TWI556470B - 發光二極體 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種發光二極體，尤指一種包含具有單一反射金屬層的電極的發光二極體。
發光二極體（Light Emitting Diode，LED）是一種半導體材料製成的固態發光元件，其普遍係使用磷化鎵、砷化鎵或氮化鎵等III-V族化學元素之組合，透過將此化合物半導體施加電壓，使電洞和電子在電極電壓作用下在主動層大量相遇而產生複合，此時電子會跌落到較低的能階，同時以光子的模式釋放，讓電能轉換為光，達成發光的效果。
在傳統發光二極體之結構中，其電極可能會吸收主動層所發出之光線，如此會降低原本發光二極體應該有之發光效能，且光線被電極吸收後會轉成熱能，導致電極溫度會逐漸升高，甚至發生過熱之情況，有進行改良的動機存在。
為了減少電極吸收由主動層所發射出之光線，傳統解決方法之一是在發光二極體的電極底層製作一反射層，如此可避免由主動層所發射出之光線於接觸電極時被吸收。此外，考慮到主動層側邊亦會發出光線，更可將反射層進一步製作成特別的外型結構使反射層剖面呈梯型或L型，使得光線得以經由反射層進行多重反射，以提高發光二極體的出光效率。
然而，習知技術需要於發光二極體電極處額外製作反射層，以阻擋主動層所發出光線與電極接觸，並且在發光二極體之正負電極需根據受光情形不同製作不同結構之反射層，增加製程上的困難，因此仍有作進一步改良的必要。
本發明揭示了一種發光二極體，其包含：一堆疊半導體層結構，包含一第一型半導體層、一主動層與一第二型半導體層，其該主動層設置於該第一型半導體層與該第二型半導體層之間；以及一第一電極及一第二電極，設置於該堆疊半導體層結構的同一側，且該第一電極設置於該第一型半導體層上，該第二電極設置於該第二型半導體層上；其中該第一電極包含一單一反射金屬層與一焊墊層，該焊墊層設置於該單一反射金屬層上，該單一反射金屬層的厚度大於該主動層，且該單一反射金屬層的下端高度低於該主動層的下端高度，而該單一反射金屬層的上端高度高於該主動層的上端高度，使得從該主動層所發出的至少部分光線被該單一反射金屬層反射。
本發明具體實施例之一的發光二極體，更包含一設置於第二型半導體層與第二電極之間的透明導電層。
本發明具體實施例之一的發光二極體，更包含一設置於第二型半導體層與第二電極之間的透明導電層，且第一電極的單一反射金屬層的上端高度不低於透明導電層的高度。
本發明具體實施例之一的發光二極體，在第一電極與主動層之間更具有一寬度介於7~8微米的間隙。
本發明具體實施例之一的發光二極體，其中第一電極之材料包含選自於鉻、鋁、鉑、金、鈦、鉭、釕、銠、銀、鎳、鉛、以及銅所組成之群組其中之一者。
本發明具體實施例之一的發光二極體，其中第一電極的單一反射金屬層材料選自於鋁、鉑、鈦、鉭、釕、銠、銀、鎳或鉛等之任一或其合金。
本發明具體實施例之一的發光二極體，其中第一電極的單一反射金屬層厚度不小於1微米。
本發明具體實施例之一的發光二極體，其中第一電極的焊墊層材料包含金。
本發明具體實施例之一的發光二極體，其中第一電極的焊墊層厚度不小於0.8微米。
10‧‧‧基板
20‧‧‧第一型半導體層
21‧‧‧第一電極
212‧‧‧單一反射金屬層
2120‧‧‧反射面
2121‧‧‧下端
2122‧‧‧上端
213‧‧‧焊墊層
30‧‧‧主動層
301‧‧‧下端
302‧‧‧上端
40‧‧‧第二型半導體層
41‧‧‧第二電極
412‧‧‧單一反射金屬層
413‧‧‧焊墊層
50‧‧‧透明導電層
60‧‧‧反射層
D‧‧‧間隙
20‧‧‧第一型半導體層
