CN207542277U - 发光二极管结构 - Google Patents
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Abstract
一种发光二极管结构，包含第一半导体层、第二半导体层、发光层、绝缘层以及光角度扩大层。第二半导体层位于第一半导体层上，发光层位于第一半导体层与第二半导体层之间。绝缘层具有相连的第一部分及第二部分，分别设置于第一半导体层相对于发光层的一侧及第一半导体层的侧表面，第二部分与第二半导体层及发光层接触。光角度扩大层设置于第二半导体层上，具有相对于第二半导体层的出光面，以及面对第二半导体层的入光面，并包含交错堆叠的多个第一介电层及第二介电层，这些第一介电层与第二介电层具有不同的折射率。本实用新型的发光二极管结构通过设置光角度扩大层使得发光二极管结构的出光角度得以扩大，因而可减少晶粒的使用量。
Description
技术领域
本实用新型是关于一种发光二极管结构，特别是关于一种具有大出光角度的发光二极管结构。
背景技术
发光二极管(Light Emitting Diode，LED)具有重量轻、体积小、厚度薄、节省能量以及寿命较其它光源长的特性。此外，通过发光二极管封装亦可产生具有高演色性质的白光。因此，发光二极管已大量用于一般照明，同时亦逐渐取代荧光灯等白光光源。
一般发光二极管为正向发光，即出光角度为正负各45度。因此，在作为面板或灯具等物品的光源元件时，必须使用较多的晶粒数，因而导致生产成本增加。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型的一些实施例揭露一种发光二极管结构，具有较大出光角，可减少晶粒使用量。
本实用新型的一态样例揭露一种发光二极管结构，包含第一半导体层、第二半导体层、发光层、绝缘层以及光角度扩大层。第二半导体层位于第一半导体层上。发光层位于第一半导体层与第二半导体层之间。绝缘层具有相连的第一部分及第二部分，第一部分设置于第一半导体层相对于发光层的一侧，第二部分设置于第一半导体层的侧表面且延伸至与第二半导体层及发光层接触。光角度扩大层设置于第二半导体层上，光角度扩大层与绝缘层分别位该第二半导体层相异二侧，光角度扩大层具有相对于第二半导体层的一出光面，以及面对第二半导体层的一入光面，其中光角度扩大层包含交错堆叠的多个第一介电层及多个第二介电层，这些第一介电层与这些第二介电层具有不同的折射率，其中具有较高折射率的介电层总厚度大于具有较低折射率的介电层总厚度。
依据本实用新型的一些实施例，光角度扩大层的厚度介于1μm与3μm之间，且第一介电层及第二介电层中具有较高折射率的介电层的总厚度介于500nm至2000nm之间，具有较低折射率的介电层的总厚度介于100nm至1000nm之间且于每一组相邻的第一介电层与第二介电层中，第一介电层的厚度与第二介电层的厚度的差值不大于500nm。
依据本实用新型的一些实施例，经由出光面发出的出光角介于130度与175度之间。
依据本实用新型的一些实施例，光角度扩大层的厚度堆叠方式为M型。
依据本实用新型的一些实施例，光角度扩大层的厚度堆叠方式为U型。
依据本实用新型的一些实施例，光角度扩大层的厚度堆叠方式为V型。
依据本实用新型的一些实施例，还包含第一电极及第二电极，第一电极设置于第一半导体层相对于发光层的一侧，第二电极设置于第二半导体层相对于光角度扩大层的一侧。
依据本实用新型的一些实施例，第一电极与绝缘层的第一部分接触，第二电极与第二半导体层及绝缘层接触。
依据本实用新型的一些实施例，绝缘层是由多个第三介电层及多个第四介电层交错堆叠而成，这些第三介电层与这些第四介电层具有不同的折射率。
依据本实用新型的一些实施例，还包含电流扩散层，设置于第一电极与第一半导体层之间以及绝缘层与第一半导体层之间。
本实用新型的上述一些实施方式通过设置光角度扩大层使得发光二极管结构的出光角度得以扩大，因而可减少晶粒的使用量。
附图说明
为让本揭露的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附附图的说明如下：
图1A绘示本实用新型的一些实施例中发光二极管结构的剖面示意图；
图1B绘示本实用新型的一些实施例中光角度扩大层的剖面示意图；
图1C绘示图1A实施例中发光二极管结构的出光角度与出光强度关系的数据图；
图2绘示本实用新型的一些实施例中各种波长的光在不同出光角度在图1A实施例中发光二极管结构下的反射率数据图；
图3A绘示本实用新型的一些实施例中发光二极管结构的剖面示意图；
图3B绘示本实用新型的一些实施例中绝缘层的剖面示意图。
具体实施方式
下文列举实施例配合所附附图进行详细说明，但所提供的实施例并非用以限制本揭露所涵盖的范围，而结构运作的描述非用以限制其执行的顺序，任何由元件重新组合的结构，所产生具有均等功效的装置，皆为本揭露所涵盖的范围。另外，附图仅以说明为目的，并未依照原尺寸作图。为使便于理解，下述说明中相同元件或相似元件将以相同的符号标示来说明。
