TWI305692B - Luminescence diode with a reflection-reducing layer-sequence - Google Patents

Description

1305692 ί 1 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本專利申請案主張德國專利申請案10 2004 037 100.8和 10 2004 〇4〇 986.4之優先權，其已揭示的內容收納於此處以 作爲參考。 本發明涉及一種依據申請專利範圍第1項前言所述之電致 發光二極體。 爲了提高效率，則電致發光二極體中通常使用一種DBR (Distributed Bragg Reflection)-鏡面。DBR-鏡面通常包含多 個由磊晶製成之半導體層所構成的層對（pair)，各個半導體 層之折射率和光學厚度都不相同，即，各層之折射率和層厚 度之積分別等於電致發光二極體所發出的輻射之波長的四 分之一。藉由此種配置在電致發光二極體之基板和活性層之 間的D B R -鏡面，則特別是可使基板之方向中所發出的輻射 反射回來’使基板中由於吸收所造成的損耗下降。 當然’發出輻射用的晶片表面由於折射率與周圍介質（其 可爲澆注物質，特別是環氧樹脂）不同而具有某種程度的反 射性’因此在與DBR-鏡面一起作用時會形成一種共振器^ 藉由此種共振器，則電致發光二極體之發射光譜中會產生不 期望的共振現象。此種共振效應甚至會使電致發光二極體之 發射光譜在不同的波長時具有多種最大強度値及/或多種發 射角度。這樣在電致發光二極體應用在光學測量方法中時特 別會造成干擾。 上述之共振在發射光譜之整體測量時通常會在廣泛的角 1305692 度範圍中顯現，此乃因共振器之共振光譜與角度有很大的相 關性。但共振只有在小的立體角範圍中所發出的光被偵測到 時才會被測得。在以小的數値孔徑來進行的測量方法中，由 電致發光二極體所發出的輻射在小的角度範圍中被偵測 到，因此，共振現象的防止是値得追求的。 【先前技術】 上述不期望的共振所造成的問題在傳統之電致發光二極 體中例如藉由在活性區上方生長較厚的層（所謂視窗層）來 減少。這些視窗層用來使電流擴散且使光發出。由於這些層 之厚度，則共振光譜會緊密地相鄰，使其在應用時通常不會 造成干擾。這些層通常不是平面層，其是由特定的製程步驟 或層生長過程本身所造成，各種共振現象同樣會互相對抗。 當然，上述這些較厚的層的生長需要高的製程上的費用且因 此使成本提高。 【發明內容】 本發明的目的是提供一種電致發光二極體，其中在發射光 譜中的共振現象會變小且製造上的耗費較低。 此目的藉由具有申請專利範圍第1項特徵之電致發光二 極體來達成。本發明有利的其它形式描述在申請專利範圍各 附屬項中。 在具有活性區的電致發光二極體中，活性區在主輻射方向 中發出電磁輻射，一種使反射降低用的層序列在主輻射方向 中配置在活性區之後。本發明中此種使反射降低用的層序列 含有一種由至少一個層對所形成的DBR-鏡面，一在主輻射 ^ 1305692 * * 方向中配置在DBR -鏡面之後的調質層以及一配置在DBR-鏡面和調質層之間的中間層。 利用上述之使反射降低用的層序列，則配置在活性區上方 之各層的反射性會下降，因此可廣泛地防止該電致發光二極 體之發射光譜中不期望的共振現象。 使反射降低用的層序列之剩餘反射率特別是與DBR-鏡面 之層對的數目有關。當DBR-鏡面由一個（含）層對至十個（含） 層對（特別有利的是由一個（含）層對至四個（含）層對）所形成 時已證實是有利的。 中間層的光學厚度較佳是等於所發出的輻射之波長的一 半。此外，當調質層的光學厚度等於所發出的輻射之波長的 四分之一之奇數倍數（即，例如，1/4λ，3/4λ或5/4λ)時是有 利的。利用此種層厚度，則可達成特別良好之去反射作用。 該中間層較佳是一種半導體層且能以有利之低的製造費 用直接以磊晶方式生長在DBR-鏡面之半導體層上。 調質層例如是一種介電質層且特別是可含有氧化矽或氮 化矽。一種可透過輻射之導電性氧化物（TCO-透明之導電性 氧化物，特別是ΖηΟ)適用於此處》此外，可對該調質層例 如以鋁來進行摻雜。