TWI612687B - 發光元件 - Google Patents
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Abstract
一種發光元件，包括：一第一多重量子井結構包含包括複數個第一井層及至少一個第一阻障層交互堆疊，其中第一阻障層之能隙大於第一井層；一第二多重量子井結構包含包括複數個第二井層及至少一個第二阻障層交互堆疊，其中第二阻障層之能隙大於第二井層；以及一第三阻障層介於第一多重量子井結構及第二多重量子井結構之間，並與和第三阻障層相鄰之第一井層及第二井層相接；其中，第三阻障層之能隙大於第一井層及第二井層之能隙，且第三阻障層之厚度大於第一阻障層及第二阻障層之厚度。
Description
本發明係關於發光二極體，尤其關於改善發光效率之發光二極體。
傳統的LED結構，元件效率會隨著操作電流的增加而提高，但操作電流增加至一定數值後，元件效率反而會發生衰退的現象，這種效率下降的現象稱為效率低垂(Efficiency Droop)。如圖一所示，此LED元件的效率在10A/ cm2
左右達到最高點，超過這個電流密度後元件效率即急遽下降。此種效率低垂現象限制了LED在大電流下的效率。效率低垂發生的原因仍未有定論，但一般認為主要是因為在大電流操作下，由於電子和電洞的移動能力(mobility)不匹配，發光層的多重量子井(MQW，Multi Quantum Well)中的電子容易溢流(overflow)到p型半導體層，使得電子在多重量子井中分佈不均勻，電子大部分集中在靠近p型半導體層附近的一個或數個量子井中，使注入發光層之電洞不足，故在大電流操作下元件效率反而衰退。 為改善載子在發光層的多重量子井中分佈不均勻之問題，習知技藝有使用超晶格結構發光層(Super-Lattice active)的做法，亦即將發光層的多重量子井結構中阻障層(barrier layer)之厚度在設計上予以薄化，當阻障層之厚度薄至一定程度時，因為形成了量子力學理論的微能帶(mini-band)，而使電子及電洞得穿隧阻障層，故得到較均勻之載子分佈，對解決前述效率低垂的問題有所幫助。
一種發光元件，包括：一第一多重量子井結構包含包括複數個第一井層及至少一個第一阻障層交互堆疊，用以發出一具有一第一主波長之光線，其中第一阻障層之能隙大於第一井層；一第二多重量子井結構包含包括複數個第二井層及至少一個第二阻障層交互堆疊，用以發出一具有一第二主波長之光線，其中第二阻障層之能隙大於第二井層；以及一第三阻障層介於第一多重量子井結構及第二多重量子井結構之間，並與和第三阻障層相鄰之第一井層及第二井層相接；其中，第三阻障層之能隙大於第一井層及第二井層之能隙，且第三阻障層之厚度大於第一阻障層及第二阻障層之厚度。
請參考圖二，為本發明之第一實施例。此實施例以能帶間隙(energy band gap)示意圖表示，顯示了一組合式超晶格結構發光層，其包括第一組超晶格結構發光層201，第二組超晶格結構發光層202，及在此兩組超晶格結構發光層201，202間之一間隔阻障層(spacer barrier)204。此組合式超晶格結構發光層可置於一第一電性半導體層21及一第二電性半導體層22間而形成一發光元件。其中，第一電性半導體層21及第二電性半導體層22具有相異之電性，以本實施例而言，第一電性半導體層21為n型半導體層，第二電性半導體層22為p型半導體層。第一組超晶格結構發光層201包括4個井層，即井層201w1，201w2，201w3，及201w4，且每兩相鄰之井層間以一薄化阻障層201b1，201b2，及201b3隔開，例如井層201w1，201w2間以薄化阻障層201b1隔開，其中薄化阻障層201b1，201b2，及201b3之能隙大於井層201w1，201w2，201w3，及201w4之能隙，第一組超晶格結構發光層201可以藉由調整井層201w1，201w2，201w3，及201w4之能隙大小以發出具有一第一主波長之光線。第二組超晶格結構發光層202包括4個井層，即井層202w1，202w2，202w3，及202w4，且每兩相鄰之井層間以一薄化阻障層202b1，202b2，及202b3隔開，例如井層202w1，202w2間以薄化阻障層202b1隔開，其中薄化阻障層202b1，202b2，及202b3之能隙大於井層202w1，202w2，202w3，及202w4之能隙，第二組超晶格結構發光層202可以藉由調整井層202w1，202w2，202w3，及202w4之能隙大小發出具有一第二主波長之光線。