TWI389346B - 光電元件 - Google Patents
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Description
本發明係關於一光電元件，尤其是一種具有奈米柱結構之發光二極體元件。
發光二極體元件(Light-emitting Diode，LED)，具有體積小、壽命長、驅動電壓低、耗電量低、反應速度快、耐震性佳等優點，所以被廣泛應用於如背光模組，照明裝置等領域之中。
同時，發光二極體在具有光電轉換特性的固態元件裡，也是一個相當重要的技術領域。其結構係由一活性層(active layer)，被兩種不同電性的覆蓋層(p-type & n-type cladding layers)所包夾而成。當於上述兩覆蓋層上方之接觸電極施加一驅動電流時，兩覆蓋層之電子與電洞會注入活性層，於活性層中結合而放出光線，其光線具全向性，會通過此發光二極體元件的各個表面而射出。通常，活性層可為單一量子井結構(SQW)或多重量子井結構(MQW)。與單一量子井結構(SQW)相比，多重量子井結構(MQW)通常具有較高的光電轉換效率，且即使在電流很小時，它仍可以透過許多能障層及井層堆疊而成的小能隙結構，將電流轉換為光。
但是多重量子井結構(MQW)之轉換效率，很容易受到晶體品質(crystal quality)與壓電場(piezoelectric field)的影響。例如在氮化鎵系列之發光二極體中，為了獲得波長較長的光時，需要增加量子井內的銦含量，容易增加壓電場效應，產生更多的晶格缺陷，破壞整體的晶體品質，而使得發光二極體的發光效率大幅下降。
本發明提供一種可提高發光效率的光電元件，包括一第一發光結構，可發出一第一波長光；以及一第二發光結構，可發出一第二波長光。其中第一發光結構係一奈米柱結構，並具有一第一活性層，且第一活性層可吸收第二波長光，而產生第一波長光。
在本發明一實施例中，第二發光結構具有一第二活性層，第二活性層的能隙大於第一活性層的能隙。
在本發明一實施例中，奈米柱結構包括一透明絕緣體與複數個奈米柱，第一活性層形成於複數個奈米柱內，透明絕緣體填充於複數個奈米柱之間。
在本發明一實施例中，光電元件還包括一基板，第一發光結構位於基板上，第二發光結構位於第一發光結構上。並且光電元件還可包括一位於基板與第一發光結構之間的緩衝層。
在本發明一實施例中，第二發光結構包括一與第一發光結構相連的第一覆蓋層、一第二覆蓋層及一位於第一覆蓋層與第二覆蓋層之間的一第二活性層。第二活性層的能隙可大於第一活性層的能隙。第一覆蓋層、第二覆蓋層、第一活性層及第二活性層可為氮化鎵系列之半導體。
上述光電元件，第一發光結構具有奈米柱結構，且奈米柱結構中的第一活性層可吸收第二發光結構發出的光線而產生另一光線，由於奈米柱結構本身的特性，使得第一活性層具有較高的發光效率，因此易於提高光電元件的發光效率。
一種背光模組裝置包含一光源裝置，係由上述任意一實施例之光電元件所組成；一光學裝置，置於光源裝置之出光路徑上；以及一電源供應系統，提供光源裝置所需之電源。
一種照明裝置包含一光源裝置，係由上述任意一實施例之光電元件所組成；一電源供應系統，係提供光源裝置所需之電源；以及一控制元件，係控制電源輸入光源裝置。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
圖1為本發明第一實施例的光電元件結構的示意圖。如圖所示，光電元件10為一發光二極體(LED)結構，包括一第一發光結構12與一第二發光結構14。第一發光結構12可發出一第一波長光；第二發光結構14可發出一第二波長光。其中第一發光結構12係一奈米柱結構，且具有一第一活性層122，可吸收由第二發光結構14所產生之第二波長光，而產生第一波長光。再者，第一發光結構12也可以包含複數個活性層，同時被第二發光結構14所產生之第二波長光所激發，而產生複數個波長不同的光，並進行混光。例如，第二波長光為一短波長光，可以激發第一發光結構12之紅色、綠色及藍色波長的三個活性層，混光後產生白光。
