1302040 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是關於一種半導體發光元件，比如發光二極體、 半導體雷射等，以及其製造方法。 【先前技術】 為了改善如發光二極體、半導體雷射等半導體發光元件 的壳度，非常重要的是，要能很有效的將發光元件之作用 層所發射出的光線抽取到該元件外面。亦即，有必要儘可 月匕的限制在發光元件表面上的光線反射，以便讓發射光釋 放到元件外面，增加所謂的光線抽取效率。 當作限制發光元件表面上的光線反射並增加光線抽取效 率的方法是，一種限制發光元件表面上總反射的方法。更 特別的是，經元件表面之發射光或元件表面上之總反射光 的比例是取決於元件表面層的折射率與外面（包括一透明 保護層或類似結構）的折射率。隨著表面層折射率與外面折 射率間的差異變小，其臨界角也會變大1臨界角是入射光 對表：層與外面之間界面所夾的角度。假設，表面層的折 射率是nn而外面的折射率是ηΐ2β此時，臨界角Θ是表示成 以下數學表示式1。 (數學表示式1) 從數學表示式！中很明顯的看出，隨著表面層折射率叫 與外面折射率n,2的差異變小，亦即比例nn/ni2越接近〗，臨 界角㊀會變得越大（接近90。的值）。具有比臨界角_大之入 98728.doc 1302040 射角的光線會在界面上發生全反射，因此沒有讓光線釋放 到外面。所以，隨著折射率之間的差異變小，被全反射的 光線比例也會變小，使得更多光線被發射到外面，造成較 高的光線抽取效率。 然而，一般是用砷化鎵或具折射率2至4之類似材料所構 成的表面層來形成發光元件，用折射率約丨·5的樹脂包住。 既然表面層與外面折射率的差異非常大，所以光線抽取效 率很低。因此，已經開發出用以改善光線抽取效率的不同 方法。 其中一種方法是，在表面上形成具凹洞與突紋之光線散 射層的技術，從被抽取出光線的光學窗口層上，如同在未 審查曰本專利申請ΚΟΚΑ公開編號第H1(M63525案（專利文 件1)以及如同在未審查日本專利中請〖⑽公開編號第 Η11-46005案（專利文件2)中所揭露的。藉在表面上形成且凹 洞與突紋的光線散射層，預期，光線散射層表面上之錢 的全反射會被限制住’並且光線會报有效率的發射到該元 件外面。 然而，從可工作性與再現性的_ 日7蜆點來看，這種光線散射 層的形成會有幾個問題。例如，佑媸 、 依據專利文件1中光線散射 層的形成方法，散射顆粒需要均勺 而文7 g政佈。依據專利文件2 中光線散射層的形成方法，空氣氣泡需要均勾的散佈在一 類液態賴巾。然而’要進行具有良好再現性的散佈是相 當的困難’且很難在高良率下皮 卜版4出具咼均一性與所需亮 度的發光元件。 98728.doc 1302040 考慮到用以直接在光學窗口上形虑 缺 y战凹洞與突紋的方法。 :、、、而，δ亥方法也具有可工作性的 π #人 项而且凹洞與突紋的 ，成^對發光元件的電氣特性有不良的影響。 _ = ’傳統上需要―種半導體發光元^藉適當限制住 =表面上光線的反射來達到具有從元件表面上很高的光 、、泉抽取效率’而且可以製造成具 巧民好可工作性與再現 性，以及需要一種製造出該元件的方法。 【發明内容】 由上述情形來看’本發明的目的是要提供—種半導體發 光疋件，該元件具有高度的光線抽取效率，並且可以μ ^具有良好可工作性與再現性，以及提供—種製造出 件的方法。 本發明的另-目的是要提供—種半導體發光元件，其元 件表面上的發射光具有受適#限制的反射，以及提供 製造出該元件的方法。 八々 為了達成上述目的，一種依據本發明第一特點 發光元件包括·· 體 一半導體層（16)，形成一光學窗口； 一第一光線透明層（19)，係在該半導體層（16)上形成· 以及 一第二光線透明層（20)，係在該第一光線透明層 形成。 