TWI566429B - 發光裝置 - Google Patents

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Description

發光裝置
本發明係主張關於2010年07月09日申請之韓國專利案號10-2010-0066396、2010年07月14日申請之韓國專利案號10-2010-0068122、以及2010年08月10日申請之韓國專利案號10-2010-0076758之優先權，藉以引用的方式併入本文用作參考。
本發明係關於一種發光裝置、一種發光裝置封裝件、以及一種照明系統。
氮化物半導體薄膜型發光裝置將電能轉換成光能。隨著薄膜成長技術與發光材料的發展，使用以結合週期表中三族元素及五族元素之氮化物半導體材料之發光裝置發出具有多種如紅光、綠光、藍光、以及紫外光的不同波長(顏色)之白光，並以使用螢光材料或結合顏色之方式達成高效率白光之形成。
再者，相較於現存螢光燈及白熾燈等光源，利用氮化物半導體薄膜之發光裝置具有低功率損耗、半永久壽命、快速響應時間、穩定度及環保之特性，因此，發光裝置之應用被擴展至發光二極體(LED)的背光，並取代了液晶顯示器所用之背光單元所用之冷陰極螢光燈(CCFLs)，白光LED發光裝置並取代了螢光燈或白熾燈泡、汽車頭燈與交通號誌燈等。在擴充氮化物半導體發光裝置之應用上，開發高效率發光裝置有其基礎的需要性。
習知的氮化物半導體發光裝置有其因高電流注入而造成嚴重非發光性再結合損耗機制(nonradiative recombination loss process)而致之發光效率問題的限制。這個原因尚不明確，且諸多全球學者與專家都仍在積極尋找此原因的解答。同時，習知的氮化物半導體發光裝置有在注入低電流時因晶體缺陷而形成之非發光性再結合損耗機制造成的發光效率降低的問題。
在發出藍光與綠光之氮化物半導體發光裝置中，發光效率在一高電流注入時降低，此問題形成了高輸出與高效率發光之發光裝置之迫切待解決的技術限制之一。
因此，目前確實有迫切發展出理想氮化物半導體發光結構之必要性，以在低注入電流量至高注入電流量範圍中各注入電流區域上時皆能提供以優異之發光量子效率。
實施例中提供一種發光裝置、一種發光裝置封裝件、以及一種發光系統，其對習知氮化物半導體發光裝置中因注入一高電流時非發光性再結合損耗及因注入一低電流時晶體缺陷形成之非發光性再結合損耗所引起之發光效率降低等的限制作出突破性的解決，藉以在所有注入電流區都完成高效率發光特性。
在一實施例中，一種發光裝置包括一第一導電型半導體層、一第二導電型半導體層、以及一主動層，且該主動層在該第一與該第二導電型半導體層之間。其中，該主動層包括一第一主動層、一第二主動層、以及一閘極量子阻隔層(gate quantum barrier)，該第一主動層與該第二導電型半導體層相鄰，該第二主動層與該第一導電型半導體層相鄰，且該閘極量子阻隔層介於該第一主動層與第二主動層之間。
在另一實施例中，一種發光裝置包括一第一導電型半導體層、一第二導電型半導體層、及一主動層介於該第一與該第二導電型半導體層之間，其中該主動層包括一第三主動層、一第四主動層及一閘極量子阻隔層，該第三主動層具有多重量子井結構，並與該第一導電型半導體層相鄰：該第四主動層具有單量子井結構，並與該第二導電型半導體層相鄰；而該閘極量子阻隔層介於該第三主動層與該第四主動層之間。
在再一實施例中，一種發光裝置封裝件包括該發光裝置、一封裝件以及一或多電極，且該封裝件容置該發光裝置於其中，該等電極與該發光裝置及該封裝件電性連接。
在又一實施例中，一種發光系統包括一包括該發光裝置封裝件之發光單元。
一或多個實施例之細節將伴隨所附圖式提出於下述，其它特徵在詳細說明與圖式及申請專利範圍中可被輕易了解。
本發明實施例在下列有詳細的參考說明，其範例並顯示於所附圖式中。
以下，根據本案實施例之發光裝置、發光裝置封裝件及發光系統實施例將配合所附圖式作詳盡說明。
在實施例詳盡說明中，當層(或膜)係指在另一基板或另一層(或膜)「上」時，其可是直接或間接位於另一基板或層上，或也可有中間層存在其中。再者，當一層係指在另一層之「下」時，該層可直接位於另一層之下，且一或多個中間層亦可存在其中。此外，當一層係指「介於」兩層之間時，該層可僅為兩層之間者，或為也可有一或多中間層存在其中。
圖1為包括多重量子井結構主動層之習知氮化物發光裝置之主動層能帶的示意圖。圖2為包括多重量子井結構主動層(見圖1)之習知氮化物半導體發光裝置之注入電流量相對於內部發光量子效率的關係特性圖。
如圖2所示，一以多重量子井結構為基礎之習知氮化物半導體發光裝置之製造技術有其限制，因發光量子效率明顯隨一注入電流的增加而明顯減小，即二者呈反比關係。在一習知氮化物半導體多重量子井結構主動層中，自一N型氮化鎵(GaN)類電子注入層注入之電子係位於一量子井導電帶(Ec)上形成之量子化能量位準處，而自一P型氮化鎵(GaN)類電洞注入層注入之電洞係位於量子井價帶(Ev)上形成之量子化能量位準處。在一量子井中位在接地狀態之量子化能量位準的電子與電洞在一量子力學結合條件滿足時結合以發射出光。
一在一量子井中具最低能態之接地狀態(量子數n=1)量子化能量位準可以量子力學特性保留僅一特定量的電子或電洞，一位於一較高量子化能階處之電子與電洞(量子化能量位準之較高量子數)在能態上高於位於一接地狀態之能態處的一電子與電洞，故位於一量子井中一高量子化能量位準處之載子(電子與電洞)在注入的電子與電洞數充足時移動至另一相鄰量子井中一接地狀態中，並參與發光。
然而，在一包括多重量子井結構主動層(發光層)之習知氮化物半導體發光裝置中，在一主動層之所有量子井層無法一致分佈或容置複數個注入載子，且僅一小部分與一電洞注入層之量子井層數參與發光。因此，當注入電流量不充足時，未被有效侷限之過剩的電子與電洞便產生於一主動層內部。
過剩電子或電洞不參與發光，並會在一歐傑非發光再結合(auger nonradiative recombination)過程中自我消失於主動層中，或漏至主動層之外。
歐傑非發光性再結合過程係以Cn3(C為一歐傑常數，n為一注入載子密度)表示，並為一材料在量子力學特性上產生的一基本屬性。當一注入載子滿溢流過(overflow)量子阻障時，就會向外漏至主動層之外。
在習知氮化物半導體發光裝置中，一極大內場(internal field)因一材料的基本極性而基本地存在於主動層內部，且因一注入主動層之電子具有熱載子特性而亦有一嚴重的載子溢流情形發生。
因此，當一注入電流增加時，電子與電洞的非發光損耗(nonradiative loss)增加，因此主動層之發光效率，例如內部量子效率將大幅降低。
在具多重量子井結構主動層的氮化物半導體發光裝置中，因施加上一高電流而致發光效率下降為高輸出功率發光之發光裝置的形成所急待突破的技術限制之一。
圖3為包括具寬單量子井結構之主動層之習知氮化物半導體發光裝置之主動層能帶的示意圖。
圖4為包括寬單量子井結構(見圖3)之習知氮化物半導體發光裝置中注入電流量與內部發光量子效率之關係特性圖。如圖4所示，製造習知具寬單量子井結構之氮化物半導體發光裝置的技術有一限制在，即發光量子效率因一低電流區之晶體缺陷所致之非發光性損耗而大大降低。
習知氮化物半導體發光裝置包括一作為主動層的氮化銦鎵(InGaN)量子井結構層，該量子井結構層具有一比較厚(relatively thick)的主動層。
與習知多重量子井結構主動層(見圖1)相較，一比較寬之InGaN單量子井結構主動層(見圖3)可有效容置比較多的電子與電洞，因此主動層的發光效率在注入電流充足時是優異的。
