TWI291247B - Nanoparticle structure and manufacturing process of multi-wavelength light emitting devices - Google Patents

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TWI291247B
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Wen-Cheng Ke
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Description

1291247 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明關於一種新的發光二極體元件之結構， 於一種以奈米粒爲主動層之結構，及其製法；此 用於任何異質接面之半導體光電元件之製作。 【先前技術】 有關新型照明燈源之硏發，由於發光二極體具 、低電壓驅動之省電特性，使其在全球能源缺乏 綠色環保觀念提昇的潮流中，特別引人注目。 以現階段白光二極體及製造技術而言，主要可 大類，包括：（1)雙色互補色方式，即是以藍光二 黃色螢光粉方法合成白光光源；（2)紫光激發螢 (UV-LED pumping phosphorus)，以紫外光二極體 藍三色螢光粉方法合成白光光源；以及（3)紅、綠 色晶粒一體化混光方式，以三顆分別爲紅、綠、 長之發光二極體經封裝一體後混色而成白光光源 最早發展之技術爲雙色互補色方式，其發光 1950年MacAdam計算可以高達400 lm/W，然而這 補色產生白光光源方式其演色性不佳，無法反應 上之全彩顏色，只能用在戶外與工業工作上的運 法運用在戶內照明（博物館內、辦公室內、桌上 。目前使用雙色互補色合成白光光源的代表性廠 日亞化學（Nichia)的白光發光二極體之專利，US 、US 6,069,440及TW 3 8 3,5 08，係使用釔鋁石榴 與氮化物二極體之設計製作白光發光二極體，藉 特別是關 結構可適 備低電流 及各國對 以分爲三 極體激發 光體方式 激發紅綠 、藍光三 藍發光波 〇 效率根據 種雙色互 物體實質 用，而無 )之運用 商，例如 5,998,925 石螢光粉 由藍光發 1291247 光二極體（ 460 nm InGaN)激發塗佈在其上方之黃色 螢光粉（5 5 5 nm的黃光），螢光粉被激發後產生黃光 先用於激發的藍光互補產生白光。雖然利用藍光晶粒 黃色螢光粉的白光二極體製作方式是目前比較成熟的 ，然而尙有許多問題無法獲得解決，首先是均勻度問 因爲激發黃色螢光粉的藍光晶粒實際上參與白光的配 因此藍光晶粒發光波長偏移、強度改變及螢光粉塗佈 均會影響到白光的均勻度（白光發光二極體之中央部 藍，而旁邊較黃），另外加上色溫偏高與演色性較低 題，迫使許多國際大廠逐漸轉移朝其他白光發光二極 造技術發展。 再者，以紫外光二極體激發紅綠藍三色螢光粉方法 白光光源之技術，T h 〇 r n t ο η早於1 9 7 1年，即提出使 種單色（450、540及610 nm)混光方式產生之白光光源 較高的演色性，演色性越高之白光光源越可以避免白 缺乏某些波段之光源造成物體色澤之失真，因此可以 之領域範圍較廣，同時可滿足包含了室外與室內照明 求。另外，通用電氣（General Electric)在 US6,522,065 中使用AmNa! + xExD2V3〇12作爲螢光粉，其中A可以j 、Ba、Sr其中之一或混合三者，而E可以爲Eu、Dy 、ΤΙ、Ει·其中之一或混合使用，D可以爲Mg或Zn其 一或混合使用，在UV激發螢光粉所發出之白光顏色 由螢光粉所決定，可藉由調整活性劑的比例而調整光 以UV LED激發紅綠藍三色螢光粉之白光發光二極 目前國際各LED廠商主要發展的技術，然而因爲紫外 YAG 與原 配合 技術 題， 色， 厚度 份較 等問 體製 合成 用三 具有 光因 運用 之需 專利 % C a 、Sm 中之 完全 色。 體是 光發 1291247 光二極體之發光效率目前仍無法有效提昇，再加上抗uv 封裝材料的開發、配合螢光粉紫外光波段之選擇，以及螢 光體本身亦具有環境污染之問題，未來這些問題是否能獲 得進一步突破，將決定此白光發光二極體製作技術可否繼 續發展。 根據 Opto-electronics Industry Association 預測白光二極 體之流明效率（luminous efficacy)在2020年時可以達200 lm/W。而在提昇流明效率中插座效率（wallplug efficiency) 爲主要考慮因素之一。一般而言白光二極體之電流明效率 (electrical luminous efficacy)〜，•[/讲/%]可以表示成 WPECTAxfr^xriphJTDxSwhJlm/Wjjxripkg，其中 r|pkg 爲封裝效率 (package efficiency)，r|phc)S(T)爲螢光粉量子效率（phosphor quantum efficiency)，ηςρ爲螢光體吸收（quantum deficit in phosphor (Stokes’ shift)) » s0>ph0S 爲光流明效率（optical luminous efficacy)，爲插座效應。插座效應爲所施 加之電功率可轉換成發光功率之比値，故發光元件之總體 效率越高將可以獲得較高之插座效率，而發光元件中之總 體效率包含：內部量子效率（internal quantum efficiency)、 載子注入電效率（injection efficiency)及光取出（light extraction efficiency)，意即 /) = Χ7?ν X7? ，其中 η…爲內部量子效率、7? ν爲載子注入電效率、 7? 爲光取出效率。其中第一與第二項效率取決於元件 之材料品質（磊晶成長與能帶結構），而光之取出效率取 決於元件之幾何形狀與光被元件本身吸收之程度。 在Lumiled之報導中白光發光二極體以藍光LED配合螢 1291247 光粉方式要達到200 lm/W之電流明效率，假設光流明效率 當 1^=80%， η_(25°〇> 9 5 % 時，WPE(T，I)xTVg 必須要超過80%才能達到此目標；另一種白光發光二極體 以紫外光LED配合RGB三色螢光粉方式，假設光流明效率 〜，_[/所/%]<3〇〇/#||/)^，當 tiqd=70% (3 8 0 nm)，η_(25Υ)>95%時， λνΡΕ(Τ，Ι)χη_必須要100%才能達到200 lm/W之電流明效率 ;然而，白光發光二極體以紅、綠、藍光三色晶粒一體化 之方式，假設光流明效率~，_[/m/»；]<300/m/)^，其中riQD=l〇〇% ，η_(25°Ρ=100% 時，WPE(T，I)xiipkg 僅需要 67 %就可以達到 200 lm/W之電流明效率目標。 