TW508846B - Light-emitting-diode - Google Patents

Description

508846 五、發明説明（1 ) 本發明是有關於一種發光二極體，其具有發射光子主動 層與對此發射光子透明之窗戶層，在其上形成用於供應在 主動層中電流之接觸。 此種發光二極體在經由美國專利號碼US 523204A之專 利授與下已經廣爲大家所熟悉。一般廣爲人知的發光二極 體具有一個可以產生光的區域，其配置在吸光基板上。生 光線區域上方配置窗戶層，此窗戶層之厚度必須要特別的 被決定，使得在窗戶層上方表面處被完全反射之光束不會 被轉向反射至基板上，而是會進入窗戶層側面，並在此處 由窗戶層向外散溢。此外窗戶層尙有一個重要之目的，即 是將經由接觸位置所輸入至窗戶層之電流均勻地分配到主 動區域上。 此種廣爲人知的發光二極體之缺點是，即在緊鄰接觸位 置下方由主動區域所產生之光束無法輕易地向外散溢出去 ，特別是由主動區域所產生往接觸位置方向之光束會直接 反射回吸光基板中。 因此在專利號碼EP 05445 12A中建議，不使用窗戶層， 而在發光二極體表面上設有樹枝狀結構之導軌。這個建議 之特別性在於，直流導軌分枝處尖端點之導軌會與位於其 下方之發光層相隔離。而電流則會因爲此種布置只能以點 狀之方式被輸入至位於其下方之發光層中。而這些點狀之 電流輸入位置則是均勻地被分配在發光二極體之上表面上 。爲了要進一步提高光耦合輸出效率，此專利更進一步的 提出一個建議，即在靠近光束發射處之位置布置一個傾斜 508846 五、發明説明（2 ) 之光束發射平面，使得所產生之光束可以經由一個較短之 路徑由發光二極體向外散溢。這種傾斜之光束發射平面可 以經由一種位於導軌下方處之塗層其平台式結構布置來加 以達成。這些塗層必須要有一個雙層之異質結構、一個遮 罩層，以及在上面兩種塗層之間所布置之光束發射層（即 主動層或發光層）。與目前之技術能力所能達到之效果相 比較，經由上述之布置方式可以使光耦合輸出效率增爲目 前之1.5倍。 本發明之目的是以習知技術爲基礎，其製成一種具有進 一步改善光產量之發光二極體。 此目的是根據主動區域以此方式解決，即，形成導軌之 接觸，且窗戶層在沿著導軌之方向會具有延伸之側面部分 ，此延伸之側面部分其外形乃是與環繞周邊區段其與導軌 互相交錯之向外延伸突出部分一起構成。 將接觸位置以導軌之方式建立與改善，電流將不再只能 以點狀之方式被輸入至主動層中，而是可以經由較大之面 積輸入至主動層中。而在主動層中所生之光子則可以經由 窗戶層之側面由發光二極體向外散溢。且這種布置同樣亦 適用於在窗戶層中行進路徑是沿著導軌方向之光子，因爲 經由窗戶層側面外形與環繞表面周邊區段其與導軌互相交 錯之向外延伸突出部，這些光子亦會在窗戶層延伸側面之 斷面上遇到一個較完全反射角小之角度。因此這些光子並 不會被反射回吸光基板上而失落，而是可以向外散溢，也 就是說亦可以增加一部份之光耦合輸出效率。實驗數據顯 -4- 508846 五、發明説明（3 ) 示，經由此種發明性的布置所得到之光耦合輸出效率，會 是以目前技術所製造出只具有簡單結構窗戶層之發光二極 體其光耦合輸出效率的兩倍。 在本發明較佳的配置中形成一種具有平截頭稜椎體結構 (金字塔去掉椎頂）之延伸突出部。 在恰當地選擇平截頭稜椎體結構之角度下，在平截頭稜 椎體結構內行進之光子束運動軌跡，會在每次於平截頭棱 椎體結構之傾斜側面處具有不同之入射角，因此下面之情 形將會非常有可能地發生：即在多次之反射下，入射角一 定會有一次比完全反射之臨界角來的小，因此光子束將可 以由窗戶層向外散溢。 本發明其他有利的配置是申請專利範圍附屬項之標的。 本發明以下根據所附圖式作詳細說明： 第1圖 本發明所提出之發光二極體之立體視圖，此發 光二極體在具有鋸齒狀輪廓延伸側面之窗戶層上布置有導 軌。 