CN1905219A - 发光二极管结构 - Google Patents

Abstract

一种发光二极管结构，包括基板、第一型掺杂半导体层、第一电极、发光层、第二型掺杂半导体层与第二电极。其中，基板具有表面以及多个位于表面上的圆柱状光子晶体，而第一型掺杂半导体层是设置于基板上以覆盖这些光子晶体。发光层、第二型掺杂半导体层与第二电极是依次设置于部分第一型掺杂半导体层上，而第一电极则是设置于未覆盖有发光层的部分第一型掺杂半导体层上。由于具有光子晶体的基板能够改善第一型掺杂半导体层的外延质量，并增加正向射出发光二极管结构的光能量，因此可有效提高发光二极管结构的发光效率。

Description

发光二极管结构

技术领域

本发明涉及一种发光元件，且特别是涉及一种发光二极管结构。

背景技术

由于发光二极管与传统灯泡比较具有绝对的优势，例如体积小、寿命长、低电压/电流驱动、不易破裂、发光时无显著的热问题、不含水银(没有污染问题)、发光效率佳(省电)等特性，且近几年来发光二极管的发光效率不断提高，因此发光二极管在某些领域已渐渐取代日光灯与白热灯泡，例如需要高速反应的扫描仪灯源、液晶显示器的背光源或前光源汽车的仪表板照明、交通信号灯以及一般的照明装置等。

而且，由于含氮的III-V族化合物为宽频带能隙的材料，其发光波长可以从紫外光一直涵盖至红光，可说是几乎涵盖整个可见光的波段。因此，利用含氮化镓的化合物半导体，如氮化镓(GaN)、氮化铝镓(GaAlN)、氮化铟镓(GaInN)等的发光二极管元件已广泛地应用在各种发光模块中。

图1为公知发光二极管结构的剖面示意图。请参照图1，发光二极管结构100主要是由基板110、n型掺杂半导体层120、电极122、发光层130、p型掺杂半导体层140、欧姆接触层150以及电极142所构成。其中，n型掺杂半导体层120、发光层130、p型掺杂半导体层140、欧姆接触层150以及电极142是依次设置于基板110上，且发光层130仅覆盖住部分的n型掺杂半导体层120，而电极122即是设置在未被发光层130所覆盖的n型掺杂半导体层120上。

请继续参照图1，当n型掺杂半导体层120所提供的电子与p型掺杂半导体层140所提供的空穴在发光层130内再结合，并因而产生光线102之后，一部分光线102会穿透欧姆接触层150与基板110，而分别往发光二极管结构100的上、下方射出。此外，另一部分的光线102则会被基板110表面或电极142与p型掺杂半导体层140的界面反射，而在n型掺杂半导体层120至p型掺杂半导体层140之间横向传递。此时，光线102会有部分的能量被n型掺杂半导体层120、p型掺杂半导体层140、电极122或电极142所吸收，导致发光二极管结构100的外部量子效率降低。

为解决上述问题，日本专利特开平11-274568号公报是通过机械研磨及蚀刻等工艺，任意地粗化发光二极管结构的基板表面，以使欲射入基板的光线被散射，进而提高发光二极管结构的外部量子效率。

然而，任意地粗化基板表面实际上并无法有效地提高发光二极管结构的外部量子效率。一方面是因为当基板表面上的凹陷图案或凸起图案过大时，将会导致在此表面上生长的n型掺杂半导体层的结晶性降低，因而降低此发光二极管结构的内部量子效率，导致外部量子效率无法提高。另一方面则是因为任意地粗化基板表面将导致横向传递的光能量更容易被此粗化表面所吸收，导致射出发光二极管结构的光线衰减，因而无法达到足够的外部量子效率。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的就是提供一种发光二极管结构，其具有光子晶体的基板不但可以改善外延质量，还可以减少沿基板表面传递的光线，以增加此发光二极管结构的发光效率。

本发明提出一种发光二极管结构，包括基板、第一型掺杂半导体层、发光层、第二型掺杂半导体层与第二电极。其中，基板具有表面以及多个位于表面上的圆柱状光子晶体(photonic crystal)。第一型掺杂半导体层是设置于基板上以覆盖这些光子晶体，发光层则是设置于部分第一型掺杂半导体层上。第二型掺杂半导体层与第二电极是依次设置于发光层上，而第一电极则是设置于未覆盖有发光层的部分第一型掺杂半导体层上。

