TWI606605B - 深紫外光發光二極體晶片 - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種發光二極體晶片，特別是指一種深紫外光發光二極體晶片。
紫外光發光二極體(ultraviolet light emitting diode，UV LED)係指發光波長在紫外光區域的發光二極體，其發光波長可區分為315 nm至400 nm的長波長(UVA)、280 nm至315 nm的中波長(UVB)，及280 nm以下的短波長(UVC)。
其中，短波長的紫外光發光二極體由於其波長範圍較接近X光而遠離紫光，又被稱為深紫外光(deep ultraviolet，DUV)發光二極體，其目前主要是以氮化鋁鎵(AlGaN)作為材料。
然而，一般以氮化鋁鎵作為深紫外光發光二極體的材料，容易因鋁含量的提高而不易摻雜鎂而產生較高電壓的問題，也容易造成電子溢流與電洞注入效率較差等問題，進而影響發光性能。因此，深紫外光發光二極體於發光效率或光取出效率(light extraction efficiency，LEE)上仍有大幅改進的空間。
由上述的說明可知，進一步開發或設計一種能有效地提升發光效率及光取出效率的深紫外光發光二極體，係為本發明研究改良的重要目標。
因此，本發明之一目的，即在於提供一種深紫外光發光二極體晶片。
於是，本發明深紫外光發光二極體晶片包含一透光基板、一發光單元、一電極單元、一電子阻擋層，及一光學層。
該發光單元包括由該透光基板的一表面依序形成的一緩衝層、一n型氮化鋁鎵層、一多重量子井層，與一p型氮化鋁鎵層。
該電極單元包括一設置於該n型氮化鋁鎵層上的第一電極，與一設置於該p型氮化鋁鎵層上的第二電極。
該電子阻擋層設置於該多重量子井層與該p型氮化鋁鎵層間。
該光學層形成於該透光基板相對於該發光單元的另一表面，該光學層的材料是選自二氧化矽，或二氧化矽及二氧化鉿之一組合，且折射率介於1.0與該透光基板的折射率之間。
較佳地，前述深紫外光發光二極體晶片，該光學層具有多層折射率由鄰近該透光基板向遠離該透光基板的方向遞減的光學膜，且以該每一層光學膜的二氧化矽及二氧化鉿的含量總合為100%計，該二氧化矽的含量介於50%至100%。
此外，本發明深紫外光發光二極體晶片的另一態樣包含一發光單元、一電極單元、一電子阻擋層，及一光學層。
該發光單元包括依序形成的一緩衝層、一n型氮化鋁鎵層、一多重量子井層，與一p型氮化鋁鎵層。
該電極單元包括一設置於該n型氮化鋁鎵層上的第一電極，與一設置於該p型氮化鋁鎵層上的第二電極。
該電子阻擋層設置於該多重量子井層與該p型氮化鋁鎵層間。
該光學層形成於該發光單元相對於該電極單元的另一表面，該光學層的材料是選自二氧化矽、二氧化鉿，或前述之一組合，且折射率介於1.0至2.3。
較佳地，前述深紫外光發光二極體晶片，該光學層具有多層折射率由鄰近該發光單元向遠離該發光單元的方向遞減的光學膜，且以該每一層光學膜的二氧化矽及二氧化鉿的含量總合為100%計，該二氧化矽的含量介於0%至100%。
本發明之功效在於：提供一種深紫外光發光二極體晶片，藉由其中該電子阻擋層與該光學層的搭配設置，除了可有效地增加發光效率外，對於其光取出效率亦能有顯著的提升。
在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。有關本發明之技術內容、特點與功效，在以下的詳細說明中，將可清楚的呈現。
參閱圖1，本發明深紫外光發光二極體晶片的一第一實施例是一用於覆晶(flip chip)封裝的深紫外光發光二極體晶片3。該深紫外光發光二極體晶片3包含一透光基板31、一發光單元32、一電極單元33、一電子阻擋層(electron blocking layer，EBL)34及一光學層35。
該透光基板31可選自藍寶石(sapphire)基板、砷化鎵(GaAs)、碳化矽(SiC)和矽基板等。於本實施例中該透光基板31的材料是以折射率(refractive index，n)為1.77的藍寶石基板(即氧化鋁，Al
2O
3)為例來做說明。
