TWI589019B - 具有複數個發光疊層之發光裝置 - Google Patents
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Description
本發明關於一種發光裝置，特別是關於一種具有複數個發光疊層之發光裝置。
發光二極體(Light-emitting Diode；LED)係一種固態半導體元件，其至少包含一p-n接面(p-n junction)，此p-n接面形成於p型與n型半導體層之間。當於p-n接面上施加一定程度之偏壓時，p型半導體層中之電洞與n型半導體層中之電子會結合而釋放出光。此光產生之區域一般又稱為發光區(light-emitting region)。
LED的主要特徵在於尺寸小、高演色性、可靠度高發光效率高、壽命長和反應快速，目前已經廣泛地使用在光學顯示裝置、交通號誌、資料儲存裝置、通訊裝置、照明裝置與醫療器材上。隨著全彩LED的問世，LED已逐漸取代傳統的照明設備，如螢光燈和白熾燈泡。
在LED的製造成本中，基板的價格佔據很大的比重，所以如何降低基板在LED中的使用量是引人關注的議題。
一發光裝置，包含可射出具有第一主波長之第一光的一第一發光元件，其中第一發光元件具有包含第一數量之多重量子井對的一第一多重量子井結構；包含第二數量之多重量子井對的一第二多重量子井結構，位於第一多重量子井結構之上；以及一穿隧層位於第一多重量子井結構與第二多重量子井結構之間；以及可射出具有第三主波長之第三光的一第二發光元件，其中第一數量不同於第二數量。
一發光元件，具有包含第一數量之多重量子井對的一第一多重量子井結構；包含第二數量之多重量子井對的一第二多重量子井結構，位於第一多重量子井結構之上；以及一第一穿隧層位於第一多重量子井結構與第二多重量子井結構之間，其中第一數量不同於第二數量。
1、2‧‧‧發光元件
10‧‧‧基板
11‧‧‧接觸層
12‧‧‧第一黏結層
14、21‧‧‧第一發光疊層
142‧‧‧第一半導體層
144、212‧‧‧第一主動層
146‧‧‧第二半導體層
16、22‧‧‧第一穿隧層
18、23‧‧‧第二發光疊層
182‧‧‧第三半導體層
184、232‧‧‧第二主動層
186‧‧‧第四半導體層
24‧‧‧第二穿隧層
25‧‧‧第三發光疊層
252‧‧‧第三主動層
3‧‧‧第二發光元件
4‧‧‧發光裝置
40‧‧‧載體
5‧‧‧光源產生裝置
51‧‧‧光源
52‧‧‧電源供應系統
53‧‧‧控制元件
6‧‧‧背光模組
61‧‧‧光學元件
第1圖繪示本申請案一實施例之發光元件之剖面示意圖。
第2圖繪示本申請案另一實施例之發光元件之剖面示意圖。
第3圖繪示本申請案一實施例之發光裝置之剖面示意圖。
第4圖繪示本申請案一實施例之光源產生裝置之示意圖。
第5圖繪示本申請案一實施例之背光模組之示意圖。
本發明之實施例會被詳細地描述，並且繪製於圖式中，相同或類似的部分會以相同的號碼在各圖式以及說明出現。
第1圖繪示一發光元件1具有一基板10；一第一黏結層12，形成於基板10之上；一第一發光疊層14，形成於第一黏結層12之上；一第一穿隧層16，形成於第一發光疊層14之上；一第二發光疊層18，形成於第一穿隧層16之上；以及一接觸層11，形成於第二發光疊層18之上。第一發光疊層14具有一第一半導體層142、一第一主動層144以及一第二半導體層146形成於基板10與第一穿隧層16之間；第二發光疊層18具有一第三半導體層182、一第二主動層184以及一第四半導體層186形成於第一穿隧層16與接觸層11之間。本實施例之第一發光元件1具有兩層發光疊層位於基板10之上，相較於具有一層發光疊層位於基板上之一傳統發光元件，優點之一係第一發光元件1所產生之流明約等於兩個各自僅具有一主動層之傳統發光元件之流明總和。此外，相較於各自具有基板之兩個傳統發光元件，因為第一發光元件1只使用一塊基板，因此減少基板的使用量而降低製造成本。流明增加且成本降低，每塊錢所產生之流明(流明/元)因而增加。第一發光元件1之輸入功率亦大於傳統發光元件。因為第一發光元件1具有兩層發光疊層且順向電壓增加，在輸入與傳統發光元件相同的操作電流下，第一發光元件1之輸入功率增加，所以第一發光元件1所產生之流明增加。此外，因為串聯電阻大於片電阻，所以提升電流擴散。第一發光疊層14經電流通過之面積增加，發光效率因此提升。
