TWI362764B - Led semiconductor body and the use of led semiconductor body - Google Patents

Description

1362764 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係一種LED半導體本體及LED半導體本體之使 用。 本專利申請要求享有德國專利申請102006046037.5之 優先權》 投影上的使用需要光密度很高的輻射源。此外，輻射 角最好是S30度’原因是光學系統的數値孔徑通常S0.5 ’因此只有在這個射角之內的輻射可以被利用到。 【先前技術】 在 I. Schnitzer et al·，Appl. Phys· Lett. 63 (16)，（1993 年10月18日，2174-2176頁）中有關於薄膜發光二極體晶 片之基本原理的說明。薄膜發光二極體晶片近似於一個朗 伯特表面輻射源。雖然薄膜發光二極體晶片的輻射特性適 於投影方面的使用，但是一般薄膜發光二極體晶片的層結 構通常具有一個活性層，而這個活性層的輻射量會受限於 電流強度。但是活性層上的電流密度又不應超出一個最大 電流密度，否則過大的老化效應就可能導致LED半導體本 體的使用壽命縮短。 【發明內容】 本發明的目的是提出一種具有較大之光密度的LED半 導體本體。 採用具有申請專利範圍第1項之LED半導體即可達到 這個目的。 1362764 本發明的另外一個目的是提出使用這種具有較大之光 密度的LED半導體本體的方式。 採用申請專利範圍第31項及第32項的使用方式即可 達到這個目的。 其他之附屬申請專利項目之內容均爲本發明之進一步 的有利的改良方式及實施方式。 本發明的LED半導體本體具有至少一個產生輯射的第 一活性層及至少一個產生輻射的第二活性層，且更具有一 個光子晶體。 所謂活性層是指一個產生輻射的pn接面。在最簡單的 情況下，這個pn接面可以是由彼此相鄰的一個p型導電半 導體層及一個η型導電半導體層所構成。在p型導電活性 層及η型導電活性層之間最好是形一個真正的輻射產生 層，而且這個輻射產生層是一個有摻雜或無摻雜的量子 層。量子層可能具有單一量子井結構（SQW: Single Quantum WeU)、多重量子井結構（MQW: Multiple Quantum Well)、量 子線、或是量子點結構。 由於半導體本體之半導體材料的折射指數和環境介質 (例如空氣）的折射指數相差很大，因此自一個特定的臨界 角以上，一般的LED半導體本體就可能出現全反射的現 象，因而使輸出耦合的輻射量變得很小。 一種有利的方式是可以利用光子晶體降低全反射造成 的輻射損耗。 1362764 半導體本體發出的光束照射在光學密度較大且折射指 數爲nl之半導體材料及光學密度較小且折射指數爲n2之 環境介質（例如空氣）之間的臨界面上的入射角大於或等於 全反射之臨界角《9時，這個光束就會在臨界面上被全部反射 回去，其中 sin(5) = n2/n1 以上提及的角度是指光束之入射點在臨界面上的法 線。 LED半導體本體的光子晶體可以使一部分以大於或等 於臨界角*9的角度照射在光子晶體上的輻射被偏轉成以小 於臨界角>9的角度照射在一個輻射輸出耦合面上，而且可以 輸出稱合。 此外’光子晶體還可以使原始的輻射角變窄。 光子晶體最好具有多個具有第一折射指數的第一區域 及多個具有第二折射指數的第二區域，而且這些區域最好 是以規律方式配置。這種規律配置可以是相當於一維、二 維、或是三維晶格的配置方式。在本發明中，光子晶體最 好是具有二維晶格的結構。在這種情況下，兩個相鄰的第 一區域（或是兩個相鄰的第二區域）之間的距離就相當於晶 格常數。如果晶格常數能夠適應半導體本體產生的輻射波 長’光子晶體就可以發揮最大的作用。兩個相鄰的第一區 域（或是兩個相鄰的第二區域）之間的距離最好是大致相當 於半導體本體產生的輻射波長，而且最好是在1〇」m至1〇·6 1362764 m之間。 根據本發明的一種有利的實施方式，第二區域是連貫 的。也就是說’每兩個第二區域之間都有一個以上的接觸 點，例如有一個接觸面。此處所謂的接觸點或接觸面並非 —種物理成份，而是經由想像將光子晶體劃分成相同結構 的”晶體光電管”所產生的接觸點或接觸面。 光子晶體通常含有一種介電材料。根據本發明，第一 區域最好是一種在LED半導體本體的一個半導體層上的被 塡滿或未被塡滿的凹槽。第一種可能的方式是第一區域是 以週期性配置方式配置在半導體層上的凹槽。第二種可能 的方式是第一區域是以格柵方式配置成島嶼狀，並經由適 當的間隙將相連的凹槽分開。第二種可能的方式剛好和第 一種可能的方式相反，也就是說二者的區域和凹槽剛好是 相反的。在這兩種可能的方式中，最好是以一種適當的塡 充材料（例如一種電介質或其他的半導體材料）將凹槽/間隙 塡滿，不過要注意的是，塡充材料的折射指數需不同於第 一區域的折射指數。第一區域的寬度及/或深度最好是在 100 nm 至 500 nm 之間。 根據本發明的一種有利的實施方式，第一活性層及第 二活性層是在垂直方向上彼此疊在一起。相較於本文開頭 提及的一般的LED半導體本體，活性層疊在一起的LED半 導體本體的住點是同時擁有兩個或兩個以上的產生輻射的 活性層，因此可以提高總輻射產生量/光密度。所謂光密度 1362764 是指半導體本體的單位發光面積和立體角單元的光學效 能。 第一活性層及第二活性層所產生的輻射最好是具有相 同的波長，尤其是在有搭配一個將活性層產生的輻射反射 回去的反射層的情況下更是如此，因爲在這種情況下，活 性層吸收到從另外一個反射層反射過來的輻射並不會對半 導體本體發出的總輻射造成不利的影響，但如果第一活性 層及第二活性層所產生的輻射波長並不相同，就會對半導 體本體發出的總輻射造成不利的影響。

