TW201344955A - 發光二極體裝置 - Google Patents

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Heng Liu
Jinn-Kong Sheu
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Phostek Inc
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Abstract

一種發光二極體裝置，包含至少一堆疊發光二極體單元，其由複數磊晶結構藉由穿隧接面所堆疊形成。根據實施例的特徵之一，對於某一給定的預設輸入功率，堆疊之複數磊晶結構使得堆疊發光二極體單元的操作電流密度降低而趨近量子效率峰值。根據實施例的另一特徵，對於某一給定的預設輸入功率，堆疊發光二極體單元操作於量子效率峰值之20%降幅以內所對應的電流密度區間。

Description

發光二極體裝置
  本發明係有關發光二極體裝置，特別是關於一種具有堆疊發光二極體單元的發光二極體裝置。
  內部量子效率（internal quantum efficiency, IQE）是度量發光二極體（LED）發光效率常用的一種指標，單位通常以%表示，用以表示所轉換輸出之光子與輸入之電子/電洞（或電流）的比例。一般發光二極體於低電流密度（1-10A/cm2）會對應一內部量子效率的峰值，代表最高效率點。然而，隨著電流密度持續升高，效率會隨之下降（droop）。
  考量到晶片面積的節省與成本的降低，且為了達到高亮度發光，傳統發光二極體裝置並非操作在最高效率點，而是操作在高電流密度30-50 A/cm2區間範圍。由於在高電流密度區間的電轉光效率不高，因此許多電能被轉換為熱能，不但浪費了能源，縮短發光二極體的使用壽命，更造成散熱的問題，因此必須額外使用其他散熱機制，因而增加整體成本且增加整體裝置的體積。
  鑑於內部量子效率於高電流密度會有下降（droop）問題，因此有文獻提出改良的發光二極體結構以改善此問題。如美國專利第7,843,060號，題為“不會下降效率的高輸出發光裝置及其製造與操作方法（Droop-free high output light emitting devices and methods of fabricating and operating same）”。然而，此類改良的發光二極體往往造成結構複雜（例如磊晶層數的增加），因而使得製程時間及成本也跟著增加。
  因此，亟需提出一種結構簡單、製程簡化且成本低的發光二極體裝置，以避免內部量子效率的下降（droop）缺失。
  鑑於上述，本發明實施例提出一種具有堆疊發光二極體單元的發光二極體裝置，用以提高發光效率或/且降低成本。
  根據本發明實施例，發光二極體裝置包含至少一堆疊發光二極體單元，且堆疊發光二極體單元包含複數個磊晶結構及至少一穿隧接面。上述每一磊晶結構包含n側氮化物半導體層、主動層與p側氮化物半導體層。每一穿隧接面位於相鄰磊晶結構之間，用以堆疊複數個磊晶結構以形成堆疊發光二極體單元。當電流密度大於一預設電流密度值時，磊晶結構之量子效率會下降（droop），且小於預設電流密度值時，磊晶結構具有一量子效率峰值。根據實施例的特徵之一，對於某一給定的預設輸入功率，堆疊之複數磊晶結構的總電壓大於每ㄧ磊晶結構的操作電壓，使得堆疊發光二極體單元的操作電流密度降低而趨近量子效率峰值。根據實施例的另一特徵，對於某一給定的預設輸入功率，堆疊發光二極體單元操作於量子效率峰值之20%降幅以內所對應的電流密度區間。
  本發明實施例揭露一種發光二極體（LED）裝置，其包含至少一堆疊發光二極體單元。第一圖顯示本發明實施例之堆疊發光二極體單元100的剖面圖，其包含複數個磊晶結構11，且相鄰磊晶結構11之間形成有穿隧接面（tunnel junction）12。每一穿隧接面12於磊晶製程中將相鄰磊晶結構11垂直疊加起來，以形成堆疊發光二極體單元100。在本實施例中，磊晶結構11包含n側氮化物半導體層111、主動層112及p側氮化物半導體層113，其中主動層112介於n側氮化物半導體層111與p側氮化物半導體層113之間。穿隧接面12位於一磊晶結構11之p側氮化物半導體層113與另一相鄰磊晶結構11之n側氮化物半導體層111之間。穿隧接面12之形成方法可使用重摻雜製程，也可使用極化誘導（polarization induced）製程，或者其他可產生穿隧效應的適當製程。穿隧接面12之結構可以為單層薄膜結構，或者為多層薄膜結構。此外，第一圖所示的堆疊發光二極體單元100還包含第一電極13及第二電極14，其中第一電極13位於最底端磊晶結構11的n側氮化物半導體層111之表面上，且第二電極14位於最頂端磊晶結構11的p側氮化物半導體層113之表面上。