第二主波長可以和第一主波長相同或不同。此相鄰之兩組超晶格結構發光層各有一與間隔阻障層204最鄰近的井層與間隔阻障層204相接，例如第一組超晶格結構發光層201有一與間隔阻障層204最鄰近的井層201w4與間隔阻障層204相接，第二組超晶格結構發光層202有一與間隔阻障層204最鄰近的井層202w1與間隔阻障層204相接，其中間隔阻障層204之能隙大於第一組超晶格結構發光層201的井層及第二組超晶格結構發光層202的井層之能隙。在材料之選擇上，以Alx
Iny
Ga(1-x-y)
N (0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦x+y≦1)表示之材料均可被選用為上述組合式超晶格結構發光層中各層之材料，例如在本實施例各井層之材料為InGaN，各薄化阻障層及間隔阻障層之材料為GaN。由於第一組超晶格結構發光層201及第二組超晶格結構發光層202皆是超晶格結構的多重量子井發光層，即薄化阻障層201b1，201b2，201b3，202b1，202b2，及202b3之厚度均薄至能使電子及電洞得穿隧之程度。而間隔阻障層204則如一般之多重量子井結構之阻障層，亦即其厚度具一定程度之厚度至電子及電洞無法穿隧之。故薄化阻障層201b1，201b2，201b3，202b1，202b2，及202b3之厚度均小於間隔阻障層204之厚度。不同之材料其能使電子及電洞得穿隧之厚度不同，例如以GaN為薄化阻障層201b1，201b2，201b3，202b1，202b2，及202b3與間隔阻障層204之材料而言，一般得使電子及電洞穿隧之厚度約為小於5nm，而當厚度約大於或等於5nm時電子及電洞無法穿隧之。本實施例之薄化阻障層201b1，201b2，201b3，202b1，202b2，及202b3之厚度約為3nm，而間隔阻障層204之厚度約為8nm。
要特別說明的是，本實施例雖僅例示了兩組超晶格結構發光層，但本發明之組合式超晶格結構發光層可由複數組(而不限於兩組)之超晶格結構發光層來組成，且在每相鄰兩組超晶格結構發光層間置以一間隔阻障層，不同之間隔阻障層的厚度可為相同或不同，但均須無法使電子及電洞穿隧之。每一組超晶格結構發光層包括複數個井層，且每兩個相鄰之井層間以一薄化阻障層隔開，也就是每一組超晶格結構發光層包括複數個井層及至少一個薄化阻障層交互堆疊；同一組超晶格結構發光層內的薄化阻障層在厚度上可為相同或不同，但均須得使電子及電洞穿隧之；而不同組超晶格結構發光層的薄化阻障層在厚度上亦可為相同或不同；同一組或不同組之薄化阻障層在材料上可為相同或不同。此外，每一組超晶格結構發光層包括之井層的數目可為相同或不同。
請參考圖三A，本發明一實施例揭示之組合式超晶格結構發光層在改善效率低垂問題之效益可據以說明。圖三A上部簡示了三種不同結構之發光層的能帶間隙(energy band gap)示意簡圖。左邊是習知含有4個井層之超晶格結構發光層( SL active(4pair) )，中間示意的是如前述圖二所示之具有兩組超晶格結構發光層之組合式超晶格結構發光層( Duo- SL active(4+4pair) , DSL )，其中間隔阻障層厚度以d表示，於本實施例中為5nm，右邊則是習知含有8個井層之超晶格結構發光層( SL active(8pair) )。圖三A下部則顯示了此三種不同結構之發光層在高電流80mA與低電流20mA下軸向亮度之比例( n_lv ratio (80/20 mA)，縱軸)，由圖可知，當操作電流由低電流20mA增加至高電流80mA，亦即操作電流增加4倍時，習知4個井層之超晶格結構發光層(如標示SL(4 pairs))軸向亮度之比例值約3.3，即亮度未隨著操作電流增加4倍而同樣增加4倍，顯示出有效率低垂問題。本實施例之組合式超晶格結構發光層 (如標示DSL(d=5.0nm))時，其亮度表現與習知8個井層之超晶格結構發光層(SL(8 pairs)標示)的軸向亮度之比例值隨操作電流之增加而等比例增加，其值接近4，改善了效率低垂問題。進一步比較上述二者，雖然本發明實施例所揭示之組合式超晶格結構發光層(如標示DSL(d=5.0nm))及習知8個井層之超晶格結構發光層(如標示SL(8 pairs))兩者都能改善效率低垂問題，但如圖三B所示，可看出在低電流20mA下，習知8個井層之超晶格結構發光層(如標示SL(8 pairs))軸向亮度 (n_lv@ 20mA , 縱軸)之表現卻明顯差於本實施例之組合式超晶格結構發光層(如標示DSL(d=5.0nm))。故可知本實施例之組合式超晶格結構發光層，相較於習知超晶格結構，不僅能改善高操作電流下效率低垂的問題，並於低操作電流下提供了良好之亮度，同時兼顧高低操作電流之效率。
