1254469 九、發明說明： _ 【發明所屬之技術領域】 — 本發明涉及一種發光二極體晶片，特別是一種薄膜發光 二極體晶片。 【先前技術】 由 Y. C. Shen 等多人之文件 ” Optical cavity effects in InGaN/GaN quantum-well-heterostructure flip-chip light-emitting diodes’’，Appl· Phys· Lett· Vol· 82 No. 14. ® P.222 1中已知一種以GaN爲主之FCLED-晶片（以覆晶 (0^<1111))配置而成的發光二極體晶片）。該處是以藍寶石-基板作爲一種發射層。 由文件US 2003/0 143772 A1中已知一種薄膜發光二極體 晶片，其具有一種未具備生長基板的AlGalnN磊晶構造。 【發明內容】 本發明的目的是提供一種薄膜發光二極體晶.片，其具有 高的效率和低的吸收損耗。 一種薄膜發光二極體晶片，其中鏡面層和光產生用的活 性層之間之距離須調整，使一種由活性區所發出的輻射可 _ 受到由鏡面層所反射的光所干擾。藉由此種干擾，則活性 區之內部之量子效率會受到影響而使活性區達到一種與方 向有關的發射特性。此種與方向有關的發射特性具有至少 一種優先方向。該薄膜發光二極體晶片具有一種發射層， 其至少是半導電性者。該發射層因此不是一種去（de-)反射 1254469 薄膜發光二極體晶片之特徵特別是以下各點： ^ -在輻射產生用的磊晶層序列之一種面向載體元件之 ’ 一主面上施加或形成一種反射層，其使幕晶層序列中所 生的電磁輻射之至少一部份反射回到嘉晶層序列中； -磊晶層序列之厚度是在2 0微米或更小的範圍中，特 是在4微米和1 〇微米之間， -磊晶層序列包含至少一種半導體層，其至少一 (plane)具備一混合結構，該混合結構在理想情況下會使 晶之嘉晶層序列中的光形成一種近似隨機（ergodic)的 佈，即，使光具有一種儘可能隨機的雜散特性。 薄膜發光二極體晶片在較佳的近似情況中是一種蘭佈 (Lambertic)表面發射器。薄膜發光二極體晶片之基本原 例如已描述在I. Schnitzer等多人於Appl· Phys. Lett. (16)，18· October 1993，2174-2176 發表的文件中。 所謂薄膜發光二極體晶片目前特別是指一種發光二極 晶片，其一種層結構具有以磊晶生長之層，生長基板在 胃長過程之後較佳是由該層結構中去除。以磊晶生長之層 至少一部份是半導體層。晶片可具有一種與生長基板不 的載體，載體上施加該層結構。 上述之薄膜發光二極體晶片未具有共振器。相對 RCLED (Resonant Cavity Light Emitting Diode)而言，上 之薄膜發光二極體晶片只包含唯一的鏡面。該薄膜發光 極體晶片且特別是磊晶之層結構相對於RCLED而言有利 未包含佈拉格（Bragg)鏡面。 第 產 別 面 嘉 分 德 理 63 am 體 生 之 同 於 述 地 1254469 在一種較佳的形式中，薄膜發光二極體晶片以G aN爲 主。相對於藍寶石基板上之以GaN爲主之覆晶（Flip Chip) ^ 發光二極體而言，半導體本體中所產生的光直接（即，無吸 收損耗和反射損耗）由於一種配置在輻射發射用的磊晶層序 列之後的基板而由半導體本體中射出。 薄膜發光二極體晶片中光學近場效應大大地影響了發射 效率。使用光學近場效應的優點是可使光產生用的半導體 所發出的輻射成份提高。此處所提及的薄膜晶片之特徵是 ® 一種高的發射效率，其可超過70%。 