TWI785693B - 全彩發光器件 - Google Patents

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Abstract

一種全彩發光器件具有：基板，被形成為基板層；緩衝層，形成在基板層上；以及N-摻雜層，形成在緩衝層上。第一雙色藍色綠色MQW主動區、負電極及第二雙色藍色綠色MQW主動區形成在N-摻雜層上。第一P-摻雜層形成在第一雙色藍色綠色MQW主動區上。第二P-摻雜層形成在第二雙色藍色綠色MQW主動區上。第一P+摻雜層形成在第一P-摻雜層上。第二P+摻雜層形成在第二P-摻雜層上。第一正電極形成在第一P+摻雜層上。第二正電極形成在第二P+摻雜層上。具有紅色發光材料的藍色/綠色LED發射全光譜。

Description

全彩發光器件
本發明屬於發光二極體（light-emitting diode，LED）面板顯示技術領域，更具體來說是用作顯示器中的全色畫素或照明系統中的光元件的紅綠藍（Red-Green-Blue，RGB）LED元件。
在現有技術中已論述用於發光圖形顯示器的多種不同的畫素器件。舉例來說，在發明人詹姆斯W. 瑞林（James W. RARING）等人在2013 年 1 月 15 日公佈的名稱為用於形成雷射二極體的生長結構及方法（Growth Structures And Method For Forming Laser Diodes）的美國專利第8,355,418 號中，摘要公開“一種光學器件，所述光學器件具有針對出光的一個或多個選定的波長配置的結構化主動區且形成在斜切（off-cut）的m面含鎵及含氮基板上。”
再舉例來說，在發明人馬尤科·福迪塔（Mayuko Fudeta）等人在2019 年 9 月 12 日公佈的名稱為氮化物半導體發光器件及其生產方法（Nitride Semiconductor Light-Emitting Device and Method For Producing the Same）的美國公佈第US9530932B2號中，摘要公開“一種具有第一導電型氮化物半導體層的氮化物半導體發光器件、設置在第一導電型氮化物半導體層上的超晶格層、設置在超晶格層上的主動層、以及設置在主動層上的第二導電型氮化物半導體層。超晶格層的平均載流子濃度高於主動層的平均載流子濃度。”
[發明的概要]
本發明是一種紅綠藍（RGB）發光二極體（LED）元件，所述RGB LED元件具有被分成兩個子部分的單片式雙色（藍色及綠色）發光器件，其中一個子部分局部地覆蓋有紅色發光材料。通過選擇不同的輸入，在第一子畫素中獨立地產生綠色出光及藍色出光。通過在第二子畫素中產生的綠色出光和/或藍色出光的下轉換（down-conversion）產生第二子畫素中的紅色出光。因此，可從此單個器件各別地獲得三種原色（藍色、綠色及紅色）。單個器件具有三個端子，即一個陰極及兩個陽極，所述三個端子可通過三種原色的混合色發出全色光譜。
來自此雙色LED的出光是波長可調的。電流脈衝強度及脈衝強度寬度調製（pulse intensity width modulation，PIWM）提供各別的彩色畫素顏色補償（color pixel color compensation）。可在不關閉器件電源的條件下實現顏色合成。每一各別的彩色畫素具有當前脈衝強度及脈衝寬度顏色組成。
紅色發光材料可為紅色量子點、紅色磷光體、稀土材料或其他紅色材料。紅色發光材料可為顆粒、凝膠、膜或板的形式。本發明器件可以精確的比率發射三種原色，以模擬不同時間處的自然陽光。因此，可基於此種單個器件實現校正色溫（corrected-color-temperature，CCT）可控的白光LED。