第2圖 如第1圖所示之發光二極體其窗戶層鋸齒狀輪 廓延伸側面之放大圖示。 第3圖 如第1圖所示之發光二極體之俯視圖。 第4圖 沿著第3圖中切面線IV-IV之發光二極體截面 圖。 第5圖 沿著切面線IV-IV方向之主動層（發光層）光線 產生之圖示。 第6圖傳統之發光二極體之斷面圖示，其中在吸光基 508846 五、發明説明（4 ) 板上塗佈主動層（發光層），且在此主動層上配置額外之窗 戶層。 第7圖 經由第6圖之橫截面之主動層之光線產生之圖 式。 第8圖 經由發光二極體之橫截面之圖示，其主動層已 經結構化且此發光二極體具有一個位於中央位置處之接觸 位置。 第9圖 第8圖所示之發光二極體，其主動層之光束產 生圖示。 第10圖具有非結構化窗戶層之發光二極體之橫截面圖 示，其導軌相對應於第1圖所示之發光二極體之導軌而形 成。 第Π圖第10圖所示之發光二極體之主動層之光線產 生圖示。 第12圖另外一個依照本發明改良之發光二極體之俯視 圖。 如第1圖所示之發光二極體（1)具有一個吸光基板（2)， 且在吸光基板上鍍有一層主動層（3)。在主動層之一方則布 置有一層窗戶層（4)，在窗戶層上表面處（5)則布置有一個 環繞表面周邊區段（6)。在窗戶層上表面處之中央位置則有 一塊向上突出之部分（7)，而在此向上突出部上則布置有一 個接觸位置（8)，且此接觸位置是與窗戶層相隔離的。而接 觸位置是經由位於連接區段（1 〇)上之連接軌（9)與位於環繞 表面周邊區段（6)上之周邊線路（11)相連接，且同樣地連接 -6- 508846 五、發明説明（5 ) 軌（9)乃是與窗戶層相隔離的。因此電流將只能由接觸位置 被輸入，在經由周邊線路（Π)被分配輸入至主動層中。 環繞表面周邊區段（6)具有延伸之側面（12)，其鋸齒狀外 型之延伸側面乃是與環繞表面周邊區段其與周邊線路（1 1) 互相交錯向外延伸突出部一起構成。環繞表面周邊區段（6) 之向外延伸突出部（1 3)是以平截頭稜椎體結構（金字塔去掉 椎頂）之方式被建立，且具有傾斜側面（14)。 第2圖則是上述之向外延伸突出部（13)之放大圖示，其 中傾斜側面（14)之斜率必須要作適當地選擇，使得位於傾 斜側面（14)其法線方向（15)與主動層（3)其法線方向（16)之 間的夾角φ，要介於45°與88°之間。角度α、，與r尤 其要特別地被決定，使得這三者其中的任一個角度要小於 1 〇°，除此之外在這個三角度中任一個角度不可以剛好是 45°或是60°，因爲在此高度對稱之情況下，光耦合輸出效 率會降低。此外，當周邊區段（16)之狹窄部分（17)之寬度b 對周邊區段（6)之高度之比適用：0.1<V<10，較佳是 1<V<3時，貝[J具有優點。 第3圖乃是一個在第1圖與第2圖中所表示之發光二極 體之上視圖。第4圖乃是一個沿著第3圖中切面線IV-IV 方向之發光二極體截面圖。第5圖則表示沿著第3圖中切 面線IV-IV方向之光束產生比率圖示，經由第5圖可以瞭 解主動層中所產生之光子的比率與輸入之電流密度及其他 電流輸入其特別性質之間的關係。 經由第5圖可瞭解，緊鄰著接觸位置（8)下方之光束產 508846 五、發明説明（6 ) 生比率是非常的少，幾乎等於沒有，此處相應之光束產生 比率具有一個最小値（18)，而位於環繞表面周邊區段（6)之 下方區域所具有之光束產生比率則具有最大値（19)，原因 在於此處之電流乃是直接經由位於環繞表面周邊區段（6)上 之周邊線路（Π)被輸入至窗戶層中，而此位於環繞表面周 邊區段上之周邊線路（U)則是相反地沒有如同接觸位置（8) 與連接軌（9)一樣地與窗戶層相隔離。爲了要得到較有效之 光耦合輸出，下述的布置是重要的：即具有特殊外型之環 繞表面周邊區段（6)必須緊鄰於最大光束產生比率（1 9)之位 置處，原因在於位於此處局部電流輸入與窗戶層上表面處 結構化之整合效應會導致一個較高之光耦合輸出效率。