1238546 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種發光二極體（Light Emitting Diode ; LED) ’特別是指一種具有光子晶體（ph〇t〇nic 5 Crystal)的發光二極體及其裝置。 【先前技術】 在通訊及資訊科技業的蓬勃發展之下，針對通訊及資 訊領域的相關產品隨之因應而生，並於近年來趨向普及 化。因此，大型及小型顯示器如：液晶顯示螢幕及個人行 〇 動產品等等，也因應科技的進步而形成一廣大的消費市 場。近年來由於半導體磊晶技術不斷地精進，使得半導體 固態光源（solid state light source):發光二極體的發 光亮度逐漸地提高。因此，現已被廣泛應用於顯示器背光 模組及通訊等消費市場，未來，更被視為可取代一般照明 5 市場的生力軍。然而，雖然現今的發光二極體可達到高内 部ΐ子效率（quantum efficiency)，但由於半導體材質通 书具南"電係數’所以在發光層（active iayer)所產生的 光’文到全反射（total internal ref lection)的限制無 法耦合（couple)到外部環境，使得發光二極體的光源外出 ) Λ 效率（extraction efficiency)通常在 30% 以下。 過去針對低光源外出效率的解決方法中，大部分著重 於幾何結構的設計上，以降低全反射的效應。例如··在發 光二極體的出光部利用呈半球狀的透明樹脂層加以封 裝’使發光二極體產生的光源可透過呈半球狀之幾何設計 1238546 的樹脂層以提高光源外出效率，但是，仍無法完全解決由 於全反射所造成之光源外出效率的損失。另外的解決方 法，如在發光元件的表面形成一抗反射面 (anti - ref lection surface)以增加正向光的透出，但仍 無法解決大角度光低透出的問題。 參閱圖1 ’美國專利第5, 955, 749號（以下簡稱習知一） 揭露出一種利用週期介電結構之發光裝置（Light Emitting Device Utilizing a periodic dielectric structure)l，包含：一由一高介電材料所製成的矩形 (rectangular)介電板體11，且該介電板體u於内部設有 可發射出一具有一預定波長（即預定頻率）的光源之點偶 極輻射源（point dipole radiation source)。 該介電板體11上形成有複數呈一二維之週期性排列 的圓柱狀通道111，該等通道111相配合可界定出複數呈 正三角形（triangular)的晶格單元（lattice unit)U2， 並由5亥”電板體π及该等晶格單元Η?界定出一二維光 子晶體。在該習知一中的介電板體n是一由一 N型摻雜 (n-doped)層、一發光層（可發射出該預定頻率的光源）及 一 P型摻雜（p-doped)層所構成的磊晶（如丨4”）體，並由 邊蟲晶體界定出上面所提及的點偶極輻射源。其中，該習 知一所使用的磊晶體為具有高表面結合率（surface recombination rate)的砷化鎵（以下簡稱GaAs)之半導體 材料。 依據該習知一，利用該二維光子晶體可改變該光源在 1238546 該磊晶體内的傳播行為。該光源的傳播行為可由該光子晶 體在一最小布里淵區（irreducible Bril lion zone)之光 帶結構（photonic band structure)圖來描述（參閱圖2)。 圖2中的光帶結構包含兩部分：一為在光速線（light iine) 5 以内的波導區Quided region)，另一為在光速線以上的 輻射區（radiative region ;如圖2中的陰影區域所 示）12。當該光源之預定頻率耦合到該波導區中的波導模 (guided mode)時，該光源便在該磊晶體内傳播，如同上 述之全反射般，無法由該發光裝置1内部穿透至外界。當 1〇 該光源的預定頻率耦合到該輻射區12時，該光源便可由 該發光裝置1的内部穿透至外界，以增加該發光裝置1的 光源外出效率。 該習知一所揭露的光子晶體為一在空間上對z軸對稱 的週期層狀之介電結構，其光帶結構圖在波導區中具有一 15 對似TE(TE-like)模的光帶隙（由圖2中的實心黑色圓點界 定出似TE模的光帶隙）。