不過，一使用半導體薄膜之發光裝置因在主動層內部有晶體缺陷而具有非發光損耗屬性，該種晶體缺陷相關蕭克萊-瑞得-霍爾(Shockley-Read-Hall,SHR)非發光性再結合過程係以”An”表示(其中A為一SHR常數，n為一注入載子密度)，並在一低注入電流區時，為主要的(dominant)載子再結合過程。
因此，一包括比較厚之單量子井結構主動層之氮化物半導體發光裝置在存在於一主動層中之總晶體缺陷數相對增加。所以，因晶體缺陷所致之非發光性損耗效應增加。因此，包括比較厚的單量子井主動層之氮化物半導體發光裝置有其限制，即一裝置之內部量子效率(發光效率)在一低電流注入區時非常低。
因此，習知具多重量子井結構主動層的氮化物半導體發光裝置因在低注入電流區的有效量子侷限效應而擁有優異的發光效率，但在高電流注入區的發光效率卻非常低。另一方面，習知具有比較厚的單量子井結構主動層之氮化物半導體發光裝置則在高電流注入區擁有優異的發光效率，但在低注入電流注入區的發光效率極低。因此，本案實施例中提出一種理想的氮化物半導體發光裝置結構，其在低電流注入區與高電流注入區時皆具有優異的發光效率。
在該氮化物半導體發光裝置中，從載子注入層注入至主動層的載子執行下列四個程序中之一者。
整個載子再結合可以下列公式表示：R=An+Bn2+Cn3+L(n)，其中n為一注入載子密度，A為一SHR常數，B為發光性再結合常數，C為一歐傑常數，L為較高階n決定之載子溢流程序函數(carrier leakage process function)。
在第四載子再結合程序中，一發光過程為Bn2，其它三程序分別為晶體缺陷非發光性程序、一歐傑非發光性程序及一載子溢流非發光性程序。
為使氮化物半導體發光裝置之內部量子效率達到最大，因此為主要(dominant)非發光過程之SHR程序之效應可在注入低電流時被最小化，且為主要(dominant)非發光程序之歐傑程序與載子溢流程序可在注入高電流時被最小化。
根據實現一實施例的方法，量子侷限效應可在注入低電流時藉由最小化發光區而得到最大化，而發光區可在注入高電流時得到最大化。
根據一實施例，包括在一發光裝置的主動層結構可根據一注入電流區域而為一可變多功能結構。作為實現一可變多功能結構主動層結構的實施例，提出一雙主動層之概念如下。
根據一實施例，雙(或多)主動層概念包括一第一主動層、一第二主動層、以及一閘極量子阻隔層，其中第一主動層作為一低電流區中的一主層，第二主動層作為一高電流區中的一主層，而閘極量子阻隔層位於該第一主動層與該第二主動層之間。此外，雙(或多)主動層使在從低電流區至高電流區之所有注入電流區都能實現高的發光二極體(LED)發光效率。根據一實施例，主要元件之功能如下所述。
第一主動層具有一量子井結構，故在一低電流區時因發光區與量子侷限效應之限制而讓發光效率達最大化。第一主動層包括一比較薄之量子井層，讓少數的量子井層參與發光，也因此由於晶體缺陷讓SHR非發光性再結合程序最小化。
閘極量子阻隔層控制載子的量子力學穿隧效應與漂移傳送屬性(quantum-mechanical tunneling and drift transport attributes)，以讓第二主動層在一特定注入電流或更高注電流時成為主要參與發光者。根據一實施例，閘極量子阻隔層設置在具有量子井結構之第一主動層與第二主動層之間，且閘極量子阻隔層的厚度可以改變，能帶隙的大小亦可改變，藉以控制第二主動層開始參與發光所需注入電流的量。
第二主動層的結構能容置許多載子，並作用如一在高電流注入區有優異發光效率的主要主動層。
根據一實施例，舉例而言，藉由包括一薄的量子阻隔層的方式，第二主動層結構可具有一超晶格結構、一相對較寬的單量子井結構、或一相對較寬的多重量子井結構，其中超晶格結構可透過量子力學穿隧效應形成一微能帶。
超晶格結構、相對較寬的單量子井結構、或相對較寬的多重量子井結構有效容置許多載子，以讓載子在注入一高電流時參與發光，藉以在高電流區達成優異的發光效率。
根據一實施例中，第一主動層與第二主動層之間的一主要差異為第二主動層具有一量子力學量子化密度的狀態(quantum-mechanically quantized density of state)高於第一主動層。第二主動層具有比較高的狀態密度(density of state)，故可有效地容置比第一主動層更多進入發光層的載子。
從一發光裝置之主動層發出的波長係由一量子井層之寬度(厚度)及一能帶隙之大小而被以量子力學所決定的。因此，量子井層之能帶隙的大小可被適當控制，以令第二主動層發出之光的波長相同或類似於第一主動層者。
在欲令一所發出之光為良好純單色或相同波長時，二主動層(即第一與第二主動層)之波長可相等或類似。
舉例而言，當第一主動層與第二主動層之光以顏色座標表示時，連結第一主動層與第二主動層之顏色座標的一直線可分別位於包括該二主動層之顏色座標的相同顏色區中。此外，自第一主動層與第二主動層發出之光各可有80%或更高的顏色純度。
根據一實施例，當主要在低電流區執行功能之第一主動層與一電洞注入層相鄰之時，第一主動層之量子井之能帶隙的大小可等於或大於在第二主動層者。圖5為根據一實施例之發光裝置100的剖面範例圖。
在一實施例中，主要說明一垂直式發光裝置，但其僅為一範例，其它尚有水平式發光裝置、覆晶式發光裝置、及包括一貫孔(via hole)的混合式(hybrid)發光裝置。
根據一實施例，發光裝置100可包括一發光結構、一第二電極層140、以及一第一電極層150。第二電極層140形成於第二導電型半導體層130之下，一第一電極層150位於第一導電型半導體層110之上。此處之發光結構包括一第一導電型半導體層110、一主動層120、以及一第二導電型半導體層130。
第一導電型半導體層110可由摻雜有第一導電摻雜物之III-V族化合物半導體所形成。當第一導電型半導體層110為N型半導體層時，作為N-型摻雜物之第一導電型摻雜物可包括矽(Si)、鍺(Ge)、錫(Sn)、硒(Se)或碲(Te)，但本發明並非限定於此。
第一導電型半導體層110可包括具有下列組成化學式之材料：InxAlyGa1-x-yN(0x1，0y1，0x+y1)。
第一導電型半導體層110可以由氮化鎵(GaN)、氮化銦(InN)、氮化鋁(AlN)、氮化鎵銦(InGaN)、氮化鎵鋁(AlGaN)、氮化銦鋁鎵(InAlGaN)、氮化鋁銦(AlInN)、砷化鎵鋁(AlGaAs)、砷化鎵銦(InGaAs)、砷化鋁銦鎵(AlInGaAs)、磷化鎵(GaP)、磷化鋁鎵(AlGaP)、磷化銦鎵(InGaP)、磷鋁銦鎵(AlInGaP)、以及磷化銦(InP)中之至少一者所形成。
主動層120可包括一第一主動層121、一第二主動層122、以及一閘極量子阻隔層(gate quantum barrier)125。第一主動層121有效地在低電流區執行功能，第二主動層122有效地在高電流區執行功能，而閘極量子阻隔層125介於第一主動層121與第二主動層122之間，但並不限定於此。主動層120將於下列實施例中詳細說明。
第二導電型半導體層130可包含包括摻雜有第二導電摻雜物的III-V族化合物半導體，舉例而言，如包括一具有InxAlyGa1-x-yN(0x1，0y1，0x+y1)之組成化學式者。舉例而言，第二導電型半導體層130可以由GaN、AlN、AlGaN、InGaN、InN、InAlGaN、AlInN、AlGaAs、GaP、GaAs、GaAsP、以及AlGaInP中之至少一者所形成。當第二導電型半導體層130為P型半導體材料層時，作為P型摻雜物的第二導電性摻雜物可包括鎂(Mg)、鋅(Zn)、鈣(Ca)、鍶(Sr)、鋇(Ba)、或相似物。第二導電型半導體層130可形成為一單層或一多層者，但本發明並非限定於此。