活性區通常具有多個部份層，其形式例如是一種單一量 子井結構或多重量子井結構。 半導體本體具有至少一第一導電型式的第一半導體層， 至少一第二導電形式的第二半導體層以及一配置在此二種 半導體層之間的活性區。第一半導體層較佳是p-摻雜者， 第二半導體層較佳是η-摻雜者。半導體層較佳是透明的， 即，其可透過活性區中所產生的輻射。 β 半導體本體例如可包含一種阻障層，其配置在第一半導 體層和鏡面層之間且例如作爲電荷載體擴散阻障用，即， 使電荷載體在鏡面層的方向中不能由第一半導體層移動出 來。電荷載體-阻障層較佳是其至少一部份是半導電性者且 在另一種形式中可包含鋁。電荷載體-阻障層較佳是可透過 該活性區中所產生的輻射。 半導體本體較佳是與晶片之以磊晶生長的層結構相同。 半導體本體的各層生長在生長基板上，該生長基板以晶圓 -7- 1254469 形式而存在著。首先，η -摻雜的第二半導體層較佳是以磊晶 方式沈積而成。然後，活性區或活性區的部份層，ρ _摻雜的 第一半導體層且情況需要時一種電荷載體-阻障層依序以磊 晶方式生長。隨後較佳是藉由濺鍍或蒸鍍而塗佈該鏡面層。 鏡面層較佳是一種金屬層。鏡面層較佳是寬能帶者且具 有高的反射性，其中該鏡面層例如可使入射的光之至少 70 % (較佳是至少80 % )被反射。鏡面層例如由Ag，Au，Pt或 A1及/或由這些金屬之至少二種之合金所產生。鏡面層亦可 以是一種多層序列，其具有的多個層是由上述各種不同的 金屬或合金所形成。 層複合物包含磊晶層序列，生長基板和鏡面層。層複合 物較佳是藉由共晶的鍵結（Bonding)而與載體固定地相連 接，載體就電性及/或熱性而言可被最佳化且就其光學特性 而言不需設定任何需求。載體較佳是具有導電性或至少是 半導電性者。例如，鍺，GaAs，SiC，.A1N或矽適合作爲載體 材料。載體之面向鏡面層之表面較佳是成平坦狀。該生長 基板在層複合物與載體相連接之後由半導體本體中剝除。 在鏡面層和載體之間可設置至少一黏合促進層。較佳是 導電性的黏合促進層使載體與磊晶-層序列相連接，其中該 鏡面層面向載體。該黏合促進層特別是可爲一種由p b S η (焊 劑），AuGe，AuBe，AuSi，Sn，In或Pdln所構成的金屬層。鏡 面層可藉由一種面向黏合促進層之擴散阻障層（其例如包含 鈦及/或鎢）而受到保護。一擴散阻障層可使材料不會由黏合 促進層侵入至鏡面層中。 1254469 此處所述的發光二極體晶片之全部的層，特別是活性區 ^ 和半導體本體的半導體層，可分別由多個部份層所構成。 — 半導體本體包含一種具有發射面的發射層。發射層中的 輻射分佈具有多個優先方向。該發射層較佳是與第二半導 體層（其例如是η-摻雜者）相同。第一半導體層（其例如是p-摻雜者）較佳是配置在鏡面層和活性區之間。 鏡面層須靠近光源（即，活性區）而配置，使干擾發生時光 學近場效應顯著。藉由所產生的光源和已反射的光源之間 ^ 的干擾，則活性區中自發的發射會受到影響，特別是發射 用的組合作用的壽命會受到影響且因此使光產生用的層中 的內部量子效率受到影響。至活性區的特定的鏡面距離（例 如，λ/4, 3λ/4, 5λ/4)產生一種有利的（與角度有關之）發射特 性，此種特定的鏡面距離隨著內部量子效率之提高而出現。 鏡面和光源之間的距離例如最大是2λ，其中λ = λ〇/η是光 學介質（此處是半導體本體）中的光波長且λ〇是真空中的光 波長。光產生用的層和鏡面層之間的距離在本實施形式中 胃小於1·75λ。在另一有利的形式中此種距離小於1·5λ。較小 的距離的優點是：藉由活性區中所產生的輻射和鏡面層中 所反射的輻射的交互作用，則可控制該活性區之自發的發 射作用。 