高提取效率發光裝置的製作方法

2023-11-07 18:01:22 1

專利名稱：高提取效率發光裝置的製作方法
高提取效率發光裝置
扶水領域
本發明涉及一種發光裝置，例如發光二極體(LED)、共振腔LED以及平面型LED (例如有機發光二極體(OLED))。特別是，本發明涉及一種半導體發光裝置，其光控 制層至少由一光隧穿層所構成。
背景抹水
一個電激發光(EL)發光裝置(LED)基本上包括一發光部分，其實質上包含一發 光層以及包覆層，所述發光部分具有可自靠近紫外光至紅外光頻譜操作的材料。所述材料包含第ni-v族，第n-vi族半導體，半導體聚合物和特別的二元、三元和四元合金材料(例如第III族氮化物，第III族磷化物和第III族砷化物)，例如GaN， AlGaN, AlInGaN， AlGalnP， GaAlP， GaAsP, GaAs和AlGaAs。半導體外延層部分，包括由至少一n型層以 及一p型層形成的一發光層，形成於一半導體或玻璃襯底上。當其上施加一電場時，由 陽極注入的空穴以及由陰極注入的電子在所述發光層重新結合併產生光子。被廣泛採用 的一示範性配置為所述發光層由包覆層所包夾，襯底包括一部分的外延緩衝層、 一襯底 以及一底部反射層。 一電流擴散/分布層形成於所述外延層的表面上，因此電流可以有效 率地注入所述發光層。 一保護層形成於整個裝置表面上。 一接觸電極部分形成於所述表 面上。 一底部反射層提供一高熱能耗散和高反射功能並設計為具有一低熱阻以允許高電 流密度操作。
基本上，對於上述的發光裝置，可知電激發光(EL)裝置發出光子，其由一發光層 所產生並自所述發光裝置脫離進入周圍介質。考慮所述裝置和周圍介質的折射率的差 異，所述裝置/周邊(周圍)介質存在相當小的全內反射臨界角造成發光層所發出的大部 分光子被反射回所述裝置內，加上所述發光層中的反射光再吸收現象造成外部量子效率 實質小於其內部量子效率，也就是所謂的臨界角損失。因此，提取效率或外部量子效率 定義為光逃逸出所述裝置或逃逸出所述裝置進入周圍的效率。
因為形成裝置的半傳導發光材料的折射率大於周圍介質材料(典型地為用於包裝或 封裝所述裝置的環氧樹脂或空氣)的折射率，所以在發光裝置與周圍介質之間的界面的全反射臨界角的大小由下列公式決定
全反射臨界角視折射率不匹配的比例而定。"'和"2分別為入射和折射介質的折射 率。只有以小於所述臨界角的入射光可被傳播穿透所述界面。換句話說，存在一發射光 束的逃逸錐體，其具有等於臨界角的頂角，如

圖1所示。假設發光裝置的非偏極發光具有等向角分布和包括菲涅耳(Fresnel)反射損失，穿透過界面傳播光能量相對於到達所 述界面的光的比例由下列公式決定-因此，由於全內反射(TIR)所造成的損失隨著所述裝置內的折射率與所述裝置外 的介質折射率的差異快速地增加。特別是，對於一立方體型發光裝置，其具有六個此種 界面或逃逸錐體，其損失應為六倍。因此發生總光提取效率受全反射影響嚴重惡化。例如，如果GaAs、 GaN、藍寶石、氧化銦錫(ITO)和玻璃為用於裝置光射出表面 的典型材料，其折射率分別為3.4、 2.4、 1.8、 2.25和1.5,逃逸至外部空氣的效率將是2.2%, 4.3%， 8.7%， 5.2%和11%。所以使得大部分由發光層所產生的光被困在所述裝置內。界 面折射率差異太大為電激發光發光裝置所遭遇的主要問題。由於由所述發光層所產生的 光其光學特徵為具有等向角分布光源的非偏極發光，光子可經由所有暴露表面逃逸出所 述裝置。因此，電激發光裝置的一般封裝設計概念是重新導向逃逸光線進入所要輸出方 向並進入所述逃逸錐體以達到增加提取效率的目的。常規技術已揭示許多方法以增加提取效率，所述方法可分為四方面(I)增加發光率；(II)降低所述裝置中的吸收損失；(III)增加逃逸錐體數目和錐體角度；和(IV)增加進入逃逸錐體的機率。由於發光裝置內的接觸電極、發光層或襯底的光吸收特性， 因此裝置的發光和光吸收特性受到外延層堆疊結構影響。美國專利公告號第US 20040211969號申請案揭示使用具有一結構的一光提取層，其 中折射率在厚度變化方向朝向所述光射出表面逐漸減少，結果，所述逃逸錐體頂角沿著 所發出光的傳輸的方向單向延伸擴大，使得內反射漸漸地消除。另一方面，美國專利公 告號第US 2005062399號申請案揭示在所述電極層之上， 一光控制層具有一結構位於所 述襯底與電極之間，其中折射率朝向發光裝置的發光層漸漸增加，所述襯底具有低於所述光控制層的折射率的折射率，其中自所述發光層的一點光源發出的一球面波可被轉換 成平面波形，藉此在所述襯底和周圍介質之間界面的全內反射被減少。兩種方法均密切 地根據所使用的材料成分組成和複雜的光學多層膜製程，因此很難在大量生產中有效地 控制其成本與其光學特性。
