专利名称：具改良式反射片的发光二极管元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种发光二极管元件，特别是有关于一种具改良式反射片的发 光二极管元件。
背景技术：
发光二极管是使用半导体本身固有的特性以产生发射光，其发光原理不同 于一般的灯具，故发光二极管又被称为冷光光源。发光二极管具有耐久、省能 等优点，已成为普遍受到欢迎的发光源。图l为一典型的发光二极管元件结构截面示意图，其包括一蓝宝石基底IO、 一N型半导体层ll、 一半导体发光层12、 一 P型半导体层13及一底部铝金属层14。当一作用电压施予该P型半导体层13及该N 型半导体层ll之间时，通过电子-空穴对在该半导体发光层12结合而于该半导体 发光层12放出光，朝四面八方发射出去。如图1所示，仅有入射角较小的朝上发 射光会经由该P型半导体层13顶面出射，而朝向该蓝宝石基底10的发射光于通过 该蓝宝石基底10后则需经由该底部铝金属层14导引朝上发射，以增加该发光二 极管元件的发光强度。图2为TE发射光、TM发射光及前述两者的平均混合光(Ave)通过一蓝宝石基 底入射于其底部铝金属层的反射光强度相对入射角的关系图，其中TE发射光(TE wave)是指电场垂直纸面的发射光，而TM发射光(TM wave)是指磁场垂直纸面的 发射光。如图2所示，入射于该铝金属层的发射光并无法达到100%的反射率，会 有部分的入射光被该铝金属层吸收。目前已知几乎所有的金属皆会吸收部分的 入射光，而无法百分之百的反射入射光。据此，亟待提供一种改良的半导体基底底部反射器，以克服上述现有技术 的缺失。发明内容本发明的主要目的是提供一种具改良式反射片的发光二极管元件，通过设 于一透光基底底面的一改良式反射片，使朝向该透光基底的大部分发射光于该 透光基底与该反射片的接口产生全反射，以提高该发光二极管元件的光输出率。 本发明的另 一 目的是提供一种具改良式反射片的发光二极管元件，于透光 基底底面形成一类似布拉格反射器的反射片，以使朝向该透光基底的大部分发 射光反射率增加，进而提高该发光二极管元件的光输出率。根据以上所述的目的，本发明提供一种具改良式反射片的发光二极管元件。 在本发明一具体实施例中，该发光二极管元件包括一透光基底、 一半导体叠层 及一反射片。该半导体叠层形成于该透光基底的一第一表面，该半导体叠层包 含一具第一导电性半导体层、 一具第二导电性半导体层及一半导体发光层介于 前述两者之间。该反射片形成于相对该第一表面的该透光基底的一第二表面， 自该第二表面起，该反射片具有至少一透光介电层及至少一金属层，该透光介 电层具有一折射系数小于该透光基底的折射系数。该透光介电层具有一厚度足够使朝向该透光基底的大部分发射光在该透光 基底与该透光介电层的接口产生全反射，而被导引朝向该半导体叠层表面发射。 再者，该透光介电层表面入射角较小的入射光于通过该透光介电层后，可经由 该金属层反射回去。通过本发明前述改良式反射片的设计，即可提高该发光二 极管元件的光输出率。在本发明的另一具体实施例中，该发光二极管元件包括一蓝宝石基底；一 半导体叠层，形成于该蓝宝石基底的一第一表面，该半导体叠层包含一具第一 导电性半导体层、 一具第二导电性半导体层及一半导体发光层介于前述两者之 间；及一反射片，形成于相对所述第一表面的所述蓝宝石基底的一第二表面， 自该第二表面起，该反射片具有至少一厚度大于O. l微米的二氣化硅层及至少一 铝金属层。在本发明的另一具体实施例中，该发光二极管元件包括一透光基底、 一半导体叠层及一反射片。该半导体叠层形成于该透光基底的一笫一表面，该半导 体叠层包含一具第一导电性半导体层、 一具第二导电性半导体层及一半导体发 光层介于前述两者之间。该反射片形成于相对该第一表面的该透光基底的一第 二表面，该反射片具有复数层透光介电层，所述透光介电层两两之间的折射系 数呈高低周期性变化，且与该透光基底相邻的一该透光介电层的折射系数小于 该透光基底的折射系数。在此一具体实施例中，本发明提供一类似布扭格反射器(Distributed Brag Reflector, DBR)的透光介电层叠层于该透光基底相对该半导体叠层的表面， 以将朝向该透光基底的发射光反射回去，藉以提高该发光二极管元件的光输出率。 通过本发明的改良式反射片的设计，可提高该发光二极管元件的光输出率。
