TWI552380B - 發光二極體結構 - Google Patents

Description

發光二極體結構

本發明係關於一種發光二極體結構；特別係關於一種具有反射式多層結構的(reflective multi-layered)電流阻擋層之發光二極體結構。

發光二極體(Light emitting diode，LED)係利用於一基板上形成主動層(又稱發光層)且沉積不同導電和半導電層的方式所形成。利用P-N接面中的電流，電子-電洞對的再結合(recombination)可產生電磁輻射(例如光)。

第1圖表示一習知的發光二極體結構示意圖。如第1圖所示，習知的發光二極體結構10主要包括一基板10a、一第一半導體層10b(例如為一N型半導體層)、一主動層10c、一第二半導體層10d(例如為一P型半導體層)、一透明導電層(transparent conductive layer)10e、一第一、第二電極10f、10g、一電流阻擋層(current blocking layer)10h以及一反射鏡10i。其中，為避免發光二極體結構10於大電流驅動下造成透明導電層10e發生電流分布不均的現象(Current Crowding Effect)，透明導電層10e與第二半導體層10d之間會設置不導電的電流阻擋層10h，以阻擋大電流直接自第二電極10g穿隧(penetrate)至第二半導體層10d。此 外，將反射鏡10i設置於第二電極10g下方，則可避免主動層10c所發出之部分光線被第二電極10g所吸收。

然而，如第1圖所示，由於電流阻擋層10h具有一定的厚度，故其會有一定程度的光吸收效應。另外，由反射鏡10i所反射之光線亦會被透明導電層10e及電流阻擋層10h再次吸收而導致光損失，進而造成元件整體出光效率降低。在上述習知的發光二極體結構10中，電流阻擋層10h/透明導電層10e/反射鏡10i所形成之堆疊結構，其反射率一般僅約在70-75%左右。

有鑑於上述習知問題點，本發明之一實施例提供一種發光二極體結構，包括一基板；一第一半導體層，設置於基板上：一主動層，設置於第一半導體層上；一第二半導體層，設置於主動層上，且第二半導體層與第一半導體層之電性不同；一透明導電層，設置於第二半導體層上；一第一電極，設置於第一半導體層上；一第二電極，設置於透明導電層上；以及一反射式多層結構的(reflective multi-layered)電流阻擋層(current blocking layer)，設置於第二半導體層與透明導電層之間，且對應於第二電極之位置。由主動層向上射往第二電極方向的光線會被反射式多層結構的電流阻擋層反射回來，並往電極以外的方向射出，此改善了習知技術中從主動層發出的光線以及從第二電極底部反射層反射回來的光線被電流阻擋層吸收的問題。

於一實施例中，前述反射式多層結構的電流阻擋層之尺寸大於或等於前述第二電極之尺寸。

於一實施例中，前述反射式多層結構的電流阻擋層是由複數第一介電層與複數第二介電層交互堆疊而成，其中第一介電層之折射率為D1，第二介電層之折射率為D2，且D1<D2。

於一實施例中，接觸前述第二半導體層為前述第一介電層，第二半導體之折射率為Dx，且D1<Dx。

於一實施例中，接觸前述透明導電層為前述第一介電層，透明導電層之折射率為Dy，且D1<Dy。

於一實施例中，前述反射式多層結構的電流阻擋層係以蒸鍍或濺鍍方法形成於前述第二半導體層上。

於一實施例中，前述反射式多層結構的電流阻擋層，其厚度小於或等於5000埃(Å)。

於一實施例中，前述第一半導體層是N型含鎵的氮化物層。

於一實施例中，前述第二半導體是P型含鎵的氮化物層。

於一實施例中，前述主動層是一個包括多重量子井結構的含鎵的氮化物層。

為讓本發明之上述和其它目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

10、20‧‧‧發光二極體結構

10a、100‧‧‧基板

10b、200‧‧‧第一半導體層

10c、300‧‧‧主動層

10d、400‧‧‧第二半導體層

10e、500‧‧‧透明導電層

10f、600‧‧‧第一電極

10g、700‧‧‧第二電極

10h‧‧‧電流阻擋層

10i‧‧‧反射鏡

800‧‧‧反射式多層結構的電流阻擋層

800a‧‧‧第一介電層

800b‧‧‧第二介電層

第1圖表示一習知的發光二極體結構示意圖。

第2A圖表示本發明一實施例之發光二極體結構示意圖。

第2B圖表示第2A圖中A部分之放大圖。

第3圖表示本發明一實施例之反射式多層結構的(reflective multi-layered)電流阻擋層之反射率模擬頻譜圖。

請先參閱第2A圖，本發明一實施例之發光二極體結構20例如為一水平式發光二極體結構，主要包括一基板100、一第一半導體層200、一主動層300(又稱發光層)、一第二半導體層400、一透明導電層(transparent conductive layer，TCL)500、一第一電極600、一第二電極700以及一反射式多層結構的(reflective multi-layered)電流阻擋層(current blocking layer)800。

