一维光子晶体及其发光装置.pdf

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摘要
申请专利号:

CN200410001987.5

申请日:

2004.01.16

公开号:

CN1641413A

公开日:

2005.07.20

当前法律状态:

撤回

有效性:

无权

法律详情:

发明专利申请公布后的视为撤回|||实质审查的生效|||公开

IPC分类号:

G02F1/01; H01L33/00

主分类号:

G02F1/01; H01L33/00

申请人:

汉欣企业有限公司;

发明人:

林仲相

地址:

台湾省台北市

优先权:

专利代理机构:

永新专利商标代理有限公司

代理人:

夏青

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内容摘要

一种具有一维光子晶体的发光装置,包含:发光二极管,具有一基材和一连接于基材并发射出一预定波长范围的光源的发光晶体;以及一一维光子晶体的介电体。发光二极管具有一位于基材下表面的第一表面,及一位于发光晶体上表面的第二表面。介电体连接于第一及第二表面其中之一上并具有至少一介电单元。介电单元至少具有一在预定波长范围的环境下具有一大于0.58的折射率差的第一介电层及一第二介电层,以便介电体具有一实质地全反射该光源的反射性。

权利要求书

1、  一种具有一维光子晶体的发光装置,其特征在于其包含:
一发光二极管,具有一基材及一连接于该基材的发光晶体,借助于该基材与发光晶体共同界定出一形成在该基材上且远离该发光晶体的第一表面,及一形成在该发光晶体上且远离该基材并相反于该第一表面的第二表面,该发光晶体可发射出一预定波长范围的光源;及
一一维光子晶体的介电体,连接于该第一表面及第二表面的其中之一上,该介电体具有一周期性变化的介电常数并具有至少一介电单元,该介电单元至少具有一第一介电层及一第二介电层,所述介电层在折射率上是相互不同的,以便该一维光子晶体的介电体具有一实质地全反射该光源的反射性;
其中,该第一介电层及该第二介电层在该预定波长范围的光源的环境下具有一大于0.58的折射率差。

2、
  如权利要求1所述的具有一维光子晶体的发光装置,其特征在于:该第一介电层的折射率是大于该第二介电层的折射率。

3、
  如权利要求2所述的具有一维光子晶体的发光装置,其特征在于:该第一介电层是由从下列物质构成的组中选出的一化合物制成:氧化物及硫化物;该第二介电层是由从下列物质构成的组中选出的一化合物制成:氧化物及氟化物。

4、
  如权利要求3所述的具有一维光子晶体的发光装置,其特征在于:该第一介电层的化合物是氧化物,该氧化物是由从下列物质构成的组中选出的一氧化物制成:氧化钛、五氧化二钽、氧化锆、氧化锌、三氧化二钕及五氧化二铌;该第二介电层的化合物是氧化物,该氧化物是由从下列物质构成的组中选出的一氧化物制成:氧化硅、氧化铝、氧化镁、三氧化二镧、三氧化二镱及三氧化二钇。

5、
  如权利要求4所述的具有一维光子晶体的发光装置,其特征在于:该第一介电层是由二氧化钛所制成,该第二介电层是由二氧化硅所制成。

6、
  如权利要求3所述的具有一维光子晶体的发光装置,其特征在于:该预定波长范围是介于300nm到420nm,借助于该介电单元的一总厚度界定出一第一晶格间隙a1,使该第一介电层的厚度是介于0.24a1到0.69a1

7、
  如权利要求3所述的具有一维光子晶体的发光装置,其特征在于:该预定波长范围是介于420nm到480nm,借助于该介电单元的一总厚度界定出一第二晶格间隙a2,使该第一介电层的厚度是介于0.33a2到0.58a2

8、
  如权利要求3所述的具有一维光子晶体的发光装置,其特征在于:该预定波长范围是介于480nm到550nm,借助于该介电单元的一总厚度界定出一第三晶格间隙a3,使该第一介电层的厚度是介于0.40a3到0.51a3

9、
  如权利要求1所述的具有一维光子晶体的发光装置,其特征在于:该一维光子晶体的介电体是连接于该第一表面上,借助于该一维光子晶体的介电体使该光源由该第一表面反射至该第二表面。

10、
  如权利要求1所述的具有一维光子晶体的发光装置,其特征在于:该一维光子晶体的介电体是连接于该第二表面上,借助于该一维光子晶体的介电体使该光源由该第二表面反射至该第一表面。

11、
  如权利要求10所述的具有一维光子晶体的发光装置,其特征在于:进一步包含至少一散热元件,该散热元件具有一散热片及多个设置在该散热片上的导线,该散热片借助于所述导线连接于该发光晶体上。

