TWI458131B - 半導體發光元件 - Google Patents

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TWI458131B TW100122488A TW100122488A TWI458131B TW I458131 B TWI458131 B TW I458131B TW 100122488 A TW100122488 A TW 100122488A TW 100122488 A TW100122488 A TW 100122488A TW I458131 B TWI458131 B TW I458131B
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Description

半導體發光元件
本發明是有關於一種半導體發光元件，且特別是有關於一種可讓特定波長範圍的雷射光穿透之半導體發光元件。
發光二極體(Light-Emitting Diode，LED)主要是透過電能轉化為光能的方式發光。發光二極體的主要的組成材料是半導體，其中含有帶正電的電洞比率較高的稱為P型半導體，含有帶負電的電子比率較高的稱為N型半導體。P型半導體與N型半導體相接處形成PN接面。在發光二極體的正極及負極兩端施加電壓時，電子將與電洞結合。電子與電洞結合後便以光的形式發出。
由於發光二極體具有壽命長、溫度低、能源利用率高等優點，近年來發光二極體已廣泛應用於背光模組、檯燈、交通號誌燈、車用煞車燈等。傳統光源已逐漸被發光二極體所取代。
請參照第1圖，其繪示習知一種反射層之反射光譜的示意圖。發光二極體的基板背面若形成一分散式布拉格反射層(Distributed bragg reflector,DBR)時，雖可增加基板正面的出光量，但由於反射層對於波長介於400～700nm之間的入射光為高反射波段(反射率大於90%以上)，而一般用來切割基板之雷射光的波長約為532nm，勢必會被反射層反射回去，因而無法以雷射光進行基板切割製程，造成製程上的困難。
本發明係有關於一種半導體發光元件，其基板上形成有干涉薄膜，可調變不同波段之穿透率及反射率，以使特定波長範圍的雷射光穿透此干涉薄膜，而不會被反射回去。
根據本發明之一方面，提出一種半導體發光元件，其包括一基板、一磊晶層以及一干涉薄膜。基板具有相對之第一表面以及第二表面。磊晶層配置於第一表面上。干涉薄膜配置於第二表面上。干涉薄膜由折射率相差至少0.7的多數層第一材質之薄膜以及多數層第二材質之薄膜相互交替堆疊而成。干涉薄膜之反射光譜具有至少一頻通帶，允許一特定波長的入射光穿透。。
為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
本實施例之半導體發光元件，係在基板的表面上利用高折射率材料以及低折射率材料交替堆疊且成對配置的化合物來製作一干涉薄膜。化合物之材質可為氧化物(Oxide)、氮化物(Nitride)、碳化物(Carbide)及氟化物(Fluoride)等材質。這些化合物可藉由物理氣相沈積(Physical vapor deposition,PVD)法依序形成不同折射率以及不同光學厚度之膜層。各膜層的光學厚度與入射光的波長有關，當各膜層之折射率與光學厚度之乘積等於入射光之波長的四分之一時，因入射光與反射光的光程差恰好為入射光之波長的整數倍(nλ，n=1,2,3…)，則產生建設性干涉。此外，當各膜層之折射率與光學厚度之乘積等於入射光之波長的二分之一時，因入射光與反射光的光程差恰好為入射光之半波長的奇數倍((2n-1)λ/2，n=1,2,3…)，則產生破壞性干涉。由此可知，干涉薄膜可藉由上述之干涉原理及材質特性，來改變入射光之傳遞特性，包括光的透射、反射、吸收、散射、偏振及相位改變。故，本實施例經由適當設計可以調變不同波段之穿透率及反射率，以使特定波長範圍的雷射光可穿透半導體發光元件。舉例來說，干涉薄膜可允許中心波長介於532±10nm之間的入射光穿透，且反射率小於40%，並禁止特定波長以外之入射光穿透，且反射率大於90%。當入射光為同調性高且高能量的532nm或1064nm固態雷射時，入射光可穿透干涉薄膜，用來切割發光二極體之基板，例如是藍寶石基板、碳化矽基板或矽基板等。
