CN101908585B - 第三族氮化物发光装置及改进其出光效率的方法 - Google Patents

第三族氮化物发光装置及改进其出光效率的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种第三族氮化物发光装置及改进其出光效率的方法。该方法包含以下步骤：提供具有一上表面的一第三族氮化物发光装置，于该上表面布设一晶种层以增加该第三族氮化物发光装置的附着力；及于该晶种层上形成一具图样的氧化层，具有数个纳米颗粒但不会吸收可见光。该纳米颗粒的大小与形状是由该具图样的氧化层形成过程中的反应浓度、时间及温度所控制，因此可改进第三族氮化物发光装置的出光效率而不会损害该第三族氮化物发光装置。

Description

第三族氮化物发光装置及改进其出光效率的方法
技术领域
本发明涉及一种改进发光装置出光效率的方法，还涉及一种具改进出光效率的第三族氮化物发光装置，例如氮化镓(GaN)发光装置。
背景技术
发光装置，例如发光二极管(LEDs)，是借由一种或多种具有远超过空气(折射率n＝1.0)折射率的物质(典型折射率n～2.5)发射产生的光。一般来说，此光是产生于具有至少一个外表面的一多层堆栈体，而各堆栈层所产生的光线则由该堆栈体表面释放。此发光堆栈体表面会与某些物体接触，举例而言，是一种封装物体。此封装物体典型地具有介于1.4至1.8的折射率。光线穿越发光堆栈体表面与封装层的接口所遇到的折射率的变化，实质上造成了多数产自多层堆栈体的光线被该接口反射回该多层堆栈体的结果。也就是说，原本应自该多层堆栈体散逸并随之进入封装层的光，有大部分被折射回原多层堆栈体内部，且该折射光于此被吸收。因此，大大地减少了外部照明的有效出光量。
美国专利第6,831,302号揭露一种n型掺杂的氮化镓层外表面的图样。该氮化镓层是一多层堆栈体的外层。部份n型掺杂层被移除以制造开口，所述开口被封装材料覆盖(非填满)，进而创造出一光滑的封装表面层于n型掺杂氮化镓层的表面的开口凹陷处。在最外边半导体层内的图样形成了数个垂直于封装面，破裂的高低不同折射率的区域。这些破裂的区域打乱了光线在该接口的低角度反射，也造成光线在低角度来回反射的趋势。光线游走于该n型掺杂半导体层内，平行且接近发光堆栈体表面，直到被吸收不再自该多层堆栈体散逸为止。
在多层堆栈体的外表面形成凹陷处可增进半导体发光装置的出光量，然该形成图样的制作步骤却可能耗时或需要昂贵设备。举例而言，蚀刻磊晶表面就是需要昂贵设备的典型代表。该形成图样的制作步骤也可能改变发光层的电性与化学特性，以致该层交替地减弱发光效率。
另一个改善发光装置质量的方法由Fujii等人揭露于美国专利公开第2007-0121690号中。Fujii等人揭露一个氮化镓发光二极管，其中光线经由该发光二极管的一氮面(N-face)射出，该氮面的一表面被粗化形成一个或多个六角锥。该粗化表面减少了持续发生于发光二极管内的光线反射，如此，更多的光线可自发光二极管内发出。此氮面的表面借由一非等向性蚀刻粗化，该蚀刻则包含了一干式蚀刻或一光激化学(PEC)蚀刻。
虽然该粗化表面可减少持续发生于发光二极管内的光线反射，但该蚀刻步骤可能会伤害发光装置的电性与化学特性。因此，迫切需要一种增进发光装置出光效率却不导致该装置电性与化学特性损害的方法。
发明内容
为了解决现有技术的缺陷，本发明的一个目的即在于提供一种改进第三族氮化物发光装置出光效率的方法；本发明的另一目的是提供一种具改进出光效率的第三族氮化物发光装置。
依照本发明的主要目的，提供一种改进第三族氮化物发光装置的出光效率的方法，其步骤包括：提供具有一上表面的一第三族氮化物发光装置；于该上表面布设一晶种层以增加该第三族氮化物发光装置的附着力；及于该晶种层上形成一具图样的氧化层，具有数个纳米颗粒但不会吸收可见光；其中该纳米颗粒的大小与形状是由该具图样的氧化层形成过程中的反应浓度、时间及温度所控制，因此可改进第三族氮化物发光装置的出光效率而不会损害该第三族氮化物发光装置。
根据本案构想，该晶种层包含氧化锌(ZnO)、金(Au)、银(Ag)、锡(Sn)或钴(Co)。
