TWI502765B - 發光二極體裝置 - Google Patents
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Description
本發明係有關一種發光二極體裝置，特別是關於一種具超晶格穿隧接面的發光二極體裝置。
為了提升發光二極體（LED）的發光效率，方法之一是使用穿隧接面（tunnel junction）將二或多個發光二極體疊加起來。疊加發光二極體較單一發光二極體放射更多的光線，因而提高亮度。使用穿隧接面還可強化電流的分散（spreading），使得主動層內更多的載子可進行再結合（recombination）。此外，疊加發光二極體較同樣數目之單一發光二極體具有較少的電極接觸，不但可節省空間，且可降低所造成的電致遷移（electromigration）問題。
傳統具穿隧接面之發光二極體的發光效率仍有改善的空間，因此，亟需提出一種新穎的發光二極體結構，用以進一步提升發光效率。
鑑於上述，本發明實施例的目的之一在於提出一種具超晶格結構的發光二極體裝置，用以形成穿隧接面，以提升發光效率。本實施例藉由調整超晶格結構的銦或且鋁濃度，以得到較佳的穿隧效率。
根據本發明實施例之一，發光二極體單元包含第一發光二極體、第二發光二極體及超晶格結構。第一發光二極體包含n側氮化物半導體層、第一主動層與p側氮化物半導體層；第二發光二極體包含n側氮化物半導體層、第二主動層與p側氮化物半導體層；超晶格結構係由至少一第一子層與至少一第二子層交替堆疊組成，位於第一發光二極體的p側氮化物半導體層與第二發光二極體的n側氮化物半導體層之間，作為穿隧接面，藉以將第一發光二極體與第二發光二極體疊加在一起。其中，超晶格結構具有一吸收光譜，第一主動層具有一第一發射光譜，第二主動層具有一第二發射光譜，該吸收光譜位於第一發射光譜與第二發射光譜兩者之中至少一者之相對短波長側(shorter-wavelength side)。
第一圖顯示本發明實施例之發光二極體裝置的剖面圖。為了便於瞭解，圖式僅顯示出與本發明實施例特徵相關的層級。發光二極體裝置包含至少一發光二極體單元，而每ㄧ發光二極體單元包含至少一發光二極體。在本實施例中，發光二極體單元包含第一發光二極體1及第二發光二極體2。第一發光二極體1主要包含n側氮化物半導體層41、第一主動層42、p側氮化物半導體層43及第一電極40。其中，第一主動層42位於n側氮化物半導體層41與p側氮化物半導體層43之間；第一電極40位於n側氮化物半導體層41上。舉例而言，n側氮化物半導體層41 包含n型氮化鎵（GaN）層，第一主動層42包含氮化銦鎵（InGaN），p側氮化物半導體層43包含p型氮化鎵層，其中第一電極40電性連接n型氮化鎵層。類似的情形，第二發光二極體2主要包含n側氮化物半導體層51、第二主動層52、p側氮化物半導體層53及第二電極50。其中，第二主動層52位於n側氮化物半導體層51與p側氮化物半導體層53之間；第二電極50位於p側氮化物半導體層53上。舉例而言，n側氮化物半導體層51包含n型氮化鎵（GaN）層，第二主動層52包含氮化銦鎵（InGaN），p側氮化物半導體層53包含p型氮化鎵層，其中第二電極50電性連接p型氮化鎵層。
根據本發明實施例的特徵之一，第一發光二極體1與第二發光二極體2之間形成有超晶格（superlattice）結構44。該超晶格結構44係作為穿隧接面（tunneling junction），用以將第一發光二極體1與第二發光二極體2疊加在一起，以提升整體的發光效率。本實施例之超晶格結構44係由至少一氮化鋁鎵（AlGaN）第一子層441與至少一氮化銦鎵（InGaN）第二子層442交替堆疊組成。於部分實施例中，第一子層441與第二子層442的組合方式包含下列族群中之一者：AlGaN/InGaN, AlGaN/GaN, GaN/InGaN。
第一圖所示的超晶格結構44包含三對的氮化鋁鎵（AlGaN）第一子層441及氮化銦鎵（InGaN）第二子層442，但對的數目不限定於此。本實施例之第一子層441或第二子層442的厚度介於1~10奈米（nm），但不限於此。氮化鋁鎵（AlGaN）會產生拉伸應變（tensile-strain）壓電（piezoelectric）極化，而氮化銦鎵（InGaN）則會產生相反的壓縮應變（compressive-strain）壓電極化。鑑於兩者極化的方向相反，因此可藉由調整鋁或/且銦的濃度以提升超晶格結構44的穿隧效率。
