TWI745715B - Uv-led及顯示器 - Google Patents
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Abstract
本發明揭示一種UV-LED，其具備：藍寶石基板；形成於藍寶石基板上之u-GaN緩衝層；形成於u-GaN緩衝層上之n型GaN系接觸層；形成於n型GaN系接觸層上之InGaN系發光層；與形成於InGaN系發光層上之p型GaN系層。UV-LED之晶片尺寸係矩形狀之平面形狀之至少一邊為50μm以下。
Description
本發明係關於UV-LED及顯示器。
隨著於紫外區域發光之UV-LED在高輸出、高效率方面的進展，其不僅取代UV燈之用途而作為顯微鏡或曝光機等高解析度光源、光樹脂硬化或醫療生物等之化學激發光源、紙幣識別或DNA晶片、環境測量等之分光激發用光源、進而殺菌、消毒之衛生用光源，尚作為螢光體激發光源而在照明或顯示器等更廣泛領域方面持續擴展其應用範圍。
尤其在顯示器之用途中的微LED顯示器，係作為接續具有壽命與溫度上升等弱點之有機EL的下一代顯示器而受到矚目。目前，開發主流之方式有如以下3種：應用紅、藍、綠之3種之LED晶片的3 LED方式；藉由藍色LED激發紅、綠色螢光體的藍色LED方式；藉由UV-LED激發紅、綠、藍之螢光體的UV-LED方式。
於國際公開第2011/027511號公報中，記載一種液晶顯示裝置，其使用了：紫外線LED；選自三價鈰及鋱活化稀土族硼化物螢光體的綠色螢光體；選自二價銪活化鹵磷酸鹽螢光體、二價銪活化鋁酸鹽螢光體的藍色螢光體；以及選自銪活化氧硫化鑭螢光體、銪活化的氧硫化釔螢光體的紅色螢光體。
上述3種方式中，UV-LED方式係有幾乎不影響發光色、由於高激發效率而顏色再現性高，並容易獲得顏色平衡、同步且控制容易等優點，但在發光效率方面仍然不足。
本發明之目的在於提供一種用於UV-LED的技術，其能夠進一步提升發光效率，並可減低在電流密度增加時的輸出降低率。
本發明之UV-LED係具備：緩衝層；形成在上述緩衝層上的接觸層；與形成在上述接觸層上的發光層，晶片尺寸係矩形狀之平面形狀且至少一邊為50μm以下。本發明之一實施形態中，上述發光層可為InGaN發光層。作為本發明之UV-LED之基板，除了平坦之基板之外，尚可使用經圖案化的藍寶石基板(PSS)。
又，本發明之顯示器係具備：上述UV-LED；由來自上述UV-LED之光所激發的紅色螢光體；由來自上述UV-LED之光所激發的綠色螢光體；以及由來自上述UV-LED之光所激發的藍色螢光體。
根據本發明，可進一步提升發光效率，並減低在電流密度增加時的輸出降低率。
1‧‧‧UV-LED晶片
2‧‧‧UV-LED晶片
10‧‧‧底部
12‧‧‧UV-LED晶片
14‧‧‧紅色螢光體
16‧‧‧綠色螢光體
18‧‧‧藍色螢光體
20‧‧‧藍寶石基板
22‧‧‧u-GaN緩衝層
24‧‧‧n接觸層
26‧‧‧(AlInGaN)/(InGaN；Si)n-SLS(超晶格構造)層
28‧‧‧(InGaN/AlGaN)MQW(多量子阱)發光層
30‧‧‧p-AlGaN；Mg層
32‧‧‧(AlGaN；Mg/GaN；Mg)p-SLS層
34‧‧‧p-GaN(GaN；Mg)層
36‧‧‧ITO
38‧‧‧SiO2層
40‧‧‧n型襯墊層
42‧‧‧阻擋金屬(UBM)
圖1A為實施形態之顯示器之原理說明圖。
圖1B為實施形態之螢光體之發光光譜圖。
圖2為實施形態之385nm之UV-LED晶片之構成圖。
圖3為實施形態之400nm之UV-LED晶片之構成圖。
圖4為實施形態之正方形之倒裝晶片圖。
圖5為實施形態之長方形之倒裝晶片圖。
圖6為實施形態之385nm晶片之發光光譜圖。