根据本案构想，该具图样的氧化层包含氧化锌(ZnO)、二氧化硅(SiO2)、二氧化钛(TiO2)或氧化铝(Al2O3)。
根据本案构想，该具图样的氧化层利用水热法、热蒸镀法、化学气相沉积法或分子束磊晶法制成。
根据本案构想，该晶种层利用旋转涂布、浸渍涂布、蒸镀、溅镀、原子层沉积、电化学沉积、脉冲雷射沉积或金属有机物化学气相沉积布设。
根据本案构想，该纳米颗粒长度介于10nm至50μm之间。
根据本案构想，该纳米颗粒的截面直径介于30nm至10μm之间。
根据本案构想，该纳米颗粒的间距介于10nm至1000μm之间。
根据本案构想，该纳米颗粒的等效折射率介于1.5至2.5之间。
依照本发明的另一主要目的，提供一种具改进出光效率的第三族氮化物发光装置，包括：一第三族氮化物发光装置，其具有一上表面；一晶种层于该上表面上以增加该第三族氮化物发光装置的附着力；及一具图样的氧化层，形成于该晶种层上，具有数个纳米颗粒但不会吸收可见光。
根据本案构想，该晶种层包含氧化锌(ZnO)、金(Au)、银(Ag)、锡(Sn)或钴(Co)。
根据本案构想，该具图样的氧化层包含氧化锌(ZnO)、二氧化硅(SiO2)、二氧化钛(TiO2)或氧化铝(Al2O3)。
根据本案构想，该具图样的氧化层利用水热法、热蒸镀法、化学气相沉积法或分子束磊晶法制成。
根据本案构想，该晶种层利用旋转涂布、浸渍涂布、蒸镀、溅镀、原子层沉积、电化学沉积、脉冲雷射沉积或金属有机物化学气相沉积布设。
根据本案构想，该纳米颗粒长度介于10nm至50μm之间。
根据本案构想，该纳米颗粒的截面直径介于30nm至10μm之间。
根据本案构想，该纳米颗粒的间距介于10nm至1000μm之间。
根据本案构想，该纳米颗粒的等效折射率介于1.5至2.5之间。
附图说明
图1为本发明的一较佳实施例的流程图；
图2显示依照本发明的一个贴附纳米结构氧化颗粒表面的一扫描电子显微镜(SEM)影像；
图3显示依照本发明的另一个贴附纳米结构氧化颗粒表面的一扫描电子显微镜影像；
图4显示依照本发明的实施例的水热法成形的一个贴附纳米结构氧化锌颗粒表面的一扫描电子显微镜影像；
图5为图4中纳米结构氧化锌颗粒的一示意图；
图6为图4中折射率随纳米结构氧化锌颗粒波长变化的图表；
图7是一50mM溶液(实线代表具有纳米结构氧化锌颗粒，虚线则无)的输出光强度随成长时间变化的关系图；及
图8是一氮化镓发光二极管(实线代表具有纳米结构氧化锌颗粒，虚线则无)的输出光强度随成长时间变化的关系图。
附图标记说明：51-纳米结构氧化锌颗粒；52-晶种层；53-氮化镓LED。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，应该理解的是，这些实施例仅用于例证的目的，决不限制本发明的保护范围。
请参阅图1。图1为依照本发明的一较佳实施例的流程图，其显示了一用以改进第三族氮化物发光装置出光效率的方法。本实施例使用一氮化镓发光二极管(步骤S101)。本发明用以改进第三族氮化物发光装置出光效率的方法包含以下步骤：第一，一晶种层布设于该氮化镓发光二极管的一上表面以增强附着力；其次，一具图样的氧化层，具有数个纳米颗粒，形成于该晶种层上而不会吸收可见光。纳米颗粒的大小与形状是由该具图样的氧化层形成过程中的反应浓度、时间及温度所控制，同时也发现纳米颗粒的大小与形状影响氮化镓发光二极管的出光效率。因此，本发明的主要目的在于提供一具图样的氧化层于该氮化镓发光二极管上而不会改变其电性与化学特性。
为了达成此目的，一氧化锌(ZnO)晶种层借由将醋酸锌(Zn(CH3COO)2·H2O)溶解于2-甲氧基乙醇(CH3O(CH2)2OH，2-methoxyethanol)而形成，其中醋酸锌与2-甲氧基乙醇浓度各为0.5M。接着搅拌该溶液2小时并加热至65℃，借以获得一透明胶状溶液(步骤S102)。再将该透明胶状溶液旋转涂布于氮化镓发光二极管的上表面(步骤S103)。接着，一氧化锌晶种层借由加热退火具有透明胶状溶液涂布于其上的氮化镓发光二极管于130℃持续60分钟(步骤S104)而获得。在本实施例中，该氧化锌晶种层用以成长氧化锌纳米颗粒，因此一具图样的氧化锌层形成于其上。
