CN101655192B - 发光装置 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示一种发光装置，尤其揭示了制作发光二极管的系统与方法，在较佳实施例中，形成一布拉格反射层于一基材上，并于布拉格反射层上形成一光子晶体层以准直射入布拉格反射层的光线，借此增加布拉格反射层的效率。第一接触层、有源层、及第二接触层可直接形成于光子晶体层上，或贴附至光子晶体层上。本发明能够在更大范围的入射角提供更好效率。
Description
技术领域
本发明涉及制造全向反射器(Omni-directional reflector)的方法与系统，且特别涉及适用于发光二极管(Light Emitting Diode，LED)的全向反射器的形成方法与系统。
背景技术
发光二极管通常是由第一接触层、有源层、以及第二接触层所构成的二极管，当施予正向偏压时会产生光，而所产生的光会由有源层朝所有方向发散。然而，在大部分情况需要将光线引导到一特定方向，如果没有任何反射器的话，在特定方向的光量将只会占一小部分。此外，如果LED是形成在会吸光的基板上，例如硅基板，则朝向基板发散的光线将被基板吸收而损失大半。一般而言，射向硅基板的光线仅有10％以下会被反射回来。
为解决上述问题，可在LED上设置反射器以将光线引导到所需的方向并远离吸光基板。传统的反射器包括布拉格反射层(Distributed BraggReflectors，DBRs)，其使用不同折射率的材料交替形成多层膜以反射光线。然而，布拉格反射层并非全向(Omnidirectional)，当入射光的角度相对于布拉格反射层的法线增加时，其反射率下降，而使LED的发光效率也随之下降。
因此，业界亟需一种改良的反射器，以在更大范围的入射角提供更好效率。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种发光装置，包括：一基板；一反射层位于基板上；一光子晶体层位于反射层上；以及，一发光二极管位于光子晶体层上。
本发明另提供一种发光装置，包括：一基板；一反射层位于基板上；一准直器位于反射层上；以及，一发光二极管位于准直器上。
本发明更提供一种发光装置，包括：一第一基板；一发光二极管位于该第一基板上；以及，一反射器位于发光二极管与第一基板之间，其中反射器包括：一反射层以及一光子晶体层。
本发明能够在更大范围的入射角提供更好效率。
为让本发明的上述和其他目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。
附图说明
图1A-图1D显示本发明中于反射层上形成光子晶体层的实施例。
图2A-图2C显示将LED结构形成在第二基板上，然后结合至光子晶体层的实施例。
图3A-图3B显示本发明中于光子晶体层上形成反射层的实施例。
图4A-图4B显示将LED结构形成在第二基板上，然后结合至反射层的实施例。
上述附图中的附图标记说明如下：
101～第一基板
103～反射层
105～光子晶体层
106～基体材料
107～LED结构
108～介电材料点阵
109～第一接触层
111～有源层
113～第二接触层
201～第二基板
203～金属层
具体实施方式
以下实施例将以具有全向反射器的LED为例进行说明，但本发明也可应用于其他反射层。
图1A显示一第一基板101，其上具有一反射层103。第一基板101较佳为一蓝宝石或半导体基板。应注意的是，虽然本发明的实施例是以蓝宝石或硅基板为例进行说明，但本发明也可使用其他基板，例如绝缘层上覆硅(SOI)基板、SiC基板、MgAl2O4基板等。在较佳实施例中可选用硅基板，因为其具有低成本与降低LED结构中残余应力的优点。此外，虽然较佳使用具有(111)表面晶向的基板，但也可以使用具有(110)或(110)表面晶向的基板。
反射层103较佳形成在第一基板101上以反射来自LED的光线，此LED将于后续步骤形成在反射层103上方(将配合图1D描述)。反射层103较佳为布拉格反射层(DBR)以将光线反射至远离第一基板101的方向，当光线的入射角较大时(相对于DBR表面约90度角时)，此反射层具有高效率。然而，当光线的入射角较小时(例如小于约80度)，反射层103的效率较差。
