TWI393269B - 發光元件 - Google Patents

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Description

發光元件
本發明係揭示一種發光元件結構，特別是關於發光元件之發光層與發光元件沿磊晶成長方向之光強度分佈(Wave Intensity Distribution)曲線峰值區域在空間上不互相重疊之結構。
發光二極體(light-emitting diode, LED)的發光原理是利用電子在n型半導體與p型半導體間移動的能量差，以光的形式將能量釋放，這樣的發光原理係有別於白熾燈發熱的發光原理，因此發光二極體被稱為冷光源。此外，發光二極體具有高耐久性、壽命長、輕巧、耗電量低等優點，因此現令的照明市場對於發光二極體寄予厚望，將其視為新一代的照明工具。
如第1A圖所示，習知之發光二極體100包含一基板10、一位於基板10上之磊晶結構12，以及至少一位於磊晶結構12上之電極14；此磊晶結構12更包含一第一導電型半導體層120、一發光 層122，以及一第二導電型半導體層124由上而下堆疊而成；其中，發光層122之結構通常為多重量子井(Multiple Quantum Well, MQW)結構。
第1B圖為習知發光二極體100之能隙示意圖。如第1B圖所示，習知之發光二極體100發光層122之結構係由數個量子障壁層(quantum barrier layer)130與量子井層(quantum well layer)132交互排列而組成，其中量子井層132通常採用能隙(band-gap)較障壁層130小之材質。然而，此量子井層132除了發出光線外，當具有與量子井層132所發出光線波長相同或更短的光線通過量子井層132時，此量子井層132亦會吸收此通過的光線；上述量子井層132吸光之情形存在於氮化鎵(GaN)系列與磷化鋁鎵銦(AlGaInP)系列材料之發光元件中，特別是磷化鋁鎵銦系列材料之吸光情形尤為明顯。
此外，為了提高發光二極體100之內部量子效率，發光層122多為20至100層的量子障壁層(quantum barrier layer)130與量子井層(quantum well layer)交錯堆疊之結構；因此，發光層124所發出之光線被其自身之量子井層132所吸收的情況亦隨著量子井層132堆疊層數與厚度增加而更加明顯。
第1C圖為對應習知之發光二極體磊晶結構12之光強度分佈曲線圖，如圖所示，習知的發光二極體100沿磊晶成長方向A具有一光強度分佈曲線B，此強度分佈曲線B具有一峰值區域，此所謂之峰值區域係指光強度分佈曲線中，強度大於分佈曲線最大光強度之百分之九十之區域(圖中虛線B1 與虛線B2 與強度分佈曲線所構成之區域)，其中峰值區域與發光層122位置相互重疊；此外，藉由計算光強度分佈曲線B中對應發光層122空間位置之面積(圖 中斜線區域)佔分佈曲線總面積之比例可以得到一發光層122之光侷限因子(Optical Confinement Factor, τactive layer )，如圖所示，習知結構之光侷限因子約為百分之六十；綜上所述，由於大多數發光疊層12所發出的光線大多侷限於發光層122所在之位置，再加上發光層122之材質容易吸收光線，使發光二極體100之發光效率無法有效提高。
為了解決上述問題，本發明便提出一種發光二極體結構，以減少光線被發光層吸收之機率，藉此提高光摘出效率。
本發明之目的係提供一發光元件結構，此發光元件結構沿磊晶成長方向之光強度曲線其峰值區域與發光層位置在空間上不相互重疊。
