TWI784114B - 微發光裝置及顯示器 - Google Patents
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Abstract
一種微發光裝置包含微發光二極體及發光層。該微發光二極體包括具有受激發後產生第一波長的光的發光半導體序列。該發光層設置在該微發光二極體，且用於受該第一波長的光激發，以產生第二波長的光。本發明亦提供一種包含上述微發光裝置的顯示器。
Description
本發明是有關於一種半導體元件，特別是指一種微發光裝置及顯示器。
微型發光二極體(Micro LED)是目前熱門研究的下一代顯示器光源。微型發光二極體顯示器具有低功耗、高亮度、超高解析度、高色彩飽和度、回應速度快、能耗低，及壽命長等優點。此外，它的功率消耗量約為液晶顯示器(LCD)的10%及有機發光二極體顯示器(OLED)的50%。而與同樣是自發光的OLED相比較，亮度高了30倍，且解析度可以達到1500PPI(像素密度，Pixels Per Inch)。微型發光二極體顯示器的這些明顯的優勢，使得它有望取代現在的OLED和LCD，成為下一代顯示器。微型發光二極體目前還無法量產，是因為目前還有許多技術難題需要克服，其中一個重要的技術難題就是如何提高紅光微型發光二極體的亮度和可靠性。
在顯示器中，通常需要由紅光微型發光二極體、綠光微型發光二極體及藍光微型發光二極體來組成像素點。相較於藍光微型發光二極體及綠光微型發光二極體，常規的鋁鎵銦磷(AlGaInP)系紅光微型發光二極體存在有漏電及非輻射結合等問題，導致亮度難以提高，從而降低了整個顯示器的視覺體驗。
因此，本發明的一目的，即在提供一種微發光裝置。
於是，本發明微發光裝置包含微發光二極體及發光層。該微發光二極體包括具有受激發後產生第一波長的光的發光半導體序列。該發光層設置在該微發光二極體，且用於受該第一波長的光激發，以產生第二波長的光。
本發明的另一目的，即在提供一種顯示器。
於是，本發明顯示器，包含：上述的微發光裝置。
本發明的功效在於：通過該發光層對該第一波長的光進行光子轉換而產生第二波長的光，實現藍光及/或綠光高效轉換成紅光的目的，因此，本發明提供了一種高效紅光微型發光二極體，從而滿足本領域對紅光微型發光二極體的需求。
此外，光子轉換技術大都是通過螢光粉或量子點來達成。在螢光粉的光子轉換技術中，由於螢光粉是離散分佈的，因此，應用在微米級的微發光裝置中，會存在有因出光均勻性難以控制，而常有漏光的問題。在量子點的光子轉換技術中，存在有價格昂貴難以實施的問題。相較於螢光粉或者量子點的光子轉換技術，本發明將鋁銦鎵磷(AlInGaP)系量子阱應於在微米級的發光二極體結構中並利用其來進行光子轉換，能夠使得該微發光裝置具有良好的光轉換效率及較低的生產成本，同時，保證了出光均勻性。
以下將結合附圖及實施例來詳細說明本發明的實施方式，藉此對本發明如何應用技術手段來解決技術問題，並達成技術效果的實現過程能充分理解並據以實施。需要說明的是，只要不構成衝突，本發明中的各個實施例以及各實施例中的各個特徵可以相互結合，所形成的技術方案均在本發明的保護範圍之內。
應當理解，本發明所使用的術語僅出於描述具體實施方式的目的，而不是旨在限制本發明。如本發明所使用的，單數形式“一”、“一種”和“所述”也旨在包括複數形式，除上下文清楚地表明之外。應進一步理解，當在本發明中使用術語“包含”、"包括"、“含有”時，用於表明陳述的特徵、整體、步驟、操作、元件、和/或封裝件的存在，而不排除一個或多個其他特徵、整體、步驟、操作、元件、封裝件、和/或它們的組合的存在或增加。