理論計算使用紅、綠、藍光三色晶粒一體化混成白色光 方法，其WPE僅需要67%，相較於直接使用藍光LED激發 黃色螢光體WPE之80%，紫外光二極體激發紅、綠、藍三 色螢光體WPE之100%，採用紅、綠、藍光三色晶粒一體 化混成白光方式將較容易達到高發光效率之需求。造成此 三種白光發光二極體製作技術WPE的差異最主要原因爲螢 光粉之能量轉換效率，即史托克能量損失（Stok e s' energy loss)，相較於藍光LED激發黃色螢光體之螢光粉能量轉換 效率約72%，紫外光二極體激發紅、綠、藍三色螢光體約 63%，由於紅、綠、藍光三色晶粒一體化組合之白光LED 沒有螢光粉之能量轉換效率問題，故最容易達到高發光效 率之目標。例如Lumileds在US 6,686,69 1專利中所揭露， 係使用三原色燈泡混合成白光光源；而 philips在 US6,234,645專利中亦提到使用至少三顆以上之LED合成 白光，其發光效率可以高達40 lm/W。 1291247 以上習知白光發光二極體之製作方法都是屬於使用量子 井作爲主動層之結構，如第1圖所示，量子井主要係由能 隙較筒之位能障層（b a r r i e r 1 a y e r)與能隙較低之位能井層 (well layer)所構成，在外加順向偏壓下，少數載子注入能 隙較低之位bS井層內’並受到能障層之偈限作用，載子於 位能井層內經由輻射復合而發光。而輻射結合速率 (radiative recombination rate)可以結合方程式 R = Bnp 表示 之，其中B爲結合係數，η與p爲載子濃度；因此當位能 井層中之載子濃度越高時 <，結合速率將可以獲得增加，進 而獲得較高發光效率之發光二極體。然而目前以Ill-Nitride 爲薄膜材料之藍、綠發光二極體中，因無適當晶格匹配之 基板1，導致薄膜內因晶格不匹配產生密度高達1〇8〜1〇9 cnT2的插排缺陷，這些插排缺陷通常貫穿量子井主動層， 以至於在主動層內造成非輻射復合降低了內部量子效率， 並使得發光二極體發光效率降低。 【發明內容】 爲有效降低差排缺陷於量子井內部所造成之非輻射復合 ，解決發光二極體發光效率降低的問題，本發明提供一種 含奈米粒之多層堆疊主動層結構，可以有效提昇發光二極 體之發光效率。 本發明提昇發光二極體發光效率之方法主要爲在多層堆 疊主動層內成長高密度之奈米粒結構，當奈米粒之密度高 於差排密度，載子掉入奈米粒內進行輻射復合之機率將可 以獲得提昇，即降低了載子受差排缺陷捕捉機率，進而有 效提昇發光二極體之發光效率。 1291247 在上述之含奈米粒之多層堆疊主動層結構 ^ 內之原子數目減少致某一程度時，亦即奈米 激子波耳半徑（exciton Bohr radius)達量子點 子侷限效應（Q u a n t u m c ο n f i n e m e n t)逐漸加強， 之能量越來越高而發生波長藍位移現象，因 米粒之幾何大小，將可以達到任意調控奈米 需求。另一方面，當奈米粒達到具量子效應 ' 階開始分離量化而形成一個以上之不同能量 φ 分離量化的能階都代表有機會被載子所塡據 能量之能階上載子於復合後將可以同時釋放 量波長的色光，而達成單一奈米粒即可發射 發光波長。 本發明的主要目的就是在提供一種多層堆 之發光二極體，有效地提昇發光二極體之發 單顆發光二極體內，透過多層堆疊主動層結 素組成與大小之設計，於單顆LED內同時獲 φ 紅、綠、藍三原色之色光，進而製成白光發 種以多層堆疊主動層結構之發光二極體製作 極體，可以符合高發光效率、高演色性及低、 ' 本發明多層堆疊主動層之發光二極體結構 - 由控制奈米粒之元素組成或幾何大小來調變 以三原色方法混合成白光光源，或者使用螢 制奈米粒之元素組成或幾何大小來調變一種 之發光波長，以呈現混成白光，均可達到高 極體製作目的。 中，當奈米粒 粒縮小至小於 之尺寸時，量 使其基態能階 此藉由控制奈 粒之發光波長 尺寸時，其能 能階，而每一 ，故而在不同 出具有多種能 一種（含）以上 疊主動層結構 光效率，係於 構內奈米松兀 得發光波長爲 光二極體，此 之白光發光二 戎本之需求。 中，包括直接 其發光波長， 光體，並藉控 配合該螢光體 演色性白光二 -10- 1291247 本發明多層堆疊主動層之發光二極體結構中，如第2圖 (a)所示，係於基板1、緩衝層2與導電層8之間具有多層 堆疊結構，每一層量子井包含低能隙位能井層4(well layer) 與高能隙之位能障層3 (b a r ι· i e r 1 a y e r)，其特徵在於至少一 層之該位能井層4具有可以同時發出多波長色光之奈米粒 結構，也包括發出單一波長色光之奈米粒結構。第2圖（b) 所示爲具有三原色發光波長之多層堆疊主動層結構，該三 原色發光波長主要分別由三個個別之位能井層內奈米粒發 光波長（λ !，λ 2及 λ 3)所組成。第2圖（c)所示，在每一 堆疊層之發光波長可以由位能井發光波長（λ)、奈米粒之 發光波長（λ 3)及奈米粒本身之基態發光波長（Λ 3.!)與第一 激發態發光波長（λ 3.2)所組成。本發明之發光二極體多層堆 疊主動層之結構，可進一步包括配合可以發出一種（含）以 上螢光波長之螢光體，藉由多層堆疊主動層本身所發光之 波長及螢光體受該波長激發而發出之波長，可組成多波長 之發光光源元件。其中，在位能井層中之奈米粒可以成長 於位能井層之中間處或位能井層與位能障層界面上、下方 之接鄰處等位置。 在上述之本發明多層堆疊主動層之發光二極體結構中， 該多層堆疊主動層之發光波長可以配合外加螢光體而混成 白光光源；再者，該多層堆疊主動層之發光波長可以爲紫 外光之發光波長，以激發具互補色性質雙螢光波長之螢光 體，發出白光光源；再者，該多層堆疊主動層之發光波長 可以爲紫外光之發光波長，以激發三原色或多色螢光波長 之螢光體，發出白光光源；又，該多層堆疊主動層之發光 -11- 1291247 波長可以爲一種（含）以上之可見光發光波長，以激發一種（ 含）以上之螢光波長螢光體，其中激發波長可與螢光波長相 互配色，以組成包含雙互補色或紅、綠、藍三原色（含）以 上之白光光源。 較佳地，在上述之本發明多層堆疊主動層之發光二極體 結構中，多層堆疊主動層爲部分（或全部）含奈米粒或部分（ 或全部）不含奈米粒之結構。該多層堆疊主動層結構可以是 互補性的兩種發光波長，藉由調整成長參數控制奈米粒元 素組成或大小，獲得所需之雙色互補色混成白光光源，不 需外加螢光體即可合成互補色之白光光源。 