CN101340752B - 发光元件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发光元件，其包含半导体发光叠层；以及光场调变层，设置于该半导体发光叠层出光面上，其中，该光场调变层至少包含第一层以及设置于第一层上的第二层，该第一层的折射系数小于该第二层。

Description

发光元件

技术领域

本发明涉及发光元件，尤其是指发光二极管元件。

背景技术

发光二极管(LED)的发光原理和结构与传统光源并不相同，具有体积小、可靠度高等优点，在市场上的应用颇为广泛。例如，光学显示装置、激光二极管、交通号志、数据储存装置、通讯装置、照明装置、以及医疗装置等。

随着高亮度LED开发成功，使得LED应用领域扩展至室内或室外大型显示器。另外由于LED光源具备色彩饱和度佳、高对比性与薄型化等优点，因此成为取代传统冷阴极管(CCFL)技术的新一代LCD显示器背光源。而为迎合其多样化的应用需求，LED的光电特性需配合不同应用的需求来做调整。以LED的指向性要求为例，不同的应用其指向性的要求也不同，经由LED发射出外界的光会形成光场分布，光场分布可以远场角度(far field angle)来定义，远场角度越小，LED的指向性越高。而在显示器背光源的应用上，就需要指向性较低，远场角度大，光场分布较宽的LED。LED的光场会随着不同的LED结构而变化，例如具有吸光基板的LED管芯所产生的光几乎都由正面出光，因此所形成的光场分布会较窄，远场角度较小。具有透光基板的LED管芯，由于光可由透光基板侧面摘出，因此所形成的光场分布会较宽，远场角度较大。而光场分布较窄，远场角度较小的LED为了得到较宽的光场分布，需要重新设计LED的结构，例如在发光外延层中生长较厚的窗户层，通过增加LED侧面出光的机率，而得到较宽的光场分布。

为了因应不同的应用需要有不同光场分布的要求，制造者需设计不同LED结构来满足客户的需求。LED结构不同其工艺条件亦不同，因而提高了量产的复杂度，降低量产效率，导致量产成本增加。

发明内容

本发明提供一种发光元件，包含于发光叠层上形成可改变光远场角度的光场调变层。

在一实施例，本发明提供一种发光元件，包含半导体发光叠层、以及光场调变层，位于该半导体发光叠层出光面上。该光场调变层至少包含第一层以及位于第一层上的第二层，该第一层的折射系数小于该第二层。