具體於本實施例中，光電元件10還具有一基板11及一緩衝層13；其中緩衝層13、第一發光結構12及第二發光結構14係依次位於基板11上方。再者，第二發光結構14包括n型覆蓋層142、第二活性層144以及p型覆蓋層146，其中n型覆蓋層142與第一發光結構12相連，第二活性層144及p型覆蓋層146依次位於n型覆蓋層142之上方；其中第二發光結構14的第二活性層144可為一量子井結構，且n型覆蓋層142、第二活性層144及p型覆蓋層146可為氮化鎵系列之半導體，例如n型覆蓋層142之材質為n型氮化鎵，p型覆蓋層146之材質為p型氮化鎵，第二活性層144為氮化銦鎵之量子井。
第一發光結構12的奈米柱結構中含有複數個奈米柱。奈米柱兩端分別與緩衝層13及n型覆蓋層142相接。為增加介面相容性，奈米柱兩端的材質可分別為與緩衝層13及n型覆蓋層142相近的材質，具體在本實施例中，奈米柱兩端的材質分別為氮化鎵。每一奈米柱的軸向中部位置均形成有活性部，活性部可為氮化銦鎵量子井。第一活性層122即由複數個奈米柱中的活性部所一起構成。第一活性層122的能隙可小於第二活性層144的能隙，即第二活性層144所產生的第二波長光的波長可較第一活性層122所產生的第一波長光的波長短，例如第二活性層144產生藍光、第一活性層122產生綠光；具體在本實施例中，為使第二活性層144所產生的第二波長光的波長較第一活性層122所產生的第一波長光的波長短，可使第二活性層144中銦的濃度小於第一活性層122中銦的濃度。此外，基板11的材質可為藍寶石、
氮化鎵、氮化鋁、氮化鋁鎵或碳化矽。
上述光電元件10的第一發光結構12具有奈米柱結構，其中第一活性層122可吸收第二發光結構14發出的第二波長光而產生第一波長光，由於奈米柱結構具有應力鬆弛(stress relaxation)與提高側面之表面積等特點，因此可使得第一活性層122的壓電場減弱、缺陷減少、光萃取效率提升(light extraction efficiency)，使第一活性層122具有較高的發光效率，進而提高光電元件10的發光效率。再者，由於第一活性層122的能隙小於第二活性層144的能隙，所以利用第二活性層144較高之發光效率與第一活性層122中奈米柱結構的優越光取出特性，可以將第二活性層144之短波長光高效率的轉化為第一活性層122之較長波長的光，從而提高較長波長光的發光效率。具體在本實施例中，第二活性層144的銦濃度較低，因此容易減少/避免第二活性層144受壓電場影響，而以較高效率產生波長較短的光線；第一活性層122雖然銦的濃度較高，但其係利用奈米柱結構與光致發光的方式，將來自第二活性層144的短波長光轉化為長波長光，因此仍能具有較高出光效率，從而提高光電元件10之較長波長光的出光效率。
上述光電元件10的製備方法可先在基板11上進行第一次磊晶，以氮化鎵系列之半導體為例，第一次磊晶過程為先在基板11
上沈積一第一氮化鎵層，再沈積一氮化铟鎵量子井層，接著沈積另一氮化鎵層，從而形成第一磊晶層。然後用反應離子蝕刻(Reactive ion etching，RIE)製程將第一磊晶層垂直蝕刻至與基板11相接觸的第一氮化鎵層中，其中第一氮化鎵層未蝕刻而保留的部分可構成緩衝層13；被蝕刻處則形成複數個隨機分佈的奈米柱，從而形成奈米柱結構以構成第一發光結構12。接著，在第一發光結構12上繼續進行第二次磊晶，以形成第二發光結構14，從而完成光電元件10之製備。光電元件10的另一製備方法是在基板11上先沈積形成一緩衝層13；然後再於緩衝層13上之部分區域定向生長奈米柱，而形成奈米柱結構以構成第一發光結構12；接著在第一發光結構12上繼續進行磊晶，以形成第二發光結構14，從而完成光電元件10之製備。
請參閱圖2，所示為本發明第二實施例的光電元件結構。第二實施例之光電元件20與第一實施例之光電元件10相似，包括一第一發光結構22與一第二發光結構24；第一發光結構22係一奈米柱結構，且具有一第一活性層222；第二發光結構24包括一n型覆蓋層242，一第二活性層244與一p型覆蓋層246。然而，在光電元件20中，第一活性層222與第二活性層244分別為多重量子井結構。多重量子井結構(MQW)具有較高的光輸出能力，因此容易使光電元件20的發光效率進一步提高。本實施例光電元件20，其第一活性層222與第二活性層244，也可以是兩者其中之一為多重量子井結構。
請參閱圖3，所示為本發明第三實施例的光電元件結構的示