接 下來將根據第6圖至第1 1圖所提出之比較範例來對此觀 點作更進一步地解釋。 爲了要比較待會會提到之討論的結果，Raytracing之模 擬方法會被執行，其中發光二極體之基板面積定爲300微 米（um)x300微米（um)，且所採用之基板可以完全的吸收 光子。主動層之厚度則爲200奈米（nm)，且光子吸收系數 則訂爲l〇〇〇〇/cm。更進一步地在主動層中之光子重新循環 過程會被考慮進來，其中光子重新結合輻射之效率將以 80%被考慮。窗戶層之厚度將被固定爲1〇個微米（um)，而 接觸位置之反射性將以30%加以考慮。主動層之計算指標 則採用3·2，此外在半導體晶片內部之折射率選擇3.5，而 周遭之介質之折射率則選擇1.5。 比較例1 508846 五、發明説明（7 ) 考慮如第6圖所示之正六面體（立方體）結構之發光二極 體（20)，此正六面體結構之發光二極體具有一個吸光基板 (21)，在此吸光基板上一層主動層（22)被布置，且一層窗 戶層（23)則覆蓋在此主動層上。而在窗戶層上方中央處則 布置有一個接觸位置（24)，且此接觸位置並沒有與窗戶層 相隔離。與此形式之發光二極體相應之光束產生比率之分 佈曲線（25)則如第7圖所示。 比較第6圖與第7圖可以知道，光束產生之最大値是發 生在緊鄰著接觸位置下方之位置。此種形式之發光二極體 會有一個很大之問題，即緊鄰著接觸位置下方處所產生之 光子，會有很大的一部份不是被緊鄰著接觸位置之介面所 吸收，就是被接觸位置直接反射回吸光基板。因此此種形 式之發光二極體所產生之光子，大約只有5%之光子可以 由發光二極體向外耦合輸出。由接下來之討論中，發光二 極體向外輸出之光子數與發光二極體所產生之光子數間的 比例，會以光耦合輸出效率來加以代表，且在接下來之討 論中會比較不同形式之發光二極體其光耦合輸出效率會由 20%變化至100%。 比較例2 第8圖乃是一個另外一種形式之發光二極體（26)之截面 圖，其窗戶層（27)乃是依照與之發光二極體（1)其窗戶層（4) 之相同方式加以建立。同樣地在此種形式之發光二極體中 ，電流乃是經由位於中央處之接觸位置（24)被輸入至主動 層（22)中。 508846 五、發明説明（8 ) 在此種形式之發光二極體中，同樣地其光束產生比率之 分佈曲線（28)仍是在接觸位置下方處具有最大値，如第9 圖所示。 第8圖與第9圖可以淸楚的看到，此種形式之發光二極 體同樣具有很差之光耦合輸出效率，原因在於大部分之光 子仍是在緊鄰著接觸位置下方之位置產生。爲了要對窗戶 層（27)其結構化的影響作出評估，光耦合輸出效率將不再 與光束產生比率之分佈曲線（28)—起計算，而是與光束產 生比率之分佈曲線（25)—起計算。以之發光二極體（20)光 耦合輸出效率之計算結果做爲基準，經由計算可以得到此 處之發光二極體其光耦合輸出效率（相對於發光二極體（20) 光耦合輸出效率）爲150%。這個計算結果是非常値得注意 的，因爲在（25)之光束產生比率之分佈曲線中，光子並不 是集中在緊鄰著環繞表面周邊區段（29)之下方產生（環繞表 面周邊區段（29)相應於發光二極體（1)環繞表面周邊區段（6)) 。因此這個計算結果證明了在發光二極體（1)(即本發明所 提出之發光二極體）其鋸齒狀之環繞表面周邊區段（6)對光 耦合輸出效率之增加具有正面的效果。 比較例3 在第10圖中乃是另一種形式之發光二極體（30)，其窗 戶層（23)乃是如同發光二極體20 —般的未結構化。此種形 式之發光二極體具有周邊線路（31)、連接軌（32)以及一個 位於中央處之接觸位置（33)，而此三個元件及是依照與發 光二極體（1)其周邊線路（11)、連接軌（9)以及位於中央處之 -10- 508846 五、發明説明（9 ) 接觸位置（8)相同之方式被建立起來。