12、
  如权利要求1所述的具有一维光子晶体的发光装置,其特征在于:该发光晶体是由一掺杂至少一IIIB族元素的氮化镓半导体材料所制成。

13、
  如权利要求12所述的具有一维光子晶体的发光装置,其特征在于:该发光晶体自该基材远离该基材的方向依序具有一连接于该基板的第一型半导体层、一局部覆盖该第一型半导体层的有源层及一覆盖该有源层的第二型半导体层。

14、
  如权利要求13所述的具有一维光子晶体的发光装置,其特征在于:该第一型半导体层是一N型掺杂半导体层,该第二型半导体层是一P型掺杂半导体层。

15、
  一种具有一维光子晶体的发光装置,其特征在于其包含:
一发光二极管,具有一基材及一连接于该基材的发光晶体,借助于该基材与发光晶体共同界定出一形成在该基材上且远离该发光晶体的第一表面,及一形成在该发光晶体上且远离该基材并相反于该第一表面的第二表面,该发光晶体可发射出一预定波长范围的光源;及
一一维光子晶体的介电体,连接于该第一表面及第二表面的其中之一上,该介电体具有一周期性变化的介电常数并具有至少一介电单元,该介电单元至少具有一第一介电层及一第二介电层,所述介电层在折射率上是相互不同的,以致于该一维光子晶体的介电体具有一实质地全反射该光源的反射性;
其中,该第一介电层及该第二介电层在该预定波长范围的光源的环境下具有一大于0.58的折射率差,该第一介电层的折射率是大于该第二介电层的折射率,该第一介电层是由从下列物质构成的组中选出的一化合物制成:氧化物及硫化物;该第二介电层是由从下列物质构成的组中选出的一化合物制成:氧化物及氟化物。

16、
  如权利要求15所述的具有一维光子晶体的发光装置,其特征在于:该第一介电层的化合物是氧化物,该氧化物是由从下列物质构成的组中选出的一氧化物所制成:氧化钛、五氧化二钽、氧化锆、氧化锌、三氧化二钕及五氧化二铌;该第二介电层的化合物是氧化物,该氧化物是由从下列物质构成的组选出的一氧化物制成:氧化硅、氧化铝、氧化镁、三氧化二镧、三氧化二镱及三氧化二钇。

17、
  如权利要求16所述的具有一维光子晶体的发光装置,其特征在于:该第一介电层是由二氧化钛所制成,该第二介电层是由二氧化硅所制成。

18、
  如权利要求15所述的具有一维光子晶体的发光装置,其特征在于:该预定波长范围是介于300nm到420nm,借助于该介电单元的一总厚度界定出一第一晶格间隙a1,使该第一介电层的厚度是介于0.24a1到0.69a1

19、
  如权利要求15所述的具有一维光子晶体的发光装置,其特征在于:该预定波长范围是介于420nm到480nm,借助于该介电单元的一总厚度界定出一第二晶格间隙a2,使该第一介电层的厚度是介于0.33a2到0.58a2

20、
  如权利要求15所述的具有一维光子晶体的发光装置,其特征在于:该预定波长范围是介于480nm到550nm,借助于该介电单元的一总厚度界定出一第三晶格间隙a3,使该第一介电层的厚度是介于0.40a3到0.51a3

21、
  如权利要求15所述的具有一维光子晶体的发光装置,其特征在于:该一维光子晶体的介电体是连接于该第一表面上,借助于该一维光子晶体的介电体使该光源由该第一表面反射至该第二表面。

22、
  如权利要求15所述的具有一维光子晶体的发光装置,其特征在于:该一维光子晶体的介电体是连接于该第二表面上,借助于该一维光子晶体的介电体使该光源由该第二表面反射至该第一表面。

23、
  如权利要求22所述的具有一维光子晶体的发光装置,其特征在于:进一步包含至少一散热元件,该散热元件具有一散热片及多个设置在该散热片上的导线,该散热片是借助于所述导线连接于该发光晶体上。

24、
  如权利要求15所述的具有一维光子晶体的发光装置,其特征在于:该发光晶体是由一掺杂至少一IIIB族元素的氮化镓半导体材料所制成。

25、
  如权利要求24所述的具有一维光子晶体的发光装置,其特征在于:该发光晶体自该基材远离该基材的方向依序具有一连接于该基板的第一型半导体层、一局部覆盖该第一型半导体层的有源层及一覆盖该有源层的第二型半导体层。

26、
  如权利要求25所述的具有一维光子晶体的发光装置,其特征在于:该第一型半导体层是一N型掺杂半导体层,该第二型半导体层是一P型掺杂半导体层。

27、
  一种一维光子晶体,其特征在于其包含:
一具有一周期性变化的介电常数的介电体,并具有至少一介电单元,该介电单元至少具有一第一介电层及一第二介电层,所述介电层在折射率上是相互不同的,以便该介电体具有一实质地全反射一具有一预定波长范围的光源的反射性;
其中,该第一介电层及该第二介电层在该预定波长范围的光源的环境下具有一大于0.58的折射率差,该第一介电层的折射率是大于该第二介电层的折射率,该第一介电层是由从下列物质构成的组中选出的一化合物制成:氧化物及硫化物;该第二介电层是由从下列物质构成的组中选出的一化合物制成:氧化物及氟化物。

