TWI784384B

TWI784384B - 一種覆晶型可發出三原色光譜之發光二極體結構與製作方法

Info

Publication number: TWI784384B
Application number: TW109146694A
Authority: TW
Inventors: 陳復邦; 賴俊銘; 蔡增光; 黃國欣
Original assignee: 聯嘉光電股份有限公司
Priority date: 2020-12-29
Filing date: 2020-12-29
Publication date: 2022-11-21
Also published as: TW202226623A

Abstract

一種覆晶型可發出三原色光譜之發光二極體結構與製作方法，包含一藍綠光層、一接合層與一紅光層，該藍綠光層具有一綠色光激光發光結構與一藍色電激光發光結構，而該紅光層具有一紅色光激光發光結構；本發明的製作方法的其一為讓一藍寶石接合層作為該接合層，並雙面磊晶成長形成該藍綠光層與該紅光層；其二為分別使用磊晶成長該藍綠光層與該紅光層後，再利用該接合層連結；據此，一外加電壓激發該藍色電激光發光結構產生一藍光，該藍光激發該綠色光激光發光結構產生一綠光，該藍光、該綠光激發該紅色光激光發光結構產生一紅光，可達到三原色光譜之顯色品質，且本發明全為固態半導體材料，相對於螢光粉而言，沒有光衰與信賴度問題。

Description

一種覆晶型可發出三原色光譜之發光二極體結構與製作方法

本發明有關於液晶顯示器背光源，尤其有關於具有三原色光譜的液晶顯示器背光源的發光二極體結構與製作方法。

薄膜電晶體液晶顯示器(TFT_LCD)的發光原理為讓一背光源通過三原色之彩色濾光片(Color-Filter)，TFT-LCD控制三原色各自的光通過率，達成一個混光像素(Pixel)而可顯示各種顏色。目前普遍使用的彩色濾光片的背光源為白光LED，其為利用藍光LED晶粒產生藍光，再讓綠色螢光粉與紅色螢光粉塗佈於LED表面或於LED外部以螢光薄膜方式存在，再以藍光激發綠色螢光粉與紅色螢光粉而混色形成白光。

又如美國專利公告第US 9.214,601 B1號專利，則揭露了一種結構，為以電激發光產生400nm波長之紫光，再利用光激發光產生藍光與綠光，再利用紅色發光物質、光激發紅色磷光發光物質來發出紅光，因此可以產生高度演色性的白光。

如上所述的背光源，皆會使用到螢光粉，然而，螢光粉普遍存在光譜較寬(色純度低、色階少、演色性差)與信賴度(衰退老化)較差之問題。

為改善螢光粉存在之光譜過寬與信賴度問題，也有以三顆紅(R)、綠(G)、藍(B)之LED當背光光源，由於藍、綠光LED為氮化物材料(AlGaInN)，而紅光LED為磷化物與砷化物之四元材料(AlGaInP、AlGaAs)。使用三顆LED(R、G、B)可得到較窄光譜寬度，有利於顯示器之色彩飽和度；但缺點為成本較高(需三顆LED晶粒)與需要兩種驅動電壓(紅光的四元材料的驅動電壓較低~2V、藍綠光的氮化物材料的驅動電壓較高~3V)。另外，因三顆LED晶粒在空間配置上需要並排，無法於同一微小平面同時混合出光。其電路較複雜、體積較大、成本較高、另外三顆LED晶粒較一顆LED晶粒有較高的失效機率。

另外，PCT專利：WO2000076005A1揭露一種主結構為氮化物AlGaInN化合物半導體之藍光LED，當電流通過時以電激發藍色活性層(Active Region-1)發出藍光；而副結構為四元化合物半導體結構(AlGaInP磷化物)，其為黃色活性層(Active Region-2)，利用主結構發出較高能量之藍光為激發光源(Primary Source)，激發副結構之黃色活性層產生黃光(Secondary Source)，黃光與穿透之藍光進行混合形成白光。