  第二圖顯示本發明實施例之內部量子效率（internal quantum efficiency, IQE）曲線，用以表示單一磊晶結構11的內部量子效率（單位%）與電流密度（單位A/cm2）之關係。如第二圖所示，內部量子效率曲線21及22皆具有下降（droop）特性。以內部量子效率曲線21為例，當電流密度為5A/cm2時，其內部量子效率為95%（位於曲線21的峰值）；當電流密度為25A/cm2時，其內部量子效率為45%。因此，內部量子效率曲線21的下降速率為2.5%(A/cm2)-1（=(95-45)/(25-5)）。以另一內部量子效率曲線22為例，當電流密度為5A/cm2時，其內部量子效率為95%（位於曲線21的峰值）；當電流密度為40A/cm2時，其內部量子效率為60%。因此，內部量子效率曲線22的下降速率為1%(A/cm2)-1（=(95-60)/(40-5)）。比較內部量子效率曲線21與22，可以得知曲線21的下降速率較大，定義為「強光效下降曲線(strong droop curve)」，曲線21的下降速率較小，定義為「弱光效下降曲線(weak droop curve)」。本實施例之（單一）磊晶結構11的內部量子效率之下降速率大於或等於1% (A/cm2)-1，亦即光效下降速率大於或等於曲線22，但不以此為限。
  一般定義外部量子效率（external quantum efficiency，EQE）為內部量子效率乘上光萃取效率（light-extraction efficiency，LEE），亦即EQE=IQE×LEE，假設發光二極體之光萃取效率不因操作條件改變而有增減，則內部量子效率（單位%）對電流密度（單位A/cm2）之曲線，與外部量子效率（單位%）對電流密度（單位A/cm2）曲線趨勢相似。於部分實施例中，光萃取效率約為50%-90%。
  於部分實施例中，設對應於磊晶結構11的內部量子效率之峰值（最大值）的電流密度為B，且設自內部量子效率之峰值50%降幅所對應的電流密度為A，則具有以下關係：A＞B≧0.1A。
  根據第一圖所示本實施例之堆疊發光二極體單元100及第二圖所示本實施例的內（外）部量子效率與電流密度之關係，假設每ㄧ磊晶結構11的操作電壓（例如3伏特）大致相同，則對於某一給定的預設輸入功率，當堆疊了複數磊晶結構11，其總電壓上升。相較於（傳統）使用單一磊晶結構之發光二極體且給定相同的輸入功率及具有相同的水平尺寸，本實施例之堆疊發光二極體單元100的操作電流密度會降低而趨近內（外）部量子效率的峰值（最大值）。藉此，在相同的輸入功率下，本實施例之堆疊發光二極體單元100具有極高的內（外）部量子效率。換句話說，其電轉光效率較傳統單一發光二極體來得高，因此可以減少或避免散熱的問題。在一較佳實施例中，堆疊發光二極體單元100的操作電流密度小於20A/cm2。相較於傳統發光二極體的操作電流密度大於30A/cm2，本實施例之堆疊發光二極體單元100具有較高的內（外）部量子效率；同時，本實施例之堆疊發光二極體單元100維持近似（傳統）使用單一磊晶結構之發光二極體的水平尺寸，因此不會大幅增加晶片成本。
  前述本實施例之電流密度、內（外）部量子效率與磊晶結構11堆疊數目的關係，可以第二圖之內部量子效率曲線22作說明如下。對於給定之預設輸入功率為90V．A/cm2，且每ㄧ磊晶結構11的操作電壓為3伏特（V），使用單一磊晶結構11的電流密度為30A/cm2，如所示操作點221。當堆疊了二個磊晶結構11，總電壓增為二倍（亦即6V），電流密度下降為原來的1/2，亦即15A/cm2，如所示操作點222。當堆疊了四個磊晶結構11，總電壓增為四倍（亦即12V），電流密度下降為原來的1/4，亦即7.5A/cm2，如所示操作點223。
  根據本實施例的另一特徵，對於某一給定的預設輸入功率，本實施例之堆疊發光二極體單元100因堆疊了複數磊晶結構11，因此可操作於內（外）部量子效率峰值之20%降幅以內所對應的電流密度區間31，如第三圖所例示的內部量子效率曲線。在一較佳實施例中，堆疊發光二極體單元100可操作於內（外）部量子效率峰值之15%降幅以內所對應的電流密度區間。此外，對於給定的預設輸入功率且假設每ㄧ磊晶結構11的操作電壓（例如3伏特）大致相同，本實施例之發光二極體的堆疊數目因此取決於操作電流密度。