28、
  如权利要求27所述的一维光子晶体,其特征在于:该第一介电层的化合物是氧化物,该氧化物是由从下列物质构成的组中选出的一氧化物制成:氧化钛、五氧化二钽、氧化锆、氧化锌、三氧化二钕及五氧化二铌;该第二介电层的化合物是氧化物,该氧化物是由从下列物质构成的组中选出的一氧化物所制成:氧化硅、氧化铝、氧化镁、三氧化二镧、三氧化二镱及三氧化二钇。

29、
  如权利要求28所述的一维光子晶体,其特征在于:该第一介电层是由二氧化钛所制成,该第二介电层是由二氧化硅所制成。

30、
  如权利要求27所述的一维光子晶体,其特征在于:该预定波长范围是介于300nm到420nm,借助于该介电单元的一总厚度界定出一第一晶格间隙a1,使该第一介电层的厚度是介于0.24a1到0.69a1

31、
  如权利要求27所述的一维光子晶体,其特征在于:该预定波长范围是介于420nm到480nm,借助于该介电单元的一总厚度界定出一第二晶格间隙a2,使该第一介电层的厚度是介于0.33a2到0.58a2

32、
  如权利要求27所述的一维光子晶体,其特征在于:该预定波长范围是介于480nm到550nm,借助于该介电单元的一总厚度界定出一第三晶格间隙a3,使该第一介电层的厚度是介于0.40a3到0.51a3

