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TWI493751B - 堆疊結合發光二極體 - Google Patents

堆疊結合發光二極體 Download PDF

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TWI493751B TW101111486A TW101111486A TWI493751B TW I493751 B TWI493751 B TW I493751B TW 101111486 A TW101111486 A TW 101111486A TW 101111486 A TW101111486 A TW 101111486A TW I493751 B TWI493751 B TW I493751B
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堆疊結合發光二極體
本發明係有關一種堆疊結合發光二極體,特別是關於一種四波長混成的全波段白光發光二極體。
演色性指數(color rendering index,CRI)係用以顯示物件在某待測光源照射下顯示之顏色與其在參照光源照射下之顏色兩者之相對差異。其數值之評定法為分別以參照光源及待測光源照射在德國工業規格(DIN)6169所規定之八個色樣上逐一作比較並量化其差異性;差異性越小,即代表待測光源之演色性越好,演色性指數為100之光源可以讓各種顏色呈現出如同被參照光源所照射之顏色。反之,演色性指數值越低,所呈現之顏色越失真。太陽光之演色性指數為100,螢光燈為60~85。一般來說,大於85的演色性指數值即可適用於大部分之應用。
一般的白光發光二極體(LED)是包含藍色晶粒配黃色螢光粉(YAG)所組成,俗稱二波長白光發光二極體,其演色性通常不佳。三波長白光發光二極體主要利用三個波長,透過以藍光二極體及紅、綠螢光粉所封裝出的發光二極體結構進行發光。由於採用自然界三原色的原理,比傳統二波長白光封裝技術表現還更具真實性,逼近太陽光的表現。二波長白光封裝發光二極體的演色 性指數值低於70,但三波長白光發光二極體的演色性指數值卻可達85以上。如果使用四波長白光發光二極體,演色性可以比三波長白光發光二極體更高,演色性指數值可達95以上。
因此,亟需提出一種製程簡單且成本低的四波長白光發光二極體,以得到較高的演色性指數。
鑑於上述,本發明實施例提出一種堆疊結合發光二極體,以形成高演色性指數(CRI)的發光二極體,用以混合發出白光或者發出其他色光。
根據本發明實施例,堆疊結合發光二極體包含第一磊晶堆疊發光二極體、第二磊晶堆疊發光二極體及第一結合層。其中,第一結合層讓第一磊晶堆疊發光二極體與第二磊晶堆疊發光二極體堆疊結合。在一實施例中,第一磊晶堆疊發光二極體包含至少一藍光波段發光二極體及至少一綠光波段發光二極體,且第二磊晶堆疊發光二極體包含至少一紅光波段發光二極體及至少一黃光波段發光二極體。
10A~10F‧‧‧堆疊結合發光二極體
11‧‧‧第一磊晶堆疊發光二極體
110‧‧‧導電基板
111‧‧‧藍光波段發光二極體
112‧‧‧綠光波段發光二極體
113‧‧‧穿隧接面
12‧‧‧第二磊晶堆疊發光二極體
120A‧‧‧電極
120B‧‧‧電極
121‧‧‧黃光波段發光二極體
122‧‧‧紅光波段發光二極體
13‧‧‧第一(第二)結合層
14‧‧‧反射板
15‧‧‧第三磊晶堆疊發光二極體
第一A圖顯示本發明實施例之堆疊結合發光二極體的剖面圖。
第一B圖顯示本發明實施例之另一堆疊結合發光二極體的剖面圖。
第一C圖顯示本發明實施例之又一堆疊結合發光二極體的剖面圖。
第二A圖顯示一種堆疊結合發光二極體的剖面圖。
第二B圖顯示另一種堆疊結合發光二極體的剖面圖。
第二C圖顯示本發明實施例之堆疊結合發光二極體的陣列連接結構的立體示意圖。
第三A圖顯示本實施例之堆疊結合發光二極體的第一種架構的剖面圖。
第三B圖顯示第三A圖的一個變化架構的剖面圖。
第三C圖顯示第三A圖的另一個變化架構的剖面圖。
第四圖顯示本實施例之堆疊結合發光二極體的第二種架構的剖面圖。
第五A圖至第五C圖例示使用堆疊結合發光二極體以混合發出白光。
