TWI595682B - 發光元件 - Google Patents
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- H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
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Description
本發明係關於一發光元件，尤其是一具有漸變折射率之接合層的發光元件。
發光二極體(LED)是一種固態半導體元件，發光二極體(LED)包含一發光元件結構，其中發光元件結構至少包含一p型半導體層、一n型半導體層與一發光層，其中發光層形成於p型半導體層與n型半導體層之間。發光元件的結構包含由Ⅲ-V族元素組成的化合物半導體，例如磷化鎵(GaP)、砷化鎵(GaAs)、氮化鎵(GaN)，其發光原理是在一外加電場作用下，利用n型半導體層所提供的電子與p型半導體層所提供的電洞在發光層的p-n接面附近複合，將電能轉換成光能。
圖1係習知之一發光元件1之剖面圖，如圖1所示，發光元件1包含一透明基板10，一第一半導體層12位於透明基板10上，一第二半導體層16位於第一半導體層12上及一發光層14位於第一半導體層12與第二半導體層16之間。第一半導體層12之材料包含Ⅲ-V族半導體材料，其折射率約為3.1~3.5之間。透明基板10之材料包含藍寶石(sapphire)或玻璃，其折射率約為1.5~1.7之間。
由於透明基板10與第一半導體層12之間的折射率差異大，使得透明基板10與第一半導體層12之間的臨界角θc小於35度。發光層14所發出的一光線從第一半導體層12往透明基板10射出時，光線之入射角要在35度以內才可以射出，入射角
超過35度的光線會在透明基板10與第一半導體層12之間形成全反射，光線因此被侷限在發光元件1內部，降低發光元件1之光取出效率。
圖2係習知之發光元件1之光場強度分佈情形。由於透明基板10與第一半導體層12之間的臨界角θc小於35度，只有入射角在35度以內之光線才會從透明基板10射出，因此習知之發光元件1所發出之光線在50%光場強度下之一遠場角度約117度。
一發光元件，包含一透明基板；至少一半導體發光疊層位於透明基板上，其中半導體發光疊層包含靠近透明基板之一第一半導體層、遠離透明基板之一第二半導體層，及位於第一半導體層與第二半導體層之間的一發光層，其中發光層可發出一光線；及一接合層位於透明基板與半導體發光疊層之間，其中接合層具有漸變折射率，使發光層發出之光線在從發光層射向透明基板的一行進方向上，在接合層與透明基板之各臨界角皆大於35度。
1、2、2’‧‧‧發光元件
10、20‧‧‧透明基板
21、21’‧‧‧接合層
211‧‧‧第一接合層
212‧‧‧第二接合層
213‧‧‧第三接合層
23‧‧‧半導體發光疊層
12、22‧‧‧第一半導體層
14、24‧‧‧發光層
16、26‧‧‧第二半導體層
S1‧‧‧表面
S2‧‧‧側壁
圖1係習知之發光元件。
圖2係習知之發光元件之光場強度分佈情形。
圖3係本發明一實施例之發光元件。
圖4係本發明一實施例之發光元件之光場強度分佈情形。
圖5係本發明第三實施例之發光元件。
為了使本發明之敘述更加詳盡與完備，請參照下列描述並配合圖3之圖示。依據本發明一實施例之一發光元件2之
剖面圖，如圖3所示，發光元件2包含一透明基板20，一半導體發光疊層23位於透明基板20上，其中半導體發光疊層23包含靠近透明基板20之一第一半導體層22，遠離透明基板20之一第二半導體層26，及一發光層24位於第一半導體層22與第二半導體層26之間。
透明基板20之材料包含無機材料或Ⅲ-V族半導體材料。無機材料包含碳化矽(SiC)、鍺(Ge)、藍寶石(sapphire)、鋁酸鋰(LiAlO2)、氧化鋅(ZnO)、玻璃或石英。Ⅲ-V族半導體材料包含磷化銦(InP)、磷化鎵(GaP)、氮化鎵(GaN)、氮化鋁(AlN)材料。透明基板20可用以承載及/或成長半導體發光疊層23。
半導體發光疊層23之材料包含Ⅲ-V族半導體材料，例如可包含一種以上之元素選自鎵(Ga)、鋁(Al)、銦(In)、磷(P)、氮(N)、鋅(Zn)、鎘(Cd)、及硒(Se)所構成之群組。於本發明之一實施例中，第一半導體層22具有一第一導電性，第二半導體層26具有一第二導電性，其中第一導電性與第二導電性不同，例如第一半導體層22可為一n型半導體層，第二半導體層26可為一p型半導體層。來自於n型半導體層的電子與來自於p型半導體層的電洞在一外加電流驅動之下，在發光層24複合，發出一光線從透明基板20射出。第一半導體層22靠近透明基板20之一表面S1可為一粗糙面，以減少光線在表面S1全反射的機率。形成粗糙面的方法沒有特別限制，例如可使用蝕刻或機械研磨。形成半導體發光疊層23的方法沒有特別限制，除了有機金屬化學氣相沉積法(MOCVD)，亦可使用分子束磊晶(MBE)，氫化物氣相沉積法(HVPE)，蒸鍍法和離子電鍍方法。
