CN101533881B

CN101533881B - 半导体发光组件

Info

Publication number: CN101533881B
Application number: CN2008100861024A
Authority: CN
Inventors: 蔡宗良; 王伟凯; 林素慧; 陆薏存
Original assignee: GUANGJIA PHOTOELECTRIC CO Ltd
Current assignee: Epistar Corp
Priority date: 2008-03-11
Filing date: 2008-03-11
Publication date: 2012-05-02
Anticipated expiration: 2028-03-11
Also published as: CN101533881A

Abstract

本发明揭露一种半导体发光组件。半导体发光组件包含基板、第一传导型态半导体材料层、第二传导型态半导体材料层、发光层、第一电极、第二电极以及数个凸状结构。第一传导型态半导体材料层形成于基板上并且具有上表面，包含第一区域以及不同于第一区域的第二区域。第一电极形成于第一区域上，并且发光层及第二传导型态半导体材料层形成于第二区域上。数个凸状结构形成于第一传导型态半导体材料层的上表面上并且介于第一区域以及第二区域之间。每一个凸状结构由ITO、SiO₂、SiN、ZnO、polymide、BCB、SOG、InO或SnO所制成。

Description

半导体发光组件

技术领域

本发明涉及一种半导体发光组件(semiconductor light-emitting device)，特别涉及一种具有高度光取出效率的半导体发光组件。

背景技术

现今半导体发光组件(例如，发光二极管)的应用领域已甚为广泛，例如按键系统、手机屏幕背光模块、车辆照明系统、装饰用灯饰及遥控领域等产品，皆见到半导体发光组件被广泛地应用。为了让半导体发光组件尽可能地确保较高的功能可靠性以及较低的能源消耗，因此对于半导体发光组件皆须要求其本身的外部量子效率(external quantum efficiency)。

理论上，半导体发光组件的外部量子效率与其本身的内部量子效率及光取出效率(light-extraction efficiency)有关。所谓的内部量子效率由材料特性及质量所决定。至于光取出效率则是意谓从组件内部发出至周围空气或是封装的环氧树脂内的辐射比例。光取出效率取决于当辐射离开组件内部时所发生的损耗。造成上述损耗的主要原因之一是导因于形成组件的表面层的半导体材料具有高折射系数(refraction coefficient)，导致光在该材料表面产生全反射(total reflection)而无法发射出去。若光取出效率提升，则半导体发光组件的外部量子效率亦随之提升。

请参阅图1。图1是现有的发光二极管1。如图1所示，发光二极管1包含基板10、N-type氮化镓12、P-type氮化镓16、发光区14以及电极18。为了导通P-type氮化镓16及N-type氮化镓12以使发光二极管1运作，其中一个电极18形成于P-type氮化镓16上，另外一个电极18形成于N-type氮化镓12上。在形成另外一个电极18之前，发光二极管1需透过蚀刻制程以部份蚀刻P-type氮化镓16、发光区14以及N-type氮化镓12。之后，另外一个电极18形成于N-type氮化镓12的曝露的部份上。然而，如图1所示，由于发光区14被部份蚀刻，因此发光二极管1不但出光面积大幅减少，并且其发光效率亦降低许多。

虽然到目前为止已经有许多种不同结构的发光二极管被提出，但是如何充份提高发光二极管的光取出效率及使得发光二极管具有宽广及均匀的出光一直是不断被研究的议题。因此，本发明的主要目的是提供一种半导体发光组件，以解决上述的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种半导体发光组件。半导体发光组件具有高度光取出效率，并且能够发射出宽广及均匀的光线。

在根据本发明的一较佳实施例中，半导体发光组件包含基板(substrate)、第一传导型态半导体材料层、第二传导型态半导体材料层、发光层(light-emitting layer)、第一电极、第二电极以及数个凸状结构(bump structure)。