圖7為實施形態之400nm晶片之發光光譜圖。
圖8為實施形態之385nm晶片及400nm晶片之發光強度圖。
圖9為實施形態之385nm晶片之I-L特性圖。
圖10為實施形態之400nm晶片之I-L特性圖。
圖11為實施形態之385nm晶片之I-V特性圖。
圖12為實施形態之400nm晶片之I-V特性圖。
圖13為實施形態之385nm晶片及400nm晶片之VF特性圖。
圖14為實施形態之385nm晶片之各晶片尺寸的光譜圖。
圖15為實施形態之400nm晶片之各晶片尺寸的光譜圖。
圖16為實施形態之各晶片尺寸的良率圖。
圖17A及圖17B為實施形態之PSS之構成圖。
圖18為實施形態之每一基板的發光強度圖。
圖19為實施形態之每一基板及分別有無SLS層的發光強度圖。
以下根據圖式說明本發明之實施形態。
圖1A表示本實施形態之UV-LED顯示器的原理圖。於基底部10形成複數個UV-LED晶片12，並在UV-LED晶片12上積層紅色螢光體14、綠色螢光體16、藍色螢光體18。紅色螢光體14例如為LOS：Eu；綠色螢光體16例如為BAM：Eu，Mn；以及藍色螢光體18例如為BAM：Eu，但並不限定於此。此處，LOS表示La2O2S，並且BAM表示(Ba,Mg)Al10O17。
圖1B表示紅色螢光體14、綠色螢光體16及藍色螢光體18的發光光譜。圖中，(a)為藍色螢光體18的發光光譜，(b)為綠色螢光體16的發光光譜，(c)為紅色螢光體的發光光譜，虛線表示激發光之光譜，實線表示發光光譜。
另一方面，UV-LED晶片12之晶片尺寸實用化為通常約250μm~2mm，依CAN封裝或表面安裝型封裝(SMD)、或直接安裝於基板而使用。額定電流為約20mA~1A，發光效率係在365nm時為超過50%之水準，但仍然難謂充足。
因此，本實施形態著眼於UV-LED晶片12的波長及晶片尺寸。藉由使波長及晶片尺寸最佳化而進一步提升UV-LED之發光效率，並使在電流密度增加時之輸出降低率減少。
圖2及圖3表示本實施形態中之UV-LED晶片的構成。圖2為發光波長385nm的UV-LED晶片1，圖3為發光波長400nm的UV-LED晶片2。
圖2中，發光波長385nm的UV-LED晶片，係於藍寶石基板20上積層u-GaN緩衝層22、(GaN；Si)n接觸層24，並於其上積層InGaN系發光層而構成。具體而言，係依序將
(AlInGaN)/(InGaN；Si)n-SLS(超晶格構造)層26
(InGaN/AlGaN)MQW(多量子阱)發光層28
p-AlGaN；Mg層30
(AlGaN；Mg/GaN；Mg)p-SLS層32
p-GaN(GaN；Mg)層34 使用MOCVD裝置進行積層。於此，例如(GaN；Si)係表示摻雜了Si的GaN。又，ITO 36係藉由RPD(Remote Plasma Deposition，遠 程電漿沉積)進行蒸鍍，n型襯墊層40及阻擋金屬(UBM)42係藉由EB(Electron Beam，電子束)進行蒸鍍，SiO2層38係藉由PECVD(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition，電漿增強化學氣相沉積)進行蒸鍍。又，u-GaN緩衝層22更詳細而言係包括低溫之u-GaN層及高溫之u-GaN層，u-GaN緩衝層22亦稱為底層或緩衝層。
另一方面，圖3中，發光波長400nm的UV-LED晶片，係在藍寶石基板20上積層u-GaN緩衝層22、(GaN；Si)n接觸層24，並於其上依序將
(InGaN/AlGaN)MQW發光層28
p-AlGaN；Mg層30