附图说明

图1为示意图，显示依本发明第一实施例的发光元件；

图2A-2D为传统发光元件以及本发明第一实施例的发光元件光场强度分布情形；

图3为示意图，显示依本发明第二实施例的发光元件；

图4A-4E为传统发光元件以及本发明第二实施例的发光元件光场强度分布情形；

图5为示意图，显示依本发明第三实施例的发光元件；

图6A-6E为传统发光元件以及本发明第三实施例的发光元件光场强度分布情形；

图7为示意图，显示依本发明第四实施例的发光元件；

图8A-8D为传统发光元件以及本发明第四实施例的发光元件光场强度分布情形；

图9为示意图，显示依本发明第五实施例的发光元件；

图10A-10D为传统发光元件以及本发明第五实施例的发光元件光场强度分布情形；

图11为示意图，显示依本发明第六实施例的发光元件；

图12为示意图，显示利用本发明实施例的发光元件组成的光源产生装置；

图13为示意图，显示利用本发明实施例的发光元件组成的背光模块。

附图标记说明

1、2、3、4、5：发光元件；

100、200、500：基板；

110、210、410、510：半导体发光叠层；

130、230、330、430、530：光场调变层；

131、231、331、431、531：第一层；

132、232、332、432、532：第二层；

141、241：上电极；

142、242：下电极；

112、212、412、512：n型半导体层；

113、213、413、513：有源层；

114、411、514：第一p型半导体层；

115、414、515：第二p型半导体层；

201：导电粘结层；

202、402：反射层；

211：厚半导体层；

214：p型半导体层；

220、420：第一氧化物透明导电层；

250：分布式接触层；

221、421：第二氧化物透明导电层；  340：上电极；

3401：打线电极

3402：延伸电极；

400、500透光基板；

401：透明绝缘粘结层；

443：欧姆接触层；

441、541：第一电极；

442、542：第二电极；

443：欧姆接触层；

450：隧穿道；

511：缓冲层；

60：载板；

641：第一接触电极；

642：第二接触电极；

7：光源产生装置；

710：光源；

720：电源供应系统；

730：控制元件；

8：背光模块；

810：光学元件。

具体实施方式

图1为绘示出根据本发明第一实施例的发光元件剖面示意图。发光元件1，例如发光二极管(LED)，包含：基板100、半导体发光叠层110、光场调变层130、以及上下电极141及142。在本实施例中，基板100的材料包含III-V族半导体材料，例如：磷化砷镓(GaAsP)、砷化镓(GaAs)、磷化镓(GaP)或其他类似的材料。半导体发光叠层110位于基板100上，其包含：n型半导体层112、第一p型半导体层114、介于半导体层112及114之间的有源层(active layer)113、以及第二p型半导体层115。在其他实施例中，n型半导体层112与第一p型半导体层114的位置配置可以互换，且第二p型半导体层115可替换为n型半导体层。在本实施例中，n型半导体层112与第一p型半导体层114作为发光元件1的束缚层(cladding layer)，其材料包含III-V族半导体材料，例如：磷化铝镓铟(AlGaInP)、砷化铝镓(AlGaAs)、氮化铝镓铟(AlGaInN)或其他常用的三元或四元III-V族半导体材料。有源层113的材料包含III-V族半导体材料，例如可为AlGaInP、AlGaInN或其他可与n型半导体层112与p型半导体层114匹配使用的材料。第二p型半导体层115作为与电极接触的接触层，其材料包含III-V族半导体材料，例如：GaP或GaN。上下电极141及142分别位于半导体发光叠层110的上表面以及基板100的下表面。光场调变层130可在上电极141形成后，再以黄光工艺形成于半导体发光叠层110上预定的位置。在本实施例中，光场调变层130位于半导体发光叠层110上，且覆盖部分上电极141。在另一实施例中，光场调变层130位于半导体发光叠层110上并环绕上电极141周围。光场调变层130亦可围绕上电极141周围，不覆盖上电极141并覆盖部分半导体发光叠层110上表面，使暴露出的上表面形成环状区域。光场调变层130包含第一层131以及一第二层132，第一层131位于半导体发光叠层110上，且覆盖部分上电极141，第二层132位于第一层131上，且第一层131的折射系数小于第二层132的折射系数。半导体发光叠层110发出射向发光元件上表面的光，经由光场调变层130反射回半导体发光叠层110，再由半导体发光叠层110侧面摘出，因此由发光元件1摘出的光其远场角度会比没有光场调变层130的发光元件摘出光的远场角度大。

光场调变层130可以化学气相沉积法、蒸镀或溅镀方法形成，其结构则不限一组第一层131及第二层132，层而可重复设置第一层131及第二层132。此外，第一层131及第二层132可以是材料相同的单层结构，通过工艺中改变其材料的组成比例，使得第一层131至第二层132的折射系数成递增的情形。发光元件光场的分布，可以通过增加或减少第一层131及第二层132的数目来调变光场的分布，进而改变其远场角度。在本实施例中，第一层131的材料包含但不限于导电金属氧化物或不导电材料；该不导电材料包含但不限于SiO₂、SiNx、SiON、ZrO₂、Ta₂O₅、Al₂O₃或TiO₂；第二层132的材料包含但不限于金属氧化物或不导电材料；该不导电材料包含但不限于SiO₂、SiN_x、SiON、ZrO₂、Ta₂O₅、Al₂O₃或TiO₂。前述第一层131及第二层132的金属氧化物材料包含但不限于氧化铟锡、氧化镉锡、氧化锌、或氧化锌锡。第一层131及第二层132亦可以是材料相异组成的多层结构，其组合可以是SiO₂/SiN_x、SiO₂/TiO₂、SiON/SiN_x或金属氧化物/SiN_x。

上述实施例的发光元件1，可选择性地形成一粗糙面于半导体发光叠层110的上表面或/及半导体发光叠层110和基板100之间，以提高光摘出效率。该粗糙面可经由外延工艺或随机蚀刻方法形成的粗化表面，或经由光刻蚀刻方法形成规则或不规则的预定图案化表面于半导体发光叠层或基板上。

