TWI313071B - Light-emitting semiconductor device having enhanced brightness - Google Patents

Description

1313071 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是關於改善亮度之發光半導體裝置，特別是關於發 光二極體中一種加強上電極電流分散裝置，以增加發光半導體 的發光效率。 【先前技術】 發光二極體(Light emitting diodes ; LED)的發光原理是 將電流順向流入半導體的p-n時便會發出光線。其中AlGalnP材 料應用於而党度紅、橘、黃及黃綠光LED，AlGalnN材料應用於 藍、綠光LED ’常以有機金屬氣相县晶法(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy ; M0VPE)進行量產，元件上亦使用同質結構 (homo-junction, HOMO)、單異質結構（single-heterostructure, SH)、雙異質結構(double-heterostructure，DH)、單一量子井 結構（single-quantum well，SQW)及多重量子井結構 (multiple-quantumwel 1，MQW)…等構造或其他結構方式發光。 傳統的發光二極體其結構如圖一A所示，從上而下分別是上 電極 11 (front electrical contact)、活性層 12(active layer)、基板10、背電極I3(back contact)。其中活性層12是 採用有機金屬氣相磊晶法形成AlGalnP或AlGalnN之化合物發光 材料’。當電流由上電極11注入時，電流會通過活性層12、基 板10、流向背電極13。當電流流經活性層12時，便會發出光線。 但由於活性層的AlGalnP或AlGalnN載子移動率（carrier 1313071 mobility)不高及高阻值特性使A1GaInP4A1GaInN導電性不 幺。虽位於活性層12上方的上電極供給電流時，即使增加一透 光層 14 (capping layer or window layer)增加電流分散，但 其電流散佈㈣有改善，但電流純巾於電極下方，致使發光 的主要區域集中在電極下方與附近，如圖一B所示。 般半導體LED材料的折射率(n=3. 4〜3. 5)大於外部的折射 率(n=l〜1. 5，n=l. 5 for epoxy)，換句話說，半導體LED所產 生的光線大部份都被半導體與外部（環驗脂：epGxy)的介面 全反射回解導體内部，全反射的光、_被·層本身與電 極、基板吸收，降低LED的實際發光效益（如圖—c所示）。 為增加電流的散佈性，進行結構、材料上的改良如美國專 利案號：US patent 5, _，718 Fleteher et al•提出在上電極 與活性層之間增加-電阻值低且可透光的透光層15(wind〇w layer or Clapping layer)如GaP、GaAsp和⑽士等材質，如 圖D所示。其目的是藉由此透光層增加從上電極流出之電流散 佈性。如此專彻文所述，為達驗佳的電流散佈狀態，此透 光層厚度*150〜2GGII· ’如此才能增力π5-ΐ〇倍的發光強度。但力口 厚透光層的厚度，均會增加M〇VPE蠢晶的時間及成本，使磊晶的 成本增加許多’另外，該層的電流散佈能力與厚度具有相當的 關係，若要電流散佈均勻，則厚度至少要數十游，否則，仍無 法有效解決電流散佈的問題。 另-種解決模式是改變電極設計，F. A. KishandR· M. 1313071