第一半導體層200形成於基板100上。主動層300形成於第一半導體層200上且露出部分的第一半導體層200。第二半導體層400形成於主動層300上。如第2A圖所示，第一半導體層200、主動層300以及第二半導體層400依序堆疊並經由一非等向性蝕刻而形成一平台狀(mesa)磊晶堆疊結構，且前述露出部分的第一半導體層200亦有部分被移除。其中，第一半導體層200、主動層300以及第二半導體層400可分別藉由分子束磊晶(MBE)、金屬有機物化學氣相沉積法(MOCVD)、氫化物氣相磊晶法(HVPE)、液相磊 晶法(LPE)或其它類似製程的磊晶成長製程形成。

於本實施例中，基板100可為一矽(Si)基板、氮化鎵(GaN)基板、碳化矽(SiC)基板或藍寶石(sapphire)基板。第一半導體層200可為一N型半導體層，且第二半導體層400可為一P型半導體層。然而，於其他實施例之第一半導體層200亦可為一P型半導體層，且第二半導體層400可為一N型半導體層，惟第一半導體層200與第二半導體層400具不同電性即可。再者，第一半導體層200與第二半導體層400係由一III-V族化合物半導體材料所製成，其中III-V族化合物半導體材料例如可為一含鎵的氮化物，包括：氮化鎵(GaN)、氮化銦鎵(InGaN)或氮化鋁銦鎵(AlInGaN)。主動層300可配合第一、第二半導體層200與400並由一含鎵的氮化物材料所製成(同上述)，其中主動層300包括同質接面(homojunction)、異質接面(heterojunction)、單一量子井(single-quantum well(SQW))、多重量子井(multiple-quantum well(MQW))或其它類似的結構。

請繼續參閱第2A圖，透明導電層500形成於第二半導體層400上。第一電極600形成於該露出部分的第一半導體層200上。第二電極700形成於透明導電層500上。於本實施例中，透明導電層500可藉由化學氣相沉積、有機金屬化學氣相沉積、物理氣相沉積、原子層沉積、脈衝雷射沈積或其它任何適合之方法沉積於第二半導體層400上，且其材料包括氧化錫(TO)、氧化銦錫(ITO)、氧化銦鋅(IZO)、氧化銦鎵鋅(IGZO)、氧化銦錫鋅(ITZO)、氧化銻錫(ATO)、 氧化銻鋅(AZO)、上述之組合或其它適合之材料。此外，第一、第二電極600及700可藉由沈積與圖案化製程形成，且其材料包括金、鉻、鎳、鉑、鈦、鋁、銠、上述之組合或其它導電性佳的金屬材料。

接著請一併參閱第2A圖與第2B圖。反射式多層結構的電流阻擋層800形成於第二半導體層400與透明導電層500之間，且對應於第二電極700之位置。此外，反射式多層結構的電流阻擋層800實質上是由複數第一介電層800a與複數第二介電層800b交互堆疊所形成。於本實施例中，每一第一介電層800a之折射率為D1，且每一第二介電層800b之折射率為D2，其中D1<D2。藉由將上述兩種折射率不同的介電層交互堆疊，反射式多層結構的電流阻擋層800實質上可作為一分散式布拉格反射鏡(distributed Bragg reflector，DBR)，並可將光線反射(如第2A圖所示)以射出發光二極體結構20，從而提升發光二極體結構20之出光效率。

應了解的是，相互交替堆疊之第一、第二介電層800a與800b之厚度及數量與反射式多層結構的電流阻擋層800之反射率有關。當相互交替堆疊之第一、第二介電層800a與800b之厚度及數量越多，反射式多層結構的電流阻擋層800之反射率越高。然而，為避免影響發光二極體結構20的厚度，反射式多層結構的電流阻擋層800之厚度較佳地亦需控制在小於或等於5000埃(Å)。

於本發明一實施例中，反射式多層結構的電流 阻擋層800針對波長範圍約425nm至525nm之間且「斜向入射」之光線(角度約為30~50度)，利用DBR(Distributed Bragg Reflector)多層膜干涉之設計及特性，可使得主動層300發射往第二電極700方向的光被DBR反射(反射率達到接近100%，請參見第3圖)且不會直接被第二電極700吸收，從而能夠大幅提升發光二極體結構20之出光效率。

