專利名稱：具改良式反射片的發(fā)光二極管元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)光二極管元件，特別是有關(guān)于一種具改良式反射片的發(fā) 光二極管元件。
背景技術(shù)：
發(fā)光二極管是使用半導(dǎo)體本身固有的特性以產(chǎn)生發(fā)射光，其發(fā)光原理不同 于一般的燈具，故發(fā)光二極管又被稱為冷光光源。發(fā)光二極管具有耐久、省能 等優(yōu)點(diǎn)，已成為普遍受到歡迎的發(fā)光源。圖l為一典型的發(fā)光二極管元件結(jié)構(gòu)截面示意圖，其包括一藍(lán)寶石基底IO、 一N型半導(dǎo)體層ll、 一半導(dǎo)體發(fā)光層12、 一 P型半導(dǎo)體層13及一底部鋁金屬層14。當(dāng)一作用電壓施予該P(yáng)型半導(dǎo)體層13及該N 型半導(dǎo)體層ll之間時(shí)，通過(guò)電子-空穴對(duì)在該半導(dǎo)體發(fā)光層12結(jié)合而于該半導(dǎo)體 發(fā)光層12放出光，朝四面八方發(fā)射出去。如圖1所示，僅有入射角較小的朝上發(fā) 射光會(huì)經(jīng)由該P(yáng)型半導(dǎo)體層13頂面出射，而朝向該藍(lán)寶石基底10的發(fā)射光于通過(guò) 該藍(lán)寶石基底10后則需經(jīng)由該底部鋁金屬層14導(dǎo)引朝上發(fā)射，以增加該發(fā)光二 極管元件的發(fā)光強(qiáng)度。圖2為TE發(fā)射光、TM發(fā)射光及前述兩者的平均混合光(Ave)通過(guò)一藍(lán)寶石基 底入射于其底部鋁金屬層的反射光強(qiáng)度相對(duì)入射角的關(guān)系圖，其中TE發(fā)射光(TE wave)是指電場(chǎng)垂直紙面的發(fā)射光，而TM發(fā)射光(TM wave)是指磁場(chǎng)垂直紙面的 發(fā)射光。如圖2所示，入射于該鋁金屬層的發(fā)射光并無(wú)法達(dá)到100%的反射率，會(huì) 有部分的入射光被該鋁金屬層吸收。目前已知幾乎所有的金屬皆會(huì)吸收部分的 入射光，而無(wú)法百分之百的反射入射光。據(jù)此，亟待提供一種改良的半導(dǎo)體基底底部反射器，以克服上述現(xiàn)有技術(shù) 的缺失。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的主要目的是提供一種具改良式反射片的發(fā)光二極管元件，通過(guò)設(shè) 于一透光基底底面的一改良式反射片，使朝向該透光基底的大部分發(fā)射光于該 透光基底與該反射片的接口產(chǎn)生全反射，以提高該發(fā)光二極管元件的光輸出率。 本發(fā)明的另 一 目的是提供一種具改良式反射片的發(fā)光二極管元件，于透光 基底底面形成一類似布拉格反射器的反射片，以使朝向該透光基底的大部分發(fā) 射光反射率增加，進(jìn)而提高該發(fā)光二極管元件的光輸出率。根據(jù)以上所述的目的，本發(fā)明提供一種具改良式反射片的發(fā)光二極管元件。 在本發(fā)明一具體實(shí)施例中，該發(fā)光二極管元件包括一透光基底、 一半導(dǎo)體疊層 及一反射片。該半導(dǎo)體疊層形成于該透光基底的一第一表面，該半導(dǎo)體疊層包 含一具第一導(dǎo)電性半導(dǎo)體層、 一具第二導(dǎo)電性半導(dǎo)體層及一半導(dǎo)體發(fā)光層介于 前述兩者之間。該反射片形成于相對(duì)該第一表面的該透光基底的一第二表面， 自該第二表面起，該反射片具有至少一透光介電層及至少一金屬層，該透光介 電層具有一折射系數(shù)小于該透光基底的折射系數(shù)。該透光介電層具有一厚度足夠使朝向該透光基底的大部分發(fā)射光在該透光 基底與該透光介電層的接口產(chǎn)生全反射，而被導(dǎo)引朝向該半導(dǎo)體疊層表面發(fā)射。 再者，該透光介電層表面入射角較小的入射光于通過(guò)該透光介電層后，可經(jīng)由 該金屬層反射回去。通過(guò)本發(fā)明前述改良式反射片的設(shè)計(jì)，即可提高該發(fā)光二 極管元件的光輸出率。