TWI291774B - White light emitting device - Google Patents

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♦1291774 九、發明說明： / [優先權之主張] • 本申請係主張2005年7月7月於韓國智慧財產局所 *申請之韓國專利申請案第2005-61101號之權益，其所揭示 · 之内容併入本文作為參考。 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關一種白光發光裝置。更具體而言，本發 明係有關一種將具有發射不同波長的光的至少兩個主動區 籲配置成單一裝置之單晶型⑽⑽心也⑷白光發光裝置、及其 製造方法。 ’、 【先前技術】 般而§，採用發光二極體（Light Emitting Diode ; 簡稱LED)的白光發光裝置確保高亮度及高效率，因而被 廣泛用來作為照明設備或顯示設備的背光。 用來配置白光發光裝置的廣為人知之方法包括：簡單 鲁地組合被製造為獨立的LED之藍色、紅色、及綠色 LED ;以及使用螢光材質。在同一印刷電路板上組合顏色 互異的各顆LED時，需要用到複雜的驅動電路，因而造成 尺寸微縮困難的一伴隨缺點。因此，通常使用一種經由榮 光材質而製造白光發光裝置之方法。 傳統的經由螢光材質而製造白光發光裝置之方法包 括：使用藍光發光裝置；以及使用紫外光發光裝置。例如， 在使用藍光發光裝置之情形中，使用纪紹石權石（Yttrium Aluminum Garnet;簡稱YAG)螢光材質將藍光轉換為白

93344 .1291774 光亦即，藍光LED所產生的藍色波長激發釔鋁石榴石 (YAG)而最終產生白光。 然而，前文所述之傳統方法在得到良好彩色上有所限 制，這是因為螢光粉對裝置特性有不利的影響，且於激發 螢光材質時，發光效率及色彩補償係數（c〇l〇r 叩 index)降低。 為了試圖解決這些問題，正在積極進行與具有發射不 同波長的光的複數個主動區但沒有螢光材質的單晶型白光 發光裝置有關之研究。一種類型的單晶型白光發光裝置 如美國專利5,684,309(於1997年U月4日取得專利， 且被讓渡給美國北卡羅來納州立大學）揭示了 一種第工圖 所示之白光發光裝置。

如第1圖所示，白光發光裝置（10)包含在基材（11) 上形成的第一導電性氮化物層（13)及第二氮化物層（18) 且於基材（11)與第一導電性氮化物層（13)之間具有緩 衝層（12)。在該第一與第二導電性類型氮化物層（13)、 (18 )之間設有發射三種不同波長的光之第一、第二及 第二主動層（15)、（16)、（17)、以及阻障層（14a)、（1仆乂 (14c)、（ 14d)。此外，在第一及第二導電氮化物層（13乂 (18)上設有第一及第二電極（19a)、（19b)。 在第1圖所示之結構中，第一至第三主動區（15)、 (16)、（ 17)具有例如以lnxGai_xN (X是一變數）表示 的成分，以便分別發射藍光、綠光、及紅光。將由各主動 區（15)、（16)、（17)所得到的藍光、綠光、及紅光加以 93344 6 1291774 結合，而最後產生所需的白光。 但疋所引述荼考專利中揭示的白光發光裝置並未具 ·_有高發光效率，且用來得到白光的該等三種顏色無法=句 ·-地分佈。這是因為如第2圖所示，發射紅光的主動區（17) "所具有之能帶間隙（enerab时dgap) Eg3遠低於發射藍 光及綠光的主動區（15)、（16)之能帶間隙Egl、Eg2。 例如，發射藍光及綠光的主動區（15)、（16)之能帶間隙

