TW200818537A - Fabricating method of poly-wavelength light-emitting diode of utilizing nano-crystals and the light-emitting device thereof - Google Patents

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200818537 七、指定代表圖： (一） 本案指定代表圖為：第（1 )圖。 (二） 本代表圖之元件符號簡單說明： 100 :基板； 102 :緩衝層； 104 :矽摻雜氮化鎵(Si_d〇pedGaN)層； 106 :複合量子井結構層； , 108 ·鎂摻雜氮化鎵(Mg-d〇ped GaN)上層； 110 ·奈米晶體層；以及 111 :孔洞。 八、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式: 無0 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 一種利 本發明是有關於—種發光二極體，特 用奈米晶體㈣Μ長發光二極叙方法及胁光ϋ牛於 5 200818537 【先前技術】 由於固態照明及液晶顯示器背 導體白弁梦署Μα P I應用，近來半 ¥體白光衣置的發展吸引了很多的千 發展主要著重在利用螢光粉將從單 ^-’_的 或紫外光讀換·錢長的料混n*來= =:::粉:，^ 的白光於、因此找W光粉、單日日日片全半導體 的白先發先二極體變成發展的重要趨勢。 、。在對節省能源的固態照明及液晶顯示器背光源的白光 光源lx展中’以氮化鎵(GaN)為基礎的發光二極體成為吸引 眾夕目光的主題。然而，雖然高效率的藍和綠光氮化物發光 二極體的製造已經非常成熟，但是黃或紅光的發光二極體仍 極待努力。近來’以氮化鎵銦(InGaN)為基礎的紅光發光二 極體已有報導。然而，對這樣的一個裝置來說，其無論是量 子效率或是製程技術都是需要加強。 為滿足上述所提出的白光發光二極體在製程及效率上 的需求。本發明人基於多年從事研究與諸多實務經驗，經多 方研究設計與專題探討’遂於本發明提出一種利用奈米晶體 製作多波長發光二極體之方法及其發光元件，以作為前述期望 一實現方式與依據。 6 200818537 【發明内容】 曰曰 監、綠及紅光 有鐘於上述課題，本發明之目的為提供-種利用太半 體製作多錄發光二極體之方法，可以製造出發射 不” 以混合產生白光的發光元件。 本發明之另-目的為提供—種利用奈米晶體製作雙或多 波長發光二_之縣树，其為配置奈 波長發光二極體上以赵另—種紐長。、早波長或夕 、緣是，為達上述目的，本發明之利用奈米晶體製作多波長 發光-極體之方法’在晶膜生長時，以混合兩__量子井的 堆疊，來形成複合量子井結構層，而製造雙波長發光二極體；然 後在雙波長發光二極體上配置多數個奈米晶體，哺換雙波長發 光二極體之其-波長之部分來製造多波長發光二極體。 本發明之利用奈米晶體製作多波長發光二極體之發光元 件’至少包括：單錄發光二極體或多波長發光二極體；以及奈 八 米晶體層，配置於單波長發光二極體或多波長發光二極體上，以 產生另一種光波長。 承上所述，因依本發明之利用奈米晶體製作多波長發光二 極體之方法，以混合兩種量子井的方式來製造雙波長發光二 極體，與利用個別量子井所製造的發光二極體相較，其晶體 結構和基本的光學特性並無顯著差異，因此再於雙波長發光 二極體上配置奈米晶體以產生另一光波長，故而可以製造出 200818537 發射監、綠及紅光之三種波長的光顏色以混合產生白光的發光元 件。 本發明之利用奈米晶體製作雙或多波長發光二極體之發光 兀件，利用在單波長發光二極體或多波長發光二極體上配置奈米 晶體層的方式，將單波長發光二極體或多波長發光二極體其中之 一的波長部分轉換成另一波長，故而可以產生另一種光顏色。 炫為使貴審查委員對本發明之技術特徵及所達成之 功效有更進一步之瞭解與認識，下文謹提供較佳之實施例及 相關圖式以為辅佐之用，並以詳細之說明文字配合說明如 後。 【實施方式】 以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例之利用 奈米晶體製作多波長發光二極體之方法及其發光元件，其中相同 的元件將以相同的參照符號加以說明。 本發明之利用奈米晶體製作多波長發光二極體之方法，在晶 膜生長時’麟合制__量子井輯4，來形減合量子井 結構層’喊造雙波長航二減；_錢波長發光二極體上 配置多數個奈米晶體，以轉換雙波長發光二_之其—波長之部 分來製造多波長發光二極體。 上述之雙波長發光二極體上更具有多數個孔洞，使得奈米晶 200818537 體充填於其中。其中孔洞的井孔壁面積(side_wallarea)越大，被轉 換的部分波長與未被轉換部分的波長二者間之顏色強度比越高。 孔洞的深度可例如到達複合量子井結制，如此奈米晶體可以直 接接觸到複合量子井結構區，導致更有效的福斯特轉換(F〇齒 transfer)以及吸收-再發射過程。在這樣的結構下’可以透過整體 強度輕微的犧牲來提高顏色對比。 上述之奈米晶體包括為二六族化合物半導體之奈米晶體，例 如為石西化鎘/硫化鋅(CdSe/ZnS)奈米晶體。 以下將進一步詳述本發明之量子井製造過程。本發明先 以有機金屬化學氣相沉積（metal〇rganic Chemical Vap〇r

