TW584973B - Reducing the variation of far-field radiation patterns of flipchip light emitting diodes - Google Patents

Description

五、發明説明（i ) 本發明係有關於倒裝晶片發光二極體的一般領域，更明 確而言，係有關減少從此裝置發射的輻射強度的遠尸傲 化。- 野夂 一發光二極體（”LED，，）是光的高度持久性固態源，可達成 高光亮度及具有許多應用，包括顯示器、照明設備、指示 燈、印表機、與光碟閱讀機。LEDss以數個幾何建^ = 造，包括：一”倒裝晶片”設計，該”倒裝晶片”設計具有一 反射歐姆接觸；在一表面上的第二歐姆接觸；及一基材， 該基材能當作相反面，且能傳輸LED的發射光。該具有來 自反射接觸的相對極位的歐姆接觸是被位置，如此不會明 顯與從LED離開的光形成干擾。典型上，既然典型led材 料的電洞（正電荷載子）的散佈長度是短於電子（負電荷載子） 的散佈長度，所以該反射歐姆接觸是正電，而另一接觸是 負電。因此，較不傳導的P層需要覆蓋LED的一較大區 域。廷子的長散佈長使它能貫質經由一相當小接觸而將電 子注射一有限的表面區域。 倒裝晶片LED的一些建構具有位在接近該反射接觸的發 光主動區域。特別是’如果將該主動區域從反射接觸分離 是小於該主動區域發光連貫性長度的大約5〇%個，干擾圖 案便會發生。在此情況中，透過反射接觸，從LED直接離 開而來自主動區域的光能建立干擾圖案，且具有從led離 開而來自主動區域的光。這些干擾圖案會造成從led發射 的空間光強度變化，特別是在遠場區域。 遠場強度變化對於單一 led的效率是有害的，但是由於 本紙張尺度適用中® ®家標準(CNS) A4規格(210X297公釐） 584973 A7

裝 訂

584973

與最小的補償干擾、及更一致性的遠場輻射圖案。 逼_式之簡單說明 下圖·並未依比例緣出。 圖1是一典型倒裝晶片LED結構截面圖，包括透明基 材、G aN基層、光產生的主動區域、相鄰厚度d歐姆接觸 的層、與反射歐姆接觸。 圖2是以描述（以毫微米為單位）提供，而於不同距離4的 從圖1所述LED發射的光通量角分布。光通量單位可以是 任意的。 圖3是兩階結構反射接觸的截面圖。 圖4是從圖3描述的LED所發射光強度的角分布。光通量 單位是任意的。 圖5是具有多個反射平面的反射層截面圖。 圖6是從SQW和MQW LEDs發射的光強度角分布。光通 量單位是任意的。 圖7是在兩補償群中具有多個反射平面的反射層截面 圖。 圖式之詳細說明 圖1係描述一部分的典型倒裝晶片led，其包含—光發 射主動區域1及由一基層3分開的透明基材2。我們可考廣 如圖1所述在具一 GaN基層的藍寶石基材上的一 Alln(}aIs^pj 裝晶片LED說明範例。S i C是使用在本發明的另一透明基 材範例。為了要在我們的討論中明確限定，我們描述倒裝 晶片LEDs的一般情況，其中反射歐姆接觸4是正接觸，可 -6- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 584973 A7 — —_____B7 五、發明説明（ ） 確認的是此是說明而不是限制。 包含單一層、或一或多個構成子層的基層3典型係如基 材與發光主動區域！間的一轉變區域於基材2向外生長。典 型上，雖然其他沉積技術在技藝中是已知及使用，但是金 屬組織化學氣蒸沉積（"MOCVD”）可用來生長包含基層的 一或多個子層。對於在此描述的A1InGaN lED的特殊說明 範例而言，基層是III-氮化物合成，其典型至少包括n攙雜 G a N的一層。 一反射正歐姆接觸4是位在與主動區域1分開d的一段距 離，且具有位在主動區域與接觸之間的一或多個p型層5。 層5並未侷限於具有一致性成分、電或光學性質的單一 層。層5包含多個子層，其具有明顯成分、在不同子層間 的攙雜特性與折射率、或於整個層5厚度的合成梯度、電 性質與光學性質。層5並未侷限於p型材料。η型層包括在 具有整個ρ型傳導係數層的一或多個子層，而且具有整個η 型傳導係數的層亦可使用。為了簡單描述與討論而不是對 本發明的限制，我們可考慮具有ρ型傳導係數的單一層5。 從主動區域1發生電洞復合的發光能直接從led離開（例 如透過路徑6d)，或隨著如6r所示光束從歐姆接觸4的反射 而離開LED。在1發光的連貫性長度於g aN典型是大約3微 米（μπι =微米=10·6公尺）。雖然連貫性時間只因光源的發射 性質而定，但是連貫性長度是因光行進的媒體波長而定。 因此，如果分開d是小於大約連貫性長度5 0 % (d ^ 1.5微 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公黄) 584973