在一實施例中，第一導電型半導體層110可為一N型半導體層，而第二導電型半導體層130可為一P型半導體層，但本發明並非限定於此。此外，一極性與第二導電型半導體層130相反的半導體層可被形成於第二導電型半導體層130上，如一N型半導體層。因此，發光結構可以形成為一N-P接面結構、一P-N接面結構、一N-P-N接面結構、及一P-N-P接面結構。
第二電極層140可包括一耦合層142、一歐姆層144、一反射層146、以及一導電支撐基板148。
舉例而言，耦合層142可包括銻(Ti)、金(Au)、錫(Sn)、鎳(Ni)、鉻(Cr)、鎵(Ga)、銦(In)、鉍(Bi)、銅(Cu)、銀(Ag)、以及鉭(Ta)中的至少一者。
舉例而言，歐姆層144可由氧化銦錫(ITO)、氧化銦鋅(IZO)、氧化銦鋅錫(IZTO)、氧化銦鋁鋅(IAZO)、氧化銦鎵鋅(IGZO)、氧化銦鎵錫(IGTO)、氧化鋁鋅(AZO)、氧化銻錫(ATO)、氧化鎵鋅(GZO)、氮氧化銦鋅(IZON)、鋁鎵氧化鋅(AGZO)、銦鎵氧化鋅(IGZO)、氧化鋅(ZnO)、氧化銥(IrOx)、銣氧化物(RuOx)、氧化鎳(NiO)、氧化銣(RuOx)/氧化銦錫(ITO)、鎳(Ni)/氧化銥(IrOx)/金(Au)、鎳(Ni)/氧化銥(IrOx)/金(Au)/氧化銦錫(ITO)、銀(Ag)、鎳(Ni)、鉻(Cr)、銻(Ti)、鋁(Al)、銠(Rh)、鈀(Pd)、銥(Ir)、銣(Ru)、鎂(Mg)、鋅(Zn)、鉑(Pt)、金(Au)、以及鉿(Hf)中之至少一者所形成，但本發明並非限定於此。
再者，反射層146對自發光結構入射之光加以反射，藉以增進取光效率。
反射層146可一金屬或合金包括銀(Ag)、鎳(Ni)、鋁(Al)、銠(Rh)、鈀(Pd)、銥(Ir)、釕(Ru)、鎂(Mg)、鋅(Zn)、鉑(Pt)、金(Au)、以及鉿(Hf)中之至少一者所形成。此外，反射層146可形成為包括金屬或合金與一光傳輸導電材料構成之多層結構，其中光傳輸導電材料可為IZO、IZTO、IAZO、IGZO、IGTO、AZO、以及ATO。舉例而言，反射層可被形成為一如IZO/Ni、AZO/Ag、IZO/Ag/Ni、AZO/Ag/Ni等之堆疊結構。
導電支撐基板148可支撐發光結構，並供應電力給發光結構。導電支撐基板148可由導電性高之金屬、金屬合金、或導電型半導體材料所形成。
舉例而言，導電支撐基板148可包括銅(Cu)、銅合金、金(Au)、鎳、鉬(Mo)、銅-鎢(Cu-W)、以及一載子晶圓(如矽(Si)、鍺(Ge)、GaAs、GaN、ZnO、SiGe(鍺化矽)、SiC(碳化矽)、或相似物)中之至少一者。
一電化金屬沉積方法、電鍍方法、或使用一共熔體(eutectic)金屬的結合方法可被用作為形成導電支撐基板148的方法。
在後文中，在各實施例中，磊晶結構中之主要元件之機制將利用一些結構範例詳細描述如下。
(第一磊晶結構)
根據第一結構範例的磊晶結構可以電子注入層/第二主動層/閘極量子阻隔層/第一主動層/電洞注入層的順序形成。
在第一結構範例中，當注入一低電流時，載子主要係輸入至第一主動層以發射出光。第一主動層的能帶隙可與第二主動層的能帶隙相同或類似。當注入電流量增加至高於一特定電流量時，電洞穿過閘極量子阻隔層，並開始注入至第二主動層。因此，當注入一高電流時，第一主動層與第二主動層參與發光，此時之第二主動層的容置載子量大於第一主動層者，並成為一主要發光源。
(第二磊晶結構)
根據第二結構範例之磊晶結構可以電子注入層/第三主動層/閘極量子阻隔層/第四主動層/電洞注入層的順序形成。
在第二結構範例中，當注入一低電流時，載子主要輸入至第三主動層以射出光。第四主動層的能帶隙可較第二主動層者為大，閘極量子阻隔層的能帶隙可小於電洞注入層者，以令電洞在注入一低電流時被有效注入第三主動層。當注入一高電流時，電子填滿具有比較小之之能帶隙的第三主動層，並穿越閘極量子阻隔層，而被注入第四主動層，並藉此發光。
(第三磊晶結構)
根據第三結構範例的磊晶結構可以電子注入層/第四主動層/閘極量子阻隔層/第三主動層/閘極量子阻隔層/第四主動層/電洞注入層的順序形成。在第三磊晶結構中，當注入一低電流時，載子主要輸入至第三主動層以發射出光。第四主動層之能帶隙可大於第三主動層者，閘極量子阻隔層的能帶隙可小於電洞注入層者，以使電洞在注入一低電流時被有效注入第三主動層。
當注入一高電流時，電子填滿具有比較小能帶隙的第三主動層中，並漂移傳送閘極量子阻隔層，並被注入至與電洞注入層相鄰之第四主動層中以參與發光。當注入一高電流時，電洞填滿第三主動層，並漂移傳送閘極量子阻隔層，並被注入至第四主動層中以參與發光。
實施例之創新點在於提供一種智慧型發光結構，其可克服了習知包括單一主動層之氮化物半導體發光裝置的基本/結構限制。
習知發出單色光(即單一波長)之氮化物半導體薄膜類發光裝置包括一主動層於薄膜中，而習知發出雙色、三色或多色光(亦即多種波長)的氮化物半導體薄膜發光裝置則在薄膜中包括二或三層主動層。
不過，該種多波長發光裝置係屬同時發出藍光與綠光、或藍光、綠光與紅光的技術，故可未使用螢光材料而實現白色LED。根據一實施例，一種包括一多層主動層之智慧型主動層結構能使氮化物半導體發光裝置發出單色光(即單一波長光)以達到優異的發光效率，對於低注入電流區至高電流注入區之所有注入電流區域皆然，故其具有得以克服習知氮化物半導體發光裝置技術之基本限制的不同觀點。
在後文中，一種發光裝置、一種發光裝置封裝件、及一種發光系統的各實施例將分別被詳細說明如下。
<第一實施例>
圖6為根據第一實施例之包括依據第一磊晶結構之雙主動層的發光裝置中之主動層能帶隙的示意圖。在第一實施例中，第二主動層可有一超晶格結構，而第一主動層可有一單量子井結構。
根據第一實施例之發光裝置100可包括一第一導電型半導體層110、一第二導電型半導體層130、及一主動層120，且該主動層120介於第一及第二導電型半導體層110及130之間。第一導電型半導體層110可為一電子注入層，而第二導電型半導體層130可為一電洞注入層，然而，本發明並非限定於此。
主動層120可包括一第一主動層121、一第二主動層122、以及一閘極量子阻隔層125。第一主動層121與第二導電型半導體層130相鄰，第二主動層122與第一導電型半導體層110相鄰，閘極量子阻隔層125介於第一及第二主動層121、122之間。
在根據第一實施例的發光結構中，主動層120可包括第一主動層121、第二主動層122、以及閘極量子阻隔層125。第一主動層121具有一單量子井結構，其有效執行在低電流區中的一功能；第二主動層具有一超晶格結構，其有效執行在高電流區之一功能；閘極量子阻隔層125介於第一與第二主動層121、122之間。
在根據第一實施例的發光結構中，在實現主動層120上，與發光相關之發光區可以一量子井結構之設計而達最小化，以解決當注入低電流時因晶體缺陷而造成的發光效率降低的問題，且與發光相關之發光區可以一超晶格結構之設計而達最大化。
在第一實施例中，低電流可為約5A/cm2或較小，而高電流可為約35A/cm2或較大。然而，本發明並非限定於此。
第一主動層121包括一由量子力學(quantum-mechanically)形成之量子化能量位準(quantized energy level)的量子井。在第一主動層121中，為方便起見，n示意性地代表量子化能量位準的量子數，其中電子和電洞置於一量子井中顯示出一量子效應。
第二主動層122為具有一超晶格結構的發光層，在第二主動層122的多重量子井結構中，一量子阻隔層在當量子阻隔層足夠薄時可不再展現量子侷限效應，且量子井中侷限的電子或電洞藉一量子力學穿隧效應穿過該薄的量子阻隔層，並藉擴散至(spreading into)一整個超晶格的方式形成一特定迷你能帶。在第一實施例中，能帶結構可稱為一超晶格迷你能帶，但本發明並非限定於此。
在本實施例中，第二主動層122的超晶格結構為發光的發光區，此與用以緩和應力或注入載子的習知超晶格結構不是發光區有所差異。