當該光源之偏極化（p〇larizati〇n) 方向為TE時’且該光源的預定頻率位於該光帶隙中，該 光源便無法在该發光裝置1内傳播，故能增加該發光裝置 1的光源外出效率。然而，該習知一之光帶結構圖無一明 20 顯的全光帶隙（即具一對似TE模和似TM模共同之光帶 隙）’所以當該光源無偏極化方向時，則部份光源仍可在 該發光裝置1内傳播。 該習知一所使用的GaAs磊晶體由於表面處的陷井密 度（trapped density)大於本體處，因此表面過量少數載 6 1238546 子（excess carrier)的生命週期低於本體内部對應生命週 期，並於接近表面處形成一過量載子濃度梯度，所以過量 載子會由本體處擴散到表面結合。當電子電洞對是經由能 隙中的介電子狀態（intermediate electric state)結合 5 時，則結合能量會以熱取代光子的形式發射，由此便降低 該發光裝置1的發光效率。 美國專利早期公開案US2003/0141507 A1 (以下簡稱習 知二）中所提及的一種使用光子晶體結構之發光二極體 (LED Efficiency Using Photonic Crystal Structure)， 10 揭露一具光子晶體結構之發光二極體及其製作方法。該習 知二的發光二極體是選用一低表面結合率的介電材質（如 氮化鎵；GaN)作為磊晶材料，使得利用光子晶體之發光二 極體更具實施性。 另外，利用發光二極體所產生的光源之頻率或波長， 15 耦合到光子晶體光帶結構圖中的漏模帶（leaky band)，以 增加二極體發光之光源外出效率，可見於近幾年的文獻， 如 M. Boroditsky et al.之 ’’Light extraction from optically pumped 1ight-emitting diode by thin-slab photonic crystals, 99 Applied Physics Letters, Vol. 75, 20 No. 8 (1999)。而利用光子晶體之光帶隙或漏模帶於發光 裝置的比較，則可見於 M. Zelsmann et al. 之’’Seventy-fold enhancement of light extraction from a defectless photonic crystal made on si 1 icon-on-insulator，’’ Applied Physics Letters, ίο 15 2〇 板 1238546 V〇U3, Νο·13 (2_。以上所提到的前案專利及參考文 獻，在此併入本案作為參考資料。 綜觀而言，如何避免發光二極體所使用的材料產生高 表面結合率的問題，並湘光子晶體阻止發光二極體產^ 的光源在内部傳播以增加發光二極體的光源外出效率，是 當前開發在發光二極體上使用光子晶體的相關業= 克服的一大難題。 【發明内容】 因此，本發明之目的，即在提供一種具有光子晶體的 發光二極體。 本發明之另一目的，即在提供一種具有光子晶體的發 光二極體裝置。 本發明之具有光子晶體的發光二極體，包含·· 一基 呈層狀的發光晶體及一第一金屬反射層。 、㈣光晶體可發射出一具有一預定波長範圍之光 源，並具有—連接於該基板的出光部，及—遠離該出光部 的背光部。㈣光晶體自該背光部向相反於該出光部的方 向凸出有複數相間隔設置的凸柱。每一凸柱具有—靠近該 出光部的第-基壁、-相對該第_基壁遠離該出光部的第 一基壁，及一連接該第一及第二基壁的圍壁，且每一相 凸柱的第一基壁是相互連接。藉該等凸柱界定出複數通 道’以使該發光晶體藉該等凸枝界定出_面晶格（ρ1_Γ lattice)。 該第一金屬反射層形成在該等第一基壁及圍壁上，並 1238546 \第金屬反射層界定出複數反射金屬袼（metal grid)。 其中’㈣光晶體藉該面晶格及該等反射金屬格界定 一具一二維週期性結構的光子晶體。 人另外，本發明之具有光子晶體的發光二極體裝置，包 含：一發光二極體及一散熱元件。 ίο 15 該發光二極體具有一基板、一呈層狀的發光晶體及一 μ一金屬反射層。該發光晶體可發射出—具有—預定波長 乾圍之光源，並具有一連接於該基板的出光部，及一遠離 該出光部的背光部。