CN101783378B

CN101783378B - 具有图形化表面的发光元件

Info

Publication number: CN101783378B
Application number: CN2009100035870A
Authority: CN
Inventors: 欧震; 姚久琳
Original assignee: Epistar Corp
Current assignee: Epistar Corp
Priority date: 2009-01-20
Filing date: 2009-01-20
Publication date: 2011-11-02
Anticipated expiration: 2029-01-20
Also published as: CN101783378A

Abstract

本发明公开了一种具有图形化表面的发光元件，包含基板；中间层形成于所述基板上；第一掺杂半导体层形成于所述中间层之上，具有第一掺杂质；第二掺杂半导体层形成于所述第一掺杂半导体层之上，具有第二掺杂质；有源层介于所述第一掺杂半导体层及所述第二掺杂半导体层之间；以及图形化表面，具有多个规则排列的单元图案；其中，所述图形化表面与所述有源层表面的相对应区域实质上互不平行。

Description

具有图形化表面的发光元件

技术领域

本发明涉及一种具有图形化表面的发光元件。

背景技术

近几年来发光二极管元件致力于亮度提升，期能最终应用于照明领域，以发挥节能省碳的功效。亮度的提升主要分两部分，一为内部量子效率(Internal Quantum Efficiency；IQE)的提升，主要透过外延品质的改善以增进电子空穴的结合效率；另一方面为光摘出效率(Light Extraction Efficiency；LEE)的提升，主要着重在使发光层发出的光线能有效穿透至元件外部，降低光线被发光二极管内部结构所吸收。

表面粗化技术被视为有效提升亮度的方法之一。图7揭示已知的具有表面图案基板的发光二极管700，包含生长基板701、外延叠层、第一电极707以及第二电极708。生长基板701的表面701a具有多个梯形凹陷图案，以增进出光取出效率。外延叠层包含缓冲层702生长于生长基板701上、非掺杂半导体层703生长于缓冲层702上、第一掺杂型态的第一半导体层704生长于非掺杂半导体层703上、有源层705生长于第一半导体层704上、第二掺杂型态的第二半导体层706生长于有源层705上。第一电极707形成于裸露的第一半导体层704上；第二电极708形成于第二半导体层706上。由于一般基板表面701a的图案设计其图案宽度与图案间的间隔的比例约为1，故仍有大部分的表面区域平行于有源层的表面705a，自有源层705发射至该区域的光线，容易经全反射返回外延叠层，并被吸收转换为热，造成光取出效率不佳及散热问题。除此，为了弥补平行区域所造成的光损失，通常会加深图案深度，以改善图案化基板的光摘出效率，但因此形成具有高深宽比(aspectratio)的图案化表面，造成后续外延生长困难，而影响元件的外延品质。

另外，已知的表面粗化技术为以机械研磨方法造成基板表面形成随机分布的粗糙表面，此方法无法有效控制粗化尺寸，例如：深度或宽度；况且，在此凌乱不一的表面上生长外延层，容易造成外延层品质不佳。

发明内容

本发明提供具有图形化表面的发光元件，能兼顾外延品质及光摘出效果。

本发明的一方面在披露发光元件，包含基板；中间层形成于所述基板上；第一掺杂半导体层形成于所述中间层之上，具有第一掺杂质；第二掺杂半导体层形成于所述第一掺杂半导体层之上，具有第二掺杂质；有源层介于所述第一掺杂半导体层及所述第二掺杂半导体层之间，具有有源层表面；以及图形化表面，为该基板的表面，具有多个周期性排列的单元图案；其中，所述图形化表面与所述有源层表面的相对应区域实质上互不平行。该单元图案具有多个斜面且所述多个斜面共同相于一中心点。

本发明的另一方面在披露发光元件，包含基板；中间层形成于所述基板上；第一掺杂半导体层形成于所述中间层之上，具有第一掺杂质；第二掺杂半导体层形成于所述第一掺杂半导体层之上，具有第二掺杂质；有源层介于所述第一掺杂半导体层及所述第二掺杂半导体层之间，具有有源层表面；以及图形化表面，为该基板的表面，具有多个周期性排列的单元图案；其中，所述多个规则性排列的单元图案呈紧密排列，使得各所述多个单元图案与相邻的单元图案相互接触。该单元图案具有多个斜面且所述多个斜面共同相于一中心点。