Fletcher提到將電極設計成增加㈣㈣（如圖__E所示）或延 伸出Mesh線17的樣式（如圖—隋示），畴紅_電流散佈 的問題，但實際上仍不夠理想。轉朗在於這些延伸出去的 Mesh線仍有-定寬度，為了生產方便，通常寬度大為5〜25游 寬，且這種寬度的finger或Mes_數量不能太多，否則遮光的 面積會太大’位於電極下的發光均會被電極所雜。位於電極 下的電流強度最強’發光亦最大，也就是說發光最大的部分均 被自身的金屬線所遮住；但金屬線若太少，仍會使某些發光區 的電流散佈不佳，而影響了發光效率（見圖一G〜一h所示）。 為提高電流散佈率，本發明提出另一種電極設計方式使電 抓刀政更均句且降低電極遮光面積，如此便可增加發光強度。 【發明内容】 本發明之主要目的在於提供—較善亮紅發光半導體裳 置，使作為上電極的金屬圖案之線寬介於〇 .卜5阿，進而 發光效率。 Μ5 本發月之$目的在於提供_種改善亮度之發光半導體裝 置’其上電極之金屬為網狀、點狀、棋盤狀或其他: 圖形均勻分佈於所有活性層之上方。 η 月之再目的在於提供一種改善亮度之發光半導體壯 置，其上電極之金屬圖案由於線寬僅有—以下，因此= 有遮住由雜層發光Κ況存在。 " 1313071 本發明係使用下列步驟來達到上述之各項目的：首先在一 基板上形成活性層。接續，形成—透光層於活性層之上用以增 加電流的分散。射電極位於基板之另—面，而上電極位於透 光層之上方。本發明之重點在於改變上電極的設計，將Finger 或Mesh的金屬圖案的線寬變細，同時配合數量增多的方式，如 此可以改善電流散佈方式的問題。#金狀寸紀陣時，即使 位於金屬現正下方的活性層所產生的光亦能在發光角度& 8〜 18度中透過透綠發^，如此可提高錢密度進而增加發光效 率。 【實施方式】 本發明可運用在增加發光二極體的電流散佈，藉由改變上 電極的設計增加電流散佈，進而增強發光效率。其中活性層和 基板可隨元件發光波長設計而改變，但此並非本發明之重點， 本發明皆實施例中僅使用活性層來代表⑽元件的各種主要結 構如同質結構、單異質結構、雙異質結構、單—量子井結構及 多重量子井結構來說明之。 第一實施例： 本發明第-實施例使用發光二極體(LED)作為實施例說明 本發明之精神。圖二A為發光二極體之剖面圖，首先在一基板· 上形成活1±層12G (active layer)，活性層結構可為雙異質接 1313071 面結構或量子井結構以增加二極體的發光效率。接續，形成一 GaP、AlGaAs或ΙΤ0材質作為透光層140於活性層之上增加電流 的为散。其背電極130位於基板100之另一面’而上電極21〇位於 透光層140之上方。 更詳細的說，基板100隨順不同的活性層120選擇不同的材 料作為基板。當活性層120的材料AlGalnP時，選用坤化嫁材料 作為基板；而當活性層120的材料AlGalnN時，選用藍寶石 (sapphire)材料作為基板。活性層厚度為〇. 3〜3卿和透光層 140厚度為1〇〜50μιη，其活性層120及透光層140皆使用有機金 屬氣相蟲晶法(MOVPE)或分子束悬晶法（Mo 1 ecu 1 ar Beam Epitaxy ; MBE)製作而成。 本發明所提一有效解決電流散佈方式，也就是改變上電極 的設計，將Finger或Mesh的金屬圖案的線寬變細，同時配合數 量增多的方式’如此可以改善電流散佈方式的問題，並增加發 光二極體的發光效率，本實施例僅舉出一種金屬圖案，但本發 明之精神並不侷限於此種金屬圖案。其二極體元件之俯視圖如 圖二B所示，本實施例的電極設計能保留有電極與外界接觸的金 屬墊：電極110，但在電極110旁，活性層12〇上方接佈滿金屬網 線210 ’此金屬網線210與電極11〇彼此間接觸，金屬網線21〇與 電極110都屬於本實施例的上電極。 在傳統的發光二極體上電極設計的Mesh線寬度大多為5〜 25μιη。其電流僅能分散至遠離mesh線4〇μηι處，而mesh線間會有 1313071 大於80μιη的發光空乏區。而活性層12中感應到最強的電流係在 電極正下方，如圖二c所示，倘若透光層15厚度為15μιη和上電 極mesh線11寬度為15μηι，而mesh線Π之間的距離為6〇μπι。當 電流散佈至上電極mesh線11底下正中心的活性層丨2之人點使之 毛光日守，其發光角度需大於上電極的一半寬度，否則其活性層 12所產生的光線會被上電極所被遮住。其發光角度pc 計算如下： 透光層 15 厚度. l*cos2 Θ c=15pm 電極mesh線Η — 半寬度：ι%ίη2θε=7·5μηι (1 ·· Α點不被電極遮住之最短距離） tans2 0c=l/2 …>2ΘΑ53。--->0C=26. 5° 一般而言，發光二極體材質的critical angle0c約為18 度，也就是說當光線之折射角大於18度以上時，其光線被半導 體與外部的介面全反射回到半導體内部，降低LED的實際發光效 益。在發光層所產生的光，以輻射效狀發散時，在大於的範 圍均會產生王反射現象，但在0 C以内，光均會透光層穿透過 去，而金屬Mesh線寬為ΙΟμιη時，位於電極正下方電流密度最高 處所產生的光無法透過，如此嚴重影響光穿透的效率。 而我們將原先寬的Mesh線及線與線間距做等分形成網狀金 1313071 屬線210，可如同圖二B所示，可使電流散佈的密度更加均勻一 致’更讓發光效率提高。本發明之第-實施例卿成的網狀金 屬線210之尺寸僅有0.5〜5μιη且在基板上方均勻分佈。雷同上述 計算，若尺寸僅有2μπι且透光層厚度依然是15叫時，其發光角 度(9C為 tans2 0c=2/15 —>20c=7.6° ---> g° 當發光角度~減少時，活性層所產生的光線被上電極触遮住 的範圍大大降低，位於電極正下方電絲度騎產生的光便能 心3. 8〜18度巾透過，如此可提高電流密度進而增加發光效 率。 第二實施例： 本發明第二實施例亦使用發光二極體(LED)作為實施例說 明本發明之精神。圖：岭發光二極體之剖關，其紐、透光 層、活性層、背電極結構與第一實施例相同。 本實施例的特點在於上電極之設計，其上電極細分成兩 層’如圖二E所示，金屬墊：上電極第-層110與傳統的發光二 極體的元件相同’電極位於元件的中央部分，作為外界供給導 通、接觸之媒介’上電極第二層22Q位於第—層別之下，並镶 肷於ITO層230中。上電極第二層22Q亦是將金屬線寬變細，但以 1313071 ^(dot)之形#現獅合好增麵对，如此可以改善電 散佈方式的問題，並增加發光二極體的發光效率。製作出的 金屬點之尺寸僅有〇卜㈣且在基板上方均勾分佈。其活性層 所產生的光線被上電極所被遮住的範圍大大降低外 j勾散佈增加發光效率。本實施例中的金屬點亦可使用如第 只％例中的金屬網線或其他的金屬圖案。 本發明僅用兩個實施例說明改變上電極設計來增加電流散 佈情形：在第一實施例中其上電極包含有金屬塾與金屬尺寸變 小的金屬圖案’第二實施例中上電極由兩層導電層所組成，盆 金屬圖案鑲嵌在透明的導電層中，且變化較無限制，盆圖案彼 續。但本判之精神在於將上電極的金仙案分佈 安y 2方’其金屬圖案的妓僅有0.1〜5卿，不論金屬圖 木疋何種幾何圖形。只要金屬 活性層產生峨。侧、’便不麵住大部分由 以上所述僅為本發明之較佳實施例，不應用於舰本發明 =可貫施減，凡根據本發明之内容所作之部份修改，而 者本發明之精神時，皆應屬本發明之範圍者 申請前並未曾見於任何公開場合或刊物上，因此 =二，:進=生杳」委之發明專利要件，故爰法提出發明i 才J之甲请。祈請貴審查委員分 ^ 貝允撥時間惠允審查為禱。 【圖示簡單說明】 12 1313071 圖一 A係習用技術之發光二極體結構剖面圖。 _ 圖—B係·技術中，於發光二鋪結構中電流分散狀況的 剖面圖。 圖一C係習職術中，於發光二極體結構中發光狀況的剖面 圖。 圖一歸習用技術中，增加透光層之發光二極體結構剖面 圖。 圖一E係習用技術中，上電極形成finger之二極體結構俯視 圖。 圖一F係習用技術中，上電極形成_線之二極體結構俯視 圖。 图。係驾用技術中，上電極开)成恤辟厂或出地線，其發光 二極體結構巾電流分散狀況的剖面圖。 θ係$用技術中’上電極开》成finger或mesh線，於發光 二極體結構中發光狀況的剖面圖。。 圖二八係第—實施例中，其發光二極體中電流分散狀況的結 構剖面圖。 圖B係第a施例中，上電極形成金屬網線之發光二極體 結構俯視圖。 囷係4用技術中，位於電極正下方之活性層發光的結構 剖面圖。 圖二D係第二實施例巾科二極體祕翻_。 1313071 圖二E係第二實施例中，上電極形成金屬點之發光二極體結 構俯視圖。 【主要元件符號說明】 10 -基板 11 -上電極 12、120 -活性層 13 -背電極 14、15、140 -透光層 16 - Finger 17 - Mesh線 100 -基板 110 -上電極第一層 130 -背電極 210 -金屬網線 220 -上電極第二層 230 - ITO層 A -發光點 E -發光區域 14