然而，根據現有技術，當入射光的全內反射在兩種介質(其中第二介質，即光隧穿 層的折射率小於第一介質，即外延層的折射率)之間界面發生時，如果第二介質的厚度 接近或小於入射光的波長時，隨著第二介質的厚度朝零減少時，部分入射光會被耦合進 入具有折射率與第二介質的折射率相比較大的第三介質，此一現象即為眾所周知的光隧 穿(optical tunneling)現象。此一光隧穿現象稱為如諸多研究論文中所描述的受抑全內 反射(FTIR， Frustrated Total Internal Reflection)。兩種介質之間界面發生光隧穿現象的必要條件為如下(1)光隧穿層的折射率低於入射介質的折射率；(2)光隧穿層的厚度遠小於入射光的波長。因此，在LED外延層和周圍介質之間，除加一層光隧穿層外，並 可增加一光提取層，其折射率大於所述光隧穿層的折射率以形成受抑全內反射。
此外，在受抑全內反射(FTIR)中，漸消波的強度可以通過如Nesnidal和Walker所 發表的"Multilayer dielectric structure for enhancement of evanescent waves"(巻35, 第13 號，第2226頁，1996年，Applied Optics)中所描述的多層堆疊電介質材料結構而增加。 所述多層堆疊結構是通過鍍上一層光學薄膜以增加漸消波的強度。
另外，Li Li所公開的一篇"The Design Of Optical Thin Film Coatings With Total And Frustrated Total Internal Reflection"(第24至30頁，2003年9月，Optics & Photonics News) 中顯示在大於光全反射臨界角時可製作出一寬頻廣角、高消光比、偏極化分光鏡(high extinction ratio polarizing beam splitter)。換句話說，對於大於臨界角的入射角的非偏極 光，TM偏極光(p偏光)將被反射，而非傳播穿透全內反射界面，因此只有TE偏極光(s 偏光)透過所述全內反射界面傳播。因此，存在通過裝置和周圍介質界面使用受抑全內 反射效應以產生製造一偏極發光裝置的可能性。上述偏極發光裝置的偏極光(s或p偏光) 至少在下列條件成立時才能夠過所述全內反射界面傳播(1)當入射角大於臨界角(全 反射角)時；(2)外延層與周圍介質之間依序具有一光隧穿層以及一光提取層，其中所 述光隧穿層的折射率低於所述光提取層的折射率；以及(3)所述外延層與所述光隧穿 層之間另外具有一高折射率層，其折射率高於所述光隧穿層的折射率。泉明內容
本發明的一目的是通過光隧穿效應轉換一部分被全內反射現象困住的光為可傳播 輸出的光，藉以改善發光裝置的光提取效率。特別地，本發明通過使用一光隧穿層結構 形成一光控制部分以引發發光裝置內部大於全內反射角的入射光束產生光隧穿效應來 增加光提取效率。本發明敘述一種用於發光裝置的方法，其中所發的光線的大部分是以大於所述裝置 的全內反射臨界角度的角度入射至發光裝置/周圍介質的界面。這些光線被內反射並在逃 逸出所述裝置之前經歷至少一次內反射。此外，在所述裝置內，由於接觸電極和發光層 的吸收光很強，大部分光線最終會被吸收，常規技術常通過布拉格反射鏡或表面粗糙化 而加以改善，換句話說，改善提取效率的實現是通過增加多重(次)內反射機制以增加 光線逃逸的機率，此方法的優點應相對於存在於發光裝置結構中的增加的吸收光量所平 衡。因此，減少多重內反射並增加逃逸錐體的臨界角對於增加提取效率是很重要的。逃逸錐體被用於敘述從發光層所發出光線可逃逸至周圍介質的錐體，所述逃逸錐體 的頂點是為全反射效應所產生，換句話說，逃逸錐體頂角為全內反射臨界角所限制。所使用的關於形成於發光裝置的光射出表面上的術語"光隧穿層"，其用以引起發光 裝置的光射出表面的受抑全內反射現象。對發光裝置所發射光束波長而言，光隧穿層的 折射率低於發光裝置的出射外延層的折射率。