TWI447963B

TWI447963B - 發光二極體

Info

Publication number: TWI447963B
Application number: TW099114474A
Authority: TW
Inventors: Jun Zhu; Peng Ji; feng-lei Yang; Guo-Fan Jin
Original assignee: Hon Hai Prec Ind Co Ltd
Priority date: 2010-05-06
Filing date: 2010-05-06
Publication date: 2014-08-01
Also published as: TW201140884A

Description

發光二極體

本發明涉及一種發光二極體，尤其涉及一種具有金屬光柵之發光二極體。

由氮化鎵半導體材料製成之高效藍光、綠光及白光發光二極體具有壽命長、節能、綠色環保等顯著特點，已被廣泛應用於大螢幕彩色顯示、汽車照明、交通訊號、多媒體顯示及光通訊等領域，特別於照明領域具有廣闊之發展潛力。

傳統之發光二極體通常包括N型半導體層、P型半導體層、設置在N型半導體層與P型半導體層之間之活性層、設置在P型半導體層上之P型電極(通常為透明電極)及設置在N型半導體層上之N型電極。發光二極體處於工作狀態時，於P型半導體層與N型半導體層上分別施加正、負電壓，這樣，存在於P型半導體層中之空穴與存在於N型半導體層中之電子在活性層中發生複合而產生光，光從發光二極體中射出。

然而，先前技術發光二極體之光取出效率(光取出效率通常指活性層中所產生之光從發光二極體內部釋放出之效率)較低，其主要原因係由於半導體之折射率大於空氣之折射率，來自活性層之大角度光在半導體與空氣之介面處發生全反射，從而大部分大角度光被限制在發光二極體之內部，直至被發光二極體內之材料完全吸收。

為了解決上述問題，先前技術中採用表面粗糙化或表面圖形化發光二極體之出光面之方法改變光線之入射角度從而提高發光二極體之出光率。惟這種方法只能在較小程度上改變光線之入射角，對於入射角較大之大角度光仍無法有效地提取，影響了發光二極體之出光率。

有鑒於此，提供一種光取出效率較高之發光二極體，以解決上述技術問題實為必要。

一種發光二極體，其包括：一基底；一第一半導體層、一活性層及一第二半導體層依次層疊設置於所述基底之一側；一第一電極與所述第一半導體層電連接；一導電層設置於第二半導體層遠離第二半導體層之表面；一第二電極與所述導電層電連接；其中，一金屬光柵設置於所述導電層之遠離基底之表面，該金屬光柵為複數金屬微結構排列成具有多行及多列之二維陣列。

與先前技術相比，由第二半導體層發出之大角度光在出射過程中遇到金屬光柵激發了表面電漿電磁耦子之共振，從而改變了光子之出射方向，實現了發光二極體之大角度光之取出，提高了發光二極體之光取出效率。進一步地，所述金屬光柵為陣列狀，故，該金屬光柵提高了發光二極體之出光均勻性。

10‧‧‧發光二極體

11‧‧‧基底

12‧‧‧緩衝層

13‧‧‧第一半導體層

14‧‧‧活性層

15‧‧‧第二半導體層

16‧‧‧第一電極

17‧‧‧導電層

18‧‧‧第二電極

19‧‧‧金屬光柵

圖1係本發明第一實施例之發光二極體之結構示意圖。

圖2係圖1所示發光二極體之俯視圖。

以下將結合附圖詳細說明本發明實施例的發光二極體。

請參閱圖1，本發明第一實施例提供一種發光二極體10。所述發光二極體10包括一基底11、一第一半導體層13、一活性層14、一第二半導體層15、一第一電極16、一導電層17、一第二電極18及一金屬光柵19。所述第一半導體層13、活性層14及第二半導體層15依次層疊設置於基底11之一側。所述第一電極16與所述第一半導體層13電連接。所述導電層17設置於所述第二半導體層15之遠離基底11之表面。所述金屬光柵19設置於所述導電層17之遠離基底11之表面。該金屬光柵19為複數金屬微結構排列而成之二維陣列。一第二電極18與所述導電層17電連接。

所述基底11具有支撐之作用。所述基底11之厚度為300至500微米，其材料包括藍寶石、砷化鎵、磷化銦、偏鋁酸鋰、鎵酸鋰、氮化鋁、矽、碳化矽及氮化矽等材料中之一種或幾種。本實施例中，所述基底11之厚度為400微米，其材料為藍寶石。

可選擇地，一緩衝層12設置於基底11及第一半導體層13之間，並與基底11及第一半導體層13分別接觸，此時第一半導體層13靠近基底11之表面與緩衝層12接觸。可以理解，當沒有緩衝層12存在時，第一半導體層13直接設置於基底11之表面。所述緩衝層12有利於提高材料之磊晶生長品質，減少晶格失配。所述緩衝層12之厚度為10奈米至300奈米，其材料為氮化鎵或氮化鋁等。本實施例中，所述緩衝層12之厚度為20奈米至50奈米，材料為氮化鎵。所述第一半導體層13設置於基底11之一側。

