TWI271883B - Light-emitting devices with high extraction efficiency - Google Patents

Description

1271883 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 • 本發明係關於一種發光裝置，例如發光二極體（LED)、 、 諧振腔LED以及平面型LED(例如有機發光二極體 (OLED))。特別是，本發明係關於一種半導體發光裝置， 其光控制部分係至少由一光穿隧層所構成。 【先前技術】 一個電激發光（EL)發光裝置基本上包括一發光部份，其 實質上包含一發光層以及包覆層，該發光部份具有可自靠 ® 近紫外光至紅外光頻譜操作之材料。該等材料包含第III-V 族，第II-VI族半導體，半導體聚合物及特別的二元、三元 及四元合金材料（例如第III族氮化物，第III族磷化物及第 III族砷化物），例如 GaN，AlGaN，AlInGaN，AlGalnP， GaAlP，GaAsP，GaAs及AlGaAs。半導體磊晶層部份，包 括由至少一η型層以及一 p型層形成之一發光層，係形成於 一半導體或玻璃基板上。當其上施加一電場時，由陽極注 φ 入之電洞以及由陰極注入之電子在該發光層重新結合並產 生光子。被廣泛採用的一例示性組態為該發光層係由包覆 層所包爽，基板包括一部份之蠢晶緩衝層、一基板以及一 " 底部反射層。一電流擴散/分佈層形成於該蠢晶層的表面 、 上，因此電流可以有效率地注入該發光層。一保護層係形 成於整個裝置表面上。一接觸電極部份形成於該表面上。 一底部反射層提供一高熱能耗散及高反射功能並設計為具 有一低熱阻以允許高電流密度操作。 102677-941107.doc !271883 基本上，對於上述之發光裝置，可知電激發光（EL)裝置 發出光子，其係由一發光層所產生並自該發光裝置脫離進 入周圍介質。考慮該裝置及周圍介質之折射率之差異，該 裝置/周遭（周圍）介質存在相當小之全内反射臨界角造成發 光層所發出之大部份光子被反射回該裝置内，加上該發光 層中之反射光再吸收現象造成外部量子效率實質小於其内 部量子效率，也就是所謂的臨界角損失。因此，汲取效率 或外部量子效率係定義為光逃逸出該裝置或逃逸出該裝置 進入周圍之效率。 因為形成裝置之半傳導發光材料之折射率大於周圍介質 材料（典型地係為用於包裝或封裝該裝置之環氧樹脂或空 氣）之折射率，所以在發光裝置與周圍介質之間之介面的 王反射6¾界角之大小係由下列公式決定： 全反射臨界角係視折射率不匹配之比例而定。％及〜係分別 為入射及折射介質之折射率。只有以小於該臨界角之入射 光可被傳播穿透該介面。換言之，存在一發射光束之逃逸 錐體，其具有等於臨界角之頂角，如圖丨所示。假設發光裝 置的非偏極發光具有等向角分佈及包括夫瑞奈（Fresnel)反射 損失，穿透過介面傳播光能量相對於到達該介面之光之比 例係由下列公式決定： 叶十(叫/2上Co〗紙)， 102677-941107.doc 1271883 因此，由於全内反射（TIR)所造成之損失隨著該裝置内 之折射率與該裝置外之介質折射率之差異快速地增加。特 別是，對於一立方體型發光裝置，其具有六個此種介面或 逃逸錐體’其損失應為六倍。因此發生總光沒取效率受全 反射影響嚴重惡化。 例如，如果GaAs、GaN、藍寶石、氧化銦錫（IT〇)及玻 璃係為用於裝置光射出表面之典型材料，其折射率分別為 3.4、2.4、1.8、2.25及1.5，逃逸至外部空氣之效率將是 2.2% ’ 4.3%，8.7%，5.2%及11%。所以使得大部份由發光 層所產生之光被困在該裝置内。介面折射率差異太大係為 在電激發光發光裝置所遭遇之主要問題。由於由該發光層 所產生之光其光學特徵係為具有等向角分佈光源之非偏極 發光，光子可經由所有暴露表面逃逸出該裝置。因此，電 激發光裝置之一般封裝設計概念係重新導向逃逸光線進入 所欲輸出方向並進入該逃逸錐體以達到增加汲取效率之目 的。 習知技藝已揭示許多方法以增加汲取效率，該等方法可 分為四方面：（I)增加發光率；（π)降低該裝置中之吸收損 失，（III)增加逃逸錐體數目及錐體角度；及（IV)增加進入 逃逸錐體的機率。由於發光裝置内之接觸電極、發光層或 基板的光吸收特性，因此裝置之發光及光吸收特性受到磊 晶層堆疊結構影響。 美國專利公告號第US 20040211969號申請案揭示使用具 有一結構之一光汲取層，其中折射率在厚度變化方向朝向 102677-941107.doc 1271883 忒光射出表面逐漸減少，結果，該逃逸錐體頂角沿著所發 光之傳輸之方向單向延伸擴大，使得内反射漸漸地消 除。