當銦濃度超過20%（或0.2）時，吸光效應較為顯著，因此，在本實施例中，銦的濃度設定小於或等於20%。於一範例中，銦的濃度設定為15%（或0.15）。第二A圖顯示當銦濃度為0.15時，調整鋁濃度z所得到的電流-電壓曲線。一般而言，當電壓數值為-1，電流密度大於或等於50A/cm2
時，超晶格結構44即可產生適當的穿隧效率，但是需要另外考慮極化程度所造成的影響。因此，本實施例的鋁濃度設定為0.2~0.44，較佳為0.25~0.35。
第二B圖顯示當銦濃度為0.15且鋁濃度為0.3時，各種極化程度所相應的電流-電壓曲線，其中，第一子層441包含Al0.3
Ga0.7
N且第二子層442包含In0.15
Ga0.85
N。根據圖示曲線可以得知，當極化程度大於或等於60%時，可得到適當的穿隧效率。
第二C圖顯示當銦濃度為0.15且鋁濃度為0.35時，各種極化程度所相應的電流-電壓曲線，其中，第一子層441包含Al0.35
Ga0.65
N且第二子層442包含In0.15
Ga0.85
N。根據圖示曲線可以得知，當極化程度大於或等於60%時，可得到適當的穿隧效率。
若要確保在低極化程度（例如：低於50%）也能獲得適當的穿隧接面，可以將銦的濃度調高（例如：20%或0.2）。第三圖顯示當銦濃度為0.2時，調整鋁濃度z所得到的電流-電壓曲線。根據圖示曲線，即使極化程度降低為40%，鋁濃度設定為0.25~0.35都能提供適當的穿隧效率。
上述超晶格結構44之第一子層441或/且第二子層442也可使用四元的氮化鋁銦鎵（AlInGaN）來取代前述三元的氮化鋁鎵（AlGaN）或/且氮化銦鎵（InGaN）。藉由調整第一子層441或/且第二子層442的銦濃度或/且鋁濃度，也可提升超晶格結構44的穿隧效率。
在一實施例中，第一發光二極體1的第一主動層42與第二發光二極體2的第二主動層52可使用相同的材質以及相同的成分濃度，因而得以發射相同波長的光線。在另一實施例中，第一發光二極體1的第一主動層42與第二發光二極體2的第二主動層52可使用不同的材質或是不同成分濃度，因而得以發射不同波長的光線。相關細節可參考美國專利第6822991號，題為“含有穿隧接面的發光裝置（Light Emitting Device Including Tunnel Junctions）”，其內容視為本說明書的一部份。
當第一/第二主動層42/52包含氮化銦鎵（InGaN）時，調整In濃度可以調整發光波長從藍光到綠光（約445-575nm），如第四圖所示，至少有4種波長組合方式：
(1)不同顏色，例如堆疊2個LED：470nm (藍光), 550nm (綠光)；
(2)同顏色，同波長，例如堆疊5 個470nm的LED (藍光)；
(3)同顏色，不同波長，例如堆疊5 個LED：460nm, 470nm, 480nm, 490nm, 500nm (藍光波段)；
(4)上述3種方式的任意組合，例如(1)+(3)，堆疊10 個LED：460nm, 470nm, 480nm, 490nm, 500nm, 510nm, 520nm, 530nm, 540nm, 550nm (藍光波段＋綠光波段)。
(1)不同顏色，例如堆疊2個LED：470nm (藍光), 550nm (綠光)；
(2)同顏色，同波長，例如堆疊5 個470nm的LED (藍光)；
(3)同顏色，不同波長，例如堆疊5 個LED：460nm, 470nm, 480nm, 490nm, 500nm (藍光波段)；
(4)上述3種方式的任意組合，例如(1)+(3)，堆疊10 個LED：460nm, 470nm, 480nm, 490nm, 500nm, 510nm, 520nm, 530nm, 540nm, 550nm (藍光波段＋綠光波段)。
