高提取效率发光装置的制作方法

专利名称：高提取效率发光装置的制作方法
高提取效率发光装置
扶水领域
本发明涉及一种发光装置，例如发光二极管(LED)、共振腔LED以及平面型LED (例如有机发光二极管(OLED))。特别是，本发明涉及一种半导体发光装置，其光控 制层至少由一光隧穿层所构成。
背景抹水
一个电激发光(EL)发光装置(LED)基本上包括一发光部分，其实质上包含一发 光层以及包覆层，所述发光部分具有可自靠近紫外光至红外光频谱操作的材料。所述材料包含第ni-v族，第n-vi族半导体，半导体聚合物和特别的二元、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。半导体外延层部分，包括由至少一n型层以 及一p型层形成的一发光层，形成于一半导体或玻璃衬底上。当其上施加一电场时，由 阳极注入的空穴以及由阴极注入的电子在所述发光层重新结合并产生光子。被广泛采用 的一示范性配置为所述发光层由包覆层所包夹，衬底包括一部分的外延缓冲层、 一衬底 以及一底部反射层。 一电流扩散/分布层形成于所述外延层的表面上，因此电流可以有效 率地注入所述发光层。 一保护层形成于整个装置表面上。 一接触电极部分形成于所述表 面上。 一底部反射层提供一高热能耗散和高反射功能并设计为具有一低热阻以允许高电 流密度操作。
基本上，对于上述的发光装置，可知电激发光(EL)装置发出光子，其由一发光层 所产生并自所述发光装置脱离进入周围介质。考虑所述装置和周围介质的折射率的差 异，所述装置/周边(周围)介质存在相当小的全内反射临界角造成发光层所发出的大部 分光子被反射回所述装置内，加上所述发光层中的反射光再吸收现象造成外部量子效率 实质小于其内部量子效率，也就是所谓的临界角损失。因此，提取效率或外部量子效率 定义为光逃逸出所述装置或逃逸出所述装置进入周围的效率。
因为形成装置的半传导发光材料的折射率大于周围介质材料(典型地为用于包装或 封装所述装置的环氧树脂或空气)的折射率，所以在发光装置与周围介质之间的界面的全反射临界角的大小由下列公式决定
全反射临界角视折射率不匹配的比例而定。"'和"2分别为入射和折射介质的折射 率。只有以小于所述临界角的入射光可被传播穿透所述界面。换句话说，存在一发射光 束的逃逸锥体，其具有等于临界角的顶角，如

图1所示。假设发光装置的非偏极发光具有等向角分布和包括菲涅耳(Fresnel)反射损失，穿透过界面传播光能量相对于到达所 述界面的光的比例由下列公式决定-因此，由于全内反射(TIR)所造成的损失随着所述装置内的折射率与所述装置外 的介质折射率的差异快速地增加。特别是，对于一立方体型发光装置，其具有六个此种 界面或逃逸锥体，其损失应为六倍。因此发生总光提取效率受全反射影响严重恶化。例如，如果GaAs、 GaN、蓝宝石、氧化铟锡(ITO)和玻璃为用于装置光射出表面 的典型材料，其折射率分别为3.4、 2.4、 1.8、 2.25和1.5,逃逸至外部空气的效率将是2.2%, 4.3%， 8.7%， 5.2%和11%。所以使得大部分由发光层所产生的光被困在所述装置内。界 面折射率差异太大为电激发光发光装置所遭遇的主要问题。由于由所述发光层所产生的 光其光学特征为具有等向角分布光源的非偏极发光，光子可经由所有暴露表面逃逸出所 述装置。因此，电激发光装置的一般封装设计概念是重新导向逃逸光线进入所要输出方 向并进入所述逃逸锥体以达到增加提取效率的目的。常规技术已揭示许多方法以增加提取效率，所述方法可分为四方面(I)增加发光率；(II)降低所述装置中的吸收损失；(III)增加逃逸锥体数目和锥体角度；和(IV)增加进入逃逸锥体的机率。由于发光装置内的接触电极、发光层或衬底的光吸收特性， 因此装置的发光和光吸收特性受到外延层堆叠结构影响。美国专利公告号第US 20040211969号申请案揭示使用具有一结构的一光提取层，其 中折射率在厚度变化方向朝向所述光射出表面逐渐减少，结果，所述逃逸锥体顶角沿着 所发出光的传输的方向单向延伸扩大，使得内反射渐渐地消除。另一方面，美国专利公 告号第US 2005062399号申请案揭示在所述电极层之上， 一光控制层具有一结构位于所 述衬底与电极之间，其中折射率朝向发光装置的发光层渐渐增加，所述衬底具有低于所述光控制层的折射率的折射率，其中自所述发光层的一点光源发出的一球面波可被转换 成平面波形，藉此在所述衬底和周围介质之间界面的全内反射被减少。两种方法均密切 地根据所使用的材料成分组成和复杂的光学多层膜制程，因此很难在大量生产中有效地 控制其成本与其光学特性。