這在該調質層之一部份區域設有電性接 觸區時特別有利，此乃因在此種情況下該調質層同時可用作 電流擴大層。一種以鋁來摻雜之ΖηΟ-層特別適用於此處。 此外，該調質層亦可對其下方之中間層形成一種歐姆接觸。 電致發光二極體較佳是埋置在一種澆注物質（例如，環氧 樹脂）中。因此，一方面可使對周圍介質之折射率差下降且 • 1305692 t 4 另一方面此電致發光二極體可受到保護使不受環境所影 響。此外，該澆注物質亦可含有一種電致發光-轉換材料， 以使電致發光二極體所發出的輻射之波長轉移至較大的波 長。適當的電致發光-轉換材料，例如，YAG:CE (Y3Al5012:Ce3 + )’已描述在WO 98/12757中，其已揭示的內 容收納於此處以作爲參考。 本發明之使反射降低用的層序列對電致發光二極體特別 有利’其中在基板和活性區之間配置一第二鏡面，特別是第 二DBR-鏡面。在此種情況下，由電致發光二極體所發出的 輻射不會經由第二鏡面而侵入至基板中，其中在與一未具備 去反射作用-或具有一種傳統去反射作用的電致發光二極體 比較時，藉由該使反射降低用的層序列可同時使發射光譜中 發生不期望的共振的危險性下降。本發明中使反射降低用的 層序列之作用是與此使反射降低用的層序列至第二鏡面-及 /或至活性區的距離無關。 但本發明不限於具備基板和第二鏡面（其配置在基板上） 之電致發光二極體。反之，電致發光二極體亦可包含一所謂 薄膜-半導體本體，其中一種生長在生長基板上的磊晶層序 列是與該生長基板相隔離且安裝在一載體上。此種薄膜-半 導體本體在面向該載體的此側上通常含有一種反射層’其亦 可與相面對之通常用來發出輻射之表面形成一種共振器。 使反射降低用的層序列之總厚度小於2000奈米時是有利 的。因此，在與電致發光二極體（其中發射光譜中不期望的 共振已藉由施加很厚的層而減小）比較時製造上的耗費較 1305692 本發明以下將依據第1至6圖中的各實施例來描述。 【實施方式】 相同-或作用相同之各元件在各圖式中設有相同的參考符 號。 第6圖所示之對應於先前技術之電致發光二極體1 7包括 —基板2和一施加在基板2上的DBR-鏡面5，其由磊晶施 加而成的半導體層3和4之多個層對所形成。基板2之方向 中所發出的輻射被DBR-鏡面5反射回來。此外，此電致發 光二極體包含一種發出輻射的活性區7，其配置在外罩層 6 ’ 8之間且在主輻射方向1 5中發出輻射。 電致發光二極體1 7埋置在澆注物質1 0中。爲了使半導體 材料和澆注物質1 0之間的界面上的反射損耗下降，須設有 ―種調質層9。雖然有此調質層9存在，但仍可藉由調質層 9和澆注物質1 0之間的界面及/或澆注物質1 〇和周圍介質 (例如，空氣）之間的界面上的反射性與DBR-鏡面5相結合 而形成一種共振器’這樣會在電致發光二極體之發射光譜中 產生不期望的共振現象。 第1圖中所示的本發明之電致發光二極體1包含一基板 2’其例如是一種GaAs -基板。在基板上施加DBR -鏡面5， 其由磊晶施加而成的半導體層3和4之多個層對所形成。一 個層對例如可含有AU.5GaG.5As-層3和AU.95Ga0.05As-層 4。DBR-鏡面5之層對的數目例如可爲20。 基板2之方向中所發出的輻射被DBR-鏡面5反射回來。 1305692 ί 4 ' 以此種方式可使主輻射方向15中所發出的輻射之強度提高 」 且使基板2中的吸收損耗下降。 此外，電致發光二極體1包含一種發出輻射的活性區7 ’ 其例如可含有一種由1111_"〇3;^13，其中〇‘）^1,〇$丫$1 且x + y$ 1所構成之0.2微米厚的層，以發射出一種大約600 奈米之發射波長。另一方式是該活性區亦可包含其它的半導 體材料且可具有其它的發射波長。活性區7例如可配置在 P-型外罩層6和η-型外罩層8之間，各外罩層分別具有0.8 β微米之厚度。 電致發光二極體1例如可埋置在澆注物質1 〇(特別是環氧 樹脂）中。 爲了使發射光譜中不會發生不期望的共振現象，本發明的 電致發光二極體1包含一種使反射降低用之層序列16。此 一使反射降低用之層序列16包含一種在主輻射方向15中配 置在活性區7之後的DBR -鏡面13，其由一個或多個層對所 形成。