  根據本實施例的又一特徵，磊晶結構11的內部量子效率的峰值大於或等於60%。在一較佳實施例中，磊晶結構11的內部量子效率的峰值大於或等於70%。以下例示多種提升內部量子效率峰值的方法，但不以此為限。提升內（外）部量子效率峰值的方法之一為減少n側氮化物半導體層111的缺陷密度。隨著n側氮化物半導體層111之缺陷密度的減少，內（外）部量子效率峰值會跟著增加。提升內（外）部量子效率峰值的方法之二為提升主動層112的晶體品質，例如增加其SRH（Shockley-Read-Hall）生命期（lifetime）。隨著主動層112之晶體品質的增加，內（外）部量子效率峰值跟著增加。提升內（外）部量子效率峰值的方法之三為使用極化匹配阻障層（polarization matched barrier）於主動層112當中。提升內（外）部量子效率峰值的方法之四為不使用電子阻隔層（electron blocking layer, EBL），例如於主動層112與第二電極14之間不使用電子阻隔層，以增加電子的注入。提升內（外）部量子效率峰值的方法之五為使用漸變濃度的井層（graded well layer）於主動層112當中。提升內（外）部量子效率峰值的方法之六為使用具超晶格結構的井層（superlattice well layer）於主動層112當中，超晶格結構主要係由二材質相異的子層交替堆疊而成，或兩材質相同但成分相異的子層交替堆疊而成。
  上述提升內（外）部量子效率峰值的方法通常也會同時改善內（外）部量子效率曲線的下降（droop）趨勢，然而代價通常是讓磊晶結構11的結構變得複雜。如前所述，由於本實施例係操作於低電流密度（例如小於20A/cm2），因此下降（droop）趨勢的改善僅會影響高電流密度的效率表現，但對於本實施例的堆疊發光二極體單元100並無實質幫助，反而造成結構的複雜。鑑於此，本實施例可使用簡化結構的方法，其雖然使得內（外）部量子效率曲線的下降（droop）趨勢變得嚴重，但可維持（甚至提升）內（外）部量子效率峰值，藉此減少製程時間及成本。簡化結構但維持（甚至提升）內（外）部量子效率峰值的方法之一為控制減少每ㄧ發光二極體中主動層112之量子井（QW）的數目，例如使其小於或等於6。在一較佳實施例中，控制堆疊發光二極體單元100的量子井總數目小於或等於30。
  第四圖顯示本發明實施例之發光二極體裝置的立體示意圖，其包含複數個堆疊發光二極體單元100，以陣列型式排列於基板24上，因此，第四圖所示的發光二極體裝置又稱為發光二極體陣列。相鄰堆疊發光二極體單元100可藉由其第一電極13或第二電極14彼此電性連結，例如：藉由銲線或內連線而電性連結，因而形成一串聯序列且/或並聯序列。以串聯序列為例，位於串聯序列的最前端堆疊發光二極體單元100與最後端堆疊發光二極體單元100，未與其他堆疊發光二極體單元100連接的第一電極13及第二電極14分別連接至電源供應器29的兩端。
  以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。
100．．．堆疊發光二極體單元
11．．．磊晶結構
111．．．n側氮化物半導體層
112．．．主動層
113．．．p側氮化物半導體層
12．．．穿隧接面
13．．．第一電極
14．．．第二電極
21~22．．．內部量子效率曲線
221~223．．．發光二極體的操作點
22．．．內部量子效率曲線
24．．．基板
29．．．電源供應器
31．．．操作電流密度區間
第一圖顯示本發明實施例之堆疊發光二極體單元的剖面圖。
第二圖顯示本發明實施例之內部量子效率（IQE）曲線。
第三圖例示本發明實施例之內部量子效率曲線及其操作電流密度區間。
第四圖顯示本發明實施例之發光二極體裝置的立體示意圖。
100．．．堆疊發光二極體單元
11．．．磊晶結構
111．．．n側氮化物半導體層
112．．．主動層
113．．．p側氮化物半導體層
12．．．穿隧接面
13．．．第一電極
14．．．第二電極

Claims (19)

  1. 一種發光二極體裝置，包含至少一堆疊發光二極體單元，該堆疊發光二極體單元包含：
    　　 複數個磊晶結構，其中，每一磊晶結構包含n側氮化物半導體層、主動層與p側氮化物半導體層；及
    　　 至少一穿隧接面，每一穿隧接面位於相鄰該磊晶結構之間，用以堆疊複數個該磊晶結構以形成該堆疊發光二極體單元；
    　　 其中當電流密度大於一預設電流密度值時，該磊晶結構之量子效率會下降（droop），且小於該預設電流密度值時，該磊晶結構具有一量子效率峰值；且
