作照明设备或显示设备的背景光。
已知用于形成白光发射装置的广泛采用的方法包括作为单独的LED制造的蓝色、红色和绿色LED的简单组合以及使用荧光物质。在同一印刷电路板上每种不同颜色的LED的组合需要复杂的驱动电路，因此导致了相伴随的缺点就是难以小型化。因此，通常所使用的是通过荧光物质制造白光发射装置的方法。
通过荧光物质制造白光发射装置的传统方法包括使用蓝光发射装置和使用紫外光发射装置。例如，在使用蓝光发射装置的情况下，利用YAG荧光物质将蓝光转变为白光。也就是说，由蓝色LED产生的蓝色波长激发钇铝石榴石(YAG)用以最终产生白光。
然而，刚刚描述的传统方法在获得良好的颜色方面具有局限性，原因是荧光粉会不利地影响装置性能，并且在激发荧光物质时光效率和彩色补偿系数会降低。
在试图解决这些问题的过程中，对于涉及整体白光发射装置的方法的研究非常活跃，该装置具有多个发射不同波长的光的活性区而没有荧光物质。如整体白光发射装置的一种类型，美国专利第5,684,309号(于1997年11月4日被授予专利权，转让给北卡罗来那州州立大学)公开了如图1所示的白光发射装置。
如图1所示，白光发射装置10包括形成在具有缓冲层12的基底11上的第一导电型氮化物层13和第二氮化物层18，缓冲层12介于基底11和第一导电型氮化物层13之间。在第一和第二导电型氮化物层13、18之间，存在发射3种不同波长的光的第一、第二、和第三活性层15、16、17，以及阻挡层14a、14b、14c、14d。并且，在第一和第二导电型氮化物层13、18上，设置有第一和第二电极19a、19b。
在如图1所示的结构中，例如，第一至第三活性区15、16、17具有可以用InxGa1-xN(x为变量)表示的组成，以便分别发射蓝光、绿光和红光。从每个活性区15、16、17获得的蓝光、绿光和红光可以组合在一起，用以最终产生想要得到的白光。
但是在所引用的参考文献中公开的白光发射装置的发光效率不高，并且用于获得白光的三种颜色不是均匀分布的。这是因为如图2所示，发射红光的活性区17具有比发射蓝光和绿光的活性区15、16的禁带宽度Eg1、Eg2低得多的禁带宽度Eg3。例如，发射蓝光和绿光的活性区15、16的禁带宽度Eg1、Eg2分别约为2.7eV、2.4eV，而发射红光的活性区17的禁带宽度Eg3仅为较低水平的约1.8eV。
同样地，长波长的活性区17的低禁带宽度Eg3导致载流子局部化(carrier localization)，原因在于由第二导电型氮化物层18提供的载流子不能通过发射红光的活性区17。因此，大多数载流子被限制在发射红光的活性区17内而转变为光，从而几乎不可能到达发射蓝光和绿光的活性区15、16。在第二导电型氮化物层18为p-型氮化物层时这种局部化加剧，原因在于被限制在发射红光的活性区17内的载流子具有低于电子的迁移率。
由于长波长活性区所致的载流子的限制，传统的白光发射装置具有很低的短波长活性区的复合效率。因此白光不能通过适当的颜色分布来获得。
发明内容
为了解决前述现有技术中的问题完成了本发明，因此本发明的目的是提供一种新颖的可以提高短波长活性区的复合效率的整体发光装置，该复合效率的提高是通过使多个发射不同波长的活性区中的长波长活性区具有不连续的结构(如量子点或量子晶体)而不是连续的层状结构来实现的。
根据本发明的用于实现该目的的一方面，提供了一种半导体发光装置，该装置包括第一和第二导电型氮化物层；以及发射不同波长的光并依次形成在该第一和第二导电型氮化物层之间的多个活性区，其中该活性区包括至少一个具有多个第一量子阻挡层和第一量子势阱层的第一活性区，以及发射波长大于该第一活性区发射波长的光的第二活性区，并且其中第二活性区具有多个第二量子阻挡层和至少一个形成在该多个第二量子阻挡层之间的不连续的量子势阱结构，该不连续的量子势阱结构分别包括多个量子点或量子晶体。