Μ )上 第一光線透明層（19)的折射率w是在 (/ \ 1 /2 P 1、於 ηΐΧϊΐ3 Χ〇·8}且不大於{(ηιχη3)〗/2χ1·2}的範圍内，其中n 98728.doc 1302040 是半導體層（16)的折射率，而ns是第二光線透明層（2〇)的折 射率。 第一光線透明層（19)的厚度是在不小於{(λ/4η2)χ (2Γη+1Ηλ/8η2)}且不大於{(λ/4η2)χ(2ιη+1)+(λ/8η2)}的範圍 内，其中其中λ表示發射光的波長，而m表示一不小於〇的 正整數。 在具有上述組合的半導體發光元件中，可以藉由堆疊具 不同折射率的數個薄層，來形成第一光線透明層（19)。 第一光線透明層（19)中每個薄層的折射率n2j，是在由相 鄰於半導體層（16)侧邊上每個薄層的薄層折射率n2i，以及 相鄰於第二光線透明層（2〇)側邊上每個薄層的薄層折射率 n2k所定義的範圍内。 此時，第一光線透明層（19)中每個薄層的折射率⑼是在 不小於{(n2ixn2k)i/2x(K8}且不大κ{(η2ίΧη2〇1/2χ1 2}的範圍 内。 較佳情形是，第一光線透明層（19)中每個薄層的厚度是 在不小於{(λ/4η2』）χ(21+1)-(λ/8η2』）}且不大於{(λ/4η2』）χ (21+1)+(λ/8η2』）}的範圍内，其中λ表示發射光的波長，而^ 表示一不小於0的正整數。 在具有上述組合的半導體發光元件中，第二光線透明層 (20)可以是用一保護薄膜來形成。 例如’在具有上述組合的半導體發光元件中，第一光線 透明層（19)是用無機介電質材料做成。此時，能避免第—光 線透明層（19)與半導體層被分離開，而且能得到長時間 98728.doc 1302040 的高可靠度。 為了達到上述目的，依據本發明第二特點的半導體發光 元件包括·· 一半導體層（16)，形成一光學窗口；以及 一第一光線透明層（19)，係在該半導體層（16)上形成。 τ»亥半^體舍光元件疋做成，從半導體層（16)發射出來的 光線會穿過第一光線透明層（19)而被發射到外面大氣中。 第一光線透明層（19)的折射率n2是在不小於 {(ι^χηΟ^χΟ.δ}且不大於{(ηιΧη3)ι/2χ12}的範圍内，其中η】 是半導體層（16)的折射率，而ns是大氣的折射率。 第一光線透明層（19)的厚度是在不小於{(λ/4η2)χ 且不大於{(λ/4η2)χ(2ηι+1)+(λ/8η2)}的範圍 内，其中λ表示發射光的波長，而m表示一不小於〇的正整 數。 依據本發明半導體發光元件，從半導體層（16)發射出來 的光線會穿過第一光線透明層（19)而被發射到外面大氣 中。顯示出光線被發射到大氣之程度的光線抽取效率，可 以基於半導體層（16)的折射率以、第一光線透明層（19)的折 射率h以及第二光線透明層（2〇)的折射率“之間的關係來 獲得改善。 為了達成上述目的，依據本發明第三特點的半導體發光 元件包括： 一半導體層（16)，藉電洞與電子的重組，發射出具波長入 的光線；以及 98728.doc -10- 1302040 一第一光線透明層（19)，係堆疊在該半導體層（16)上。 一第二光線透明層（20)是堆疊在配置有半導體層〇 6)之 相反側邊上的第一光線透明層（19)上。 發光元件是建構成讓從半導體層（16)發射出去的光線， 經由第一光線透明層（19)被導引朝向第二光線透明層 (20) ’並因而導引到外面。 發射部分光線到第一光線透明層（19)的至少一部分半導 體層（16)具有折射率ηι，第一光線透明層（19)的折射率是 n2’而第二光線透明層（20)的折射率是n3。 第一光線透明層（19)的折射率〜是在不小於 {(iMxnjmxO.s}且不大於{(ηιΧη3)ι/2χ1·2}的範圍内。 第一光線透明層（19)的厚度是在不小於{(λ/4η2)χ (2ιΏ+1)-(λ/8η2)}且不大於{(λ/4η2)χ(2ιη+1)+(λ/8η2)}的範圍 内’其中m表示一不小於〇的正整數。 