另一方面，美國專利公告號第Us 2005062399號申請 案揭不在該電極層之上，一光控制層具有一結構位於該基 板與電極之間，其折射率朝向發光裝置之發光層漸漸增 加’该基板具有低於該光控制層之折射率之折射率，其中 自該發光層之一點光源發出之一球面波可被轉換成平面波 形’藉此在該基板和周圍介質之間介面之全内反射被減 > 少。兩方法均密切地根據所使用的材料成分組成及複雜的 光本夕層膜製程’因此很難在大量生產中有效地控制其成 本與其光學特性。 然而，根據先前技藝，當入射光之全内反射在兩介質 (其中第二介質，即光穿隧層之折射率小於第一介質，即 蠢晶層之折射率）之間介面發生時，如果第二介質之厚度 接近或小於入射光之波長時，隨著第二介質之厚度朝零減 少時，部份入射光會被耦合進入具有 •折射率較第二介質之折射率為大之第三介質，此一現象即 為眾所周知的光穿隨（optical tunneling)現象。此一光穿隨 現象稱為如諸多研究論文中所描述之受抑全内反射（ftir， Frustrated Total Internal Reflection)。兩介質之間介面發生 光穿隧現象之必要條件係為如下··（1)光穿隧層之折射率低 於入射介質之折射率；（2)光穿隨層之厚度遠小於入射光之 波長。因此’在LED蠢晶層及周圍介質之間，除加一層光 穿隧層外，並可增加一光汲取層，其折射率大於該光穿隨 102677-941107.doc 1271883 層之折射率以形成受抑全内反射。 此外，在受抑全内反射（FTIR)中，逝溢波之強度可以藉 由如 Nesnidal 及 Walker 所發表之"Multilayer dielectric structure for enhancement of evanescent waves”（卷 35，第 13號，第2226頁，1996年，Applied Optics)中所描述之多 層堆疊介電質材料結構而增加。該多層堆疊結構係藉由鍍 上一層光學薄膜以增加逝溢波之強度。 另外，Li Li所公開的一篇 ’’The Design Of Optical Thin ^ Film Coatings With Total And Frustrated Total Internal Reflection”（第 24至 30 頁，2003 年 9 月，Optics & Photonics News)中顯示在大於光全反射臨界角時可製作出一寬頻廣 角、高消光比、偏極化分光鏡（high extinction ratio polarizing beam splitter)。換言之，對於大於臨界角之入 射角之非偏極光，TM偏極光（p偏光）將被反射，而非傳播 穿透全内反射介面，因此只有TE偏極光（s偏光）透過該全 内反射介面傳播。因此，存在藉由裝置及周圍介質介面使 修 用受抑全内反射效應以產生製造一偏極發光裝置之可能 性。上述偏極發光裝置之偏極光（s或p偏光）至少在下列條 件成立時才能夠過該全内反射介面傳播：（1)當入射角大於 臨界角（全反射角）時；（2)磊晶層與周圍介質之間依序具有 一光穿隧層以及一光汲取層，其中該光穿隧層之折射率低 於該光汲取層之折射率；以及（3)該磊晶層及該光穿隧層之 間另具有一高折射率層，其折射率高於該光穿隧層之折射 率。 102677-941107.doc -10- 1271883 【發明内容】 本發明之一目的係透過光穿隧效應轉換一部份被全内反 射現象困住之光為可傳播輸出之光，藉以改善發光裝置之 ，光汲取效率。特別地，本發明藉由使用一光穿隧層結構形 成一光控制部份以引發發光裝置内部大於全内反射角之入 射光束產生光穿隨效應來增加光汲取效率。 本發明敘述一種用於發光裝置之方法，其中所發之光線 之大部份係以大於該裝置之全内反射臨界角度之角度入射 _ 至發光裝置/周圍介質之介面。這些光線被内反射並在逃 逸出該裝置之前經歷至少一次内反射。此外，在該裝置 内’由於接觸電極和發光層的吸收光很強，大部份光線最 、、s會被吸收’ ¥知技藝常错由布拉格反射鏡或表面粗縫化 而加以改善，換言之，改善汲取效率之實現係藉由增加多 重（次）内反射機制以增加光線逃逸之機率。此方法之優點 應相對於存在於發光裝置結構中之增加的吸收光量所平 衡。因此’減少多重内反射並增加逃逸錐體之臨界角對於 _ 增加沒取效率是很重要的。 逃逸錐體被用於敘述從發光層所發出光線可逃逸至周圍 介質之錐體’該逃逸錐體之頂點係為全反射效應所產生， 換吕之’逃逸錐體頂角為全内反射臨界角所限制。 所使用之關於形成於發光裝置之光射出表面上之術語，， 光穿隧層”，其係用以引起發光裝置之光射出表面之受抑 全内反射現象。對發光裝置所發射光束波長而言，光穿隧 層之折射率係低於發光裝置之出射磊晶層之折射率。 