当由半导体发光叠层110发出的光可自发光元件上表面或其侧面等出光面摘出时，若想要得到较大的远场角度的光场，需要降低上表面的出光率，并增加侧面的出光率。因此通过在半导体发光叠层110出光面设置光场调变层，可改变其光场分布而得到较大的远场角度的光。光场调变层130可在发光元件工艺中电极形成前或形成后，依使用者要求的光场分布来决定第一层131及第二层132需配置的层数，因此在不改变发光元件中基板100、半导体发光叠层110、及上下电极141及142的结构下，以第一层131的折射系数小于第二层132为原则，仅需通过调整第一层131及第二层132的组成材料、层数、或厚度就可以调变出符合使用者要求的光场分布。在第一层131及第二层132厚度的设计上，可根据电磁波理论推得：

$d=\frac{1}{4n}m\×W_d$

其中d为层的厚度，n为层的折射系数，m为大于0的奇数值，W_d为由半导体发光叠层所发出光的波长。

在本实施例的发光元件1中，以AlGaInP做为半导体发光叠层110的材料，在半导体发光叠层110上设置光场调变层130，选择SiO₂作为第一层131的材料，其折射系数n₁约1.46，另外选择SiN_x作为第二层132的材料，其折射系数n₂约1.9。其中第一层131及第二层132的厚度依前述层厚度的公式计算后分别为105nm层及80nm，在输入电流为20mA条件下，与未设置光场调变层130的传统发光元件一同进行实验。图2A-2D分别是传统发光元件以及发光元件1具有一组、三组、及五组的第一层131及第二层132的情形下，光场强度分布的情形。实验结果发现在光场调变层130的结构为一组的第一层131及第二层132时，传统发光元件与发光元件1在50％光场强度下量测的远场角度分别为126.3°及132.8°。当光场调变层130的结构为三组第一层131及第二层132时，发光元件1在50％光场强度下量测的远场角度为144.3°。当光场调变层130的结构为五组第一层131及第二层132时，发光元件1在50％光场强度下量测的远场角度为155.2°。因此，发光元件1所产生的光场分布可通过光场调变层130来改变其光场分布，当光场调变层130结构中第一层131及第二层132的组数越多时，该光场的远场角度越大。

图3为绘示出根据本发明第二实施例的发光元件剖面示意图。发光元件2，包含：基板200、导电粘结层201、反射层202、第一氧化物透明导电层220、半导体发光叠层210、分布式接触层250、第二氧化物透明导电层221、光场调变层230、以及上下电极241及242。在本实施例中，基板200的材料包含Si、GaAs、金属或其他类似的材料。导电粘结层201位于基板200上，并在粘结层及半导体发光叠层之间形成第一接合界面。导电粘结层201其材料包含但不限于银、金、铝、铟等金属材料，或为自发性导电高分子，或高分子中掺杂金属材料如铝、金、铂、锌、银、镍、锗、铟、锡、钛、铅、铜、钯、或其合金所组成的导电材料。反射层202位于导电粘结层201上，在粘结层及反射层202之间形成第二接合界面；反射层202的材料包含金属、氧化物或金属及氧化物的组合。金属材料包含铝、金、铂、锌、银、镍、锗、铟、锡或其合金。氧化物材料包含AlO_x、SiO_x或SiN_x。第一氧化物透明导电层220位于反射层202上其材料包含但不限于氧化铟锡、氧化镉锡、氧化锌、或氧化锌锡。半导体发光叠层210位于第一氧化物透明导电层220上，包含：厚半导体层211、p型半导体层214、n型半导体层212、以及介于半导体层212及214之间的有源层213。在本实施例中，半导体发光叠层210通过蚀刻方法，由n型半导体层向下蚀刻至厚半导体层211，将部分的n型半导体层212、有源层213、p型半导体层214以及厚半导体层211蚀刻掉，暴露出部分厚半导体层211的表面。在本实施例中，n型半导体层212与p型半导体层214材料包含III-V族半导体材料，例如：磷化铝镓铟(AlGaInP)、砷化铝镓(AlGaAs)、氮化铝镓铟(AlGaInN)或其他常用的三元或四元III-V族半导体材料。有源层213的材料包含III-V族半导体材料，例如可为AlGaInP、AlGaInN或其他可与n型半导体层212与p型半导体层214匹配使用的材料。厚半导体层211作为发光元件2的光摘出层，可提高光摘出效率，其材料包含但不限于GaP或GaN。分布式接触层250位于半导体发光叠层210上，其分布式的图案包含线条分布图案或点状分布图案，分布式接触层250的材料包含金属或/及半导体材料。第二氧化物透明导电层221位于半导体发光叠层210上，其材料包含但不限于氧化铟锡、氧化镉锡、氧化锌、或氧化锌锡。上下电极241及242分别位于半导体发光叠层110的上表面以及基板200的下表面。当电流自上电极241输入时，经由第二氧化物透明导电层221传导至分布式接触层250，通过分布式接触层250将输入的电流分散开来。光场调变层230位于第二氧化物透明导电层221上，且环绕上电极241周围。光场调变层230包含第一层231以及一第二层232，覆盖厚半导体层211暴露出的部分表面，厚半导体层211、p型半导体层214、有源层213、n型半导体层212以及第二氧化物透明导电层221的侧壁，以及第二氧化物透明导电层221的上表面。第一层231的折射系数小于第二层232的折射系数。光场调变层230的结构并不限一组第一层231及第二层232，可依不同光场的需求，在第一组层上再重复设置第一层231及第二层232。第一层231的材料包含但不限于导电金属氧化物或不导电材料；该不导电材料包含但不限于SiO₂、SiN_x、SiON、ZrO₂、Ta₂O₅、Al₂O₃或TiO₂；第二层232的材料包含但不限于金属氧化物或不导电材料；该不导电材料包含但不限于SiO₂、SiN_x、SiON、ZrO₂、Ta₂O₅、Al₂O₃或TiO₂。前述第一层231及第二层232的金属氧化物材料包含但不限于氧化铟锡、氧化镉锡、氧化锌、或氧化锌锡。第一层231及第二层232亦可以是材料相异组成的多层结构，其组合可以是SiO₂/SiN_x、SiO₂/TiO₂、SiON/SiN_x或金属氧化物/SiN_x。

