TWI636582B - 發光裝置 - Google Patents
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Abstract
一種發光裝置，其包含：一布拉格反射鏡，其包含交錯的第一半導體層以及第二半導體層，其中各第一半導體層包含一具有一深度的低折射係數部位；以及一與布拉格反射鏡連接的發光半導體疊層；其中複數第一半導體層之複數低折射係數部位的複數深度係以朝向發光半導體疊層的方向逐漸改變。
Description
本發明係一種發光裝置，尤指一種具有較高亮度以及較佳指向性的發光裝置。
發光二極體是省電以及高效率的光源，根據不同的發光波長，可以應用於照明、顯示器的背光模組以及交通號誌等。除了對發光波長有不同的需求，根據不同應用的需要，對於出光的角度以及亮度的提升也有一定的要求。
為了達到所需的出光角度，通常會使用封裝體、透鏡以及反射杯等以調整發光角度。第12圖為一發光二極體晶粒100的出光角度示意圖。如第13圖第至14圖所示，為了增加出光角度於垂直方向的分佈，封裝體200或透鏡300可用於封裝發光二極體晶粒100，藉以使發光二極體晶粒具有較高的指向性。然而，封裝後的發光二極體晶粒的體積遠大於原來的發光二極體晶粒的體積。
如第15圖所示，習知的發光二極體晶粒100包含一基板101、一位於基板101之一表面上的布拉格反射鏡(Distributed Bragg Reflector)結構102、一位於布拉格反射鏡結構102上的活性層103、一位於活性層103上的覆蓋層104、一位於覆蓋層104上的第一電極105以及一位於基板之相對於布拉格反射鏡結構102之另一表面上的第二電極106。電流通過第一電極105以及習知發光二極體晶粒100時，活性層103即發射出光。如第15圖所示，一實質上垂直於活性層103且朝向覆
蓋層104的發射光1031係自習知發光二極體晶粒100之正面射出，一實質上垂直於布拉格反射鏡結構102且朝向基板101的發射光1032，被反射特定波長的光的布拉格反射鏡結構102反射後，也自習知發光二極體晶粒100之正面射出。然而，以一入射斜角照射至布拉格反射鏡結構102的發射光1033，係經由折射往下自習知發光二極體晶粒100之側面射出。因此，習知發光二極體晶粒100僅能藉由增加反射垂直入射的光至發光二極體晶粒100之正面，卻無法集中側面射出的光至發光二極體晶粒100之正面，故提升的出光效率有限。此外，習知發光二極體晶粒100需要使用一封裝體或一透鏡調整出光角度。
然而，現今的設備以及電子元件係朝向小尺寸發展，因此，習知封裝後的發光二極體，由於受限於過大的體積，難以應用於小尺寸的設備或是電子元件。
前述之發光二極體(LED)可與其他元件組合連接以形成一發光裝置。發光裝置包含一具有一電路之次載體(submount)；一焊料(solder)位於上述次載體上，藉由此焊料將LED固定於次載體上並使LED與次載體上之電路形成電連接，其中LED包含有一基板；以及一電性連接結構，以電性連接LED之電極與次載體上之電路；其中，上述之次載體可以是導線架(lead frame)或大尺寸鑲嵌基底(mounting substrate)，以利於發光裝置的電路設計以及增進熱傳導的效率。
一種發光裝置，其包含：一布拉格反射鏡，其包含交錯的第一半導體層以及第二半導體層，其中各第一半導體層包含一具有一深度的低折射係數部位；以及一與布拉格反射鏡連接的發光半導體疊層；其中複數第一半導體層之複數低折射係數部位的複數深度係以朝向發光半導體疊層的方向逐漸改
變。
1a‧‧‧發光結構
11‧‧‧基板
12‧‧‧布拉格反射鏡