p-GaN(GaN；Mg)層34 使用MOCVD裝置進行積層。ITO 36係藉由RPD(Remote Plasma Deposition，遠程電漿沉積)進行蒸鍍，n型襯墊層40及阻擋金屬(UBM)42係藉由EB(Electron Beam，電子束)進行蒸鍍，SiO2層38係藉由PECVD(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition，電漿增強化學氣相沉積)進行蒸鍍。
385nm和400nm係在基本之磊晶構造相同，但由能帶隙能量之關係而言，相較於400nm，385nm係(InGaN/AlGaN)MQW發光層28之Al含量較多、In含量較少。又，(InGaN/AlGaN)MQW發光層28之In成分係於發光波長385nm時約為8%，於400nm時約為15%。於發光波長385nm時，為了增加n、p之載子而具備SLS(超晶格構造)層26、32。尚且，發光波長385nm、400nm的UV-LED晶片的各層之組成比及膜厚，細節係如以下。
u-GaN層：3.2μm
(GaN；Si)n接觸層：2.7μm
(Al0.20In0.01Ga0.79N)/(In0.01Ga0.99N；Si)n-SLS(超晶格構造)層：1.5nm/1.5nm×50對
(In0.08Ga0.92N/Al0.20Ga0.80N)MQW(多量子阱)發光層1.8nm/15nm×3對
p-Al0.25Ga0.75N層：20nm
(Al0.20Ga0.80N；Mg)/(GaN；Mg層)p-SLS(超晶格構造)層：0.8nm/0.8nm×30對
p-GaN層：25nm
ITO層：100nm
SiO2層：500nm
u-GaN層：3.2μm
(GaN；Si)n接觸層：2.7μm
(In0.15Ga0.85N/Al0.10Ga0.90N)MQW(多量子阱)發光層：2.0nm/15nm×3對
p-Al0.20Ga0.80N層：20nm
p-GaN層25nm
ITO層：100nm
SiO2層：500nm
本實施形態中，於此種磊晶構造中，考慮晶片尺寸之影響而為了使晶片尺寸最佳化，製作了合計8種之倒裝晶片。於此，倒裝晶片係在形成MQW發光層28及p-GaN層34後進行至藍寶石基板20為止之蝕刻的分離步驟中，分離為各晶片尺寸，其後，經由MESA步驟、n型襯墊層形成步驟、SiO2之鈍化層38形成步驟、阻擋金屬(UBM)形成步驟而製作。
圖4及5表示倒裝晶片之俯視照片。圖4係平面形狀為正方形的倒裝晶片，圖5係平面形狀為長方形的倒裝晶片。平面形狀為正方形的倒裝晶片中，有
24μm×24μm
48μm×48μm
72μm×72μm
144μm×144μm
288μm×288μm 之5種倒裝晶片。又，平面形狀為長方形的倒裝晶片中，有
12μm×48μm
24μm×48μm
24μm×72μm 之3種倒裝晶片。
針對所製作之385nm、400nm分別之8種倒裝晶片，利用探測器測定發光光譜及強度測定、電壓相對於注入電流的移位(I-V特性)、發光強度相對於注入電流的移位(I-L特性)。
圖6表示對385nm之最小面積之24μm×24μm晶片通電了IF(正向電流)：278μA時的發光光譜。發光波長為384.72nm，半值寬度為10.25nm，顯示了正常之光譜波形。
圖7表示對400nm之最小面積之24μm×24μm晶片通電了IF(正向電流)：278μA時的發光光譜。發光波長為400.7nm，半值寬度為12.26nm，此亦顯示了正常之光譜波形。
圖8表示以額定電流密度25.5(A/cm2)測定385nm晶片及400nm晶片之發光強度的結果。圖中，橫軸為晶片尺寸，縱軸為發光強度(a.u.)。