第一传导型态半导体材料层形成于基板上。第一传导型态半导体材料层具有上表面，并且上表面包含第一区域以及不同于第一区域的第二区域。第一电极形成于第一区域上，并且发光层形成于第二区域上。第二传导型态半导体材料层形成于发光层上。第二电极形成于第二传导型态半导体材料层上。数个凸状结构形成于第一传导型态半导体材料层的上表面上并且介于第一区域以及第二区域之间。

其中，数个凸状结构中的每一个凸状结构由折射率大于1的材料所制成，并且该材料是ITO、SiO₂、SiN、polymide、BCB、SOG、InO或SnO。

在根据本发明的另一较佳实施例中，数个凸状结构中的每一个凸状结构由第一结构层及第二结构层所形成。第一结构层形成于第一传导型态半导体材料层的上表面上。第二结构层形成于第一结构层上并且由折射率大于1的一材料所制成，并且该材料是ITO、SiO₂、SiN、polymide、BCB、SOG、InO或SnO。

附图说明

为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下面将结合附图对本发明的较佳实施例详细说明：

图1是现有的发光二极管。

图2A是根据本发明的一较佳实施例的半导体发光组件的截面视图。

图2B是根据本发明的另一较佳实施例的半导体发光组件的截面视图。

图3是根据本发明的每一个凸状结构的的侧壁具有一弧形的轮廓的示意图。

图4是根据本发明的半导体发光组件的顶视图。

图5A是图2A中的凸状结构的顶表面进一步形成至少一个凹陷的截面视图。

图5B是图2B中的凸状结构的顶表面进一步形成至少一个凹陷的截面视图。

图6是根据本发明的一较佳实施例的半导体发光组件进一步包含透明导电层的截面视图。

具体实施方式

请参阅图2A。图2A是根据本发明的一较佳实施例的半导体发光组件2的截面视图。

如图2A所示，半导体发光组件2包含基板20、第一传导型态半导体材料层22、发光层24、第二传导型态半导体材料层26、第一电极30、第二电极32以及数个凸状结构28。

在实际应用中，基板20可以是玻璃(SiO₂)、硅(Si)、锗(Ge)、氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAs)、磷化镓(GaP)、氮化铝(AlN)、蓝宝石(sapphire)、尖晶石(spinnel)、三氧化二铝(Al₂O₃)、碳化硅(SiC)、氧化锌(ZnO)、氧化镁(MgO)、二氧化锂铝(LiAlO₂)、二氧化锂镓(LiGaO₂)或四氧化镁二铝(MgAl₂O₄)，但不以此为限。

在实际应用中，第一传导型态半导体材料层22及第二传导型态半导体材料层26可以由III-V族化合物半导体材料所制成。

III-V族化合物半导体材料内的III族化学元素可以是铝(Al)、镓(Ga)或铟(In)等元素。III-V族化合物半导体材料内的V族化学元素可以是氮(N)、磷(P)或砷(As)等元素。在此实施例中，第一传导型态半导体材料层22及第二传导型态半导体材料层26可以由氮化镓制成。

第一传导型态半导体材料层22形成于基板20上，并且第一传导型态可以是N型态。换言之，第一传导型态半导体材料层22为N型态氮化镓接触层。第一传导型态半导体材料层22具有上表面220，并且上表面220包含第一区域2200以及不同于第一区域2200的第二区域2202。第一电极30形成于第一区域2200上，并且发光层24形成于第二区域2202上。第一电极30即为N型态电极。

第二传导型态半导体材料层26形成于发光层24上。对应于第一传导型态半导体材料层22，第二传导型态半导体材料层26是P型态，亦即P型态氮化镓接触层。第二电极32可以形成于第二传导型态半导体材料层26上，并且第二电极32即为P型态电极。

如图2A所示，数个凸状结构28形成于第一传导型态半导体材料层22的上表面220上并且介于第一区域2200以及第二区域2202之间。在实际应用中，每一个凸状结构28可以呈现圆柱状、椭圆状及多边形状等。