然而，根据现有技术，当入射光的全内反射在两种介质(其中第二介质，即光隧穿 层的折射率小于第一介质，即外延层的折射率)之间界面发生时，如果第二介质的厚度 接近或小于入射光的波长时，随着第二介质的厚度朝零减少时，部分入射光会被耦合进 入具有折射率与第二介质的折射率相比较大的第三介质，此一现象即为众所周知的光隧 穿(optical tunneling)现象。此一光隧穿现象称为如诸多研究论文中所描述的受抑全内 反射(FTIR， Frustrated Total Internal Reflection)。两种介质之间界面发生光隧穿现象的必要条件为如下(1)光隧穿层的折射率低于入射介质的折射率；(2)光隧穿层的厚度远小于入射光的波长。因此，在LED外延层和周围介质之间，除加一层光隧穿层外，并 可增加一光提取层，其折射率大于所述光隧穿层的折射率以形成受抑全内反射。
此外，在受抑全内反射(FTIR)中，渐消波的强度可以通过如Nesnidal和Walker所 发表的"Multilayer dielectric structure for enhancement of evanescent waves"(巻35, 第13 号，第2226页，1996年，Applied Optics)中所描述的多层堆叠电介质材料结构而增加。 所述多层堆叠结构是通过镀上一层光学薄膜以增加渐消波的强度。
另外，Li Li所公开的一篇"The Design Of Optical Thin Film Coatings With Total And Frustrated Total Internal Reflection"(第24至30页，2003年9月，Optics & Photonics News) 中显示在大于光全反射临界角时可制作出一宽频广角、高消光比、偏极化分光镜(high extinction ratio polarizing beam splitter)。换句话说，对于大于临界角的入射角的非偏极 光，TM偏极光(p偏光)将被反射，而非传播穿透全内反射界面，因此只有TE偏极光(s 偏光)透过所述全内反射界面传播。因此，存在通过装置和周围介质界面使用受抑全内 反射效应以产生制造一偏极发光装置的可能性。上述偏极发光装置的偏极光(s或p偏光) 至少在下列条件成立时才能够过所述全内反射界面传播(1)当入射角大于临界角(全 反射角)时；(2)外延层与周围介质之间依序具有一光隧穿层以及一光提取层，其中所 述光隧穿层的折射率低于所述光提取层的折射率；以及(3)所述外延层与所述光隧穿 层之间另外具有一高折射率层，其折射率高于所述光隧穿层的折射率。泉明内容
本发明的一目的是通过光隧穿效应转换一部分被全内反射现象困住的光为可传播 输出的光，藉以改善发光装置的光提取效率。特别地，本发明通过使用一光隧穿层结构 形成一光控制部分以引发发光装置内部大于全内反射角的入射光束产生光隧穿效应来 增加光提取效率。本发明叙述一种用于发光装置的方法，其中所发的光线的大部分是以大于所述装置 的全内反射临界角度的角度入射至发光装置/周围介质的界面。这些光线被内反射并在逃 逸出所述装置之前经历至少一次内反射。此外，在所述装置内，由于接触电极和发光层 的吸收光很强，大部分光线最终会被吸收，常规技术常通过布拉格反射镜或表面粗糙化 而加以改善，换句话说，改善提取效率的实现是通过增加多重(次)内反射机制以增加 光线逃逸的机率，此方法的优点应相对于存在于发光装置结构中的增加的吸收光量所平 衡。因此，减少多重内反射并增加逃逸锥体的临界角对于增加提取效率是很重要的。逃逸锥体被用于叙述从发光层所发出光线可逃逸至周围介质的锥体，所述逃逸锥体 的顶点是为全反射效应所产生，换句话说，逃逸锥体顶角为全内反射临界角所限制。所使用的关于形成于发光装置的光射出表面上的术语"光隧穿层"，其用以引起发光 装置的光射出表面的受抑全内反射现象。对发光装置所发射光束波长而言，光隧穿层的 折射率低于发光装置的出射外延层的折射率。根据本发明所使用的关于形成于发光装置的光控制部分的第二部分的术语"光提取 层"，对发光装置所发射光束波长而言，所述层具有高于发光装置的光隧穿层的折射率 的折射率，其形成于装置的光隧穿层之上。