TWI382568B - 發光元件、發光二極體 - Google Patents

Description

發光元件、發光二極體

本發明係有關於一種發光元件，特別是關於一種發光二極體。

由於固態發光及液晶顯示器背光的重要應用，近來半導體發光二極體元件的發展，吸引了很多的注意，極有機會取代現有光源設備，如日光燈、白織燈泡等。在節省能源的固態發光及液晶顯示器背光的白光光源發展中，以氮化鎵(GaN)為基礎的發光二極體成為吸引眾多目光的主題。

第1圖顯示一習知氮化銦鎵(InGaN)為基礎之發光二極體結構，其於基板102上依序形成緩衝層104、N型氮化鎵(n-GaN)層106、氮化銦鎵/氮化鎵量子井結構108、P型氮化鎵(p-GaN)層110和透明導電層112，並且形成一P型電極114連接透明導電層112，一N型電極116連接N型氮化鎵層106。藉由外部施加電流驅動，使此發光二極體元件N型氮化鎵層106產生電子，P型氮化鎵層110產生電洞，電子電洞對在氮化銦鎵(InGaN)/氮化鎵(GaN)量子井108結合，發射出光子。提升發光二極體的發光強度係重要的發展趨勢。

根據上述問題，本發明提供一種發光元件，包括一發光單元和一表面電漿耦合單元，表面電漿耦合單元包括一金屬結構和一中間層，其中中間層連接金屬結構和發光單元，中間層在低頻電流係可導電，且具有介電材料之光學特性。

本發明提供一種發光二極體，包括一第一型半導體層，一第二型半導體層，一夾設於第一型半導體層和第二型半導體層間之量子井及一包括一中間層和一金屬結構之表面電漿耦合單元位於第二型半導體層上，其中間層係可供低頻電流導電，且具有介電材料之光學特性，表面電漿耦合單元係可與量子井內的電偶極耦合，將電子電洞對的能量傳遞至中間層和金屬結構之間，產生表面電漿波，藉由表面電漿波耦合增加發光二極體之發光效率。

為讓本發明之上述目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

以下配合第2圖描述本發明應用表面電漿波(surface plasmon wave)增強發光二極體發光效率之機制。一例如電流或雷射之激發202穿過發光二極體之下結構層206，注入主動層204，產生電子210和電洞212，藉由結構設計使得電子210和電洞212於主動層204結合，釋放出能量。電子210和電洞212之結合包括兩種，一為輻射結合214，另一為非輻射結合218。輻射結合214所釋放出的能量會產生光子216(photon)，光子216一般以光線表現，而非輻射結合218所釋放出的能量會產生聲子220(phonon)，聲子220一般為晶格震動或熱能。此時由於光子216仍位於結構層中，其大部份仍侷限於發光二極體內，只有少部份的光子216可以輻射出發光二極體。

本發明實施例除了於主動層204之量子井中，藉由電子210電洞212結合發光，尚藉由表面電漿波224的消散場(evanescent field)與主動層204內的電偶極耦合222，吸取量子井中電子電洞結合之能量，將電子電洞對的能量交給金屬層211和上結構層208間的表面電漿波224，發射出光線226。

以下配合第3圖描述一包括表面電漿耦合單元之發光元件300，如圖所示，基板302上依序設置一晶核(nucleation)層304、一第一型半導體層306、一主動層308、一電流阻擋層310和一第二型半導體層312，在以下的描述中，上述單元之結合稱為發光單元301。一條狀之電流擴散層318位於第二型半導體層312上，另外一絕緣層314位於第二型半導體層312上。一第一型電極322和一第二型電極320分別電性連接第一型半導體層306和第二型半導體層312。第一型電極322直接接觸第一型半導體層306，第二型電極320則不直接接觸第二型半導體層312，而藉由絕緣層314和第二型半導體層312隔絕，經由電流擴散層318與第二型半導體層312電性連接。此外，本技術之發光元件尚包括與發光單元301結合之金屬層316，在此係將金屬層316稱為表面電漿耦合單元，其設置於條狀電流擴散層318上，且在條狀電流擴散層318之間隙接觸第二型半導體層312。藉由表面電漿波的消散波與量子井內的電偶極耦合，將電子電洞對的能量傳遞至金屬層316和第二型半導體層312之間，產生表面電漿波。然而，由於金屬層316和第二型半導體層312之界面因歐姆接觸產生金屬內電子之洩漏，造成表面電漿波能量的損失，此外，由於一般的LED結構，其P型半導體層312之厚度約為120nm~200nm，造成表面電漿波不容易和主動層308之量子井產生耦合。