第二主動層122可包括複數個多重量子井結構122a至122d及複數個量子(未顯示)，且第二主動層122的量子阻隔層賦予載子(電子與電洞)量子力學穿隧效應的能力。
舉例而言，第二主動層122的量子阻隔層可具有一約0.2nm至約7nm的厚度d2。舉例而言，在第二主動層122的超晶格結構中，一有效迷你能帶可在量子阻隔層約為7mm或以下時被形成，且注入的電洞可有效地分佈至一整個超晶格中。
第二主動層122之每一量子井122a至122d可具有約2nm至約10nm的厚度，但本發明並非限定於此。
在本實施例中，當施加一低電流時，閘極量子阻隔層125可侷限一透過第二導電型半導體層130注入至第一主動層121中的電洞，因此注入的電洞無法被傳送至第二主動層122。當施加一等於或高於一特定注入電流之高電流時，閘極量子阻隔層125可讓透過第二導電型半導體層130注入至第一主動層121中的電洞經由漂移傳送被有效地傳送至第二主動層122中。
舉例而言，閘極量子阻隔層125之厚度dg可為約3nm至約15nm。當閘極量子阻隔層125之厚度小於約3nm時，電洞可能無法被有效地侷限於第一主動層121的量子井中於一低電流被注入時。當閘極量子阻隔層125之厚度大於約15nm時，電洞可能無法被有效地穿越閘極量子阻隔層125於一高電流被注入時。
舉例而言，閘極量子阻隔層125的厚度dg可為約4nm至約12nm，但本發明並非限定於此。當閘極量子阻隔層125具有一厚度約4nm或更大時，電洞可更有效地被侷限於第一主動層121的量子井中於一低電流注入時。當閘極量子阻隔層125具有一約12nm或更小之厚度時，電洞可更有效地穿越閘極量子阻隔層125並被注入第二主動層122中於一高電流被注入時。
閘極量子阻隔層125的能帶隙大小可大於第一主動層121之量子井的能帶隙，且等於或小於第二導電型半導體層130之能帶隙。當一低電流被注入時，閘極量子阻隔層125之能帶隙大小可大於第一主動層121之量子井之能帶隙，以有效侷限電洞於第一主動層121的量子井內。
當一注入電流增加時，累積至第一主動層121之量子井中的電洞數量增加，且部分的電洞因與電子結合後發出光而消失。
當一高電流被注入時，電洞可更有效穿越閘極量子阻隔層125，並被注入至第二主動層122中，此時閘極量子阻隔層125的能帶隙大小可小於在第二導電型半導體層130中之量子井121的能帶隙。閘極量子阻隔層125的能帶隙可藉控制氮化物半導體(inxAly Ga1-x-yN，0x，y1)閘極量子阻隔層之組成(composition)而改變。
在本實施例中，理想主動層120之主要機制係使用氮化物半導體材料獨特的屬性，即氮化物半導體主動層120中的電子具有低有效質量(effective mass)與高移動性(mobility)，而氮化物半導體主動層120中的電洞具有相對較高的有效質量與非常低的移動性。
當一低電流注入時，自第一導電型半導體層110(舉例而言，一電子注入層)注入至主動層120的電子可輕易穿越具超晶格結構之第二主動層122及閘極量子阻隔層125，並抵達第一主動層121的量子井層，因在主動層120中的電子具有相對高的移動性。
當一低電流注入時，自第二導電型半導體層130(舉例而言，一電洞注入層)注入至主動層120之電洞可被量子力學特性侷限於與電洞注入層相鄰的第一主動層121之量子井中，且不會有效地穿越閘極量子阻隔層125，因電洞具有高有效質量與低移動性。
另一方面，當一高電流注入時，自電洞注入層注入至主動層之電洞填滿所有第一主動層121之量子井，然後過剩的電洞穿越閘極量子阻隔層125，並抵達至超晶格結構的第二主動層122。第二主動層122可有效地容置許多過剩電洞，並藉由參與發光，第二主動層122於一高電流注入時作為一主要的主動層。當一高電流注入時，自電子注入層入至主動層之電子可被輕易分佈於整個主動層中。
本實施例之機制將配合參考圖6作更詳細描述。
當一低電流注入時，自第二導電型半導體層130(舉例而言，一電洞注入層)注入至主動層之電洞被注入至第一主動層121之量子井中。被注入至第一主動層121之量子井中的電洞位於具最低能態之量子化能量位準(n=1)處。位於量子化能量位準(n=1)處之電子係被量子力學特性侷限於一量子井中，且因電洞相較於電子而言具有較高的有效質量和低移動性，故電洞不會穿越閘極量子阻隔層125，並會移動至第二主動層122。根據本實施例，第一主動層121的量子井之厚度可為約2nm至約16nm。根據本實施例，第一主動層121之量子井的厚度可為約2nm至約10nm。自第一導電型半導體層110(舉例而言，一電子注入層)注入至主動層120之電子相較於電洞具有低量子力學有效質量及高移動率，因此注入的電子可輕易穿過第二主動層122及閘極量子阻隔層125，並抵達第一主動層121的量子井中。
注入至第一主動層121量子井的電子位於具最低能態之量子化能量位準(n=1)處。因此，在注入一低電流時，已被注入之電洞與電子在第一主動層121之量子井中結合而發出光。
另一方面，當一高電流注入時，自第二導電型半導體層130(舉例而言，一電洞注入層)注入至主動層120的電洞填滿所有第一主動層121之量子井的量子化能量位準，然後過剩的電洞穿越閘極量子阻隔層125，並被注入至第二主動層122。第二主動層122包括一超晶格迷你能帶，並因此可在該迷你能帶中量子力學地容置相對於第一主動層121之量子井中較多的電洞。
根據本實施例，第二主動層122可具有一超晶格結構，其中具小能帶隙的量子井與大能帶隙的量子阻隔層交互堆疊至少兩次或更多，且電子與電洞的穿隧可被量子力學地執行。根據本實施例，第一主動層122中的量子井數量可為約2或約20。
根據本實施例，在第一主動層121中之量子井的能帶隙大小可等於或大於量子井122a至122d之能帶隙，此乃因電洞在一注入電流等於或大於一特定值時穿越第一主動層121之閘極量子阻隔層125，並被有效移動至第二主動層122中。電洞注入效率基本上在當電洞自一高能量狀態的位置注入至一低能量狀態的位置時會增加。
注入至第二主動層122中的電洞係有效地散佈至一整個超晶格中，並被量子力學地與注入自電子注入層中的電子結合而發出光。因此，當注入一高電流時已被注入之電子與電洞可散佈至第一與第二主動層121、122中，並有效地在其中結合而發光。
根據本實施例，操作一裝置之所需注入電流量在一低電流區與一高電流區可能沒有明確地差異，而是根據執行一發光裝置之使用性來變化地選擇與控制。
根據本實施例，自第一主動層121注入至第二主動層122之電洞的注入效率可有效地根據閘極量子阻隔層125的能量阻隔層(energy barrier)高度與厚度而被控制。根據本實施例，再者，自第一主動層121注入至第二主動層122之電洞注入效率可藉由相對地控制第一主動層121之能帶隙與第二主動層122之能帶隙的大小而被有效控制。
根據本實施例，當第一主動層121之能帶隙的大小等於或大於第二主動層122之能帶隙時，電洞在一特定注入電流或更高大時可被有效自第一主動層121傳送至第二主動層122。
圖7為根據第一實施例之雙主動氮化物半導體發光裝置之注入電流與發光效率的關係特性圖。在製造一裝置時，一薄膜成長程序使用低壓有機金屬化學氣相沈積(LPMOCVD)系統，但本發明並非限定於此。一藍寶石基板被使用來作為基板，該基板藉由應用一雷射剝離法(laser lift-off process)而被移除。接著，製造出一垂直式LED晶片。
在效應上的比較，就已製造出的一包括五量子井層的習知藍光發光裝置。根據圖7，根據本實施例之雙主動層發光裝置展現出在所有注入電流區域具有較佳的發光效率特性，其優於習知多重量子井結構為主的氮化物半導體藍光發光裝置的內部發光效率。