依據本發明半導體發光元件，顯示出光線被發射到大氣 之程度的光線抽取效率，可以基於半導體層（16)的折射率 〜、第一光線透明層（19)的折射率“以及第二光線透明層 (20)的折射率h之間的關係來做改善。 此外，依據本發明的半導體發光元件，不需要應用任何 特殊製程來改善光線抽取效率，便能改善該元件製造過程 中的可工作性與再現性。 在該半導體發光元件中，半導體層⑽包括—用以產生 電子的關載子注入層⑴、12)、一用以產生電洞⑼的p 型載子注人層（14、15)、以及-藉由_载子注人層⑴、⑺ 98728.doc 1302040 注入之電子以及由p型載子注入層（14、15)注入之電洞的重 組作用而產生光線的作用層（13)。 N型載子注入層（u、12)、作用層（13)、p型載子注入層 、15)、以及第一光線透明層（19)是依序堆疊在一起。 可以在包括從作用層（13)開始到N型載子注入層（11、12) 為止之區域内的任何部分上形成一反射薄膜，使得從作用 層（13)發射出來的光線會被該反射薄膜反射回去，因而被導 引到第一光線透明層（19)。 依據本發明的半導體發光元件，從作用層（13)朝N型載子 /主入層（1卜12)所發射出去的光線會在反射薄膜上被反射回 到第一光線透明層（19)。因為如此，所以被導引到第一光線 透明層（19)的光量會增加。 在半導體發光元件中，可以形成一具折射率h的保護薄 膜，當作第二光線透明層（20)用。或者在半導體發光元件 中’第二光線透明層（20)可以是外面空氣，而從半導體層（16) 發射出去的光線會穿過第一光線透明層（19)而發射到外面 空氣。 為了達到上述目的，依據本發明第四特點之半導體發光 元件的製造方法是用以製造出一半導體發光元件，該半導 體發光元件包括一形成光學窗口的半導體層（16)、一在該半 導體層（16)上形成的第一光線透明層〇9)、一在該第一光線 透明層（19)上形成的第二光線透明層（2〇)，並包括藉使用具 折射率112之材料來形成第一光線透明層（19)的步驟，該折射 率 112是在不小於{(ηιχη3)1/2χ0·8}且不大於{(ηιΧη3)ι/2χ1·2} 98728.doc -12- 1302040 的範圍内（其中ηι代表半導體層（16)的折射率，以代表第二 光線透明層（20)的折射率），而且其厚度是在不小於{(λ/4η2) x(2m+lHX/8n2)}且不大於{(λ/4η2)χ(2ηι+1)+(λ/8η2)}的範 圍内）（其中λ表示發射光的波長，m表示一不小於〇的正整 數）。 依據上述的製造方法，可以藉堆疊出複數個具不同折射 率的薄層來形成第一光線透明層（19)。 可以使用具折射率⑽的材料來形成第一光線透明層（19) 的每個薄層，其中折射率n2j是在不小於{(n2iXm)1/2遣^且 不大於{(n^xn^y^xU}的範圍内（其中％代表半導體層（16) 側邊上每個薄層之相鄰薄層的折射率，¥代表第二光線透 明層（20))側邊上每個薄層之相鄰薄層的折射率），而且其厚 度是在*小於似/知一⑺叫⑽叫）}且不大則⑽岣 叩1+1)+(入/8叫）}的範圍内）（其中入表示發射光的波長，味 示一不小於〇的正整數）。 依據本發明，提供一具有高光線抽取 元件’並能製造成具有良好可工作性與再現性=:二 造方法。 〃 ^ 此外依據本發明，提供-半導體發光元件，在該元件表 面上其發射光具有受到適當限制的反射’以及其製造方法。 【實施方式】 將參考圖式來特別解釋依據本發明實施例的半導體發光 凡件。例如，以下將解㈣半導體發光元件來形成發光二 98728.doc -13- 1302040 圖1顯示出依據本發明實施之半導體發光元件1〇的剖示 圖:如圖1所示，依據本發明實施的半導體發光元件1〇包括 一半導體基底16、— N型基板11、— N型輔助層12、一作用 層13 P型辅助層14以及一窗口層15。該半導體發光元件 10係由形成在半導體基底16表面上的陰極17、一陽極 18、-光線透明層19、一形成在其它表面上的保護層 20所形成。 