第一A圖顯示本發明實施例之堆疊結合發光二極體的剖面圖。在本實施例中,堆疊結合發光二極體包含第一磊晶堆疊發光二極體11及第二磊晶堆疊發光二極體12,兩者可以導電連接方式或絕緣連接方式,藉由第一結合(bonding)層13而堆疊結合。第一結合層13的材料可包含接著劑(adhesive)、氧化物或金屬,但不限定於此。經結合後的堆疊結合發光二極體可混合發出白光(例如混合四波長的全波段白光),或混合發出其他色光,可使演色性指數(CRI)達到95以上。本實施例雖以二磊晶堆疊發光二極體11、12與一第一結合層13以形成堆疊結合發光二極體作為例示,然而本發明實施例也可應用於三(或以上)磊晶堆疊發光二極體的堆疊結合。例如,在一實施例(未圖示),更可包括一第三磊晶堆疊發光二極體及一第二結合層,第三磊晶堆疊發光二極體藉由第二結合層與第二磊晶堆疊發光二極體堆疊結合。
於第一A圖所示的實施例中,第一磊晶堆疊發光二極體11發出藍綠光,而第二磊晶堆疊發光二極體12發出紅黃光。由於產生白光所需的紅黃光的光量通常低於藍綠光的光量,因此,當第一磊晶堆疊發光二極體11與第二磊晶堆疊發光二極體12的堆疊厚度相近時,第二磊晶堆疊發光二極體12的水平尺寸可小於第一磊晶堆疊發光二極體11。
第一B圖顯示本發明實施例之另一堆疊結合發光二極體的剖面圖。在此實施例中,當第一磊晶堆疊發光二極體11與第二磊晶堆疊發光二極體12的水平尺寸相近時,第二磊晶堆疊發光二極體12的堆疊厚度可小於第一磊晶堆疊發光二極體11的堆疊厚度。第一C圖顯示本發明實施例之又一堆疊結合發光二極體的剖面圖。在本實施例中,第一磊晶堆疊發光二極體11分為二部分,分別堆疊於第二磊晶堆疊發光二極體12的上與下側。其中,第二磊晶堆疊發光二極體12的堆疊厚度可小於第一磊晶堆疊發光二極體11的總堆疊厚度。
在本實施例中,第一磊晶堆疊發光二極體11包含複數堆疊的氮化銦鎵(InGaN)發光二極體,而第二磊晶堆疊發光二極體12包含複數堆疊的磷化鋁銦鎵(AlInGaP)發光二極體。其中,氮化銦鎵發光二極體可長於藍寶石(Al2O3)或碳化矽(SiC)基板上,其發光顏色為藍綠色系,藉由調整銦的濃度(例如於磊晶製程中調整磊晶溫度),可調整光波長從藍光到綠光,在本實施例的發光範圍大約介於445~575nm。磷化鋁銦鎵發光二極體可長於砷化鎵(GaAs)基板上,其發光顏色為紅黃色系,在本實施例的發光範圍大約介於570~650nm。上述複數氮化銦鎵發光二極體,可於磊晶製程中,藉由穿隧接面(tunnel junction)而堆疊結合;其中穿隧接面可為單層或多層,其形成方法可使用高摻雜(highly doped)製程或極化誘導(polarization induced)製程,因而形成高摻雜結構或極化誘導結構。類似的情形,上述複數磷化鋁銦鎵發光二極體,可於磊晶製程中,藉由穿隧接面(tunnel junction)而堆疊結合;其中穿隧接面可為單層或多層,其形成方法可使用高摻雜(highly doped)製程,因而形成高摻雜結構或極化誘導結構。
在本實施例中,第一磊晶堆疊發光二極體11包含至少兩不同色光波段發光二極體。第二A圖例示第一磊晶堆疊發光二極體11包含一個藍光波段發光二極體111及一個綠光波段發光二極體112,兩者藉由穿隧接面113而堆疊結合。其中,藍光波段大約為470nm,綠光波段大約為550nm。
第二B圖例示第一磊晶堆疊發光二極體11包含複數藍光波段發光二極體111及複數綠光波段發光二極體112,相鄰發光二極體之間藉由穿隧接面113而堆疊結合。其中,該些藍光波段發光二極體111的藍光波段(470nm)大致相同,且該些綠光波段發光二極體112的綠光波段(550nm)大致相同。
在另一例子中,該些藍光波段發光二極體111的藍光波段相異,例如分別為460nm、470nm、480nm、490nm及500nm;且該些綠光波段發光二極體112的綠光波段相異,例如分別為510nm、520nm、530nm、540nm及550nm。
在另一例子中,第一磊晶堆疊發光二極體11包含至少兩同一色光波段發光二極體,其中,該些同一色光波段發光二極體的色光波段相異或大致相同。
類似於第二A圖所示,第二磊晶堆疊發光二極體12包含至少兩不同色光波段發光二極體,例如包含一個紅光波段發光二極體及一個黃光波段發光二極體,兩者藉由穿隧接面而堆疊結合。
類似於第二B圖所示,第二磊晶堆疊發光二極體12包含複數紅光波段發光二極體及複數黃光波段發光二極體,相鄰發光二極體之間藉由穿隧接面而堆疊結合。其中,該些紅光波段發光二極體的紅光波段大致相同,且該些黃光波段發光二極體的黃光波段大致相同。在另一例子中,該些紅光波段發光二極體的紅光波段相異。
在另一例子中,第二磊晶堆疊發光二極體12包含至少兩同一色光波段發光二極體,其中,該些同一色光波段發光二極體的色光波段相異或大致相同。
