专利名称：单芯片式白光发光二极管元件的制作方法
技术领域：
本发明属于发光二极管元件领域，尤其涉及一种单芯片式白光发光二极管元件。
背景技术：
发光二极管由于具有耗电量低、元件寿命长、低驱动电压以及反应速度快等优点， 目前已广泛地被应用于交通标志、装饰灯具以及各式电子产品的指示灯等方面。此外，随着 白光发光二极管的快速发展，发光二极管的应用范围更扩展至一般照明以及液晶显示器的 背光源等方面。现有的白光发光二极管主要可区分为两种类型。第一类白光发光二极管为利用蓝 光发光二极管搭配荧光层，并通过蓝光发光二极管发射的蓝光激发荧光层使其产生与蓝光 互补的黄光，再通过透镜将蓝光与黄光混光成所需的白光。此类型的白光发光二极管虽具 有低成本的优势，但由于其所产生的白光是通过蓝光与黄光混合而成，欠缺了红光成分，因 此色纯度不佳。此外，蓝光与黄光的波长准确度必须很高，否则将由于互补性不佳而使得混 合的白光产生色偏。另外，荧光层与透镜结构的设置也导致此类型的白光发光二极管的体 积偏大。第二类白光发光二极管是将红光发光二极管、绿光发光二极管与蓝光发光二极管 三个不同颜色的发光二极管芯片封装成一个白光发光二极管，并通过红光发光二极管发射 的红光、绿光发光二极管发射的绿光与蓝光发光二极管发射的蓝光混合成白光。然而，三芯 片式白光发光二极管须增加额外的驱动电路以分别驱动红光发光二极管、绿光发光二极管 与蓝光发光二极管，故增加了制作成本与复杂度。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于提供一种能够减少制作成本并提升色纯 度的单芯片式白光发光二极管元件。为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种单芯片式白光发光二极管元件，所 述单芯片式白光发光二极管元件包括第一半导体层，其具有第一掺杂型式；红光锌锰硒碲量子井，设置于所述第一半导体层上；第一位障层，设置于所述红光锌锰硒碲量子井上；绿光发光层，设置于所述第一位障层上，所述绿光发光层包括多个绿光量子点；第二位障层，设置于所述绿光发光层上；蓝光发光层，设置于所述第二位障层上，所述蓝光发光层包括多个蓝光量子点；第三位障层，设置于所述蓝光发光层上；以及第二半导体层，设置于所述第三位障层上，所述第二半导体层具有第二掺杂型式。在本发明实施例中，本发明的单芯片式白光发光二极管元件利用锌锰硒碲量子井 作为红光发光层，以及利用II-VI族制作绿光发光层和蓝光发光层的材料。上述材料之间 具有类似的晶格，可减少差排缺陷的产生，借此提升发光效率。另外，绿光发光层和蓝光发光层是以量子点的型式存在，因此可进一步避免发光效率受到缺陷的影响。再者，本发明的 单芯片式白光发光二极管元件是利用红光、绿光与蓝光混合形成白光，因此可避免现有的 白光发光二极管易产生色偏的问题。
图1是本发明一较佳实施例提供的一种单芯片式白光发光二极管元件的示意图。图2是本发明实施例提供的红光锌锰硒碲量子井内的电子能阶变化的示意图。图3是本发明实施例提供的绿光量子点与蓝光量子点的发光强度与波长的示意 图。
