TWI394293B

TWI394293B - 發光二極體

Info

Publication number: TWI394293B
Application number: TW96117736A
Authority: TW
Inventors: Zhen-Feng Xu; Guo-Fan Jin
Original assignee: Hon Hai Prec Ind Co Ltd
Priority date: 2007-05-18
Filing date: 2007-05-18
Publication date: 2013-04-21
Also published as: TW200847463A

Description

發光二極體

本發明涉及一種發光二極體，尤其涉及具有較高光提取效率之發光二極體。

由氮化鎵基(GaN)半導體材料製成之高效藍光、綠光及白光發光二極體(LED)具有壽命長、節能、綠色環保等顯著特點，已被廣泛應用於大螢幕彩色顯示、汽車照明、交通訊號、多媒體顯示及光通訊等領域，特別於照明領域具有廣闊之發展潛力。先前之LED通常包括N型半導體層、P型半導體層、設置於N型半導體層與P型半導體層之間之活性層、設置於P型半導體層上之正極(通常為透明電極)以及設置於N型半導體層上之負極。LED處於工作狀態時，於P型半導體層與N型半導體層上分別施加正、負電壓，這樣，存在於P型半導體層中之空穴與存在於N型半導體層中之電子相互靠近而進入到活性層中；並於活性層中發生複合而產生光波，該光波透過透明電極從LED中發射出。然而，先前之LED提取效率(提取效率通常指活性層中所產生之光波從LED內部釋放出之效率)較低，這主要係由於全反射現象與材料對光波之吸收引起的。全反射現象之產生係由於半導體之折射率大於空氣之折射率。來自活性層之光波於半導體與空氣之介面處發生全反射，從而大部分光波被限制於LED之內部，直至被LED內之材料完全吸收。

有鑒於此，提供一種具有較高提取效率之LED實屬必要。

以下以實施例說明一種發光二極體。

一種發光二極體，其包括一基底、反射層、有源層、透明電極、第一光子晶體結構以及第二光子晶體結構。所述反射層形成於上述基底上，所述有源層形成於上述反射層上，且所述透明電極形成於上述有源層上。所述透明電極包括一上表面及一下表面，該透明電極之下表面與上述有源層相結合。所述第一光子晶體結構設置於上述透明電極之上表面，且所述第二光子晶體結構形成於上述有源層中。

一種發光二極體，其包括基底、反射層、第一半導體層、活性層、第二半導體層、透明電極、第一光子晶體結構以及第二光子晶體結構。所述反射層設置於上述基底上，所述第一半導體層設置於上述反射層上，所述第二半導體層設置於上述第一半導體層上，所述活性層設置於上述第一半導體層與第二半導體層之間，所述透明電極設置於上述第二半導體層上。所述活性層包括一底面與上述第一半導體層相結合，所述第二光子晶體結構形成於上述活性層之底面。所述透明電極包括一上表面及一下表面，該透明電極之下表面與上述第二半導體層相結合，所述第一光子晶體結構設置於上述透明電極之上表面。

與先前技術相比，上述發光二極體具有第一光子晶體結構與第二光子晶體結構，發光二極體工作過程產生光波，對於入射角較小之光波，第一光子晶體結構可將其衍射至發光二極體之外部空間；而入射角較大之光波會被反射回有源層中，第二光子晶體結構可將其衍射為入射角較小之光波而再經第一光子晶體結構衍射至發光二極體之外部空間。這樣，第二光子晶體結構結合第一光子晶體結構對光波進行衍射，從而使光波較快出射至外部空間，這樣可減少反射光在有源層中進行多次反射，因而避免有源層材料以及反射層材料等對光波之吸收，從而使得發光二極體具有較高之光提取效率。

下面將結合附圖及實施例對本技術方案之發光二極體作進一步之詳細說明。

請參閱圖1，本技術方案實施例提供一種發光二極體100，其包括基底110、反射層120以及形成於反射層120上之發光二極體基體10。所述發光二極體基體10包括有源層11以及形成於有源層11上之透明電極160。所述有源層11包括第一半導體層130、活性層140以及第二半導體層150。該第一半導體層130、活性層140以及第二半導體層150依次形成於反射層120上。

所述透明電極160具有一上表面161及一下表面162，該下表面162與上述第二半導體層150相結合，該上表面161上形成有一第一光子晶體結構170。

所述有源層11中形成有一第二光子晶體結構180，可選地，該第二光子晶體結構180可形成於活性層140與第一半導體層130之介面處，具體可形成於活性層140之下表面(活性層140與第一半導體層130接觸之表面)上，亦可形成於第一半導體層130之上表面(第一半導體層130與活性層140接觸之表面)上。另外，第二光子晶體結構180亦可形成在第一半導體層130之底面(第一半導體層130靠近反射層120之表面)。本實施例中，第二光子晶體結構180形成在第一半導體層130之底面上，即，有源層11之底面上。