本發明之第二實施例揭示上述實施例之組合式超晶格結構發光層配合一電子能量抑制結構可進一步提昇低電流下之操作效率。圖四為本發明第二實施例之能帶間隙(energy band gap)示意圖，圖中AA線段與BB線段間顯示了一組合式超晶格結構發光層，而圖中BB線段與CC線段間顯示了一電子能量抑制結構，其包括未摻雜(un-doped) 結構405及摻雜(doped)結構406。以本實施例而言，未摻雜(un-doped)結構405配置了兩組未摻雜(un-doped)結構組，每一組未摻雜(un-doped)結構組包括一抑制井層及一未摻雜(un-doped)抑制阻障層，第一組未摻雜(un-doped)結構組包括抑制井層405w1及未摻雜(un-doped)抑制阻障層405b1，第二組未摻雜(un-doped)結構組包括抑制井層405w2及未摻雜(un-doped)抑制阻障層405b2，其中各抑制井層能隙均大於組合式超晶格結構發光層中之井層之能隙，且就各組未摻雜(un-doped)結構組而言，未摻雜(un-doped)抑制阻障層之能隙均大於其抑制井層之能隙。而此處未摻雜(un-doped)抑制阻障層係指廣義的未摻雜(un-doped)，包括未摻雜或未故意摻雜，即製程上於成長時未刻意人為地加入摻雜雜質(未摻雜)，但可能來自於製程機台等自然之污染而仍帶有微量之雜質(未故意摻雜)，如矽原子等，但其濃度一般低於1×1017
(個/cm3
)。而本實施例之摻雜(doped)結構406係n型摻雜(n-doped)，且配置了四組n型摻雜(n-doped)結構組，每一組n型摻雜(n-doped)結構組包括一抑制井層及一抑制阻障層，且抑制井層及抑制阻障層之一為n型摻雜(n-doped)，本實施例顯示一抑制井層及一n型摻雜(n-doped)抑制阻障層之態樣，例如第一組n型摻雜(n-doped)結構組包括抑制井層406w1及n型摻雜(n-doped)抑制阻障層406b1，同理，抑制井層406w2，406w3及406w4及其對應之n型摻雜(n-doped)抑制阻障層406b2，406b3，及406b4，分別構成了第二至第四組n型摻雜(n-doped)結構組，其中各抑制井層能隙均大於組合式超晶格結構發光層中之井層之能隙，且就各組n型摻雜(n-doped)結構組而言，n型摻雜(n-doped)抑制阻障層之能隙均大於其抑制井層之能隙。此處摻雜(doped)係指製程上於成長時刻意人為地加入摻雜雜質，如加入矽原子等，其濃度一般高於1×1017
(個/cm3
)。材料的選擇上以Alx
Iny
Ga(1-x-y)
N (0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦x+y≦1)表示之材料均可選用，例如在本實施例各抑制井層為InGaN(本實施例厚度均為3nm)，各未摻雜(un-doped)抑制阻障層或各n型摻雜(n-doped)抑制阻障層為GaN(本實施例厚度均為12nm)。
要特別說明的是，電子能量抑制結構可包括未摻雜(un-doped)結構405及摻雜(doped)結構406之任一或同時採用，且未摻雜(un-doped)結構可包括一組或多組之未摻雜(un-doped)結構組，同樣地，摻雜(doped)結構可包括一組或多組之摻雜(doped)結構組。
此電子能量抑制結構可配置於第一電性半導體層41(在本實施例為n型半導體層)與組合式超晶格結構發光層間，可抑制注入電子之能量，降低電子溢流(electron overflowing)，改善效率低垂的問題，並配合組合式超晶格結構發光層以提昇其低電流下之操作效率，其效果在以下第五圖再行說明。