米），在直接與反映光束之間的干擾便會發生，造成由[εγ) 所產生光的空間非一致性。 、圖2係描述當作與在圖1中所定義正常LED有關的一發射 方向函數Θ的遠場發光強度（或通量）的電腦產生範例。各 種不同輻射圖案是從具d=1〇〇毫微米的曲線到具d=l8〇 耄微米的曲線'，i，，（nm=毫微米。1毫微米=10·9米= 〇·〇〇1微 米）。只有當與角通量變化有關時，通量單位是任意的。 輻射圖案是因距離d、發光波長、光從LED離開傳遞材料 的有效折射率而定。當d變化時，輻射圖案很清楚會改 變。 本發明可透過將適當結構引用於圖1的反射層4表面而減 少從LED發射光的2間變化，如此可減少來自直接或反射 光束6d和6r的強度變化。在實施方面，透過在反射體材料 上沉積之前將p型層5的表面蝕刻，對於將想要的結構引用 在反射體4結構是方便的。然而，LED的反射層結構任何 其他裝置亦可連同本發明使用。 本發明並未侷限於從沉積的金屬反射表面反射到一結構 層5。具有來自層5的不同折射率的介電質間隔物層將導致 在介面上反射，而且亦能連同本發明使用，且可以是導到 超過一反射層的任何其他結構。 圖3係描述反射層4的兩層結構使用的一系列具體實施例 的截面圖。這些具體實施例的表面9是在蝕刻之前的層5表 面，且具有來自主動區域1的一分開距離d。在將反射材料 塗層後將層5蝕刻成一結構深度α會導致在圖3截面圖描述 -8- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210X 297公釐）

裝 訂

線 584973 A7 B7

的兩層結才冓，且具有一上反射表面11("隆起")與一下反射 表面1 0 (π凹處π)。 圖3係以截》圖描述具有言午多隆起凸出u的反射接觸4。 實際凸出是以三度空間發生。當從主動區域i的透視圖看 時，結構隆起Η與凹處10可視為平行於主動區域丨平面的 二度空間平面區域。接觸4的這些平面反射區域可具有任 何方便形狀，特別是包括圓形、方形、矩形、擴圓。、不同 位置之間的隆起及/或凹處必然要具有相同形狀或面積。 然而，每個隆起或凹處應該遠大於層5的輻射波長的空間 範圍，但是與晶片的總大小相比較是較小。此外，反射體 的隆起區域所覆蓋的選擇總面積是等於凹處區域的總面 積。干擾影響的有利減少將可獲得，即使是不等的隆:與 凹處區域的面積，但是相等面積對於達成提高一致性是很 有用的。 圖4係提供從圖3描述的組織反射結構呈現的計算光強度 或輻射圖案（"r.p·”）的說明範例。圖4的描述是經由一典型 組的系統參數的而提供，而不是對本發明的限制。對求；二 述的特殊範例而言，d是採用13〇毫微米，且結構深度 α = 52毫微米。在真空中透過主動區域丨所發射的波長= λ = 500毫微米。隨著η = 2·4的層5的折射率，層5的波長是 λη = 208·33毫微米且α = λη/4。圖4係描述等面積的隆起與 凹處反射體區域。圖4的曲線a係描述當作從圖3的隆起區 域11的反射光造成θ函數的輻射圖案。與直接發射光6 d形 成干擾的光束會產生曲線a。與直接發射光以形成干擾

裝 訂

-9- 584973 A7 B7 五、發明説明（7 ) 的光束6 r !會產生曲線b。曲線a的最大干擾是發生在對應 近似曲線b最小干擾的有角位置上，導致要補償，且整個 輪射圖案如曲線c的描述。輻射圖案的空間變化減少是明 確的。 圖4的結果是從圖3描述的人n / 4分開的兩反射表面平面 (隆起與凹處）反映的獲得。然而，連接與本發明使用的結 構並未局限於兩反射平面或在反射平面之間的分開局限於 λη/4〇 週於補償干播的反射平面間的分開 透過平面於主動區域的任何倍數λ η / 2的一反射平面放置 會改變光從此平面反射及以λ η的整數值到達遠場的行進路 徑，而不會影響干擾圖案的結構。因此，當在兩反射平面 之間的分離是λη/4的奇數整體倍數時，補償干擾圖案（與 遠場強度變化降低）便會產生。如果兩反射平面是以丨和』表 不，且對於反射平面的（丨，j )對而言，當α丨滿足方程式} 時’用以補償干擾圖案而以ai j(ai j>〇)表示在他們之間的 分離或距離便會發生。 ai，j(m)=(2m-l)Xn/4，其中m =正整數；U2,3,…方程 si 其中m是明白表示。情況m==1是在圖3描述。 多個反射平面 在圖3描述的凹處（與隆起）區域不需要全部位在單一平 面，由於《λη/2整數倍放置一反射平面的性質不會影響到

