CN101677118B - 半导体发光元件 - Google Patents

Abstract

本发明的半导体发光元件包含衬底、设置在所述衬底上方的第一导电型半导体层、设置在所述第一导电型半导体层上方的发光结构、以及设置在所述发光结构上方的第二导电型半导体层。所述衬底包含上表面以及多个设置在所述上表面上的凸部，所述凸部包含一顶面、多个壁面以及多个斜面，其中所述斜面夹置在所述顶面与所述壁面之间。

Description

半导体发光元件

技术领域

本发明涉及一种半导体发光元件，尤其涉及一种半导体发光元件，其衬底上设置多个凸部可以不同角度反射发光结构所产生的光束以便提升取光效率。

背景技术

半导体发光元件，(例如发光二极管)已经被广泛地应用在各种交通信号、车用电子、液晶显示器背光模块以及一般照明等。发光二极管基本上是在衬底上依序形成n型半导体层、发光区域、p型半导体层，并采用在p型半导体层和n型半导体层上形成电极，通过从半导体层注入的空穴与电子再结合，在发光区域上产生光束，其经由p型半导体层上的透光性电极或衬底射出发光二极管。用于制造可见光发光二极管的常用材料包括各种III-V族化合物，包括用于制造绿、黄、橙或红光发光二极管的磷化铝镓铟(AlGaInP)以及用于制造蓝光或紫外光发光二极管的氮化镓(GaN)，其中氮化镓发光二极管是生长在蓝宝石衬底上的。

如何将发光层所产生的光束取出到发光元件外部是目前半导体发光元件的重要的改善问题。在常规技术中，研发人员使用透明电极使发光层朝向上方发出的光束不致于在传播到外界的路径上受到阻碍物阻挡，或针对发光层朝向下方发出的光束设置反射层以将光束反射到上方。然而，除了向上和向下光束之外，发光层还向其它方向发射光束，部分的光束因发生全反射而在发光元件的内部重复进行反射，最终被发光层本身吸收而衰减消灭，无法传播到发光元件的外部。

第561632号台湾专利公开案揭示一种发光元件，其在衬底的表面部分形成使发光区域产生的光散射或绕射的至少一个凹部和/或凸部。凹部和/凸部形成半导体层上不产生结晶缺陷的形状。另外，第536841号台湾专利公开案揭示一种发光元件，其通过第一层(衬底)实施凹凸加工，并使其折射率不同于第一层的第二层埋藏在所述凹凸而生长(或在成为生长基础的结晶层上，使第一结晶生长为凹凸状，然后再生长具有与第一结晶不同折射率的第二结晶)。

发明内容

本发明提供一种半导体发光元件，其衬底上设置多个凸部可以不同角度反射发光结构所产生的光束以便提升取光效率。

本发明的半导体发光元件的一个实施例包含衬底、设置在所述衬底上方的第一导电型半导体层、设置在所述第一导电型半导体层上方的发光结构、以及设置在所述发光结构上方的第二导电型半导体层。所述衬底包含上表面以及多个设置在所述上表面的凸部，所述凸部包含一顶面、多个壁面以及多个斜面，其中所述斜面夹置在所述顶面与所述壁面之间。所述凸部的壁面、斜面和顶面的倾斜度不同，因此可以不同角度反射发光结构所产生的光束。如此，即可大幅地降低所述发光结构所产生的光束在所述半导体发光元件的内部重复进行反射，因而避免了所述光束被所述发光结构本身吸收而衰减消灭，以便提升取光效率。

本发明的半导体发光元件的另一实施例包含衬底、设置在所述衬底上方的第一导电型半导体层、设置在所述第一导电型半导体层上方的发光结构、以及设置在所述发光结构上方的第二导电型半导体层。所述衬底包含上表面以及多个设置在所述上表面的凸部。所述凸部包含具有多个分支的脊部、夹置在所述分支间的多个壁面、以及设置在所述分支的末端的多个斜面，其邻近所述衬底的上表面。所述凸部的脊部、壁面、斜面和顶面的倾斜度不同，因此可以不同角度反射发光结构所产生的光束。如此，即可大幅地降低所述发光结构所产生的光束在所述半导体发光元件的内部重复进行反射，因而避免了所述光束被所述发光结构本身吸收而衰减消灭，以便提升取光效率。