曰 士，1所示，忒半導體發光元件丨〇具有一結構，在該結構 中，陽極18、光線透明層19與保護層2〇被堆疊在半導體基 底16的某一側上。保護層2〇是堆疊在光線透明層19的某一 側上。形成陽極18以便貫穿光線透明層19的中心部分，讓 其一終端表面是在保護層2〇内而且讓另一終端表面接觸到 某側之半導體基底16的終端表面（亦即接觸到窗口層J 5 的終端表面）。 陰極17是堆疊在半導體基底16中與其中一側相反另一的 側邊上。陽極18與陰極17被備製成經由半導體基板16而面φ 對面。 如圖1所示，半導體基底16具有一結構，在該結構中，Ν 型輔助層12是堆疊在Ν型基板丨丨上，作用層13是堆疊在1^型 輔助層12的一側邊上，ρ型輔助層是堆疊在作用層13上，而 窗口層15是堆疊在Ρ型輔助層14上。 在半‘體基底16中，Ν型基板11與ν型輔助層12都是用以 產生Ν型載子（電子）並當作用以注入Ν型載子到作用層13之 Ν型載子注入層的半導體薄層。此外，在半導體基底μ中， 98728.doc -14- 1302040 P型輔助14與窗口層15都是用以產生p型載子（電洞）並當作 用以'主入p型載子到作用層13之p型載子注入層的半導體薄 層。 用砷化鎵（GaAs)或類似材料構成之N型半導體基板來形 成N型基板η。例如，N型基板n具有約ΐχΐ〇%γ3的雜質 /辰度，以及約250 μη^厚度。 在Ν型基板U的表面上形成Ν型輔助層12，而且是用鋁_ 鎵·銦-磷（AlGalnP)或類似材料的半導體層來形成。例如， 藉猫日日成長法來形成1^型辅助層12。例如，該N型辅助層Η 具有約5xl〇17cm·3的雜質濃度，以及約2 μιη的厚度。 作用層13是在Ν型辅助層12上形成，並用A1GaInp或類似 材料的半導體層來形成。例如，作用層13是形成約$ pm 的厚度。作用層13是一發光層，會藉電致發光而發射出光 線。當從二表面注入的載子（電洞與電子）發生重組時，作用 層13會讓光線發射出去。當半導體發光元件1〇經由陽極“ 與陰極17而從外部電源獲得供電時，使得電流流過陽極18 與陰極17之間，讓載子注入到作用層13内。 P型輔助14是在作用層13上形成，並用A1GaInp或類似材 料的半導體層來形成。例如，p型辅助14是藉磊晶成長法來 形成，例如，形成約5xl0i7cm-3的雜質濃度以及約2 μιη的厚 度。 構成Ν型輔助層12或ρ型辅助14之AiGaInP中的A1相對比 例被設定成大於構成作用層13之A1GaInP中的A1相對比 例。藉該設定，能很有效率的將因作用層13中發生載子重 98728.doc -15- 1302040 組而產生之光線發射到作用層13外面。 N型輔助層12與p型輔助14可以分別稱作n型披覆層12與 P型披覆層。 窗口層15是在P型輔助層14上形成，並且是用p型雜質或 類似雜質之鎵-磷（GaP)所做成的半導體層來形成。窗口層 15也稱作電流擴散層。例如，窗口層15是藉磊晶成長法來 形成，並且形成約5xl〇17cm·3的雜質濃度以及約2 的厚 度。該窗口層15形成半導體基底16的其中一表面，而且稍 後將做特別的解釋，並形成一光學窗口，從作用層13發射 出去的光線，會從該光學窗口被抽取到外面。 可以在P型輔助層14與窗口層15之間提供用NS AlGaInp 或類似材料做成的電流阻止層。 在N型基板11上，用金_鍺合金（如而）薄膜 鎳（Ni)、金（Αι〇或類似材料做成之金屬多層薄膜來形成陰極 mN型基板11形成具有上述組合之半導體基底16的其中 一表面。 -般是在窗口層15的中心部分上，用金_鋅合金(A， 土 *鈹鉻口金（Au-Be-Cr)、金（Au)或類似材料做成的金屬 多層薄膜來形成陽極18 ’該窗口層15形成半導體基底㈣ 另-表面。陽極18 一般是在窗口層15的一圓形内，而沒有 ，陽極18覆蓋住的該區域窗口層15會形成用以發射光線的 _ 口區域。 