以下係提出各種實施例進行詳細說明，實施例僅用以作為範例說明，並非用以限縮本發明欲保護之範圍。
第一實施例
請參照第2圖，其繪示依照一實施例之半導體發光元件的剖面示意圖。半導體發光元件100包括一基板110、一磊晶層120以及一干涉薄膜130。基板110具有相對之第一表面112以及第二表面114。磊晶層120配置於第一表面112上。磊晶層120依序包括第一半導體層122、活化層124以及第二半導體層126。當施加電壓於第一半導體層122與第二半導體層126時，活化層124中的電子將與電洞結合，再以光的形式發出。
此外，干涉薄膜130配置於第二表面114上。干涉薄膜130由折射率相差至少0.7的多數層第一材質之薄膜132以及多數層第二材質之薄膜134相互交替堆疊而成。干涉薄膜130之總層數至少大於7層。層數越高，光穿透率或光反射率的效果越明顯。
在本實施例中，第一材質例如為二氧化鈦，其折射率為2.5。第二材質例如為二氧化矽，其折射率為1.47。干涉薄膜130位於基板110與空氣之間，其結構式表示為：
基板/(H1 L1 )m H1 (H2 L2 )m H2 /空氣
其中，各膜層的光學厚度與入射光之波長的關係如下：
H1 ：表示第一材質之薄膜132的光學厚度(為入射光的中心波長450nm的四分之一)
L1 ：表示第二材質之薄膜134的光學厚度(為入射光的中心波長450nm的四分之一)
H2 ：表示第一材質之薄膜132的光學厚度(為入射光的中心波長644nm的四分之一)
L2 ：表示第二材質之薄膜134的光學厚度(為入射光的中心波長644nm的四分之一)
m：表示層數
詳細而言，當第一材質之薄膜132的折射率與光學厚度的乘積等於中心波長450nm的四分之一時，可推算出第一材質之薄膜132的光學厚度約為45nm；同樣，當第二材質之薄膜134的折射率與光學厚度的乘積等於中心波長450nm的四分之一時，可推算出第二材質之薄膜134的光學厚度約為76.5nm。此外，當第一材質之薄膜132的折射率與光學厚度的乘積等於入射光的中心波長644nm的四分之一時，可推算出第一材質之薄膜132的光學厚度約為64.4nm；同樣，當第二材質之薄膜134的折射率與光學厚度的乘積等於入射光的中心波長644nm的四分之一時，可推算出第二材質之薄膜134的光學厚度約為109.5nm。
請參照第2圖，在上述之干涉薄膜130的結構式中，(H1 L1 )m H1 為第一建設性干涉薄膜130a，各膜層的光學厚度為中心波長450nm的四分之一，而第一建設性干涉薄膜130a的總層數至少大於7。此外，(H2 L2 )m H2 為第二建設性干涉薄膜130b，各膜層的光學厚度為中心波長644nm的四分之一，而第二建設性干涉薄膜130b的總層數至少大於7。
請參照第3圖，其繪示依照一實施例之干涉薄膜之反射光譜的示意圖。第一建設性干涉薄膜130a之反射光譜形成有一第一止頻帶SB1，可禁止波長介於400～500nm之間的入射光穿透，反射率大於90%。第二建設性干涉薄膜130b之反射光譜形成有一第二止頻帶SB2，可禁止波長介於550～700nm之間的入射光穿透，反射率大於90%。第一止頻帶SB1與第二止頻帶SB2之間將形成一頻通帶PB，其波段介於500～550nm之間。因此，本實施例之干涉薄膜130僅允許波長介於500～550nm之間的入射光穿透。較佳地，干涉薄膜130僅允許中心波長介於532±10nm之間的入射光穿透，且反射率小於40%或小於10%。在另一實施例中，干涉薄膜僅允許中心波長介於1064±10nm之間的入射光穿透，且反射率小於40%或小於10%。
第二實施例
請參照第4圖，其繪示依照本發明一實施例之半導體發光元件的剖面示意圖。半導體發光元件200包括一基板210、一磊晶層220以及一干涉薄膜230。基板210具有相對之第一表面212以及第二表面214。磊晶層220配置於第一表面212上。磊晶層220依序包括第一半導體層222、活化層224以及第二半導體層226。當施加電壓於第一半導體層222與第二半導體層226時，活化層224中的電子將與電洞結合，再以光的形式發出。