另外，在全篇说明书与权利要求书所使用的用词(terms)，除有特别注明外，通常具有每个用词使用在此领域中、在此揭露的内容中与特殊内容中的平常意义。某些用以描述本揭露的用词将于下或在此说明书的别处讨论，以提供本领域技术人员在有关本揭露的描述上额外的引导。
关于本文中所使用的“第一”、“第二”、…等，并非特别指称次序或顺位的意思，亦非用以限定本实用新型，其仅仅是为了区别以相同技术用语描述的元件或操作而已。
其次，在本文中所使用的用词“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
请参考图1A至图1C。图1A绘示本实用新型的一实施例中发光二极管结构100的剖面示意图。本实施例揭露一种发光二极管结构100，包含第一半导体层110、第二半导体层120、发光层130、绝缘层140以及光角度扩大层150。第二半导体层120位于第一半导体层110上。发光层130位于第一半导体层110与第二半导体层120之间。
第一半导体层110及第二半导体层120可以是由包含例如镓(Ga)、铝(Al)、铟(In)、磷(P)、氮(Ta)、锌(Zn)、镉(Cd)、硒(Se)的半导体材料组成，但不以此为限。第一半导体层110与第二半导体层120用以在外加电场偏压时产生电子或空穴。第一半导体层110、第二半导体层120分别为p型半导体层、n型半导体层。于一实施例中，第一半导体层110为p型半导体层，第二半导体层120为n型半导体层；或者，于另一实施例中，第一半导体层110为n型半导体层，第二半导体层120为p型半导体层。
发光层130可产生一种或多种波长的色光。发光层130的结构可为，例如，单异质结构、双异质结构或多层量子井等。
绝缘层140具有相连的第一部分142及第二部分144，第一部分142设置于第一半导体层110相对于发光层130的一侧，第二部分144设置于第一半导体层110的侧表面112且延伸至与第二半导体层120及发光层130接触。在本实施例中，绝缘层140的第一部分142及第二部分144相连呈现L型，但在其它实施例中并不以此为限。在本实施例中，绝缘层140为二氧化硅(SiO2，折射率n＝1.4585)层，可用作阻挡电流通过的阻挡层，但绝缘层140的组成并不以二氧化硅层为限。在后续提到的其它实施例中，绝缘层140亦可搭配特定组成材质，使其除了阻挡电流通过外，亦具有反射光的效果。
此外，在一些实施例中，绝缘层140上亦可增设金属反射层，设置于绝缘层140相对于第一半导体层110及发光层130一侧，例如，由铝(Al)、钛(Ti)、铬(Cr)、镍(Ni)、铂(Pt)、钽(Ta)、金(Au)或上述金属的合金所构成的反射金属层，且不以此为限。此金属反射层可使绝缘层140更有效反射由发光层130产生的光，以使发光二极管结构200提升光萃取率。
图1B绘示本实用新型的一些实施例中光角度扩大层150的剖面示意图。光角度扩大层150设置于第二半导体层120上，光角度扩大层150与绝缘层140分别位于第二半导体层120相异二侧，光角度扩大层150具有相对于第二半导体层120的出光面1502，以及面对第二半导体层120的入光面1504。由发光层130产生的光通过第二半导体层120，由入光面1504进入光角度扩大层150，再经由出光面1502离开发光二极管结构100以达到大角度出光的效果；亦或由发光层130产生的光经由绝缘层140的反射后，通过第二半导体层120，由入光面1504进入光角度扩大层150，再经由出光面1502离开发光二极管结构100以达到大角度出光的效果。
光角度扩大层150包含交错堆叠的多个第一介电层152及多个第二介电层154，这些第一介电层152的折射率大于这些第二介电层154的折射率。举例而言，在本实施例中，第一介电层152可以是二氧化钛(TiO2，n＝2.6142)层，第二介电层154可以是二氧化硅(SiO2，n＝1.4585)层，但不以此为限。在其它实施例中，图1B所绘示的第一介电层152与第二介电层154位置可对调，且光角度扩大层150中的介电层层数亦可为单数，亦即出光面1502与入光面1504的介电层同为第一介电层152或同为第二介电层154。
光角度扩大层150中的第一介电层152及第二介电层154可由，例如，溅镀(sputtering)、电子束沉积(electron beam deposition)、等离子辅助化学气相沉积(plasma enhanced chemical vapor deposition，PECVD)或离子辅助沉积(ion assisteddeposition)的方式形成，且不以此为限。