圖中AA線段與BB線段間顯示了本實施例之組合式超晶格結構發光層(注意圖示在厚度表示上，與前述圖中BB線段與CC線段間在厚度表示上係採用不同之比例)，其具有第一組超晶格結構發光層401與第二組超晶格結構發光層402，且其間以間隔阻障層404隔開，其結構與實施原則等已如前述第一實施例所說明，本實施例則更具體例示前述原則，例如，在本實施例，對於同在第一組超晶格結構發光層401內的數個薄化阻障層在厚度上做了不同選擇，薄化阻障層401b1與401b2相同厚度(4nm)，但卻與薄化阻障層401b3及401b4之厚度(均為3nm)不同，且與不同組之薄化阻障層厚度亦不同，例如在第二組超晶格結構發光層402內的數個薄化阻障層402b1，402b2，及402b3厚度均為2nm。要特別說明的是，本實施例對於薄化阻障層厚度之安排，即對於複數組之超晶格結構發光層中，較鄰近該第一電性半導體層41之超晶格結構發光層之薄化阻障層厚度大於較遠離第一電性半導體層41之超晶格結構發光層之薄化阻障層厚度，在元件效率有更佳之效益。
此組合式超晶格結構發光層搭配前述電子能量抑制結構，置於一第一電性半導體層41及一第二電性半導體層42間可形成一發光元件。其中，第一電性半導體層41及一第二電性半導體層42具有相異之電性，以本實施例而言，如前所述，第一電性半導體層41為n型半導體層，而第二電性半導體層42為p型半導體層。
第五圖則顯示了上述圖四發光元件與各種結構發光元件(特別是與習知8個井層之超晶格結構發光層(標示SL8)其發光效率之比較。由圖可知，不論在低電流或高電流下，發光效率(縱軸)之表現最優者都是上述第二實施例揭示之發光元件(標示ADSL+Q)，其次是第一實施例揭示之具有兩組超晶格結構發光層之組合式超晶格結構發光層搭配前述電子能量抑制結構之元件(標示DSL+Q)，再者為第一實施例揭示之具有兩組超晶格結構發光層之組合式超晶格結構發光層但未搭配前述電子能量抑制結構之元件(標示DSL(4+4))，最差者則為習知技藝8個井層之超晶格結構發光層(標示SL8)。
所以明顯地，本發明之組合式超晶格結構發光層，相較於習知技藝之超晶格結構，不僅能改善高操作電流下效率低垂的問題，並於低操作電流下亦提供了良好之亮度，同時兼顧高低操作電流之效率。而本發明之電子能量抑制結構亦有助於效率提昇，特別是對低電流下之效率提昇。所以，本發明之組合式超晶格結構發光層在搭配以電子能量抑制結構後，相較於習知技藝，不僅解決了高操作電流下效率低垂的問題，同時也使低操作電流下亮度表現甚佳。
此外，由於在解決效率低垂的問題時，常會遇到內部量子效率(Internal Quantum Efficiency，IQE)下降的問題，較佳之解決方案必須同時解決發光層之缺陷(defects)。如第六圖所示本發明另一實施例之元件結構示意簡圖，除了第二電性半導體層62、組合式超晶格結構發光層63、電子能量抑制結構64，及第一電性半導體層61外，更包括一位於第一電性半導體層61下的基板60，且在基板與第一電性半導體層間設有一不連續(即片狀散布)之缺陷阻斷層65，此缺陷阻斷層65可以例如為氮化矽SiNx
。此氮化矽SiNx
可以用製程中(in-situ )形成之方式，即在成長發光二極體之磊晶層材料的同一MOCVD機台中形成。如圖六所示，先於一基板60上成長一非摻雜(un-doped)之GaN層66a，而在成長過程中，改變機台所供應之氣體，例如供以Si2
H6
及 NH3
，且溫度約800℃~1000℃ 而壓力約 50 torr~760 torr，以形成SiNx
層，然後再將氣體調回原本成長非摻雜(un-doped)GaN層之氣體以繼續成長非摻雜(un-doped)GaN層66b，使非摻雜(un-doped)GaN層66b因為缺陷阻斷層65而有較低之缺陷密度，亦連帶使得發光層之缺陷密度由一般約6×108
(個/cm2
)降至約2×108
(個/cm2
)。由於發光層之缺陷(defects)密度因此缺陷阻斷層降低，所以內部量子效率(IQE)提昇，元件之整體效率亦因此而提昇。
本發明所揭示之組合式超晶格結構發光層或其與電子能量抑制結構之搭配，解決了高操作電流下效率低垂的問題，可進一步地應用於白光之發光裝置，特別是可調式之白光之發光裝置，以改善習知以藍光與紅光LED元件組合而成的發光裝置在高操作電流區間(例如電流密度大於20A/cm2
，或面積為45mil平方之晶粒其電流大於350mA)操作時，因效率低垂產生色溫(color temperature)漂移(shift)的現象。