[申請專利範圍的概要]
一種全彩發光器件具有：被形成為基板層的基板，例如藍寶石、Si、GaN、SiC、石墨烯等；緩衝層，形成在基板層上；以及N-摻雜層，形成在緩衝層上。第一雙色藍色綠色多重量子井（multiple quantum well，MQW）主動區、負電極、第二雙色藍色綠色MQW主動區形成在N-摻雜層上。第一P-摻雜層形成在第一雙色藍色綠色MQW主動區上。第二P-摻雜層形成在第二雙色藍色綠色MQW主動區上。第一P+摻雜層形成在第一P-摻雜層上。第二P+摻雜層形成在第二P-摻雜層上。第一正電極形成在第一P+摻雜層上。第二正電極形成在第二P+摻雜層上。
紅色發光層安裝在所述第二P+摻雜層之上。第一雙色藍色綠色MQW主動區被配置成當所述第一正電極具有大的電流（例如處於360 mA）時輸出具有介於450 nm與475 nm之間的峰值波長的藍色出光。
第一雙色藍色綠色MQW主動區被配置成當所述第一正電極具有低的電流（例如，處於40 mA）時輸出具有介於500 nm與550 nm之間的峰值波長的綠色出光。所述第一雙色藍色綠色MQW主動區是由層疊結構形成的，所述層疊結構包括形成在綠色發光層之上的P-AlGaN電子阻擋層，且所述綠色發光層形成在GaN障壁層之上。所述GaN障壁層形成在藍色發光層之上。所述藍色發光層形成在InGaN順應層（compliance layer）之上。
綠色發光層包括可發射具有介於500 nm到550 nm的範圍內的波長的綠光的多重量子井（MQW）結構。在此MQW結構中，3 nm厚的In0.25 Ga0.75 N層用作主動層且夾置在兩個GaN（9 nm）障壁層之間以形成一組量子井（quantum well，QW）。綠色發光層可包含一組到三組量子井以形成MQW結構。
藍色發光層包括可發射具有介於450 nm到470 nm的範圍內的波長的藍光的多重量子井（MQW）結構。在此MQW結構中，3 nm厚的In0.15 Ga0.85 N層用作主動層且夾置在兩個GaN（9 nm）障壁層之間以形成一組量子井（QW）。藍色發光層可包含兩組到十組量子井以形成藍色MQW結構。
[詞彙表] LED代表發光二極體； MQW代表多重量子井； P+摻雜層代表正電荷摻雜層； N-摻雜層代表負電荷摻雜層； InGaN代表氮化銦鎵； GaN代表氮化鎵； AlGaN代表氮化鋁鎵； mA代表毫安培。
如圖1中所見，第一正電極11形成在P+摻雜層20上。P+摻雜層20形成在P-摻雜層30上。P-摻雜層30形成在多重量子井（MQW）主動區40上。多重量子井主動區形成在N-摻雜層50上。N-摻雜層50形成在緩衝層60上。負電極12形成在N-摻雜層50上。緩衝層60形成在基板70上。
MQW主動區40位於P-摻雜層30與N-摻雜層50之間。MQW主動區40具有在綠色發光層44之上形成的P-AlGaN電子阻擋層43。綠色發光層具有帶有In0.25 Ga0.75 N（3 nm）/GaN（9 nm）的多重量子井（MQW）結構。綠色發光層44可形成在子層中。
綠色發光層由3 nm厚的In0.25 Ga0.75 N主動層及兩個GaN（9 nm）障壁層組成，以形成一組量子井（QW）。綠色發光層可包含一組到三組量子井以形成MQW結構。
綠色發光層44形成在GaN障壁層45之上，且GaN障壁層45形成在藍色發光層46之上。藍色發光層46具有形成有In0.15 Ga0.85 N（3 nm）/GaN（9 nm）的多重量子井（MQW）結構。
