一种发光二极管.pdf

本发明是提供一种改善亮度的发光二极管，使发光二极管的上电极所产生的电流分布均匀进而增加活性层发光效率。首先在一个基板上形成活性层，接着，形成一个透光层于活性层之上增加电流的分散。其背电极位于基板的另一面，而上电极位于它的上方。本发明的重点在于改变上电极的设计，将上电极所包含的金属线宽变细，同时配合数量增多的方式，从而改善电流散布方式的问题。通过提高电流密度进而增加了发光效率，改善了发光亮度。

1、  一种发光二极管，其特征在于：包含半导体基板；诱发光线产生的活性层(activelayer)位于所述半导体基板上方；导电背电极位于该半导体基板下方；透明导电层位于活性层上方；金属图案层形成于所述透明导电层上，该金属图案层线宽约为0.5μm至5μm之间；及上电极层形成于金属图案层上。

2、  如权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于：所述金属图案层为网状，并且所述该上电极与该金属图案层的网状接触。

3、  如权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于：所述透明导电层是选自GaP、AlGaAs或ITO其中的一种。

4、  一种发光二极管，其特征在于：包含半导体基板；诱发光线产生的活性层(activelayer)位于所述半导体基板上方；导电背电极位于该半导体基板下方；复数个点状金属颗粒形成于活性层上，其中该复数个点状金属颗粒的每一个直径约为0.1μm至5μm之间，透明导电层位于活性层上方，且覆盖该复数个点状金属颗粒，上电极第一层形成于透明导电层上。