本發明之發光元件2並不侷限於只包含一個半導體發光疊層23，亦可包含複數個半導體發光疊層23位於透明基板20上，其中複數個半導體發光疊層23間可具有一導線結構使複數個半導體發光疊層23於此透明基板20上以串聯、並聯、串並聯等方式彼此電性連接。
如圖3所示，依據本發明之一實施例，發光元件2更包含一接合層21位於透明基板20與第一半導體層22之間，其中接合層21為一疊層結構，疊層結構之接合層數目並不侷限於2層，亦可為2層以上。
依據圖3所示之實施例，接合層21包含靠近第一半導體層22之一第一接合層211與遠離第一半導體層22之一第二接合層212。依據本發明之一實施例，第一接合層211係與第一半導體層22相鄰。第一接合層211與第二接合層212係依序形成於第一半導體層22之上以構成接合層21。於本實施例中，第一接合層211或第二接合層212之厚度小於3μm，接合層21之總厚度小於4μm。接合層21之材料包含氧化物或金屬氧化物。金屬氧化物包含二氧化鈦(TiO2)、氧化鉭(Ta2O5)、二氧化碲(TeO2)、氧化釔(Y2O3)、二氧化鉿((HfO2)、氧化鋁(Al2O3)、氧化銦鋅(IZO)或是氧化銦錫(ITO)。形成接合層21的方法沒有特別限制，除了旋轉塗佈，亦可使用蒸鍍法。
接合層21及透明基板20之材料對於發光層24所發出之光線具有一穿透度係為60%以上，較佳在70%以上，更佳在80%以上，使光線可以從透明基板20射出。
依據本發明之一實施例，第一接合層211至少包含一種金屬氧化物材料不同於第二接合層212之金屬氧化物材料。例如第一接合層211之材料可以是二氧化碲(TeO2)，其折射率約為2.26，第二接合層212之材料可以是二氧化鉿(HfO2)，其折射率約為2.05。
依據本發明之另一實施例，第一接合層211與第二接合層212包含相同之金屬氧化物材料，其中第一接合層211金屬氧化物材料之氧含量不同於第二接合層212金屬氧化物材料之氧含量。例如第一接合層211之材料可以是TiOx，第二接合層212之材料可以是TiOy，其中x≠y，且TiOx之折射率大於TiOy。
第一半導體層22具有一第一折射率n1，透明基板20
具有一第二折射率n2，其中第一折射率n1大於第二折射率n2。依據本發明之一實施例，第一半導體層22之第一折射率n1範圍可為3.0~3.6之間，透明基板20之第二折射率n2範圍可為1.4~1.7之間，第二折射率n2與第一折射率n1相差1以上。
接合層21為一具有漸變折射率之結構，靠近第一半導體層22之第一接合層211之折射率nb1不同於遠離第一半導體層22之第二接合層212之折射率nb2，折射率nb1與折射率nb2之間可為一連續變化或一梯度變化。換言之，在第一半導體層22、接合層21及透明基板20之間，第一折射率n1、折射率nb1、折射率nb2、到第二折射率n2之間係呈現一連續變化或一梯度變化。
第一接合層211之折射率nb1小於第一半導體層22之第一折射率n1，且大於透明基板20之第二折射率n2。具體而言，第一接合層211之折射率nb1範圍可為2.3~2.9之間。第二接合層212之折射率nb2小於第一接合層211之折射率nb1，且大於透明基板20之第二折射率n2。具體而言，第二接合層212之折射率nb2範圍可為1.8~2.2之間。
由於Ⅲ-V族半導體材料之折射率在3.0~3.6之間，透明基板20材料之折射率在1.4~1.7之間。當光線從第一半導體層22直接進入到透明基板20時，臨界角θc之範圍在22~35度之間，如果入射角大於此範圍，光線會反射到半導體發光疊層23而被吸收。本發明之一實施例藉由在透明基板20和半導體發光疊層23之間形成具有漸變折射率之接合層21，使光線在從發光層24射向透明基板20的行進方向上，光線在各接合層，例如第一接合層211、第二接合層212，與透明基板20之各臨界角θc皆大於35度，較佳大於40度，更佳大於50度。折射率的變化可改變光線從發光層24射向透明基板20的行進方向，減少光線全反射的機率，避免光線侷限在發光元件2內部，因此發光元件2之亮度相較於習知之發光元件1之亮度約可增加15%。