反射层103较佳是由折射率高低不同的材料交替堆叠所形成，以捕捉并反射入射光。举例而言，反射层103较佳包含介电材料的交替堆叠，例如氧化钛、GaN、AlGaN、Iny(GaxAl1-x)P1-y、InyAl1-yP、氧化硅等。此外，反射层103也可由金属或非金属材料构成。当两层材料具有足够大的折射率差异时(例如20％)，反射层103可能只包含5组交替的材料层。然而，当两层材料的折射率差异比较小时(例如2％)，反射层103可能需要20组交替的材料层。较佳者，反射层103包含约10组交替的材料层。
反射层103较佳是由化学气相沉积法(CVD)或外延成长工艺如分子束外延(molecular beam epitaxy，MBE)所形成，但也可使用其他方法如金属有机化学化学气相沉积法(MOCVD)、氢化物气相外延(hydride vapor phase epitaxy，HVPE)、液相外延(liquid phase epitaxy，LPE)等。此外，虽然每一层的厚度会受限于各种设计上的限制，但较佳是根据所欲反射的光线的波长、材料的折射率来决定。例如，GaN的折射率为2.5，当使用GaN层反射波长480nm的光线时，GaN层的厚度较佳为480nm除以4倍GaN的折射率，也即48nm。
本领域普通技术人员当可理解，以上关于反射层103的材料、形成方法、尺寸等描述仅为举例说明，因此也可使用其他材料例如AlxGa1-xAs与AlxGaxAs的交替层，其他工艺如金属有机化学气相沉积法(MOCVD)来形成反射层103。此外，交替层的数量可以依照整体的设计需求，比上述实施例更多或更少。可用来形成反射层103的任何材料、形成方法、尺寸皆应属于本发明的范围内。
请参照图1B，于反射层103上形成光子晶体层105。光子晶体层(photoniccrystal layer)105较佳以二维方式反射光线(例如，大致平行于第一基板101的X-Y平面)，并允许光线从一第三维方向通过(例如，垂直于第一基板101的Z方向)。通过上述方式，光子晶体层105可准直LED结构107(形成于光子晶体层105上，将配合图1D描述)所发出的光线，因此当光线以低效率的角度欲进入反射层103时将被导正成近乎直角。如此一来，可增加反射层103的效率，使得在所欲方向的总光线增加。
图1C显示光子晶体层105的平面图，其较佳是由基体材料(basematerial)106与介电材料点阵(lattice)108所构成。基体材料106较佳包含由MOCVD所形成的GaN，但也可使用其他材料如AlGaN或Si，并可由其他工艺形成如HVPE、LPE等。基体材料106的厚度较佳约10-5000nm，更佳约1000nm。
当形成基体材料106后，介电材料点阵108较佳形成在基体材料106中。基体材料106中的介电材料点阵108使得光子晶体层105对某一方向(例如，垂直于第一基板101的Z方向)而言为同质(homogenous)，但对其他两方向(例如，大致平行于第一基板101的X，Y方向)而言为非同质。此种非同质性使得光子晶体层105可以反射来自两非同质方向的光线，但不反射来自同质方向的光线，因此可用准直(collimating)Z方向的光线。
介电材料点阵108较佳包含多个柱状物，以重复点阵形式形成于基体材料106中。介电材料的个别区域较佳为圆形(如图1C的平面图所示)，但也可为任何适当的形状，例如长方形、正方形、六边形、三角形、蜂巢形等，且其间距约10-1000nm，较佳约500nm。此外，介电材料点阵108较佳延伸穿过整个基体材料106，但也可视光子晶体层105的整体设计而定，仅穿过部分的基体材料106。
介电材料点阵108较佳包含一折射率与基体材料106不同的介电材料，例如空气、氧化硅、氧化钛、GaN、AlGaN等。介电材料点阵108的形成方式，较佳先以光刻工艺在基体材料106上形成遮蔽，使基体材料106露出的部分具有介电材料点阵108所需的形状。接着，对基体材料106露出的部分进行蚀刻以形成点阵孔洞。接着，以MBE、HPVE、LPE、CVD、PVD等工艺将材料填入点阵孔洞，然后通过抛光或蚀刻将多余的材料去除。此外，也可让点阵孔洞保持开放，使其填入空气。
图1D显示一LED结构107形成在光子晶体层105上。LED结构107较佳包括第一接触层109、有源层111、及第二接触层113。第一接触层109作为发光二极管的一部分，较佳包括III-V族化合物。III-V族化合物包括一III族元素与一V族元素，例如是GaN、InN、AlN、AlxGa1-xN、AlxIn1-xN、AlxInyGa1-x-yN、或前述的组合，并掺杂有第一导电型态的掺质(例如n-GaN)。