所有晶片尺寸中，相較於385nm，400nm者獲得較高之發光強度及發光效率。又，兩波長下，有晶片尺寸越縮小、發光強度越提升的傾向。尤其於385nm晶片中，24μm×72μm以下之尺寸時發光強度顯著提升；於400nm晶片中，48μm×48μm以下之尺寸時發光強度顯著提升。習知之晶片尺寸係如上述般為約250μm~2mm，故此等之晶片尺寸亦較習知晶片尺寸明顯較小，可謂為微晶片尺寸。可認為如此於微尺寸之晶片中發光強度及發光效率之所以顯著提升，係由於晶片尺寸較小者中擴散電流之距離變短故發光再結合增加、內部量子效率提升，以及由於晶片尺寸較小者藉發光再結合而由發光層所發出之光被取出至外部的距離亦較短，故光取出效率提升所致。
圖9及10表示對385nm及400nm各別之8種晶片尺寸流通電流時的I-L特性。圖9表示對385nm晶片使電流密度從25.5(A/cm2)增加至357.1(A/cm2)時的I-L特性。圖10表示對400nm晶片使電流密度從25.5(A/cm2)增加至357.1(A/cm2)時的I-L特性。
此等I-L特性中，雖然出現於高電流密度時發光效率降低的衰減(droop)現象，但所有晶片均獲得良好之特性結果。又，若比較385nm與400nm，相較於385nm，400nm者之I-L特性降低。可認為此係由於相較於385nm，400nm者發光層(InGaN)內的In組成較高，故400nm者之發光層的結晶性差，於電流密度較小時雖然因In組成不均勻而400nm之發光效率高，但隨著電流密度增加而載子濃度逐漸增加，變得容易受到發光層內之結晶缺陷的影響，非發光再結合區域之增加造成影響所致。從而，可謂In組成相對越低，則相對於電流密度之輸出降低率越低。
尚且，由圖9及10亦可知平面形狀為正方形的晶片係I-L特性較長方形更優越。又，亦可知385nm晶片之I-L特性係較400nm晶片更線性地增加。
圖11及12表示對385nm及400nm各別之8種晶片流通了電流時的I-V特性。圖11表示385nm晶片的I-V特性，圖12表示400nm晶片的I-V特性。於兩晶片中，均未出現低電流區域下的漏電，顯示正常之I-V特性。又，於兩晶片中，若比較相對較小之晶片的24μm×24μm、12μm×48μm與相對較大之晶片的288μm×288μm，可得知相對較小的晶片係依較小電流值即起動。又，平面形狀為正方形的晶片係I-V特性較長方形優越。
圖13表示385nm及400nm各別之8種晶片於25.5(A/cm2)的VF(正向電壓)值。各晶片均顯示VF值為3.4~3.5V。
如以上，發光波長385nm及400nm的UV-LED晶片中，藉由減小晶片尺寸、具體而言於矩形狀之平面形狀中將至少一邊設為50μm以下，可顯著提升發光強度及發光效率。更具體而 言，於發光波長385nm的UV-LED晶片較佳係至少一邊為30μm以下，於發光波長400nm的UV-LED晶片較佳係至少一邊為50μm以下。
進而，UV-LED中，由於In組成越低、相對於電流密度的輸出降低率越低，故發光波長385nm者之相對於電流密度的輸出降低率較發光波長400nm低，此表示了：在In組成更低之短於385nm的UV-LED、例如發光波長365nm之UV-LED係相對於電流密度的輸出降低率更低，與晶片尺寸之縮小化相配合而更加提升發光強度及發光效率，可有利於作為顯示器。
圖14表示發光波長385nm之UV-LED之各晶片尺寸的光譜。又，圖15表示發光波長400nm之UV-LED之各晶片尺寸的光譜。發光波長385nm、400nm的任一UV-LED中，均即使改變晶片尺寸仍未出現波形差異，於500nm~500nm附近之GaN之深層次的發光強度亦未出現差異。因此，顯示了由於發光光譜依存於經磊晶成長之層的結晶性，晶片尺寸幾乎不造成影響，故即使減小晶片尺寸、具體而言係於矩形狀之平面形狀中將至少一邊設為50μm以下，仍可無問題地獲得正常發光。