該發光單元32包括由該透光基板31的一表面依序形成的一緩衝層321、一n型氮化鋁鎵(n-AlGaN)層322、一多重量子井(multiple quantum well，MQW)層323，與一p型氮化鋁鎵(p-AlGaN)層324。
於此要說明的是，該緩衝層321係設置於該透光基板31與該n型氮化鋁鎵層322間，以減少晶格不匹配與熱膨脹係數差異等問題，該緩衝層321的材料可以是氮化鎵(GaN)、氮化鋁(AlN)，或氮化鋁鎵(AlGaN)。除此之外，還可在該緩衝層321與該n型氮化鋁鎵層322之間，由中性氮化鋁鎵經產生微結構而形成一光子晶體(photonic crystal)結構325，從而可提高發光二極體結構的內部量子效率(internal quantum efficiency)。且該光子晶體結構325的材料可為氮化鋁鎵、氮化鋁，或前述之一組合。
此外，還要說明的是，於該n型氮化鋁鎵層322與該多重量子井層323間，還可再形成一n型超晶格(superlattice)層326，該n型超晶格層326具有緩和施加至該多重量子井層323之應力的功效，且其可由交替沉積的n型氮化鋁鎵所構成。
除此之外，由於該發光單元32的詳細結構或其所適用的材料係為所屬技術領域者所周知，因此不再多加說明。
該電極單元33設置於該發光單元32上並用以對外進行電連接，包括一設置於該n型氮化鋁鎵層322上的第一電極331，及一設置於該p型氮化鋁鎵層324上的第二電極332。同樣地，該電極單元33的詳細結構或其所適用的材料係為所屬技術領域者所周知，亦不再多加贅述。
該電子阻擋層34設置於該多重量子井層323與該p型氮化鋁鎵層324之間，主要用以改善電洞的傳輸效果，同時加強侷限電子的能力，從而提高電子與電洞複合的機率，以提升內部量子效率，並進一步提升發光效率。
較佳地，該電子阻擋層34可由鋁含量漸變的氮化鋁鎵Al
(x)Ga
(1-x)N為材料所構成，且x介於0.05至0.8。具體地說，該鋁含量的x值以鄰近該p型氮化鋁鎵層324至遠離該p型氮化鋁鎵層324是先由一第一含量值遞減至一第二含量值，再由該第二含量值遞增至一第三含量值，且該第三含量值小於該第一含量值。其中，該第一含量值介於0.35至0.8，該第二含量值介於0.05至0.35，且該第三含量值介於0.35至0.6。更佳地，該第一含量值、第二含量值，及第三含量值分別為0.65、0.15，及0.2。
此處要說明的是，在形成該電子阻擋層34時，在該第一含量值至該第二含量值的區間，會得到一具有一第一厚度的膜層結構，同樣地，在該第二含量值至該第三含量值的區間，則會得到一具有一第二厚度的膜層結構。其中，該第一厚度大於該第二厚度，且該電子阻擋層34的整體厚度(即第一厚度加上第二厚度)介於5 nm至100 nm。
此外，還要說明的是，該電子阻擋層34採用鋁含量漸變的目的在於，於該第一含量值至該第二含量值的區間，是用以增加導帶(conduction band)的能障，即保有電子阻擋的功效，並增加電洞的傳送；於該第二含量值至該第三含量值的區間，則是避免該深紫外光發光二極體晶片於高電壓時產生漏電流的現象。總地來說，設置該鋁含量漸變之電子阻擋層34除了能提升能障的高度以減少電子溢流，還能大幅地改善電洞的傳輸效果，同時加強侷限電子的能力，從而提高電子與電洞複合的機率，以提升發光效率。
該光學層35形成於該透光基板31相對於該發光單元32的另一表面，且折射率介於1.0與該透光基板31的折射率之間。由於本實施例該透光基板31是選自折射率為1.77的藍寶石基板，因此，該光學層35的折射率是介於1.0至1.77，且其材料是選自二氧化矽(SiO
2，n=1.45)，或二氧化矽及二氧化鉿(HfO
2，n=2.1)之一組合。較佳地，該光學層35的厚度是介於71 nm至99 nm。
詳細地說，由於該透光基板31(n=1.77)與外界空氣(n=1)間的折射率差異，以致於自該透光基板31進入空氣的光源容易產生全反射(total reflection)而降低出光效率。因此，藉由該光學層35的設置可降低該透光基板31與空氣間的折射率差異，增加光源進入外界空氣所造成之全反射的臨界角並增加光射出角度，以降低光源於該透光基板31與空氣的界面發生全反射的機率，從而有效地提升光取出效率。