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D‧‧‧間隙
第1圖：其係為本發明一較佳實施例之剖面結構示意圖，用以表示單一反射金屬層的厚度大於主動層，且單一反射金屬層的下端高度低於主動層的下端高度，而單一反射金屬層的上端高度高於主動層的上端高度；
第2圖：其係為本發明另一較佳實施例之立體結構示意圖；
第3圖：其係為本發明另一較佳實施例之剖面結構示意圖，用以表示單一反射金屬層的上端高度不低於透明導電層的高度；
第4圖：其係為本發明一較佳實施例之光反射路徑示意圖；
第5A圖：其係為本發明在製作不同厚度之單一反射金屬層時，其電性與一般發光二極體之比較實驗結果；
第5B圖：其係為本發明在製作不同厚度之單一反射金屬層時，其亮度與一般發光二極體之比較實驗結果；以及
第6A~6D圖：其係為本發明在製作不同厚度之單一反射金屬層及不同厚度之焊墊層之組合時，其電性與一般發光二極體之比較實驗結果。
為使本發明之特徵及所達成之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例及配合詳細之說明，說明如後：
請先參考第1圖，本發明所揭示之發光二極體係具有一堆疊半導體層結構設置於基板10之上，該堆疊半導體層結構由下至上則係包含一第一型半導體層20、一主動層30與一第二型半導體層40；其中，主動層30係設置於第一型半導體層20與第二型半導體層40之間。第二型半導體層40以及主動層30並沒有完全覆蓋第一型半導體層20，而是暴露出部分的第一型半導體層20供電極設置之用。第一型半導體層20以及第二型半導體層40可分別為N型或P型之氮化鎵系半導體，主動層30則可為多重量子井層，其藉由電極提供適當之偏壓電壓，使此主動層30發出光線。然本發明並不限制此些半導體材料之類型。
本發明於發光二極體的堆疊半導體層結構的同一側係設置有一第一電極21以及一第二電極41，其中第一電極21係設置於第一型半導體層20上，第二電極41則係設置於第二型半導體層40之上。在第一電極21結構中係包含了一單一反射金屬層212與一焊墊層213，焊墊層213係設置於單一反射金屬層212上。單一反射金屬層212之材料係包含鋁或鋁合金，其厚度係不小於1微米。單一反射金屬層212並非為習知發光二極體所使用厚度極小而可忽略其結構特徵之鋁薄膜，而是在厚度上有額外提升，特別是其厚度係大於主動層30之厚度，使得其結構對於發光二極體之出光效果得產生具有實際意義之提升功效，詳細於以下關於第5A至5B、第6A至6D圖的比較實驗結果敘述。
如第1圖所揭示之一較佳實施例，單一反射金屬層212的下端2121高度係低於主動層30的下端301高度，而單一反射金屬層212的上端2122高度則高於主動層30的上端302高度，使得從主動層30側面所發出的至少部分光線會被單一反射金屬層212反射，其光路徑可參考第4圖所示。換言之，本發明係針對第一電極21之結構進行改良而賦予其具有導電以外的功效，第一電極21結構當中的單一反射金屬層212係基於較大之厚度而使其側邊得以作為反射面2120，並且因空間上的位置係在主動層30的一側方向上，兩者相距一間隙D，因此得以將主動層30發出的部分光線反射，使整體發光二極體藉由光反射的路徑增加而有較好的出光效率。前述之間隙D的寬度係介於7~8微米。