根據第一實施例，第一實施例之發光裝置顯示發光效率在一約為1000mA之注入電流條件下相較於習知發光裝置被進一步提升約30%。
<第二實施例>
圖8為根據第二實施例之包括雙主動層之發光裝置(見第一結構)之主動層之能帶隙的示意圖。在第二實施例中，第二主動層具超晶格結構，而第一主動層具有包括兩量子井層的多重量子井結構。第二實施例可加上第一實施例的技術特徵。
根據第二實施例之一發光裝置102可包括具多重量子井結構之一第一主動層121，並因此可包括複數個量子井121a及121b、以及一量子阻隔層121c。
相較於當第一主動層121具有多重量子井結構及當第一主動層具單量子井時，第二實施例中之第一主動層121在即便一電流注入一低電流區及一中電流區時仍可有效操作如一主要主動層。
舉例而言，當一低電流注入時，自第二導電型半導體層130(舉例而言，一電洞注入層)注入之電洞被侷限於第一主動層121的一量子井121a，隨後與電子結合以發射出光。
當一電流注入在該中電流區時，自該電洞注入層注入之電洞將第一量子井121a的量子化能量位準　填充在第一主動層121中，然後剩餘的電洞穿越在第一主動層121中的一量子阻隔層121c、並注入至一第二量子井121b中，與電子結合以發射出光。
在第二實施例中，在第一主動層121中的量子井數亦可為約二或約三。
根據第二實施例，當第一主動層121中的多重量子井結構之量子井數量超過三的時候，在注入一高電流中，從電洞注入層注入至第二主動層121的電洞將會承受一相對大的串聯阻抗(resistance)當被注入的電洞穿越具有多重量子井結構的第一主動層時。所以，降低了朝向第二主動層122的電動注入效率。因此，當第一主動層121的多重量子井結構之量子井數量超過三時，於注入一高電流時第二主動層122不能有效地操作如一主要主動層。
在第二實施例中，第一主動層121中的量子阻隔層121c可等於或小於閘極量子阻隔層125的厚度dg。在第二實施例中，舉例而言，第一主動層121之量子阻隔層121c可為約0.2nm至約7nm。
根據第二實施例，當第一主動層121之量子井121c之厚度d1超過約7nm時，在注入一中電流及一高電流中自電洞注入層注入至主動層120之電洞填充第一主動層121的第一量子井121a，然後，剩餘的電洞穿越相對較厚之量子阻隔層121c時，該剩餘的電洞將承受高串聯阻抗與非發光性損耗，藉以降低朝向第二量子井121b與第二主動層122之電洞注入效率。
因此，當第一主動層121之量子阻隔層121c的厚度d1超過約7nm時，第一主動層121之第二量子井121b與第二主動層122在一中電流與一高電流注入時不能有效參與發光。
在第二實施例中，第一主動層121之量子井的厚度可為約2nm至約10nm。根據本實施例，第一主動層121之量子阻隔層121c的能帶隙大小可等於或小於閘極量子阻隔層125之能帶隙。根據第二實施例，於增加一注入電流，從第一主動層121注入至第二主動層122之電洞注入效率可隨著第一主動層121的量子阻隔層121c的能量阻隔層(energy barrier)高度變小和量子阻隔層121c的能量阻隔層厚度變小時而增加。
該中電流可為約5A/m2或高於約35A/m2或較小。不過本發明並非限定於此。
在後文中，根據第一及第二實施例，一種製造一發光裝置的方法將被說明如後。
舉例而言，一第一導電型半導體層110、一主動層120以及一第二導電型半導體層130形成於一基板上(未顯示)例如藍寶石基板。舉例而言，一氮化物半導體電子注入層成長於該基板上(未顯示)，且一氮化物半導體主動層及一電洞注入層成長及製造於該基板上。
包括一超晶格結構之一第二主動層122可被製造於一氮化物半導體電子注入層薄膜上，而一閘極量子阻隔層125可被製造於第二主動層122與第一主動層121之間。
第二主動層122之超晶格結構可藉堆疊複數層具不同能帶隙的氮化物半導體層的方式被製成。當第二主動層122之超晶格結構可被以重覆堆疊複數層具不同能帶隙的氮化物半導體層的方式製成時，該重覆堆疊次數可為至少二次或更多次。於第二主動層122之超晶格結構中具一大能帶隙的一氮化物半導體層之厚度可為約0.2nm至約7nm，但本發明並非限定於此。
在第二主動層的之超晶格結構中具有小能帶隙122的氮化物半導體層可具有一厚度約2nm至約10nm，但本發明並非限定於此。第二主動層122與第一主動層121間之閘極量子阻隔層125可具有一厚度約3nm至約15nm，但本發明並非限定於此。
自第二主動層122發出之光與自第一主動層121發出之光可具有相同或類似的波長。第一主動層121中的量子井數量可為約一至約三。第一主動層121之量子井層可具有一厚度約2nm至約10nm，但本發明並非限定於此。當第一主動層121具有一多重量子井結構時，量子阻隔層之厚度d2可被製造為約0.2nm至約7nm，但本發明並非限定於此。
<第三實施例>
圖9為根據第三實施例之發光裝置中包括雙主動之主動層(見第一磊晶結構)之能帶隙(103)的示意圖。在第三實施例中，具單量子井結構的一第二主動層124具有相對較寬的寬度，而一第一主動層121包括具有相對較窄寬度的單量子井結構。
第三實施例可應用第一及第二實施例的技術特徵。
根據第三實施例，在該發光結構中，一雙主動層包括第一主動層121、第二主動層124、以及閘極量子阻隔層125，而該第一主動層121具有一窄單量子井其有效地操作於一低電流區；該第二主動層124具有一寬單量子井其有效地操作於一高電流區，而該閘極量子阻隔層125位於該第一與第二主動層121、124之間。
在第二實施例中，根據第三實施例之第一主動層121可包括一或多個量子井層。
根據第三實施例，形成的第一主動層121較薄於第二主動層124，因此具有較佳的量子力學量子井侷限效應(quantum-mechanical quantum well confinement effect)。
與第二導電型半導體層130相鄰之第一主動層121的厚度可為約1nm至約10nm。當第一主動層121的厚度小於約1nm時，足夠數量的能量位準可能不會因量子力學特性而被形成於一主動層(一發光層)中。
當第一主動層121的厚度大於約10nm時，一量子井侷限效應係量子力學性地(quantum-mechanically)相對地降低。第一主動層121可因注入一低電流時的量子侷限效應而有優異的發光效率。根據本實施例，第二主動層124可具有一厚度約3nm至約300nm。當第二主動層124的厚度為約300nm或更大時，一因晶體缺陷所致之非發光性損耗效應大大降低，故一發光裝置的發光效率也因此大大降低。當第二主動層124之厚度小於約3nm時，若注入一些載子，第二主動層124不能有效地容置該些載子，因此一裝置的發光效率也降低。
根據第三實施例，第一主動層121較薄於第二主動層124。根據第三實施例，與作為電子注入層的一第一導電型半導體層110相鄰設置的第二主動層124適合(enable)一N型摻雜。舉例而言，被注入至有N型摻雜之第二主動層124中的電子可穿越第二主動層124，並可被有效注入至第一主動層121中。
在根據本實施例的發光裝置中，第一主動層121可在當一低電流注入時作為一主要主動層，而第二主動層124可在當一高電流注入時作為一主要主動層。
根據第三實施例，設置在接近作為N型半導體層之第一導電型半導體層110的第二主動層124能帶隙的大小可等於或小於第一主動層121能帶隙的大小，該第一主動層121能帶隙設置在接近作為一P型半導體層之第二導電型半導體層130。
根據本實施例，當一低電流注入至一發光裝置時，電洞可被充分地填充至且被侷限於具低量子化能量位準的第一主動層121中，因而允許光從第一主動層121中發射出，之後移動至第二主動層124。在此情況下，閘極量子阻隔層125可被置於第二主動層124和第一主動層121中，並形成有一厚度約3nm至約8nm。