此外，干涉薄膜230配置於第二表面214上。干涉薄膜230由折射率相差至少0.7的多數層第一材質之薄膜232以及多數層第二材質之薄膜234相互交替堆疊而成。干涉薄膜230之總層數至少大於7層。層數越高，光穿透率或光反射率的效果越明顯。
在本實施例中，第一材質例如為二氧化鈦，其折射率為2.5。第二材質例如為二氧化矽，其折射率為1.47。干涉薄膜230位於基板210與空氣之間，其結構式表示為：
基板/(HL)m H 2S(HL)m H L(HL)m H 2S(HL)m H/空氣
其中，各膜層的光學厚度與入射光之波長的關係如下：
H：表示第一材質之薄膜232的光學厚度(為入射光的中心波長532nm的四分之一)
L：表示第二材質之薄膜234的光學厚度(為入射光的中心波長532nm的四分之一)
2S：為空間層236的光學厚度，可為2mH或2mL，表示為第一材質之薄膜232或第二材質之薄膜234的光學厚度(為入射光的中心波長532nm的二分之一)
m：表示層數，1,2,3…
詳細而言，當第一材質之薄膜232的折射率與光學厚度的乘積等於中心波長532nm的四分之一時，可推算出第一材質之薄膜232的光學厚度約為53.2nm；同樣，當第二材質之薄膜234的折射率與光學厚度的乘積等於中心波長532nm的四分之一時，可推算出第二材質之薄膜234的光學厚度約為90.5nm。此外，當空間層236的光學厚度(以第二材質之薄膜234的折射率與光學厚度的乘積為例)等於入射光的中心波長532nm的二分之一時，可推算出空間層的光學厚度約為181nm。
在上述之干涉薄膜230的結構式中，共有四組建設性干涉薄膜及三組破壞性干涉薄膜相互堆疊，總層數至少大於7。(HL)m H為一建設性干涉薄膜，其膜層的厚度為中心波長532nm或1064nm的四分之一。此外，2S為破壞性干涉薄膜，其膜層的厚度為中心波長532nm或1064nm的二分之一。
請參照第5圖，其繪示依照一實施例之干涉薄膜之反射光譜的示意圖。建設性干涉薄膜之反射光譜分別形成四個止頻帶SB1～SB4其中之一，可分別禁止波長介於400～425nm、450～520nm、550～650nm以及675～700nm之間的入射光穿透，且反射率大於90%。上述四個止頻帶SB1～SB4中，相鄰二止頻帶之間將分別形成一頻通帶PB1～PB3，其波段分別介於425～450nm、520～550nm之間以及650～675nm之間。此外，破壞性干涉薄膜可允許波長介於520～550nm之間的入射光穿透。因此，本實施例之干涉薄膜230僅允許波長介於425～450nm、520～550nm以及650～675nm之間的入射光穿透。較佳地，干涉薄膜230僅允許中心波長介於435nm±10nm、532±10nm以及662±10nm之間的入射光穿透，且反射率小於40%。
本發明上述實施例所揭露之半導體發光元件，係在基板的表面上利用高折射率材料以及低折射率材料交替堆疊且成對配置的化合物來製作一干涉薄膜。干涉薄膜可藉由干涉原理及材質特性，來改變入射光之傳遞特性。故，本實施例經由適當設計可以調變不同波段之穿透率及反射率，以使特定波長範圍的雷射光可穿透半導體發光元件。
綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100、200．．．半導體發光元件
110、210．．．基板
112、212．．．第一表面
114、214．．．第二表面
120、220．．．磊晶層
122、222．．．第一半導體層
124、224．．．活化層
126、226．．．第二半導體層
130、230．．．干涉薄膜
130a、130b．．．建設性干涉薄膜
132、232．．．第一材質之薄膜
134、234．．．第二材質之薄膜
236．．．空間層(可為第一材質或第二材質)
SB1、SB2、SB3、SB4．．．止頻帶
PB、PB1～PB3．．．頻通帶
第1圖繪示習知一種反射層之反射光譜的示意圖。
第2圖繪示依照一實施例之半導體發光元件的剖面示意圖。
第3圖繪示依照一實施例之干涉薄膜之反射光譜的示意圖。
第4圖繪示依照本發明一實施例之半導體發光元件的剖面示意圖。
第5圖繪示依照一實施例之干涉薄膜之反射光譜的示意圖。