根据本发明，每一个凸状结构28可以由折射率大于1的特定材料所制成。这种材料可以是ITO、SiO₂、SiN、ZnO、polymide、BCB、SOG、InO、SnO、III-V族化合物半导体材料或II-VI族化合物半导体材料，但不以此为限。III-V族化合物半导体材料内的III族化学元素及V族化学元素的种类已如之前所述。II-VI族化合物中的II族化学元素可以是铍(Be)、镁(Mg)、钙(Ga)或锶(Sr)等元素，II-VI族化合物中的VI族化学元素可以是氧(O)、硫(S)、硒(Se)或碲(Te)等元素。在一较佳实施例中，每一个凸状结构28亦可以由折射率大于1的绝缘材料所制成。

借助空气与特定材料的折射率的差异，半导体发光组件2的光取出效率能够有效地提升。由于这种材料本身具有的折射率大于环境的折射率(例如空气的折射率为1)，因此半导体发光组件2所发出的侧光可经由此材料折向上方或下方，避免被第一电极30吸收，以增加半导体发光组件2本身的光输出效率。

为了避免由发光层24所发出的光线被第一电极30所吸收，每一个凸状结构28的高度可以大致上等于或高于第一电极30的高度。如图2A所示，若以第一传导型态半导体材料层22的上表面220为参考面，第一电极30的顶表面300具有高度D1，每一个凸状结构28的顶表面280具有高度D2，并且D2大致上可以等于D1或大于D1以阻挡光线射向第一电极30。

请参阅图2B。图2B是根据本发明的另一较佳实施例的半导体发光组件2的截面视图。在此实施例中，每一个凸状结构28可以包含第一结构层282以及第二结构层284。在实际应用中，第一结构层282可以由第一传导型态半导体材料层22、第二传导型态半导体材料层26以及发光层24所组成。需注意的是，为了避免由半导体发光组件2的主体所发射的光线被吸收，每一个凸状结构28的发光层24进一步可以被移除。或者，第一结构层282可以完全由第一传导型态半导体材料层22所组成。第二结构层284形成于第一结构层282上并且由折射率大于1的特定材料所制成。这种材料可以是ITO、SiO₂、SiN、ZnO、polymide、BCB、SOG、InO或SnO，但不以此为限。

在一较佳实施例中，若以第一传导型态半导体材料层22的上表面220为参考面，第一电极30的顶表面300具有高度D1，每一个凸状结构28的顶表面280具有高度D2，并且D2大致上可以等于D1或大于D1以避免由发光层24所发出的光线被第一电极30所吸收。借此，由发光层24所发出的光线可以避免被第一电极30所吸收以提高光取出效率。进一步，第一结构层282的顶表面2820具有高度D3，并且第二传导型态半导体材料层26的顶表面260具有高度D4。D4大致上可以等于D3或大于D3。

请再参阅图2A及图2B。在一较佳实施例中，至少一个凹陷2800进一步形成于每一个凸状结构28的侧壁。如图2A及图2B所示，每一个凸状结构28的侧壁可以具有锯齿形，因此其侧壁形成数个凹陷2800。也就是说，每一个凸状结构28的侧壁具有粗糙的表面形态(roughened surfacemorphology)。或者，请参阅图3。于另一较佳实施例中，每一个凸状结构28的侧壁大致上可以具有弧形的轮廓。

假设每一个凸状结构28的侧壁具有笔直的轮廓，并且侧壁与第一传导型态半导体材料层22的上表面220的夹角等于90度，则由发光层24所发出的光线将被局限在凸状结构28与半导体发光组件2的主体间来回反射。然而，如图2A、图2B及图3所示，由于本发明中的每一个凸状结构28的侧壁具有粗糙的表面形态或弧形的轮廓，因此部份侧壁与第一传导型态半导体材料层22的上表面220的夹角θ可以大于或小于90度。借此，由发光层24所发出的光线，尤其是侧光，在射向凸状结构28后可以被凸状结构28的侧壁反射并改变其行进方向，以增加光线由半导体发光组件2的出光面(observation side)射出的机率。