更佳地，在上述之本發明多層堆疊主動層之發光二極體 結構中，多層堆疊主動層爲部分（或全部）含奈米粒或部分（ 或全部）不含奈米粒之結構。該多層堆疊主動層結構可以是 三種以上發光波長，藉由調整成長參數控制奈米粒元素組 成或大小，獲得所需之紅綠藍三原色混成白光光源或以多 色方式混成具連續光譜之白光光源。 適用於本發明發光二極體之該多層堆疊主動層發光奈米 粒材料，選自 GaAs、InAs、InP、InSb、GaSb、InAGaN、InN 、AIN、ZnSe、ZnTe、CdSe、CdTe、HgTe、HgSe、SiGe、 SiC、I n x G a i - x N ' IruGa 卜 XP、IruGa 卜 xAs、Alxln 卜 XN、Α1χΙηι·χΡ "AlxIm-xAs ' AKGai-xN ' AlxGai-xP ' AlxGai-xAs ' ZnxCdi-xSe 、ZnxCch-xTe、（AlxGa 卜 x)yIn 卜 yN、（AlxGa 卜 Oylm.yP，其中 0<x<l ;〇<y<l。其中該多層堆疊主動層結構之低能隙位能井層厚 度爲0.3 nm〜l//m，高能隙位能障層厚度爲1 nm〜l//m。 其中該多層堆疊主動層之發光奈米粒密度範圍爲103〜 -12- 1291247 l〇13 cm·2或更高奈米粒密度，發光奈米粒厚度範圍爲 〇·3〜100 nm，寬度範圍爲0.3〜500 nm。 再者，配合該發光光源元件中之螢光體可以爲黃色 :Y3Al5〇12:Ce3+、黃色：Υ3Αΐ5〇Ι2··Ειι2+、黃色：YsAuOaEu^、紅 色：SrSiAl2〇3N2:Eu2+、紅色：SrS:Eu2+、紅色：Gch〇3S:Eu3+、紅 色：SrS:Eu2+、綠色：SrAlSCISi:Eu 綠色：SrGa2S4:Eu2+、綠色 :SrGa2S4:Eu2+、藍色：SCAP、藍色：BaMgAli〇〇i7:Eu2+…等。 更進一步地，在上述之本發明多層堆疊主動層之發光二 > 極體結構中，可以配合截型倒轉金字塔型、表面粗化及覆 晶封裝方法，以提昇元件發光效率。 本發明藉由以單顆三原色之多層堆疊主動層結構製作白 光發光二極體，不需使用三顆紅綠藍三原色發光二極體’ 只需單顆發光二極體即可以合成白光光源，達到高演色性 、高發光效率及低成本之需求；使用紅綠藍三原色混成白 光光源方法改善了目前以藍光發光二極體激發黃色螢光體 產生白光光源之低演色性問題。此外，使用含奈米粒之多 > 層堆疊主動層減低量子井結構中受到差排缺陷造成非輻射 復合影響，可以有效提昇發光效率。本發明的目的就是在 提供一種含奈米粒多層堆疊主動層之發光二極體，僅需單 顆發光二極體即可以產生白光光源，有效降低製作成本。 如前述本發明之發光二極體多層堆疊主動層結構之製法 ，至少包括：（1 )先提供一基板1，（ 2 )並在基板1上成 長η或p型緩衝層2，（ 3 )成長位能障層3，（ 4 )於第一 量子井之位能井層4中成長第一發光波長奈米粒5， （5) 再成長位能障層3 ; ( 6 )並於第二量子井之位能井層4中 -13- 1291247 成長第二發光波長奈米粒6，（7)再成長位能障層3; (8
)並於第三量子井之位能井層4中成長第三發光波長奈米 粒7，（ 9 )再成長位能障層3 ;( 1 0 )最後再升高成長溫 度成長P或η型導電層8。又，步驟（4)至步驟（8)之實 施，端視前述本發明多波長發光二極體之多層堆疊主動層 型態所需波長及組合而定。本發明發光二極體多層堆疊主 動層結構其配合可以發出一種（含）以上螢光波長之螢光體 之製法，係於前述之步驟（10)之後，進一步成長該配合 螢光體之步驟V 其中奈米粒之成長方式，可以使用週期性流量調制磊晶 方法，參考本申請案之發明人先前之美國專利申請案（案號 1 1 /005，5 47，申請日期2004/1 2/6)，以及發明人先前相關論 文 （發 表 於 Japanese Journal of Applied Physic，Vol.43, Νο·6Β，2004, PP.L780 〜783, June， 2004 ，
W ei - Kuo Chen e t a 1. ” Formation of Self-organized GaN
Dots on A10.11Ga0.89N by Alternating Supply of Source Precursors” ），其揭示成長奈米粒爲發光二極體之多層量 子井主動層結構，該方法可以在低晶格常數不匹配度之材 料上，甚至於相同晶格常數之材料上成長奈米粒，因此發 光二極體多層量子井主動層材料選擇性高，其發光波長可 調變範圍增加，而且可在能隙較低之位能井層4內直接成 長奈米粒結構，以增加發光二極體之發光效率。 在本申請案發明人提出該奈米粒成長技術之前，習知方 式係以S K模式爲主，其先決條件是緩衝層與磊晶薄膜間 之晶格不匹配度必須大於2%以上，致使磊晶薄膜成長型 -14- 1291247 態，由二維平鋪型成長轉變爲三維之島狀（或錐狀）奈米 粒成長，此種成長模式轉變之方法目前已廣泛地被應用於 晶格不匹配度約5〜7 %之III-V或II-VI族化合物半導體， 如InAs/GaAs、ZnTe/ZnSe等材料之奈米粒製作上；再者， Nakada Yoshiaki 等所擁有之專利，JP 1 0,289,996 及 JP 9，283,737中揭示一種使用S-K成長模式，係成長In As奈 米粒於GaAs緩衝層之技術。如以SK模式在發光二極體之 多層量子井主動層內成長奈米粒結構時，奈米粒僅能成長 於與其晶格不匹配度>2%之能隙較高之位能障層上，如此 一來，主動層之結構設計受限，亦將會減少主動層材料之 選擇性，也限制了發光二極體之波長可調變範圍。 因此，本發明所使用之週期性流量調制磊晶方法以成長 奈米粒結構，實質上係用以獲得遠超出習知製法的預期效 果。 【實施方式】 本發明中我們先列舉使用週期性流量調制磊晶方法成功 地在僅有0.25 %之低晶格不匹配度氮化鋁鎵緩衝層上成長 氮化鎵奈米粒，但後文中所有列舉之含奈米粒多層堆疊主 動層結構之發光二極體並不受限於此成長方法。 第2圖爲使用週期性流量調制磊晶方法在不同TMGa反應 氣體流率下所成長之GaN奈米粒原子力顯微影像圖，改變 TMGa 流率成長參數分別爲 2.21xl0·5、2.65xl0·5、3.31X10·5 mole/min，由第 3圖可以得知奈米粒高度與寬度分別爲 6/200、8/160、12/220 nm。進一步在GaN奈米粒上披覆厚 度約3 0 nm與氮化鋁鎵緩衝層2相同鋁組成之披覆層，以 -15- 1291247 量測奈米粒之光學特性；由第4圖可以發現到當GaN奈米 粒尺寸縮小時，可以觀察到相關於GaN奈米粒之譜峰有藍 位移之現象，其GaN奈米粒相關譜峰由高度12 nm奈米粒 之355.5 nm隨奈米粒高度降低到6 nm時譜峰位置藍移到 3 4 9.8 nm，利用此一特性，在多層量子井主動層結構內， 可以藉由成長參數以控制奈米粒幾何大小而獲得不同發光 波長之奈米粒，進而可以任意調變發光二極體之發光波長。 