CN101364621B

CN101364621B - 发光二极管

Info

Publication number: CN101364621B
Application number: CN2007101384969A
Authority: CN
Inventors: 曹文明; 欧震; 王韦涵; 陈建文
Original assignee: Epistar Corp
Current assignee: Epistar Corp
Priority date: 2007-08-08
Filing date: 2007-08-08
Publication date: 2010-11-17
Anticipated expiration: 2027-08-08
Also published as: CN101364621A

Abstract

本发明提供一种发光二极管，包括：基底，该基底具有至少一凸出部或光通道；第一材料层，在该基底上方；第二材料层，在该第一材料层上方；以及发光层，在该第一材料层及该第二材料层之间；其中，该凸出部或光通道的折射率不同于该第一材料层及该第二材料层的折射率，且该凸出部或光通道穿过该发光层。

Description

发光二极管

技术领域

本发明有关于一种发光二极管(light emitting diode；LED)，且特别有关于一种可增加发光效率的发光二极管。

背景技术

目前制作LED的业者倾向于研究提高LED发光效率的方法。在LED的装置中，其发光效率不佳的一个重要因素在于，部分自发光层产生的光线会在外延层与环境气体的界面处全反射导致光线无法射出至LED外。再者，被外延层反射而无法导出的光线将又可能在LED的内被全反射，如此，将在LED中产生热能，进而导致LED装置的发光效率与性能的降低。

Lester于美国专利第6,091,085号揭露一种改善发光效率的LED。如1图所示，LED装置110包括蓝宝石基底112。在蓝宝石基底112上方形成n型GaN外延层13，在n型GaN外延层13上方形成p型GaN外延层14。并且，在n型GaN外延层13与p型GaN外延层14之间形成发光层18。在p型GaN外延层14上方形成透明电极层15，在n型GaN外延层13上方形成电极层16。n型GaN外延层13形成之前，粗糙化(roughen)蓝宝石基底112表面，藉以在蓝宝石基底112表面形成凸部118及凹部119。基底表面的凹凸部118、119散射(scatter)光线，部分被散射的光111及113可导出LED装置110之外。由于凹凸部118、119改变光的反射角度，因此增加光被导出的机率，进而改善LED发光效率。

另有其他习知技术用以增加LED的发光效率，举例而言，将LED芯片表面粗糙化以增加光射出LED的机率。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种增加发光效率的发光二极管。

本发明的一实施例提供一种发光二极管，包括：基底，该基底具有至少一凸出部或光通道；第一材料层，在该基底上方；第二材料层，在该第一材料层上方；以及发光层，在该第一材料层及该第二材料层之间；其中，该凸出部或光通道的折射率与该第一材料层、该第二材料层、与该发光层中至少其一的折射率不同，且该凸出部或光通道，穿过该发光层。于数个具体例中，凸出部或光通道的材料与基底相同或相异，此外，此材料为二氧化硅、氮化硅、或此二者的组合。

本发明另一实施例提供一种发光二极管的形成方法，包括：提供基底，该基底具有至少一凸出部或光通道；在该基底上方形成第一材料层；在该第一材料层上方形成第二材料层；以及在该第一材料层及该第二材料层之间形成发光层；其中，该凸出部或光通道的折射率不同于该第一材料层及该第二材料层的折射率，且该凸出部或光通道穿过该发光层。

附图说明

图1是绘示习知的发光二极管装置的剖面图；

图2A至6B是绘示本发明的各种实施例的发光二极管的剖面图。

主要元件符号说明

13、14～外延层； 18～发光层；

15～透明电极层； 16～电极层；

110～LED； 111、113～光

112～蓝宝石基底； 118～凸部；

119～凹部； 200～LED；

210～基底； 211～第一材料层；

212～第二材料层； 213～发光层；

220～凸出部； 230～透明导电层；

231～第一电极层； 232～第二电极层；

L1、L2～光。

具体实施方式

以下实施例将伴随着图式说明本发明的概念，在图式或说明中，相似或相同的部分使用相同的标号，并且在图式中，元件的形状或厚度可扩大或缩小。需特别注意的是，图中未绘示或描述的元件，可以是熟习此技艺的人士所知的形式，此外，当叙述一层位于一基板或是另一层上时，此层可直接位于基板或是另一层上，或是其间亦可有中介层。