除了侧光取出率提高之外，假设半导体发光组件2的出光面朝上，则由发光层所射出朝向半导体发光组件2内的底部的光线在反射后并射向数个凸状结构28时，光线亦可以被凸状结构28导向出光面射出。此外，若数个凸状结构28均匀地分布于第一传导型态半导体材料层22的上表面220上，半导体发光组件2将可以产生较宽广且均匀的出光。

请参阅图4。图4是根据本发明的半导体发光组件2的顶视图。在实际应用中，数个凸状结构28基本上需环绕发光层24(未显示于图4中)以将由发光层24射出的光线导向半导体发光组件2的出光面。在一较佳实施例中，如图4所示，数个凸状结构28可以排列成内外两层环状圈的图形，并且内外两层环状圈彼此错开以确保数个凸状结构28尽可能将发光层24射出的光线全部导向半导体发光组件2的出光面。甚者，数个凸状结构28亦可以布满第一传导型态半导体材料层22的上表面220以保证半导体发光组件2的光取出效率能够被提升。

请参阅图5A及图5B。图5A是图2A中的凸状结构28的顶表面280进一步形成至少一个凹陷2802的截面视图。图5B是图2B中的凸状结构28的顶表面280进一步形成至少一个凹陷2802的截面视图。也就是说，除了侧壁之外，凸状结构28的顶表面280进一步亦可以同时具有粗糙的表面形态。在实际应用中，凸状结构28的顶表面280亦可以具有弧形的轮廓。不论凸状结构28的顶表面280具有粗糙的表面形态或弧形的轮廓，皆可以进一步提高光取出效率。

请参阅图6。图6是根据本发明的一较佳实施例的半导体发光组件2进一步包含一透明导电层34的截面视图。如图6所示，透明导电层34形成于第一传导型态半导体材料层22的上表面220上并且包覆第二传导型态半导体材料层26、发光层24以及数个凸状结构28。在此实施例中，在透明导电层34形成之后，第二电极32可以形成于透明导电层34上。在实际应用中，透明导电层34可以由薄型金属层、网状导电层、铟锡氧化物(ITO)或氧化锌(ZnO)所制成，但不以此为限。

相较于现有技术，根据本发明的半导体发光组件可以借助数个凸状结构将半导体发光组件内部所射出的光线导向出光面，以提高半导体发光组件的光取出效率及产生宽广且均匀的出光。特别地，根据本发明的凸状结构的外形可以具有粗糙的表面形态或弧形的轮廓，更可以有效地提高光取出效率。此外，由于具有高度的光取出效率，根据本发明的半导体发光组件亦可以应用于光泵浦(photo-pump)。

以上已对本发明的较佳实施例进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同的变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims

1.一种半导体发光组件，其特征在于，包含：

一基板；

一第一传导型态半导体材料层，所述第一传导型态半导体材料层形成于所述基板上，所述第一传导型态半导体材料层具有一上表面，并且所述上表面包含一第一区域以及不同于所述第一区域的一第二区域；

一第一电极，所述第一电极形成于所述第一区域上；

一发光层，所述发光层形成于所述第二区域上；

一第二传导型态半导体材料层，所述第二传导型态半导体材料层形成于所述发光层上；

一第二电极，所述第二电极形成于所述第二传导型态半导体材料层上；以及

数个凸状结构，所述数个凸状结构形成于所述第一传导型态半导体材料层的所述上表面上并且介于所述第一区域以及所述第二区域之间，其中所述数个凸状结构中的每一个凸状结构由一折射率大于1的材料所制成，并且所述材料选自由ITO、SiO₂、SiN、polymide、BCB、SOG、InO、SnO、一III-V族化合物半导体材料以及一II-VI族化合物半导体材料所组成的一群组中的其一。