在本发明的较佳实施例中，上述发光二极管结构例如还包括欧姆接触层，其是设置于第二型掺杂半导体层与第二电极之间。

在本发明的较佳实施例中，上述光子晶体的直径可以是彼此不同或相同。而且，这些光子晶体例如是凸起图案及凹槽中之至少一种。

在本发明的较佳实施例中，上述光子晶体例如是在上述基板的表面上排列成m×n的矩阵，且m、n皆为正整数。

在本发明的较佳实施例中，上述光子晶体是排列成多列奇数列与多列偶数列，且各偶数列的光子晶体是对应于奇数列中相邻的第一光子晶体间的间隔。而且，在一实施例中，奇数列的光子晶体的排列间距例如是与偶数列的光子晶体的排列间距不同。此外，这些光子晶体的排列形态也可以是各奇数列的光子晶体相互对齐，而第k列的偶数列的光子晶体是对应于奇数列与第k+1列偶数列中相邻的光子晶体间的间隔。其中，k为正整数。

在本发明的较佳实施例中，上述光子晶体例如是在上述基板的表面上排列成蜂巢状。

在本发明的较佳实施例中，上述光子晶体例如有一部分是在上述基板的表面上排列成蜂巢状，并环绕另一部分的光子晶体。在一实施例中，排列成蜂巢状的光子晶体的直径例如是大于其余第二光子晶体的直径。

在本发明的较佳实施例中，上述基板例如是蓝宝石、碳化硅、尖晶石或硅基板。

在本发明的较佳实施例中，上述光子晶体在垂直基板的表面的方向上，其尺寸例如是介于0.2微米至3微米之间，而光子晶体的直径例如是介于0.25微米至5微米之间。此外，相邻的光子晶体的间距例如是介于0.5微米至10微米之间。

在本发明的较佳实施例中，上述第一型掺杂半导体层、发光层与第二型掺杂半导体层的材质例如是III-V族化合物半导体材料。举例来说，这些III-V族化合物半导体材料例如是氮化镓、磷化镓或磷砷化镓。

在本发明的较佳实施例中，上述第一型掺杂半导体层为n型掺杂半导体层，而第二型掺杂半导体层为p型掺杂半导体层。在另一实施例中，上述第一型掺杂半导体层为p型掺杂半导体层，而第二型掺杂半导体层为n型掺杂半导体层。

本发明是在发光二极管结构的基板表面上形成光子晶体，以改善第一型掺杂半导体层的外延质量，以增加发光二极管结构的内部量子效率。此外，本发明的光子晶体还可以增加正向射出发光二极管结构的光能量，以提高发光二极管结构的外部量子效率。由此可知，本发明的发光二极管结构具有良好的发光效率。

为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1为公知发光二极管结构的剖面示意图。

图2为本发明的发光二极管结构的剖面示意图。

图3A至图3K分别为图2的光子晶体在各实施例中的排列形态俯视示意图。

主要元件标记说明

100、200：发光二极管结构

102：光线

110、210：基板

120：n型掺杂半导体层

122、142、222、242：电极

130、230：发光层

140：p型掺杂半导体层

150、250：欧姆接触层

202：表面

204、204a、204b：光子晶体

220：第一型掺杂半导体层

240：第二型掺杂半导体层

具体实施方式

图2为本发明的发光二极管结构的剖面示意图。请参照图2，发光二极管结构200主要是由基板210、第一型掺杂半导体层220、电极222、发光层230、第二型掺杂半导体层240与电极242所构成。其中，基板210的材质例如是硅、蓝宝石、碳化硅或尖晶石，且基板210具有表面202及多个位于表面202上的圆柱状光子晶体(photonic crystal)204。

承上所述，光子晶体204例如是凸起图案或凹槽，而形成这些光子晶体204的方法例如是对基板210进行光刻及蚀刻工艺，在其表面202上形成圆柱状的凸起图案或凹槽。特别的是，光子晶体204是周期性地排列在基板210的表面202上，且两相邻的光子晶体的间距(pitch)例如是介于0.5微米至10微米之间。

此外，光子晶体204的直径例如是介于0.25微米至5微米之间。而且，这些光子晶体在垂直基板的表面的方向上的尺寸是介于0.2微米至3微米之间。换言之，呈凸起图案的光子晶体的高度例如是介于0.2微米至3微米之间，呈凹槽的光子晶体的深度亦例如是介于0.2微米至3微米之间。

请继续参照图2，第一型掺杂半导体层220是设置于基板210上，以覆盖这些光子晶体204。特别的是，第一型掺杂半导体层220是形成在基板210的表面202的凸起部位上，而未填入凹槽内。值得一提的是，在形成第一型掺杂半导体层220的工艺中，这些周期性地排列在基板210的表面202上的光子晶体204可抑制第一型掺杂半导体层220的局部性的结晶缺陷，并改善其外延质量以减少差排，进而提高发光二极管结构200的内部量子效率。

