TW320783B - - Google Patents

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320783 經濟部中央橾準局貝工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（1 ) 先前應用參考 此應用已於1995年10月30日歸檔於美國專利應用號碼 08/550，147 中。 發明背景 發明範圍 本發明是關於發光二極體（led)而更特定而言是關於具 有改良發光效率之發光二極體。 先前技藝 一發光二極體之效率可被總内反射所限制.因爲半導體材 質之折射率所構成之發光二極體（典型爲3-3.5)比由進入 空氣（1)所發出之光的折射率高出許多。發光二極體外部之 光分佈一般而言稱之爲一朗伯分佈，並且相當於一對裝置 内部而言爲一全方位的分佈。因爲此種大型的發光空間分 佈，僅有小部份的光可有效率的被使用，特別是若光被聯 結至一導光介質如一光纖時。於處理一朗伯源時，例如_ 發光二極禮，目前有許多已可獲得的方法可以提供，發光 一極雜聯結至光纖軸心之光聯結（light coupling)的增加。例 如’球面透鏡，微透鏡，梯度折射指數透鏡（GRIN)，繞射 光柵等所有皆已成功的使用。不幸的，這些技術中並無— 種能眞正的增加在相同輸入電流下之光產生量。 增加之效率意指較少之輸入電流，且因此需較少的電源 連接相同的光量至一系統。一較有效率之發光二極體在聯 結設計與製程上能提供較高的光.學聯結效率與較少的嚴格 規範，其導致成本上較爲便宜和較適合製造之系統。諸此 _ -4- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210x297公董〉 ---------批衣------、1T------'^ ^ >t r, yl ί (f先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央揉準扃貝工消費合作社印製 A7 -----E____ 五、發明説明（2 ) 原因意指若一發光二極體之效率可提升則裝置在應用技術 上將變的更爲有用。 改良發光二極體外部效率之一種方法爲利用在發光二極 體所有邊上之反射器除了發光邊外其如揭示於美國專利號 碼5,3 58,880 ’名稱爲製造封閉穴發光二極體之方法中，其 於1994年10月25日讓授於相同之讓授者。於此方法中，產 生之光子導向於一單一的總體方向。然而增加一發光二極 趙之效率，傳導於裝置平面中或附近之光子將以一傾斜角 發射。這些光子之射角利用聯結至一光學系統而阻止了它 們的接收。 目前，發光二極體是需要大的驅動電流以產生足夠的光 所以能讓足夠的光量聯結至一光纖。隨著效率之改良，所 需之電流也較少，並JL因此所產生之熱量也較少。所以， 一具有改良效率之發光二極體導致發光二極體於商業使用 上有更大之應用性。 因此，能補救先前和於先前技藝中之其它的欠缺處其將 有相當大的優點。 _ 因此’發明之一目的爲提供發光二極體之改良。 本發明之另一目的爲提供一具改良發光特性和改良效率 之發光二極體。 而本發明之其它目的爲提供一具降低輸出角度之光子用 以改良光學聯結之發光二極體。 發明之械述 簡而言之’根據一較佳具體實施例而達成本發明所求之 _ -5- ^紙ϋ度適财S财料.（CNS ) A4規格（21GX297公釐） ----------私衣------1Τ------.^ , . (t先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) Α7 Β7 3 扣 783 五、發明説明（3 ) 目的，所提供者爲一具有光子再使用之微穴發光二極體其 包括一具有至少一半導體材料層置放其上之基材，一第一 導電度類型之第一護套層置於材料層之上，—主動區置於 第一護套區之上，一第二導電度類型之第二護套層置於主 動區之上，此第一護套層，主動區與第二護套層在材料層 之上形成一凸起，此凸起具有大致上垂直之邊與一上表面 ，且在介電材料層之上置有一導電和光反射系統並且部份 地覆蓋上表面以形成發光二極體之第—電性接觸，此導電 與光反射系統在凸起之表面上界定出—置中的發光開孔， 此凸起在表面上所具有之直徑維度範圍爲開孔直徑維度2 至10倍大。 - 附圖簡單説明 本發明先前與進一步和更特定之目的與優點對該等熟習 於此技藝者而言由以下之詳細較佳具體實施例並伴隨之附 圖將成爲顯明，其中： 圖1爲根據本發明之敎導所建構之發光二極體的橫截面侧 視圖；而 圖2爲示於圖1中發光二極體部份之放大橫截面圖，其顯 示光子之再使用。 較佳具體實施例之詳細説明 現在所轉移之附囷所在其中相似之參考數字貫穿於數個 圖中指示出對等之元件，首先將注意力轉移至圖1，其顯 示出—般標示爲10之發光二極體·。本發明之裝置包含至少 一層，於此多層之較佳具體實施例中，基材12之上形成— 本紙張尺錢财 I--------批衣------1Τ------^ (·請先sg讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部_央標準局貝工消費合作社印装 經濟部中央梂準局員工消费合作社印装 A7 -------- -B7 五、發明説明— 〜 適當之材質。一般而言，不同層是利用磊晶層積法所形成 且以於本技藝中諸如MBE，MOCVD，CBE或相似之熟知技 藝所完成。此等技藝使得諸如砷化鎵，鋁坤化鎵，坤化鋁 ’鋼坤化鎵等相對上薄和厚層材料能磊晶沈積。 —般而言，基材12爲砷化鎵（GaAs)或相似者，其目前 可被理解者，與後續在其上所成長層爲相容的，一布拉格 鏡面之鏡面堆疊14具有一第一導電度類型，於此特殊之較 佳具體實施例中爲一種n-型的導電度，其成長於基材12之 上表面。應可被理解者爲例如一暫存層之中間層或層，其 ~Γ被包含於基材12之一部份。鏡面堆吞14大致上被形成， 例如，利用具有交錯折射率之半導體材料的許多層磊晶成 長於基材12之上。每一雙交錯層成長至—預定厚度（大約 爲操作頻率之半波長）而交錯層對之數目的選定是以儘可能 的能提供光反射而又能限制堆疊至一實際數目爲度。於較 佳具體實施例中，大約有30對的此層其使用目的爲描述於 本發明書之後續説明中。 —主動區16—般而τ包括一個或多個量子井該井由障礙 層所分離而該區成長於鏡面堆疊14之上其具有一隔離層或 護套層於該處之任一側邊。量子井，障礙層與護套層是以 磊晶成長。該等量子井若以所作用通過之電流而適當的激 發時根據一有名的現象而產生光子（光）。—般而言，作用 於主動區16之電流越大則所產生之光子的數目也越大。 於此較佳具體實施例中，一層沈積於鏡面堆吞14之上並 在發光二極體10中形成一第一導電類型之護套層18。護套 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS Μ4規格（21〇Χ297公釐） ---------^------1Τ------.^ - 二 , '· (·请先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標率局員工消費合作社印策 A7 -'―------ B7 _ 五、發明説明（S ) 層18以一種雜質少量的摻雜以產生第一導電度類型。三層 未摻雜材料之層20合併以提供發光二極體10之主動區16 。其將必能被理解者爲其它層可隨著需要而加入以提供出 其它之量子井。一第二護套層22沈積於主動區16之上表面 並以一種雜質少量的摻雜以產生出一第二導電度類型。層 20在任一邊形成主動區16與護套層18及22而在就在該處 形成了發光二極體10之發光部份。層18，20與22形成了 —般所謂的發光二極體穴而其爲發光二極體之發光部份。 於本發明中之發光二極體1〇之穴製成的非常短，並使用薄 ，少量摻雜之護套層，所以内部之自由載體的損失非常小 ，因此增加了其效率。鏡面堆疊14與主動區16之形成方式 熟知於本發明中且於本揭示中將不再作進一步的詳述。 護套層18與22和主動區16利用傳統之蝕刻技術形成而進 入一在鏡面堆疊14上之凸起24»凸起24具有一上表面26 與大致上爲垂直的邊28 ^ —介電質層3〇沈積於鏡面堆疊14 之上表面與凸起侧邊28。介電質層30大體上可爲任何 熟知之材料例如0匕矽（SiNx)，除凸起之上表面外且可防 止電流由任何地方進入發光二極體1〇並且導致發光二極體 之短路。 一第一金屬接觸層32沈積於護套層22之上表面與垂直邊 28之上和鏡面堆疊14的介電質層30上。第一金屬接觸層 32與套護層22形成一歐姆接觸。於此特殊具體實施例中第 一金屬接觸層32是由鈦化鎢（TiW)所形成因其方便沈積且 爲-P-型接觸金屬而與護套層22相容。於此較佳具體實施 本紙伕尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） ---------裝------II------il . . 二 * Γ請先閱讀背面之注意事項再填寫本I} 仏〇?83 Μ Β7 五 、發明説明（6 例中介電質層30與第一金屬接觸層32形成一導電和光反射 系統。然而，於其它之應用中導電與光反射系統可包括在 凸起邊上之反射材料與上表面上之導電及反射材料，或有 些其它之改變。 第一金屬接觸層32沈積於發光二極體完全之上表面與側 邊之上（在介電質層30之外部）除置中於上表面26上之發光 孔24外。第一金屬接觸層32與鏡面堆疊14形成—反射孔以 在所有的方向上反射光（光子）直到它們跳出通過發光孔34 °發光孔34限制了光子之發射角而導致光子之發射其增加 發光二極體聯結之效率。發光孔34比凸起24之上表面小許 多’凸起24之上表面所具有之直徑維度爲發光孔34直徑維 度之2-10倍大。賙整發光孔％之相對尺寸與凸起24之尺寸（上 表面與深度）允許再使用事件平均次數之調整而因此能調整 裝置之光子生命期。同樣地，因爲上凸起表面有相當大的 區域是由第一金屬接觸層32所接觸，其則能提供出較好之 電性接觸且在發光二極體中具較佳之電流分佈得以達成。 一第二接觸層36沈積於基材12之下表面。第二接觸層36 顯示出爲一 η-型金屬，且爲第一金屬接觸層32之對置接觸 。通過第一金屬接觸層32與第二接觸層36之電流在主動區 内產生光子如則述所述〇其將可被理解者爲第二接觸層36 可隨需求而置於不同之位置上，例如基材12與鏡面堆疊14 心間。因爲第二接觸層36無須具備光反射特性，其可爲一 大量摻雜之半導體材料而取代金屬。 於作業時，光子是利用注入主動區16之載體之再結合所 9- I---------批衣------1Τ------^ . * 二 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央棟準局負工消費合作社印裳 私紙張尺度賴悄畔轉（CNS ) Α4規格釐） A7 B7 五 、發明説明（. 產生。許多垂直通過基材12表面的移動光子可有效率的聯 結入由鏡面堆疊14與第一金屬接觸層32所界定之光學模式 中°易而言之，大體上垂直於基材並於中心所產生之光 子’其光之發射是通過發光孔34。於某一角度所產生或不 在中心處所產生之光子將被反射回主動區16如圖2所顯示 。所反射之光子随後被吸收進入主動區16並在不同的方向 重新反射其以所謂著名之光子再使用過程行之。此過程持 續進行直至光子發射通過發光孔34。 爲使得光子再使用之過程能有效率的工作，自由載體吸 收與教射損失必需最小化。此訴求.是藉由將護套層18與22 作薄並僅少量的掺雜如前所述，且利用足夠之鏡面對在鏡 面堆疊14中所以對高反射性之接收角而言爲大的。於較佳 具體實施例中’大約3〇對之鏡面對被使用，其提供了所有 <16度之入射角>>99%之反射率。因此所提供者爲一具有 高效率之發光二極體與具有能增加對光學系統聯結之光子 輸出角，進—步者爲效率明顯的増加。 此處對本較佳具體實施例實施上選擇不同之改變與修正 其目的乃爲囷解出對於該等熟習本技藝者將随時會發生之 狀沉。所至I範圍以至修正和改變並未違背本發明之精神 ，該等乃欲包含於本發明之範圍其評估僅利用以下所 發明專利範圍之公正解釋。 · 本發明完全以諸如此清楚和簡明之專有名詞作完整之 述以讓該等熟習於此技藝者得以理解並以相同之方法實施 ，所申請發明專利範圍爲： 張尺度適用中國國 '--t------IT------it Γ請先背面之注意事項再填寫本頁)' 經濟部中央標準局貝工消費合作杜印製 -10-

