一种发光元件的制作方法

1.本发明涉及发光半导体元件技术领域，具体为一种发光元件。


背景技术：

2.发光元件通常包含发光二极管(light-emitting diode，led)及激光二极管(laser diode，ld)，尤其led属于发散光源，发光元件是利用磊晶技术在半导体底材上形成由p-n接面或p-i-n接面，以达到发光的目的。请参照图1，在现有技术中，发光元件是由磊晶形成，其结构由下而上依序包括：基底(substate)1、分布式布拉格反射镜(distributed bragg reflector，dbr)层2、下披覆层(lower cladding layer)3、主动层(active layer)4、上披覆层(upper cladding layer)5及窗口层(window layer)6，在基底(substate)1下则为下电极(electrode)8，至于在窗口层6之上则形成上电极7。一般而言在对上电极7及下电极8通电之后由主动层4所产生的光，一部分会朝着窗口层6的方向辐射而使发光元件发光。然而另一部份由主动层4所产生的光会自主动层4朝dbr层2辐射，此时透过dbr层2的反射作用将光线反射朝主动层4及窗口层6方向并穿出窗口层6幅射而形成发光，因而提高发光元件的发光强度及发光效率。
3.通常dbr层2是由复数个堆栈对(pair)重复堆栈所构成，每一个堆栈对包括上层和下层，在复数个堆栈对中的每一个上层都具有相同的厚度，而每一个下层也同样具有相同的厚度，而通常上层的厚度与下层的厚度不相同。即是说，复数个堆栈对中的每一个堆栈对都具有相同的厚度。除了所使用材料的因素之外，前述上层的厚度、下层的厚度及堆栈对的厚度，决定了dbr层2反射来自主动层4的光的设计波长(target wavelength)。请参照图2，其中图2(a)是前述传统发光元件操作过程中的主动层4的发光强度及发光波长范围，此发光波长范围(介于585nm至685nm之间，峰值波长为635nm)可以由左至右区分为依次相邻的短波长范围a(585nm至610nm之间)、主波长范围b(610nm至660nm之间)及长波长范围c(660nm至685nm之间)；图2(b)则是前述传统发光元件操作过程中的dbr层2的反射能力光谱图，显然地，高反射率的停止带(stop band)d只对应于主波长范围b，而短波长范围a及长波长范围c并不会被dbr层2反射往窗口层6，而前述设计波长(635nm)通常是约位于停止带d中央的波长。
4.前述dbr层2之中的每一个堆栈对都具有相同的厚度，则此dbr层2可以被称为单阶dbr层。因此，就使用单阶dbr层的前述传统发光元件而言，其在窗口层6所测得的发光总能量(total power)并不包含短波长范围a及长波长范围c的能量。即是说，使用单阶dbr层的传统发光元件损失了短波长范围a及长波长范围c的发光能量。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种发光元件，以解决上述背景技术中提出的技术问题。
6.为实现上述目的，根据本发公开的一个方面，提供了一种发光元件，所述发光元件包括：基底；分布式布拉格反射镜层，所述分布式布拉格反射镜层设置于所述基底的上方；
下披覆层，所述下披覆层设置于所述分布式布拉格反射镜层的上方；主动层，所述主动层设置于所述下披覆层的上方；上披覆层，所述上披覆层设置于所述主动层的上方；窗口层，所述窗口层设置于所述上披覆层的上方；其中，所述分布式布拉格反射镜层具有复数个子分布式布拉格反射镜层，复数个所述子分布式布拉格反射镜层彼此之间的厚度不同。
7.在一种可能的实现方式中，复数个所述子分布式布拉格反射镜层分别为第一子分布式布拉格反射镜层及第二子分布式布拉格反射镜层，所述第二子分布式布拉格反射镜层的厚度大于所述第一子分布式布拉格反射镜层的厚度。
8.在一种可能的实现方式中，所述第二子分布式布拉格反射镜层叠置于所述第一子分布式布拉格反射镜层上方。
9.在一种可能的实现方式中，所述第一子分布式布拉格反射镜层叠置于第二子分布式布拉格反射镜层上方。
10.在一种可能的实现方式中，所述主动层的发光波长范围由左至右区分为依次相邻的短波长范围、主波长范围及长波长范围，所述第一子分布式布拉格反射镜层反射来自所述主动层的主波长范围的光。
