CN105374920B - 发光二极管结构 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种发光二极管结构，其包括一堆栈半导体层、一接触层以及一介电反射层。堆栈半导体层包括一第一型掺杂层、一第二型掺杂层以及一配置于第一型掺杂层及第二型掺杂层之间的主动层，其中多个开孔穿入第一型掺杂层、主动层及第二型掺杂层。接触层配置于第二型掺杂层上。从发光二极管结构的俯视方向看，介电反射层以小于或等于60%的覆盖率连接接触层及第一型掺杂层。

Description

发光二极管结构
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种发光二极管结构。
背景技术
发光二极管（Light Emitting Diode, LED）具有高功率、寿命长等特性，也因此发光二极管光源被广泛地应用。Ⅲ-Ⅴ族元素化合物的半导体材料所形成的发光二极管是广谱带隙发光组件，其发出的光包含可见光的全波段。近几年来，随着技术向高色度及高亮度的发展，发光二极管增加了各式各样的应用领域，像是超大尺寸户外显示板及交通号志灯，也更甚至成为取代钨丝灯泡及汞灯的具备节能及环保优点的未来发光光源。
在传统成长于第一基板（例如是具有绝缘性质的蓝宝石基板）上的氮化镓系（GaNbased）发光二极管中，由于发光二极管的正负电极通常被配置在一第一表面的同一侧，而正电极会遮挡自发光二极管的主动层发出的光。所以，氮化镓系发光二极管的封装最好是利用覆晶接合方法，从而透过发光二极管的一第二表面出光。此外，为了使绝大部分的光线能朝向发光二极管的第二表面发射，通常会形成一金属反射层于发光二极管最顶层的表面。
然而，金属反射层的反射能力是有限的。故在发光二极管的最顶面形成分布式布拉格反射（Distributed Bragg Reflector, DBR）层的方法也被同时提出，其中，所述分布式布拉格反射层可为多层介电质，其具有交替堆栈的多层较金属反射层的反射能力高的介电材料。然而，分布式布拉格反射层是由非导体材料制成，因此分布式布拉格反射层的配置对发光二极管的电性效能会形成负面影响。因此，发光二极管封装的光萃取效能的改善仍存在有限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种发光二极管结构，其具有适合的光萃取效能及电性效能。
为实现上述发明目的，本发明提供一种发光二极管结构，其包括堆栈半导体层、接触层以及介电反射层。堆栈半导体层包括第一型掺杂层、第二型掺杂层以及配置于第一型掺杂层及第二型掺杂层之间的主动层，其中多个开孔穿入第一型掺杂层、主动层及第二型掺杂层。接触层配置于第二型掺杂层上。从发光二极管结构的俯视方向看，介电反射层以小于或等于60%的覆盖率连接接触层及第一型掺杂层。
在本发明的一实施例中，上述的发光二极管结构更包括电极层，其配置于介电反射层上，其中电极层包括第一电极区域及第二电极区域，且第一电极区域及第二电极区域以一沟槽而彼此分隔并电性绝缘。
在本发明的一实施例中，上述的发光二极管结构更包括多个凹穴配置在堆栈半导体层上，且其在发光二极管结构的上表面上具有对应凹口。
在本发明的一实施例中，上述的电极层的第二电极区域经由至少部分多个凹穴电性连接至接触层。
在本发明的一实施例中，上述的发光二极管结构更包括图案化镜面层，其配置在接触层上，其中图案化镜面层连接至少部分多个凹穴及接触层，使得电极层的第二电极区域经由这些对应的凹穴而电性连接至接触层以及连接其上的图案化镜面层。
在本发明的一实施例中，上述的介电反射层覆盖未与凹穴连接的部分图案化镜面层。
在本发明的一实施例中，上述的发光二极管结构更包括导电层，其配置在介电反射层和电极层之间，其中导电层经由至少部分多个开孔连接至第一型掺杂层，且电极层的第一电极区域连接至部分导电层。
在本发明的一实施例中，上述的发光二极管结构更包括绝缘层，其配置在电极层的第二电极区域及导电层之间。