图l为一现有发光二极管元件结构截面示意图；图2为现有发光^管元件其底部铝金属层的反射强度相对入射角的关系图； 图3A为本发明具改良式反射片的发光二极管元件的第一具体实施例的结构 截面示意图；图3B及图3C为本发明改良式反射片中透光介电层的反射强度相对入射角的 关系图；图4为本发明具改良式反射片的发光二极管元件的第二具体实施例的结构 截面示意图；图5为本发明具改良式反射片的发光二极管元件的第三具体实施例的结构 截面示意图；及图6为发光二极管元件的半导体基底的各种底部反射器的反射强度相对入 射角的关系图。主要部分的代表符号10蓝宝石基底 11 N型半导体层12半导体发光层 13 P型半导体层14 底部铝金属层
3具改良式反射片的发光二极管元件
30透光基底 32半导体叠层
34改良式反射片 322具第一导电性半导体层
324半导体发光层 326具第二导电性半导体层
342 透光介电层 344金属层
4 具改良式反射片的发光二极管元件
40透光基底 42半导体叠层
44 改良式反射片 422 具第一导电性半导体层
424半导体发光层
426具第二导电性半导体层
442第一透光介电层
444 第二透光介电层
5具改良式反射片的发光二极管元件
50透光基底 52半导体叠层
522具笫一导电性半导体层 526具第二导电性半导体层 56透光介电层堆栈层 564 第二透光介电层
54 改良式反射片
524 半导体发光层
54 改良式反射片 562 第一透光介电层
58 金属层
具体实施例方式
本发明提供一种具改良式反射片的发光二极管元件，是在透光基底与其底 部反射层之间加入至少一透光介电层，与该反射层形成一改良式反射片，藉以 提高该反射层的反射率。本发明具改良式反射片的发光二极管元件的结构通过 以下具体实施例配合所附图式，将予以详细说明如下。
在此必须说明的是，本发明图式为各具体实施例的发光二极管元件结构截面示意图，各层厚度并未按照实际比例绘制，并且为求突显本发明结构特征， 图式中并未示出本发明发光二极管元件的电极。
图3A为本发明具改良式反射片的发光二极管元件的第 一具体实施例的结构 截面示意图。该具改良式反射片的发光二极管元件3包括一透光基底30、 一半导 体叠层32及一改良式反射片34。该半导体叠层32形成于该透光基底30的第一表 面，包含一具第一导电性的半导体层322及一具第二导电性的半导体层326及一 半导体发光层324介于前述两者之间。该半导体叠层32各层材质可以是第IIIA族 氮化物，例如二元化合物(binary compound),例如氮化铝、氮化4家、氮4匕铟； 三元化合物(ternary compound),例如氮化镓铝、氮化镓铟、氮化铝铟；及四元 化合物(quaternary compound)氮化镓铟铝(AUriyGa卜yN)。以氮化镓铟铝(AlInGaN) 材料系统为例，该具第一导电性的半导体层322可以是P型氮化镓铟铝层，该具 第二导电性的半导体层326可以是N型氮化镓铟铝层及该半导体发光层324可以 是氮化镓铟铝层。该改良式反射片34形成于相对该第一表面的该透光基底30的 一第二表面，自该第二表面起，该改良式反射片34具有至少一透光介电层342及 至少一金属层344,该透光介电层342具有一折射系数小于该透光基底30的折射 系数及具有一足够厚度例如至少为O. l微米(pjn)，藉以使该半导体发光层324朝 向该透光基底30的大部分发射光入射于该透光介电层342时会于该透光基底30 内部产生全反射(Total Internal Reflection, TIR),如图标中箭头所指，进 而增加前述发射光逃离该透光基底30内部朝其第一表面出射的机会，相对地减 少前述发射光被该金属层344吸收的机会。对于该透光介电层342而言，入射角 较小的入射光于通过该透光介电层342后，仍可经由该金属层344反射回去。在 第一具体实施例中，该透光基底30材质可以是蓝宝石(sapphire),该透光介电 层342材质可以是二氧化硅(Si02)或氟化镁(MgF》，而该金属层344可以是铝、银、 钛、镍或金金属层等反射率至少为50%的金属层。