較佳地，該光學層35也可以是由多層折射率由鄰近該透光基板31向遠離該透光基板31的方向遞減的光學膜(圖未示)所構成，而成為一具有漸變折射率且折射率介於1.0至1.77之光學薄膜，而可更加有效地降低光源發生全反射的機率，從而提升光取出效率。
參閱圖2，該光學層35的折射率變化可藉由所選用之材料的含量多寡而進行控制，亦即以二氧化矽及二氧化鉿的矽/鉿(Si/Hf)原子比的含量總合為100%計，該光學層35包括由至少兩種不同含量比例的二氧化矽及二氧化鉿的光學膜構成。詳細地說，由於二氧化矽的折射率為1.45，二氧化鉿的折射率為2.1，因此，若需使該光學層35之每一層光學膜的折射率介於1.0至1.77，則需調控該每一層光學膜的二氧化矽的含量介於50%至100%，且二氧化鉿的含量不大於50%。例如，可藉由令該光學層35於鄰近該透光基板31處由50%的二氧化矽與50%的二氧化鉿構成，並於遠離該透光基板31的方向，逐漸減少該光學層35中二氧化鉿的含量，且逐步增加該二氧化矽的含量，而讓該光學層35於最遠離該透光基板31處的組成為100%的二氧化矽，如此一來，即可得到折射率介於1.45至1.77具有漸變折射率之該光學層35。
參閱圖3，本發明深紫外光發光二極體晶片3的一第二實施例與該第一實施例大致相同，其不同之處在於，該第二實施例是前述該第一實施例於該透光基板31上製作完成該發光單元32後將該透光基板31移除，而將該光學層35形成於該發光單元32相對於該電極單元33的另一表面，即直接形成於該緩衝層321上。
此處要說明的是，該第二實施例之光學層35由於是形成於該由氮化鋁鎵所構成的緩衝層321上，而氮化鋁鎵的折射率為2.3，因此，該第二實施例之光學層35的折射率需介於1.0至2.3，其材料選自二氧化矽、二氧化鉿，或前述之一組合，且以二氧化矽及二氧化鉿的矽/鉿(Si/Hf)原子比的含量總合為100%計，二氧化矽及二氧化鉿的含量皆介於0%至100%。較佳地，該第二實施例之光學層35的厚度介於78 nm至109 nm。
參閱圖4，本實施例該光學層35之折射率的控制方法與前述該第一實施例類似，其差別在於，由於該二氧化矽(n=1.45)及二氧化鉿(n=2.1)的折射率皆在1.0至2.3的範圍內，因此，本實施例該光學層35可單純僅由二氧化矽或二氧化鉿所構成，即該光學層35可由至少一層選自二氧化矽或二氧化鉿的光學膜所構成，或是為至少一層由二氧化矽及二氧化鉿共同構成的光學膜。同樣地，本實施例可藉由令該光學層35於鄰近該緩衝層321處由100%的二氧化鉿構成，並於遠離該緩衝層321的方向，逐漸減少該光學層35中二氧化鉿的含量，且逐步增加該二氧化矽的含量，而讓該光學層35於最遠離該緩衝層321處的組成為100%的二氧化矽，如此一來，即可得到折射率介於1.45至2.1具有漸變折射率之該光學層35。
本發明該第一實施例與第二實施例藉由該光學層35的設置，以改善該透光基板31或發光單元32與空氣間的折射率差異，以全面性地提升該深紫外光發光二極體晶片的光取出效率。此外，當再配合該電子阻擋層34的設置，還可再進一步提升整體的發光效率。
前述該第一實施例與第二實施例之深紫外光發光二極體晶片3皆可採用覆晶方式進行封裝，而得一深紫外光發光二極體晶片封裝結構，以下將以該第一實施例之深紫外光發光二極體晶片3為例來做說明。
參閱圖5，圖5所示即為該第一實施例之深紫外光發光二極體晶片3以覆晶方式進行封裝後之封裝結構。本發明深紫外光發光二極體晶片封裝結構之一實施例包含一封裝載板2，及一如前所述的深紫外光發光二極體晶片3。由於該覆晶封裝的詳細製程為所屬技術領域者所熟知，故不再多加說明。
特別地是，該封裝載板2與該深紫外光發光二極體晶片3於封裝前會先於該封裝載板2上形成一增亮單元4，之後再與該深紫外光發光二極體晶片3進行封裝，而令該增亮單元4介於該深紫外光發光二極體晶片3與該封裝載板2之間。