    　　 對於某一給定的預設輸入功率，該堆疊之複數個磊晶結構的總電壓大於每ㄧ該磊晶結構的操作電壓，使得該堆疊發光二極體單元的操作電流密度降低而趨近該量子效率峰值。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體裝置，其中該預設電流密度值為20A/cm2。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體裝置，其中該磊晶結構的量子效率之下降速率大於或等於1%(A/cm2)-1。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體裝置，其中該量子效率峰值所對應的電流密度設為B，且該量子效率峰值的50%降幅所對應的電流密度設為A，則該磊晶結構符合以下關係：A＞B≧0.1A。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體裝置，其中該量子效率峰值係為內部量子效率峰值，其大於或等於60%。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體裝置，隨著該n側氮化物半導體層之缺陷密度的減少，該量子效率峰值跟著增加。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體裝置，其中該主動層內的量子井之數目小於或等於6。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體裝置，其中該堆疊發光二極體單元的量子井之總數目小於或等於30。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體裝置，其包含複數該堆疊發光二極體單元，以陣列型式排列，且每ㄧ該堆疊發光二極體單元包含一第一電極及一第二電極，其中，相鄰的堆疊發光二極體單元可藉由其第一電極或第二電極彼此電性連結，因而形成一串聯序列且/或並聯序列。
  10. 一種發光二極體裝置，包含至少一堆疊發光二極體單元，該堆疊發光二極體單元包含：
    　　 複數個磊晶結構，其中，每一磊晶結構包含n側氮化物半導體層、主動層與p側氮化物半導體層；及
    　　 至少一穿隧接面，每一穿隧接面位於相鄰該磊晶結構之間，用以堆疊複數個該磊晶結構以形成該堆疊發光二極體單元；
    　　 其中當電流密度大於一預設電流密度值時，該磊晶結構之量子效率會下降（droop），且小於該預設電流密度值時，該磊晶結構具有一量子效率峰值；且
    　　 對於某一給定的預設輸入功率，該堆疊發光二極體單元操作於該量子效率峰值之20%降幅以內所對應的電流密度區間。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之發光二極體裝置，其中該預設電流密度值為20A/cm2。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之發光二極體裝置，其中該磊晶結構的量子效率之下降速率大於或等於1%(A/cm2)-1。
  13. 如申請專利範圍第10項所述之發光二極體裝置，其中該堆疊之複數磊晶結構的堆疊數目決定於該操作之電流密度區間。
  14. 如申請專利範圍第10項所述之發光二極體裝置，其中該堆疊發光二極體單元操作於該量子效率峰值之15%降幅以內所對應的電流密度區間。
  15. 如申請專利範圍第10項所述之發光二極體裝置，其中該量子效率峰值係為內部量子效率峰值，其大於或等於60%。
  16. 如申請專利範圍第10項所述之發光二極體裝置，隨著該n側氮化物半導體層之缺陷密度的減少，該量子效率峰值跟著增加。
  17. 如申請專利範圍第10項所述之發光二極體裝置，其中該主動層內的量子井之數目小於或等於6。
  18. 如申請專利範圍第10項所述之發光二極體裝置，其中該堆疊發光二極體單元的量子井之總數目小於或等於30。
  19. 如申請專利範圍第10項所述之發光二極體裝置，其包含複數該堆疊發光二極體單元，以陣列型式排列，且每ㄧ該堆疊發光二極體單元包含一第一電極及一第二電極，其中，相鄰的堆疊發光二極體單元可藉由其第一電極或第二電極彼此電性連結，因而形成一串聯序列且/或並聯序列。
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