第一接触层109较佳是由外延工艺形成，例如MBE，但也可使用其他工艺如MOCVD、HVPE、LPE等。第一接触层109的厚度约1-6μm，较佳约2μm。第一接触层109较佳在形成过程中进行原处(in-situ)掺杂，其浓度约1x1016cm-3至1x1019cm-3，较佳约1x1018cm-3，但也可使用离子注入或扩散方式进行掺杂。
有源层111较佳形成在第一接触层109上。有源层111用来控制所发出的光线的波长，例如通过控制有源层111成分中的组成比例，可调整材料的带隙(bandgap)，因此可控制LED结构107的发光波长。
有源层111较佳包含多重量子阱(Multiple quantum wells，MQWs)结构，例如InGaN层、GaN层、AlxInyGa1-x-yN层(0≤x≤1)等。有源层111可包含任何数量的量子阱，例如5-20个量子阱，各约
厚。多重量子阱较佳是利用第一接触层109作为成核层以MOCVD方式外延形成，但也可使用其他工艺如MBE、HVPE、LPE等形成。
第二接触层113较佳形成在有源层111上。第二接触层113作为发光二极管的另一部分，与第一接触层109共同构成二极管。第二接触层113较佳包括III-V族化合物，例如是GaN、InN、AlN、AlxGa1-xN、AlxIn1-xN、AlxInyGa1-x-yN、或前述的组合，并掺杂有第二导电型态的掺质(例如p-GaN)，其与第一接触层109的第一导电型态相反。
第二接触层113较佳是由外延工艺形成，例如MBE，但也可使用其他工艺如MOCVD、HVPE、LPE等。第二接触层113的厚度约0.1-2μm，较佳约0.3μm。第二接触层113较佳在形成过程中进行原处(in-situ)掺杂，其浓度约1x1017cm-3至1x1021cm-3，较佳约1x1019cm-3，但也可使用离子注入或扩散方式进行掺杂。
通过在反射层103上形成光子晶体层105可提供一全向反射器(Omni-directional reflector)。此全向反射器可准直LED结构107所发出的光线，当光线以较大的角度(相对于反射层103的法线)欲进入反射层103时，将被准直成较小的角度。如此一来，反射层103可以反射更多来自LED结构107所发出的光线，使得在所欲方向的总光量增加。
图2A显示本发明另一实施例，其中LED结构107形成在第二基板201上，然后贴附在图1B的结构。此实施例特别适用于当光子晶体层105的材料(如氧化硅)无法作为外延晶种层的情况。在此实施例中，第二基板201较佳类似于第一基板101且较佳包含类似材料。但在其他实施例中，第二基板201也可包含与第一基板101不同的材料与结构。
第一接触层109、有源层111、及第二接触层113的材料与形成方式较佳类似于图1D的描述。然而，在此实施例中，这些层的形成顺序最好相反。例如，形成p在上的LED结构107时，p型导电第二接触层113较佳形成在第二基板201上，有源层111较佳形成在第二接触层113，n型导电第一接触层109较佳形成在有源层111上。如此一来，当第一基板101与第二基板201的结构结合时，p型导电第二接触层113将会最远离第一基板101，形成p在上的LED结构107。
图2B显示将第二基板201上的第一接触层109结合至第一基板101上的光子晶体层105。第一接触层109与光子晶体层105较佳以金属-金属方式结合，其可利用一层薄金属(未显示)例如镍、金等形成在第一接触层109与光子晶体层105的表面。上述薄金属层可利用CVD或PVD方式形成，且厚度约5-500nm，较佳约100nm。一旦形成薄金属层后，将之加热到200-1000℃，较佳约400℃，以形成结合第一接触层109与光子晶体层105的单一金属层203。
请参见图2C，将第一接触层109与光子晶体层105结合后，将第二基板201去除，以露出LED结构107。第二基板201的去除较佳可用化学机械研磨(CMP)与喷水(water jet)或用化学蚀刻，但也可使用其他合适的工艺来去除第二基板201以露出第二接触层113。
图3A显示本发明的另一实施例，其中光子晶体层105较佳形成在第一基板101上，且反射层103较佳形成在光子晶体层105上。在此实施例中，光子晶体层105的材料与工艺较佳类似于图1B-图1C的描述(例如基体材料与介电材料点阵)。接着，以类似图1A所描述的工艺与材料将反射层103形成在光子晶体层105上。从第一基板101方向射入至反射层103的光线将被光子晶体层105与反射层103准直并反射。