除另有定義之外，本發明所使用的所有術語(包括技術術語和科學術語)具有與本發明所屬領域的普通技術人員通常所理解的含義相同的含義。應進一步理解，本發明所使用的術語應被理解為具有與這些術語在本說明書的上下文和相關領域中的含義一致的含義，並且不應以理想化或過於正式的意義來理解，除本發明中明確如此定義之外。
參閱圖1，本發明微發光裝置的第一實施例，主要用於顯示器中，且包含微發光二極體100、第一電極120、第二電極121，及發光層200。
該微發光二極體100具有相反設置的第一表面101及第二表面102，且包括發光半導體序列110。
該微發光二極體100的長度、寬度或者高度的範圍為2μm以上至100μm以下，例如2μm以上至小於5μm、5μm以上至小於10μm、10μm以上至小於20μm、20μm以上至小於50μm，或，50μm以上至100μm以下等。
該發光半導體序列110受激發後會產生第一波長的光E1。該第一波長為380nm以上至550nm以下，例如380nm以上且小於500nm，或者，500nm以上至550nm以下等。在該第一實施例中，該發光半導體序列110包括氮化鎵(GaN)系量子阱(quantum well)層111。
該第一電極120及該第二電極121間隔地設置在該微發光二極體100的第二表面102，且連接該微發光二極體100的發光半導體序列110。
該發光層200設置在該微發光二極體100的第一表面101，且通過鍵合或凡得瓦力，與該發光半導體序列110連接在一起。該發光層200用來受該第一波長的光激發以進行光子轉換而產生第二波長的光E2。該第二波長是長於該第一波長。該第二波長為大於570nm且780nm以下。在該第一實施例中，該發光層200包括鋁鎵銦磷(AlGaInP)系量子阱層。
為使該發光層200能夠被該第一波長的光E1激發以更有效地進行光子轉換而產生第二波長的光E2，較佳地，該第一波長的光E1為波長為500nm以上至550nm以下的綠光。在該第一實施例中，該第一波長的光E1優選的採用波長為500nm以上至550nm以下的綠光。當第一波長的光E1為綠光且該發光層為鋁鎵銦磷系量子阱層時，該發光層200的光轉換效率大於當該第一波長的光為藍光時的光轉換效率。
在該第一實施例的一變化態樣中，該發光層200包括至少一多量子阱結構。該多量子阱結構包括表示為Ga0.51
In0.49
P的鎵銦磷量子阱層及鋁銦磷(AlInP)阻障層(barrier)。
該鎵銦磷量子阱層的晶格完全匹配，屬於直接帶隙，從而具有較佳的光轉換效率，且能隙(energy band gap，簡稱Eg)為1.91eV，而產生波長為652nm的光。該鎵銦磷量子阱層的厚度為大於3.8nm且4.2nm以下，例如大於3.8nm且4.0nm以下，或者，大於4.0nm且4.2nm以下。舉例來說，當該鎵銦磷量子阱層的厚度為4nm時，會產生量子效應，且等效的能隙為1.987eV，而產生波長為624nm的光，符合紅光微型發光二極體使用需求。此外，透過調整該鎵銦磷量子阱層的厚度，能夠調控該第二波長介於615nm至645nm間。
該鋁銦磷阻障層的能隙(Eg)為2.36eV，接近綠光波長。為了減少藍綠光吸收，該鋁銦磷阻障層的厚度介於1.5nm至3nm。該鋁銦磷阻障層的厚度優選為2nm，此時預估穿隧機率10%以下(綠光光子能量大約2.35eV)。
該發光層200對綠光的吸收係數為30000(cm-1
)，且當該發光層200的厚度為300nm左右時，能夠完全吸收該第一波長的光E1而轉換成紅光，且該多量子阱結構的對數不少於20對。當第一波長為500nm以上至550nm以下時，該多量子阱結構的對數為65對以上至75對以下，例如65對以上至70對以下，或者，大於70對至75對以下。為使該第一波長的光E1能夠較完全地被吸收而轉換成紅光，並且避免過多量子阱構件造成紅光的吸收導致亮度下降，優選地，該多量子阱結構的對數為70對。
