TW478177B - Semiconductor component to generate a blended color electro-magnetic beam - Google Patents
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Description
A7 B7 鞠見 五、發明說明() (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本發明是關於一種產生雜色電磁輻射(特別是白色光)所 用之半導體組件,其半導體晶片具有第一半導體層及一個 鄰接於第一半導體層而配置之第二半導體層(其具有電致 發光之區域)。 白色光目前主要是以白熾燈或螢光管所產生,其發出具 有寬波長頻譜之光線。反之,發光半導體組件(例如,發光 二極體(LEDs)或半導體雷射二極體)所具有之發射頻譜典 型上只具有1〇至25nm之頻寬,即,其幾乎是單色的。但 其具有特殊之優點:其所需之電流只是白熾燈或螢光管所 需電流之一小部份而已。此外,發光半導體組件之壽命較 白熾燈或螢光管者長很多。若需要較大面積之發射器,則 LEDs或雷射二極體可以簡單之方式組合成陣列(array)。 利用三原色紅,綠和藍之LEDs或二個互補顏色藍和黃之 LEDs ,則可藉由相加性之彩色混合而產生光線,其對人類 之眼睛而言是白色的。但其特殊之缺點是:三個或二個發 光二極體在電性上須各別地被控制,這樣就需要昂貴之控 制電路(不同型式之LEDs通常需要不同之控制電壓),因此 亦需較高之安裝費用且使組件之小型化大大地受到限制。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 在W097 / 50 1 32中描述一種可發出白色光之發光二極體組 件,其中在一種可發出藍色光之發光二極體晶片上例如施 加一種含有釔鋁石榴石(YAG )-磷之發光-轉換層。此種發光 -轉換層在受到藍色光或紫外光(UV)-光束激發時會在黃色 頻譜區域中發光。就眼睛而言,由藍色之主光和黃色之副 太铋雒尺唐谪用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) 47sm 你年以;V修正 補充 五、發明說明() 光所構成之混合色(或雜色)會被視爲白色。此處所顯示之 缺點是需要額外之步驟以便製造此種發光-轉換層。 本發明之目的是發展一種可發出雜色光之半導體組件, 其製造只需較少之技術上之費用。 此目的是藉由一種具有申請專利範圍第1項特徵之半導 體組件來達成。 此種半導體組件之有利之實施形式及其它形式敘述在申 請專利範圍第2至第9項中° 在本文開頭所述技藝之半導體組件中,第一半導體層較 佳是具有一種材料,其位置對應於波長λ abs之吸收邊緣, λ abs較由第二半導體層所發出之光束中之波長λΕ還長, 且此種材料在以一種較λ abS還短之波長之光束來激發時可 再發射波長;之光束,其中此還長。 在較佳之實施形式中,使用基板作爲第一半導體層以便 以磊晶方式生長第二半導體層。 在另一較佳之實施形式中藉由磊晶.方式而在生長用之基 板上施加第一和第二半導體層。 一種有利之實施形式具有:第1半導體層(R),其含有 ZnSe;第二半導體層(E),其含有CdxZn1-xSe/ZnSe-量子井系 統(0 S X S 1 ),特別是含有一種多重量子井系統以作爲主動 區。 半導體層之意義在此不只是指各別由均勻之半導體材料 所構成之層,而且亦可以是一種由多個不同之層及/或級 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) r--------tT--------- 經濟银智慧財產局員工消費合作社印製 478177 _,吵 II五、發明說明() (grade )狀之層所構成之層系統或層序列。 本發明以下將依據三個與第1至5圖有關之實施例來詳述。圖 式簡單說明如下: 第1圖發光二極體晶片之第一原理構造圖。 第2圖發光二極體晶片之第二原理構造圖。 第3圖發光二極體晶片之第三原理構造圖。 第4圖本發明之發光二極體晶片之波長頻譜圖。 第5圖本發明之發光二極體晶片之頻帶原理圖。 在第1圖之發光二極體晶片C之原理構造圖中,在基板R上施 加一種有功能之半導體層E。 基板R通常以單晶方式由熔液中拉出,切割成薄的晶圓且拋光 而製成。 在該有功能之半導體層E(以下簡稱爲發射層E)下方是一種由 一層或多層半導體層所形成之配置,其用來在電流流經此晶片時 可在一種電致發光之區域B中產生一種電磁輻射。 基板R具有厚度是數百微米(//m)之穩定之機械式基層,此基 層厚度較一種以磊晶方式生長在基層上之發射層之厚度大100倍 左右。 發光二極體晶片之典型上是有功能之半導體層E習知方式大部 份是由許多不同厚度,組成及摻雜度之半導體層所構成。通常是 使用一種具有量子膜(film)之p-n接面作爲電致發光區B。量子 膜因此可形成一種量子井結構,例如,單一量子并(SQW,single quantum well)或多重量子井(MQW, multiple quantum well)。 整個系統之厚度通常在(微米)範圍中。 