TWI467806B - 具有高量子效率之長波長發光裝置 - Google Patents

具有高量子效率之長波長發光裝置 Download PDF

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Description

具有高量子效率之長波長發光裝置
本發明係關於具有高量子效率之長波長發光裝置。
發光二極體(「LED」)及其他類型之發光裝置廣泛用於電子裝置內之背景照明及用於招牌、室內照明、室外照明及其他類型之一般照明。習用發光裝置之效率大體上隨著不同波長而變化。舉例而言，在通常電流密度下，基於氮化鎵(GaN)/氮化銦鎵(InGaN)之LED在綠色波長範圍內實質上不如在藍色或紫色波長範圍內有效。因此，可期望發光裝置之數個改良以有效地發射長於藍色或紫色波長範圍之波長之光。
下文闡述具有高量子效率之發光裝置之各項實施例。如下文中所使用，術語「發光裝置」一般係指LED、雷射二極體及/或除電燈絲、一電漿或一氣體以外之其他適合照明源。術語「量子效率」一般係指所產生之光子之一數目與所注入之電子之一數目之一比率。熟習相關技術者亦將理解，本技術可具有額外實施例，且可在沒有下文參照圖1至圖4所闡述之實施例之細節中之數者之情形下實踐本技術。
如上文在先前技術章節中所論述，發光裝置在不同波長範圍內可具有變化的發射效率。已認識到，基於GaN/InGaN之LED在相對較長波長範圍(例如，綠色)內實質上 不如在較短波長範圍(例如，藍色或紫色)內有效。舉例而言，由Durham之Cree公司生產之型號EZ1000發射450 nm之光且在一350 mA驅動電流下具有380 mW輸出功率。相比而言，其他LED發射530 nm之光且僅具有150 mW輸出功率。450 nm LED及530 nm LED之對應量子效率分別係39.4%及18.3%。
亦已認識到，在較長波長範圍內進行發射之LED之低量子效率係至少部分地由於該等LED中之一電流「下降」。圖1係根據本技術之實施例在綠色波長範圍內進行發射之實例性GaN/InGaN LED之一正規化外部量子效率(「EQE」)對注入電流曲線圖。如圖1中所展示，在綠色波長範圍內進行發射之基於GaN/InGaN之LED可在極低電流值(例如，在圖1中為對應於大約0.11 A/cm2 之一電流密度之大約0.1 mA)下具有高量子效率(例如，大約65%之一峰值效率)。相比之下，LED之典型操作電流密度可超過35 A/cm2 。然而，隨著注入電流及對應電流密度增加，LED之EQE迅速降低。
在不受限於理論之情形下，據信數種機制可導致前述電流「下降」及因此在綠色波長範圍內進行發射之LED之低EQE。即使下文僅闡述特定機制，電流「下降」亦可由本文中未闡述之其他適合機制導致及/或由該等機制中之至少某些機制之一組合導致。
據信，在載子密度(例如，在高電流值下)極高時，前述電流「下降」可由「歐傑復合(Auger recombination)」導 致。在此等條件下，一電子與一電洞可復合並且將能量轉移至一第三載子(例如，另一電子或電洞)，藉此使該第三載子移動至一更高能階。在吸收能量之後，第三載子可將其過量能量耗費在熱振動上。因此，電子與電洞之歐傑復合不產生光子而是在LED之晶格結構中產生熱。
據信電洞之低注入效率亦可導致前述電流「下降」。據信在遷移穿過一LED中之一晶格結構時電洞並不具有像電子一樣之移動性。因此，到達作用區域之電洞之數目可小於電子之數目。此等過量電子則可構成流過作用區域之一洩漏電流而不產生光。
另外，LED結構通常包含晶體缺陷及/或錯位。舉例而言，LED結構可包含邊緣錯位、螺旋錯位及/或其他類型之錯位。據信此等晶體缺陷及/或錯位可產生其中某些載子可繞過LED結構而不與其他載子復合之路徑。載子之此繞過可產生低量子效率。