在其它实施例中，第一介电层152或第二介电层154可依据实际应用需求而配置为二氧化硅(SiO2)层、二氧化钛(TiO2)层、氧化铌(Nb2O5)、或氮化硅(Si3N4)层等介电层交错排列，且不以此为限，只要第一介电层152与第二介电层154满足各具有不同的折射率。
详细而言，在本实用新型的一些实施例中，光角度扩大层150的总厚度介于1μm与3μm之间。第一介电层152的总厚度介于500nm至2000nm之间，第二介电层154的总厚度介于100nm至1000nm之间。光角度扩大层150中包含复数组第一介电层152与第二介电层154对，每一组中的第一介电层152的厚度与第二介电层154的厚度的差值不大于500nm，且较佳为不大于250nm，方能达到扩大出光角的功效。在图1A所示的实施例中，每一组中的第一介电层152的厚度与第二介电层154的厚度的差值介于0.7nm至170nm之间。可通过调整总厚度和搭配不同第一介电层152及第二介电层154的厚度以达到不同的出光角度及光萃取率。在上述实施例中，以设置16层介电层的出光角度最广。值得注意的是，至少要有4组以上的第一介电层152与第二介电层154所组合成的介电层对才会有明显的出光角度扩大效果。
另外，光角度扩大层150的厚度堆叠方式以“M型趋势”、“U型趋势”及“倒V型趋势”所得到的出光角度扩散效果为佳。详细而言，在光角度扩大层150中，第一介电层152及第二介电层154交错堆叠，每一层第一介电层152与第二介电层154的组合称为“一组”。“M型趋势”是指光角度扩大层150的厚度自第二半导体层120起往上堆叠的每“一组”介电层的厚度变化为由“薄”至“厚”至“薄”至“厚”再至“薄”；“U型趋势”是指光角度扩大层150的厚度自第二半导体层120起往上堆叠的每“一组”介电层的厚度变化为由“厚”至“薄”再至“厚”；“倒V型趋势”是指光角度扩大层150的厚度自第二半导体层120起往上堆叠的每“一组”介电层的厚度变化为由“薄”至“厚”再至“薄”。
图1C绘示图1A实施例中发光二极管结构100的出光角度与出光强度关系的数据图。在本实施例中，光角度扩大层150的总厚度为1μm，包含16层交错排列的第一介电层152及第二介电层154。第一介电层152与第二介电层154分别为二氧化钛(TiO2)层及二氧化硅(SiO2)层。由图1C可知，出光角的范围，由垂直于出光面1502的方向作为0度算起，在正角度大于75度，负角度亦大于75度，且正角度与负角度的总和大于160度，最大可达175度。图中X轴及Y轴数值为自光角度扩大层150往出光面1502射出的出光强度相对于发光层130初始发光强度的比例。数值“1”代表比例为100％，数值“0.2”代表比例为20％，以此类推。由于上述第一介电层152及第二介电层154的结构，自入光面1504进入光角度扩大层150的光在小角度时较易全反射，造成图1C所示出光面1502于小角度的出光强度比例较小，大角度的出光强度比例较大的现象。
通过上述不同折射率的介电层所组成的光角度扩大层150，本实用新型的实施例可使发光二极管结构100由出光面1502发出的出光角介于130度与175度之间，相较于已知LED的90度出光角有显著扩大。此技术效果使得发光二极管结构100在实际应用时可减少晶粒的使用量，进而节省成本与减少耗能。
请再参考图1A。在一些实施例中，发光二极管结构100还包含第一电极160及第二电极170，第一电极160设置于第一半导体层110相对于发光层130的一侧，用以对第一半导体层110施加电压。第二电极170设置于第二半导体层120相对于光角度扩大层150的一侧，用以对第二半导体层120施加电压。
第一电极160与第二电极170可以是导电材料，例如，钛(Ti)、铜(Cu)、镍(Ni)、铝(Al)、金(Au)、银(Ag)、钨(W)铟(In)、锡(Sn)、铂(Pt)、锌(Zn)、铅(Pb)、钯(Pd)、锗(Ge)、钴(Co)、镉(Cd)、锰(Mn)、锑(Sb)、铋(Bi)、镓(Ga)、钨(W)、铍(Be)或铬(Cr)等金属导电材料，亦可以是氧化铟锡(indium tin oxide，ITO)、氧化铟锌(indium zinc oxide，IZO)、氧化锌(zinc oxide，ZnO)、氧化铟(indium oxide，InO)、氧化锡(tin oxide，SnO)、氧化镉锡(cadmium tin oxide，CTO)、氧化锑锡(antimony-doped tin oxide，ATO)、氧化铝锌(alumiun-doped zinc oxide，AZO)、氧化锌锡(zinc tin oxide，ZTO)、氧化镓锌(galliumzinc oxide，GZO)或类钻碳薄膜(diamond like carbon，DLC)等透明导电材料。第一电极160与第二电极170亦可以是由两种或两种以上的材料制成的导电材料。第一电极160与第二电极170可以是用化学气相沉积(chemical vapor deposition，CVD)、溅镀、电子束沉积、分子束磊晶(molecular beam epitaxy，MBE)或其它可达到相同目的的方式分别设置于第一半导体层110相对于发光层130的一侧以及第二半导体层120相对于光角度扩大层150的一侧。