13‧‧‧發光半導體疊層
14‧‧‧窗戶層
131‧‧‧第一導電型半導體層
132‧‧‧第二導電型半導體層
133‧‧‧發光層
111‧‧‧第一表面
112‧‧‧第二表面
121‧‧‧第一半導體層
122‧‧‧第二半導體層
10a、10b‧‧‧發光裝置
1211‧‧‧低折射係數部位
1212‧‧‧高折射係數部位
D‧‧‧深度
15‧‧‧第一電極
16‧‧‧第二電極
1331‧‧‧發射光
1213‧‧‧溝槽
θ‧‧‧角度
A1、A2、A3‧‧‧界面
E1、E2‧‧‧邊緣
17‧‧‧電極接觸層
171‧‧‧平坦壁面
第1圖為本發明之發光結構之第一實施例之剖面圖；第2圖是為第1圖中區域I之放大表示的剖面圖；第3圖為本發明之發光裝置之第一實施例之剖面圖；第4圖為第1圖中區域II之放大表示的剖面圖；第5圖為本發明之第一實施例中，發光層所發出的光透過第二半導體層照射在其中一低折射係數部位上之入射角以及反射角的關係圖；第6圖為本發明之發光裝置之第二實施例的部分區域之剖面圖；第7圖為本發明之發光裝置之第三實施例的部分區域之剖面圖；第8圖為本發明之發光裝置之第四實施例的部分區域之剖面圖；第9圖為第8圖中區域III之放大表示的剖面圖；第10圖為本發明之發光裝置之第五實施例的部分區域之剖面圖；第11圖為本發明之發光裝置之第四實施例之剖面圖；第12圖為一習知技術之發光二極體晶粒的出光角度示意圖；第13圖為一習知技術之封裝後的發光二極體晶粒的出光角度示意圖；第14圖為一習知技術之封裝後的發光二極體晶粒的出光角度示意圖；以及第15圖為一習知技術之發光二極體晶粒剖面圖。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。在圖式中，元件之形狀或厚度可擴大或縮小。需特別注意的是，圖中未繪示或描述之元件，可以是熟習此技藝之人士所知之形式。本發明所列舉之各實施例僅用以說明本發明，並非用以限制本發明之範圍。任何人對本發明所作之任何顯而易知之修飾或變更皆不脫離本發明之精神與範圍。
第一實施例
本發明之第一實施例係如第1至第4圖所示。第一實施例所示之發光裝置10a的結構以及製造方法如下所述。首先，提供一發光結構1a，其包含一基板11、一位於基板11上的布拉格反射鏡(Distributed Bragg reflector)12、一位於布拉格反射鏡12上的發光半導體疊層13以及一位於發光半導體疊層13上的窗戶層14，其中發光半導體疊層13包含一與布拉格反射鏡12相鄰的第一導電型半導體層131、一第二導電型半導體層132以及一位於第一導電型半導體層131與第二導電型半導體層132之間的發光層133。
基板11支撐位於其上的結構且包含一第一表面111以及一相對於第一表面111的第二表面112。基板11之材料可包含絕緣材料或導電材料，絕緣材料包含例如，矽氧化物(silicone)、玻璃、石英、陶瓷或氮化鋁(AlxN)，非導電材料，透明材料或是非透明材料。於本實施例中，基板11之材料包含砷化鎵。
第2圖是為第1圖中區域I之放大表示的剖面圖。布拉格反射鏡12位於基板11之第一表面111上且包含交錯的第一半導體層121以及第二半導體層122。第一半導體層121的數目以及第二半導體層122的數目各自例如為但不限於