所述第一半導體層13具有台階結構。所述第一半導體層13包括一第一表面、一第二表面及一第三表面。該三個表面相互平行。第二表面及第三表面均與第一表面相對設置。該第一半導體層13之第二表面與第三表面具有不同之高度，從而使第一半導體層13具有一台階。第二表面係該台階之高度較低之表面，第三表面係該台階之高度較高之表面。相比於第三表面，第二表面與第一表面之距離較小。將第一半導體層13設置於基底11之一側時，第一半導體層13之第一表面靠近基底11設置。所述活性層14及第二半導體層15依次設置於第一半導體層13之第三表面。優選地，活性層14及第一半導體層13之第三表面之接觸面積與第一半導體層13之第三表面之面積相等。第二半導體層15完全覆蓋活性層14之遠離基底11之表面。可選擇地，所述第一半導體層13之第三表面與第二表面可位於一個平面即第二表面及第三表面高度相同，此時，所述活性層14與第二半導體層15依次層疊設置於所述第一半導體層13之部分表面，從而形成台階結構。第一電極16設置於第一半導體層13之第二表面。

所述第一半導體層13、第二半導體層15分別為N型半導體層及P型半導體層兩種類型中之一種。具體地，當該第一半導體層13為N型半導體層時，第二半導體層15為P型半導體層；當該第一半導體層13為P型半導體層時，第二半導體層15為N型半導體層。所述N型半導體層起到提供電子之作用，所述P型半導體層起到提供空穴之作用。N型半導體層之材料包括N型氮化鎵、N型砷化鎵及N型磷化銅等材料中之一種或幾種。P型半導體層之材料包括P型氮化鎵、P型砷化鎵及P型磷化銅等材料中之一種或幾種。所述第一半導體層13之厚度為1微米至5微米。所述第二半導體層15之厚度為0.1微米至3微米。本實施例中，所述第一半導體層13為N型半導體層，該第一半導體層13之第一表面及第三表面之距離為0.3微米，第一表面及第二表面之距離為0.1微米。第一半導體層13之材料為N型氮化鎵。所述第二半導體層15為P型半導體層，該第二半導體層15之厚度為0.3微米，材料為P型氮化鎵。

活性層14設置於第一半導體層13之第三表面。所述活性層14為一量子井(Quantum Well)結構，包含一層或多層量子井層。所述活性層14用於提供光子。所述活性層14之材料為氮化鎵、氮化銦鎵、氮化銦鎵鋁、砷化稼、砷化鋁稼、磷化銦鎵、磷化銦砷或砷化銦鎵中之一種或幾種，其厚度為0.01微米至0.6微米。本實施例中，所述活性層14為二層結構，包括一氮化銦鎵層及一氮化鎵層，其厚度為0.3微米。所述第一半導體層13之第二表面與第二半導體層15之遠離基底11的表面之間的距離係0.8微米。

所述導電層17至少包括一金層、一氧化銦錫層或一銀層。當所述導電層17僅為金層時，所述導電層17之厚度範圍為1奈米至10奈米。當所述導電層17包括一金層，可於所述金層及第二半導體層15之間設置一鎳層。所述鎳層之作用為增加金層及第二半導體層15之間之結合力，此時所述導電層17之厚度範圍為1奈米至10奈米。當所述導電層17為氧化銦錫時，所述導電層17之厚度範圍10奈米至200奈米。本實施例中，所述導電層17為二層結構，其包括一層厚度為5奈米之鎳層及一層厚度為5奈米之金層，並且鎳層直接鋪設於第二半導體層15之表面，金層鋪設於鎳層之表面。所述導電層17之作用為提供均勻之電流給第一半導體層16。

