TWI846125B - 具有布拉格反射結構的半導體發光元件 - Google Patents
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Abstract
一種半導體發光元件包含一基板、一發光疊層位於基板上、以及一布拉格反射結構，鄰近基板或發光疊層；其中，所述發光疊層發出一具有一峰波長為λ nm之光線；所述布拉格反射結構包含複數介電層對，每一介電層對分別包含一第一介電層及一第二介電層；第一介電層具有一第一光學厚度及一第一折射率，第二介電層具有一第二光學厚度及一第二折射率；第一光學厚度及第二光學厚度其中之一小於0.25kλ nm且第一光學厚度及第二光學厚度其中之另一個大於0.25kλ nm，k為正奇數。
Description
本發明關於一種半導體發光元件，特別是關於一種具有布拉格反射結構之半導體發光元件。
發光二極體(Light-emitting Diode；LED)係一種固態半導體元件，於施加一預定偏壓可發出特定波長之光線。發光二極體可透過結構調整而改善發光二極體的各項指標，例如亮度、發光效率、正向電壓、熱阻、及光形。本揭露即在提出一新穎的發光二極體結構，具有調控發光二極體的光形以適用於更廣泛的用途。
一種半導體發光元件包含一基板、一發光疊層位於基板上、以及一布拉格反射結構，鄰近基板或發光疊層；其中，所述發光疊層發出一具有一峰波長為λ nm之光線；所述布拉格反射結構包含複數介電層對，每一介電層對分別包含一第一介電層及一第二介電層；第一介電層具有一第一光學厚度及一第一折射率，第二介電層具有一第二光學厚度及一第二折射率；第一光學厚度及第二光學厚度其中之一小於0.25kλ nm且第一光學厚度及第二光學厚度其中之另一個大於0.25kλ nm，k為正奇數。
本揭露之各實施例詳細描述如下，並且繪製於圖式。本揭露之各實施例可配合對應之圖式一併理解，圖式亦視為本揭露之各實施例說明的一部分。需了解的是，為了清楚呈現本揭露之各實施例的特徵，圖式並未以構件之實際比例繪示。
第1圖顯示符合本揭露之半導體發光元件之第一實施例。半導體發光元件10包含基板100、布拉格反射結構101、半導體發光疊層102、第一電極103、以及第二電極104。半導體發光疊層102位於基板100之上表面並依序包含第一導電型半導體接觸層102a、第一導電型半導體限制層(confinement layer)102b、主動結構102c、第二導電型半導體限制層(confinement layer)102d、以及第二導電型半導體接觸層102e。第一導電型半導體限制層102b及第二導電型半導體限制層102d用以侷限載子(電子及電洞)於主動結構102c內以避免載子溢流出主動結構102c而降低發光效率，第一導電型半導體限制層102b及第二導電型半導體限制層102d各具有一能隙大於主動結構102c之能隙。第一導電型半導體接觸層102a具有一摻雜濃度大於第一導電型半導體限制層102b之摻雜濃度。第一電極103位於第一導電型半導體接觸層102a之上並與第一導電型半導體接觸層102a形成良好的電性接觸，例如歐姆接觸。第二導電型半導體接觸層102e具有一摻雜濃度大於第二導電型半導體限制層102d之摻雜濃度。第二電極104位於第二導電型半導體接觸層102e之上並與第二導電型半導體接觸層102e形成良好的電性接觸，例如歐姆接觸。主動結構102c例如包含多重量子井(Multiple Quantum Wells; MQW)結構，並於驅動時發出具有一峰波長(peak wavelength)為λ nm之可見光或不可見光。第一導電型例如為n型且第二導電型例如為p型。
布拉格反射結構101位於基板100之下表面用以反射主動結構102c發出之光。布拉格反射結構101包含複數介電層對，其中，每一介電層對分別包含第一介電層101a及第二介電層101b，第一介電層101a具有第一幾何厚度(geometrical thickness)GT1、第一光學厚度(optical thickness)OT1、及第一折射率n1，第二介電層101b具有第二幾何厚度GT2、第二光學厚度OT2及第二折射率n2，第一光學厚度OT1及第二光學厚度OT2其中之一小於0.25kλ nm且第一光學厚度OT1及第二光學厚度OT2其中之另一個大於0.25kλ nm，k為正奇數，例如1、3、 5 或 7。於本實施例中，第一折射率n1大於第二折射率n2，例如，第一折射率n1介於1.7至3之間且第二折射率n2介於1.2至1.7之間；基板100例如包含藍寶石，第一介電層101a例如包含氧化鈦(TiO
x)、氧化鈮(NbO