102677-941107.doc -11 - 1271883 根據本發明所使用之關於形成於發光裝置之光控制部份 之第二部份之術語，，光汲取層"，對發光裝置所發射光束波 長而言’該層具有高於發光裝置之光穿隧層之折射率之折 -射率，其係形成於裝置之光穿隧層之上。同時，”光汲取 層π被理解為一發光裝置之一光控制部份，位於光束離開 該裝置經由透明電極層、磊晶層或遠離發光層之基板表面 的另一邊。本發明所稱平面發光裝置其特徵為具有一光控 制部份’其包括具有引發光穿隧特性之光穿隧層及存在於 φ 面向遠離發光層之出射層之一邊之光汲取層，其中由發光 層產生的光束之光穿隧效應在大於全内反射臨界角之角度 可發生以增加光汲取效率。光控制部份包括至少一光穿隧 層。基本上，光控制部份可為一兩層結構以引起受抑全内 反射效應，該兩層結構係由一光穿隧層以及一光汲取層所 組成。光控制部份可以位於發光裝置基板與裝置周圍介質 或發光磊晶層與裝置周圍介質之間。光汲取效率之改善係 依據光控制部份光穿隧效應功能來決定。由具有光穿隧層 • 結構之發光裝置發出之主要發光，當光束較偏斜地入射光 控制部份時可以產生較佳偏極光特性。實際上，一具偏極 發光特性的發光裝置是可以被實現。 本發明之一目的係轉換一部份所被困住之光束為藉由光 穿隧效應所傳播之光束，藉此改良發光裝置所輸出之光量 度。由於受抑全内反射（FTIR)效應，從裝置内部入射於光 射出表面之角度可以變成大於臨界角。改良發光裝置輸出 光束之進一步方法係在發光裝置之一側或側壁提供至少一 102677-941107.doc -12- 1271883 光穿隧層以便進一步增加受困之光束之穿隨效應。此外， 可於裝置之側壁增加一高反射塗層確保被困住之光無法在 側邊離開該裝置，因此增加透過光射出表面之穿隨效應或 • 傳播之機會，並可對汲取效率做出貢獻。 由於發光層及周圍介質性質與結構可影響光束入射於光 射出表面之輸出光束之角分佈，受抑全内反射結構設計應 為使入射於一平面之光束可透過大角度範圍有效地傳播， 也就是說，自具有光穿隧結構層之發光裝置輸出之光束應 • 具有較大之空間頻率。因此，光汲取效率可被避免因發光 1置之磊晶層及周圍介質之介面之光束之全内反射而減 低’藉此造成光沒取效率之改善。 本發明係關於一發光裝置，其組態以使由該發光裝置產 生之光束可自該發光裝置通過該光控制部分之表面發射出 為特色。光控制部分具有兩或多個介電層，光控制部分之 第一部份包括一光穿隧層，其係以一低折射率材料所形 成’該光穿隧層對發光裝置所發光波長之折射率較發光 鲁層、基板或透明電極層之折射率為低，而該透明電極層對 於發光裝置發出之主要發光之波長係為完全透明。一較光 穿隧層之折射率為高之第二（沒取）層係形成於第一（穿隧） 層之頂部上以引起一受抑全内反射（FTIR)，換言之，光穿 隨效應可被操縱在發光裝置之光射出表面及周圍介面中 間。結果’所發出光束之較大百分比可以較大偏斜角入射 於發光裝置/周圍介質介面，如果介面係為平坦的或無粗 化的。這些光線經歷光穿隧效應並將一次通過而逃逸，所 102677-941107.doc -13- 1271883 以不易在裝置内被吸收。換言之，有效逃逸錐角大於傳統 毛光衣置在裝置/周圍介面的逃逸錐角。至於發光裝置之 光拴制部分之厚度係足夠小以使發出之汲取光束可延伸到 車乂王内反射角大的出射方向，換言之，自發光層發出之主 要I光之二間頻率（spatial 可藉由光控制部份之 結構被操作。 另外，光控制部分之結構係組態以使由該發光層所產生 自光控制部分之表面發出之主要發光較一傳統發光裝置更 _ 具有偏極性。此外，這對於製造一偏光發光裝置是特別有 利的，因丨由發光層發出之主要發光可被操作透過光穿隨 效應以大於臨界角之角度入射並以較傳統發光裝置偏極 之發光逃逸出該發光裝置。因此光沒取效率實質地依據發 光裝置之設計結構設計而加以改善。 發光裝置可以是雷射二極體、有機發光二極體 (OLED)聚合體發光二極體（pLED)、平面發光led以及 高亮度發光二極體⑽LED)等。光控制部分堆疊之材料可 •由半導體或有機/無機介電材料所形成，例如m_v族半導 體、光學高分子、二氧化石夕、金屬氧化物、石夕溶凝朦、石夕 及鍺等。 本發明製造光控制部分，愈』_ # 、 剌-刀之氣轾僅使用半導體發光裝置作 為實施例以避免混淆本發明姓 螭+ ¾明之特铽。但本發明之光穿隧光 控制部分亦可用於其他於氺驻罢 ，、他么先裝置，例如有機發光裝置等。 【實施方式】 該等附圖係描述實施本 本發明參考附圖以更詳細敘述 102677-941107.doc -14- 1271883 發明之較佳實施例。然而，本發明以數種實施例例示，但 不應受限於該等實施例。該等實施例係為對熟習該項技藝 人士更完整揭示本發明之保護範圍。 ♦ 根據本發明，發光裝置係指包括至少一可藉由施加外部 電能而發光或產生光之發光層之有機/無機電激發光裝 置。更明確地，折射率係針對發光層發出之主要發光之尖 峰波長。光穿隧層係指一具有較發光裝置之光射出表面層 之折射率為低之折射率之介電層，該層係配置在該發光裝 • 置之光射出表面上，其對於由發光層發出的光束以一大於 臨界角之角度入射光穿隧層位在裝置及周圍介質之間介面 可造成光穿燧效應。 圖1顯示穿透一發光裝置1之單一光控制部分（即光控制 部份10僅具有光穿隧層12)之光線之簡化路徑圖。逃逸錐 體18、一發光層14、一 P型包覆層π及一 N型包覆層15、一 基板16以及一反射層17分別顯示於圖1中，其中光控制部 份10僅具有一光穿隧層12且P型及N型接觸電極並未於圖中 馨顯示。光穿隧層12之入射光線22可以輕易穿透光控制部份 10’因為其入射角小於臨界角81。然而，因為光穿隨效應 的緣故，部份入射光線21可以一大於臨界角的入射角穿透 包覆層13並穿透具有較包覆層13之折射率為低之折射率之 光穿隧層12(即穿透包覆層13以及光穿隧層之間之介面）進 入周圍介質内。光穿隧效應之必要條件係為光穿隨層12的 折射率小於包覆層13之折射率，以及光穿隧層12之厚度遠 小於入射光線21之波長。光穿隨效應會造成一部份光線 102677-941107.doc -15· 1271883 (穿隧光31)穿隧該光穿隧層12而另一部份光線（光線51)被 反射。該穿隧光31穿透該光穿隧層12並被傳播進入周圍介 - 質。向下光線61由反射層17所反射，接著朝該裝置之光射 出表面行進。較佳地，光控制部份10係存在於光射出表面 並包含由光射出表面至反射層17間之側壁也可以提供在逐 漸變窄之傾斜側壁（圖中未顯示），該傾斜側壁可增加由發 . 光層發出之主要發光由該側壁反射進入逃逸錐體之機率， 藉以增加光射出表面之光沒取率。此外，光控制部份1 〇係 提供於至少一光射出表面上。 圖2顯示圖1之發光裝置丨之反射率與光穿隧層厚度之關 係之理論模擬圖形。該發光裝置1具有一二氧化石夕光穿隧 層（折射率1.46)之GaN LED(折射率2.4)，其中發光波長係 為460奈米，在入射角65度時（大於未使用光穿隧層時之 GaN/空氣介面之臨界角），反射率會隨著光穿隧層之厚度 之減少而逐漸下降。 圖3a顯示圖i之發光裝置反射率與入射角之關係之理 •論模擬圖形，該發光裝置1係為具有厚度為20奈米之二氧 化矽光穿隧層（折射率146)2GaN LED(折射率2·4)。圖中 . =示當未使用光穿隧層時（請見圖3a之左半部虛線部份）， ·. ^著入射角之增加，介面反射率會快速增加。然而，當使 用光牙隧層時（請見圖“之右半部），臨界角之限制逐漸被 ,、而；及取效率明顯被增加（換言之，反射率明顯地下 降）。 圖3b顯示圖i之發光裝置r反射率與入射角之關係之理 102677-94ll07.doc -16- 1271883 論模擬圖形，該發光裝置！係為具有厚度為辦米之二氧 化石夕光穿隧層（折射率U6)之GaNLED(折射率叫。圖中 顯示當未使用光穿隨層時（請見圖3b之左半部虛線部份）， 隨著入射角之增加’介面反射率會快速增加。然而，當使 用光穿随層時（請見圖儿之右半部），臨界角之限制逐漸被 移除，而汲取效率明顯被增加（換言之，反射率明顯地下 降）。然而，相較於圖3a可知當入射角較大（例如大於4〇度 時）且光穿隧層厚度較薄時，其反射率較低，而光穿隧層 | 厚度較厚時，其反射率較高。 由圖2、3a及3b可知當光控制部份1〇僅包含光穿隧層12 日守，TE波（p偏光）與TM波（s偏光）之反射率並沒有明顯地區 分，換言之，兩者之反射率非常地接近。 圖4顯示穿透一發光裝置2(例如GaN LED)之光控制部份 1〇堆疊之兩層（即光穿隧層12及光汲取層U)之光線之簡化 路控圖。逃逸錐體18、一發光層14、一 p型包覆層13及一 N 型包覆層15、一基板16以及一反射層丨7均與圖1中所示一 #致。然而，圖4之發光裝置2與圖1所顯示之發光裝置1不同 之處在於該光控制部份10另外包含一光汲取層U，其係形 成於光穿隧層以及周圍介質之間，其中光汲取層丨丨之折射 率大於光穿隧層12之折射率。光穿隧層12之入射光線22可 以輕易穿越’因為其入射角小於臨界角8 1。然而，因為光 穿隧效應的緣故，部份入射光線21可以一大於臨界角的入 射角通過包覆層13並穿透具有較包覆層13之折射率為低之 折射率之光穿隧層12(即穿透包覆層π以及光穿隧層之間 102677-941107.doc -17- Ϊ271883 之介面）進入光汲取層丨！内。光穿隧效應之必要條件係為 光牙隨層12的折射率小於包覆層13之折射率，以及光穿隨 層12之厚度遠小於入射光線21之波長。