如第七圖所示，因為藍光LED元件(標示Blue者)效率低垂之現象較紅光LED元件(標示Red者)顯著，亦即其元件效率(或外部量子效率，EQE，圖之縱軸)隨著操作電流(或電流密度)增加而衰退較快，以藍光與紅光LED元件組合而成的發光裝置雖可藉由混光而產生白光，但當應用上需要調整白光之光強度大小時，其所產生之白光會因光強度之調整而有色溫變化現象。例如將光強度由小調大時，需要將藍光與紅光LED元件的輸入電流由小向大調整，但由於藍光與紅光LED元件的元件效率(或外部量子效率，EQE)對輸入電流變化率不同，如圖中所示，藍光LED元件(標示Blue實線者)其元件效率下降趨勢較紅光LED元件(標示Red者)大，故當輸入電流由小變大時，雖藍光與紅光LED元件兩者之光強度皆變大，但藍光元件效率隨輸入電流下降趨勢較紅光LED元件(標示Red者)大，使得藍光與紅光兩者之比例隨輸入電流變化而改變，導致兩者混光而產生的白光色溫有明顯變化，特別是往冷光偏移，造成使用者感受不佳。若能將藍光LED元件效率對輸入電流之變化率控制至與紅光LED元件之變化率相同，則色溫隨光強度調整而變化之情形可獲得改善。因此，針對藍光與紅光LED元件組合而成的發光裝置，其中之藍光LED可以採用本發明之組合式超晶格結構發光層或其與電子能量抑制結構之搭配。本發明之實施例在高操作電流下時，例如電流大於350mA(或電流密度大於20A/cm2
)，其元件效率(或外部量子效率，EQE)均可大於20%，或其內部量子效率(IQE)效率均可大於30%。即便發生效率低垂，其元件效率自其最高之元件效率下降至電流密度為75A/cm2
時之元件效率之下降比率小於30%，且其內部量子效率自其最高之內部量子效率下降至電流密度為75A/cm2
時之內部量子效率之下降比率亦小於30%。如圖八所示，其顯示實際採用本發明之組合式超晶格結構發光層應用於藍光LED的元件效率表現。圖中顯示了四種不同結構之藍光LED之元件效率表現，分別是一般傳統結構之藍光LED (標示Conventional LED者)、含有前述圖三A右邊所示習知8個井層之超晶格結構發光層之藍光LED(標示SL-LED者)、含有前述圖二所示之組合式超晶格結構發光層之藍光LED(標示DSL- LED者)，及以圖二之組合式超晶格結構發光層搭配圖四中之電子能量抑制結構之藍光LED(標示New design者)，其結構之詳細情形已如之前說明，故不再贅述。由圖中可見本發明之兩實施例，即含有前述圖二所示之組合式超晶格結構發光層之藍光LED(標示DSL- LED者)及以圖二之組合式超晶格結構發光層搭配圖四中之電子能量抑制結構之藍光LED(標示New design者)，在高操作電流區間，例如電流密度大於20A/cm2
時(對面積為45mil平方之晶粒，為電流大於350mA；對面積為35mil平方之晶粒，為電流大於210mA)，其元件效率對於電流(或電流密度)之變化率較小，與紅光LED元件之變化率較相近，故如前所述，可應用於改善在高操作電流區間之色溫漂移的現象。特別是將圖二之組合式超晶格結構發光層搭配圖四中之電子能量抑制結構之藍光LED(標示New design者)與一般傳統結構之藍光LED (標示Conventional LED者)相比較，在電流密度為20A/cm2
時，兩者之元件效率分別是39%及41%，而在電流密度為75A/cm2
時(對面積為45mil平方之晶粒，為電流等於1000mA；對面積為35mil平方之晶粒，為電流等於600mA)，兩者之元件效率分別是31%及30%，可見將圖二之組合式超晶格結構發光層搭配圖四中之電子能量抑制結構之藍光LED(標示New design者)除了前述元件效率對於電流(或電流密度)之變化率較小，更因電子能量抑制結構而使其在較高在電流密度時(如前述75A/cm2
時)其元件效率亦高於一般傳統結構之藍光LED。總之，由圖中可見本發明之兩實施例在高操作電流下時，雖發生效率低垂，但元件效率大致可維持在約22%至42%間。以電流密度為75A/cm2
時為基準進一步比較，圖二之組合式超晶格結構發光層搭配圖四中之電子能量抑制結構之藍光LED(標示New design者)其元件效率自其最高之元件效率42%下降至電流密度為75A/cm2
時之元件效率31%，下降之變化量約11%，其下降之比率約26% ( 11% / 42%= 26%)。而以含有前述圖二所示之組合式超晶格結構發光層之藍光LED(標示DSL- LED者)而言，其元件效率大致可維持在約22%至35%間，而其元件效率自其最高之元件效率35%下降至電流密度為75A/cm2