該發光晶體自該背光部向相反於該出 光部的方向凸出有複數相間隔設置的凸柱。每一凸柱具有 -靠近該出光部的第一基壁、一相對該第一基壁遠離該出 光部的第二基壁，及一連接該第一及第二基壁的圍壁，且 每一相鄰凸柱的第-基壁是相互連接。藉該等凸柱界定出 複數通道，以使該發光晶體藉該等凸柱界定出一面晶格。 該第一金屬反射層是形成在該等第一基壁及圍壁上，並藉 該第一金屬反射層界定出複數反射金屬格。 該散熱元件是與該發光晶體之背光部連接。 其中’該發光晶體藉該面晶格及該等反射金屬格界定 出一具一二維週期性結構的光子晶體。 本發明之功效在於··第一、該光子晶體之光帶結構 (photonic band structure)受該金屬反射層強散射 (strong scattering)的影響，形成一全光帶隙（c〇mplete photonic bandgap)及一扁平的漏模帶（flat leaky 20 1238546 band)，利用該全光帶隙或是該光帶結構中的漏模帶，可 大幅提尚發光二極體的光源外出效率；第二、利用半導體 製程中覆晶（fl ip-chip)的封裝方式來封裝發光二極體， 可提供散熱性佳的特點。 【實施方式】 有關本發明之前述及其他技術内容、特點與功效，在 以下配合參考圖式之三個較佳實施例的詳細說明中，將可 清楚的明白。 在本發明被詳細描述之前，要注意的是，在以下的說 明中，類似的元件是以相同的編號來表示。 由本發明之具有光子晶體的發光二極體可利用覆晶 製程形成一具有光子晶體的發光二極體裝置，參閱圖3及 圖4,本發明之具有光子晶體的發光二極體裝置之一第一 較佳實施例，包含：一發光二極體2、一散熱元件3、兩 焊墊（bonding pad)4 及兩焊塊（s〇ider bump)7。 該發光二極體2具有一呈透明的基板21、一呈層狀的 發光晶體5、一第一金屬反射層61及複數第二金屬反射層 62。該發光晶體5可發射出一具有一預定波長範圍（預定 頻率範圍）之光源’並具有一連接於該基板21的出光部 51，及一遠離該出光部51的背光部52。適用於本發明之 該基板21是使用一選自於下列群組中的磊晶基板：藍寶 石（sapphire)、氧化鋅（ZnO)及氮化鎵。在該第一較佳實 施例中’該基板21是使用一藍寶石磊晶基板。 該發光晶體5自該背光部52向相反於該出光部51的 10 1238546 方向凸出有複數相間隔設置的凸柱524。每一凸柱524具 有一靠近該出光部51的第一基壁521、一相對該第一基壁 521遠離該出光部51的第二基壁522，及一連接該第一及 第一基壁521、522的圍壁523，且每一相鄰凸柱524的第 一基壁521是相互連接。藉該等凸柱524界定出複數通道 525，以使該發光晶體5藉該等凸柱524界定出一面晶格 (如圖4所示）。 該第一金屬反射層61是形成在該等第一基壁521及 圍壁523上，並由該第一金屬反射層61界定出複數反射 、屬彳η 玄發光Β曰體5藉该面晶格及該等反射金屬格界定 出一具一二維週期性結構的光子晶體。該等第二金屬反射 層62是分別形成於該等第二基壁522上，藉該第一及該 等第二金屬反射層61、62共同界定出一連續金屬反射層 63並使5亥發光晶體5藉該面晶袼、該等反射金屬格及該 等第二金屬反射層62界定出一具一三維結構的光子晶 體。適用於本發明之該等金屬反射層61、β2是使用一選 自於下列群組中的金屬材料：銀、金、鋁、鎳、鈦、鉻及 此等之一組合。在該第一較佳實施例中，該等金屬反射層 61、62是使用銀之金屬材料。 该發光晶體5由該基板21向遠離該基板21的方向更 具有一連接於該基板21的第一型半導體層53(ν型摻雜半 導體層；N-doped semiconductor layer)、一局部覆蓋該 第一型半導體層53的發光層55、及一覆蓋該發光層55的 第二型半導體層56(p型摻雜半導體層；P-doped 1238546 semlconductor layer)。適用於本發明之該發光晶體卜 疋使用一 ΠΙ-ν族半導體材料。較佳地，該羾-V族半導體 材料，是摻雜有至少一 ΠΒ族元素的氮化物（nitride)。在 該第一較佳實施例中，該摻雜有至少一族元素的氮化 5 物是氮化鋁銦鎵（AMuyGazN;且〇sx，y，d)，且每一凸柱 524是具有部分該第二型半導體層56。 