CN2593371Y - 氮化镓基led的发光装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种氮化镓基LED的发光装置，系利用光的来回共振，刺激量子井内电子与电洞再结合的速率，以提升氮化镓基LED的发光效率；包括一基板、一n－GaN基的磊晶沉积层、一多量子井的活性层、一p－型布拉格反射镜(DBR)、一p－GaN基的磊晶沉积层、一n型金属电极、及一p型金属电极，且基板底部并设有一金属反射层，具有成本较低及易于制造等特性。

Description

氮化镓基LED的发光装置

所属技术领域：

本实用新型涉及一种氮化镓基LED的发光装置，尤指一种适用于氮化镓基(GaN-based)III-V族材料的发光二极管者(light-emitting diode简称LED)，主要系利用光的来回共振，刺激量子井(Quantum Well)内电子与电洞再结合(recombine)的速率，以提升氮化镓基LED的发光效率(Luminous Efficiency)；该发光装置包括一基板、一n-GaN基的磊晶沉积层、一多量子井(Multi-Quantum Well，简称MQW)的活性层(Activelayer)、一p-型布拉格反射镜(Distributed Bragg Reflector，简称DBR)、一p-GaN基的磊晶沉积层、一n型金属电极(n-type metal contact)、及一p型金属电极(p-type metal contact)，且基板底部并设有一金属反射层(metal Reflector)，具有成本较低及易于制造等特性。

背景技术：

按，传统的LED皆系由P-N结(Junction)中的活性层产生光，由于公知的氮化镓基LED，光在产生后即直接发散，因此，在本身材料的吸收及折射率(refractive index)的影响下，发光效率仍未尽理想，实用上应有再予精进改善的需要。再者，因市场的因素，LED的制造成本亦为重要的考量，业界虽亟欲获致高发光效率的LED，惟，实务上仍需兼顾成本，方能具有竞争力。

实用新型内容：

本实用新型的主要目的，即为提供一种氮化镓基LED的发光装置，系利用光的来回共振，刺激量子井内电子与电洞再结合的速率，以提升氮化镓基LED的发光效率；包括一基板、一n-GaN基的磊晶沉积层、一多量子井(MQW)的活性层、一p-型布拉格反射镜(DBR)、一p-GaN基的磊晶沉积层、一n型金属电极、及一p型金属电极，且基板底部并设有一金属反射层，而具有成本较低及易于制造等特性。

本实用新型所采取的技术方案为：

一种氮化镓基LED的发光装置，包括一基板、一n-GaN层、一MQW活性层、一p-型DBR、一接触层、一n型金属电极、及一p型金属电极等构成；其中：

该基板，系可为蓝宝石(sapphire)材质，基板的上表面可成长一缓冲层，且基板的下表面可镀有一金属反射层；

该n-GaN层、MQW活性层、及p-型DBR，系为依序磊晶成长于缓冲层上的磊晶沉积层，且通电后，MQW活性层为由「电产生光」的光产生层，波长(λ)可在380nm至600nm间；

该接触层，系为p-GaN系(p-GaN-based)的磊晶沉积层，且成长在p-型DBR上；

该n型金属电极，系设置在n-GaN层的露出面上；

该p型金属电极，系设置在p-GaN层上；由此，以构成一氮化镓基(GaN-based)LED的发光装置。

一种氮化镓基LED的发光装置，包括一基板、一n-型DBR、一n-GaN层、一MQW活性层、一p-型DBR、一接触层、一n型金属电极、及一p型金属电极等构成；其中：

该基板，系可为蓝宝石(sapphire)材质，基板的上表面可成长一缓冲层；

该n-型DBR、n-GaN层、MQW活性层、及p-型DBR，系为依序磊晶成长于缓冲层上的磊晶沉积层，且通电后，MQW活性层为由「电产生光」的光产生层，波长(λ)可在380nm至600nm间；

该接触层，系为p-GaN系(p-GaN-based)的磊晶沉积层，且成长在p-型DBR上；

该n型金属电极，系设置在n-GaN层的露出面上；

该p型金属电极，系设置在p-GaN层上；由此，以构成一氮化镓基(GaN-based)LED的发光装置。

本实用新型所具有的有益效果为：

1、本实用新型系适用于氮化镓基LED，使聚集在量子井内的电子与电洞，因光的来回共振而受到刺激，以提高电子与电洞的再结合(recombine)速率，故可增益发光效率；