5、  如权利要求4所述的一种发光二极管，其特征在于：其中透明导电层是选自GaP、AlGaAs或ITO其中之一种。

一种发光二极管
技术领域
本发明涉及一种可改善亮度的发光二极管。
背景技术
发光二极管(Light emitting diodes；LED)的发光原理是将电流顺向流入半导体的p-n节时便会发出光线。其中AlGaInP材料应用于高亮度红、橘、黄及黄绿光LED，AlGaInN材料应用于蓝、绿光LED，常以有机金属气相磊晶法(metal Organic Vapor PhaseEpitaxy；MOVPE)进行量产，组件上亦使用同质结构(homo-junction，HOMO)、单异质结构(single-heterostructure，SH)、双异质结构(double-heterostructure，DH)、单一量子井结构(single-quantum well，SQW)及多重量子井结构(multiple-quantum well，MQW)等构造或其它结构方式发光。
传统的发光二极管其结构如图1A所示。从上而下分别是上电极11(front electricalcontact)、活性层12(active layer)、基板10、背电极13(back contact)。其中活性层12是采用有机金属气相磊晶法形成AlGaInP或AlGaInN的化合物发光材料。当电流由上电极11注入时，电流会通过活性层12、基板10、流向背电极13。当电流流经活性层12时，便会发出光线。但由于活性层的AlGaInP或AlGaInN载子移动率(carrier mobility)不高及高阻值特性使AlGaInP或AlGaInN导电性不佳。当位于活性层12上方的上电极供给电流时，即使增加一透光层14(capping layer or window layer)增加电流分散，但其电流散布性虽有改善，但电流仍集中于电极下方，致使发光的主要区域集中在电极下方与附近，如图1B所示。
一般半导体LED材料的折射率(n＝3.4~3.5)大于外部的折射率(n＝1~1.5，n＝1.5 forepoxy)，换句话说，半导体LED所产生的光线大部份都被半导体与外部(环氧树脂：epoxy)的接口全反射回到半导体内部，全反射的光线则被活性层本身与电极、基板吸收，降低LED的实际发光效益，如图1C所示。
为增加电流的散布性，进行结构、材料上的改良如美国专利案号：US patent5,008,718 Fletcher et al.提出在上电极与活性层之间增加一电阻值低且可透光的透光层15(window layer or clapping layer)如GaP、GaAsP和AlGaAs等材质，如图1D所示。其目的是藉由此透光层增加从上电极流出之电流散布性。如此专利内文所述，为达到较佳的电流散布状态，此透光层厚度需150~200μm，如此才能增加5-10倍的发光强度。但加厚透光层的厚度，均会增加MOVPE磊晶的时间及成本，使磊晶的成本增加许多，另外，该层的电流散布能力与厚度具有相当的关系，若要电流散布均匀，则厚度至少要数十μm，否则，仍无法有效解决电流散布的问题。
另一种解决模式是改变电极设计，F.A.Kish and R.M.Fletcher提到将电极设计成增加finger(指状或指状结构)16，如图1E所示，或延伸出Mesh(网状)线17的样式，如图1F所示，以解决LED的电流散布的问题，但实际上仍不够理想。主要原因在于这些延伸出去的Mesh线仍有一定的宽度，为了生产方便，通常宽度大为5～25μm，且这种宽度的finger或Mesh的数量不能太多，否则遮光的面积会太大，位于电极下的发光均会被电极所遮住。位于电极下的电流强度最强，发光亦最大，也就是说发光最大的部分均被自身的金属线所遮住；但金属线若太少，仍会使某些发光区域E的电流散布不佳，而影响了发光效率，如图1G～1H所示。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种改善亮度之发光半导体装置，使作为上电极的金属图案可为网状、点状、棋盘状或其它几何图形均匀分布于所有活性层之上方，且金属图案的线宽介于0.1～5μm，不会有遮住由活性层发光之状况存在，进而增强了发光效率。
本发明是使用下列步骤来达到上述各项目的：首先在一个基板上形成活性层。接着，形成一个透光层于活性层之上用以增加电流的分散。其背电极位于基板的另一面，而上电极位于透光层的上方。本发明的重点在于改变上电极的设计，将Finger或Mesh的金属图案的线宽变细，同时配合数量增多的方式，如此可以改善电流散布方式的问题。当金属尺寸为2μm时，即使位于金属线正下方的活性层所产生的光亦能在发光角度3.8～18度中透过透光层发光，如此可提高电流密度进而增加发光效率。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：
图1A是已知技术的发光二极管结构剖面图；
图1B是已知技术中，于发光二极管结构中电流分散状况的剖面图；
图1C是已知技术中，于发光二极管结构中发光状况的剖面图；
图1D是已知技术中，增加透光层之发光二极管结构剖面图；
图1E是已知技术中，上电极形成finger的二极管结构俯视图；
图1F是已知技术中，上电极形成Mesh线的二极管结构俯视图；
图1G是已知技术中，上电极形成finger或mesh线，其发光二极管结构中电流分散状况的剖面图；
图1H是已知技术中，上电极形成finger或mesh线，于发光二极管结构中发光状况的剖面图；