請參閱圖2，所述金屬光柵19為複數金屬微結構排列形成之二維陣列。所述複數金屬微結構排列成多行及多列之二維陣列結構。沿所述二維陣列之行及列方向，所述複數金屬微結構相互間隔設置，且沿所述二維陣列之行及列方向週期性排列。沿所述二維陣列之行方向上相鄰二微結構之間的間距相等。沿所述二維陣列之列方向上相鄰二微結構之間的間距相等。該金屬微結構之形狀為錐形、楔形或柱形。所述柱形可為圓柱或棱柱。本實施例中，所述金屬微結構為方柱。複數金屬方柱形成週期性之金屬方柱陣列。所述金屬方柱陣列中之金屬方柱之高度範圍為20奈米至1020奈米，金屬方柱之長及寬之範圍為60奈米至120奈米。優選地，相鄰二金屬方柱之高度範圍為20奈米至100奈米。相鄰二金屬方柱之中心線之間的距離為200奈米至1000奈米。所述相鄰二金屬方柱之含義為沿金屬方柱陣列之行或列方向上相鄰二金屬方柱。本實施例中，請參閱圖2，相鄰二金屬方柱為沿A方向或B方向相鄰之二金屬方柱。所述金屬光柵19之材料為金或銀，優選地，採用銀作為金屬光柵19之材料。銀作為金屬光柵19之材料可以更有效地提高發光二極體之出光率。本實施例中所述複數金屬方柱之材料為銀，金屬方柱中之每一金屬方柱之高度均為50奈米，長及寬均為85奈米。相鄰二金屬方柱之中心線之間的距離為680奈米。可在金屬方柱之暴露於外界之表面進一步地覆蓋一層厚度為2奈米至20奈米之二氧化矽膜。金屬方柱與導光層17相接觸之表面未覆蓋二氧化矽膜。本實施例中，該二氧化矽膜之厚度為3奈米至5奈米。該二氧化矽膜可以有效地防止銀氧化，且不影響發光二極體之出光率。所述金屬光柵19可通過一佔空比描述。所述金屬光柵19之佔空比為沿所述金屬微結構形成之二維陣列之行或列方向上分別計算之佔空比。所述佔空比之計算方法為沿二維陣列之行或列方向上，金屬微結構之邊長與相鄰之二金屬方柱之中心線之間的距離之比。本實施例中，請參閱圖2，金屬光柵19沿行方向上即A方向上之佔空比為0.06：1至0.6：1，金屬光柵19沿列方向上即B方向上之佔空比為0.06：1至0.6：1，通過控制金屬光柵19之佔空比可以提高發光二極體10之出光率。

所述第一電極16、第二電極18可為N型電極或P型電極兩種類型中之一種。所述第二電極18之類型與第二半導體層15之類型相同。第一電極16與第一半導體層13之類型相同。所述第二電極18、第一電極16至少為一層結構，他們之厚度為0.01微米至2微米。所述第一電極16、第二電極18之材料包括鈦、鋁、鎳及金中之一種或其任意組合。優選地，所述第二電極18為N型電極，該第二電極18為兩層結構，包括一厚度為150埃之鈦層及一厚度為2000埃之金層。所述第一電極16為P型電極，該第一電極16為二層結構，包括一厚度為150埃之鎳層及一厚度為1000埃之金層。本實施例中，第一電極16設置於所述第一半導體層13之第二表面，第二電極18及金屬光柵19均設置於所述導電層17之遠離基底11之表面。週期性排列之金屬微結構及第二電極18覆蓋導電層17之遠離基底11之表面。

本發明第二實施例提供一種發光二極體。第二實施例中的發光二極體之結構同第一實施例中的發光二極體之結構相似，其區別在於，所述金屬光柵中金屬方柱之高度為45奈米，相鄰二金屬方柱之中心線之間的距離為270奈米，金屬方柱之長度及寬度均為85奈米，導電層為二結構，其包括一層厚度為5奈米之鎳層及一層厚度為5奈米之金層，並且鎳層直接鋪設於第二半導體層15的遠離基底11之表面，金層鋪設於鎳層的遠離基底11之表面。所述金屬方柱之材料為銀。第二實施例中金屬光柵之沿行及列方向上之佔空比均為0.3148：1。

本發明第三實施例提供一種發光二極體。第三實施例中之發光二極體之結構同第一實施例中之發光二極體之結構相似，其區別在於，所述導電層為單層結構，所述導電層為一氧化銦錫層，該氧化銦錫層之厚度為200奈米，所述金屬光柵為方柱結構，相鄰方柱之中心線之間的距離為260奈米，金屬方柱之高度為55奈米，長及寬均為85奈米，所述金屬方柱之材料為銀。第三實施例中金屬光柵之沿著行及列之方向上之佔空比均為0.3269：1。

本發明第四實施例提供一種發光二極體。第四實施例中之發光二極體之結構同第三實施例中之發光二極體之結構相似，其區別在於，所述金屬光柵為方柱結構，相鄰方柱之中心線之間的距離為680奈米，所述金屬方柱之材料為銀。所述導電層為單層結構，所述導電層為一氧化銦錫層，該氧化銦錫層之厚度為200奈米，金屬方柱之高度為50奈米，長及寬均為85奈米。第四實施例中金屬光柵之沿著行及列之方向上之佔空比均為0.125：1。

由第二半導體層發出之大角度光在出射過程中遇到金屬光柵激發了表面電漿電磁耦子共振，從而改變了光子之出射方向，提高了大角度光之出光率。表面電漿子(surface plasmon)係沿金屬表面傳播之波，其本質係光子與導體中之自由電子相互作用而被表面俘獲之光波。表面電漿子可以通過亞波長結構來彙聚及導引光波，從而起到增強透射之作用。因此，於發光二極體之第二半導體層之表面設置週期性金屬微結構陣列可以提高發光二極體之大角度光之取出率。進一步地，陣列狀之金屬光柵可以提高出光之均勻性。由於銀係產生表面電漿電磁耦子之最佳介質，故本發明採用銀作為金屬微結構之材料可以較好地提高發光二極體之出光率。

綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。