藍色發光層46優選由多重量子井（MQW）結構（尤其是In0.15 Ga0.85 N（3 nm）/GaN（9 nm））製成。藍色發光層46形成在InGaN順應層47上。藍色發光層由3 nm厚的In0.15 Ga0.85 N主動層及兩個GaN（9 nm）障壁層組成，以形成一組量子井（QW）。藍色發光層可包含兩組到十組量子井以形成MQW結構。
如圖2中所見，第一子畫素16及第二子畫素17彼此鄰近地形成在單個基板70上。第一正電極11鄰近第二正電極13形成，負電極12位於第一正電極11與第二正電極13之間。
第一正電極形成在第一P+摻雜層21上。第一P+摻雜層21形成在第一P-摻雜層31上，第一P-摻雜層31形成在第一雙色（藍色/綠色）MQW主動區41上。功率控制器可向正電極或負電極輸出功率。在製程期間，感測紅色、綠色及藍色輸出的光感測器可向功率控制器提供回饋控制，功率控制器會控制到第一正電極11或第二正電極13的輸出。因此，可相應地實現期望的光色（藍色、綠色、紅色、或其混合色）及強度。
紅色發光層14安裝在第二P+摻雜層22上方，第二P+摻雜層22形成在第二P-摻雜層32上。第二P-摻雜層32形成在第二雙色藍色綠色MQW主動區42上。負電極12、第一雙色藍色綠色MQW主動區41及第二雙色藍色綠色MQW主動區42形成在N-摻雜層50上，N-摻雜層50繼而形成在緩衝層60上，緩衝層60繼而形成在基板70上。
如圖3中所見，第一正電極11與第二正電極13連接到不同的發光二極體。第一正電極11連接到第一子畫素16，且第二正電極13連接到第二子畫素17。第一子畫素16及第二子畫素17二者為發光二極體。第一子畫素16可根據電壓或電流而輸出綠色出光或藍色出光23。第二子畫素17輸出穿過紅色發光材料15的光，紅色發光材料15形成紅色出光24。當紅色出光24與綠色出光或藍色出光23混合時，此對發光二極體提供全光譜發光二極體。第一子畫素16是連接在第一正電極11與負電極12之間的發光二極體。第二子畫素17是連接在第二正電極13與負電極12之間的紅色發光二極體。
如圖4中所見，第一子畫素16可具有帶有介於500 nm與550 nm之間的峰值且在~40mA的電流下輸出的綠色出光25。如圖5中所見，第一子畫素16可具有帶有介於450 nm與475 nm之間的峰值且在~360 mA下輸出的藍色出光。因此，使第一子畫素16上的電流發生變化會改變光輸出的波長。
器件可在紅色模式、綠色模式及藍色模式下進行操作。舉例來說，在綠色模式下，第一正電極接收40mA以從第一子畫素16輸出綠光出光25。在藍色模式下，第一正電極接收360 mA以從第一子畫素16輸出藍光出光26。在紅色模式下，正電極接收對經過濾波變成紅光的光進行輸出的電流。
LED晶片總體上被配置成可在單一個晶片內獨立地及選擇性地發射三種原色及所述三種原色的混合色的器件，並且其中晶片的尺寸範圍可小到一平方微米至大到100平方毫米面積。
如圖6中所見，第一正電極11可形成在第一正電極軌條18上，且第二正電極13可形成在第二正電極軌條19上。第一正電極軌條18及第二正電極軌條19安裝在第一子畫素16及第二子畫素17之上。軌條結構可由細長的導電物質（例如能夠攜帶電子流的金屬）製成。負電極12也可被形成為軌條且安裝在基板70之上。基板70可由例如N-GaN等氮化鎵製成。
如圖7中所見，全彩發光二極體可以由雙色（藍色和綠色）單片發光二極體覆蓋紅色發光材料15製成。具體地，正電極13A形成在P+摻雜層22A上。P+摻雜層22A形成在P-摻雜層32A上。P-摻雜層32A形成在雙色（例如藍色綠色）多重量子井主動區42A上。雙色多重量子井主動區42A形成在N-摻雜層50上。N-摻雜層50形成在緩衝層60上。負電極12形成在N-摻雜層50上。緩衝層60形成在基板70上。關於正電極13A、P+摻雜層22A、P-摻雜層32A、雙色多重量子井主動區42A的內容可參照上述第一正電極11、P+摻雜層20、P-摻雜層30、多重量子井（MQW）主動區40的描述，於此不再重述。紅色發光層15安裝在第二P+摻雜層22上方。在此實施例中，圖7的紅色發光材料15較圖3的紅色發光材料15薄或較低濃度，以便藍色出光26（或綠色出光25）不會被紅色發光材料15完全吸收。