本發明之另一目的係提供一發光元件結構，其發光層不位於發光元件結構沿磊晶成長方向的光強度分佈曲線峰值區域，以減少發光層材質吸光之問題，並且提高發光元件之光摘出效率。
本發明之再一目的係提供一發光元件結構其發光層之光侷限因子(τactive layer )小於百分之六十。
底下藉由具體實施例配合所附的圖式詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。
第2圖為本發明之結構示意圖，如第2圖所示，本發明之發光元件200係包含一基板20，並於基板20上形成一磊晶結構22，此磊晶結構22由上而下係由一第一導電型包覆層220、一第一導電型侷限層222、一發光層224、一第二導電型侷限層226，以及 一第二導電型包覆層228所堆疊成長而成，此外，更包含至少一電極24形成於磊晶結構22上，其中第一導電型侷限層222之厚度T1 不等於第二導電型侷限層226之厚度T2 。第一導電型侷限層222與第二導電型侷限層226之厚度比值T1 /T2 可以是1/2至1/200或2至200；其中，第一導電型侷限層222與第二導電型侷限層226之厚度比值又以小於1/100與大於100為佳。
此外，發光層224具有一第一折射率n1 ，第一導電型侷限層222與第二導電型侷限層226具有一第二折射率n2 ，第一導電型包覆層220與第二導電型包覆層228則具有一第三折射率n3 ，而上述各層之折射率滿足第一折射率大於第二折射率，而第二折射率又大於第三折射率(n1 >n2 >n3 )之關係；由於磊晶結構22中，第一導電型侷限層222與第二導電型侷限層226之第二折射率n2 係介於發光層224的第一折射率n1 以及第一導電型包覆層220與第二導電型包覆層228的第三折射率n3 之間，因此相較於第一導電型包覆層220與第二導電型包覆層228，光線較容易被侷限於第一導電型侷限層222與第二導電型侷限層226中；再者，由於第一導電型侷限層222與第二導電型侷限層226厚度差異，使本發明發光元件200，如第3圖所示，其磊晶結構22在沿著磊晶成長方向具有一光強度分佈曲線，此分佈曲線具有一峰值區域E，且此峰值區域E與磊晶結構22之發光層224在空間上不相互重疊，其中所謂峰值區域E係指光強度分佈曲線中，光強度大於分佈曲線最大光 強度之百分之九十之區域。
第4圖為本發明較佳實施例之結構示意圖，如第4圖所示，發光元件300包含一基板30、一位於基板30上之磊晶結構32，以及至少一位於磊晶結構32上之電極34，其中磊晶結構由上而下至少包含一第一導電型包覆層320、一第一導電型侷限層322、一發光層324、一第二導電型侷限層326，以及一第二導電型包覆層328；其中，基板係選自具有高導熱、高透光、高反射或高導電等特性之材料；此外，於本實施例中，第一導電型侷限層322之厚度T1 較佳為約500nm而第二導電型侷限層326之厚度T2 較佳為約5nm，第一導電型侷限層322與第二導電型侷限層326之厚度比值T1 /T2 約為100；再者，發光層324結構係為磷化鋁銦鎵(AlGaInP)之多重量子井結構，係由磷化鋁銦鎵之量子井層(圖未示)與量子障壁層(圖未示)交互堆疊而成，由於量子井層與量子障壁層分別具有不同之折射率，因此，多重量子井結構可依照其構成之比例計算得到一等效之第一折射率n 1 ，而第一導電型侷限層322與第二導電型侷限層326分別具有一第二折射率n2 ，第一導電型包覆層320與第二導電型包覆層328分別具有第三折射率n3 ，其中上述各層之折射率滿足第一折射率大於第二折射率，而第二折射率又大於第三折射率(n 1 >n2 >n3 )之關係。