11.在一种可能的实现方式中，所述第二子分布式布拉格反射镜层反射来自所述主动层的长波长范围的光。
12.在一种可能的实现方式中，所述第二子分布式布拉格反射镜层反射来自所述主动层的短波长范围的光。
13.在一种可能的实现方式中，复数个所述子分布式布拉格反射镜层由下而上叠置有第一子分布式布拉格反射镜层、第二子分布式布拉格反射镜层及第三子分布式布拉格反射镜层；或，
14.复数个所述子分布式布拉格反射镜层由下而上叠置有所述第一子分布式布拉格反射镜层、所述第二子分布式布拉格反射镜层、所述第三子分布式布拉格反射镜层及第四子分布式布拉格反射镜层；或，
15.复数个所述子分布式布拉格反射镜层由下而上叠置有所述第一子分布式布拉格反射镜层、所述第二子分布式布拉格反射镜层、所述第三子分布式布拉格反射镜层、所述第四子分布式布拉格反射镜层及第五子分布式布拉格反射镜层；所述第一子分布式布拉格反射镜层、所述第二子分布式布拉格反射镜层、所述第三子分布式布拉格反射镜层、所述第四子分布式布拉格反射镜层及所述第五子分布式布拉格反射镜层的厚度是彼此不相同。
16.在一种可能的实现方式中，所述基底为砷化镓，所述主动层为磷化铝镓铟，所述分布式布拉格反射镜层为砷化铝镓。
17.在一种可能的实现方式中，所述基底、所述分布式布拉格反射镜层及所述下披覆层为第一传导型，所述上披覆层及所述窗口层为第二传导型；当第一传导型为n型，则第二传导型为p型；或者，当第一传导型为p型，则第二传导型为n型。
18.本技术实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种技术效果：
19.在本发明实施例提供的一种发光元件，能够反射来自主动层的发光波长范围中的短波长范围、主波长范围及长波长范围，以使得发光元件于窗口层得以展现出最高的发光总能量(total power)。
20.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
21.图1为传统发光元件的结构剖视图。
22.图2(a)为传统发光元件的主动层发光波长范围示意图。
23.图2(b)为传统发光元件的单阶dbr层的反射光谱示意图。
24.图3为本发明发光元件的结构剖视图。
25.图4为本发明发光元件具有二阶dbr层的结构剖视图。
26.图5(a)为本发明发光元件的主动层发光波长范围示意图。
27.图5(b)为本发明发光元件具有二阶dbr层的反射光谱示意图。
28.图6为本发明发光元件具有三阶、四阶及五阶dbr层的反射光谱示意图。
29.附图标记说明：100、发光元件；10、第一电极；11、基底；12、分布式布拉格反射镜层；120、子分布式布拉格反射镜层；120’、第一子分布式布拉格反射镜层；120”、第二子分布式布拉格反射镜层；121、堆栈对；121’、第一堆栈对；1211’、第一下堆栈层；1212’、第一上堆栈层；121”、第二堆栈对；1211”、第二下堆栈层；1212”、第二上堆栈层；1211、下堆栈层；1212、上堆栈层；13、下披覆层；14、主动层；15、上披覆层；16、窗口层；17、第二电极；a’、短波长范围；b’、主波长范围；c’、长波长范围。
具体实施方式
30.为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本公开实施方式作进一步地详细描述。
31.首先请参阅图3，本技术的提供了一种发光元件(light-emitting diode，led)100，发光元件100可以是发光二极管(light-emitting diode，led)及激光二极管(laser diode，ld)。为了方便理解本技术的原理，以下实施方式是以led的结构为举例，然而本领域技术人员应当可以理解本技术的原理及结构也适用于ld。发光元件100系至少包含：一第一电极(electrode)10；一基底(substate)11，基底11与第一电极10接触，基底11可以设置于第一电极10的上方或下方；一分布式布拉格反射镜(distributed bragg reflector，dbr)层12，分布式布拉格反射镜层12设置于基底11的上方，分布式布拉格反射镜层12可以与基底11的上表面接触；一下披覆层(lower cladding layer)13，下披覆层13设置于分布式布拉格反射镜层12的上方，下披覆层13可以与分布式布拉格反射镜层12的上表面接触；一主动层(active layer)14，主动层14设置于下披覆层13的上方，主动层14可以与下披覆层13的上表面接触；一上披覆层(upper cladding layer)15，上披覆层15设置于主动层14的上方，上披覆层15可以与主动层14的上表面接触；一窗口层(window layer)16，窗口层16设置于上披覆层15的上方，窗口层16可以与上披覆层15的上表面接触；一第二电极17，第二电极17设置于窗口层16的上方，第二电极17可以与窗口层16接触。