在另一实施例中，发光元件2可选择性地不形成导电粘结层201及第一氧化物透明导电层220，半导体发光叠层210与基板200的接合方法通过半导体发光叠层210与反射层202直接加压接合，或者是反射层202与基板200直接加压接合。

在本实施例的发光元件2中，以AlGaInP做为半导体发光叠层210的材料，以SiO₂作为第一层231的材料，其折射系数约1.46，另外以SiNx作为第二层232的材料，其折射系数约1.9，其中第一层231的厚度为105nm，第二层232的厚度为80nm，在输入电流为20mA条件下，与未设置光场调变层230的传统发光元件一同进行实验，图4A-4E分别是传统发光元件以及发光元件2具有一组、三组、五组及七组的第一层331及第二层332的情形下，光场强度分布的情形。实验结果发现在光场调变层230的结构为一组的第一层231及第二层232时，发光元件2的出光亮度仍与传统发光元件相同，传统发光元件与发光元件2在50％光场强度下量测的远场角度分别为138.4°及141.5°。当光场调变层230的结构为三组的第一层231及第二层232时，发光元件2在50％光场强度下量测的远场角度为145.1°。当光场调变层230的结构为五组第一层231及第二层232时，发光元件2在50％光场强度下量测的远场角度为154.3°。当光场调变层230的结构为七组第一层231及第二层232时，发光元件2在50％光场强度下量测的远场角度为155.0°。因此，发光元件2所产生的光场分布可通过光场调变层230来改变其光场分布，当光场调变层230结构中第一层231及第二层232的构成组数越多时，该光场的远场角度随之增加。

图5为本发明第三实施例的发光元件3剖面示意图。发光元件3的结构与第二实施例中发光元件2的结构相似，其差异处在发光元件3中未包含第二氧化物透明导电层221及分布式接触层250，且发光元件3中n型半导体层212的部分上表面为粗糙的上表面，该粗糙的上表面可经由外延工艺或随机蚀刻方法形成多孔穴表面，或经由光刻蚀刻方法在n型半导体层212的上表面形成规则或不规则的预定图案化表面。n型半导体层212的另一部分上表面是平坦面，上电极340位于该平坦面上。在n型半导体层212上表面平坦的部分形成上电极340有助于形成欧姆接触。该上电极340包含打线电极3401以及延伸电极3402，电流经由打线电极3401输入后，传导至延伸电极3402，通过延伸电极3402将电流分散开来。光场调变层330位于n型半导体层212的上表面并覆盖部分上电极340。光场调变层330包含第一层331及第二层332，覆盖厚半导体层211暴露出的部分表面，厚半导体层211、p型半导体层214、有源层213、以及n型半导体层212的侧壁，以及n型半导体层212及上电极340的上表面上。第一层331的材料包含但不限于氧化铟锡、氧化镉锡、氧化锌、氧化锌锡、SiO₂、SiN_x、SiON、ZrO₂、Ta₂O₅、Al₂O₃或TiO₂；第二层332的材料包含但不限于金属氧化物、SiO₂、SiN_x、SiON、ZrO₂、Ta₂O₅、Al₂O₃或TiO₂。前述第一层331及第二层332的金属氧化物材料包含但不限于氧化铟锡、氧化镉锡、氧化锌、或氧化锌锡。

