CN101447535B - 发光元件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种发光元件，本发明的发光元件包含一基板、至少一设置于该基板上且可产生一光线的发光结构、以及一设置于该发光结构中的环形光子晶体结构。该环形光子晶体结构包含复数个设置于该发光结构中的柱体以及复数个环绕该复数个柱体的环形孔洞。该复数个环形孔洞的间距较佳地是介于0.2λ至10λ之间，λ为该光线的波长。本发明的发光元件由于具有该环形光子晶体结构，因而具有较佳的出光量，以及较佳的准直特性。
Description
技术领域
本发明关于一种发光元件，特别关于一种通过环形光子晶体结构而提升取光效率并控制发光场形的准直特性的发光元件。
背景技术
固态半导体发光元件(例如发光二极管)的取光效率受限于半导体材料与外部材料(一般为空气或是环氧树酯(epoxy))界面间的全反射，使得发光元件溢出元件的光量约只占内部发光量的数个百分比。
图1及图2例示一现有的发光二极管100，揭示于美国专利US 7,098,589。该发光二极管100包含一基板120以及一设置于该基板120上的多层堆栈122。该多层堆栈122包含一氮化镓层134，其具有复数个圆形孔洞150。特而言之，US 7,098,589是利用该圆形孔洞150破坏界面的全反射以增进出光效率。一般而言，愈大的孔洞具有愈佳的取光效率，然而大孔洞会影响发光元件的电流分布及发光层的发光效率，导致总体出光效率降低。
发明内容
本发明提供一种发光元件，其通过一环形光子晶体结构，其破坏界面的全反射以增进取光效率，并同时控制发光场形的准直特性。
为达成上述目的，本发明提出一种发光元件，其包含一基板、至少一设置于该基板上且可产生一光线的发光结构，所述发光结构由一N型半导体层、一发光层及一P型半导体层依次叠置而成，且所述发光结构具有一出光侧、以及一设置于该发光结构中的环形光子晶体结构，且所述环形光子晶体结构设置于所述发光结构的出光侧，其中该环形光子晶体结构包含复数个环形孔洞和复数个柱体，所述环形孔洞环绕所述柱体。
为达成上述目的，本发明提出一种发光元件，所述发光元件包含：一基板；至少一发光结构，设置于所述基板上，所述发光结构由一N型半导体层、一发光层及一P型半导体层依次叠置而成，且所述发光结构具有一出光侧；以及一光线准直结构，设置于所述发光结构之中，且所述光线准直结构设置于所述发光结构的出光侧，包含复数个柱体以及环绕所述柱体的环形孔洞。
相较于现有没有光子晶体的发光元件的出光量，本发明的发光元件由于具有该环形光子晶体结构，因而具有较佳的出光量。此外，相较现有具有圆形孔洞的发光二极管，本发明的发光元件由于具有该环形光子晶体结构，因而具有较佳的准直特性。
附图说明
图1及图2例示一现有的发光二极管；
图3及图4例示本发明的发光元件；
图5例示本发明发光元件的取光效率变化图；
图6例示本发明发光元件的远场场形与现有发光二极管的远场场形；以及
图7至图10例示本发明光子晶体的晶格排列方式。
主要元件符号说明：
10 发光元件
12 基板
14 N型半导体层
16 发光层
18 P型半导体层
20 发光结构
22 N型接触电极
24 P型接触电极
26 出光侧
30 环形光子晶体结构
32 柱体
34 环形孔洞
34A 内环
34B 外环
36 光线
100 发光二极管
120 基板
122 多层堆栈
134 氮化镓层
150 圆形孔洞
具体实施方式
图3及图4例示本发明的发光元件10。该发光元件10包含一基板12、至少一设置于该基板12上且可产生一光线36的发光结构20、一N型接触电极22、一P型接触电极24以及一设置于该发光结构20中的环形光子晶体结构30。该环形光子晶体结构30包含复数个设置于该发光结构20中的柱体32以及复数个环绕该复数个柱体32的环形孔洞34。该发光结构20可为一发光二极管或一激光二极管，其包含至少一N型半导体层14、一发光层16以及P型半导体层18。
该发光结构20具有一出光侧26，该环形光子晶体结构30设置于该发光结构20的出光侧26。该复数个环形孔洞34的深度可小于或等于该P型半导体层18的厚度。
该复数个环形孔洞34的间距D介于0.2λ至10λ之间，其中λ为该光线36的波长。该环形孔洞34的内环34A及外环34B可为圆形，该环形孔洞34的外环半径(R)与该环形孔洞34的间距D的比值较佳地是介于0.1至0.5之间。此外，该环形孔洞34的内环34A及外环34B也可选择性地设计为椭圆形、三角形、矩形或多边形。
图5例示本发明发光元件10的取光效率变化图。横轴为该环形孔洞34的内环34A半径(r)及外环34B半径(R)的比值，该比值大于0但小于1。纵轴为本发明发光元件10的出光量与现有没有光子晶体的发光元件的出光量的比值，其中该环形孔洞34的外环34B半径(R)与间距D的比值(R/D)设定为0.45。相较于现有没有光子晶体的发光元件的出光量，本发明的发光元件10明显地具有较大的出光量，即本发明的发光元件10由于使用该环形光子晶体结构20，因而具有较大的出光量。
