TWI543394B - Electroluminescence and Photoluminescence Multiband White Light Emitting Diodes - Google Patents

Description

電致光與光致光多波段白光發光二極體

本發明為有關白光發光二極體，尤其關於高演色性之白光發光二極體。

請參閱「圖1」所示，為一種習知垂直式發光二極體，其包含組成三明治結構的一N型半導體層1A、一活性層2A與一P型半導體層3A，該P型半導體層3A之下依序形成一基板4A與一P型電極5A，而該N型半導體層1A的表面為供設置一N型電極6A。

據此於該N型電極6A與該P型電極5A之間施予順向偏壓之後，該N型半導體層1A與該P型半導體層3A分別提供電子與電洞，電子與電洞可以於該活性層2A內結合，進而能階跳躍而產生波長固定的激發光。

請再參閱「圖2」所示，為一種習知水平發光二極體，其同樣包含組成三明治結構的一N型半導體層1B、一活性層2B與一P型半導體層3B，且該N型半導體層1B形成於一基板4B上，並該P型半導體層3B與該N型半導體層1B的同一側分別設置一P型電極5B與一N型電極6B，據此於該N型電極6B與該P型電極5B之間施予電壓之後，電子與電洞可以於該活性層2B內結合而產生激發光。

請再參閱「圖3」所示，為美國專利公告第US7223998號「White, single or multi-color light emitting diodes by recycling guided modes」專利，其亦為一種光子循環發光二極體，其主要是包含一氮化物發光二極體9，並在該氮化物發光二極體9上依序堆疊一無參雜半導體層9A、一氮化物光致光活性層9B與一無參雜半導體層9A，其中該氮化物發光二極體9所產生的電激光9C(藍光)會射入該氮化物光致光活性層9B，而產生另一波長的光致光9D(黃光)，簡言之，氮化物光致光活性層9B的存在在於產生另一波長的光致光，亦即其目地在於讓多種顏色的光進行混合，其再混合自發紅色發光物質、光激發紅色磷光發光物質或紅色量子點所發出的紅光，即可以產生演色性較佳的白光。

顯然，習知技術雖然揭露利用該氮化物光致光活性層9B的存在，吸收電激光9C(藍光)，並藉以產生光致光9D(黃光)，並加以混合以產生演色性較佳的白光，然而實際白光，為包含紅橙黃綠藍靛紫等顏色，顯然習知技術並未包含部分色彩，其演色性仍然無法滿足真實白光的需求。

爰是，本發明的主要目的在於揭露一種白光發光二極體，其具有高度演色性，可以滿足LCD產業以及美術燈的要求。

基於上述目的，本發明為一種電致光與光致光多波段白光發光二極體，其包含一電致發光結構、一第一光致發光層、一第二光致發光層與一紅色發光層，其中該電致發光結構具有受順向偏壓而發出波長為395奈米到450奈米且半高寬小於25奈米的一紫光之一電致發光活性層、分設於該電致發光活性層兩側的一P型半導體層與一第一N型半導體層，該第一光致發光層間隔該第一N型半導體層設置於該電致發光結構上，且該第一光致發光層吸收該紫光而發出一藍光，該第二光致發光層則間隔一第二N型半導體層設置於該第一光致發光層上，且該第二光致發光層吸收該紫光、該藍光而發出一綠光，該紅色發光層依序間隔一保護層、一第三N型半導體層設置於該第二光致發光層上，該紅色發光層產生一紅光，且該紅光、該綠光、該藍光與該紫光混合形成一具有高度演色性的白光，可滿足LCD產業以及美術燈的要求。

據此，本發明為透過多個發光層的設計，形成具有高度演色性的白光，且本發明的該紫光為利用電致發光結構所產生，並以該紫光為基礎，利用光致發光的方式產生該藍光與該綠光，而該紅光則以技術相當成熟的自發紅色發光物質、光激發紅色磷光發光物質或紅色量子點來發光，由於發出該紫光的成本相對低廉，因此本發明不但可產生具有高度演色性的白光，且可有效降低成本，滿足製造上的需求。

