CN101375418B - 半导体发光装置 - Google Patents

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Abstract

一种半导体发光装置(100，300，400，500，600)，在主发光方向上发出具有一个预定带宽的光，包括一个光产生区(109，405，607)，用来产生光；以及一个1维光学晶体结构(113，417，615)，其有一个光学带隙覆盖至少一段所述带宽。1维光学晶体结构(113，417，615)被放置成，使得一旦有从光产生区(109，405，607)产生的光入射，就被反射朝向主发光方向(111，411，609)，所述光的波长在1维光学晶体结构(113，417，615)的带隙范围内。

Description

半导体发光装置
技术领域
本发明涉及半导体发光装置的结构和制作，特别涉及改善半导体发光装置的发光效率。
发明背景
发光二极管(LEDs)是半导体发光装置，当有电力供应时它发出光。通常，一个LED是由多层材料制成，其具有一个p-掺杂材料层或p-型半导体层(“p-层”)、一个n-掺杂材料层或一个n-型半导体层(“n-层”)、以及一个光产生区或p-n结(junction)。当有电力供应时，p-n结在主方向上(主方向朝向p-层和n-层中的一个层)发射光以形成一个光场(field ofillumination)。
为了改善一个LED装置的发光效率，现有技术已经提议了各种方法，如下所述。
美国专利6,784,462，标题为“Light-emitting diode with planaromnidirectional reflector(具有平面全向反射镜的发光二极管)”，在2004年8月31日被授权给Fred E.Schubert，其中披露了一种放置在发光区和导电托架(conductive holder)之间的全向反射镜。反射镜有依次序排列的透明层、欧姆接触(ohmic contact)阵列、以及一个反射导电膜。欧姆接触增加到达并被下面反射膜反射的部分光，而增加反射以提高LED的光提取效率。但是，‘462专利的LED对反射膜材料有相当高的要求，其必须是导电的，并且有一个高反射率。而且，在发光区和导电托架之间放置发射镜可能使制作工艺异常复杂。
在美国专利6,958,494，标题为“Light emitting diodes with currentspreading layer(具有电流扩散层的发光二极管)”，在2005年10月25日被授权给Lin等，一个导电且透明的氧化锡铟(ITO)膜和一个超薄复合金属层，充当一个良好的欧姆接触和电流扩散层，首先被贴到一个半导体包覆(cladding)层上。其后，在半导体包覆层内蚀刻出孔洞，以形成一个光学带隙结构来提高LED光提取。但是，形成光学带隙结构的工艺可能异常复杂。而且，蚀刻工艺(etching process)可能损坏半导体包敷层(claddinglayer)上方的接触层，结果可能导致电接触(electrical contact)不稳定。
本发明的目的是提供一种半导体发光装置，其至少能够克服一些现有技术所带来的一些缺陷。
发明概述
第一方面，本发明提供一种倒装半导体发光装置，在主发光方向上发出具有一个预定波长范围的光。该装置包括：
一个多层材料叠层，多层材料叠层包括：
产生光的光产生区，
一个p-层和一个n-层，各自靠近光产生区；
以及一个1维光学晶体结构，被放置在或靠近多层叠层的与其发光表面相反的底表面上，其有一个覆盖至少一段所述波长范围的光学带隙，
1维光学晶体结构被安置成，使得一旦从光产生区发出的光入射，就被反射朝向主发光方向，所述光具有一个在1维光学晶体结构带隙范围内的波长；
一个透明导电膜，被贴到p-层与p-电极及与1维光学晶体结构之间。
第二方面，本发明提供一种垂直半导体发光装置，在主发光方向上发出具有一个预定波长范围的光。装置包括：
一个多层材料叠层，包括：