说明书

一维光子晶体及其发光装置
技术领域
本发明涉及一种一维光子晶体(One-Dimensional Photonic Crystal),及一种由其制造的发光装置。
背景技术
由于发光二极管(Light Emitting Diode)具有体积小的优势,因此已被广泛应用于显示器背光模组、通讯、电脑、交通信号标志及玩具等消费市场。目前因为亮度不够的问题,尚未能广泛使用于照明市场。但是照明领域的应用对未来的消费市场而言,发展及成长的空间相当广大。
为了解决有关发光二极管亮度不够的问题,科学家们从数个方面来提高元件的亮度,包括由外延生长过程技术(epitaxial processtechnology)、晶片过程技术(chip process technology)及封装过程技术(package process technology)等方面来着手。其中,在外延生长过程技术方面主要尽量提升施主(donor)及受主(acceptor)的浓度,并设法减低有源层(active layer)的位错密度(dislocation density)。由于提高有缘层中的受主浓度并不容易,特别是在蓝光氮化镓(GaN)系统有其难度,因此设法减低有源层中的位错密度的技术并不容易突破。而有关封装技术方面则利用组装技术在晶片上放置反射镜(reflection mirror),但此种方法则会增加组装的困难度。
参阅图1,一种现有的发光二极管1,是目前发光二极管的最基本结构。发光二极管1包含:一基材11及一发光晶体12。
发光晶体12是利用本技术领域技术人员所熟悉的晶片过程技术分别形成有一N型材料层121、一N型电极层122、一有源层(activelayer)123、一P型材料层124及一透明的P型电极层125。N型材料层121是形成在基材11上方,并在N型材料层121上方的局部区域形成N型电极层122,且在没有N型电极层122的区域形成有源层123。P型材料层124形成在有源层123的上方,并在P型材料层124的上方形成P型电极层125。使得发光二极管1在封装过程后可与电源电连接,以形成发光元件。
参阅图2,一种现有的发光二极管2,大致上是与发光二极管1的结构相同。其不同处在于:发光二极管2进一步包含多个位于发光层123与N型材料层121之间的高低折射率(refractive index)材料层对13。借助于这些高低折射率材料层对13,以提高发光二极管2的发光效率。
参阅图3,一种现有地发光二极管3,是以外延生长过程技术并利用高折射率材料来提高元件的发光亮度。发光二极管3的结构大致上是与发光二极管1的结构相同,其不同处在于,该发光二极管3进一步包含多个位于基材11及发光晶体12之间的反射层对14。反射层对14是利用如(AlxGa1-x)1-yInN/(AlaGa1-a)1-bInbN(y>a)高低折射率的材料,预先成长在基材11上,再在其上生长发光晶体12。使得由发光晶体12向下发射出来的光可以被反射层对14反射回发光晶体12的上方,以提升发光二极管3的亮度。
参阅图4,一种现有的发光二极管4,是以薄膜沉积过程技术(thinfilm deposition process technology)并利用高折射率的金属材料来提高元件的发光亮度。发光二极管4的结构大致上是与发光二极管1的结构相同,其不同处在于:发光二极管4进一步包含一位于基材11底面的金属镜面层15。使得由发光晶体12向下发射出来的光,可以被金属镜面层15反射回发光晶体12的上方,以提升发光二极管4的整体亮度。
参阅图5,一种现有的发光二极管5,是利用抗反射材料来提高元件的发光亮度。发光二极管5的结构大致上是与发光二极管1的结构相同,其不同处在于:发光二极管5进一步包含多个位于透明的P型电极层125上方的抗反射层对16。借助于这些抗反射层对16,可提升发光二极管5的亮度。
前面所提到的这些现有的发光二极管的设计虽然都可增加发光二极管的发光亮度,但不是因过程中所产生的晶格不匹配(latticemismatch),会增加发光晶体中的位错密度而影响到发光亮度,就是有减低亮度的疑虑。此外,如发光二极管2和3中的高低折射率材料层对,对于大角度的入射光仍有漏光的缺点。而如发光二极管4中的金属镜面层15,对于可见光或是紫外光有吸收的缺点。又如发光二极管5虽然抗反射层对16可以提升发光二极管5的发光亮度,但随着入射角度的增加,这些抗反射层对16的抗反射性的效果便会随着减低。
另外,美国专利第6,130,780号公开了一由全方向一维光子晶体所制成的全方向反射镜。该全方向一维光子晶体具有一全方向光带隙,使得当入射光的频率(或波长)落入该光带隙时,可全反射任何一入射角及偏极化(Polarization)的光。此处所公开的全方向反射镜,是由多个呈对的高低折射率层的介电材料所构成,且两介电材料之间折射率的差异,必须是足够高才可以形成全方向光带隙。其中,该全方向反射镜与前面每个现有的发光二极管所提到的反射镜及抗反射镜之间的差异,可见于U.S.6,130,780的说明书。以上所提到的前案专利,在此并入本申请作为参考资料。
因此,如何避免形成发光二极管的晶格不匹配,又可使发光二极管的发光亮度提升以符合消费市场的需求,是目前开发发光二极管的技术人员不断研究努力的方向。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种一维光子晶体。