故此，如第4圖所示，另一技術係於金屬層404和第二型半導體層312間形成一介電層406，以減少表面電漿波能量歐姆接觸損耗，有效地藉由表面電漿波提升發光二極體的發光效率。請注意，為簡潔，第4圖和第3圖類似的單元採用相同的標號。請參照第4圖，此技術之表面電漿耦合單元402除包括一金屬層404外，尚在金屬層404和第二型半導體層312間設置一介電層406，此技術係藉由表面電漿波的消散波與量子井內的電偶極耦合，將電子電洞對的能量傳遞至介電層406和第二型半導體層312之間，產生表面電漿波，進而提升發光元件之發光效率。值注意的是，本技術係藉由具有低折射係數之介電層406，特別是其折射係數低於LED元件之半導體層，使消散場覆蓋的範圍可延長，且減少表面電漿波能量在金屬內之歐姆損耗，更有效率地藉由表面電漿波耦合來提升發光二極體的發光效率。

然而，上述於金屬層和第二型半導體層間形成一介電層之技術具有以下缺點：當金屬層和第二半導體層間***一介電層，其電流的注入係受到限制，需留下部份的位置讓電流注入。

為解決上述問題，以下以第5圖描述本發明一實施例之發光元件，如圖所示，發光單元501於基板502上依序包括一晶核(nucleation)層504、一第一型半導體層506、一主動層508、一電流阻擋層510和一第二型半導體層512。一第一型電極526和一第二型電極516分別電性連接第一型半導體層506和第二型半導體層512。本實施例之重要特徵為，表面電漿耦合單元522除包括一金屬結構520外，尚在金屬結構520和第二型半導體層512間設置一中間層518，中間層在低頻電流係可導電，且在可見光、紅外光和紫外光(例如波長100nm~20000nm之發光範圍內)具有介電材料之光學特性，其中為低頻電流為頻率小於1GHz之電流，特別是一般LED用的直流電，介電材料之光學特性係為折射係數之實部低於半導體層之折射係數。

在本實施例中，基板502為藍寶石(sapphire)基板，第一型半導體層506是摻雜矽之N型氮化鎵(n-GaN)層，第二型半導體層512是摻雜鎂之P型氮化鎵(n-GaN)，主動層508是氮化銦鎵(InGaN)，其提供氮化銦鎵/氮化鎵(InGaN/GaN)之量子井。電流阻擋層510是氮化鋁鎵(AlGaN)。在本實施例中，第一型電極526是N型電極，例如鈦和鋁之堆疊層，第二型電極516是P型電極，例如鎳和金之堆疊層。本實施例表面電漿耦合單元522之中間層518為氧化銦錫(ITO)，其中氧化銦錫在可見光的折射率為1.8~2,低於氮化鎵之折射率2.5。表面電漿耦合單元522之金屬結構520可以是金屬薄層、金屬微奈米顆粒、週期性金屬凹洞、非週期性金屬凹洞、凹槽或凸形結構，其中金屬以貴金屬較佳，例如鎳、銀、金、鈦或鋁。

本發明實施例藉由表面電漿波的消散波與量子井內的電偶極耦合，將電子電洞對的能量傳遞至中間層518和金屬結構520介面，產生表面電漿波。由於中間層在可見光具有較低折射率之介電特性，本實施例藉由中間層518減少表面電漿波能量歐姆損耗，同時，使其消散場於半導體內延伸較長距離，以利與主動層508耦合，使得表面電漿能量損失降低，此外，由於中間層518在低頻電流可導電，本實施例發光元件之電流的注入係不受到限制。因此,可更有效率地藉由表面電漿波提升發光二極體的發光效率。

雖然本發明已揭露較佳實施例如上，然其並非用以限定本發明,舉例來說，本發明不限定使用於特定之半導體發光單元，本發明發光單元可更包括有機高分子材料或無機材料，任何熟悉此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定為準。