参照图3B，该具改良式反射片的发光二极管元件3中该透光基底30可使用蓝 宝石基底，而于该蓝宝石基底下方形成一厚度约为G. 5微米(ixm)的二氧化硅，并将一铝金属层形成于该二氧化硅层下方。以中心波长450毫微米(nm)的TE光、TM 光及两者的平均混合光(Ave)经由该蓝宝石基底以各种角度入射于该二氧化硅 层时，可发现前述两种光波在入射角大于全反射临界角时，其光反射率可达100 /0。 也就是说，当入射角大于全反射临界角时，前述两种光波会在该蓝宝石基底内 部产生全反射，而增加这两种光波逃离该蓝宝石基底内部朝向该蓝宝石基底上 方出射的机会。至于入射角较小的入射光仍可经该铝金属层反射回去。
参照图3C，将二氧化硅层厚度增加至l微米(/zm)，仍可发现前述两种光波 在入射角大于全反射临界角时，其光反射率可达100%。参图3A，故该发光二极 管元件3中只要透光介电层342厚度超过一最小厚度，即可使入射角大于全反射 临界角的所有入射光于该透光介电层342表面产生全反射。所以本发明改良式反 射片的i殳计有助于提高本发明发光二极管元件的工艺窗口 (process window)。
图4为本发明具改良式反射片的发光二极管元件的第二具体实施例的结构 截面示意图。在第二具体实施例中，该具改良式反射片的发光二极管元件4包括 一透光基底40、 一半导体叠层42及一改良式反射片44。该半导体叠层42形成于 该透M底40的一第一表面，该半导体叠层42包含一具第一导电性半导体层422、 一具第二导电性半导体层426及一半导体发光层424介于前述两者之间。所述反 射片44形成于相对第一表面的所述透光基底40的一第二表面。该改良式反射片44 是由第一透光介电层442及第二透光介电层444交互堆栈组成，其中该第一透光 介电层442的折射系数小于该透光基底40的折射系数，而该第二透光介电层444 的折射系数大于该第一透光介电层442的折射系数，并且该第一透光介电层442及 该第二透光介电层444的厚度为四分之一波长(1/4 A)(在此波长是指该发光二 极管元件4的发射光波长)。换句话说，该反射片44系由复数层第一透光介电层 442及第二透光介电层444交互堆栈组成，并且所述透光介电层两两之间的折射 系数呈高低周期性变化。如此一来，该改良式反射片44可设计成类似一布拉格 反射器，进而可将朝向该透光基底40的发射光反射回去，以提高该发光二极管 元件4的光输出率。再者，在第二具体实施例中，该透光基底40、该半导体叠层4 2的材质皆可使用相同于第 一具体实施例的材质。
图5为本发明具改良式反射片的发光二极管元件的第三具体实施例的结构 截面示意图。在第三具体实施例中，该具改良式反射片的发光二极管元件5包括 一透光基底50、 一半导体叠层52及一改良式反射片54。该半导体叠层52形成于 该透光基底50的一第一表面，包含一具第一导电性的半导体层522及一具第二导 电性的半导体层526及一半导体发光层524介于前述两者之间。该改良式反射片54 形成于相对该第一表面的该透光基底50的一第二表面，自该第二表面起，该反 射片54具有一透光介电层堆栈层56及至少一金属层58。该透光介电层堆栈层56 与第二具体实施例的该反射片44结构设计一样，由复数层第一透光介电层562及 第二透光介电层564交互堆栈组成，并且所述透光介电层两两之间的折射系数呈 高低周期性变化。也就是说，第三具体实施例与第二具体实施例不同处仅在于 在该透光介电层堆栈层56下方加设至少一金属层58，以更进一步将通过该透光 介电层堆栈层56的发射光反射回去。该金属层58材质可以是铝、银、钛、镍或 金金属层等反射率至少为50%的金属层。
图6为显示蓝宝石基底底部具有不同反射片时，反射光强度相对反射片表面 光入射角的关系图，可明显看出蓝宝石基底底部形成一透光介电层堆栈层(d i e 1 ectric stack)与铝金属层做为反射片时，或者形成一透光介电层与铝金属层做 为反射片时，相较于在该蓝宝石基底底部仅以一铝金属层做为反射片时，其可 大为提高光反射率。