一个光产生区，一个p-层和一个n-层，各自靠近光产生区；和
一个1维光学晶体结构，在主发光方向上位于光产生区的后面，并充当一个反射层，其中1维光学晶体结构有一个光学带隙，覆盖至少一段所述波长范围；
一个透明导电膜，被贴到n-层与n-电极及与1维光学晶体结构之间。
从以下的详细描述，结合通过范例描述本发明原理的附图，本发明的其它方面和优点将变得更加明显。
附图说明
现通过范例并结合附图描述本发明，其中：
图1显示依照本发明一个半导体发光装置的第一实施例的截面图；
图2a描述适合与图1半导体发光装置一起使用的一个1维光学晶体结构的透视图；
图2b描述适合与图1半导体发光装置一起使用的一个2维光学晶体结构的透视图；
图3显示依照本发明一个半导体发光装置的第二实施例的截面图；
图4显示依照本发明一个半导体发光装置的第三实施例的截面图；
图5显示依照本发明一个半导体发光装置的第四实施例的截面图；和
图6显示依照本发明一个半导体发光装置的第五实施例的截面图；
发明详述
以下描述是依照本发明的一个半导体发光装置的典型实施例。在描述时可以参考附图，由此在典型实施例里描述半导体发光装置。在附图之间的类似部件用相同的参考码标识。
在图1，一个顶端发光的半导体发光装置100的典型实施例包括一个多层材料叠层101，其在基板103上形成，如本领域技术人员所理解的那样，多层叠层101包括一个p-掺杂材料层或p-型半导体层105、一个n-掺杂材料层或一个n-型半导体层107、以及一个光产生区或p-n结109。当有电力供应时，p-n结109在所有方向上发出光，但是，如本领域技术人员所理解的那样，大部分发射光将按照箭头111所示的主发光方向，从顶端发光半导体发光装置100出去。
在此实施例里，基板103是一个透明基板，顶端半导体发光装置100还包括一个1维光学晶体结构113，通过诸如粘结或沉积(gluing ordeposition)被贴在基板103的底表面上。或者，1维光学晶体结构113可以被夹在基板103和n-层107之间。
在典型实施例里，1维光学晶体结构113充当一个全向反射器，用来反射穿过基板103的光，从而提高主发光方向111上的发光效率。如图2a所示，1维光学晶体结构113有两组交互层201、203，每组分别是由一个高折射率材料和一个低折射率材料制成，使得结构113在一个几乎平行于主发光方向111的一维方向上显示周期性。在典型实施例里，1维光学晶体结构的层数在2到128、更适宜是8到64的范围内。在典型实施例里，第一和第二材料选自：TiO2，SiO2，Si3N4和Ta2O5，最好有一个相对较高的折射率对比度。
而且，1维光学晶体结构113有一个晶格常数(lattice constant)，其大约是1维光学晶体结构的光学带隙的1/4，并且1维光学晶体结构113的光学带隙被设计成覆盖至少一段从p-n结109发出光的波长范围，这在图2a中未显示，在此典型实施例里是在400-800nm的范围内，更适宜是在440-470nm，500-540nm或600-650nm的范围内。本领域技术人员将会理解，穿过基板103的光，也未在图2a中显示，将被1维光学晶体结构113几乎无损失地反射，而不管光穿入1维光学晶体结构113的入射角度。所以，从p-n结109发出的与主发光方向111相反的方向上的大部分光被1维光学晶体结构113反射，从而增加在主发光方向111上的发光效率。
如图1所示，顶端发光的半导体发光装置100还包括一个2维光学晶体结构115，其通过诸如粘结、沉积、蒸发和压印被贴到p-层105的顶表面117。在发光方向111上2维光学晶体结构位于多层叠层101的前面，用来提取光从发光装置100出来。2维光学晶体结构115的光学带隙也覆盖从p-n结109发出光的至少一段波长距离，在此典型实施例里处于400-800nm的范围，更适宜是在430-480nm的范围。正如本领域技术人员将会理解的那样，这种2维光学晶体结构115协助在主发光方向111上提收光从发光装置100出来。