x)或氧化鉭(TaO
x)等，第二介電層101b例如包含氧化矽(SiO
x)、氧化鋁(AlO
x)或氟化鎂(MgF
x)等。於另一實施例中，第一折射率n1小於第二折射率n2，例如第一折射率n1大於或等於1.2且小於1.7，第二折射率n2大於或等於1.7且小於或等於3；基板100例如包含藍寶石，第一介電層101a例如包含氧化矽(SiO
x)、氧化鋁(AlO
x)或氟化鎂(MgF
x)等，第二介電層101b例如包含氧化鈦(TiO
x)、氧化鈮(NbO
x)或氧化鉭(TaO
x)等。於一實施例中，所述之複數介電層對之對數大於3對，例如4~20對。基板100之折射率例如介於第一折射率n1與第二折射率n2之間。其中，於本揭露所述之光學厚度定義為所述之介電層之幾何厚度與其折射率的乘積，例如第一介電層101a之第一光學厚度OT1為其幾何厚度GT1與其第一折射率n1之乘積。本實施例之基板100位於布拉格反射結構101及半導體發光疊層102之間，因此，半導體發光疊層102向下發出之光線穿透基板100且被布拉格反射結構101反射回基板100而自半導體發光疊層102之表面及基板100之側面摘出，其中，布拉格反射結構101對主動結構102c所發出之光具有至少70%之反射率。
第2圖顯示如前述實施例所揭示之布拉格反射結構101之第一例示。如第2圖所示，布拉格反射結構101係包含12對之介電層對，並依堆疊順序包含層數為第1、2、3、4…23及24層，其中，層數為第1、3、5、7… 23層係為第一介電層101a，層數為第2、4、6、8…24 層係為第二介電層101b，相鄰之第一介電層101a及第二介電層101b係組成一介電層對，其中，第一介電層101a之第一折射率n1大於第二介電層101b之第二折射率n2；於一介電層對中，第一介電層101a較第二介電層101b更靠近基板100。於本實施例，第一介電層101a之第一光學厚度OT1係小於0.25kλ nm，例如為0.2kλ nm；以k=1為例，(第一光學厚度OT1/λ)為0.2，如第2圖所示。於本實施例，第二介電層101b之第二光學厚度OT2係大於0.25kλ nm，例如為0.3kλ nm；以k=1為例，(第二光學厚度OT2/λ)為0.3，如第2圖所示。於一實施例，第一光學厚度大於0.15kλ且小於0.25kλ nm且第二光學厚度大於0.25kλ且小於0.35kλ nm。符合上述光學厚度之大小關係的介電層對為連續重複3對以上。於一實施例，布拉格反射結構101之每一介電層對之第一光學厚度OP1及第二光學厚度OP2之總和為(0.5±0.05) kλ nm。於一實施例，於布拉格反射結構101中，第1層係最靠近基板100且第24層係最遠離基板100。於一實施例，第1層與基板100直接接觸。於另一實施例中，第1層與基板100之間選擇性地設有一窗戶層(window layer)(圖未示)，窗戶層對於主動結構所發出的光線為透明，以增加半導體發光元件10的光摘出。窗戶層之厚度大於第一介電層101a的厚度及第二介電層101b的厚度，例如約介於300 nm與1000 nm，其材料不同於布拉格反射結構101之第1層之材料以及不同於基板100之材料。
第3圖為一光學路徑示意圖，顯示具有峰波長為λ nm之光分別經過如第一例示之布拉格反射結構之一介電層對以及一比較例之布拉格反射結構之一介電層對之光學路徑圖。具體而言，請同時參閱第1~3圖，半導體發光元件10之主動結構102c可發出具有峰波長為λ nm之光，一部份之光係朝向基板100並經過布拉格反射結構101反射而自半導體發光疊層102之表面及基板100之側面摘出。為了方便說明，第3圖僅例示布拉格反射結構101之一介電層對作為說明並以所述之比較例對照說明本實施例之功效，其中，本實施例與所述之比較例之布拉格反射結構之差異僅在於光學厚度不同，並詳述如下。如第3圖所示，於一介電層對中，所述之比較例之第一光學厚度OT1’與第二光學厚度OT2’均為0.25λ nm (以k=1為例)；相對地，本實施例之第一光學厚度OT1係小於0.25λ nm(以k=1為例)且第二光學厚度OT2係大於0.25λ nm (以k=1為例) ，其中，所述之比較例之第一光學厚度OT1’與第二光學厚度OT2’的總和係等於本實施例之第一光學厚度OT1與第二光學厚度OT2的總和。主動結構102c發出之光經過所述之比較例及本實施例之介電層對所反射之光學路徑分別如路徑L1及L2所示。光進入第一介電層(OT1、OT1’)後，在第一介電層與第二介電層(OT2、OT2’)之介面發生折射並進入第二介電層；接著，在第二介電層與其下方的第一介電層(圖未示)之介面產生反射，也就是在第二介電層與其下方另一介電層對的第一介電層之介面產生反射。如第3圖所示，光路徑L2之水平位移S2大於光路徑L1之水平位移S1，顯示本揭實施例之布拉格反射結構101，相較於所述之比較例，具有較佳之光場發散效果，因此，運用本揭露之第一實施例之布拉格反射結構101可使半導體發光元件10具有較廣的發光角度。