上文已经概略地叙述本发明的技术特征及优点，以使下文的本发明详细描述得以获得较好了解。构成本发明的权利要求书标的的其它技术特征及优点将描述于下文。本发明所属技术领域中的技术人员应可了解，下文揭示的概念与特定实施例可作为基础而相当容易地进行修改或设计其它结构或工艺而实现与本发明相同的目的。本发明所属技术领域中的技术人员还应可了解，这类等效的建构并不脱离后附的权利要求书所提出的本发明的精神和范围。

附图说明

通过参照前述说明和下列图式，对本发明的技术特征和优点获得完全了解。

图1示范本发明第一实施例的半导体发光元件的剖面示意图；

图2示范本发明第一实施例的衬底的立体示意图；

图3示范本发明第一实施例的衬底的电子图像图；

图4示范本发明第二实施例的半导体发光元件的剖面示意图；

图5示范本发明第二实施例的衬底的立体示意图；

图6示范本发明第三实施例的半导体发光元件的剖面示意图；

图7示范本发明第三实施例的衬底的立体示意图；以及

图8示范本发明第三实施例的衬底的电子图像图。

具体实施方式

图1到图3示范本发明第一实施例的半导体发光元件10的示意图。参考图1，所述半导体发光元件10包含衬底12、设置在所述衬底12上方的N型半导体层14、设置在所述N型半导体层14上方的发光结构16、设置在所述发光结构16上方的P型半导体层18、设置在所述P型半导体层18上方的接触层20、设置在所述接触层20上方的导电透光层22、设置在所述N型半导体层14上的第一电极24、以及设置在所述导电透光层22上方的第二电极26。

参考图2和图3，在本发明的实施例中，所述衬底12包含上表面12A以及多个设置在所述上表面12A的凸部30。所述凸部30包含一顶面32、三个壁面34以及三个斜面36，其中所述斜面36夹置在所述顶面32与所述壁面34之间。所述壁面34与所述斜面36的倾斜度不同(即与所述衬底12的上表面12A的夹角不同)，两者相连且夹角介于90到180度之间。所述凸部30包含底面38，其具有三个转角，且所述转角的连线呈弧状，即所述壁面34呈弧状，以便将来自所述发光结构16的各种角度的光束反射到所述发光元件10的外部。如此，即可大幅地降低所述发光结构16所产生的光束在所述半导体发光元件10的内部重复进行反射，因而避免了所述光束被所述发光结构16本身吸收而衰减消灭，以便提升取光效率。明确地说，图1的衬底12的凸部30形状是沿图2的I-I剖面线的剖面示意图。

在本发明的实施例中，所述衬底12包含绝缘透光材料，例如蓝宝石(Sapphire)；所述N型半导体层14、所述发光结构16和所述P型半导体层18包含氮化物，例如氮化铝镓、氮化镓、氮化铟镓、或氮化铝镓铟；所述接触层20包含氮化物，例如氮化镁、氮化铝镓、氮化镓、氮化铟镓、或氮化铝镓铟；所述导电透光层22包含氧化物，例如氧化铟、氧化锡、或氧化铟锡；所述发光结构16可以是量子井(quantum well)或多重量子井(multi-quantum well)。明确地说，所述衬底12上的膜层可采用外延机台来制备。

