TWI577043B - 白光二極體 - Google Patents

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Description

白光二極體
本發明係有關於一種白光二極體，且特別是有關於一種具有穿隧結構的白光二極體，且穿隧結構中至少包括一金屬氮氧化物層(metal nitrogen oxide layer)。
眾所周知，自從白光二極體(簡稱白光LED)問世後且隨著綠色節能的趨勢逐漸抬頭，現今的照明光源已經逐漸由白光LED取代傳統的日光燈管。
一般來說，現今的白光LED皆需要使用到螢光粉。以YAG：Ce黃色螢光粉為例，它會吸收中心波長在450~470nm波長(藍光光譜範圍)的藍光之後，產生中心波長在550~560nm以及幅射波長(450~700nm)波長的光。而在混色原理上，藍光加上黃光後即可產生白光。
請參照第1圖，其所繪示為習知藍光LED加上YAG黃色螢光粉製做而成之白光LED之光譜示意圖。如圖所示，利用波長445~450nm的高亮度藍光二極體(簡稱藍光LED)激發YAG黃色螢光粉，由於藍光與黃光是互補色光的原理，因此可以混合成高亮度白光，並完成白光LED。
當然，除了上述方式製作白光LED之外，還有利用波長430~350nm的紫外光來激發紅、綠、藍三色螢光粉來產生白光，並完成白光LED。
美國專利US 8,981,373揭露另一種結構的白光LED。該白光LED中的穿隧結構(tunneling structure)係由堆疊的金屬氧化物層(metal oxide layers)所組成。
本發明提出一種白光二極體，包括：一P型層；一穿隧結構，接觸於該P型層上，該穿隧結構包括堆疊的一第一能障層、一第一主動層、一第二能障層，其中該第一能障層、該第一主動層與該第二能障層之中至少有一第一金屬氮氧化物；一N型層，接觸於該穿隧結構上；一N型電極，接觸於該N型層；以及一P型電極，接觸於該P型層。
本發明提出一種白光二極體，包括：一P型層；一穿隧結構，接觸於該P型層上，該穿隧結構中包括複數個材料層，且該些材料層中至少有一金屬氮氧化物層；一N型層，接觸於該穿隧結構上；一N型電極，接觸於該N型層；以及一P型電極，接觸於該P型層。
為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
200、400‧‧‧白光LED
210、410‧‧‧P型層
220、420‧‧‧穿隧結構
222、226、421、425、429‧‧‧能障層
224、423、427‧‧‧主動層
230、430‧‧‧N型層
240、440‧‧‧P型電極
250、450‧‧‧N型電極
第1圖所繪示為習知藍光LED加上YAG黃色螢光粉製做而成之白光LED之光譜示意圖。
第2圖，其所繪示為本發明白光LED示意圖。
第3A圖與第3B圖為第一實施例白光LED內，穿隧結構中材料層的厚度差異所形成的光譜示意圖。
第4圖所繪示為本發明雙主動層白光LED示意圖。
第5A圖與第5B圖為第二實施例白光LED內，穿隧結構中材料層的厚度差異所形成的光譜示意圖。
本發明利用全新材料組成白光LED的穿隧結構，而此白光LED不需要任何螢光粉即可以發出白光。請參照第2圖，其所繪示為本發明白光LED示意圖。白光LED 200包括一P型層210、一穿隧結構(tunneling structure)220、一N型層230、一P型電極240與一N型電極250，其中，P型層210係為一P型基板。其中，P型層210為電洞注入層，N型層230為電子注入層。再者，白光LED 200的穿隧結構220包括堆疊的第一能障層(barrier layer)222、主動層(active layer)224與第二能障層226。
根據本發明的第一實施例，穿隧結構220中的多個材料層皆由金屬氮氧化物層所組成。舉例來說，P型層210係由硼(Boron)的P型重摻雜(heavily p-type doped)所構成的P型<100>結構矽基板。N型層230係為N型銦錫氧化層(Indium Tin Oxide，簡稱ITO)。P型電極240與N型電極250為鈦/金(Ti/Au)電極。 第一能障層222與第二能障層226為氮氧化鋁層(Aluminium Oxynitride)，主動層224為氮氧化鎵層(Gallium Oxynitride)。
請參照第3A圖至第3B圖，其為第一實施例白光LED內，穿隧結構220中材料層的厚度差異所形成的光譜示意圖。其中，光強度係由任意單位(arbitrary unit，a.u)來表示。
在第3A圖中，第一能障層222、主動層224與第二能障層226之厚度依序為2nm、18nm與2nm。於驅動電流為35mA與45mA下，中心波長為610nm係屬於暖白光。
在第3B圖中，第一能障層222、主動層224與第二能障層226之厚度依序為2nm、24nm與2nm。於驅動電流為30mA與45mA下，中心波長為588nm係屬於冷白光。
另外，本發明白光LED的P型層210並不限定於P型<100>結構矽基板。在此領域的技術人員也可以利用<111>結構矽基板來取代。