奈米粒之發光波長除了可以透過控制奈米粒幾何尺寸獲 得外，尙可以經由奈米粒本身之元素組成控制而得到，以 IruGa^N材料而言，當In組成由x = 0改變到x=l時，其發 光波長範圍由3 62 nm紫外光延伸到1.6 // m遠紅外光。根 據日亞化學以 GaN/InGaN多層量子井製作之發光二極體 之技術，在以In GaN爲位能井層材料時，可以藉由In組成 之調變而控制發光二極體之發光波長，並進一步指出發光 波長爲590nm所需In組成約爲34%，發光波長爲5 25 nm 所需In組成爲29%，發光波長爲45 Onm所需In組成爲17%。 因此，本發明亦可以成長以InGaN爲材料之奈米粒，利用 In GaN奈米粒中In組成之調變，將可以獲得從紫外光（波長 < 400 nm)、可見光（波長 400〜700nm)到近紅外線（波長0.7 〜1.6 //m )之發光波長奈米粒。 有關本發明之技術內容及實施手段槪以下列之具體實施 例描述之。 實施例1 (含奈米粒主動層之單一發光波長發光二極體） 有鑑於在多層量子井主動層結構內成長奈米粒可以有效 降低目前III族氮化物發光二極體之多層量子井主動層內 -16- 1291247 受差排缺陷引起的非輻射復合率，本發明提出一種單一發 光波長之含奈米粒多層量子井主動層結構，詳第5圖U)用 以提昇發光二極體之發光效率。其成長步驟爲：先提供一 基板1，並在基板1上成長η型或（P型）導電緩衝層2，隨 後成長高能隙位能障層3，再成長低能隙之位能井層4，並 在位能井層4內部成長單一發光波長爲 λ!之奈米粒結 構，再成長高能隙位能障層3，至此便完成單一層含奈米 松重子井主動層結構。本發明中可以重複成長多層之含奈 φ 米粒量子井主動層結構以提昇發光二極體之發光效率，或 經由成長參數，如：溫度之調控（溫度較低，密度較高）， 以較高密度之奈米粒獲得較高之發光效率，最後再成長ρ 型或（η型）緩衝層。 " 第5圖（b)爲單一發光波長含奈米粒多層量子井主動層之 對應能帶圖，在外加偏壓下，少數載子經擴散掉入能隙較 低之奈米粒內復合發光，發光奈米粒之發光波長 λ,可以 經由奈米粒本身元素組成與幾何尺寸控制而獲得。 • 實施例2(含奈米粒主動層之雙發光波長發光二極體） 由以上之描述得知，我們可以藉由奈米粒之元素組成或 幾何尺寸之控制而調變奈米粒之發光波長，根據此特性， ^ 進一步地可以在多層量子井主動層結構內之不同層位置上 - 成長不同元素組成或幾何尺寸之發光波長奈米粒，完成具 有多種發光波長之發光二極體製作。利用此含奈米粒多層 量子井主動層之多波長發光特性，未來可運用於白光發光 二極體之製作，對未來於照明市場上之運用極具產業之可 利用性。 -17- 1291247 因此，本發明中我們將提出多種不同之含奈米粒多層量 子井主動層結構設計用以合成白光光源，首先爲「含奈米 粒多層量子井主動層之雙發光波長發光二極體」設計。根 據1 964年CIE所加入色溫爲6500K之D65標準照明體下， 產生白光光源之互補色可爲表一所示，在調整兩種互補色 之功率比後即可以合成白光光源。 第6圖（a)與（b)分別爲第一種含奈米粒多層量子井主動層 之雙發光波長發光二極體結構圖與相對應能帶圖，其結構 設計主要以多層量子井主動層結構爲基礎，每一層之量子 井層包含了較高能隙之位能障層3與發光波長爲λ之較低 能隙之位能井層4 ;而發光波長爲λ!之奈米粒成長於第一 層位能井內，而多層量子井主動層結構即爲重複成長發光 波長分別爲1及λ,之位能井層與奈米粒結構，該1及λ!之發 光波長分別選自表一所列之波長，以組成互補色之白光發 光二極體。第7圖（a)與（b)爲第二種含奈米粒多層量子井主 動層之雙發光波長發光二極體結構圖與相對應能帶圖。結 構設計主要以多層量子井主動層爲主，該單一層量子井層 內包含能隙較高之位能障層3與能隙較低之位能井層4 ’ 並於第一位能井層4內成長表一所列λ!其中某一發光波長 之奈米粒，第二位能井層4內成長表一所列對應之互補色λ2 發光波長之奈米粒，依序重複成長複數層具11與12發光波 長奈米粒之多層量子井結構主動層；本發明亦可以先成長 複數個λ ^發光波長之奈米粒多層量子井結構後’再成長複 數個λ2發光波長之奈米粒多層量子井結構’即可以混成白 光光源。本發明亦提出另一種「含奈米粒多層量子井主動 -18- 1291247 層之雙發光波長發光二極體」結構圖與其相對應之能帶圖 如第8圖（a)、（b)所示，亦即在同一位能井層4內同時成長 二種具互補色發光波長人1與12之奈米粒15，並以複數個同 時具互補色發光波長11與？^之量子井奈米粒主動層結構， 混成白光光源。而同一位能井層內同時成長二種具互補色 發光波長奈米粒結構之方法，可利用一般在InGaN材料中 經常出現之相分離（phase separation)現象，即同時出現二種 銦組成之InGaN奈米粒或在位能井內出現兩種組成之· InGaN相分離結構達成之。本發明再提出另一種「含奈米 粒多層量子井主動層之雙發光波長發光二極體」結構圖與 其相對應之能帶圖如第9圖（a)、（b)所示，亦即在同一位能 井層4內，成長具有沾濕層4a之奈米粒結構5，奈米粒結 構之發光波長主要由沾濕層λ 與奈米粒本身λ i發光波長 組成二種具互補色發光波長光源。具有沾濕層之奈米粒結 構可以藉由SK模式成長之，由於SK模式需藉由沾濕層累 積足夠應力應變能，方能由二維平面成長轉變爲三維度奈 米粒成長，故本發明可使用SK模式成長具有沾濕層之奈米 粒結構。另一方面，奈米粒與位能井層4、位能井層4與 位能障層3或奈米粒與位能障層3之界面處經常存在界面 態位（interface state)，當載子進入位能井層之過程中，將 有許多載子是經由此界面態位復合發光，故本發明中，如 第1 0圖所示，可以在同一位能井層4內，利用界面態位之 發光波長λ!.2與奈米粒本身發光波長λ!組成二種具互補色 發光波長光源。而另一方面除了界面態位外，尙可以在奈 米粒結構或位能井層內摻入雜質，利用雜質產生之雜質態 -19- 1291247 位發出之波長與奈米粒本身發光波長組成二種具互補色發 光波長光源。 實施例_ 3(含奈米粒多層量子井牛動曆之紅、綠、藍三波 長發光二極體） 有鑑於紅、綠、藍三原色混光方式合成之白光光源具有 較高演色性之優點，本發明提出利用三種具三原色發光波 長之含奈米粒多層量子井主動層結構，詳第11圖（a)=，以 合成白光光源，該結構之對應能帶圖如第1 1圖（b)所示，第 _ —(λ!)