20。第一半導體層121以及第二半導體層122的材料包含半導體材料。具體而言，第一半導體層121的材料包含一包含鋁的第一三五族半導體材料，第二半導體層122的材料包含一包含鋁的第二三五族半導體材料。第一半導體層121具有一第一鋁濃度，第二半導體層122具有一第二鋁濃度，其中第一鋁濃度係為第一三五族半導體材料中，鋁相對於所有第三族元素的含量，第二鋁濃度係為第二三五族半導體材料中，鋁相對於所有第三族元素的含量。複數第一半導體層121的第一鋁濃度自基板11至發光半導體疊層13的方向逐漸改變。於此實施例中，複數第一半導體層121的第一鋁濃度自基板11至發光半導體疊層13的方向逐漸遞減。第二鋁濃度實質上等於或是低於複數第一半導體層121中最低的第一鋁濃度。較佳的，各第一半導體層121的第一鋁濃度不小於第一三五族半導體材料中所有第三族元素的百分之八十。較佳的，第一三五族半導體材料是選自於由AlxGa(1-x)As、AlxGa(1-x)P、AlxGa(1-x)AsP、AlxAs(1-x)Sb、AlxIn(1-x)GaP、以及AlxGa(1-x)N所組成的群組，其中x不小於0.8。較佳的，x介於0.8至0.99之間。更佳的，x介於0.9至0.99之間。第二三五族半導體材料是選自於由AlyGa(1-y)As、AlyGa(1-y)P、AlyGa(1-y)AsP、AlyAs(1-y)Sb、AlyIn(1-y)GaP、以及AlyGa(1-y)N所組成的群組，其中y小於0.8。較佳的，y小於0.5，更佳的，y小於0.2。於此實施例中，最接近基板11的第一半導體層121之材料包含Al0.95Ga0.05As，最遠離基板11的第一半導體層121之材料包含Al0.8Ga0.2As，且其它第一半導體層121之第一鋁濃度介於第一三五族半導體材料中所有鋁和鎵的百分之80(未包含)至百分之95(未包含)之間，且這些第一鋁濃度自基板11至發光半導體疊層13的方向逐漸遞減。具體而言，各第一半導體層121的第一鋁濃度為定值。於此實施例中，各第二半導體層122之第二三五族半導體材料為Al0.12Ga0.88As。各第一半導體層121具有一第一折射係數，且複數第一折射係數自基板11至發光半
導體疊層13的方向逐漸改變。於此實施例中，複數第一折射係數自基板11至發光半導體疊層13的方向逐漸遞增，且每一第一折射係數為一定值。複數第二半導體層122具有實質上相同的折射係數，且第二半導體層122的折射係數高於複數第一半導體層121中最高的第一折射係數。各第一半導體層121的厚度大於各第二半導體層122的厚度。於此實施例中，各第二半導體層122的厚度為680埃(Å)，且各第一半導體層121的厚度大於1000埃(Å)。
請參閱第1至第2圖，當第一導電型半導體層131係為一p型半導體時，第二導電型半導體層132為一導電型與第一導電型半導體層131相異的n型半導體。相反的，當第一導電型半導體層131係為一n型半導體時，第二導電型半導體層132為一導電型與第一導電型半導體層131相異的p型半導體。發光層133可以是本質、p型或是n型半導體。發光層133之結構可為單異質結構(single heterostructure，SH)、雙異質結構(double heterostructure，DH)、雙側雙異質結構(double-side double heterostructure，DDH)、多層量子井(multi-quantum well，MQW)結構，其中發光層133的發光波長可以藉由發光層的材質以及厚度調整。
窗戶層14鄰近於發光半導體疊層13之第二導電型半導體層132，且窗戶層14的導電型可與第二導電型半導體層132的導電型相同。窗戶層14可使發光半導體疊層13的光穿透。窗戶層14的材料包含氧化銦錫(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)、氧化鋅(ZnO)、氧化鎵鋅(GZO)、氧化銦鎢(IWO)、氧化鎂(MgO)、氧化銦鋅(IZO)，或三五族半導體材料，包含鋁砷化鎵(AlGaAs)、氮化鎵(GaN)、磷化鎵(GaP)、砷化鎵(GaAs)、銦砷化鎵(InGaAs)、磷化鋁鎵銦(AlGaInP)或磷化銦鎵(InGaP)。