根據本發明所使用的關於形成於發光裝置的光控制部分的第二部分的術語"光提取 層"，對發光裝置所發射光束波長而言，所述層具有高於發光裝置的光隧穿層的折射率 的折射率，其形成於裝置的光隧穿層之上。同時，"光提取層"被理解為一發光裝置的一 光控制部分，位於光束離開所述裝置經由透明電極層、外延層或遠離發光層的襯底表面 的另一邊。本發明所稱平面發光裝置其特徵為具有一光控制部分，其包括具有引發光隧 穿特性的光隧穿層和存在於面向遠離發光層的出射層的一邊的光提取層，其中由發光層 產生的光束的光隧穿效應在大於全內反射臨界角的角度可發生以增加光提取效率。光控 制部分包括至少一光隧穿層。基本上，光控制部分可為一兩層結構以引起受抑全內反射 效應，所述兩層結構是由一光隧穿層以及一光提取層所組成。光控制部分可以位於發光 裝置襯底與裝置周圍介質或發光外延層與裝置周圍介質之間。光提取效率的改善是依據 光控制部分光隧穿效應功能來決定。由具有光隧穿層結構的發光裝置發出的主要發光， 當光束較偏斜地入射光控制部分時可以產生較佳偏極光特性。實際上， 一具有偏極發光 特性的發光裝置是可以被實現。本發明的一目的是轉換一部分所被困住的光束為通過光隧穿效應所傳播的光束，藉 此改進發光裝置所輸出的光量度。由於受抑全內反射(FTIR)效應，從裝置內部入射於
光射出表面的角度可以變成大於臨界角。改進發光裝置輸出光束的進一步方法是在發光 裝置的一側或側壁提供至少一光隧穿層以便進一步增加受困的光束的隧穿效應。此外， 可於裝置的側壁增加一高反射塗層確保被困住的光無法在側邊離開所述裝置，因此增加 透過光射出表面的隧穿效應或傳播的機會，並可對提取效率做出貢獻。
由於發光層和周圍介質性質與結構可影響光束入射於光射出表面的輸出光束的角 分布，受抑全內反射結構設計應為使入射於一平面的光束可透過大角度範圍有效地傳 播，也就是說，自具有光隧穿結構層的發光裝置輸出的光束應具有較大的空間頻率。因 此，光提取效率可被避免因發光裝置的外延層和周圍介質的界面的光束的全內反射而減 低，藉此造成光提取效率的改善。
本發明涉及一發光裝置，其配置以使由所述發光裝置產生的光束可自所述發光裝置 通過所述光控制層的表面發射出為特色。光控制層具有兩或多個介電層，光控制層的第 一部分包括一光隧穿層，其以一低折射率材料所形成，所述光隧穿層對發光裝置所發光 波長的折射率與發光層、襯底或透明電極層的折射率相比較低，而所述透明電極層對於 發光裝置發出的主要發光的波長為完全透明。 一與光隧穿層的折射率相比較高的第二 (提取)層形成於第一 (隧穿)層的頂部上以引起一受抑全內反射(FTIR)，換句話說， 光隧穿效應可被操縱在發光裝置的光射出表面和周圍界面中間。結果，所發出光束的較 大百分比可以較大偏斜角入射於發光裝置/周圍介質界面，如果界面為平坦的或無粗化 的。這些光線經歷光隧穿效應並將一次通過而逃逸，所以不易在裝置內被吸收。換句話 說，有效逃逸錐角大於傳統發光裝置在裝置/周圍界面的逃逸錐角。至於發光裝置的光控 制層的厚度是足夠小以使發出的提取光束可延伸到較全內反射角大的出射方向，換句話 說，自發光層發出的主要發光的空間頻率(spatial frequency)可通過光控制部分的結構 被操作。
另外，光控制層的結構經配置以使由所述發光層所產生自光控制層的表面發出的主 要發光與一傳統發光裝置相比更具有偏極性。此外，這對於製造一偏光發光裝置是特別 有利的，因為由發光層發出的主要發光可被操作透過光隧穿效應以一大於臨界角的角度 入射並以較傳統發光裝置偏極的發光逃逸出所述發光裝置。因此光提取效率實質地依據 發光裝置的設計結構設計而加以改善。
發光裝置可以是雷射二極體、有機發光二極體(OLED)、聚合體發光二極體(PLED)、 平面發光LED以及高亮度發光二極體(HBLED)等。光控制層堆疊的材料可由半導體或 有機/無機介電材料所形成，例如m-v族半導體、光學高分子、二氧化矽、金屬氧化物、 矽溶凝膠、矽和鍺等。