根据本发明，发射可以导致载流子的限制的长波长的第二活性区具有包括量子点或量子晶体的不连续结构。这充分提高了提供给发射短波长的第一活性区的载流子注入效率。
构成该不连续的量子势阱结构的多个量子点或量子晶体优选具有为相应的第二量子阻挡层的表面的总面积的20％到75％的总面积。如果该量子势阱结构的总面积小于20％，就不能保证足够的亮度，同时如果该面积大于75％，则发射短波长的第一活性区的复合效率就不能充分提高。
优选地，第二活性区包括至少4个量子阻挡层和至少3个形成在至少4个量子阻挡层之间的不连续的量子势阱结构，该不连续的量子势阱结构中的每一个都分别包括多个形成在至少4个量子阻挡层之间的量子点或量子晶体。由此通过该不连续的量子势阱结构可以保证足够的亮度。
在本发明的一个具体实施例中，第一活性区包括2个活性层，一个活性层发射约450到475nm波长的光，另一个活性层发射约510到535nm波长的光。第二活性区适合于发射约600到635nm波长的光。也就是说，第一活性区的两个活性层分别发射蓝色和绿色波长的光，而第二活性区适于发射红光，因此最终产生白光输入。
在本发明的另一具体实施例中，第一活性区可能适于发射约450到475nm波长的光，而该第二活性区可能适合于发射约550到600nm波长的光。也就是说，第一活性区适于发射偏向绿色的蓝色波长的光，而第二活性区适于发射黄色波长的光，因此最终产生白光。
根据本发明，第一活性区具有可用Inx1Ga1-x1N表示的组成，其中0≤x1≤1。如本发明的一个具体实施例所示，当形成2个活性层时，In的含量(x1)可以充分地变化用以提供发射希望波长的光的活性层。
另外，第二活性层具有可用Inx2Ga1-x2N(0＜x2≤1)表示的组成。在这种情况下，为了解决由In含量增加产生的晶体降解和波长变化，该第二活性区的不连续量子势阱结构优选具有可用AlyInzGa1-(y+z)N或(AlvGa1-v)uIn1-uP表示的组成，其中0＜y＜1、0＜z＜1、0≤v≤1、而0≤u≤1。
在第一导电型氮化物半导体层包括n-型氮化物半导体层，而第二导电型氮化物层包括p-型氮化物半导体层的情况下，第二活性区与该第二导电型氮化物半导体层相邻设置。此外，当该第一活性区包括发射不同波长的光的多个层时，该第一和第二活性区以这样的方式设置以使具有较长波长的活性区或活性层更邻近于该第二导电型氮化物层设置。
尤其是，当该第二活性区具有可用AlyInzGa1-(y+z)N或(AlvGa1-v)uIn1-uP(其中0＜y＜1、0＜z＜1、0≤v≤1、而0≤u≤1)表示的组成时，优选应该考虑的是在沉积过程中的生长温度以使该第二活性区的形成迟于第一活性区。
附图说明
通过下面结合附图的详细描述，将会更清楚地理解本发明的上述和其它目的、特征和其它优点，其中：
图1为传统的白光发射装置的剖面图；
图2为示出了传统的白光发射装置的活性区的能带的视图；
图3为根据本发明的一个具体实施例的白光发射装置的剖面图；
图4a和图4b为示出了该白光发射装置的活性区的能带的俯视图；
图5为示出了根据本发明的活性区中所用的不连续的量子结构的表面透视图；
图6为示出了根据本发明的另一具体实施例的白光发射装置的剖面图。
具体实施方式
下面将参照附图详细描述本发明的优选实施例。
图3为本发明的白光发射装置的剖面图。
参照图3，白光发射装置30包括：形成在具有缓冲层32的基底31上的第一导电型氮化物层33和第二导电型氮化物层38，缓冲层32置于基底31和第一导电型氮化物层33之间，以及存在于第一和第二导电型氮化物层33、38之间的发射蓝色、绿色和红色波长的光的活性区35、36、37。
蓝光和绿光活性区35、36包括典型的连续层，并且可以包括具有多个量子势阱层和量子阻挡层的复合量子势阱结构(未示出)。此外，蓝光和绿光活性区35、36可以具有量子势阱层，一个发射约450到475nm波长的光，另一个发射510到535nm波长的光。优选地，蓝光和绿光活性区35、36具有由Inx1Ga1-x1N表示的具有不同铟含量(x1)的组成，其中0≤x1≤1。
