CN1700832A

CN1700832A - 提高发光效益的发光元件结构

Info

Publication number: CN1700832A
Application number: CN 200410047201
Authority: CN
Inventors: 吴伯仁; 陈建安; 吴美慧; 张源孝
Original assignee: ZHOULEI SCIENCE & TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: ZHOULEI SCIENCE & TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2004-05-19
Filing date: 2004-05-19
Publication date: 2005-11-23

Abstract

一种具有提高发光效益的发光元件结构，其通过具有不同折射率(refractive index)的底材或粗化底材，使得发光元件所发出射入此底材内部的光线，因不同折射率的反射或粗化表面的散射而改变光线的行经路径，藉此增加光线射透出底材的机率。其更可以通过具有复数个几何形状的开孔的透明电极层，使得发光元件内部的光线可直接经由此等开孔射出，以避免光线在穿透透明电极层时，所产生的衰减或是被电极层所阻挡，藉此增加发光元件的发光效益。

Description

提高发光效益的发光元件结构

技术领域

本发明有关于一种具有提高发光元件发光效益的结构，特别是有关于一种形成不同折射率分布的底材与不同散射面的底材以及一种透明电极层或电极层的覆盖结构，藉此提高发光元件的发光效益。

背景技术

首先，请参照图1，其中图1A一传统发光元件剖面与其内部全反射光线的示意图，而图1B则为相对于图1A的俯视图。

在图1A中，底材110上所外延成长(epitaxially grow磊晶成长)的外延层(epitaxy layer磊晶层)包括第一化合物半导体层120、发光层125(active layer)以及第二化合物半导体层130。当电流顺向流经第二化合物半导体层130，与第一化合物半导体层120中间的发光层125时，因少数载子重新组合而产生能量转换，使得外延层成为一可发光的结构。在外延层上更包括透明电极层140，用以强化第一电极1501与第二化合物半导体层130的连接，并同时增加电流的扩散。其中，透明电极层140也是欧姆接触层。而第二电极1502直接电性接触于第一化合物半导体层120之上，用以与第一电极1501、透明电极层140、第二化合物半导体层130、发光层125以及第一化合物半导体层120形成一电流回路。

当外延层因能量转换而发光时，其所发射的光线会经由透明电极层140穿透出，当然也会有部分的光线射入底材110之内。然而，穿透过透明电极层140的光线因为透明电极层140的阻挡，光线的强度会因此而减弱。而射入底材110内的光线若其反射角度大于全反射角(total reflection angle)时，则此光线便会形成所谓的全反射光160。全反射光160在底材110内会持续进行反射，若反射的角度小于全反射角时，则此小于全反射角的全反射光160便有机会射透出底材110；反之，若反射的角度均大于全反射角时，则此大于全反射角的全反射光160便无法射透出底材110，而最后会因为能量被底材110吸收殆尽而消失。现有技术中，由于底材110的下表面为一经过抛光(polish)的平滑面，因此，当全反射光160以大于全反射角的角度进行光线反射时，其所产生的平面反射夹角依然会维持大于全反射角，也因此使得全反射光160无法射透出底材110，而造成发光元件的发光损耗。根据以上所述，无论是光线穿透透明电极时所产生的衰减，抑或是全反射光无法射透出底材而被底材所吸收，此两种情况均会影响发光元件的发光效益。

而为获得一较佳的发光效益，现有技术均以提高所施加于电极的电流密度，藉此增加发光元件的发光效益，但此方式却容易使得发光元件的可靠度及寿命降低。

鉴于以上所述的发光元件的缺点，实有需要持续发展新的改进结构以克服现有技术中的各项缺陷。所以，如何导出底材内的全反射光以及如何避免射出来的光线衰减，是此技术领域必然会遭遇的问题，也是本发明所要解决的问题。

