專(zhuān)利名稱(chēng)：發(fā)光元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明揭示一種發(fā)光元件結(jié)構(gòu)，特別是關(guān)于發(fā)光元件的發(fā)光層與發(fā)光元
件沿外延生長(zhǎng)方向的光強(qiáng)度分布(Wave Intensity Distribution)曲線峰值區(qū)域在 空間上不互相重疊的結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
發(fā)光二極管(light-emitting diode, LED)的發(fā)光原理是利用電子在n型半 導(dǎo)體與p型半導(dǎo)體間移動(dòng)的能量差，以光的形式將能量釋放，這樣的發(fā)光原 理有別于白熾燈發(fā)熱的發(fā)光原理，因此發(fā)光二極管^^皮稱(chēng)為冷光源。此外，發(fā) 光二極管具有高耐久性、壽命長(zhǎng)、輕巧、耗電量低等優(yōu)點(diǎn)，因此現(xiàn)今的照明 市場(chǎng)對(duì)于發(fā)光二極管寄予厚望，將其視為新一代的照明工具。
如圖1A所示，已知的發(fā)光二極管100包含基板10、位于基板10上的 外延結(jié)構(gòu)12，以及至少一位于外延結(jié)構(gòu)12上的電極14;此外延結(jié)構(gòu)12還 包含第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體層120、發(fā)光層122，以及第二導(dǎo)電型半導(dǎo)體層124 由上而下堆疊而成；其中，發(fā)光層122的結(jié)構(gòu)通常為多重量子阱(Multiple Quantum Well, MQW)結(jié)構(gòu)。
圖IB為已知發(fā)光二極管100的能隙示意圖。如圖1B所示，已知的發(fā) 光二極管100發(fā)光層122的結(jié)構(gòu)由數(shù)個(gè)量子勢(shì)壘層(quantum barrier layer)130 與量子阱層(quantumwell layer)132交互排列而組成，其中量子阱層132通常 采用能隙(band-gap)較勢(shì)壘層130小的材料。然而，此量子阱層132除了發(fā) 出光線外，當(dāng)具有與量子阱層132所發(fā)出光線波長(zhǎng)相同或更短的光線通過(guò)量 子阱層132時(shí)，此量子阱層132亦會(huì)吸收此通過(guò)的光線；上述量子阱層132 吸光的情形存在于氮化鎵(GaN)系列與磷化鋁鎵銦(AlGalnP)系列材料的發(fā)光 元件中，特別是磷化鋁鎵銦系列材料的吸光情形尤為明顯。
此外，為了提高發(fā)光二極管100的內(nèi)部量子效率，發(fā)光層122多為20 至100層的量子勢(shì)全層(quantum barrier layer)130與量子卩并層(quantum well layer)交錯(cuò)堆疊的結(jié)構(gòu)；因此，發(fā)光層124所發(fā)出的光線被其自身的量子阱層所吸收的情況亦隨著量子阱層132堆疊層數(shù)與厚度增加而更加明顯。 圖1C為對(duì)應(yīng)已知的發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)12的光強(qiáng)度分布曲線圖，如圖 所示，已知的發(fā)光二極管100沿外延生長(zhǎng)方向A具有光強(qiáng)度分布曲線B,此 強(qiáng)度分布曲線B具有峰值區(qū)域，此所謂的峰值區(qū)域指光強(qiáng)度分布曲線中，強(qiáng) 度大于分布曲線最大光強(qiáng)度的百分之九十的區(qū)域(圖中虛線Bl與虛線B2與 強(qiáng)度分布曲線所構(gòu)成的區(qū)域)，其中峰值區(qū)域與發(fā)光層122位置相互重疊； 此外，通過(guò)計(jì)算光強(qiáng)度分布曲線B中對(duì)應(yīng)發(fā)光層122空間位置的面積(圖中 斜線區(qū)域)占分布曲線總面積的比例可以得到發(fā)光層122的光局限因子 (Optical Confinement Factor, t active layer)，長(zhǎng)口圖所示，已知結(jié)構(gòu)的光局限因子 約為百分之六十；綜上所述，由于大多數(shù)發(fā)光疊層12所發(fā)出的光線大多局 限于發(fā)光層122所在的位置，再加上發(fā)光層122的材料容易吸收光線，使發(fā) 光二極管100的發(fā)光效率無(wú)法有效提高。