根據第三實施例，第一主動層121係以一層呈現，但實際上可以二層或多層出現。圖10為根據第三實施例之雙主動氮化物半導體藍光發光裝置在電流注入時的光學輸出功率特性圖。
根據第三實施例，如圖10顯示第一主動層包括一窄量子井之操作於低電流區中，而第二主動層包括一寬量子井主要地操作於高電流區中。
<第四實施例>
圖11為根據第四實施例之具雙主動層之氮化物半導體發光裝置之能帶隙(104)的示意圖，其中該雙主動層包括具多重量子井結構的一第三主動層及具寬單量子井結構之一第四主動層。
第四實施例可應用第一至第三實施例之技術特徵。
根據第四實施例，與作為一電子注入層之一第一導電型半導體層110相鄰之一第三主動層123可具有一多重量子井結構，而與作為一電洞注入層之第二導電型半導體層120相鄰之一第四主動層126可具有一寬單量子井結構。
在第三主動層123中的每一量子井可具有一厚度約1nm至約10nm，而第三主動層123可具有一厚度約3nm至約300nm。根據第四實施例，第四主動層126之厚度可大於在第三主動層123中的每一量子井之厚度。
根據第四實施例，第四主動層126可為P型摻雜者。根據第四實施例，具一寬量子井結構之第四主動層126的能帶隙大小可等於或大於第三主動層123之量子井的能帶隙。
當一低電流注入至發光裝置時，第四主動層126可具有一相對大的能帶隙。舉例而言，由於第四主動層126已經過P型摻雜，電洞可穿越第四主動層126並可被注入至第三主動層123。再者，自第一導電型半導體層110注入的電子係與在第三主動層123中的電洞結合而發射出光。
根據第四實施例，與作為電洞注入層之第二導電型半導體層130相鄰之第四主動層126的能帶隙大小在電洞注入效率上等於或大於作為電子注入層之第一導電型半導體層110的能帶隙。
在此，第一磊晶結構(見第一至第三實施例)與根據第四實施例之結構之間的差異在於相鄰於一P型導電型半導體層的第四主動層126包括一寬井，即為用於高電流的井，因此當第三主動層123之能帶隙的大小等同於第四主動層126者時，由於第四主動層126相對較厚，故在一較厚量子井之一量子化能量位準之一量子力學特性上的能態可小於相對較薄之第三主動層123之接地狀態(n=1)的能量位準。
因此，就與第一磊晶結構相同的機制上來說，即以電洞注入效率之增加而言，與P型導電型半導體層相鄰之厚的第四主動層126可具有一能帶隙大於第三主動層123的能帶隙，即便只是些微較大。
再者，不同於第一磊晶結構，在第二磊晶結構中第四主動層126與P型導電型半導體層130相鄰(見第四實施例)。因此，當一低電流注入時，電洞應可被注入至第三主動層123以開始發射出光。因此，不同於第一磊晶結構，閘極量子阻隔層125可被設計相對更薄，因此在第二磊晶結構中當注入一低電流時，穿隧更有效率地發生。
根據第四實施例，如圖12所示，當一低電流注入至發光裝置時，自第一導電型半導體層110注入的電子主要被侷限於第三主動層123中，但在第四主動層126中的電子濃度則相對地減少。
圖12為根據第四實施例之包括一雙主動層之發光裝置中在一低電流注入時該雙主動層內之電子與電洞分佈圖。
當一高電流注入發光裝置時，自該第一導電型半導體層110部分注入至該主動層的電子填充第三主動層123之多重量子井的所有量子化能量位準，且過剩電子穿越閘極量子阻隔層125，並被透過穿隧或漂移傳送的方式注入至第四主動層。
圖13為根據第四實施例之包括一雙主動層之發光裝置中於一高電流注入時該雙主動層內電子與電洞的分佈圖。
根據第四實施例，如圖13所示，當一高電流注入至發光裝置時，若電子係自第一導電型半導體層110注入時，則在第四主動層126中的電子濃度係相對地增加。
亦即，如圖12所示，當一低電流注入至發光裝置時，光主要係自第三主動層123發射出，此乃因第四主動層126中的電子濃度降低所致。不過，如圖13所示，當一高電流注入時，光自第三和第四主動層123、126保角地(conformal)發射出。
第四主動層126較厚於第三主動層123的多重量子井，因此可有效容置許多電子，且該等電子與電洞結合而發射出光。
因此，根據第四實施例，已在注入一高電流時注入至主動層的電子與電洞可被散佈至第三與第四主動層123、126中，並有效地於其中結合而發射出光，藉以在一高注入電流區域中提供高發光效率。
圖14為根據第四實施例之具有雙主動層結構之氮化物半導體藍光發光裝置注入電流密度與內部發光量子效率的關係特性圖。以包括僅具有第一主動層MQW的多重量子井結構之發光裝置與包括僅具有第二主動層DH的寬單量子井結構進行比較，如圖14所示，根據第四實施例之雙主動層發光裝置在一寬注入電流注入區域中相對上提供了優異的內部量子效率IQE。
(第五實施例)
圖15為根據第五實施例之發光裝置中包括一多主動層之發光裝置中一主動層的能帶隙(105)示意圖。
舉例而言，圖15為具有一多主動層之發光裝置中一主動層的能帶隙(105)示意圖。其中一第三主動層124具有一多重量子井結構(124a，124b)、一第四主動層126其與一電洞注入層相鄰並具有一寬單量子井結構、以及一第五主動層128與一電子注入層相鄰並具有寬單量子井之結構，根據該第三磊晶結構。
第五實施例可應用第四實施例之技術特徵。
在第五實施例中，具多重量子井結構之第三主動層位於具寬單量子井結構之第四與第五主動層之間126、128。
根據第五實施例，在一發光裝置中，具有多重量子井結構的第三主動層124位於在一低電流區中主要參與發光的一多主動層之中央部分，然而具有寬單量子井結構的第四與第五主動層126、128其主要在高電流區中主要及有效地參與發光。
在第五實施例中，閘極量子阻隔層係位於為第三與第四主動層之間，並介於第三與第五主動層之間，如同在各實施例般。
在根據第五實施例，在發光裝置中，注入一電流之發光機制與上述各實施例之發光機制相似。根據第五實施例之發光裝置的操作機制將配合圖15詳細說明如下。
當一低電流注入時，自電洞注入層注入主動層的電洞穿越第第四主動層126，經過(pass over)一第一閘極量子井阻隔層(first gate quantum well barrier)125a，並被注入至第三主動層124之量子井層中。
根據第五實施例，當第四主動層126之一能帶隙大小大於在第三主動層124中之量子井層的能帶隙大小時，電洞注入效率可被提升。
當一低電流注入時，自電子注入層注入至主動層的電子穿越第五主動層128，經過一第二閘極量子井阻隔層125b，並被注入至第三主動層124之量子井層中。
根據第五實施例，當第五主動層128之能帶隙大小大於在第三主動層124中之量子井層的能帶隙大小時，電洞注入效率可被提升。
故當注入一低電流時，電子與電洞被注入至位於多主動層之中央部分的第三主動層124中，並相互結合而有效發射出光。
當一高電流注入時，自電子注入層注入至主動層的電子充填在位於中央部分之第三主動層124的量子化能量位準，而剩餘的電洞經過閘極量子阻隔層125a、125b，並被有效注入至與電洞注入層相鄰的第四主動層126及與電子注入層相鄰的第五主動層128。
因此，當注入一高電流時，第四與第五主動層126、128主要係利用有效容置大量載子的方式而成為主要參與發光者。
圖16為根據第五實施例之包括多主動層之氮化物半導體藍光發光裝置之光輸出功率與注入電流的關係圖。圖16顯示根據第五實施例之多主動層的發光效率遠較包括多重量子井結構之單主動層之習知氮化物半導體藍光發光裝置的光輸出功率為佳。
圖17為根據實施例之發光裝置封裝件的剖面圖。
請參閱圖17，根據一實施例之發光裝置封裝件200包括一封裝體205、第三及第四電極層213、214、一發光裝置100以及一模塑件(molding member)240，第三及第四電極層213、214位於封裝體205中，發光裝置100位於該封裝體205中並電性連接至第三及第四電極層213、214，而模塑件240圍繞著發光裝置100。