此外，第一主動層144具有包含第一數量之多重量子井對的第一多重量子井結構，其中多重量子井對包含一井層與
一阻障層，阻障層之能隙高於井層之能隙。第二主動層184具有包含第二數量之多重量子井對的第二多重量子井結構，第一數量不同於第二數量。另一實施例中，第一數量可大於第二數量。當第一數量與第二數量之總合固定，此實施例之第一發光元件1之發光效率高於第一數量等於第二數量之另一傳統雙接面發光元件的發光效率。例如第一數量與第二數量之總合為10，此實施例之第一數量為7，第二數量為3，第一多重量子井結構與第二多重量子井結構所產生之光的流明與第一數量和第二數量皆為5之傳統雙接面發光元件所產生之光的流明相同。然而因為第一發光元件之第二數量小於第一數量，較少的多重量子井對可吸收第一多重量子井結構所發之光，所以第一發光元件1之發光效率大於傳統雙接面發光元件之發光效率。
基板10可用以成長及/或支持位於其上之發光疊層，其材料可為絕緣材料或導電材料。絕緣材料包含但不限於藍寶石(Sapphire)、鑽石(Diamond)、玻璃(Glass)、石英(Quartz)、壓克力(Acryl)或氮化鋁(AlN)。導電材料包含但不限於銅(Cu)、鋁(Al)、類鑽碳薄膜(Diamond Like Carbon；DLC)、碳化矽(SiC)、金屬基複合材料(Metal Matrix Composite；MMC)、陶瓷基複合材料(Ceramic Matrix Composite；CMC)、矽(Si)、磷化碘(IP)、砷化鎵(GaAs)、鍺(Ge)、磷化鎵(GaP)、磷砷化鎵(GaAsP)、硒化鋅(ZnSe)、氧化鋅(ZnO)、磷化銦(InP)、鎵酸鋰(LiGaO2)或鋁酸鋰(LiAlO2)。其中可用以成長發光疊層之材料例如為藍寶石、砷化鎵或碳化矽。當基板10用以成長發光疊層，第一黏結層12可以用作成長發光疊層之緩衝層取代。
第一黏結層12可連接基板10與第一發光疊層14，
以及包含複數個附屬層(未顯示)。第一黏結層12之材料可為導電材料，包含但不限於氧化銦錫(ITO)、氧化銦(InO)、氧化錫(SnO)、氧化鎘錫(CTO)、氧化銻錫(ATO)、氧化鋁鋅(AZO)、氧化鋅錫(ZTO)、氧化鎵鋅(GZO)、氧化鋅(ZnO)、氧化釔鋅(YZO)、氧化銦鋅(IZO)、類鑽碳薄膜、銅(Cu)、鋁(Al)、錫(Sn)、金(Au)、鉑(Pt)、鋅(Zn)、銀(Ag)、鈦(Ti)、鎳(Ni)、鉛(Pb)、鈀(Pd)、鍺(Ge)、鉻(Cr)、鎘(Cd)、鈷(Co)、錳(Mn)、銻(Sb)、鉍(Bi)、鎵(Ga)、鎢(W)、銀-鈦(Ag-Ti)、銅-錫(Cu-Sn)、銅-鋅(Cu-Zn)、銅-鎘(Cu-Cd)、錫-鉛-銻(Sn-Pb-Sb)、錫-鉛-鋅(Sn-Pb-Zn)、鎳-錫(Ni-Sn)、鎳-鈷(Ni-Co)或金合金(Au alloy)等。緩衝層之材料可為半導體材料，包含一種以上之元素，此元素可選自鎵(Ga)、鋁(Al)、銦(In)、磷(P)、氮(N)、鋅(Zn)、鎘(Cd)與硒(Se)所構成之群組。第一黏結層12可更包含反射層(未顯示)以反射發光疊層所產生之光。反射層之材料可包含但不限於銅(Cu)、鋁(Al)、錫(Sn)、金(Au)、鉑(Pt)、鋅(Zn)、銀(Ag)、鈦(Ti)、鎳(Ni)、鉛(Pb)、銀-鈦(Ag-Ti)、銅-錫(Cu-Sn)、銅-鋅(Cu-Zn)、銅-鎘(Cu-Cd)、錫-鉛-銻(Sn-Pb-Sb)、錫-鉛-鋅(Sn-Pb-Zn)、鎳-錫(Ni-Sn)、鎳-鈷(Ni-Co)、銀-銅(Ag-Cu)或金合金(Au alloy)