為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明便提出一種發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，以減少光線被 發(fā)光層吸收的機(jī)率，由此提高光提取效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一是提供發(fā)光元件結(jié)構(gòu)，此發(fā)光元件結(jié)構(gòu)沿外延生長(zhǎng)方 向的光強(qiáng)度曲線的峰值區(qū)域與發(fā)光層位置在空間上不相互重疊。
本發(fā)明的另一目的是提供發(fā)光元件結(jié)構(gòu)，其發(fā)光層不位于發(fā)光元件結(jié)構(gòu) 沿外延生長(zhǎng)方向的光強(qiáng)度分布曲線峰值區(qū)域，以減少發(fā)光層材料吸光的問(wèn) 題，并且提高發(fā)光元件的光提取效率。
本發(fā)明的再一目的是提供發(fā)光元件結(jié)構(gòu)，其發(fā)光層的光局限因子(t active b，)小于百分之六十。
以下通過(guò)具體實(shí)施例配合附圖詳加說(shuō)明，當(dāng)更容易了解本發(fā)明的目的、 技術(shù)內(nèi)容、特點(diǎn)及其所達(dá)成的功效。


圖1A為已知發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖1B為已知發(fā)光二極管的能隙(band-gap)示意圖。
圖1C為已知發(fā)光二極管沿著外延生長(zhǎng)方向的光強(qiáng)度分布曲線示意圖。
圖2為本發(fā)明的發(fā)光元件結(jié)構(gòu)示意圖。
6圖3為本發(fā)明的發(fā)光元件沿著外延生長(zhǎng)方向的光強(qiáng)度分布曲線示意圖
圖4為本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5為本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例沿著外延生長(zhǎng)方向的光強(qiáng)度分布曲線示意圖 圖6為本發(fā)明另一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。主要元件符號(hào)說(shuō)明
100:發(fā)光二極管 10:基板
12:外延結(jié)構(gòu) 14:電極
120:第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體層 發(fā)光層
第二導(dǎo)電型半導(dǎo)體層
122 124 130 200
量子勢(shì)壘層 發(fā)光元件
22:外延結(jié)構(gòu) 220:第一導(dǎo)電型包覆層 222:第一導(dǎo)電型局限層 226:第二導(dǎo)電型局限層 228:第二導(dǎo)電型包覆層 300:發(fā)光元件 32:外延結(jié)構(gòu) 320:第一導(dǎo)電型包覆層 322:第一導(dǎo)電型局限層 326:第二導(dǎo)電型局限層 328:第二導(dǎo)電型包覆層 330:第一導(dǎo)電型窗戶層 332:第二導(dǎo)電型窗戶層
132:量子阱層 20:基板 24:電極
224:發(fā)光層
30:基板 34:電才及
324:發(fā)光層
340:翁結(jié)層
具體實(shí)施例方式
圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示，本發(fā)明的發(fā)光 件200包含 基板20,并于基板20上形成外延結(jié)構(gòu)22,此外延結(jié)構(gòu)22由上而下由第一 導(dǎo)電型包覆層220、第一導(dǎo)電型局限層222、發(fā)光層224、第二導(dǎo)電型局限層 226，以及第二導(dǎo)電型包覆層228所堆疊生長(zhǎng)而成，此外，還包含至少一電極24形成于外延結(jié)構(gòu)22上，其中第一導(dǎo)電型局限層222的厚度T,不等于 第二導(dǎo)電型局限層226的厚度T2。第一導(dǎo)電型局限層222與第二導(dǎo)電型局限 層226的厚度比值TVT2可以是l/2至l/200或2至200;其中，第一導(dǎo)電型 局限層222與第二導(dǎo)電型局限層226的厚度比值又優(yōu)選小于1/100與大于 100。