478177 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明() 爲了藉由適當之摻雜或混合而適當地使特性改變以及在 有功能之半導體層E內部中製成一些平滑之原子界面,則 這例如可藉由分子束嘉晶MBE(Molecular- beam epitaxy) 及/或金屬有機氣相嘉晶 MO VPE( met al organic vapor phase epitaxy)來達成。 在第1圖之實施例中,該有功能之半導體層E之發射波 長λ e較波長λ abs(其對應於基板R之吸收邊緣)還短。 在基板R中,若以波長較;labs還短之光束來激發時,則 在室溫或操作溫度時輻射用之再結合(recombinat ion)現 象在波長λ R (再發射時之波長)時具有較高之效用。 基板R之能帶間隙(band gap)因此較發射層Ε之發射用 之接面者還小。在基板R中在發光二極體晶片操作時會吸 收至少一部份由發射層E在基板R之方向中所發出之光束 。再發射波長λ R大於λ abs時須進行一種由基板R所發出 之再發射作用,其中有一些狀態須加入基板R之能帶間隙 中〇 因此可達成一種具體之晶片,其可發射二個波長極不相 同之光束S。因爲二個光產生用之體積互相存在於直接之鄰 近區中,則就人類眼睛而言可產生雜色光之印象且在特殊 情況時亦可產生白色光。若發光二極體晶片,如LEDs和第 1圖中所示者,存在於一種拋物鏡P中,則此種效應可放 大。 第2圖之實施例不同於第1圖之處是:吸收和再發射不 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) ··裝--------訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 478177 A7 丨和年·έ 歐上二j ί 二)D._」 B7_L—. •間尤 i 五、發明說明() 是發生於生長-基板A中,而是此處須設置一種各別之再發 射層R,其配置在生長-基板A和發射層E之間且具有一種 和第1圖之實施例之基板相同之特性。生長-基板A此處是 以透明方式或吸收光線之方式構成且只用作生長-基板。 第3圖之實施例基本上是和第2圖者相同,但有下述不 同:再發射層R不是配置在生長-基板A和有功能之半導體 層B之間,而是配置在發射層E之面對生長-基板A之側面 上。 藉由上述有功能之半導體層E(其具有量子井結構)之中 之量子井厚度或藉由該有功能之半導體層E中之成份而可 在某種極限中調整上述之發射波長λ e ,其中須注意此條 件λ ε < λ abs。基板或再發射層R之吸收邊緣之狀態是藉 由基板材料或再發射層材料之選擇來決定。再發射波長 λ R (相對於吸收邊緣A )是與能帶間隙之狀態的產生方式有關 〇 比値(即,(由基板R或再發射層R所發出之光束強度)/ (由有功能之半導體層E所發出之光束之強度))可適當地由 下述因素所影響: a )基板或再發射層R之厚度,即,吸收用之體積和再發 射用之體積(這可藉由薄化而達成); b) 基板中或再發射層R之輻射用之再結合速率(這可藉由 適當地引入(非)輻射用之再結合通道來進行); c) 波導之有效性(很光亮之LEDs是以所謂雙異質(double 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝--------訂--- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 478177 A7 B7 五、發明說明() he t e ro )結構來構成;因此可達成一種由於各層之相對應 之折射率跳躍値所造成之垂直於生長方向之波導效應;此 種波導效應越好,則越少光子可完全到達基板中或再發射 層R中且其成份在和此種由基板或再發射層R所發出之光 束相比較時越大);以及 d)發射波長λ e相對於基板或再發射層R之狀態(發射波 長λ Ε越靠近基板或越靠近再發射層R之吸收邊緣,則基板 或再發射層R越透明,且該處之吸收/再發射作用越小。爲 了使基板成份或再發射層成份保持較小,則當λ Ε > λ abs而發生足夠大之吸收作用時亦需要具備與此種條件λ Ε >久abs不同之條件)。 在第4圖所示之波長頻譜中,橫軸是波長λ而縱軸是強 度,其未按比例尺繪製。發射層Ε之發射頻譜ES(其尖峰 波長是λ ε )所存在之波長範圍較再發射層R之發射頻譜 RS(其尖峰波長是λ R)者還小。在波長λ abs時再發射層R 之吸收邊緣K位於發射頻譜ES和再發射頻譜RS之間。 在第5圖之頻帶規劃中垂直部份是能量。左邊部份顯示 此發射層E之能帶間隙,此種垂直且爲彎曲形式之箭頭表 示此發射層中之輻射用之接面(j unct ion)。頻帶之右邊部 份是再發射層R之能帶間隙,其具有一些位於能帶間隙中 之狀態。垂直且爲彎曲形式之箭頭表示此種再發射層中之 輻射用之接面。再發射層R中之再發射是藉由此種由發射 層E中所發出之光束來激發。 ‘紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂--- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 478177 A7 B7 和年6月吻^多 '正 補先 五、發明說明() 製造此種半導體晶片用之較佳之材料系統例如是一種含 有CdxZni-xSe/ZnSe(0€xSl)之第二半導體層E,其位在 ZnSe-基板上以作爲第一半導體層R。