時之元件效率25%，下降之變化量約10%，其下降之比率約29% ( 10% / 35%= 29%)。相對地，一般傳統結構之藍光LED (標示Conventional LED者)，其元件效率自其最高之元件效率55%下降至電流密度為75A/cm2
時之元件效率30%，下降之變化量約25%，其下降之比率約45% ( 25% / 55%= 45%)。由此可見，效率低垂之現象在本發明實施例明顯改善，故色溫隨光強度調整而變化之情形獲得改善。須特別說明的是，圖中所示之各結構之藍光LED，均為未封裝之LED，其光取出效率值為0.63，故以元件效率22%而言，其內部量子效率(IQE)效率即為35% ( 22% /0.63=35%)。換句話說，本發明之實施例在高操作電流下時，例如電流密度大於20A/cm2
，其元件效率大於22%，或其內部量子效率(IQE)效率大於35%，即便發生效率低垂，其元件效率自其最高之元件效率下降至電流密度為75A/cm2
時之元件效率之下降比率小於30%，且其內部量子效率自其最高之內部量子效率下降至電流密度為75A/cm2
時之內部量子效率之下降比率亦小於30%。
圖九為上述圖八中所述之以圖二之組合式超晶格結構發光層搭配圖四中之電子能量抑制結構之藍光LED與另一紅光LED元件組合而成的發光裝置(標示White LED_SL者)及此一紅光LED元件與上述圖八中所述之一般傳統結構之藍光LED組合而成的發光裝置(標示White LED_Nor者)在不同操作電流密度下所呈現的色溫，其中在兩藍光LED上覆蓋有相同之螢光粉，此螢光粉例如為黃色螢光粉。一部份之藍光LED之藍色光穿透此螢光粉，而另一部份之藍色光被此螢光粉吸收而激發此螢光粉產生一激發光線。藍光LED包含氮化鎵系列（GaN-based）之材料；紅光LED包含磷化鎵系列（GaP-based）之材料。兩曲線之所有實驗條件(除藍光LED不同外，其他條件，如藍光LED上覆蓋之螢光粉、紅光LED元件均相同)及量測條件均相同，藉此以比較本發明實施例LED與一般傳統結構之LED在可調式發光裝置之應用下，其色溫漂移之情形。請參考圖十，其顯示上述圖九所述之兩裝置在不同操作電流下之光強度與波長關係圖，其中圖十A及B分別顯示使用上述本發明實施例LED及一般傳統結構之LED元件組合而成的發光裝置之情形。此光強度與波長關係可經由分光儀(monochromator)量得。由圖十A及B可以看出，隨著操作電流增加，不論是上述本發明實施例LED或一般傳統結構之LED，光強度均隨操作電流增加，但如前所述，由於本發明實施例之結構解決了效率低垂的問題，故在高操作電流下，例如圖中所示電流1000mA時，一般傳統結構之藍光LED光強度因效率低垂而只有46(a.u.)，本發明實施例之結構的LED光強度則為52(a.u.)，較一般傳統結構之藍光LED光強度表現佳。須說明的是，在特定操作電流下，在其光強度與波長關係圖中，經由對於不同波長，將光強度乘以人眼之感測係數後對波長積分計算，可得到其色溫之值，其結果即為前述圖九之操作電流密度與色溫關係圖，本發明實施例之結構之藍光LED與紅光LED元件組合而成的發光裝置其色溫介於2000K至5000K。由圖九可看出，在高操作電流區間(例如電流密度大於20A/cm2
，或對面積為45mil平方之晶粒，電流大於350mA)，隨著操作電流密度由0.35A/mm2
增至1A/mm2
，一般傳統結構之藍光LED與紅光LED元件組合而成的發光裝置其色溫值由約3610K先升至一最高色溫值約3670K，再降至約3530K，色溫之變化量值差約140K；相對地，本發明實施例之結構之藍光LED與相同之紅光LED元件組合而成的發光裝置其色溫值由約3740K變化至約3820K，色溫之變化量值差僅約80K。明顯地，本發明實施例之結構之藍光LED，因解決了效率低垂的問題，故應用於與紅光LED元件組合而成的發光裝置可改善前述色溫漂移的現象，在高操作電流區間色溫變化量較小，其值小於約100K，且不會有一般傳統結構之藍光LED與紅光LED元件組合而成的發光裝置之往冷光漂移的趨勢。
圖十一則顯示前述圖九(或圖十)中本發明實施例之結構之藍光LED(標示Blue_SL者)、一般傳統結構之藍光LED(標示Blue_Nor者)與紅光LED(標示Red者)之波長峰值(Peak Wavelength)與操作電流密度之關係圖，由圖十一可以看出，隨著操作電流密度由0.1A/mm2