圖16表示發光波長385nm、400nm之UV-LED的各晶片尺寸的良率。作為正方形形狀的晶片，依24μm×24μm、48μm×48μm、72μm×72μm、144μm×144μm和288μm×288μm之5種晶片計數電氣特性及外觀的為良好品的晶片，顯示良好品數相對於全體數的比率。如圖所示，晶片尺寸越小則良率越提升。其理由可認為，表面雜質及異常之磊晶成長係即使尺寸較大仍為50μm左右但其幾乎為50μm以下，由於結晶缺陷遠小於其尺寸，故 晶片尺寸較小者係相對於全體晶片數，抑制了成為NG之晶片數所致。從而，由良率之觀點而言，亦可謂較佳係於矩形狀之平面形狀中其至少一邊為50μm以下。
以上實施形態中，平坦之藍寶石基板20作為發光波長385nm、400nm的UV-LED，但亦可取代平坦之藍寶石基板20而使用經圖案化的藍寶石基板(PSS：Patterned Sapphire Substrate)。
圖17A及17B表示PSS之構成。圖17A為俯視圖，圖17B為側視圖，於藍寶石基板之表面形成圓錐形狀的圖案。其為高度a=2.0μm、直徑b=3.75μm、間距c=4.0μm、間隔d=0.25μm的圖案構造，但並不一定限定於此。應用於藍寶石基板的圖案係使於其上所成長之GaN結晶的缺陷密度減低，使發光層之發光效率提升。再者，藉由設計最佳之圖案形狀，可使由發光層朝元件內發射之光效率佳地被反射至元件外部，而可減低光之內部損失(轉變為發熱的比率)。PSS之加工係於平坦之藍寶石基板上形成光罩，藉由ICP乾式蝕刻而進行。
圖18表示發光波長385nm、400nm之UV-LED中，使用了平坦之藍寶石基板與PSS時各晶片尺寸的發光強度。其為流通了額定電流密度25.5A/cm2時的發光強度，Flat表示平坦之藍寶石基板，PPS表示經圖案化之藍寶石基板。若著眼於發光波長385nm之UV-LED，晶片尺寸越小則發光強度越增加，且於所有晶片尺寸中，PSS者之發光強度較Flat者更增加。於發光波長400nm之UV-LED方面亦相同，晶片尺寸越小則發光強度越增加，且於所有晶片尺寸中，PSS者之發光強度較Flat者更增加。從而，藉由將晶片尺寸設為50μm以下，並使用PSS，可更顯著地提升發光效率。
本實施形態中，例示了發光波長385nm、400nm的UV-LED，但可藉由改變發光層之組成比而改變發光波長，而可應用於約發光波長385nm~400nm的UV-LED。又，本實施形態之UV-LED晶片尺寸的下限為24μm×24μm，但視製造條件亦可為10μm×10μm左右的晶片尺寸，同樣可提升發光效率。
習知顯示器用途中之微LED顯示器，雖作為下一代顯示器而受到矚目，但其發光效率尚未達到可謂充足的水準。尤其在使用了InGaN系發光層的微LED的特性方面尚未被充分檢討，而處於針對晶片尺寸與發光效率之關係進行研究的狀況。
尤其應注意的是，使用了InGaN系發光層的微LED的晶片尺寸與發光效率間的關係複雜，事實上僅單純將晶片尺寸減小未必可達成高精細化。
作為其一例，於論文「Electro-optical size-dependence investigation in GaN micro-LED device」,Anis Daami et.al,790/SID 2018 DIGEST中，記載有
‧若尺寸變小，則最大外部量子效率依無法忽略的程度下降。
‧若尺寸變小，則光學電流密度臨限值朝向高電流側移位。
‧當到達微米以下之尺寸時，因μLED尺寸減小而對外部量子效率造成的影響劇烈。
‧為了使μLED於高電流水準時之光學性發光提升，必須使衰減儘可能減低。
‧若依相同電流密度、例如10A/cm2進行比較，500μm、50μm、5μm等隨著晶片尺寸變小而發光強度變小。
‧μLED尺寸對輝度及效率的影響，為最應該被考慮的規格， 並為需理解而應最佳化的課題。