上述4種方式搭配適當的螢光粉或是其他發光材料，可以製造白光。上述選擇堆疊10 個LED以涵蓋整個藍光波段與綠光波段 (460nm, 470nm, 480nm, 490nm, 500nm, 510nm, 520nm, 530nm, 540nm, 550nm)，如果配合適量的紅色螢光粉與黃色螢光粉可以獲得超高演色性(CRI)的白光。
"演色性指數(color rendering index, CRI)"。演色性指數為物件在某光源照射下顯示之顏色與其在參照光源照射下之顏色兩者之相對差異。其數值之評定法為分別以參照光源及待測光源照在DIN 6169所規定之八個色樣上逐一作比較並量化其差異性；差異性越小，即代表待測光源之演色性越好，CRI為100之光源可以讓各種顏色呈現出如同被參照光源所照射之顏色。CRI值越低，所呈現之顏色越失真。太陽光之CRI為100，螢光燈為60-85，一般CRI值大於85可適用於大部分之應用。
一般的白光LED是包含藍色晶粒配黃色螢光粉(YAG)所組成，俗稱二波長白光LED，其演色性通常不佳。三波長白光LED主要利用三個波長透過以藍光二極體及紅、綠螢光粉所封裝出的LED結構進行發光。由於採用自然界三原色的原理，比傳統二波長白光封裝技術表現還更具真實性，逼近太陽光的表現，二波長白光封裝LED的CRI值低於70，但三波長白光LED的CRI值卻可達85以上。如果是四波長白光LED，演色性可以比三波長白光LED更高，CRI值可達95以上。
本實施例藉由超晶格結構作為穿隧接面，藉以將第一發光二極體1（包含第一主動層42）與第二發光二極體2（包含第二主動層52）疊加在一起。然而，為了提供良好的穿隧效果，超晶格結構44的第一/第二子層441/442成分可能含有與第一/第二主動層42/52相似材料，亦即具有吸光/發光效應，例如：InGaN，因此可能吸收第一發光二極體1且/或第二發光二極體2的發光，進而影響發光二極體裝置的整體出光量/光色。
由發光二極體裝置的底部往發光方向，依次為第一主動層42、超晶格結構44、第二主動層52，超晶格結構44具有一吸收光譜，第一主動層具42有一第一發射光譜，該第二主動層52具有一第二發射光譜，為了消除/減少超晶格結構44吸光/發光效應，吸收光譜位於第一發射光譜且/或第二發射光譜之相對短波長側(shorter-wavelength side)。以第一發射光譜為例，吸收光譜與第一發射光譜有下列3種相對關係：(1)兩者完全不重疊(2)兩者小部分重疊（小於或等於40%）(3)兩者大部分重疊（大於40%）。如第五A圖所示，情形(1)超晶格結構44對第一主動層42的吸光/發光效應幾乎可以忽略；如第五B圖所示，情形(2)超晶格結構44對第一主動層42的吸光/發光效應開始增強，因此可以配合調整超晶格結構44中含銦成分之子層總厚度小於或等於10奈米(nm)，以減少超晶格結構44對第一主動層42的吸光/發光效應；如第五C圖所示，情形(3)超晶格結構44對第一主動層42的吸光/發光效應非常強烈，必須配合調整超晶格結構44中含銦成分之子層總厚度小於或等於5奈米(nm)，以大幅減少超晶格結構44對第一主動層42的吸光/發光效應。吸收光譜與第二發射光譜也有類似的3種相對關係，在此不再贅述。
吸收光譜的強度對波長圖形中，通常存在一個吸收強度突然劇降區間，其對應的波長定義為吸收邊緣(absorption edge)，本發明實施例藉由超晶格結構44作為穿隧接面，其吸收光譜的吸收邊緣定義為λTL
。另外，發射光譜的強度對波長圖形中，通常存在一個發射強度最高值所對應的波長，本發明實施例第一主動層42具有一第一發射光譜，第二主動層52具有一第二發射光譜，其發射強度最高值所對應的波長分別定義為λfirst QW
與λsecond QW
。比較吸收光譜與第一發射光譜，藉由λTL
與λfirst QW
可以更明確地描述上面三種情形：當λfirst QW
大於λTL
，屬於情形(1)或(2)；當λfirst QW
小於或等於λTL
，屬於情形(3)。類似的方式，吸收光譜與第二發射光譜也可以藉由λTL
與λsecond QW
更明確地描述上面三種情形。