第4圖顯示如第一實施例所揭示之布拉格反射結構之第二例示。如第4圖所示，布拉格反射結構101係包含12對之介電層對，並依堆疊順序包含層數為第1、2、3、4…23及24層，其中，層數為第1、3、5、7…23層係為第一介電層101a，層數為第2、4、6、8…24 層係為第二介電層101b，相鄰之第一介電層101a及第二介電層101b係組成介電層對，其中，第一介電層101a之第一折射率n1大於第二介電層101b之第二折射率n2；於一介電層對中，第一介電層101a較第二介電層101b更靠近基板100。於本實施例，第一介電層101a之第一光學厚度OT1係大於0.25kλ nm，例如為0.3kλ nm；以k=1為例，(第一光學厚度OT1/λ)為0.3，如第4圖所示。於本實施例，第二介電層101b之第二光學厚度OT2係小於0.25kλ nm，例如為0.2kλ nm；以k=1為例，(第二光學厚度OT2/λ)為0.2，如第4圖所示。於一實施例，第一光學厚度大於0.25kλ且小於0.35kλ nm且第二光學厚度大於0.15kλ且小於0.25kλ nm。符合上述光學厚度之大小關係的介電層對為連續重複3對以上。於一實施例，布拉格反射結構101之每一介電層對之第一光學厚度OP1及第二光學厚度OP2之總和為(0.5±0.05) kλ nm。於一實施例，於布拉格反射結構101中，第1層係最靠近基板100且第24層係最遠離基板100。於一實施例，第1層與基板100直接接觸。
第5圖為一光學路徑示意圖，顯示具有峰波長為λ nm之光分別經過如第二例示之布拉格反射結構之一介電層對以及上述之比較例之布拉格反射結構之一介電層對之光學路徑圖。具體而言，請同時參閱第1、4-5圖，半導體發光元件10之主動結構102c可發出朝向基板100之光，並經過布拉格反射結構101反射而自半導體發光疊層102之表面及基板100之側面摘出。為了方便說明，第5圖僅例示布拉格反射結構101之一介電層對作為說明並以所述之比較例對照說明本實施例之功效，其中，本實施例與所述之比較例之布拉格反射結構之差異僅在於光學厚度不同，並詳述如下。如第5圖所示，於一介電層對中，所述之比較例之第一光學厚度OT1’與第二光學厚度OT2’均為0.25λ nm (以k=1為例)；相對地，本實施例之第一光學厚度OT1係大於0.25λ nm且第二光學厚度OT2係小於0.25λ nm (以k=1為例) ，其中，所述之比較例之第一光學厚度OT1’與第二光學厚度OT2’的總和係等於本實施例之第一光學厚度OT1與第二光學厚度OT2的總和。主動結構102c發出之光經過所述之比較例及本實施例之介電層對所反射之光學路徑分別如路徑L1及L3所示。光進入第一介電層(OT1、OT1’)後，在第一介電層與第二介電層(OT2、OT2’)之介面發生折射並進入第二介電層；接著，在第二介電層與其下方的第一介電層(圖未示)之介面產生反射，也就是在第二介電層與其下方另一介電層對的第一介電層之介面產生反射。如第5圖所示，路徑L3之水平位移S3小於路徑L1之水平位移S1，顯示本實施例之布拉格反射結構101，相較於所述之比較例，具有較佳之光場收斂效果，因此，運用本例示之布拉格反射結構101可使半導體發光元件10具有較集中的發光角度。
第6圖顯示符合本揭露之半導體發光元件之第二實施例。半導體發光元件20包含基板100、布拉格反射結構101、半導體發光疊層102、第一電極103、以及第二電極104。半導體發光疊層102位於基板之上表面並依序包含第一導電型半導體接觸層102a、第一導電型半導體限制層102b、主動結構102c、第二導電型半導體限制層102d、以及第二導電型半導體接觸層102e。第一導電型半導體限制層102b及第二導電型半導體限制層102d用以侷限載子(電子及電洞)於主動結構102c內以避免載子溢流出主動層103b而降低發光效率，第一導電型半導體限制層102b及第二導電型半導體限制層102d各具有一能隙大於主動結構102c之能隙。布拉格反射結構101位於第二導電型半導體接觸層102e上，其中，布拉格反射結構101包含一開口以露出部份之第二導電型半導體接觸層102e。第一導電型半導體接觸層102a具有一摻雜濃度大於第一導電型半導體限制層102b之摻雜濃度，並且第一電極103位於第一導電型半導體接觸層102a之上並與第一導電型半導體接觸層102a形成良好的電性接觸，例如歐姆接觸。第二導電型半導體接觸層102e具有一摻雜濃度大於第二導電型半導體限制層102d之摻雜濃度，並且第二電極104位於第二導電型半導體接觸層102e之上並透過所述之開口與第二導電型半導體接觸層102e形成良好的電性接觸，例如歐姆接觸。主動結構102c例如包含多重量子井(Multiple Quantum Wells; MQW)結構，並於驅動時發出具有一峰波長為λ nm之可見光或不可見光。第一導電型例如為n型且第二導電型例如為p型。