图2A至6B是绘示本发明的各种实施例的发光二极管的剖面图。请参照图2A，本发明实施例的可增加发光效率的发光二极管(LED)200制作于基底210上。基底210较佳为透明绝缘基底，例如蓝宝石与二氧化硅。然而，本实施例并不排除使用如碳化硅(SiC)等的导电基板。基底210具有至少一个凸出部或光通道220。在一例子中，于基底210上形成图案化的光致抗蚀剂层，接着藉由干式或湿式蚀刻法蚀刻基底210以形成凸出部220。

于另一例中，形成另一种材料于基底210上，再蚀刻此种材料以形成凸出部220。尤其，此种材料具有至少一种物理特性，诸如：折射系数与热导系数，是不同于发光二极管的外延层、基底210、或其二者。具体而言，此种材料系如SiO₂或Si₃N₄。藉由此种配置，可以于发光二极管的外延层间形成具有不同折射系数的光通道，以导引光线离开发光二极管的外延层。此外，藉由选取具有较高热导系数的材料构成此种配置，亦可以于发光二极管的外延层间形成热通道，以帮助发光二极管的散热。

在基底210上方形成第一材料层211，第一材料层211是例如氮化镓(GaN)系列等的半导体材料。第一材料层211可藉由外延(epitaxy)成长形成。在一例子中，第一材料层211为n型的半导体层。

在第一材料层211上方形成发光层213，举例而言，发光层213可包括氮化镓铟系列、氮化镓铟铝系列或其他类似的半导体材料。发光层213可藉由外延(epitaxy)成长形成。藉由来自第一材料层211与后续形成的第二材料层212的电子及空穴的结合，可在发光层213中产生光。

在发光层213上方形成第二材料层212，第二材料层212是例如氮化镓(GaN)系列等的半导体材料。第二材料层212可藉由外延(epitaxy)成长形成。在一例子中，第一材料层211为p型的半导体层。

于一具体例中，凸出部220的折射率不同于该第一材料层211及第二材料层212的折射率。举例而言，基底210为蓝宝石基底，其折射率n约为1.8，且第一材料层211及第二材料层212为氮化镓或其系列材料，其折射率约为2.5，则基底210的凸出部220的折射率小于第一材料层211及该第二材料层212的折射率。如图2A所示，自发光层213产生的光L1在全反射角限度内经由凸出部220折射之后可被导引出LED之外；或者，光L2经由凸出部220折射之后被导朝向基底210的方向，接着，再经由基底210离开LED。本图中的光线L1与L2仅示意光线在凸出部220中的可能移动方向，并非呈现符合物理定律的精准制图。

较佳者，凸出部220穿过于发光层213。在一例子中，凸出部220穿过第二材料层212，如图2A所示。

第二材料层212上方可选择形成透明导电层230，透明导电层230例如为氧化铟锡(ITO)、钌/金(Ru/Au)或镍/金(Ni/Au)薄层。接着，在透明导电层230上方形成第一电极层231，第一电极层231的材料可包括镍/金、钯/金(Pd/Au)、钯/镍或铂。蚀刻部分的透明导电层230、第二材料层212、发光层213及第一材料层211以暴露第一材料层211的部分，之后，在暴露的第一材料层211部分上方形成第二电极层232。第二电极232层例如为铬或金。

凸出部220可为柱状体，如图2A所示。在另一例子中，凸出部220可为椎状体且凸出部220突出于第二材料层212的外表面，如图2B所示。申请人发现，在外延过程中，形状为椎状体的凸出部较形状为柱状体的凸出部出光机率高；然而，形状为柱状体的凸出部面积较形状为锥状体的凸出部出光面多。熟悉此技艺人士可根据LED的设计或需求采取适用的凸出部形状。