本發明中的該面晶格之每一凸柱524,是一選自於下 列群組中的晶元··正四邊形（square)晶元、圓形（circular) 曰曰元及正/、邊形（hexagonal)晶元。在該第一較佳實施例 10 中，每一凸柱524是一正四邊形晶元524,（如圖4所示）。 本發明申的該面晶格是一選自於下列群組中的面晶格··正 四邊形面晶格、正六邊形面晶格及蜂巢狀（h〇neyc〇mb)面 晶格。在該第一較佳實施例中，該面晶格是一正四邊形面 晶格。藉兩相鄰凸柱524的中心距離界定出該面晶格的一 15 晶格間距（lattice spacing)a，且該發光晶體5具有一預 定厚度，每一凸柱524具有一預定尺寸及一預定高度。在 該第一較佳實施例中，該預定厚度為〇.5a，該預定尺寸為 0.5a(意即正四邊形晶元的邊長為〇5a)，該預定高产為 0· 3a 〇 20 透過位在該背光部52上一具有該面晶袼之幾何圖案 (pattern)的光阻罩（photo resistant mask;圖未示）， 以乾蝕刻（dry etching)或是濕蝕刻（wet etching)的方式 蝕刻至該發光晶體5中，可以在該發光晶體5之背光部52 上形成面所提及的面晶格。而該光阻罩上的幾何圖宰了 12 1238546 由電子束姓刻（electron beam lithography)、雷射干涉 餘刻（laser interference lithography)或是奈米壓印I虫 刻（nano-imprint lithography)等技術所形成。 該等焊墊4是分別設置在該第一型半導體層53及該 第二型半導體層56上，且設置在該第二型半導體層56的 焊墊4是與該連續金屬反射層63電性連接。 該散熱元件3是具有一材質為矽（Si)的散熱塊31及 兩連接於該散熱塊31的導線32。該散熱元件3是藉由該 等焊塊7連接於該發光晶體5之背光部52。適用於本發明 的母一導線3 2是使用一選自於下列群組中的金屬導體材 料：鋁、金、銅及此等之一組合。在該第一較佳實施例中， 每一導線32是使用鋁之金屬導體材料。 上面所提及的光子晶體之幾何結構，可由晶格向量 (lattice vector)、晶元大小（atom size)、晶元形狀（at〇m shape)與蝕刻深度（etching depth)等結構參數來決定。 利用調整該等結構參數，可使該預定頻率範圍位於在該光 子晶體之光帶結構圖中一特定範圍内。在該第一較佳實施 例中，該光子晶體由於受到該連續金屬反射層63強散射 效應的影響，其光帶結構圖將在波導區形成一全光帶隙。 利用凋整忒光子晶體之結構參數，使本發明之發光二極體 的預定頻率範圍位於該全光帶隙之中，因此可大幅增加該 發光一·極體2的光源外出效率。 芩閱圖5，顯示出該呈三維結構的光子晶體在最小布 里淵區位於波導區的波導帶（guided bands)。其中，直斜 13 1238546 線表示由該發光層55 I出之光源在該基板21的光速線 ⑴咖Une)。圖5中的陰影區表示該光子晶體位於頻率 範圍介於0.35c/a與〇.38c/a(而c為光速）間的全光帶隙 區，其光帶隙大小（bandgapsize)約為8%。此外，由於該 光子晶體在空間中對z軸之幾何結構為非對稱，故在圖5 中顯示出-G.12c/a的截止頻率（cut_Qff㈣刪cy)。 當該光源的預定波長範圍為47〇ηπ]且半高寬為2〇nm，該光 子晶體的晶格間距a可被定義為17〇nm。如此一來，該全 光帶隙便落於447nm與486nm之間（意即頻率 〇,.38(C/a)s 〇.35(e/a)之間），足以使該光源無法在該發 光晶體5内傳播，因而大幅增加該發光二極體2的光源外 出效率。 在該第一較佳實施例中，該光子晶體由於受到該連續 金屬反射層63強散射效應的影響，其光帶結構圖將在輻 射區形成一扁平漏模帶。利用調整該光子晶體之結構參 數，使本發明之發光二極體的預定波長範圍位於該騎^ 模帶之中’可大幅增加該發光二極體2的光源外出效率。 士參閱圖6，為上述之光子晶體在Γ到μ方向的漏模帶 ~構圖其中，直斜線表示由該發光層55發出之光源在 5亥基板21的光速線。當該光源的預定波長範圍為470nm 且半咼寬為20nm時，該光子晶體的晶格間距a可被定義 為296nm，使圖6陰影區内的扁平漏模帶落於455咖與 485ηΠ1之間（意即頻率介於0.65(c/a)至〇.61(c/a)之間）。 