於另一實施例中，布拉格反射結構101除了覆蓋第二導電型半導體接觸層102e，更覆蓋半導體發光疊層102的表面、第一導電型半導體接觸層102a的表面、第一電極103以及第二電極104的部分表面。布拉格反射結構101包含一開口露出部份之第一電極103另一部分表面，以及另一開口露出第二電極104另一部分表面。半導體發光元件20更包含第一、第二電極墊(圖未示)，分別透過所述之兩個開口與第一電極103和第二電極104形成電性接觸。第一電極墊及第二電極墊的面積分別大於第一電極103及第二電極104。第一、第二電極墊包含金屬材料例如Sn、Au等金屬元素或其合金所構成的單一層或多層堆疊結構例如Sn/Au、Sn/AuSn、SnAg/AuSn、SnAg/Sn/AuSn等，以用於在封裝製程時與載板形成電連接。
布拉格反射結構101包含複數介電層對，其中，每一介電層對分別包含第一介電層101a及第二介電層101b，第一介電層101a具有第一幾何厚度(geometrical thickness) GT1、第一光學厚度(optical thickness) OT1、及第一折射率n1，第二介電層101b具有第二幾何厚度 GT2、第二光學厚度OT2及第二折射率n2，第一光學厚度OT1及第二光學厚度OT2其中之一小於0.25kλ nm且第一光學厚度及第二光學厚度之另一個大於0.25kλ nm，k為正奇數，例如1、3、5或7。於本實施例中，第一折射率n1大於第二折射率n2，例如，第一折射率n1大於等於1.7且小於等於3之間，第二折射率n2大於等於1.2且小於1.7；第一介電層101a例如包含氧化鈦(TiO
x)、氧化鈮(NbO
x)或氧化鉭(TaO
x)等，第二介電層101b例如包含氧化矽(SiO
x) 、氧化鋁(AlO
x)或氟化鎂(MgF
x)等。於另一實施例中，第一折射率n1小於第二折射率n2，例如第一折射率n1大於或等於1.2且小於1.7，第二折射率n2大於或等於1.7且小於或等於3；第一介電層101a例如包含氧化矽(SiO
x)、氧化鋁(AlO
x)或氟化鎂(MgF
x)等，第二介電層101b例如包含氧化鈦(TiO
x)、氧化鈮(NbO
x)或氧化鉭(TaO
x)等。於各實施例中，符合該實施例光學厚度之大小關係的介電層對為連續重複3對以上，例如4~20對。本實施例之半導體發光疊層102位於布拉格反射結構101及基板100之間，因此，主動結構102c發出之光線被布拉格反射結構101反射回半導體發光疊層102，並穿透基板100而自半導體發光疊層102之側面、基板100之下表面100u、及基板100之側面摘出。布拉格反射結構101對主動結構102c所發出之光具有70%之反射率。
於一實施例中，半導體發光元件20可選擇性地包含一底層(圖未示)介於布拉格反射結構101與半導體發光疊層102之間。也就是說，先於半導體發光疊層102上形成所述之底層，接著再形成布拉格反射結構101於所述之底層上。所述之底層包含介電材料，其厚度大於第一介電層101a及第二介電層101b的厚度。所述之底層可提供保護半導體發光元件20或保護半導體發光疊層102的功能，例如阻擋外界水氣進入半導體發光元件20。
於另一實施例中，半導體發光元件20可選擇性地包含一上層(圖未示)使得布拉格反射結構101介於所述之上層及半導體發光疊層102之間。也就是說，先於半導體發光疊層102上形成布拉格反射結構101，接著再形成所述之上層。所述之上層包含介電材料，其厚度大於第一介電層101a及第二介電層101b的厚度。所述之上層可增加整體布拉格反射結構101的強度，例如當布拉格反射結構101受到外力時，所述之上層避免布拉格反射結構101因外力而破裂損傷。