優選地，所述第一半導體層130與反射層120之間可設置一黏結層190，用於將底面具有第二光子晶體結構180之有源層11與反射層120結合起來。

如圖2所示，光子晶體之結構特徵通常可通過以下三個參數來表徵，即，晶格常數(a)、孔徑(d)、孔深(h)。所述a係指光子晶體結構中相鄰孔之中心距。第一光子晶體結構170與第二光子晶體結構180之a、d、h取值範圍相同，即，a大約為0.5~2.0微米，d大約為0.5a~0.9a，h大於零且小於或等於0.5微米。當第一光子晶體結構170與第二光子晶體結構180之a、d、h均相同時，第一光子晶體結構170與第二光子晶體結構180之結構相同。當然，第一光子晶體結構170與第二光子晶體結構180之結構亦可不同，即兩者之a、d、h之取值不同。

基底110之材料為藍寶石，還可為砷化鎵、磷化銦、矽、碳化矽、氮化矽等材料。反射層120由金屬材料形成，例如金屬銀或鋁。第一半導體層130為N型半導體層，其材料為N型氮化鎵(GaN)，亦可為N型砷化鎵或N型磷化銅。活性層140之材料為氮化銦鎵(InGaN)。第二半導體層150為P型半導體層，其材料為P型GaN，還可為P型砷化鎵或P型磷化銅。透明電極層160之材料為氧化銦錫(ITO )。黏結層190可為環氧樹脂膠黏劑、紫外固化膠等。

下面對上述發光二極體100之製作方法進行詳細描述。第一步，提供一形成於基底110上之發光二極體基體10。所述發光二極體基體10包括第一半導體層130、活性層140、第二半導體層150以及透明電極160。且活性層140設置於第一半導體層130與第二半導體層150之間，透明電極160形成在第二半導體層150上。

發光二極體基體10為先前技術中最簡易之發光二極體結構，其通常通過一系列之物理或化學沈積法形成於基底110上。本實施例中基底110為藍寶石材質，第一半導體層130為N型氮化鎵材質，第二半導體層150為P型氮化鎵材質，活性層140為氮化銦鎵材質，透明電極160為氧化銦錫材質。

第二步，將基底110與發光二極體基體10進行分離。利用先前技術手段如雷射剝離等方法將基底110與發光二極體基體10沿基底110與第一半導體層130之介面分開。這樣便得到單獨之基底110，以及由第一半導體層130、活性層140、第二半導體層150以及透明電極160所組成之發光二極體基體10。

第三步，於第一半導體層130上製作第二光子晶體結構180。

首先，具體製作前依次用丙酮、異丙醇、去離子水並結合超聲波對發光二極體基體10之第一半導體層130進行清洗，然後用氮氣吹幹。

其次，利用電漿輔助化學氣相沈積法在第一半導體層130上形成一層抗蝕刻能力較強之薄膜，如二氧化矽薄膜。由於後續待形成之電子阻劑抗蝕刻能力不佳，因而此步驟所形成之二氧化矽薄膜可在電漿刻蝕過程中保護第一半導體層130不被破壞。

再次，在二氧化矽薄膜上形成電子阻劑層，如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。在形成PMMA層之前，需要對完成第二步後所得到結構，特別係二氧化矽薄膜層之表面進行清洗，並用氮氣吹幹。由於二氧化矽層表面存在水分會影響PMMA與二氧化矽層的結合效果，因此，為確保二氧化矽層表面無水可對其進行低溫加熱。然後，利用旋轉塗覆法在二氧化矽層上形成PMMA層。最後，利用電子束微影技術將第二光子晶體結構180之預設圖案形成在PMMA層上。

再次，以活性離子反應法結合幹刻蝕之方式將PMMA之圖案轉移到二氧化矽層中。刻蝕深度為二氧化矽層之厚度，以使圖案露出第一半導體層130之表面。隨後，依次用丙酮、異丙醇、去離子水並結合超聲波清洗一段時間，如約5分鐘，然後利用紫外光臭氧清洗機清洗除去PMMA層。

最後，以活性離子反應法刻蝕第一半導體層130將二氧化矽層中之圖案轉移到第一半導體層130中。活性離子反應中，可使用三氯化硼(BCl₃)氣體，待第一半導體層130被蝕刻形成圖案後，然後利用氫氟酸與去離子水除去二氧化矽層，從而在第一半導體層130上得到所需之第二光子晶體結構180。