輸送載子穿過LED中之量子井之困難亦可導致低量子效率。據信LED通常包含形成於極性或半極性晶體平面上之量子井及/或其他結構。LED之晶體平面及/或其他結構特徵之極性可誘發量子井之間的能量障壁，其可限制載子(例如，電子及電洞)移動穿過量子井。因此，僅少量的量子井可主動地經歷輻射復合而其他量子井係惰性的。
圖2至圖4展示可解決前述問題中之至少某些問題之發光裝置之數項實施例。圖2係根據本技術之實施例之一發光裝置100之一示意性剖面圖。在一項實施例中，發光裝置 100可包含一載體材料102、一第一觸點103、一第一半導體材料104、一第一作用區域105、一第二半導體材料108、一第二作用區域107、一第三半導體材料109及一第二觸點110。即使在圖2中將發光裝置100展示為具有垂直配置的第一觸點103及第二觸點120，但在其他實施例中發光裝置100亦可具有橫向配置的觸點(未展示)、掩埋式觸點及/或其他適合觸點組態。在另一些實施例中，發光裝置100亦可包含一光學組件(例如，一準直儀)及/或其他適合電組件及/或光學組件。
在某些實施例中，載體材料102可係包含其至少一部分具有Si(1,1,1)晶體定向之矽(Si)、具有其他晶體定向(例如，Si(1,0,0))之矽、砷化鎵(GaAs)、AlGaN、GaN、碳化矽(SiC)、藍寶石(Al2 O3 )、氧化鋅(ZnO2 )、陶瓷、前述材料之一組合及/或其他適合材料之一生長基板。在其他實施例中，載體材料102可係包含一介電、導電或半導電材料之一支撐基板。載體材料102可具有接近於第一觸點103之一大體上平坦表面101。在其他實施例中，載體材料102亦可包含一非平坦表面(例如，具有未展示之開口、通道及/或其他表面特徵)。
第一觸點103可包含銀(Ag)或鋁(Al)及/或其他反射且導電材料。在所圖解說明之實施例中，第一觸點103大體上完全覆蓋第一半導體材料104之一表面積。在其他實施例中，第一觸點103可部分地覆蓋第一半導體材料104之表面積。在另一些實施例中，第一觸點103可具有一掩埋式組 態及/或其他適合組態。
第二觸點110可包含金(Au)、銅(Cu)、鋁(Al)及/或其他適合導電材料。在一項實施例中，第二觸點110包含藉由一交叉構件(未展示)而彼此耦合之複數個指狀件(未展示)。在其他實施例中，第二觸點110可包含一點式觸點。在另一些實施例中，第二觸點110可包含其他適合觸點組態。另一選擇係，第二觸點110可由一透明導電材料製成。
可將第一半導體材料104及第二半導體材料108組態為第一作用區域105之包覆結構。在一項實施例中，第一半導體材料104及第二半導體材料108分別包含一N型GaN材料及一P型GaN材料。在另一實施例中，第一半導體材料104及第二半導體材料108分別包含一P型GaN材料及一N型GaN材料。在另一些實施例中，第一半導體材料104及第二半導體材料108可個別地包含GaAs、砷化鋁鎵(AlGaAs)、磷砷化鎵(GaAsP)、磷化鎵(III)(GaP)、硒化鋅(ZnSe)、氮化硼(BN)、AlGaN及/或其他適合半導體材料中之至少一者。在前述實施例中之任一者中，第一半導體材料104與第二半導體材料108具有相反摻雜類型。