該發光層200對藍光吸收係數為50000(cm-1
)以下，且當該發光層200的厚度為200nm左右時，能夠完全吸收該第一波長的光E1而轉換成紅光，且該多量子阱結構的對數不少於20對。當第一波長為380nm以上至小於500nm時，該多量子阱結構的對數為45對以上至55對以下，例如45對以上至50對以下，或者，大於50對至55對以下。為使藍光較易完全被吸收而不穿透，優選地，該多量子阱結構的對數為50對。
參閱圖2，本發明微發光裝置的第二實施例是類似於該第一實施例，且與該第一實施例主要不同在於：在該第二實施例中，該微發光裝置還包含透明的黏合層300。該黏合層300設置在該發光層200與該微發光二極體100的第一表面101間，且主要起到承接黏合作用。
在該第二實施例中，該黏合層300的材質例如但不限於二氧化矽(SiO2
)、氮化矽(SiN)、氧化銦錫(indium tin oxide，簡稱ITO)、三氧化二鋁(Al2
O3
)、壓克力、樹脂。或矽膠等。優選地，該黏合層300採用透光性能優異的透明絕緣介質材料。為了減少該黏合層300吸收該第一波長的光E1而導致出光效率降低，以及減少該黏合層300突出於該微發光二極體100及該發光層200的側壁310漏出或溢出該第一波長的光E1而導致光純度降低，該黏合層300的厚度為0.01μm以上至100μm以下，例如0.01μm以上至10μm以下，或者大於10μm且100μm以下等。較佳地，該黏合層300的厚度為0.01μm以上至10μm以下。
參閱圖3，本發明微發光裝置的第三實施例是類似於該第二實施例，且與該第二實施例主要不同在於：在該第三實施例中，該微發光二極體100的第一表面101為粗糙化的出光面，且該第一波長的光E1從該第一表面101進入該黏合層300。該第一表面101利用該黏合層300進行填充，減少該黏合層300與該發光半導體序列110間的交接界面對光的全反射，從而增加出光效率。此外，也可以將該發光層200與該黏合層300連接的表面粗糙化，而使該發光層200具有粗糙化表面。該粗糙化方式包括規則粗糙化或者不規則粗糙化。
參閱圖4，本發明微發光裝置的第四實施例是類似於該第三實施例，且與該第三實施例主要不同在於：在該第四實施例中，該微發光裝置還包含功能單元130，以減少該微發光二極體100側邊漏出該第一波長的光E1(例如藍光)的問題，從而提高該第二波長的光E2的品質。該功能單元130覆蓋至少部分該微發光二極體100的底部或者側邊，亦即，覆蓋側邊的局部區域或全部區域，或覆蓋底部的局部區域或全部區域。該功能單元130例如光反射層或者光阻擋層。當該功能單元130為光反射層時，除可減少該微發光二極體100側邊漏光的問題外，還可以增加出光效率。
當該功能單元130的材質為導電材料，則該微發光裝置還包含一層設置在該功能單元130與該發光半導體序列110間的絕緣保護層140，以避免該微發光二極體100發生短路的問題。
參閱圖5，本發明微發光裝置的第五實施例是類似於該第四實施例，且與該第四實施例主要不同在於：在該第五實施例中，該微發光裝置還包含抗反射增透膜400。該抗反射增透膜400能夠減少或避免第一波長的光E1從出光方向溢出，以提高對該第一波長的光E1的轉換效率，同時，增加該第二波長的光E2的出光效率。該抗反射增透膜400設置在該微發光二極體100的第一表面101與該黏合層300間。該抗反射增透膜400包括至少一層透明介質層。當該抗反射增透膜400包括複數層透明介質層時，該等透明介質層的折射率不相同。該抗反射增透膜400具有波長選擇穿透性。該抗反射增透膜400能夠讓該第一波長的光E1通過，且當該發光層200產生該第二波長的光E2時，能夠反射朝向該抗反射增透膜400的該第二波長的光E2。