I 此外，可以將第一活性層及第二活性層在半導體本體 中以單片結構的方式整合在一起。這樣做的好處是在製造 半導體本體時，可以省略將第一層堆疊及第二層堆疊結合 (例如以鍵合方式結合）在一起的步驟。 最好是將LED半導體本體設置在一個承載元件上，而 且最使是使用一種具有導電性的承載元件。這樣就可以形 成一個在垂直方向上具導電性的組件，也就是說電流在這 個組件上主要是沿著垂直方向流動。這種組件的特徵是電 流在LED半導體本體內的分佈相當均勻。爲了形成觸點接 通，最好是在可導電的承載元件背對LED半導體本體的那 —個面上設置一個背面接點。 承載元件最好是有別於LED半導體本體的生長基板。 最好是將生長基板從半導體本體上移除。此處所稱之半導 體本體最好是一種薄膜半導體本體。 1362764 薄膜半導體本體至少具有下列特徵中的一種： …在產生輻射的磊晶層序列面對載體元件的那個主平 面上設置或形成一個反射層，這個反射層至少能夠將一部 分在磊晶層序列內產生的電磁輻射反射回去： --磊晶層序列的厚度爲20μπι以下，尤其是ΙΟμιη以 下；以及 --磊晶層序列至少含有一個半導體層，這個半導體層 至少有一個面具有一個混合結構，在理想情況下，這個混 合結構能夠在磊晶生長的磊晶層序列內形成近似各態遍歷 的光線分佈，也就是說這個混合結構具有一種最大可能的 各態遍歷隨機散射性能》 在 I. Schnitzer et al., Appl. Phys. Lett. 63 ( 1 6), ( 1 993 年10月18日’’2174-2176頁）中有關於薄膜發光二極體晶 片之基本原理的說明。 薄膜發光二極體晶片近似於一個朗伯特表面輻射源， 而且特別適合被使用在車頭燈及投影機中。 將輻射角限制在狹窄的範圍內可以提高薄膜半導體本 體構成之LED半導體本體的單位發光面積的輸出耦合輻射 強度。 可以根據所使用的材料系統選擇以機械、熱處理、或 是雷射去除等方式將生長基板去除。薄膜半導體本體的特 徵是正向電壓很低’以及高效率的輻射產出。此外，在爲 薄膜半導體本體選擇承載元件時，不必受到磊晶成長所需 -10- 1362764 之邊際條件的限制，因此可以根據導熱性或成本的選擇最 佳的承載元件。 根據本發明的一種有利的實施方式，在LED半導體本 體及承載元件之間設有一個反射層，其作用是將LED半導 體本體產生的輻射朝光子晶體的方向反射回去。這種做法 的好處是可以進一步提高光密度。 在本發明的LED半導體本體中，反射層最好是含有一 種金屬。一種特別有利的方式是反射層至少含有Au、A1、 Zn、Ag等金屬中的一種金屬。反射層可以是一個金屬層或 是由一個金屬層及一個透明導電氧化物（TCO : Transparent Conductive Oxide)層所構成，例如這個TCO層可能含有氧 化銦、氧化銦錫（ITO)、或氧化鋅。此外，反射層也可能是 由一個金屬層及一個結構化層所構成，其中結構化層含有 一種電絕緣材料（例如一種氮化矽或氧化矽），而且具有最 好是以構成金屬層的材料塡滿的開孔。這樣做的好處是反 射層還會具有足夠的導電性，因此電流可以流過反射層。 根據本發明的一種有利的實施方式，光子晶體係設置 在LED半導體本體背對承載元件的那一個面上。