在本發(fā)明的另一具體實(shí)施例中，該發(fā)光二極管元件包括一藍(lán)寶石基底；一 半導(dǎo)體疊層，形成于該藍(lán)寶石基底的一第一表面，該半導(dǎo)體疊層包含一具第一 導(dǎo)電性半導(dǎo)體層、 一具第二導(dǎo)電性半導(dǎo)體層及一半導(dǎo)體發(fā)光層介于前述兩者之 間；及一反射片，形成于相對(duì)所述第一表面的所述藍(lán)寶石基底的一第二表面， 自該第二表面起，該反射片具有至少一厚度大于O. l微米的二氣化硅層及至少一 鋁金屬層。在本發(fā)明的另一具體實(shí)施例中，該發(fā)光二極管元件包括一透光基底、 一半導(dǎo)體疊層及一反射片。該半導(dǎo)體疊層形成于該透光基底的一笫一表面，該半導(dǎo) 體疊層包含一具第一導(dǎo)電性半導(dǎo)體層、 一具第二導(dǎo)電性半導(dǎo)體層及一半導(dǎo)體發(fā) 光層介于前述兩者之間。該反射片形成于相對(duì)該第一表面的該透光基底的一第 二表面，該反射片具有復(fù)數(shù)層透光介電層，所述透光介電層兩兩之間的折射系 數(shù)呈高低周期性變化，且與該透光基底相鄰的一該透光介電層的折射系數(shù)小于 該透光基底的折射系數(shù)。在此一具體實(shí)施例中，本發(fā)明提供一類似布扭格反射器(Distributed Brag Reflector, DBR)的透光介電層疊層于該透光基底相對(duì)該半導(dǎo)體疊層的表面， 以將朝向該透光基底的發(fā)射光反射回去，藉以提高該發(fā)光二極管元件的光輸出率。 通過(guò)本發(fā)明的改良式反射片的設(shè)計(jì)，可提高該發(fā)光二極管元件的光輸出率。


圖l為一現(xiàn)有發(fā)光二極管元件結(jié)構(gòu)截面示意圖；圖2為現(xiàn)有發(fā)光^管元件其底部鋁金屬層的反射強(qiáng)度相對(duì)入射角的關(guān)系圖； 圖3A為本發(fā)明具改良式反射片的發(fā)光二極管元件的第一具體實(shí)施例的結(jié)構(gòu) 截面示意圖；圖3B及圖3C為本發(fā)明改良式反射片中透光介電層的反射強(qiáng)度相對(duì)入射角的 關(guān)系圖；圖4為本發(fā)明具改良式反射片的發(fā)光二極管元件的第二具體實(shí)施例的結(jié)構(gòu) 截面示意圖；圖5為本發(fā)明具改良式反射片的發(fā)光二極管元件的第三具體實(shí)施例的結(jié)構(gòu) 截面示意圖；及圖6為發(fā)光二極管元件的半導(dǎo)體基底的各種底部反射器的反射強(qiáng)度相對(duì)入 射角的關(guān)系圖。主要部分的代表符號(hào)10藍(lán)寶石基底 11 N型半導(dǎo)體層12半導(dǎo)體發(fā)光層 13 P型半導(dǎo)體層14 底部鋁金屬層
3具改良式反射片的發(fā)光二極管元件
30透光基底 32半導(dǎo)體疊層
34改良式反射片 322具第一導(dǎo)電性半導(dǎo)體層
324半導(dǎo)體發(fā)光層 326具第二導(dǎo)電性半導(dǎo)體層
342 透光介電層 344金屬層
4 具改良式反射片的發(fā)光二極管元件
40透光基底 42半導(dǎo)體疊層
44 改良式反射片 422 具第一導(dǎo)電性半導(dǎo)體層
424半導(dǎo)體發(fā)光層
426具第二導(dǎo)電性半導(dǎo)體層
442第一透光介電層
444 第二透光介電層
5具改良式反射片的發(fā)光二極管元件
50透光基底 52半導(dǎo)體疊層
522具笫一導(dǎo)電性半導(dǎo)體層 526具第二導(dǎo)電性半導(dǎo)體層 56透光介電層堆棧層 564 第二透光介電層
54 改良式反射片
524 半導(dǎo)體發(fā)光層
54 改良式反射片 562 第一透光介電層
58 金屬層
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供一種具改良式反射片的發(fā)光二極管元件，是在透光基底與其底 部反射層之間加入至少一透光介電層，與該反射層形成一改良式反射片，藉以 提高該反射層的反射率。本發(fā)明具改良式反射片的發(fā)光二極管元件的結(jié)構(gòu)通過(guò) 以下具體實(shí)施例配合所附圖式，將予以詳細(xì)說(shuō)明如下。
在此必須說(shuō)明的是，本發(fā)明圖式為各具體實(shí)施例的發(fā)光二極管元件結(jié)構(gòu)截面示意圖，各層厚度并未按照實(shí)際比例繪制，并且為求突顯本發(fā)明結(jié)構(gòu)特征， 圖式中并未示出本發(fā)明發(fā)光二極管元件的電極。
