一種量子點/量子井發光二極管的制作方法

專利名稱：一種量子點/量子井發光二極管的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種發光二極管，特別是涉及一種免用熒光粉的量子點/量子井發光二極管。
背景技術：
發光二極管(Light Emitting Diode，LED)是一種半導體發光組件，不同于傳統的白熾燈泡以大電流使燈絲熱到發光，發光二極管僅須一極小的電流即可激發出相當的光亮。發光二極管利用半導體材料中的電子電洞結合時以發光的方式來顯示其釋放出的能量；發光二極管具體積小、壽命長、驅動電壓低、耗電量低、反應速率快、耐震性特佳及單色性佳等優點，為各種電器、信息廣告牌、通訊產品等的發光組件。依據芯片種類及工藝的控制，可以得到各種的單色光。
由于LED省能源的特性，未來將可望替代部分電燈泡作為照明器具，但是由于目前白光LED由于發光亮度及價格的因素仍不能普及，因此仍未能普及，不過長期而言白光LED是LED產業大躍進的一個領域。白光LED現時的產品大多是以藍光發光二極管激發熒光粉來發出黃色光，兩種光線混合之后就可在視覺上形成白光。而隨著藍光發光二極管亮度逐漸的提升，使得開發白光發光二極管的應用于照明市場上充滿希望。
高亮度LED的發展，讓LED的產業注入活力，尤其藍綠光發光二極管的開發成功，而且將發光的效能更逐日的提升，目前亮度已可達到數個燭光以上，并往上提升中，也因藍光的亮度越來越高，所以由藍光發光二極管涂上熒光粉所激發出的白光LED，應用在照明市場上的用途也隨之日趨擴展。但是，由于其白光由藍光與黃光混合而成，白光LED所發出的光線很難控制為純白，大約是白中帶青或是帶有黃色光暈，即具有不均勻的色溫(Color Temperature)。
而目前已商品化成熟的產品，是由日本日亞化學所研發出的無機白光發光二極管，其結構示意圖請參考圖1所示，在波長為460納米的藍光晶粒10上涂一層乙鋁石榴石熒光粉20，利用藍光發光二極管激發乙鋁石榴石熒光粉20，以產生與藍光互補的555納米波長的黃光，再利用透鏡原理，將互補的黃光和藍光予以混合，得到所需的白光。此方法所制作的白光發光二極管成本較低，且電源回路構造也較簡單。
此白光發光二極管中主要包含有藍光晶粒及熒光粉兩大部分，然由于熒光粉的使用壽命不長，因此，會使得現有的發光二極管的使用壽命受限于熒光粉的使用壽命。此外，由于此發光二極管本身所發出的光線并不包含紅色的光，因此，當它打在紅色物體上時即無法發出紅色的光線，而使得其演色性(ColorRendering Index)相當的差。
而為解決演色性不佳的問題，有人便提出利用紅、藍、綠三色各單一的發光二極管經過混光而產生白色發光光源。然而，由于各個波長的發光二極管并不位于同一面積之上，而是彼此分開一固定距離，因此，其同樣具有演色性不佳的問題。
而目前較為先進的技術，利用二種發出不同波長的磊晶材料，經由晶片鍵合(Wafer bonding)或是晶片融合(Wafer fusion)的技術結合為一白色發光光源。然由于此光源的制作過程中加入了晶片鍵合的工藝，對于二芯片接口造成的吸收將會減少其發光效率，間接提高其技術及成本的門坎，且也會增加工藝的困難度及降低產品的良率。
因此，如何研發出一種可不需使用熒光粉，且同時具有高演色性、較長的使用壽命、低成本等特性的發光二極管，實為亟待解決的一大難題。

發明內容
鑒于以上的問題，本發明的主要目的在于提供一種量子點/量子井發光二極管，于一基板的一側制作一發光二極管，而在此基板的另一側制作一第二發光層與一第三發光層，當施加一適當的順向偏壓于此發光二極管中的n型摻雜氮化層與p型摻雜氮化層，使其發光層發出一第一光線，并通過此第一光線激發此第二發光層與第三發光層，使其分別產生不同顏色的第二光線及第三光線輸出，而此第一光線、第二光線及第三光線經過混光后，即可產生所需顏色的光線輸出。
使用者可依據使用上不同的需求，而更換此發光二極管中的發光層、第二發光層及第三發光層的組成材料，使其發出不同顏色的光線，通過調整不同顏色、不同比例的光線組合，以混合成所需顏色的光線輸出。
由于本發明的量子點/量子井發光二極管利用再回收光子反應而使第二發光層及第三發光層激發出不同顏色的光線，因此，其使用壽命并不會受限于熒光粉的使用壽命，所以，其使用壽命會比現有的含有熒光粉的白光發光二極管還要長。