基本上穿隧結構220中第一能障層222與第二能障層226的能隙(energy gap)都要大於主動層224的能隙。因此，除了以氮氧化鋁層作為第一能障層222與第二能障層226之外，第一能障層222與第二能障層226可以用其他較高能隙的金屬氮氧化物來取代，例如氮氧化鋁鎵(Gallium Aluminium Oxynitride)、氮氧化鉿(Hafnium Oxynitride)、氮氧化鋁鉿(Hafnium Aluminium Oxynitride)、與氮氧化鎵鉿(Hafnium Gallium Oxynitride)。主動層224為氮氧化鎵層。
同理，除了以氮氧化鎵層作為主動層224之外，主動層224可以用其他較低能隙的金屬氮氧化物來取代，例如氮氧化鋅(Zinc Oxynitride)、氮氧化鋅鎵(Gallium Zinc Oxynitride)、氮氧化銦鎵(Gallium Indium Oxynitride)、與氮氧化鋁銦鎵(Gallium lndium Aluminium Oxynitride)。
在上述的第一實施例中，穿隧結構220中的多個材料層皆由金屬氮氧化物層來組成。並且，控制穿隧結構220中多個材料層的厚度可以進一步調整白光LED的中心波長。
另外，穿隧結構220中的多個材料層可以搭配金屬氮氧化物層與金屬氧化物層來實現。舉例來說，第一能障層222與第二能障層226的材料可為金屬氧化物，例如二氧化鉿(HFO2)。而主動層224的材料可為金屬氮氧化物層，例如氮氧化鎵。
或者，第一能障層222與第二能障層226的材料可為金屬氮氧化物，例如氮氧化鋁。而主動層224的材料可為金屬氧化物層，例如氧化鋅。
第二實施例
請參照第4圖，其所繪示為本發明雙主動層白光LED示意圖。白光LED 400包括一P型層410、一穿隧結構420、一N型層430、一P型電極440與一N型電極450，其中，P型層410係為一P型基板。其中，P型層410為電洞注入層，N型 層430為電子注入層。再者，白光LED 400的穿隧結構420包括堆疊的第一能障層421、第一主動層423、第二能障層425、第二主動層427、第三能障層429。
根據本發明的第二實施例，穿隧結構420中的多個材料層皆由金屬氮氧化物層所組成。舉例來說，P型層410係由硼(Boron)的P型重摻雜(heavily p-type doped)所構成的P型<100>結構矽基板。N型層430係為N型銦錫氧化層(Indium Tin Oxide，簡稱ITO)。P型電極440與N型電極450為鈦/金(Ti/Au)電極。第一能障層421、第二能障層425與第三能障層429為氮氧化鋁層，第一主動層423與第二主動層427為氮氧化鎵層。
請參照第5A圖與第5B圖，其為第二實施例白光LED內，穿隧結構420中材料層的厚度差異所形成的光譜示意圖。其中，光強度係由任意單位(arbitrary unit，a.u)來表示。
在第5A圖中，第一能障層421、第一主動層423、第二能障層425、第二主動層427、第三能障層429之厚度依序為2nm、9nm、2nm、9nm與2nm。於驅動電流(driving current)為35mA與45mA下，中心波長為610nm係屬於暖白光。
在第5B圖中，第一能障層421、第一主動層423、第二能障層425、第二主動層427、第三能障層429之厚度依序為2nm、12nm、2nm、12nm與2nm。於驅動電流為45mA與65mA下，中心波長為581nm係屬於暖白光。
同理，本發明第二實施例所揭露的白光LED，其P 型層410並不限定於P型<100>結構矽基板。在此領域的技術人員也可以利用<111>結構矽基板來取代。
再者，穿隧結構420中的能障層421、425、429的能隙都要大於主動層423、427的能隙。因此，第一能障層421、第二能障層425、第三能障層429可以用其他較高能隙的金屬氮氧化物來取代，例如氮氧化鋁鎵、氮氧化鉿、氮氧化鋁鉿、與氮氧化鎵鉿。另外，第一主動層423與第二主動層427可以用其他較低能隙的金屬氮氧化物來取代，例如氮氧化鋅、氮氧化鋅鎵、氮氧化銦鎵、與氮氧化鋁銦鎵。
在上述的第二實施例中，穿隧結構420中的多個材料層皆由金屬氮氧化物層來組成。並且，控制穿隧結構420中多個材料層的厚度可以進一步調整白光LED的中心波長。
實際上，穿隧結構420中的多個材料層可以搭配金屬氮氧化物層與金屬氧化物層來實現。舉例來說，第一能障層421、第二能障層425與第三能障層429的材料可為金屬氧化物，例如二氧化鉿(HFO2)。而第一主動層423與第二主動層427的材料可為金屬氮氧化物層，例如氮氧化鎵。
或者，第一能障層421、第二能障層425與第三能障層429的材料可為金屬氮氧化物，例如氮氧化鋁。而第一主動層423與第二主動層427的材料可為金屬氧化物層，例如氧化鋅。
再者，利用X光光電子能譜(X-ray photoelectron spectroscopy，簡稱XPS)質譜儀來進一步分析本發明白光LED 中，穿隧結構內氮氧化鋁層以及氮氧化鎵層中各原子的成分。進一步可以推導出氮氧化鋁的化學式為(AlN) x ．(Al 2 O 3)1-x ，氮氧化鎵的化學式為(GaN) y ．(Ga 2 O 3)1-y 。其中，x與y皆為大於零且小於1的正數。
