TW201611328A - 發光二極體晶粒及其製造方法 - Google Patents
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Abstract
一種發光二極體晶粒，包括：第一半導體層；形成在第一半導體層上的第一發光層，所述第一發光層發出第一種顏色光；形成在第一發光層上的第二發光層，所述第二發光層發出與第一種顏色光不同的第二種顏色光；及形成在第二發光層上的第二半導體層。
Description
本發明涉及一種發光二極體晶粒及其製造方法。
目前，發光二極體(Light Emitting Diode, LED)晶粒產生白光的發光原理包括：(a).使用藍光LED晶粒發出的光激發黃色螢光粉；(b).採用三原色LED晶粒（紅、綠、藍光LED晶粒）並聯在電路中，各LED晶粒發出的光進行混光。然而，以上發光原理各自存在缺點：發光原理(a)的缺點係演色性不佳；發光原理(b)的缺點係三原色LED晶粒各自的電子回路設計成本較高，且近距離混色性不佳。
有鑑於此，有必要提供一種演色性及混色性較佳，且成本較低的發光二極體晶粒及其製造方法。
一種發光二極體晶粒，包括：
第一半導體層；
形成在第一半導體層上的第一發光層，所述第一發光層發出第一種顏色光；
形成在第一發光層上的第二發光層，所述第二發光層發出與第一種顏色光不同的第二種顏色光；及
形成在第二發光層上的第二半導體層。
一種發光二極體晶粒的製造方法，包括以下步驟：
提供一基板；
在該基板上形成一第一半導體層；
在該第一半導體層上形成一第一發光層，所述第一發光層發出第一種顏色光；
在該第一發光層上形成一第二發光層，所述第二發光層發出與第一種顏色不同的第二種顏色光；以及
在該第二發光層上形成一第二半導體層。
在本發明的發光二極體晶粒中，第一發光層及形成在第一發光層上的第二發光層形成在同一發光二極體晶粒中，第一發光層發出的第一種顏色光與第二發光層發出的第二種顏色光能夠充分混合形成與第一、二種顏色光不同的另一種顏色光，發光二極體晶粒的演色性及混色性較佳，且成本較低。
圖1為本發明一實施例提供的發光二極體晶粒的二維剖面示意圖。
圖2為與圖1對應的發光二極體晶粒的三維剖面示意圖。
圖3為在一基板上形成各半導體層的示意圖。
圖4為對圖3中的第一發光層及第一半導體層進行處理以形成多個柱體的示意圖。
圖5為在圖4中的第一發光層及第一半導體層上形成第二發光層及第二半導體層的示意圖。
圖6為圖1中的發光二極體晶粒通電產生光線的示意圖。
圖7為藍寶石晶體結構的示意圖。
請參閱圖1及圖2，本發明一實施例提供的發光二極體晶粒10包括第一半導體層12、形成在第一半導體層12上的第一發光層13、形成在第一發光層13上的第二發光層14及形成在第二發光層14上的第二半導體層15。所述第一發光層13發出第一種顏色光，所述第二發光層14發出與第一種顏色光不同的第二種顏色光。
所述發光二極體晶粒10還包括一基板11。該基板11為藍寶石（Al2O3）基板、矽基板或氮化鎵基板。圖7所示為藍寶石晶體結構示意圖，藍寶石晶體結構包括m平面（m-plane）P1、c平面（c-plane）P2、a平面（a-plane）P3、r平面（r-plane）P4。優選地，所述第一半導體層12、第一發光層13、第二發光層14及第二半導體層15依次形成在該基板11的c平面上。