同时，"光提取层"被理解为一发光装置的一 光控制部分，位于光束离开所述装置经由透明电极层、外延层或远离发光层的衬底表面 的另一边。本发明所称平面发光装置其特征为具有一光控制部分，其包括具有引发光隧 穿特性的光隧穿层和存在于面向远离发光层的出射层的一边的光提取层，其中由发光层 产生的光束的光隧穿效应在大于全内反射临界角的角度可发生以增加光提取效率。光控 制部分包括至少一光隧穿层。基本上，光控制部分可为一两层结构以引起受抑全内反射 效应，所述两层结构是由一光隧穿层以及一光提取层所组成。光控制部分可以位于发光 装置衬底与装置周围介质或发光外延层与装置周围介质之间。光提取效率的改善是依据 光控制部分光隧穿效应功能来决定。由具有光隧穿层结构的发光装置发出的主要发光， 当光束较偏斜地入射光控制部分时可以产生较佳偏极光特性。实际上， 一具有偏极发光 特性的发光装置是可以被实现。本发明的一目的是转换一部分所被困住的光束为通过光隧穿效应所传播的光束，藉 此改进发光装置所输出的光量度。由于受抑全内反射(FTIR)效应，从装置内部入射于
光射出表面的角度可以变成大于临界角。改进发光装置输出光束的进一步方法是在发光 装置的一侧或侧壁提供至少一光隧穿层以便进一步增加受困的光束的隧穿效应。此外， 可于装置的侧壁增加一高反射涂层确保被困住的光无法在侧边离开所述装置，因此增加 透过光射出表面的隧穿效应或传播的机会，并可对提取效率做出贡献。
由于发光层和周围介质性质与结构可影响光束入射于光射出表面的输出光束的角 分布，受抑全内反射结构设计应为使入射于一平面的光束可透过大角度范围有效地传 播，也就是说，自具有光隧穿结构层的发光装置输出的光束应具有较大的空间频率。因 此，光提取效率可被避免因发光装置的外延层和周围介质的界面的光束的全内反射而减 低，藉此造成光提取效率的改善。
本发明涉及一发光装置，其配置以使由所述发光装置产生的光束可自所述发光装置 通过所述光控制层的表面发射出为特色。光控制层具有两或多个介电层，光控制层的第 一部分包括一光隧穿层，其以一低折射率材料所形成，所述光隧穿层对发光装置所发光 波长的折射率与发光层、衬底或透明电极层的折射率相比较低，而所述透明电极层对于 发光装置发出的主要发光的波长为完全透明。 一与光隧穿层的折射率相比较高的第二 (提取)层形成于第一 (隧穿)层的顶部上以引起一受抑全内反射(FTIR)，换句话说， 光隧穿效应可被操纵在发光装置的光射出表面和周围界面中间。结果，所发出光束的较 大百分比可以较大偏斜角入射于发光装置/周围介质界面，如果界面为平坦的或无粗化 的。这些光线经历光隧穿效应并将一次通过而逃逸，所以不易在装置内被吸收。换句话 说，有效逃逸锥角大于传统发光装置在装置/周围界面的逃逸锥角。至于发光装置的光控 制层的厚度是足够小以使发出的提取光束可延伸到较全内反射角大的出射方向，换句话 说，自发光层发出的主要发光的空间频率(spatial frequency)可通过光控制部分的结构 被操作。
另外，光控制层的结构经配置以使由所述发光层所产生自光控制层的表面发出的主 要发光与一传统发光装置相比更具有偏极性。此外，这对于制造一偏光发光装置是特别 有利的，因为由发光层发出的主要发光可被操作透过光隧穿效应以一大于临界角的角度 入射并以较传统发光装置偏极的发光逃逸出所述发光装置。因此光提取效率实质地依据 发光装置的设计结构设计而加以改善。
发光装置可以是激光二极管、有机发光二极管(OLED)、聚合体发光二极管(PLED)、 平面发光LED以及高亮度发光二极管(HBLED)等。光控制层堆叠的材料可由半导体或 有机/无机介电材料所形成，例如m-v族半导体、光学高分子、二氧化硅、金属氧化物、 硅溶凝胶、硅和锗等。
本发明制造光控制层的制程仅使用半导体发光装置作为实施例以避免混淆本发明 的特征。但本发明的光隧穿光控制层还可用于其它发光装置，例如有机发光装置等。附困说明图l显示穿透一发光装置l的单一光控制层(即光控制部分10仅具有光隧穿层12)的 光线的简化路径图。图2显示图1的发光装置1的反射率与光隧穿层厚度的关系的理论模拟图形。图3a显示图l的发光装置l的反射率与入射角的关系的理论模拟图形，所述发光装置 l为具有厚度为20纳米的二氧化硅光隧穿层(折射率1.46)的GaNLED (折射率2.4)。