本发明的另一目的在于提供一种具有一维光子晶体的发光装置,来克服在前面现有的发光二极管中所提到的缺点。
本发明的一维光子晶体,包含:一具有周期性变化的介电常数的介电体。
该介电体具有至少一介电单元。该介电单元至少具有一第一介电层及一第二介电层。所述介电层在折射率上是相互不同的,以至于该介电体具有实质地全反射具有一预定波长范围的光源的反射性。
其中,该第一介电层及该第二介电层在该预定波长范围的光源的环境下具有一大于0.58的折射率差,该第一介电层的折射率是大于该第二介电层的折射率。该第一介电层是由从下列物质构成的组中选出的一化合物制成:氧化物及硫化物。该第二介电层是由从下列物质构成的组中选出的一化合物制成:氧化物及氟化物。
另外,本发明的具有一维光子晶体的发光装置,包含:一发光二极管及一一维光子晶体的介电体。
该发光二极管具有一基材及一连接于该基材的发光晶体。该发光二极管借助于该基材与发光晶体共同界定出一形成在该基材上且远离该发光晶体的第一表面,及一形成在该发光晶体上且远离该基材并相反于该第一表面的第二表面。该发光晶体可发射出一预定波长范围的光源。
该一维光子晶体的介电体连接于该第一表面及第二表面其中之一上。该介电体具一周期性变化的介电常数并具有至少一介电单元。该介电单元至少具有一第一介电层及一第二介电层。所述介电层在折射率上是相互不同的,以致于该一维光子晶体的介电体具有一实质地全反射该光源的反射性。
其中,该第一介电层及该第二介电层在该预定波长范围的光源的环境下具有一大于0.58的折射率差。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明:
图1是一剖面示意图,说明一第一种现有的发光二极管的基本结构。
图2是一剖面示意图,说明一第二种现有的发光二极管的各层结构。
图3是一剖面示意图,说明一第三种现有的发光二极管的各层结构。
图4是一剖面示意图,说明一第四种现有的发光二极管的各层结构。
图5是一剖面示意图,说明一第五种现有的发光二极管的各层结构。
图6是一折射率差与一第一介电层的厚度所形成的光带隙尺寸关系图,说明本发明的该第一介电层及一第二介电层的折射率差与该第一介电层的厚度所形成的光带隙尺寸的关系。
图7是一剖面示意图,说明本发明具有一维光子晶体的发光装置的具体实施例一。
图8是该图7的局部放大示意图,说明具体实施例一的一介电体的介电单元的细部结构。
图9是一第一介电层在一第一晶格间隙(a1)中的相对厚度关系图,说明在具体实施例一的波长范围(300nm到420nm)下,一光带隙尺寸及该第一介电层的厚度的关系图。
图10是一光带隙结构图,说明具体实施例一中的介电体的光带隙结构。
图11是一平均折射率光谱图,说明由空气中测得具体实施例一中的介电体的折射率。
图12是一平均折射率及穿透率光谱图,说明由一基材中测得该具体实施例一中的介电体的折射率及穿透率。
图13是一平均折射率及穿透率光谱图,说明由一发光晶体中测得具体实施例一中的介电体的折射率及穿透率。
图14是是该图7的局部放大示意图,说明具体实施例二的一介电体的介电单元的细部结构。
图15是一第一介电层在一第二晶格间隙(a2)中的相对厚度关系图,说明在具体实施例二的波长范围(420nm到480nm)下,一光带隙尺寸及该第一介电层的厚度的关系图。
图16是一光带隙结构图,说明具体实施例二中的介电体的光带隙结构。
图17是一平均折射率光谱图,说明由空气中测得具体实施例二中的介电体的折射率。
图18是一平均折射率光谱图,说明由该基材中测得具体实施例二中的介电体的折射率。
图19是一平均折射率光谱图,说明由该发光晶体中测得具体实施例二中的介电体的折射率。
图20是该图7的局部放大示意图,说明具体实施例三的一介电体的介电单元的细部结构。
图21是一第一介电层在一第三晶格间隙(a3)中的相对厚度关系图,说明在具体实施例三的波长范围(480nm到550nm)下,一光带隙尺寸及该第一介电层的厚度的关系图。
图22是一光带隙结构图,说明具体实施例三中的介电体的光带隙结构。
图23是一平均折射率光谱图,说明由空气中测得具体实施例三中的介电体的折射率。
图24是一平均折射率光谱图,说明由该基材中测得具体实施例三中的介电体的折射率。
图25是一平均折射率光谱图,说明由该发光晶体中测得具体实施例三中的介电体的折射率。
图26是一局部剖面示意图,说明本发明的具有一维光子晶体的发光装置的具体实施例四。
具体实施方式
本发明的一维光子晶体,是针对在各波长范围的光源下去设计出该一维光子晶体的介电变化的周期性关系。本发明的一维光子晶体包含:一具有周期性变化的介电常数的介电体。
该介电体具有至少一介电单元。该介电单元至少具有一第一介电层及一第二介电层。所述介电层在折射率上是相互不同的,以至于该介电体具有一实质地全反射具有一预定波长范围的光源的反射性。
其中,该第一介电层及该第二介电层在该预定波长范围的光源的环境下具有一大于0.58的折射率差,该第一介电层的折射率是大于该第二介电层的折射率。该第一介电层是由从下列物质构成的组中选出的一化合物制成:氧化物及硫化物。该第二介电层是由从下列物质构成的组中选出的一化合物制成:氧化物及氟化物。