所述第一半導體層12與第二半導體層15為不同的摻雜型半導體層。本實施例中，第一半導體層12為n型氮化物半導體層。具體地，該第一半導體層12的材料可以係n型氮化鎵（n-GaN）。第二半導體層15為p型氮化物半導體層。具體地，該第二半導體層15的材料可以係p型氮化鎵（p-GaN）。在其他實施例中，第一半導體層12也可以為p型氮化物半導體層，第二半導體層15也可以為n型氮化物半導體層。所述第一半導體層12遠離基板11的區域包括一裸露的第一表面121和被第一發光層13、第二發光層14及第二半導體層15覆蓋的一第二表面123。第二半導體層15的底面152與第一半導體層12的第二表面123相間隔。所述第一發光層13、第二發光層14及第二半導體層15依次形成於第二表面123上。第一半導體層12的第二表面123上形成多個向上凸出的、呈柱狀的第一半導體層單體122。該多個第一半導體層單體122呈矩陣排列，且彼此等距間隔。
所述第一發光層13位於第一半導體層12和第二發光層14之間。所述第二發光層14位於第一半導體層12和第二半導體層15之間。在本實施例中，所述第一發光層13、第二發光層14均為多量子阱（multi-quantum well, MQW）結構，所述第一發光層13、第二發光層14的材料為含銦和鎵的氮化物（InxGa1-xN(0≤x≤1)）。該第二發光層14完全覆蓋該第一發光層13表面，使第二發光層14與第一發光層13充分接觸，第一發光層13發出的第一種顏色光與第二發光層14發出的第二種顏色光能夠充分混合形成與第一、二種顏色光不同的另一種顏色光。在本實施例中，該第一發光層13發出藍光，該第二發光層14發出綠光。
該第一發光層13包括層疊在第一半導體層單體122上的多個第一發光層單體132。該多個第一發光層單體132呈矩陣排列，且彼此等距間隔。該第二發光層14包括多個第二發光層單體142。各第二發光層單體142呈矩陣排列，且彼此等距間隔。每個第二發光層單體142對應包覆一第一發光層單體132及一第一半導體層單體122。每個第二發光層單體142的側部144對應環繞在一第一發光層單體132及一第一半導體層單體122周圍。每個第二發光層單體142的頂部146為多棱錐狀，其橫截面呈三角形。第二半導體層15覆蓋在各第二發光層單體142上。
每個第二發光層單體142的棱錐狀的頂部146的頂點處形成一量子點（quantum dot）148，該量子點148發出與第一、二種顏色光不同的第三種顏色光。量子點，又稱為納米晶，係一種由II-VI族或III-V族元素組成的納米顆粒。量子點的粒徑一般介於1～10納米（nm）之間，由於電子和空穴被量子限域，連續的能帶結構變成具有分子特性的分立能級結構，受激後可以發射螢光。在本實施例中，該量子點148的材料為含銦和鎵的氮化物（InxGa1-xN(0≤x≤1)），該量子點148發出紅光。該量子點148發出的紅光與第一發光層13發出的藍光及第二發光層14發出的綠光混合形成白光。
如圖6所示，每一第二發光層單體142底部發出的光能夠不斷的在該第二發光層單體142及其周圍的第二發光層單體142之間發生反射，最終從發光二極體晶粒10出光的一側向外出射，從而有效地減小了光損失，提高了發光二極體晶粒10的出光效率。
所述發光二極體晶粒10還包括形成於第二半導體層15上的一透明導電層16。本實施例中，該透明導電層16採用的材料係氧化銦錫（ITO）。
所述發光二極體晶粒10還包括形成於第一半導體層12的第一表面121上的一第一電極17及形成於透明導電層16上的一第二電極18。本實施例中，所述第一電極17和第二電極18分別為n型電極和p型電極。
所述發光二極體晶粒10還包括形成於基板11和第一半導體層12之間的一緩衝層19。該緩衝層19包括第一緩衝層192及第二緩衝層194。第一緩衝層192位於基板11和第二緩衝層194之間。所述第一半導體層12直接形成在第二緩衝層194上。本實施例中，第一緩衝層192及第二緩衝層194的材料為非摻雜的氮化鎵。
請一併參閱圖3至圖5，本發明還提供以上發光二極體晶粒10的一種製造方法，包括以下步驟：
提供一基板11；
在該基板11上形成一第一半導體層12；
在該第一半導體層12上形成一第一發光層13，所述第一發光層13發出第一種顏色光；