具体实施例方式为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结 合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅 用以解释本发明，并不用于限定本发明。请参考图1，图1绘示了本发明一较佳实施例的一种单芯片式白光发光二极管元 件的示意图。如图1所示，本实施例的单芯片式白光发光二极管元件10包括一第一半导 体层12、一红光锌锰硒碲量子井14设置于第一半导体层12上、一第一位障层16设置于红 光锌锰硒碲量子井14上、一绿光发光层18设置于第一位障层16上、一第二位障层20设置 于绿光发光层18上、一蓝光发光层22设置于第二位障层20上、一第三位障层M设置于所 述蓝光发光层22上，以及一第二半导体层沈设置于第三位障层M上。另外，第一半导体 层12与红光锌锰硒碲量子井14之间可另设置一缓冲层13。第一半导体层12具有第一掺杂型式，例如P型掺杂型式。在本实施例中，第一半 导体层12是选用掺杂锌的砷化镓基板，但不以此为限。红光锌锰硒碲量子井14是用于提 供红光的来源。缓冲层13的作用为增加第一半导体层12与红光锌锰硒碲量子井14之间 的晶格匹配，此外缓冲层13的能隙也需高于红光锌锰硒碲量子井14的能隙，从而将载子局 限在红光锌锰硒碲量子井14内，因此缓冲层13的材料在选用上需符合上述两项条件。在 本实施例中，缓冲层13的材料是选用未掺杂硒化锌层，但并不以此为限，其它符合上述两 项条件的材料也可作为缓冲层13的材料。绿光发光层18包括多个绿光量子点18A，用于提 供绿光的来源。蓝光发光层22包括多个蓝光量子点22A，用于提供蓝光的来源。第一位障层16、第二位障层20和第三位障层M的作用在于将电子局限在红光锌 锰硒碲量子井14、绿光发光层18或蓝光发光层22内进行反应，因此在材料的选择上需选择 能隙高于红光锌锰硒碲量子井14、绿光发光层18和蓝光发光层22的能隙的材料。另外，第 一位障层16、第二位障层20和第三位障层M的晶格也需与红光锌锰硒碲量子井14、绿光 发光层18或蓝光发光层22相匹配，以避免因晶格不匹配所产生的缺陷影响发光效率和元 件寿命。基于上述考虑，第一位障层16、第二位障层20及第三位障层M的材料应选用可与 红光锌锰硒碲量子井14、绿光发光层18及蓝光发光层22相匹配的材料。在本实施例中，第 一位障层16、第二位障层20及第三位障层M的材料是选用硒化锌，但并不以此为限，也可 为其它适当的II-VI族材料。第二半导体层沈具有一第二掺杂型式，例如N型掺杂型式。在本实施例中，第二
4半导体层26是选用掺杂氯的硒化锌，但不以此为限。此外为了提供顺向偏压，第二半导体 层26相对于第三位障层M的另一侧表面设置有电极观，例如钼铬合金电极，且电极观具 有透光区28k,以使单芯片式白光发光二极管元件10产生的白光可射出，而第一半导体12 相对于缓冲层13的另一侧表面则设置有电极30，例如铟电极，但不以此为限。以下针对本发明的红光锌锰硒碲量子井14、绿光量子点18A以及蓝光量子点22A 的发光原理进行说明。请参考图2，一并参考图1，图2绘示了本实施例的红光锌锰硒碲量 子井14内的电子能阶变化的示意图。如图2所示，在顺向偏压的驱动下，第二半导体层沈 内的电子会被激发至传导带，如图2的虚实线(dash-dot line)所示。在本实施例中，红 光锌锰硒碲量子井14选用锌锰硒碲的合金，其中碲具有高补捉载子效率，可作为载子迁移 媒介，在此状况下，位于传导带的电子会先被碲补捉，再快速迁移至二价锰离子(Mn2+)的能 阶，如图2的虚线(dash line)所示。由于电子在二价锰离子的能阶下为不稳定的激发态， 因此电子会掉落至稳定的基态，如图2的实线(solid line)所示，并在此过程中会产生红 光。在本实施例的红光锌锰硒碲量子井14内，二价锰离子的能隙约为2. 0电子伏特，因此 可释放出波长约为620纳米(nm)的红光。