第六圖顯示發光二極體裝置的立體示意圖，其包含複數個發光二極體單元20，以陣列型式排列於基板24上，因此，第六圖所示的發光二極體裝置又稱為發光二極體陣列。相鄰發光二極體20的第一電極25及第二電極27藉由銲線22或內連線而電性連結，因而形成一串聯序列且/或並聯序列。以串聯序列為例，位於串聯序列的最前端發光二極體與最後端發光二極體，未與其他發光二極體20連接的第一電極25及第二電極27分別連接至電源供應器29的兩端。第六圖所示發光二極體單元20可以是上述實施例（第一圖）的垂直疊加發光二極體。
以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。
1．．．第一發光二極體
2．．．第二發光二極體
20．．．發光二極體單元
22．．．銲線
24．．．基板
25．．．第一電極
27．．．第二電極
29．．．電源供應器
40．．．第一電極
41．．．n側氮化物半導體層
42．．．第一主動層
43．．．p側氮化物半導體層
44．．．超晶格結構
441．．．第一子層
442．．．第二子層
50．．．第二電極
51．．．n側氮化物半導體層
52．．．第二主動層
53．．．p側氮化物半導體層
第一圖顯示本發明實施例之發光二極體裝置的剖面圖。
第二A圖顯示當銦濃度為0.15時，調整鋁濃度所得到的電流-電壓曲線。
第二B圖顯示當銦濃度為0.15且鋁濃度為0.3時，各種極化程度所相應的電流-電壓曲線。
第二C圖顯示當銦濃度為0.15且鋁濃度為0.35時，各種極化程度所相應的電流-電壓曲線。
第三圖顯示當銦濃度為0.2且極化程度為40%時，調整鋁濃度所得到的電流-電壓曲線。
第四圖顯示視網膜（retinal）反應與波長關係圖。
第五A圖至第五C圖顯示各種發射/吸收強度與波長關係圖。
第六圖顯示發光二極體裝置的立體示意圖。
第二A圖顯示當銦濃度為0.15時，調整鋁濃度所得到的電流-電壓曲線。
第二B圖顯示當銦濃度為0.15且鋁濃度為0.3時，各種極化程度所相應的電流-電壓曲線。
第二C圖顯示當銦濃度為0.15且鋁濃度為0.35時，各種極化程度所相應的電流-電壓曲線。
第三圖顯示當銦濃度為0.2且極化程度為40%時，調整鋁濃度所得到的電流-電壓曲線。
第四圖顯示視網膜（retinal）反應與波長關係圖。
第五A圖至第五C圖顯示各種發射/吸收強度與波長關係圖。
第六圖顯示發光二極體裝置的立體示意圖。
1．．．第一發光二極體
2．．．第二發光二極體
40．．．第一電極
41．．．n側氮化物半導體層
42．．．第一主動層
43．．．p側氮化物半導體層
44．．．超晶格結構
441．．．第一子層
442．．．第二子層
50．．．第二電極
51．．．n側氮化物半導體層
52．．．第二主動層
53．．．p側氮化物半導體層
Claims (17)
- 一種發光二極體裝置，包含：
至少一發光二極體單元，該發光二極體單元包含：
一第一發光二極體，其包含n側氮化物半導體層、第一主動層與p側氮化物半導體層；
一第二發光二極體，其包含n側氮化物半導體層、第二主動層與p側氮化物半導體層；及
一超晶格結構，係由至少一第一子層與至少一第二子層交替堆疊組成，位於該第一發光二極體的p側氮化物半導體層與該第二發光二極體的n側氮化物半導體層之間，作為穿隧接面，藉以將該第一發光二極體與該第二發光二極體疊加在一起；
其中該超晶格結構具有一吸收光譜，該第一主動層具有一第一發射光譜，該第二主動層具有一第二發射光譜，該吸收光譜位於該第一發射光譜與該第二發射光譜兩者之中至少一者之相對短波長側(shorter-wavelength side)。 - 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體裝置，其中該吸收光譜與該第一發射光譜兩者不重疊。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體裝置，當該吸收光譜與該第一發射光譜兩者重疊部分小於或等於40%，該超晶格結構中含銦成分之子層總厚度小於或等於10奈米(nm)。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體裝置，當該吸收光譜與該第一發射光譜兩者重疊部分大於40%，該超晶格結構中含銦成分之子層總厚度小於或等於5奈米(nm)。