在本实施例中，分别以光场调变层330的结构为二组、三组、四组及六组的第一层331及第二层332的情形下，与未设置光场调变层330的传统发光元件进行比较。图6A是传统发光元件光场强度分布的情形，传统发光元件在50％光场强度下量测的远场角度为120.2°。图6B-6E分别是具有二组、三组、四组及六组的第一层331及第二层332的情形下，发光元件3光场强度分布的情形。发光元件3在50％光场强度下量测的远场角度分别是129.8°、142.9°、143.7°及145°。发光元件3所产生的光场分布可通过光场调变层330来改变其光场分布，当光场调变层330结构中第一层331及第二层332的构成组数增加时，光场的远场角度也随的增加。

图7为绘示出根据本发明第四实施例的发光元件剖面示意图。发光元件4，包含：反射层402、透光基板400、透明绝缘粘结层401、第一氧化物透明导电层420、欧姆接触层443、半导体发光叠层410、第二氧化物透明导电层421、光场调变层430、以及第一、第二电极441及442。在本实施例中，反射层402位于透光基板400的下表面，反射层402的材料包含金属、氧化物或金属及氧化物的组合。金属材料包含铝、金、铂、锌、银、镍、锗、铟、锡或其合金。氧化物材料包含AlO_x、SiO_x或SiN_x。透光基板400的材料包含但非限于玻璃基板、蓝宝石基板、SiC基板、GaP基板、GaAsP基板、或ZnSe基板。透明绝缘粘结层401位于透光基板400上，其材料包含但不限于旋涂玻璃、硅树脂、苯环丁烯(BCB)、环氧树脂(Epoxy)、聚亚酰胺(Polyimide)、或过氟环丁烷(PFCB)。第一氧化物透明导电层420位于透明绝缘粘结层401上，其材料包含但不限于氧化铟锡、氧化镉锡、氧化锌、或氧化锌锡。半导体发光叠层410位于第一氧化物透明导电层420上，包含：第一p型半导体层411、第二p型半导体层414、n型半导体层412、以及介于半导体层412及414之间的有源层413。n型半导体层412与第二p型半导体层414作为发光元件4的束缚层，且n型半导体层412的上表面为粗糙的上表面，该粗糙的上表面可经由外延工艺或随机蚀刻方法形成多孔穴表面，或经由光刻蚀刻方法于n型半导体层412的上表面形成规则或不规则的预定图案化表面。欧姆接触层443位于第一p型半导体层411与第一氧化物透明导电层420间，其材料包含但不限于GeAu或BeAu。在本实施例中，发光元件4的形成可通过蚀刻方法，由n型半导体层412向下蚀刻至第一p型半导体层411，以移除将部分的n型半导体层412、有源层413、第二p型半导体层414以及第一p型半导体层411，并暴露出部分第一p型半导体层411的表面，接着再蚀刻部分暴露出的第一p型半导体层411表面至欧姆接触层443，形成隧穿道450。此外，为了增加光由第一p型半导体层411穿透至透光基板400的穿透率，第一p型半导体层411的下表面可为粗糙的上表面，该粗糙的上表面可经由外延或蚀刻方法形成多孔穴表面，或经由光刻蚀刻方法于p型半导体层411的上表面形成规则或不规则的预定图案化表面。在本实施例中，第一p型半导体层411材料包含但不限于GaP或GaN。n型半导体层412与第二p型半导体层414材料包含III-V族半导体材料，例如：AlGaInP、AlGaAs、AlGaInN或其他常用的三元或四元III-V族半导体材料。有源层413的材料包含III-V族半导体材料，例如可为AlGaInP、AlGaInN或其他可与n型半导体层412与第二p型半导体层414匹配使用的材料。第一p型半导体层411材料包含III-V族半导体材料，例如：GaP或GaN。第二氧化物透明导电层420位于半导体发光叠层410上，其材料包含但不限于氧化铟锡、氧化镉锡、氧化锌、或氧化锌锡。第一电极441位于半导体发光叠层410上表面，第二电极442位于第一p型半导体层411暴露出的表面且沿着隧穿道450向下延伸，以与欧姆接触层443电性连接。光场调变层430包含第一层431以及一第二层432，覆盖第一p型半导体层411暴露出的部分表面，第一p型半导体层411、第二p型半导体层414、有源层413、n型半导体层412以及第二氧化物透明导电层421的侧壁，以及第二氧化物透明导电层421的上表面上。第一层431的材料包含但不限于导电金属氧化物或不导电材料；该不导电材料包含但不限于SiO₂、SiN_x、SiON、ZrO₂、Ta₂O₅、Al₂O₃或TiO₂；第二层432的材料包含但不限于金属氧化物或不导电材料；该不导电材料包含但不限于SiO₂、SiN_x、SiON、ZrO₂、Ta₂O₅、Al₂O₃或TiO₂。前述第一层431及第二层432的金属氧化物材料包含但不限于氧化铟锡、氧化镉锡、氧化锌、或氧化锌锡。第一层431及第二层432亦可以是材料相异组成的多层结构，其组合可以是SiO₂/SiN_x、SiO₂/TiO₂、SiON/SiN_x或金属氧化物/SiN_x。