於另一實施例中，於形成布拉格反射結構101之前，可藉由原子層沉積法（Atomic Layer Deposition）直接於第二導電型半導體接觸層102e之表面上形成一緻密層(圖未示)以保護半導體發光疊層102。緻密層的材料包含氧化矽、氧化鋁、氧化鉿、氧化鉭、氧化鋯、氧化釔、氧化鑭、氧化鉭、氮化矽、氮化鋁或氮氧化矽。於本實施例中，緻密層與半導體疊層12相接之介面包含金屬元素及氧，其中金屬元素包含鋁、鉿、鉭、鋯、釔、鑭或鉭。緻密層包含一厚度介於50 Å~2000 Å之間，較佳介於100 Å~1500 Å之間。於一實施例中，緻密層可共形覆蓋形成於半導體發光疊層102上，藉由其膜質特性可提供半導體發光疊層102一較佳的保護作用，例如避免水氣進入半導體發光疊層102，且可提高布拉格反射結構101與半導體發光疊層102之間的附著力。
於一實施例中，半導體發光元件20包含布拉格反射結構101，其中第一介電層101a之折射率大於第二介電層101b之折射率n2，第一介電層101a之第一光學厚度OT1係小於0.25kλ nm，第二介電層101b之第二光學厚度OT2係大於0.25kλ nm。如同第一實施例的半導體發光元件10，可使半導體發光元件20具有較廣的發光角度。於另一實施例中，半導體發光元件20包含布拉格反射結構101，其中第一介電層101a之折射率大於第二介電層101b之折射率n2，第一介電層101a之第一光學厚度OT1係大於0.25kλ nm，第二介電層101b之第二光學厚度OT2係小於0.25kλ nm。如同第一實施例的半導體發光元件10，可使半導體發光元件20具有較集中的發光角度。
第7圖顯示符合本揭露之半導體發光元件之第三實施例。半導體發光元件30與半導體發光元件20相似，其布拉格反射結構101與半導體發光元件20的布拉格反射結構101相同，差異在於半導體發光元件30不包含基板100。本實施例之主動結構102c發出之光線被布拉格反射結構101反射回半導體發光疊層102，而自半導體發光疊層102之側面以及半導體發光疊層102之上表面102u摘出。
於一實施例中，半導體發光元件30包含布拉格反射結構101，其中第一介電層101a之折射率大於第二介電層101b之折射率n2，第一介電層101a之第一光學厚度OT1係小於0.25kλ nm，第二介電層101b之第二光學厚度OT2係大於0.25kλ nm。如同第一實施例的半導體發光元件10，可使半導體發光元件30具有較廣的發光角度。於另一實施例中，半導體發光元件30包含布拉格反射結構101，其中第一介電層101a之折射率大於第二介電層101b之折射率n2，第一介電層101a之第一光學厚度OT1係大於0.25kλ nm，第二介電層101b之第二光學厚度OT2係小於0.25kλ nm。如同第一實施例的半導體發光元件10，可使半導體發光元件30具有較集中的發光角度。
於上述各實施例中，布拉格反射結構101更可包含複數組介電層對(圖未示)，具體而言，布拉格反射結構101除了包含由第一介電層101a與第二介電層101b所組成之介電層對之外，更包含由第三介電層與第四介電層所組成之其他介電層對，其中，所述之第三介電層與第一介電層101a具有不同的光學厚度，及/或所述之第四介電層與第二介電層101b具有不同光學厚度。於一實施例中，所述之第三介電層與第一介電層101a包含不同材料，及/或所述之第四介電層與第二介電層101b包含不同材料。於另一實施例中，所述之第三介電層與第一介電層具有不同幾何厚度，及/或所述之第四介電層與第二介電層101b具有不同幾何厚度。所述之第三介電層具有第三幾何厚度GT3、第三光學厚度OT3及第三折射率n3，所述之第四介電層具有第四幾何厚度GT4、第四光學厚度OT4及第四折射率n4。第三光學厚度OT3及第四光學厚度OT4其中之一小於0.25kλ nm且第三光學厚度OT3及第四光學厚度OT4之另一個大於0.25kλ nm，k為正奇數。
於一實施例中，第一介電層101a之第一折射率n1大於第二介電層101b之第二折射率n2，所述之第三介電層之第三折射率n3大於所述之第四介電層之第四折射率n4。於一介電層對中，第一介電層101a較第二介電層101b更靠近基板100。於一介電層對中，所述之第三介電層較所述之第四介電層更靠近基板100。其中，第一介電層101a之第一光學厚度OT1與所述之第三介電層之第三光學厚度OT3皆小於0.25kλ nm，第二介電層101b之第二光學厚度OT2與所述之第四介電層之第四光學厚度OT4皆大於0.25kλ nm。符合上述光學厚度之大小關係的介電層對為連續堆疊3對以上。