即是说，发光元件100的结构是由下而上利用磊晶技术依序形成有：基底11、分布式布拉格反射镜层12、下披覆层13、主动层14、上披覆层15及窗口层16，例如以分子束磊晶法(molecular beam epitaxy，mbe)、金
属有机气相磊晶法(metal organic vapor phase epitaxy,mopve)、低压气相磊晶法(low pressure vapor phase epit axial method,lpmovpe)或有机金属气相沈积法(metal organic chemical vapor deposition，mocvd)等相关技术于腔室中的原位(in-suit)形成。
32.基底11为一第一传导型基底，例如为n型砷化镓(gaas)，厚度介于250μm至300μm间。分布式布拉格反射镜层12为一第一传导型分布式布拉格反射镜层，例如为n型分布式布拉格反射镜层，分布式布拉格反射镜层12可以为砷化铝镓(algaas)。下披覆层13为一第一传导型披覆层，例如为n型披覆层，下披覆层13可以为砷化铝(alas)和/或砷化铝镓(algaas)。举例来说，主动层14则可以为未掺杂磷化铝镓铟(algainp)，厚度大约为0.1至2μm。上披覆层15为一第二传导型披覆层，例如为p型披覆层，上披覆层15可以为砷化铝(alas)及/或砷化铝镓(algaas)。下披覆层13及上披覆层15皆为抗反射堆积层(anti-reflection stack)，其使得主动层14产生的光不会在下披覆层13/主动层14的接面(下接面，图未标号)以及上披覆层15/主动层14的接面(上接面，图未标号)发生反射，下披覆层13及上披覆层15也避免主动层14产生的光在前述上接面及下接面之间产生共振现象。窗口层16为一第二传导型窗口层，例如为p型窗口层，窗口层16具有较宽或不直接(indirect)的能隙(energygap)以及较高的传导性，窗口层16可以为磷化镓(gap)、磷砷化镓(gaasp)或砷化铝镓(algaas)。第一电极10为一第一传导型电极，例如为n型电极；第二电极17为一第二传导型电极，例如为p型电极；n型电极可以为金锗镍(augeni)合金，而p型电极则可以为铍金(beau)合金。即是说，当第一传导型为n型，则第二传导型为p型；或者，当第一传导型为p型，则第二传导型为n型。
33.分布式布拉格反射镜层12为多阶分布式布拉格反射镜层，以有别于使用单阶分布式布拉格反射镜层的传统发光元件。分布式布拉格反射镜层12具有复数个叠置的子分布式布拉格反射镜层120，而前述多阶分布式布拉格反射镜层指的是具有复数个子分布式布拉格反射镜层120的分布式布拉格反射镜层，每一子分布式布拉格反射镜层120都具有不同的厚度，也就是说复数个子分布式布拉格反射镜层120彼此之间的厚度不同。而前述单阶分布式布拉格反射镜层指的是只具有一个子分布式布拉格反射镜层的分布式布拉格反射镜层。每一子分布式布拉格反射镜层120都是由复数个堆栈对(pair)121重复堆栈所构成，每一个堆栈对121包括一下堆栈层1211和一上堆栈层1212。下堆栈层1211的材料为al
x
ga
1-x
as和上堆栈层1212的材料为alyga
1-y
as，其中0《x《1，0《y《1，y大于8倍的x。
