TWI568019B - 發光裝置 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種發光裝置,尤其關於一種由中間層連接複數個發光半導體疊層的發光裝置。
用於固態照明裝置的發光二極體(light-emitting diode;LED)具有耗能低、低發熱、操作壽命長、防震、體積小、反應速度快以及輸出的光波長穩定等良好光電特性,因此發光二極體被廣泛地應用於各種照明用途上。
雖然發光二極體有上述的優點,但是受限於亮度相較傳統白熾燈具為低的缺點,在需要足夠亮度的照明時往往需要提供較大的電流或者選用較多的發光二極體來滿足需要的發光亮度。若使用較大的電流無法發揮發光二極體低耗能的優點,而增加數量彌補亮度不足的方式不僅佔據過多面積,也消耗更多的能量。在此情況下,若要使發光二極體於日常生活的使用上更為普及,需要許多提升發光二極體亮度的研究,改變材料或者是發光二極體內的磊晶結構等方式。
前述的發光二極體可以與其他元件組合連接以形成一發光裝置,在發光裝置內的元件包含了具有電路的次載體、結合發光二極體於
次載體上並使發光二極體之基板與次載體上的電路電性連接的焊料,以及電性連接發光二極體之電極與次載體電路的電性連接結構。其中,上述之次載體可以是導線架或大尺寸鑲嵌基底,以方便發光裝置之電路規劃並提高其發光二極體的散熱效果。
一種發光裝置,包含一第一發光半導體疊層、一第一中間層位於第一發光半導體疊層之上,以及一第二發光半導體疊層位於第一中間層之上。第一中間層包含第一導電性半導體層與第二導電性半導體層以及第一中間區,其中第一中間區包含有不連續結構位於第一導電性半導體層與第二導電性半導體層之間。
100、200、300、400‧‧‧發光裝置
2‧‧‧第一發光半導體疊層
4‧‧‧第二發光半導體疊層
6‧‧‧第三發光半導體疊層
8‧‧‧基板
12‧‧‧中間層
14‧‧‧第一導電性半導體層
16‧‧‧中間區
18‧‧‧第二導電性半導體層
22‧‧‧第一中間層
24‧‧‧第一導電性半導體層
26‧‧‧第一中間區
28‧‧‧第二導電性半導體層
32‧‧‧第二中間層
34‧‧‧第三導電性半導體層
36‧‧‧第二中間區
38‧‧‧第四導電性半導體層
202‧‧‧第五導電性半導體層
204‧‧‧發光層
206‧‧‧第六導電性半導體層
402‧‧‧第七導電性半導體層
404‧‧‧發光層
406‧‧‧第八導電性半導體層
第1圖揭示本發明之發光二極體疊層的第一實施例。
第2圖揭示本發明中中間區的示意圖。
第3圖揭示本發明中中間層對發光裝置的操作電壓與操作電流的影響示意圖。
第4圖揭示本發明所之發光二極體疊層的第二實施例。
第5圖揭示本發明所之發光二極體疊層的第一實施例中發光半導體疊層的示意圖。
第6A~6D圖揭示本發明所之發光二極體疊層的第三實施例的製作流程示意圖。
第1圖係根據本發明第一實施例之發光裝置100的剖面圖,發光裝置100包含有第一發光半導體疊層2、中間層12與第二發光半導體疊層4,其中第一發光半導體疊層2與第二發光半導體疊層4所發出之波長彼此可大致相同或彼此相異。中間層12更包含有第一導電性半導體層14、中間區16與第二導電性半導體層18,中間區16係位於第一導電性半導體層14與第二導電性半導體層18之間。於本實施例中,中間層12內的第一導電性半導體層14與第二導電性半導體層18其電性與材料不相同。第一導電性半導體層14與第二導電性半導體層18的組成材料包含III-V族元素,例如第一導電性半導體層14是AlGaAs,而第二導電性半導體層18則是InGaP或GaAs。
如第1圖所示,從剖面圖可以看出中間區16由複數個不連續並且不規則散佈在第二導電性半導體層18之上的結構組成。第2圖顯示中間區16並未完全覆蓋第二導電性半導體層18,而是僅覆蓋部分第二導電性半導體層18,因此第一導電性半導體層14與第二導電性半導體層18會透過未被中間區16覆蓋的部分相連。由於第一導電性半導體層14與第二導電性半導體層18的電性相異,因此兩個半導體層相連的區域會出現電子與電洞結合的情況,形成空間電荷區(space charge region),所形成之電場使得流經中間層12的電子受電場影響而加速通過,等於增加了單位時間通過的電流量。