此種形式之發光二極 體特別的地方在於其接觸位置（3 3)以及連接軌（32)是與窗 戶層（23)互相隔離的。 此種形式之發光二極體其光束產生比率之分佈曲線（34) 乃是如第1圖所示，其中在周邊線路（3 3)下方處光束產生 比率具有最大値（3 5)。根據窗戶層之雷流擴張函數，一部 份輸入至主動層（22)之電流會流向接觸位置（3 3)下方之區 域，因此可以由第1圖看出，即使在光束產生比率之分佈 曲線之最小値處（36)仍有光子產生。這個原因也有可能可 以解釋下述之結果：即發光二極體（30)其相對於發光二極 體（20)之光耦合輸出效率之計算結果會到達140%。因此爲 了要達到良好之光耦合輸出效率，要避免在接觸位置（24) 下方產生過多之光子。 實施例1 最後針對由第1圖至第4圖本發明所提出之發光二極體 其光耦合輸出效率作出計算。在本發明所提出之發光二極 體中，經由環繞表面周邊區段（6)之影響，光束產生狀態會 額外的集中，如此一來光束產生比率其最小値會降低接近 0。除此之外，在緊鄰著環繞表面周邊區段之下方處，光 束產生比率會具有最大値（19)，如此一來所產生之光子不 需要行進很長之路徑即可從發光二極體向外散溢。 若以發光二極體（20)之光耦合輸出效率作基準，則此處 發光二極體（1)其光耦合輸出效率之計算結果則高達275% 。此計算結果亦表示若將電流集中於環繞表面周邊區段（6) -11- 508846 五、發明説明（1G ) 之下方輸入主動層中，則會導致較佳之光耦合輸出效率之 結果，而此結果正如事先所預期的。 這個較佳之光耦合輸出效率之結果並不是只有單單將電 流集中於環繞表面周邊區段（6)之下方輸入主動層中所能達 成的，環繞表面周邊區段之向外延伸突出部其平截頭棱椎 體形式之結構亦對此結果有貢獻。經由適當地選擇角度α 、冷與r之値，則下述之現象是非有可能發生的：光子束 在經過多次之反射後，在環繞表面周邊區段其平截頭稜椎 體結構形式之向外延伸突出部之傾斜側面（14)處與在環繞 表面周邊區段（6)之延伸側面（12)內，光子束之入射角一定 會有一次機會小於完全反射之臨界角，因此光子束可以由 發光二極體（1)向外散溢。而環繞表面周邊區段其平截頭稜 椎體結構形式之向外延伸突出部之傾斜側面（14)之傾斜角 度則可以確保最先由主動層（3)向上方行進之光子束在每次 之反射下均可以順利的行進，如此一來這些光子束最後就 可以順利地由環繞表面周邊區段（6)之側面向外散溢。 此處需要注意的是，當環繞表面周邊區段（6)向外延伸 至主動層時，由環繞表面周邊區段（6)所向外延伸突出部 (13)亦可以設計爲三角柱體結構。 第12圖乃是本發明所提出之另一個發光二極體（37)之 可執行性範例之俯視圖說，此發光二極體除了具有環繞表 面周邊區段（6)，尙具有另外一個中間邊區段（38)，其外型 乃是與環繞表面周邊區段（6)所向外延伸突出部（1 3)—起被 建立，且在其上方則布置有中間電路（39)。除此之外此種 -12- 508846 五、發明説明（11 ) 形式之發光二極體（3 7)則在其邊緣處布置有一個接觸位置 (40)。可以預期的是，經由此種布置之發光二極體，其光 耦合輸出效率會比發光二極體（1)來的更高。 最後對發光二極體（1)與（30)其特別之優點作一總結’即 其平面面積之範圍幾乎可以用任意大小的方式® 爲較大之平面面積範圍並不會對窗戶層厚度其 響，但窗戶層厚度若加以增加的話，則基本上會@ ^ ^ $ 之困難。 符號之說明 1 發光二極體 2 基板 3 主動層 4 窗戶層 5 表面 6 周邊區段 7 突出部 8 接觸 9 接觸 10 接觸 11 接觸 12 側面 13 突出部 14 側面 15 法線

