TWI590488B - 具有高效能反射結構之發光元件 - Google Patents

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Description

具有高效能反射結構之發光元件
本發明關於一種發光元件，特別是關於一種具有高效能反射結構之發光元件。
光電元件，例如發光二極體(Light-emitting Diode；LED)，目前已經廣泛地使用在光學顯示裝置、交通號誌、資料儲存裝置、通訊裝置、照明裝置與醫療器材上。此外，上述之LED可與其他元件組合連接以形成一發光裝置。第6圖為習知之發光裝置結構示意圖，如第6圖所示，一發光裝置6包含一具有一電路64之次載體(submount)62；一焊料66(solder)位於上述次載體62上，藉由此焊料66將LED 61固定於次載體62上並使LED 61與次載體62上之電路64形成電連接；以及一電性連接結構68，以電性連接LED 61之電極65與次載體62上之電路64；其中，上述之次載體62可以是導線架(lead frame)或大尺寸鑲嵌基底(mounting substrate)。
一發光元件，包含一基板；一發光疊層，包含一主 動層，位於基板之上；一第一布拉格反射結構，位於基板之下，具有一第一數量反射層對；以及一第二布拉格反射結構，位於第一布拉格反射結構之下，具有一第二數量反射層對，其中該第一數量與該第二數量不同。
1、60‧‧‧發光元件
10‧‧‧基板
11‧‧‧窗戶層
12‧‧‧發光疊層
122‧‧‧第一半導體層
124‧‧‧發光層
126‧‧‧第二半導體層
13‧‧‧第一布拉格反射結構
131‧‧‧第一子層
132‧‧‧第二子層
14‧‧‧第一電極
16‧‧‧第二電極
15‧‧‧第二布拉格反射結構
151‧‧‧第三子層
152‧‧‧第四子層
17‧‧‧反射層
51‧‧‧燈罩
52‧‧‧透鏡
53‧‧‧載體
54‧‧‧照明模組
55‧‧‧載體
55‧‧‧燈座
56‧‧‧散熱槽
57‧‧‧連結部
58‧‧‧電子連結器
6‧‧‧發光裝置
61‧‧‧LED
62‧‧‧次載體
63‧‧‧基板
64‧‧‧電路
65‧‧‧電極
66‧‧‧焊料
68‧‧‧電性連接結構
F‧‧‧法線
θi‧‧‧入射角
第1圖繪示本申請案一實施例之發光元件之剖面示意圖。
第2圖繪示本申請案實施例之布拉格反射單元與第一數量等於第二數量之布拉格反射單元對各波長之反射率示意圖。
第3圖為本申請案實施例之布拉格反射單元與第一數量小於第二數量之布拉格反射單元對各波長之反射率示意圖。
第4圖為本申請案實施例之布拉格反射單元與第一數量等於第二數量之布拉格反射單元對入射角度0度至70度之光線的反射率示意圖。
第5圖為本申請案一實施例之燈泡分解示意圖。
第6圖為習知之發光裝置結構示意圖。
本發明之實施例會被詳細地描述，並且繪製於圖式中，相同或類似的部分會以相同的號碼在各圖式以及說明出現。
第1圖為本申請案一實施例之發光元件之剖面圖。如第1圖所示，一發光元件1具有一基板10；一發光疊層12，位於基板10之上；一窗戶層11，位於基板10之下；一第一布拉格反射結構13，位於窗戶層11之下；一第二布拉格反射結構15，位 於第一布拉格反射結構13之下；以及一反射層17，位於第二布拉格反射結構15之下。發光疊層12具有一第一半導體層122，位於基板10之上；一主動層124，位於第一半導體層122之上；以及一第二半導體層126，位於主動層124之上。發光元件1更具有第一電極14，位於第一半導體層122之上，以及一第二電極16，位於第二半導體層126之上。
第一電極14及/或第二電極16用以接受外部電壓，可由透明導電材料或金屬材料所構成。透明導電材料包含但不限於氧化銦錫(ITO)、氧化銦(InO)、氧化錫(SnO)、氧化鎘錫(CTO)、氧化銻錫(ATO)、氧化鋁鋅(AZO)、氧化鋅錫(ZTO)、氧化鎵鋅(GZO)、氧化鋅(ZnO)、砷化鋁鎵(AlGaAs)、氮化鎵(GaN)、磷化鎵(GaP)、砷化鎵(GaAs)、磷砷化鎵(GaAsP)、氧化銦鋅(IZO)或類鑽碳薄膜(DLC)。金屬材料包含但不限於鋁(Al)、鉻(Cr)、銅(Cu)、錫(Sn)、金(Au)、鎳(Ni)、鈦(Ti)、鉑(Pt)、鉛(Pb)、鋅(Zn)、鎘(Cd)、銻(Sb)、鈷(Co)或上述材料之合金等。