於本實施例中,中間區16中不連續且不規則散佈的結構例如為量子點結構,亦即在中間區16的範圍內三維方向上兩個量子點結構之間為不連續,並且量子點結構可以藉由有機金屬氣相法(MOCVD)、分子束
磊晶法(MBE)、液相磊晶法(LPE)以及氣相磊晶法(VPE)等方法形成在第二導電性半導體層18之上。量子點結構內的電子在三個維度方向上的運動受到所處結構尺寸的侷限,因此有明顯的量子侷限效應(quantum confinement effect)。依照電子的自由移動程度來分類,當電子所在的物體結構尺寸逐漸縮減時,電子的移動會進一步被限制在結構內,當三個維度都不能自由移動時,這個物體結構就被稱作是量子點(quantum dot)結構。如果從尺寸上粗略的來分類,當物體結構在三個維度的尺寸都在100nm之下,便可以將這個物體結構視為實質上的量子點結構,因此中間區16所包含的量子點結構在三維上的尺寸便至少在100nm以下。而更深入的分類則是要考慮材料內的電子具有的費米波長(Fermi wavelength,λF),當物體結構在三個維度上的尺寸都在一個費米波長以下時這個物體便被稱作是量子點結構。但是費米波長會隨著材料的不同而改變,例如GaAs的費米波長是40nm以及Al的費米波長是0.36nm。在這個條件下,以本發明的實施例中用矽作為量子點結構的材料為例,由於矽的費米波長是4.9nm,中間區16所包含的量子點結構在三維上的尺寸便不大於4.9nm。
在本發明的實施例中,係透過中間層12連接第一發光半導體疊層2與第二發光半導體疊層4,而由於中間層12包含了具有量子點結構的中間區16,使得電流在經過第一導電性半導體層14與第二導電性半導體層18時不僅受到空間電荷區的電場影響,更受到量子點結構的影響而增加了電子經過中間層12發生穿隧效應的機會,讓更多電子藉由量子點結構的穿隧效應從一發光半導體疊層流向另一發光半導體疊層,亦即增加單位時間內通過中間層12的電子密度,等同於增加穿過中間層12的電流量,因
此能改善發光裝置100的發光效率。
第3圖係揭露本發明實施例中,中間層12對發光裝置100的操作電流與操作電壓的影響。曲線L2為發光裝置100不具有中間層12時的操作電流與操作電壓關係曲線;曲線L1為發光裝置100具有中間層12時的操作電流與操作電壓關係曲線。當發光裝置100操作在電流I1下,具有中間層12的曲線L1的斜率S1較曲線L2的斜率S2大,表示曲線L1只要通入較低的操作電壓時便可以獲得較大的電流,並且當操作電流或操作電壓越大時,曲線L1與L2相對應的操作電壓或操作電流差異也越大,表示發光裝置100藉由在三維方向上尺寸都受限的量子點結構的中間層12,可以使得發光裝置100具有較大的穿隧電流並減少了串聯電阻。
在本發明第一實施例的發光裝置100中,以第二發光半導體疊層4相對於中間層12之一側作為出光面,為了提升發光效率,更可以在第一發光半導體疊層2相對於中間層12之一側形成反射層(未繪示於圖中),反射層可以為金屬反射層或分布式布拉格反射層(DBR,distributed Bragg reflector),可將光線從第一發光半導體疊層2往第二發光半導體疊層4的方向反射。並且,也可以在第二發光半導體疊層4出光面之一側設置透明導電層作為窗戶層(window layer)(未繪示於圖中),藉由窗戶層增加出光面方向的出光,其中窗戶層的材料可以是導電性材料,例如銦錫氧化物(ITO)。當窗戶層為導電性材料時,可以選擇性地直接在窗戶層上形成電極層或者於電極層與窗戶層之間形成接觸層,以形成良好的歐姆接觸,減少電極層與窗戶層之間的電阻。
第4圖係根據本發明第二實施例之發光裝置200的剖面圖,