图6例示本发明发光元件10的远场场形与现有发光二极管100的远场场形。本发明的发光元件10在0度附近的出光量明显地优于现有发光二极管100在0度附近的出光量，即本发明的发光元件10由于具有该环形光子晶体结构20，因而具有较佳的准直特性。易言之，该环形光子晶体结构20可作为一光线准直结构，提升该发光元件10的准直特性。
图7至图10例示本发明光子晶体30的晶格排列方式，其晶格可四重对称(90度旋转对称)、六重对称(60度旋转对称)或多重对称。此外，该光子晶体30的晶格也可为周期性排列(如图7至图9所示)、准周期性排列(如图4所示)与非周期性排列(即随意排列)。
本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而熟悉本项技术的人士仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所揭示，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰。
Claims (22)
1.一种发光元件，其特征在于，所述发光元件包含：
一基板；
至少一发光结构，设置于所述基板上，所述发光结构由一N型半导体层、一发光层及一P型半导体层依次叠置而成，且所述发光结构具有一出光侧；以及
一环形光子晶体结构，设置于所述发光结构之中，且所述环形光子晶体结构设置于所述发光结构的出光侧，所述环形光子晶体结构包含复数个环形孔洞和复数个柱体，所述环形孔洞环绕所述柱体。
2.根据权利要求1所述的发光元件，其特征在于，所述发光结构为一发光二极管或一激光二极管。
3.根据权利要求1所述的发光元件，其特征在于，所述复数个环形孔洞的间距介于0.2λ至10λ之间，λ为所述发光结构产生的光线的波长。
4.根据权利要求1所述的发光元件，其特征在于，所述复数个环形孔洞呈对称周期性排列、准周期性排列或非周期性排列。
5.根据权利要求1所述的发光元件，其特征在于，所述复数个环形孔洞呈四重对称或六重对称。
6.根据权利要求1所述的发光元件，其特征在于，所述复数个环形孔洞呈多重对称。
7.根据权利要求1所述的发光元件，其特征在于，所述发光结构包含一P型半导体层，且所述复数个环形孔洞的深度小于或等于所述P型半导体的厚度。
8.根据权利要求1所述的发光元件，其特征在于，所述环形孔洞的内环及外环为圆形、椭圆形、三角形或矩形。
9.根据权利要求1所述的发光元件，其特征在于，所述环形孔洞的内环及外环为多边形。
10.根据权利要求1所述的发光元件，其特征在于，所述柱体及所述环形孔洞为圆形，所述环形孔洞的外环半径与所述环形孔洞的间距的比值介于0.1至0.5之间。
11.根据权利要求1所述的发光元件，其特征在于，所述柱体及所述环形孔洞为圆形，所述环形孔洞的内环半径与所述环形孔洞的外环半径的比值大于0但小于1。
12.一种发光元件，其特征在于，所述发光元件包含：
一基板；
至少一发光结构，设置于所述基板上，所述发光结构由一N型半导体层、一发光层及一P型半导体层依次叠置而成，且所述发光结构具有一出光侧；以及
一光线准直结构，设置于所述发光结构之中，且所述光线准直结构设置于所述发光结构的出光侧，包含复数个柱体以及环绕所述柱体的环形孔洞。
13.根据权利要求12所述的发光元件，其特征在于，所述发光结构为一发光二极管或一激光二极管。
14.根据权利要求12所述的发光元件，其特征在于，所述复数个环形孔洞的间距介于0.2λ至10λ之间，λ是所述发光结构产生的光线的波长。
15.根据权利要求12所述的发光元件，其特征在于，所述复数个环形孔洞呈周期性排列、准周期性排列或非周期性排列。
16.根据权利要求12所述的发光元件，其特征在于，所述复数个环形孔洞呈四重对称或六重对称。
17.根据权利要求12所述的发光元件，其特征在于，所述复数个环形孔洞呈多重对称。
18.根据权利要求12所述的发光元件，其特征在于，所述发光结构包含一P型半导体层，且所述复数个环形孔洞的深度小于或等于所述P型半导体层的厚度。
19.根据权利要求12所述的发光元件，其特征在于，所述环形孔洞的内环及外环为圆形、椭圆形、三角形或矩形。
20.根据权利要求12所述的发光元件，其特征在于，所述环形孔洞的内环及外环为多边形。
21.根据权利要求12所述的发光元件，其特征在于，所述柱体及所述环形孔洞为圆形，所述环形孔洞的外环半径与所述环形孔洞的间距的比值介于0.1至0.5之间。
22.根据权利要求12所述的发光元件，其特征在于，所述柱体及所述环形孔洞为圆形，所述环形孔洞的内环半径与所述环形孔洞的外环半径的比值大于0但小于1。
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