根据本发明的该实施例，发射红光的活性区37包括4个量子阻挡层37a和3个不连续的量子势阱结构37b，量子势阱结构37b由多个量子点或量子晶体形成，并且分别形成在该4个量子阻挡层之间。在本说明书中，该不连续的量子势阱结构是指具有多个量子点或量子晶体的结构，该量子点或量子晶体设置在整个区域上，但不包括具有在整个表面上连续生长的全部层状结构的量子势阱层。在平面上的量子点或量子晶体37b夹在发射红光的活性区37的两个阻挡层之间。也就是说，阻挡层37a提供了量子点或量子晶体37b在那里生长的表面，并且用作下面的量子点或量子晶体37b的覆盖层(capping layer)。
本发明中的不连续的量子势阱结构37b，或者多个量子点或量子晶体提供了发射红光的量子势阱。也就是说，结构37b是由发射约600到635nm波长的光的半导体材料制成的。发射红光的活性区37的阻挡层37a和不连续的量子势阱结构37b可以具有以Inx2Ga1-x2N表示的具有不同组成的组合物，其中0＜x2≤1。例如，发射红光的活性区37可以由GaN量子阻挡层和In0.7Ga0.3N量子点形成。然而，In含量的较大份额降低了结晶度，并且由于相分离造成不希望的波长变化。因此，用于发射红光的不连续的量子势阱结构37b应该优选具有以AlyInzGa1-(y+z)N或(AlvGa1-v)uIn1-uP表示的组成，其中0＜y＜1、0＜z＜1、0≤v≤1、而0≤u≤1。
第一导电型氮化物半导体层33可以为n-型氮化物半导体层，而第二导电型氮化物半导体层38可以为p-型氮化物半导体层。在这种情况下，如本发明的这个实施例所示，发射红光的活性区37优选与第二导电型氮化物半导体层38相邻设置。并且，发射蓝光和绿光的活性区35、36优选以这样的方式设置，以使具有较长波长的任何活性区更邻近于第二导电型氮化物层38设置。这是由于工艺操作条件(如生长温度)的原因，并且将在图5中更详细地介绍。
根据本发明，包括量子点或量子晶体的不连续的量子势阱结构37b可以直接为发射绿光的活性区36提供从第二导电型氮化物半导体层38注入的载流子(如空穴)。
也就是说，如图4a所示，在载流子通过具有量子点或量子晶体37b的区域的载流子通路A-A’中，形成了类似于图2中所示的传统能带的能带。在这种情况下，从第一导电型氮化物半导体层33注入的载流子通过发射红光的活性区37的量子势阱结构37b，由此导致了充分的红光发射。
同时，如图4b所示，在载流子通过没有量子点或量子晶体37b的区域的载流子通路B-B’中，从第一导电型氮化物半导体层33注入的载流子仅通过发射红光的活性区域中没有量子势阱结构的类似GaN的量子阻挡层37a。这降低了载流子被局限在发射红光的长波长活性区37的量子势阱结构37b中的可能性，从而提高了在发射绿光或蓝光的短波长活性区35、36中的载流子掺杂效率。
发射红光的活性区37仍然比发射蓝光或绿光的连续的活性区35、36具有更低的光发射效率，原因在于它的不连续结构。为了解决这个问题，如本发明的这个实施例所示，发射红光的活性区37优选包括至少4个量子阻挡层37a和至少3个不连续的量子势阱结构37b。
图5为示出了在第一活性区中所采用的不连续的量子结构的表面的透视图。图5可以被理解为示出了一种量子点形成在类似于图4的发光装置的制造过程中的状态。
如图5所示，缓冲层52、第一导电型氮化物半导体层53、发射蓝光的活性区55和发射绿光的活性区56依次形成在基底51上，随后将发射红光的活性区57形成于其上。发射红光的活性区57是通过形成不连续的量子势阱结构57b(如量子阻挡层57a、量子点或量子晶体)的过程而形成的。