然而，請參閱圖1所示，為四元磊晶之紅色光激光發光結構之能帶圖，其為一多重量子井，包含兩側的侷限層(Confinement Layer)1、多個位能井(WELL)2與多個位能障(Barrier)3，因為四元材料AlGaInP需成長於晶格匹配的GaAs基板，此時侷限層1、位能障3之最高能隙材料組成為Al_0.5In_0.5P，其能隙(Eg)約為2.5eV，此材料會吸收492nm以下的波長，而藍光460nm能量為=2.7eV，因此四元化合物半導體結構(AlGaInP磷化物)的位能障3與侷限層1會吸收大量的藍光而造成無發光的損耗，因此四元磊晶之紅色光激光發光結構的發光效率較低沒有商業利用的價值。

爰此，本發明之主要目的在於揭露一種覆晶型可發出三原色光譜之發光二極體結構與製作方法，以滿足車用環境下之高溫、低溫與長期震動條件下的使用需求。

本發明揭露了一種覆晶型可發出三原色光譜之發光二極體結構，其包含一藍綠光層、一紅光層與一接合層，其中該藍綠光層具有一以氮化物磊晶成長之藍色電激光發光結構與一以氮化物磊晶成長之綠色光激光發光結構，該紅光層具有一以氮化物磊晶成長之紅色光激光發光結構。該綠色光激光發光結構設置於該藍色電激光發光結構上，該接合層位於該紅色光激光發光結構與該綠色光激光發光結構之間，且該接合層接合固定該紅色光激光發光結構與該綠色光激光發光結構。又該藍色電激光發光結構被一外加電壓激發而產生一藍光，該藍光激發該綠色光激光發光結構產生一綠光，該藍光、該綠光激發該紅色光激光發光結構產生一紅光。

又本發明揭露的製作方法，在一實施例中，其步驟包含：備製一能夠雙面磊晶成長的藍寶石接合層，該藍寶石接合層作為該接合層使用，於該藍寶石接合層的一側上，依序形成該綠色光激光發光結構的一第一侷限層、一綠色活性層與一第二侷限層與該藍色電激光發光結構的一N型半導體層、一藍色活性層與一P型半導體層；以及於該藍寶石接合層的另一側上，依序形成該紅色光激光發光結構的一第一侷限層、一紅色活性層與一第二侷限層。

而在另一實施例中，本發明揭露的製作方法的步驟包含：於一藍寶石基板的一側上，依序形成該綠色光激光發光結構的該第一侷限層、該綠色活性層與該第二侷限層與該藍色電激光發光結構的該N型半導體層、該藍色活性層與該P型半導體層；接著於一可成長氮化物之基板上，依序形成該紅色光激光發光結構的該第二侷限層、該紅色活性層與該第一侷限層；利用該接合層連結(鍵結或粘結)固定該紅色光激光發光結構的該第一侷限層與該藍寶石基板；以及減薄或去除該基板，以減少該基板之吸光。

據此，本發明揭露的覆晶型可發出三原色(綠光、藍光與紅光)光譜之發光二極體結構，為以該外加電壓激發該藍色電激光發光結構產生該藍光，再以該藍光激發該綠色光激光發光結構產生該綠光，再以該藍光與該綠光激發該紅色光激光發光結構產生該紅光，此時未被吸收而穿透射出的該藍光、該綠光，會與該紅光混光形成三原色光譜，其為由全固態半導體材料組成，沒有使用螢光粉，具有高信賴度、較窄半高寬之三原色光譜、單一藍光電路、同一平面均勻發光的特性，可滿足車用環境下之高溫、低溫與長期震動條件下的使用需求。