图3b显示图l的发光装置l的反射率与入射角的关系的理论模拟图形，所述发光装置 l为具有厚度为40纳米的二氧化硅光隧穿层(折射率1.46)的GaNLED (折射率2.4)。图4显示穿透一发光装置2 (例如GaNLED)的光控制部分10堆叠的两层(即光隧穿 层12和光提取层11)的光线的简化路径图。图5显示图4的发光装置2的反射率与入射角的关系的理论模拟图形。图6显示根据本发明的另一实施例的发光装置2的截面图。图7显示根据本发明的另一实施例的发光装置3的截面图。图8揭示根据本发明的另一实施例的发光装置4的截面图。图9显示图8的发光装置4的反射率与入射角的关系的理论模拟图形，所述发光装置4 为具有一GaN材料高折射率层92 (折射率2.4)、 一二氧化硅光隧穿层12 (折射率1.46) 以及由GaN材料(折射率2.4)形成的一光提取层ll的GaNLED (折射率2.4)。
具体实施方式
本发明参考附图以更详细叙述，所述附图描述实施本发明的优选实施例。然而，本 发明以数种实施例例示，但不应受限于所述实施例。所述实施例是对所属领域的技术人 员更完整揭示本发明的保护范围。根据本发明，发光装置是指包括至少一可通过施加外部电能而发光或产生光的发光 层的有机/无机电激发光装置。更明确地，折射率是针对发光层发出的主要发光的尖峰波 长。光隧穿层是指一具有与发光装置的光射出表面层的折射率相比较低的折射率的介电 层，所述层配置在所述发光装置的光射出表面上，其对于由发光层发出的光束以一大于 临界角的角度入射光隧穿层位于装置与周围介质之间界面可造成光隧穿效应。
图l显示穿透一发光装置l的单一光控制层(即光控制部分10仅具有光隧穿层12)的 光线的简化路径图。逃逸锥体18、 一发光层14、 一P型包覆层13和一N型包覆层15、 一衬 底16以及一反射层17分别显示于图1中，其中光控制部分10仅具有一光隧穿层12且P型和 N型接触电极并未于图中显示。光隧穿层12的入射光线22可以轻易穿透光控制部分10， 因为其入射角小于临界角81。然而，因为光隧穿效应的缘故，部分入射光线21可以一大 于临界角的入射角穿透包覆层13并穿透具有与包覆层13的折射率相比较低的折射率的 光隧穿层12 (即穿透包覆层13与光隧穿层之间的界面)进入周围介质内。光隧穿效应的 必要条件为光隧穿层12的折射率小于包覆层13的折射率，以及光隧穿层12的厚度远小于 入射光线21的波长。光隧穿效应会造成一部分光线(隧穿光31)隧穿所述光隧穿层12而 另一部分光线(光线51)被反射。所述隧穿光31穿透所述光隧穿层12并被传播进入周围 介质。向下光线61由反射层17所反射，接着朝所述装置的光射出表面行进。优选地，光 控制部分10存在于光射出表面并包含由光射出表面至反射层17间的侧壁也可以提供在 逐渐变窄的倾斜侧壁(图中未显示)，所述倾斜侧壁可增加由发光层发出的主要发光由 所述侧壁反射进入逃逸锥体的机率，藉以增加光射出表面的光提取率。此外，光控制部 分10提供于至少一光射出表面上。图2显示图1的发光装置1的反射率与光隧穿层厚度的关系的理论模拟图形。所述发 光装置l具有一二氧化硅光隧穿层(折射率1.46)的GaNLED (折射率2.4)，其中发光波 长为460纳米，在入射角65度时(大于未使用光隧穿层时的GaN/空气界面的临界角)，反 射率会随着光隧穿层的厚度的减少而逐渐下降。图3a显示图l的发光装置l的反射率与入射角的关系的理论模拟图形，所述发光装置 l是为具有厚度为20纳米的二氧化硅光隧穿层(折射率1.46)的GaNLED (折射率2.4)。 图中显示当未使用光隧穿层时(请见图3a的左半部虚线部分)，随着入射角的增加，界 面反射率会快速增加。然而，当使用光隧穿层时(请见图3a的右半部)，临界角的限制 逐渐被移除，而提取效率明显被增加(换句话说，反射率明显地下降)。图3b显示图l的发光装置l的反射率与入射角的关系的理论模拟图形，所述发光装置 l是为具有厚度为40纳米的二氧化硅光隧穿层(折射率1.46)的GaNLED (折射率2.4)。 图中显示当未使用光隧穿层时(请见图3b的左半部虚线部分)，随着入射角的增加，界 面反射率会快速增加。然而，当使用光隧穿层时(请见图3b的右半部)，临界角的限制 逐渐被移除，而提取效率明显被增加(换句话说，反射率明显地下降)。然而，相较于 图3a可知当入射角较大(例如大于40度时)且光隧穿层厚度较薄时，其反射率较低，而 光隧穿层厚度较厚时，其反射率较高。