在這種情 況下，光子晶體除了光學上的作用外，也具有電學上的作 用，因此也可以用來傳遞電流。 根據本發明的另外一種有利的實施方式，光子晶體係 設置在反射層及LED半導體本體之間。在這種情況下，光 子晶體亦有助於改善LED半導體本體的電學特性。 -11 - 1362764 在LED半導體本體的一種有利的實施方式中， 性層和第二活性層之間有一個穿隧接面。這個穿隧 任務是作爲第一活性層及第二活性層之間的導電連 如可以由一個第一導電類型的高摻雜層及一個第二 型的高摻雜層形成這種穿隧接面。第一活性層和第 層的方向最好是一樣的，這樣第一活性層和第二活 pn接面就可以構成一個pn_pn結構或np-np結構， 接面可以經由位於其間的穿隧接面被導電串聯。在 的LED半導體本體中也可以用類似的方式將3個或 活性層垂直相疊在一起，而且這些活性層也是經由 鄰的活性層之間的穿隧接面將彼此連接在一起。 根據本發明的另外一種有利的實施方式，第一 和第二活性層的pn接面是以彼此反方向的方式排歹i 开夕成一個pn-np結構或np-pn結構。因此可以將活性 在一起。 在LED半導體本體的兩個活性層中，最好是兩 層都（或是其中一個活性層）含有一種以磷化物爲主 的化合物半導體材料。這種以隣化物爲主要成分的 半導體材料的通式可以寫成AhGaniIni.n.mP，其中Μ 0 S m S 1，n + m S 1。 另外—種可行的方式是，在LED半導體本體的 性層中’最好是兩個活性層都（或是其中一個活性J 一種以砷化物爲主要成分的化合物半導體材料。這 第一活 接面的 接。例 導電類. 二活性 性層的 而且pn 本發明 更多個 兩個相 活性層 J，因此 層並聯 '個活性 要成分 化合物 ；η ^ 1 - 兩個活 罾）含有 種以砷 -12- 1362764 化物爲主要成分的化合物半導體材料的通式可以寫成 AlnGamlm.n.mAs，其中 0各 1，OS 1，n + mS 1。 另外一種可行的方式是，在LED半導體本體的兩個活 性層中，最好是兩個活性層都（或是其中一個活性層）含有 一種以氮化物爲主要成分的化合物半導體材料。這種以氮 化物爲主要成分的化合物半導體材料的通式可以寫成 AluGamlni.n-mN，其中 OS nS 1，OS mS 1，n + mS 1。 LED半導體本體最好是沿垂直方向發出輻射。 本發明之LED半導體本體的輻射角30度。輻射角 這麼狹窄的LED半導體本體特別適合使用在投影機上。 本發明的LED半導體本體特別適合作爲輻射發射組件 的輻射源。此種輻射發射組件及LED半導體本體都很適合 使用在投影機上。 【實施方式】 以下配合圖式及實施例對本發明的其他特徵及有利的 實施方式做進一步的說明。 第1圖顯示的LED半導體本體（1)具有3個產生輻射的 活性層（31，32，33)。活性層（31，32’ 33)是在垂直方向上 相疊在一起，也就是在垂直於活性層（31，32’ 33)之主延伸 方向的方向上相疊在一起。活性層（31，32 ’ 3 3)分別隸屬於 層堆疊（I，II，III)。除了活性層（31，32，3 3)外，層堆疊（I ’ Π，III)還分別具有一個第一導電類型層（21，22’ 23)及一 個第二導電類型層（41，42，43)。