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高發光效率之發光二極體

阅读:992发布:2020-09-14

专利汇可以提供高發光效率之發光二極體专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本發明係有關一種高發光效率之發光二極體,其係包含:一基材,將一 基板 製作有歐姆接面層,且覆蓋一金屬黏合層;以及一磷化鋁銦鎵(AlInGaP)半導體磊晶疊層,藉金屬黏合層黏合於該基材,而由上而下包含:一蝕刻終止層,形成於一已移除之基材表面;一第一束縛層,形成於該蝕刻終止層表面;一活性層,形成於該第一束縛層表面;一第二束縛層,形成於該活性層表面,並蝕刻製作出供反射鏡埋設之圖案凹槽:以及一金屬歐姆接面層,形成於該第二束縛層表面,且於表層製作接觸金屬及結合墊者。藉此,用以解決先前技術發光效率不佳之問題,而具有提昇發光效率之功效。,下面是高發光效率之發光二極體专利的具体信息内容。

1.一種高發光效率之發光二極體,係包含: 一基材,將一基板製作有歐姆接面層,且覆蓋一金屬黏合層;以及 一磷化鋁銦鎵(AlInGaP)半導體磊晶疊層,藉金屬黏合層黏合於該基材,而於內層埋設反射鏡,且於表層製作接觸金屬及結合墊者。 2.如申請專利範圍第1項所述之高發光效率之發光二極體,其中,該反射鏡係根據抗反射薄膜(AR coating)技術的設計方式,將不同折射率的材料交互堆疊所製作。 3.如申請專利範圍第2項所述之高發光效率之發光二極體,其中,該磊晶疊層由上而下包含: 一蝕刻終止層,形成於一已移除之基材表面; 一第一束縛層,形成於該蝕刻終止層表面; 一活性層,形成於該第一束縛層表面; 一第二束縛層,形成於該活性層表面,並蝕刻製作出供該反射鏡埋設之圖案凹槽:以及 一金屬歐姆接面層,形成於該第二束縛層表面。 4.如申請專利範圍第2或3項所述之高發光效率之發光二極體,其中,該反射鏡由交互堆疊三對以上不同折射率的材料所製作。 圖式簡單說明: 第一圖係傳統發光二極體之結構說明圖。 第二圖係具DBR結構之發光二極體結構說明圖。 第三圖係具金屬反射鏡之發光二極體結構說明圖。 第四圖係本發明之磊晶疊層結構說明圖。 第五圖係本發明之替代基材結構說明圖。 第六圖係本發明之整體結構說明圖。 第七圖係本發明之電流堵塞效果說明圖。