發光疊層12可直接於基板10成長形成，或是藉由黏結層(未顯示)固定於基板10之上。發光疊層12之材料可為半導體材料，包含一種以上之元素，此元素可選自鎵(Ga)、鋁(Al)、銦(In)、磷(P)、氮(N)、鋅(Zn)、鎘(Cd)與硒(Se)所構成之群組。第一半導體層122與第二半導體層126的電性相異，用以產生電子或電洞。主動層124可發出一種或多種色光，其結構可為單異質結構、雙異質結構、雙側雙異質結構、多層量子井或量子點。
基板10可用以支持位於其上之發光疊層12與其它層或結構，其材料可為透明材料。透明材料包含但不限於藍寶石(Sapphire)、鑽石(Diamond)、玻璃(Glass)、環氧樹脂(Epoxy)、 石英(Quartz)、壓克力(Acryl)、氧化鋁(Al2O3)、砷化鎵(GaAs)、氧化鋅(ZnO)或氮化鋁(AlN)等；其中可用以成長發光疊層之材料例如為藍寶石或砷化鎵。
窗戶層11對於發光疊層12所發之光為透明，用以提升出光效率，其材料可為絕緣材料或導電材料。絕緣材料例如為聚亞醯胺(PI)、苯并環丁烯(BCB)、過氟環丁烷(PFCB)、氧化鎂(MgO)、Su8、環氧樹脂(Epoxy)、丙烯酸樹脂(Acrylic Resin)、環烯烴聚合物(COC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚碳酸酯(PC)、聚醚醯亞胺(Polyetherimide)、氟碳聚合物(Fluorocarbon Polymer)、玻璃(Glass)、氧化鋁(Al2O3)、氧化矽(SiOx)、氧化鈦(TiO2)、氧化鉭(Ta2O5)、氮化矽(SiNx)、旋塗玻璃(SOG)或四乙氧基矽烷(TEOS)。導電材料包含但不限於氧化銦錫(ITO)、氧化銦(InO)、氧化錫(SnO)、氧化鎘錫(CTO)、氧化銻錫(ATO)、氧化鋁鋅(AZO)、氧化鋅錫(ZTO)、氧化鎵鋅(GZO)、氧化鋅(ZnO)、氧化鎂(MgO)、砷化鋁鎵(AlGaAs)、氮化鎵(GaN)、磷化鎵(GaP)或氧化銦鋅(IZO)。
第一布拉格反射結構13和第二布拉格反射結構15可形成一布拉格反射單元，其中第一布拉格反射結構13具有第一數量反射層對，第二布拉格反射結構15具有第二數量反射層對，第一數量與第二數量不同，例如第一數量大於第二數量。一實施例中，第一數量係3，第二數量係2。又一實施例中，第一布拉格反射結構13之厚度與第二布拉格反射結構15之厚度不同，例如第一布拉格反射結構13之厚度大於第二布拉格反射結構15之厚度。第一數量反射層對由一第一子層131與一第二子層132組成，於本實施例中，第一子層131位於窗戶層11與第二布拉格反射結 構15之間，第二子層132位於第一子層131與第二布拉格反射結構15之間。此外，第一子層131之厚度與第二子層132之厚度可不相同，例如第一子層131之厚度小於第二子層132之厚度。第二數量反射層對由一第三子層151與一第四子層152組成，於本實施例中，第三子層151位於第一布拉格反射結構13與反射層17之間，第四子層152位於第三子層151與反射層17之間。此外，第三子層151之厚度與第四子層152之厚度可不相同，例如第三子層151之厚度小於第四子層152之厚度。於另一實施例中，第一子層131之厚度大於第三子層151之厚度，及/或第二子層132之厚度大於第四子層152之厚度。