2、本实用新型可在兼顾成本的考量下，提升氮化镓基LED的发光效率，尤其，以金属反射层作为共振腔(Resonant Cavity)的下方镜面，成本较低；

3、本实用新型可在兼顾制造难易度的考量下，提升氮化镓基LED的发光效率，尤其，以金属反射层作为共振腔的下方镜面，制造上较为简单，且若以蓝宝石(sapphire)作为基板，更可获致较高的反射率。

本实用新型的特征、技术手段、具体功能、以及具体的实施例，继以图式、图号详细说明如后。

附图说明：

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1为本实用新型较佳实施例的立体示意图；

图2为本实用新型较佳实施例的结构示意图；

图3及图4为图2磊晶结构的一特例；

图5为本实用新型第二实施例的结构示意图；

图6为图5磊晶结构的一特例；

图7为本实用新型第三实施例的立体示意图；

图8为本实用新型第三实施例的结构示意图；

图9及图10为图8磊晶结构的一特例；

图11为本实用新型第四实施例的结构示意图；

图12为图11磊晶结构的一特例。

具体实施方式：

请参阅图1至图3所示，在较佳实施例中，本实用新型的发光装置包括一基板10、一n-GaN层13、一MQW活性层14、一p-型DBR15、一接触层16、一n型金属电极17、及一p型金属电极18等构成；其中：

该基板10，系可为蓝宝石(sapphire)、或碳化硅(SiC)、或氮化镓(GaN)等材质，基板10的上表面10a可成长一缓冲层11，基板10的下表面10b可镀有一金属反射层19，且金属反射层19的反射率可在90％以上；

该n-GaN层13及MQW活性层14，系为依序磊晶成长于缓冲层11上的磊晶沉积层，且通电后，MQW活性层14为由「电产生光」的光产生层(lightgenerating layer)，波长(λ)可在380nm至600nm间；

该p-型DBR15，系为成长于MQW活性层14上，反射率(ReflectiveIndex)可在50％至80％间；

该接触层，系为p-GaN系(p-GaN-based，例如：p-GaN、p-InGaN、p-AlInGaN)的磊晶沉积层16，且成长在p-型DBR15上；

该n型金属电极17，系设置在n-GaN层13的露出面13a上；

该p型金属电极18，系设置在p-GaN层16上；由此，可经由后续的晶粒加工、设置、接线、及树脂灌膜封装，而构成一氮化镓基(GaN-based)的发光二极管。

此间应予以说明者，乃在于：在较佳实施例中，该发光装置的制成方式如下：先在基板10的上表面10a形成一缓冲层11，基板10可为蓝宝石(sapphire)、或碳化硅(SiC)、或氮化镓(GaN)等材质；再于缓冲层11上形成一层n-GaN系磊晶沉积层13；再于n-GaN系磊晶沉积层13上形成一MQW活性层14，且MQW活性层14产生光的波长(λ)可在380nm至600nm间；再于MQW活性层14上形成一p-型布拉格反射镜(DBR)15；再于p-型布拉格反射镜(DBR)15上形成一层p-GaN系(p-GaN-based，例如：p-GaN、p-InGaN、p-AlInGaN)的磊晶沉积层16，且以蚀刻法(Etching)将部份n-GaN层13表面、部份MQW活性层14、部份p-型布拉格反射镜15、及部份p-GaN层16移除，使n-GaN层13具有一露出面13a，且可在露出面13a上设置一n型金属电极17，并在p-GaN层16上设置一p型金属电极18；最后，基板10的底部可由电镀或溅镀(sputtering)的方式设有一金属反射层19；由此，即可构成一氮化镓基(GaN-based)LED的发光装置。

此间拟提出说明者，乃在于：根据国际照明委员会所制定的CIE色品图(CIE Chromaticity diagram)，一般若本实用新型的MQW活性层14，在通电后产生光的波长(λ)在465nm至485nm间，则本实用新型装置即可构成一蓝色光系LED的发光装置；若本实用新型的MQW活性层14，在通电后产生光的波长(λ)在495nm至540nm间，则本实用新型装置即可构成一绿色光系LED的发光装置；而若本实用新型的MQW活性层14，在通电后产生光的波长(λ)在560nm至580nm间，则本实用新型装置即可构成一黄色光系LED的发光装置；当然，本实用新型可适用的范围在380nm至600nm间，除了前述三个特定波长区段所构成的较纯色系LED的发光装置外，亦可构成其它过渡色系LED的发光装置。

如图3及图4所示，为该发光装置的磊晶结构特例，其中：

第一、二层111，可为LT-GaN/HT-GaN的缓冲层，LT-GaN系为先成长在基板101上的低温缓冲层，厚度可在30至500，HT-GaN系为成长在LT-GaN上的高温缓冲层，厚度可在0.5至6μm；