光穿隧效應會造成 • 一部份光線（即穿隧光）穿透該光穿隧層12並被傳播進入光 沒取層11 ’而另一部份光線（光線51)被反射。該光汲取層 11的厚度係經設計以使大部份之穿隨光（即穿隨光3 1)可穿 透該光汲取層11而被傳播進入周圍介質，只有一部份穿隨 光41被反射回半導體層或光汲取層丨丨。此外，由於光穿隨 • 層12及光汲取層11之間之折射率差異，穿隧光41會被傳播 或在光汲取層11中被多重反射，最後穿隧光41終會有效地 輸出進入周圍介質。上述現象提供了製造用於平面顯示器 應用之側面發光裝置（例如LED背光裝置）之機會。向下光 線61係由一反射層17所反射，接著朝該裝置之光射出表面 行進。只有一小部份光線51會消逝在其無法穿隧或輸出的 方向上。在該特定LED結構中，光穿隧層12的最佳位置可 加以麦化或藉由晶片蠢晶結構、材料及製造方法進一步限 _制來加以製作。實際上，光控制部份1 〇之數量及製作係藉 由晶片結構、複雜度及製造此種結構之所需成本所控制。 這些技術包括光控制部份10之磊晶生長。光穿隧層12及光 汲取層11之塗層或沈積製造方法可以使用浸潰、旋轉塗 膜、自組裝（self-assembly)形成及矽溶凝膠（s〇1-gel)沈積 製权，或傳統薄膜锻層，例如錢鑛、電子搶（E•別η)及化學 蒸Ά沈積（C VD)。此外，裝置之發光層14可使用分子束蠢 晶（ΜΒΕ)、液相蠢晶（LPE)、金屬有機化學汽相沈積 102677-941107.doc -18- 1271883 (MOCVD)、汽相磊晶（vpE)或 、 份10及LED可藉由單一或夕逢^ ^〇 4方式。光控制部 片結構所決定之順序成長製作。 “由所“曰 圖5顯示圖4之發光裝置2之反射率與入射角之關传之理 淪杈擬圖形。所示發光裝 Μ 1 m 係為具有一二氧化矽光穿隧 二 ：、“6)以及由GaN材料(折射率2.4)形成之一光 配置於該光㈣層12上之㈣响折射率Μ)，

nm發光波長假設為46〇 nm。對於以低於臨界角之入 :角入射於裝置及周圍介質之間介面之光線，本實施例之 I置之反射率低於沒有光穿隧層之裝置之反射率(請見圖5 之左半邛虛線部份）。圖中顯示對於偏極光以及 5〇%™偏極光在臨界角後之平均反射率可藉由光穿隨效應 大也被減^，但是當入射角增加到大於60度左右時，其 反射率快速地升高。此外，圖中顯示在一特定入射角範圍 中（、力至55度之間）’ ΤΕ偏極光較ΤΜ偏極光不被反射之 一 ”、、員效應因此，可以根據此一特殊效應製造一偏極發 光裝置’該裝置可藉由選擇發光層發出之主要發光之入射 角之不同範圍以決定穿透該裝置之光射出表面之光線是以 ΤΕ偏極光或是以τΜ偏極光為主。 圖6顯不根據本發明之另一實施例之發光裝置2(例如一 傳統AlInGaN LED)之截面圖。在此實施例中，發光裝置2 包括一光控制部份，其包含在透明電極IT〇層68及電流分 佈Au/Ni合金層69上之一光穿隧層12及一光汲取層u，該 102677-941107.doc -19- 1271883 光牙隨層12具有低於出射層（也就是說，ITO層68)之折射 率之折射率，該光汲取層11具有高於該光穿隧層12之折射 率之折射率。通常用作保護目的的二氧化石夕層可以作為光 • 牙隧層12，只要其厚度足夠薄而可讓逝溢波穿透，也就是 說’其厚度小於自發光層發出之主要發光之波長。該發光 波置2另包括一發光層14(即發光多重量子井）被包夾於一 ρ 型包覆層13(即Ρ型AlInGaN包覆層）以及一Ν型包覆層15(即 N型AlInGaN包覆層）之間，該N型包覆層15係於成長於基 # 板16(即透明藍寶石基板）上之一磊晶緩衝AlInGaN層70之 頂部’一反射層17(例如銀或鋁）被沈積於該基板之另一側 以提供良好熱傳導及光反射率。該發光裝置2與圖4所示之 發光1置2之較明顯差異係在於當製作光控制部份時，可 以用/尤積或磊晶方式以粗糙化光汲取層11之表面結構而產 生散射、衍射/繞射及折射等現象，以額外增加光汲取效 率 〇 圖7顯示根據本發明之另一實施例之發光裝置3之截面 肇圖。该發光裝置3與圖4所示之發光裝置2之差異係在於光 控制部分10另外具有一第三層6〇配置於光汲取層上，其折 射率低於光汲取層丨丨之折射率，以進一步改良該發光裝置 3之光汲取效率。來自發光層14之傳播光束之空間頻率可 藉由光控制部份1〇及材料變化所控制。光穿隧層12與發光 層14之位置距離也可造成改良的發光特徵，其中傳播光束 及穿隧光（從發光層14)自接近垂直方向至大於臨界角的範 圍内入射至光射出表面並穿透到周圍介質中。 102677-941107.doc -20- 1271883 圖8揭示根據本發明之另一實施例之發光裝置4之截面 圖’其利用 Li Li 之，’The Design Of Optical Thin Film