此外，由于其發光層的結構利用磊晶的方式制作于一基板上，因此，其體積相對于現有技術中需利用三個R/G/B發光二極管來混光的白光光源而言，不論是其本身的體積或是所占的面積皆可大幅降低。
且本發明的量子點/量子井發光二極管于同一面積上發出三種不同波長(紅、藍、綠)的光線，因此，相對于現有利用各自獨立的發光二極管進行混色的發光源而言，此發光二極管具有較佳的演色性。
此外，由于本發明利用磊晶的方式一層一層地成長所需的薄膜結構，因此，不需像現有技術一樣需將二種發出不同波長的磊晶材料經由晶片鍵合技術結合為一白色發光光源，因此，并不會有現有技術中發光效率減低的困擾，且也不會有因晶片黏合所導致的可靠度的問題。
以下結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細描述，但不作為對本發明的限定。


圖1為現有的無機白光發光二極管的架構示意圖；圖2為再回收光子反應的示意圖；圖3A為本發明的量子點/量子井發光二極管第一實施例的結構示意圖；圖3B為本發明的量子點/量子井發光二極管第二實施例的結構示意圖；圖4A為本發明的量子點/量子井發光二極管第三實施例的結構示意圖；及圖4B為本發明的量子點/量子井發光二極管第四實施例的結構示意圖。
其中，附圖標記10藍光晶粒20乙鋁石榴石熒光粉30基礎光源40第二發光材料
50第三發光材料60基板61第一表面62第二表面70發光二極管結構71n型摻雜氮化層711 n型電極72第一發光層73p型摻雜氮化層731 p型電極80第二發光層90間隔層100 第三發光層具體實施方式
請參考圖2所示，本發明的量子點/量子井發光二極管利用再回收光子反應，將一基礎光源30所發出的部份光線分別用以激發一第二發光材料40及一第三發光材料50(此第二發光材料40及第三發光材料50可吸收基礎光源30波段的能量，以發出不同顏色的光線)，當然，由第二發光材料40所發出的部份光線也可用以激發此第三發光材料50，而此基礎光源30、第二發光材料40及第三發光材料50所發出的三種顏色的光線經過混光后，即可產生所需顏色的光線輸出。
請參考圖3A所示，為本發明的量子點/量子井發光二極管第一實施例的結構示意圖。此量子點/量子井發光二極管主要包含有一基板60、一發光二極管結構70、一第二發光層80、一間隔層90及一第三發光層100。
此基板60包括有一第一表面61及一第二表面62。而此基板60需選用適合磊晶的材料，例如藍寶石基板(Sapphire)、硅(Si)基板、碳化硅(SiC)基板、三氧化二鋁(Al2O3)基板、氮化鎵(GaN)基板、氮化鋁(AlN)基板、砷化鎵(GaAs)基板及氧化鋅(ZnO)基板等化合物，并且經過拋光處理而成，以作為磊晶之用。
此藍光發光二極管結構70成長于基板60下方的第一表面61上，其主要包括有一n型摻雜氮化層71、一p型摻雜氮化層73，及夾置于n型摻雜氮化層71與p型摻雜氮化層73之間的第一發光層72。此第一發光層72的材料為以含銦或鋁的氮化物為基礎，而其結構為—可局限載子的量子井/量子點。
而此n型摻雜氮化層71與p型摻雜氮化層73上分別形成有一n型電極711與一p型電極731，此n型電極711與p型電極731形成于n型摻雜氮化層71與p型摻雜氮化層73的部分表面上。當使用時，利用此n型電極711與p型電極731，以施加一適當的順向偏壓于此n型摻雜氮化層71與p型摻雜氮化層73，即可激發此第一發光層72發出藍光。
此第二發光層80形成于基板60的第二表面62上，其組成材料以氮化物為基礎，而其結構為可局限載子的量子點/量子井層。此第二發光層80可吸收第一發光層72所發出的藍光，而發出綠光。
此間隔層90形成于第二發光層80之上，其組成材料同樣以氮化物為基礎，其目的是用以分隔第二發光層80與第三發光層100。
此第三發光層100形成于間隔層90之上，其組成材料也是以氮化物為基礎，而其結構為可局限載子的量子點/量子井層。此第三發光層100可吸收第一發光層72所發出的藍光及第二發光層80所發出的綠光，而發出紅光。