需特別說明的是，相較於傳統DBR之設計多為考慮正向光之反射，本發明由於將DBR設置於第二電極700下方，故其主要考量的是入射角度約30~50度的光線之反射。詳言之，由於射向DBR的正向光會在例如於(藍寶石)基板100上所設置之一反射層(圖未示)與第二電極700下方之DBR之間不斷地來回反射，故無法對發光二極體結構20之出光效率做出貢獻。相對地，該些入射角度約30~50度之光線則可經由DBR反射出發光二極體結構20外，從而提升發光二極體結構20之出光效率。

請再參閱第2B圖，本實施例之反射式多層結構的電流阻擋層800係以上、下兩個第一介電層800a(反射式多層結構的電流阻擋層800之最底層及最頂層)分別和第二半導體層400及透明導電層500直接接觸，其中第一介電層800a之折射率為D1，小於第二半導體層400與透明導電層500之折射率Dx、Dy(D1<Dx；D1<Dy)。藉此，亦可增進反射式多層結構的電流阻擋層800反射主動層300所發出之光線的效果。

於本實施例中，第一介電層800a之材料例如為 二氧化矽(SiO₂)，且第二介電層800b之材料例如為二氧化鈦(TiO₂)或五氧化二鉭(Ta₂O₅)。其中，反射式多層結構的電流阻擋層800(包括複數第一、第二介電層800a與800b)可藉由蒸鍍(deposition)或濺鍍(Sputtering)製程先形成於第二半導體層400上，接著再以剝離(lift off)製程移除部分之反射式多層結構的電流阻擋層800而可準確地定義其尺寸。如第2A圖所示，反射式多層結構的電流阻擋層800之尺寸可大於或等於第二電極700之尺寸。

應了解的是，由於該些第一、第二介電層800a與800b選用如上述等不具導電性的材料，故反射式多層結構的電流阻擋層800亦可具有電流阻障之效果，從而可避免透明導電層500中發生電流分布不均的現象(Current Crowding Effect)。

綜上所述，本發明提供一種發光二極體結構，其兼具有「電流阻障」與「反射」效果之反射式多層結構的電流阻擋層可取代習知的「電流阻擋層/透明導電層/反射鏡」堆疊結構，並可改善需求波段(例如波長425nm至525nm之間)之光線的反射率，從而提升發光二極體結構之整體出光效率。

雖然本發明以前述數個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，當可做些許之更動與潤飾。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。此外，每個申請專利範圍建構 成一獨立的實施例，且各種申請專利範圍及實施例之組合皆介於本發明之範圍內。

20‧‧‧發光二極體結構

100‧‧‧基板

200‧‧‧第一半導體層

300‧‧‧主動層

400‧‧‧第二半導體層

500‧‧‧透明導電層

600‧‧‧第一電極

700‧‧‧第二電極

800‧‧‧反射式多層結構的電流阻擋層

Claims (10)

1. 一種發光二極體結構，包括：一基板；一第一半導體層，設置於該基板上；一主動層，設置於該第一半導體層上；一第二半導體層，設置於該主動層上，該第二半導體層與該第一半導體層之電性不同；一透明導電層，設置於該第二半導體層上；一第一電極，設置於該第一半導體層上；一第二電極，設置於該透明導電層上；以及一反射式多層結構的電流阻擋層，設置於該第二半導體層與該透明導電層之間，且對應於該第二電極之位置。
2. 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體結構，其中該反射式多層結構的電流阻擋層之尺寸大於或等於該第二電極之尺寸。
3. 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體結構，其中該反射式多層結構的電流阻擋層是由複數第一介電層與複數第二介電層交互堆疊而成，其中該第一介電層之折射率為D1，該第二介電層之折射率為D2，且D1<D2。
4. 如申請專利範圍第3項所述的發光二極體結構，其中接觸該第二半導體層為該第一介電層，該第二半導體之折射率為Dx，且D1<Dx。
5. 如申請專利範圍第4項所述的發光二極體結構，其中接觸該透明導電層為該第一介電層，該透明導電層之折射 率為Dy，且D1<Dy。
6. 如申請專利範圍第1至5項中任一項所述的發光二極體結構，其中該反射式多層結構的電流阻擋層係以蒸鍍或濺鍍方法形成於該第二半導體層上。
7. 如申請專利範圍第6項所述的發光二極體結構，其中該反射式多層結構的電流阻擋層，其厚度小於或等於5000埃(Å)。
8. 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體結構，其中該第一半導體層是N型含鎵的氮化物層。
9. 如申請專利範圍第8項所述的發光二極體結構，其中該第二半導體層是P型含鎵的氮化物層。
10. 如申請專利範圍第9項所述的發光二極體結構，其中該主動層是一個包括多重量子井結構的含鎵的氮化物層。