以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并非用以限定本发明的申请专利 范围；凡其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包 含在本发明权利要求请求保护的范围内。
权利要求
1. 一种具改良式反射片的发光二极管元件，其特征在于该发光二极管元件包括一透光基底；一半导体叠层，形成于该透光基底的一第一表面，该半导体叠层包含一具第一导电性半导体层、一具第二导电性半导体层及一半导体发光层介于前述两者之间；及一反射片，形成于相对所述第一表面的所述透光基底的一第二表面，自该第二表面起，该反射片具有至少一透光介电层及至少一金属层，该透光介电层具有一折射系数小于该透光基底的折射系数。
2. 根据权利要求l所述的具改良式反射片的发光二极管元件，其特征在于 所述透光介电层的厚度至少为O. l微米。
3. 根据权利要求l所述的具改良式反射片的发光二极管元件，其特征在于 该金属层的反射率至少为5 0% 。
4. 根据权利要求l所述的具改良式反射片的发光二极管元件，其特征在于， 所述透光介电层的材质选自下列任意一种二氧化硅及氟化镁。
5. 根据权利要求l所述的具改良式反射片的发光二极管元件，其特征在于， 该金属层的材质选自下列任意一种铝、银、钛、镍及金。
6. 根据权利要求l所述的具改良式反射片的发光二极管元件，其特征在于， 该反射片具有复数层透光介电层，所述透光介电层两两之间的折射系数呈高低 周期性变化。
7. —种具改良式反射片的发光二极管元件，其特征在于该发光二极管元件 包括一蓝宝石基底；一半导体叠层，形成于该蓝宝石基底的一第一表面，该半导体叠层包含一 具第一导电性半导体层、 一具第二导电性半导体层及一半导体发光层介于前述两者之间；及一反射片，形成于相对所述第一表面的所述蓝宝石基底的一第二表面，自 该第二表面起，该反射片具有至少一厚度大于O. l微米的二氧化硅层及至少一铝 金属层。
8. 根据权利要求7所述的具改良式反射片的发光二极管元件，其特征在于 该半导体叠层的材质是以氮化镓铟铝系为主。
9. 一种具改良式反射片的发光二极管元件，其特征在于该发明二极管元件 包括一透光基底；一半导体叠层，形成于该透光基底的一第一表面，该半导体叠层包含一具 第一导电性半导体层、 一具第二导电性半导体层及一半导体发光层介于前述两 者之间；及一反射片，形成于相对该第一表面的该透光基底的一第二表面，该反射片 具有复数层透光介电层，所述透光介电层两两之间的折射系数呈高低周期性变 化，且与该透光基底相邻的一该透光介电层的折射系数小于该透光基底的折射 系数。
10. 根据权利要求9所述的具改良式反射片的发光二极管元件，其特征在 于，所述透光介电层对于来自该透光基底的所有入射光产生大于50%的反射率。
11. 根据权利要求9所述的具改良式反射片的发光二极管元件，其特征在 于，所述透光基底为一蓝宝石基底。
12. 根据权利要求9所述的具改良式反射片的发光二极管元件，其特征在 于，该半导体叠层的材质是以氮化镓铟铝系为主。
13. 才艮据权利要求ll所述的具改良式反射片的发光二极管元件，其特征在 于，该半导体叠层的材质是以氮化镓铟铝系为主。
全文摘要
本发明提供一种具改良式反射片的发光二极管元件，在相对发光层的透光基底的表面形成一改良式反射片。该改良式反射片具有至少一透光介电层相邻于该透光基底及至少一金属层。通过该改良式反射片的设计，使穿透该透光基底的大部分发射光在该透光基底与该反射片的接口产生全反射，藉以使朝向该透光基底的发射光被导引朝元件正面发光，进而提高该发光二极管元件的光输出率。
文档编号H01L33/00GK101246934SQ20071007915
公开日2008年8月20日 申请日期2007年2月14日 优先权日2007年2月14日
发明者史提夫·列斯特, 法兰克·修恩 申请人:普瑞光电股份有限公司