發光裝置200包含有第一發光半導體疊層2、第一中間層22、第二發光半導體疊層4、第二中間層32與第三發光半導體疊層6,其中第一發光半導體疊層2、第二發光半導體疊層4與的三發光半導體疊層6所發出之波長彼此可大致相同或彼此相異。其中第三發光半導體疊層6係位於第一發光半導體疊層2與第一中間層22之間,而第一中間層22包含有第一導電性半導體層24、第二導電性半導體層28以及位於兩個導電性半導體層之間的第一中間區26。第二中間層32係位於第一發光半導體疊層2與第三發光半導體疊層6之間,包含有第三導電性半導體層34、第四導電性半導體層38以及位於兩個導電性半導體層之間的第二中間區36。其中第三導電性半導體層34與第四導電性半導體層38包含III-V族元素,例如第三導電性半導體層34是AlGaAs,而第四導電性半導體層36則是InGaP或GaAs。如第4圖所示,第一中間層22內的第一中間區26與第二中間層32內的第二中間區36各具有一不連續結構,例如為量子點結構。
本發明第一實施例之發光裝置100中的第一發光半導體疊層2與第二發光半導體疊層4更詳細如第5圖所示,第一發光半導體疊層2包含有第五導電性半導體層202、發光層204與第六導電性半導體層206,而第二發光半導體疊層4包含有第七導電性半導體層402、發光層404與第八導電性半導體層406。在本實施例中,第五導電性半導體層202與第七導電性半導體層402為n型半導體層,而第六導電性半導體層206與第八導電性半導體層406為p型半導體層。中間層12內的第一導電性半導體層14為n型半導體層,第二導電性半導體層18為n型半導體層,使得中間層12內的導電性半導體層與相鄰的發光半導體疊層內的導電性半導體層具有同
樣的電性。在本實施例中,中間層12內的第一導電性半導體層14可以是n型AlGaAs,而第二導電性半導體層18可以是p型InGaP或p型GaAs。透過本發明所揭露的實施例,在原本只能放置一個發光半導體疊層的表面積上,可以設置兩個或者以上的發光半導體疊層,以增加單位面積發光量。如前所述,當兩個發光半導體疊層各自發出落於相同色的可見光範圍內的可見光時,可以在相同的(底)面積下提供較多的發光量,對於照明用途有相當的助益。而當第一發光半導體疊層2與第二發光半導體疊層4設計為發出不同顏色的可見光時,可以藉由混合兩種不同顏色的可見光發出需要的光,例如發出紅色光的第一發光半導體疊層2與發出藍色光的第二發光半導體疊層4可以混出紫色的光。更可以透過加入螢光粉等波長轉換材料,將第二發光半導體疊層4發出的藍色光轉換成黃色光,而轉換產生的黃色光與原本的藍色光以及紅色光混色之後,可形成暖白色光。其中的波長轉換材料可以是覆蓋在發光半導體疊層之上,或者是散佈在封存著第一發光半導體疊層2與第二發光半導體疊層4的封裝體內。
第6A~6D圖本發明第三實施例之發光裝置300製作流程的示意圖,如第6A圖所示,先提供一個基板8,其中基板8之材質係可包含但不限於金屬基板,例如Ge、金屬化合物基板,例如包含但不限於有Ga、As、Si、C、P、Al、N、I、Zn、O、Li等元素或者這些元素的組合但不限於這些元素。基板8可以是導電基板或絕緣性基板,其中的導電基板可以是金屬基板,例如包含有鋁或是矽的基板;而絕緣基板可以是藍寶石(Sapphire)基板或者是兼具導熱與絕緣的陶瓷基板。而當基板8為導電性材料時更可以直接在基板8相對與成長磊晶的一側形成電極層。接著在基板8上形成
第一發光半導體疊層2,如第6B圖所示,除了依序形成第五導電性半導體層202、發光層204與第六導電性半導體層206之外,更可以選擇性的在第五導電性半導體層202與基板8之間形成反射層,將部分由發光層204往基板8前進的光線往第六導電性半導體層206的方向反射,或者是在形成第六導電性半導體層206時於相對基板8的表面形成規律或不規律的粗糙表面,同樣可以達到增加出光的效果。接著在第一發光半導體疊層2之上形成中間層12,而中間層12包含有第一導電性半導體層14、中間區16與第二導電性半導體層18,如第6C圖所示。接著在中間層12上形成第二發光半導體疊層4,其中第二發光半導體疊層4包含有第七導電性半導體層402、發光層404與第八導電性半導體層406,再透過選擇性蝕刻的方式移除部分的中間層12與第二發光半導體疊層4,暴露出第一發光半導體疊層2的部分表面,如第6D圖所示。其中第八導電性半導體層406的表面更可以透過蝕刻等方式製造出粗糙的表面或圖形化表面,又或者在形成第二發光半導體疊層4之前,先在中間層12之上形成一反光層(未繪示於圖中),以達到增加出光的效果。