光線透明層19是在沒有被陽極18覆蓋住的該區域窗口層 15上。光線透明層19是用無機介電質材料做成，比如氧化 98728.doc •16- 1302040 鈦（Ti〇x)、氧化辞（Zn0)、氮化矽（SiN)、氧化鍅（心〇)、炉 化辞（ZnS)或對作用層13所發射之光線是透明的類似= 料，並且如以下將說明的，具有預設的折射率與厚度。 保護層20是在光線透明層19上形成。保護層汕是^高度 透明材料做成，比如環氧樹脂或類似材料，並具有保護半 導體基底16免受濕氣或類似侵擾的功能。 在具有上述組合的半導體發光元件1〇中，光線透明層Μ 具有適當限制窗口層15與保護層20間光線反射的功能。利 用光線透明層19的這種功能，從作用層13注入到窗口層15 的發射光線會很有效率的被釋放到該元件外面，實現高光 線抽取效率。以下將特別解釋光線透明層19。 窗口層15與保護層20間的光線透明層19是用的折射率以 的材料做成，而光線透明層的折射率h是在窗口層1 $的折 射率〜與保護層20的折射率…之間。本實例中，光線透明層 19的折射率〜是在窗口層15折射率ηι與保護層別折射率w 的幾何平均值土20%的範圍内，亦即在以下數學表示式2所 表示的範圍内。 (數學表示式2) (πΙχη3)1/2χ〇.8^ n2^ (nixn3)1/2x 1.2 例如，在用GaP(折射率⑴^^⑷形成窗口層15且用環氧樹 月曰（折射率n3=l.5)形成保護層20的情形下，可以選取折射率 不】於 1 ·8 1 (―(ηιΧΠ3) χ〇·8)且不大於 2.71 (=(n〗 xn3)1/2x 1.2) 的材料，比如氧化鈦（折射率2.26)。 設定光線透明層19的厚度T，以便使用光線透明層19的折 98728.doc -17- 1302040 射率ns以及從作用層13發射之光線的波長λ來滿足以下的 數學表示式3。 (數學表不式3) (λ/4η2)χ(2ηι+1)·(λ/8η2)$ TS (λ/4η2)χ(2ιη+1)+(λ/8η2) (其中m表示一不小於〇的正整數） 藉形成折射率h滿足數學表示式2且厚度Τ滿足數學表示 式3的光線透明層19，讓界面上的反射光線因干涉而相互減 弱或相互抵消掉，進而限制住界面上的反射。 較佳情形是，在上述數學表示式3中，i或2。這是 因為如果m不小於3時，厚度T(70 nm)會變大，導致穿過光 線透明層19的光線有很可觀的衰減。 例如特別的是，用氧化鈇做成的光線透明層丨9之厚度τ 疋7〇·5 nm(705A)。從AlGalnP做成之作用層13所發射之光 線的波長λ是560至650 nm。在λ=620 nm且氧化鈦折射率（光 線透明層19的折射率n：2)約為2.2的情形下，光線透明層19 的厚度 T(70 _)是介於 105·67 ηηι(=(λ/4η2)χ(2ιη+1Ηλ/8η2) ，m=〇)與 35.23 _(=(λ/4η2)χ(2ιη+1)+(λ/8η2)，m=〇)之間的 數值。 如上述所解釋的，藉預設折射率助做成預設厚度τ的材料 來形成的光線透明層19，可以適當的限制住保護層2〇發射 鈾之光線會遇到的界面上反射。結果，能很有效的經由光 線透明層19將作用層13射向窗口層15的光線抽取到外面， 以增加所謂的光線抽取效率。 光線透明層19的折射率h被設定成窗口層15與保護層如 的折射率…與113之間的數值，例如折射率⑴與!!3的幾何平均 98728.doc -18 - 1302040 值士2〇%乾圍内的數值，其中光線透明層19被夹在窗口層15 與^蒦層20之間。藉使用具該範圍内折射率^的材料，形 成厚度足夠進行所需干涉效應的光線透明層，能適 限制住薄層間界面上的反射。 田 依據具有這些特性的光線透明層19之組合，不需要形成 具有可工作性、再現性、光線透明層19表面上均一性問題 的凹洞與大紋表面，以便達到從這種凹洞與突紋表面之擴 散反射效應所得到的亮度改善。