在本发明的一实施例中，在上述的电极层的第一电极区域未与导电层连接处，绝缘层配置在电极层的第一电极区域及导电层之间。在本发明的一实施例中，上述的发光二极管结构更包括基板，堆栈半导体层配置于基板的表面上，并暴露基板的表面的一部分而形成基板暴露区，且介电反射层更覆盖基板暴露区的至少一部分。
在本发明的一实施例中，上述的介电反射层包括低折射率层，且低折射率层的材质是选自二氧化硅（SiO2）、氟化镁（MgF2）、氟化钙（CaF2）之一或其任意组合。
在本发明的一实施例中，上述的介电反射层是分布式布拉格反射镜并包括一高折射率层，且高折射率层的材质是选自二氧化钛（TiO2）、硒化锌（ZnSe）、氮化硅（Si3N4）、五氧化二铌（Nb2O5）、五氧化二钽（Ta2O5）之一或其任意组合。
在本发明的一实施例中，上述的覆盖率小于或等于30%。
在本发明的一实施例中，上述的多个凹穴的至少一部分是条状凹穴，且这些条状凹穴的延伸方向彼此平行。
在本发明的一实施例中，上述的多个凹穴的至少一部分是圆形凹穴并排列成阵列。
在本发明的一实施例中，上述的接触层的材质是选自铟锡氧化物（Indium TinOxide, ITO）、铈锡氧化物（Cerium Tin Oxide, CTO）、锑锡氧化物（Antimony Tin Oxide,ATO）、铝锌氧化物（Aluminum Zinc Oxide, AZO）、铟锌氧化物（Indium Zinc Oxide, IZO）、锌氧化物（Zinc Oxide, ZnO）、镉锡氧化物（cadmium tin oxide）、氧化镓锌（ZnGa2O4）、掺锑氧化锡（SnO2:Sb）、掺锡氧化镓（Ga2O3:Sn）、掺锡氧化银铟（AgInO2:Sn）、掺锌氧化铟（In2O3:Zn）、氧化铜铝CuAlO2）、镧铜氧硫化合物（LaCuOS）、氧化镍（NiO）、氧化铜镓CuGaO2）、氧化锶铜（SrCu2O2）、银、金、铝、钛、钯、石墨烯（graphene）之一或其任意组合。
在本发明的一实施例中，上述的电极层的第二电极区域经由凹穴连接接触层。
在本发明的一实施例中，上述的发光二极管结构更包括导电层，其配置在介电反射层及电极层之间，其中导电层经由至少部分的多个开孔连接到第一型掺杂层，且电极层的第一电极区域经由至少部分的多个凹穴连接至导电层的一部分。
在本发明的一实施例中，使上述的电极层的第二电极区域电性连接到接触层的凹穴的至少其中之一与使导电层连接到第一型掺杂层的开孔的至少其中之一紧邻配置。
在本发明的一实施例中，使上述的电极层的第二电极区域电性连接到接触层的至少部分凹穴与使导电层连接到第一型掺杂层的至少部分开孔交错配置。
与现有技术相比，本发明的发光二极管结构使用介电反射层作为反射层，以反射主动层所发出的光，且从发光二极管结构的俯视方向来看，介电反射层以小于或等于60%的覆盖率连接接触层及第一型掺杂层，以便增强发光二极管结构的发光强度（LuminousIntensity, IV）并同时维持发光二极管结构的顺向电压（Forward Voltage, VF）在可接受的范围内。因此，本发明的发光二极管结构不仅可以增强发光强度，还可以提供优异的电性效能。
附图说明
图1是本发明一实施例的发光二极管结构的剖面图；
图2是本发明一实施例的介电反射层的俯视图；
图3是本发明另一实施例的介电反射层的俯视图；
图4是本发明一实施例的介电反射层的覆盖率和顺向电压及发光强度之间关系的曲线图；
图5是本发明一实施例中发光二极管结构的俯视图；
图6是图5沿A-A方向的剖面图。
具体实施方式
有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合附图各实施例的详细说明中，可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明，而并非用来限制本发明。并且，在下列各实施例中，相同或相似的组件将采用相同或相似的标号。