該增亮單元4包括一形成於該封裝載板2上的鋁層41，及至少十組形成於該鋁層41上的反射層42，該每一組反射層42具有一第一反射膜與一第二反射膜，且該等第一反射膜與第二反射膜是交替形成於該鋁層41上。其中，該等第一反射膜的材料是二氧化矽，該等第二反射膜的材料是二氧化鉿。
該增亮單元4顧名思義即是用以提升該深紫外光發光二極體晶片3之亮度，由於該鋁層41雖然具有高反射率但卻容易產生氧化的情形，因此，藉由該等反射層42一方面除了可用來增加光線反射的機率，另一方面還可用來保護該鋁層41減少其氧化的情況，從而令該深紫外光發光二極體晶片3發出的光線可藉由該增亮單元4的反射而增加光取出效率。
參閱圖6，圖6所示是將深紫外光發光二極體晶片以覆晶封裝後量測所得的出光效率結果。其中，圖6之結果B，該深紫外光發光二極體晶片之結構為本發明該第一實施例(如圖1所示)，結構依序為光學層35/透光基板31/緩衝層321/光子晶體結構325/n型氮化鋁鎵層322/n型超晶格層326/多重量子井層323/電子阻擋層34/p型氮化鋁鎵層324/第二電極332。與圖6之結果A相比，差異在於有沒有設置該光學層35，即圖6之結果A並未設置光學層35，圖6之結果B有設置光學層35，光學層35的設置對第一實施例來說確實可有效地提升該深紫外光發光二極體晶片封裝結構的出光效率達7% mW。另外，圖6之結果D，該深紫外光發光二極體晶片之結構則如同本發明該第二實施例(如圖3所示)，結構依序為光學層35/緩衝層321/光子晶體結構325/n型氮化鋁鎵層322/n型超晶格層326/多重量子井層323/電子阻擋層34/p型氮化鋁鎵層324/第二電極332。與圖6之結果C相比，差異同樣在於有沒有設置該光學層35，即圖6之結果C並未設置光學層35，圖6之結果D有設置光學層35，光學層35的設置對第二實施例來說確實可有效地提升該深紫外光發光二極體晶片封裝結構的出光效率達10% mW。
參閱圖7，圖7亦為將深紫外光發光二極體晶片以覆晶封裝後量測所得的出光效率結果。圖7之曲線A，其深紫外光發光二極體晶片之結構與本發明該第一實施例雷同，差別在於其沒有設置該光學膜35，而該電子阻擋層34是由鋁含量漸變的氮化鋁鎵Al
(x)Ga
(1-x)N為材料所構成，且該鋁含量的x值以鄰近該p型氮化鋁鎵層324至遠離該p型氮化鋁鎵層324是先由0.65(第一含量值)遞減至0.15(第二含量值)，再由0.15遞增至0.2(第三含量值)。圖7之曲線B與曲線A之深紫外光發光二極體晶片的結構差異在於，其電子阻擋層34的鋁含量的x值以鄰近該p型氮化鋁鎵層324至遠離該p型氮化鋁鎵層324是先由0.65(第一含量值)遞減至0.55(第二含量值)，再遞減至0(第三含量值)。由圖7的結果可知，本發明該電子阻擋層34藉由鋁含量的變化與控制確實可有效地提升整體的出光效率達21% mW。
參閱圖8，圖8是利用如圖5所示之深紫外光發光二極體晶片封裝結構量測所得的反射率結果。其中，圖8之曲線A，該深紫外光發光二極體晶片結構如同該第一實施例，該光學層35的折射率控制為1.77，且自該透光基板31反向該光學層35的結構依序為光學層35/透光基板31/緩衝層321/n型氮化鋁鎵層322/多重量子井層323/電子阻擋層34/p型氮化鋁鎵層324/第二電極332；而該增亮單元4含有鋁層41及十組由二氧化矽(47 nm)與二氧化鉿(34 nm)所構成之反射層42。圖8之曲線B至曲線D所使用之深紫外光發光二極體晶片封裝結構與該曲線A雷同，其深紫外光發光二極體晶片封裝結構的不同之處在於曲線B、C是分別以銀、金取代該鋁層41，而曲線D則是僅含有該反射層42。由圖8的結果可知，本發明利用該鋁層41與該反射層42所構成的增亮單元4，確實具有最佳的反射效果。
綜上所述，本發明深紫外光發光二極體晶片3係藉由該光學層35的設置，以改善該透光基板31或發光單元32與空氣間折射率差異的問題，從而可提升該深紫外光發光二極體晶片3整體的光取出效率。此外，透過該電子阻擋層34則可增加電子與電洞複合的機率，提升內部量子效率，以進一步提升發光效率。本發明深紫外光發光二極體晶片封裝結構則可利用該增亮單元4的反射，以更佳地提升整體的亮度。因此，確實能達到本發明之目的。
惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
<TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> 2·············· 封裝載板 3·············· 深紫外光發光二極體晶片 31············ 透光基板 32············ 發光單元 321·········· 緩衝層 322·········· n型氮化鋁鎵層 323·········· 多重量子井層 324·········· p型氮化鋁鎵層 325·········· 光子晶體結構 </td><td> 326·········· n型超晶格層 33············ 電極單元 331·········· 第一電極 332·········· 第二電極 34············ 電子阻擋層 35············ 光學層 4·············· 增亮單元 41············ 鋁層 42············ 反射層 </td></tr></TBODY></TABLE>
本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1是一側視圖，說明本發明深紫外光發光二極體晶片的一第一實施例； 圖2是一含量比例示意圖，說明本發明該第一實施例構成一光學層的材料含量比例； 圖3是一側視圖，說明本發明深紫外光發光二極體晶片的一第二實施例； 圖4是一含量比例示意圖，說明本發明該第二實施例構成一光學層的材料含量比例； 圖5是一側視圖，說明本發明深紫外光發光二極體晶片封裝結構的一實施例； 圖6是一柱狀圖，說明深紫外光發光二極體晶片以覆晶封裝後量測所得的出光效率； 圖7是一X、Y曲線圖，說明深紫外光發光二極體晶片以覆晶封裝後量測所得的輸出功率； 圖8是一X、Y曲線圖，說明深紫外光發光二極體晶片以覆晶封裝後量測所得的反射率。
<TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> 2·············· 封裝載板 3·············· 深紫外光發光二極體晶片 31············ 透光基板 32············ 發光單元 321·········· 緩衝層 322·········· n型氮化鋁鎵層 323·········· 多重量子井層 324·········· p型氮化鋁鎵層 325·········· 光子晶體結構 </td><td> 326·········· n型超晶格層 33············ 電極單元 331·········· 第一電極 332·········· 第二電極 34············ 電子阻擋層 35············ 光學層 4·············· 增亮單元 41············ 鋁層 42············ 反射層 </td></tr></TBODY></TABLE>
Claims (9)
- 一種深紫外光發光二極體晶片，包含：一透光基板；一發光單元，包括由該透光基板的一表面依序形成的一緩衝層、一n型氮化鋁鎵層、一多重量子井層，與一p型氮化鋁鎵層；一電極單元，包括一設置於該n型氮化鋁鎵層上的第一電極，與一設置於該p型氮化鋁鎵層上的第二電極；一電子阻擋層，設置於該多重量子井層與該p型氮化鋁鎵層間；及一光學層，形成於該透光基板相對於該發光單元的另一表面，該光學層的材料是選自二氧化矽，或二氧化矽及二氧化鉿之一組合，且折射率介於1.0與該透光基板的折射率之間。
- 如請求項第1項所述的深紫外光發光二極體晶片，其中，該光學層具有多層折射率由鄰近該透光基板向遠離該透光基板的方向遞減的光學膜，且以該每一層光學膜的二氧化矽及二氧化鉿的含量總合為 100%計，該二氧化矽的含量介於50%至100%。