在本实施例的发光元件4中，半导体发光叠层410的材料为AlGaInP材料，以SiO₂作为第一层431的材料，其折射系数约1.46，另外以SiNx作为第二层432的材料，其折射系数约1.9，其中第一层431的厚度为105nm，第二层432的厚度为80nm，在输入电流为20mA条件下，分别在光场调变层430的结构为一组、三组、五组的第一层431及第二层432的情形下，与未设置光场调变层430的传统发光元件进行比较。图8A是传统发光元件光场强度分布的情形，传统发光元件在50％光场强度下量测的远场角度为120.5°。图8B-8D分别是具有一组、三组及五组的第一层431及第二层432的发光元件4光场强度分布情形，发光元件4在50％光场强度下量测的远场角度分别是122.9°、126.6°及138.5°。发光元件4所产生的光场分布可通过光场调变层430来改变其光场分布，当光场调变层430结构中第一层431及第二层432的构成组数增加时，光场的远场角度也随的增加。

图9是绘示出根据本发明第五实施例的发光元件剖面示意图。发光元件5，包含：透光基板500、半导体发光叠层510、氧化物透明导电层521、光场调变层530、以及第一、第二电极541及542。在本实施例中，透光基板500的材料包含但不限于玻璃基板、蓝宝石基板、GaN基板或SiC基板。半导体发光叠层510位于透光基板500上，其包含：缓冲层511、n型半导体层512、第一p型半导体层514、第二p型半导体层515、以及介于半导体层512及514之间的有源层513。n型半导体层512与第一p型半导体层514作为发光元件5的束缚层。第二p型半导体层515位于第一p型半导体层514之上，且第二p型半导体层515的上表面为粗糙的上表面，该粗糙的上表面可经由外延或蚀刻方法形成一多孔穴表面，或经由光刻蚀刻方法于p型半导体层515的上表面形成规则或不规则的预定图案化表面。在本实施例中，发光元件5的形成可通过蚀刻方法，由第二p型半导体层515向下蚀刻至n型半导体层512，以移除部分的第二p型半导体层515、第一p型半导体层514、有源层513、以及部分n型半导体层512，并暴露出部分n型半导体层512的表面。在本实施例中，缓冲层511材料包含但不限于GaN、AlN、AlGaN或其他常用的三元或四元III-V族半导体材料。n型半导体层512与第一p型半导体层514材料包含AlGaInN或其他常用的三元或四元III-V族半导体材料。有源层513的材料包含AlGaInN或其他可与n型半导体层512与第一p型半导体层514匹配使用的材料。第二p型半导体层515材料包含GaN或InGaN。氧化物透明导电层521位于半导体发光叠层510上，其材料包含但不限于氧化铟锡、氧化镉锡、氧化锌、或氧化锌锡。第一电极541位于半导体发光叠层510的上表面，第二电极542位于n型半导体层512暴露出的表面上。光场调变层530包含第一层531以及一第二层532，覆盖n型半导体层512暴露出的部分表面、n型半导体层512、有源层513、第一p型半导体层514、第二p型半导体层515以及氧化物透明导电层521的侧壁，以及氧化物透明导电层521的上表面。

