具有光子晶体的发光二极管及其装置制造方法及图纸

一种具有光子晶体的发光二极管包含：一基板、一具有一连接基板的出光部及一远离出光部的背光部的发光晶体及一金属反射层。发光晶体具有若干设置于背光部的凸柱并界定出若干通道以使发光晶体界定出一面晶格。每凸柱具有一第一基壁、一相对第一基壁远离出光部的第二基壁及一连接第一及第二基壁的围壁，且每相邻的第一基壁相互连接。金属反射层形成在这些第一基壁及围壁上。借该面晶格及金属反射层限定出一二维周期性结构的光子晶体。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种发光二极管(Light Emitting Diode；LED)，特别是指一种具有光子晶体(Photonic Crystal)的发光二极管及其装置。
技术介绍
在通讯及资讯科技业的蓬勃发展下，针对通讯及资讯领域的相关产品随着因应而生，并于近年来趋向普及化。因此，大型及小型显示器如液晶显示萤幕及个人行动产品等等，也因应科技的进步而形成一广大的消费市场。近年来由于半导体磊晶技术不断地精进，使得半导体固态光源(solid statelight source)发光二极管的发光亮度逐渐地提高。因此，现已被广泛应用于显示器背光模组及通讯等消费市场，未来，更被视为可取代一般照明市场的生力军。然而，虽然现今的发光二极管可达到高内部量子效率(quantumefficiency)，但由于半导体材质通常具高介电系数，所以在发光层(active layer)所产生的光，受到全内反射(total internal reflection)的限制无法耦合(couple)到外部环境，使得发光二极管的光源外出效率(extraction efficiency)通常在30％以下。过去针对低光源外出效率的解决方法中，大部分着重于几何结构的设计上，以降低全反射的效应。例如在发光二极管的出光部利用呈半球状的透明树脂层加以封装，使发光二极管产生的光源可透过呈半球状的几何设计的树脂层以提高光源外出效率，但是，仍无法完全解决由于全反射所造成的光源外出效率的损失。另外的解决方法，如在发光元件的表面形成一抗反射面(anti-reflection surface)以增加正向光的透出，但仍无法解决大角度光低透出的问题。参阅图1，美国专利第5,955,749号揭露出一种利用周期介电结构的发光装置(Light Emitting Device Utilizing a periodic dielectric structure)1，包含一由一高介电材料所制成的矩形(rectangular)介电板体11，且该介电板体11于内部设有可发射出一具有一预定波长(即预定频率)的光源的点偶极辐射源(point dipole radiation source)。该介电板体11上形成有若干呈一二维的周期性排列的圆柱状通道111，这些通道111相配合可界定出若干呈正三角形(triangular)的晶格单元(latticeunit)112，并由该介电板体11及这些晶格单元112界定出一二维光子晶体。在该发光装置1中的介电板体11是一由一N型掺杂(n-doped)层、一发光层(可发射出该预定频率的光源)及一P型掺杂(p-doped)层所构成的磊晶(Epitaxy)体，并由该磊晶体界定出上面所提及的点偶极辐射源。其中，该发光装置1所使用的磊晶体为具有高表面结合率(surface recombination rate)的砷化镓(以下简称GaAs)的半导体材料。依据该发光装置1，利用该二维光子晶体可改变该光源在该磊晶体内的传播行为。该光源的传播行为可由该光子晶体在一最小布里渊区(irreducibleBrillion zone)的光子能带结构(photonic band structure)图来描述(参阅图2)。图2中的光子能带结构包含两部分一为在光速线(light line)以内的波导区(guided region)，另一为在光速线以上的辐射区(radiative region；如图2中的阴影区域所示)12。当该光源的预定频率耦合到该波导区中的波导模(guidedmode)时，该光源便在该磊晶体内传播，如同上述的全反射般，无法由该发光装置1内部穿透至外界。