可根據電壓或電流而輸出綠色出光25或藍色出光26。綠色出光25的一部分（如綠色出光25A）或藍色出光26的一部分（如藍色出光26A）穿過紅色發光材料15，且綠色出光25或藍色出光26的另一部分被紅色發光材料15轉換成紅色出光24A。因此，LED晶片總體上被配置成可在單一個晶片內獨立地及選擇性地發射三種原色及所述三種原色的混合色的器件，其中調整每一原色的光強度的調整方式可包括：(a)控制輸入電流強度和持續時間及/或(b)控制紅色發光材料15的厚度/濃度。如此，可以實現具有預定強度的三原色，例如，三種原色的強度皆相同。
11:第一正電極 12:負電極 13:第二正電極 13A正電極 14:紅色發光層 15:紅色發光材料 16:第一子畫素 17:第二子畫素 18:第一正電極軌條 19:第二正電極軌條 20:P+摻雜層 21:第一P+摻雜層 22:第二P+摻雜層 22A P+摻雜層 23:綠色出光或藍色出光 24、24A:紅色出光 25、25A:綠色出光 26、26A:藍色出光 30:P-摻雜層 31:第一P-摻雜層 32:第二P-摻雜層 32A P-摻雜層 40:多重量子井（MQW）主動區 41:第一雙色（藍色/綠色）MQW主動區/第一雙色藍色綠色MQW主動區 42:第二雙色藍色綠色MQW主動區 42A雙色多重量子井主動區 43:P-AlGaN電子阻擋層 44:綠色發光層 45:GaN障壁層 46:藍色發光層 47:InGaN順應層 50:N-摻雜層 60:緩衝層 70:基板
圖1是單片式雙色藍色綠色LED的示意圖。 圖2是繪示出根據本發明示例性實施例的LED的剖視圖。 圖3是繪示出本發明的雙模式操作的電路圖。 圖4是繪示出綠光發射的圖表。 圖5是繪示出藍光發射的圖表。 圖6是繪示出LED晶片的三維佈局架構的圖表。 圖7是單片式雙色藍色綠色LED的示意圖。
11:第一正電極
12:負電極
20:P+摻雜層
30:P-摻雜層
40:多重量子井主動區
43:P-AlGaN電子阻擋層
44:綠色發光層
45:GaN障壁層
46:藍色發光層
47:InGaN順應層
50:N-摻雜層
60:緩衝層
70:基板

Claims (24)

  1. 一種全彩發光器件，包括：a.基板，其中所述基板被形成為基板層；b.緩衝層，其中所述緩衝層形成在所述基板層上；c.N-摻雜層，其中所述N-摻雜層形成在所述緩衝層上；d.第一雙色藍色綠色多重量子井主動區，形成在所述N-摻雜層上；e.第二雙色藍色綠色多重量子井主動區，形成在所述N-摻雜層上；f.負電極，其中所述負電極形成在所述N-摻雜層上；g.第一P-摻雜層，其中所述第一P-摻雜層形成在所述第一雙色藍色綠色多重量子井主動區上；h.第二P-摻雜層，其中所述第二P-摻雜層形成在所述第二雙色藍色綠色多重量子井主動區上；i.第一P+摻雜層，其中所述第一P+摻雜層形成在所述第一P-摻雜層上；j.第二P+摻雜層，其中所述第二P+摻雜層形成在所述第二P-摻雜層上；k.第一正電極，其中所述第一正電極形成在所述第一P+摻雜層上；l.第二正電極，其中所述第二正電極形成在所述第二P+摻雜層上；以及 m.紅色發光層，其中所述紅色發光層安裝在所述第二P+摻雜層之上，其中所述第一雙色藍色綠色多重量子井主動區被配置成當所述第一正電極具有~360mA的電流時輸出具有介於450nm與475nm之間的峰值波長的藍色出光。
