[发明专利]发光元件及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种发光元件的结构及其制作方法。

背景技术

半导体发光元件的应用颇为广泛，例如可应用于交通信号标志、Blue-DVD高密度储存、HD-DVD、绿光RCLED(可适用于车用塑胶光纤的内部通讯与控制系统)、以及医疗装置(UV LEDs)等。发光元件效能的提升，将使发光元件应用的层面更为广泛，例如可应用于光学显示装置(RGB edge-lit back light units)或背投影电视(Rear-projection TV)。因此，提升元件效能为目前主要的研究课题。

因发光二极管的发光没有方向性，在光学模块的应用上，由于光展量(Etendue)的影响，光使用效率亦受到限制。因此使发光二极管发光具有方向性，进而降低发散角，也是发光二极管效能的提升的方式之一。E.Yablonovitch及S.John在1987年提出具有以电磁波波长尺度1/2为周期排列的介质，也就是远红外线到可见光的波长大小(300～700nm)，可使得电磁波在此具有高度排列秩序的材料中的行为有如电子在晶体中般可被介质的空间结构、排列周期、结构形式以及介电常数所控制，因此不需要改变介质本身的化学结构，仅需在介质的波长尺度以及光子能隙进行设计便可制造出具有不同光特性的元件，此种新式的人工晶体称为光子晶体(Photonic Crystal，PC)。若应用在发光二极管，于其表面蚀刻出二维光子晶体的孔洞状结构，可使得限制于发光二极管中的光不再向任意方向发射，大幅增加了光导向上方发射机会，进而降低发光二极管发散角并提升其效率。

光子晶体其组成会在x-y平面呈现周期性的变化，将此结构以二维等效折射率平面观察，如图1所示，将此结构的等效折射率以二维方式呈现，其中n₁为量子阱内部扩散效应后的折射率，n₂为量子阱内部扩散效应前的折射率。我们将等效折射率差值(n₁-n₂)定义为Δn，

Δn＝n_r+j*n_i                       (1-1)

其中n_r为等效折射率差值的实部，n_i为等效折射率差值的虚部。有源层材料组成呈现周期性的变化，其n_r与n_i两参数会同时存在。n_r影响的是发光二极管光取出效率(light extraction efficiency)，n_i值则会影响发光二极管内部量子效应(internal efficiency)。已知作法是在发光二极管表面蚀刻出二维光子晶体形成类似的二维等效折射率平面，但其Δn只存在n_r(n_i为零)，所以此结构只能影响发光二极管的光取出效率及发散角。

另一已知作法是使用传统激光全像术曝光装置(Laser holography apparatus)，并利用半导体工艺曝光、显影与蚀刻的方法于发光元件的欧姆接触层上形成纳米级岛状结构(nano-sized islands)，以增加发光元件的光取出效率。

发明内容

本发明提供一种具有光子晶体结构的发光元件，包含：基板；以及半导体外延结构位于该基板之上，其中该半导体外延结构具有量子阱有源层，且该量子阱有源层包含在一维或二维空间具有周期性介电常数变化的光子晶体结构，且该光子晶体结构只形成在该量子阱有源层内。以发光二极管为例，其有源层材料的组成会在X-Y平面呈现周期性的变化，能同时增加发光二极管的内部量子效应和光取出效率。此外，其折射率的周期性变化发生在有源层，而不是发光二极管表面，依据光子的分布情形，此光子晶体发光二极管只需微量的折射率变化量即可有效提升其内部量子效应和光取出效率。

附图说明

图1是显示发光二极其增益区材料的组成会在X-Y平面呈现周期性的变化图；

图2是显示本发明设计的新型全像术曝光系统结构图；

图3是显示本发明入射光导致局部量子混合效应图；

图4a是显示量子阱内部扩散效应前能带分布图；

图4b是显示量子阱内部扩散效应后能带分布图；

图5是显示本发明光场强度分布图；

图6a是显示本发明实施例的发光二极管外延结构图；

图6b是显示本发明实施例的光子晶体发光二极管；

图7是显示本发明实施例发光二极管中有源层组成随X轴方向分布图；