Coatings With Total And Frustrated Total Internal Reflection”所揭示之結構以製作而成一偏極發光裝置，其 中光控制部份ίο可經設計以增加第一次通過（first pass)之 光束汲取量並增加來自發光層14之輸出光進入周圍介質之 偏極化程度。在此實施例中，發光裝置4包括一光控制部 份10以及一發光部份，該光控制部份包含一高折射率層 _ 92、一光穿隧層12以及一光沒取層1丨，該發光部份包含一 基板16、一 N型包覆層15、一發光層14、一 p型包覆層13、 一光偏斜裝置結構（light deflection elements，LDE)90 以及 一光偏斜裝置結構封裝層91。增加一光偏斜裝置結構9〇之 目的係為使發光層發出之光以一更大傾斜角入射於發光裝 置與周圍介質之間的光控制部分1〇，該光偏斜裝置結構9〇 係為一棱鏡陣列層，較佳係為一金字塔形狀陣列層，該光 偏斜裝置結構90係以折射率高於該光偏斜裝置結構封裝層 _ 91材料折射率之材料所形成。為了重新導向在高折射率層 92以及光穿隧層12介面發出之主要發光至一更大入射角， 4主要杳光以一大於臨界角之角度入射於光偏斜裝置結構 封衣層91和光控制部份丨〇之間介面。換言之，對於給定的 發射角分佈而言，相對於光射出表面較大傾斜角之發射光 束之百分比增加。例如，如圖8所示，自發光層14發出之 主要發光95，96被等角棱鏡陣列以較佳3〇至7〇度傾斜角所 折射。如果傾斜角假設為4〇度，接近垂直入射之光線叫皮 102677-941107.doc •21- 1271883 光偏斜裝置結構90所折射並在該光控制部份10以大約40度 照射，同時，以40度角入射之光線96並未被折射而以最多 40度入射角入射該光控制部份1〇。因此，光線96及95均以 一大於臨界角之角度入射於光偏斜裝置結構封裝層91以及 光控制部份1 0之間之介面。換言之，該主要發光之偏極化 程度及發射角分佈可根據所需應用而被調整。 光偏斜裝置結構90可在LED成長製程中被形成且一旦陣 列被形成’光偏斜裝置結構封裝層91可藉由一蠢晶、蒸 參 發、化學汽相沈積、喷濺、旋轉塗膜及浸潰技術被成長或 沈積以在該LED中篏入該光偏斜裝置結構9〇之表面。光偏 斜裝置結構封裝層91可由下列材料製造，例如二氧化石夕、 氮化矽、氮化鋁、氧化鋁、例如SiNx、AIN、SiOx、 Si3N4、A1203、Si02 或 SiNi-χΟχ、二氧化矽氣凝膠（silica aerogel)或光學高分子材料。較佳地，光偏斜裝置結構9〇 之材料可為例如第三族氮化物、第三族磷化物及第三族砷 化物，例如，GaN，AlGaN，AlInGaN，AlGalnP， _ GaAlP’ GaAsP，GaA_A1GaAst)沈積光偏斜裝置結構9〇 之材料較佳厚度係為100 11„1至1〇 um。有兩種方法形成光 偏斜裝置結構90。首先，美國專利US 6,091，085揭示-實 她例，其使用GaN成長於圖案化之二氧化矽層上，方法為 在GaN層之表面上創造二氧化石夕特徵結構圖案以提供g· 磊晶成長突出物於GaN層上。這些特徵⑽突出物具有傾 斜角，其產生使光束在相對於該LED之光射出表面一大傾 斜角度行進以離開該LED光射出表面。第二’美國專利仍 102677-941107.doc -22- 1271883 ，79 1，11 7敘述使用歪斜活性離子姓刻或切割製程以形成 一粗糙歪斜汲取表面，結果，光射出表面層具有一三角錐 截面。因此，光偏斜裝置結構9〇可被形成為一金字塔形狀 ‘ 陣列’其具有較佳為30至40度之傾斜角以控制來自發光層 64之輸出光線。圖9中所顯示之光偏斜裝置結構9〇之形狀 僅為可能形狀之-例子且本發明之範圍並不限於所顯示之 形狀。此外，光偏斜裝置結構9〇層之形狀及尺寸係經選擇 以最佳化所欲之偏極化輸出之光束輸出。 • 圖9顯示圖8之偏極發光裝置4之反射率與入射角之關係 之理論模擬圖形，該發光裝置4係為具有一 GaN材料高折 射率層92(折射率2.4)、一二氧化矽光穿隧層12(折射率 1.46)以及由GaN材料（折射率2·4)形成之一光汲取層丨丨之 GaN LED(折射率2.4)，並以Si〇2作為封裝層材料，其中該 高折射率層92、該光穿隧層12及該光汲取層u之厚度分別 為40 nm ' 40 nn^100 nm，發光波長假設為46〇 nm。圖中 顯不光控制部份1〇如同一偏極化分光器作用以介於4〇至7〇 Φ度之入射角產生一TM偏極光（P偏光）輸出（沒有光穿隧層之 裝置之反射率，請見圖9之左半部虛線部份）。為增加其偏 極化效應，光偏斜裝置結構9〇應具有較光偏斜裝置結構封 裝層91材料之折射率為大之折射率。