当该光源的预定频率耦合到该辐射区12时，该光源便可由该发光装置1的内部穿透至外界，以增加该发光装置1的光源外出效率。该发光装置1所揭露的光子晶体为一在空间上对z轴对称的周期层状的介电结构，其光子能带结构图在波导区中具有一对似TE(TE-like)模的光子带隙(由图2中的实心黑色圆点界定出似TE模的光子带隙)。当该光源的偏极化(polarization)方向为TE时，且该光源的预定频率位于该光子带隙中，该光源便无法在该发光装置1内传播，所以能增加该发光装置1的光源外出效率。然而，该发光装置1的光子能带结构图无一明显的全光子带隙(即具一对似TE模和似TM模共同的光子带隙)，所以当该光源无偏极化方向时，则部份光源仍可在该发光装置1内传播。该发光装置1所使用的GaAs磊晶体由于表面处的陷井密度(trappeddensity)大于本体处，因此表面过量少数载子(excess carrier)的生命周期低于本体内部对应生命周期，并于接近表面处形成一过量载子浓度梯度，所以过量载子会由本体处扩散到表面结合。当电子电洞对是经由能隙中的介电子状态(intermediate electric state)结合时，则结合能量会以热取代光子的形式发射，由此便降低该发光装置1的发光效率。美国专利早期公开案US2003/0141507 A1中所提及的一种使用光子晶体结构的发光二极管(LED Efficiency Using Photonic Crystal Structure)，揭露一具光子晶体结构的发光二极管及其制作方法。此美国早期公开案的发光二极管是选用一低表面结合率的介电材质(如氮化镓；GaN)作为磊晶材料，使得利用光子晶体的发光二极管更具实施性。另外，利用发光二极管所产生的光源的频率或波长，耦合到光子晶体光子能带结构图中的漏能带(leaky band)，以增加二极管发光的光源外出效率，可见于近几年的文献，如M.Boroditsky et al.的”Light extraction from opticallypumped light-emitting diode by thin-slab photonic crystals，”Applied PhysicsLetters，Vol.75，No.8(1999)。而利用光子晶体的光子带隙或漏能带于发光装置的比较，则可见于M.Zelsmann et al.的”Seventy-fold enhancement of lightextraction from a defectless photonic crystal made on silicon-on-insulator，”Applied Physics Letters，Vol.83，No.13(2003)。以上所提到的专利及参考文献，在此并入本案作为参考资料。综观而言，如何避免发光二极管所使用的材料产生高表面结合率的问题，并利用光子晶体阻止发光二极管产生的光源在内部传播以增加发光二极管的光源外出效率，是当前开发在发光二极管上使用光子晶体的相关业者所需克服的一大难题。
技术实现思路
本专利技术的目的，在于提供一种具有光子晶体的发光二极管。本专利技术的另一目的，在于提供一种具有光子晶体的发光二极管装置。本专利技术具有光子晶体的发光二极管，包含一基板、一呈层状的发光晶体及一第一金属反射层。该发光晶体可发射出一具有一预定波长范围的光源，并具有一连接于该基板的出光部，及一远离该出光部的背光部。该发光晶体自该背光部向相反于该出光部的方向凸出有若干相间隔设置的凸柱。每一凸本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有光子晶体的发光二极管，其特征在于包含：一基板；一呈层状的发光晶体，具有一连接于该基板的出光部及一远离该出光部的背光部，该发光晶体自该背光部向相反于该出光部的方向凸出有若干相间隔设置的凸柱，每一凸柱具有一靠近该出光部的 第一基壁、一相对该第一基壁远离该出光部的第二基壁，及一连接该第一及第二基壁的围壁，且每一相邻凸柱的第一基壁是相互连接，借这些凸柱界定出若干通道，以使该发光晶体借这些凸柱界定出一面晶格；及一形成在这些第一基壁及围壁上的第一金属反射层， 借该第一金属反射层界定出若干反射金属格；其中，该发光晶体借该面晶格及这些反射金属格界定出一具一二维周期性结构的光子晶体。