接著，氧化如第1圖以及第2圖所示的發光結構1a，藉以氧化各第一半導體層121的一部份，其中氧化方法包含濕熱氧化法(wet thermal oxidation)。於氧化步驟中，各第一半導體層121係自位於周圍最外邊且裸露的部分開始氧化，但實質上不影響其他結構，例如不影響發光半導體疊層13和第二半導體層122。如第3圖以及第4圖所示，於氧化步驟之後，得到發光裝置10a，其中各第一半導體層121包含一低折射係數部位1211以及一被低折射係數部位1211環繞的高折射係數部位1212。由於各高折射係數部位1212於氧化步驟中實質上並未被影響，因此各高折射係數部位1212仍維持如前述未氧化前的第一折射係數。各低折射係數部位1211具有一第二折射係數，且所述之第二折射係數實質上相等且低於高折射係數部位1212中最低的第一折射係數。具體而言，對於發光層133所發出的光的波長，各低折射係數部位1211的第二折射係數是小於2。較佳的，各低折射係數部位1211的第二折射係數是介於1至2之間。各低折射係數部位1211的第二折射係數係小於各第二半導體層122的折射係數。較佳的，第二折射係數與第二半導體層122的折射係數之差異不小於1。更佳的，第二折射係數與第二半導體層122的折射係數之差異是介於0.83至2.2之間。各低折射係數部位1211具有一深度D，其係定義為自低折射係數部位1211之最外層裸露的邊緣至低折射係數部位1211與高折射係數部位1212之間的界面之距離。此外，複數第一半導體層121之低折射係數部位1211之深度D係自基板11至發光半導體疊層13的方向逐漸改變。於此實施例中，複數第一半導體層121之低折射係數部位1211之深度D係自基板11至發光半導體疊層13的方向逐漸遞減。複數第一半導體層121之低折射係數部位1211之材料包含氧化鋁，其化學式係為AlaOb，其中a與b為不為0之自然數。
接著使用蒸鍍、沉積或是電鍍以及使用微影製程形成一與窗戶層14電性連接的第一電極15，以及使用蒸鍍、沉積或是電鍍形成一與基板11之第二表面112電性連接的第二電極16。於施加一外加電壓之後，電流在第一電極15以及第二電極16之間流動。第一電極15以及第二電極16之材料包含透明導電氧化材料、金屬材料或三五族半導體材料。透明導電氧化材料包含氧化銦錫(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)、氧化鋅(ZnO)、氧化鎵鋅(GZO)、氧化銦鎢(IWO)、氧化鎂(MgO)或氧化銦鋅(IZO)。金屬材料包含鋁、鉻、銅、錫、金、鎳、鈦、鉑、鉛、鋅、鎘、銻、鈷或其等之合金。三五族半導體材料包含鋁砷化鎵(AlGaAs)、氮化鎵(GaN)、磷化鎵(GaP)、砷化鎵(GaAs)或砷化鎵磷(GaAsP)。
第5圖係為本發明之第一實施例中，發光層133所發出的光自第二半導體層122照射在其中一低折射係數部位1211上之入射角以及反射角的關係圖。如第5圖所示，自第二半導體層122進入高折射係數部位1212的臨界角接近35度。如第4圖所示，一發射光1331以一入射斜角照射於布拉格反射鏡12上時，會穿過幾層第二半導體層122以及幾層高折射係數部位1212，直到遇到其中一低折射係數部位1211時則發生反射，發生反射是因為低折射係數部位1211的第二折射係數與第二半導體層122的折射係數之差異夠大，且被反射而朝向發光裝置10a之側壁的光又被另一低折射係數部位1211反射，因此本實施例揭示之發光裝置可集中光至發光裝置的正面。進一步而言，由於低折射係數部位1211實質上係為電絕緣，因此發光裝置可將電流集中於布拉格反射鏡12中低折射係數部位1211以外之區域。故，發光裝置的出光效率提升且具有較佳的指向性。