由光源所產生的輻射和由鏡面所反射的輻射在光源和鏡 面之間處於特定的距離時可形成建設性的干涉。例如，當 光源和鏡面之間的距離是（2m+ 1 )λ/4η，其中η是光學介質之 折射率且m = 0，1，2...是發射的階數（order)時，則在垂直於 -9 - 1254469 光學介質之界面而入射的輻射中該輻射分佈會發生最大 〜 値。在第零階（order)發射時，全部的光子在一種錐體（其旋 > 轉對稱軸垂直於發射界面）中發射。在第一階發射時存在著 另外的發射特性，其對該發射面的垂線具有較大的角度。 在第m階發射時存在著m個此種另外的發射特性。 藉由調整光產生用的層和鏡面層之間的距離（其是 (2ιη+1)λ/4)，則可使活性區達成一種已對準的發射特性，其 與蘭佈德（Lamb eftic)發射特性不同且具有一種高強度和低 ® 強度交互配置的區域。須選取該鏡面至光產生用的層之距 離且因此亦須調整半導體內部中的發射特性，使得在第一 次入射至光射出用的界面時一種高的輻射成份即已存在於 較全反射的臨界角還小的範圍中。 鏡面層和活性區之間的距離在不同的實施形式中例如可 爲： 1) 0·16λ至0·28λ，即，大約λ/4 ;該輻射分佈具有一種 優先方向，其垂直於發射面； ® 2) 0.63λ至0·7 8λ，即，大約3λ/4 ;該輻射分佈具有二種 優先方向，即，一與發射面垂直的方向和一與其成傾斜的 方向； 3) 1·15λ至1·38λ，即，大約5λ/4;該輻射分佈具有三種 優先方向，即，一與發射面垂直的方向和二種與其成傾斜 的方向。 已發出的輻射之波長可位於紅外光區，可見光區或紫外 光區中。半導體本體可依據波長而以不同的半導體材料系 -10- 1254469 統爲基準以製成。例如，一種以InxGayAh + yAs爲主的半 ， 導體本體適用於長波長的輻射，以IrixGayAh-x-yP爲主的半 ^ 導體本體適用於可見之紅色至黃色的輻射，以 ItixGayAl^x-yN爲主的半導體本體適用於短波長之可見之 (綠色至藍色）輻射或紫外線（UV)輻射，其中0$ 1且 1。發出的輻射之光譜寬度例如可爲15至40 nm。但 所產生的輻射之光譜之半値寬度不限於上述之範圍。 光產生用之層和該鏡面層之間的距離較佳是與p -層之層 β厚度相同。 第二半導體層在另一實施形式中可具有一種平坦的發射 面。由晶片所發出的光的發射特性在此種情況下與蘭佈德 (Lamb ertic)發射特性不同且在至少一優先的方向中具有較 高的輻射密度，而在其它的角度範圍中具有小的輻射密度。 在另一實施形式中，須構成第二半導體層之發射面，使 得在入射至界面上時未射.出的輻射可在不同的方向中散射 回到半導體中。藉由輻射方向的重新分佈，則可防止一種 所謂波導效應，且因此使發射效率提高。由晶片所發出的 輻射之發射特性在此種情況下基本上具有蘭佈德 (L a m b e r t i c)發射特性。 第二半導體層可配置在活性區和去反射層之間，該去反 射層之厚度大約與波長的四分之一相等。去反射層較佳是 一種介電質層，其在該生長基板去除之後施加在半導體本 體的發射面上。 發光二極體晶片在光電組件中較佳是配置在一種外殼之 -11- 1254469 凹口中，其中該凹口可具有一種反射用的表面。發光 體晶片在該凹口中可以一種澆注物質來包封。藉由使 折射率的樹脂（例如，環氧樹脂或矽樹脂，其折射率η 1 · 5 5 )來包封該薄膜晶片，則可使光學組件的發射效率击 本發明以下將依據圖式和實施例來描述。各圖式未 比例大小來顯示本發明的不同之實施例。