Claims (1)

1313071 十、申請專利範圍： 1. 一種改善亮度之發光半導體裝置，包含： 一半導體基板； 位於該半導 一誘發光線產生·性層（aetive layer 體基板上方； 一導電背電極位於該半導體基板下方； 透明導電層位於活性層上方； 一金屬圖絲形成於_料電層上，該金屬圖案層線寬 約為0. 5μιη至5μιη之間；及 一上電極形成於網線金屬圖案層上。 2·如申请專利粑圍第i項所述之一種改善亮度之發光半導體裝 置’其中上迷之金屬圖案層為網狀，並且該上電極與該金屬圖 案層之網狀接觸。 3. 申睛專利範圍第1項所述之發光半導體裝置，針透明導電層 係選自GaP、AlGaAs或ITO其中之一種。 4. 一種改善亮度之發光半導體裝置，包含： 一半導體基板； -誘發光線產生的活性層（aetivelayer )位於該半導體 基板上方； _ 基板上； 導電背電極位於該半導體基板下方； (active layer ) 導體 15 1313071 複數個點狀金屬顆粒形成於活性層上，其中該複數個點狀 金屬顆粒之每一個直徑約為0. Ιμπι至5μιη之間； 一透明導電層位於活性層上方，且覆蓋該複數個點狀金屬 顆粒；及 一上電極形成於透明導電層上。 5.申請專利範圍第4項所述之發光半導體裝置，其中透明導電 層係選自GaP、AlGaAs或ΙΤ0其中之一種。 16