意圖。第三實施例之光電元件30與第一實施例之光電元件10相似，包括一第一發光結構32與一第二發光結構34；第一發光結構32係一奈米柱結構，具有複數個奈米柱及，且複數個奈米柱內中具有第一活性層322。然而，在光電元件30中，第一發光結構32還包括一填充於複數個奈米柱之間的透明體324。透明體324，可保護奈米柱免受外部的影響。透明體324之材質可為旋塗玻璃(Spin-on-glass)、二氧化矽、環氧樹脂或包含有螢光粉材料之材質。
請參閱圖4，所示為本發明第四實施例的光電元件結構的示意圖。第四實施例之光電元件40與第一實施例之光電元件10相似，包括一第一發光結構42與一第二發光結構44；第一發光結構42係一奈米柱結構，且具有一第一活性層422；第二發光結構44具有一n型覆蓋層442，一p型覆蓋層446。然而，在光電元件40中之第二發光結構44中，包夾在n型覆蓋層442與p型覆蓋層446之間另有一第二奈米柱結構444。第二奈米柱結構444包括第一端部4442、活性部4444及第二端部4446。第一端部4442與n型覆蓋層442相連，第二端部4446與p型覆蓋層446相連，活性部4444位於第一端部4442與第二端部4446之間。所有的活性部4444一起構成第二活性層。第一端部4442與第二端部4446之材質可分別為n型半導體與p型半導體，活性部4444可為量子井。由於光電元件40的第二發光結構44採用奈米柱結構，因此更易於進一步提高光電元件40之發光效率。
請參閱圖5，所示為本發明第五實施例的光電元件結構的示意圖。第五實施例之光電元件50與第一實施例之光電元件10相似，包括一第二發光結構54、一第一發光結構52、緩衝層53與基板51；其中，第一發光結構52係由複數個奈米柱所形成之奈米柱結構。每一個奈米柱包括外部521、活性部522與中心部523；且由每一個奈米柱之複數個活性部522構成第一活性層。相較於第一實施例之光電元件10，本實施例將活性部形成於奈米柱之側壁位置，可以增加活性部的面積，因而提升其效率並使第一活性層中所產生的光線更易於從側面出光。此側壁通常為非極性或半極性結晶面，使活性部中的壓電場效應大幅降低因此增加發光效率。
綜上所述，在本發明之光電元件，由於第一發光結構具有奈米柱結構，且奈米柱結構中的第一活性層可吸收第二發光結構發出的光線而產生另一光線，由於奈米柱結構本身的優異特性，使得第一活性層具有較高的發光效率，因此易於提高光電元件的發光效率。
請參閱圖6，其顯示本發明實施例之背光模組結構。其中背光模組裝置600包含：由本發明上述任意實施例之光電元件611所構成的一光源裝置610；一光學裝置620置於光源裝置610之出光路徑上，將光做適當處理後出光；以及一電源供應系統630，提供上述光源裝置610所需之電源。
請參閱圖7，其顯示本發明實施例之照明裝置結構。上述照
明裝置700可以是車燈、街燈、手電筒、路燈、指示燈等等。其中照明裝置700包含：一光源裝置710，係由本發明上述之任意實施例的光電元件711所構成；一電源供應系統720，提供光源裝置710所需之電源；以及一控制元件730控制電源輸入光源裝置710。
雖然本發明已藉各實施例說明如上，然其並非用以限制本發明之範圍。對於本發明所作之各種修飾與變更，例如，在光電元件10中將n型覆蓋層142與p型覆蓋層146的位置調換，或變更緩衝層13的組成省略基板11，亦或變更基板11的組成省略緩衝層13等，皆不脫本發明之精神與範圍。
10、20、30、40、50、611、711‧‧‧光電元件
11、51‧‧‧基板
12、22、32、42、52‧‧‧第一發光結構
122、222、322、422、522‧‧‧第一活性層
324‧‧‧透明絕緣體
13、53‧‧‧緩衝層
14、24、34、34、44、54‧‧‧第二發光結構
142、242、442‧‧‧n型覆蓋層
144、244‧‧‧第二活性層
146、246、446‧‧‧p型覆蓋層
444‧‧‧第二奈米柱結構
4442‧‧‧第一端部
4444‧‧‧活性部
4446‧‧‧第二端部
521‧‧‧外部
523‧‧‧中心部
600‧‧‧背光模組裝置
610、710‧‧‧光源裝置
620‧‧‧光學裝置
630、720‧‧‧電源供應系統
700‧‧‧照明裝置
730‧‧‧控制元件
圖1係本發明第一實施例光電元件結構的示意圖。
