TW392368B - LED with light extraction on all sides - Google Patents

Description

五、發明説明（2 ) 圖式簡單說明： (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 第1圖、傜成長於基片1上的非均質（hetero-)之LED 層结構。 發明的詳細說明 下列説明是以所附圖示為基礎，其原理上是有關以 砷化鋁鎵絪（InGa/UAs)糸统為材料的發光二極體結構， 傜於如砷化鎵（GaAs)基片上所形成的非均質層結構。根 據本發明之結構也能以所對應像磷化鋁鎵铟/砷化鎵 (InGaAlP/GaAs)、磷化砷鎵洇 / 磷化銦（InGaAsP / InP) 、或磷化砷鎵綑/砷化鎵（InGaASP/GaAs)之類其他糸統 的材料上施行。 第1圖所示的是成長於基片1上的序列層。相接各層 依序為下電鍍層2、波導層的下元件3、用來産生輻射的 活性層4、波導層的上元件3a、上電鍍層5、及覆罩層6 。活性層是構成整體波導層3, 3a, 4的一個元件層。實 經濟部中央橾準局負工消費合作社印裝 質上活性層是比波導層還薄。在此優先說明砷化鎵（GaAs) 糸統的材料，以砷化鎵（GaAs)為基Η而其上所生長的各 層為砷化鋁鎵洇（InY Gai_Y AlxAsi_x )。此例中，X 和y值改變的方式是使電鍍層的折射率實質上較波導層 相郯元件的折射率還低。依這種方式，光波會在波導層 内部受到引導。各糸統材料的特性為已知。例如，其折 射率隨著鋁成份的減少而增加。活性層4'可構成一値簡 單的量子阱（well)或多重之量子阱（MQW)。MQW結構由具 有不同能帶間隙（g a p )各層所組成的序列層形成的。個 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（210 < 公釐） 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（1 ) 發明背景 月J1 目前所使用的是表面-發射及邊緣-發射的發光二極體 。於邊緣-發射發光二極體中，光線是沿活性區自平面 自側面發射出來的。美國專利申請案第5,264,715號文 件中説明一種發光二極體，其中是將波導内的光引導至 元件的側面。該文件中説明了能用何種機制防止波導内 的光以非期望中的模式行進。於一種特定的實施例中， 將波導層的厚度限制為比在波導層材料中進行的情況下 所産生輻射波長的0.8倍還長一點。波導可引導至元件 的邊緣。同樣地活性區最遠可到達邊緣上或被限制於波 導層方内部區域中。 發明娘沭 本發明的目的是設定一種發光二極體結構，較之習知 的發光二極體其發光功能有實質的改良。 此目的是藉具有本發明申請專利範圍第1項之特性的 發光二極體而達成的。其它實施例則由申請專利範圍各 附屬項提供。 為了改進光線自發光二極髏的發射，根據本發明的發 光二極體受益於藉相當厚的波導將所産生輻射引導至元 件側而的事實，其横向發射（邊緣發射）已獲改進，特別 是依此種方式能儘量讓更多模式的光在（很厚的）波導中 行進。 -3 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -9 破 — A7 B7 年片 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明（3 別（元件 >層的厚度通常是5nm到20nm。其内配置有活性 層的波導層是由一種具有更高能帶間隙的材料所組成（ 例如砷化鎵鋁）且對所産生的光而言是透明的。波導層3, 3a, 4的待擻是其厚度D (沿垂直於該層平面的尺度）至少 有所産生輻射的一値波長，最好是許多値波長那麼大。 應謹記的是，根據折射率的大小，所産生輻射在物質内 的波長是比在真空中的波長還短。標準的波導層（整體 波導層3 , 3 a , 4沿垂直於該層平面的尺度）厚度D是落 在0.5u m到30ju m的範圍内。至少0.5w ra的厚度或是適用 於相關材料的最小厚度，會因互相緊鄰的材料在波導層 與電鍍層之間的邊界上所造成折射率的不連缠性，至少 導致所産生輻射有兩艏模式能在波導内行進。其中所能 容納的行進波模式數目，亦即波導内輻射的基礎模式， 是取決於波導層與相鄰電鍍層的材料之間折射率的不連 餹性。根據本發明的發光二極體基本上所産生輻射至少 有兩痼模式且最好是許多痼模式可在波導内行進，其方 式是使輻射能到達邊緣，亦即於各層平面内横向圍住波 導層的側面。電鍍層可由半導體材料組成，特別是可以 是一値序列層（例如像Bragg反射器中折射率交替變換的序 列層），其組成包括一個介電層或由自然的空氣層所形成 。在稍後的例子裡，例如省略上電鍍層5而由波導層中 摻雜而具有導電形式的元件3a可將電流注入活性層。画 中所顯示的5和6兩層也可以省略。 活性層4兩側的（薄膜）層中摻雜了不同符號的電氣導 -5 - 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（210X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂

五、發明説明（2 ) 圖式簡單說明： (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 第1圖、傜成長於基片1上的非均質（hetero-)之LED 層结構。 發明的詳細說明 下列説明是以所附圖示為基礎，其原理上是有關以 砷化鋁鎵絪（InGa/UAs)糸统為材料的發光二極體結構， 傜於如砷化鎵（GaAs)基片上所形成的非均質層結構。根 據本發明之結構也能以所對應像磷化鋁鎵铟/砷化鎵 (InGaAlP/GaAs)、磷化砷鎵洇 / 磷化銦（InGaAsP / InP) 、或磷化砷鎵綑/砷化鎵（InGaASP/GaAs)之類其他糸統 的材料上施行。 第1圖所示的是成長於基片1上的序列層。相接各層 依序為下電鍍層2、波導層的下元件3、用來産生輻射的 活性層4、波導層的上元件3a、上電鍍層5、及覆罩層6 。活性層是構成整體波導層3, 3a, 4的一個元件層。實 經濟部中央橾準局負工消費合作社印裝 質上活性層是比波導層還薄。在此優先說明砷化鎵（GaAs) 糸統的材料，以砷化鎵（GaAs)為基Η而其上所生長的各 層為砷化鋁鎵洇（InY Gai_Y AlxAsi_x )。此例中，X 和y值改變的方式是使電鍍層的折射率實質上較波導層 相郯元件的折射率還低。依這種方式，光波會在波導層 内部受到引導。各糸統材料的特性為已知。例如，其折 射率隨著鋁成份的減少而增加。活性層4'可構成一値簡 單的量子阱（well)或多重之量子阱（MQW)。MQW結構由具 有不同能帶間隙（g a p )各層所組成的序列層形成的。個 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（210 < 公釐） A7 B7 392368 五、發明説明（4 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 雷性。例如，對波導層3,3 a 而言可以像活性層4 一樣 維持不摻雜，而上電鍍層5摻雜了 P -型導電性且下電鍍 層2則摻雜了 η -型導電性。然後將連接器定位於例如同 樣地摻雜Ρ -型導電性的覆罩層6上方，且落在摻雜了 η-型琪電性的基Η1下方。為了使接觸金屬與半導體材料 之間具有低接觸電阻的目的，覆罩層6最好為高度摻雜 。若省略上電鍍層5和覆罩層6,則令波導層的上元件 3 a摻雜ρ -型導電性。而接觸（點）則直接形成於上波導層 上而。而其摻雜符號也能夠變成相反。 經濟部中央樣準局員工消費合作社印製 由圓圈8所標示的是施加電流時會因電流的注入而激 發自發枚射的區域。此輻射在波導層界面多重反射下會 沿圖中箭號所指方向朝側面反射。根據箭號的標示所發 生的放射是沿各値方向作橫向放射。為改進所發射的輻 射，可於側面上提供一層抗反射層7(圖中僅標示出右手 邊的）。此抗反射層7是可以省略的。發出的光線也可 以藉其他習知方法加以改進。活性層4的構成方式是使 之不會吸收或只吸收一點輻射，導致包含活性層的整體 波導層對輻射的吸收夠低而使得實質上可由波導内部全 反射的所有輻射都引導到制面上。所以根據本發明之發 光二極體結構由側面所發出的輻射待別高。 如圖所示，活性層4是配置於波導層内兩痼一樣厚的 元件3和3 a之間。根據本發明之發光二極體的在波導層 内給定活性層的不對稱配置，亦即波導層之元件（3或3a) 厚度最多是S —元件（3或3a)厚度的一半且最好是最多 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（210X 297公釐） — A7 B7 年片 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明（3 別（元件 >層的厚度通常是5nm到20nm。其内配置有活性 層的波導層是由一種具有更高能帶間隙的材料所組成（ 例如砷化鎵鋁）且對所産生的光而言是透明的。波導層3, 3a, 4的待擻是其厚度D (沿垂直於該層平面的尺度）至少 有所産生輻射的一値波長，最好是許多値波長那麼大。 應謹記的是，根據折射率的大小，所産生輻射在物質内 的波長是比在真空中的波長還短。標準的波導層（整體 波導層3 , 3 a , 4沿垂直於該層平面的尺度）厚度D是落 在0.5u m到30ju m的範圍内。至少0.5w ra的厚度或是適用 於相關材料的最小厚度，會因互相緊鄰的材料在波導層 與電鍍層之間的邊界上所造成折射率的不連缠性，至少 導致所産生輻射有兩艏模式能在波導内行進。其中所能 容納的行進波模式數目，亦即波導内輻射的基礎模式， 是取決於波導層與相鄰電鍍層的材料之間折射率的不連 餹性。根據本發明的發光二極體基本上所産生輻射至少 有兩痼模式且最好是許多痼模式可在波導内行進，其方 式是使輻射能到達邊緣，亦即於各層平面内横向圍住波 導層的側面。電鍍層可由半導體材料組成，特別是可以 是一値序列層（例如像Bragg反射器中折射率交替變換的序 列層），其組成包括一個介電層或由自然的空氣層所形成 。