第一作用區域105可經組態以在電致發光下在藍色、紫色或近紫外光區域中以一第一波長進行發射。第一作用區域105可包含一單量子井(「SQW」)、MQW及/或經組態以經由電致發光產生一第一發射之一塊體半導體材料。如下文所使用，一「塊體半導體材料”一般係指具有大於大約 10奈米且最多達大約500奈米之一厚度之一單晶粒半導體材料(例如，InGaN)。在某些實施例中，第一作用區域105可包含一InGaN SQW、InGaN/GaN MQW及/或一InGaN塊體材料。在其他實施例中，第一作用區域105可包含磷化鋁銦鎵((AlInGaP)、氮化鋁鎵銦(AlGaInN)及/或其他適合材料或組態。
第二作用區域107可經組態以僅經由光致發光以長於第一作用區域105之第一波長之一第二波長進行發射。舉例而言，在一項實施例中，第二作用區域107可經組態以在綠色區域中以大約530 nm、540 nm、550 nm及/或另一波長之一第二波長進行發射。在其他實施例中，第二作用區域107可經組態以在適合色彩區域中以其他波長進行發射。
第三半導體材料109可具有與第二半導體材料108相同之摻雜類型。舉例而言，第二半導體材料108及第三半導體材料109兩者可包含一N型GaN材料或一P型GaN材料中之一者。在另一些實施例中，第三半導體材料109可包含GaAs、砷化鋁鎵(AlGaAs)、磷砷化鎵(GaAsP)、磷化鎵(III)(GaP)、硒化鋅(ZnSe)、氮化硼(BN)、AlGaN及/或具有與第二半導體材料108相同之摻雜類型之其他適合半導體材料中之至少一者。在前述實施例中之任一者中，第一半導體材料104、第一作用區域105、第二半導體材料108、第二作用區域107及第三半導體材料109可定義經由金屬有機化學汽相沈積(「MOCVD」)、分子束磊晶(「MBE」)、 液相磊晶(「LPE」)、混合汽相磊晶(「HVPE」)及/或其他適合磊晶生長技術形成之一發光結構。
在操作中，在第一觸點103與第二觸點110之間施加之一電壓使一第一電荷載子(例如，電洞)穿過第一半導體材料104注入至第一作用區域105中且使一第二電荷載子(例如，電子)穿過第三半導體材料109、第二作用區域107及第二半導體材料108注入至第一作用區域105中。第一電荷載子與第二電荷載子在第一作用區域105中復合以在藍色區域(例如，大約450 nm至大約500 nm)、紫色區域(例如，大約375 nm至大約425 nm)或近紫外光區域(例如，大約325 nm至大約375 nm)中之一者中發射一第一波長之一第一發射。
第一發射然後由第一觸點103反射及/或透射穿過第一半導體材料104及第二半導體材料108到達第二作用區域107(如箭頭112所指示)。第二作用區域107吸收第一發射之至少一部分以產生電荷載子(例如，電子及電洞)，該等電荷載子以輻射方式復合以產生長於第一波長之一第二波長之一第二發射。在一項實施例中，第二波長可係在綠色波長範圍(例如，大約495 nm至大約535 nm)內。在其他實施例中，第二波長可係在黃色範圍(例如，大約545 nm至大約595 nm)及/或其他適合波長範圍內。即使自第二觸點110注入之第二電荷載子通過第二作用區域107，亦預期自第一觸點103注入之第一電荷載子不會超越第一作用區域105而到達第二作用區域107。因此，第二作用區域107僅經由光 致發光或至少主要經由光致發光產生第二發射。
發光裝置100之數項實施例可至少減少或消除導致低效率之前述機制之影響。舉例而言，可經由藉由調整第二作用區域107中之量子井之數目控制其中之載子密度而減少第二作用區域107中之歐傑復合。舉例而言，在一項實施例中，藉由增加量子井之數目，可降低載子密度。在其他實施例中，可調整第二作用區域107之其他適合特性以達成目標載子密度。
電洞之注入效率亦不影響第二作用區域107，此乃因第二作用區域107中之發射機制係光致發光。而是，藉由自第一作用區域105吸收第一發射之一部分而在第二作用區域107中產生電子及電洞。因此不需要電洞注入。此外，藉由原位產生電子及電洞，第二作用區域107可具有比一電抽吸作用區域均勻之一電荷載子分佈。