習知

1A、1B：N型半導體層

2A、2B：活性層

3A、3B：P型半導體層

4A、4B：基板

5A、5B：P型電極

6A、6B：N型電極

9：氮化物發光二極體

9A：無參雜半導體層

9B：氮化物光致光活性層

9C：電激光

9D：光致光

本發明

10：電致發光結構

11：電致發光活性層

12：P型半導體層

13：第一N型半導體層

20：第一光致發光層

30：第二光致發光層

31：第二N型半導體層

40：紅色發光層

50：保護層

55：無摻雜半導體層

60：第三N型半導體層

70：N型電極

80：反射層

81：緩衝層

82：結合層

83：基板

84：P型電極

85：電流阻擋層

90：紫光

91：藍光

92：綠光

93：紅光

94：白光

941：紫光波鋒

942：藍光波鋒

943：綠光波鋒

944：紅光波鋒

95、96：曲線

圖1為習知垂直式發光二極體結構圖。

圖2為習知水平發光二極體結構圖。

圖3為習知光激發光發光二極體結構圖。

圖4為本發明結構圖。

圖5為本發明之白光光頻譜圖。

圖6為本發明CIE 1931 色度座標圖。

圖7為本發明平均演色評價指數比較圖。

茲有關本發明的詳細內容及技術說明，現以實施例來作進一步說明，但應瞭解的是，該等實施例僅為例示說明之用，而不應被解釋為本發明實施之限制。

請一併參閱「圖4」與「圖5」所示，本發明為一種電致光與光致光多波段白光發光二極體，其包含一電致發光結構10、一第一光致發光層20、一第二光致發光層30與一紅色發光層40，其中該電致發光結構10具有受順向偏壓而發出波長為395奈米到450奈米且半高寬小於25奈米的一紫光90之一電致發光活性層11、分設於該電致發光活性層11兩側的一P型半導體層12與一第一N型半導體層13。

該第一光致發光層20間隔該第一N型半導體層13設置於該電致發光結構10上，且該第一光致發光層20吸收該紫光90而發出一藍光91，該第一光致發光層20的材料可以選擇讓該藍光91波長為445奈米到465奈米且半高寬大於20奈米之材料，如可以選用藍光材料In_xGa_1-xN/GaN, x=0.1~0.2。

該第二光致發光層30則間隔一第二N型半導體層31設置於該第一光致發光層20上，且該第二光致發光層30吸收該紫光90、該藍光91而發出一綠光92，該第二光致發光層30可以選擇讓該綠光92波長為490奈米到540奈米且半高寬大於20奈米之材料，如可以選用綠光材料:In_xGa_1-xN/GaN, x=0.2~0.3。

該紅色發光層40依序間隔一保護層50、一第三N型半導體層60設置於該第二光致發光層30上，該紅色發光層40產生一紅光93，且該紅色發光層40可以為自發紅色發光物質、光激發紅色磷光發光物質與紅色量子點的任一，如可以選用紅光材料:氮化物參雜Eu²⁺或Mn⁴⁺，且該紅光93波長可以為600奈米到750奈米。

如「圖5」所示，為本發明混光後之白光94光頻譜圖，可見白光94具有紫光波鋒941、藍光波鋒942、綠光波鋒943與紅光波鋒944，亦即其為由紫光90、藍光91、綠光92與紅光93所混合形成，其具有高度演色性，可滿足LCD產業以及美術燈的要求。

又為了確保該電致發光活性層11所發出的該紫光90不會被完全轉換為該藍光91與該綠光92，該電致發光活性層11的面積可以大於等於該第一光致發光層20與該第二光致發光層30，如此該電致發光活性層11可以確保有足夠之該電激發紫光90可以通過該第一光致發光層20與該第二光致發光層30。

又為了供給該電致發光活性層11順向偏壓，本發明更具有一N型電極70，該N型電極70為貫穿該保護層50、該第三N型半導體層60、該第二光致發光層30、該第二N型半導體層31與該第一光致發光層20，且該N型電極70與該第一N型半導體層13接觸；而該P型半導體層12下方依序設置一反射層80、一緩衝層81、一結合層82、一基板83與一P型電極84，因而只要於該N型電極70與該P型電極84之間供給順向電壓，即可驅動發出紫光90。

且為了發光均勻度，該反射層80與該緩衝層81之間可以設置對應該N型電極70設置的一電流阻擋層85，以藉由該電流阻擋層85的阻擋，分散電流，來增加發光均勻度，且電流阻擋層85的設置位置，可以選擇對應該N型電極70，以讓有效發光區域避開該N型電極70，以增加發光效率。