在光偏斜裝置結構封 裝層91和光偏斜裝置結構90之間之較高折射率差異可准許 光以一較大入射角進入光控制部份i 〇表面。 接觸磊晶層之光控制部份10包括至少一低折射率之光穿 隨層12。該光穿隧層12通常具有小於磊晶層或基板材料之 102677-941107.doc -23- 1271883 折射率之折射率，典型地係為約1·35及2之間。當使用二 氧化石夕氣凝膠時，折射率可以低於上述數字且低到接近 1·〇。高折射率層材料具有大於2()之折射率，典型地係為 、力2.0到3.4之間。使用於光控制部份1〇之材料係經選擇以 化成折射率之差異以最大化入射於光控制部份丨〇之傳播。 光控制部份10係經選擇及配置以通過入射於光射出表面之 光束之光穿隧效應以及發光裝置側壁提供最大輸出光量。 選擇低或南折射率材料係根據光射出表面材料以增加光穿 φ 隧效應。因此，例如為了光穿隧目的，光穿隧層12具有低 於磊晶半導體層、透明電極、半導體基板、玻璃基板及陶 瓷基板之折射率之折射率且可以是氧化物、氮化物、矽之 氮氧化物、氧化鋁、鋰、鈣、鎂之氟化物以及其他包括這 些材料之合金或有摻雜其他材料之成分組成。為了受抑全 内反射之目的，高折射率材料為，例如鈦、铪、錫、銻、 鍅、鈕、錳、硫化鋅之氧化物、第三族氮化物、第三族砷 化物、第三族磷化物以及其他包括這些材料之合金或有摻 # 雜其他材料之成分組成。 在上述所有實施例中，發光裝置均可使用覆晶技術封 裝。 根據本發明上述實施例可知，第一，光控制部份1〇可藉 由沈積具有折射率小於發光裝置出射表面之折射率之光穿 隧層12被用以增加汲取效率，而該光穿隧層12之厚度小於 該主要發光之波長。第二，具有高於光穿隧層12之折射率 之折射率之光汲取層11係覆蓋於該光穿隧層12之頂部，事 102677-941107.doc -24- I27l883 灵上，光控制部份10在發光裝置之光輸出之影響係改變或 增加光束之出射角頻寬（或空間頻率），該出射角頻寬可傳 播能量進入周圍介質。此效應可被視為在該介面逃逸錐角 之改變或增加。換言之，當發光裝置被封裝時且光控制部 分1〇形成被用於該發光裝置之一部份封裝，當逃逸錐角大 於臨界角，藉此對應於出口面之兩側之材料之有效折射率 之一改變。換言之，光穿隧發生於入射角大於該臨界角之 光束。通常，光控制部份10之光穿隧性質係經選擇以使該 % 光控制部份1 〇吸收光所造成之損失遠小於相較於該光控制 部份10之供應之光輸出之增加。 此外，由於光控制部份10之存在，以小於臨界角入射之 直接傳播之光束以及以大於臨界角之入射角入射之穿隨光 束均對光汲取效率做出貢獻。此外，具有光控制部份10之 該裝置之輸出光束具有較沒有光控制部份1〇(具多重光程 路徑）較短之光程路徑，因此反射光吸收較少。此外，輔 助方法（例如表面粗糙化）可被應用於本發明以增加自發光 _ 裝置之光汲取，如圖6所示。折射率之差異將許多入射於 側土之光反射回该裝置可被有效沒取之光射出表面。發光 裝置亦可包括一磷光/螢光材料以使由該發光裝置所產生 通過光控制部分之表面之主要發光與該磷光/螢光材料互 相作用，使得由磷光/螢光層所發出之光係為白光。雖然 本發明係為具有一強化全發光能力之一發光裝置，此解決 方法並不限於有機發光二極體（OLED)以及發光裝置，並 可使用於平面發光光源。 102677-941107.doc -25- 1271883 另外，本發明之光射出表面並不限於發光裝置之最頂部 表面’只要光控制部份配置於所欲之光射出表面上，即可 達到本發明之提高光汲取效率之目的。 本發明之特點及技術内容已充分揭示如上，任何熟習該 項技藝之人可依據本發明之揭示及教示而作各種不背離本 發明精神之替換或修飾，因此本發明之保護範圍不應僅限 於所揭示之實施例，而應涵蓋這些替換及修倚。 【圖式簡單說明】 • 圖1顯示穿透一發光裝置1之單一光控制部分（即光控制 部份10僅具有光穿隧層12)之光線之簡化路徑圖。 圖2顯示圖1之發光裝置1之反射率與光穿隧層厚度之關 係之理論模擬圖形。 圖3 a顯不圖1之發光裝置1之反射率與入射角之關係之理 論模擬圖形，該發光裝置i係為具有厚度為2〇奈米之二氧 化石夕光穿隧層（折射率1.46)之GaN LED(折射率2.4)。 圖3b顯示圖1之發光裝置1之反射率與入射角之關係之理 •論模擬圖形，該發光裝置1係為具有厚度為40奈米之二氧 化石夕光穿隧層（折射率1·46)之GaN LED(折射率2.4)。 圖4顯示穿透一發光裝置2(例如GaN LED)之光控制部份 1〇堆疊之兩層（即光穿隧層12及光汲取層11}之光線之簡化 路徑圖。 圖5顯示圖4之發光裝置2之反射率與入射角之關係之理 論极擬圖形。 圖6顯不根據本發明之另一實施例之發光裝置2之截面 102677-941107.doc 1271883 圖。 