此外，發(fā)光層224具有第一折射率n,，第一導(dǎo)電型局限層222與第二導(dǎo) 電型局限層226具有第二折射率n2，第一導(dǎo)電型包覆層220與第二導(dǎo)電型包 覆層228則具有第三折射率n3，而上述各層的折射率滿足第一折射率大于第 二折射率，而第二折射率又大于第三折射率(n^n2〉n3)的關(guān)系；由于外延結(jié)構(gòu) 22中，第一導(dǎo)電型局限層222與第二導(dǎo)電型局限層226的第二折射率化介 于發(fā)光層224的第 一折射率n！以及第 一導(dǎo)電型包覆層220與第二導(dǎo)電型包覆 層228的第三折射率n3之間，因此相較于第 一導(dǎo)電型包覆層220與第二導(dǎo)電 型包覆層228,光線較容易一皮局限于第一導(dǎo)電型局限層222與第二導(dǎo)電型局 限層226中；再者，由于第一導(dǎo)電型局限層222與第二導(dǎo)電型局限層226厚 度差異，使本發(fā)明發(fā)光元件200，如圖3所示，其外延結(jié)構(gòu)22在沿著外延生 長(zhǎng)方向具有光強(qiáng)度分布曲線，此分布曲線具有峰值區(qū)域E，且此峰值區(qū)域E 與外延結(jié)構(gòu)22的發(fā)光層224在空間上不相互重疊，其中所謂峰值區(qū)域E指 光強(qiáng)度分布曲線中，光強(qiáng)度大于分布曲線最大光強(qiáng)度的百分之九十的區(qū)域。
圖4為本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖4所示，發(fā)光元件300包 含基板30、位于基板30上的外延結(jié)構(gòu)32，以及至少一位于外延結(jié)構(gòu)32上 的電極34，其中外延結(jié)構(gòu)由上而下至少包含一第一導(dǎo)電型包覆層320、 一第 一導(dǎo)電型局限層322、 一發(fā)光層324、 一第二導(dǎo)電型局限層326，以及一第二 導(dǎo)電型包覆層328;其中，基板選自具有高導(dǎo)熱、高透光、高反射或高導(dǎo)電 等特性的材料；此外，在本實(shí)施例中，第一導(dǎo)電型局限層322的厚度T,優(yōu) 選為約500nm而第二導(dǎo)電型局限層326的厚度丁2優(yōu)選為約5nm,第一導(dǎo)電 型局限層322與第二導(dǎo)電型局限層326的厚度比值TV 丁2約為100;再者， 發(fā)光層324結(jié)構(gòu)為磷化鋁銦鎵(AlGalnP)的多重量子阱結(jié)構(gòu)，由磷化鋁銦鎵的 量子阱層(圖未示)與量子勢(shì)壘層(圖未示)交互堆疊而成，由于量子阱層與量 子勢(shì)壘層分別具有不同的折射率，因此，多重量子阱結(jié)構(gòu)可依照其構(gòu)成的比 例計(jì)算得到等效的第一折射率^ ,而第一導(dǎo)電型局限層322與第二導(dǎo)電型局 限層326分別具有第二折射率n2，第 一導(dǎo)電型包覆層320與第二導(dǎo)電型包覆層分別具有第三折射率n3,其中上述各層的折射率滿足第一折射率大于 第二折射率，而第二折射率又大于第三折射率(i^>112>113)的關(guān)系。
圖5為本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例沿外延生長(zhǎng)方向的光強(qiáng)度分布曲線對(duì)應(yīng)外延結(jié) 構(gòu)示意圖，如圖5所示，在上述優(yōu)選實(shí)施例中，發(fā)光元件300于沿著外延方 向C具有光強(qiáng)度分布曲線D,其中由于外延結(jié)構(gòu)32中，各層材料的折射率 的差異以及第一導(dǎo)電型局限層322與第二導(dǎo)電型局限層326的厚度不同，使 光強(qiáng)度分布曲線D的峰值區(qū)域(圖中虛線D,與虛線D2與強(qiáng)度分布曲線所構(gòu) 成的區(qū)域)在空間上不與發(fā)光層324重疊。所謂峰值區(qū)域指分布曲線中強(qiáng)度 大于最大強(qiáng)度百分之九十的區(qū)域，此外，通過(guò)計(jì)算光強(qiáng)度分布曲線中對(duì)應(yīng)發(fā) 光層324空間位置的面積(圖中斜線區(qū)域)占光強(qiáng)度分布曲線總面積的比例可