第二實施例
第6圖係為本發明第二實施例之發光裝置的部分區域之剖面圖。本實施例與第一實施例之差別在於，於形成第一電極15之前，各第一半導體層121之低折射係數部位1211係藉由一蝕刻步驟移除以形成一溝槽1213。
第三實施例
第7圖係為本發明第三實施例之發光裝置的部分區域之剖面圖。本實施例除了複數第一半導體層121的第一鋁濃度自基板11至發光半導體疊層13的方向逐漸改變，各高折射係數部位1212的第一鋁濃度亦自基板11至發光半導體疊層13的方向逐漸改變，也就是說，各高折射係數部位1212的第一鋁濃度自基板11至發光半導體疊層13的方向並非為一定值。
於本實施例中，最靠近基板11之第一半導體層121之第一鋁濃度係自基板11至發光半導體疊層13的方向，以第一三五族半導體材料中所有鋁和鎵的百分之95遞減至百分之94，而最遠離基板11之第一半導體層121之第一鋁濃度係自基板11至發光半導體疊層13的方向，以第一三五族半導體材料中所有鋁和鎵的百分之81遞減至百分之80，且其它第一半導體層121之第一鋁濃度係介於第一三五族半導體材料中所有鋁和鎵的百分之94(未包含)至百分之81(未包含)之間，這些第一鋁濃度自基板11至發光半導體疊層13的方向逐漸遞減，且各第一鋁濃度本身亦以同一方向逐漸遞減。此外，各低折射係數部位1211之深度分別自基板11至發光半導體疊層13的方向逐漸改變。於本實施例中，各低折射係數部位1211之深度係分別自基板11至發光半導體疊層13的方向逐漸遞減。具體而言，各第一半導體層121中，相對於一實質上平行於每一第二半導體層122的平面，低折射係數部位1211與高折射係數部位1212之間的界面是傾斜的，進而定義出一介於平面
與界面之間的角度θ。進一步而言，角度θ介於10度至80度之間，較佳的，介於30度至60度之間。
第四實施例
第8圖係為本發明第四實施例之發光裝置的部分區域之剖面圖。本實施例與第三實施例之差別在於，各第一半導體層121之第一鋁濃度各自於一範圍逐漸變化，且任一第一半導體層121之第一鋁濃度之範圍與另一第一半導體層121之第一鋁濃度之部分範圍重疊，且複數第一濃度之最大濃度自基板11至發光半導體疊層13的方向逐漸遞減。於本實施例中，最遠離基板11之第一半導體層121之第一鋁濃度係自基板11至發光半導體疊層13的方向，以第一三五族半導體材料中所有鋁和鎵的百分之91遞減至百分之90，而與最遠離基板11之第一半導體層121相鄰的下一層第一半導體層121之第一鋁濃度係以相同的方向，以第一三五族半導體材料中所有鋁和鎵的百分之91.5遞減至百分之90.5。此外，最靠近基板11之第一半導體層121之第一鋁濃度係自基板11至發光半導體疊層13的方向，以第一三五族半導體材料中所有鋁和鎵的百分之99.5遞減至百分之98.5，而與最靠近基板11之第一半導體層121相鄰的下一層第一半導體層121之第一鋁濃度係以相同的方向，以第一三五族半導體材料中所有鋁和鎵的百分之99遞減至百分之98。此外，各低折射係數部位1211與高折射係數部位1212之間的界面有兩個邊緣，且界面之其中一邊緣的垂直投影落在相鄰的界面上。具體而言，如第9圖所示，一界面A1具有兩個邊緣E1、E2，其中一邊緣E1的垂直投影落在其中一相鄰的界面A2上，另一邊緣E2的垂直投影落在另一相鄰的界面A3上。
第五實施例