圖3A為本發(fā)明具改良式反射片的發(fā)光二極管元件的第 一具體實(shí)施例的結(jié)構(gòu) 截面示意圖。該具改良式反射片的發(fā)光二極管元件3包括一透光基底30、 一半導(dǎo) 體疊層32及一改良式反射片34。該半導(dǎo)體疊層32形成于該透光基底30的第一表 面，包含一具第一導(dǎo)電性的半導(dǎo)體層322及一具第二導(dǎo)電性的半導(dǎo)體層326及一 半導(dǎo)體發(fā)光層324介于前述兩者之間。該半導(dǎo)體疊層32各層材質(zhì)可以是第IIIA族 氮化物，例如二元化合物(binary compound),例如氮化鋁、氮化4家、氮4匕銦； 三元化合物(ternary compound),例如氮化鎵鋁、氮化鎵銦、氮化鋁銦；及四元 化合物(quaternary compound)氮化鎵銦鋁(AUriyGa卜yN)。以氮化鎵銦鋁(AlInGaN) 材料系統(tǒng)為例，該具第一導(dǎo)電性的半導(dǎo)體層322可以是P型氮化鎵銦鋁層，該具 第二導(dǎo)電性的半導(dǎo)體層326可以是N型氮化鎵銦鋁層及該半導(dǎo)體發(fā)光層324可以 是氮化鎵銦鋁層。該改良式反射片34形成于相對(duì)該第一表面的該透光基底30的 一第二表面，自該第二表面起，該改良式反射片34具有至少一透光介電層342及 至少一金屬層344,該透光介電層342具有一折射系數(shù)小于該透光基底30的折射 系數(shù)及具有一足夠厚度例如至少為O. l微米(pjn)，藉以使該半導(dǎo)體發(fā)光層324朝 向該透光基底30的大部分發(fā)射光入射于該透光介電層342時(shí)會(huì)于該透光基底30 內(nèi)部產(chǎn)生全反射(Total Internal Reflection, TIR),如圖標(biāo)中箭頭所指，進(jìn) 而增加前述發(fā)射光逃離該透光基底30內(nèi)部朝其第一表面出射的機(jī)會(huì)，相對(duì)地減 少前述發(fā)射光被該金屬層344吸收的機(jī)會(huì)。對(duì)于該透光介電層342而言，入射角 較小的入射光于通過(guò)該透光介電層342后，仍可經(jīng)由該金屬層344反射回去。在 第一具體實(shí)施例中，該透光基底30材質(zhì)可以是藍(lán)寶石(sapphire),該透光介電 層342材質(zhì)可以是二氧化硅(Si02)或氟化鎂(MgF》，而該金屬層344可以是鋁、銀、 鈦、鎳或金金屬層等反射率至少為50%的金屬層。
參照?qǐng)D3B，該具改良式反射片的發(fā)光二極管元件3中該透光基底30可使用藍(lán) 寶石基底，而于該藍(lán)寶石基底下方形成一厚度約為G. 5微米(ixm)的二氧化硅，并將一鋁金屬層形成于該二氧化硅層下方。以中心波長(zhǎng)450毫微米(nm)的TE光、TM 光及兩者的平均混合光(Ave)經(jīng)由該藍(lán)寶石基底以各種角度入射于該二氧化硅 層時(shí)，可發(fā)現(xiàn)前述兩種光波在入射角大于全反射臨界角時(shí)，其光反射率可達(dá)100 /0。 也就是說(shuō)，當(dāng)入射角大于全反射臨界角時(shí)，前述兩種光波會(huì)在該藍(lán)寶石基底內(nèi) 部產(chǎn)生全反射，而增加這兩種光波逃離該藍(lán)寶石基底內(nèi)部朝向該藍(lán)寶石基底上 方出射的機(jī)會(huì)。至于入射角較小的入射光仍可經(jīng)該鋁金屬層反射回去。
參照?qǐng)D3C，將二氧化硅層厚度增加至l微米(/zm)，仍可發(fā)現(xiàn)前述兩種光波 在入射角大于全反射臨界角時(shí)，其光反射率可達(dá)100%。參圖3A，故該發(fā)光二極 管元件3中只要透光介電層342厚度超過(guò)一最小厚度，即可使入射角大于全反射 臨界角的所有入射光于該透光介電層342表面產(chǎn)生全反射。所以本發(fā)明改良式反 射片的i殳計(jì)有助于提高本發(fā)明發(fā)光二極管元件的工藝窗口 (process window)。