參閱圖6，本發明微發光裝置的第六實施例是類似於該第四實施例，且與該第四實施例主要不同在於：在該第六實施例中，該微發光裝置還包含抗反射增透膜層400，以提高該第一波長的光E1的轉換效率。該抗反射增透膜層400設置在該發光層200與該黏合層300間。該抗反射增透膜400包括至少一層透明介質層。當該抗反射增透膜400包括複數層透明介質層時，該等透明介質層的折射率不相同。該抗反射增透膜400具有波長選擇穿透性。該抗反射增透膜400能夠讓該第一波長的光E1通過，且當該發光層200產生該第二波長的光E2時，能夠反射朝向該抗反射增透膜400的該第二波長的光E2。
參閱圖7，本發明微發光裝置的第七實施例是類似於該第四實施例，且與該第四實施例主要不同在於：在該第七實施例中，該微發光裝置還包含抗反射增透膜層400，以提高該第一波長的光E1的轉換效率。該抗反射增透膜層400設置在該發光層200的表面上且相反於該黏合層300。該抗反射增透膜400包括至少一層透明介質層。當該抗反射增透膜400包括複數層透明介質層時，該等透明介質層的折射率不相同。將抗反射增透膜透400能夠讓該第二波長的光E2通過而從該微發光裝置中射出，同時，反射未被該發光層200吸收的該第一波長的光E1，以讓該發光層200能夠再次吸收而轉換成該第二波長的光E2。
參閱圖8，本發明微發光裝置的第八實施例是類似於該第六實施例，且與該第六實施例主要不同在於：在該第八實施例中，增加了該發光層200的面積，或/及增加該抗反射增透膜400的面積，用以增加對該第一波長的光E1的吸收，從而避免該第一波長的光E1對該第二波長的光E2造成干擾。在該發光層200的面積大於該發光半導體序列110的面積，從而避免漏出該第一波長的光E1，導致顯色效果降低的問題產生。
本發明除了上述實施例的第一電極120及第二電極121位於同側的倒裝結構外，也提供該第一電極120及該第二電極121位於不同側的垂直結構及正裝結構。參閱圖9，本發明微發光裝置的第九實施例包含該微發光二極體100、該第一電極120、該第二電極121、該發光層200，及該黏合層300。該第一電極120及該第二電極121分別設置在該微發光二極體100的第二表面102及第一表面101，且連接該發光半導體序列110。該第二電極121穿設該發光層200及該黏合層300，而連接該發光半導體序列110的該第一表面101。
惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。
100‧‧‧微發光二極體
101‧‧‧第一表面
102‧‧‧第二表面
110‧‧‧發光半導體序列
111‧‧‧氮化鎵系量子阱層
120‧‧‧第一電極
121‧‧‧第二電極
200‧‧‧發光層
300‧‧‧黏合層
310‧‧‧側壁
130‧‧‧功能單元
140‧‧‧絕緣保護層
400‧‧‧抗反射增透膜
E1‧‧‧第一波長的光
E2‧‧‧第二波長的光
本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：
圖1是一剖面示意圖，說明本發明微發光裝置的第一實施例；
圖2是一剖面示意圖，說明本發明微發光裝置的第二實施例；
圖3是一剖面示意圖，說明本發明微發光裝置的第三實施例；
圖4是一剖面示意圖，說明本發明微發光裝置的第四實施例；
圖5是一剖面示意圖，說明本發明微發光裝置的第五實施例；
圖6是一剖面示意圖，說明本發明微發光裝置的第六實施例；
圖7是一剖面示意圖，說明本發明微發光裝置的第七實施例；
圖8是一剖面示意圖，說明本發明微發光裝置的第八實施例；及
圖9是一剖面示意圖，說明本發明微發光裝置的第九實施例。
100‧‧‧微發光二極體
101‧‧‧第一表面