在稍後的例子裡，例如省略上電鍍層5而由波導層中 摻雜而具有導電形式的元件3a可將電流注入活性層。画 中所顯示的5和6兩層也可以省略。 活性層4兩側的（薄膜）層中摻雜了不同符號的電氣導 -5 - 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（210X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 392368 I·.·. Λ / 一 />!' :. *一 B7 伽 1κ 1 2 3 4 5 6 7 8 五、發明説明（5 ) 只有另一元件厚度的1/10時，其功能特別有效率。在 一個典型的實施例中，整體波導層的厚度可以是大約 6wm。活性層4則配置於與電鑛層2和5相隔100nm處 ,活性層4與電鍍層的間隔可以選取得愈小愈好。波導 層内位於活性層上方或下方的上元件3或下元件3a是可 以完全省略的。 主要元件符號說明： 基片 下電鍍層 下元件 活性層 上電鍍層 覆罩層 抗反射層 區域 nil - I - I - - - · i I I 誦^ - -I : - -I I- I - - I i /1¾ 、-口 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 7 - 本紙張尺度適用中囡β家忭华（（'NS ) Λ4規格（210X 297公釐） A7 B7 392368 五、發明説明（4 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 雷性。例如，對波導層3,3 a 而言可以像活性層4 一樣 維持不摻雜，而上電鍍層5摻雜了 P -型導電性且下電鍍 層2則摻雜了 η -型導電性。然後將連接器定位於例如同 樣地摻雜Ρ -型導電性的覆罩層6上方，且落在摻雜了 η-型琪電性的基Η1下方。為了使接觸金屬與半導體材料 之間具有低接觸電阻的目的，覆罩層6最好為高度摻雜 。若省略上電鍍層5和覆罩層6,則令波導層的上元件 3 a摻雜ρ -型導電性。而接觸（點）則直接形成於上波導層 上而。而其摻雜符號也能夠變成相反。 經濟部中央樣準局員工消費合作社印製 由圓圈8所標示的是施加電流時會因電流的注入而激 發自發枚射的區域。此輻射在波導層界面多重反射下會 沿圖中箭號所指方向朝側面反射。根據箭號的標示所發 生的放射是沿各値方向作橫向放射。為改進所發射的輻 射，可於側面上提供一層抗反射層7(圖中僅標示出右手 邊的）。此抗反射層7是可以省略的。發出的光線也可 以藉其他習知方法加以改進。活性層4的構成方式是使 之不會吸收或只吸收一點輻射，導致包含活性層的整體 波導層對輻射的吸收夠低而使得實質上可由波導内部全 反射的所有輻射都引導到制面上。所以根據本發明之發 光二極體結構由側面所發出的輻射待別高。 如圖所示，活性層4是配置於波導層内兩痼一樣厚的 元件3和3 a之間。根據本發明之發光二極體的在波導層 内給定活性層的不對稱配置，亦即波導層之元件（3或3a) 厚度最多是S —元件（3或3a)厚度的一半且最好是最多 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（210X 297公釐） 392368 I·.·. Λ / 一 />!' :. *一 B7 伽 1κ 1 2 3 4 5 6 7 8 五、發明説明（5 ) 只有另一元件厚度的1/10時，其功能特別有效率。在 一個典型的實施例中，整體波導層的厚度可以是大約 6wm。活性層4則配置於與電鑛層2和5相隔100nm處 ,活性層4與電鍍層的間隔可以選取得愈小愈好。波導 層内位於活性層上方或下方的上元件3或下元件3a是可 以完全省略的。 主要元件符號說明： 基片 下電鍍層 下元件 活性層 上電鍍層 覆罩層 抗反射層 區域 nil - I - I - - - · i I I 誦^ - -I : - -I I- I - - I i /1¾ 、-口 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 7 - 本紙張尺度適用中囡β家忭华（（'NS ) Λ4規格（210X 297公釐）

Claims (1)