34.请一并参阅图4，本发明的第一实施例，分布式布拉格反射镜层12可以称为二阶分布式布拉格反射镜层(具有两个子分布式布拉格反射镜层120)，例如复数个子分布式布拉格反射镜层120分别为一第一子分布式布拉格反射镜层120’及叠置于第一子分布式布拉格反射镜层120’上方的一第二子分布式布拉格反射镜层120”，第一子分布式布拉格反射镜层120’由复数个第一堆栈对121’重复堆栈所构成，第二子分布式布拉格反射镜层120”由复数个第二堆栈对121”重复堆栈所构成。每一第一堆栈对121’包括一第一下堆栈层1211’和一第一上堆栈层1212’，每一第二堆栈对121”包括一第二下堆栈层1211”和一第二上堆栈层1212”。第一子分布式布拉格反射镜层120’与第二子分布式布拉格反射镜层120”彼此之间的厚度不同，更进一步地说，第一堆栈对121’与第二堆栈对121”彼此之间的厚度不同。当然，也可以是第一下堆栈层1211’与第二下堆栈层1211”彼此之间的厚度不同，第一上堆栈
层1212’与第二上堆栈层1212”彼此之间的厚度不同。
35.主动层14可以是多重量子井结构(multiple quantum well struct ure)，其中多重量子井结构包含复数个交替形成的量子井层(quantum well layers)及能障层(barrier layers)。多重量子井结构的材料则可利用改变algainp中的铝含量而获得。对量子井层而言其组成材料可为磷化铝镓铟(alxgainp,x＝0-0.5)，而能障层的材料则可使用磷化铝镓铟(alxgainp,x＝0.3-1)量子井层及能障层的厚度可以分别为20及500埃。请一并参阅图5(a)及图5(b)，主动层14为algainp，其发光波长范围是介于585nm至685nm之间，而峰值波长为635nm。此发光波长范围由左至右区分为依次相邻的短波长范围a’(585nm至610nm之间)、主波长范围b’(610nm至660nm之间)及长波长范围c’(660nm至685nm之间)。于此实施例中，第一子分布式布拉格反射镜层120’的反射光谱图中位于停止带(stop band)中央的一第一设计波长(targ et wavelength)为630nm，以反射来自主动层14的前述短波长范围a’及主波长范围b’的光。由于分布式布拉格反射镜层的厚度决定了分布式布拉格反射镜层反射来自主动层的光的设计波长，较厚的分布式布拉格反射镜层能够反射较长的设计波长，因此本发明使得第二子分布式布拉格反射镜层120”的厚度大于第一子分布式布拉格反射镜层120’的厚度，第二子分布式布拉格反射镜层120”的反射光谱图中位于停止带中央的一第二设计波长为670nm，以反射来自主动层14的前述长波长范围c’及主波长范围b’的光。即是说，于此实施例中，第一子分布式布拉格反射镜层120’与第二子分布式布拉格反射镜层120”分别反射来自主动层14所发的光的不同的波长范围，第二子分布式布拉格反射镜层120”的第二设计波长670nm大于第一子分布式布拉格反射镜层120’的第一设计波长630nm。从图5(b)关于分布式布拉格反射镜的反射能力光谱图可以明显看出，本发明使用二阶分布式布拉格反射镜层的第一实施例发光元件的停止带波长范围是介于605nm至695nm之间(停止带80％高度的波长区间84nm)，而使用单阶分布式布拉格反射镜层的传统发光元件的停止带波长范围是介于610nm至660nm之间(停止带80％高度的波长区间49nm)。由于使用二阶分布式布拉格反射镜层的第一实施例发光元件具有较宽的停止带波长范围(停止带80％高度的波长区间80nm)，因此来自主动层14的短波长范围a’、主波长范围b’及长波长范围c’的光经过分布式布拉格反射镜层12反射后会朝着窗口层16的方向辐射，因而于窗口层16所测得的发光总能量其功率约为2.51mw。然而，使用单阶分布式布拉格反射镜层的传统发光元件(设计波长为635nm)却具有较窄的停止带波长范围(停止带80％高度的波长区间49nm)，因此只有来自主动层的主波长范围(610nm至660nm之间)的光经过分布式布拉格反射镜层反射后会朝着窗口层的方向辐射，因而于窗口层所测得的发光总能量其功率仅约为2.15mw。显然使用二阶分布式布拉格反射镜层的第一实施例发光元件的发光总能量是使用单阶分布式布拉格反射镜层的传统发光元件的发光总能量的1.17倍。即是说，使用二阶分布式布拉格反射镜层的第一实施例发光元件提高了于窗口层16所测得的发光总能量。另外，在窗口层16也测得使用二阶分布式布拉格反射镜层的第一实施例发光元件的光通量(亮度)是未使用分布式布拉格反射镜层的传统发光元件的光通量的1.9倍，而使用单阶分布式布拉格反射镜层的传统发光元件的光通量仅是未使用分布式布拉格反射镜层的传统发光元件的光通量的1.6倍，显然使用二阶分布式布拉格反射镜层的第一实施例发光元件的光通量是使用单阶分布式布拉格反射镜层的传统发光元件的光通量的1.19倍。即是说，使用二阶分布式布拉格反射镜层的第一实施例发光元件提高了在窗口层16所测得的光通