相反的，較佳的情形是， 光線透明層19的表面比須是本質上的鏡面抛光面，以便高 精確度的控制光線干涉。光線透明層19表面凹洞與突紋的 較佳深度是不大於從作用層13發射出之光線波長入的 1八0(不大於λ/io)。 現在將解釋製造出依據本發明之顯示元件的方法。以下 的實例只是其中-實例，而且如果有任何其它能得到相同 結果的方法可用，則該製造方法並不受限於該實例。 首先，藉磊晶成長法，Ν型辅助層12、作用層13、ρ型輔 助層14與窗口層15亦即該次序堆疊在用_雜質摻雜過之 GaAs做成的Ν型基板11±。可以使用金屬有基化學氣相沉 積（MOC VD)、分子束蟲晶（MBE)、化學束磊晶（cbe)、分子 層磊晶（MLE)等方法來當作磊晶成長法。 在使用減壓MOCVD的情形下，可以用以下所提的方式形 成薄層。藉摻雜N型雜質到GaAs内來形成]^型基板u。使用 MOCVD，依序在N型基板UJl，藉氣相磊晶法形成n型辅 助層12、作用層13、p型輔助層與窗口層15。 98728.doc -19· 1302040 特別的是，首先使用如TMA(三甲基鋁）、TEG(三乙基 鎵）、TMIn(三甲基銦）、PH3(磷化氫）當作材料氣體，形成具 (AlxGahJylm-yPCOJ S 1)組成的N型輔助層12。例如，可 以使用當作N型摻雜氣體的SiHU(單矽烷）、Si2H6(二砍院）、 DEZn(二乙基石西）、DETe(二乙基碲）或類似材料。 依序使用相同的材料氣體’形成作用層13，該作用層13 是由例如（AlxGahym-yPCOJSxSl)所構成，其中鋁的相 對比例是小於13的N型輔助層12比例。未使用任何雜質氣體 來形成作用層13。 相繼地，藉由使用相同的材料氣體，以形成作用層13， 該作用層13具有如（八込以1-丄111111>(0.3$\$1)的組成物 質’且其中鋁的相對含量小於其在N型辅助層12中之相對含 量。在形成該作用層13時，並未使用到雜質氣體。 接著’相繼地，藉由使用相同的材料氣體，使得P型輔助 層14以具有組成物質（AlxGai x)yIni yp(〇 3 $ 丨）之方式形 成，且其中鋁的相對含量係低於其在作用層13之相對含量 _ 高。在摻雜P-型雜質時，可使用像是DEZn(二乙基硒）、 CP2Mg(雙環戊一炔鎮）或類似材料的雜質氣體，也可以使用 固態鈹（Be)源的雜質。 之後，依序停止丁MA與TMIn的供應，並注入teg與PH3 以形成P型雜質摻雜過之GaP所做成的窗口層15。可以使用 TBP(四·丁基磷化氫）來取代PH3。以這種方式，得到圖2A 中的半導體基底16。 接著在窗口層15上，藉氣相沉積、濺鍍、電漿CVD、溶 98728.doc -20- 1302040 膠法或類似方法，形成氧化鈦或類似材料做成具上述預設 尽度的光線透明層19。在使用氧化鈥（折射率η2=2·2)的情形 下’依據數學表示式3 ’光線透明層19的厚度τ約為70.45 nm ’發射光的波長λ是620 nm。此後，藉微影蝕刻或類似 方法，對光線透明層19定出圖案，以形成如圖2；6所示的開 口 19a。 然後，藉真空沉積或濺鍍，在光線透明層19以及曝露出 該開口 19a的窗口層15上，沉積出用Au-Zn、Au-Be-Cr、Au _ 與類似材料做成的金屬多層薄膜或類似結構，以形成金屬 薄膜。然後，在光線透明層19上的金屬薄膜藉蝕刻或類似 方去去除掉’形成如圖2C所示開口 19a中的陽極18。 接著’藉真空沉積或濺鍍，在N型基板^的曝露表面上， /儿積出Au-Ge薄膜、用Au-Ge、Ni與Au做成的金屬多層薄膜 或類似結構，以形成陰極17。 然後’特別是所得到的堆疊物，用樹脂或類似材料做成 的保遵層20覆蓋住光線透明層丨9的表面以及堆疊物的侧邊籲 表面。以這種方式，得到圖1所示的半導體發光元件10。 如上所述’依據本發明，在窗口層15與保護層2〇之間形 成具預没厚度且折射率在窗口層15與保護層2〇折射率之間 的光線透明層19。