本發明製造光控制層的製程僅使用半導體發光裝置作為實施例以避免混淆本發明 的特徵。但本發明的光隧穿光控制層還可用於其它發光裝置，例如有機發光裝置等。附困說明圖l顯示穿透一發光裝置l的單一光控制層(即光控制部分10僅具有光隧穿層12)的 光線的簡化路徑圖。圖2顯示圖1的發光裝置1的反射率與光隧穿層厚度的關係的理論模擬圖形。圖3a顯示圖l的發光裝置l的反射率與入射角的關係的理論模擬圖形，所述發光裝置 l為具有厚度為20納米的二氧化矽光隧穿層(折射率1.46)的GaNLED (折射率2.4)。圖3b顯示圖l的發光裝置l的反射率與入射角的關係的理論模擬圖形，所述發光裝置 l為具有厚度為40納米的二氧化矽光隧穿層(折射率1.46)的GaNLED (折射率2.4)。圖4顯示穿透一發光裝置2 (例如GaNLED)的光控制部分10堆疊的兩層(即光隧穿 層12和光提取層11)的光線的簡化路徑圖。圖5顯示圖4的發光裝置2的反射率與入射角的關係的理論模擬圖形。圖6顯示根據本發明的另一實施例的發光裝置2的截面圖。圖7顯示根據本發明的另一實施例的發光裝置3的截面圖。圖8揭示根據本發明的另一實施例的發光裝置4的截面圖。圖9顯示圖8的發光裝置4的反射率與入射角的關係的理論模擬圖形，所述發光裝置4 為具有一GaN材料高折射率層92 (折射率2.4)、 一二氧化矽光隧穿層12 (折射率1.46) 以及由GaN材料(折射率2.4)形成的一光提取層ll的GaNLED (折射率2.4)。
具體實施方式
本發明參考附圖以更詳細敘述，所述附圖描述實施本發明的優選實施例。然而，本 發明以數種實施例例示，但不應受限於所述實施例。所述實施例是對所屬領域的技術人 員更完整揭示本發明的保護範圍。根據本發明，發光裝置是指包括至少一可通過施加外部電能而發光或產生光的發光 層的有機/無機電激發光裝置。更明確地，折射率是針對發光層發出的主要發光的尖峰波 長。光隧穿層是指一具有與發光裝置的光射出表面層的折射率相比較低的折射率的介電 層，所述層配置在所述發光裝置的光射出表面上，其對於由發光層發出的光束以一大於 臨界角的角度入射光隧穿層位於裝置與周圍介質之間界面可造成光隧穿效應。
圖l顯示穿透一發光裝置l的單一光控制層(即光控制部分10僅具有光隧穿層12)的 光線的簡化路徑圖。逃逸錐體18、 一發光層14、 一P型包覆層13和一N型包覆層15、 一襯 底16以及一反射層17分別顯示於圖1中，其中光控制部分10僅具有一光隧穿層12且P型和 N型接觸電極並未於圖中顯示。光隧穿層12的入射光線22可以輕易穿透光控制部分10， 因為其入射角小於臨界角81。然而，因為光隧穿效應的緣故，部分入射光線21可以一大 於臨界角的入射角穿透包覆層13並穿透具有與包覆層13的折射率相比較低的折射率的 光隧穿層12 (即穿透包覆層13與光隧穿層之間的界面)進入周圍介質內。光隧穿效應的 必要條件為光隧穿層12的折射率小於包覆層13的折射率，以及光隧穿層12的厚度遠小於 入射光線21的波長。光隧穿效應會造成一部分光線(隧穿光31)隧穿所述光隧穿層12而 另一部分光線(光線51)被反射。所述隧穿光31穿透所述光隧穿層12並被傳播進入周圍 介質。向下光線61由反射層17所反射，接著朝所述裝置的光射出表面行進。優選地，光 控制部分10存在於光射出表面並包含由光射出表面至反射層17間的側壁也可以提供在 逐漸變窄的傾斜側壁(圖中未顯示)，所述傾斜側壁可增加由發光層發出的主要發光由 所述側壁反射進入逃逸錐體的機率，藉以增加光射出表面的光提取率。此外，光控制部 分10提供於至少一光射出表面上。圖2顯示圖1的發光裝置1的反射率與光隧穿層厚度的關係的理論模擬圖形。所述發 光裝置l具有一二氧化矽光隧穿層(折射率1.46)的GaNLED (折射率2.4)，其中發光波 長為460納米，在入射角65度時(大於未使用光隧穿層時的GaN/空氣界面的臨界角)，反 射率會隨著光隧穿層的厚度的減少而逐漸下降。圖3a顯示圖l的發光裝置l的反射率與入射角的關係的理論模擬圖形，所述發光裝置 l是為具有厚度為20納米的二氧化矽光隧穿層(折射率1.46)的GaNLED (折射率2.4)。 圖中顯示當未使用光隧穿層時(請見圖3a的左半部虛線部分)，隨著入射角的增加，界 面反射率會快速增加。然而，當使用光隧穿層時(請見圖3a的右半部)，臨界角的限制 逐漸被移除，而提取效率明顯被增加(換句話說，反射率明顯地下降)。圖3b顯示圖l的發光裝置l的反射率與入射角的關係的理論模擬圖形，所述發光裝置 l是為具有厚度為40納米的二氧化矽光隧穿層(折射率1.46)的GaNLED (折射率2.4)。 圖中顯示當未使用光隧穿層時(請見圖3b的左半部虛線部分)，隨著入射角的增加，界 面反射率會快速增加。然而，當使用光隧穿層時(請見圖3b的右半部)，臨界角的限制 逐漸被移除，而提取效率明顯被增加(換句話說，反射率明顯地下降)。然而，相較於 圖3a可知當入射角較大(例如大於40度時)且光隧穿層厚度較薄時，其反射率較低，而 光隧穿層厚度較厚時，其反射率較高。