100．．．半導體發光元件
110．．．基板
112．．．第一表面
114．．．第二表面
120．．．磊晶層
122．．．第一半導體層
124．．．活化層
126．．．第二半導體層
130．．．干涉薄膜
132．．．第一材質之薄膜
134．．．第二材質之薄膜
130a、130b．．．建設性干涉薄膜

Claims (12)

  1. 一種半導體發光元件，包括：一基板，具有相對之第一表面以及第二表面；一磊晶層，配置於該第一表面上；以及一干涉薄膜，配置於該第二表面上，該干涉薄膜由折射率相差至少0.7的複數層第一材質之薄膜以及複數層第二材質之薄膜相互交替堆疊而成，該干涉薄膜之反射光譜具有至少一頻通帶，允許一特定波長的入射光穿透，其中，該干涉薄膜包括：第一建設性干涉薄膜，係由厚度為中心波長四分之一的複數層第一材質之薄膜以及複數層第二材質之薄膜相互交替堆疊而成，以形成一第一止頻帶，該第一止頻帶禁止波長介於400~500nm之間的入射光穿透；以及第二建設性干涉薄膜，位於該第一建設性干涉薄膜上，該第二建設性干涉薄膜係由厚度為中心波長四分之一的複數層第一材質之薄膜以及複數層第二材質之薄膜相互交替堆疊而成，以形成一第二止頻帶，該第二止頻帶禁止波長介於550~700nm之間的入射光穿透。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光元件，其中該特定波長介於532±10nm之間。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之半導體發光元件，其中該特定波長的入射光，其反射率小於40%。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之半導體發光元件，其中該干涉薄膜禁止該特定波長以外之入射光穿透，且反 射率大於90%。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光元件，其中該干涉薄膜之總層數至少大於7層。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光元件，其中該第一材質為二氧化鈦，該第二材質為二氧化矽。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光元件，其中該第一建設性干涉薄膜的總層數至少大於7，該第二建設性干涉薄膜的總層數至少大於7。
  8. 一種半導體發光元件，包括：一基板，具有相對之第一表面以及第二表面；一磊晶層，配置於該第一表面上；以及一干涉薄膜，配置於該第二表面上，該干涉薄膜由折射率相差至少0.7的複數層第一材質之薄膜以及複數層第二材質之薄膜相互交替堆疊而成，該干涉薄膜之反射光譜具有至少一頻通帶，允許一特定波長的入射光穿透，其中，該干涉薄膜包括：複數個建設性干涉薄膜，係由厚度為中心波長四分之一的複數層第一材質之薄膜以及複數層第二材質之薄膜相互交替堆疊而成，以形成多個止頻帶，該些止頻帶分別禁止波長介於400~425nm、450~520nm、550~650nm以及675~700nm之間的入射光穿透；以及複數個破壞性干涉薄膜，與該些建設性干涉薄膜交錯排列，該些破壞性干涉薄膜的厚度為中心波長二分之一，允許波長介於520~550nm之間的入射光穿透。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之半導體發光元件，其中該特定波長的入射光，其反射率小於40%。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之半導體發光元件，其中該干涉薄膜禁止該特定波長以外之入射光穿透，且反射率大於90%。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之半導體發光元件，其中該干涉薄膜之總層數至少大於7層。
  12. 如申請專利範圍第8項所述之半導體發光元件，其中該第一材質為二氧化鈦，該第二材質為二氧化矽。
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