Deposition，MOCVD)技術成長藍/綠雙波長發光二極體之上結 構，其流程如下:在以成長溫度在535^成長25nm的晶核層 (rmcleation layer)後，在於溫度1〇7〇。〇以5xl〇w的石夕換雜濃度 沉積2微米（㈣的n型-氮化鎵(n_GaN)。之後，以下列2種量子 井成長條件來形成之後的量子井結構:(丨)溫度69(rc，晶圓載子旋 轉速 750rpm，氮氣(N2)流速 3000sccm，氨氣(NH3)流速 3〇〇〇sccm ; ⑺溫度710°C，晶圓載子旋轉速i5〇〇rpm，氮氣既）流速 lOOOsccm，氨氣(NH3)流速i5〇〇sccm。此2種量子井成長條件可 以被設計為分別成長發射藍或綠光的量子井。所有的量子井厚 度可例如為3奈米（nm)。以不同的銦合成物配合上述2種不 同量子井成長條件，即可以造成不同顏色的光發射。純藍或綠光 的發光二極體也可以以上述條件成長一量子井結構。在混合 9 200818537 量子井結構❹]子巾’本發明安獅四量子井結構之順序由下 層開始為綠/監/藍/綠。 本發明之雙波長發光二極體所產生的兩種顏色的相對電激 發光強度取決於注入電流(injectioncurrent)的大小’此肇因於注入 電流控制在量子井中的電洞濃度分佈。以上述藍/綠雙波長發光二 極體為例，在低程度的注人電流時，發光二極财的頂部的發射 綠光量子井具有優勢，㈣注人電流增加時，於其下的發射藍光 量子井變得更有效率。 ' 1 / 本發明之利用奈米晶體製作雙或多波長發光二極體之發光 元件，至少包括於單波長發光二極體或多波長發光二極體上配置 -奈米晶體層，以產生另外的光波長。而此另外的光波長與此些 奈米晶體之顆粒大小相關，因此，可透過調整此些奈米晶體之顆 粒大小以調變所混合出之多波長之光之CIE座標。 上述之單波長發光二極體或雙波長發光二極體上更具有多 ; 數個孔洞，使得奈米晶體充填於其中。孔洞的井孔壁面積 area)控制光顏色間的強度比。孔洞的深度例如到達單波長發光二 極體或多波長發光二極體之主動層。 上述之多波長發光二極體之結構可以具有混合至少兩個種 類的量子井堆疊之一複合量子井結構層。 上述之奈米晶體包括為二六族化合物半導體之奈米晶體。奈 米晶體包括為石西化鎘/硫化鋅(CdSe/ZnS)奈米晶體。 10 200818537 第1圖為以本發明之利用奈米晶體製作雙或多波長發光二 極體之方法所製作紅雙波長發光二極體結構轉圖。如第工 圖所示’在例如藍寶石的基板議上，以有機金屬化學氣相沉積