干擾圖案的可——·一·· 位在平面9。

584973 五、發明説明（ 的整數倍數彼此分開在不同平面9a、讣和％。圖5的每個 凹處區域是以λ„/4的奇數倍數而從平面i u的隆起區域分 開。同樣地，隆起區域不需要全部位在平面丨丨a，但是能 以λn/2的整體倍數而位於從彼此分開的複數個隆起平面； 因此，能以λη/4的奇數倍而位於從每個凹處平面分開的複 數個隆起平面。因此，每個凹處平面丨可滿足具每個隆起 平面的方程式i ,j可用於爪的一些值。有利地，凹處區域 的總面積應該近似f於凹處區域的總面積，#中凹處面積 (或隆起面積)的加總包括所有隆起平面丨(或隆起平面” 滿足方程式1的一組凹處平面丨和隆起平面』我們稱為一 補償群。一補償群的最簡單範例是在圖3描述的一凹處平 面及隆起平面。圖5係描述由三個凹處平面9a、9b、9c 與一隆起平面11a所組成的補償群的另一形式。一般補償 群是由複數個凹處平面丨與複數個隆起平面』所組成，且對 万、所有1，j而3 ,可滿足方程式i。然而，本發明並未局限 於單-補償群。根據本發明的反射表面的結構包括使用反 射平面的一或多個補償群。 我們係描述在圖7的兩補償群的情況，每個補償群是由 一凹處平面及一隆起平面所組成。反射平面包含 一補償群，且會以上述方式導致補償干擾圖案。反射平= 9x和11 X是另一補償群，且同樣會以上述方式導致補償干 二圖案然而，如圖7所述，凹處平面9 y和9 X與相關隆起 平面Π y和11 X可使用在相同LED。現考慮成對的平面， 4平面9x和11X所不，平面9y*lly會導致降低遠場光強 Η張尺度適"^^標準(CNS) A4規格(210: -11- :297公釐） 584973

度變化。然而，在補償群之間 即是，在圖7的平面9y與9X之 要是波長的一特殊部分或倍數 遠場強度變化；因此，不需要 面的任何特別分開。 對於垂直間隔是沒有限制。 間的間隔是任意的，且不需 。每個補償群能提供降低的 具有從任何其他補償群的平 衩數個補償群能用於遠場強产 、 、勿攻度減夕，而不局限於圖7描 “、勺兩個此外’補&群中能有複數個凹處平面及/或隆 起平面’且在每個補償群具有用㈣償群中平面的上 面間間隔。 一補償^群的隆起區域與凹處區域可以是並排（如圖7所 不）二父錯、或具有任何其他方便空間或幾何關係。在本 各明貝施的優點是總隆起區域是近似等於在每個補償群中 的總凹處區域，而不管其他補償群的隆起與凹處區域。 本發明並未局限於單一特定量井（，，SQW，，）LED，但是亦 可應用於具有倍數特定量井（”MQW”）主動區域的led。輻 射圖案是在圖6描述，且用可於數個SQW*MQW建構。在 圖6描述的所有情況中，反射接觸具以圖3所述層5輻射波 長的2 5 %分開的兩層反射。對於比較而言，曲線（&)、 (b )、和（c )是來自隆起區域（曲線b )、凹處區域（曲線a)、 與兩平均（曲線c)的SQW輻射圖案，且類似於圖4的描寫。 曲線（d)、（e)、和⑴是與8個MQWs有關，且在特定量井 ("QWs”）之間具有17·5毫微米分離，及與最接近反射層與 兩反射表面的下面、凹處區域1 〇的Q W分離1 82毫微米。即 疋’圖3的距離d ’’是從平面9到8 Q W s的下面測量。曲線