第一發光疊層14及/或第二發光疊層18可直接成長於基板10之上，或藉由第一黏結層12固定於基板10之上。第一發光疊層14及第二發光疊層18之材料可為半導體材料，包含一種以上之元素，此元素可選自鎵(Ga)、鋁(Al)、銦(In)、磷(P)、氮(N)、鋅(Zn)、鎘(Cd)與硒(Se)所構成之群組。第一半導體層142與第二半導體層146的電性相異，第三半導體層182與第二半導體層186的電性相異。第一主動層144與第二主動層184可發光，其中第一主動層144具有第一能隙及第二主動層184具有第二能隙，此
實施例中第一能隙不同於第二能隙。第一能隙與第二能隙之能隙差介於0.3eV與0.5eV之間，第一能隙可小於或大於第二能隙，例如第一能隙為1.45eV，第二能隙為1.9eV。又一實施例中，第一主動層144所產生之光係人眼無法辨識之不可見光，此實施例之不可見光波長約為小於400nm或大於780nm，較佳為介於780nm與2500nm之間或介於300nm與400nm之間，更佳為介於780nm與900nm之間。第二主動層184所產生之光係人眼可辨識之可見光，此實施例之可見光波長約介於400nm與780nm之間，較佳為介於560nm與750nm之間。另一實施例中，第一主動層144所產生之光具有一第一主波長，第二主動層184所產生之光具有一第二主波長，第一主波長與第二主波長之波長差約為150nm至220nm，第一主波長可大於或小於第二主波長。此實施例可應用於醫療領域，優點之一係一個發光元件可同時具有不同功能；例如第一主波長為815nm，可促進傷口癒合，第二主波長為633nm，有助於消除細紋。
另一實施例中，第一主動層144由一第一量子井與一第二量子井交互堆疊形成，其中第一量子井具有一第一量子井能隙，第二量子井具有一第二量子井能隙，第一量子井能隙與第二量子井能隙相異，第一量子井能隙與第二量子井能隙之能隙差約為0.06eV至0.1eV，第一量子井能隙可小於或大於第二量子井能隙。第二主動層184由一第三量子井與一第四量子井交互堆疊形成，其中第三量子井具有一第三量子井能隙，第四量子井具有一第四量子井能隙，第三量子井能隙與第四量子井能隙相異，第三量子井能隙與第四量子井能隙之能隙差約為0.06eV至0.1eV，第一量子井能隙可小於或大於第二量子井能隙。
第一穿隧層16成長於第一發光疊層14之上，其摻雜濃度大於8x1018/cm3，所以電子可利用穿隧效應通過第一穿隧層16。第一穿隧層16之材料可為半導體材料，包含一種以上之元素，此元素可選自鎵(Ga)、鋁(Al)、銦(In)、磷(P)、氮(N)、鋅(Zn)、鎘(Cd)與硒(Se)所構成之群組。另一實施例中，第一穿隧層16可被一第二黏結層置換，以黏結第一發光疊層14與第二發光疊層18。第二黏結層之材料包含透明導電材料，例如氧化銦錫(ITO)、氧化銦(InO)、氧化錫(SnO)、氧化鎘錫(CTO)、氧化銻錫(ATO)、氧化鋅(ZnO)、氧化鎂(MgO)、砷化鋁鎵(AlGaAs)、氮化鎵(GaN)、磷化鎵(GaP)、氧化鋁鋅(AZO)、氧化鋅錫(ZTO)、氧化鎵鋅(GZO)、氧化銦鋅(IZO)或氧化鉭(Ta2O5)；或是絕緣材料，例如Su8、苯并環丁烯(BCB)、過氟環丁烷(PFCB)、環氧樹脂(Epoxy)、丙烯酸樹脂(Acrylic Resin)、環烯烴聚合物(COC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚亞醯胺(PI)、聚碳酸酯(PC)、聚醚醯亞胺(Polyetherimide)、氟碳聚合物(Fluorocarbon Polymer)、玻璃(Glass)、氧化鋁(Al2O3)、氧化矽(SiO2)、氧化鈦(TiO2)、氮化矽(SiNx)、旋塗玻璃(SOG)或四乙氧基矽烷(TEOS)。接觸層11用以傳導電流，其材料包含GaP、AlxGa1-xAs(0x1)或AlaGabIn1-a-bP(0a1，0b1，0a+b1)。
第2圖繪示一第一發光元件2具有一基板10；一第一黏結層12，形成於基板10之上；一第一發光疊層21，形成於第一黏結層12之上；一第一穿隧層22，形成於第一發光疊層21之上；一第二發光疊層23，形成於第一穿隧層22之上；一第二穿隧層24，形成於第二發光疊層23之上；一第三發光疊層25，形成於第二穿隧層24之上；以及一接觸層11，形成於第三發光疊層25
之上。第一發光疊層21具有一第一主動層212；第二發光疊層23具有一第二主動層232；以及第三發光疊層25具有一第三主動層252。本實施例之第一發光元件2具有三層發光疊層位於基板10之上，優點之一係第一發光元件2所產生之流明約等於三個傳統發光元件之流明總和。此外，相較三個傳統發光元件使用三塊基板，因為第一發光元件2只使用一塊基板，因此減少基板的使用量而降低製造成本。流明增加且成本降低，每塊錢所產生之流明(流明/元)也因而增加。第一發光元件2之輸入功率亦大於傳統發光元件。因為第一發光元件2具有三層發光疊層且順向電壓增加，在輸入與傳統發光元件相同的操作電流下，第一發光元件2之輸入功率增加，所以第一發光元件2所產生之流明增加。此外，因為串聯電阻大於片電阻，所以提升電流擴散。第一發光疊層21經電流通過之面積增加，發光效率因此提升。
此外，第一主動層212具有包含第一數量之多重量子井對的第一多重量子井結構，其中多重量子井對包含一井層與一阻障層，阻障層之能隙高於井層之能隙。第二主動層232具有包含第二數量之多重量子井對的第二多重量子井結構。第三主動層252具有一第三多重量子井結構，其中第三多重量子井結構可發出一具有第四主波長之第四光，且具有一第三數量之多重量子井對，第一數量、第二數量與第三數量皆不相同。另一實施例中，第一數量可大於第二數量且第二數量可大於第三數量。當第一數量、第二數量與第三數量之總合固定，此實施例之第一發光元件2之發光效率會高於第一數量、第二數量與第三數量皆相等之另一傳統三接面發光元件的發光效率。例如第一數量、第二數量與第三數量之總合為15，此實施例之第一數量為7，第二數量為5，第
三數量為3，第一多重量子井結構、第二多重量子井結構與第三多重量子井結構所產生之光的流明與第一數量、第二數量和第三數量皆為5之傳統雙接面發光元件所產生之光的流明相同。然而因為第一發光元件2之第二數量或第三數量小於第一數量，較少的多重量子井對可吸收第一多重量子井結構所發之光，所以第一發光元件2之發光效率大於傳統三接面發光元件之發光效率。
如第3圖所示，一發光裝置4包含一載體40；第一發光元件1形成於載體40一部分之上；以及一第二發光元件3形成於載體40另一部分之上。第一發光元件1具有可發出具有第一主波長之第一光的第一發光疊層14，以及可發出具有第二主波長之第二光的第二發光疊層18，其中第一主波長不同於第二主波長。第二發光元件3具有可發出具有第三主波長之第三光的第三發光疊層(未顯示)，其中第三主波長可不同於第一主波長與第二主波長。因為第一光、第二光與第三光具有不同的主波長，可顯示不同顏色，所以第一光、第二光與第三光混合所產生的混合光具有較好的演色性指數(CRI)。例如混合光是白光，白光具有第一光是紅光；第二光是綠光；以及第三光是藍光。另一實施例中，一波長轉換層(未顯示)可位於第二發光元件3之上，以致於所產生之第三光係色溫約介於5700K與6500K之間的冷白光。第一發光元件1可射出主波長不同的第一光與第二光，第一光、第二光與第三光可混合後產生色溫約介於2700K與3700K的暖白光，所以發光裝置4之演色性指數較第一發光元件僅具有一種主波長的傳統發光裝置為佳。發光裝置4的演色性指數至少為80，更佳為90，且紅色指數R9至少為50。第一光與第二光可顯示相同顏色，例如紅色。一實施例中，第一主動層144具有一多重量子井結構，多
重量子井結構由複數個第一井層與複數個第一阻障層交互堆疊形成，第二主動層184具有另一多重量子井結構，另一多重量子井結構由複數個第二井層與複數個第二阻障層交互堆疊形成。第一井層與第二井層之材料可由化學式InxGa1-xP或InxGa1-xAs表示，且0<x<1，其中第一井層中x所顯示銦的比例大於第二井層。第一井層中銦的比例與第二井層中銦的比例差異約介於1%與6%，較佳為約介於2%與5%。第一主波長與第二主波長之差可約介於5奈米與30奈米，較佳為約介於10奈米與25奈米。此實施例中，第一主波長例如為615奈米至635奈米，第二主波長例如為605奈米至625奈米。