於另一實施例中，第一介電層101a之第一折射率n1大於第二介電層101b之第二折射率n2，所述之第三介電層之第三折射率n3大於所述之第四介電層之第四折射率n4。於一介電層對中，第一介電層101a較第二介電層101b更靠近基板100。於一介電層對中，所述之第三介電層較所述之第四介電層更靠近基板100。其中，第一介電層101a之第一光學厚度OT1與所述之第三介電層之第三光學厚度OT3皆大於0.25kλ nm，第二介電層101b之第二光學厚度OT2與所述之第四介電層之第四光學厚度OT4皆小於0.25kλ nm。符合上述光學厚度之大小關係的介電層對為連續堆疊3對以上。
於上述之各實施例中，基板100可為一磊晶基板用以透過例如有機金屬化學氣相沉積法(MOCVD)磊晶成長半導體發光疊層102。於一實施例，半導體發光疊層102與基板100之間具有複數個彼此分開之凸起，用以改變光的行進路徑以增加光摘出效率。於一實施例中，所述之凸起係直接圖案化基板100之表面至一深度所形成，因此具有與基板100相同之組成材料。於另一實施例中，先於基板100的上表面形成一透光材料層後，再將透光材料層圖案化以形成所述之凸起，其中，所述之凸起與基板100具有不同之組成材料。或者，基板100可為一接合承載基板，基板100與半導體發光疊層102之間更包含一接合層 (bonding layer) (圖未示)，原磊晶成長在磊晶基板上的半導體發光疊層102，可利用晶圓接合(wafer bonding)技術將半導體發光疊層102透過接合層接合至基板100。其中接合層相對於半導體發光疊層102所發之光為透明，其材料可為絕緣材料，例如聚亞醯胺(PI)、苯并環丁烯(BCB)、過氟環丁烷(PFCB)、氧化鎂(MgO)、Su8、環氧樹脂(Epoxy)、丙烯酸樹脂(Acrylic Resin)、環烯烴聚合物(COC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚碳酸酯(PC)、聚醚醯亞胺(Polyetherimide)、氟碳聚合物(Fluorocarbon Polymer)、玻璃(Glass)、氧化鋁(AlOx)、氧化矽(SiOx)、氧化鈦(TiOx)、氮化矽(SiNx)或旋塗玻璃(SOG)。
第一導電型半導體接觸層102a、第一導電型半導體侷限層102b、主動結構102c、第二導電型半導體限制層102d、以及第二導電型半導體接觸層102e均包含相同系列之III-V族化合物半導體材料，例如AlInGaAs系列、AlGaInP系列或AlInGaN系列。其中，AlInGaAs系列可表示為(Al
x1In
(1-x1))
1-x2Ga
x2As，AlInGaP系列可表示為(Al
y1In
(1-y1))
1-y2Ga
y2P，AlInGaN 系列可表示為(Al
z1In
(1-z1))
1-z2Ga
z2N，其中，0≦x1、y1、z1、 x2、y2、z2≦1，其餘未列之系列材料，可依此類推。半導體發光元件發出之光線決定於主動結構102c之材料組成，例如主動結構102c之材料包含AlGaInP系列時，可發出峰波長λ為700至1700 nm 的紅外光、610 nm至700 nm的紅光、或是峰波長λ為530 nm至570 nm的黃光。當主動結構102c之材料包含InGaN系列時，可發出峰波長λ為400 nm至490 nm的藍光、深藍光，或是峰波長λ為490 nm至550 nm的綠光。當主動結構102c材料包含AlGaN系列時，可發出峰波長λ為250 nm至400 nm的紫外光。
第一電極103及第二電極104係用以電性連接至外部電源或外部元件，可包含透明導電材料及/或金屬材料。透明導電材料包含金屬氧化物、類鑽碳薄膜(DLC)、石墨烯或上述材料之組合。金屬材料包含但不限於銅(Cu)、鋁(Al)、銦(In)、錫(Sn)、金(Au)、鉑(Pt)、鋅(Zn)、銀(Ag)、鈦(Ti)、鎳(Ni)、鉛(Pb)、鈀(Pd)、鍺(Ge)、鉻(Cr)、鈷(Co)、鎘(Cd)、錳(Mn)、銻(Sb) 、鉍(Bi)、鎵(Ga)、鎢(W)、鈹(Be)或上述材料之合金等。
第8A圖為一側視圖，顯示符合本揭露之發光元件封裝結構7之一實施例。第8B圖為第8A圖中沿A-A’線段之截面圖。
發光元件封裝結構7包括半導體發光元件10、封裝體16、開口160、第一導線端子50a及一第二導線端子50b、金屬連接線14、以及透光樹脂23。第一導線端子50a及第二導線端子50b分開地被封裝體16封裝於其中，開口160露出第一導線端子50a之一端及第二導線端子50b之一端，半導體發光元件10位於開口160內以及第二導線端子50b上，利用金屬連接線14(bonding wire)分別和第一導線端子50a及第二導線端子50b電性連接。透光樹脂23填充於開口160，透光樹脂23可包含有波長轉換材料(圖未示)，例如螢光粉及/或散射材料(圖未示)等。此外，第一導線端子50a之另一端和第二導線端子50b之另一端自封裝體16之外側突出，以與外部電源或外部電子元件進行電性連接。如第8A圖所示，第一導線端子50a和第二導線端子50b從封裝體16的一側表面彎折延伸至其相鄰之另一側表面。