活性層（31，32’ 33)通常 -13- 1362764 是設置在第一導電類型層（21，22，23)及第二導電類型層 (4 1，4 2，4 3)之間》 層堆疊（I)及層堆疊（11)(以及層堆疊（II)及層堆疊（III)) 是經由一個穿隧接面（5)將彼此連接在一起。例如穿隧接面 (5)可以具有一個第一導電類型的高摻雜層及一個第二導 電類型的高摻雜層。經由這種方式可以形成一種在運轉時 結電阻很低的高效率的穿隧接面。 在LED半導體本體（1)中設置3個活性層（31，32，33) 的好處是可以提高所產生的總輻射。由於具有3個活性層 的LED半導體本體（1)的尺寸只比僅具有1個活性層的LED 半導體本體大一點點，而且\ed半導體本體（1)的發光面積 與活性層的數量並無任何關係，因此可以使光密度大幅提 商。 半導體本體（1)係設置在一個承載元件（9)上。在承載元 件（9)及半導體本體（1)之間最好有一個反射層（8)。反射層（8) 及承載元件（9)最好都具有導電性。此外，在承載元件（9) 背對半導體本體（1)的那一個面上具有一個背面接點（11)。 同樣的，在LED半導體本體（1)背對承載元件（9)的那一個面 上具有一個正面接點（10)。這樣就可以形成一個垂直導電 組件，也就是說電流在LED半導體本體內的分佈相當均勻。 LED半導體本體（1)是在一片獨立的生長基板上生長出 來的，然後才被安裝在承載元件（9)上，例如以焊接、鍵合、 或是黏貼等方式被安裝在承載元件（9)上，而且最好是將生_ -14- 1362764 長基板從LED半導體本體上去除掉。反射層（8)可以是一面 布拉格反射鏡、一個金屬層、或是由一個金屬層及一個TCO 層所構成，其中TCO層可以含有氧化銦或氧化鋅。此外， 反射層（8)也可以是由一個金屬層及一個結構化層所構 成，其中結構化層含有一種電絕緣材料（例如一種氮化矽或 氧化矽），而且具有最好是以構成金屬層的材料塡滿的開 孔。這樣反射層（8)就可以將朝承載元件（9)的方向發射的輻 射部分反射到輻射輸出耦合面的方向。 爲了提高輻射效率/光密度，在LED半導體本體（1)的 輻射輸出耦合面上具有一個光子晶體（6)。光子晶體（6)具有 多個具有第一折射指數的第一區域（6a)及多個具有第二折 射指數的第二區域（6b)。第二區域（6b)最好是由和構成半導 體本體（1)的材料相同的材料構成，第一區域（6a)最好是由 設置在第二導電類型層（4 3)之後的一個半導體層上的凹槽 所構成。這些凹槽可以是空的、充滿空氣、或是被塡充材 料塡滿，而且這種塡充材料的折射指數最好是不同於半導 體材料的折射指數。在這個實施例中，第二區域（$b)是連 貫的，而且第一區域（6 a)被第二區域（6b)環繞住。第一區域 (6a)形成圓柱體狀。但追並不表不在本發明中第一區域（6a) 一定必須形成圓柱體狀。第一區域（6a)在半導體層中是以規 律方式排列成一個二維柵格。 本發明的範圍並非僅限於以上所舉的實施方式。每一 種新的特徵及兩種或兩種以上的特徵的所有組合方式（尤 -15- 1362764 其是申請專利範圍中提及的特徵的所有組合方式）均屬於 本發明的範圍，即使這些特徵或特徵的組合方式未在本說 明書之說明部分或實施方式中被明確指出。 【圖式簡單說明】 第1圖顯示本發明的LED半導體本體的一個實施例的 斷面示意圖。 【主要元件符號說明】