说明书全文

本發明係有關一種高發光效率之發光二極體,尤指一種利用不同光折射率之材料,交互堆疊來製作高反射率反射鏡之設計者。

按,發光二極體為一種利用金屬有機化學氣相沉積法(MOCVD)所成長的半導體化合物,其發光範圍從紫外光一直到紅外光範圍,涵蓋整個人眼可辨識的波長範圍;而因為其具有高壽命、反應時間短、低驅動電壓、安全以及省電等特性,使得發光二極體製作之發光元件,被廣泛地運用在第三煞車燈、戶外看板、紅綠燈、手機背光光源模組上。而AlInGaP系列之半導體材料,由於基板的晶格常數與後續磊晶成長層必須相符,一般均選用GaAs基材(GaAs在此發光範圍為吸光材料);因此,AlInGaP系列之發光二極體所發出的光,有一半以上都被此吸光基材所吸收,乃有發光效率不佳之問題。
次按,如第一圖所示,習知AlInGaP系列之發光二極體,係在n-GaAs基材(10)上成長n-(Al x Ga 1 - x ) 0 . 5 In 0 . 5 P的下束縛層(Cladding layer,21),其x為Al的成分比由70%~100%;再成長(Al y Ga 1 - y ) 0 . 5 In 0 . 5 P的活性層(Active layer,22),其y為Al的成分比由0%~45%;接下來成長p-(Al x Ga 1 - x ) 0 . 5 In 0 . 5 P的上束縛層(Cladding layer,23),其x為Al的成分比由70%~100%;最後在上束縛層(23)上成長一電流擴散層(Current spreading layer,24),其可以選用GaP、GaAsP、AlGaAs、ITO以及ZnO等材料。而此習知AlInGaP系列之發光二極體,因為GaAs基材(10)會吸收經由活性層(22)產生而射向GaAs基材(10)的光,所以發光效率不佳。
再者,如第二圖所示,Sugawara在APL Vol.61,1775-1777(1992)的期刊中,提出在GaAs基材(10)上方,n-(Al x Ga 1 - x ) 0 . 5 In 0 . 5 P的下束縛層(21)下方,成長一多層結構的分佈式布拉格反射層(Distributed Bragg Reflector,DBR,25),希望能利用DBR特性,反射射向GaAs基材(10)的光;另外為了電流的擴散,使得電流不流向接墊(30)下方,所以在電流擴散層(24)內製作一堵塞層(Block layer,26),強迫電流流向發光區;而利用此方式製作的發光二極體,其分佈式布拉格反射層(25),最多只能做到80%的反射率,所以能增加的發光效率仍屬有限。
又,如第三圖所示,US 6797987 B2中所揭露之發光二極體結構,係在GaAs基材(10)上以MOCVD進行磊晶成長,而在GaAs基材(10)上方增加一蝕刻終止層(Etching stop layer,27),可在把GaAs基材(10)移除時,不會傷害到磊晶疊層(20),以利將整個磊晶疊層(20)轉移到替代基材(40);此外,在電流擴散層(24)製作AuBe、AuZn、CrAu等金屬歐姆接面(241),並沉積透明導電層(28)及金屬反射層(29),乃利用金屬反射層(29)反射由活性層(22)產生的光,而透明導電層(28)也肩負傳導電流的任務以製作垂直結構的發光二極體;整個替代基材(40)則包含了基板(41)、金屬歐姆接面(42)以及和磊晶疊層(20)黏合的金屬黏合層(43)。於是,該專利案所揭露的發光二極體結構,以金屬反射層(29)反射發自活性層(22)的光,其反射率取決於所選用的金屬材料,而且反射率也會隨透明導電層(28)之材料及厚度有所變化,透明導電層(28)厚度越厚,其光之穿透率會降低,間接造成整體的反射率降低。
本發明之主要目的,係欲解決先前技術發光效率不佳之問題,而具有提昇發光效率之功效。
為達上述功效,本發明之結構特徵,係包含:一基材,將一基板製作有歐姆接面層,且覆蓋一金屬黏合層;以及一磷化鋁銦鎵(AlInGaP)半導體磊晶疊層,藉金屬黏合層黏合於該基材,而由上而下包含:一蝕刻終止層,形成於一已移除之基材表面;一第一束縛層,形成於該蝕刻終止層表面;一活性層,形成於該第一束縛層表面;一第二束縛層,形成於該活性層表面,並蝕刻製作出供反射鏡埋設之圖案凹槽:以及一金屬歐姆接面層,形成於該第二束縛層表面,且於表層製作接觸金屬及結合墊者。其中,該反射鏡係根據抗反射薄膜(AR coating)技術的設計方式,將不同折射率的材料交互堆疊所製作。
首先,請參閱第四圖所示,本發明係先在GaAs基材(10)上,利用金屬有機化學氣相沉積法成長三-五族半導體磊晶疊層(50),整個磊晶疊層(50)包含:蝕刻終止層(51);n-(Al x Ga 1 - x ) 0 . 5 In 0 . 5 P的第一束縛層(52),x為Al的成分比由70%~100%;(Al y Ga 1 - y ) 0 . 5 In 0 . 5 P的活性層(53),y為Al的成分比由0%~45%;p-(Al x Ga 1 - x ) 0 . 5 In 0 . 5 P的第二束縛層(54),x為Al的成分比由70%~100%。然後,在第二束縛層(54)上,利用黃光製程去製作出不同的圖案,其圖案可以為規格性分佈的六形、正方形、圓形圖案,亦或是其他特殊圖案皆可以;而在第二束縛層(54)表面製作出圖案之後,利用物理性蝕刻方式,如ICP、RIE等,亦或是化學性蝕刻,蝕刻藥如:1H 3 SO 4 :10H 2 O:5H 2 O 2 ,1H 3 PO 4 :5H 2 O:1H 2 O 2 等比例藥水,蝕刻出如表面圖案的凹槽(541);並利用蒸鍍方式,而以SiO 2 、TiO 2 、Al 2 O 3 、Ta 2 O 5 、Si 3 N 4 、ZrO 2 、Nb 2 O 5 、SiO、Ya 2 O 3 、MgF 2 、CaF 2 、ZnS、ZnO、ITO...