  2. 如請求項1所述的全彩發光器件，其中所述第一雙色藍色綠色多重量子井主動區被配置成當所述第一正電極具有40mA的電流時輸出具有介於500nm與550nm之間的峰值波長的綠色出光。
  3. 如請求項1所述的全彩發光器件，其中所述第一雙色藍色綠色多重量子井主動區是由層疊結構形成的，所述層疊結構包括形成在綠色發光層之上的P-AlGaN電子阻擋層，其中所述綠色發光層形成在GaN障壁層之上，其中所述GaN障壁層形成在藍色發光層之上，其中所述藍色發光層形成在InGaN順應層之上。
  4. 如請求項3所述的全彩發光器件，其中所述綠色發光層包括具有In0.25Ga0.75N(3nm)/GaN(9nm)結構的多重量子井(MQW)結構，其中所述綠色發光層具有綠色發光子層。
  5. 如請求項3所述的全彩發光器件，其中所述藍色發光層包括具有In0.15Ga0.85N(3nm)/GaN(9nm)結構的多重量子井(MQW)結構，其中所述藍色發光層具有藍色發光子層。
  6. 如請求項3所述的全彩發光器件，其中所述全彩發光器件被配置成在單一個晶片內獨立地且選擇性地發射三種原色及 所述三種原色的混合色，且其中所述晶片的尺寸介於小到一平方微米至大到100平方毫米的範圍內。
  7. 如請求項6所述的全彩發光器件，其中所述綠色發光層包括具有In0.25Ga0.75N(3nm)/GaN(9nm)結構的多重量子井(MQW)結構，其中所述綠色發光層具有綠色發光子層。
  8. 如請求項6所述的全彩發光器件，其中所述藍色發光層包括具有In0.15Ga0.85N(3nm)/GaN(9nm)結構的多重量子井(MQW)結構，其中所述藍色發光層具有藍色發光子層。
  9. 一種全彩發光器件，包括：a.基板，其中所述基板被形成為基板層；b.緩衝層，其中所述緩衝層形成在所述基板層上；c.N-摻雜層，其中所述N-摻雜層形成在所述緩衝層上；d.第一雙色藍色綠色多重量子井主動區，形成在所述N-摻雜層上；e.第二多重量子井主動區，形成在所述N-摻雜層上；f.負電極，其中所述負電極形成在所述N-摻雜層上；g.第一P-摻雜層，其中所述第一P-摻雜層形成在所述第一雙色藍色綠色多重量子井主動區上；h.第二P-摻雜層，其中所述第二P-摻雜層形成在所述第二多重量子井主動區上；i.第一P+摻雜層，其中所述第一P+摻雜層形成在所述第一P-摻雜層上； j.第二P+摻雜層，其中所述第二P+摻雜層形成在所述第二P-摻雜層上；k.第一正電極，其中所述第一正電極形成在所述第一P+摻雜層上；l.第二正電極，其中所述第二正電極形成在所述第二P+摻雜層上；以及m.紅色發光層，其中所述紅色發光層安裝在所述第二P+摻雜層之上，其中所述第一雙色藍色綠色多重量子井主動區被配置成當所述第一正電極具有~360mA的電流時輸出具有介於450nm與475nm之間的峰值波長的藍色出光。
  10. 如請求項9所述的全彩發光器件，其中所述第一雙色藍色綠色多重量子井主動區被配置成當所述第一正電極具有40mA的電流時輸出具有介於500nm與550nm之間的峰值波長的綠色出光。
  11. 如請求項9所述的全彩發光器件，其中所述第一雙色藍色綠色多重量子井主動區是由層疊結構形成的，所述層疊結構包括形成在綠色發光層之上的P-AlGaN電子阻擋層，其中所述綠色發光層形成在GaN障壁層之上，其中所述GaN障壁層形成在藍色發光層之上，其中所述藍色發光層形成在InGaN順應層之上。
  12. 如請求項11所述的全彩發光器件，其中所述綠色發光層包括具有In0.25Ga0.75N(3nm)/GaN(9nm)結構的多重量子井(MQW)結構，其中所述綠色發光層具有綠色發光子層。