當通過此n型電極711與p型電極731，而施加一適當的順向偏壓于此n型摻雜氮化層71與p型摻雜氮化層73時，即可激發其中的第一發光層72產生一第一光線輸出，此第一光線即為藍光。而此第一光線中的部分光線會直接輸出，而其它部份的光線則用以分別激發此第二發光層80及第三發光層100，當第二發光層80的量子點/量子井層吸收此藍光后，會產生一第二光線，此第二光線即為綠光；而此第三發光層100的量子點/量子井層吸收此由第一發光層72所產生的部份藍光及第二發光層80所產生的部份綠光后，則會產生一第三光線，此第三光線即為紅光；如此一來，通過第一光線(藍光)、第二光線(綠光)及第三光線(紅光)的混光效果，即可產生所需的白光輸出，而此n型電極711與p型電極731可用以反射此第一光線、第二光線與第三光線。
當然，使用者可依據使用上不同的需求，而更換此第一發光層72、第二發光層80及第三發光層100的組成材料，使其發出不同顏色的光線，通過調整不同顏色、不同比例的光線組合，以混合成所需顏色的光線輸出。
請參考圖3B所示，為本發明的量子點/量子井發光二極管第一實施例的結構示意圖，此第二實施例的架構大致上是與第一實施例雷同，僅省略其中之間隔層90，也可達到相同的發光效果。
請參考圖4A所示，為本發明的量子點/量子井發光二極管第三實施例的結構示意圖，此第三實施例的架構大致上是與第一實施例雷同，不過其藍光發光二極管結構70的結構是與第一實施例中相反而已，在上述的第一實施例中，其發光二極管結構70的制作方式依序在基板60的第一表面61上形成n型摻雜氮化層71、第一發光層72與p型摻雜氮化層73。而在此第二實施例中，其發光二極管結構70的制作方式則是依序在基板60的第一表面61上形成p型摻雜氮化層73、第一發光層72與n型摻雜氮化層71，此發光二極管結構70的結構同樣用以發出激發此第二發光層80及第三發光層100的第一光線，此第一光線即為藍光。
此第一光線中的部分光線會直接輸出，而其它部份的光線則用以分別激發此第二發光層80及第三發光層100，當第二發光層80的量子點/量子井層吸收此藍光后，會產生一第二光線，此第二光線即為綠光；而此第三發光層100的量子點/量子井層吸收此由第一發光層72所產生的部份藍光及第二發光層80所產生的部份綠光后，則會產生一第三光線，此第三光線即為紅光；如此一來，通過第一光線(藍光)、第二光線(綠光)及第三光線(紅光)的混光效果，即可產生所需的白光輸出。
請參考圖4B所示，為本發明的量子點/量子井發光二極管第四實施例的結構示意圖，此第四實施例的架構大致上是與第三實施例雷同，此發光二極管的結構同樣是省略其中的間隔層90，也可達到相同的發光效果。
當然，本發明還可有其他多種實施例，在不背離本發明精神及其實質的情況下，熟悉本領域的技術人員當可根據本發明作出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬于本發明所附的權利要求的保護范圍。
權利要求
1.一種量子點/量子井發光二極管，其包含有一基板，該基板包括有一第一表面及一第二表面；一發光二極管結構，設置于該基板的第一表面上，該發光二極管結構包括有一n型摻雜氮化層、一p型摻雜氮化層及夾置于二該氮化層間的一第一發光層；一第二發光層，位于該第二表面之上；及一第三發光層，位于該第二發光層之上；其中，當于該n型摻雜氮化層與該p型摻雜氮化層施加一適當的順向偏壓時，即可激發該第一發光層產生一第一光線輸出，而該第一光線中的部分光線用以分別激發該第二發光層及該第三發光層，以產生一第二光線及一第三光線輸出，該第二光線也可用以激發該第三發光層，通過該第一光線、該第二光線及該第三光線的混合，以產生所需顏色的光線輸出。
2.根據權利要求1所述的量子點/量子井發光二極管，其特征在于，還包含有一間隔層，夾置于該第二發光層與該第三發光層之間。
3.根據權利要求1所述的量子點/量子井發光二極管，其特征在于，還包含有一n型電極與一p型電極，該n型電極連接于該n型摻雜氮化層，該p型電極連接于該p型摻雜氮化層，通過施加電壓于該n型電極與該p型電極，以施加一適當的順向偏壓于該n型摻雜氮化層與該p型摻雜氮化層。
4.根據權利要求1所述的量子點/量子井發光二極管，其特征在于，該n型電極與該p型電極分別形成于該n型摻雜氮化層與該p型摻雜氮化層的部分表面上，且可用以反射該第一光線、該第二光線與該第三光線。
5.根據權利要求1所述的量子點/量子井發光二極管，其特征在于，該n型摻雜氮化層形成于該基板的該第一表面上。