借助于该介电单元可定义出一晶格常数(简称a)。当该第一介电层的折射率(简称n1)及第二介电层的折射率(以下简称n2)之间的差异大于一预定值,并配合调整该第一介电层的厚度(以下简称d1)达到一预定厚度时,该一维光子晶体的介电体可具有一全方向光带隙(omnidirectional photonic bandgap)。在本发明的一维光子晶体的应用领域中(以下配合参阅图6),该全方向光带隙的尺寸(bandgap size)需达3%以上。由图6可得,d1的预定厚度是以图6中的等高线的最低点为指标。当n2等于1.3时,由图6中3%的虚线最低点处水平对应到垂直轴,可得折射率差需大于1.15才可使该一维光子晶体的介电体具有一3%的全光带隙尺寸。当n2等于2.0时,由图6中3%的实线最低点处水平对应到垂直轴,可得折射率差需大于0.58才可使该一维光子晶体的介电体具有一3%以上的全光带隙尺寸。因此,应用于本发明的该第一及第二介电层的折射率差需大于0.58。
利用本发明的一维光子晶体可制造成一具有一维光子晶体的发光装置。该发光装置包含:一发光二极管及一一维光子晶体的介电体。
该发光二极管具有一基材及一连接于该基材的发光晶体。该发光二极管借助于该基材与发光晶体共同界定出一形成在该基材上且远离该发光晶体的第一表面,及一形成在该发光晶体上且远离该基材并相反于该第一表面的第二表面。该发光晶体可发射出一预定波长范围的光源。
该一维光子晶体的介电体连接于该第一表面及第二表面的其中之一上。该介电体具有周期性变化的电常数并具有至少一介电单元。该介电单元至少具有一第一介电层及一第二介电层。所述介电层在折射率上是相互不同的,以致于该一维光子晶体的介电体具有一实质地全反射该光源的反射性。
较佳地,该第一介电层的折射率是大于该第二介电层的折射率。且在一具体实施例中,该第一介电层是相对该第二介电层靠近该光源。值得一提的是,本发明的该介电体的反射性是不受限于该第一及第二介电层相对该光源的排列顺序。
适用于本发明的该第一介电层是由从下列物质构成的组中选出的一化合物制成:氧化物及硫化物(Sulfide)。较佳地,该第一介电层的化合物是氧化物,该氧化物是由从下列物质构成的组中选出的一氧化物制成:氧化钛(TiO2)、五氧化二钽(Ta2O5)、氧化锆(ZrO2)、氧化锌(ZnO)、三氧化二钕(Nd2O3)及五氧化二铌(Nb2O5)。在一具体实施例中,该第一介电层是由二氧化钛(以下简称TiO2)所制成。另外,三氧化二铟(In2O3)、氧化锡(SnO2)、三氧化二锑(Sb2O3)、氧化铪(HfO2)、氧化铈(CeO2)及硫化锌(ZnS)也适用于本发明的第一介电层的化合物。
适用于本发明的该第二介电层是由从下列物质构成的组中选出的一化合物制成:氧化物及氟化物(Fluoride)。较佳地,该第二介电层的化合物是氧化物,该氧化物是由从下列物质构成的组中选出的一氧化物制成:氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化镁(MgO)、三氧化二镧(La2O3)、三氧化二镱(Yb2O3)及三氧化二钇(Y2O3)。在一具体实施例中,该第二介电层是由二氧化硅(以下简称SiO2)所制成。另外,三氧化二钪(Sc2O3)、氧化钨(WO3)、氟化锂(LiF)、氟化钠(NaF)、氟化镁(MgF2)、氟化钙(CaF2)、氟化锶(SrF2)、氟化钡(BaF2)、氟化铝(AlF3)、氟化镧(LaF3)、氟化钕(NdF3)、氟化钇(YF3)及氟化铈(CeF3)也适用于本发明的第二介电层的化合物。
适用于本发明的该预定波长范围是介于300nm到550nm。在一较佳具体例中,该预定波长范围是介于300nm到420nm(以下简称UV光),且借助于该介电单元的一总厚度界定出一第一晶格间隙a1(latticespacing),使该第一介电层的厚度是介于0.24a1到0.69a1。在另一较佳具体例中,该预定波长范围是介于420nm到480nm(以下简称蓝光),且借助于该介电单元的总厚度界定出一第二晶格间隙a2,使该第一介电层的厚度是介于0.33a2到0.58a2。在又一较佳具体例中,该预定波长范围是介于480nm到550nm,且借助于该介电单元的总厚度界定出一第三晶格间隙a3,使该第一介电层的厚度是介于0.40a3到0.51a3。值得一捉的是,该预定波长范围与前面所提及的各晶格间隙呈函数关系,以致于变更该预定波长范围的同时,该第一介电层的厚度也会随之改变,且该第一及第二介电层在该预定波长范围的环境下具有一大于0.58的折射率差。
在一具体实施例中,该一维光子晶体的介电体是连接于该第一表面上,借助于该一维光子晶体的介电体使该光源由该第一表面反射至该第二表面。在另一具体实施例中,该一维光子晶体的介电体是连接于该第二表面上,借助于该一维光子晶体的介电体使该光源由该第二表面反射至该第一表面。较佳地,本发明的发光装置进一步包含至少一散热元件,该散热元件具有一散热片(heat sink)及多个设置在该散热片上的导线,且该散热片是借助于所述导线连接于该发光晶体上。
适用于本发明的该发光晶体是由一掺杂至少一IIIB族元素的氮化镓(以下简称GaN)半导体材料所制成。
较佳地,本发明的该发光晶体自该基材远离该基材的方向依序具有一连接于该基板的第一型半导体层、一局部覆盖该第一型半导体层的有源层、一覆盖该有源层的第二型半导体层及一覆盖该第二型半导体层并呈透明状的第二电极层。在一较佳具体例中,该第一型半导体层是一N型掺杂半导体层(N-doped semiconductor layer;以下简称N-doped半导体层),该第二型半导体层是一P型掺杂半导体层(P-dopedsemiconductor layer;以下简称P-doped半导体层),该第二电极层是一P型电极层(以下简称P-type电极层)。