發光裝置100之數項實施例之另一預期優點係與習用裝置相比亦可減少由於晶體缺陷及/或錯位所致的載子繞過問題。如圖2中所展示，第二作用區域107藉由第二半導體材料108而與第一作用區域105間隔開。第一作用區域105用作其中電子與電洞復合的發光裝置100之接面。由於第二作用區域107並非在一接面處，因此預期第一作用區域105外部不存在顯著載子群體來驅動一洩漏電流。因此，與習用裝置相比，可至少減少(若非消除)第二作用區域107中之繞過問題。在某些實施例中，可調整第二半導體材料108之厚度以限制或完全阻止電洞遷移至第二作用區域 107。在其他實施例中，亦可調整發光裝置100之其他適合參數。因此，相比於習用發光裝置，發光裝置100之實施例可在綠色或更長波長範圍內以較高量子效率及較大波長穩定性進行發射。
即使圖2中所展示之發光裝置100具有在第三半導體材料109上之第二觸點110，在其他實施例中發光裝置100亦可具有其他組態。舉例而言，圖3係根據本技術之額外實施例之一發光裝置200之一示意性剖面圖。如圖3中所展示，發光裝置200可包含呈一堆疊配置之載體材料102、第一觸點103、第一半導體材料104、第一作用區域105及第二半導體材料108。透過一第二作用區域107曝露發光裝置200之第二半導體材料108之一第一部分108a。第二觸點110與發光裝置200中之第二半導體材料108之第一部分108a直接接觸。
發光裝置200亦包含連續位於第二半導體材料108之一第二部分108b上之一第一隔離材料111、第二作用區域107及一第二隔離材料113。第一隔離材料111及第二隔離材料113可包含一透明且大體上不導電材料。在一項實施例中，第一隔離材料111及第二隔離材料113可包含未經摻雜GaN。在另一實施例中，第一隔離材料111及第二隔離材料113可包含氧化矽(SiO2 )、氮化矽(SiN)及/或其他適合隔離材料。
在另一些實施例中，第一隔離材料111及/或第二隔離材料113亦可具有大體上類似於第二半導體材料108之組合物 之一組合物。舉例而言，如圖4中所展示，第一隔離材料111及第二隔離材料113包含N型GaN。為清晰起見在圖4中將第一隔離材料111展示為一虛線。在又一些實施例中，可省略第一隔離材料111，且第二作用區域107可直接形成於第二半導體材料108上。
在圖3及圖4中所展示之實施例中，當在第一觸點103與第二觸點110之間施加一電壓時，電流流過第一半導體材料104、第一作用區域105及第二半導體材料108而不流過第二作用區域107。因此，第二作用區域107不能經由電致發光而是僅經由光致發光發射第二發射。
依據前文所述，將瞭解，本文已出於說明性目的闡述了本技術之特定實施例，但可在不背離本發明之情形下做出各種修改。另外，除其他實施例之元件外或代替其他實施例之元件，一項實施例之諸多元件亦可與其他實施例組合。因此，本發明不受除隨附申請專利範圍外的限制。
100‧‧‧發光裝置
101‧‧‧大體上平坦表面
102‧‧‧載體材料
103‧‧‧第一觸點
104‧‧‧第一半導體材料
105‧‧‧第一作用區域
107‧‧‧第二作用區域
108‧‧‧第二半導體材料
108a‧‧‧第一部分
109‧‧‧第三半導體材料
110‧‧‧第二觸點
111‧‧‧第一隔離材料
112‧‧‧箭頭/第一發射由第一觸點反射及/或透射穿過第一半導體材料及第二半導體材料到達第二作用區域
113‧‧‧第二隔離材料
200‧‧‧發光裝置
圖1係根據本技術之實施例之某些LED之一正規化外部量子效率對注入電流曲線圖。