如上所述的不连续的量子势阱结构57b，具有以Inx2Ga1-x2N表示的组成，其中0＜x2≤1，但是优选具有以AlyInzGa1-(y+z)N或(AlvGa1-v)uIn1-uP表示的组成，其中0＜y＜1、0＜z＜1、0≤v≤1、而0≤u≤1。不连续的量子势阱结构57b可以通过本领域技术人员已知的方法容易地形成。
此外，如本发明的这个实施例所示，长波长的活性区或发射红光的活性区57优选在形成发射其它波长的光的活性区55、56之后形成。尤其是在形成AlInGaN不连续的量子势阱结构57b的情况下，应该考虑生长温度以使结构57b的形成迟于其它活性区55、56。因此由于通常p-型氮化物半导体层置于顶部，所以在该发光装置中发射红光的活性区57与该p-型氮化物半导体层相邻，而发射蓝光和绿光的活性区55、56优选以这样的方式设置，以使具有较长波长的任何活性区更邻近于该p-型氮化物半导体层设置。
根据本发明，在具有不连续的量子势阱结构57b的发射红光的活性区57中，优选的是该区域的较大份额(部分)不具有任何不连续的量子势阱结构以减少载流子的局限。但是如果该不连续的量子势阱结构不存在于该区域的很小的份额中，就不能充分地确保发射红光的短波长活性区57的光发射效率。因此优选地，该多个量子点或量子晶体具有为相应的第二量子阻挡层顶面的总面积ST的20％到75％的总面积∑Sd。可以通过控制生长过程期间的温度和时间并由此适当地控制量子点或量子晶体的尺寸和密度来获得具有多个量子点或量子晶体的该面积。
如上所述的具体实施例示出了3个发射不同波长的光的活性区，但是本发明并不局限于此。也就是说，本发明的范围包括具有2个活性区或至少4个活性区的光发射装置。例如，如图6所示，本发明可以被构造为具有2个发射不同波长的光的活性区的发光装置。
参照图6，类似于图3的白光发射装置60，包括形成在具有缓冲层62的基底61上的第一导电型氮化物层63和第二导电型氮化物层68，该缓冲层62置于基底61和第一导电型氮化物层63之间，以及形成于第一和第二导电型氮化物层63、68之间的发射不同波长的光的第一和第二活性区65、67。为了发射白光，第一活性区65适于发射约450到475nm波长的光，而第二活性区67适于发射约550到约600nm波长的光。
第一活性区65为典型的连续层，并且具有以Inx1Ga1-x1N表示的组成，其中0≤x1≤1。此外，第一活性区65具有由多个量子势阱层和量子阻挡层形成的复合量子势阱结构(未示出)。同时第二活性区67可以包括3个量子阻挡层67a和2个不连续的量子势阱结构67b，该量子势阱结构由多个量子点或量子晶体形成并且分别形成在3个量子阻挡层67a之间。在这种情况下，第二活性区67的阻挡层67a和不连续的量子势阱结构67b可以具有以Inx2Ga1-x2N表示的具有不同组成的组合物，其中0＜x2≤1。优选地，量子势阱结构67b具有以AlyInzGa1-(y+z)N或(AlvGa1-v)uIn1-uP表示的组成，其中0＜y＜1、0＜z＜1、0≤v≤1、而0≤u≤1。
同样地，相对于2个发射不同波长的光的活性区，该不连续的量子势阱结构可以用在发射长波长的第二活性区中。由此防止了存在于该第二活性区中的载流子的局限并且提高了第一活性区的光发射效率。这导致了该第一和第二活性区的充足的颜色分布以便结合成白光。
相对于传统的多个连续的活性区的结构，本发明提供了一种在长波长的活性区中采用不连续的量子势阱结构的方法，以便减少发生在该长波长活性区中的载流子局部化。因此，如上所述，对于该活性区的数目或该白光发射装置没有限制。在该通过结合至少2个发射不同波长的光的活性区来形成的特定的半导体发光装置中，本发明包括仅选择用不连续的量子势阱结构(如量子点或量子晶体)替代造成载流子局部化的长波长活性区的所有类型的发光装置。
如上所述，根据本发明，提供了一种能够提高短波长活性区的复合效率的半导体发光装置。这通过从至少2个发射不同波长的光的活性区中仅选出导致载流子局限化的长波长活性区，以便将该长波长活性区用不连续的量子势阱结构(如量子点或量子晶体)替代，从而使复合效率的提高成为可能。更具体而言，本发明能够相对平均在不同波长的活性区中的颜色分布，因此可以用于制造通过特定波长的组合而具有高效性的整体白光发射装置。