  13. 如請求項11所述的全彩發光器件，其中所述藍色發光層包括具有In0.15Ga0.85N(3nm)/GaN(9nm)結構的多重量子井(MQW)結構，其中所述藍色發光層具有藍色發光子層。
  14. 如請求項11所述的全彩發光器件，其中所述全彩發光器件被配置成在單一個晶片內獨立地且選擇性地發射三種原色及所述三種原色的混合色，且其中所述晶片的尺寸介於小到一平方微米至大到100平方毫米的範圍內。
  15. 如請求項14所述的全彩發光器件，其中所述綠色發光層包括具有In0.25Ga0.75N(3nm)/GaN(9nm)結構的多重量子井(MQW)結構，其中所述綠色發光層具有綠色發光子層。
  16. 如請求項14所述的全彩發光器件，其中所述藍色發光層包括具有In0.15Ga0.85N(3nm)/GaN(9nm)結構的多重量子井(MQW)結構，其中所述藍色發光層具有藍色發光子層。
  17. 一種全彩發光器件，包括：a.基板，其中所述基板被形成為基板層；b.緩衝層，其中所述緩衝層形成在所述基板層上；c.N-摻雜層，其中所述N-摻雜層形成在所述緩衝層上；d.雙色藍色綠色多重量子井主動區，形成在所述N-摻雜層上；e.負電極，其中所述負電極形成在所述N-摻雜層上；f.P-摻雜層，其中所述P-摻雜層形成在所述雙色藍色綠色多重量子井主動區上； g.P+摻雜層，其中所述P+摻雜層形成在所述P-摻雜層上；h.正電極，其中所述正電極形成在所述P+摻雜層上；以及i.紅色發光層，其中所述紅色發光層安裝在所述P+摻雜層之上，其中所述雙色藍色綠色多重量子井主動區被配置成當所述正電極具有~360mA的電流時輸出具有介於450nm與475nm之間的峰值波長的藍色出光。
  18. 如請求項17所述的全彩發光器件，其中所述雙色藍色綠色多重量子井主動區被配置成當所述正電極具有40mA的電流時輸出具有介於500nm與550nm之間的峰值波長的綠色出光。
  19. 如請求項17所述的全彩發光器件，其中所述雙色藍色綠色多重量子井主動區是由層疊結構形成的，所述層疊結構包括形成在綠色發光層之上的P-AlGaN電子阻擋層，其中所述綠色發光層形成在GaN障壁層之上，其中所述GaN障壁層形成在藍色發光層之上，其中所述藍色發光層形成在InGaN順應層之上。
  20. 如請求項19所述的全彩發光器件，其中所述綠色發光層包括具有In0.25Ga0.75N(3nm)/GaN(9nm)結構的多重量子井(MQW)結構，其中所述綠色發光層具有綠色發光子層。
  21. 如請求項19所述的全彩發光器件，其中所述藍色發光層包括具有In0.15Ga0.85N(3nm)/GaN(9nm)結構的多重量子井(MQW)結構，其中所述藍色發光層具有藍色發光子層。
  22. 如請求項19所述的全彩發光器件，其中所述全彩發光器件被配置成在單一個晶片內獨立地且選擇性地發射三種原色 及所述三種原色的混合色，且其中所述晶片的尺寸介於小到一平方微米至大到100平方毫米的範圍內。
  23. 如請求項22所述的全彩發光器件，其中所述綠色發光層包括具有In0.25Ga0.75N(3nm)/GaN(9nm)結構的多重量子井(MQW)結構，其中所述綠色發光層具有綠色發光子層。
  24. 如請求項22所述的全彩發光器件，其中所述藍色發光層包括具有In0.15Ga0.85N(3nm)/GaN(9nm)結構的多重量子井(MQW)結構，其中所述藍色發光層具有藍色發光子層。
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