以得到發(fā)光層324的光局限因子(Tactive一er)，在本實(shí)施例中，發(fā)光層324的
光局限因子小于百分之六十，優(yōu)選者為不大于百分之三十。
由于光線自發(fā)光層324發(fā)出至光線離開(kāi)發(fā)光元件300的過(guò)程中，光線大 多會(huì)被局限于與峰值區(qū)域?qū)?yīng)的結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)，因此使發(fā)光層324的光局限因子
(T^ve一e》小于百分之六十，且外延結(jié)構(gòu)32中沿著外延生長(zhǎng)方向的光強(qiáng)度分
布曲線的峰值區(qū)域與材料容易吸收光線的發(fā)光層324在空間上不相互重疊， 由此降低發(fā)光層發(fā)出的光線被其自身吸收的機(jī)率，以提高發(fā)光二極管的光提 取效率。
圖6為本發(fā)明的另一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖，在發(fā)光元件300的結(jié)構(gòu)中， 此外延結(jié)構(gòu)32更可包含第一導(dǎo)電型窗戶層330與第二導(dǎo)電型窗戶層332分 別位于第一導(dǎo)電型包覆層320之上以及第二導(dǎo)電型包覆層328之下；其中第 一導(dǎo)電型窗戶層330的出光表面以及第二導(dǎo)電型窗戶層332的下表面可為粗
(Total Internal Reflection, TIR)的情形，以提高光提取效率。
此外，在基板30與外延結(jié)構(gòu)32之間，還包含一粘結(jié)層340,用以固定 外延結(jié)構(gòu)32于基板30上；其中此黏結(jié)層的材料可以選自聚酰亞胺(PI)、苯 并環(huán)丁烯(BCB)與過(guò)氟環(huán)丁烷(PFCB)所構(gòu)成材料族群中的至少 一種材料或金 屬材料。
以上所述的實(shí)施例僅為說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)思想及特點(diǎn)，其目的在使熟習(xí) 此項(xiàng)技藝的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，當(dāng)不能以之限定本發(fā)明 的專(zhuān)利范圍，即大凡依本發(fā)明所揭示的精神所作的等同變化或修飾，仍應(yīng)涵 蓋在本發(fā)明的專(zhuān)利范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)光元件，至少具有一外延結(jié)構(gòu)，其中該外延結(jié)構(gòu)具有發(fā)光層，該發(fā)光層所產(chǎn)生的光線的光強(qiáng)度沿該外延結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)方向分布變化，其中最大光強(qiáng)度位于發(fā)光層以外的區(qū)域。
2. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)光元件，其中該光強(qiáng)度分布變化包含峰值區(qū)域，且該峰值區(qū)域的光強(qiáng)度大于該最大光強(qiáng)度的百分之九十。
3. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)光元件，還包含基板，位于該外延結(jié)構(gòu)下。
4. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)光元件，其中該外延結(jié)構(gòu)還包含 第一導(dǎo)電型局限層與第二導(dǎo)電型局限層，分別位于該發(fā)光層的上下表面；以及第一導(dǎo)電型包覆層與第二導(dǎo)電型包覆層，分別位于該第一導(dǎo)電型局限層 上與該第二導(dǎo)電型局限層下；其中，該第一導(dǎo)電型局限層的厚度不等于該第二導(dǎo)電型局限層的厚度。
5. 如權(quán)利要求4所述的發(fā)光元件，其中該發(fā)光層具有第一折射率n,;該 第一導(dǎo)電型局限層與該第二導(dǎo)電型局限層具有第二折射率iV，該第一導(dǎo)電型 包覆層與該第二導(dǎo)電型包覆層具有第三折射率n3;其中，該第一折射率n,、該第二折射率ii2以及該第三折射率n3滿足n,>n2 〉n3的關(guān)系。