圖4係本發明實施例所揭示之發光元件2其光場強
度分佈情形。如圖4所示，發光元件2所發出之光線在50%光場強度下具有一遠場角度大於120度。本發明之一實施例藉由在透明基板20和半導體發光疊層23之間形成具有漸變折射率之接合層21，使光線在從發光層24射向透明基板20的行進方向上，光線在各接合層，例如第一接合層211和第二接合層212，與透明基板20接面之臨界角θc變大，減少光線反射到半導體發光疊層23而被吸收，使光線容易從透明基板20及接合層21側壁S2出光，並可使發光元件2之光型較習知之發光元件1飽滿。
以下繼續說明本發明的第二實施例之發光元件。此第二實施例為上述圖3實施例之變化型，藉本第二實施例之實施，可對上述圖3實施例中之半導體發光疊層23與透明基板20之接合做加強，故接續利用圖3進行說明。為加強半導體發光疊層23與透明基板20之接合，在本實施例中，選擇與透明基板20相同之材料形成第二接合層212。例如，在本實施例中，透明基板20為藍寶石(sapphire)基板，而第二接合層212之材料則選擇氧化鋁(Al2O3)。如上述第一實施例中所述，由於半導體發光疊層23為Ⅲ-V族半導體材料，其所具之第一折射率n1約在3.0~3.6之間，而透明基板20選擇藍寶石(sapphire)基板，故透明基板20所具之第二折射率n2約1.7。而第二接合層212因選擇與透明基板20相同之材料，即氧化鋁(Al2O3)，故在本實施例中，第二接合層212之折射率nb2與透明基板20所具之第二折射率n2大致相等(即nb2=n2)，亦約為1.7。而如同上述第一實施例中所述，由於透明基板20之第二折射率n2與半導體發光疊層23之第一折射率n1相差較大(在本實施例同樣相差1以上)，為減少光線全反射的機率，本實施例之第一接合層211在材料選擇上，同樣亦使接合層21在半導體發光疊層23與透明基板20之間形成一使折射率漸變之結構，亦即第一接合層211之折射率nb1須介於半導體發光疊層23之第一折射率n1與第二接合層212之折射率nb2間，以使半導體發光疊層23與透明基板20透過接合層21在折射率上形成一連續變化或一梯度變化。故而，在本實施例中，第一半導體
層22所具有之第一折射率n1，透明基板20所具有之第二折射率n2，第一接合層211具有一折射率nb1，及第二接合層212所具有之折射率nb2，各折射率滿足以下關係式：n1>nb1>nb2=n2。第一接合層211之材料可包含二氧化鈦(TiO2)、氧化鉭(Ta2O5)、二氧化碲(TeO2)、氧化釔(Y2O3)、二氧化鉿(HfO2)、氧化鋁(Al2O3)、氧化銦鋅(IZO)、氧化銦錫(ITO)、或是鈮酸鋰(LiNbO3)。
而值得說明的是，當本實施例中之第一接合層211之材料選擇進一步使第一接合層211之折射率nb1，第一半導體層22之第一折射率n1，及透明基板20之第二折射率n2滿足以下關係式：(n1*n2)1/2+0.3≧nb1≧(n1*n2)1/2-0.3時，可發現上述藉折射率漸變以減少光線全反射的機率之效果更為顯著。
圖5係本發明第三實施例之發光元件，此第三實施例為上述第二實施例之變化型，相較於上述第二實施例，在本實施例中發光元件2’更包含一第三接合層213位於第二接合層212與透明基板20之間，其餘元件則與上述第二實施例相同，故不再贅述。如圖所示，第三接合層213係形成於透明基板20上，且其材料與第二接合層212之材料相同。例如如上述第二實施例所述，透明基板20為藍寶石(sapphire)基板，而第二接合層212之材料則選擇氧化鋁(Al2O3)，則在透明基板20上同樣形成材料為氧化鋁(Al2O3)之第三接合層213，之後將第三接合層213與第二接合層212相接合。由於第三接合層213與第二接合層212為相同材料，故有助於增加其接合力。特別是在製程上，可以是包含半導體發光疊層23之晶圓(wafer)與透明基板20同時進入同一個製程機台以同時分別於其上形成第二接合層212與第三接合層213(此種情形其兩者厚度大致相同)，然後再將第三接合層213與第二接合層212相接合，由於兩者在相同製程條件下形成，更有助於兩者間接合力之提升。接合後，形成一包含第一接合層211，第二接合層212及第三接合層213之接合層21’位於透明基板20與半導體發光疊層23之間，如前所述，第二接合層212之材料與透明基板20之材料相同且第三接合層
213與第二接合層212之材料相同。