另外值得说明的是在本实施例中，红光锌锰硒碲 量子井14内的锰与碲的含量很低，例如锰的原子浓度(atomic percentage)大体上是介于 2%与5%之间，并以3%为较佳，而碲的原子浓度大体上是介于3%与7%之间，并以5%为 较佳。如前所述，碲具有高补捉载子效率，因此在碲存在的情况下，仅需要少量的锰即可达 到高发光效率。此外，尽管锰与碲的浓度很低，但已足够调整能隙，使红光锌锰硒碲量子井 14的能隙(约2. 75电子伏特)小于以硒化锌作为材料的缓冲层13和第一位障层16的能 隙(约2. 8电子伏特)，故可确保量子局限效应。此外，微量的锰原子与碲原子几乎不会影 响到红光锌锰硒碲量子井14的晶格，故使得红光锌锰硒碲量子井14的晶格常数与使用例 如硒化锌作为材料的第一半导体层12与第一位障层16的晶格常数接近而可避免缺陷产 生。另外，在本实施例中，红光锌锰硒碲量子井14的厚度(井宽)大体上是介于Inm与5nm 之间，并以2nm为较佳。在上述厚度范围下由于红光锌锰硒碲量子井14的井宽未达到晶格 松弛(Iatticerelaxation)，因此也可降低缺陷的产生。请再参考图1。本实施例利用绿光量子点18A与蓝光量子点22A提供绿光源和蓝 光源。由于绿光量子点18A和蓝光量子点22A是以量子点的型式分散地分布，因此受到差 排(dislocation)缺陷影响的机率低。换言之，仅有少部分的绿光量子点18A和蓝光量子 点22A会受到缺陷的影响，而大部分的绿光量子点18A和蓝光量子点22A仍可正常发光。在 本实施例中，绿光发光层18的厚度大体上介于2. 5与3原子层之间，并以2. 5原子层为较 佳，且绿光量子点18A的密度大体上是介于5*108cm_2与109cm_2之间，并以109cm_2为较佳， 但不以此为限。此外，蓝光发光层22的厚度大体上介于1. 5与2. 5原子层之间，并以1. 5原 子层为较佳，且蓝光量子点22k的密度大体上是介于5*108cm_2与109cm_2之间，并以109cm_2 为较佳，但不以此为限。另外，在本实施例中，绿光量子点18A和蓝光量子点22A是选用相 同的II-VI族元素作为材料，其具有近似的能隙，但蓝光量子点22A的尺寸小于绿光量子点 18A的尺寸，从而在波长局限效应下，尺寸较大的绿光量子点18A可发出绿光，而尺寸较小 的蓝光量子点22A可发出蓝光。举例而言，绿光量子点18A可为绿光硒化镉量子点，其能隙 约为1. 7电子伏特，而蓝光量子点22A可为蓝光硒化镉量子点，其能隙约为1. 7电子伏特； 或者，绿光量子点18A可为绿光碲化锌量子点，而蓝光量子点22A可为蓝光碲化锌量子点。
5又，绿光量子点18A和蓝光量子点22A的材料不以上述材料为限，可使用其它合适的II-VI 族元素作为材料。请参考图3，一并参考图1，图3绘示了本实施例的绿光量子点与蓝光量子点的发 光强度与波长的示意图。如图3所示，本实施例的绿光量子点18A可发出波长范围约介于 510与550纳米之间、且强度达到约6000至12000单位(arbitrary,a. u.)之间的绿光，而 蓝光量子点22A可发出波长范围约介于460与500纳米之间、且强度达到约3000至6000 单位之间的蓝光。综上所述，本发明的单芯片式白光发光二极管元件利用锌锰硒碲量子井作为红光 发光层，以及利用II-VI族制作绿光发光层和蓝光发光层的材料。上述材料之间具有类似 的晶格，可减少差排缺陷的产生，借此提升发光效率。另外，绿光发光层和蓝光发光层是以 量子点的型式存在，因此可进一步避免发光效率受到缺陷的影响。