Egl、Eg2分別為2·7 eV(電子伏特;)、2 4 eV，而發射紅光 的主動區（17)之能帶間隙Eg3只有較低位準的大約工 eV 〇 · 、同樣地，長波長主動區（17)的低能帶間隙Eg3造 成載子侷限化（carrier localizati〇n )，這是因為第二導電性 類型氮化物層（18)所提供的載子無法通過發射紅光的主 動區（17 )。因此，A部分的載子被限制在發射紅光之主動 區（17)而轉換成光，因而較不可能到達藍光及綠光主動 > ，（15 ) (16)。在第二導電性類型氮化物層（18 )是 氮化物層的情形中，上述的問題將惡化，妓因為被限制 在發射紅光的主動區〇7)之載子具有比電子低的遷移 (mobility )。 午 傳統的白光發光裝置因載子被長波長主動區限制而 具有相當低，短波長主動區之再結合（rec〇mbinati〇n)’效 率因此’热法利用適當的色彩分佈而得到白氺。 、 【發明内容】 本發明係用以解決先前技術的前文所述之問題，因 93344 7 1291774 2，本發明之一目的在於提供一種新穎的單晶型白光發光 衣置，该單晶型白光發光裝置藉由以如量子點（叫⑽比以 dot )或量子微晶（quantum cry以…加）等的不連續結構取 代連續層結構的方式來實現發射不同波長的複數個主動區 申之長波長主動區，而增強短波長主動區的再結合效率。 根據用來實現該目的的本發明之一方面，本發明係提 種半導體發光裝置，該半導體發光裝置包含··第一及 丨第一V電性類型氮化物層；以及發射不同波長的光之複數 個主動區’且係在該第—與第二導電性類型氮化物層之間 連續，形成該複數個主動區，其中該等主動區包括具有複 數個第里子阻障層及量子井層的至少一個第一主動區、 =及發射光的波長比該第一主動區所發射光的波長為長的 =一主動區’且其中該第二主動區具有複數個第二量子阻 障I以及在該減個第二#子轉層之間形成的至少一 個=連績量子井結構，該不連續量子井結構分別包含複數 個1子點或微晶。 根據本發明，造成载子限制的發射長波長之該第二主 動區具有其中包含量子點或微晶之不連續結構。此種方式 大幅增強了提供給發射短波長的該第—主動區之載子注入 效率。 所不連子井結構的該複數個量子點或微晶 斤/、有之、4面積較佳係為對應的第二量子阻障層的表面之 總面積的20%至75%。如果兮旦 果σ亥里子井結構的總面積小於 20¾，則無法確保足夠的亮 儿度，而如果該總面積大於75〇/〇， 93344 8 .1291774 .則無法有效率地增加發射短波長的該第一主動區之再結人 ‘ 效率。 σ 口 ㈣二主動區較佳係包含至少4個量子阻障層、以 '及在至少4個量子轉層之間形成的至少3個不連 '子井結構，該等不連續量子井結構中之每一不連續量子二 :構匕3在至少4個量子阻障層之間分別形成的複數個 量子點或微晶。因而可利用該不連續量子井 足 夠的亮度。 疋 在本發明的一實施例中，該第一主動區包含2個主 動層，其中一主動層發射波長大約為450至475奈米 km)的光，且另一主動層發射波長大約為510至535奈 米的光。該第二主動區適於發射波長大约為_至奶 奈米的光。亦即，該第一主動區的該等兩個主動層分別發 射波長為藍色及綠色的光，且該第二主動區適於發射紅光， 因而最後產生了白光輸入。 ’ 、在本發明的其他實施财，該第—主純可適於發射 波長大約為450 i 475奈米的光，且該第二主動區可適 於發射波長大約為550至6〇〇奈米的光。亦即，該第一 主動區適於發射波長為偏綠的藍光，且該第二主動區適於 發射波長為黃色的光，因而最後產生了白光。 、根據本發明，該第—主動區具有以InxlGa“xlN表示 的成刀，其中0 € X1 S 1。如本發明的一實施例所示， 在形成2個主動層的情形中，可適當地改變銦（In)的含 量（x1)，以便提供可發射所需波長的光之主動層。 93344 9 •1291774 此外，该第二主動區具有以Inx2Gai x2N ( 〇 < X2 $工） 表示的成分。在此種情形中，為了解決因銦（In )含量增 加而造成的結晶度下降（crystamne degradati〇n )及波長 改變，該第二主動區的該不連續量子井結構較佳係具有以