如图2b所示，在典型实施例里，在导电透明膜(例如ITO(氧化锡铟)薄膜211)上建立多个孔洞213，并在由ITO膜211定义的二维方向上周期性地，例如通过蚀刻、电子束石印工艺(electron beam lithograph process)、纳米图案花纹压印法(nano-imprinting process)或全息技术(holographytechnology)布置调整以形成2维光学晶体结构115。在此典型实施例里，2维光学晶体结构115也运行作为p-型半导体层105的一个接触层。
图3描述依照本发明的一个顶端发光的半导体发光装置300的第二实施例。发光装置有一个类似于如图1所述实施例的结构，但是，通过焊料303被安装在一个LED外罩托架(housing holder)301上，1维光学晶体结构113被贴在LED外罩托架301的顶表面305上，用来反射已经穿过基板103的光。因为形成1维光学晶体结构113在LED外罩托架上，可以简化这种发光装置的制作。
在图4，本发明的第四实施例以一个倒装半导体发光装置400的形式显示。如本领域技术人员所理解的那样，倒装发光装置400有一个多层叠层401，其包括一个p-掺杂材料层或p-型半导体层403、一个n-掺杂材料层或一个n-型半导体层407、以及一个光产生区或p-n结405。当有电力供应时，p-n结405在所有方向上发光，但是，大部分发射光将按照箭头411所示的主发光方向，穿过一个贴在n-层407顶表面的几乎透明基板409，从倒装半导体发光装置400出去。在典型实施例里，一个透明导电膜，如ITO膜413，被贴到p-层403，用来改善p-层和p-电极415之间的电连接。一个1维光学晶体结构417被贴到ITO膜413，充当一个全向反射器，用来反射穿过p-层403和ITO膜413的光，从而提高在主发光方向411上的发光效率。此外，例如通过蚀刻在基板409上建立周期排列的孔洞，一个2维光学晶体结构419在基板409的顶表面421上形成，用来在主发光方向上提取从倒装发光装置400发出的光。或者，2维光学晶体结构可以是单个被贴到基板409上的图案化的透明层。另外，2维光学晶体结构419也可以被夹在基板409和n-层407之间。
图5描述一个倒装半导体发光装置500的另一个实施例，其中1维光学晶体结构501延伸到p-触点505和n-触点507之间的mesa区，其充当一个用作隔离目的的电介质钝化层(dielectric passivation layer)。
在图6，一个垂直半导体发光装置600的典型实施例包括一个多层叠层601，其具有一个p-层603、n-层605、以及其间的一个p-n结607，当有电力供应时，在如箭头609所示的主发光方向上发光。一个n-电极611与n-层605电连接用来供应电力。一个透明导电层，如一个ITO膜613可以在n-层605和n-电极611之间，用来改善其间的电连接。
此外，类似于图1和图3-5描述的典型实施例，在或靠近ITO膜的底表面上有一个1维光学晶体结构615，用来反射穿过n-层605和ITO膜613出来的光，从而提高主发光方向609上的发光效率，并且有一个2维光学晶体结构617在p-层603的上表面上形成，用来在主发光方向609上提取垂直半导体发光装置600发出的光。可以通过蚀刻透明导电层而形成2维光学晶体结构617，其在实施例里也可以运行作为一个p-电极。
应该理解，在此披露和定义的本发明可以扩展到以上文字或附图的两个或多个特征的所有替代组合。所有这些不同组合构成本发明的各个方面。本领域技术人员将会明白，前面描述了本发明的一个实施例及对其所作改进，而没有偏移本发明的范围。
尽管在此描述了本发明，然而不是意在受制于所述细节，因为可以对其作出各种改进和结构改变，而没有偏移本发明的精神，并属于本发明和权利要求的范围。