習知

1:侷限層

2:位能井

3:位能障

本發明

10:藍色電激光發光結構

11:N型電極

12:P型電極

13:金屬層

14:反射層

15:P型半導體層

16:藍色活性層

17:N型半導體層

20:綠色光激光發光結構

21:緩衝層

22:第一侷限層

23:綠色活性層

24:第二侷限層

30:紅色光激光發光結構

31:緩衝層

32:第一侷限層

33:紅色活性層

34:第二侷限層

40:藍寶石接合層

41:連結接合層

42:藍寶石基板

50:基板

51:緩衝層

60:藍光強度

70:綠光強度

80:紅光強度

圖1，為習知四元磊晶之紅色光激光發光結構之能帶圖。

圖2，為本發明第一實施例的結構斷面示意圖。

圖3，為本發明不同綠色活性層厚度的發光強度示意圖。

圖4，為本發明三原色的發光強度示意圖。

圖5，為本發明第二實施例的結構斷面示意圖。

圖6，為本發明第二實施例的半成品結構斷面示意圖一。

圖7，為本發明第二實施例的半成品結構斷面示意圖二。

圖8，為本發明第二實施例的半成品結構斷面示意圖三。

為俾使貴委員對本發明之特徵、目的及功效，有著更加深入之瞭解與認同，茲列舉一較佳實施例並配合圖式說明如後：請參閱圖2所示，為本發明第一實施例，本發明揭露了一種覆晶型可發出三原色光譜之發光二極體結構，其包含一以氮化物磊晶成長之藍色電激光發光結構10、一以氮化物磊晶成長之綠色光激光發光結構20、一以氮化物磊晶成長之紅色光激光發光結構30與一藍寶石接合層40(結合層)。其中，該藍色電激光發光結構10與該綠色光激光發光結構20作為一藍綠光層的藍綠磊晶結構，該藍綠光層可產生一波長範圍為450-465nm的藍光與一波長範圍為520-545nm的綠光，而該紅色光激光發光結構30作為一紅光層的紅色磊晶結構，該紅光層可產生一波長範圍為620-645nm的紅光。

該藍色電激光發光結構10為選用氮化鋁銦鎵(AlGaInN)製成，且該藍色電激光發光結構10可以包含位於同一平面的一N型電極11與一P型電極12，該P型電極12上依序設置一金屬層13、一反射層14、一P型半導體層15、一藍色活性層16與一N型半導體層17，且該N型半導體層17連接該N型電極11，其中該P型半導體層15、該藍色活性層16與該N型半導體層17為該藍色電激光發光結構10的主要發光結構，可被一外加電壓激發出該藍光，而該N型電極11、該P型電極12、該金屬層13與該反射層14則為供給該外加電壓的覆晶電極與取出該藍光的光反射結構。

該綠色光激光發光結構20為選用氮化鋁銦鎵(AlGaInN)製成，該綠色光激光發光結構20設置於該藍色電激光發光結構10上。又該綠色光激光發光結構20包含依序堆疊的一緩衝層21、一第一侷限層22、一綠色活性層23與一第二侷限層24，其中該第二侷限層24為相鄰該N型半導體層17，該第一侷限層22、該綠色活性層23與該第二侷限層24為該綠色光激光發光結構20的主要發光結構，為以該藍光激發出該綠光。

該紅色光激光發光結構30為選用氮化鋁銦鎵(AlGaInN)製成，該紅色光激光發光結構30包含依序堆疊的一緩衝層31、一第一侷限層32、一紅色活性層33與一第二侷限層34，其中該第一侷限層32、該紅色活性層33與該第二侷限層34為該紅色光激光發光結構30的主要發光結構，為以該藍光、該綠光激發出該紅光。由於本發明的該紅色光激光發光結構30(該紅色活性層33)為選用氮化鋁銦鎵(AlGaInN)製成，該紅色光激光發光結構30為多重量子井，為由該第一侷限層32、該紅色活性層33與該第二侷限層34組成，該紅色活性層33具有多組(Pair)多重量子井其由位能井(WELL)與位能障(Barrier)所構成，該紅色活性層33的位能井(WELL)之能隙約為Eg=1.95eV，該第一侷限層32、該第二侷限層34與該紅色活性層33的位能障(Barrier)之能隙約為Eg=3.42eV，而藍光460nm的能隙約為2.7ev，因此，顯然，該第一侷限層32、該第二侷限層34與該紅色活性層33的位能障(Barrier)不會吸收藍光，僅有該紅色活性層33的位能井(WELL)會吸收藍光以激發出該紅光，故可以減少無發光的損耗，而有效增加發光效率。