在本实施例的发光元件5中，以SiO₂作为第一层531的材料，其折射系数约1.46，另外以SiNx作为第二层532的材料，其折射系数约1.9，其中第一层531的厚度为80nm，第二层532的厚度为69nm，在输入电流为20mA条件下，分别在光场调变层530的结构为一组、三组、及五组的第一层531及第二层532的情形下，与未设置光场调变层530的传统发光元件进行比较。图10A是传统发光元件光场强度分布情形，传统发光元件在50％光场强度下量测的远场角度为146°。图10B-10分别是具有一组、三组及五组的第一层531及第二层532的发光元件5光场强度分布情形，发光元件5在50％光场强度下量测的远场角度分别是149°、153.5°及158.4°。发光元件5所产生的光场分布可通过光场调变层530来改变其光场分布，当光场调变层530结构中第一层531及第二层532的构成组数增加时，光场的远场角度也随的增加。

图11是绘示出根据本发明第六实施例的发光元件剖面示意图。在本实施例中，发光元件5以倒装片型态倒置于载板60上，第一、第二电极541及542分别与载板上的第一、第二接触电极641及642接触。此时由半导体发光叠层510向透光基板500发出的光会由发光元件5的侧面及透光基板500相对于半导体发光叠层510的表面等出光面摘出，因此在调变光场时，若需要较大的远场角度光场，需要减少由透光基板500相对于半导体发光叠层510的表面光摘出率，此时光场调变层530需要设置在透光基板500侧，第一层531较第二层532接近透光基板500，且第一层531的折射系数小于第二层532的折射系数。

在上述第五及第六实施例中，半导体发光叠层510的上表面或/及半导体发光叠层510和透光基板500的界面为粗糙面，该粗糙面可经由外延工艺或随机蚀刻方法形成，或经由光刻蚀刻方法形成规则或不规则的预定图案化表面。

图12为绘示出光源产生装置剖面示意图，该光源产生装置7包含本发明任一实施例中的发光元件。该光源产生装置7可以是照明装置，例如路灯、车灯、或室内照明光源；也可以是交通号志、或平面显示器中背光模块的背光光源。该光源产生装置7包含以前述发光元件组成的光源710、电源供应系统720、以及控制元件730，用以控制电源供应系统720。

图13为绘示出背光模块剖面示意图，该背光模块8包含前述实施例中的光源产生装置7，以及光学元件810。光学元件810可将由光源产生装置7发出的光加以处里，使其符合平面显示器的背光需求条件。

在上述各实施例中，光场调变层为在发光元件的电极形成后，依使用者要求的光场分布决定第一层及第二层所配置的形成条件。因此在发光元件生产过程中，可采用标准化工艺，在不改变发光元件的结构的情形下，仅通过调整第一层及第二层的厚度、组成材料、或层数，调变出符合使用者需求的光场分布。

本发明所列举的各实施例仅用以说明本发明，并非用以限制本发明的范围。任何人对本发明所作的任何显而易知的修饰或变更皆不脱离本发明的精神与范围。

Claims (43)

1.一种发光元件，包含：

半导体发光叠层，具有出光面；以及

光场调变层，位于该出光面上，其中，该光场调变层包含至少第一层及第二层，该第一层较该第二层接近该半导体发光叠层，且该第一层的折射系数小于该第二层的折射系数，

其中，所述第一层和第二层中与所述半导体发光叠层的出光面直接接触的层是所述第一层，由所述半导体发光叠层发出的光部分穿过所述光场调变层摘出。

2.如权利要求1所述的发光元件，其中，该光场调变层包含多个该第一层及该第二层。

3.如权利要求1所述的发光元件，其中，该第一层及第二层为材料相同的一单层结构，该单层结构的折射系数自第一层向第二层递增。

4.如权利要求1所述的发光元件，其中该半导体包含：n型半导体层、p型半导体层、以及介于这些半导体层之间的有源层。

5.如权利要求1所述的发光元件，其中，在该半导体发光叠层上还包含至少一电极。

6.如权利要求5所述的发光元件，其中，该光场调变层覆盖该电极部分的上表面。

7.如权利要求5所述的发光元件，其中，该光场调变层位于该半导体发光叠层上且环绕该电极周围。

8.如权利要求5所述的发光元件，其中，在该半导体发光叠层及该电极之间还包含第一氧化物透明导电层。

9.如权利要求1所述的发光元件，其中至少该第一层及该第二层之一为不导电材料。

10.如权利要求9所述的发光元件，其中该层不导电材料包含选自SiO₂、SiN_x、SiON、ZrO₂、Ta₂O₅、Al₂O₃及TiO₂所构成材料组中的至少一种材料。