載體40可用以成長且/或支持位於其上之發光元件，其材料可為絕緣材料或導電材料。絕緣材料包含但不限於藍寶石(Sapphire)、鑽石(Diamond)、玻璃(Glass)、石英(Quartz)、壓克力(Acryl)、氧化鋅(ZnO)或氮化鋁(AlN)。導電材料包含但不限於銅(Cu)、鋁(Al)、類鑽碳薄膜(Diamond Like Carbon；DLC)、碳化矽(SiC)、金屬基複合材料(Metal Matrix Composite；MMC)、陶瓷基複合材料(Ceramic Matrix Composite；CMC)、矽(Si)、磷化碘(IP)、砷化鎵(GaAs)、鍺(Ge)、磷化鎵(GaP)、磷砷化鎵(GaAsP)、硒化鋅(ZnSe)、氧化鋅(ZnO)、磷化銦(InP)、鎵酸鋰(LiGaO2)或鋁酸鋰(LiAlO2)。其中可用以成長發光疊層之材料例如為藍寶石、砷化鎵或碳化矽。
第4圖係繪示出一光源產生裝置示意圖，一光源產生裝置5包含本發明任一實施例中之發光元件或發光裝置。光源產生裝置5可以是一照明裝置，例如路燈、車燈或室內照明光源，也可以是交通號誌或一平面顯示器中背光模組的一背光光源。光
源產生裝置5具有前述發光裝置組成之一光源51、一電源供應系統52以供應光源51一電流、以及一控制元件53，用以控制電源供應系統52。
第5圖係繪示出一背光模組剖面示意圖，一背光模組6包含前述實施例中的光源產生裝置5，以及一光學元件61。光學元件61可將由光源產生裝置5發出的光加以處理，以應用於平面顯示器，例如散射光源產生裝置5發出的光。
惟上述實施例僅為例示性說明本申請案之原理及其功效，而非用於限制本申請案。任何本申請案所屬技術領域中具有通常知識者均可在不違背本申請案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。因此本申請案之權利保護範圍如後述之申請專利範圍所列。
1‧‧‧發光元件
10‧‧‧基板
11‧‧‧接觸層
12‧‧‧第一黏結層
14‧‧‧第一發光疊層
142‧‧‧第一半導體層
144‧‧‧第一主動層
146‧‧‧第二半導體層
16‧‧‧第一穿隧層
18‧‧‧第二發光疊層
182‧‧‧第三半導體層
184‧‧‧第二主動層
186‧‧‧第四半導體層
Claims (10)
- 一發光裝置，包含：載體，其包含一第一部份以及位於該第一部分之一側的一第二部份；一第一發光元件，位於該載體的該第一部份上，該第一發光元件包含：一第一多重量子井結構，可射出具有一第一主波長之一第一光；以及一第二多重量子井結構，位於該第一多重量子井結構之上，可射出具有一第二主波長之一第二光，其中該第一多重量子井結構和該第二多重量子井結構皆包含lnxGa1-xP或lnxGa1-xAs，其中0<x<l；以及第二發光元件，位於該載體的該第二部份上，該第二發光元件包含：第三發光疊層，可射出具有第三主波長的第三光；其中該第一主波長與該第二主波長之差異為5奈米至30奈米。
- 如請求項第1項所述的發光裝置，其中該第一多重量子井結構位於該第二多重量子井結構與該載體之間，該第一主波長大於該第二主波長。
- 如請求項第1項所述的發光裝置，其中該第一多重量子井結構包含一第一數量之多重量子井對，該第二多重量子井結構包含 一第二數量之多重量子井對，該第一數量不同於該第二數量。
- 如請求項第1項所述的發光裝置，其中該第一主波長介於615奈米至635奈米之間，該第二主波長介於605奈米至625奈米之間。
- 如請求項第1項所述的發光裝置，其中該第一主波長與該第二主波長不同，且該第三光是藍光。
- 如請求項第1項所述的發光裝置，其中該第一光、該第二光與該第三光混合產生一混合光，該混合光之演色性指數係90以上。
- 如請求項第6項所述的發光裝置，其中該混合光之紅色指數R9係50以上。
- 如請求項第6項所述的發光裝置，其中該混合光的色溫約介於2700K與3700K之間。
- 如請求項第1項所述的發光裝置，其中該第二主波長大於該第三主波長。
- 如請求項第1項所述的發光裝置，更包含一波長轉換層位於該第二發光元件之上。
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