【技术特征摘要】
1.一种具有光子晶体的发光二极管，其特征在于包含一基板；一呈层状的发光晶体，具有一连接于该基板的出光部及一远离该出光部的背光部，该发光晶体自该背光部向相反于该出光部的方向凸出有若干相间隔设置的凸柱，每一凸柱具有一靠近该出光部的第一基壁、一相对该第一基壁远离该出光部的第二基壁，及一连接该第一及第二基壁的围壁，且每一相邻凸柱的第一基壁是相互连接，借这些凸柱界定出若干通道，以使该发光晶体借这些凸柱界定出一面晶格；及一形成在这些第一基壁及围壁上的第一金属反射层，借该第一金属反射层界定出若干反射金属格；其中，该发光晶体借该面晶格及这些反射金属格界定出一具一二维周期性结构的光子晶体。2.如权利要求1所述的具有光子晶体的发光二极管，其特征在于更包含若干分别形成于这些第二基壁上的第二金属反射层，借该第一金属反射层及这些第二金属反射层共同界定出一连续金属反射层，并使该发光晶体借该面晶格、这些反射金属格及这些第二金属反射层界定出一具一三维结构的光子晶体。3.如权利要求2所述的具有光子晶体的发光二极管，其特征在于该发光晶体由该基板向远离该基板的方向更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发光层、及一覆盖该发光层的第二型半导体层。4.如权利要求3所述的具有光子晶体的发光二极管，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。5.如权利要求4所述的具有光子晶体的发光二极管，其特征在于该发光晶体是一III-V族半导体材料。6.如权利要求5所述的具有光子晶体的发光二极管，其特征在于该III-V族半导体材料，是掺杂有至少一IIIB族元素的氮化物。7.如权利要求6所述的具有光子晶体的发光二极管，其特征在于每一凸柱是具有部分该第二型半导体层。8.如权利要求6所述的具有光子晶体的发光二极管，其特征在于更包含若干分别介于这些第一基壁及该第一金属反射层之间的低介电材料体，每一凸柱是具有该第二型半导体层、该发光层及部分该第一型半导体层，每一低介电材料体是自这些第一基壁形成至部分该第二型半导体层。9.如权利要求6所述的具有光子晶体的发光二极管，其特征在于更包含一氧化层，该氧化层是介于这些围壁、第一基壁及第一金属反射层之间，每一凸柱是具有该第二型半导体层、该发光层及部分该第一型半导体层。10.如权利要求1所述的具有光子晶体的发光二极管，其特征在于该面晶格的每一凸柱是一选自于下列群组中的原子正四边形原子、圆形原子及正六边形原子。11.如权利要求10所述的具有光子晶体的发光二极管，其特征在于该面晶格的每一凸柱是一正四边形原子。12.如权利要求1所述的具有光子晶体的发光二极管，其特征在于该面晶格是一选自于下列群组中的面晶格正四边形面晶格、正六边形面晶格及蜂巢状面晶格。13.如权利要求12所述的具有光子晶体的发光二极管，其特征在于该面晶格是一正四边形面晶格。14.如权利要求1所述的具有光子晶体的发光二极管，其特征在于该基板是使用一选自于下列群组中的磊晶基板蓝宝石、氧化锌及氮化镓。15.如权利要求14所述的具有光子晶体的发光二极管，其特征在于该基板是使用蓝宝石磊晶基板。16.如权利要求2所述的具有光子晶体的发光二极管，其特征在于这些金属反射层是使用一选自于下列群组中的金属材料银、铝、镍、钛、铬及此等的一组合。17.一种具有光子晶体的发光二极管装置，其特征在于其包含一发光二极管，具有一基板、一呈层状的发光晶体及一第一金属反射层，该发光晶体具有一连接于该基板的出光部及一远离该出光部的背光部，该发光晶体自该背光部向相反于该出光部的方向凸出有若干相间隔设置的凸柱，每一凸柱具有一靠近该出光部的第一基壁、一相对该第一基壁远离该出光部的第二基壁，及一连接该第一及第二基壁的围壁，且每一...

【专利技术属性】
技术研发人员：林仲相，林佳锋，
申请(专利权)人：汉欣企业有限公司，
类型：发明
国别省市：71[中国|台湾]