发明内容

鉴于上述的发明背景中，现有技术中的发光元件会有底材内的全反射光无法射透出，以及部分发光强度会受透明电极阻挡而衰减等问题。本发明提供一种具有提高发光元件发光效益的结构，藉此改进现有技术中的诸项缺点。

本发明通过不同物质介面及不同物质密度所产生的不同折射数，改变底材内全反射光线的反射角度及其行经路径。

本发明通过粗糙化底材表面使得全反射光线改变其反射角度以及产生不同方向的散射，提高光线射透出底材的机率。

本发明通过具有复数个几何形状开孔的透明电极层或电极层，使得反射及散射的光线能经由此等开孔直接射出，减少光线因透明电极的阻挡而衰减，或因电极的阻挡而无法射出。

根据以上所述，本发明提供一种具有提高发光元件发光效益的结构，包含：一底材，其下表面包括复数个具有不同折射率的区域，其中，此等具有不同折射率的区域包括以离子植入方式，以及以干式蚀刻、湿式蚀刻、研磨、微加工(micromachining)、微复制(micro replication)及激光粗糙化方式所形成，使得发光元件所发出射入此底材内部的光线，产生非平面的反射与不同方向的散射，藉此增加光线射透出此底材的机率；一外延层，位于上述底材之上，由化合物半导体材料所外延长成的可发光结构；以及一透明电极层，位于上述外延层之上，此透明电极层包括复数个几何形状的开孔，用以增加发光元件内部光线直接射出的机率，以避免光线在穿透透明电极层时所产生的衰减，藉此提高发光元件发光的效益。

附图说明

图1A为一传统发光元件的剖面及内部反射光线的示意图；

图1B为图1A所示元件的俯视图；

图2为本发明的一改变底材折射率实施例的结构示意图；

图3A～D为本发明的粗糙化底材实施例的结构示意图；

图3E为本发明的一加强粗糙化底材光线反射/散射实施例的结构示意图；

图4A、图4B为本发明的另外两个实施例的俯视图；

图4C为图4A所示结构的俯视图；

图5为本发明的一较佳实施例的结构示意图；以及

图6A～E及图7为本发明的另外六个较佳实施例的结构示意图。

主要部分的代表符号：

110、210 底材

120、220 第一化合物半导体层

125、225 发光层

130、230 第二化合物半导体层

140、240 透明电极层

1401、2401 透明电极层的开孔

1501、2501 第一电极

1502、2502 第二电极

160、260 全反射光

2601 全反射光的反射及散射

270 离子植入区

270-1 不规则底材表面

270-2～270-4 粗化形状

280 反射层

具体实施方式

本发明的一些实施例会详细描述如下。然而，除了详细描述外，本发明还可以广泛地在其它的实施例施行，且本发明的范围不受限定，其以所述的专利范围为准。

并且，为提供更清楚的描述及更容易理解本发明，附图内各部分并没有依照其相对尺寸绘图，某些尺寸与其它相关尺度的比例已经被夸张；不相关的细节部分也未完全绘出，以求附图的简洁。

如图2所示，本发明具有提高发光元件发光效益的一实施例的结构示意图。底材210的下表面包括复数个具有不同折射率的区域270，其中底材210包括一蓝宝石(sapphire)基板。复数个具有不同折射率的区域270使用以离子植入(ion implantation)的方式而形成，其原理通过植入与基板不同物质于蓝宝石基板的下表面，进而改变被植入区域的物质密度与材质或组成，因而会产生不同的折射数。因此，以离子植入方式将不同物质植入底材210的下表面时，由于底材210的下表面已经不是单一折射率的光滑表面，故当发光元件所发出的光线以大于全反射的角度入射至底材210时，会使得原来满足全反射的入射光线260改变其路径，而产生反射(reflection)及散射(scattering)的光线2601，其中，大部分的反射光线及散射光线2601的角度小于全反射角时，便可射透出底材210而由外延层方向释出，因此，本发明可通过改变底材210的区域性折射率，来改变全反射入射光线260的路径，进而增加全反射光线260射透出底材210的机率，使得发光元件的发光效益可以提升。而第一化合物半导体层220、发光层225、第二化合物半导体层230、透明电极层240、第一电极2501以及第二电极2502的结构及功能，均与图1A中相对应的结构及功能相同，在此不再重复累述。