而為了前述的選擇性蝕刻以暴露部分的第一發光半導體疊層2的表面,也可以選擇性地於形成中間層12之前,在第一發光半導體疊層2上形成一蝕刻終止層(未繪示於圖中),接著再於蝕刻終止層之上形成一個完整覆蓋第一發光半導體疊層2的中間層12。在完成中間層12以及第二發光半導體疊層4之後,再從第二發光半導體疊層4向下蝕刻第二發光半導體疊層4與中間層12,直到暴露出位於第一發光半導體疊層2上的一部分蝕刻終止層(未繪示於圖中),如第6D圖所示。
發光裝置400在第八導電性半導體層406上更包含電極層或者是接觸層與電極層的組合,以輸入操作電流。另外,可選擇性地在第六導電性半導體層206上形成電極層,同樣作為輸入操作電流用。當基板8為導電性基板時,可以在基板8相對於第一發光半導體疊層2的另一側形成電極層(未繪示於圖中)。當基板8為絕緣性基板時,則是在移除基板8之後,再於第一發光半導體疊層2另一側形成一導電基板(未繪示於圖中),並在導電基板上相對於第一發光半導體疊層2的另一側形成電極層。
上述實施例僅為例示性說明本發明之原理及其功效,而非用於限制本發明。任何本發明所屬技術領域中具有通常知識者均可在不違背本發明之技術原理及精神的情況下,對上述實施例進行修改及變化。因此本發明之權利保護範圍如後述之申請專利範圍所列。
100‧‧‧發光裝置
2‧‧‧第一發光半導體疊層
4‧‧‧第一發光半導體疊層
12‧‧‧中間層
14‧‧‧第一導電性半導體
16‧‧‧中間區
18‧‧‧第二導電性半導體
Claims (10)
- 一種發光裝置,包含:一第一發光半導體疊層;一第一中間層位於該第一發光半導體疊層之上,該第一中間層包含第一導電性半導體層與第二導電性半導體層,其中該第一中間層具有一第一中間區,該第一中間區包含一不連續結構位於該第一導電性半導體層與該第二導電性半導體層之間;以及一第二發光半導體疊層位於該第一中間層之上,其中該不連續結構具有一費米波長且該不連續結構的尺寸不大於該費米波長,其中該第一導電性半導體層與該第二導電性半導體層的導電性相異。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光裝置,其中該第一導電性半導體層與該第二導電性半導體層的材料包含III-V族元素。
- 如申請專利範圍第2項所述之發光裝置,其中該第一導電性半導體層的材料包含AlGaAs,以及該第二導電性半導體層的材料包含InGaP或GaAs。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光裝置,其中該第一中間區包含由矽組成的量子點層。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光裝置,更包含第一電極層電性連接該第一發光半導體疊層,以及第二電極層電性連接該第二發光半導體疊層。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光裝置,更包含第三發光半導體疊層位於該第一發光半導體疊層與該第一中間層之間。
- 如申請專利範圍第6項所述之發光裝置,更包含一第二中間層位於該第三發光半導體疊層與該第一發光半導體疊層之間。
- 如申請專利範圍第7項所述之發光裝置,其中該第二中間層包含第三導電性半導體層與第四導電性半導體層。
- 如申請專利範圍第8項所述之發光裝置,其中該第三導電性半導體層與該第四導電性半導體層的材料包含III-V族元素。
- 如申請專利範圍第9項所述之發光裝置,其中該第三導電性半導體層的材料包含AlGaAs,以及該第四導電性半導體層的材料包含InGaP與GaAs。
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