虽然连同优选的实施例已经展示并描述了本发明，但是很明显，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化而不偏离如所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围。

Claims (12)

1.一种氮化物发光装置，包括：
第一和第二导电型氮化物层；以及发射不同波长的光并依次形成在所述第一和第二导电型氮化物层之间的多个活性区，
其中，所述活性区包括至少一个具有多个第一量子阻挡层和第一量子势阱层的第一活性区，以及发射波长大于所述第一活性区的波长的光的第二活性区，并且
其中，所述第二活性区具有多个第二量子阻挡层和至少一个形成在所述多个第二量子阻挡层之间的不连续的量子势阱结构，所述不连续的量子势阱结构分别包括多个量子点或量子晶体。
2.根据权利要求1所述的半导体发光装置，其中，所述多个量子点或量子晶体具有为相应的第二量子阻挡层的顶面总面积的20％到75％的总面积。
3.根据权利要求1所述的半导体发光装置，其中，所述第二活性区包括至少4个量子阻挡层和形成在所述至少4个量子阻挡层之间的至少3个不连续的量子势阱结构，所述不连续的量子势阱结构中的每一个都分别包括多个形成在所述至少4个量子阻挡层之间的量子点或量子晶体。
4.根据权利要求1所述的半导体发光装置，其中，所述第一活性区适于发射约450到475nm波长的光，而所述第二活性区适于发射约550到600nm波长的光。
5.根据权利要求1所述的半导体发光装置，其中，所述第一活性区包括2个活性层，一个发射约450到475nm波长的光，而另一个发射约510到535nm波长的光，并且其中所述第二活性区适于发射约600到635nm波长的光。
6.根据权利要求1所述的半导体发光装置，其中，所述第一导电型氮化物层包括n-型氮化物半导体层，而所述第二导电型氮化物层包括p-型氮化物半导体层，并且其中所述第二活性区与所述第二导电型氮化物层相邻设置。
7.根据权利要求1所述的半导体发光装置，其中，所述第一导电型氮化物半导体层包括n-型氮化物半导体层，而所述第二导电型氮化物层包括p-型氮化物半导体层，所述第一活性区包括发射不同波长的光的多个层，并且其中所述第一和第二活性区以这样的方式设置以使具有较长波长的活性区或活性层更邻近于所述第二导电型氮化物层设置。
8.根据权利要求1所述的半导体发光装置，其中，所述第一活性区具有以Inx1Ga1-x1N表示的组成，其中0≤x1≤1。
9.根据权利要求1所述的半导体发光装置，其中，所述第二活性区具有以Inx2Ga1-x2N表示的组成，其中0＜x2≤1。
10.根据权利要求9所述的半导体发光装置，其中，所述第一导电型氮化物半导体层包括n-型氮化物半导体层，而所述第二导电型氮化物层包括p-型氮化物半导体层，所述第一活性区包括发射不同波长的光的多个层，并且其中所述第一和第二活性区以这样的方式设置以使具有较长波长的活性区或活性层更邻近于所述第二导电型氮化物层设置。
11.根据权利要求9所述的半导体发光装置，其中，所述第二活性区的不连续的量子势阱结构具有以AlyInzGa1-(y+z)N或(AlvGa1-v)uIn1-uP表示的组成，其中0＜y＜1、0＜z＜1、0≤v≤1、而0≤u≤1。
12.根据权利要求9所述的半导体发光装置，其中，所述第一导电型氮化物层包括n-型氮化物半导体层，而所述第二导电型氮化物层包括p-型氮化物半导体层，并且其中所述第二活性区更邻近于所述第二导电型氮化物层设置。
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