第5圖為本發明較佳實施例沿磊晶成長方向之光強度分佈曲線對應磊晶結構示意圖，如第5圖所示，於上述較佳實施例中，發 光元件300於沿著磊晶方向C具有一光強度分佈曲線D，其中由於磊晶結構32中，各層材質之折射率之差異以及第一導電型侷限層322與第二導電型侷限層326之厚度不同，使光強度分佈曲線D之峰值區域(圖中虛線D1 與虛線D2 與強度分佈曲線所構成之區域)在空間上不與發光層324重疊。所謂峰值區域係指分佈曲線中強度大於最大強度百分之九十的區域，此外，藉由計算光強度分佈曲線中對應發光層324空間位置之面積(圖中斜線區域)佔光強度分佈曲線總面積之比例可以得到一發光層324之光侷限因子(τactive layer )，於本實施例中，發光層324之光侷限因子小於於百分之六十，較佳者為不大於百分之三十。
由於光線自發光層324發出至光線離開發光元件300之過程中，光線大多會被侷限於與峰值區域對應之結構傳導，因此使發光層324之光侷限因子(τactive layer )小於百分之六十，且磊晶結構32中沿著磊晶成長方向的光強度分佈曲線之峰值區域與材質容易吸收光線的發光層324在空間上不相互重疊，藉此降低發光層發出之光線被其自身吸收之機率，以提高發光二極體之光摘出效率。
第6圖為本發明之另一實施例之結構示意圖，於發光元件300之結構中，此磊晶結構32更可包含一第一導電型窗戶層330與一第二導電型窗戶層332分別位於第一導電型包覆層320之上以及第二導電型包覆層328之下；其中第一導電型窗戶層330之出光表面以及第二導電型窗戶層332之下表面可為粗化表面，藉此減 少光線由發光層324發出後因材料折射率之變化產生全反射(Total Intemal Reflection, TIR)之情形，以提高光摘出效率。
此外，於基板30與磊晶結構32之間，更包含一黏結層340，用以固定磊晶結構32於基板30上；其中此黏結層之材質可以選自聚醯亞胺(PI)、苯并環丁烯(BCB)與過氟環丁烷(PFCB)所構成材料族群中之至少一種材料或金屬材料。
以上所述之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。
100‧‧‧發光二極體
10‧‧‧基板
12‧‧‧磊晶結構
14‧‧‧電極
120‧‧‧第一導電型半導體層
122‧‧‧發光層
124‧‧‧第二導電型半導體層
130‧‧‧量子障壁層
132‧‧‧量子井層
200‧‧‧發光元件
20‧‧‧基板
22‧‧‧磊晶結構
24‧‧‧電極
220‧‧‧第一導電型包覆層
222‧‧‧第一導電型侷限層
224‧‧‧發光層
226‧‧‧第二導電型侷限層
228‧‧‧第二導電型包覆層
300‧‧‧發光元件
30‧‧‧基板
32‧‧‧磊晶結構
34‧‧‧電極
320‧‧‧第一導電型包覆層
322‧‧‧第一導電型侷限層
324‧‧‧發光層
326‧‧‧第二導電型侷限層
328‧‧‧第二導電型包覆層
330‧‧‧第一導電型窗戶層
332‧‧‧第二導電型窗戶層
340‧‧‧黏結層
第1A圖為習知發光二極體之結構示意圖。
第1B圖為習知發光二極體之能隙(band-gap)示意圖。
第1C圖為習知發光二極體沿著磊晶成長方向之光強度分佈曲線示意圖。
第2圖為本發明之發光元件結構示意圖。
第3圖為本發明之發光元件沿著磊晶成長方向之光強度分佈曲線示意圖。
第4圖為本發明較佳實施例之結構示意圖。
第5圖為本發明較佳實施例沿著磊晶成長方向之光強度分佈曲線 示意圖。
第6圖為本發明另一實施例之結構示意圖。
30‧‧‧基板
32‧‧‧磊晶結構
34‧‧‧電極
300‧‧‧發光元件
320‧‧‧第一導電型包覆層
322‧‧‧第一導電型侷限層
324‧‧‧發光層
326‧‧‧第二導電型侷限層
328‧‧‧第二導電型包覆層