由圖2、 3a和3b可知當光控制部分10僅包含光隧穿層12時，TE波(p偏光)與TM波 (s偏光)的反射率並沒有明顯地區分，換句話說，兩者的反射率非常地接近。
圖4顯示穿透一發光裝置2 (例如GaNLED)的光控制部分10堆疊的兩層(即光隧穿 層12和光提取層11)的光線的簡化路徑圖。逃逸錐體18、 一發光層14、 一P型包覆層13 和一N型包覆層15、 一襯底16以及一反射層17均與圖1中所示一致。然而，圖4的發光裝 置2與圖1所顯示的發光裝置1不同之處在於所述光控制部分10另外包含一光提取層11, 其形成於光隧穿層與周圍介質之間，其中光提取層11的折射率大於光隧穿層12的折射 率。光隧穿層12的入射光線22可以輕易穿越，因為其入射角小於臨界角81。然而，因為 光隧穿效應的緣故，部分入射光線21可以一大於臨界角的入射角通過包覆層13並穿透具 有與包覆層13的折射率較低的折射率的光隧穿層12 (即穿透包覆層13以及光隧穿層之間 的界面)進入光提取層ll內。光隧穿效應的必要條件為光隧穿層12的折射率小於包覆層 13的折射率，以及光隧穿層12的厚度遠小於入射光線21的波長。光隧穿效應會造成一部 分光線(即隧穿光)穿透所述光隧穿層12並被傳播進入光提取層11，而另一部分光線(光 線51)被反射。所述光提取層ll的厚度經設計以使大部分的隧穿光(即隧穿光31)可穿 透所述光提取層ll而被傳播進入周圍介質，只有一部分隧穿光41被反射回半導體層或光 提取層ll。此外，由於光隧穿層12和光提取層11之間的折射率差異，隧穿光41會被傳播 或在光提取層ll中被多重反射，最後隧穿光41終會有效地輸出進入周圍介質。上述現象 提供了製造用於平面顯示器應用的側面發光裝置(例如LED背光裝置)的機會。向下光 線61由一反射層17所反射，接著朝所述裝置的光射出表面行進。只有一小部分光線51會 消逝在其無法隧穿或輸出的方向上。在所述特定LED結構中，光隧穿層12的最佳位置可 加以變化或通過晶片外延結構、材料和製造方法進一步限制來加以製作。實際上，光控 制部分10的數量和製作是通過晶片結構、複雜度和製造此種結構的所需成本所控制。這 些技術包括光控制部分10的外延生長。光隧穿層12和光提取層11的塗層或沉積製造方法 可以使用浸漬、旋轉塗膜、自組裝(self-assembly)形成和矽溶凝膠(sol-gel)沉積製程， 或傳統薄膜鍍層，例如濺鍍、電子槍(E-gun)和化學蒸汽沉積(CVD)。此外，裝置的 發光層14可使用分子束外延(MBE)、液相外延(LPE)、金屬有機化學汽相沉積 (MOCVD)、汽相外延(VPE)或其組合製作方式。光控制部分10和LED可通過單一或 多重成長步驟形成，以由所需晶片結構所決定的順序成長製作。
圖5顯示圖4的發光裝置2的反射率與入射角的關係的理論模擬圖形。所示發光裝置2 為具有一二氧化矽光隧穿層12 (折射率1.46)以及由GaN材料(折射率2.4)形成的一光 提取層ll配置於所述光隧穿層12上的GaNLED (折射率2.4)，其中所述光隧穿層12和所
述光提取層11的厚度分別為20 nm和lOO nm，發光波長假設為460 nm。對於以低於臨界 角的入射角入射於裝置與周圍介質之間界面的光線，本實施例的裝置的反射率低於沒有 光隧穿層的裝置的反射率(請見圖5的左半部虛線部分)。圖中顯示對於509bTE偏極光以 及50免TM偏極光在臨界角後的平均反射率可通過光隧穿效應大大地被減少，但是當入射 角增加到大於60度左右時，其反射率快速地升高。此外，圖中顯示在一特定入射角範圍 中(約30至55度之間)，TE偏極光較TM偏極光不被反射的一明顯效應。因此，可以根據 此一特殊效應製造一偏極發光裝置，所述裝置可通過選擇發光層發出的主要發光的入射 角的不同範圍以決定穿透所述裝置的光射出表面的光線是以TE偏極光或是以TM偏極光 為主。
圖6顯示根據本發明的另一實施例的發光裝置2 (例如一傳統AlInGaNLED)的截面 圖。在此實施例中，發光裝置2包括一光控制部分，其包含在透明電極ITO層68和電流分 布Au/Ni合金層69上的一光隧穿層12和一光提取層11，所述光隧穿層12具有低於出射層 (也就是說，ITO層68)的折射率的折射率，所述光提取層11具有高於所述光隧穿層12 的折射率的折射率。通常用作保護目的的二氧化矽層可以作為光隧穿層12,只要其厚度 足夠薄而可讓漸消波穿透，也就是說，其厚度小於自發光層發出的主要發光的波長。所 述發光裝置2另外包括一發光層14 (即發光多重量子阱)被包夾於一P型包覆層13 (即P 型AlInGaN包覆層)與一N型包覆層15 (即N型AlInGaN包覆層)之間，所述N型包覆層 15位於成長於襯底16 (即透明藍寶石襯底)上的一外延緩衝AlInGaN層70的頂部， 一反 射層17 (例如銀或鋁)被沉積於所述襯底的另一側以提供良好熱傳導和光反射率。所述 發光裝置2與圖4所示的發光裝置2的較明顯差異在於當製作光控制部分時，可以用沉積 或外延方式以粗糙化光提取層ll的表面結構而產生散射、衍射/繞射和折射等現象，以額 外增加光提取效率。
圖7顯示根據本發明的另一實施例的發光裝置3的截面圖。所述發光裝置3與圖4所示 的發光裝置2的差異在於光控制層另外具有一第三層60配置於光提取層上，其折射率低 於光提取層ll的折射率，以進一步改進所述發光裝置3的光提取效率。來自發光層14的 傳播光束的空間頻率可通過光控制部分10和材料變化所控制。光隧穿層12與發光層14的 位置距離也可造成改進的發光特徵，其中傳播光束和隧穿光(從發光層14)自接近垂直 方向至大於臨界角的範圍內入射至光射出表面並穿透到周圍介質中。
圖8揭示根據本發明的另一實施例的發光裝置4的截面圖，其利用LiLi的"The Design Of Optical Thin Film Coatings With Total And Frustrated Total Internal Reflection"所揭示的 結構以製作而成一偏極發光裝置，其中光控制部分IO可經設計以增加第一次通過(first pass)的光束提取量並增加來自發光層14的輸出光進入周圍介質的偏極化程度。在此實 施例中，發光裝置4包括一光控制部分10以及一發光部分，所述光控制部分包含一高折 射率層92、 一光隧穿層12以及一光提取層11，所述發光部分包含一襯底16、 一N型包覆 層15、 一發光層14、 一P型包覆層13、 一光偏斜裝置結構(light deflection elements, LDE) 90以及一光偏斜裝置結構封裝層91。增加一光偏斜裝置結構90的目的是為使發光層發出 的光以一更大傾斜角入射於發光裝置與周圍介質之間的光控制層，所述光偏斜裝置結構 90為一稜鏡陣列層，優選為一金字塔形狀陣列層，所述光偏斜裝置結構90以折射率高於 所述光偏斜裝置結構封裝層91材料折射率的材料所形成。為了重新導向在高折射率層92 以及光隧穿層12界面發出的主要發光至一更大入射角，所以所述主要發光以一大於臨界 角的角度入射於光偏斜裝置結構封裝層91和光控制部分10之間界面。換句話說，對於給 定的發射角分布而言，相對於光射出表面較大傾斜角的發射光束的百分比增加。例如， 如圖9所示，自發光層14發出的主要發光95， 96被等角稜鏡陣列以優選30至70度傾斜角 所折射。如果傾斜角假設為40度，接近垂直入射的光線95被光偏斜裝置結構90所折射並 在所述光控制部分10以大約40度照射，同時，以40度角入射的光線96並未被折射而以最 多40度入射角入射所述光控制部分10。因此，光線96和95均以一大於臨界角的角度入射 於光偏斜裝置結構封裝層91與光控制部分10之間的界面。換句話說，所述主要發光的偏 極化程度和發射角分布可根據所需應用而被調整。光偏斜裝置結構90可在LED成長製程中被形成且一旦陣列被形成，光偏斜裝置結構 封裝層91可通過一外延、蒸發、化學汽相沉積、噴濺、旋轉塗膜和浸漬技術被成長或沉 積以在所述LED中嵌入所述光偏斜裝置結構90的表面。光偏斜裝置結構封裝層91可由下 列材料製造，例如二氧化矽、氮化矽、氮化鋁、氧化鋁、例如SiNx， AIN, SiOx, Si3N4, A1203、 Si02或SiN,.xOx、 二氧化矽氣凝膠(silica aerogel)或光學高分子材料。優選地， 光偏斜裝置結構90的材料可為例如第三族氮化物、第三族磷化物和第三族砷化物，例如， GaN， AlGaN， AlInGaN, AlGalnP， GaAlP， GaAsP， GaAs或AlGaAs。沉積光偏斜裝置 結構90的材料優選厚度為100 nm至10 um。有兩種方法形成光偏斜裝置結構90。首先， 美國專利US 6,091,085揭示一實施例，其使用GaN成長於圖案化的二氧化矽層上，方法 為在GaN層的表面上創造二氧化矽特徵結構圖案以提供GaN外延成長突出物於GaN層 上。這些特徵GaN突出物具有傾斜角，其產生使光束在相對於所述LED的光射出表面一 大傾斜角度行進以離開所述LED光射出表面。第二，美國專利US 6,791,117敘述使用一 歪斜活性離子蝕刻或切割製程以形成一粗糙歪斜提取表面，結果，光射出表面層具有一 三角錐截面。因此，光偏斜裝置結構90可被形成為一金字塔形狀陣列，其具有優選為30
至40度的傾斜角以控制來自發光層64的輸出光線。圖9中所顯示的光偏斜裝置結構90的 形狀僅為可能形狀的一例子且本發明的範圍並不限於所顯示的形狀。此外，光偏斜裝置 結構90層的形狀和尺寸經選擇以最佳化所要的偏極化輸出的光束輸出。圖9顯示圖8的偏極發光裝置4的反射率與入射角的關係的理論模擬圖形，所述發光 裝置4為具有一GaN材料高折射率層92 (折射率2.4)、 一二氧化矽光隧穿層12 (折射率 1.46)以及由GaN材料(折射率2.4)形成的一光提取層ll的GaN LED (折射率2.4)，並以S^2作為封裝層材料，其中所述高折射率層92、所述光隧穿層12和所述光提取層11的 厚度分別為40nm、 40nm和100nm,發光波長假設為460 nm。圖中顯示光控制部分10如 同一偏極化分光器作用以介於40至70度的入射角產生一TM偏極光(p偏光)輸出(沒有 光隧穿層的裝置的反射率，請見圖9的左半部虛線部分)。為增加其偏極化效應，光偏斜 裝置結構90應具有與光偏斜裝置結構封裝層91材料的折射率相比較大的折射率。在光偏 斜裝置結構封裝層91和光偏斜裝置結構90之間的較高折射率差異可準許光以一較大入 射角進入光控制部分10表面。接觸外延層的光控制部分10包括至少一低折射率的光隧穿層12。所述光隧穿層12通 常具有小於外延層或襯底材料的折射率的折射率，典型地為約1.35和2之間。當使用二氧 化矽氣凝膠時，折射率可以低於上述數字且低到接近l.O。高折射率層材料具有大於2.0 的折射率，典型地為約2.0到3.4之間。使用於光控制部分10的材料經選擇以造成折射率 的差異以最大化入射於光控制部分10的傳播。光控制部分10經選擇和配置以通過入射於 光射出表面的光束的光隧穿效應以及發光裝置側壁提供最大輸出光量。選擇低或高折射 率材料根據光射出表面材料以增加光隧穿效應。因此，例如為了光隧穿目的，光隧穿層 12具有低於外延半導體層、透明電極、半導體襯底、玻璃襯底和陶瓷襯底的折射率的折 射率且可以是氧化物、氮化物、矽的氮氧化物、氧化鋁、鋰、鈣、鎂的氟化物以及其它 包括這些材料的合金或有摻雜其它材料的成分組成。為了受抑全內反射的目的，高折射 率材料為，例如鈦、鉿、錫、銻、鋯、鉭、錳、硫化鋅的氧化物、第三族氮化物、第三 族砷化物、第三族磷化物以及其它包括這些材料的合金或有摻雜其它材料的成分組成。 在上述所有實施例中，發光裝置均可使用倒裝晶片技術封裝。 根據本發明上述實施例可知，第一，光控制部分10可通過沉積具有折射率小於發光 裝置出射表面的折射率的光隧穿層12被用以增加提取效率，而所述光隧穿層12的厚度小 於所述主要發光的波長。第二，具有高於光隧穿層12之折射率的折射率的光提取層11覆 蓋於所述光隧穿層12的頂部，事實上，光控制部分10在發光裝置的光輸出的影響改變或
增加光束的出射角頻寬(或空間頻率)，所述出射角頻寬可傳播能量進入周圍介質。此 效應可被視為在所述界面逃逸錐角的改變或增加。換句話說，當發光裝置被封裝時且光 控制層形成被用於所述發光裝置的一部分封裝。然而，當逃逸錐角大於臨界角，藉此對 應於出口面的兩側的材料的有效折射率的一改變，換句話說，光隧穿發生於入射角大於 所述臨界角的光束。通常，光控制部分10的光隧穿性質經選擇以使所述光控制部分10吸 收光所造成的損失遠小於相較於所述光控制部分10的供應的光輸出的增加。此外，由於光控制部分10的存在，以小於臨界角入射的直接傳播的光束以及以大於 臨界角的入射角入射的隧穿光束均對光提取效率做出貢獻。此外，具有光控制部分10的 所述裝置的輸出光束具有與沒有光控制部分10(具多重光程路徑)相比較短的光程路徑，因此反射光吸收較少。此外，輔助方法(例如表面粗糙化)可被應用於本發明以增加自發光裝置的光提取，如圖6所示。折射率的差異將許多入射於側壁的光反射回所述裝置 可被有效提取的光射出表面。發光裝置還可包括一磷光/螢光材料以使由所述發光裝置所 產生通過光控制層的表面的主要發光與所述磷光/螢光材料互相作用，使得由磷光/螢光 層所發出的光為白光。雖然本發明為具有一強化全發光能力的一發光裝置，此解決方法 並不限於有機發光二極體(OLED)以及發光裝置，並可使用於平面發光光源。另外，本發明的光射出表面並不限於發光裝置的最頂部表面，只要光控制部分配置 於所要的光射出表面上，即可達到本發明的提高光提取效率的目的。本發明的特點和技術內容已充分揭示如上，任何所屬領域的技術人員均可依據本發 明的揭示和教示而作各種不背離本發明精神的替換或修改，因此本發明的保護範圍不應 僅限於所揭示的實施例，而應涵蓋這些替換和修飾。