在一些实施例中，第一电极160与绝缘层140的第一部分142接触，第二电极170与第二半导体层120及绝缘层140的第二部分144接触。在此配置下，绝缘层140可使第一半导体层110在相对于发光层130的一侧及侧表面112方向避免外露。此外，绝缘层140亦可使当第二电极170与第二半导体层120电性连接并对第二半导体层120施加电压的同时，第二电极170不会与第一半导体层110及发光层130产生电性连接，达到阻挡电流的效果。
图2绘示本实用新型的一些实施例中各种波长的光在不同出光角度在图1A实施例中发光二极管结构100下的反射率数据图。数据以角度自5至65度，每10度为一间隔的方式绘制反射率曲线，亦即包含出光角正方向与负方向相加为10度至130度的范围。此处所指的角度是以垂直出光面1502方向为0度作为基准，因此正90度及负90度皆是指平行出光面1502的方向。5度的数据以标号5表示、15度的数据以标号15表示，以此类推，25、35、45、55及65度的数据分别以标号25、35、45、55及65表示。就大角度，例如65度的数据来看，先是在波长约350nm处有接近90％的高反射率，代表波长约370nm的光在65度时出光甚少。65度的数据随着波长的增加，约在400nm处具有50％的反射率，并在约410nm以上的波长反射率皆约低于35％，代表约410nm以上的波长的光在65度时仍具有显著并可应用的出光强度。就小角度，例如5度的数据来看，先是在波长约450nm处有约92.5％的高反射率代表波长约450nm的光在5度时出光甚少。5度的数据随着波长的增加，约在500nm处具有约50％的反射率，并在约505nm以上的波长反射率皆约低于35％，代表约505nm以上的波长的光在5度时仍具有显著并可应用的出光强度。依照上述的分析方法，为了能获得大角度出光并避开低角度出光，可发现在光波长约410nm至约505nm的范围，亦即约蓝光至约绿光的范围内，即使是在出光角正方向与负方向相加为130度的大角度，仍具有显著并可应用的出光强度。
请参考图3A至图3B。图3A绘示本实用新型的一些实施例中发光二极管结构200的剖面示意图。图3B绘示本实用新型的一些实施例中绝缘层240的剖面示意图。与图1A所绘示的实施例类似，此处所描述的一些实施例的发光二极管结构200包含第一半导体层210、第二半导体层220、发光层230、绝缘层240以及光角度扩大层250。第二半导体层220位于第一半导体层210上。发光层230位于第一半导体层210与第二半导体层220之间。发光二极管结构200更可包含第一电极260及第二电极270，第一电极260设置于第一半导体层210相对于发光层230的一侧，用以对第一半导体层210施加电压。第二电极270设置于第二半导体层220相对于光角度扩大层250的一侧，用以对第二半导体层220施加电压。光角度扩大层250设置于第二半导体层220上，光角度扩大层250与绝缘层240分别位于第二半导体层220相异二侧，光角度扩大层250具有相对于第二半导体层220的出光面2502，以及面对第二半导体层220的入光面2504。
图3A所绘示的实施例与图1A所绘示实施例不同处在于，在图3A所绘示的实施例中，绝缘层240是由多个第三介电层242及多个第四介电层244交错堆叠而成，这些第三介电层242与这些第四介电层244具有不同的折射率。第三介电层242和第四介电层244的制程与材料可如第一介电层152和第二介电层154所述，在此便不再赘述。
因此，在上述实施例中，绝缘层240可用作阻挡电流通过的阻挡层以及反射由发光层230产生的光及来自光角度扩大层250所反射的光。在这当中，交错堆叠的第三介电层242及第四介电层244更具有增加光反射率的效果，因而使发光二极管结构200的光萃取率相较于单层二氧化硅(SiO2)所构成的绝缘层140得以更加提升。绝缘层240在6层介电层以上，亦即3对由第三介电层242、第四介电层244所组成的介电层对以上，且总厚度在3μm以下时可提升反射效果。
在本实用新型的一些实施例中，发光二极管结构100、200可包含电流扩散层180、280，设置于第一电极160、260与第一半导体层110、210之间以及绝缘层140、240与第一半导体层110、210之间并接触连接第一电极160、260与绝缘层140、240。通过电流扩散层180、280的设置，可使外加电场偏压更均匀地加至第一半导体层110、210中。
