CN103325897B - 发光元件 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种发光元件，包含一外延结构，该外延结构包含：发光层；第一导电型局限层，位于该发光层上；第二导电型局限层，位于该发光层下，其中该第一导电型局限层的厚度不等于该第二导电型局限层的厚度，该发光层所产生的光线的光强度沿该外延结构生长方向分布变化，其中最大光强度位于发光层以外的区域。

Description

发光元件

本申请文件是2008年6月30日提交的发明名称为“发光元件”的第200810129294.2号发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明揭示一种发光元件结构，特别是关于发光元件的发光层与发光元件沿外延生长方向的光强度分布(WaveIntensityDistribution)曲线峰值区域在空间上不互相重叠的结构。

背景技术

发光二极管(light-emittingdiode,LED)的发光原理是利用电子在n型半导体与p型半导体间移动的能量差，以光的形式将能量释放，这样的发光原理有别于白炽灯发热的发光原理，因此发光二极管被称为冷光源。此外，发光二极管具有高耐久性、寿命长、轻巧、耗电量低等优点，因此现今的照明市场对于发光二极管寄予厚望，将其视为新一代的照明工具。

如图1A所示，已知的发光二极管100包含基板10、位于基板10上的外延结构12，以及至少一位于外延结构12上的电极14；此外延结构12还包含第一导电型半导体层120、发光层122，以及第二导电型半导体层124由上而下堆叠而成；其中，发光层122的结构通常为多重量子阱(MultipleQuantumWell,MQW)结构。

图1B为已知发光二极管100的能隙示意图。如图1B所示，已知的发光二极管100发光层122的结构由数个量子势垒层(quantumbarrierlayer)130与量子阱层(quantumwelllayer)132交互排列而组成，其中量子阱层132通常采用能隙(band-gap)较势垒层130小的材料。然而，此量子阱层132除了发出光线外，当具有与量子阱层132所发出光线波长相同或更短的光线通过量子阱层132时，此量子阱层132亦会吸收此通过的光线；上述量子阱层132吸光的情形存在于氮化镓(GaN)系列与磷化铝镓铟(AlGaInP)系列材料的发光元件中，特别是磷化铝镓铟系列材料的吸光情形尤为明显。

此外，为了提高发光二极管100的内部量子效率，发光层122多为20至100层的量子势垒层(quantumbarrierlayer)130与量子阱层(quantumwelllayer)交错堆叠的结构；因此，发光层124所发出的光线被其自身的量子阱层132所吸收的情况亦随着量子阱层132堆叠层数与厚度增加而更加明显。

图1C为对应已知的发光二极管外延结构12的光强度分布曲线图，如图所示，已知的发光二极管100沿外延生长方向A具有光强度分布曲线B，此强度分布曲线B具有峰值区域，此所谓的峰值区域指光强度分布曲线中，强度大于分布曲线最大光强度的百分之九十的区域(图中虚线B1与虚线B2与强度分布曲线所构成的区域)，其中峰值区域与发光层122位置相互重叠；此外，通过计算光强度分布曲线B中对应发光层122空间位置的面积(图中斜线区域)占分布曲线总面积的比例可以得到发光层122的光局限因子(OpticalConfinementFactor,τ_activelayer)，如图所示，已知结构的光局限因子约为百分之六十；综上所述，由于大多数发光叠层12所发出的光线大多局限于发光层122所在的位置，再加上发光层122的材料容易吸收光线，使发光二极管100的发光效率无法有效提高。