具有這些特點的光線透明層19會限制住 固口層15與保護層2〇之間界面上的光線反射，並實現高光 線抽取效率。 可以很谷易的藉使用如上所述的一般技術來形成光線透 日月 19 〇 ra 4 u此’不需要使用表面粗糙化、光線擴散層形成 98728.doc -21 - 1302040 等用以限制全反射的方法。所以，利用高度可控制之可工 作性、再現性與均一性，來實現具高光線抽取效率且内部 全反射被限制住的半導體發光元件10。 此外’光線透明層19是用無機介電質材料做成。因此， 避免光線透明層1 9發生因發射光線而變差、因熱應變、切 割、剝落等所造成之變差的空洞，藉以保持長時間的高度 可靠度。 現在將解釋，由依據本實施例半導體發光元件1〇所發射 出去之光線的量測輸出結果。圖4顯示出依據本實施例半導 體具有光線透明層19(氧化鈦層）的發光元件1〇上所進行的 測試結果，用以觀察到光線透明層19厚度與光線輸出之間 的關係。 在圖4中，與沒有光線透明層19的元件做比較的比例被用 來表示光線輸出。 給測試用的半導體發光元件1〇包括GaAs做成的N型基板 11、AlGalnP做成的N型辅助層12、AiGaInP做成的作用層 13、AlGalnP做成的p型辅助層14、Gap做成的窗口層15、 氧化鈦做成的光線透明層19、環氧樹脂做的保護層2〇，以 及具620 nm波長的輸出光線。 如圖4中知道的，具有光線透明層19(氧化鈦）的半導體發 光几件1 〇，能達到改善1.2至1.4倍沒有光線透明層19時該元 件的光線輸出，而不論薄層的厚度。所以要了解到，光線 輸出獲得改善且藉提供光線透明層19而實現較高的亮度。 所偵測到的光線輸出會隨光線透明層19的厚度而改變。 98728.doc -22- 1302040 特別的是，其輸出在氧化鈦厚度是發射光線（η2==2·2)波長λ 的ΙΜηΚ亦即厚度約7〇 時會較高，，而當其厚度為 λ/2η2(亦即約140 nm)時，其輸出會較低。從該事實中了解 到’發射光線強度會因光線透明層19中光線干涉而改變， 而且會在光線透明層19的厚為（λ/4η2)χ(2ηι+1)(πι=〇、：!、2，...） 時輸出被干涉加強的光線。這是意指，具有該厚度的光線 透明層19會限制光線的反射，並得到據更佳亮度的發光元 件。 接著，將透鏡結合到半導體發光元件1〇的晶片中所製造 出來的燈管，來量測該燈管的輸出。在給上述測試用的半 ‘體發光元件1 0之晶片中，使用一個具當作厚度(約 =7〇 nm)光線透明層19用之氧化鈦層的半導體發光元件 10 ’以及不具有這種氧化鈦薄層的半導體發光元件丨〇。 圖5顯示出形成光線透明層19或不形成光線透明層19時 晶片與燈管的光線輸出測試結果。如圖5所示，比起不具光 線透明層19之燈管的光線輸出，具光線透明層19的燈管能 達到約改善1.42倍的光線輸出。從該事實中了解到，可以 適當的保持住晶片狀態中該元件所得到亮度的改善效應， 或甚至提升到結合該元件到晶片内的狀態中。 本發明並受限於上述的實施例，而是可以用不同的方式 來做應用或修改。 例如在依據上述實施例的發光元件中，反射薄膜可以在N 型基板11與N型輔助層12之間。藉提供用高導電性與反射性 材料做成的反射薄膜，比如鋁或類似材料，讓由作用層Μ 98728.doc -23- 1302040 發射到N型基板11的光線可以被反射到窗口層丨5中，而能提 升發射光線的使用效率。 依據上述實施例，是用GaP或類似材料做成的單層半導體 薄層來形成窗口層1 5。然而，窗口層15的構造並不受限於 此，窗口層15可以是多層的結構。例如，窗口層15可以具 有一種結構，其中AlGaAs半導體層與AlGalnP半導體層被 堆疊在一起，而且18可以在A1GaInP半導體層上形成。 在上述的貫施例中，保護層2〇可以使用一般高透明性的 樹脂密封材料。此時，可以依據保護層2〇所使用材料的折 射率，來設定，光線透明層19的折射率或類似參數。此外， 可以省略掉保護層2〇。此時光線透明層丨9可以使用依據空 氣折射率而具適當折射率的材料。 式2即可。 依據上述實施例’光線透明層19是用無機介電質材料做 成。然而’例如有機樹脂材料、矽膠樹脂或類似材料也都 可以使用’只要這種材料顯示出折射率滿足上述數學表示 依據上述實施例， 光線透明層19是用一單一薄層來形