电流扩散层180、280可以是，例如，氧化铟锡(ITO)层、镍金(Ni/Au)层、氧化铟锌(indium zinc oxide，IZO)层、氧化锌(zinc oxide，ZnO)层、氧化铟(InO)层、氧化锡(SnO)层、氧化镉锡(CTO)层、氧化锑锡(ATO)层、氧化铝锌(AZO)层、氧化锌锡(ZTO)层或氧化镓锌(GZO)层等导电层，且不以此为限。
在本实用新型的一些实施例中，可还包含生长基板190、290，位于第二半导体层120、220与光角度扩大层150、250之间。生长基板190、290用于成长发光二极管结构100、200。详细而言，可在生长基板190、290的一侧成长光角度扩大层150、250，并于生长基板190、290的另一侧成长第二半导体层120、220及其它如图1A、图3A所示与第二半导体层120、220相对于生长基板190、290同侧的结构。基板190、290的材料可以是蓝宝石(sapphire，Al2O3)、半导体硅基板、氮化铝(AlN)、碳化硅(SiC)或氮化镓(GaN)，且不以此为限。完成发光二极管结构100、200的成长后，可去除或保留生长基板190、290。
综上所述，本实用新型的一些实施例所揭露的发光二极管结构通过设置光角度扩大层使得发光二极管结构的出光角度得以扩大，因而可减少晶粒的使用量。此外，多层介电层所构成的绝缘层亦增加了光萃取率，达到节省能源的效果。
虽然本实用新型已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本实用新型，任何熟悉此技艺者，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本实用新型的保护范围当视所附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种发光二极管结构，其特征在于，包含：
一第一半导体层；
一第二半导体层，位于该第一半导体层上；
一发光层，位于该第一半导体层与该第二半导体层之间；
一绝缘层，具有相连的一第一部分及一第二部分，该第一部分设置于该第一半导体层相对于该发光层的一侧，该第二部分设置于该第一半导体层的侧表面且延伸至与该第二半导体层及该发光层接触；
一光角度扩大层，设置于该第二半导体层上，该光角度扩大层与该绝缘层分别位于该第二半导体层相异二侧，该光角度扩大层具有相对于该第二半导体层的一出光面、以及面对该第二半导体层的一入光面，其中该光角度扩大层包含交错堆叠的多个第一介电层及多个第二介电层，所述多个第一介电层的折射率大于所述多个第二介电层的折射率，其中所述多个第一介电层的总厚度大于所述多个第二介电层的总厚度。
2.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其特征在于，该光角度扩大层的厚度介于1μm与3μm之间，所述多个第一介电层的总厚度介于500nm至2000nm之间，所述多个第二介电层的总厚度介于100nm至1000nm之间，且于每一组相邻的该第一介电层与该第二介电层中，该第一介电层的厚度与该第二介电层的厚度的差值不大于500nm。
3.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其特征在于，经由该出光面发出的出光角介于130度与175度之间。
4.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其特征在于，该光角度扩大层的厚度堆叠方式为M型。
5.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其特征在于，该光角度扩大层的厚度堆叠方式为U型。
6.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其特征在于，该光角度扩大层的厚度堆叠方式为倒V型。
7.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其特征在于，还包含一第一电极及一第二电极，该第一电极设置于该第一半导体层相对于发光层的一侧，该第二电极设置于该第二半导体层相对于光角度扩大层的一侧。
8.根据权利要求7所述的发光二极管结构，其特征在于，该第一电极与该绝缘层的该第一部分接触，该第二电极与该第二半导体层及该绝缘层接触。
9.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其特征在于，该绝缘层是由多个第三介电层及多个第四介电层交错堆叠而成，所述多个第三介电层与所述多个第四介电层具有不同的折射率。
10.根据权利要求7所述的发光二极管结构，其特征在于，还包含一电流扩散层，设置于该第一电极与该第一半导体层之间以及该绝缘层与该第一半导体层之间。
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