为了解决上述问题，本发明便提出一种发光二极管结构，以减少光线被发光层吸收的机率，由此提高光提取效率。

发明内容

本发明的目的之一是提供发光元件结构，此发光元件结构沿外延生长方向的光强度曲线的峰值区域与发光层位置在空间上不相互重叠。

本发明的另一目的是提供发光元件结构，其发光层不位于发光元件结构沿外延生长方向的光强度分布曲线峰值区域，以减少发光层材料吸光的问题，并且提高发光元件的光提取效率。

本发明的再一目的是提供发光元件结构，其发光层的光局限因子(τ_{active layer})小于百分之六十。

以下通过具体实施例配合附图详加说明，当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。

附图说明

图1A为已知发光二极管的结构示意图。

图1B为已知发光二极管的能隙(band-gap)示意图。

图1C为已知发光二极管沿着外延生长方向的光强度分布曲线示意图。

图2为本发明的发光元件结构示意图。

图3为本发明的发光元件沿着外延生长方向的光强度分布曲线示意图。

图4为本发明优选实施例的结构示意图。

图5为本发明优选实施例沿着外延生长方向的光强度分布曲线示意图。

图6为本发明另一实施例的结构示意图。

【主要元件符号说明】

100：发光二极管10：基板

12：外延结构14：电极

120：第一导电型半导体层

122：发光层

124：第二导电型半导体层

130：量子势垒层132：量子阱层

200：发光元件20：基板

22：外延结构24：电极

220：第一导电型包覆层

222：第一导电型局限层224：发光层

226：第二导电型局限层

228：第二导电型包覆层

300：发光元件30：基板

32：外延结构34：电极

320：第一导电型包覆层

322：第一导电型局限层324：发光层

326：第二导电型局限层

328：第二导电型包覆层

330：第一导电型窗户层

332：第二导电型窗户层340：黏结层

具体实施方式

图2为本发明的结构示意图，如图2所示，本发明的发光元件200包含基板20，并于基板20上形成外延结构22，此外延结构22由上而下由第一导电型包覆层220、第一导电型局限层222、发光层224、第二导电型局限层226，以及第二导电型包覆层228所堆叠生长而成，此外，还包含至少一电极24形成于外延结构22上，其中第一导电型局限层222的厚度T₁不等于第二导电型局限层226的厚度T₂。第一导电型局限层222与第二导电型局限层226的厚度比值T₁/T₂可以是1/2至1/200或2至200；其中，第一导电型局限层222与第二导电型局限层226的厚度比值又优选小于1/100与大于100。

此外，发光层224具有第一折射率n₁，第一导电型局限层222与第二导电型局限层226具有第二折射率n₂，第一导电型包覆层220与第二导电型包覆层228则具有第三折射率n₃，而上述各层的折射率满足第一折射率大于第二折射率，而第二折射率又大于第三折射率(n₁>n₂>n₃)的关系；由于外延结构22中，第一导电型局限层222与第二导电型局限层226的第二折射率n₂介于发光层224的第一折射率n₁以及第一导电型包覆层220与第二导电型包覆层228的第三折射率n₃之间，因此相较于第一导电型包覆层220与第二导电型包覆层228，光线较容易被局限于第一导电型局限层222与第二导电型局限层226中；再者，由于第一导电型局限层222与第二导电型局限层226厚度差异，使本发明发光元件200，如图3所示，其外延结构22在沿着外延生长方向具有光强度分布曲线，此分布曲线具有峰值区域E，且此峰值区域E与外延结构22的发光层224在空间上不相互重叠，其中所谓峰值区域E指光强度分布曲线中，光强度大于分布曲线最大光强度的百分之九十的区域。

图4为本发明优选实施例的结构示意图，如图4所示，发光元件300包含基板30、位于基板30上的外延结构32，以及至少一位于外延结构32上的电极34，其中外延结构由上而下至少包含一第一导电型包覆层320、一第一导电型局限层322、一发光层324、一第二导电型局限层326，以及一第二导电型包覆层328；其中，基板选自具有高导热、高透光、高反射或高导电等特性的材料；此外，在本实施例中，第一导电型局限层322的厚度T₁优选为约500nm而第二导电型局限层326的厚度T₂优选为约5nm，第一导电型局限层322与第二导电型局限层326的厚度比值T₁/T₂约为100；再者，发光层324结构为磷化铝铟镓(AlGaInP)的多重量子阱结构，由磷化铝铟镓的量子阱层(图未示)与量子势垒层(图未示)交互堆叠而成，由于量子阱层与量子势垒层分别具有不同的折射率，因此，多重量子阱结构可依照其构成的比例计算得到等效的第一折射率，而第一导电型局限层322与第二导电型局限层326分别具有第二折射率n₂，第一导电型包覆层320与第二导电型包覆层328分别具有第三折射率n₃，其中上述各层的折射率满足第一折射率大于第二折射率，而第二折射率又大于第三折射率()的关系。