相同-或作用 的零件以相同的參考符號來表示。 【實施方式】 第1圖顯不薄膜發光二極體晶片100之一部份，其 載體6和一種多層構造1 〇。載體6和多層構造1 0之間 ~^種黏合促進層5。該多層構造10包含一種光產生用 性區3，其配置在ρ-導電之第一半導體層1和η-導電 二半導體層2之間。第一半導體層1配置在活性區3 屬性的鏡面層4之間。導電的鏡面層4作爲鏡面用且 爲至第一半導體層之電性接觸層。鏡面層4受到擴散 層45所保護，該層45配置在鏡面層4和黏合促進層 間。第一和第二半導體層1和2以及活性區3 —起形 導體本體123。半導體本體123 —起與擴散阻障層45 面層4形成多層構造10。 在上述薄膜發光二極體晶片之製造方法中，在此處 示的生長基板上依序以磊晶方式產生第二半導體層2, 區3和第一半導體層1。在該磊晶-層構造上例如藉由 或蒸鍍而施加該鏡面層4。該多層構造1 〇藉由黏合促 5而與載體6相連接，載體6例如由鍺所構成或以鍺爲 二極 用高 大於 I高。 依據 相同 具有 配置 的活 之第 和金 亦作 阻障 5之 成半 和鏡 未顯 活性 濺鍍 進層 主要 -12- 1254469 成份。然後去除該生長基板。面對該生長基板之第二半導 體層2在該基板去除之後形成一種發射層且該發射層之遠 離該活性區3之表面形成一種發射面20，其在本實施例中 是平坦的。 活性區3中所產生的輻射和鏡面層4所反射的輻射之擴 散方向在第1圖中以箭頭7或8來表示。由該二種輻射成 份7和8之干涉所產生的光在遠離載體6的方向中由多層 構造1 0射出。 須調整鏡面層4和活性區3之間的距離（其在本形式中等 於第一半導體層1之厚度），使由活性區3所發出的輻射可 受到鏡面層4所反射的輻射所干擾，且活性區3中發射用 的組合作用的壽命會受到此種干擾所影響。 上述的薄膜發光二極體晶片中所使用的近場效應可與一 種空腔（cavity)效應相比擬，所謂空腔是指一種光學共振器 (共振空腔）中所產生的波動效應。藉由此種效應，則光產生 用的半導體內部中可調整其發射特性，使光子的大部份都 可射入至該射出用的界面上的一種角度中，該角度小於全 反射的角度。因此，該輻射的最大可能的部份在第一次入 射至該射出用的界面（=發射面20)上時由該晶片射出。只有 一小部份反射回到半導體1，2，3中。光的此一小部份在 鏡面層4上反射時會造成損耗且在其又入射至射出用的界 面上之前亦會由於活性區3中的再吸收（其量子效率只有大 約50%)而造成損耗。因此，薄膜發光二極體晶片中藉由使 用上述的空腔效應，則可使再循環速率（Recycling rate)大 -13- 1254469 大地下降。 > 薄膜發光二極體中藉由使用上述空腔效應的其它優點是 < 半導體外部中發射特性會受到影響。依據半導體內部中光 子之角度分佈相對於鏡面和光產生用的層之間的距離之關 係，則在一種未粗糙化的發射面中可使半導體外部之發射 特性改變且特別是可達成一種具有優先方向的輻射分佈。 該光產生用的層至鏡面層的距離d之較佳之値是針對該 波長λ〇 = 4 5 5 nm (對應於折射率n = 2.5之半導體本體中之波 ^ 長λ=182 nm)之輻射而言。對所發出的第零階之輻射而言， d = 40 nm。對所發出的第一階之輻射而言，d=130 nm。對所 發出的第二階之輻射而言，d = 230 nm。 上述的各値在第零階時對應於（1 = 0.22λ，在第一階時對應 於d = 0.7 1X，且在第二階時對應於ο!=1.26λ。就其它的波長 而言，d須相對應地調整。 發射的階數越小，則薄膜發光二極體晶片之效率越高。 