圖7顯示根據本發明之另一實施例之發光裝置3之截面 圖。 圖8揭示根據本發明之另一實施例之發光裝置4之截面 圖。 圖9顯示圖8之發光裝置4之反射率與入射角之關係之理 論模擬圖形，該發光裝置4係為具有一 GaN材料高折射率 層92(折射率2·4) ' —二氧化矽光穿隧層12(折射率146)以 及由GaN材料（折射率2.4)形成之一光汲取層u之 LED(折射率2.4)。 【主要元件符號說明】 1 發光裝置 2 發光裝置 3. 發光裝置 4 發光裝置 10 光控制部份 11 光汲取層 12 光穿隧層 13 p型包覆層 14 發光層 15 N型包覆層 16 基板 17 反射層 18 逃逸錐體 102677-941107.doc -27- 0 1271883 21 入射光線 22 入射光線 31 穿隧光 41 光線 51 光線 61 向下光線 60 第三層 68 透明電極ITO層 69 電流散佈Au/Ni合金層 70 磊晶緩衝AlInGaN層 81 臨界角 90 光偏斜裝置結構（LDE) 91 光偏斜裝置結構封裝層 92 高折射率層 95 光線 96 光線 102677-941107.doc 28-

Claims (1)

1271883 十、申請專利範圍： h 一種發光裝置，包括： - 一發光部份，包括·· 一基板，其係為光可穿透的； 卷光層，其係由一p型包覆層以及一N型包覆層所 包夾，並為光可穿透的； 該p型包覆層，其位於該發光層之一側，並為光可 穿透的； % 忒N型包覆層，其位於該發光層之另一側，並為光 可穿透的； P型電極層’其位於該P型包覆層上；以及 一 N型電極層，其位於該N型包覆層上， 其特徵為該發光裝置進一步包括· 一光控制部份，包括：

一光穿隧層，其係配置於該發光裝置之光射出表面 上，並具有對於自該發光層發出之主要發光波長較該 土板該專包覆層及该等電極層之折射率為小之折射 率’且該光穿隧層之厚度小於該主要發光波長。 如請求項1之發光裝置，其中該光控制部份進一步包括 一光汲取層，其係配置於該光穿隧層上，並具有對於該 主要發光波長較該光穿隧層之折射率為大之折射率。 如請求項2之發光裝置，其中該發光部份進一步包括— 光偏斜裝置結構及一光偏斜裝置結構封裝層，以及該光 控制部份進一步包括一高折射率層，該光偏斜裝置結構 102677-941107.doc 1271883 及光偏斜裝置結構封裝層依序配置於該p型包覆層上且 該光偏斜裝置結構之折射率高於該光偏斜裝置結構封裳 層之折射率，該高折射率層係配置於該光穿隧層下並具 有對於該主要發光波長較該光穿隧層之折射率為大之折 射率。 4·如請求項3之發光裝置，其中該光偏斜裝置結構係為— 棱鏡陣列層或一金字塔形狀陣列層。 5。如請求項3之發光裝置，其中該光偏斜裝置結構可使該 主要發光以30至70度所折射。 6·如請求項3之發光裝置，其中構成該光偏斜裝置結構封 裝層之材料係選自由SiNx、AIN、SiOx、Si3N4、Al2〇3、 Si〇2 SiN1-x〇x、一氧化碎氣凝膝及光學高分子材料所 組成之群組。 ?β如請求項3之發光裝置，其中構成該光偏斜裝置結構之 材料係選自由 GaN、AlGaN、AlInGaN、AlGalnP、 GaAlP、GaAsP、GaAs及 AlGaAs所組成之群組。 8.如請求項3之發光裝置，其中該光偏斜裝置結構之厚度 係為 100 run至 10 um。 9·如請求項2之發光裝置，其中該光控制部份進一步包括 一第三層，其係配置於該光汲取層上，並具有對於該主 要發光波長較該光汲取層之折射率為小之折射率。 10 ·如％求項2之發光裝置，其中該光沒取層之頂部表面係 經粗糙化。 11·如請求項10之發光裝置，其中該粗糙化係由沈積方式或 102677-941107.doc 1271883 蠢晶方式處理。 12·如請求項1之發光裝置 面上沈積有一反射層 ，其中相對於該光射 出表面之另 如請求項丨、2或3之發光裝置，其中該發光裝置係選自 由一雷射二極體裝置、有機發光裝置、聚合體發光裝 置、平面發光裝置及高亮度發光裝置所組成之群組。 14.如請求項13之發光裝置，其中該發光裝置係為覆晶封裝 結構。

102677-941107.doc 1271883 七、指定代表圖： (一) 本案指定代表圖為：第（1 )圖。 (二) 本代表圖之元件符號簡单說明： 1 發光裝置 12 光穿隧層 13 P型包覆層 14 發光層 15 N型包覆層 16 基板 17 反射層 18 逃逸錐體 21 入射光線 22 入射光線 31 穿隧光 51 光線 61 向下光線 81 臨界角 八、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式： (無） 102677-941107.doc