1 LED 半 導 體 本 體 2 第 一 導 電 類 型 層 4 第 二 導 電 類 型 層 5 穿 隧 接 面 6 光 子 晶 體 6 a 第 一 區 域 6b 第 —· 區 域 8 反 射 層 9 承 載 元 件 10 正 面 接 點 11 背 面 接 點 2 1 1 22 23 第 一 導 電 類 型 層 3 1 '32 ，33 產 生 輻 射 的 活 性層 41 1 42 ，43 第 二 導 電 類 型 層 I， II， III 層 堆 疊 -16-

Claims (1)

1362764 ，咐月IT日修正本 修正本 第09 6132818號「LED半導體本體及LED半導體本體之使 用j專利案 (201 1年8月15日修正） 十、申請專利範圍： 1·—種LED半導體本體（1)’具有至少一個產生轄射的第 一活性層（31);

至少一個產生輻射的第二活性層（32);及 一光子晶體（6)，其中 第一活性層（31)及第二活性層（32)產生具有相同的 波長的輻射。 2. 如申請專利範圍第1項的LED半導體本體（1)，其中， 光子晶體（6)具有多個具有第一折射指數的第一區域（6a 及多個具有第二折射指數的第二區域（6b) » 3. 如申請專利範圍第2項的LED半導體本體（1)，其中， 區域（6a，6b)係以規律方式配置。 4 ·如申請專利範圍第2項的LED半導體本體（1)，其中， 區域（6a，6b)構成一維、二維、或是三維晶格。 5. 如申請專利範圍第2項的LED半導體本體（1)，其中， 第二區域（6b)是連貫的。 6. 如申請專利範圍第2項的LED半導體本體（1)，其中， 第一區域（6a)被第二區域（6b)環繞住。 7. 如申請專利範圍第2項的LED半導體本體（1)，其中， 第一區域（6a)是一種在LED半導體本體（1)之半導體層 13*62764 修正本 的被塡滿或未被塡滿的凹槽。 ， 8. 如申請專利範圍第7項的LED半導體本體（1)，其中， 第一區域（6a)的寬度及/或深度介於1〇〇 nm至500 nm之 間。 9. 如申請專利範圍第1項的LED半導體本體（〗），其中， 第一活性層（31)及第二活性層（32)在垂直方向彼此疊在 —起。

10.如申請專利範圍第1項的LED半導體本體（1)，其中， 第一活性層（31)及第二活性層（32)在LED半導體本體（1) 中是以單片結構的方式整合在一起。 1 1 .如申請專利範圍第1項的LED半導體本體（1 )，其中， LED半導體本體（1)被設置在承載元件（9)上。 12.如申請專利範圍第1 1項的LED半導體本體（1)，其中， 承載元件（9)具有導電性。

1 3.如申請專利範圍第1 1項的LED半導體本體（1)，其中， 承載元件（9)有別於LED半導體本體（1)的生長基板。 14. 如申請專利範圍第13項的LED半導體本體（1)，其中， 將生長基板從半導體本體（1)上移除。 15. 如申請專利範圍第1 1項的LED半導體本體（1)，其中’ LED半導體本體（1)及承載元件（9)之間設有反射層（8) ’ 其作用是將LED半導體本體（1)產生的輻射朝光子晶體 (6)的方向反射回去。 16.如申請專利範圍第15項的LED半導體本體（丨），其中， 13*62764 修正本 反射層（8)至少含有金屬Au、Al、Zn、Ag中之一者。 17. 如申請專利範圍第15項的LED半導體本體（1) ’其中’ 反射層（8)含有TCO。 18. 如申請專利範圍第15項的LED半導體本體（1)，其中’ 反射層（8)具有導電性。 19. 如申請專利範圍第15項的LED半導體本體（1)，其中， 反射層（8)含有氮化矽或氧化砂°

20. 如申請專利範圍第11項的LED半導體本體（1)，其中’ 光子晶體（6)係設置在LED半導體本體（1)背對承載元件 (9)的那一個面上。 21. 如申請專利範圍第I5項的LED半導體本體U)’其中’ 光子晶體（6)係設置在反射層（8)及LED半導體本體（1) 之間。 22.如申請專利範圍第1項的LED半導體本體（1)，其中， 在第一活性層（31)及第二活性層（3 2)之間有一穿隧接面

23.如申請專利範圍第22項的LED半導體本體（1)，其中， 穿隧接面（5)是由第一導電類型的高摻雜層及第二導電 類型的高摻雜層所形成。 2 4.如申請專利範圍第1項的LED半導體本體（1)，其中， LED半導體本體（1)的兩個活性層（31，32)其中之一或是 兩個活性層（31，32)皆含有通式爲AlnGamIni-n_mP的化 合物半導體材料，且OSnSl’ OSmSl及n + m彡1。 13*62764 • ' 修正本 25 _如申請專利範圍第1項的LED半導體本體（1)，其中， LED半導體本體（1)的兩個活性層（31，32)其中之_或是 兩個活性層（3卜32)皆含有通式爲AlnGamIn|-nmAs的化 合物半導體材料，且OSnSl，OSmSl及n + mgj。

26. 如申請專利範圍第1項的LED半導體本體（1)，其中， LED半導體本體（1)的兩個活性層（31’ 32)其中之_或是 兩個活性層（31，32)皆含有通式爲AlnGamIni-n-mN的化 合物半導體材料，且OSn^l，OSmgl及n + m$ 1。 27. 如申請專利範圍第1的LED半導體本體（1)，其中，lED 半導體本體（1)是在垂直方向發出輻射。 2 8.如申請專利範圍第27項的LED半導體本體（1)，其中， 輻射角a $ 3 0度》 29. 如申請專利範圍第1的LED半導體本體（1)，其中，LED 半導體本體（1)是一種薄膜半導體本體。 30. —種LED半導體本體的使用方式，其將申請專利範圍第 1項至第29項中任一項的LED半導體本體（1)使用於輻 射發射組件。 3 1.—種LED半導體本體的使用方式，其將申請專利範圍第 1項至第29項中任一項的LED半導體本體（1)使用於投 影機。 -4-