第三层131，可为n-GaN的半导体层，厚度可在2至6μm；

第四层141，可为InGaN/GaN的MQW；

第五层151，可为p-AlGaN/GaN的DBR；

第六层161，可为p+-GaN-based的半导体层，厚度可在0.2至0.5μm；

且磊晶结构系成长在基板101上，该基板101，可为蓝宝石(sapphire)、或碳化硅(SiC)、或氮化镓(GaN)的基板，制造上，一般基板101系先以300至500μm的厚度进行磊晶，俟磊晶完成后，再由基板101的底部研磨成50至300μm的厚度，并于底部以电镀或溅镀的方式镀上金属反射层191；该金属反射层191，可为Ag/Al材质(即先镀上银，再于镀上铝，使银不致外露)，或为Ag材质，或任何金属材质，厚度可在50至10μm

请参阅图5所示，在第二实施例中，该发光装置，进一步可在蚀刻后剩余的p-GaN层16上，以磊晶的方式成长一适当厚度且可透光的金属氧化层20，而作为窗口层；其中，该金属氧化层20，可为具有较佳的可见光透光性范围(transparency in visible range)的金属氧化层者，例如：范围约在380nm至600nm者。

请参阅图6所示，为该发光装置第二实施例的磊晶结构特例，其中：

第一、二层111、第二层121、第三层131、第四层141、第五层151、第六层161、基板101、及金属反射层191等，与较佳实施例相同；

第七层201，系可为ZnO材质的金属氧化层，或ZnO掺杂Al的金属氧化层，厚度可在50至50μm。

此间应再予以说明者，乃在于：该金属氧化层20，进一步可为In_xZn_1-xO、或Sn_xZn_1-xO、或In_xSn_yZn_1-x-yO等材质所构成的金属氧化层者，且0≤X≤1，且0≤Y≤1，且0≤X+Y≤1；或可为折射率(refractive index)至少在1.5的金属氧化层者；或可为n型传导(n-type conduction)或p型传导(p-type conduction)的金属氧化层者；或可为掺杂有稀土元素(rareearth-doped)的金属氧化层者。

此间应再予以说明者，乃在于：该发光装置，进一步可在金属氧化层20的裸露表面(即金属氧化层20表面不含与p型金属电极18接触的部份)，施予表面处理，而具有粗糙表面(Rough Surface)21或压花纹路，以增益光的逃脱放出。

请参阅图7至图9所示，在第三实施例中，本实用新型的发光装置包括一基板30、一n-型DBR32、一n-GaN层34、一MQW活性层35、一p-型DBR36、一接触层、一n型金属电极38、及一p型金属电极39等构成；其中：

该基板30，系可为蓝宝石(sapphire)、或碳化硅(SiC)、或氮化镓(GaN)等材质，基板30的上表面30a可成长一缓冲层31；

该n-型DBR32、n-GaN层34、MQW活性层35、及p-型DBR36，系为依序磊晶成长于缓冲层31上的磊晶沉积层，且通电后，MQW活性层35为由「电产生光」的光产生层，波长(λ)可在380nm至600nm间，n-型DBR32及p-型DBR36的反射率(Reflective Index)并低于90％以下；

该接触层，系为p-GaN系(p-GaN-based，例如：p-GaN、p-InGaN、p-AlInGaN)的磊晶沉积层37，且成长在p-型DBR36上；

该n型金属电极38，系设置在n-GaN层34的露出面34a上；

该p型金属电极39，系设置在p-GaN层37上；由此，可经由后续的晶粒加工、设置、接线、及树脂灌膜封装，而构成一氮化镓基(GaN-based)的发光二极管。

此间应予以说明者，乃在于：在第三实施例中，该发光装置的制成方式如下：先在基板30的上表面30a形成一缓冲层31，基板30可为蓝宝石(sapphire)、或碳化硅(SiC)、或氮化镓(GaN)等材质；再于缓冲层31上形成一n-型布拉格反射镜(DBR)32；再于n-型DBR32上形成一n-GaN系磊晶沉积层34；再于n-GaN系磊晶沉积层34上形成一MQW活性层35，且MQW活性层35产生光的波长(λ)可在380nm至600nm间；再于MQW活性层35上形成一p-型布拉格反射镜(DBR)36；再于p-型布拉格反射镜(DBR)36上形成一层p-GaN系(p-GaN-based，例如：p-GaN、p-InGaN、p-AlInGaN)的磊晶沉积层37，且以蚀刻法将部份n-GaN层34表面、部份MQW活性层35、部份p-型布拉格反射镜36、及部份p-GaN层37移除，使n-GaN层34具有一露出面34a，且可在露出面34a上设置一n型金属电极38，并在p-GaN层37上设置一p型金属电极39；由此，即可构成一氮化镓基(GaN-based)LED的发光装置。