请参照图3A-3B，在另一实施例中，凸出部220的顶面(top surface)与第二材料层212的顶面大致上齐平。凸出部220可为柱状体，如图3A所示；或者，凸出部220可为锥状体，如图3B所示。

请参照图4A-4B，在另一实施例中，凸出部220穿过发光层213，但并未穿出第二材料层212。凸出部220可为柱状体，如图4A所示；或者，凸出部220可为锥状体，如图4B所示。

在其他实施例中，相邻凸出部220间的发光层213为弧面或非平整面，由于呈现弧面的发光层的表面积较平坦表面的发光层的表面积大，因此弧面状发光层的LED发光效率较平坦表面的发光层的LED发光表现佳。请参照图5A，发光层213可具有凸状(convex)表面且凸出部220的顶面与第二材料层212的顶面大致上齐平。或者，如图5B，发光层213可具有凹状(concave)表面且凸出部220的顶面与第二材料层212的顶面大致上齐平。在另一实施例中，发光层213可具有凸状表面，凸出部220穿过发光层213但并未穿出第二材料层212，如图6A所示。或者，如图6B，发光层213可具有凹状表面，且凸出部220穿过发光层213但并未穿出第二材料层212。举例而言，可藉由控制外延工艺的条件以形成弧面状的第一材料层211与发光层213。此外，第二材料层212由于堆迭于非平整或呈现弧面的层上，其外表面亦可能呈现弧面或非平整面。此弧面状或非平整的外表面或可以降低光线于发光二极管与环境介质的界面上的全反射以增加光的摘出效率。

藉由本发明所提供的实施例，发光层产生的光可经由凸出部导出，LED的发光效率因此增加，而增加LED的亮度。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims

1.一种发光二极管，包括：

基底；

第一材料层，在该基底上方；

第二材料层，在该第一材料层上方；

发光层，在该第一材料层及该第二材料层之间；及

光通道，起始自该基底并穿过该发光层，其中该光通道的折射率与该第一材料层、该第二材料层、与该发光层中至少其一的折射率不同。

2.如权利要求1所述的发光二极管，其中该光通道的折射率小于该第一材料层及该第二材料层的折射率。

3.如权利要求1所述的发光二极管，其中该光通道的材料与该基底相同。

4.如权利要求1所述的发光二极管，其中该光通道的材料与该基底相异。

5.如权利要求1所述的发光二极管，其中该光通道的材料择自由二氧化硅与氮化硅构成的群组。

6.如权利要求1所述的发光二极管，其中该基底包括绝缘材料。

7.如权利要求1所述的发光二极管，其中该基底的材料择自由蓝宝石、二氧化硅、与碳化硅构成的群组。

8.如权利要求1所述的发光二极管，其中该光通道突出于该第二材料层。

9.如权利要求1所述的发光二极管，其中该光通道的顶面与该第二材料层的顶面齐平。

10.如权利要求1所述的发光二极管，其中该光通道为柱状体或椎状体。

11.如权利要求1所述的发光二极管，其中该第一材料层及该第二材料层包括氮元素。

12.如权利要求1所述的发光二极管，其中该发光层包括氮化镓铟系列材料或氮化镓铟铝系列材料。

13.如权利要求1所述的发光二极管，其中该第一材料层包括n型半导体，该第二材料层包括p型半导体。

14.如权利要求1所述的发光二极管，其中该发光层表面的几何形状选择自由凹面、凸面、及前述二者的组合所构成的群组。

15.如权利要求1所述的发光二极管，还包括：

透明导电层，在该第二材料层上方。

16.如权利要求1所述的发光二极管，还包括：

第一电极层，在该第二材料层上方。

17.如权利要求1所述的发光二极管，还包括：

第二电极层，在该第一材料层上方。