第二C圖例示上述第一A圖中的堆疊結合發光二極體的陣列連接結構。將複數個堆疊結合發光二極體10A-10F相鄰排列,且藉由內連線而電性連接,因而形成一M×N的發光二極體陣列,其中M及/或N係為奇數。在本實施例中,N係為奇數,M表示兩個堆疊結合發光二極體10A及10F(或是10C及10D),而N表示三個堆疊結合發光二極體10A、10B及10C(或是10D、10E及10F)。每一堆疊結合發光二極體10A-10F係由至少一第一磊晶堆疊發光二極體11及至少一第二磊晶堆疊發光二極體12結合而形成。在另一實施例中,M及N皆為奇數,將MxN個堆疊結合發光二極體相鄰排列,且藉由內連線而電性連接,因而形成一M×N的發光二極體陣列。
鑑於紅黃光波段發光二極體具有吸收藍綠光波段發光二極體所發出的光之特性,因此本實施例之堆疊結合發光二極體可採用以下至少二種架構的其中一種。如第三A圖顯示本實施例之堆疊結合發光二極體的第一種架構的剖面圖,其中第二磊晶堆疊發光二極體12係採用電致發光原理,因此於其上與下側分別設有電極120A與120B,且電極120A僅覆蓋於部分的第二磊晶堆疊發光二極體12的上方。在一例子中,第一結合層13為不透明。在另一例子中,第二磊晶堆疊發光二極體12靠近第一磊晶堆疊發光二極體11的電極120B可替換為一不透明基板。第三B圖顯示第三A圖的一個變化架構的剖面圖,其使用的是全平面電極120A,且電極120A覆蓋於全部的第二磊晶堆疊發光二極體12的上方。第三C圖顯示第三A圖的另一個變化架構的剖面圖,其中第一磊晶堆疊發光二極體11分為二部分,藉由不透明的第一結合層13,而分別堆疊於第二磊晶堆疊發光二極體12的上與下側。
第四圖顯示本實施例之堆疊結合發光二極體的第二種架構,其中第二磊晶堆疊發光二極體12係採用光致發光原理,亦即,其會吸收第一磊晶堆疊發光二極體11所發出的光,再進行發光。因此,於第二磊晶堆疊發光二極體12的上與下側並未設有電極。在本實施例中,第一結合層13為透明的,且第二磊晶堆疊發光二極體12靠近第一磊晶堆疊發光二極體11的基板(未圖示)係為透明的(或者可不使用基板)。
第五A圖例示使用第三B圖之電致發光堆疊結合發光二極體以混合發出白光。其中,第一磊晶堆疊發光二極體11包含導電基板110、綠光波段發光二極體112及藍光波段發光二極體111;第二磊晶堆疊發光二極體12包含黃 光波段發光二極體121、紅光波段發光二極體122及電極120A/120B。如圖所示,第二磊晶堆疊發光二極體12發出的紅黃光藉由反射板14的反射後,可與第一磊晶堆疊發光二極體11發出的藍綠光混合發出白光。
第五B圖例示使用另一種堆疊結合發光二極體以混合發出白光。在本例子中,堆疊結合發光二極體不同於第五A圖垂直置放於反射板14上的方式,係水平置放於反射板14上。其中,第一磊晶堆疊發光二極體11包括兩個藍光波段發光二極體及兩個綠光波段發光二極體,第二磊晶堆疊發光二極體12包括一個黃光波段發光二極體及一個紅光波段發光二極體,並且第一結合層13將第一磊晶堆疊發光二極體11與第二磊晶堆疊發光二極體12予以堆疊結合,並且根據不同連接方式或不同材質的第一結合層13,使得第二磊晶堆疊發光二極體12可採用光致發光或電致發光原理。藉此,第一磊晶堆疊發光二極體11發出的藍綠光藉由反射板14的反射後,可與第二磊晶堆疊發光二極體12發出的紅黃光混合發出白光。
第五C圖例示另一種堆疊結合發光二極體以混合發出白光。在本例子中,堆疊結合發光二極體如第五B圖係水平置放於反射板14上。其中,第一磊晶堆疊發光二極體11包括三個藍光波段發光二極體,第二磊晶堆疊發光二極體12包括一個紅光波段發光二極體及一個黃光波段發光二極體,第三磊晶堆疊發光二極體15包括三個綠光波段發光二極體,藉由第一結合層13及第二結合層13分別將第一磊晶堆疊發光二極體11、第二磊晶堆疊發光二極體12及第三磊晶堆疊發光二極體15予以堆疊結合。藉此,第一磊晶堆疊發光二極體11發出的藍 光、第二磊晶堆疊發光二極體12發出的紅黃光以及第三磊晶堆疊發光二極體15發出的綠光經反射板14反射後,可混合發出白光。
以上所述僅為本發明之較佳實施例而已,並非用以限定本發明之申請專利範圍;凡其它未脫離發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾,均應包含在下述之申請專利範圍內。
11‧‧‧第一磊晶堆疊發光二極體
12‧‧‧第二磊晶堆疊發光二極體
13‧‧‧第一結合層

Claims (18)