附图说明

图1为示意图，显示依本发明发光元件的第一实施例；

图2为示意图，显示依本发明发光元件的第二实施例；

图3为示意图，显示依本发明发光元件的第三实施例；

图4为示意图，显示依本发明发光元件的第四实施例；

图5为示意图，显示依本发明发光元件的第五实施例；

图6A至图6E为示意图，显示依本发明的图形化基板的俯视图；

图7为示意图，显示先前技艺的发光元件结构。

附图标记说明

100、200、300、400、500：发光元件 101：生长基板

101a、101b、101c、101d：图形化表面 102：晶格缓冲层

103：非掺杂半导体层 104：第一接触层

105：第一束缚层 106：有源层

106a：有源层上表面 107：第二束缚层

108：第二接触层 108a：第二接触层上表面

109：电流传导层 110：第一电极

111：第二电极 112：透明粘着层

501：第二基板 502：中间层

601a、602a、603a、604a：内斜面

601b、602b、603b、604b：邻边

601c、602c、603c：中心点 604c：圆顶面

具体实施方式

图1揭示符合本发明的发光元件100，包含生长基板101、中间层包含晶格缓冲层102及/或非掺杂半导体层103外延形成于生长基板101上、具有第一掺杂质的第一接触层104外延形成于非掺杂半导体层103上、具有第一掺杂质的第一束缚层105外延形成于第一接触层104上、有源层106外延形成于第一束缚层105上、具有第二掺杂质的第二束缚层107外延形成于有源层106上、具有第二掺杂质的第二接触层108外延形成于第二束缚层107上、电流分散层109形成于第二接触层108上，并与第二接触层108形成良好的欧姆接触、第一电极110蒸镀或溅镀形成于裸露的第一接触层104上以及第二电极111蒸镀或溅镀形成于电流分散层109上。其中，生长基板101具有图形化表面101a，且图形化表面101a包含多个周期性排列的单元图案，此多个周期性排列的单元图案呈最紧密排列，例如，各多个单元图案与相邻的单元图案彼此相互接触。于本实施例中，任一部分的图形化表面101a，例如A1区域所示，与对应的有源层上表面106a部分，例如A2区域所示，实质上互不平行。此多个周期性排列的单元图案呈固定周期排列，或亦可呈变周期、或准周期排列。多个单元图案的俯视图形包含多边形，例如为至少一种图形选自于三角形、四边形以及六角形所组成的群组。此多个单元图案的剖面图形包含至少一种图形选自于V形、半圆形、弧形以及多边形所组成的群组。于实施例中，此多个单元图案的剖面图形具有宽度以及深度，其中深度小于宽度，使得后续生长的晶格缓冲层102及/或非掺杂半导体层103易于填入图形化表面101a的凹陷区域。

图2揭示符合本发明的发光元件200，与图1的发光元件100相比，发光元件200的图形化表面101b的剖面图案具有多个周期性排列的单元图案，各单元图案具有圆弧的剖面曲线，可进一步助于后续晶格缓冲层102及非掺杂半导体层103填入于图形化表面101b的凹陷区域。关于形成圆弧的剖面曲线的方法，可于平面基板表面先形成光致抗蚀剂掩模层后，以光刻工艺将光致抗蚀剂掩模层图形化，之后置于烘烤设备中，在适当温度烘烤下，使光致抗蚀剂回流(reflow)形成具有圆弧曲线的剖面图案的掩模层，再施以湿蚀刻或干蚀刻，使光致抗蚀剂图案转移至基板101以形成如图2的具有圆弧剖面曲线的图形化表面101b。其中，多个单元图案的俯视图形包含多边形，例如为至少一种图形选自于三角形、四边形以及六角形所组成的群组。