第一電極21之材料可包含鉻、鋁、鉑、金、鈦、鉭、釕、銠、銀、鎳、鉛或銅等元素之任一或組合（合金）。上述材料中的鋁具有高反射性與較佳的結構穩定性，因此本發明最佳實施例係直接在第一電極結構中使用鋁或鋁合金作為單一反射金屬層，並增加其厚度而於結構側面形成反射面，如此即無需額外製作反射層於第一電極21之側面或是底面。單一反射金屬層212的材料也可以另以鉑、鈦、鉭、釕、銠、銀、鎳或鉛等高反射性金屬之任一或其合金取代而製作為厚鉑層、厚鈦層、厚鉭層、厚釕層、厚銀層、厚鎳層以及厚鉛層等，並不限制僅得以鋁質製作。惟考量成本，使用鋁或鋁合金作為單一反射金屬層仍係為較佳的實施方式。
另外，如第5A至5B、第6A至6D圖所示，在不改變第一電極21中的其他材料配比情形下，使用單一反射金屬層雖可提昇本發明之發光二極體的亮度，但亦會對發光二極體的電性產生影響。故若在近似於習知或標準發光二極體的電性條件下，當使用由鋁所構成且厚度不小於1微米之單一反射金屬層212時，本發明之一較佳實施例的發光二極體的第一電極21係包含由金所構成之焊墊層213，且焊墊層213之厚度不小於0.8微米。在一較佳實施例中，當單一反射金屬層212之厚度為1.5微米，焊墊層213之厚度在1微米時會使本發明之發光二極體除在發光效率上有所提昇外，電性要求上也能達到與標準發光二極體相同或近似。除此之外，為節省本發明之發光二極體的製程，第一電極21以及第二電極41較佳係於同一製程中製作，即前述實施例中之發光二極體的第一電極21以及第二電極41可具有相同材料與結構，並仍具有前述之效果。同時為了使單一反射金屬層212之側面表面被有效利用於反射，焊墊層213不得披覆於單一反射金屬層212之側面表面。在較佳的實施例中，焊墊層213之面積係與單一反射金屬層212相同。
請參考第2圖以及第3圖，本發明之發光二極體的第二電極41與第二型半導體層40之間更設置有一透明導電層50。在另一較佳實施例中，第一電極21中的單一反射金屬層212之上端2122高度係不低於該透明導電層50，且在發光二極體的基板10下方設置有反射層60，以將主動層向下方發出之光線向上反射，而進一步提昇本發明發光二極體的亮度。除此之外，第一電極21的一側面或側邊反射面2120係與主動層30、第二型半導體層40及透明導電層50所構成的一側面平行且相距一間隙D；同時，第二電極41的一側面係與第一電極21相應，並平行於第一電極21的一側面或側邊反射面2120；如此，除可使本發明之發光二極體發出更均勻的光，同時電流在本發明之發光二極體內分布更為均勻，而提昇本發明之發光二極體的發光效率。
第4圖為本發明之主動層30所發出之光線受第一電極21之單一反射金屬層212側邊之反射面2120反射之示意圖，而單一反射金屬層212之底面也可提供反射功能，可知本發明所揭示之電極結構可不必額外製作反射層。
第5A與5B圖係為本發明之發光二極體與標準發光二極體在焊墊層固定為1.8微米之金之條件下，分別使用0.5、1.0、1.5、2.0微米之鋁質單一反射金屬層的本發明發光二極體與標準發光二極體在電性與亮度的4組比較實驗結果。如圖所示，除第1組實驗結果差異不明顯之外，在第2組(鋁厚1微米)、第3組(鋁厚1.5微米)與第4組(鋁厚2微米)的情形下，此三組的發光二極體在電性上較標準發光二極體的順向偏壓(VF
)明顯低10毫伏(mV)以上，在亮度(LOP)上則較標準發光二極體提昇約0.01至0.04毫燭光(mcd)。透過此比較實驗結果可確認本發明利用單一反射金屬層之側邊作為反射面時，確實可提升發光二極體的亮度，幅度約為1~2%。
第6A~6D圖則是測試各種金質焊墊層以及鋁質單一反射金屬層之厚度配比在不同採樣比例下的發光二極體電性，並且與標準發光二極體的電性進行比較，其中圖示之採樣比例係以均勻化(Normalize)方式呈現。如圖所示，本發明之發光二極體的第一電極在使用1.5微米厚的鋁質反射金屬層及1微米厚之金質焊墊層時，與標準發光二極體在電性上表現有非常相近的結果；更確切而言，在此厚度比例之下，本發明之發光二極體與一般的發光二極體有相同之電性表現，卻能提供額外的出光效率提升效益。