量。
36.本发明的第二实施例与第一实施例类似，第二实施例与第一实施例的差别仅是在第二实施例中，第一子分布式布拉格反射镜层120’叠置于第二子分布式布拉格反射镜层120”上方而非下方。当然，在设计第一实施例及第二实施例时，也可以是第二子分布式布拉格反射镜层120”的厚度小于第一子分布式布拉格反射镜层120’的厚度。
37.在其他的实施例分别为第三实施例、第四实施例、第五实施例，分别是具有三个子分布式布拉格反射镜层的三阶分布式布拉格反射镜层、具有四个子分布式布拉格反射镜层的四阶分布式布拉格反射镜层、具有五个子分布式布拉格反射镜层的五阶分布式布拉格反射镜层。第三实施例与与第一实施例类似，第三实施例与第一实施例的差别仅是在第三实施例中，复数个子分布式布拉格反射镜层120由下而上叠置有第一子分布式布拉格反射镜层120’、第二子分布式布拉格反射镜层120”及一第三子分布式布拉格反射镜层(图未绘出)。第四实施例与第三实施例的差别仅是在第四实施例中，复数个子分布式布拉格反射镜层120更包含一第四子分布式布拉格反射镜层(图未绘出)叠置于第三子分布式布拉格反射镜层的上方。第五实施例与第四实施例的差别仅是在第五实施例中，复数个子分布式布拉格反射镜层120更包含一第五子分布式布拉格反射镜层(图未绘出)叠置于第四子分布式布拉格反射镜层的上方。特别说明的是，第一子分布式布拉格反射镜层、第二子分布式布拉格反射镜层、第三子分布式布拉格反射镜层、第四子分布式布拉格反射镜层及第五子分布式布拉格反射镜层的叠置次序也可以依需求而改变。当然，前述第一实施例至第五实施例中，第一子分布式布拉格反射镜层、第二子分布式布拉格反射镜层、第三子分布式布拉格反射镜层、第四子分布式布拉格反射镜层及第五子分布式布拉格反射镜层的厚度是彼此不相同，因此各自所对应的位于各自停止带中央的设计波长也不相同。即是说，第一子分布式布拉格反射镜层、第二子分布式布拉格反射镜层、第三子分布式布拉格反射镜层、第四子分布式布拉格反射镜层及第五子分布式布拉格反射镜层，分别对应的第一设计波长、第二设计波长、一第三设计波长、一第四设计波长及一第五设计波长也不同。
38.例如，于第四实施例中，第一设计波长为600nm、第二设计波长为635nm、第三设计波长为670nm及第四设计波长为700nm，复数个子分布式布拉格反射镜层由下而上叠置有第四子分布式布拉格反射镜层、第三子分布式布拉格反射镜层、第二子分布式布拉格反射镜层及第一子分布式布拉格反射镜层。请一并参阅图6，使用具有单阶分布式布拉格反射镜层的传统发光元件其停止带80％高度的波长区间仅为67nm，使用具有三阶分布式布拉格反射镜层的本发明第三实施例发光元件其停止带80％高度的波长区间可以扩展为87nm，使用具有四阶分布式布拉格反射镜层的本发明第四实施例发光元件其停止带80％高度的波长区间可以扩展为95nm，使用具有五阶分布式布拉格反射镜层的本发明第五实施例发光元件其停止带80％高度的波长区间可以扩展为104nm。类似于第一实施例发光元件的讨论，因此第三实施例发光元件、第四实施例发光元件及第五实施例发光元件比传统发光元件的发光总能量及光通量还高。而且发光总能量及光通量由大至小的次序为：第五实施例发光元件、第四实施例发光元件、第三实施例发光元件、第一实施例发光元件、传统发光元件。
39.本发明是利用多阶分布式布拉格反射镜层(复数个子分布式布拉格反射镜层)的组合，每一个子分布式布拉格反射镜层都具有不同的厚度，也就是说复数个子分布式布拉格反射镜层彼此之间的厚度不同。由于子分布式布拉格反射镜层的厚度决定了子分布式布
拉格反射镜层反射来自主动层的光的设计波长，因此复数个子分布式布拉格反射镜层的组合可以扩展停止带80％高度的波长区间，使得停止带80％高度的波长区间比使用单阶分布式布拉格反射镜层(只有一个子分布式布拉格反射镜层)的传统发光元件还宽，而使得本发明发光元件的发光总能量及光通量提高。
40.本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。
41.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。