图4和图5示范本发明第二实施例的半导体发光元件60的示意图。参考图4，所述半导体发光元件60包含衬底62、设置在所述衬底62上方的N型半导体层64、设置在所述N型半导体层64上方的发光结构66、设置在所述发光结构66上方的P型半导体层68、设置在所述P型半导体层68上方的接触层70、设置在所述接触层70上方的氮化物晶层78、设置在所述氮化物晶层78的导电透光层72、设置在所述N型半导体层64上的第一电极74、以及设置在所述导电透光层72上方的第二电极76。在本发明的实施例中，所述氮化物晶层78包含多个凸部78A，以便增加由发光结构66所产生的光束亮度，增加所述半导体发光元件60的发光效益。

参考图5，在本发明的实施例中，所述衬底62包含上表面62A以及多个设置在所述上表面62A的凸部80。所述凸部80包含一顶面82、五个壁面84以及三个斜面86，其中所述斜面86夹置在所述顶面82与所述壁面84之间。所述壁面84与所述斜面86的倾斜度不同(即与所述衬底62的上表面62A的夹角不同)，两者相连且夹角介于90到180度之间。所述凸部80包含底面88，其具有五个转角，且所述转角的连线呈弧状，即所述壁面84呈弧状，以便将来自所述发光结构66的各种角度的光束反射到所述发光元件60的外部。如此，即可大幅地降低所述发光结构66所产生的光束在所述半导体发光元件60的内部重复进行反射，因而避免了所述光束被所述发光结构66本身吸收而衰减消灭，以便提升取光效率。明确地说，图4的衬底62的凸部80的形状是沿图5的II-II剖面线的剖面示意图。

在本发明的实施例中，所述衬底62包含绝缘透光材料，例如蓝宝石(Sapphire)；所述N型半导体层64、所述发光结构66和所述P型半导体层68包含氮化物，例如氮化铝镓、氮化镓、氮化铟镓、或氮化铝镓铟；所述接触层70包含氮化物，例如氮化镁、氮化铝镓、氮化镓、氮化铟镓、或氮化铝镓铟；所述导电透光层72包含氧化物，例如氧化铟、氧化锡、或氧化铟锡；所述发光结构66可以是量子井或多重量子井。明确地说，所述衬底62上的膜层可采用外延机台来制备。

图6到图8示范本发明第三实施例的半导体发光元件100的示意图。参考图6，所述半导体发光元件100包含衬底112、设置在所述衬底112上方的N型半导体层114、设置在所述N型半导体层114上方的发光结构116、设置在所述发光结构116上方的P型半导体层118、设置在所述P型半导体层118上方的接触层120、设置在所述接触层120上方的氮化物晶层128、设置在所述氮化物晶层128的导电透光层122、设置在所述N型半导体层114上的第一电极124、以及设置在所述导电透光层122上方的第二电极126。在本发明的实施例中，所述氮化物晶层128包含多个凹部128A，以便增加由发光结构116所产生的光束亮度，从而增加所述半导体发光元件100的发光效益。

参考图7和图8，在本发明的实施例中，所述衬底112包含上表面112A以及多个设置在所述上表面112A的凸部130。所述凸部130包含顶面132、脊部140、多个壁面134、以及多个斜面136。所述脊部140具有多个分支142，所述壁面134夹置在所述分支142之间，所述斜面134设置在所述分支142的末端且邻近所述衬底112的上表面112A。所述凸部130的顶面132连接所述分支142，即夹置在所述分支142之间，且所述顶面132呈飞镖状。明确地说，所述脊部130的高度大于所述壁面134。

所述壁面134与所述斜面136的倾斜度不同(即与所述衬底112的上表面112A的夹角不同)，两者相连且夹角介于90到180度之间。所述凸部130包含底面138，其具有三个转角，且所述转角的连线呈弧状，即所述壁面134呈弧状，以便将来自所述发光结构116的各种角度的光束反射到所述发光元件100的外部。如此，即可大幅地降低所述发光结构116所产生的光束在所述半导体发光元件100的内部重复进行反射，因而避免了所述光束被所述发光结构116本身吸收而衰减消灭，以便提升取光效率。明确地说，图5的衬底112的凸部30的形状是沿图6的III-III剖面线的剖面示意图。