图1是本发明的一实施例的发光二极管结构的剖面图。请参照图1，在本实施例中，氮化镓系发光二极管结构100可以是一覆晶式发光二极管结构，其包括堆栈半导体层120、130、140、接触层150以及介电反射层160。堆栈半导体层包括第一型掺杂层120、主动层130以及第二型掺杂层140。主动层130设置于第一型掺杂层120以及第二型掺杂层140之间。在本实施例中，第一型掺杂层120、主动层130以及第二型掺杂层140依序彼此堆栈，但当然本发明不限于此。多个开孔122穿入第一型掺杂层120、主动层130以及第二型掺杂层140以暴露第一型掺杂层120、主动层130以及第二型掺杂层140。接触层150配置在第二型掺杂层140上。在本实施例中，接触层150可以是透明导电层，而接触层150的材料可选自铟锡氧化物（indium tin oxide, ITO）、铈锡氧化物（cerium tin oxide, CTO）、锑锡氧化物（antimonytin oxide, ATO）、铝锌氧化物（aluminum zinc oxide, AZO）、铟锌氧化物（indium zincoxide, IZO）、锌氧化物（zinc oxide, ZnO）、镉锡氧化物（cadmium tin oxide）、氧化镓锌（ZnGa2O4）、掺锑氧化锡（SnO2:Sb）、掺锡氧化镓（Ga2O3:Sn）、掺锡氧化银铟（AgInO2:Sn）、掺锌氧化铟（In2O3:Zn）、氧化铜铝CuAlO2）、镧铜氧硫化合物（LaCuOS）、氧化镍（NiO）、氧化铜镓CuGaO2）、氧化锶铜（SrCu2O2）、银、金、铝、钛、钯、石墨烯之一或其任意组合。
介电反射层160设置于接触层150上并连接接触层150，且介电反射层160延伸至开孔122内以连接第一型掺杂层120。从发光二极管结构100的俯视方向看，介电反射层160以小于或等于60%的覆盖率连接接触层150以及第一型掺杂层120。也就是说，从发光二极管结构的俯视方向看，介电反射层160以小于或等于60%的覆盖率覆盖了接触层150及第一型掺杂层120。在本实施例中，介电反射层160可包括一低折射率层，且低折射率层的材质可选自二氧化硅、氟化镁、氟化钙之一或其任意组合。更具体来说，介电反射层160是一分布式布拉格反射镜（Distributed Bragg Reflector, DBR）且更包括一高折射率层，其中，高折射率层的材质可选自二氧化钛、硒化锌、氮化硅、五氧化二铌、五氧化二钽之一或其任意组合。也就是说，介电反射层160是由多层具有不同折射率的材质交替堆栈形成，以至于各层的交界造成一光波的部分反射。上述的多次反射构成建设性干涉，以使介电反射层160可作为高质量的反射器。
因此，当介电反射层160覆盖接触层150和第一型掺杂层120的覆盖率（以下简称“介电反射层160的覆盖率”）增加，发光二极管结构100的发光强度也随之增加。然而，由于介电反射层160的介电特性，当介电反射层160的覆盖率增加，驱动发光二极管结构100所需的顺向电压也会随之增加。因此，介电反射层160的覆盖率必须控制在一特定的数值内，使其既可增强发光二极管结构100的发光强度，同时又能维持发光二极管结构100的顺向电压在一可接受范围内。
图2是本发明的一实施例的介电反射层的俯视图。图3是本发明的另一实施例的介电反射层的俯视图。请参照图2到图3，为了上述目的，介电反射层160可以具有如图2所示的多个条状凹穴162a，且这些条状凹穴162a的延伸方向彼此平行。在本发明的另一实施例中，介电反射层160亦可具有如图3所示的多个呈阵列式排列的圆形凹穴162b。上述的条状凹穴162a和上述的圆形凹穴162b可用以控制介电反射层160的覆盖率。也就是说，介电反射层160的覆盖率可以藉由调整凹穴162a、162b的数量、大小或形状来控制。当然，图2及图3所示的实施例仅用以说明，本领域中具有通常知识者可自行对介电反射层160的图案做变化及改变，本发明并不局限于此。