508846 五、發明説明（ 16 17 18 19 20 21 22 23 12 ) 法線 狹窄部 最小値 最大値 發光二極體 基板 主動層 窗戶層 -14-

Claims (1)

1. 508846 六 六 傾讀妾員明*，本案#Ji:後是否變更原實質士 _ 修J]: 申請專利範圍 _________________________________________________ 第90 1 280 87號「發光二極體」專利案 (91年2月修正） 申請專利範圍： 1·一種具有發射光子之主動層（3)與對於所發射光子透 明，之窗戶層（4)之發光二極體，在其上,形成用於將電 流輸入主動層（3 )之接觸（8、9 ' 10、1、39、40)，其 特徵爲： 形成導軌之接觸，並且此窗戶層（4)是具有沿著導 軌（1 1、39)延伸之側面（.12)，其以本身對導軌（1 1、 3 9 )橫向延伸之突出部（B )爲輪廓。 2 .如申請專利範圍第1項之發光二極體，其中此突出部 (1 3 )形成尖端。 3 .如申請專利範圍第1或2項之發光二極體，其中突出 部（13)具有三角形之底面。 4 .如申請專利範圍第1或2項之發光二極體，其中此突 出部（1 3 )在側面（1 2 )上形成鋸齒形之輪廓。 5 .如申請專利範圍第3項之發光二極體，其中此突出部 (1 3 )在側面（1 2 )上形成鋸齒形之輪廓。 6 .如申請專利範圍第1或2項之發光二極體，其中此形 成尖端之突出部（13)之頂角7在尖端中小於10° 。 7 _如申請專利範圍第3項之發光二極體，其中此形成尖 端之突出部（13)之頂角r在尖端中小於丨〇° 。 8 .如申請專利範圍第4項之發光二極體’其中此形成尖 508846 六、申請專利範圍 端之突出部（13)之頂角r在尖端中小於1 〇 ° 。 9 .如申請專利範圍第1或2項之發光二極體，其中介於 突出部（1 3 )之側面（1 4 )法線（1 5 )與主動層（3 )之法線 (1 6 )間的夾角是在4 5 °與8 8 °之間。 i 〇 .如申請專利範圍第3項之發光二極體，其中介於突出 部（1 3 )之側面（1 4 )法線（1 5 )與主動層（3 )之法線（1 6 ) 間的夾角是在45°與88°之間。 1 1 .如申請專利範圍第4項之發光二極體’其中介於突出 部（1 3 )之側面（1 4 )法線（1 5 )與主動層（3 )之法線（1 6 ) 間的夾角是在45°與88°之間。 1 2 .如申請專利範圍第6項之發光二極體’其中介於突出 部（1 3 )之側面（1 4 )法線（1 5 )與主動層（3 )之法線（1 6 ) 間的夾角是在4 5 °與8 8 °之間。 1 3 .如申請專利範圍第7項之發光二極體，其中介於突出 部（1 3 )之側面（1 4 )法線（1 5 )與主動層（3 )之法線（1 6 ) 間的夾角是在45°與88°之間。 1 4 .如申請專利範圍第1或2項之發光二極體，其中側面 (12)在主動層上延伸。 1 5 .如申請專利範圍第1 4項之發光二極體，其中突出部 (1 3 )形成稜柱形。 1 6 .如申請專利範圍第丨或2項之發光二極體，其窗戶層 之周邊區段（6)之狹窄部（17)之高度與寬度之比在0.1 與1 0之間。 508846 六、申請專利範圍 1 7 .如申請專利範圍第1或2項之發光二極體，其中形成 導軌作爲沿著發光二極體邊緣圍繞之導軌（1 1 )。 1 8 .如申請專利範圍第1 7項之發光二極體，其中此圍繞 之導軌（1 1 )藉由對窗戶層（4 )絕緣之連接軌（9 )與中央 接觸部（8 )連接。 1 9 ·如申請專利範圍第1 7項之發光二極體，其中此圍繞 之導軌（11)在周邊區段（6)上延伸。 20 .如申請專利範圍第1 8項之發光二極體，其中此圍繞 之導軌（1 1 )在周邊區段（6 )上延伸。