  1. 一種堆疊結合發光二極體,包含:一第一磊晶堆疊發光二極體;一第二磊晶堆疊發光二極體;及一第一結合層,藉以讓該第一磊晶堆疊發光二極體與該第二磊晶堆疊發光二極體堆疊結合,其中該第一磊晶堆疊發光二極體及該第二磊晶堆疊發光二極體皆包含至少一穿隧接面,該第一磊晶堆疊發光二極體包含複數堆疊的氮化銦鎵(InGaN)發光二極體,相鄰的該些氮化銦鎵(InGaN)發光二極體藉由該穿隧接面而相互堆疊,該第二磊晶堆疊發光二極體包含複數堆疊的磷化鋁銦鎵(AlInGaP)發光二極體,相鄰的該些磷化鋁銦鎵(AlInGaP)發光二極體藉由該穿隧接面而相互堆疊。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之堆疊結合發光二極體,其中該穿隧接面為單層或多層,且該穿隧接面包含高摻雜(highly doped)結構或極化誘導(polarization induced)結構。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之堆疊結合發光二極體,其中該第一磊晶堆疊發光二極體包含至少兩不同色光波段發光二極體。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之堆疊結合發光二極體,其中該第一磊晶堆疊發光二極體包含至少一藍光波段發光二極體及至少一綠光波段發光二極體。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之堆疊結合發光二極體,其中該第一磊晶堆疊發光二極體包含至少兩同一色光波段發光二極體。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之堆疊結合發光二極體,其中該第二磊晶堆疊發光二極體包含至少兩不同色光波段發光二極體。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之堆疊結合發光二極體,其中該第二磊晶堆疊發光二極體包含至少一紅光波段發光二極體及至少一黃光波段發光二極體。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之堆疊結合發光二極體,其中該第二磊晶堆疊發光二極體包含至少兩同一色光波段發光二極體。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之堆疊結合發光二極體,更包括一第三磊晶堆疊發光二極體及一第二結合層,該第三磊晶堆疊發光二極體藉由該第二結合層與該第二磊晶堆疊發光二極體堆疊結合。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之堆疊結合發光二極體,其中該第二磊晶堆疊發光二極體係採用電致發光原理,且於該第二磊晶堆疊發光二極體的上與下側分別設有電極。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之堆疊結合發光二極體,其中該第二磊晶堆疊發光二極體靠近該第一磊晶堆疊發光二極體處包含一不透明基板。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之堆疊結合發光二極體,其中該第二磊晶堆疊發光二極體係採用光致發光原理,其中該第一結合層為透明。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之堆疊結合發光二極體,其中該第二磊晶堆疊發光二極體係採用光致發光原理,其中該第二磊晶堆疊發光二極體靠近該第一磊晶堆疊發光二極體處包含一透明基板。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之堆疊結合發光二極體,其中當該第一磊晶堆疊發光二極體與該第二磊晶堆疊發光二極體的堆疊厚度相近時,該第二磊晶堆疊發光二極體的水平尺寸小於該第一磊晶堆疊發光二極體的水平尺寸。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之堆疊結合發光二極體,其中當該第一磊晶堆疊發光二極體與該第二磊晶堆疊發光二極體的水平尺寸相近時,該第二磊晶堆疊發光二極體的堆疊厚度小於該第一磊晶堆疊發光二極體的堆疊厚度。
  16. 如申請專利範圍第1項所述之堆疊結合發光二極體,其中該第一結合層以導電連接方式將該第一磊晶堆疊發光二極體與該第二磊晶堆疊發光二極體予以堆疊結合。
  17. 如申請專利範圍第1項所述之堆疊結合發光二極體,其中該第一結合層以絕緣連接方式將該第一磊晶堆疊發光二極體與該第二磊晶堆疊發光二極體予以堆疊結合。
  18. 如申請專利範圍第1項所述之堆疊結合發光二極體,其中該第一結合層的材料包含接著劑(adhesive)、氧化物或金屬。
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