D B R -鏡面1 3可有利地由磊晶生長的半導體層丨丨，ί 2 I 所製成，其光學厚度等於所發出的輻射之波長的四分之一。 例如’ DBR-鏡面13可由 Al〇.5Ga〇.5As-半導體層11和 AU.^Gao.osAs-半導體層12所形成之至少一個層對所製成。 此外，使反射降低用之層序列1 6包含一種鄰接於該湊注 物質之調質層9’其光學厚度較佳是亦等於所發出的輻射之 波長的四分之一或另外亦可等於波長之奇數倍（例如，3/4λ 或5/4λ)。此調質層特別是可含有—種氮化矽，氧化矽或氧 化鋅。 -10- ‘1305692 * * 在DBR-鏡面1 3和調質層9之間該使反射降低用之層序列 ' 16包含一種中間層14，其例如含有Al〇.5Ga().5As且所具有 的光學厚度大約是所發出的輻射的波長之一半。使反射降低 用之層序列以此種方式形成一種使反射降低用之共振器。 藉由本發明之使反射降低用之層序列1 6使反射降低時是 與DBR-鏡面13之層對之數目密切相關。這將說明在配置於 活性區7上方之各層之反射率之以下所示的模擬中。 第2圖是使反射降低用之層序列之反射率R在DBR-鏡面 ^ 之層對具有不同的數目時對波長λ之模擬之圖解。在此種模 擬中假設：調質層9是一種折射率η = 2.05之SiN-層。在無 DBR-鏡面時曲線1 8顯示該反射率R對波長λ之模擬，曲線 19則顯示一種具有一個層對之DBR-鏡面13之模擬結果， 曲線2 0是具有二個層對時的情況，曲線2 1是具有三個層對 時的情況。因此，最佳之去反射作用是以只具有一個層對時 之DBR-鏡面13來達成。 第3圖是在使用ΖηΟ-調質層時DBR-鏡面之層對之數目不 ^ 同之情況下使反射降低用的層序列之反射率R與波長λ之關 係圖，其中此模擬是在下述情況下進行：調質層9含有以鋁 來摻雜的ΖηΟ，其折射率是η=1.85。曲線22顯示在無DBR-鏡面時配置於活性區7上方之各層之反射率，曲線23則顯 示一種具有一個層對之DBR-鏡面13之模擬結果，曲線24 是具有二個層對時的情況，曲線25是具有三個層對時的情 況，曲線26是具有四個層對時的情況。此模擬計算結果已 顯示：在上述情況下最佳的去反射作用在DBR-鏡面1 3具有 1305692 4 * 二個層對時可達成。 通常’就像一種對稱的Fabry-Perot -共振器一樣，此DBR- 鏡面1 3所具有的反射率須與外部反射器大約相等，此外部 反射器由中間層1 4和調質層9之間的層接面以及調質層和 澆注物質1 〇之間的層接面所形成，使反射率最小化。由於 此一原因’則在本實施例中調質層9由ZnO構成時在與調 質層由SiN構成時相比較之下需要另—個層對。由於ZnO 之折射率小於S iN，則調質層9之折射率相對於相鄰之中間 層14之折射率之差會較大，外部反射器之反射率因此會提 高。藉由D B R -鏡面1 3中增加另—層對，則在此種情況下 DBR -鏡面13之反射率即可依據外部反射器來調整。 爲了達成最佳化的去反射作用，則DBR-鏡面13亦可包含 各層11’ 12，其光學厚度與λ/4不同。層11之厚度例如可 爲1.2λ/4且層12之厚度例如可爲〇.8λ/4。以此種方式可使 DBR-鏡面13之反射率依據外部反射器之反射率來調整。另 —方式是亦可使DBR -鏡面13之層11，12之折射率差發生 變化’以便達成最佳化的去反射作用。這例如在AlGaAs-半 導體層中可藉由鋁含量的改變來達成。 第4圖是具有SiN-調質層之電致發光二極體所發出的輻 射之強度1(任意單位）之模擬。在未具備本發明的DBR-鏡面 13(曲線27)時的發射光譜會明顯地受到共振所影響。具有本 發明的使反射降低用的層序列之電致發光二極體之發射光 譜（曲線28)只稍微與曲線29所示的發射光譜不同，曲線29 中未考慮外部的反射作用。 1305692 本發明之使反射降低用的層序列1 6之效果在第5圖所示 的電致發光二極體（其具有由ZnO所構成的調質層9)之發射 光譜中更明顯。未具有本發明之使反射降低用的層序列1 6 時曲線30中所示的已模擬之發射光譜具有二個最大値，曲 線3 1中所模擬的發射光譜（其在具有本發明之使反射降低用 的層序列1 6時測得）所具有的曲線類似於曲線32中以活性 區7(其未考慮外部的影響）所模擬的發射光譜。 