请参见图3B，在反射层103上形成LED结构107，且此LED结构107与光子晶体层105隔开。与图1D类似，此实施例的LED结构107包含第一接触层109、有源层111、及第二接触层113。LED结构107较佳为p在上的LED结构107，其具有n型第一接触层109与p型第二接触层113。第一接触层109、有源层111、及第二接触层113的形成方式与材料也与图1D所述类似。
图4A显示本发明的再一实施例，其中光子晶体层105较佳形成在第一基板101上，且反射层103较佳形成在光子晶体层105上。然而，在此实施例中，LED结构107并非形成在反射层103上，而是形成在第二基板201上，然后以类似图2B的方式结合到反射层103上(例如，金属-金属结合)。
请参见图4B，将LED结构107与反射层103结合后，将第二基板201去除。第二基板201较佳可使用研磨或蚀刻方式去除，如图2C所述。去除第二基板201后较佳露出LED结构107的上表面以进行后续的工艺。
当上述实施例的结构完成后，可进行后续工艺以完成LED装置的制作。例如，分别在第一接触层109及第二接触层113上形成电性接点(前侧和/或背侧)、形成保护层、并将LED装置切粒与封装。
应注意的是，除了上述具有全向反射器的LED外，也可视基板与第一、第二接触层109、113的种类形成其他膜层，例如缓冲层。举例而言，当使用SiC与Si基板时，可使用AlN或AlGaN作为缓冲层以帮助在基板上外延成长III-V族化合物。
LED结构107也可根据材料的种类与应用而有各种变化。因此，本发明的实施例也可涵盖各种不同的LED结构来搭配全向反射器。
虽然本发明已以数个较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作任意的更动与润饰，例如虽然上述实施例是描述p在上的LED，但本发明也可形成n在上的LED，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求所界定的范围为准。
Claims (14)
1.一种发光装置，包括：
一基板；
一反射层位于该基板上；
一光子晶体准直层位于该反射层上，其中该光子晶体准直层是由一基体材料以及一介电材料点阵所构成，该介电材料点阵包括多个柱状物，且所述多个柱状物以重复点阵型式形成于该基体材料中，其中该光子晶体准直层对第一方向为同质，对第二方向与第三方向为非同质，该第一方向为垂直于该基板的方向，该第二方向与该第三方向为平行于该基板的方向；以及
一发光二极管位于该光子晶体准直层上。
2.如权利要求1所述的发光装置，还包括一金属结合层介于该光子晶体准直层与该发光二极管之间。
3.如权利要求1所述的发光装置，其中该发光二极管与该光子晶体准直层共享一界面。
4.如权利要求1所述的发光装置，其中该反射层包含一布拉格反射层。
5.如权利要求1所述的发光装置，其中该光子晶体准直层包含一第一材料点阵位于一第二材料中，且该第一材料与第二材料具有不同的折射率。
6.如权利要求1所述的发光装置，其中该光子晶体准直层包含GaN、Si、或介电材料。
7.如权利要求1所述的发光装置，其中该介电材料点阵延伸穿过该基体材料。
8.一种发光装置，包括：
一第一基板；
一发光二极管位于该第一基板上；以及
一反射器位于该发光二极管与该第一基板之间，其中该反射器包括：
一反射层；以及
一光子晶体准直层，由一基体材料以及一介电材料点阵所构成，该介电材料点阵包括多个柱状物，且所述多个柱状物以重复点阵型式形成于该基体材料中，其中该光子晶体准直层对第一方向为同质，对第二方向与第三方向为非同质，该第一方向为垂直于该第一基板的方向，该第二方向与该第三方向为平行于该第一基板的方向。
9.如权利要求8所述的发光装置，其中该光子晶体准直层位于该反射层与该发光二极管之间。
10.如权利要求9所述的发光装置，其中该发光二极管与该光子晶体准直层直接接触。
11.如权利要求8所述的发光装置，其中该反射层包含一布拉格反射层。
12.如权利要求8所述的发光装置，其中该光子晶体准直层包含GaN、Si、或介电材料。
13.如权利要求8所述的发光装置，还包括一金属层位于该光子晶体准直层与该发光二极管之间。
14.如权利要求8所述的发光装置，其中该介电材料点阵延伸穿过该基体材料。
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