第2圖繪示布拉格反射單元對各波長之反射率的示意圖，其中第一數量反射層對之第一數量大於第二數量反射層對之第二數量的布拉格反射單元對各波長之反射率以實線表示，而第一數量反射層對之第一數量等於第二數量反射層對之第二數量的布拉格反射單元對各波長之反射率以虛線表示。以實線而言，反射率在90%以上的波長約自420nm至790nm，790nm之後反射率降至90%以下，然後約自820nm至1080nm與1180nm之後反射率又上升至90%以上。以虛線而言，反射率在90%以上的波長約自420nm至770nm，770nm之後反射率降至90%以下，然後約自850nm至1150nm反射率才又上升至90%以上，1150nm之後反射率又降至90%以下。由上述可知，實線在反射率90%以上之波長範圍較虛線涵蓋範圍廣，對於第一數量大於第二數量之布拉格反射單元反射率90%以上的波長範圍較第一數量等於第二數量之布拉格反射單元之波長範圍大，因此具有第一數量大於第二數量之布拉格反射單元的發光元件1出光效率較高。第3圖繪示布拉格反射單元對 各波長之反射率的示意圖，其中第一數量大於第二數量之布拉格反射單元對各波長之反射率以實線表示，而第一數量小於第二數量之布拉格反射單元對各波長之反射率以虛線表示。以實線而言，反射率在90%以上的波長約自420nm至790nm，790nm之後反射率降至90%以下，然後約自820nm至1080nm與1180nm之後反射率又上升至90%以上。以虛線而言，反射率在90%以上的波長約自420nm至710nm，710nm之後反射率降至90%以下，然後約自760nm至950nm與1060nm之後反射率才上升至90%以上。由上述可知，實線在反射率90%以上之波長範圍較虛線涵蓋範圍廣，對於第一數量大於第二數量之布拉格反射單元反射率90%以上的波長範圍較第一數量小於第二數量之布拉格反射單元之波長範圍大，因此具有第一數量大於第二數量之布拉格反射單元的發光元件1出光效率較高。第4圖繪示布拉格反射單元對入射角θi0度至70度的光線之反射率示意圖，其中第一數量大於第二數量之布拉格反射單元對入射角θi0度至70度的光線之反射率以實線表示，而第一數量等於第二數量之布拉格反射單元對入射角θi0度至70度的光線之反射率以虛線表示。如第1圖和第4圖所示，以實線而言，反射率在90%以上的入射角θi約自0度至50度，50度至52度之間反射率降至90%以下，然後約自52度至70度反射率上升至90%以上。以虛線而言，反射率在90%以上的波長約自0度至54度，54度與56度之間反射率降至90%以下，然後約自56度至64度反射率在90%以上，64度與65度之間反射率降至90%以下，然後約自65度反射率在90%以上。由上述可知，實線在反射率90%以上之角度範圍較虛線涵蓋範圍廣，所以對於第一數量大於第二數量之布拉格反射單元反射率90%以上的入射角θi角度範圍較第一數量等於第二數量之布拉格反射單元的入射角θi角 度範圍大。當入射角θi較大時，例如52度至70度，第一數量大於第二數量之布拉格反射單元之反射率較第一數量等於第二數量之布拉格反射單元之反射率高，因此具有第一數量大於第二數量之布拉格反射單元的發光元件1出光效率較高。
第一布拉格反射結構13及/或第二布拉格反射結構15之材料對於發光疊層12所發之光為透明，可為絕緣材料或導電材料，絕緣材料例如為聚亞醯胺(PI)、苯并環丁烯(BCB)、過氟環丁烷(PFCB)、氧化鎂(MgO)、Su8、環氧樹脂(Epoxy)、丙烯酸樹脂(Acrylic Resin)、環烯烴聚合物(COC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚碳酸酯(PC)、聚醚醯亞胺(Polyetherimide)、氟碳聚合物(Fluorocarbon Polymer)、玻璃(Glass)、氧化鋁(Al2O3)、氧化矽(SiOx)、氧化鈦(TiO2)、氧化鉭(Ta2O5)、氮化矽(SiNx)、旋塗玻璃(SOG)或四乙氧基矽烷(TEOS)。導電材料包含但不限於氧化銦錫(ITO)、氧化銦(InO)、氧化錫(SnO)、氧化鎘錫(CTO)、氧化銻錫(ATO)、氧化鋁鋅(AZO)、氧化鋅錫(ZTO)、氧化鎵鋅(GZO)、氧化鋅(ZnO)、氧化鎂(MgO)、砷化鋁鎵(AlGaAs)、氮化鎵(GaN)、磷化鎵(GaP)或氧化銦鋅(IZO)。一實施例中，第一子層131之材料不同於第二子層132之材料，及/或第三子層151之材料不同於第四子層152之材料。