- 如請求項第1項所述的深紫外光發光二極體晶片，其中，該電子阻擋層是以鋁含量漸變的氮化鋁鎵Al(x)Ga(1-x)N為材料所構成，且x介於0.05至0.8；該鋁含量的x值以鄰近該p型氮化鋁鎵層至遠離該p型氮化鋁鎵層是先由一第一含量值遞減至一第二含量值，再由該第二含量值遞增至一第三含量值，且該第三含量值小於該第一含量值。
- 如請求項第3項所述的深紫外光發光二極體晶片，其中，該第一含量值介於0.35至0.8，該第二含量值介於0.05至0.35，且該第三含量值介於0.35至0.6。
- 如請求項第4項所述的深紫外光發光二極體晶片，其中，該第一含量值、第二含量值，及第三含量值分別為0.65、0.15，及0.2。
- 一種深紫外光發光二極體晶片，包含：一發光單元，包括依序形成的一緩衝層、一n型氮化鋁鎵層、一多重量子井層，與一p型氮化鋁鎵層；一電極單元，包括一設置於該n型氮化鋁鎵層 上的第一電極，與一設置於該p型氮化鋁鎵層上的第二電極；一電子阻擋層，設置於該多重量子井層與該p型氮化鋁鎵層間；及一光學層，形成於該發光單元相對於該電極單元的另一表面，且該光學層反向該發光單元的表面直接與空氣接觸，該光學層的材料是選自二氧化矽、二氧化鉿，或前述之一組合，且折射率介於1.0至2.3，其中，該光學層具有多層折射率由鄰近該發光單元向遠離該發光單元的方向遞減的光學膜，且以該每一層光學膜的二氧化矽及二氧化鉿的含量總合為100%計，該二氧化矽的含量介於0%至100%。
- 如請求項第6項所述的深紫外光發光二極體晶片，其中，該電子阻擋層是以鋁含量漸變的氮化鋁鎵Al(x)Ga(1-x)N為材料所構成，且x介於0.05至0.8；該鋁含量的x值以鄰近該p型氮化鋁鎵層至遠離該p型氮化鋁鎵層是先由一第一含量值遞減至一第二含量值，再由該第二含量值遞增至一第三含量值，且 該第三含量值小於該第一含量值。
- 如請求項第7項所述的深紫外光發光二極體晶片，其中，該第一含量值介於0.35至0.8，該第二含量值介於0.05至0.35，且該第三含量值介於0.35至0.6。
- 如請求項第8項所述的深紫外光發光二極體晶片，其中，該第一含量值、第二含量值，及第三含量值分別為0.65、0.15，及0.2。
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| TW105107865A TWI606605B (zh) | 2016-03-15 | 2016-03-15 | 深紫外光發光二極體晶片 |
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|---|---|---|---|
| TW105107865A TWI606605B (zh) | 2016-03-15 | 2016-03-15 | 深紫外光發光二極體晶片 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
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| TW201733155A TW201733155A (zh) | 2017-09-16 |
| TWI606605B true TWI606605B (zh) | 2017-11-21 |
Family
ID=60480098
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| TW105107865A TWI606605B (zh) | 2016-03-15 | 2016-03-15 | 深紫外光發光二極體晶片 |
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- 2016-03-15 TW TW105107865A patent/TWI606605B/zh active
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