再者，本发明的单芯片式 白光发光二极管元件是利用红光、绿光与蓝光混合形成白光，因此可避免现有的白光发光 二极管易产生色偏的问题。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种单芯片式白光发光二极管元件，其特征在于，所述单芯片式白光发光二极管元 件包括第一半导体层，其具有第一掺杂型式；红光锌锰硒碲量子井，设置于所述第一半导体层上；第一位障层，设置于所述红光锌锰硒碲量子井上；绿光发光层，设置于所述第一位障层上，所述绿光发光层包括多个绿光量子点；第二位障层，设置于所述绿光发光层上；蓝光发光层，设置于所述第二位障层上，所述蓝光发光层包括多个蓝光量子点；第三位障层，设置于所述蓝光发光层上；以及第二半导体层，设置于所述第三位障层上，所述第二半导体层具有第二掺杂型式。
2.如权利要求1所述的单芯片式白光发光二极管元件，其特征在于，所述红光锌锰硒 碲量子井的锰的原子浓度介于2%与5%之间；所述红光锌锰硒碲量子井的碲的原子浓度 介于3%与7%之间。
3.如权利要求1所述的单芯片式白光发光二极管元件，其特征在于，所述红光锌锰硒 碲量子井的厚度介于1纳米与5纳米之间。
4.如权利要求1所述的单芯片式白光发光二极管元件，其特征在于，所述绿光量子点 与所述蓝光量子点为相同材质，且所述蓝光量子点的尺寸小于所述绿光量子点的尺寸。
5.如权利要求4所述的单芯片式白光发光二极管元件，其特征在于，所述绿光量子点 包括绿光硒化镉量子点，所述蓝光量子点包括蓝光硒化镉量子点；或者，所述绿光量子点包 括绿光碲化锌量子点，所述蓝光量子点包括蓝光碲化锌量子点。
6.如权利要求1所述的单芯片式白光发光二极管元件，其特征在于，所述绿光发光层 的厚度介于2. 5与3原子层之间；所述绿光发光层的绿光量子点的密度介于5*108cm_2与 IO9CnT2 之间。
7.如权利要求1所述的单芯片式白光发光二极管元件，其特征在于，所述蓝光发光层 的厚度介于1. 5与2. 5原子层之间；所述蓝光发光层的蓝光量子点的密度介于5*108cm_2与 IO9CnT2 之间。
8.如权利要求1所述的单芯片式白光发光二极管元件，其特征在于，所述第一半导体 层为P型半导体层，所述第二半导体层为N型半导体层。
9.如权利要求1所述的单芯片式白光发光二极管元件，其特征在于，所述第一位障层 包括硒化锌层，所述第二位障层包括硒化锌层，所述第三位障层包括硒化锌层。
10.如权利要求1所述的单芯片式白光发光二极管元件，其特征在于，所述单芯片式白 光发光二极管元件还包括缓冲层，所述缓冲层设置于所述第一半导体层与所述红光锌锰硒 碲量子井之间；所述缓冲层包括未掺杂硒化锌层。
全文摘要
本发明适用于发光二极管元件领域，提供了一种单芯片式白光发光二极管元件，其包括一具有第一掺杂型式的第一半导体层、一红光锌锰硒碲量子井设置于第一半导体层上、一第一位障层设置于红光锌锰硒碲量子井上、一包括多个绿光量子点的绿光发光层设置于第一位障层上、一第二位障层设置于绿光发光层上、一包括多个蓝光量子点的蓝光发光层设置于第二位障层上、一第三位障层设置于蓝光发光层上，以及一具有第二掺杂型式的第二半导体层设置于第三位障层上。本发明能够减少制作成本并提升色纯度。
文档编号H01L33/08GK102082215SQ20091018857
公开日2011年6月1日 申请日期2009年11月28日 优先权日2009年11月28日
发明者吴家兴, 周武清, 杨祝寿, 江美昭, 罗志伟, 莫启能, 黄亮魁 申请人:中华映管股份有限公司, 深圳华映显示科技有限公司