圖2係根據本技術之實施例之一發光裝置之一示意性剖面圖。
圖3係根據本技術之額外實施例之一發光裝置之一示意性剖面圖。
圖4係根據本技術之額外實施例之一發光裝置之一示意性剖面圖。
100‧‧‧發光裝置
101‧‧‧大體上平坦表面
102‧‧‧載體材料
103‧‧‧第一觸點
104‧‧‧第一半導體材料
105‧‧‧第一作用區域
107‧‧‧第二作用區域
108‧‧‧第二半導體材料
109‧‧‧第三半導體材料
110‧‧‧第二觸點
111‧‧‧第一隔離材料
112‧‧‧箭頭/第一發射由第一觸點反射及/或透射穿過第一半導體材料及第二半導體材料到達第二作用區域

Claims (14)

  1. 一種發光裝置，其包括：一第一半導體材料；一第二半導體材料，其與該第一半導體材料間隔開；一第一作用區域，其介於該第一半導體材料與該第二半導體材料之間，該第一作用區域經組態以經由電致發光產生一第一發射；及一第二作用區域，其至少接近該第二半導體材料以使得該第二半導體材料介於該第一作用區域與該第二作用區域之間，該第二作用區域經組態以吸收該第一發射之至少一部分且經由光致發光產生一第二發射；一第三半導體材料，其在該第二作用區域上，該第三半導體材料與該第二半導體材料具有相同的摻雜類型；一第一觸點；及一第二觸點，其中該第一半導體材料在該第一觸點上，且該第二觸點在該第三半導體材料上。
  2. 如請求項1之發光裝置，其中：該第一半導體材料包含一P型半導體材料；該第二半導體材料包含一N型半導體材料；且該第三半導體材料包含一N型半導體材料。
  3. 如請求項1之發光裝置，其中該第一作用區域及該第二作用區域個別地包含一單量子井(「SQW」)及多量子井(「MQW」)之至少一者。
  4. 一種發光裝置，其包括： 一第一觸點，該第一觸點包含一反射且導電材料；一第一半導體材料，其在該第一觸點上；一第二半導體材料，其與該第一半導體材料間隔開；一第一作用區域，其介於該第一半導體材料與該第二半導體材料之間，該第一作用區域經組態以經由電致發光產生一第一發射；及一第二作用區域，其至少接近該第二半導體材料以使得該第二半導體材料介於該第一作用區域與該第二作用區域之間，該第二作用區域經組態以吸收該第一發射之至少一部分且經由光致發光產生一第二發射；一第三半導體材料，其在該第二作用區域上；一第二觸點，其在該第三半導體材料上，該第二觸點包含一導電材料，其中：該第一半導體材料包含一P型半導體材料；該第二半導體材料包含一N型半導體材料；且該第三半導體材料包含一N型半導體材料。
  5. 一種發光裝置，其包括：一第一觸點，該第一觸點包含銀(Ag)；一第一半導體材料，其在該第一觸點上；一第二半導體材料，其與該第一半導體材料間隔開；一第一作用區域，其介於該第一半導體材料與該第二半導體材料之間，該第一作用區域經組態以經由電致發光產生一第一發射；及一第二作用區域，其至少接近該第二半導體材料以使 得該第二半導體材料介於該第一作用區域與該第二作用區域之間，該第二作用區域經組態以吸收該第一發射之至少一部分且經由光致發光產生一第二發射；一第三半導體材料，其在該第二作用區域上；及一第二觸點，其在該第三半導體材料上，該第二觸點包含銅(Cu)，其中：該第一半導體材料包含P型氮化鎵(「GaN」)；該第二半導體材料包含N型GaN；且該第三半導體材料包含N型GaN。
  6. 如請求項5之發光裝置，其中：該第一作用區域及該第二作用區域個別地包含一塊體氮化銦鎵(「InGaN」)材料、一InGaN單量子井(「SQW」)及GaN/InGaN多量子井(「MQW」)中之至少一者；該第一作用區域具有一第一組合物及一第一厚度；該第二作用區域具有一第二組合物及一第二厚度；且該第一組合物及該第一厚度中之至少一者分別不同於該第二組合物及該第二厚度。