而且，应该理解，在说明书里用来描述本发明及其各种实施例的单词不仅可以理解为通常涵义，而且可以包括超出通常涵义范围之外的说明书结构、材料或行为上作出的特别定义。因此，如果一个元素在说明书的上下文里可以被理解为包括多于一个涵义，其在权利要求里的使用必须被理解为由说明书及其单词本身支持的所有可能涵义。所以，以下权利要求的单词和元素定义在说明书里设定，不仅包括字面上阐述的元素组合，且包括所有等同的结构、材料或动行为以实质相同的方式执行实质相同的功能以获得实质相同的结果，而没有偏移本发明的范围。

Claims (18)

1.一种倒装半导体发光装置，用来在主发光方向上发出具有一个预定波长范围的光，装置包括：
一个多层材料叠层，包括：一个光产生区，用来产生光；和一个p-层和一个n-层，各自靠近光产生区；
一个1维光学晶体结构，被放置在或靠近多层叠层的与其发光表面相反的底表面上，其具有一个光学带隙覆盖至少一段所述波长范围，
其中1维光学晶体结构被放置成，使得一旦有从光产生区发出的光入射，所述光的波长在1维光学晶体结构的带隙范围内，所述光被反射向主发光方向，
一个透明导电膜，被贴到p-层与p-电极及与1维光学晶体结构之间。
2.根据权利要求1所述的装置，其中透明导电膜为氧化锡铟膜。
3.根据权利要求1所述的装置，其中1维光学晶体结构包括多个分别具有不同折射率的第一和第二材料的周期性排列层。
4.根据权利要求1所述的装置，还包括一个容纳所述装置的封装，其中1维光学晶体结构被放置在或靠近该封装的顶表面上。
5.根据权利要求1所述的装置，其中1维光学晶体结构形成一个全向反射器。
6.根据权利要求3所述的装置，其中第一和第二材料选自：TiO2，SiO2，Si3N4，Ta2O5。
7.根据权利要求1所述的装置，其中1维光学晶体结构的光学带隙是在从400到800nm的范围内。
8.根据权利要求1所述的装置，其中1维光学晶体结构的光学带隙是在440到470nm、550到540nm、或660到650nm的范围内。
9.根据权利要求1所述的装置，其中1维光学晶体结构有一个晶格常数(lattice constant)，其是1维光学晶体结构的光学带隙的1/4。
10.根据权利要求1所述的装置，其中1维光学晶体结构有2到128个层数。
11.根据权利要求1所述的装置，还包括：
一个2维光学晶体结构，被放置在或靠近多层叠层的发光表面上并在1维光学晶体结构的远侧，
其中2维光学晶体结构有一个覆盖至少一段所述波长范围的光学带隙，适合提取从装置发出的光。
12.根据权利要求11所述的装置，其中2维光学晶体结构是通过图案化一个透明电极层而形成。
13.根据权利要求12所述的装置，其中透明电极层是一个氧化锡铟(ITO)电极层。
14.根据权利要求1所述的装置，还包括：
一个透明的基板，光穿过该基板沿着主发光方向从装置出来。
15.根据权利要求1所述的装置，还包括：
一个透明的基板，光产生区在其上形成，基板有一个顶端发光表面；和
一个2维光学晶体结构，其在或靠近基板的上表面上形成，因此2维光学晶体结构在主发光方向上被放置在光产生区的前面。
其中2维光学晶体结构有一个光学带隙，其覆盖至少一段所述波长范围，用于提取从装置发出的光。
16.一种垂直半导体发光装置，在主发光方向上发出具有一个预定波长范围的光，装置包括：
一个多层材料叠层，包括：一个光产生区；和一个p一层和一个n一层，各自靠近光产生区；
一个1维光学晶体结构，在主发光方向上被放置在光产生区的后面，并充当一个反射层，其中1维光学晶体结构有一个光学带隙，其覆盖至少一段所述波长范围，
一个透明导电膜，被贴到n-层与n-电极及与1维光学晶体结构之间。
17.根据权利要求16所述的装置，其中透明导电膜为氧化锡铟膜。
18.根据权利要求16或17所述的装置，包括2维光学晶体结构，其在主发光方向上被放置在光产生区的前面，其中2维光学晶体结构有一个光学带隙，其覆盖至少一段所述带宽，用于提取从装置发出的光。
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