、第二（λ2)及第三波長（λ3)之奈米粒發光 波長爲三原色中之個別顏色，該含奈米粒多層量子井主動 層結構主要在第一位能井層4內成長第一發光波長（λ!) 之奈米粒，於第二位能井層4內成長第二發光波長（λ2) 之奈米粒，再於第三位能井層4內成長第三發光波長（λ〇 之奈米粒，並依序重複成長複數層具〜^〜：與λ 3發光波長 奈米粒之多層量子井結構主動層，以合成白光光源。第12 圖U)爲本發明提出另一種紅綠藍三原色合成白光光源之 > 結構，即在多層量子井主動層中之同一位能井層4內同時 成長具第一（λ!)、第二（λ2)及第三波長（λ3)三種 發光波長之奈米粒，並以複數個同時具三原色發光波長 λ!、λ2與λ 3之含奈米粒多層量子井主動層結構，混成白光 光源，其對應之能帶圖如第12圖（b)所示。以上所述之方法 均可以藉由調控元素組成與幾何尺寸不同之奈米粒，獲得 製作白光光源所需要之三原色發光波長。而發光強度之控 制亦可以經由成長參數，如：溫度之調控（溫度較低，密 度較高），以較高密度之奈米粒獲得較強之發光強度；亦 -20- 1291247 可以增加奈米粒量子井層數，以較多層奈米粒主動層提高 發光強度，以平衡三原色中各原色間之強度差異，進而製 造出光色更爲一致性之白光發光二極體。 本發明提出在發光二極體之多層量子井主動層中於不同 位能井層內藉由控制奈米粒元素組成或幾何大小，獲得 紅、綠及藍光波段之發光波長，在混合三種顏色色光後合 成白光光源，此種做法僅需要單顆發光二極體即可發出白 光光源，大幅度降低製作成本，且可以避免使用三顆發光 二極體時1，每顆發光二極體存在之特性不同造成光色一致 性較難達成之問題，運用於白光發光二極體之製作上同時 兼具新穎性與進步性。 實施例4(含奈米粒多層量子井主動層之冬波長發光二極 體） 自然光與白幟燈泡都屬於連續光譜，而目前使用藍光發 光二極體激發黃色螢光粉方式產生之白光光源因是利用互 補可見光區域之全彩色方法建構，其實際發光波長係由藍 光線狀及黃光帶狀光譜所組成，由於缺乏紅光波段之波 長，致使物體在此白光光源照射下，顏色呈現失真情形， 光源演色性之問題就顯得更爲重要。有鑑於此，本發明提 出另一種白光光源合成方法作爲改進，即使用含奈米粒多 層量子井主動層結構，其中每一量子井層之奈米粒發光波 長經由奈米粒之元素組成或大小控制，而發出三種以上， 諸如·紅、檀、頁、綠、藍、旋、紫（λ i、又2、λ 3、λ 4、 λ 5、λ 6、Λ 7 )七種顏色之波長光源，進而合成具連續光 譜之全彩白光光源。 -21- 1291247 第13圖（a)爲本發明之多種顏色發光波長含奈米 量子井主動層結構圖，其相對應之能帶圖如第1 3 E 示，主要以多層量子井主動層爲主，該單一層量子 包含能隙較低之位能井層4與能隙較高之位能障層 奈米粒主要成長於能隙較低之位能井層4內，並於 能井層4內成長第一發光波長（λ!)之奈米粒，於 能井層4內成長第二發光波長（λ2)之奈米粒，於 能井層4內成長第三發光波長（λ3)之奈米粒，於 能井層4內成長第四發光波長（ λ4)之奈米粒，於 能井層4內成長第五發光波長（λ5)之奈米粒，於 能井層4內成長第六發光波長（λ6)之奈米粒，最 七位能井層4內成長第七發光波長（λ7)之奈米粒 λΐ、入2、入3、入4、入5、入6、入7七種顏色之波長 混成白光光源。但該多種顏色發光波長多層量子井 主動層結構之發光波長不限制是七種，只要是三種 發光波長即足以合成白光光源。 實施例5(含單一尺寸奈米粒多層量子井主動層之 發光二極體） 當奈米粒在未達量子效應之尺寸時，其能階爲連 狀態，僅發射出單一種發光波長如第2圖（c)所示之 光波長；然而當奈米粒在尺寸縮小到十奈米以下時 階開始分離量化而形成一個以上之不同能量能階， 分離量化的能階都代表有機會被載子所塡據’故而 能量之能階上載子於復合後將可以同時釋放出具有 量波長的色光，如第2圖（c)所示之基態發光波長λ 粒多層 圖（b)所 井層內 3，而 第一位 第二位 第三位 第四位 第五位 第六位 後於第 ，經由 光源， 奈米粒 以上之 多波長 續分佈 λ 3發 ，其能 而每一 在不同 多種能 W與激 -22- 1291247 發態發光波長λ 3.2。第14圖爲本發明所列舉成長於氮化鎵 量子井內之具有量子效應不同尺寸的氮化銦鎵奈米粒，說 明不同尺寸之氮化銦鎵奈米粒在可能出現之分離量化能階 與相對應發光波長。當我們選擇使用尺寸爲8 nm之40 %銦 組成I n G a N奈米粒時，其分離量化的能階分別爲基態2 · 0 3 eV、第一激發態2.1 19 eV、第二激發態2.265 eV、第三激 發態2.462 eV及第四激發態2.701 eV，即可以同時發射611 nm(紅光）、585 nm、547 nm(黃光）、504 nm 及 460 nm(藍光） > 發光波長之色光。利用此特性，我們將可以在單層量子井 內藉由成長具量子效應之不同尺寸奈米粒，而獲得可以同 時發射出具互補雙色、三種原色或多顏色發光波長色光之 單一奈米粒，直接合成白光光源；更進一步可以運用於多 層量子井主動層之成長，與其它層之奈米粒發光波長相互 -搭配而合成具多波長之含奈米粒多層量子井主動層之發光 元件。 實施例6 (紫外光激發少螢光體轉換多波長發光元件） > 本發明提出另一種多波長（含白光）發光元件，主要由紫外 光發光二極體與螢光體所組成，該螢光體吸收發光二極體 所發出之紫外光而發射出多波長之發射光，該發光二極體 可以爲含奈米粒多層量子井主動層結構之發光二極體。第 15圖所示爲本發明提出使用單一種紫外光發光波長之含奈 米粒多層量子井主動層結構之發光二極體激發（a)兩種具 互補色螢光波長之螢光體或（b)紅、綠、藍三原色螢光波長 之螢光體所組成之多波長（包含白光光源）發光元件。該含 奈米粒多層量子井主動層結構之發光二極體因激發波長爲 -23- 1291247 紫外光不參與配色，故發光元件之可見光波長主要由螢光 體之螢光波長決定。 實施例7 (可P,光激發之螢光體轉換多波長發光元件） 本發明提出另一種多波長（含白光）發光元件，主要由可見 光發光二極體與螢光體所組成，該螢光體吸收發光二極體 所發出之紫外光而發射出多波長之發射光，該發光二極體 可以爲含奈米粒多層量子井主動層結構之發光二極體。第 16圖（a)爲本發明所提出使用一種可見光激發波長（λ 〇之 含奈米粒發光二極體激發一種螢光波長（λ 2)螢光體結構之 多波長發光元件結構圖，該激發波長 λ !爲可見光範圍之 波長（400 nm〜500 nm)，螢光波長λ 2爲所對應之互補色波 長。第16圖（b)爲本發明另一種發光元件之結構，本結構係 使用一種可見光激發波長（λ !)之含奈米粒發光二極體激發 兩種螢光波長（λ 2與 λ 3)螢光體之發光元件結構圖，該激 發波長Ai可與螢光波長λ2與又3組成白光光源所需之三 原色波長。第16圖（〇爲本發明所提出使用二種可見光激發 波長（λ !與 λ 2)之含奈米粒發光二極體激發一種螢光波長 (λ 3)螢光體結構之發光元件結構圖，該第一、第二激發波 長/!與λ2可與螢光波長λ3組成白光光源所需之三原色 波長。本實施例中，螢光體之螢光波長不受限於兩種以內， 亦可以兩種以上螢光波長螢光體組成多波長之發光元件； 而激發光源之波長亦不限制在一種或兩種以內，亦可以兩 種以上激發光源波長與外加螢光體組成多波長之發光元 件。 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限 -24-