ZnSe在室溫時具有2.7eV之能帶間隙,這相當於460nm 之波長。在體積材料之許多長晶方法中,較高之溫度或原 始材料缺乏純度時會使一些污染無意中形成在晶體中,這 些污染可在能帶間隙中造成一些狀態。一種特別強之在波 長6 0Onm處之室溫發光現象顯示一些導電性ZnSe-基板,就 像它們例如是藉由事後在鋅蒸氣中退火而產生或藉由以鋁 來摻雜而產生者一樣。 在此種情況下例如一種簡易之Z η - S e - p - η -二極體適合用 作第二半導體層Ε,其具有一種(Cd,Zn)Se/ZnSe-多重量子 井系統以作爲主動區(電致發光區B)。依據鎘之含量,則由 此種主動區所發出之光束之波長λ e可由藍色( 460nm)偏移 至綠色(540nm)。 基板之吸收邊緣λ abs是藉由一種高的碘含量而偏移至 大約515ηπι處。因此當具有489nm及/或508nm之發射波長 之發光二極體施加在基板上時,依據第1圖之實施例之半 導體組件所需之全部之先決條件都可滿足。 較佳是使用ZnSe: I -基板作爲基板,其是藉由布氏 (Bridgeman) -長晶法而製成。其它可能之基板-長晶法是碘 傳輸-長晶法和昇華長晶法。 在碘傳輸-長晶法中,在長晶反應器中存在著一種溫度梯 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) -----*------裝--------訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 478177 和年,本7, i —--- 五、發明說明() 度(g r a d i ent),其使材料在反應器之較冷側之方向中輸送。 在 此側上生長ZiiSe : I基板。藉由碘或碘化合物之添加而使結晶 品質提高 。此外,碘原子進入ZnSe基板中,碘原子是一種有 效之施體(Do nor)而可使上述之吸收邊緣被偏移。 上述之基板在各層之生長過程中未必作爲基板用。反之, 層 之接觸區和吸收/再發射-基板亦可只在事後例如藉由晶圓_ 接 合(Β ο n d i n g )來製成。 所期望之雜色亦可藉由適當地選取發光用之層(第二半導體 層E)和基板(第一半導體層R)來達成。 符號之說明 R..... 基板 c..... 發光二極體晶片 E..... 半導體層 B..... 電致發光區 ES .… 發射頻譜 R S .... 再發射頻譜 K..... 吸收邊緣 S..... 光束 A..... 基板 λ Ε· · · ...發射波長 λ a b s ·. ...基板之吸收邊緣處之波長 λ R .. ...再發射波長 P 拋物鏡 -10-
Claims (1)
- 478177 辦月>^·::: ___六、申請專利範圍 第89 1 0 1 1 68號「產生雜色電磁輻射所用之半導體組件」專利 案 (90年12月修正) 六申請專利範圍 1. 一種產生雜色電磁輻射(S)所用之半導體組件,此種電磁輻 射特別是一種白色光,而此半導體組件具有一個半導體晶 片(C),晶片(C)上包含第一半導體層(R)和與其相鄰而配置 之第二半導體層(E),第二半導體層(E)含有電致發光區(B), 此種半導體組件之特徵是:第一半導體層(R)含有一種材料, 此種材料在以一種由第二半導體層(E)所發出之波長爲λΕ 之第一電磁輻射來激發時會再發射至少一種較長波長 光束;所發出之波長爲2£之光束和波長爲/r之再發射之 光束又&共同形成此雜色之光束(S)。 2. 如申請專利範圍第1項之半導體組件,其中第一半導體層 (R)較佳是具有一種材料,具具有一種吸收邊緣’其能量位 準對應於波長λ abs,波長λ abs較此種由第二半導體層(E)所 發出之光束之波長λΕ還長,在以波長較λ abs還短之光束來 激發時此種材料會再發射波長之光束,波長又&較又^ 還長。 3. 如申請專利範圍第1或第2項之半導體組件,其中第二半 導體層(E)之磊晶生長所用之基板同時用作第一半導體層 (R)。 4. 如申請專利範圍第1或第2項之半導體組件,其中第一半 導體層(R)配置在一種生長-基板(A)和第二半導體層(E) 之間。 478177 六、申請專利範圍 5. 如申請專利範圍第1或第2項之半導體組件,其中第一半 導體層(R)配置在第二半導體層(E)之面對生長-基板(A) 之側面上。 6. 如申請專利範圍第1或第2項之半導體組件,其中第一半 導體層(R)具有摻雜之ZnSe而第二半導體層(E)具有CdyZnl_ xSe/ZnSe(OSxS 1)。 7. 如申請專利範圍第3項之半導體組件,其中第一半導體胃 (R)具有摻雜之ZnSe而第二半導體層(E)具有Ud-xSe/ZnSe(OSxS 1)。 8. 如申請專利範圍第4項之半導體組件,其中第一半導體® (R)具有摻雜之ZnSe而第二半導體層(E)具有 CdyZnl_xSe/ZnSe(OSxSl) 〇 9. 如申請專利範圍第5項之半導體組件,其中第一半導體層 (R)具有摻雜之ZnSe而第二半導體層(E)具有 CdyZnl_xSe/ZnSe(OSxSl)。 -2-
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