等材料,根據光學薄膜的設計方式,利用其折射率的不同,將高低介電係數材料相互交錯,製作出高反射率反射鏡(55),而置於第二束縛層(54)利用蝕刻方式所製作出來的圖案凹槽(541)內部,把第二束縛層(54)填平整。另在高效率反射鏡(55)製作完後,在第二束縛層(54)表面覆蓋一層金屬歐姆接面層(56),此金屬歐姆接面層(56)主要是進行高溫融合製作歐姆接面,以利發光二極體運作,Au-Be & Au-Zn & Au-Cr等合金金屬都是不錯的選擇。
再者,請參閱第五圖所示,為了讓發光二極體的發光效率增加,本發明另以替代基材(60)取代GaAs基材(10),因為在磊晶疊層(50)上有製作有高效率反射鏡(55),所以替代基材(60)是否會吸光就不是重點,可以選擇Si、GaP、Moly、GaAs、Cu...等。又因本發明為垂直元件結構,所以在替代基材(60)之基板(61)上需製作歐姆接面,所以歐姆接面層(62)為基板(61)的歐姆接面製作,最後再覆蓋一層金屬黏合層(63),可選擇Au、Al、Cu。接著,如第六圖所示,移除暫時性GaAs基材(10),而把磊晶疊層(50)移轉至替代基材(60)上,並在蝕刻終止層(51)上製作接觸金屬(Contact Metal,57)及結合墊(Bonding Pad,58)。
基於如是之構成,本發明的優點在於擁有高效率反射鏡(55),而其利用光學薄膜技術,採用抗反射薄膜(AR coating)製作;此技術主要利用不同的材料,其折射率n值的不同,以高低n值相互交替,每個高低n值交替一次為一對,而三對以上的高低n值交互堆疊,反射率可以達到98%以上,比金屬反射鏡反射效率高;且可以針對發光二極體的發光波長去調整其反射率,而此反射鏡(55)在經過高溫製作金屬歐姆接面層(56)時,也不會破壞跟三-五族半導體磊晶之接面處。
此外,如第七圖所示,發光二極體之發光原理,主要是電流經過活性層(53),電子轉換成光子造成發光;因此,電流怎麼流過活性層(53),對發光二極體的發光效率有很大的影響。一般電流主要是由接觸金屬(57)直接穿過活性層(53),致使發光效率最強的部分,往往都在接觸金屬(57)下方,但所發出來的光反而都被接觸金屬(57)擋住,乃無法導出發光二極體外部,因此發光效率不佳。而本發明將高效率反射鏡(55)植入於三-五族半導體磊晶內部,而反射鏡(55)本身是絕緣材料,對於半導體磊晶具有電流堵塞(Current Blocking)的效果,因相對接觸金屬(57)來說,直接穿過活性層(53)之電流路徑受到阻擋,電流被迫在n-(Al x Ga 1 - x ) 0 . 5 In 0 . 5 P的第一束縛層(52)往橫的方向行進,當走到在下方無絕緣材料處,才會往下穿過活性層(53),使得經過活性層(53)的電流所產生的光,上方無任何物質擋住,因而提高發光二極體的發光效率。其中,當反射鏡(55)愈接近活性層(53)時,其電流堵塞的效果越大,而反射鏡(55)距離活性層(53)的距離約為0.5μm~3μm之間為佳。
又,本發明之反射鏡(55)是埋入p-(Al x Ga 1 - x ) 0 . 5 In 0 . 5 P的第二束縛層(54)內部,而第二束縛層(54)上所蝕刻出來的圖案凹槽(541),其蝕刻深度會跟所計算出來的反射鏡(55)高度一致,這樣置放反射鏡(55)在第二束縛層(54)內部時,其表面的高低起伏差可以控制在100nm之間,這樣的好處是在做磊晶疊層(50)移轉時,表面越平整,黏合良率會越高,殘餘應越小,對於發光二極體的可靠度越好。
綜上所述,本發明所揭示之技術手段,確具「新穎性」、「進步性」及「可供產業利用」等發明專利要件,祈請 鈞局惠賜專利,以勵發明,無任德感。
惟,上述所揭露之圖式、說明,僅為本發明之較佳實施例,大凡熟悉此項技藝人士,依本案精神範疇所作之修飾或等效變化,仍應包括本案申請專利範圍內。
(10)...基材
(20)...磊晶疊層
(21)...下束縛層
(22)...活性層
(23)...上束縛層
(24)...電流擴散層
(241)...金屬歐姆接面
(25)...布拉格反射層
(26)...堵塞層
(27)...蝕刻終止層
(28)...透明導電層
(29)...金屬反射層
(30)...接墊
(40)...替代基材
(41)...基板
(42)...金屬歐姆接面
(43)...金屬黏合層
(50)...磊晶疊層
(51)...蝕刻終止層
(52)...第一束縛層
(53)...活性層
(54)...第二束縛層
(541)...圖案凹槽
(55)...反射鏡
(56)...金屬歐姆接面層
(57)...接觸金屬
(58)...結合墊
(60)...替代基材
(61)...基板
(62)...歐姆接面層
(63)...金屬黏合層
第一圖係傳統發光二極體之結構說明圖。
第二圖係具DBR結構之發光二極體結構說明圖。
第三圖係具金屬反射鏡之發光二極體結構說明圖。
第四圖係本發明之磊晶疊層結構說明圖。
第五圖係本發明之替代基材結構說明圖。
第六圖係本發明之整體結構說明圖。
第七圖係本發明之電流堵塞效果說明圖。
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