發光元件封裝結構7的開口160具有縱長形狀，其內安裝有半導體發光元件10。於一實施例中，半導體發光元件10由上視觀之為一縱長型。開口160的長邊方向(X軸方向)與半導體發光元件10的長邊方向一致，開口160的側壁160a可為一傾斜面，以反射及導引半導體發光元件10所發出的光R朝向開口處的出光方向摘出，增加整體發光元件封裝結構7的發光效率。縱長形狀的半導體發光元件10搭配縱長形狀的封裝結構7，適用於側投式背光顯示器的背光模組。於一實施例中，半導體發光元件10在Y軸方向上與側壁160a之最頂端的間距D2小於半導體發光元件10在X軸方向上與側壁160a之最頂端的間距D1。隨著側投式背光顯示器的輕薄化，發光元件封裝結構7在Y軸方向上的寬度越來越小，同樣地，半導體發光元件10在Y軸方向上與側壁160a之最頂端的距離D2也越來越小。當半導體發光元件10在Y軸方向上與側壁160a之最頂端的距離D2越小時，側壁160a之傾斜角度越接近垂直而使得半導體發光元件10所發出的側向光在側壁160a來回反射次數增加而提高被側壁160a吸收的比例，使得發光元件封裝結構7之亮度下降。依據本揭露一實施例之半導體發光元件10，其包含前述第二例示布拉格反射結構101，具有較集中的發光角度，亦即從半導體發光元件10正面出光比例較高，側面出光比例較少。因此，將半導體發光元件10設置於發光元件封裝結構7中，由於從半導體發光元件10側面出光比例較少，可進一步減少半導體發光元件10的側向光被側壁160a所吸收的可能性，進而提升發光元件封裝結構7的亮度。本揭露所述之半導體發光元件10的長寬比可隨發光元件封裝結構的設計改變而有所調整，本揭露所述之發光元件皆適用於在Y軸方向上的寬度較X軸方向上的小的長方形封裝結構。於一實施例中，例如半導體發光元件長寬比可為2比1或以上，皆適用於發光元件封裝結構7。
第9圖顯示一顯示器裝置示意圖。顯示器裝置包含框架40、側投式背光模組200以及液晶面板(liquid crystal panel)90。側投式背光模組200包含反射膜片80、導光板70、載板22、複數個發光元件封裝結構7及光學擴散片46。複數個發光元件封裝結構7以及電路結構(圖未示)設置於載板22上，電路結構用以控制發光元件封裝結構7。發光元件封裝結構7相對於導光板70之一側邊，當發光元件封裝結構7發光且其光線R從導光板70之所述之側邊進入導光板70，導光板70會改變光線R的方向而使光朝向光學擴散片46，以提供均勻的光源至位於光學擴散片46上方的液晶面板90。於本實施例中，包含有前述半導體發光元件10的發光元件封裝結構7應用於背光模組200，且半導體發光元件10包含前述第二例示之布拉格反射結構101，具有較集中的發光角度。由第9圖可知，當發光元件封裝結構7所發出的光R，在Z軸方向上的強度越強及/或在Z軸方向上的發光角度越集中時，可提升側投式背光模組200之亮度。
本申請案所揭示之側投式背光模組200並不限於使用前述包含有半導體發光元件10的發光元件封裝結構7。於其他實施例中，側投式背光模組200可使用包含有前述半導體發光元件20或30的發光元件封裝結構，半導體發光元件20或30可以覆晶形式封裝於發光元件封裝結構內，且半導體發光元件20或30同樣包含前述第二例示布拉格反射結構101。如此一來，可以得到相同的效果。
第10圖顯示一顯示器裝置截面示意圖。顯示器裝置包含一直下式背光模組300以及一液晶面板90’。直下式背光模組300包含一反射膜片60、光學膜片46’(例如包含擴散片、稜鏡片等)、複數個發光元件封裝結構8設置於反射膜片60上。於本實施例中，發光元件封裝結構8包含前述半導體發光元件10，且半導體發光元件10包含前述第一示例布拉格反射結構101，具有較發散的發光角度。發光元件封裝結構8發出光線R’，且光線R’從光學膜片46’之入光面射入，光學膜片46’使光線R’均勻分散，為其上方的液晶面板90’提供均勻的背光源。由第10圖可知，當發光元件封裝結構8所發出的光R’具有較廣的發光角度時，可使得光學膜片46’的光擴散得更有效率，得到更均勻的背光源。於其他實施例中，本揭露所揭示之直下式背光模組300可使用包含有前述半導體發光元件20或30的發光元件封裝結構，半導體發光元件20或30可用覆晶形式封裝於發光元件封裝結構內，且半導體發光元件20或30包含前述第一示例布拉格反射結構101。此外，上述的發光元件封裝結構可直接用半導體發光元件10、20或30置換，不需要另外封裝，如此一來，亦可以得到相同的效果。