2.如权利要求1所述的半导体发光组件，其特征在于：每一个凸状结构的部份侧壁与所述第一传导型态半导体材料层的所述上表面的一夹角大于或小于90度。

3.如权利要求1所述的半导体发光组件，其特征在于：所述第一电极的一第一顶表面大致上与每一个凸状结构的一第二顶表面同高或低于每一个凸状结构的所述第二顶表面。

4.如权利要求1所述的半导体发光组件，其特征在于：所述折射率大于1的材料是一绝缘材料。

5.如权利要求1所述的半导体发光组件，其特征在于：进一步包含一透明导电层，所述透明导电层形成于所述第一传导型态半导体材料层的所述上表面上并且包覆所述第二传导型态半导体材料层、所述发光层以及所述数个凸状结构。

6.如权利要求1所述的半导体发光组件，其特征在于：至少一个凹陷形成于每一个凸状结构的侧壁，或每一个凸状结构的侧壁具有一弧型的轮廓。

7.如权利要求6所述的半导体发光组件，其特征在于：至少一个凹陷进一步形成于每一个凸状结构的顶表面或每一个凸状结构的顶表面进一步具有一弧形的轮廓。

8.如权利要求1所述的半导体发光组件，其特征在于：所述第一传导型态是N型态，并且所述第二传导型态是P型态。

9.如权利要求1所述的半导体发光组件，其特征在于：所述基板由选自由玻璃、硅、锗、氮化镓、砷化镓、磷化镓、氮化铝、蓝宝石、尖晶石、三氧化二铝、碳化硅、氧化锌、氧化镁、二氧化锂铝、二氧化锂镓以及四氧化镁二铝所组成的一群组中的其一所形成。

10.一种半导体发光组件，其特征在于，包含：

一基板；

一第一电极，所述第一电极形成于所述第一区域上；

一发光层，所述发光层形成于所述第二区域上；

数个凸状结构，所述数个凸状结构形成于所述第一传导型态半导体材料层的所述上表面上并且介于所述第一区域以及所述第二区域之间，其中所述数个凸状结构中的每一个凸状结构由一第一结构层及一第二结构层所形成，所述第一结构层形成于所述第一传导型态半导体材料层的所述上表面上，所述第二结构层形成于所述第一结构层上并且由一折射率大于1的材料所制成，并且所述材料选自由ITO、SiO₂、SiN、polymide、BCB、SOG、InO、SnO、一III-V族化合物半导体材料以及一II-VI族化合物半导体材料所组成的一群组中的其一。

11.如权利要求10所述的半导体发光组件，其特征在于：所述第一电极的一第一顶表面大体上与每一个凸状结构的一第二顶表面同高或低于每一个凸状结构的所述第二顶表面。

12.如权利要求11所述的半导体发光组件，其特征在于：所述第一结构层的一第三顶表面大致上与所述第二传导型态半导体材料层的一第四顶表面同高或低于所述第二传导型态半导体材料层的所述第四顶表面。

13.如权利要求10所述的半导体发光组件，其特征在于：每一个凸状结构的部份侧壁与所述第一传导型态半导体材料层的所述上表面的一夹角大于或小于90度。

14.如权利要求10所述的半导体发光组件，其特征在于：进一步包含一透明导电层，所述透明导电层形成于所述第一传导型态半导体材料层的所述上表面上并且包覆所述第二传导型态半导体材料层、所述发光层以及所述数个凸状结构。

15.如权利要求10所述的半导体发光组件，其特征在于：至少一个凹陷形成于每一个凸状结构的侧壁，或每一个凸状结构的侧壁具有一弧型的轮廓。

16.如权利要求15所述的半导体发光组件，其特征在于：至少一个凹陷进一步形成于每一个凸状结构的顶表面或每一个凸状结构的顶表面进一步具有一弧形的轮廓。

17.如权利要求10所述的半导体发光组件，其特征在于：所述第一传导型态是N型态，并且所述第二传导型态是P型态。

18.如权利要求10所述的半导体发光组件，其特征在于：所述基板由选自由玻璃、硅、锗、氮化镓、砷化镓、磷化镓、氮化铝、蓝宝石、尖晶石、三氧化二铝、碳化硅、氧化锌、氧化镁、二氧化锂铝、二氧化锂镓以及四氧化镁二铝所组成的一群组中的其一所形成。