如图9及图10所示，系为该发光装置第三实施例的磊晶结构特例，其中：

第一、二层311，可为LT-GaN/HT-GaN的缓冲层，LT-GaN系为先成长在基板301上的低温缓冲层，厚度可在30至500，HT-GaN系为成长在LT-GaN上的高温缓冲层，厚度可在0.5至6μm；

第三层321，可为n-AlGaN/GaN的DBR；

第四层341，可为n-GaN的半导体层，厚度可在2至6μm；

第五层351，可为InGaN/GaN的MQW；

第六层361，可为p-AlGaN/GaN的DBR；

第七层371，可为p+-GaN-based的半导体层，厚度可在0.2至0.5μm；

且磊晶结构系成长在基板301上，该基板301，可为蓝宝石(sapphire)、或碳化硅(SiC)、或硅(Si)、或氮化镓(GaN)的基板，厚度可在300至500μm。

请参阅图11所示，在第四实施例中，该发光装置，进一步可在蚀刻后剩余的p-GaN层37上，以磊晶的方式成长一适当厚度且可透光的金属氧化层40，而作为窗口层；其中，该金属氧化层40，可为具有较佳的可见光透光性范围的金属氧化层者，例如：范围约在380至600nm者。

请参阅图12示，系为该发光装置第四施例的磊晶结构特例，其中：

第一、二层311、第三层321、第四层341、第五层351、第六层361、第七层371、及基板301等，与第四实施例相同；

第八层401，系可为ZnO材质的金属氧化层，或ZnO掺杂Al的金属氧化层，厚度可在50至50μm。

此间应再予以说明者，乃在于：该金属氧化层40，进一步可为In_xZn_1-xO、或Sn_xZn_1-xO、或In_xSn_yZn_1-x-yO等材质所构成的金属氧化层者，且0≤X≤1，且0≤Y≤1，且0≤X+Y≤1；或可为折射率(refractive index)至少在1.5的金属氧化层者；或可为n型传导(n-type conduction)或p型传导(p-type conduction)的金属氧化层者；或可为掺杂有稀土元素(rareearth-doped)的金属氧化层者。

此间应再予以说明者，乃在于：该发光装置，进一步可在金属氧化层40的裸露表面(即金属氧化层40表面不含与p型金属电极39接触的部份)，进一步施予表面处理，而具有粗糙表面41或压花纹路，以增益光的逃脱放出。

再者，本实用新型的磊晶结构，系可由溅镀自我组织(self-texturing by sputtering)法所形成，或可由物理气相沉积(physical vapor deposition)法所形成，或可由离子电镀(ionplating)法所形成，或可由脉冲雷射蒸镀(pulsed laser evaporation)法所形成，或可由化学气相沉积(chemical vapor deposition)法所形成，或可由分子束磊晶成长(molecular beam epitaxy)法所形成。

Claims (13)

1.一种氮化镓基LED的发光装置，包括一基板、一n-GaN层、一MQW活性层、一p-型DBR、一接触层、一n型金属电极、及一p型金属电极等构成；其特征在于：

该基板，系可为蓝宝石(sapphire)材质，基板的上表面可成长一缓冲层，且基板的下表面可镀有一金属反射层；

该n-GaN层、MQW活性层、及p-型DBR，系为依序磊晶成长于缓冲层上的磊晶沉积层，且通电后，MQW活性层为由「电产生光」的光产生层，波长(λ)可在380nm至600nm间；

该接触层，系为p-GaN系(p-GaN-based)的磊晶沉积层，且成长在p-型DBR上；

该n型金属电极，系设置在n-GaN层的露出面上；

该p型金属电极，系设置在p-GaN层上；由此，以构成一氮化镓基(GaN-based)LED的发光装置。

2.根据权利要求1所述的氮化镓基LED的发光装置，其特征在于：该发光装置的磊晶结构特例，系为：

一LT-GaN/HT-GaN的缓冲层，LT-GaN系为先成长在基板上的低温缓冲层，厚度可在30至500，HT-GaN系为成长在LT-GaN上的高温缓冲层，厚度可在0.5至6μm；

一n-GaN的半导体层，厚度可在2至6μm；

一InGaN/GaN的MQW层；

一p-AlGaN/GaN的DBR；

一p+-GaN-based的半导体层，厚度可在0.2至0.5μm；

且该基板，可为蓝宝石(sapphire)材质，先以300至500μm的厚度进行磊晶，磊晶完成后，再由底部研磨成50至300μm的厚度，并于底部以电镀或溅镀的方式，镀上厚度为50至10μm材质为Ag/Al的金属反射层。