圖2係本發明第二實施例光電元件結構的示意圖。
圖3係本發明第三實施例光電元件結構的示意圖。
圖4係本發明第四實施例光電元件結構的示意圖。
圖5係本發明第五實施例光電元件結構的示意圖。
圖6係本發明實施例之背光模組結構。
圖7係本發明實施例之照明裝置結構。
10‧‧‧光電元件
11‧‧‧基板
12‧‧‧第一發光結構
122‧‧‧第一活性層
13‧‧‧緩衝層
14‧‧‧第二發光結構
142‧‧‧n型覆蓋層
144‧‧‧第二活性層
146‧‧‧p型覆蓋層
Claims (22)
- 一種光電元件，包含：一第一發光結構，包含銦並可發出一第一波長光；以及一第二發光結構，位於該第一結構之上，包含銦並可發出一第二波長光；其中該第一發光結構係一奈米柱結構，並具有一第一活性層，且該第一活性層可吸收該第二波長光，而產生該第一波長光；其中，該第一發光結構內的銦濃度比該第二發光結構的銦濃度高。
- 如申請專利範圍第1項所述之光電元件，其中該第二發光結構具有一第二活性層，該第二活性層的能隙大於該第一活性層的能隙。
- 如申請專利範圍第2項所述之光電元件，其中該第一活性層或該第二活性層為一多重量子井結構。
- 如申請專利範圍第1項所述之光電元件，其中該第二發光結構係由另一奈米柱結構所形成。
- 如申請專利範圍第1項所述之光電元件，其中該奈米柱結構包括一透明絕緣體與複數個奈米柱，該第一活性層形成於該複數個奈米柱內，該透明絕緣體填充於該複數個奈米柱之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之光電元件，更包含一基板，該第一發光結構位於該基板上，該第二發光結構位於該第一發光結構上。
- 如申請專利範圍第1項所述之光電元件，其中該第一波長光之波長小於該第二波長光之波長。
- 如申請專利範圍第1項所述之光電元件，其中該奈米柱結構包含複數個奈米柱，每一奈米柱的軸向中部位置形成有一活性部，該第一活性層即由該複數個活性部所構成。
- 如申請專利範圍第1項所述之光電元件，其中該奈米柱結構包含複數個奈米柱，每一奈米柱的側壁形成有一活性部，該第一活性層即由該複數個活性部所構成。
- 如申請專利範圍第1項所述之光電元件，其中該第二發光結構包括一與該第一發光結構相連的第一覆蓋層、一第二覆蓋層及一第二活性層位於該第一覆蓋層與該第二覆蓋層之間。
- 如申請專利範圍第10項所述之光電元件，其中該第二活性層的能隙高於該第一活性層的能隙。
- 如申請專利範圍第11項所述之光電元件，其中該第一覆蓋層、該第二覆蓋層、該第一活性層及該第二活性層為氮化鎵系列之半導體。
- 如申請專利範圍第12項所述之光電元件，其中該第一活性層中銦的濃度大於該第二活性層中銦的濃度。
- 如申請專利範圍第13項所述之光電元件，其中該第一活性層或該第二活性層為一多重量子井結構。
- 如申請專利範圍第10項所述之光電元件，其中該奈米柱結構包括一透明絕緣體與複數個奈米柱，該第一活性層形成於該複數個奈米柱內，該透明絕緣體填充於該複數個奈米柱之間。
- 如申請專利範圍第10項所述之光電元件，其中該第二發光結構包括一第二奈米柱結構，且該第二活性層位於該第二奈米柱結構內。
- 如申請專利範圍第10項所述之光電元件，其中該奈米柱結構包含複數個奈米柱，每一奈米柱的軸向中部位置形成有一活性部，該第一活性層即由該複數個活性部所構成。
- 如申請專利範圍第10項所述之光電元件，其中該奈米柱結構包含複數個奈米柱，每一奈米柱的側壁形成有一活性部，該第一活性層即由該複數個活性部所構成。
- 如申請專利範圍第1項所述之光電元件，其中該第一發光結構具有複數個能隙活性層。
- 如申請專利範圍第1項所述之光電元件，其中該第一發光結構可以產生複數個波長不同的光。
- 一種背光模組裝置包含：一光源裝置，係由申請專利範圍第1~20項所述之光電元件任選其一所組成；一光學裝置，置於該光源裝置之出光路徑上；以及一電源供應系統，提供該光源裝置所需之電源。
- 一種照明裝置包含：一光源裝置，係由申請專利範圍第1~20項所述之光電元件任選其一所組成；一電源供應系統，係提供該光源裝置所需之電源；以及一控制元件，係控制該電源輸入該光源裝置。
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