由图2、 3a和3b可知当光控制部分10仅包含光隧穿层12时，TE波(p偏光)与TM波 (s偏光)的反射率并没有明显地区分，换句话说，两者的反射率非常地接近。
图4显示穿透一发光装置2 (例如GaNLED)的光控制部分10堆叠的两层(即光隧穿 层12和光提取层11)的光线的简化路径图。逃逸锥体18、 一发光层14、 一P型包覆层13 和一N型包覆层15、 一衬底16以及一反射层17均与图1中所示一致。然而，图4的发光装 置2与图1所显示的发光装置1不同之处在于所述光控制部分10另外包含一光提取层11, 其形成于光隧穿层与周围介质之间，其中光提取层11的折射率大于光隧穿层12的折射 率。光隧穿层12的入射光线22可以轻易穿越，因为其入射角小于临界角81。然而，因为 光隧穿效应的缘故，部分入射光线21可以一大于临界角的入射角通过包覆层13并穿透具 有与包覆层13的折射率较低的折射率的光隧穿层12 (即穿透包覆层13以及光隧穿层之间 的界面)进入光提取层ll内。光隧穿效应的必要条件为光隧穿层12的折射率小于包覆层 13的折射率，以及光隧穿层12的厚度远小于入射光线21的波长。光隧穿效应会造成一部 分光线(即隧穿光)穿透所述光隧穿层12并被传播进入光提取层11，而另一部分光线(光 线51)被反射。所述光提取层ll的厚度经设计以使大部分的隧穿光(即隧穿光31)可穿 透所述光提取层ll而被传播进入周围介质，只有一部分隧穿光41被反射回半导体层或光 提取层ll。此外，由于光隧穿层12和光提取层11之间的折射率差异，隧穿光41会被传播 或在光提取层ll中被多重反射，最后隧穿光41终会有效地输出进入周围介质。上述现象 提供了制造用于平面显示器应用的侧面发光装置(例如LED背光装置)的机会。向下光 线61由一反射层17所反射，接着朝所述装置的光射出表面行进。只有一小部分光线51会 消逝在其无法隧穿或输出的方向上。在所述特定LED结构中，光隧穿层12的最佳位置可 加以变化或通过芯片外延结构、材料和制造方法进一步限制来加以制作。实际上，光控 制部分10的数量和制作是通过芯片结构、复杂度和制造此种结构的所需成本所控制。这 些技术包括光控制部分10的外延生长。光隧穿层12和光提取层11的涂层或沉积制造方法 可以使用浸渍、旋转涂膜、自组装(self-assembly)形成和硅溶凝胶(sol-gel)沉积制程， 或传统薄膜镀层，例如溅镀、电子枪(E-gun)和化学蒸汽沉积(CVD)。此外，装置的 发光层14可使用分子束外延(MBE)、液相外延(LPE)、金属有机化学汽相沉积 (MOCVD)、汽相外延(VPE)或其组合制作方式。光控制部分10和LED可通过单一或 多重成长步骤形成，以由所需芯片结构所决定的顺序成长制作。
图5显示图4的发光装置2的反射率与入射角的关系的理论模拟图形。所示发光装置2 为具有一二氧化硅光隧穿层12 (折射率1.46)以及由GaN材料(折射率2.4)形成的一光 提取层ll配置于所述光隧穿层12上的GaNLED (折射率2.4)，其中所述光隧穿层12和所
述光提取层11的厚度分别为20 nm和lOO nm，发光波长假设为460 nm。对于以低于临界 角的入射角入射于装置与周围介质之间界面的光线，本实施例的装置的反射率低于没有 光隧穿层的装置的反射率(请见图5的左半部虚线部分)。图中显示对于509bTE偏极光以 及50免TM偏极光在临界角后的平均反射率可通过光隧穿效应大大地被减少，但是当入射 角增加到大于60度左右时，其反射率快速地升高。此外，图中显示在一特定入射角范围 中(约30至55度之间)，TE偏极光较TM偏极光不被反射的一明显效应。因此，可以根据 此一特殊效应制造一偏极发光装置，所述装置可通过选择发光层发出的主要发光的入射 角的不同范围以决定穿透所述装置的光射出表面的光线是以TE偏极光或是以TM偏极光 为主。