1291247 定本發明，任何熟悉本技藝之人士，在不脫離本發明之精 神與範圍內，當可做些許之更動與潤飾，因此本發明之保 護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者爲準。 表一根據D65標準照明體以互補色方式產生白光光源之 對應波長 互補色波長 能階比率 λ 1 (nm) (nm) Ρ(λ2)/ Ρ(λ〇 380 560.9 0.000642 400 561.1 0.0785 420 561.7 0.891 440 5 62.9 1.79 460 5 65.9 1.53 480 5 84.6 0.562 484 602.1 0.44 486 629.6 0.668 【圖式簡單說明】 第1圖一般習知之多層量子井發光二極體結構圖。 第2圖（a)本發明使用含奈米粒多層量子井主動層結構以 三原色發光波長製作白光發光二極體結構圖（b)其相對應 之能帶圖（c)該二極體發光波長可以由位能井、分離能階及 奈米粒本身之發光波長所組成之示意圖。 第3圖 不同TMGa流率下之GaN奈米粒原子力顯微影 像圖（5 //m X 5 // m ) (a)氮化錦鎵緩衝層2，TMGa -25- 1291247 群^月沦日修试，”顿
. ...锋 H 流率爲（b)2.21xl(T5( c)2.65xl(T5( d)3.31xl(T5 mole/min。 第4圖不同TMGa流率下形成之GaN奈米粒低溫微螢光 光譜圖（a )氮化鋁鎵緩衝層，T M G a流率（b ) 2.2 1 X 1 0 ·5 (c ) 2·65χ 1 (T 5 ( d ) 3 ·3 1 xl (T5 mole/min。 第5圖 （a)本發明之含奈米粒多層量子井主動層之單 一發光波長發光二極體結構圖，（b)其相對應能帶圖。 第6圖 （a)本發明之含奈米粒多層量子井主動層之雙 發光波長發光二極體結構圖，（b)其相對應能帶圖。 第7圖 （a)本發明之含奈米粒多層量子井主動層之雙 發光波長發光二極體結構圖，（b)其相對應能帶圖。 第8圖 （a)本發明在同一位能井層內同時成長兩種具 互補色發光波長之含奈米粒多層量子井主動層之雙發光波 長發光二極體結構圖，（b)其相對應能帶圖。 第9圖 （a)本發明之具沾濕層含奈米粒多層量子井主 動層之發光二極體結構圖，（b)其相對應能帶圖。 第10圖 （a)本發明之具界面態位含奈米粒多層量子井 主動層之發光二極體結構圖，（b)其相對應能帶圖。 第1 1圖 （a)本發明使用紅、綠、藍三原色發光波長之含 奈米粒多層量子井主動層結構之多波長發光二極體結構 圖，（b)其相對應之能帶圖。 第12圖 （a)本發明在同一位能井層內同時成長紅、綠、 藍三原色發光波長之含奈米粒多層量子井主動層結構之多 波長發光二極體，（b)其相對應能帶圖。 第13圖 （a)本發明以多顏色發光波長之含奈米粒多層 量子井主動層製作之多波長發光二極體結構圖（b)其相對 -26- 1291247 “修正頁 應之能帶圖。 第14圖具有量子效應之不同尺寸氮化銦鎵奈米粒分離 能階與相對應發光波長示意圖。 第15圖紫外光激發波長之奈米粒發光二極體激發（a) 兩種具互補色螢光體（b)紅、綠、藍三原色螢光體組成之發 光元件結構圖。 第16圖 （a)使用一種激發波長（λ !)奈米粒發光二極體 激發一種螢光波長（λ 2)螢光體結構之發光元件結構圖、（b) 使用一種激發波長（λ !)奈米粒發光二極體激發兩種螢光 波長（λ 2與λ 3)螢光體結構之發光元件結構圖、(c)使用二 種激發波長（λ !與λ 2)奈米粒發光二極體激發一種螢光波 長（λ 3)螢光體結構之發光元件結構圖。 【主要元件符號說明】 0 多層量子井 1 基板 2 η型緩衝層 3 位能障層 4 位能井層（發光波長λ ) 4a 沾濕層 5 第一發光波長奈米粒 6 第二發光波長奈米粒 7 第三發光波長奈米粒 8 P型導電層 8’ η型導電層 9 第一與第二發光波長奈米粒 -27- 1291247 ：?r ^ r ： ^
10 第 一 第 二 與 第 三 發 光 波 長 奈 米 11 第 四 發 光 波 長 奈 米 业丄 12 第 五 發 光 波 長 奈 米 粒 13 第 發 光 波 長 奈 米 粒 14 第 七 發 光 波 長 奈 米 粒 15 二 種 互 補 色 螢 光 波 長 之 螢 光 體 16 二 原 色 螢 光 波 長 之 螢 光 體 17 第 — 激 發 波 長 奈 米 粒 18 第 二 激 發 波 長 奈 米 粒 19 第 — 螢 光 波 長 (λ .1)之 螢 光 體 20 第 二 萤 光 波 長 (λ 2 與 λ 3)之 螢 光 體 目Η 21 奈 米 企丄 基 態 發 光 波 長 λ 3 - 1 22 奈 米 粒 激 發 態 發 光 波 長 λ 3 - 2 23 沾 濕 層 之 發 光 波 長 λ 1 - 1 1 24 界 面 態 位 之 發 光 波 長 λ 1 - 2
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Claims (1)

  1. <1291247 辭εϊ修(更)正本 ........i 第94139600號「多波長發光元件之奈米粒結構及其製法」專 利申請案 (2007年6月12日修正） 十、申請專利範圍： 1. 一種多波長電激有機及無機發光元件之結構，具有多層堆 疊主動層結構，每一堆疊主動層結構包含低能隙位能井層 4與高能隙之位能障層3，其特徵在於至少一堆疊層內具有 可以發射出單一波長色光、雙色光、三種或多種之多波長 # 色光之奈米粒結構，使該多層堆疊主動層結構之發光波長 可以由部分（或全部）含奈米粒之堆疊層與部分（或全部）不 含奈米粒堆疊層發光波長混合而成。 2. —種多波長電激有機及無機發光元件之結構，由多層堆疊 主動層結構之發光二極體與螢光體所組成，每一堆疊層包 含低能隙位能井層4與高能隙之位能障層3，且至少一堆 疊層內具有可以發射出單一波長色光、雙色光、三種或多 種之多波長色光之奈米粒結構，使該多層堆疊主動層結構 0 之發光波長可以由部分（或全部）含奈米粒之堆疊層與部分 (或全部）不含奈米粒堆疊層發光波長混合而成；其中，該 多層堆疊主動層結構部分（或全部）發光波長用以激發一種 (含）以上螢光波長之螢光體，藉由多層堆疊主動層結構本 身之發光波長及螢光體之螢光波長組成多波長之發光元 件。 