图2A是实施例一中，发光二极管中电流分散状况的结构剖面图；
图2B是实施例一中，上电极形成金属网线的发光二极管结构俯视图；
图2C是已知技术中，位于电极正下方的活性层发光的结构剖面图；
图2D是实施例二中发光二极管的结构剖面图；
图2E是实施例二中，上电极形成金属点的发光二极管结构俯视图。
具体实施方式
本发明可运用在增加发光二极管的电流散布，通过改变上电极的设计增加电流散布，进而增强发光效率。其中活性层和基板可随组件发光波长设计而改变，但此并非本发明之重点，本发明实施例中仅使用活性层来代表LED组件的各种主要结构如同质结构、单异质结构、双异质结构、单一量子井结构及多重量子井结构来说明。
实施例一：
图2A为发光二极管的剖面图，首先在一基板100上形成活性层120(active layer)，活性层120结构可为双异质接面结构或量子井结构以增加二极管的发光效率。接着，形成一个GaP、AlGaAs或ITO材质地透光层140于活性层120之上增加电流的分散。其背电极130位于基板100的另一面，而上电极210位于透光层140的上方。
根据不同的活性层120选择不同的材料作为基板100。当活性层120的材料为AlGaInP时，选用砷化镓材料作为基板100；而当活性层120的材料为AlGaInN时，选用蓝宝石(sapphire)材料作为基板100。活性层120厚度为0.3～3μm和透光层140厚度为10~50μm，活性层120及透光层140皆使用有机金属气相磊晶法(MOVPE)或分子束磊晶法(Molecular Beam Epitaxy；MBE)制作而成。
本发明所提的一种有效解决电流散布方式，也就是改变上电极的设计，将Finger或Mesh的金属图案的线宽变细，同时配合数量增多的方式，如此可以改善电流散布方式的问题，并增加发光二极管的发光效率，本实施例仅举出一种金属图案，但本发明之精神并不局限于此种金属图案。其二极管元件的俯视图如图2B所示，本实施例的电极设计能保留有电极与外界接触的金属垫：电极110，但在电极110旁，活性层120上方接布满金属网线210，此金属网线210与电极110彼此间接触，金属网线210与电极110都属于本实施例的上电极。
在传统的发光二极管上电极设计的Mesh线宽度大多为5～25μm。其电流仅能分散至远离mesh线40μm处，而mesh线间会有大于80μm的发光空乏区。而活性层12中感应到最强的电流是在电极正下方，如图2C所示，倘若透光层15厚度为15μm和上电极mesh线11宽度为15μm，而mesh线11之间的距离为60μm。当电流散布至上电极mesh线11底下正中心的活性层12之A点使之发光时，其发光角度需大于上电极的一半宽度，否则其活性层12所产生的光线会被上电极mesh线11所被遮住。其发光角度θc计算如下：
透光层15厚度：        l*cos2θc＝15μm
电极mesh线11一半宽度：l*sin2θc＝7.5μm
(ι：A点不被电极遮住之最短距离)
tans2θc＝1/2--->2θc53°--->θc26.5°
一般而言，发光二极管材质的critical angle θa(临界角)约为18度，也就是说当光线之折射角大于18度以上时，其光线被半导体与外部的接口全反射回到半导体内部，降低LED的实际发光效益。在发光层所产生的光，以辐射效状发散时，在大于θa的范围，均会产生全反射现象，但在θa以内，光均会从透光层15穿透过去，而金属Mesh线宽为10μm时，位于电极正下方电流密度最高处所产生的光无法透过，如此严重影响光穿透的效率。
而我们将原先宽的Mesh线及线与线间距做等分形成网状金属线210，可如同图2B所示，可使电流散布的密度更加均匀一致，更让发光效率提高。本发明的实施例一所形成的网状金属线210的尺寸仅有0.5~5μm在基板上方均匀分布。如同上述计算，若尺寸仅有2μm且透光层15厚度依然是15μm时，其发光角度θc为
tans2θc＝2/15--->2θc7.6°--->θc3.8°当发光角度θc减少时，活性层12所产生的光线被上电极11所遮住的范围大大降低，位于上电极11正下方电流密度强所产生的光便能θc＝3.8～18度中透过，如此可提高电流密度进而增加发光效率。
实施例二：
图2D为发光二极管的剖面图，其基板110、透光层140、活性层120、背电极130结构与实施例一相同。
本实施例的特点在于上电极的设计，其上电极细分成两层，如图2E所示，金属垫：上电极第一层110与传统的发光二极管的组件相同，电极位于组件的中央部分，作为外界供给导通、接触之媒介，上电极第二层220位于第一层110之下，并镶嵌于ITO(氧化鈦銦，Indium Tin Oxide)层230中。上电极第二层220亦是将金属线宽变细，但以点(dot)之形式呈现并配合数量增多的方式，如此可以改善电流散布方式的问题，并增加发光二极管的发光效率。制作出的金属点的尺寸仅有0.1~5μm，且在基板上方均匀分布。除了使活性层120所产生的光线被上电极遮住的范围大大降低外，亦能使电流均匀散布增加发光效率。本实施例中的金属点亦可使用如实施例一中的金属网线或其它的金属图案。
本发明仅用两个实施例说明改变上电极设计来增加电流散布情形：在实施例一中其上电极包含有金属垫与金属尺寸变小的金属图案，实施例二中上电极由两层导电层所组成，其金属图案镶嵌在透明的导电层中，且变化较无限制，其图案彼此间可不连续。但本发明的精神在于将上电极的金属图案分布于活性层上方，其金属图案的线宽仅有0.1~5μm，不论金属图案是何种几何图形。只要金属尺寸够小，便不会遮住大部分由活性层产生的发光。