由以上的所有實施例之技術內容可知，本發明係在白光LED中形成一穿隧結構，該穿隧結構包括堆疊的多個材料層，其中至少有一材料層係由金屬氮氧化物層。
當白光LED受到偏壓而產生驅動電流後，電洞與電子進入主動層(井區)時，造成電子與電洞輻射複合而發出白光。 再者，由於控制穿隧結構420中多個材料層的厚度，可以進一步調整白光LED的中心波長。另外，上述實施例可以利用各種封裝方式來完成最最終的白光LED模組，例如覆晶封裝(flip chip package)。
綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
200‧‧‧白光LED
210‧‧‧P型層
220‧‧‧穿隧結構
222、226‧‧‧能障層
224‧‧‧主動層
230‧‧‧N型層
240‧‧‧P型電極
250‧‧‧N型電極

Claims (12)

  1. 一種白光二極體，包括：一P型層；一穿隧結構，接觸於該P型層上，該穿隧結構包括堆疊的一第一能障層、一第一主動層、一第二能障層，其中該第一能障層、該第一主動層與該第二能障層之中至少包括一第一金屬氮氧化物層；一N型層，接觸於該穿隧結構上；一N型電極，接觸於該N型層；以及一P型電極，接觸於該P型層；其中，該第一金屬氮氧化物層是一氮氧化鋁層或者一氮氧化鎵層，且該氮氧化鋁層的化學式為(AlN) x ．(Al 2 O 3)1-x ，該氮氧化鎵層的化學式為(GaN) y ．(Ga 2 O 3)1-y ，且x與y皆為大於零且小於1的正數。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之白光二極體，其中該第一能障層為該第一金屬氮氧化物層，該第二能障層為一第二金屬氮氧化物層，該第一主動層為一第一金屬氧化物層。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之白光二極體，其中該第一能障層為一第一金屬氧化物層，該第二能障層為一第二金屬氧化物層，該第一主動層為該第一金屬氮氧化物層。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之白光二極體，其中該第一能障層為該第一金屬氮氧化物層，該第二能障層為一第二金屬氮氧 化物層，該第一主動層為該第三金屬氮氧化物層。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之白光二極體，其中該穿隧結構包括堆疊的該第一能障層、該第一主動層、該第二能障層、一第二主動層與一第三能障層。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之白光二極體，其中該P型層為一P型<111>結構矽基板，或者一P型<100>結構矽基板。
  7. 一種白光二極體，包括：一P型層；一穿隧結構，接觸於該P型層上，該穿隧結構中包括複數個材料層，且該些材料層中至少有一金屬氮氧化物層；一N型層，接觸於該穿隧結構上；一N型電極，接觸於該N型層；以及一P型電極，接觸於該P型層；其中，該第一金屬氮氧化物層是一氮氧化鋁層或者一氮氧化鎵層，且該氮氧化鋁層的化學式為(AlN) x ．(Al 2 O 3)1-x ，該氮氧化鎵層的化學式為(GaN) y ．(Ga 2 O 3)1-y ，且x與y皆為大於零且小於1的正數。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之白光二極體，其中該些材料層包括堆疊的一第一能障層、一第一主動層與一第二能障層，且該第一能障層為該第一金屬氮氧化物層，該第二能障層為一第二金屬氮氧化物層，該第一主動層為一第一金屬氧化物層。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之白光二極體，其中，其中該 些材料層包括堆疊的一第一能障層、一第一主動層與一第二能障層，且該第一能障層為一第一金屬氧化物層，該第二能障層為一第二金屬氧化物層，該第一主動層為該第一金屬氮氧化物層。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之白光二極體，其中，其中該些材料層包括堆疊的一第一能障層、一第一主動層與一第二能障層，且該第一能障層為該第一金屬氮氧化物層，該第二能障層為一第二金屬氮氧化物層，該第一主動層為該第三金屬氮氧化物層。
  11. 如申請專利範圍第7項所述之白光二極體，其中該些材料層包括堆疊的一第一能障層、一第一主動層、一第二能障層、一第二主動層與一第三能障層。
  12. 如申請專利範圍第7項所述之白光二極體，其中該P型層為一P型<111>結構矽基板，或者一P型<100>結構矽基板。
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