如图3A所示，本发明具有提高发光元件发光效益的另一实施例的结构示意图。图中的270-1区域，为一经过粗糙化处理的表面，例如使用研磨方式来粗糙化底材210的下表面，通过不同粗糙度的研磨材料所形成的随机式反射面，增加底材210内全反射入射光线260的散射效果，使其形成不同方向的反射及散射的光线2601，使得部分的反射光线及散射光线2601的角度小于全反射角，而射透出底材210。因此，本发明可通过粗糙化处理的表面来改变全反射光线260的路径，进而增加全反射光线260射透出底材210的机率，使得发光元件的发光效益可以提升。至于第一化合物半导体层220、发光层225、第二化合物半导体层230、透明电极层240、第一电极2501以及第二电极2502的结构及功能均与图1A中相对应的结构及功能相同，在此不再重复累述。

此外，粗糙化底材210的下表面亦可利用干式蚀刻、湿式蚀刻、微加工、微复制及激光加工等方式，配合微影技术进行有规律的粗化，如图3B中的圆球体形状270-2、图3C中的角锥体形状270-3、图3D中的多面体形状270-4或更复杂的粗化图形形状等，均可依据各种不同的光学特性需求予以粗化。而上述的粗化制程更可搭配背面反光层280以加强反射/散射光强度，如图3E所示。反射金属在上述的各个粗化的结构均适用，图3E仅是其中一例。反射层280形成在已经粗糙化的底材210的下表面，其可为高反射率的金属如银(Ag)、铂(Pt)、钼(Mo)、铝(Al)、钯(Pd)等，或由介电层所组成的四分之一波长分散型布拉格反射结构(Distributed Bragg Reflector；DBR)，如TiO₂/SiO₂的多层膜结构。

上述的实施例利用透明电极层240达到电流分散的效果，但因透明电极240的光线穿透率有限，故部分光线将被损耗，尤以多重反射的光线为甚。接着，请参照图4A、图4B，其为本发明改善上述的缺失，并更进一步提高发光元件发光效益的另两实施例的俯视图，而图4C为图4A所示的结构的剖面示意图。在此两实施例中，将位于第二化合物半导体层230上的透明电极层240，及第一电极2501制成复数个几何形状的开孔2401(在图4A中为长条形；在图4B中为六边形)。在此两实施例中所述的几何形状，并不限定使用何种形状，然其形成的方式应以电极形状为依据，以便能在不影响电流分散效率的情况下，通过增加开孔2401的面积，使得发光元件所发出的光线能有效地由开孔区域射出。因此，可以有效的降低如现有技术，或上一个实施例所述射出光线会经过透明电极层240的机率，故可提高发光元件的发光效益。

接下来请参照图5，其为本发明的另一较佳实施例的结构示意图。在本实施例中，将前述以离子植入于底材210的底部形成不同折射率的方式(如图2所示的结构)，与前述将透明电极层240及第一电极2501制成复数个几何形状的开孔2401的方式(如图4C所示的结构)相互结合。其中除了将开孔区2401在不影响电流分散效率的情况下极大化之外，更可将开孔区2401下的“散射元素”的数量最大化，换句话说，开孔区2401的下方具有较多的离子植入区270，进而使得此一结构所形成的发光元件，可以大幅度的提高发光的亮度。在本发明中，如图4C以及图5所表示的透明电极层240以及第一电极2501不一定为两层，其可以是两层或是多于两层的结构，然而于本发明中，为了说明方便以两层来表示，但实际上不在此限制。