图5为本发明优选实施例沿外延生长方向的光强度分布曲线对应外延结构示意图，如图5所示，在上述优选实施例中，发光元件300于沿着外延方向C具有光强度分布曲线D，其中由于外延结构32中，各层材料的折射率的差异以及第一导电型局限层322与第二导电型局限层326的厚度不同，使光强度分布曲线D的峰值区域(图中虚线D₁与虚线D₂与强度分布曲线所构成的区域)在空间上不与发光层324重叠。所谓峰值区域指分布曲线中强度大于最大强度百分之九十的区域，此外，通过计算光强度分布曲线中对应发光层324空间位置的面积(图中斜线区域)占光强度分布曲线总面积的比例可以得到发光层324的光局限因子(τ_activelayer)，在本实施例中，发光层324的光局限因子小于百分之六十，优选者为不大于百分之三十。

由于光线自发光层324发出至光线离开发光元件300的过程中，光线大多会被局限于与峰值区域对应的结构传导，因此使发光层324的光局限因子(τ_activelayer)小于百分之六十，且外延结构32中沿着外延生长方向的光强度分布曲线的峰值区域与材料容易吸收光线的发光层324在空间上不相互重叠，由此降低发光层发出的光线被其自身吸收的机率，以提高发光二极管的光提取效率。

图6为本发明的另一实施例的结构示意图，在发光元件300的结构中，此外延结构32更可包含第一导电型窗户层330与第二导电型窗户层332分别位于第一导电型包覆层320之上以及第二导电型包覆层328之下；其中第一导电型窗户层330的出光表面以及第二导电型窗户层332的下表面可为粗化表面，由此减少光线由发光层324发出后因材料折射率的变化产生全反射(TotalInternalReflection,TIR)的情形，以提高光提取效率。

此外，在基板30与外延结构32之间，还包含一粘结层340，用以固定外延结构32于基板30上；其中此黏结层的材料可以选自聚酰亚胺(PI)、苯并环丁烯(BCB)与过氟环丁烷(PFCB)所构成材料族群中的至少一种材料或金属材料。

以上所述的实施例仅为说明本发明的技术思想及特点，其目的在使熟习此项技艺的人士能够了解本发明的内容并据以实施，当不能以之限定本发明的专利范围，即大凡依本发明所揭示的精神所作的等同变化或修饰，仍应涵盖在本发明的专利范围内。

Claims (9)

1.一种发光元件，包含

一外延结构，该外延结构包含：

发光层；

第一导电型局限层，位于该发光层上；

第二导电型局限层，位于该发光层下，

其中该第一导电型局限层的厚度不等于该第二导电型局限层的厚度，该发光层所产生的光线的光强度沿该外延结构生长方向分布变化，其中最大光强度位于发光层以外的区域。

2.如权利要求1所述的发光元件，其中该光强度分布变化包含峰值区域，且该峰值区域的光强度大于该最大光强度的百分之九十。

3.如权利要求1所述的发光元件，还包含基板，位于该外延结构下。

4.如权利要求1所述的发光元件，其中该外延结构还包含：

第一导电型包覆层与第二导电型包覆层，分别位于该第一导电型局限层上与该第二导电型局限层下。

5.如权利要求4所述的发光元件，其中该发光层具有第一折射率n₁；该第一导电型局限层与该第二导电型局限层具有第二折射率n₂；该第一导电型包覆层与该第二导电型包覆层具有第三折射率n₃；其中，该第一折射率n₁、该第二折射率n₂以及该第三折射率n₃满足n₁>n₂>n₃的关系。

6.如权利要求4所述的发光元件，其中该第一导电型局限层厚度与该第二导电型局限层厚度比为2至200或1/2至1/200。

7.如权利要求4所述的发光元件，其中该外延结构还包含第一导电型窗户层与第二窗户层，分别位于该第一导电型包覆层上与该第二导电型包覆层下，其中该第一导电型窗户层的出光面与该第二导电型窗户层的下表面为粗化表面。

8.如权利要求1所述的发光元件，其中该发光层的光局限因子小于百分之六十。

9.如权利要求1所述的发光元件，其中该发光层为多重量子阱结构。