请再次参照图2，发光层230、第二型掺杂半导体层240与电极242是依次设置于部分的第一型掺杂半导体层220上，而电极222则是设置于未被发光层230所覆盖的部分第一型掺杂半导体层220上。在本实施例中，第一型掺杂半导体层220例如是n型掺杂半导体层，而第二型掺杂半导体层240例如是p型掺杂半导体层。当然，在其它实施例中，第一型掺杂半导体层220也可以是p型掺杂半导体层，此时第二型掺杂半导体层240则为n型掺杂半导体层。此外，发光层230例如是多量子阱(multi-quantumwell)层。

而且，第一型掺杂半导体层220、发光层230与第二型掺杂半导体层240例如是由III-V族化合物半导体材料所构成。以本实施例来说，第一型掺杂半导体层220、发光层230与第二型掺杂半导体层240的材质例如是氮化镓、磷化镓或砷磷化镓。

另外，本实施例在电极242与第二型掺杂半导体层240之间还设置有欧姆接触层250，用以改善电流在第一型掺杂半导体层220、发光层230与第二型掺杂半导体层240的传导均匀性。在本实施例中，欧姆接触层250例如是p型欧姆接触层。

这些周期性地排列于基板210的表面202上的光子晶体204除了能够改善第一型掺杂半导体层220的外延质量外，还可以将在第一型掺杂半导体层220与第二型掺杂半导体层220之间横向传递的光线导为正向光，以使其正向射出发光二极管结构200，进而提高发光二极管结构200的外部量子效率。值得注意的是，本发明的光子晶体204具有多种周期性排列形态，下文将举例说明这些光子晶体204的排列形态。

图3A至图3K分别为图2的光子晶体在各实施例中的排列形态俯视示意图。请参照图3A，在第一实施例中，光子晶体204例如是排列成m×n的矩阵。其中，m与n均为正整数。特别的是，这些光子晶体204的直径可以相同也可以不同。以m×n矩阵的光子晶体204来说，奇数列的光子晶体204可以是与偶数列的光子晶体204具有不同的直径，如图3B所示。此外，如图3C所示，位于m×n矩阵的(p，q)处的光子晶体204也可以是与位于(p+1，q)及(p，q+1)处的光子晶体具有不同的直径。其中p、q均为正整数，且1≤p≤m-1，而1≤q≤n-1。

除了矩阵式的排列方式外，光子晶体204也可以排列成偶数列与奇数列在行方向上不对齐的形态。举例来说，如图3D所示，各奇数列的光子晶体204是在行方向上相互对齐，而偶数列的光子晶体204则是分别对应至奇数列中两相邻的光子晶体204间的间隔(space)。当然，偶数列的光子晶体204也可以是与奇数列的光子晶体204具有不同的直径，如图3E所示。

在图3A至图3E中，偶数列的光子晶体204的排列间距(pitch)是与奇数列的光子晶体204的排列间距相同，但在其它实施例中，偶数列的光子晶体204也可以与奇数列的光子晶体204具有不同的排列间距。如图3F及图3G所示，偶数列的光子晶体204的排列间距例如是奇数列的光子晶体的两倍，且偶数列的光子晶体204例如是分别对应至奇数列中两相邻的光子晶体204间的间隔。需要注意的是，此处所谓的间距是指各列中两相邻的光子晶体204的圆心距，而间隔则是指两相邻的光子晶体204相隔的距离。

较详细地来说，图3F中除了奇数列的光子晶体204在行方向上相互对齐以外，偶数列的光子晶体204在行方向上也是相互对齐的。此外，图3G中各奇数列的光子晶体204是在行方向上相互对齐，而第k列的偶数列的光子晶体204则是对应于奇数列及第k+1列偶数列中相邻的光子晶体204间的间隔。更特别的是，本发明的其它实施例还可以分别在图3F及图3G的偶数列中，于相邻的光子晶体204间形成直径较小的光子晶体204a，如图3H及图3I所示。

除此之外，本发明的光子晶体204还可以是以蜂巢状的排列形态排列于基板的表面上，如图3J所示。而在另一实施例中，这些光子晶体204也可以是一部分排列成蜂巢状，另一部分的光子晶体204b则是被这些排列成蜂巢状的光子晶体204a所围绕，如图3K所示。其中，光子晶体204a的直径例如是大于光子晶体204b的直径。

在此需要说明的是，图3A至图3K仅用以说明本发明的光子晶体204可以是以任何具有周期性的排列形态排列于基板210的表面202上，其并非用以限定本发明的光子晶体204的排列方式。