增至1.1A/mm2
，上述兩個藍光LED元件之波長峰值(Peak Wavelength)均有波長變短之情形，然而相較於一般傳統結構之藍光LED之波長由450nm變短為430nm，變化值為20nm，本發明實施例之結構之藍光LED之波長由450nm變短為440nm，變化值為10nm，本發明實施例之結構之藍光LED有較穩定之發光波長之表現，此為本發明實施例之結構之LED之另一優點。
圖十二則顯示前述圖九(或圖十)中本發明實施例之結構之藍光LED(標示Blue_SL者)、一般傳統結構之藍光LED(標示Blue_Nor者)與紅光LED(標示Red者)之功率(Power, mW)與操作電流密度之關係圖，由圖十二可以看出，隨著操作電流密度由0.1A/mm2
增至1.1A/mm2
，上述兩個藍光LED元件之功率均隨著增加，然而相較於一般傳統結構之藍光LED之功率，本發明實施例之結構之藍光LED之功率均較高，有較佳之表現。
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。
21，41，及61‧‧‧第一電性半導體層
22，42，及62‧‧‧第二電性半導體層
201，401‧‧‧第一組超晶格結構發光層
202，402‧‧‧第二組超晶格結構發光層
204，404‧‧‧間隔阻障層
201b1，201b2，及201b3‧‧‧薄化阻障層
202b1，202b2，及202b3‧‧‧薄化阻障層
201w1，201w2，201w3，及201w4‧‧‧井層
202w1，202w2，202w3，及202w4‧‧‧井層
401b1，401b2，401b3，及401b4‧‧‧薄化阻障層
402b1，402b2，及402b3‧‧‧薄化阻障層
405‧‧‧未摻雜(un-doped)結構
406‧‧‧n型摻雜(n-doped)結構
405w1，405w2‧‧‧抑制井層
405b1，405b2‧‧‧未摻雜(un-doped)抑制阻障層
406w1，406w2，406w3，及406w4‧‧‧抑制井層
406b1，406b2，406b3，及406b4‧‧‧n型摻雜(n-doped)抑制阻障層
63‧‧‧組合式超晶格結構發光層
64‧‧‧電子能量抑制結構
60‧‧‧基板
65‧‧‧缺陷阻斷層
66a，66b‧‧‧非摻雜(un-doped)之GaN層
22，42，及62‧‧‧第二電性半導體層
201，401‧‧‧第一組超晶格結構發光層
202，402‧‧‧第二組超晶格結構發光層
204，404‧‧‧間隔阻障層
201b1，201b2，及201b3‧‧‧薄化阻障層
202b1，202b2，及202b3‧‧‧薄化阻障層
201w1，201w2，201w3，及201w4‧‧‧井層
202w1，202w2，202w3，及202w4‧‧‧井層
401b1，401b2，401b3，及401b4‧‧‧薄化阻障層
402b1，402b2，及402b3‧‧‧薄化阻障層
405‧‧‧未摻雜(un-doped)結構
406‧‧‧n型摻雜(n-doped)結構
405w1，405w2‧‧‧抑制井層
405b1，405b2‧‧‧未摻雜(un-doped)抑制阻障層
406w1，406w2，406w3，及406w4‧‧‧抑制井層
406b1，406b2，406b3，及406b4‧‧‧n型摻雜(n-doped)抑制阻障層
63‧‧‧組合式超晶格結構發光層
64‧‧‧電子能量抑制結構
60‧‧‧基板
65‧‧‧缺陷阻斷層
66a，66b‧‧‧非摻雜(un-doped)之GaN層
圖一：顯示傳統的LED結構之效率低垂之現象。 圖二：本發明之第一實施例。 圖三A：顯示本發明在改善效率低垂問題之效益(高電流與低電流下軸向亮度之比例之表現比較)。 圖三B：顯示本發明在改善效率低垂問題之效益(低電流下軸向亮度之表現比較)。 圖四：本發明之第二實施例。 圖五：顯示圖四之發光元件與各種結構發光元件在發光效率之比較。 圖六：本發明之較佳實施例之元件結構示意簡圖。 圖七：顯示傳統的LED結構中藍光與紅光LED之效率低垂之現象。 圖八：顯示採用本發明所揭示之組合式超晶格結構發光層搭配電子能量抑制結構之藍光LED的元件效率表現。 圖九：圖八下方所示結構之藍光LED與另一紅光LED元件組合而成的發光裝置及一般傳統結構之藍光LED與相同之紅光LED元件組合而成的發光裝置在不同操作電流下的色溫表現。 圖十：顯示圖九所述之兩裝置在不同操作電流下之光強度與波長關係圖。 圖十一：顯示前述圖九(或圖十)中本發明實施例之結構之藍光LED、一般傳統結構之藍光LED與紅光LED之波長峰值(Peak Wavelength)與操作電流之關係圖。 圖十二：顯示前述圖九(或圖十)中本發明實施例之結構之藍光LED、一般傳統結構之藍光LED與紅光LED之功率與操作電流之關係圖。