如此來，利用該光源耦合至該陰影區内之扁平漏模帶， 1238546 可大幅增加該發光二極體2的光源外出效率。 參閱圖7,本發明之具有光子晶體的發光二極體裝置 之一第二較佳實施例，大致上是與該第—較佳實施例相 同，其不同處在該三維光子晶體的細部結構，且該發光二 極體裝置更包含複數分別介於該等第—基壁521及該第一 金屬反射層61之間的低介電材料體57。 每一凸柱524是具有該第二型半導體層56、該發光層 55及部分該第一型半導體層53。每一低介電材料體”是 自孩等第一基壁521形成至部分該第二型半導體層％。 多閱圖7本赉明之具有光子晶體的發光二極體裝置 之一第三較佳實施例，大致上是與該第二較佳實施例相 门/、不同處在於，该發光二極體裝置更包含一取代該等 低介電材料體57的氧化層58。該氧化層58是介於該等圍 壁523、第一基壁521及第一金屬反射層61之間。每一凸 柱524疋具有该第二型半導體層56、該發光層55及部分 該第一型半導體層53。 前面所提及的第二及第三較佳實施例，主要是針對該 等凸柱524之預定高度對該光子晶體的結構做修正。雖然 在每一較佳實施例中，其凸柱524的預定高度為（K3a，但 疋當該第二及第三較佳實施例中的每一凸柱524是具有該 第二型半導體層56、該發光層55及部分該第一型半導體 層53時（意即，蝕刻深度是到達該第一型半導體層53 時），則需另外再增加該等低介電材料體57，或以該氧化 層58取代該等低介電材料體57以防止漏電流（current 15 1238546 leakage)等情形產生。然而，在相同的光源頻率下，光子 晶體的晶格常數a值、全光帶隙的預定頻率範圍及漏模帶 的預定頻率範圍是隨著不同的介電材料（如前面所提及的 低介電材料體57及氧化層58)而有些微的修正（shift)。 因此，在該第二及第三較佳實施例中，其晶格常數a及光 帶結構中的頻率範圍等數值，是些微地不同於該第一較佳 實施例中的數值。 由上述該等較佳實施例之說明，可得到以下幾個结 果： 、口 一、 該發光二極體2可利用該全光帶隙或是該光帶結 構中的漏模帶，大幅提高該發光二極體2的光源外出效率。 二、 利用半導體製程中覆晶的封裝方式來封裝發光二 極體，可提供散熱性佳的特點，並可避免該該發光二極體 2因該等焊塾4的遮光效應，而影響該發光二極體2的發 光效率。 本發明之具有光子晶體的發光二極體及其裝置具有 提高發光二極體之光源外出效率、散熱性佳、且不會因焊 塊之遮光效應而影響該發光二極體之發光效率等特:，確 實達到本發明之目的。 惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不 能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利 範圍及發明說明書内容所作之簡單的等效變化與修斜，皆 應仍屬本發明專利涵蓋之範圍内。 【圓式簡單說明】 16 1238546 圖1是一立體示意圖’說明一種習知利用週期介電名士 構之發光裝置； 圖2是該圖1之發光裝置的光帶結構圖； 圖3是一側視剖面示意圖，說明本發明具有光子晶體 的發光二極體裝置的一第一較佳實施例； 圖4是一俯視示意圖，說明一正方形面晶格之幾何結 構； 、口 圖5是一光帶結構圖，說明該第一較佳實施例之一光 子晶體的全方位光帶隙結構； 圖6 —光帶結構圖，說明該第一較佳實施例之光子晶 體在Γ到Μ方向的漏模帶結構圖； 圖7是一側視剖面示意圖，說明本發明具有光子晶體 的發光二極體裝置的一第二較佳實施例；及 圖8疋一側視剖面示意圖，說明本發明具有光子晶體 的發光二極體裝置的一第三較佳實施例。 17 1238546 【圖式之主要元件代表符號簡單說明】 2 發光二極體 524 凸柱 1 基板 524， 正四邊形晶兀 3 …散熱元件 525 通道 31 散熱塊 53 第一型半導體層 32 導線 55 發光層 4… ……焊墊 5 6… 第二型半導體層 5 發光晶體 57 低介電材料體 51 出光部 乳化層 52…… …"背光部 61…… …第一金屬反射層 521 ……第一^基壁 62 第二金屬反射層 522 第二基壁 ·；· …連續金屬反射層 523 <圍壁 7. …焊塊 18