图6A为本发明的另一较佳实施例的示意图。在本实施例中，将前述以研磨制程将底材210底部形成一粗糙表面270-1的方式(如图3A所示的结构)，与前述将欧姆接触层240及第一电极2501制成复数个几何形状的开孔2401的方式(如图4C所示的结构)相互结合，而其所产生的效果与图5所示的结构相同。同样地，除了将开孔区2401在不影响电流分散效率的情况下极大化之外，也可以集中研磨位于开孔区2401下方的底材210以形成粗造表面270-1，使得此一结构所形成的发光元件，可以大幅度的提高发光的亮度。

图6B、图6C及图6D所示的结构为本发明的另外三个较佳实施例，其与图5、图6A所示的结构差异在于底材210的下表面粗化的形状，例如图6B中的圆球体形状270-2、图6C中的角锥体形状270-3、图6D中的多面体形状270-4等。同理，除了将各结构的开孔区2401在不影响电流分散效率的情况下极大化之外，也可将各结构开孔区2401下方的“散射元素”数量最大化，也就是说，各结构开孔区2401的下方分别具有较多的粗化形状，使得各结构所形成的发光元件可以大幅度的提高发光的亮度。此外，上述的粗化也可搭配背面反光层280以加强反射/散射光强度，如图6E所示，然不限于此，即上述的各个粗化的结构均可适用，图6E仅是其中一例。反光层280形成在已经粗糙化的底材210的下表面，其可为高反射率的金属如银(Ag)、铂(Pt)、钼(Mo)、铝(Al)、钯(Pd)等，或由介电层所组成的四分之一波长分散型布拉格反射结构(Distributed Bragg Reflector；DBR)，如TiO₂/SiO₂的多层膜结构。除了上述的结构差异之外，图6B～E中各元件符号的说明与图5、图6A中各元件符号的说明相同，其所产生的效果也与图5、图6A相同，因此不再重复累述。

图7为本发明的另一较佳实施例的示意图。本实施例的结构与图6E所示的结构大致相同，其差异的处在于本结构的第二化合物半导体层230的上表面并非一平滑的表面，此表面可以减少由底下各层所反射上来的光线被再次反射回去，藉此增加光线射出的机率。而上述的非平滑的表面可以在晶体外延成长时，通过改变其成长参数而形成、或由制程而形成，并且可以被应用于本发明所揭露的各个结构之中，图7所示的结构仅为其中一例，然不限于此。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用以限定本发明的申请专利范围；凡其它为脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在所述的申请专利范围内。

Claims

1.一种提高发光效益的发光元件结构，其特征在于，包含：

一底材，具有复数个具有不同折射率的区域的一下表面；

一反射层，位于该底材的该下表面；

一外延层，位于该底材上方，由化合物半导体材料所外延长成的可发光结构；以及

一透明电极层，覆盖于该外延层之上。

2.如权利要求1所述的提高发光效益的发光元件结构，其中上述复数个具有不同折射率的区域以离子植入方式所形成。

3.如权利要求1所述的提高发光效益的发光元件结构，其中上述反射层为一TiO₂/SiO₂多层膜结构。

4.如权利要求1所述的提高发光效益的发光元件结构，其中上述外延层的一上表面为一粗糙表面。

5.如权利要求1所述的提高发光效益的发光元件结构，其中上述透明电极层为一欧姆接触层。

6.一种提高发光效益的发光元件结构，其特征在于，包含：

一底材，具有一经过粗糙化处理的一下表面；

一反射层，位于该底材的经过粗糙化处理的该下表面；

一透明电极层，覆盖于该外延层之上。

7.如权利要求6所述的提高发光效益的发光元件结构，其中上述粗糙化处里以研磨方式进行。

8.如权利要求6所述的提高发光效益的发光元件结构，其中上述粗糙化处理至少包含下列之一方式：以干式蚀刻、湿式蚀刻、微加工、微复制及/或激光加工方式，配合微影技术进行。