裝 訂

本 ____ -12- 用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐）

584973 A7 B7 五、發明説明 (d)是從是凹處反射表面產生的輻射圖案。曲線（e)是從隆 起反射表面產生的輻射圖案。曲線（f)是曲線（(1)與卜）的平 均。曲線（g)-(k)係有關一具有4 qWs的MQW主動區域， 且具從Q W s的最下面到下反射表面的變化距離d丨。所有其 他情況是與圖6的其他曲線相同，特別是在丨7·5毫微米的 Q W s之間的間隔。我們可看出從數個Q w s的最下面到反射 平面的的間隔不會明顯影響到輻射圖案的一致性。當在特 足量井之間的間隔是變化時，沒有實質變化會發生。 已詳細描述本發明，在技藝中熟諳此技者可了解到修改 可達成，而不致於達背在此描述創作性觀念的精神。因 此，並未將本發明的範圍局限於描述的特殊具體實施例。

Claims (1)

1. 584973 第091115074號專利中請案 齧 年⑹-修正 中文申請專利範圍替換本(92年12月爲 I 才#充 六、申請專利範圍 1· 一種倒裝晶片發光二極體之結構，其包含： 一個實質平面發光區域能夠發射波長；^輻射；及， 至少一補償群反射平面，其中該至少一補償群的每一 者包含： 少一隆起區域’具有至少一隆起表面，其實質 平行於遠發光區域平面並反射該至少一部分輕射，其 中該至少一隆起表面是位在至少一隆起平面，而且其 中將該至少一隆起平面每一者與每個其他隆起平面分 離的距離是（λη/2)的整數倍；及， 11)至少一凹處區域，具有至少一凹處表面其實質 平行於该發光區域平面並反射該至少一部分輕射，其 中該至少一凹處表面是位在至少一凹處將平面，而且 其中將該至少一凹處平面每一者與每個其他凹處平面 分離的距離是（λη/2)的整數倍；及， iii)其中將該等隆起平面每一者與該等凹處平面每 一者分離是（λη/4)的奇數整數倍。 2·如申請專利範圍第1項之結構，其中在該至少一補償群 母者中的遠至少該一隆起表面的總面積與該至少一凹 處表面的總面積是實質相等。 3.如申清專利範圍第1項之結構，其中該至少該一補償群 包含單一補償群。 4·如申請專利範圍第3項之結構，其中該至少一隆起平面 是位在實質該相同平面。 5·如申請專利範圍第3項之結構，其中該至少一凹處平面 本紙張尺度適用中國國豕標準(CNS) Α4規格(21〇X 297公董)

   裝

   是位在實質該相同平面。 6. 如申請專利範圍第3項之結構，其中該至少—隆起區域 的該至少一表面是金屬。 7. 如申請專利範圍第3項之結構，其中該至少一凹處區域 的該至少一表面是金屬。 8· —種用以減少倒裝晶片發光二極體的遠場輻射圖案變化 之方法，其包括： a) 提供一實質平面發光區域，能夠發射輻射波長 λ η » b) 提供至少一補償群的反射平面，其中該至少一補償 群的每一者包含： i) 至少一隆起區域，具有至少一隆起表面，其實質 平行於該發光區域平面並且反射該至少一部分輕射， 其中該至少一隆起表面是位在至少一隆起平面，而且 其中將該至少一隆起平面每一者與每個其他隆起平面 分離的距離是（λη/2)的整數倍；及， ii) 至少一凹處區域，具有至少一凹處表面，其實 質平行於該發光區域平面並且反射該至少一部分輻 射，其中該至少一凹處表面是位在至少一凹處將平 面’而且其中將該至少一凹處平面每一者與每個其他 凹處平面分離的距離是（λη/2)的整數倍；及， iii) 其中將該等隆起平面每一者從該等凹處平面每 一者分離是（λη/4)的奇數整數倍，及 c) 活化該發光區域，使得該發光區域發射輻射波長； -2- 本紙張尺度適用中國國家標準(^3) Α4規格(210 X 297公釐) 58497^

   9. 如申請專利範圍第8項之方法，其中在該至少一補償群 每一者中的該至少該一隆起表面的總面積與該至少一凹 處表面的總面積是實質相等。 10. 如申請專利範圍第8項之方法，其中該至少該一補償群 包含單一補償群。 11·如申請專利範圍第丨〇項之方法，其中該至少一隆起平面 是位在實質該相同平面。 12·如申請專利範圍第1 〇項之方法，其中該至少一凹處平面 是位在實質該相同平面。 13. 如申請專利範圍第1 〇項之方法，其中該至少一隆起區域 的該至少一表面是金屬。 14. 如申請專利範圍第1 〇項之方法，其中該至少一凹處區域 的該至少一表面是金屬。 15. 如申請專利範圍第8項之方法，其係用於產生依製造物 件之輕射。 -3- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐)