[发明专利]具有金属氧化物镀层的发光元件和提高其光萃取率方法

说明书

技术领域

本发明关于一种发光元件；特别关于一种新的组成构件以增进它们的光输出率的具有金属氧化物镀层的发光元件和提高发光元件光萃取率方法。

背景技术

发光二极管元件将电能转化为光的重要固态元件，其通常具有一半导体有源层夹于其它层之间。随着半导体材料品质的提升，发光二极管元件的发光效率也随着提高。市售的发光二极管元件由铟、铝、镓与氮的合金(AlInGaN)所制作形成。这些合金使得发光二极管元件操作于紫外光至绿光光谱区成为可行。然而，发光二极管元件的发光效率受限于其无法耦合发光二极管芯片有源层所产生的所有光。当一发光二极管元件被能量激发时，其有源层会朝各个方向发光，以许多不同的角度抵达发光二极管元件表面。典型的半导体材料具有一相较于空气(n＝1.0)或环氧树脂包覆层(n≈1.5)还高的折射系数。根据斯涅耳定律(Snell’s law)，光从折射系数n₁的材料经过入射于较低折射系数n₂的材料时，当其入射角小于相对于入射面法线的一临界角θc时，光会穿经较低折射系数的材料，其中

θ_C＝sin^-1(n₁/n₂)                (1)

当光抵达半导体表面的入射角大于θ_C时，会产生内部全反射。光会被反射回到发光二极管芯片内部而可能于发光二极管芯片内部或贴附于芯片的金属接触层被吸收。对于传统的发光二极管元件，其结构内部产生的大部分光在离开半导体芯片之前往往遭遇内部全反射。以传统采用蓝宝石基底的氮化镓发光二极管元件为例，百分之七十的发射光被束缚于蓝宝石基底与氮化镓的外部表面之间。此发射光重复被反射，而大为提高被再吸收及损失的机会。

已经有一些技术被提出来以提高发光二极管元件的光萃取率(lightextraction)。提供具有反射接触层的发光二极管元件即为其中一例。由于被束缚于结构内部并入射于金属接触层的光将会被反射回到元件内部而非被吸收，因而可提高发光二极管元件的发光效率。此一现象也使得光拥有另一机会于下次入射于发光二极管元件表面时，可逃离发光二极管芯片。虽然反射接触层提高光萃取率，传统的发光二极管元件仍然有严重的光损失。糙化顶部表面为提高光萃取率的另一种技术。糙化的散射子(Roughening scatters)使得反射光呈任意角度反射，而使得受束缚的光改变光径。通过平行的界面，也可阻止光重复反射。部分的散射光因而在被吸收之前有机会以小于内部全反射临界角的入射角入射于一表面。典型半导体层呈薄膜状，因此仅有细微尺寸的糙化可行。再者，糙化表面(roughening surface)会引起发光二极管元件工艺的其它问题。例如，接触糙化表面即是一个问题。再者，糙化表面会使得掩膜对准晶片变得困难。糙化表面使得用来焊接及检查晶片的图案辨识设备(pattern recognition equipment)难以适当的工作。因此，另一种可改变受束缚光光径的技术成为需求。用以散射受束缚光的另一种技术于氮化镓与其下方基底之间提供一糙化界面，可于长成半导体层之前，通过图案刻蚀及糙化基底来完成。上述技术可有效提高光萃取率。然而，基底的纹理化表面会影响后续这些半导体层的成长。对于这些半导体层的品质常有不利的影响，其成长再现性也变差。

其它提高光输出率的方法揭示于美国专利第6,657,236号，在此借其参考专利号涵括全文于本文中。美国专利第6,657,236号及美国专利第6,821,804号教示另一种方法，其使用具有N型掺质的氮化镓铟铝材料形成的一第一扩散层(a first spreading layer)，及一第二扩散层，较佳为一半透光金属薄层，例如钯、铂、钯/铂、钯/金、镍/金、氧化镍/金或它们的组合物，较佳沉积在P型氮化镓铟铝表面上。光萃取元件的结构可设计成光萃取元件阵列或多重散射子层(disperser layers)。光萃取元件可由折射系数较高于元件包覆材料折射系数的材质形成。

美国专利第6,831,302号教示一种结构包含一多层材质叠层、可反射至少约百分之五十入射光的一反射层，及其中一具有N型掺质材料的表面，例如N型氮化镓的表面，具有随着某一图案而产生空间上变化的介电功能。美国专利申请案公开第2005/0227379号教示使用激光使一半导体层表面成形，以提高光萃取率。此外，基底上可含有三维的光萃取几何图案，或者形成于基底上的一发光元件包含至少一图案层以产生光萃取特性。