又該保護層50與該第三N型半導體層60之間更可以設置一無摻雜半導體層55，該無摻雜半導體層55可以設置光折射或粗化的結構而使得亮度提升。

請再一併參閱「圖6」與「圖7」所示，為本發明CIE 1931 色度座標圖與平均演色評價指數比較圖；如上述之結構與使用之材料，本發明之白光94為座落於暖白區(暖白的區域在CIE 1931色度座標圖範圍為x:0.41~0.50 y:0.36~0.45)。而如圖7所示，其中X軸是電流值單位為安培(A)，Y軸是平均演色評價指數(Ra)，而曲線95(菱形標記)為本發明白光94的平均演色評價指數，曲線96(方形標記)為對照組的平均演色評價指數，且對照組為使用一般藍光LED加上YAG黃色螢光粉產生白光，可以明顯發現本發明之白光94的平均演色評價指數(Ra)，明顯高於對照組。

如上所述，本發明主要是透過多個發光層的設計，藉以形成具有高度演色性的白光，且本發明利用電致發光結構10產生紫光90，再以該紫光90為基礎，利用光致發光的方式產生該藍光91與該綠光92，而該紅光93則以技術相當成熟的自發紅色發光物質、光激發紅色磷光發光物質或紅色量子點來發光。由於發出該紫光90的成本相對低廉，因此本發明不但可產生具有高度演色性的白光94，且可有效降低成本，滿足製造上的需求。

 

10：電致發光結構

11：電致發光活性層

12：P型半導體層

13：第一N型半導體層

20：第一光致發光層

30：第二光致發光層

31：第二N型半導體層

40：紅色發光層

50：保護層

55：無摻雜半導體層

60：第三N型半導體層

70：N型電極

80：反射層

81：緩衝層

82：結合層

83：基板

84：P型電極

85：電流阻擋層

90：紫光

91：藍光

92：綠光

93：紅光

Claims (9)

1. 【第1項】

   
   一種電致光與光致光多波段白光發光二極體，其包含：
   一電致發光結構，該電致發光結構具有受順向偏壓而發出波長為395奈米到450奈米且半高寬小於25奈米的一紫光之一電致發光活性層、分設於該電致發光活性層兩側的一P型半導體層與一第一N型半導體層；
   一第一光致發光層，該第一光致發光層間隔該第一N型半導體層設置於該電致發光結構上，且該第一光致發光層吸收該紫光而發出一藍光；
   一第二光致發光層，該第二光致發光層間隔一第二N型半導體層設置於該第一光致發光層上，且該第二光致發光層吸收該紫光、該藍光而發出一綠光；
   一紅色發光層，該紅色發光層依序間隔一保護層、一第三N型半導體層設置於該第二光致發光層上，該紅色發光層產生一紅光，且該紅光、該綠光、該藍光與該紫光混合形成一白光。
2. 【第2項】

   
   如申請專利範圍第1項所述之電致光與光致光多波段白光發光二極體，其中該紅色發光層為自發紅色發光物質、光激發紅色磷光發光物質與紅色量子點的任一。
3. 【第3項】

   
   如申請專利範圍第1項所述之電致光與光致光多波段白光發光二極體，其中該藍光波長為445奈米到465奈米且半高寬大於20奈米。
4. 【第4項】

   
   如申請專利範圍第1項所述之電致光與光致光多波段白光發光二極體，其中該綠光波長為490奈米到540奈米且半高寬大於20奈米。
5. 【第5項】

   
   如申請專利範圍第1項所述之電致光與光致光多波段白光發光二極體，其中該紅光波長為600奈米到750奈米。
6. 【第6項】

   
   如申請專利範圍第1項所述之電致光與光致光多波段白光發光二極體，其中該電致發光活性層的面積大於等於該第一光致發光層與該第二光致發光層。
7. 【第7項】

   
   如申請專利範圍第1項所述之電致光與光致光多波段白光發光二極體，其中更具有一N型電極，該N型電極貫穿該保護層、該第三N型半導體層、該第二光致發光層、該第二N型半導體層與該第一光致發光層，且該N型電極與該第一N型半導體層接觸；而該P型半導體層下方依序設置一反射層、一緩衝層、一結合層、一基板與一P型電極。
8. 【第8項】

   
   如申請專利範圍第7項所述之電致光與光致光多波段白光發光二極體，其中該反射層與該緩衝層之間設置對應該N型電極設置的一電流阻擋層。
9. 【第9項】

   
   如申請專利範圍第1項所述之電致光與光致光多波段白光發光二極體，其中該保護層與該第三N型半導體層之間更設置一無摻雜半導體層。