Claims (29)

  1. 一種發光元件，至少具有一磊晶結構，其中該磊晶結構具有一發光層，該發光層所產生之光線其一光強度係沿該磊晶結構成長方向分佈變化，其中一最大光強度係位於發光層以外之區域。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該光強度分佈變化包含一峰值區域，且該峰值區域之光強度大於該最大光強度之百分之九十。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該磊晶結構之材料可以是氮化鎵或磷化鋁鎵銦系列材料。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，更包含一基板，位於該磊晶結構下。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，更包含至少一電極位於該磊晶結構上。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之發光元件，更包含一黏結層位於該基板與該磊晶結構之間。
  7. 如申請專利範圍第4項所述之發光元件，其中該基板之材質係選自導電材料、導熱材料、透光材料與反射材料所構成之群組。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該磊晶結構更包含：一第一導電型侷限層與一第二導電型侷限層，分別位於該發光層之上下表面；以及 一第一導電型包覆層與一第二導電型包覆層，分別位於該第一導電型侷限層上與該第二導電型侷限層下；其中，該第一導電型侷限層之厚度與該第二導電型侷限層之厚度比係為小於1/100或大於100。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之發光元件，其中該發光層具有一第一折射率n1 ；該第一導電型侷限層與該第二導電型侷限層具有一第二折射率n2 ；該第一導電型包覆層與該第二導電型包覆層具有一第三折射率n3 ；其中，該第一折射率n1 、該第二折射率n2 以及該第三折射率n3 滿足n1 >n2 >n3 之關係。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之發光元件，其中該磊晶結構更包含一第一導電型窗戶層，位於該第一導電型包覆層上。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之發光元件，其中該第一導電型窗戶層之出光面係為一粗化表面。
  12. 如申請專利範圍第8項所述之發光元件，其中該磊晶結構更包含一第二導電型窗戶層位於該第二導電型包覆層下。
  13. 如申請專利範圍第10項所述之發光元件，其中該第二導電型窗戶層之下表面係為一粗化表面。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該發光層之結構係選自單異質結構(single heterostructure,SH)、雙異質結構(double heterostructure,DH)、雙側雙異質結構(double-side double heterostructure,DDH)與多層量子井(multi-quantum well, MQW)所構成之群組。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該發光層之光侷限因子(τactive layer )小於百分之六十。
  16. 一種發光元件，至少包含一發光疊層，包含：一發光層；一第一導電型侷限層位於該發光層上；一第二導電型侷限層位於該發光層下；以及一基板，位於該第二導電型侷限層下；其中，該第一導電型侷限層之厚度與該第二導電型侷限層之厚度比係為小於1/100或大於100。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之發光元件，其中該發光疊層更包含一第一導電型包覆層與第二導電型包覆層分別位於該第一導電型侷限層上與第二導電型侷限層下。
  18. 如申請專利範圍第16項所述之發光元件，其中更包含至少一電極位於該發光疊層上。
  19. 如申請專利範圍第16項所述之發光元件，其中該發光疊層係氮化鎵或磷化鋁鎵銦系列材料。
  20. 如申請專利範圍第17項所述之發光元件，更包含一第一導電型窗戶層，位於該第一導電型包覆層上。
  21. 如申請專利範圍第20項所述之發光元件，其中該第一導電型 窗戶層之出光面係為一粗化表面。
  22. 如申請專利範圍第17項所述之發光元件，更包含一第二導電型窗戶層，位於該基板與該第二導電型包覆層之間。
  23. 如申請專利範圍第22項所述之發光元件，其中該第二導電型窗戶層之下表面係為一粗化表面。
  24. 如申請專利範圍第23項所述之發光元件，更包含一黏結層於該基板與該第二導電型窗戶層之間。
  25. 如申請專利範圍第17項所述之發光元件，其中該發光層具有一第一折射率n1 ；該第一導電型侷限層與該第二導電型侷限層具有一第二折射率n2 ；以及該第一導電型包覆層與該第二導電型包覆層具有一第三折射率n3 ，其中該第一折射率n1 、該第二折射率n2 以及該第三折射率n3 滿足n1 >n2 >n3 之關係。
  26. 如申請專利範圍第16項所述之發光元件，其中該發光層之結構係選自單異質結構(single heterostructure,SH)、雙異質結構(double heterostructure,DH)、雙側雙異質結構(double-side double heterostructure,DDH)與多層量子井(multi-quantum well,MQW)所構成之群組。
  27. 如申請專利範圍第16項所述之發光元件，其中該發光層之光侷限因子小於百分之六十。
  28. 一種發光元件，至少包含一發光疊層，包含： 一發光層一第一導電型侷限層位於該發光層上；以及一第二導電型侷限層位於該發光層下；以及一第一導電型包覆層位於該第一導電型侷限層上；一第二導電型包覆層位於該第二導電型侷限層下；以及一基板，位於該第二導電型侷限層下；其中，該第一導電型侷限層之厚度與該第二導電型侷限層之厚度比係為小於1/100或大於100，其中，該發光層所產生之光線其一光強度係沿該磊晶結構成長方向分佈變化，其中一最大光強度係位於發光層以外之區域。
  29. 如申請專利範圍第28項所述之發光元件，其中該發光層具有一第一折射率n1 ；該第一導電型侷限層與該第二導電型侷限層具有一第二折射率n2 ；以及該第一導電型包覆層與該第二導電型包覆層具有一第三折射率n3 ，其中該第一折射率n1 、該第二折射率n2 以及該第三折射率n3 滿足n1 >n2 >n3 之關係。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI462324B (zh) * 2007-05-18 2014-11-21 Delta Electronics Inc 發光二極體裝置及其製造方法
JP5661660B2 (ja) * 2012-02-07 2015-01-28 株式会社東芝 半導体発光素子

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6555403B1 (en) * 1997-07-30 2003-04-29 Fujitsu Limited Semiconductor laser, semiconductor light emitting device, and methods of manufacturing the same
TW200414563A (en) * 2003-01-30 2004-08-01 South Epitaxy Corp Light emitting diode and a method of manufacturing the same
CN1619852A (zh) * 2003-10-28 2005-05-25 夏普株式会社 半导体发光器件

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6555403B1 (en) * 1997-07-30 2003-04-29 Fujitsu Limited Semiconductor laser, semiconductor light emitting device, and methods of manufacturing the same
TW200414563A (en) * 2003-01-30 2004-08-01 South Epitaxy Corp Light emitting diode and a method of manufacturing the same
CN1619852A (zh) * 2003-10-28 2005-05-25 夏普株式会社 半导体发光器件

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