3.如申請專利範圍第1或2項之結構，該含奈米粒或不含奈 米粒之多層堆疊主動層之發光波長範圍在100 nm到20 4291247 // m之間，包括全彩白光（400-700 nm)、紫外光（<400 nm) 及紅外線（>700nm)範圍。' 4. 如申請專利範圍第1或2項之結構，其中該奈米粒可以成 長於位能井層4之中間。 5. 如申請專利範圍第1或2項之結構，其中該奈米粒可以成 . 長於位能井層4與位能障層3界面上、下方之接鄰處。 6. 如申請專利範圍第1或2項之結構，其中該多層堆疊主動 層之發光奈米粒所發射之波長，可以藉由調整成長參數控 # 制奈米粒元素組成或大小而獲得。 7. 如申請專利範圍第1或2項之結構，其中該多層堆疊主動 層之奈米粒結構所發射之波長可以包含沾濕層與奈米粒 本身之發光波長。 8. 如申請專利範圍第1或2項之結構，其中該多層堆疊主動 層所發射之波長包含位能障層、位能井層與奈米粒內相分 離結構之發光波長。 9. 如申請專利範圍第1或2項之結構，其中該多層堆疊主動 ® 層所發射之波長包含位能障層與位能井層、奈米粒與位能 井層、奈米粒與位能障層、沾濕層與位能井層之界面態位 所發光之波長。 10. 如申請專利範圍第1或2項之結構，其中該多層堆疊主動 層所發射之波長包含位能障層、位能井層、奈米粒結構之 雜質態位所發光之波長。 1 1.如申請專利範圍第1或2項之結構，其中該多層堆疊主動 層之單一顆發光奈米粒，於具有量子效應尺寸時’可以藉 -2- •1291247 由基態、第一激發態或第二激發態（含）以上能量躍遷發射 出一種（含）以上之發光波長。 12.如申請專利範圍第1或2項之結構，該多層堆疊主動層之 發光波長可以由部分（或全部）含奈米粒之堆疊層與部分（ 或全部）不含奈米粒堆疊層發光波長混合而成可發射出互 補性的兩種發光波長，不需外加螢光體即可合成互補色之 白光光源；其中該含奈米粒堆疊層內之奈米粒可成長於同 一層或兩層以上堆疊層中並形成可發射出互補性的兩種 發光波長。 1 3.如申請專利範圍第1或2項之結構，該多層堆疊主動層之 發光波長可以由部分（或全部）含奈米粒之堆疊層與部分（ 或全部）不含奈米粒堆疊層發光波長混合而成可發射出三 種以上發光波長，可獲得所需之紅綠藍三原色混成白光光 源或以多色方式混成具連續光譜之白光光源；其中該含奈 米粒堆疊層內之奈米粒可成長於同一層、兩層或三層以上 堆疊層中並可發射出相同或不同發光波長。 14. 如申請專利範圍第1或2項之結構，其中該多層堆疊主動 層之發光奈米粒，可以在同一位能井層內同時包含一種（ 含）以上發光波長奈米粒。 15. 如申請專利範圍第2項之結構，該多層堆疊主動層結構之 發光奈米粒之發光波長可以爲一種（含）以上紫外光之波 長，以激發具互補色性質雙螢光波長、三原色或多色螢光 波長之螢光體發出白光光源。 16。如申請專利範圍第2項之結構，該多層堆疊主動層結構之 1291247 發光波長可以爲一種（含）以上之可見光波長’其中至少有 一種（含）以上之波長用以激發一種（含）以上之螢光波長螢 光體，其中奈米粒所發光之波長可與螢光波長相互配色’ 以組成包含雙互補色或紅、綠、藍三原色或多波長之白光 光源。 1 7.如申請專利範圍第2項之結構’該多層堆疊主動層結構之 發光波長可以爲一種（含）以上之紫外光與可見光波長’其 中至少有一種（含）以上之波長用以激發一種（含）以上之螢 光波長螢光體，其中奈米粒所發光之波長可與螢光波長相 互配色，以組成包含雙互補色或紅、綠、藍三原色或多波 長之白光光源。 1 8.如申請專利範圍第1或2項之結構，該多層堆疊主動層及 發光奈米粒材料選自 GaAs、InAs、InP、InSb、GaSb、InAGaN 、InN、 AIN 、 ZnSe、 ZnTe、 CdSe、 CdTe、 HgTe、 HgSe、 SiGe、SiC、InuGa 卜 xN、InxGa 卜 xP、IruGa 卜;cAs、Alxln 卜 XN、 Alxln卜xP、AlxIni-xAs、AlxGai-xN、AlxGai-xP、AlxGa卜xAs、 ZruCdi-xSe、 ZnxCdi-xTe、 (AlxGai-x)yIni-yN、 (AlxGai-x)ylni-yP ，其中 〇<x<l ; 0<y<l 。 1 9 ·如申請專利範圍第2項之結構，該發光光源元件中之螢光 體可以爲A3B5〇12型式，其中A可爲稀钍族元素：釔(Y)、餾(Lu)、銃 (Sc)、鑭(La)、乱((Gd)、釤(sm)、B 可爲鋁(A1)、鎵(Ga)、銦(In)，如配合 掺雜鈽(Ce)可發黃光、摻雜铽(Tb)可發綠光，其他如：黃色:Y3Ah〇12:Ce3+ 、黃色:Y3A15〇12:Eu2+、紅色:SrSiAl2〇3N2:Eu2+、紅色:CaS:Eu、紅色：SrS:Eu 、紅色:Si:S:Eu2+、紅色:Gd2〇3S:Eu3+、紅色:SrS:Eu2+、綠色:SrAlSCISi:Eu、 ‘1291247 > 、綠色：SrGa2S4:Eu2+、綠色：SrGa2S4:Eu2+、藍色：SCAP、藍色 :BaMgAli〇Oi7:Eu2+···等。 20. 申請專利範圍第1或2項之結構，其中該多層堆疊主動層 結構之低能隙位能井層厚度爲0.3 nm〜1 // m，高能隙位 能障層厚度爲1 nm〜1 # m。 21. 如申請專利範圍第1或2項之結構，該多層堆疊主動層之 發光奈米粒密度範圍爲103〜1013 cnT2或更高奈米粒密度 〇 B 22·申請專利範圍第1或2項之結構，其中該多層堆疊主動層 之發光奈米粒厚度範圍爲 0.3〜100 nm，寬度範圍爲 0.3 〜500 nm 〇 23. 如申請專利範圍第1或2項之發光元件結構，可以包含使 用覆晶封裝、截型倒轉金字塔結構及表面粗糙化方式提昇 元件之取出效率，以提昇發光效率。 24. 如申請專利範圍第1或2項之結構，該電激發光二極體可 以爲pn二極體、蕭特基二極體結構。 B 25.—種具有多波長之pn接面電激有機及無機發光元件之製 法，至少包含： (1)在基板1上先成長η或p型導電緩衝層2; (2 )於該緩衝層2成長由複數高能隙位能障層3與複 數低能隙位能井層4所組成之多層堆疊結構主動層； (3 )於該多層堆疊主動層結構之部分（或全部）堆疊層 內成長奈米粒； (4)再成長ρ或η型導電層8;以及 1291247 (5)製作電極於p或η型導電層上。 