綜上所述，本發明詳細揭示了一種發光二極體，其無需對電極的形狀做額外的變化或是另外製作反射層，而是使其所具有的電極結構包含了在厚度上較一般電極當中的鋁膜為厚之單一反射金屬層，使主動層所發出之部分光線得以被此單一反射金屬層之側面反射，增加了光反射路徑，使整體出光效率有所提升。同時，本發明也利用設置於單一反射金屬層之上的焊墊層維持電極的電性表現，使其在兼顧到可行性並降低製作成本之下提升了發光二極體之亮度。綜合上述之優勢，本發明實為一種新穎、兼具功效與經濟價值發光二極體。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包含於本發明之申請專利範圍內。
10‧‧‧基板
20‧‧‧第一型半導體層
21‧‧‧第一電極
212‧‧‧單一反射金屬層
2120‧‧‧反射面
2121‧‧‧下端
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213‧‧‧焊墊層
30‧‧‧主動層
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41‧‧‧第二電極
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413‧‧‧焊墊層
D‧‧‧間隙
Claims (10)
- 【第1項】一種發光二極體，其包含：
一堆疊半導體層結構，包含一第一型半導體層、一主動層與一第二型半導體層，其該主動層設置於該第一型半導體層與該第二型半導體層之間；以及
一第一電極及一第二電極，設置於該堆疊半導體層結構的同一側，且該第一電極設置於該第一型半導體層上，該第二電極設置於該第二型半導體層上；
其中該第一電極包含一單一反射金屬層與一焊墊層，該焊墊層設置於該單一反射金屬層上，該單一反射金屬層的厚度大於該主動層，且該單一反射金屬層的下端高度低於該主動層的下端高度，而該單一反射金屬層的上端高度高於該主動層的上端高度，使得從該主動層所發出的至少部分光線被該單一反射金屬層反射。 - 【第2項】如申請專利範圍第1項所述之發光二極體，更包含一透明導電層設置於該第二型半導體層與該第二電極之間。
- 【第3項】如申請專利範圍第2項所述之發光二極體，其中該單一反射金屬層的上端高度不低於該透明導電層的高度。
- 【第4項】如申請專利範圍第1至第3項的任一項所述之發光二極體，其中該第一電極與該主動層間具有寬度介於7~8微米的一間隙。
- 【第5項】如申請專利範圍第1至第3項的任一項所述之發光二極體，其中該第一電極之材料係選自於鉻、鋁、鉑、金、鈦、鉭、釕、銠、銀、鎳、鉛以及銅所組成之群組其中之一者。
- 【第6項】如申請專利範圍第1至第3項的任一項所述之發光二極體，其中該單一反射金屬層之材料係選自於鋁、鉑、鈦、鉭、釕、銠、銀、鎳以及鉛所組成之群組其中至少之一者。
- 【第7項】如申請專利範圍第1至第3項的任一項所述之發光二極體，其中該單一反射金屬層之厚度係不小於1微米。
- 【第8項】如申請專利範圍第1至第3項的任一項所述之發光二極體，其中該焊墊層之材料係包含金。
- 【第9項】如申請專利範圍第1至第3項的任一項所述之發光二極體，其中該焊墊層之厚度係不小於0.8微米。
- 【第10項】如申請專利範圍第8項所述之發光二極體，其中該焊墊層之厚度係不小於0.8微米。
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