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體裝置，該超晶格結構之該吸收光譜具有一吸收邊緣定義為λTL ，該第一主動層之該第一發射光譜具有一發射強度最高值所對應的波長定義為λfirst QW ，其中λfirst QW ＞ λTL 。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體裝置，其中該吸收光譜與該第二發射光譜兩者不重疊。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體裝置，當該吸收光譜與該第二發射光譜兩者重疊部分小於或等於40%，該超晶格結構中含銦成分之子層總厚度小於或等於10奈米(nm)。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體裝置，當該吸收光譜與該第二發射光譜兩者重疊部分大於40%，該超晶格結構中含銦成分之子層總厚度小於或等於5奈米(nm)。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體裝置，該超晶格結構之該吸收光譜具有一吸收邊緣定義為λTL ，該第二主動層之該第二發射光譜具有一發射強度最高值所對應的波長定義為λsecond QW ，其中λsecond QW ＞ λTL 。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體裝置，其中該第一子層與該第二子層的組合方式包含下列族群中之一者：AlGaN/InGaN, AlGaN/GaN, GaN/InGaN。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體裝置，其中該第二子層包含氮化銦鎵（InGaN），且銦濃度小於或等於20%。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體裝置，其中該第一子層包含氮化鋁鎵（AlGaN），且鋁濃度為20%~44%。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體裝置，更包含：
一第一電極，該n側氮化物半導體層包含n型氮化鎵層，該第一電極電性連接n型氮化鎵層；及
一第二電極，該p側氮化物半導體層包含p型氮化鎵層，該第二電極電性連接p型氮化鎵層。 - 如申請專利範圍第13項所述之發光二極體裝置，其中該至少一發光二極體單元包含複數該發光二極體單元，以陣列型式排列，其中，相鄰該發光二極體單元的第一電極及第二電極電性連結，因而形成一串聯序列且/或並聯序列。
- 一種發光二極體裝置，包含：
至少一發光二極體單元，該發光二極體單元包含：
一第一發光二極體，其包含n側氮化物半導體層、第一主動層與p側氮化物半導體層；
一第二發光二極體，其包含n側氮化物半導體層、第二主動層與p側氮化物半導體層；及
一超晶格結構，係由至少一第一子層與至少一第二子層交替堆疊組成，位於該第一發光二極體的p側氮化物半導體層與該第二發光二極體的n側氮化物半導體層之間，作為穿隧接面，藉以將該第一發光二極體與該第二發光二極體疊加在一起；
其中該超晶格結構具有一吸收光譜，其具有一吸收邊緣定義為λTL ，該第一主動層具有一第一發射光譜，其具有一發射強度最高值所對應的波長定義為λfirst QW ，該第二主動層具有一第二發射光譜，其具有一發射強度最高值所對應的波長定義為λsecond QW ；
若下列條件至少一者成立(1)λfirst QW ≦ λTL ；(2) λsecond QW ≦ λTL ，則該超晶格結構中含銦成分之子層總厚度小於或等於5奈米(nm)，以減少該超晶格結構的吸光效應。 - 如申請專利範圍第15項所述之發光二極體裝置，其中該第二子層包含氮化銦鎵（InGaN），且銦濃度小於或等於20%。
- 如申請專利範圍第15項所述之發光二極體裝置，其中該第一子層包含氮化鋁鎵（AlGaN），且鋁濃度為20%~44%。
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