圖4為本發(fā)明具改良式反射片的發(fā)光二極管元件的第二具體實(shí)施例的結(jié)構(gòu) 截面示意圖。在第二具體實(shí)施例中，該具改良式反射片的發(fā)光二極管元件4包括 一透光基底40、 一半導(dǎo)體疊層42及一改良式反射片44。該半導(dǎo)體疊層42形成于 該透M底40的一第一表面，該半導(dǎo)體疊層42包含一具第一導(dǎo)電性半導(dǎo)體層422、 一具第二導(dǎo)電性半導(dǎo)體層426及一半導(dǎo)體發(fā)光層424介于前述兩者之間。所述反 射片44形成于相對(duì)第一表面的所述透光基底40的一第二表面。該改良式反射片44 是由第一透光介電層442及第二透光介電層444交互堆棧組成，其中該第一透光 介電層442的折射系數(shù)小于該透光基底40的折射系數(shù)，而該第二透光介電層444 的折射系數(shù)大于該第一透光介電層442的折射系數(shù)，并且該第一透光介電層442及 該第二透光介電層444的厚度為四分之一波長(zhǎng)(1/4 A)(在此波長(zhǎng)是指該發(fā)光二 極管元件4的發(fā)射光波長(zhǎng))。換句話說(shuō)，該反射片44系由復(fù)數(shù)層第一透光介電層 442及第二透光介電層444交互堆棧組成，并且所述透光介電層兩兩之間的折射 系數(shù)呈高低周期性變化。如此一來(lái)，該改良式反射片44可設(shè)計(jì)成類似一布拉格 反射器，進(jìn)而可將朝向該透光基底40的發(fā)射光反射回去，以提高該發(fā)光二極管 元件4的光輸出率。再者，在第二具體實(shí)施例中，該透光基底40、該半導(dǎo)體疊層4 2的材質(zhì)皆可使用相同于第 一具體實(shí)施例的材質(zhì)。
圖5為本發(fā)明具改良式反射片的發(fā)光二極管元件的第三具體實(shí)施例的結(jié)構(gòu) 截面示意圖。在第三具體實(shí)施例中，該具改良式反射片的發(fā)光二極管元件5包括 一透光基底50、 一半導(dǎo)體疊層52及一改良式反射片54。該半導(dǎo)體疊層52形成于 該透光基底50的一第一表面，包含一具第一導(dǎo)電性的半導(dǎo)體層522及一具第二導(dǎo) 電性的半導(dǎo)體層526及一半導(dǎo)體發(fā)光層524介于前述兩者之間。該改良式反射片54 形成于相對(duì)該第一表面的該透光基底50的一第二表面，自該第二表面起，該反 射片54具有一透光介電層堆棧層56及至少一金屬層58。該透光介電層堆棧層56 與第二具體實(shí)施例的該反射片44結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一樣，由復(fù)數(shù)層第一透光介電層562及 第二透光介電層564交互堆棧組成，并且所述透光介電層兩兩之間的折射系數(shù)呈 高低周期性變化。也就是說(shuō)，第三具體實(shí)施例與第二具體實(shí)施例不同處僅在于 在該透光介電層堆棧層56下方加設(shè)至少一金屬層58，以更進(jìn)一步將通過(guò)該透光 介電層堆棧層56的發(fā)射光反射回去。該金屬層58材質(zhì)可以是鋁、銀、鈦、鎳或 金金屬層等反射率至少為50%的金屬層。
圖6為顯示藍(lán)寶石基底底部具有不同反射片時(shí)，反射光強(qiáng)度相對(duì)反射片表面 光入射角的關(guān)系圖，可明顯看出藍(lán)寶石基底底部形成一透光介電層堆棧層(d i e 1 ectric stack)與鋁金屬層做為反射片時(shí)，或者形成一透光介電層與鋁金屬層做 為反射片時(shí)，相較于在該藍(lán)寶石基底底部?jī)H以一鋁金屬層做為反射片時(shí)，其可 大為提高光反射率。
以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并非用以限定本發(fā)明的申請(qǐng)專利 范圍；凡其它未脫離本發(fā)明所揭示的精神下所完成的等效改變或修飾，均應(yīng)包 含在本發(fā)明權(quán)利要求請(qǐng)求保護(hù)的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1. 一種具改良式反射片的發(fā)光二極管元件，其特征在于該發(fā)光二極管元件包括一透光基底；一半導(dǎo)體疊層，形成于該透光基底的一第一表面，該半導(dǎo)體疊層包含一具第一導(dǎo)電性半導(dǎo)體層、一具第二導(dǎo)電性半導(dǎo)體層及一半導(dǎo)體發(fā)光層介于前述兩者之間；及一反射片，形成于相對(duì)所述第一表面的所述透光基底的一第二表面，自該第二表面起，該反射片具有至少一透光介電層及至少一金屬層，該透光介電層具有一折射系數(shù)小于該透光基底的折射系數(shù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的具改良式反射片的發(fā)光二極管元件，其特征在于 所述透光介電層的厚度至少為O. l微米。