6. 如權(quán)利要求4所述的發(fā)光元件，其中該第一導(dǎo)電型局限層厚度與該第 二導(dǎo)電型局限層厚度比約為2至200或1/2至1/200。
7. 如權(quán)利要求4所述的發(fā)光元件，其中該外延結(jié)構(gòu)還包含第一導(dǎo)電型窗 戶層與第二窗戶層，分別位于該第一導(dǎo)電型包覆層上與該第二導(dǎo)電型包覆層 下，其中該第一導(dǎo)電型窗戶層的出光面與該第二導(dǎo)電型窗戶層的下表面為粗 化表面。
8. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)光元件，其中該發(fā)光層的光局限因子小于百分 之六十。
9. 一種發(fā)光元件，至少包含 一發(fā)光疊層，包含發(fā)光層；第一導(dǎo)電型局限層位于該發(fā)光層上；以及 第二導(dǎo)電型局限層位于該發(fā)光層下；以及一基板，位于該第二導(dǎo)電型局限層下；其中該第一導(dǎo)電型局限層厚度不 等于該第二導(dǎo)電型局限層厚度。
10. 如權(quán)利要求9所述的發(fā)光元件，其中該發(fā)光疊層還包含第一導(dǎo)電型包覆層與第二導(dǎo)電型包覆層分別位于該第一導(dǎo)電型局限層上與第二導(dǎo)電型 局限層下。
11. 如權(quán)利要求IO所述的發(fā)光元件，還包含第一導(dǎo)電型窗戶層與第二導(dǎo)電型窗戶層，分別位于該第一導(dǎo)電型包覆層上以及該基板與該第二導(dǎo)電型包 覆層之間，其中該第一導(dǎo)電型窗戶層的出光面與該第二導(dǎo)電型窗戶層的下表面為粗化表面。
12. 如權(quán)利要求IO所述的發(fā)光元件，其中該發(fā)光層具有第一折射率n,; 該第一導(dǎo)電型局限層與該第二導(dǎo)電型局限層具有第二折射率1!2;以及該第一 導(dǎo)電型包覆層與該第二導(dǎo)電型包覆層具有第三折射率iV其中該第一折射率 n,、該第二折射率n2以及該第三折射率n3滿足n,>n2 >n3的關(guān)系。
13. 如權(quán)利要求9所述的發(fā)光元件，其中該第一導(dǎo)電型局限層厚度與該 第二導(dǎo)電型局限層厚度比約為2至200或/2至1/200。
14. 如權(quán)利要求9所述的發(fā)光元件，其中該發(fā)光層的光局限因子小于百 分之六十。
15. —種發(fā)光元件，至少具有一外延結(jié)構(gòu)，其中該外延結(jié)構(gòu)具有發(fā)光層， 且該發(fā)光層的光局限因子小于百分之六十。
16. —種發(fā)光元件，至少包含 一發(fā)光疊層，包含發(fā)光層；第一導(dǎo)電型局限層位于該發(fā)光層上；以及 第二導(dǎo)電型局限層位于該發(fā)光層下；以及 第一導(dǎo)電型包覆層位于該第一導(dǎo)電型局限層上；以及 第二導(dǎo)電型包覆層位于該第二導(dǎo)電型局限層下；以及 一基板，位于該第二導(dǎo)電型局限層下；其中該第一導(dǎo)電型局限層厚度不 等于該第二導(dǎo)電型局限層厚度。
17. 如權(quán)利要求16所述的發(fā)光元件，其中該發(fā)光層具有第一折射率n,;該第一導(dǎo)電型局 層與該第二導(dǎo)電型局限層具有第二折射率112;以及該第一 導(dǎo)電型包覆層與該第二導(dǎo)電型包覆層具有第三折射率n3 ，其中該第 一折射率n,、該第二折射率112以及該第三折射率113滿足n^n2〉n3的關(guān)系。
18.如權(quán)利要求16所述的發(fā)光元件，其中該第一導(dǎo)電型局限層厚度與該第二導(dǎo)電型局限層厚度比約為2至200或I/2至1/200。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種發(fā)光元件，至少包含一發(fā)光層、一第一導(dǎo)電型局限層以及一第二導(dǎo)電型局限層，其中第一導(dǎo)電型局限層與第二導(dǎo)電型局限的厚度不同，使發(fā)光元件中沿外延生長(zhǎng)方向的光強(qiáng)度分布曲線的峰值區(qū)域與發(fā)光層在空間上不相互重疊。
文檔編號(hào)H01L33/00GK101621096SQ20081012929
公開(kāi)日2010年1月6日 申請(qǐng)日期2008年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月30日
發(fā)明者徐大正, 蔡孟倫 申請(qǐng)人:晶元光電股份有限公司