26. —種具有多波長電激有機及無機發光元件之製法’該電 激發光元件由具奈米粒結構之發光二極體與螢光體所組 成步驟至少包含： (1 )在基板上先成長η或ρ型導電緩衝層； (2 )成長以高能隙位能障層與低能隙位能井層組成之 多層堆疊主動層結構； (3 )於上述多層堆疊主動層結構之部分（或全部）堆疊 層內成長奈米粒； (4)再成長ρ或η型導電層； (5 )配合可以發出一種（含）以上螢光波長之螢光體。 27. 如申請專利範圍第25或26項之製法，該含奈米粒或不含 奈米粒之多層堆疊主動層結構之發光波長範圍在1〇〇 nm 到20 // m之間，包括全彩白光（400-700 nm)、紫外光（<400 n m)及紅外線（> 7 0 0 n m)範圍。 28·如申請專利範圍第25或26項之製法，其中該多層堆疊主 動層結構選自單異質接面結構、雙異質接面結構、單一量 子井結構或多層量子井結構其中之一。 29·如申請專利範圍第25或26項之製法，該多層堆疊主動層 及發光奈米粒材料選自GaAs、InAs、InP、InSb、GaSb、 InAGaN、InN、AIN、ZnSe、ZnTe、CdSe、CdTe、HgTe、 HgSe、SiGe、SiC、In'Ga卜XN、InxGa丨-XP、IruGa卜xAs、AlxIni-xN 、Α1χΙηι-χΡ、AlxIni-xAs、AlxGa卜xN、AlxGa卜xp、AlxGai-xAs 、ZruCdhSe、ZiuCUe、（AlxGai-x)yIni-yN、（AlxGai-x)yIni-yP *1291247 ，其中 0<χ<1 ; 〇<y<l。 3 0.如申請專利範圍第25或26項之製法，該發光光源元件中 之螢光體可以爲黃色：Y3Al5〇12:Ce3+、黃色：Y3A15〇12:Eu2+、 黃色：Y3Ai5〇12:Eu2+、紅色：SrSiAl2〇3N2:Eu2+、紅色：SrS:Eu2+、 紅色：Gd2〇3S:Eu3+、紅色：Mg4(F)Ge05:Mn、紅色：SrS:Eu2+、 綠色：SrAlSCISi:Eu、綠色：SrGa2S4:Eu2+、綠色：CuAuAkZnS、 _ 綠色：CuAl:ZnS、綠色：SrGa2S4:Eu2+、藍色：SCAP、 藍色：Ag:ZnS、藍色：BaMgAl1()〇i7:Eu2 +等。 # 31.如申請專利範圍第25或26項之製法，其中該多層堆疊主 動層結構之低能隙位能井層厚度爲〇.3 nm〜1 // m，高能 隙位能障層厚度爲1 nm〜1 // m。 32. 如申請專利範圍第25或26項之製法，該多層堆疊主動層 之發光奈米粒密度範圍爲1〇3〜1〇13 cm_2或更高奈米粒密 度。 33. 如申請專利範圍第25或26項之製法，其中該多層堆疊主 動層之發光奈米粒厚度範圍爲〇·3〜1〇〇 nm，寬度範圍爲 • 0.3〜500 nm。 34. 如申請專利範圍第25或26項之製法，其中該多層堆疊主 . 動層之發光奈米粒可以成長於位能井層中間處或位能井 層與位能障層界面上、下方之接鄰處。 35. 如申請專利範圍第25或26項之製法，其中該多層堆疊主 動層之發光奈米粒所發射之波長可以藉由改變奈米粒之 元素組成與幾何尺寸調整所需之不同波長。 36. 如申請專利範圍第25或26項之製法’其中該多層堆疊主 -7- 1291247 動層之奈米粒結構所發射之波長可以包含沾濕層與奈米 粒本身之發光波長。 3 7.如申請專利範圍第25或26項之製法，其中該多層堆疊主 動層所發射之波長包含位能障層、位能井層與奈米粒內相 分離結構之發光波長。 38. 如申請專利範圍第25或26項之製法，其中該多層堆疊主 動層所發射之波長包含位能障層與位能井層、奈米粒與位 能井層、奈米粒與位能障層、沾濕層與位能井層之界面態 位所發光之波長。 39. 如申請專利範圍第25或26項之製法，其中該多層堆疊主 動層所發射之波長包含位能障層、位能井層、奈米粒結構 之雜質態位所發光之波長。 40. 如申請專利範圍第25或26項之製法，其中該多層堆疊主 動層之單一顆發光奈米粒，於具有量子效應尺寸時，可以 藉由基態、第一激發態或第二激發態（含）以上能量躍遷發 射出一種（含）以上之發光波長。 41. 如申請專利範圍第25或26項之製法，其中該多層堆疊主 動層之發光奈米粒所發射之波長可以爲單種發光波長。 42. 如申請專利範圍第25或26項之製法，該多層堆疊主動層 之發光波長可以由部分（或全部）含奈米粒之堆疊層與部 分（或全部）不含奈米粒堆疊層發光波長混合而成可發射 出互補性的兩種發光波長，不需外加螢光體即可合成互補 色之白光光源；其中該含奈米粒堆疊層內之奈米粒可成長 於同一層或兩層以上堆疊層中並形成可發射出互補性的 Ί291247 兩種發光波長。 43.如申請專利範圍第25或26項之製法，該多層堆疊主動層 之發光波長可以由部分（或全部）含奈米粒之堆疊層與部 分（或全部）不含奈米粒堆疊層發光波長混合而成可發射 出三種以上發光波長，可獲得所需之紅綠藍三原色混成白 光光源或以多色方式混成具連續光譜之白光光源；其中該 _ 含奈米粒堆豐層內之奈米粒可成長於同一層、兩層或二層 以上堆疊層中並可發射出相同或不同發光波長。 • 44.如申請專利範圍第25或26項之製法，其中該多層堆疊主 動層之發光奈米粒，可以在同一位能井層內同時包含一種 (含）以上發光波長奈米粒。 , 45.如申請專利範圍第26項之製法，該多層堆疊主動層結構 之發光波長可以爲一種（含）以上紫外光之波長，以激發具 互補色性質雙螢光波長、三原色或多色螢光波長之螢光體 發出白光光源。 46. 如申請專利範圍第26項之製法，該多層堆疊主動層結構 0 之發光波長可以爲一種（含）以上之可見光波長，其中至少 有一種（含）以上之波長部分（或全部）用以激發一種（含）以 . 上之螢光波長螢光體，其中主動層所發光之波長可與螢光 . 波長相互配色，以組成包含雙互補色或紅、綠、藍三原色 (含）以上之白光光源。 47. 如申請專利範圍第26項之製法，該多層堆疊主動層結構 之發光波長可以爲一種（含）以上之紫外光與可見光波長 ，其中至少有一種（含）以上之波長部分（或全部）用以激發 1291247 t 一種（含）以上之螢光波長螢光體，其中主動層所發光之波 長可與螢光波長相互配色，以組成包含雙互補色或紅、綠 、藍三原色（含）以上之白光光源。 48·如申請專利範圍第25或26項之製法，其中發光元件可以 包含使用覆晶封裝、截型倒轉金字塔結構及表面粗糙化方 式提昇元件之光子取出效率，以提昇發光效率。 . 49.如申請專利範圍第25或26項之製法，其中發光元件可爲 發光二極體及雷射二極體，包括共振腔發光二極體、面射 B 型發光二極體、邊射型發光二極體、面射型雷射二極體或 邊射型雷射二極體。 50·如申請專利範圍第25或26項之製法，該電激發光二極體 可以爲pn、蕭特基二極體結構。
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