綜合上述第一至第三實施例之說明，熟習此領域技藝之人士得在適當之材料選擇下，形成一發光元件，此發光元件包含一透明基板；一半導體發光疊層位於此透明基板上，其中半導體發光疊層包含靠近透明基板之一第一半導體層、遠離透明基板之一第二半導體層，及位於第一半導體層與第二半導體層之間的一發光層，其中發光層可發出一光線；及一接合層位於透明基板與半導體發光疊層之間，此接合層為一疊層結構，包含靠近第一半導體層之一第一接合層，與遠離第一半導體層之一第二接合層。而若第一半導體層具有第一折射率n1，透明基板具有第二折射率n2，第一接合層具有一折射率nb1，且第二接合層具有一折射率nb2，則各折射率滿足以下關係式：n1>nb1>nb2≧n2，如此除了可使半導體發光疊層與透明基板得到良好之接合外，更透過接合層而在折射率上形成一連續變化或一梯度變化，使發光層發出之光線在從發光層射向透明基板的行進方向上，在接合層與透明基板之各臨界角皆大於35度，增進出光效率。另外，當各折射率滿足(n1*n2)1/2+0.3≧nb1≧(n1*n2)1/2-0.3之關係式時，其減少光線全反射的機率之效果更為顯著。
以上各圖式與說明雖僅分別對應特定實施例，然而，各個實施例中所說明或揭露之元件、實施方式、設計準則、及技術原理除在彼此顯相衝突、矛盾、或難以共同實施之外，吾人當可依其所需任意參照、交換、搭配、協調、或合併。
雖然本發明已說明如上，然其並非用以限制本發明之範圍、實施順序、或使用之材料與製程方法。對於本發明所作之各種修飾與變更，皆不脫本發明之精神與範圍。
2‧‧‧發光元件
20‧‧‧透明基板
21‧‧‧接合層
211‧‧‧第一接合層
212‧‧‧第二接合層
23‧‧‧半導體發光疊層
22‧‧‧第一半導體層
24‧‧‧發光層
26‧‧‧第二半導體層
S1‧‧‧表面
S2‧‧‧側壁
Claims (10)
- 一發光元件，包含：一透明基板；至少一半導體發光疊層位於該透明基板上，其中該半導體發光疊層包含靠近該透明基板之一第一半導體層、遠離該透明基板之一第二半導體層，及位於該第一半導體層與該第二半導體層之間的一發光層，其中該發光層可發出一光線；及一接合層位於該透明基板與該半導體發光疊層之間，該接合層包含一第一接合層，且該第一半導體層具有一第一折射率n1，該透明基板具有一第二折射率n2，該第一接合層具有一折射率nb1，各該折射率滿足以下關係式：(n1*n2)1/2+0.3≧nb1≧(n1*n2)1/2-0.3。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該第二折射率n2與該第一折射率n1相差1以上。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該接合層為一疊層結構，且另包含一第二接合層，該第二接合層係較該第一接合層遠離該第一半導體層，且該第二接合層具有一折射率nb2，各該折射率滿足以下關係式：n1>nb1>nb2≧n2。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該接合層之材料包含二氧化鈦(TiO2)、氧化鉭(Ta2O5)、二氧化碲(TeO2)、氧化釔(Y2O3)、二氧化鉿(HfO2)、氧化鋁(Al2O3)、氧化銦鋅(IZO)、氧化銦錫(ITO)、或是鈮酸鋰(LiNbO3)。
- 如申請專利範圍第4項所述之發光元件，其中該第二接合層之材料與該透明基板之材料相同，或該第二接合層之材料包含氧化鋁(Al2O3)，該透明基板為藍寶石(sapphire)基板。
- 如申請專利範圍第3項所述之發光元件，更包含一第三接合層位於該第二接合層與該透明基板之間，且/或該第三接合層與該第二接合層之材料相同。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該第一半導體層靠近該透明基板之一表面為粗糙面。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中包含複數個半導體發光疊層位於透明基板上，其中複數個半導體發光疊層間具有一導線結構，使複數個半導體發光疊層於此透明基板上以串聯、並聯或串並聯方式彼此電性連接。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該接合層包含金屬氧化物材料。
- 如申請專利範圍第3項所述之發光元件，其中該第一接合層包含一種金屬氧化物材料不同於該第二接合層之金屬氧化物材料，或該第一接合層與該第二接合層包含具有相同組成元素之金屬氧化物材料，且該第一接合層之氧含量不同於該第二接合層之氧含量。
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