上述實施例僅為例示性說明本申請案之原理及其功效，而非用於限制本申請案。任何本申請案所屬技術領域中具有通常知識者在不違背本申請案之技術原理及精神的情況下，對上述實施例進行之各式修改及變化，仍屬於本申請案之範圍。
10、20、30:半導體發光元件
7、8:發光元件封裝結構
16:封裝體
160:開口
160a:側壁
22:載板
23:透光樹脂
50a、50b:導線端子
40:框架
46、46’:光學膜片
60、80:反射膜片
70:導光板
90、90’:液晶面板
100:基板
100u:基板下表面
101:布拉格反射結構
101a:第一介電層
101b:第二介電層
102:半導體發光疊層
102a:第一導電型半導體接觸層
102b:第一導電型半導體限制層
102c:主動結構
102d:第二導電型半導體限制層
102e:第二導電型半導體接觸層
102u:半導體發光疊層上表面
103:第一電極
104:第二電極
200、300:背光模組
L1、L2、L3:光學路徑
D1、D2:間距
R、R’:光線
第1圖為一剖面示意圖，顯示符合本揭露之半導體發光元件之第一實施例。
第2圖顯示如本揭露之第一實施例所揭示之布拉格反射結構之第一例示。
第3圖為一光學示意圖，顯示光經過如第一例示之布拉格反射結構之光學路徑圖。
第4圖顯示如本揭露之第一實施例所揭示之布拉格反射結構之第二例示。
第5圖為一光學示意圖，顯示光經過如第二例示之布拉格反射結構之光學路徑圖。
第6圖為一剖面示意圖，顯示符合本揭露之半導體發光元件之第二實施例。
第7圖為一剖面示意圖，顯示符合本揭露之半導體發光元件之第三實施例。
第8A圖為一側視圖，顯示符合本揭露之發光元件封裝結構之一實施例。
第8B圖為第8A圖中沿A-A’線段之截面圖。
第9圖顯示符合本揭露一實施例之顯示器裝置示意圖。
第10圖顯示符合本揭露另一實施例之顯示器裝置示意圖。
10:半導體發光元件
100:基板
101:布拉格反射結構
101a:第一介電層
101b:第二介電層
102:半導體發光疊層
102a:第一導電型半導體接觸層
102b:第一導電型半導體限制層
102c:主動結構
102d:第二導電型半導體限制層
102e:第二導電型半導體接觸層
103:第一電極
104:第二電極
Claims (10)
- 一種半導體發光元件，包含：一基板；一發光疊層位於該基板上，發出一光線，其中，該光線具有一峰波長為λnm；以及一布拉格反射結構，鄰近該基板或該發光疊層，該布拉格反射結構包含複數介電層對，每一介電層對分別包含一第一介電層及一第二介電層，其中，該第一介電層具有一第一光學厚度及一第一折射率，該第二介電層具有一第二光學厚度及一第二折射率；其中，該第一光學厚度及該第二光學厚度其中之一小於0.25kλ nm且該第一光學厚度及該第二光學厚度其中之另一個大於0.25kλ nm，k為正奇數；其中，該第一折射率大於該第二折射率，以及該第一光學厚度大於0.25kλ且該第二光學厚度小於0.25kλ。
- 如請求項1所述的半導體發光元件，其中，該複數介電層對之對數連續重複3對以上。
- 如請求項1所述的半導體發光元件，其中，該基板介於該布拉格反射結構及該發光疊層之間。
- 如請求項1所述的半導體發光元件，其中，該發光疊層介於該基板及該布拉格反射結構之間。
- 如請求項4所述的半導體發光元件，更包含一電極位於該發光疊層上並與該發光疊層電性連接。
- 如請求項5所述的半導體發光元件，更包含一電極墊；其中，該布拉格反射結構覆蓋該發光疊層以及該電極的部分表面；以及 該布拉格反射結構包含一開口露出該電極的另一部分表面，該電極墊透過該開口與該電極形成電性接觸。
- 如請求項4所述的半導體發光元件，更包含一底層介於布拉格反射結構與該發光疊層之間；或更包含一上層，其中該布拉格反射結構介於該上層及該發光疊層之間。
- 如請求項1所述的半導體發光元件，其中，該第一光學厚度小於0.35kλ，且該第二光學厚度且大於0.15kλ。
- 如請求項1所述的半導體發光元件，其中，該每一介電層對之該第一光學厚度及該第二光學厚度之總和為(0.5±0.05)kλ。
- 如請求項1所述的半導體發光元件，其中，該第一折射率大於或等於1.7且小於或等於3；及/或該第二折射率大於或等於1.2且小於1.6。
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-
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