本發明之使反射降低用的層序列1 6因此特別有利，此乃 因在使用電致發光二極體於精確之光學測量方法中時發射 光譜中二個或甚至更多個最大値已顯示出具有干擾性，特別 是該測量方法（例如，溫度-或熱阻測量方法）中需測得各種差 動信號時更是如此。 本發明不限於實施例中所述的各種描述。反之，本發明包 含每一新的特徵和各特徵的每一種組合，特別是包含申請專 利範圍中各特徵的每一種組合，當此種特徵或組合本身未明 顯地顯示在各申請專利範圍中或各實施例中時亦同。 【圖式簡單說明】 第1圖 本發明電致發光二極體之一實施例之橫切面。 第2圖 在使用SiN-調質層時DBR-鏡面之層對之數目不同 之情況下使反射降低用的層序列之反射率R與波 長λ之關係圖。 第3圖 在使用ZnO-調質層時DBR-鏡面之層對之數目不同 之情況下使反射降低用的層序列之反射率R與波 長λ之關係圖。 1305^92 第4圖 在使用傳統之去反射層和使用本發明中具有SiN-調質層之使反射降低用的層序列時在未考慮反射 損耗的情況下所發出的輻射之強度I與波長λ之關 係圖。 第5圖 在使用傳統之去反射層和使用本發明中具有ΖηΟ-調質層之使反射降低用的層序列時在未考慮反射 損耗的情況下所發出的輻射之強度I與波長λ之關 係圖。

第6圖 先前技術之電致發光二極體之橫切面。 【主要元件符號說明】 1 電致發光二極體 2 基板 半導體層 DBR-鏡面 外罩層 活性區 調質層 澆注物質 1 1，12 半導體層 13 DBR-鏡面 14 中間層 15 主輻射方向 16 使反射降低用的層序列 17 電致發光二極體 18〜32 曲線 -14-

Claims (1)

1305692 (广 第94 1 25523「具備使反射降低用之層序列之電致發光二極 體」專利案 (2007年6月修正） 十、申請專利範圍： 1. 一種具有活性區（7)之電致發光二極體（1)，活性區（7)在主 輻射方向（15)中發出電磁輻射，一種使反射降低用的層序 列（16)在主輻射方向（15)中配置在活性區（7)之後，其特徵 爲上述之使反射降低用的層序列（16)包含， ^ --由1個（含）層對至10個（含）層對（11，12)所形成的 DBR-鏡面（1 3)， --在主輻射方向（15)中配置在DBR-鏡面（13)之後之調 質層（9)， -一配置在DBR-鏡面（13)和調質層（9)之間的中間層 (14)，該中間層（14)具有λ/2的光學厚度，以及該調質 層（9)的光學厚度係爲λ/4的奇數倍。 2. 如申請專利範圍第1項之電致發光二極體，其中DBR -鏡 > 面（13)由1個（含）層對至4個（含）層對（11，12)所形成。 3·如申請專利範圍第1項之電致發光二極體，其中調質層（9) 是一種介電質層。 4·如申請專利範圍第3項之電致發光二極體，其中調質層（9) 含有氧化砂或氮化砂。 5·如申請專利範圍第1項之電致發光二極體，其中調質層（9) 含有可透過輻射的導電性氧化物。 6·如申請專利範圍第5項之電致發光二極體，其中可透過輻 射的導電性氧化物含有ΖηΟ。 1^)5692 7.如申請專利範圍第〗項之電致發光二極體，其中調質層（9) 已摻雜。 8 .如申請專利範圍第1項之電致發光二極體，其中該中間層 (I4)是一種半導體層。 9.如申請專利範圍第8項之電致發光二極體，其中調質層（9) 與該中間層（I4)形成一種歐姆接觸。 10.如申請專利範圍第1項之電致發光二極體，其中此電致發 光二極體（1)埋置在澆注物質（10)中。 ® 1 1 .如申請專利範圍第1 0項之電致發光二極體，其中該澆注 物質（10)是一種環氧樹脂。 】2 ·如申請專利範圍第1項之電致發光二極體，其中使反射降 低用的層序列（1 6)之總厚度小於2 0 0 0奈米。 13. 如申請專利範圍第1項之電致發光二極體，其中此電致發 光二極體（1)具有一基板（2)且在基板（2)和活性區（7)之間 配置一第二鏡面（5)。 14. 如申請專利範圍第13項之電致發光二極體，其中第二鏡 • 面（5)是一種DBR-鏡面。 15. 如申請專利範圍第1項之電致發光二極體，其中此電致發 光二極體（1)包含一種薄膜-半導體本體。