图3揭示符合本发明的发光元件300，与图2的发光元件200相比，发光元件300的图形化表面101c具有不同尺寸或不同图形的单元图案作周期性排列，其俯视图形包含相异的多边形，例如为相异的图形选自于三角形、四边形以及六角形所组成的群组。

图4揭示符合本发明的发光元件400，与图2的发光元件200相比，发光元件400的第二接触层108的上表面108a亦具有如上述实施例所揭示的图形化表面，以进一步增加光摘出效率，其中任一部分的第二接触层108的上表面108a与对应的有源层上表面106a实质上互不平行。第二接触层108的上表面108a形成的方法，可于外延生长第二接触层108时，通过外延参数的调整，例如降低生长温度、或调变反应器中氢气/氮气浓度比例等方式，以自然生长出内六角锥状凹陷；亦可于第二接触层108形成后，以传统的光刻蚀刻工艺形成具有凸起及/或凹陷的图形化表面108a。后续的电流分散层109顺应地形成于图形化凹凸表面108a上并形成良好的欧姆接触。

图5揭示符合本发明的发光元件500，与图2的发光元件200相比，发光元件500的中间层502为接合(bonding)层，例如为透明粘着层或透明氧化层，并利用接合技术，如直接接合或热压接合，以连接第一接触层104及第二基板501。依本实施例的精神，第二基板501并不限于可供生长外延层的材料，可依目的弹性选择所需的材料，例如高导热性的材料、高透光率的透明材料、导电材料、或具光反射的材料。

图6A至图6E为上述各实施例所述的图形化表面的俯视图。如图6A所示，上述的图形化表面由六角形的单元图案所组成，各单元图案由六个内凹或凸出于基板表面的内斜面601a所组成，此些内斜面共同相接于中心点 601c，并且各单元图案彼此相接于六个邻边601b，使得所述的图形化表面实质上不具有与对应的有源层上表面106a平行的表面。如图6B所示，上述的图形化表面亦可由三角形的单元图案所组成，各单元图案由三个内凹或凸出于基板表面的内斜面602a所组成，此些内斜面共同相接于中心点602c，并且各单元图案彼此相接于三个邻边602b，使得所述的图形化表面实质上不具有与对应的有源层上表面106a平行的表面。如图6C所示，上述的图形化表面亦可由菱形的单元图案所组成，各单元图案由四个内凹或凸出的内斜面603a所组成，此些内斜面共同相接于中心点603c，并且各单元图案彼此相接于四个邻边603b，使得所述的图形化表面实质上不具有与对应的有源层上表面106a平行的表面。如图6D所示，上述的图形化表面亦可由重叠的圆形所定义出方形的单元图案所组成，各单元图案由四个凸出的外斜面604a及圆弧顶面604c所组成，各单元图案彼此相接于四个邻边604b，使得所述的图形化表面实质上不具有与对应的有源层上表面106a平行的表面。其中，以上的各实施例所指的“图形化表面实质上不具有与对应的有源层表面平行的表面”，在此并不排除因工艺变异，如光刻造成光致抗蚀剂图案的变化或蚀刻造成的图形变异等，造成部分图形化区域仍具有平行的表面或部分区域未被图形化而具有平行的表面，例如中心点601c、602c、603c或圆顶面604c于工艺变异范围内仍可能形成小平台，但工艺变异在可控制的范围内，所造成的平行表面及未被图形化表面其总面积不超过总基板表面的3％。又如图6E所示，上述的图形化表面亦可由圆形的单元图案所组成，各该单元图案为内凹或凸出的圆弧面或半球面，各单元图案彼此相接呈最紧密排列，使得所述的图形化表面与对应的有源层上表面106a平行的部分占图形化表面的比值约为如图中的三角形面积扣除三个扇形面积所得的值除以三角形面积，约为9.3％，或不超过于10％。

基于上述各实施例所披露的单元图案，由于具有较大程度的图案化比例，相对提高后续生长的所述的晶格缓冲层及所述的非掺杂半导体层的外延生长难度，为能兼顾光摘出效率及内部量子效率，上述单元图案的剖面图形具有宽度以及深度，其中深度小于宽度，或其深度/宽度的比值小于1，以形成具有低深宽比的单元图案，使得后续生长的所述的晶格缓冲层及/或所述的非掺杂半导体层易于填入图形化表面的凹陷区域，以提升外延生长的品质。