图4是本发明的一实施例的介电反射层的覆盖率和顺向电压及发光强度之间关系的曲线图。图4绘示了两条曲线，其中，具有方块点的曲线代表在不同介电反射层160的覆盖率下发光二极管结构100的发光强度，而具有菱形点的曲线代表在不同介电反射层160的覆盖率下发光二极管结构100的顺向电压。由图4可知，当介电反射层160的覆盖率小于或等于60%时，发光二极管结构100的发光强度增强到相对高的数值，同时发光二极管结构100的顺向电压尚维持在一个可接受范围中。较佳地，当介电反射层160的覆盖率小于或等于30%时，发光二极管结构100的发光强度增强到一个优异的数值，同时发光二极管结构100的顺向电压仍可维持在一个相对低的数值。因此，发光二极管结构100的介电反射层160的覆盖率应小于或等于60%。更具体来说，发光二极管结构100的介电反射层160的覆盖率可控制在小于或等于30%且大于0%。
详细来说，图1所示的发光二极管结构100更包括配置在介电反射层160上的电极层190。电极层190包括一第一电极区域192及一第二电极区域194，其中第一电极区域192及第二电极区域194以一沟槽196分隔并彼此电性绝缘，使发光二极管结构100可以透过第一电极区域192及第二电极区域194电性连接至一电路板。第一电极区域192可延伸进入开孔122的至少其中之一，以透过所述开孔122的至少其中之一而电性连接至第一型掺杂层120。发光二极管结构100更包括多个凹穴162，例如是条状凹穴162a及圆形凹穴162b，其在发光二极管结构100的一上表面上具有对应的凹口，其中这些凹穴162位于堆栈半导体层120、130、140上且至少部分凹穴连接到接触层150。第二电极区域194延伸进入至少部分凹穴162以透过所述至少部分凹穴162电性连接接触层150及第二型掺杂层140。
此外，发光二极管结构100更包括导电层170及绝缘层180。导电层170配置在介电反射层160及电极层190之间，且绝缘层180配置在电极层190和导电层170之间。更具体来说，绝缘层180位于电极层190的第二电极区域194及导电层170之间以电性绝缘第二电极区域194和导电层170，而在第一电极区域192未与导电层170连接处，绝缘层180更可配置在部分第一电极区域192及导电层170之间，且第一电极区域192透过至少部分开孔122连接至一部分的导电层170。导电层170透过所述至少部分开孔122连接至第一型掺杂层120。
更具体来说，使上述的电极层190的第二电极区域194电性连接到接触层150的凹穴162的其中之一，可与使导电层170连接到第一型掺杂层120的开孔122的其中之一紧邻配置。此外，如图1所示，使上述的电极层190的第二电极区域194电性连接到接触层150的至少部分凹穴162，与使导电层170连接到第一型掺杂层120的至少部分开孔122为交错配置。
再者，发光二极管结构100更包括一基板110，其具有一表面，堆栈半导体层120、130、140配置于上述的表面上。在本实施例中，基板110可以例如是蓝宝石基板。堆栈半导体层120、130、140暴露部分基板110的表面而形成一基板暴露区，且介电反射层160更覆盖基板110的基板暴露区的至少一部分。如上述的配置，当发光二极管结构100藉由例如覆晶方式连接至电路板时，主动层230所发出的光可以被介电反射层160反射而穿透蓝宝石基板出光。
图5及图6是本发明的一实施例中发光二极管结构的上视图及其依据A-A线的剖面图。在此必须说明的是，本实施例的发光二极管结构200与图1的发光二极管结构100相似，因此，本实施例沿用前述实施例的组件标号与部分内容，其中采用相同的标号来表示相同或近似的组件，并且省略了相同技术内容的说明。关于省略部分的说明可参考前述实施例，本实施例不再重复赘述。请参照图5及图6，以下将针对本实施例的发光二极管结构200与图1的发光二极管结构100的差异做说明。
图6所示的发光二极管结构200及图1所示的发光二极管结构100之间主要的不同在于发光二极管结构200更包括一图案化镜面层265，其配置在接触层250及介电反射层260之间，其中，图案化镜面层265连接至少部分凹穴262及接触层250，以使电极层290的第二电极区域294透过对应凹穴262以及连接到对应凹穴262的图案化镜面层265而电性连接至接触层250。介电反射层260覆盖未与凹穴262连接的至少部分图案化镜面层265。换句话说，除了连接到凹穴262的部分图案化镜面层265以外，介电反射层260覆盖大部分的图案化镜面层265，以使第二电极区域294可以透过对应凹穴262电性连接到图案化镜面层265。
一般来说，从发光二极管结构200的俯视方向看，介电反射层260以小于或等于60%的覆盖率连接接触层250及第一型掺杂层220。在本实施例中，从发光二极管结构200的俯视方向看，介电反射层260是以小于或等于30%的覆盖率连接接触层250及第一型掺杂层220。图案化镜面层265的材质可以是导电材质，其可包括选自银（Ag）、铝(Al)、金(Au)、铑(Rh)、钯(Pd)、铜(Cu)、铬(Cr)、钛(Ti)、铂(Pt)等元素之一或其任意组合。因此，连接至接触层250及第二电极区域294的图案化镜面层265可用以增强发光二极管结构200的电性效能并帮助反射主动层230所发出的光。此外，图案化镜面层265也可用以控制介电反射层260的覆盖率。也就是说，介电反射层260的覆盖率可以被图案化镜面层265的分布所控制。
从图5的发光二极管结构200的俯视图可以看出电极层290包括第一电极区域292和第二电极区域294，其中沟槽296用以分隔并电性绝缘第一电极区域292和第二电极区域294，因此发光二极管结构200可以用覆晶的方式透过第一电极区域292和第二电极区域294电性连接至电路板。
此外，使第二电极区域294电性连接到接触层250的凹穴262的其中之一，与使导电层270连接到第一型掺杂层220的开孔222的其中之一为紧邻配置。并且，使第二电极区域294电性连接到接触层250的部分凹穴262，与使导电层250连接到第一型掺杂层220的部分开孔222可交错配置。
综上所述，本发明的发光二极管结构使用介电反射层来作为反射层，用以反射主动层所发出的光，并且，从发光二极管结构的俯视方向看，介电反射层以小于或等于60%的覆盖率连接到接触层和第一型掺杂层，使其不仅可增强发光二极管结构的发光强度，更可同时维持发光二极管的顺向电压在一可接受的范围。
此外，一图案化镜面层更可以配置在接触层及介电反射层之间，以连接接触层和第二电极区域。介电反射层覆盖至少部分图案化镜面层。图案化镜面层的材质可以是导电材质，使图案化镜面层可用以增强发光二极管结构的电性效能并同时帮助反射自主动层发出的光。因此，本发明的发光二极管结构不仅增强其发光强度，同时也提供了优异的电性效能。
本说明书中所述的实施例或其任意组合均属本发明，虽然本发明揭露上述实施例，但实施例并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有常识的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的变动与润饰，故本发明的保护范围当以权利要求所界定的范围为准。

Claims (18)

1.一种发光二极管结构，包括：
一堆栈半导体层，包括：
一第一型掺杂层；
一第二型掺杂层；
一主动层，配置于所述第一型掺杂层及所述第二型掺杂层之间，多个开孔穿入所述第一型掺杂层、主动层及第二型掺杂层以暴露所述第一型掺杂层；
一接触层，配置于所述第二型掺杂层上；
一介电反射层，其设置于所述接触层上并连接所述接触层，且延伸至所述多个开孔以连接所述第一型掺杂层；
一导电层，位于所述接触层上并透过所述多个开孔电连接至所述第一型掺杂层，其中所述导电层不与所述接触层相接触；
多个凹穴，配置在所述接触层上，从所述发光二极管结构的俯视方向看，至少部分所述多个开孔配置于第一列且至少部分所述多个凹穴配置于第二列，其中，所述第一列与所述第二列平行；
一电极层，其配置于所述介电反射层上，所述电极层包括一第一电极区域及一第二电极区域，所述第一电极区域或所述第二电极区域延伸进入至少部分所述多个凹穴，且具有与所述多个凹穴对应的凹口。
2.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其特征在于，所述第一电极区域及所述第二电极区域通过一沟槽彼此分隔。