9.如权利要求6所述的提高发光效益的发光元件结构，其中上述粗糙化处理的该表面的粗化形状至少包含下列之一：圆球体、角锥体以及多面体。

10.如权利要求6所述的提高发光效益的发光元件结构，其中上述下表面具有复数个具有不同折射率的区域。

11.如权利要求10所述的提高发光效益的发光元件结构，其中上述复数个具有不同折射率的区域以离子植入方式所形成。

12.如权利要求6所述的提高发光效益的发光元件结构，其中上述反射层的材料至少包含下列之一：银(Ag)、铂(Pt)、钼(Mo)、铝(Al)及/或钯(Pd)。

13.如权利要求6所述的提高发光效益的发光元件结构，其中上述外延层的一上表面为一粗糙表面。

14.如权利要求6所述的提高发光效益的发光元件结构，其中上述透明电极层为一欧姆接触层。

15.一种提高发光效益的发光元件结构，其特征在于，包含：

一底材，具有一经过粗糙化处理的一下表面；

一反射层，位于该底材的经过粗糙化处理的该下表面；

一透明电极层，具有复数个几何形状的开孔，覆盖于该外延层之上。

16.如权利要求15所述的提高发光效益的发光元件结构，其中上述粗糙化处里以研磨方式进行。

17.如权利要求15所述的提高发光效益的发光元件结构，其中上述粗糙化处理至少包含下列之一方式：以于式蚀刻、湿式蚀刻、微加工、微复制及/或激光加工方式，配合微影技术进行。

18.如权利要求15所述的提高发光效益的发光元件结构，其中上述粗糙化处理的该下表面的粗化形状至少包含下列之一：圆球体、角锥体以及多面体。

19.如权利要求15所述的提高发光效益的发光元件结构，其中上述下表面具有复数个具有不同折射率的区域。

20.如权利要求19所述的提高发光效益的发光元件结构，其中上述复数个具有不同折射率的区域以离子植入方式所形成。

21.如权利要求15所述的提高发光效益的发光元件结构，其中上述反射层的材料至少包含下列之一：银(Ag)、铂(Pt)、钼(Mo)、铝(Al)及/或钯(Pd)。

22.如权利要求15所述的提高发光效益的发光元件结构，其中上述外延层的一上表面为一粗糙表面。

23.如权利要求15所述的提高发光效益的发光元件结构，其中上述透明电极层为一欧姆接触层。

24.一种提高发光效益的发光元件结构，其特征在于，包含：

一底材，具有一经过粗糙化处理的一下表面；

一反射层，位于该底材的经过粗糙化处理的该下表面；

一外延层，由化合物半导体材料所外延长成的可发光结构、且具有一粗糙表面的一上表面位于该底材的上方；以及

25.如权利要求24所述的提高发光效益的发光元件结构，其中上述粗糙化处里以研磨方式进行。

26.如权利要求24所述的提高发光效益的发光元件结构，其中上述粗糙化处理至少包含下列之一方式：以干式蚀刻、湿式蚀刻、微加工、微复制及/或激光加工方式，配合微影技术进行。

27.如权利要求24所述的提高发光效益的发光元件结构，其中上述粗糙化处理的该下表面的粗化形状至少包含下列之一：圆球体、角锥体以及多面体。

28.如权利要求24所述的提高发光效益的发光元件结构，其中上述下表面具有复数个具有不同折射率的区域。

29.如权利要求28所述的提高发光效益的发光元件结构，其中上述复数个具有不同折射率的区域以离子植入方式所形成。

30.如权利要求24所述的提高发光效益的发光元件结构，其中上述反射层的材料至少包含下列之一：银(Ag)、铂(Pt)、钼(Mo)、铝(Al)及/或钯(Pd)。

31.如权利要求24所述的提高发光效益的发光元件结构，其中上述透明电极层为一欧姆接触层。