3.根据权利要求1所述的氮化镓基LED的发光装置，其特征在于：该基板，亦可为碳化硅(SiC)、或氮化镓(GaN)等材质；该金属反射层，亦可为Ag材质，或任何金属材质，反射率可在90％以上；该p-型DBR的反射率，可在50％至80％间；该接触层，亦可为p-InGaN、或p-AlInGaN的磊晶沉积层。

4.根据权利要求1所述的氮化镓基LED的发光装置，其特征在于：该接触层上，进一步可成长有一ZnO、或ZnO掺杂Al的金属氧化层，或In_xZn_1-xO、Sn_xZn_1-xO、In_xSn_yZn_1-x-yO的金属氧化层，厚度可在50至50μm，且0≤X≤1，且0≤Y≤1，且0≤X+Y≤1。

5.根据权利要求4所述的氮化镓基LED的发光装置，其特征在于：该金属氧化层，亦可为折射率至少在1.5的金属氧化层，或掺杂有稀土元素(rare earth-doped)的金属氧化层，或具有较佳的可见光透光性范围(约在380nm至600nm间)的金属氧化层，或n型传导或p型传导的金属氧化层者。

6.根据权利要求4所述的氮化镓基LED的发光装置，其特征在于：该金属氧化层的厚度，可在50至50μm间，且进一步可在裸露表面上施予表面处理，而具有粗糙表面或压花纹路。

7.根据权利要求1所述的氮化镓基LED的发光装置，其特征在于：该发光装置亦可由一基板、一n-型DBR、一n-GaN层、一MQW活性层、一p-型DBR、一接触层、一n型金属电极、及一p型金属电极等所构成。

8.根据权利要求7所述的氮化镓基LED的发光装置，其特征在于：该基板，系可为蓝宝石(sapphire)材质，基板的上表面可成长一缓冲层；

该n-型DBR、n-GaN层、MQW活性层、及p-型DBR，系为依序磊晶成长于缓冲层上的磊晶沉积层，且通电后，MQW活性层为由「电产生光」的光产生层，波长(λ)可在380nm至600nm间；

该接触层，系为p-GaN系(p-GaN-based)的磊晶沉积层，且成长在p-型DBR上；

该n型金属电极，系设置在n-GaN层的露出面上；且该p型金属电极，系设置在p-GaN层上。

9.根据权利要求8所述的氮化镓基LED的发光装置，其特征在于：该发光装置的磊晶结构特例，系为：

一LT-GaN/HT-GaN的缓冲层，LT-GaN系为先成长在基板上的低温缓冲层，厚度可在30至500，HT-GaN系为成长在LT-GaN上的高温缓冲层，厚度可在0.5至6μm；

一n-AlGaN/GaN的DBR；

一n-GaN的半导体层，厚度可在2至6μm；

一InGaN/GaN的MQW层；

一p-AlGaN/GaN的DBR；

一p+-GaN-based的半导体层，厚度可在0.2至0.5μm；

且该基板，可为蓝宝石(sapphire)材质，厚度可在300至500μm。

10.根据权利要求7所述的氮化镓基LED的发光装置，其特征在于：该基板，亦可为碳化硅(SiC)、或硅(Si)、或氮化镓(GaN)等材质；该n-型DBR及p-型DBR，系为反射率低于90％以下者；该接触层，亦可为p-InGaN、或p-AlInGaN的磊晶沉积层。

11.根据权利要求7所述的氮化镓基LED的发光装置，其特征在于：该接触层上，进一步可成长有一ZnO、或ZnO掺杂Al的金属氧化层，或In_xZn_1-xO、Sn_xZn_1-xO、In_xSn_yZn_1-x-yO的金属氧化层，厚度可在50至50μm，且0≤X≤1，且0≤Y≤1，且0≤X+Y≤1。

12.根据权利要求11所述的氮化镓基LED的发光装置，其特征在于：该金属氧化层，亦可为折射率至少在1.5的金属氧化层，或掺杂有稀土元素(rare earth-doped)的金属氧化层，或具有较佳的可见光透光性范围(约在380nm至600nm间)的金属氧化层，或n型传导或p型传导的金属氧化层者。

13.根据权利要求11所述的氮化镓基LED的发光装置，其特征在于：该金属氧化层的厚度，可在50至50μm间，且进一步可在裸露表面上施予表面处理，而具有粗糙表面或压花纹路。

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