图6显示根据本发明的另一实施例的发光装置2 (例如一传统AlInGaNLED)的截面 图。在此实施例中，发光装置2包括一光控制部分，其包含在透明电极ITO层68和电流分 布Au/Ni合金层69上的一光隧穿层12和一光提取层11，所述光隧穿层12具有低于出射层 (也就是说，ITO层68)的折射率的折射率，所述光提取层11具有高于所述光隧穿层12 的折射率的折射率。通常用作保护目的的二氧化硅层可以作为光隧穿层12,只要其厚度 足够薄而可让渐消波穿透，也就是说，其厚度小于自发光层发出的主要发光的波长。所 述发光装置2另外包括一发光层14 (即发光多重量子阱)被包夹于一P型包覆层13 (即P 型AlInGaN包覆层)与一N型包覆层15 (即N型AlInGaN包覆层)之间，所述N型包覆层 15位于成长于衬底16 (即透明蓝宝石衬底)上的一外延缓冲AlInGaN层70的顶部， 一反 射层17 (例如银或铝)被沉积于所述衬底的另一侧以提供良好热传导和光反射率。所述 发光装置2与图4所示的发光装置2的较明显差异在于当制作光控制部分时，可以用沉积 或外延方式以粗糙化光提取层ll的表面结构而产生散射、衍射/绕射和折射等现象，以额 外增加光提取效率。
图7显示根据本发明的另一实施例的发光装置3的截面图。所述发光装置3与图4所示 的发光装置2的差异在于光控制层另外具有一第三层60配置于光提取层上，其折射率低 于光提取层ll的折射率，以进一步改进所述发光装置3的光提取效率。来自发光层14的 传播光束的空间频率可通过光控制部分10和材料变化所控制。光隧穿层12与发光层14的 位置距离也可造成改进的发光特征，其中传播光束和隧穿光(从发光层14)自接近垂直 方向至大于临界角的范围内入射至光射出表面并穿透到周围介质中。
图8揭示根据本发明的另一实施例的发光装置4的截面图，其利用LiLi的"The Design Of Optical Thin Film Coatings With Total And Frustrated Total Internal Reflection"所揭示的 结构以制作而成一偏极发光装置，其中光控制部分IO可经设计以增加第一次通过(first pass)的光束提取量并增加来自发光层14的输出光进入周围介质的偏极化程度。在此实 施例中，发光装置4包括一光控制部分10以及一发光部分，所述光控制部分包含一高折 射率层92、 一光隧穿层12以及一光提取层11，所述发光部分包含一衬底16、 一N型包覆 层15、 一发光层14、 一P型包覆层13、 一光偏斜装置结构(light deflection elements, LDE) 90以及一光偏斜装置结构封装层91。增加一光偏斜装置结构90的目的是为使发光层发出 的光以一更大倾斜角入射于发光装置与周围介质之间的光控制层，所述光偏斜装置结构 90为一棱镜阵列层，优选为一金字塔形状阵列层，所述光偏斜装置结构90以折射率高于 所述光偏斜装置结构封装层91材料折射率的材料所形成。为了重新导向在高折射率层92 以及光隧穿层12界面发出的主要发光至一更大入射角，所以所述主要发光以一大于临界 角的角度入射于光偏斜装置结构封装层91和光控制部分10之间界面。换句话说，对于给 定的发射角分布而言，相对于光射出表面较大倾斜角的发射光束的百分比增加。例如， 如图9所示，自发光层14发出的主要发光95， 96被等角棱镜阵列以优选30至70度倾斜角 所折射。如果倾斜角假设为40度，接近垂直入射的光线95被光偏斜装置结构90所折射并 在所述光控制部分10以大约40度照射，同时，以40度角入射的光线96并未被折射而以最 多40度入射角入射所述光控制部分10。因此，光线96和95均以一大于临界角的角度入射 于光偏斜装置结构封装层91与光控制部分10之间的界面。换句话说，所述主要发光的偏 极化程度和发射角分布可根据所需应用而被调整。光偏斜装置结构90可在LED成长制程中被形成且一旦阵列被形成，光偏斜装置结构 封装层91可通过一外延、蒸发、化学汽相沉积、喷溅、旋转涂膜和浸渍技术被成长或沉 积以在所述LED中嵌入所述光偏斜装置结构90的表面。光偏斜装置结构封装层91可由下 列材料制造，例如二氧化硅、氮化硅、氮化铝、氧化铝、例如SiNx， AIN, SiOx, Si3N4, A1203、 Si02或SiN,.xOx、 二氧化硅气凝胶(silica aerogel)或光学高分子材料。优选地， 光偏斜装置结构90的材料可为例如第三族氮化物、第三族磷化物和第三族砷化物，例如， GaN， AlGaN， AlInGaN, AlGalnP， GaAlP， GaAsP， GaAs或AlGaAs。沉积光偏斜装置 结构90的材料优选厚度为100 nm至10 um。有两种方法形成光偏斜装置结构90。首先， 美国专利US 6,091,085揭示一实施例，其使用GaN成长于图案化的二氧化硅层上，方法 为在GaN层的表面上创造二氧化硅特征结构图案以提供GaN外延成长突出物于GaN层 上。这些特征GaN突出物具有倾斜角，其产生使光束在相对于所述LED的光射出表面一 大倾斜角度行进以离开所述LED光射出表面。第二，美国专利US 6,791,117叙述使用一 歪斜活性离子蚀刻或切割制程以形成一粗糙歪斜提取表面，结果，光射出表面层具有一 三角锥截面。因此，光偏斜装置结构90可被形成为一金字塔形状阵列，其具有优选为30