在該第一發光層13上形成一第二發光層14，所述第二發光層14發出與第一種顏色不同的第二種顏色光；以及
在該第二發光層14上形成一第二半導體層15。
該基板11為藍寶石基板、矽基板或氮化鎵基板。優選地，所述第一半導體層12、第一發光層13、第二發光層14及第二半導體層15係藉由金屬有機化合物化學氣相沉積（MOCVD）的工藝在基板11的c平面上連續地外延生長而形成。因晶格不匹配引起的缺陷會往c平面方向延伸，而在m平面（m-plane）及其他平面沒有缺陷產生，因此後續成長第二發光層14不會因缺陷而降低發光二極體晶粒10的發光效率。
在基板11的c平面上生長的所述第一半導體層12具有非極性平面(non-polar plane)與半極性平面(semi-polar plane)。在高溫的環境下，所述第二發光層14在所述第一半導體層12的非極性平面與半極性平面上外延生長，使第二發光層14的銦含量較高，從而可有效克服量子限制斯塔克效應(Quantum Confined Stark Effect, QCSE)，使發光層內電子和空穴複合幾率提升。
所述發光二極體晶粒10的製造方法還包括：形成多個柱體100的步驟，該多個柱體100藉由先對第一發光層13及第一半導體層12進行納米壓印，然後再進行微影蝕刻而形成。蝕刻的深度貫穿第一發光層13並延伸到部分第一半導體層12。每個柱體100的橫截面呈矩形。該多個柱體100呈矩陣排列，且彼此等距間隔，每相鄰的兩個柱體100之間形成一空隙133。該第一發光層13藉由蝕刻形成多個第一發光層單體132。部分第一半導體層12藉由蝕刻形成多個呈柱狀向上凸出的第一半導體層單體122。因此，每個柱體100包括層疊的第一發光層單體132及第一半導體層單體122。每一柱體100的高度的範圍為0.2~1微米（um）。較佳地，每一柱體100的高度為0.5um。
該第二發光層14包括多個第二發光層單體142。每個第二發光層單體142對應包覆一柱體100。每個第二發光層單體142的側部144對應環繞在一柱體100周圍。每個第二發光層單體142的頂部146為多棱錐狀，其橫截面呈三角形。
每個第二發光層單體142的棱錐狀的頂部146的頂點處形成一量子點148，該量子點148發出第三種顏色光。
所述發光二極體晶粒10的製造方法還包括形成一緩衝層19的步驟，該緩衝層19位於基板11和第一半導體層12之間。該緩衝層19包括第一緩衝層192及第二緩衝層194。第一緩衝層192位於基板11和第二緩衝層194之間。本實施例中，第一緩衝層192及第二緩衝層194的材料為非摻雜的氮化鎵，形成第一緩衝層192的溫度低於形成第二緩衝層194的溫度。
所述發光二極體晶粒10的製造方法還包括在第二半導體層15上形成一透明導電層16的步驟。本實施例中，所述透明導電層16採用的材料係氧化銦錫（ITO），採用蒸鍍的方法形成於第二半導體層15上。
所述發光二極體晶粒10的製造方法還包括在第一半導體層12上形成一第一電極17及在該透明導電層16上形成一第二電極18的步驟。本實施例中，所述第一電極17和第二電極18分別為n型電極和p型電極。
在本發明的發光二極體晶粒10中，第一發光層13及形成在第一發光層13上的第二發光層14形成在同一發光二極體晶粒10中，第一發光層13發出的第一種顏色光與第二發光層14發出的第二種顏色光能夠充分混合形成與第一、二種顏色光不同的另一種顏色光，發光二極體晶粒10的演色性及混色性較佳，且成本較低。
可以理解地，對於本領域的普通技術人員來說，可以根據本發明的技術構思做出其他各種相應的改變與變形，而所有這些改變與變形都應屬於本發明權利要求的保護範圍。
10‧‧‧發光二極體晶粒
11‧‧‧基板
12‧‧‧第一半導體層
121‧‧‧第一表面
122‧‧‧第一半導體層單體
123‧‧‧第二表面
13‧‧‧第一發光層
100‧‧‧柱體
132‧‧‧第一發光層單體