封裝體205可由一矽材料、一合成樹脂材料、或一金屬材料所形成。發光裝置100周圍可形成一傾斜面。
第三電極層213及第四電極層214彼此電性分離，並提供一電力給發光裝置100。此外，第三電極層213及第四電極層214可反射自發光裝置100發出的光，並因此提升發光效率，並可將發光裝置100產生的熱發散至外部。
根據各實施例之發光裝置可如發光裝置100，但本發明並非限定於此。發光裝置100可設為一水平式發光裝置、一覆晶式發光裝置、或其它同類裝置。
發光裝置100可設置於封裝體205中，或位於第三電極層213或第四電極層214上。
發光裝置100可透過一導線230而電性連接至第三電極層213及/或第四電極層214。在該實施例中，被以圖式舉例者為使用一導線230之垂直式發光裝置100，但本發明並非限定於此。
模塑件240可圍繞發光裝置100，藉以保護發光裝置100。模塑件240可包括一螢光體，以改變發光裝置100發出之光的波長。
根據一實施例，發光裝置100可被用於一發光系統上。發光系統可包括一顯示於圖18中之發光單元及一圖示於圖19中的背光單元。發光系統可包括交通號誌、汽車頭燈、或一標示板(sign board)等。
圖18為根據一實施例中一發光單元1100之立體示意圖。
請參閱圖18，發光單元1100可包括一殼體1110、一發光模組1130、以及一連接端1120。發光模組1130與連接端1120皆設置位於殼體1110，且連接端1120用以自一外部電源接收一電力。
殼體1110得以具有良好熱耗散之材料組成。舉例而言，殼體1110得以一金屬或樹脂材料所組成。
發光模組1130可包括一基板1132與至少一發光裝置封裝件200，且發光裝置封裝件200被設於基板1132上。
基板1132可藉由印刷一電路圖案於一絕緣材料上之方式形成。舉例而言，基板1132可包括一印刷電路板(PCB)、一金屬核心PCB、一軟性PCB、或一陶磁PCB。
此外，基板1132可由能有效反射光的材料所組成，或基板1132的一表面可被塗佈一顏色(如白色或銀色)，以有效反射光。
至少一發光裝置封裝件200可被設於一基板1132上。每一發光裝置封裝件200可包括至少一發光二極體(LED)100。發光二極體100可包括一彩色發光裝置以發出紅光、綠光、藍光或白光等顏色的光以及一紫外光(UV)發光裝置發射出紫外光。
根據各實施例之發光裝置可應用如發光裝置100。
發光模組1130的發光二極體可有各種的配置，以提供各種的色彩和亮度。舉例而言，可配置白色發光二極體、紅色發光二極體、及綠色發光二極體，以確保高現色性指數(color rendering index，CRI)。
連接端1120電性連接至發光模組1130以提供一電力給發光模組130。請參閱圖18，連接端1120被螺接至一外部電源，但本發明並非限定於此。舉例而言，連接端1120可被形成為接腳(pin)形式，並被插入至該外部電源，或透過一導線連接至外部電源。
圖19為根據實施例之背光單元1200的展開圖。
根據一實施例之背光單元1200可包括一導光板1210、一發光模組1240、一反射元件1220、以及一底蓋1230。該發光模組1240提供光予導光板1210，該反射元件1220位於該導光板1210之下，且該底蓋1230容置該導光板1210、發光模組1240、以及反射元件1220，但本發明並非限定於此。
導光板1210讓平面光被以擴散光(diffusing light)的形式提供，且得以透明材料組成。舉例而言，導光板1210可包括如聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl metaacrylate,PMMA)之丙烯酸樹脂、聚乙烯對苯二甲酸酯(polyethylene terephthalate,PET)、多碳酸(poly carbonate,PC)樹脂、及聚二甲酸乙二醇酯(polyethylene naphthalate,PEN)樹脂。
發光模組1240供應光至導光板1210之至少一側；亦即，當作包括一背光單元1200之一顯示裝置的光源。
發光模組1240可接觸導光板1210，但本發明並非限定於此。更詳而言之，發光模組1240可包括一基板1242及設置於基板1242上之複數個發光裝置封裝件200，且基板1242可接觸導光板1210。不過，本發明並非限定於此。
基板1242可為包括一電路圖案之一印刷電路板(PCB)(未顯示)。基板1242可包括一典型PCB、一金屬核心PCB、一軟性PCB、或類似物等，但本發明並非限定於此。
該些發光裝置封裝件200可被設於基板1242上，以令一發光的發光面與導光板1210隔開一段距離。
反射元件1220可被設於導光板1210之下，反射片1220向上地反射入射在導光板1210之一底部的光，藉以提高背光單元1200的亮度。舉例而言，反射元件1220可為聚乙烯對苯二甲酸酯(PET)、聚碳酸酯(PC)、或PVS樹脂，但本發明並非限定於此。
底蓋1230可容置導光板1210、發光模組1240、及反射元件1220。為達此目的，底蓋1230可被形成為一具開放式頂部的盒狀，但本發明並非限定於此。
底蓋1230可由一金屬或一樹脂材料所形成，並透過壓模成形(press molding)或押出成形(extrusion process)等方式製造。各實施例提供了發光裝置、發光裝置封裝件、及發光系統，突破性地解決了在注入一高電流時發生之非發光性損耗及因注入一低電流發生晶體缺陷所致之非發光性損耗等在習知氮化物半導體發光裝置上的限制，藉以在所有氮化物半導體中完成高效率發光。
根據該等實施例，該氮化物半導體發光裝置的使用領域可被大大增加。
根據實施例，本揭露內容可對一操作注入電流隨低電流區至高電流區而改變之智慧型發光產品的發展做出正面的貢獻。
在本說明書中，對參考及所有「一實施例」及「範例實施例」等時代表對該實施例描述之一特定特徵、結構或特性可用於本發明的至少一實施例中，該等字句在全說明書不同處之出現不必然全指相同的實施例。再者，任一實施例中所描述之特定特徵、結構或特性都告知熟習該項技術者在其它實施例中之特徵、結構或特性都以對等觀點視之。
上述實施例雖已被配合所舉與其相關之實施例說明，但熟習該項技術者可在不違該等揭露內容之範圍與原理的條件下進行各種其它的修改與實施方式。更特定言之，各種不同的變化與修飾可在某結合設置中對元件及/或佈局上進行，此仍不外於本揭露內容之範圍。除了元件及/或佈局上的變化與修飾，其它不同的使用方式也可為熟習該等技術人士所輕易達成。
100．．．發光裝置
102．．．發光裝置
103．．．能帶隙
105．．．能帶隙
110．．．第一導電型半導體層
120．．．主動層
121．．．第一主動層
121a．．．第一量子井
121b．．．第二量子井
121c．．．量子阻隔層
122．．．第二主動層
122a、122b、122c、122d．．．多重量子井結構
123．．．第三主動層
124．．．第二主動層
124a．．．多重量子井結構
124b．．．多重量子井結構
125．．．閘極量子阻隔層
125a．．．第一閘極量子井阻隔層
125b．．．第二閘極量子井阻隔層
126．．．第四主動層
128．．．第五主動層
130．．．第二導電型半導體層
140．．．第二電極層
142．．．耦合層
144．．．歐姆層
146．．．反射層
148．．．導電支撐基板
150．．．電極層
200．．．發光裝置封裝件
205．．．封裝體
213．．．第三電極層
214．．．第四電極層
230．．．電線
240．．．模塑件
1100．．．發光單元
1110．．．殼體
1120．．．連接端
1130．．．發光模組