  7. 一種發光裝置，其包括：一第一觸點；一第二觸點，其與該第一觸點間隔開；一第一作用區域，其介於該第一觸點與該第二觸點之間，該第一作用區域經組態以在於該第一觸點與該第二觸點之間施加一電壓時經由電致發光產生一第一發射， 該第一發射具有一第一中心波長；一第二作用區域，其與該第一作用區域間隔開，該第二作用區域經組態以吸收該第一發射之至少一部分且經由光致發光產生一第二發射，該第二發射具有長於該第一中心波長之一第二中心波長；及一半導體材料，其介於該第一作用區域與該第二作用區域之間，其中該半導體材料經組態以從該第二作用區域傳送一電流至該第一作用區域，該半導體材料具有一厚度，其經組態以實質上阻止從該第一作用區域至該第二作用區域之電洞遷移，及該第一作用區域及該第二作用區域個別地包含一塊體氮化銦鎵(「InGaN」)材料、一InGaN單量子井(「SQW」)及GaN/InGaN多量子井(「MQW」)中之至少一者。
  8. 如請求項7之發光裝置，其中：該第二作用區域介於該第一觸點與該第二觸點之間；且該第二作用區域與來自該第一觸點及該第二觸點中之至少一者之載子注入絕緣。
  9. 如請求項7之發光裝置，其中：該第一中心波長在藍色、紫色或近紫外光波長範圍中之一者內；且該第二中心波長在綠色波長範圍內。
  10. 如請求項7之發光裝置，其中：該第一中心波長係自大約450nm至大約500nm；且該第二中心波長係自大約495nm至大約535nm。
  11. 如請求項7之發光裝置，其中：該第一中心波長係大約475nm；且該第二中心波長係大約510nm。
  12. 一種用於形成一發光裝置之方法，其包括：形成一第一半導體材料；在該第一半導體材料上形成一第一作用區域，該第一作用區域經組態以經由電致發光產生一第一發射，該第一發射具有一第一中心波長；在該第一作用區域上形成一第二半導體材料；形成與該第一作用區域間隔開之一第二作用區域，該第二作用區域經組態以吸收該第一發射之至少一部分且經由光致發光產生一第二發射，該第二發射具有一第二中心波長；及選擇該第一作用區域及該第二作用區域之一組合物及一厚度中之至少一者以使得該第二中心波長長於該第一中心波長，其中，形成該第一作用區域包含形成第一GaN/InGaN多量子井(「MQW」)；形成該第二作用區域包含形成第二GaN/InGaN多量子井(「MQW」)；選擇該組合物及該厚度中之至少一者包含：選擇該第一GaN/InGaN MQW及該第二GaN/InGaN MQW之一銦(In)濃度及一厚度中之至少一者以使得該第二中心波長長於該第一中心波長。
  13. 如請求項12之方法，其進一步包括：選擇該第二半導體材料之一厚度以使得在該第二作用區域中不進行電致發光。
  14. 一種發光裝置，其包括：一第一半導體材料；一第二半導體材料，其與該第一半導體材料間隔開；一第一作用區域，其介於該第一半導體材料與該第二半導體材料之間，該第一作用區域經組態以經由電致發光產生一第一發射；一第二作用區域，其至少接近該第二半導體材料以使得該第二半導體材料介於該第一作用區域與該第二作用區域之間，該第二作用區域經組態以吸收該第一發射之至少一部分且經由光致發光產生一第二發射；及一第三半導體材料，其在該第二作用區域上，該第三半導體材料與該第二半導體材料具有相同的摻雜類型，其中該第一作用區域及該第二作用區域個別地包含一塊體氮化銦鎵(「InGaN」)材料、一InGaN單量子井(「SQW」)及GaN/InGaN多量子井(「MQW」)中之至少一者。
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