又該藍寶石接合層40位於該紅色光激光發光結構30與該綠色光激光發光結構20之間，並該藍寶石接合層40接合固定該紅色光激光發光結構30與該綠色光激光發光結構20。於本實施例中，該藍寶石接合層40為作為一接合層使用，該藍寶石接合層40為藍寶石基板(Sapphire Wafer)，且該綠色光激光發光結構20與該紅色光激光發光結構30分別形成於該藍寶石接合層40(接合層)的兩側。在實際結構上，該藍寶石接合層40(接合層)的兩側分別形成該綠色光激光發光結構20的該緩衝層21與該紅色光激光發光結構30的緩衝層31，即該藍寶石接合層40接合固定藍綠磊晶結構之該緩衝層21與紅色磊晶結構之該緩衝層31。

又當該藍色電激光發光結構10被該外加電壓激發而產生該藍光，該藍光激發該綠色光激光發光結構20產生該綠光，該藍光、綠光激發該紅色光激光發光結構30產生該紅光時，未被吸收而穿透射出的該藍光、該綠光，會與該紅光混光而形成三原色光譜。

而本實施例製造方法的步驟，說明如下，首先為備製能夠雙面磊晶成長的該藍寶石接合層40，並讓該藍寶石接合層40作為該接合層；於該藍寶石接合層40(接合層)的一側上，依序形成該綠色光激光發光結構20與該藍色電激光發光結構10。更詳細的說，為於該藍寶石接合層40(接合層)的一側上依序形成該緩衝層21、該第一侷限層22、該綠色活性層23與該第二侷限層24，接著繼續形成該N型半導體層17、該藍色活性層16與該P型半導體層15。最後於後續製成完成該藍色電激光發光結構10的該反射層14、該金屬層13、該P型電極12與該N型電極11等等結構。

又本實施例製造方法的步驟更於該藍寶石接合層40(接合層)的另一側上，形成該紅色光激光發光結構30，即依序形成該緩衝層31、第一侷限層32、該紅色活性層33與該第二侷限層34。

於第一實施例中，其中該第一侷限層22為無摻雜且厚度約1-3μm之U-GaN；該綠色活性層23為多重量子井結構(組數為20-50對量子井，位能井組成為In_0.26 Ga_0.74 N厚度約20-40埃(Å)、位能障為GaN，厚度約50-150Å)；該第二侷限層24為無摻雜且厚度約1-3μm之U-GaN；該N型半導體層17為2-4um的N型半導體，材料可為N-GaN(參雜Si)；該藍色活性層16為多重量子井結構(組數為12-25對之多重量子井，其位能井組成為In_0.17 Ga_0.83 N厚度約20-40Å、其位能障組成為GaN厚度約50-150Å)。該P型半導體層15為0.2-0.6μm之P型半導體，材料可為P-GaN(參雜Mg)。

請再一併參閱圖2、圖3與圖4所示，在製造上，可以讓該外加電壓激發該藍色電激光發光結構10所產生的該藍光作為主光源，再利用調控該綠色活性層23之厚度(通常調整MQW為量子井之重複組數)，以達到控制該藍光轉換成該綠光之比例，可達成不同藍綠強度組合。如圖3所示，為不同量子井重複組數(pairs)藍光強度60與綠光強度70的相對強度比較示意圖。分別以量子井重複組數(pairs)，10pairs、25pairs與40pairs為例說明，可知當該綠色活性層23的量子井重複組數為10pairs，藍光強度60大於綠光強度70，而當該綠色活性層23的量子井重複組數為40pairs，藍光強度60會小於綠光強度70。由此圖可知，透過控制該綠色活性層23的量子井重複組數，由於組數正比於厚度，因此可以達到控制該藍光轉換成該綠光之比例。同理，再透過控制該紅色活性層33的厚度，即控制量子井重複組數，而可控制該藍光、該綠光轉換成該紅光之比例；故本發明可以利用調整該綠色活性層23與該紅色活性層33的厚度而達到三原色(綠光、藍光與紅光)的相對強度控制。而控制後三原色(綠光、藍光與紅光)的相對強度，如圖4所示，藍光強度60、綠光強度70與紅光強度80會趨近於一樣，以滿足作為薄膜電晶體液晶顯示器(TFT_LCD)的背光源的使用需求。