AlyInzGaWy+z)N 或（AlvGarOJm-uP 表示的成分，其中 〇 <y<i，〇<ζ<ι，〇 < v s i，以及 〇 s u < 在該第一導電性類型氮化物半導體層包含n型氮化物 半‘體層，且該第二導電性氮化物層包含p型氮化物半導 體層之情形中，該第二主動區被放置在鄰近該第二導電性 類型氮化物半導體層之處。此外，在該第一主動區包含發 射不同波長的光的複數個層之情形中，該第一及第二主動 區的配置方式係將具有較長波長的主動區或主動層放置在 較鄰近該第二導電性類型層之處。

尤其在該第二主動區具有以A (从 (其中 0<y<1，0<z<;:;,vsi， _ ~ U $ 1 )表示的成分之情形中，較佳係應考慮沈 =序的成長溫度，使該第二主動區： 動區的形成。 乐王 【實施方式】 =下將參照各附圖而詳細說明本發明的較佳實施例 弟3圖是本發明的白光發光裝置之斷面圖。 上形圖，白光發㈣置（3G)包含在基材⑶ 類型氮化^導電性類型氮化物層（33)以及第二導以 乳化物層（叫，且於基材（31)與第一導電性類· 93344 10 1291774 $物層（33 )之間具有緩衝層（32 );以及在該第一與第二 ^電性類型氮化物層⑺）、（38)之間形成的發射藍色、 綠色、及紅色波長的光之主動區（35)、（36)、（37)。 藍光及綠光主動區（35)、（36)包含若干一般的連續 _，胃且可包含多夏子井結構，該結構具有複數個量子井層 及里子阻p早層（圖中未示出）。此外，藍光及綠光主動區 、（35)、（36)可具有若干量子井層，其中一量子井層發射 波長大約為450至475奈米的光，且另一量子井層發射 波長大力為51 〇至535奈米的光。藍光及綠光主動區 (5)、（36)杈佳係具有以Ιηχΐ(3&^Ν表示的成分，該 成分具有不同的銦（In)含量（X”，其中0 <χ1 “。 f據本發明的實施例，發射紅光的主動區（37)包含 4個量子阻障層（37a)、以及由複數個量子點或微晶所構 ^係分财該等4個量子轉層之_成的3個不連 績量子井結構（37b)。在本說明書中，該不連續量子井社 構意指一種將複數個量子點吱 里卞”、、占次楗日日配置於總面積中（acr〇ss a 之結構，不包括其中之量子井層在表面上 =〇ss a surface)連續地生長有完整層結構。發射紅光的主 動區（3 7 )的兩個阻障声（3 〉 ㈣曰+ 將一平面上的該等量子點 次礒日日（37b)夾在中間。亦 阻陸展m1 a 、 P，阻P早層（37a)提供成長 里子點或Μ晶（37b)的表面，且該阻 蝴 下方量子點或微晶（37b)的覆蓋層。 ）用术作為 树明的不連續量子井結構⑽)或該複數個量子 點或极晶提供量子井以用來發 耵、、、工先亦即，該結構（37b) 93344 11 1291774 係由發射波長大約為600至635奈米的光之半導體材料 "構成。發射紅光的主動區（37)之阻障層（37a)以及不連 •續量子井結構（37b)可具有以不同成分的Inx2Gai_x2N表 '不之成分，其中〇 <x2 < 1。例如，可以氮化鎵（GaN) "量子阻障層及In().7GaG.3N量子點形成發射紅光的主動區 (37 )。然而，佔較大部分的銦（In )含量會使結晶度下降， 且因相分離（phase separation)而造成非所願的波長改變。 因此，用來發射紅光的不連續量子井結構（37b)較佳係應 驗有以 AlyInzGai-(y+z)N 或（AlvGaiv)uIniuP 表示的成分（其 中 〇<y<l，0<ζ<1，〇 s V，以及 〇 su ^ 接近第二導電性類型氮化物半導體層（38)