102．．．基板

104．．．緩衝層

106．．．N型氮化鎵層

108．．．氮化銦鎵主動層

110．．．P型氮化鎵層

112．．．透明導電層

114．．．P型電極

116．．．N型電極

202．．．激發

204．．．主動層

206．．．下結構層

208．．．上結構層

210．．．電子

211．．．金屬層

212．．．電洞

214．．．輻射結合

216．．．光子

218．．．非輻射結合

220．．．聲子

222．．．耦合

224．．．表面電漿波

226．．．光線

300．．．發光元件

301．．．發光單元

302．．．基板

304．．．晶核層

306．．．第一型半導體層

308．．．主動層

310．．．電流阻擋層

312．．．第二型半導體層

314．．．絕緣層

316．．．金屬層

318．．．電流擴散層

320．．．第二型電極

322．．．第一型電極

402．．．表面電漿耦合單元

404．．．金屬層

406．．．介電層

500．．．發光元件

501．．．發光單元

502．．．基板

504．．．晶核層

506．．．第一型半導體層

508．．．主動層

510．．．電流阻擋層

512．．．第二型半導體層

516．．．第二型電極

518．．．中間層

520．．．金屬結構

522．．．表面電漿耦合單元

526．．．第一型電極

第1圖顯示一習知氮化銦鎵(InGaN)為基礎之發光二極體結構。

第2圖顯示本發明應用表面電漿波增強發光二極體發光效率之機制。

第3圖顯示一包括表面電漿耦合單元之發光元件的剖面圖。

第4圖顯示另一包括表面電漿耦合單元之發光元件的剖面圖。

第5圖顯示本發明一實施例包括表面電漿耦合單元之發光元件的剖面圖。

500．．．發光元件

501．．．發光單元

502．．．基板

504．．．晶核層

506．．．第一型半導體層

508．．．主動層

510．．．電流阻擋層

512．．．第二型半導體層

516．．．第二型電極

518．．．中間層

520．．．金屬結構

522．．．表面電漿耦合單元

526．．．第一型電極

Claims (19)

1. 一種發光元件，包括：一發光單元；一表面電漿耦合單元，包括一金屬結構和一中間層，其中該中間層連接該金屬結構和該發光單元，該中間層在低頻電流係可導電，且在波長100nm~20000nm之發光範圍內具有介電材料之光學特性，其中該中間層係位於該金屬結構和該發光單元間。
2. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該低頻電流係為頻率小於1GHz之電流。
3. 如申請專利範圍第2項所述之發光元件，其中該低頻電流係為一直流電。
4. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該發光單元係為一發光二極體。
5. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該發光單元包括有機高分子材料或無機材料。
6. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該介電材料在可見光、紅外光及紫外光範圍內之光學特性係為折射係數之實部低於該半導體層之折射係數。
7. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該中間層包括氧化銦錫(ITO)。
8. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該金屬結構是金屬薄層、金屬微奈米顆粒、週期性金屬凹洞、非週期性金屬凹洞、凹槽或凸形結構。
9. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該發光單元包括一第一型半導體層、一主動層，位於該第一型半導體層上，及一第二型半導體層，位於該主動層上。
10. 如申請專利範圍第9項所述之發光元件，其中該第一型半 導體層是N型氮化鎵，該第二型半導體層是P型氮化鎵。
11. 一種發光二極體，包括：一第一型半導體層；一第二型半導體層；一量子井夾設於該第一型半導體層和該第二型半導體層間；及一包括一中間層和一金屬結構之表面電漿耦合單元位於該第二型半導體層上，其中該中間層係可供低頻電流導電，且在100 nm~20000 nm之發光範圍具有介電材料之光學特性，該表面電漿耦合單元係可與該量子井內的電偶極耦合，將電子電洞對的能量傳遞至該中間層和該金屬結構之間，產生表面電漿波，藉由表面電漿波耦合增加該發光二極體之發光效率，其中該中間層係位於該金屬結構和該第二型半導體層間。
12. 如申請專利範圍第11項所述之發光二極體，其中該低頻電流係為頻率小於1GHz之電流。
13. 如申請專利範圍第12項所述之發光二極體，其中該低頻電流係為一直流電。
14. 如申請專利範圍第11項所述之發光二極體，其中該該金屬結構是金屬薄層、金屬微奈米顆粒、週期性金屬凹洞、非週期性金屬凹洞、凹槽或凸形結構。
15. 如申請專利範圍第11項所述之發光二極體，其中該半導體層係為氮化鎵(GaN)。
16. 如申請專利範圍第11項所述之發光二極體，其中該介電材料之光學特性係為折射係數之實部低於該半導體層之折射係數。
17. 如申請專利範圍第11項所述之發光二極體，其中該中間層包括氧化銦錫(ITO)。
18. 如申請專利範圍第11項所述之發光二極體，其中該第一型半導體層是N型氮化鎵，該第二型半導體層是P型氮化鎵。
19. 如申請專利範圍第11項所述之發光二極體，尚包括一第一型電極和一第二型電極，其中該第一型電極電性連接該第一型半導體層，該第二型電極電性連接該第二型半導體層。