又一實施例中，反射層對可由具有高折射率材料之子層與低折射率材料之子層相堆疊形成。例如第一子層131及/或第三子層151可具有高折射率材料，包含但不限於氧化鈦(TiO2)、氧化鉿(HfO2)、氧化鋅(ZnO)、氧化鉭(Ta2O5)或氧化鈮(Nb2O5)；第二子層132及/或第四子層152可具有低折射率材料，包含但不限於二氧化矽(SiO2)、氟化鑭(LaF3)、氟化鎂(MgF2)、氟化鈉(NaF)、氟化鈉鋁(Na3AlF6)或氟化鈣(CaF2)。其 中，高折射率材料係指折射率在2以上之材料，低折射率材料係指折射率在1.9以下之材料。
反射層17可反射來自發光疊層12之光，其材料可為金屬材料，包含但不限於銅(Cu)、鋁(Al)、錫(Sn)、金(Au)、銀(Ag)、鉛(Pb)、鈦(Ti)、鎳(Ni)、鉑(Pt)、鎢(W)或上述材料之合金等。
第5圖係繪示出一燈泡分解示意圖，一燈泡5具有一燈罩51；一透鏡52，置於燈罩51之中；一照明模組54，位於透鏡52之下；一燈座55，具有一散熱槽56，用以承載照明模組54；一連結部57；以及一電連結器58，其中連結部57連結燈座55與電連接器58。照明模組54具有一載體53；以及複數個前述任一實施例之發光元件50，位於載體53之上。
惟上述實施例僅為例示性說明本申請案之原理及其功效，而非用於限制本申請案。任何本申請案所屬技術領域中具有通常知識者均可在不違背本申請案之技術原理及精神的情況下，對上述實施例進行修改及變化。因此本申請案之權利保護範圍如後述之申請專利範圍所列。
1‧‧‧發光元件
10‧‧‧基板
11‧‧‧窗戶層
12‧‧‧發光疊層
122‧‧‧第一半導體層
124‧‧‧發光層
126‧‧‧第二半導體層
13‧‧‧第一布拉格反射結構
131‧‧‧第一子層
132‧‧‧第二子層
14‧‧‧第一電極
16‧‧‧第二電極
15‧‧‧第二布拉格反射結構
151‧‧‧第三子層
152‧‧‧第四子層
17‧‧‧反射層
F‧‧‧法線
θi‧‧‧入射角

Claims (7)

  1. 一發光元件，包含：一基板；一發光疊層，位於該基板之上，具有一第一半導體層、一第二半導體層、及一位於該第一半導體層與該第二半導體層間之主動層；一第一布拉格反射結構包含一第一子層和一第二子層，位於該基板之下；以及一第二布拉格反射結構包含一第三子層和一第四子層，位於該第一布拉格反射結構之下，其中該第一子層及該第三子層之材料係選自由氧化鈦(TiO2)、氧化鉿(HfO2)、氧化鋅(ZnO)、氧化鉭(Ta2O5)、氧化鈮(Nb2O5)與上述材料之組合所構成之群組，該第二子層及該第四子層之材料係選自由二氧化矽(SiO2)、氟化鑭(LaF3)、氟化鎂(MgF2)、氟化鈉(NaF)、氟化鈉鋁(Na3AlF6)、氟化鈣(CaF2)與上述材料之組合所構成之群組；其中該第一布拉格反射結構具有一第一數量之反射層對，該第二布拉格反射結構具有一第二數量之反射層對，該第一數量大於該第二數量，以及該第一布拉格反射結構直接接觸該第二布拉格反射結構。
  2. 如請求項第1項所述的發光元件，更包含一反射層，位於該第二布拉格反射結構之下；及一窗戶層，位於該基板與該第一布拉格反射結構之間。
  3. 如請求項第1項所述的發光元件，其中該第一布拉格反射結構之厚度大於該第二布拉格反射結構之厚度。
  4. 如請求項第1項所述的發光元件，其中該第一子層之厚度小於該第二子層之厚度，及/或該第一子層之折射率大於該第二子層之折射率。
  5. 如請求項第1項所述的發光元件，其中該第三子層之厚度小於該第四子層之厚度，及/或該第三子層之折射率大於該第四子層之折射率。
  6. 如請求項第1項所述的發光元件，其中該第一子層之厚度大於該第三子層之厚度，該第二子層之厚度大於該第四子層之厚度；及/或其中該第一子層或該第三子層之折射率大於2。
  7. 如請求項第2項所述的發光元件，其中該窗戶層直接接觸該基板與該第一布拉格反射結構，且該窗戶層材料為二氧化矽(SiO2)。
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