3.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其特征在于，所述电极层的第二电极区域经由至少部分所述凹穴电性连接至所述接触层。
4.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其特征在于，还包括一图案化镜面层，其配置在所述接触层上，所述图案化镜面层连接至少部分所述凹穴及所述接触层，使得所述电极层的第二电极区域经由对应的凹穴以及连接对应的凹穴的所述图案化镜面层而电性连接至所述接触层。
5.根据权利要求4所述的发光二极管结构，其特征在于，所述介电反射层覆盖未与所述凹穴连接的部分图案化镜面层。
6.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其特征在于，所述导电层配置在所述介电反射层和所述电极层之间，其中所述导电层经由至少部分所述开孔连接至所述第一型掺杂层，且所述电极层的第一电极区域连接至部分所述导电层。
7.根据权利要求6所述的发光二极管结构，其特征在于，还包括一绝缘层，其配置在所述电极层的第二电极区域及所述导电层之间。
8.根据权利要求7所述的发光二极管结构，其特征在于，在所述电极层的第一电极区域未与所述导电层连接处，所述绝缘层配置在所述电极层的第一电极区域及所述导电层之间。
9.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其特征在于，还包括一基板，其具有一表面，所述堆栈半导体层配置于所述表面上，其中所述堆栈半导体层暴露所述基板的部分表面而形成一暴露区，且所述介电反射层覆盖所述基板暴露区的至少一部分。
10.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其特征在于，所述介电反射层包括一低折射率层，且所述低折射率层的材质是选自二氧化硅、氟化镁、氟化钙或其任意组合。
11.根据权利要求10所述的发光二极管结构，其特征在于，所述介电反射层是一分布式布拉格反射镜并更包括一高折射率层，且所述高折射率层的材质是选自二氧化钛、硒化锌、氮化硅、五氧化二铌、五氧化二钽或其任意组合。
12.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其特征在于，所述介电反射层以小于或等于60%的覆盖率覆盖所述接触层及第一型掺杂层。
13.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其特征在于，至少部分的所述凹穴是条状凹穴，且所述条状凹穴的延伸方向彼此平行。
14.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其特征在于，至少部分的所述凹穴是圆形，且所述凹穴排列成一数组。
15.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其特征在于，所述接触层的材质是选自铟锡氧化物、铈锡氧化物、锑锡氧化物、铝锌氧化物、铟锌氧化物、锌氧化物、镉锡氧化物、氧化镓锌、掺锑氧化锡、掺锡氧化镓、掺锡氧化银铟、掺锌氧化铟、氧化铜铝、镧铜氧硫化合物、氧化镍、氧化铜镓、氧化锶铜、银、金、铝、钛、钯、石墨烯或其任意组合。
16.根据权利要求3所述的发光二极管结构，其特征在于，所述电极层的第二电极区域经由所述凹穴连接接触层。
17.根据权利要求6所述的发光二极管结构，其特征在于，使所述电极层的第一电极区域电性连接到所述接触层的凹穴的其中之一与使所述导电层连接到所述第一型掺杂层的开孔的其中之一紧邻配置。
18.根据权利要求6所述的发光二极管结构，其特征在于，使所述电极层的第二电极区域电性连接到所述接触层的至少部分凹穴与使所述导电层连接到所述第一型掺杂层的至少部分开孔交错配置。
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