21‧‧‧第一電性半導體層
22‧‧‧第二電性半導體層
201‧‧‧第一組超晶格結構發光層
202‧‧‧第二組超晶格結構發光層
204‧‧‧間隔阻障層
201b1，201b2，201b3，202b1，202b2，及202b3‧‧‧薄化阻障層
201w1，201w2，201w3，及201w4‧‧‧井層
202w1，202w2，202w3，及202w4‧‧‧井層
Claims (10)
- 一種發光裝置，可發出一白光，包括：一第一發光元件，發出一第一色光；以及一螢光粉，覆蓋於該第一發光元件上，其中，一部份之該第一色光穿透該螢光粉，一部份之該第一色光被該螢光粉吸收而激發該螢光粉產生一第一光線，其中該白光具有一色溫介於2000K至5000K，且當該第一發光元件之操作電流密度由0.35A/mm2增至1A/mm2時，該白光之色溫值變化量小於100K。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光裝置，其中該第一發光元件於操作電流密度20A/cm2之元件效率大於20%，且該第一發光元件自其最高之元件效率下降至電流密度為75A/cm2時之元件效率之下降比率小於30%。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光裝置，其中該第一發光元件於操作電流密度20A/cm2之內部量子效率大於30%，且該第一發光元件自其最高之內部量子效率下降至電流密度為75A/cm2時之內部量子效率之下降比率小於30%。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光裝置，其中該第一發光元件包含氮化鎵系列(GaN-based)之材料。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光裝置，其中該第一發光元件在操作電流密度由0.1A/mm2增至1.1A/mm2時，該第一色光之波長峰值(Peak Wavelength)變化值小於或等於10nm。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光裝置，其中該第一發光元件包含：一第一多重量子井結構包含包括複數個第一井層及至少一個第一阻障層交互堆疊，其中該第一阻障層之能隙大於該第一井層；一第二多重量子井結構包含包括複數個第二井層及至少一個第二阻障層交互堆疊，其中該第二阻障層之能隙大於該第二井層；以及一具有第一電性之第一半導體層位於該第一多重量子井結構之下。
- 如申請專利範圍第6項所述之發光裝置，更包含一第三阻障層介於該第一多重量子井結構及該第二多重量子井結構之間，該第三阻障層與相鄰之該第一井層或該第二井層相接；其中，該第三阻障層之能隙大於該第一井層及該第二井層之能隙，且該第三阻障層之厚度大於該第一阻障層及該第二阻障層之厚度。
- 如申請專利範圍第6項所述之發光裝置，其中，該第一發光元件更包含：一組或多組之第一結構位於該第一半導體層與該第一多重量子井結構之間，該第一結構包括一第三井層及一未摻雜或未故意摻雜之第四阻障層，其中該第三井層能隙大於該第一井層及該第二井層之能隙。
- 如申請專利範圍第7項所述之發光裝置，其中該第一阻障層及/或該第二阻障層之厚度小於5奈米，以及該第三阻障層之厚度大於或等於5奈米。
- 如申請專利範圍第8項所述之發光裝置，更包含一具有第二電性之第二半導體層位於該第二多重量子井結構之上；以及一組或多組之第二結構位於該第一半導體層與該一組或多組之第一結構之間或該第一半導體層與該第一多重量子井結構之間，該第二結構包括一第四井層及一第五阻障層，其中該第四井層及該第五阻障層之任一具有第一電性，且該第四井層能隙大於該第一井層及該第二井層之能隙。
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