基于上述各实施例所披露的图形化表面并不限于形成特定结构上的图形化表面，亦即，形成于任一结构上的符合本发明所述的图形化表面均属本发明的范围，例如，图形化表面亦可为发光元件与封装材料相接触的出光面或与环境接触的接触表面；于实施例中，与图形化表面相邻的材料，包含但不限于发光元件内的任一结构、封装材料、或环境介质，具有相异的折射率，优选地，折射率差异至少0.1以上。

上述的诸实施例，其中，所述的晶格缓冲层、非掺杂第一接触层、第一束缚层、第二束缚层、第二接触层以及有源层的材料包含III-V族化合物，例如Al_pGa_qIn_(1-p-q)P或Al_xIn_yGa_(1-x-y)N，其中，0≤p，q≤1；p、q、x、y均为正数；(p+q)≤1；(x+y)≤1。所述的第一掺杂质为n型掺杂质，例如Si，或者是p型掺杂质，例如Mg或Zn；所述的第二掺杂质为具有与第一掺杂质相异导电型的掺杂质。所述的电流分散层包含金属导电氧化物，例如为氧化铟锡(ITO)、或导电性良好的半导体层，例如具有高掺杂浓度的磷化物或氮化物。所述的生长基板包括至少一种透明材料选自于磷化镓、蓝宝石、碳化硅、氮化镓以及氮化铝所组成的群组。所述的第二基板包括透明材料选自于磷化镓、蓝宝石、碳化硅、氮化镓以及氮化铝所组成的群组；或包括导热材料选自于钻石、类金刚石碳(DLC)、氧化锌、金、银、铝等金属材料所组成的群组。

本发明所列举的各实施例仅用以说明本发明，并非用以限制本发明的范围。任何人对本发明所作的任何显而易知的修饰或变更皆不脱离本发明的精神与范围。

Claims

1.一种发光元件，包含：

基板；

中间层形成于该基板上；

第一掺杂半导体层形成于该中间层之上，具有第一掺杂质；

第二掺杂半导体层形成于该第一掺杂半导体层之上，具有第二掺杂质；

有源层介于该第一掺杂半导体层及该第二掺杂半导体层之间，具有有源层表面；以及

图形化表面，为该基板的表面，具有多个周期性排列的单元图案；

其中，任一部分的该图形化表面与对应的该有源层表面部分实质上互不平行，以及

其中，该单元图案具有多个斜面且所述多个斜面共同相接于一中心点。

2.一种发光元件，包含：

基板；

中间层形成于该基板上；

第一掺杂半导体层形成于该中间层之上，具有第一掺杂质；

图形化表面，为该基板的表面，且具有多个周期性排列的单元图案；

其中，该多个周期性排列的单元图案呈最紧密排列，使得各该多个单元图案与相邻的单元图案相互接触，以及

3.如权利要求2所述的发光元件，其中任一部分的该图形化表面与对应的该有源层表面部分实质上互不平行。

4.如权利要求1或2所述的发光元件，其中该多个单元图案的俯视图形包含至少一种图形，选自于三角形、四边形以及六角形所组成的群组。

5.如权利要求1或2所述的发光元件，其中该多个单元图案的剖面图形包含至少一种图形，选自于V形、半圆形、弧形以及多边形所组成的群组。

6.如权利要求1或2所述的发光元件，其中该多个单元图案的至少一个的剖面图形具有宽度以及深度小于该宽度。

7.如权利要求1或2所述的发光元件，其中该多个单元图案的剖面图形包含至少二种不同曲率的弧线。

8.如权利要求1或2所述的发光元件，其中该有源层表面为平面。

9.如权利要求2所述的发光元件，部分的该图形化表面平行于对应的该有源层表面部分不大于百分之十的该图形化表面。

10.如权利要求9所述的发光元件，其中该多个单元图案的俯视图形包含圆形。