<具体实施例一>
参阅图7图及图8,本发明的具有一维光子晶体的发光装置的具体实施例一,包含:一发光二极管6、一一维光子晶体的介电体7、及多个焊垫(bonding pad)81。
发光二极管6具有一材质为蓝宝石(sapphire)的基材61及一连接于基材61的发光晶体62。发光二极管6借助于基材61与发光晶体62共同界定出一形成在基材61上且远离发光晶体62的第一表面611,及一形成在发光晶体62上且远离基材61并相反于第一表面611的第二表面621。
发光晶体62使用一掺杂有至少一IIIB族元素的GaN半导体材料制成。发光晶体62自基材61远离基材61的方向是依序具有一连接于基板61的N-doped半导体层622、一局部覆盖N-doped半导体层622的有源层624、一覆盖有源层624的P-doped半导体层625及一覆盖P-doped半导体层625的P-type电极层626。其中,这些焊垫81是分别设置在N-doped半导体层622及P-type电极层626上。借助于由多个导线(图未示)分别与多个焊垫81电连接,以使得在具体实施例一中,发光晶体62可发射出一300nm到420nm波长范围的UV光光源。其中,发光晶体62的制作过程为外延生长过程技术,此技术内容为发光二极管领域的相关人士所熟悉,在此不再多加详述。
该一维光子晶体的介电体7连接于第一表面611上,借助于一维光子晶体的介电体7将该UV光光源由第一表面611反射至第二表面621。其中,介电体7是由电子束蒸镀(e-beam evaporation)法制备而成,此方法非本发明的技术重点,因此,在此不再多加详述。
该介电体7具有一周期性变化的介电常数,并具有十四个介电单元71。每一介电单元71具有一材质为TiO2的第一介电层711及一材质为SiO2的第二介电层712,且每一介电单元71的第一介电层711相对第二介电层712靠近该UV光光源。在具体实施例一中,借助于每一介电单元71的一总厚度界定出一尺寸为110nm的第一晶格间隙(以下简称a1),且每一第一介电层711的厚度为0.42a1。当每一第一及第二介电层711、712在该UV光光源的波长为385nm环境时,第一及第二介电层711、712的折射率分别为2.6及1.48,其折射率差为1.12,以致于该一维光子晶体的介电体7具有一实质地全反射该UV光光源的反射性(这就是说,具体实施例一中的介电体7具有一全方向光带隙)。
以下配合参阅图9,当每一第一介电层711的厚度介于0.2a1到0.78a1时,该一维光子晶体的介电体7具有一光带隙。当每一第一介电层711的厚度为0.42a1时,该一维光子晶体的介电体7具有一最大光带隙尺寸(约趋近于10%),且对照至图9的上方图示,由水平座标为0.42a1处对应到垂直座标处,可得到一频率介于0.300(c/a1)到0.273(c/a1)的光带隙,其中,c为光速。由前所述,配合参阅图10,也可由图10中的一波导区(guided region)得到一频率介于0.300(c/a1)到0.273(c/a1)的光带隙,这就是说,具体实施例一中的光带隙的波长范围是介于367nm到403nm。图9及图10中的波数(Wave Number;ky)及波偏极化TE及TM的定义,可参见于美国专利第6,130,780号的说明书中。
由分析数据可得,具体实施例一中的一维光子晶体的介电体7,在波长介于369nm到401nm之间的反射率是大于99.5%(配合参阅图11)。另外,可配合参阅图12及图13,是分别由基材(蓝宝石在385nm的环境下折射率为1.7)61及发光晶体(GaN在385nm的环境下折射率为2.58)62所测得的反射率及穿透率分析数据,也得到在波长介于369nm到401nm之间都具有大于99.5%的反射率。由此,具体实施例一中的发光装置,可借助于该一维光子晶体的介电体7将该UV光光源由第一表面611反射至第二表面621。
<具体实施例二>
参阅图14,本发明具有一维光子晶体的发光装置的一具体实施例二,大致上是与具体实施例一相同。其不同处在于:发光晶体62是可发射出一波长介于420nm到480nm的蓝光光源,因此,该一维光子晶体的介电体7的细部结构需随着该蓝光光源做一修正。
在具体实施例二中,借助于每一介电单元71’的总厚度界定出一尺寸为134nm的第二晶格间隙(以下简称a2),且每一第一介电层711’的厚度为0.44a2。当每一第一及第二介电层711’、712’在该蓝光光源的波长为450nm环境时,第一及第二介电层711’、712’的折射率分别为2.42及1.47,其折射率差为0.95,以致于该一维光子晶体的介电体7具有一实质地全反射该蓝光光源的反射性(这就是说,具体实施例二中的介电体7具有一全方向光带隙)。
以下配合参阅图15,当每一第一介电层711’的厚度介于0.2a2到0.7a2时,该一维光子晶体的介电体7具有一光带隙。当每一第一介电层711’的厚度为0.44a2时,该一维光子晶体的介电体7具有一最大光带隙尺寸(约趋近于5%),且对照至图15的上方图示,由水平座标为0.44a2处对应到垂直座标处,可得到一频率介于0.305(c/a2)到0.291c/a2)光带隙。由前所述,配合参阅图16,也可由图16中的一波导区得到一频率介于0.305(c/a2)到0.291(c/a2)的光带隙,这就是说,具体实施例二中的光带隙的波长范围是介于439nm到461nm。