1. 392368 含 8: D8 心γ二| 六、申請專利範圍 第86115430號「可在所有側面上發出光線之發光二極體 (LED)」專利案 （89年1月修正） 層 列 序 的 成 組 所 料 材 禮 mm- 導 半 由 有 具 : 體 圍極： 範二為 利光徽 專發待 請種其 申一 , 層層 .， 性導的 活波透 個個穿 1 一 可 I I 是 射 的 射 輻 生 産 來 用 是 輻 之 生 産 所 内 層 性 活 對 料 材 層 導 波 較 率 射 折 由的 成 是組 2,所 層料 鍍材 B 勺 Iff 値低 一 還 少率 至射 _ 折 之 點 層 件 ; 元 流個 電 | 入的 注層 來導 用波 是是 , 層 丨性 活 觸中 接其 輻 生 産 所 内 層 性 活 於 等長 少波 最的 ，時 度進 厚行 的内 層料 導材 波層 中導 其波 - 在 射 寸 尺 ; 向 置横 配其 的在 稱圍 對層 不導 呈波 是將 .， 内有線 層設光 導内射 波面放 在平來 層層用 性各以 活於 ， 中中面 其其側 I _ 的 内 1 I - l·— n - I -- I m - (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 -. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 觸方型 接下種 的或一 中方雜 況上摻 情的別 各層分 中性域 其活區 _ 於此 置中 點 的式 配況 到情 接各 連於 式且 方 ， 電中 。 導域性 依區電 是値導 層 導 波 該 中 其 體 極 二 光 發 之 項 1X 第 圍ο· 範是 利少 專 最 請度 申 厚 如的 2 w 該其 中而 其 ，0 ，間半 體之一 極3a的 二和度 光 厚 發件件 之元元 項個一 2 兩另 第内是 或層多 1 導最 第波度 圍於厚 範置的 利配件 專是元 請層値 申性一 如活中 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 392368 含 8: D8 心γ二| 六、申請專利範圍 第86115430號「可在所有側面上發出光線之發光二極體 (LED)」專利案 （89年1月修正） 層 列 序 的 成 組 所 料 材 禮 mm- 導 半 由 有 具 : 體 圍極： 範二為 利光徽 專發待 請種其 申一 , 層層 .， 性導的 活波透 個個穿 1 一 可 I I 是 射 的 射 輻 生 産 來 用 是 輻 之 生 産 所 内 層 性 活 對 料 材 層 導 波 較 率 射 折 由的 成 是組 2,所 層料 鍍材 B 勺 Iff 値低 一 還 少率 至射 _ 折 之 點 層 件 ; 元 流個 電 | 入的 注層 來導 用波 是是 , 層 丨性 活 觸中 接其 輻 生 産 所 内 層 性 活 於 等長 少波 最的 ，時 度進 厚行 的内 層料 導材 波層 中導 其波 - 在 射 寸 尺 ; 向 置横 配其 的在 稱圍 對層 不導 呈波 是將 .， 内有線 層設光 導内射 波面放 在平來 層層用 性各以 活於 ， 中中面 其其側 I _ 的 内 1 I - l·— n - I -- I m - (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 -. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 觸方型 接下種 的或一 中方雜 況上摻 情的別 各層分 中性域 其活區 _ 於此 置中 點 的式 配況 到情 接各 連於 式且 方 ， 電中 。 導域性 依區電 是値導 層 導 波 該 中 其 體 極 二 光 發 之 項 1X 第 圍ο· 範是 利少 專 最 請度 申 厚 如的 2 w 該其 中而 其 ，0 ，間半 體之一 極3a的 二和度 光 厚 發件件 之元元 項個一 2 兩另 第内是 或層多 1 導最 第波度 圍於厚 範置的 利配件 專是元 請層値 申性一 如活中 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 392368 gs六、申請專利範圍 該其 中而 其 ， ,間 體之 極3a 二和 光 3 發件 之元 項値 2 兩 第内 或層 1 導 第波 圍於 範置 利配 專是 請層 申性 如活 該 中 〇0其 ix 1κ體 的極 度二 厚光 件發 元之 一 項 另 2 是第 多或 最 1 度第 厚圍 的範 件利 元專 値請 一 申 中如 是 層 性 舌 'Yt 該 而 成 组 所 。 件方 元下 餘或 其方 及上 層的 性件 活元 由餘 是其 層 於 導置 波配 該 中 其 體 極 二 光 發 之 項 2 第 或 ix 第 圍 範 利 專 請 * 如 阱 子 量 之 nil 3 多 由 是 層 性 活 成 構 所 ϋ 歹 序 層 之 第 圍 範 利 專 請 申 如 Η /IV 阱 子 量 之 —gt1 S 多 由 是 第 圍 範 利 專 請 Φ 如 8 阱 子 量 之 重 多 由 是 第 圍 範 利 專 0 申 如 9 項QW項QW項 層 層 性 性 活 活 該 該 中 中 其 。其 i, ί, ，構 ， _7Τ«Μ 極IP極 一一卩-一 序 光 i 光 層 發 i 發 之 之}之 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 阱 子 量 之 11311 S 多 由 是 序 序 層、？ 層 rgf 之Μ之 構 所 列 構 所 列 層 性 活 該 成;: 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家揉準（CNS ) Α4规格（210 X 297公釐）