102‧‧‧第二表面
110‧‧‧發光半導體序列
111‧‧‧氮化鎵系量子阱層
120‧‧‧第一電極
121‧‧‧第二電極
200‧‧‧發光層
300‧‧‧黏合層
310‧‧‧側壁
E1‧‧‧第一波長的光
E2‧‧‧第二波長的光
Claims (19)
- 一種微發光裝置，包含：微發光二極體，包括具有受激發後產生第一波長的藍光或綠光的發光半導體序列，該發光半導體序列包括氮化鎵系量子阱層；發光層，設置在該微發光二極體的上方，且用於受該第一波長的藍光或綠光激發，以產生第二波長的紅光，並包括鋁鎵銦磷系層；透明的黏合層，設置在該微發光二極體與該發光層間；及抗反射增透膜，設置在該發光層上方、設置在該發光層與該黏合層間，或者，設置在該黏合層與該發光半導體序列間，且該抗反射增透膜具有波長選擇穿透性，能夠讓該第一波長的光通過並反射該第二波長的光。
- 如請求項1所述的微發光裝置，其中，該黏合層的厚度為0.01μm以上至10μm以下，或者，大於10μm且100μm以下。
- 如請求項1所述的微發光裝置，其中，該黏合層的材質選自於二氧化矽、氮化矽、氧化銦錫、三氧化二鋁、壓克力、樹脂，或矽膠。
- 如請求項1所述的微發光裝置，其中，該抗反射增透膜包括一層透明介質層，或者，包括複數層折射率不同的透明介質層。
- 如請求項1所述的微發光裝置，其中，該微發光二極體具 有朝向該發光層的第一表面，且該第一表面為粗糙化的出光面，該粗糙化方式包括規則粗糙化或者不規則粗糙化。
- 如請求項1所述的微發光裝置，其中，該發光層具有遠離該微發光二極體的粗糙化表面，且該粗糙化方式包括規則粗糙化或者不規則粗糙化。
- 如請求項1所述的微發光裝置，其中，該微發光裝置最終只射出第二波長的光，該第一波長短於該第二波長。
- 如請求項1所述的微發光裝置，其中，該第一波長為380nm以上且小於500nm，或者，500nm以上至550nm以下，該第二波長為大於570nm至780nm以下。
- 如請求項1所述的微發光裝置，其中，該發光層包括至少一多量子阱結構，且該多量子阱結構包括表示為Ga0.51In0.49P的鎵銦磷量子阱層。
- 如請求項9所述的微發光裝置，其中，該鎵銦磷量子阱層的厚度大於3.8nm且4.0nm以下，或者，大於4.0nm且4.2nm以下。
- 如請求項9所述的微發光裝置，其中，該發光層的量子阱構件還包括鋁銦磷阻障層。
- 如請求項11所述的微發光裝置，其中，該鋁銦磷阻障層的厚度為大於1.5nm且2nm以下，或者大於2nm且3nm以下。
- 如請求項11所述的微發光裝置，其中，該多量子阱結構的對數不少於20對。
- 如請求項11所述的微發光裝置，其中，當第一光波長為500nm以上至550nm以下時，該發光層包括65對以上至 70對以下，或者，大於70對至75對以下的多量子阱結構。
- 如請求項11所述的微發光裝置，其中，當第一光波長為380nm以上至小於500nm時，該發光層包括45對以上至50對以下，或者，大於50對至55對以下的多量子阱結構。
- 如請求項1所述的微發光裝置，還包含設置在該微發光二極體的側邊或底部的局部區域或者全部區域的功能單元，且該功能單元選自於光反射層或者光阻擋層。
- 如請求項1所述的微發光裝置，其中，該發光層的面積大於該發光半導體序列的面積。
- 如請求項1所述的微發光裝置，其中，該微發光二極體的長度、寬度或者高度的範圍為2μm以下且小於5μm、5μm以上且小于10μm、10μm以上且小於20μm、20μm以上且小于50μm，或50μm以上且100μm以下。
- 一種顯示器，包含如請求項1至18中任一項所述的微發光裝置。
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