133‧‧‧空隙
14‧‧‧第二發光層
142‧‧‧第二發光層單體
144‧‧‧側部
146‧‧‧頂部
148‧‧‧量子點
15‧‧‧第二半導體層
152‧‧‧底面
16‧‧‧透明導電層
17‧‧‧第一電極
18‧‧‧第二電極
19‧‧‧緩衝層
192‧‧‧第一緩衝層
194‧‧‧第二緩衝層
無
10‧‧‧發光二極體晶粒
11‧‧‧基板
12‧‧‧第一半導體層
121‧‧‧第一表面
122‧‧‧第一半導體層單體
123‧‧‧第二表面
13‧‧‧第一發光層
100‧‧‧柱體
132‧‧‧第一發光層單體
133‧‧‧空隙
14‧‧‧第二發光層
142‧‧‧第二發光層單體
144‧‧‧側部
146‧‧‧頂部
148‧‧‧量子點
15‧‧‧第二半導體層
152‧‧‧底面
16‧‧‧透明導電層
17‧‧‧第一電極
18‧‧‧第二電極
19‧‧‧緩衝層
192‧‧‧第一緩衝層
194‧‧‧第二緩衝層
Claims (10)
- 一種發光二極體晶粒的製造方法，包括以下步驟：
提供一基板；
在該基板上形成一第一半導體層；
在該第一半導體層上形成一第一發光層，所述第一發光層發出第一種顏色光；
在該第一發光層上形成一第二發光層，所述第二發光層發出與第一種顏色不同的第二種顏色光；以及
在該第二發光層上形成一第二半導體層。 - 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體晶粒的製造方法，其中，所述基板為藍寶石基板、矽基板或氮化鎵基板，藉由金屬有機化合物化學氣相沉積的工藝在基板的c平面上連續地外延生長所述第一半導體層、第一發光層、第二發光層及第二半導體層。
- 如申請專利範圍第2項所述的發光二極體晶粒的製造方法，其中，在基板的c平面上生長的所述第一半導體層具有非極性平面與半極性平面，所述第二發光層在所述非極性平面與半極性平面上外延生長。
- 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體晶粒的製造方法，其中，還包括形成多個柱體的步驟，該多個柱體藉由先對第一發光層及第一半導體層進行納米壓印，然後再進行微影蝕刻而形成，該第一發光層藉由蝕刻形成多個第一發光層單體，部分第一半導體層藉由蝕刻形成多個呈柱狀向上凸出的第一半導體層單體，每個柱體包括層疊的第一發光層單體及第一半導體層單體。
- 如申請專利範圍第4項所述的發光二極體晶粒的製造方法，其中，所述第二發光層包括多個第二發光層單體，每個第二發光層單體對應包覆一柱體，每個第二發光層單體的側部對應環繞在一柱體周圍。
- 如申請專利範圍第5項所述的發光二極體晶粒的製造方法，其中，每個第二發光層單體的頂部處形成一量子點，該量子點發出第三種顏色光。
- 一種發光二極體晶粒，包括：
第一半導體層；
形成在第一半導體層上的第一發光層，所述第一發光層發出第一種顏色光；
形成在第一發光層上的第二發光層，所述第二發光層發出與第一種顏色光不同的第二種顏色光；及
形成在第二發光層上的第二半導體層。 - 如申請專利範圍第7項所述的發光二極體晶粒，其中，還包括一基板，該基板為藍寶石基板、矽基板或氮化鎵基板，所述第一半導體層、第一發光層、第二發光層及第二半導體層依次形成在該基板的c平面上。
- 如申請專利範圍第7項所述的發光二極體晶粒，其中，所述第一半導體層上形成多個向上凸出的、呈柱狀的第一半導體層單體，該第一發光層包括層疊在第一半導體層單體上的多個第一發光層單體，該第二發光層包括多個第二發光層單體，每個第二發光層單體對應包覆一第一發光層單體及一第一半導體層單體。
- 如申請專利範圍第9項所述的發光二極體晶粒，其中，每個第二發光層單體的頂部處形成一量子點，該量子點發出第三種顏色光。
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