Claims (1)

1. s^〇783 ABCD 六 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝

   利範圍

   IW* 薄具有至少一材料層置於其上之i 一第一導電度類型之第—護套層 一主動區，置於第一護套區之上 一第二導電類型之第二護套層，置於主動區之上； 此第一護套層，主動區與第二護套層於材料層之上用 成一凸起，此凸起具有大致上爲垂直之邊與一上表面； 且 導電與光反射系統置於凸起之垂直邊上並部份地遵 蓋上表面以形成用於發光二極體之第一電性接觸，此等 電與光反射系統於凸起之表面上界定出—置中之發光巩 土凸起所具備之表面直徑大小比開孔直徑大小之—信 於材料層之上 2

   有光子再使用之微穴發光二極卩括： 具有至少一材料層置於其上之; "一第一導電度類型之第一護套層 一主動區，置於第一護套區之上； 一第二導電度類型之第二護套層，置於主動區之上； 第一護套層，主動區與第二護套層於至少具有一材李 層之上形成一凸起，此凸起具有大致上爲垂直的邊及一 上表面； 一介電材料層置於凸起之垂直邊上；且 一導電及光反射層置於介電質材料層之上並部份覆蓋 住其上表面以形成用於發光二極體之一第一電性接觸， '·於材料層之上 裝 訂 線 * * 二 --* (尤先閲讀背面之注_項再填寫本頁) -11 - 本紙涞尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（2丨0X297公釐） 3的783 A8 B8 C8 D8 申請專利範圍 電層於凸起之表面上界定出, iiPm有之表面直徑大小比開孔直邊= 有光子再使用之微穴發光二秘趙^括

   I中之發光孔，此凸 大了一倍以上。 一鏡面堆疊置於基材上； 一第一導電度類型之第一護套層，置於鏡面堆疊之上 一主動區’置於第一護套區之上； 一第二導電度類型之第二護套層，置於主動區之上； 第一護套層’主動區與第二護套層於一鏡面堆眷之上 形成一凸起，此凸起具有大致上爲垂直的邊與一上表面 ， 一介電質材料層置於凸起之垂直邊上；且 一導電與光反射層置於介電質材料層之上和部份的覆 蓋住上表面以形成一發光二極體之第—電性接觸，此導 電層於凸起之表面上界定出一置中之發光孔，此凸起之 表面所具有之直徑大小所在範圍爲開孔直徑大小之2 _ 1 0倍大。 (請先閱讀背面之注意Ϋ項再填寫本頁) .裝· 、1T 線 經濟部中央梂準局—工消費合作社印製 -12- 本紙張尺度逋用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）