權利要求
1.一種發光裝置，包括一發光部分，包括一襯底，其為光可穿透的；一發光層，其由一P型包覆層和一N型包覆層所包夾，並為光可穿透的；所述P型包覆層，其位於所述發光層的一側，並為光可穿透的；所述N型包覆層，其位於所述發光層的另一側，並為光可穿透的；一P型電極層，其位於所述P型包覆層上；以及一N型電極層，其位於所述N型包覆層上，其特徵為所述發光裝置進一步包括一光控制部分，包括一光隧穿層，其配置於所述發光裝置的光射出表面上，並具有對於自所述發光層發出的主要發光波長與所述襯底、所述包覆層和所述電極層的折射率相比較小的折射率，且所述光隧穿層的厚度小於所述主要發光波長。
2. 如權利要求l所述的發光裝置，其中所述光控制部分進一步包括一光提取層，其配 置於所述光隧穿層上，並具有對於所述主要發光波長與所述光隧穿層的折射率相比 較大的折射率。
3. 如權利要求2所述的發光裝置，其中所述發光部分進一步包括一光偏斜裝置結構和 一光偏斜裝置結構封裝層以及所述光控制部分進一步包括一高折射率層，所述光偏 斜裝置結構和光偏斜裝置結構封裝層依序配置於所述P型包覆層上且所述光偏斜裝 置結構的折射率高於所述光偏斜裝置結構封裝層的折射率，所述高折射率層配置於 所述光隧穿層下並具有對於所述主要發光波長與所述光隧穿層的折射率相比較大 的折射率。
4. 如權利要求3所述的發光裝置，其中所述光偏斜裝置結構為一稜鏡陣列層或一金字塔形狀陣列層。
5. 如權利要求3所述的發光裝置，其中所述光偏斜裝置結構可使所述主要發光以30至 70度折射。
6. 如權利要求3所述的發光裝置，其中構成所述光偏斜裝置結構封裝層的材料選自由SiNx、 AIN、 SiOx、 Si3N4、 A1203、 Si02、 SiN,.xOx、 二氧化矽氣凝膠和光學高分子 材料所組成的群組。
7. 如權利要求3所述的發光裝置，其中構成所述光偏斜裝置結構的材料選自由GaN、 AlGaN、 AlInGaN、 AlGalnP、 GaAlP、 GaAsP、 GaAs和AlGaAs所組成的群組。
8. 如權利要求3所述的發光裝置，其中所述光偏斜裝置結構的厚度為100nm至10um。
9. 如權利要求2所述的發光裝置，其中所述光控制部分進一步包括一第三層，其配置 於所述光提取層上，並具有對於所述主要發光波長與所述光提取層的折射率相比較 小的折射率。
10. 如權利要求2所述的發光裝置，其中所述光提取層的頂部表面經粗糙化。
11. 如權利要求10所述的發光裝置，其中所述粗糙化由沉積方式或外延方式處理。
12. 如權利要求l所述的發光裝置，其中相對於所述光射出表面的另一面上沉積有一反射層。
13. 如權利要求l、 2或3所述的發光裝置，其中所述發光裝置選自由一雷射二極體裝置、 有機發光裝置、聚合體發光裝置、平面發光裝置和高亮度發光裝置所組成的群組。
14. 如權利要求13所述的發光裝置，其中所述發光裝置為倒裝晶片封裝結構。
全文摘要
本發明涉及一種發光裝置，其具有一襯底和一包括一電激發光材料的發光層，其中所述發光層(P-N接面)被一P型包覆層(具有光可穿透的一P型電極層)和一N型包覆層(具有光可穿透的一N型電極層)所包夾。所述發光裝置的特徵為一光控制部分配置於所述發光裝置的一光射出表面上，所述光控制部分至少包括一光隧穿層，所述光隧穿層對於來自發光層的主要發光波長具有與所述襯底、所述包覆層和所述電極層的折射率相比較小的折射率。當由所述發光層所發出的光以一大於臨界角的角度入射外延層與周圍介質之間的界面時，通過光隧穿效應造成光提取效率增加。來自光控制部分的隧穿光可以是偏極的，藉此，實際上可實現一偏極發光裝置。
文檔編號H01L33/00GK101127379SQ200610111408
公開日2008年2月20日 申請日期2006年8月16日 優先權日2006年8月16日
發明者蘇忠傑 申請人:蘇忠傑