Vapw DepQsitiGn，M(DCVD)成長藍光複 5里子井、”。構U—極體組成依序有25啦的氮化錄(〇必)緩衝 層1〇2 ’ —的石夕摻雜氮化鎵GaN)層104，5週期的 3nm/18nm之氮化鎵銦(InGaN)/氮化鎵(⑽)複合量子井妹構層 廳，和8〇nm的鎂摻雜氮化鎵(Mg_d〇ped祕)上層刚，再以： 微影法(photolithography)和感應式耦合電漿反應離子蝕刻法 (in—ivdy_C_ed plasma reactive -触㈣ 作孔洞111 深度為12μηι。換言之，在複合量子井結構的主 動層在孔洞111中是被去除的。在此些孔洞ηι中填滿含碼化録 /疏化辞奈米晶體的甲苯⑽職)溶液，在過程中，奈米晶體的溶 液液滴以相同的體積被放在每個二極體上，因此在每個二極體的 奈米晶體的數量可以被職為相同，接著再輕輕地搖晃二極體， 奈米晶體的溶液將均句地填滿每俯㈣，且在每個二極體的上方 存在有一均勻的奈求晶體層⑽。在此例中，硒化録/硫化鋅顆 粒的直徑A 4nm而硫化鋅殼的厚度為〇 2nm。此藍光二極體之發 射波長約45Gnm ’由複合量子井結構層發射波長在45()nm的藍光 子被奈米晶體吸收後轉換絲波長在别邮的紅光。同樣地皿在 沿著量子井層的載子傳輸可以轉換電洞對進入奈米晶體。 縱上所述’本發明之利用奈米晶體製作多波長發光二極體之 方法，以混合兩個種類的量子井的堆疊，來形成複合量子井結構 200818537 層’與利用個別量子井所製造的發光二極體相較，A晶體紝 構和基本的光學特性並無顯著差異，因此本發明再=波： ^光二極體上配置奈米晶體以產生另_光波長，故而以製 造出發射藍、綠及紅光之三種波長的光顏色以混合產生㈣ 波長發光元件。 製程複雜、專利管制 、單晶片全半導體的 本發明之方法相較於習知技術可免除 和裱保問題等缺點，可製造出無螢光粉 白光發光二極體。 _本發明之利用奈米晶體製作雙或多波長發光二極體之發光 耕利用在單波長發^^極體或纽長發光二極體上配置奈米 晶體’將單波長發光二極體或多波長發光二鋪其中之—的二長 :分轉換成另—波長，故而可以產生另—種光顏色，將單波長^ 先-極體❹波長發光二極體製作成為雙或纽長發光二極體。 本發明之發光二極體上可具有多數個孔洞，使得 轉中，而藉由控獅的大小，當孔爾孔壁面積 area越大’被轉換的部分波長與未被轉換部分的波長 色強度比越高，來控制顏色間的強度比。 S痛 以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何 發明之精神與範#，而對其進行之等效修改或變更 括於後附之申請專利範圍中。 μ匕 12 200818537 【圖式簡單說明】 第1圖為以本發明之利用奈米晶體製作雙或多波長發光二極 體之方法所製作的藍/紅雙波長發光二極體結構示意圖。 【主要元件符號說明】 100 :基板； 102 :緩衝層； 104 :矽摻雜氮化鎵(Si-doped GaN)層； 106 :複合量子井結構層； 108 :鎂摻雜氮化鎵(Mg-dopedGaN)上層； 110 :奈米晶體層；以及 111 :孔洞。 13

Claims (1)

1. 200818537 十、申請專利範圍·· 1 種利用奈米晶體製作多波長發光二極體之方法，至少包 括： 在晶膜生長時，混合兩個種類的量子井的堆疊，來形 成複合畺子井結構層，以製造一雙波長發光二極體丨以 及 在該雙波長發光二極體上配置多數個奈米晶體，以轉 、. 換該雙波長發光二極體的其一波長之部分，來製造一多波 長發光二極體。 2如申晴專利範圍第1項所述之利用奈米晶體製作多波長發 光二極體之方法，其中該雙波長發光二極體所產生的兩種 顏色的相對電激發光強度取決於注入電流(injecti〇n cmTent) 的大小。 3 、如申請專利範圍第1項所述之利用奈米晶體製作多波長發 |： 光二極體之方法，其中在該雙波長發光二極體上更具有多 數個孔洞，使得該些奈米晶體充填於其中。 4、 如申請專利範圍第3項所述之利用奈米晶體製作多波長發 光二極體之方法，其中該些孔洞的深度包括到達該複合量 、 子井結構層。 5、 如申請專利範圍第3項所述之利用奈米晶體製作多波長發 光一極體之方法，其中該些孔洞的井孔壁面積(side-wall area)越大，被轉換的部分該波長與未被轉換部分的該波長 二者間之顏色強度比越高。 200818537 6、 如申請專利範圍第丨頊戶斤述之利用奈米晶體製作多波長發 光二極體之方法，其中该紊米晶體包括為二六族化合物半 導體之奈米晶體。 7、 如申請專利範圍第6頊所述之利用奈米晶體製作多波長發 光二極體之方法，其中该奈米晶體包括為石西化録/硫化鋅 (CdSe/ZnS)奈米晶體。 8、 如申請專利範圍第1頊所述之利用奈米晶體製作雙或多波 長發光二極體之發光元件，其中該些奈米晶體所轉換之波 長部分與該些奈米晶體之顆粒大小相關，並可調整該些奈 米晶體之顆粒大小以調變所混合出之多波長之光之CIE座 標。 9 種利用奈米晶體製作雙或多波長發光二極體之發光元 件’至少包括： 一單波長發光二極體或多波長發光二極體；以及 —奈米晶體層’配置於該單波長發光二極體或該多波 長發光二極體上。 10 、如申請專利範圍第9項所述之利用奈米晶體製作雙或 =鱗光二極體讀光元件，其巾解波紐光二極體 技有多_孔洞，使得該奈求 日日體層之奈米晶體充填於其中。 多波 到達該單波舰高_=== 15 11 200818537 層。 如申凊專利範圍第9頂％ 多波長、、斤迷之利用奈米晶體製作雙或 灰七尤一極體之發井开杜*丄 包括具有混人至小 /、中該多波長發光二極體 結構層。σ 類的量子井堆疊之一複合量子井 13 14 六族化合物半導體之奈来晶體。”奈米晶體包括為二 、如申請專利範圍第13項所述之 多波長發光二極體之發光元件，其中不米曰曰體製作雙或 化錫/硫化鋅(CdSe/ZnS)奈来晶體。'奈米晶體包括為石西 16