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的具改良式反射片的發(fā)光二極管元件，其特征在于 該金屬層的反射率至少為5 0% 。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的具改良式反射片的發(fā)光二極管元件，其特征在于， 所述透光介電層的材質(zhì)選自下列任意一種二氧化硅及氟化鎂。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的具改良式反射片的發(fā)光二極管元件，其特征在于， 該金屬層的材質(zhì)選自下列任意一種鋁、銀、鈦、鎳及金。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的具改良式反射片的發(fā)光二極管元件，其特征在于， 該反射片具有復(fù)數(shù)層透光介電層，所述透光介電層兩兩之間的折射系數(shù)呈高低 周期性變化。
7. —種具改良式反射片的發(fā)光二極管元件，其特征在于該發(fā)光二極管元件 包括一藍(lán)寶石基底；一半導(dǎo)體疊層，形成于該藍(lán)寶石基底的一第一表面，該半導(dǎo)體疊層包含一 具第一導(dǎo)電性半導(dǎo)體層、 一具第二導(dǎo)電性半導(dǎo)體層及一半導(dǎo)體發(fā)光層介于前述兩者之間；及一反射片，形成于相對(duì)所述第一表面的所述藍(lán)寶石基底的一第二表面，自 該第二表面起，該反射片具有至少一厚度大于O. l微米的二氧化硅層及至少一鋁 金屬層。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的具改良式反射片的發(fā)光二極管元件，其特征在于 該半導(dǎo)體疊層的材質(zhì)是以氮化鎵銦鋁系為主。
9. 一種具改良式反射片的發(fā)光二極管元件，其特征在于該發(fā)明二極管元件 包括一透光基底；一半導(dǎo)體疊層，形成于該透光基底的一第一表面，該半導(dǎo)體疊層包含一具 第一導(dǎo)電性半導(dǎo)體層、 一具第二導(dǎo)電性半導(dǎo)體層及一半導(dǎo)體發(fā)光層介于前述兩 者之間；及一反射片，形成于相對(duì)該第一表面的該透光基底的一第二表面，該反射片 具有復(fù)數(shù)層透光介電層，所述透光介電層兩兩之間的折射系數(shù)呈高低周期性變 化，且與該透光基底相鄰的一該透光介電層的折射系數(shù)小于該透光基底的折射 系數(shù)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的具改良式反射片的發(fā)光二極管元件，其特征在 于，所述透光介電層對(duì)于來(lái)自該透光基底的所有入射光產(chǎn)生大于50%的反射率。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的具改良式反射片的發(fā)光二極管元件，其特征在 于，所述透光基底為一藍(lán)寶石基底。
12. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的具改良式反射片的發(fā)光二極管元件，其特征在 于，該半導(dǎo)體疊層的材質(zhì)是以氮化鎵銦鋁系為主。
13. 才艮據(jù)權(quán)利要求ll所述的具改良式反射片的發(fā)光二極管元件，其特征在 于，該半導(dǎo)體疊層的材質(zhì)是以氮化鎵銦鋁系為主。
全文摘要
本發(fā)明提供一種具改良式反射片的發(fā)光二極管元件，在相對(duì)發(fā)光層的透光基底的表面形成一改良式反射片。該改良式反射片具有至少一透光介電層相鄰于該透光基底及至少一金屬層。通過(guò)該改良式反射片的設(shè)計(jì)，使穿透該透光基底的大部分發(fā)射光在該透光基底與該反射片的接口產(chǎn)生全反射，藉以使朝向該透光基底的發(fā)射光被導(dǎo)引朝元件正面發(fā)光，進(jìn)而提高該發(fā)光二極管元件的光輸出率。
文檔編號(hào)H01L33/00GK101246934SQ20071007915
公開日2008年8月20日 申請(qǐng)日期2007年2月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月14日
發(fā)明者史提夫·列斯特, 法蘭克·修恩 申請(qǐng)人:普瑞光電股份有限公司