以下将以表1及表2列出本发明的发光二极管结构具有图3A至图3K的光子晶体的发光功率实验数据，以使所属技术领域的技术人员更能清楚了解本发明的发光二极管结构与公知发光二极管结构在发光效率上的差异。其中，表1是以本发明线宽465nm的发光二极管裸芯片(bare chip)做测试，表2则是在将本发明的发光二极管进行封装后再做测试，而输入的测试电流均为20毫安。此外，表1及表2中的发光功率均是以公知图1的发光二极管结构为基准的相对值。

	公知	3A	3B	3C	3D	3E	3F	3G	3H	3I	3J	3K
													相对功率	1	1.53	1.56	1.56	1.61	1.66	1.53	1.56	1.54	1.56	1.61	1.70

                                        表1

	公知	3A	3B	3C	3D	3E	3F	3G	3H	3I	3J	3K
													相对功率	1	1.21	1.21	1.25	1.27	1.30	1.23	1.23	1.23	1.31	1.33	1.38

                                    表2

由表1与表2可以清楚得知，本发明的发光二极管结构与公知相比之下，具有较佳的发光效率。

综上所述，本发明的发光二极管结构是在基板表面上形成有周期性排列的圆柱状光子晶体，而使基板表面具有周期性的折射率。因此，当发光层所发出的光线传递至基板表面时，会被这些光子晶体所衍射(diffraction)而往基板上方或下方射出，以减少光线在第一型掺杂半导体层与第二型掺杂半导体层之间横向传递时所损耗的光能量，进而提高发光二极管的外部量子效率。

此外，在基板表面上的光子晶体还可以抑制形成于其上的第一型掺杂半导体层的局部结晶缺陷，并改善外延质量以减少差排，进而提高发光二极管的内部量子效率。由此可知，本发明的发光二极管结构具有良好的发光效率。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与改进，因此本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims (20)

1.一种发光二极管结构，其特征是包括：

基板，具有表面以及多个位于该表面上的圆柱状光子晶体；

第一型掺杂半导体层，设置于该基板上以覆盖上述光子晶体；

发光层，设置于部分该第一型掺杂半导体层上；

第二型掺杂半导体层，设置于该发光层上；

第一电极，设置于未覆盖有该发光层的部分该第一型掺杂半导体层上；以及

第二电极，设置于该第二型掺杂半导体层上。

2.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其特征是还包括欧姆接触层，设置于该第二型掺杂半导体层与该第二电极之间。

3.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其特征是上述光子晶体的直径不同。

4.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其特征是上述光子晶体的直径相同。

5.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其特征是上述光子晶体包括凸起图案及凹槽中之至少一种。

6.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其特征是上述光子晶体是在该基板的该表面上排列成m×n的矩阵，且m、n皆为正整数。

7.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其特征是上述光子晶体是排列成多列奇数列与多列偶数列，且各该偶数列的上述光子晶体是对应于上述奇数列中相邻的上述光子晶体间的间隔。

8.根据权利要求7所述的发光二极管结构，其特征是上述奇数列的上述光子晶体的排列间距与上述偶数列的上述光子晶体的排列间距不同。

9.根据权利要求8所述的发光二极管结构，其特征是上述奇数列的上述光子晶体是对齐于彼此，而第k列偶数列的上述光子晶体是对应于上述奇数列与第k+1列偶数列中相邻的上述光子晶体间的间隔，其中k为正整数。

10.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其特征是上述光子晶体是在该基板的该表面上排列成蜂巢状。

11.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其特征是一部分上述光子晶体是在该基板的该表面上排列成蜂巢状，并环绕另一部分上述光子晶体。

12.根据权利要求11所述的发光二极管结构，其特征是排列成蜂巢状的上述光子晶体的直径是大于其余上述光子晶体的直径。

13.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其特征是该基板包括蓝宝石、碳化硅、尖晶石或硅基板。

14.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其特征是上述光子晶体在垂直该基板的该表面的方向上的尺寸是介于0.2微米至3微米之间。

15.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其特征是上述光子晶体的直径介于0.25微米至5微米之间。

16.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其特征是相邻的上述光子晶体的间距介于0.5微米至10微米之间。

17.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其特征是该第一型掺杂半导体层、该发光层与该第二型掺杂半导体层的材质包括III-V族化合物半导体材料。

18.根据权利要求17所述的发光二极管结构，其特征是该III-V族化合物半导体材料包括氮化镓、磷化镓或磷砷化镓。

19.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其特征是该第一型掺杂半导体层为n型掺杂半导体层，而该第二型掺杂半导体层为p型掺杂半导体层。

20.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其特征是该第一型掺杂半导体层为p型掺杂半导体层，而该第二型掺杂半导体层为n型掺杂半导体层。

Images