6.根據權利要求1所述的量子點/量子井發光二極管，其特征在于，該p型摻雜氮化層形成于該基板的該第一發光層之上。
7.根據權利要求1所述的量子點/量子井發光二極管，其特征在于，該基板選自由藍寶石基板(Sapphire)、硅(Si)基板、碳化硅(SiC)基板、三氧化二鋁(Al2O3)基板、氮化鎵(GaN)基板、氮化鋁(AlN)基板、砷化鎵(GaAs)基板及氧化鋅(ZnO)基板所成組合之一，而且該基板的該第一表面和該第二表面須為鏡面。
8.根據權利要求1所述的量子點/量子井發光二極管，其特征在于，該第一發光層的材料為以含銦氮化物為基礎，而其結構為一可局限載子的量子井/量子點。
9.根據權利要求1所述的量子點/量子井發光二極管，其特征在于，該第二發光層及該第三發光層的材料為以氮化物為基礎，而其結構為一可局限載子的量子井/量子點。
10.根據權利要求1所述的量子點/量子井發光二極管，其特征在于，該第一光線的波長屬于藍光的波長范圍。
11.根據權利要求1所述的量子點/量子井發光二極管，其特征在于，該第二光線及該第三光線的波長分別屬于綠光及紅光的波長范圍。
12.一種量子點/量子井發光二極管，其包含有一基板；一發光二極管結構，設置于該基板的第一表面上，該發光二極管結構包括有一n型摻雜氮化層、一p型摻雜氮化層及夾置于二該氮化層間的一第一發光層；一第二發光層，位于該p型摻雜氮化層之上；一間隔層，位于該第二發光層之上；及一第三發光層，位于該間隔層之上；其中，當于該n型摻雜氮化層與該p型摻雜氮化層施加一適當的順向偏壓時，即可激發該第一發光層產生一第一光線輸出，而該第一光線中的部分光線用以分別激發該第二發光層及該第三發光層，以產生一第二光線及一第三光線輸出，該第二光線也可用以激發該第三發光層，通過該第一光線、該第二光線及該第三光線的混合，以產生所需顏色的光線輸出。
13.根據權利要求12所述的量子點/量子井發光二極管，其特征在于，還包含有一間隔層，夾置于該第二發光層與該第三發光層之間。
14.根據權利要求12所述的量子點/量子井發光二極管，其特征在于，還包含有一n型電極與一p型電極，該n型電極連接于該n型摻雜氮化層，該p型電極連接于該p型摻雜氮化層，通過施加電壓于該n型電極與該p型電極，以施加一適當的順向偏壓于該n型摻雜氮化層與該p型摻雜氮化層。
15.根據權利要求12所述的量子點/量子井發光二極管，其特征在于，該n型摻雜氮化層形成于該基板之上。
16.根據權利要求12所述的量子點/量子井發光二極管，其特征在于，該p型摻雜氮化層形成于該第一發光層之上。
17.根據權利要求12所述的量子點/量子井發光二極管，其特征在于，該基板選自由藍寶石基板(Sapphire)、硅(Si)基板、碳化硅(SiC)基板、三氧化二鋁(Al2O3)基板、氮化鎵(GaN)基板、氮化鋁(AlN)基板、砷化鎵(GaAs)基板及氧化鋅(ZnO)基板所成組合之一。
18.根據權利要求12所述的量子點/量子井發光二極管，其特征在于，該第一發光層的材料為以含銦氮化物為基礎，而其結構為一可局限載子的量子井/量子點。
19.根據權利要求12所述的量子點/量子井發光二極管，其特征在于，該第二發光層及該第三發光層的材料為以氮化物為基礎，而其結構為一可局限載子的量子井/量子點。
20.根據權利要求12所述的量子點/量子井發光二極管，其特征在于，該第一光線的波長屬于藍光的波長范圍。
21.根據權利要求12所述的量子點/量子井發光二極管，其特征在于，該第二光線及該第三光線的波長分別屬于綠光及紅光的波長范圍。
全文摘要
本發明公開了一種量子點/量子井發光二極管，于一基板的一側制作一發光二極管，并于此基板的另一側制作一第二發光層與一第三發光層，當施加一適當的順向偏壓于此發光二極管，使其第一發光層發出一第一光線時，即可通過此第一光線激發此第二發光層與第三發光層，而分別產生不同顏色的第二光線及第三光線輸出，此第一光線、第二光線及第三光線經過混光后，即可產生所需顏色的光線輸出。
文檔編號H01L33/00GK1805159SQ20051000697
公開日2006年7月19日 申請日期2005年1月14日 優先權日2005年1月14日
發明者王德忠, 卓昌正, 蔡敬恩, 賴志銘 申請人:財團法人工業技術研究院