11.如权利要求1所述的发光元件，其中该第一层及/或该第二层包含选自氧化铟锡、氧化镉锡、氧化锌、及氧化锌锡所构成材料组中的至少一种材料。

12.如权利要求1所述的发光元件，其中该半导体发光叠层包含粗糙的上表面。

13.如权利要求12所述的发光元件，其中该粗糙的上表面包含一图案化表面。

14.如权利要求13所述的发光元件，其中该粗糙的上表面包含多孔穴表面。

15.如权利要求1所述的发光元件，其中，还包含位于该半导体发光叠层下方的基板。

16.如权利要求15所述的发光元件，其中，该基板及该半导体发光叠层的界面为粗糙面。

17.如权利要求15所述的发光元件，其中，在该半导体发光叠层及该基板之间还包含第一接合界面。

18.如权利要求17所述的发光元件，其中，在该半导体发光叠层及该基板之间还包含粘结层，该第一接合界面位于粘结层及半导体发光叠层之间；以及第二接合界面位于粘结层及基板之间。

19.如权利要求18所述的发光元件，其中，在该粘结层为介电粘结层或金属粘结层。

20.如权利要求19所述的发光元件，其中，该介电粘结层包含选自聚酰亚胺、苯环丁烯、及过氟环丁烷所构成材料组中的至少一种材料。

21.如权利要求19所述的发光元件，其中，该金属粘结层包含选自铟、锡、及金锡合金所构成材料组群中的至少一种材料。

22.如权利要求18所述的发光元件，其中该半导体发光叠层部分上表面为粗糙的上表面。

23.如权利要求18所述的发光元件，其中至少该第一接合界面及该第一接合界面之一为粗糙面。

24.如权利要求18所述发光元件，其中，在该半导体发光叠层及该粘结层之间还包含第二氧化物透明导电层。

25.如权利要求18所述发光元件，其中，在该粘结层上下其中一侧还包含反射层。

26.如权利要求15所述的发光元件，其中，该基板包含选自蓝宝石、GaN、AlN、SiC、GaAs、GaP、Si、ZnO、MgO、MgAl₂O₄及玻璃所构成材料组中的至少一种材料。

27.如权利要求18所述的发光元件，其中，在该半导体发光叠层上还包含电极。

28.如权利要求27所述的发光元件，其中，该光场调变层设置于该半导体发光叠层及部分该电极上。

29.如权利要求27所述的发光元件，其中，该光场调变层位于该半导体发光叠层上且环绕该电极周围。

30.如权利要求27所述的发光元件，其中，在该半导体发光叠层及该电极之间还包含第三氧化物透明导电层。

31.如权利要求30所述的发光元件，其中，在该第三氧化物透明导电层及该半导体发光叠层之间还包含分布式接触层。

32.如权利要求31所述的发光元件，其中，该分布式接触层包含金属或/及半导体材料。

33.如权利要求31所述的发光元件，其中，该分布式接触层的图案包含线条分布图案或点状分布图案。

34.如权利要求22所述的发光元件，其中，在该半导体发光叠层另一部分上表面上包含电极。

35.如权利要求34所述的发光元件，其中，该电极包含打线电极以及延伸电极。

36.如权利要求34所述的发光元件，其中，该光场调变层位于该半导体发光叠层及部分该电极上。

37.如权利要求34所述的发光元件，其中，该光场调变层位于该半导体发光叠层上且环绕该电极周围。

38.如权利要求1所述的发光元件，其中，在该半导体发光叠层及该光场调变层之间还包含透明层。

39.如权利要求38所述的发光元件，其中该透明层为透光基板。

40.如权利要求1所述的发光元件，其中，该第一层的厚度为

其中n₁为该第一层折射系数，m₁为大于0的奇数值，W_d为由该半导体发光叠层所发出光的波长。

41.如权利要求1所述的发光元件，其中，该第二层的厚度为

其中n₂为该第二层折射系数，m₂为大于0的奇数值，W_d为由该半导体发光叠层所发出光的波长。

42.一种光源产生装置，包含：

由权利要求1所述的发光元件组成的光源；

电源供应系统，供应该光源一电流；以及

控制元件，用以控制该电流。

43.一种背光光源装置，包含：

如权利要求42所述的光源产生装置；以及

光学元件。

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