由分析数据可得,具体实施例二中的一维光子晶体的介电体7,在波长介于440nm到464nm之间的反射率是大于99.5%(配合参阅图17)。另外,可配合参阅图18及图19,分别由基材(蓝宝石)61及发光晶体(GaN在450nm的环境下折射率为2.48)62所测得的反射率分析数据,也得到在波长介于440nm到464nm之间都具有大于99.5%的反射率。
<具体实施例三>
参阅图20图,本发明具有一维光子晶体的发光装置的一具体实施例三,大致上是与具体实施例一相同。其不同处在于,发光晶体62是可发射出一波长介于480nm到550nm的绿光光源,因此,该一维光子晶体的介电体7的细部结构需随着该绿光光源做一修正。
在具体实施例三中,借助于每一介电单元71”的总厚度界定出一尺寸为151nm的第三晶格间隙(以下简称a3),且每一第一介电层711”的厚度为0.45a3。当每一第一及第二介电层711”、712”在该绿光光源的波长为500nm环境时,第一及第二介电层711”、712”的折射率分别为2.36及1.46,其折射率差为0.90,以致于该一维光子晶体的介电体7具有一实质地全反射该绿光光源的反射性(这就是说,具体实施例三中的介电体7具有一全方向光带隙)。
以下配合参阅图21,当每一第一介电层711”的厚度介于0.3a3到0.64a3时,该一维光子晶体的介电体7具有一光带隙。当每一第一介电层711”的厚度为0.45a3时,一维光子晶体的介电体7具有一最大光带隙尺寸(约趋近于3.5%),且对照至图21的上方图示,由水平座标为0.45a3处对应到垂直座标处,可得到一频率介于0.308(c/a3)到0.297(c/a3)光带隙。由前所述,配合参阅图22,也可由图22中的一波导区得到一频率介于0.308(c/a3)到0.297(c/a2)的光带隙,这就说,具体实施例三中的光带隙的波长范围是介于491nm到507nm。
由分析数据可得,具体实施例三中的一维光子晶体的介电体7,在波长介于492nm到512nm之间的反射率是大于99.5%(配合参阅图23)。另外,可配合参阅图24及图25,分别由基材(蓝宝石)61及发光晶体(GaN在500nm的环境下折射率为2.44)62所测得的折射率分析数据,也得到在波长介于492nm到512nm之间都具有大于99.5%的反射率。
<具体实施例四>
参阅图26图,本发明具有一维光子晶体的发光装置的一具体实施例四,大致上是与具体实施例一相同。其不同处在于:一维光子晶体的介电体7是连接在第二表面621上,且进一步包含一散热元件9及两个分别与焊垫81相互连接的焊块(solder bump)82,其中,发光二极管6是利用倒装片(flip chip)的封装方式与散热元件9相互连接。
散热元件9具有一散热片91及多个设置在该散热片91上的导线92,且散热片91是借助于导线92与焊块82连接。
<具体实施例五>
本发明具有一维光子晶体的发光装置的一具体实施例五,大致上是与具体实施例四相同。其不同处在于:发光晶体62所发射出的预定波长范围及一维光子晶体的介电体7的细部结构是相同于具体实施例二。
<具体实施例六>
本发明具有一维光子晶体的发光装置的一具体实施例六,大致上是与具体实施例四相同。其不同处在于:发光晶体62所发射出的预定波长范围及一维光子晶体的介电体7的细部结构是相同于具体实施例三。
综上所述,本发明的一维光子晶体及其发光装置具有下列多个特点:
一、由于一维光子晶体的介电体7是形成在第一表面621上(具体实施例一、二、三)或第二表面622上(具体实施例四、五、六),因此可避免如现有的发光二极管形成在外延生长晶体内部的反射层所造成的晶格不匹配的问题。
二、当发光二极管6所使用的一维光子晶体的介电体7具有较大的光带隙尺寸时,则所配合使用的发光二极管的光源半高宽受限较小。如具体实施例一及四中,具有约10%的全光带隙尺寸,即使发光二极管6光源的半高宽是趋近40nm,仍可借助于由一维光子晶体的介电体7将光源向相反于入射光源的方向反射回去,以修正光源在发光装置中的发光效率。
三、借由一维光子晶体的介电体7,可全反射任何一入射角及偏极化的光源,以提高发光二极管6的光源外出效率。
四、在具体实施例四、五、六中,利用半导体制作过程中倒装片的封装方式来封装发光二极管6,可提供散热性佳的特点,并可避免发光二极管6因焊垫81的遮光效应,而影响发光二极管6的发光效率。
本发明的一维光子晶体及其发光装置可避免晶格不匹配的问题,且发光二极管具有发光效率高及散热性佳等特点,所以确实能达到本发明的目的。

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一种具有一维光子晶体的发光装置,包含:发光二极管,具有一基材和一连接于基材并发射出一预定波长范围的光源的发光晶体;以及一一维光子晶体的介电体。发光二极管具有一位于基材下表面的第一表面,及一位于发光晶体上表面的第二表面。介电体连接于第一及第二表面其中之一上并具有至少一介电单元。介电单元至少具有一在预定波长范围的环境下具有一大于0.58的折射率差的第一介电层及一第二介电层,以便介电体具有一实质地全反射。

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