以下將解釋在具AlGaA _ AlGalnP堆疊結構的窗 ^構的窗口層15 明層19的情形。 用氧化鈦層與氮化矽層形成雙層光線透 98728.doc 1302040 半導體的折射率是3.3,氧化鈦的折射率是22, 氣化石夕的折射率是18，而且要錢切層上形成之樹脂的 折射率h.5。因此，每個薄層的折射率都紅數學表示式 2 °依據數學表示以，要形成該光線透明層19的薄層，其 折射率的範圍是依據相鄰二侧之薄層的折射率來定義。 更特別的是，氧化鈦的折射率2·2是落在不小於 u(=a3Xl.8严χ0·8)且* Α於 2 7(=(3 3χΐ 8)1/2χΐ 2)的範 圍内’滿足數學表*式2。氧化石夕的折射率22是落在不小 於 1.53(=(2.245 严 χ0.8)且不大κ2.3(=(22χΐ·5)1/2χΐ2)的 範圍内，滿足數學表示式2。因此，如上所述，會限制住界 面上的反射。 此外，藉設定雙層光線透明層19中每個薄層的厚度，滿 足數學表示式3，讓光線透明層19中因干涉而被加強的光線 被發射到外面去。特別的是，以滿足數學表示式3的方式， 將氧化欽層的厚度设定到的70.45 nm(=620 nm/(4x2.2)， m=0)±35.22 nm(=620 nm/(8x2.2))範圍内，並將氮化矽層的 厚度設定到的 86.11 nm(=620 nm/(4xl.8))±43.06 nm(=620 nm/ (8x1.8))範圍内。 可以輕易的藉使用如氣相沉積、濺鍍、電漿CVD、溶膠 法等的一般技術來形成具有良好可控制性與再現性的氧化 鈦層與氮化石夕層。 如上所述，只要滿足數學表示式2與數學表示式3，光線 透明層19便可以用許多薄層來形成，可以進一步增加反射 限制效應。然而，如果光線透明層19包括六個或更多個薄 98728.doc -25- 1302040 層，則光線透明層19的總厚度會變大，而使得貫穿過光線 透明層19的光線衰減變得很厲害。所以，較佳的情形是， 光線透明層19包括五個或更少數目的薄層。 在上述實施例中，已經解釋過該情形，其中本明的半導 體發光元件10是被應用到發光二極體上。然而，發光元件 10能不受限制的被應用到致電發光型半導體單元上，比如 半導體雷射等。 可以在不偏離本發明的廣泛精神與範圍下，做不同實施 例與改變。上述的實施例是要用來解釋本發明，並不是要 限制本發明的範圍。本發明的範圍是顯示於所附之申請專 利範圍，而非該實施例。在本發明申請專利範圍的相對等 之涵思内所做的不同修改，以及在申請專利範圍内所做的 不同修改，都被視為在本發明的範圍内。 【圖式簡單說明】 毛月的這些目的以及其它目的會在閱讀過以上詳細說 月以相關圖式後變得更加明顯，其中： 圖1是顯示出依據本發明實施例之半導體發光元件的圖 式； 圖2A，顯示出半導體基板之製造程序的圖式； ®是顯示出光線透明層之製造程序的圖式； 圖2。是顯示出陽極之製造程序的圖式； 圖3是^晶苜+山y士 〜^出依據本發明實施例之半導體發光元件的終 改貫例的圖式； 夕 *、、、不出依據本發明實施例之半導體發光元件的量 98728.doc 1302040 測光線輸出結果的圖式；以及 圖5是顯示出依據本發明實施例利用半導體發光元件之 燈管光量的量測結果之圖式。 【主要元件符號說明】 10 半導體發光元件 11、12 N型載子注入層 13 作用層 14、15 P型載子注入層 16 半導體層 17 陰極 18 陽極 19 第一光線透明層 20 第二光線透明層 98728.doc -27-