第四步，同上述在第一半導體層130上製作第二光子晶體結構180類似之方法，在透明電極160上製作第一光子晶體結構170。

第五步，在基底110之表面利用物理或化學氣相沈積法形成金屬反射層120。

第六步，將上述具有金屬反射層120之基底110及具有第一光子晶體結構170與第二光子晶體結構180之發光二極體基體10組裝起來，使得第一半導體層130與金屬反射層120通過黏膠層190結合於一起，從而得到本技術方案所述之發光二極體100。具體組裝方法可採用膠黏型材料將兩者膠合起來，或採用習知、可行之方法。

上述製備之發光二極體100工作時，可在基底110上設置一負電極，並分別在透明電極160(通常為正極)與基底110之負電極上施加正電壓與負電壓，這樣在電場作用下，第二半導體層150中之空穴載流子會向第一半導體層130移動，同時第一半導體層130中之電子載流體會向第二半導體層150移動，這樣，空穴載流子與電子載流子在活性層140中將會發生複合並釋放出能量，而該釋放出之能量將會以光能之形式釋放出來，即，產生光波。所產生之光波會經透明電極160從發光二極體100內部發射出來。

活性層140中產生之光波會以不同角度入射至透明電極160中，對於形成在透明電極160上之第一光子晶體結構 170來說，其會對入射角較小之光波產生較好之衍射作用，即，入射角較小之光波經第一光子晶體結構170衍射後可進入外部自由空間中。而入射角較大之光波會在透明電極160與第二半導體層150之介面發生反射，重新回到有源層11中。當回到有源層11中之反射光入射至第二光子晶體結構180時，第二光子晶體結構180會將反射光衍射為入射角較小之光波至反射層120，此入射角較小之光波經反射層120反射後重新到達第二光子晶體結構180，然後再由第二光子晶體結構180衍射到透明電極160。此過程可將入射角較大之光波變為符合第一光子晶體結構170衍射條件之入射角較小之光波而到達透明電極160中，然後經第一光子晶體結構170之再次衍射而進入發光二極體100之外部空間中。本實施例中，設置在有源層11中之第二光子晶體結構180結合設置在透明電極160上之第一光子晶體結構170對光波之衍射作用，可大大減少反射光在有源層11中進行反射的次數，因而避免有源層11材料以及反射層120材料等對光波之吸收，從而使得本實施例之發光二極體100具有較高之光提取效率。

下面通過實驗對上述實施例之發光二極體100之發光效果進行驗證。以波長450奈米之氮化鎵材料作為發光二極體100之有源層11材料，建立發光二極體100模型：反射層120、黏膠層190、有源層11、透明電極160之平均厚度依次為0.1微米、0.1微米、2.5微米、0.3微米；透明電極160與黏膠層190之折射率分別為2.0與1.5左右；有源層11與反射層120之複折射率分別為2.5+i0.02與 0.1+i5.6；第一光子晶體結構170與第二光子晶體結構180具有相同之a與d，具體地，a等於0.8微米，d等於0.8a；第一光子晶體結構170之孔深計為h₁，且h₁等於0.2微米；第二光子晶體結構180之孔深計為h₂，且h₂從零微米變化至0.5微米。

根據上述發光二極體100之參數，利用時域有限差分法對發光二極體100之發光效率進行類比計算，各種參數結構之歸一化發光效率隨時間之變化如圖3所示，圖3中之橫坐標表示模擬時間；縱坐標表示隨第二光子晶體結構180孔深之變化，發光二極體100之發光效率與未設置第一光子晶體結構170及第二光子晶體結構之發光二極體發光效率之比值之變化。如圖3所示，曲線A表示當發光二極體100未設置第一光子晶體結構170及第二光子晶體結構時，此時之發光二極體稱作M-LED，其發光效率歸一化為1，作為參考曲線；當h₂取零微米時，即，發光二極體100僅設置第一光子晶體結構170，此時之發光二極體通常稱作SPC-LED，從圖3可看出SPC-LED之發光效率約為M-LED之兩倍多；當h₂等於0.3微米時，發光二極體100之發光效率為M-LED發光效率之3.2倍。因此，試驗結果表明，本實施例之發光二極體100相對於無光子晶體結構之發光二極體來說具有較高之光提取效率，較具有一個光子晶體結構之發光二極體來說，可進一步提高光提取效率。

綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍第。舉凡熟悉本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍第內。

100‧‧‧發光二極體

110‧‧‧基底

120‧‧‧反射層

130‧‧‧第一半導體層

140‧‧‧活性層

150‧‧‧第二半導體

11‧‧‧有源層

160‧‧‧透明電極

170‧‧‧第一光子晶體結構

180‧‧‧第二光子晶體結構

10‧‧‧發光二極體基體

190‧‧‧黏結層

161‧‧‧上表面

162‧‧‧下表面

圖1係本技術方案實施例發光二極體之剖面示意圖。

圖2係本技術方案實施例發光二極體之立體示意圖。

圖3係利用時域有限差分法對上述實施例之發光二極體進行模擬計算所得到發光效率隨時間變化之曲線。