至40度的倾斜角以控制来自发光层64的输出光线。图9中所显示的光偏斜装置结构90的 形状仅为可能形状的一例子且本发明的范围并不限于所显示的形状。此外，光偏斜装置 结构90层的形状和尺寸经选择以最佳化所要的偏极化输出的光束输出。图9显示图8的偏极发光装置4的反射率与入射角的关系的理论模拟图形，所述发光 装置4为具有一GaN材料高折射率层92 (折射率2.4)、 一二氧化硅光隧穿层12 (折射率 1.46)以及由GaN材料(折射率2.4)形成的一光提取层ll的GaN LED (折射率2.4)，并以S^2作为封装层材料，其中所述高折射率层92、所述光隧穿层12和所述光提取层11的 厚度分别为40nm、 40nm和100nm,发光波长假设为460 nm。图中显示光控制部分10如 同一偏极化分光器作用以介于40至70度的入射角产生一TM偏极光(p偏光)输出(没有 光隧穿层的装置的反射率，请见图9的左半部虚线部分)。为增加其偏极化效应，光偏斜 装置结构90应具有与光偏斜装置结构封装层91材料的折射率相比较大的折射率。在光偏 斜装置结构封装层91和光偏斜装置结构90之间的较高折射率差异可准许光以一较大入 射角进入光控制部分10表面。接触外延层的光控制部分10包括至少一低折射率的光隧穿层12。所述光隧穿层12通 常具有小于外延层或衬底材料的折射率的折射率，典型地为约1.35和2之间。当使用二氧 化硅气凝胶时，折射率可以低于上述数字且低到接近l.O。高折射率层材料具有大于2.0 的折射率，典型地为约2.0到3.4之间。使用于光控制部分10的材料经选择以造成折射率 的差异以最大化入射于光控制部分10的传播。光控制部分10经选择和配置以通过入射于 光射出表面的光束的光隧穿效应以及发光装置侧壁提供最大输出光量。选择低或高折射 率材料根据光射出表面材料以增加光隧穿效应。因此，例如为了光隧穿目的，光隧穿层 12具有低于外延半导体层、透明电极、半导体衬底、玻璃衬底和陶瓷衬底的折射率的折 射率且可以是氧化物、氮化物、硅的氮氧化物、氧化铝、锂、钙、镁的氟化物以及其它 包括这些材料的合金或有掺杂其它材料的成分组成。为了受抑全内反射的目的，高折射 率材料为，例如钛、铪、锡、锑、锆、钽、锰、硫化锌的氧化物、第三族氮化物、第三 族砷化物、第三族磷化物以及其它包括这些材料的合金或有掺杂其它材料的成分组成。 在上述所有实施例中，发光装置均可使用倒装芯片技术封装。 根据本发明上述实施例可知，第一，光控制部分10可通过沉积具有折射率小于发光 装置出射表面的折射率的光隧穿层12被用以增加提取效率，而所述光隧穿层12的厚度小 于所述主要发光的波长。第二，具有高于光隧穿层12之折射率的折射率的光提取层11覆 盖于所述光隧穿层12的顶部，事实上，光控制部分10在发光装置的光输出的影响改变或
增加光束的出射角频宽(或空间频率)，所述出射角频宽可传播能量进入周围介质。此 效应可被视为在所述界面逃逸锥角的改变或增加。换句话说，当发光装置被封装时且光 控制层形成被用于所述发光装置的一部分封装。然而，当逃逸锥角大于临界角，藉此对 应于出口面的两侧的材料的有效折射率的一改变，换句话说，光隧穿发生于入射角大于 所述临界角的光束。通常，光控制部分10的光隧穿性质经选择以使所述光控制部分10吸 收光所造成的损失远小于相较于所述光控制部分10的供应的光输出的增加。此外，由于光控制部分10的存在，以小于临界角入射的直接传播的光束以及以大于 临界角的入射角入射的隧穿光束均对光提取效率做出贡献。此外，具有光控制部分10的 所述装置的输出光束具有与没有光控制部分10(具多重光程路径)相比较短的光程路径，因此反射光吸收较少。此外，辅助方法(例如表面粗糙化)可被应用于本发明以增加自发光装置的光提取，如图6所示。折射率的差异将许多入射于侧壁的光反射回所述装置 可被有效提取的光射出表面。发光装置还可包括一磷光/荧光材料以使由所述发光装置所 产生通过光控制层的表面的主要发光与所述磷光/荧光材料互相作用，使得由磷光/荧光 层所发出的光为白光。虽然本发明为具有一强化全发光能力的一发光装置，此解决方法 并不限于有机发光二极管(OLED)以及发光装置，并可使用于平面发光光源。另外，本发明的光射出表面并不限于发光装置的最顶部表面，只要光控制部分配置 于所要的光射出表面上，即可达到本发明的提高光提取效率的目的。本发明的特点和技术内容已充分揭示如上，任何所属领域的技术人员均可依据本发 明的揭示和教示而作各种不背离本发明精神的替换或修改，因此本发明的保护范围不应 仅限于所揭示的实施例，而应涵盖这些替换和修饰。