二。這是因為諸如成長溫度等的製程條件，且將 於下文中參恥弟5圖而更詳細地說明其中之情形。 、 根據本發明的包含量子點或微晶之不連續量子井結 構(37b)可將自第二導電性類型氮化物半導體層心注 入的載子（例如，電洞）直接提供給綠光主動區（36)/ 第一導電性類型氮化物半導體層（33)可以是n型氮 化物半導體層，且第二導電性類型氮化物半導體層（Μ) 可以疋P型氮化物半導體層。在此種情形中，如本發明的 該實施例所示，較佳係將發射紅光的主動區（37)放置在 亦即，在载子通過第 (37b)的區域之載子路徑 圖所不的具有量子點或微 A中，形成了類似於第2 93344 12 1291774 • 圖所示的傳統能帶之能帶。在此種情形中，自第一導電性 類型氮化物半導體層（33)注入的載子通過發射紅光的主 動區（37)之量子井結構（37b)，因而引起適當的紅光發 '射。 " 同時，在載子通過第4b圖所示的並未具有量子點或 微晶（37b )的區域之载子路徑b-B，中，自第一導電性類 型氣化物半導體層（3 3 )注入的載子僅通過在發射紅光的 主動區中未具有量子井結構的類似氮化鎵（GaN )之量子 籲阻障層（37a)。此種方式減少了將載子限制在發射紅光的 長波長主動區（37)的量子井結構（37b)之可能性，因而 增加了發射綠光或藍光的短波長主動區（35)、（36)中之 載子掺雜效率。 發射紅光的主動區（37)因其不連續結構而仍然具有 比發射藍光或綠光的連續主動區（35)、（36)低的發光效 率。為了解決該問題，如本發明的該實施例所示，發射紅 籲光的主動區（37)較佳係包含至少4個量子阻障層（37&) 以及至少3個不連續量子井結構（37b)。 第5圖是第-主動區中採用的不連續量子結構的表面 之立體圖。可將第5圖理解為示出了一種在類似於第4圖 所示的發光裝置的製程中形成量子點之狀態。 如第5圖所不，在基材（51)上連續地形成第一導電 性類型氮化物半導體層（53)、發射藍光的主動區（55)、 以及發射綠光的主動區（56)，然後在主動區（56)上形成 發射紅光的主動區（57)。發射紅光的主動區（57)係經由 93344 13 1291774 形成如量子阻障層（57a)、量子點、或微晶等的不連續量 子井結構（57b )之製程而形成。 如前文所述，不連續量子井結構（57b)具有以 表示的成分，其中〇<x2 < 1，但較佳係具有 以AlylnzGaHywN或（AUGahdJnhP表示的成分，其 中（XycLOczcUOsvs；!，以及 Osush 熟悉此項技術者可利用習知的製程輕易地形成不連續量子 井結構（57b)。 1 此外，如本發明的該實施例所示，較佳係在形成了發 射其他波長的光的主動區（55)、（56)之後，才形成長^ 長主動區或發射紅光的主動區（57)。尤其在形成氮化鋁鎵 銦（AlInGaN)不連續量子井結構（57b)的情形中，應考 慮成長溫度，以便結構（57b )的形成晚於其他主動區（55 ) (56)的形成。因此，因為通常係將p型氮化物半導體層 置於頂部，所以該發光裝置中發射紅光的主動區（57): ，鄰近該P型氮化物半導體層之處，且配置發射藍光及綠光 的主動區（55)、（56)的方式較佳係將具有較長波長的任 何主動層放置在較鄰近該p型氮化物半導體層之處。 、>根據本發明，在具有不連續量子井結構（57f)的紅 光主動區（57)中，該區的較大部分較佳係不具有任何不 連續量子井結構，以便減少對載子的限制。但是，如果不 連續量子井結構並未存在於該區的極小部分，❹法充分 確保發射紅光的短波長主動區（57)之發光效率。因此 該複數個量子點或微晶較佳係具有對應的第二量子阻障層 93344 14 1291774 可終面積ST㈤2〇% 1 75%之總面積挪。 點二日 製程期間的溫度及時間，適當地控制量子 ‘，曰“的尺寸及密度，而得到具有該複 晶之區域。 至丁 ^名倣 刚文所述之實施例舉例說明了發射不同波長的光之3 區，但是本發明並不受此限制。亦即，本發明的範 匕 種具有2個主動區或至少4個主動區之發光襞 置。例如，可將第6圖所示之本發明配置成具有發射不、同 波長的光的2個主動區之發光裝置。 勺入請參閱第6圖，類似於第3圖之白光發光裝置（6〇) is在基材（61)上形成的第一導電性類型氮化物層（63) 以及第一導電性類型氮化物層（68)，且於基材（Η)與第 一導電性類型氮化物層（63)之間具有緩衝層（62);以及 在該第一與第二導電性類型氮化物層（63)、（68)之間形 成的發射不同波長的光之第一及第二主動區（65)、（67)。 為了發射白光，第一主動區（65)適於發射波長大約為45〇 至475奈米的光，且第二主動區（67)適於發射波長大約 為550至600奈米的光。 第一主動區（65)是典型的連續層，且具有以 inxiGarnN表示的成分，其中〇 sxi <1。此外，第一 主動區（65)具有由複數個量子井層及量子阻障層（圖中 未示出）構成的多量子井結構。同時，第二主動區（67 ) 可包含3個量子阻障層（67a )、以及由複數個量子點或微 晶所構成且係分別在該等3個量子阻障層（67a)之間形 15 93344 •1291774 成的2個不連續量子井結構（67b )。在此種情形中，第二 主動區（67)的量子阻障層（67a)及不連續量子井結構（67b) 可具有以不同成分的In^GamN表示之成分，其中〇< x2 s卜量子井結構（67b)較佳係具有以AlyInzGai_(w)N 或（AlvGabdJnhuP表示的成分，其中〇<y<1 〇<z<