如此，已知由於若單純減小晶片尺寸則外部量子效率變小、發光強度亦降低，故若為了達到高精細化而單純減小晶片尺寸時則發光強度降低，光學電流密度臨限值亦移位至高電流側，故難以獲得充分輝度。
相對於此，本實施形態中不僅止於單純減小晶片尺寸，發現了藉由導入SLS層不僅可抑制發光強度降低，進而隨著晶片尺寸變小而可增大發光強度。SLS層本身為公知，亦已知藉由導入SLS層可增大LED之外部量子效率，但過去對於SLS層對晶片尺寸變化將造成何種影響仍屬未知，本實施形態可謂率先闡明了SLS層對晶片尺寸、尤其是50μm以下之晶片尺寸所造成的影響。
本實施形態中，將包含了不具SLS層之構造之晶片中，晶片尺寸與發光強度間的關係示於圖19。
圖19中，385nm(FLAT、無SLS)係發光波長為385nm的樣本，其係使用平坦的藍寶石基板，將InGaN系發光層藉由非SLS之單層之n型包層(Al0.1Ga0.9N；Si 195nm)及非SLS之單層之p型包層(Al0.1Ga0.9N；Mg 22nm)所挾持的構成。其他樣本係如圖18所示。電流密度為25.5A/cm2。
無SLS、亦即雖具有n型包層及p型包層、但此等並非SLS構造的樣本中，可知有晶片尺寸越小則發光強度越降低或呈幾乎一定的傾向。尤其若比較72μm×72μm與48μm×48μm的樣本，無SLS層時發光強度降低。另一方面，具SLS層之晶片中，在晶片尺寸為50μm以下時發光強度增加，可知具有所屬技術領域中具通常知識者所無法預測的優越特性。
雖然因SLS層之有無對於晶片尺寸為50μm以下時所造成的強烈之效果差異的原因尚未被闡明，但其一說法可認為，在無SLS層時載子濃度變低，進而晶片尺寸較小者係擴散電流之距離變短，故容易受到載子濃度降低的影響，造成發光再結合減少而發光強度降低，而藉由導入SLS層將可有效抑制此等情況。
無SLS層時若晶片尺寸變小則發光強度降低，無法獲得具有充分發光效率的微LED裝置，而藉由以挾持InGaN系發光層之方式形成n型SLS層與p型SLS層，同時將晶片尺寸設為50μm以下，則反而使發光效率增大，從而，本實施形態之UV-LED晶片係發揮了無法預測之顯著效果。
1‧‧‧UV-LED晶片
20‧‧‧藍寶石基板
22‧‧‧u-GaN緩衝層
24‧‧‧n接觸層
26‧‧‧(AlInGaN)/(InGaN；Si)n-SLS(超晶格構造)層
28‧‧‧(InGaN/AlGaN)MQW(多量子阱)發光層
30‧‧‧p-AlGaN；Mg層
32‧‧‧(AlGaN；Mg/GaN；Mg)p-SLS層
34‧‧‧p-GaN(GaN；Mg)層
36‧‧‧ITO
38‧‧‧SiO2層
40‧‧‧n型襯墊層
42‧‧‧阻擋金屬(UBM)
Claims (4)
- 一種UV-LED，其具備：緩衝層；形成於上述緩衝層上之接觸層；形成於上述接觸層上之由AlInGaN層及InGaN層構成之n型SLS層；形成於上述n型SLS層上之InGaN系發光層；形成於上述InGaN系發光層上之p型摻雜了Mg之AlGaN層；與形成於上述p型摻雜了Mg之AlGaN層上之p型SLS層；其晶片尺寸係於矩形狀之平面形狀中至少一邊為50μm以下；其發光波長為385nm。
- 如請求項1之UV-LED，其中，進一步具備：於其上形成上述緩衝層之經圖案化的藍寶石基板。
- 如請求項1之UV-LED，其中，上述緩衝層係包括低溫之u-GaN層及高溫之u-GaN層。
- 一種顯示器，其具備：請求項1~3中任一項之UV-LED；藉由上述UV-LED之光而激發的紅色螢光體；藉由上述UV-LED之光而激發的綠色螢光體；與藉由上述UV-LED之光而激發的藍色螢光體。
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