权利要求
1.一种发光装置，包括一发光部分，包括一衬底，其为光可穿透的；一发光层，其由一P型包覆层和一N型包覆层所包夹，并为光可穿透的；所述P型包覆层，其位于所述发光层的一侧，并为光可穿透的；所述N型包覆层，其位于所述发光层的另一侧，并为光可穿透的；一P型电极层，其位于所述P型包覆层上；以及一N型电极层，其位于所述N型包覆层上，其特征为所述发光装置进一步包括一光控制部分，包括一光隧穿层，其配置于所述发光装置的光射出表面上，并具有对于自所述发光层发出的主要发光波长与所述衬底、所述包覆层和所述电极层的折射率相比较小的折射率，且所述光隧穿层的厚度小于所述主要发光波长。
2. 如权利要求l所述的发光装置，其中所述光控制部分进一步包括一光提取层，其配 置于所述光隧穿层上，并具有对于所述主要发光波长与所述光隧穿层的折射率相比 较大的折射率。
3. 如权利要求2所述的发光装置，其中所述发光部分进一步包括一光偏斜装置结构和 一光偏斜装置结构封装层以及所述光控制部分进一步包括一高折射率层，所述光偏 斜装置结构和光偏斜装置结构封装层依序配置于所述P型包覆层上且所述光偏斜装 置结构的折射率高于所述光偏斜装置结构封装层的折射率，所述高折射率层配置于 所述光隧穿层下并具有对于所述主要发光波长与所述光隧穿层的折射率相比较大 的折射率。
4. 如权利要求3所述的发光装置，其中所述光偏斜装置结构为一棱镜阵列层或一金字塔形状阵列层。
5. 如权利要求3所述的发光装置，其中所述光偏斜装置结构可使所述主要发光以30至 70度折射。
6. 如权利要求3所述的发光装置，其中构成所述光偏斜装置结构封装层的材料选自由SiNx、 AIN、 SiOx、 Si3N4、 A1203、 Si02、 SiN,.xOx、 二氧化硅气凝胶和光学高分子 材料所组成的群组。
7. 如权利要求3所述的发光装置，其中构成所述光偏斜装置结构的材料选自由GaN、 AlGaN、 AlInGaN、 AlGalnP、 GaAlP、 GaAsP、 GaAs和AlGaAs所组成的群组。
8. 如权利要求3所述的发光装置，其中所述光偏斜装置结构的厚度为100nm至10um。
9. 如权利要求2所述的发光装置，其中所述光控制部分进一步包括一第三层，其配置 于所述光提取层上，并具有对于所述主要发光波长与所述光提取层的折射率相比较 小的折射率。
10. 如权利要求2所述的发光装置，其中所述光提取层的顶部表面经粗糙化。
11. 如权利要求10所述的发光装置，其中所述粗糙化由沉积方式或外延方式处理。
12. 如权利要求l所述的发光装置，其中相对于所述光射出表面的另一面上沉积有一反射层。
13. 如权利要求l、 2或3所述的发光装置，其中所述发光装置选自由一激光二极管装置、 有机发光装置、聚合体发光装置、平面发光装置和高亮度发光装置所组成的群组。
14. 如权利要求13所述的发光装置，其中所述发光装置为倒装芯片封装结构。
全文摘要
本发明涉及一种发光装置，其具有一衬底和一包括一电激发光材料的发光层，其中所述发光层(P-N接面)被一P型包覆层(具有光可穿透的一P型电极层)和一N型包覆层(具有光可穿透的一N型电极层)所包夹。所述发光装置的特征为一光控制部分配置于所述发光装置的一光射出表面上，所述光控制部分至少包括一光隧穿层，所述光隧穿层对于来自发光层的主要发光波长具有与所述衬底、所述包覆层和所述电极层的折射率相比较小的折射率。当由所述发光层所发出的光以一大于临界角的角度入射外延层与周围介质之间的界面时，通过光隧穿效应造成光提取效率增加。来自光控制部分的隧穿光可以是偏极的，藉此，实际上可实现一偏极发光装置。
文档编号H01L33/00GK101127379SQ200610111408
公开日2008年2月20日 申请日期2006年8月16日 优先权日2006年8月16日
发明者苏忠杰 申请人:苏忠杰