請再參閱圖5所示，為本發明的第二實施例，於此實施例中，同樣包含該藍色電激光發光結構10、該綠色光激光發光結構20與該紅色光激光發光結構30，與第一實施例的差異在，本實施例使用材料為可使藍寶石材料與氮化物半導體侷限層材料連結接之物質作為一連結接合層41，該連結接合層41固定該紅色光激光發光結構30與該綠色光激光發光結構20(該藍色電激光發光結構10)。且該綠色光激光發光結構20為形成於一藍寶石基板42上，而該連結接合層41連結固定該紅色光激光發光結構30與該藍寶石基板42。

而本發明第二實施例的製造方法，其步驟，說明如下，首先如圖6所示，為於該藍寶石基板42的一側上，依序形成該綠色光激光發光結構20的該緩衝層21、該第一侷限層22、該綠色活性層23與該第二侷限層24以及該藍色電激光發光結構10的該N型半導體層17、該藍色活性層16與該P型半導體層15。

接著如圖7所示，為於一可成長氮化物之基板50上，形成該紅色光激光發光結構30，該基板50的材質為選用單晶(Single Crystal)藍寶石(Sapphire)、單晶(Single Crystal)碳化矽(SiC)與單晶(Single Crystal)氮化鎵(GaN)的任一種；在實際製程上，該基板50可以先形成一緩衝層51，再於該緩衝層51上依序形成該紅色光激光發光結構30的該第二侷限層34、該紅色活性層33與該第一侷限層32。

接著如圖8所示，為利用該連結接合層41(結合層)連結固定該紅色光激光發光結構30的該第一侷限層32與該藍寶石基板42，即讓圖6與圖7的結構藉由該連結接合層41(結合層)而連結固定，該連結接合層41(結合層)為連結藍寶石基板42與紅色光激光發光結構30之第一侷限層32，其需要有穩定結構與耐高溫特性(小於攝氏300度)，以利後續之製程。該連結接合層41(結合層)的連結方式可選擇(a)以透明之耐高溫之聚合物(polymer)連結(如：Silicone,Epoxy..)。(b)以旋塗式玻璃SOG(Spin-on glass；液態SiO2)連結。(c)以透明氧化物(如SiO2,SiN)高溫高壓壓合連結。其中以Polymer連結最為簡單；以氧化物高溫壓合結構與透明度最佳。

接著去除該基板50，可以利用研磨減薄與雷射分離的任一種製程來去除該基板50。並於後續製程完成該藍色電激光發光結構10的該反射層14、該金屬層13、該P型電極12與該N型電極11等等結構，即形成如圖5所示的結構。其中若使用研磨減薄，則為去除大部分的該基板50；而選擇雷射分離則可完整去除該基板50。

如上所述，本發明的特點至少包含：

1.本案以電激發光產生藍光，再以光激發光產生綠光與紅光，因而可以達到三原色光譜之顯色品質。

2.各層材料由全固態半導體材料組成，沒有螢光粉的光衰與信賴度問題，可滿足極高、低溫與長期震動條件下的使用需求，適合汽車業之發光元件需求。

3.可以調控該藍色電激光發光結構的藍色活性層、該綠色光激光發光結構與該紅色光激光發光結構的紅色活性層之厚度，藉以達成三原色光譜強度調控，以提供TFT-LCD背光之光源使用，由於三原色光譜之半高寬較窄，當搭配合適之彩色濾光片(Color-Filter)，能有效提升發光效率，適用高亮度操作且其發熱較低，有助於陽光下車用顯示器之性能提升。

4.本案相較氮化鎵成長之紅光LED，氮化鎵成長之紅光LED為電激發光結構，而本發明為成長該紅色光激光發光結構，成長光激光之紅光氮化物半導體結構，只需考慮光激發光之特性，並不需成長較複雜PN接面與半導體導電參雜，故更容易以磊晶成長出良好單晶品質之氮化物作為紅色活性層，其光激光結構可達更佳之發光效率。

5.製程為晶圓級之製作流程：藉由晶圓半導體製程達成三原色結構，除了具量產性佳外，亦可用於任意晶粒尺寸大小的製造，容易製造極小尺寸的三原色晶粒，且在極小尺寸晶粒(<100um)時，沒有因為螢光粉粒徑尺度相近(粒徑約10um)而產生塗佈螢光粉的技術問題。