同樣地，有關發射不同波長的光之2個主動區可 第二主動區中採用不連續量子井結 構。因而避免了對在第二主動區中發生的載子之限制，且 提咼了第一主動區的發光效率。此種方式使第一及第二主 動區有適當的顏色分佈，以結合成白光。 本發明提供了-種在長波長主動區中採用不連續量 子井結構之方法，則更減少具有複數個連續主動區的傳统 結構之長波長主動區中發生的载子侷限化。因此，如前文 所述，並未對白光發光裝置的主動區之數目加以限制: 結合發射不同波長的光之至少兩個主動區而產生指 之半導體發光裝置中，轉明包括只選擇以諸如 微晶等料連續量子井結構取代會造成载子侷限化的= 長主動區之所有類型的發光裝置。 、反 如前文所述，根據本發明，提供了一種可提言 主動區的再結合效率之半導體發光裝置。只:二波長 波長的光的至少兩個主動區中合迕χ 、不同 曰仏成载子侷限化的長浊具 主動區，以諸如量子點或微晶等的不連續長 該長波長线區，q現财㈣發光 取代 又·丹體而言 16 ’ 93344 1291774 明：使發射不同波長的光之主動區具有較均勻的色彩 h:而可將本發明用來製造藉由結合若干指定波長的 先而具有兩效率之單晶型白光發光裝置。 …雖然已參照較佳實施例而示出並說明了本發明，但是 =悉此，技術者當可了解：可在不脫離最後的中請專利範 所界疋的本發明之精神及範圍下，進行各種修改及變化。 【圖式簡單說明】 若麥閱d文中之詳細說明，並配合各附圖，將可更清 楚地了解本發明的上述這些及其他的目的、特徵、及其他 優點，在這些附圖中： 第1圖是傳統的白光發光裝置之斷面圖； 第2圖為說明傳統的白光發光裝置的主動區之能帶

第3圖是根據本發明的—實施例的白光發光裝置之斷 面圖； # 第4a及4b圖是該白光發光裝置的主動區的能帶之垂 直視（vertical view)圖； 第5圖是根據本發明在主動區中採用的不連續量子結 構的表面之立體圖；以及 第6圖是根據本發明的另一實施例的白光發光裝置之 斷面圖。 【主要元件符號說明】 10,30,60 白光發光裝置 11,31，51，61 基材 93344 17 .1291774 12,32,52,62 缓衝層 13,33,53,63 第一導電性類型氮化物層 14a_14d 阻障層 15 第一主動層 16 第二主動層 17 第三主動層 18,38,68 第二導電性類型氮化物層 19a 第一電極 19b 第二電極 35,36,37,55,56,57 主動區 37a，57a，67a 量子阻障層 37b，57b，67b 不連續量子井結構 65 第一主動區 67 第二主動區 18 93344