第10圖係為本發明第五實施例之發光裝置的部分區域之剖面圖。相較於第三實施例，本實施例中氧化步驟之氧化速率的變化較小，因此各低折射係數部位1211與高折射係數部位1212之間的界面為一曲面。具體而言，氧化步驟中，氧化速率的變化可以藉由調整第一濃度和/或例如調整氧化溫度等條件而控制。
第六實施例
第11圖係為本發明第四實施例之發光裝置10b的剖面圖。本實施例之電極接觸層17與布拉格反射鏡12電性連接且位於布拉格反射鏡12以及發光半導體疊層13之間。發光半導體疊層13之寬度以及窗戶層14之寬度係小於電極接觸層17之寬度，因此電極接觸層17包含有一鄰近發光半導體疊層13的平坦壁面171。第二電極16係位於平坦壁面171上且與電極接觸層17歐姆接觸。電極接觸層17之導電型與第一導電型半導體層131相同。電極接觸層17之材料包含鎵、鋁、銦、磷、氮、鋅、鎘、硒或其等之組合。
於另一實施例中，發光裝置包含兩個布拉格反射鏡，且發光半導體疊層位於兩個布拉格反射鏡中，亦即，本實施例之發光裝置係為一垂直共振腔面射型雷射。
以上所述之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。
Claims (10)
- 一種發光裝置，其包含：一發光半導體疊層，該發光半導體疊層具有一第一側以及一相對於該第一側的第二側；以及一布拉格反射鏡位於該發光半導體疊層的該第一側上，其包含交錯的複數第一半導體層以及複數第二半導體層，其中各該第一半導體層包含一具有一深度的第一部位以及一被該第一部位環繞的第二部位，各該第二部位包含一包含鋁的第一三五族半導體材料，且該等第二部位之該等鋁濃度係以自該第一側朝向該第二側的方向逐漸遞減；其中該等第一半導體層之該等第一部位的該等深度係以自該第一側朝向該第二側的方向逐漸改變。
- 如請求項1所述之發光裝置，其中該等第二部位之其中之一的該鋁該鋁的濃度不小於該第一三五族半導體材料中所有第三族元素的百分之80，該等第一部位的折射係數低於該等第二部位的折射係數。
- 如請求項1所述之發光裝置，其中該第一三五族半導體材料是選自於由AlxGa(1-x)As、AlxGa(1-x)P、AlxGa(1-x)AsP、AlxAs(1-x)Sb、AlxIn(1-x)GaP、以及AlxGa(1-x)N所組成的群組，其中x不小於0.8。
- 如請求項1所述之發光裝置，其中該等第二半導體層並未包含氧化鋁。
- 如請求項1所述之發光裝置，其中該等鋁的濃度為一以自該第一側朝向該第二側的方向逐漸改變的梯度鋁濃度，且各該第一部位之該深度係各自以自該第一側朝向該第二側的方向逐漸改變。
- 如請求項1所述之發光裝置，其更包括複數位於該等第二部位與該等第一部位之間的界面，且其中該等界面之一與相對於一實質上平行該等第二半導體層的平面之間具有一角度係介於10度至80度。
- 如請求項1所述之發光裝置，其更包括複數位於該等第二部位與該等第一部位之間的界面，且其中該等界面之一係為一曲面。
- 如請求項1所述之發光裝置，其中各該第二半導體層之材料包含一包含鋁的第二三五族半導體材料，該第二三五族半導體材料是選自於由AlyGa(1-y)As、AlyGa(1-y)P、AlyGa(1-y)AsP、AlyAs(1-y)Sb、AlyIn(1-y)GaP、以及AlyGa(1-y)N所組成的群組，其中y小於0.8。
- 如請求項1所述之發光裝置，其中各該第一部位為一溝槽。
- 如請求項1所述之發光裝置，其並未具有另一布拉格反射鏡位於該發光半導體疊層的該第二側上。
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