1132．．．基板
1200．．．背光單元
1210．．．導光板
1220．．．反射元件
1230．．．底蓋
1240．．．發光模組
1242．．．基板
圖1為包括多重量子井結構主動層之習知氮化物發光裝置之主動層能帶的示意圖。
圖2為包括多重量子井結構主動層(見圖1)之習知氮化物半導體發光裝置之注入電流量相對於內部發光量子效率的關係特性圖。
圖3為包括具寬單量子井結構之主動層之習知氮化物半導體發光裝置之主動層能帶的示意圖。
圖4包括寬單量子井結構(見圖3)之習知氮化物半導體發光裝置中注入電流量與內部發光量子效率之關係特性圖。
圖5根據一實施例之發光裝置剖面的範例圖。
圖6為根據第一實施例之發光裝置中包括第一及第二主動層(即雙主動層)之發光裝置之主動層的能帶隙示意圖。
圖7為根據第一實施例之雙主動氮化物半導體發光裝置之注入電流與發光效率的關係特性圖。
圖8為根據第二實施例之發光裝置中具雙主動層之雙主動發光裝置之主動層之能帶隙的示意圖，其中該雙主動層包括具多重量子井結構的第一主動層、與具一超晶格結構之第二主動層。
圖9為根據第三實施例之發光裝置中具雙主動層之發光裝置之主動層之能帶隙的示意圖，其中該雙主動層包括為窄單量子井結構的第一主動層、與具寬單量子井結構之第二主動層。
圖10為根據第三實施例之發光裝置中包括雙主動層之氮化物半導體藍光發光裝置之注入電流與光輸入功率的關係特性圖。
圖11為根據第四實施例之發光裝置中包括第一及第二主動層(即雙主動層)之氮化物半導體發光裝置的能帶隙示意圖。
圖12為根據第四實施例之發光裝置中包括雙主動層之發光裝置中在低電流注入時該雙主動層內電子與電洞之分佈圖。
圖13為根據第四實施例之發光裝置中包括雙主動層之發光裝置中在高電流注入時該雙主動層內電子與電洞的分佈圖。
圖14為根據第四實施例之發光裝置中氮化物半導體藍光發光裝置之注入電流密度與內部發光量子效率的關係特性圖。
圖15為根據第五實施例之發光裝置中具有多主動層之發光裝置之主動層的能帶隙示意圖，其中該多主動層包括為多重量子井結構之第一主動層、與為寬單量子井結構之二第二主動層，且該第一主動層與該等第二主動層分別與電子注入層及電洞注入層相接。
圖16為根據第五實施例之發光裝置中氮化物半導體藍光發光裝置之光輸出功率與注入電流的關係圖。
圖17為根據實施例之發光裝置封裝件的剖面圖。
圖18為根據實施例之發光單元實施例的立體圖。
圖19為根據實施例之背光單元實施例之立體圖。
100．．．發光裝置
110．．．第一導電型半導體層
120．．．主動層
130．．．第二導電型半導體層
140．．．第二電極層
142．．．耦合層
144．．．歐姆層
146．．．反射層
148．．．導電支撐基板
150．．．電極層

Claims (20)

  1. 一種發光裝置，包括：一第一導電型半導體層；一第二導電型半導體層；以及一主動層介於該第一導電型半導體層和該第二導電型半導體層之間，其中該主動層包括：一第一主動層與該第二導電型半導體層相鄰；一第二主動層與該第一導電型半導體層相鄰；以及一閘極量子阻隔層介於該第一主動層和第二主動層之間，其中該第一主動層包括一第一量子井層及一第一量子阻隔層，以及其中該第一主動層的該第一量子阻隔層的一厚度薄於該閘極量子阻隔層的一厚度。
  2. 如申請專利範圍第1項之發光裝置，其中該第二主動層較該第一主動層具有一較高的量子力學量子化狀態密度(quantum-mechanically quantized density of state)。
  3. 如申請專利範圍第1項之發光裝置，其中自該第一主動層發出的光和自該第二主動層發出的光具有相同顏色 或相同波長。
  4. 如申請專利範圍第1項之發光裝置，其中，該第一導電型半導體層為一電子注入層，該第二導電型半導體層為一電洞注入層，以及該第一主動層之一能帶隙的大小等於或大於該第二主動層之一能帶隙的大小。
  5. 如申請專利範圍第1項之發光裝置，其中，該第二主動層包括一超晶格結構，以及該第一主動層包括一單量子井結構。
  6. 如申請專利範圍第5項之發光裝置，其中，該第二主動層包括一多重量子井及一多重量子阻障層結構，以及在該第二主動層中的一量子阻隔層使一載子能有量子力學特性穿隧(quantum-mechanically tunneling)。
  7. 如申請專利範圍第1項之發光裝置，其中，當施加一第一電流位準時，該閘極量子阻隔層限定透過該第二導電型半導體層注入該第一主動層中的一電洞不被傳輸至該第二主動層，以及當施加高於該第一電流位準之一第二電流位準時，該閘極量子阻隔層允許透過該第二導電型半導體層注入至該第一主動層之該電洞被漂浮傳輸(drift-transported)至該第二主動層。
  8. 如申請專利範圍第7項之發光裝置，其中該第一電流等於或小於約5A/cm2，而該第二電流等於或高於約35A/cm2。
  9. 如申請專利範圍第1項之發光裝置，其中該閘極量子阻隔層之一能帶隙的大小大於在該第一主動層中之一量子井的一能帶隙大小，且等於或小於該第二導電型半導體層之一能帶隙大小。
  10. 如申請專利範圍第1項之發光裝置，其中，該第二主動層包括一超晶格結構，以及該第一主動層包括包含二量子井層之一多重量子井結構。
  11. 如申請專利範圍第10項之發光裝置，其中該第二主動層包括一第二量子井層及一第二量子井阻隔層，其中該第二主動層的該第二量子阻隔層的一厚度薄於該閘極量子阻隔層的一厚度。
  12. 如申請專利範圍第10項之發光裝置，其中在該第一主動層中之該量子阻隔層之一能帶隙的大小等於或小於該閘極量子阻隔層之一能帶隙的大小。
  13. 如申請專利範圍第1項之發光裝置，其中，該第二主動層包括具一第二寬度之一單量子井結構，以及該第一主動層包括一量子井結構具有一第一寬度小於該第二寬度。
  14. 如申請專利範圍第13項之發光裝置，其中該第二主動層的該第二量子阻隔層的一厚度薄於該閘極量子阻隔層的一厚度。
  15. 如申請專利範圍第13項之發光裝置，其中，該第一導電型半導體層為一電子注入層，該第二導電型半導體層為一電洞注入層，以及該第二主動層之一能帶隙的大小等於或大於該第一主動層之一能帶隙的大小。
  16. 一種發光裝置，包括：一第一導電型半導體層；一第二導電型半導體層；以及一主動層介於該第一導電型半導體層和該第二導電型半導體層之間，其中該主動層包括：一多重量子井結構的一第三主動層，與該第一導電型半導體層相鄰；一單量子井結構的一第四主動層，與該第二導電型半導體層相鄰；以及一閘極量子阻隔層介於該第三主動層和該第四主動層之間，其中該第三主動層包括一第三量子井層及一第三量子阻隔層，以及其中該第三主動層的該第三量子阻隔層的一 厚度薄於該閘極量子阻隔層的一厚度。
  17. 如申請專利範圍第16項之發光裝置，其中，該第一導電型半導體層為一電子注入層，該第二導電型半導體層為一電洞注入層，以及該第四主動層之一能帶隙的大小大於該三主動層之一能帶隙的大小。
  18. 如申請專利範圍第16項之發光裝置，其中自該第三主動層發出的光和自該第四主動層發出的光具有相同顏色或相同波長，其中該第四主動層包括一第四量子井層及一第四量子阻隔層，以及其中該第四主動層的該第四量子阻隔層的一厚度薄於該閘極量子阻隔層的一厚度。
  19. 如申請專利範圍第18項之發光裝置，其中，該第四主動層包括具有一第四寬度之一單量子井結構，以及該第三主動層包括一量子井結構具有小於該第四寬度的一第三寬度，其中該第四主動層的該第四量子阻隔層的一厚度薄於該第三主動層的該第三量子阻隔層的一厚度。
  20. 如申請專利範圍第16項之發光裝置，更包括一第五主動層介於該第一導電型半導體層和該第三主動層之間。
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