例如，當由第二階的發射轉換至第一階的發射時，則效率 ® 增加25 %。在較佳的實施形式中因此須調整第零階的發射。 以GaN爲主的薄膜發光二極體晶片之適當的具體構成具 有以下的層序列： -前側-接觸金屬層 -高摻雜的GaN:Si (層厚度700- 1 500 nm) -較低摻的GaN:Si (層厚度4000 nm) -未摻雜的GaN (層厚度30 nm) -InGaN-量子井（層厚度：大約1 nm; In含量大約10%) -14- 1254469 -阻障層（大約5nm未摻雜的GaN + 6-7 nm矽摻雜的GaN + 大約5 n m未摻雜的G a N ) -InGaN-量子井如上 -阻障層如上 -InGaN-量子井如上 -阻障層如上 -InGaN-量子井（層厚度：大約2-3 nm; In含量大約20%) -未摻雜的GaN(層厚度5-10 nm) - p-摻雜的AlGaN-層（層厚度20-40 nm; 電子-阻障層；鋁含量10-25%) - P-摻雜的GaN:Mg (終端層） -鏡面（Pt-層未閉合+Ag-層+擴散阻障+情況需要時其它 的層+連接層） -鍺-載體 在第2圖的第二實施例中，其與第1圖的實施例不同之 處是：在活性區3和面向鏡面層4之半導體層（即，第一半 導體層1)之間較佳是配置至少另一薄的電荷載體-阻障層 11。電荷載體-阻障層11較佳是半導體本體之一種成份且因 此以磊晶方式生長而成以及具有半導電性。 此外，在第2圖的實施例中，在第二半導體層2上設有 一種鈍化層8，其藉由某種大小的厚度調整至一適當的形式 而形成一種去反射層，其可在該生長基板去除之後例如藉 由沈積過程施加而成。該去反射層8不是以磊晶方式產生 且例如由氧化砂或氮化砍所構成。 -15- 1254469 第3圖之薄膜發光二極體晶片之實施例具有一種已粗糙 _ 化的發射面20，這與第2圖之實施例不同。藉由使用空腔 ^ 效應所達成的增益因此只會微不足道地減弱。發射特性只 微不足道地受到活性區至鏡面之距離變動所影響，這樣是 有利的。 第4圖中顯示一種光學元件，其例如依據第1至3圖中 所示的實施例而包含一種具有外殼的發光二極體晶片 100。發光二極體晶片100安裝在導線架92上且建構在該 ^ 外殻91的凹口中。外殼91的凹口較佳是具有一種光反射 用的表面。發光二極體晶片以澆注物質9 0來包封。 本發明當然不限於依據各實施例所作的描述之範圍。反 之，本發明包含每一新的特徵以及各特徵的每一種組合， 其特別是包含不同的申請專利範圍-或不同的實施例之各別 的特徵之每一種組合，當相關的特徵或相關的組合本身未 明顯地顯示在各申請專利範圍中或各實施例中時亦同。 【圖式簡單說明】 第1圖具有平坦之發射面之薄膜發光二極體晶片之一例。 第2圖具有半導體本體（其包含一種阻障層）和去反射層之薄 一 膜發光二極體晶片。 第3圖具有已構成的發射面之薄膜發光二極體晶片。 第4圖具有發光二極體晶片之光學組件。 【元件符號說明】 100 發光二極體晶片 10 多層構造 -16- 1254469
1 第 -. 半 導 體 11 阻 障 層 123 半 導 體 本 體 2 第 二 半 導 體 20 發 射 面 3 活 性 區 4 鏡 面 層 45 擴 散 阻 障 層 5 黏 合促 進 層 6 載 體 7 活 性 1E 3 中 8 由 鏡 面 4 所 90 澆 注 物 質 9 1 外 殻 92 導 線 架 d 鏡 面 層 4 和 層 層 產生的輻射 反射的輻射 活性區3之間的距離
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