在本发明的实施例中，所述衬底112包含绝缘透光材料，例如蓝宝石(Sapphire)；所述N型半导体层114、所述发光结构116和所述P型半导体层118包含氮化物，例如氮化铝镓、氮化镓、氮化铟镓、或氮化铝镓铟；所述接触层120包含氮化物，例如氮化镁、氮化铝镓、氮化镓、氮化铟镓、或氮化铝镓铟；所述导电透光层122包含氧化物，例如氧化铟、氧化锡、或氧化铟锡；所述发光结构116可以是量子井或多重量子井。明确地说，所述衬底112上的膜层可采用外延机台来制备。

明确地说，本发明所属领域中的技术人员应了解，本发明第一实施例的半导体发光元件10所使用的衬底12和凸部30、第二实施例的半导体发光元件60所使用的衬底62和凸部80、以及第三实施例的半导体发光元件100所使用的衬底112和凸部130彼此可以替换使用。

本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而本发明所属技术领域中的技术人员仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不脱离本发明精神的替换及修饰。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所揭示者，而应包括各种不脱离本发明的替换及修饰，并由所附的权利要求书所涵盖。

Claims (23)

1.一种半导体发光元件，其特征在于包含：

衬底，其包含上表面以及多个设置在所述上表面上的凸部，其中所述凸部包含一顶面、多个壁面以及多个斜面，所述斜面夹置在所述顶面与两个所述壁面之间；

第一导电型半导体层，其设置在所述衬底上方；

发光结构，其设置在所述第一导电型半导体层上方；以及

第二导电型半导体层，其设置在所述发光结构上方。

2.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于所述壁面与所述斜面的倾斜度不同。

3.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于所述壁面与所述斜面相连，且夹角介于90到180度之间。

4.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于所述壁面呈弧状。

5.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于所述凸部包含三个斜面。

6.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于所述凸部包含三个壁面。

7.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于所述凸部包含底面，所述底面具有三个角。

8.根据权利要求7所述的半导体发光元件，其特征在于所述转角的连线呈弧状。

9.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于所述凸部包含五个壁面。

10.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于所述凸部包含底面，所述底面具有五个角。

11.根据权利要求10所述的半导体发光元件，其特征在于所述转角的连线呈弧状。

12.一种半导体发光元件，其特征在于包含：

衬底，其包含上表面以及多个设置在所述上表面的凸部，其中所述凸部包含：

脊部，其具有多个分支；

多个壁面，其夹置在所述分支之间；以及

多个斜面，其设置在所述分支的末端，其邻近所述衬底的上表面；

第一导电型半导体层，其设置在所述衬底上；

发光结构，其设置在所述第一导电型半导体层上；以及

第二导电型半导体层，其设置在所述发光结构上。

13.根据权利要求12所述的半导体发光元件，其特征在于所述壁面与所述斜面的倾斜度不同。

14.根据权利要求12所述的半导体发光元件，其特征在于所述壁面与所述斜面相连。

15.根据权利要求12所述的半导体发光元件，其特征在于所述壁面呈弧状。

16.根据权利要求12所述的半导体发光元件，其特征在于所述凸部包含三个斜面。

17.根据权利要求12所述的半导体发光元件，其特征在于所述凸部包含三个壁面。

18.根据权利要求12所述的半导体发光元件，其特征在于所述凸部包含三个分支。

19.根据权利要求12所述的半导体发光元件，其特征在于所述凸部包含底面，所述底面具有三个角。

20.根据权利要求19所述的半导体发光元件，其特征在于所述转角的连线呈弧状。

21.根据权利要求12所述的半导体发光元件，其特征在于所述凸部包含顶面，所述顶面连接所述分支。

22.根据权利要求21所述的半导体发光元件，其特征在于所述顶面呈三角形，且连接两个角的边呈内凹状。

23.根据权利要求12所述的半导体发光元件，其特征在于所述脊部的高度大于所述壁面。

Images