Claims (1)

1291774 十、申請專利範圍·· k i 一種氮化物發光裝置，包含： • =一及第二導電性類型氮化物層；以及 ▲=射不同波長的光之複數個主動區，係連續地形成 在浚=一與，第二導電性類型氮化物層之間， 斤/、中5亥等主動區包含具有複數個第一量子阻障層 ^ f s子井層的至少—個第—主動區、以及發射比該 _ 動區所發射光之波長為長的光之第二主動區， 且其中該箄二主動奧具有複數個第二量子阻障層 以及複數個第二量子阻障層之間形成的至少一個、 不連、戈里子井結構，該不連續量子井結構分別包含複數 個量子點或微晶。 2·如^晴專利範圍第1項之半導體發光裝置，其中該複數 個置子點或微晶具有對應的第二量子阻障層的上表面 之總面積的20%至75%之總面積。 • 3·如申請專利範圍第1項之半導體發光裝置，其中該第二 主動區包3至少4個量子阻障層、以及在該等至少4 個量子阻障層之間形成的至少3個不連續量子井結 ，，該等不連績量子井結構中之每—不連續量子井結構 分別包含在該等至少4個量子阻障層之間形成的複數 個量子點或微晶。 4·如申請專利範圍第丨項之半導體發光裝置，其中該第一 主動區適於發射波長大約為450至475奈米的光，且 Λ弟一主動區適於發射波長大約為550至600奈米的

93344 19 1291774 光。

如申請專利範圍第1項之半導體發光裝置，其中該第一 主動區包含2個主動層，—個主動層發射波長大約為 450至475奈米的光，且另一個主動層發射波長大約 為510至535奈米的光’且其中該第二主動區適於發 射波長大約為600至635奈米的光。 如申請專利範圍第1項之半導體發光裝置，其中該第一 $電性類型氮化物層包含η型氮化物半導體層，且該第 二導電性類型氮化物層包含ρ型氮化物半導體層，且其 中该弟一主動區被放置在鄰近該第二導電性類型氮化 物層之處。 (·如申請專利範圍第1項之半導體發光裝置，其中該第一 導電性類型氮化物半導體層包含η型氮化物半導體層， 且該第二導電性類型氮化物層包含Ρ型氮化物半導體 層，該第一主動區包含發射不同波長的光之複數個層， 且其中係以一種將具有較長波長的主動區或主動層放 置在較鄰近該第二導電性類型氮化物層之處的方式配 置該第一及第二主動區。 8·如申請專利範圍第1項之半導體發光裝置，其中該第一 主動區具有以InxiGai-xiN表示的成分，其中〇 $ χι $ 1 〇 9·如申請專利範圍第1項之半導體發光裝置，其中該第二 主動區具有以Inx2Gai-x2N表示的成分，其中〇<X2 < 20 93344

1291774 。1〇· =請專利範圍第9項之半導體發光裝置，其中該第 厣導電性類型氮化物半導體層包含η型氮化物半導體 • /弟—$龟性類型氮化物層包含ρ型氮化物半導 體層，该第一主動區包含發射不同波長的光之複數個 層，且其中係以一種將具有較長波長的主動區或主動層 放置在較鄰近該第二導電性類型氮化物層之處的方曰 配置該第一及第二主動區。 鲁11·如申請專利範圍第9項之半導體發光裝置，其中該第 二主動區的該不連續量子井結構具有以 AlyInzGaHy+z)N 或（AlvGa卜〇uIni_uP 表示的成分，其中 〇 < y < 1 ’ 〇 < z < 1，〇 $ v s 1，以及 〇 $ u $ 工。 12.如申請專利範圍第9項之半導體發光裝置，其中該第 一導電性類型氮化物層包含n型氮化物半導體層，且該 第二導電性類型氮化物層包含p型氮化物半導體層，^ 其中該第二主動區被放置在鄰近該第二導電性類型氣 化物層之處。 93344 21