需要了解的是该晶种层并不限用于氧化锌，它也可是金(Au)、银(Ag)、锡(Sn)或钴(Co)。同样地，该具图样的氧化层也不限于氧化锌而可是二氧化硅(SiO2)、二氧化钛(TiO2)或氧化铝(Al2O3)。
于晶种层形成后，备制一硝酸锌(Zn(NO3)2·6H2O)与六次甲基四胺(C6H12N4，hexamethylenetetramine)的混合溶液，搅拌该混合溶液直到完全溶解(步骤S105)。接着，配置该氮化镓发光二极管及其上的晶种层于混合溶液中，并加热至一90℃低温2至4小时(步骤S106)。于反应完成后，取出该氮化镓发光二极管并以去离子水清洗。使氮化镓发光二极管干燥，一具图样的氧化层便可获得(步骤S107)。
上述供具图样的氧化层形成的过程即所谓的“水热法”。在水热法过程中，氧化锌依照下列化学方程式形成：
            Zn2++2OH-—→Zn(OH)2
Figure G2009101619713D00051
在上述的沉积机制里，一旦锌离子与氢氧根离子浓度到达饱和后，氧化锌开始形成于该晶种层上。因原子键结的非等向特性，原子依附在核上成长时，会倾向游移至低能处，造成了某一个能量较低的方向堆栈在一特定方向上的非对称性成长，也因此形成一柱/线形数组结构。
虽然水热法施用于本实施例，但本发明不限于水热法。蒸镀法、化学气相沉积法或分子束磊晶法也可利用。
此外，即使本实施例中旋转涂布用于布设晶种层于该氮化镓发光二极管上，但也未限定于该法。浸渍涂布、蒸镀、溅镀、原子层沉积、电化学沉积、脉冲雷射沉积或金属有机物化学气相沉积等方法亦可用的。
如上所述，纳米颗粒的大小与形状会影响氮化镓发光二极管的出光效率。因此，结果发现一种具有10nm到50μm的长度与30nm到10μm的断面直径的纳米颗粒能提供氮化镓发光二极管出光效率较佳的改进效果。
此外，邻近的纳米颗粒间的距离最好在10nm至1000μm间。如前所述，纳米颗粒的大小与形状可为该具图样的氧化层形成时的反应浓度、时间及温度所控制。因此，纳米颗粒的有效折射率会随着它的大小而改变，而大小尺寸则取决于形成时的反应浓度、时间及温度。换言之，有效折射率可借由控制纳米颗粒的大小与形状而调整。再者，氮化镓发光二极管的出光效率可借由依照不同的光波长调整氧化层的有效折射率而改进。依照本发明的较佳设定，该有效折射率介于1.5至2.5之间。
因具图样的氧化层的形成可借由水热法于一般室压中以100℃进行，昂贵的制作设备与严格的操作环境，诸如高压或高真空度，则可避免。也因为不需蚀刻，氮化镓发光二极管的原始结构可以维持并避免电性或化学特性的改变。如前所述，纳米颗粒的形状与大小可以被控制。因此，该氮化镓发光二极管出光效率可借依照不同的光波长调整氧化层的有效折射率而改进。依本发明的低温制程可得大面积与高密度的纳米颗粒数组。
请参照图2至图6。图2与图3显示依照本发明的一个贴附纳米结构氧化颗粒表面的一扫描电子显微镜(SEM)影像。图4显示依照本发明的实施例的水热法成形的一个贴附纳米结构氧化锌颗粒表面的一扫描电子显微镜影像。
图5为图4中纳米结构氧化锌颗粒的一示意图，其显示了纳米结构氧化锌颗粒51于一氮化镓LED53的上表面的一晶种层52上。图6为图4中折射率随纳米结构氧化锌颗粒波长变化的图表。图4至图6的进行过程符合以下条件：
溶液浓度              50mM
成长时间              3小时
纳米颗粒形成约50nm的直径。如图6所示，该纳米结构氧化锌颗粒的折射率相对于氧化锌本身无纳米结构的情形(折射率约2)来得低。有效折射率会根据纳米结构氧化锌颗粒的大小而改变，而该纳米结构氧化锌颗粒的变化又视其形成时溶液浓度的不同而不同。
请参照图7与图8。图7是一50mM溶液(实线代表具有纳米结构氧化锌颗粒，虚线则无)的输出光强度随成长时间变化的关系图，图8是一氮化镓发光二极管(实线代表具有纳米结构氧化锌颗粒，虚线则无)的输出光强度随成长时间变化的关系图。如图7所示，50mM溶液与纳米结构氧化锌颗粒的出光强度在120分钟时约是6％，高于无纳米结构氧化锌颗粒的情形。此外，如图8所示，氮化镓发光二极管与纳米结构氧化锌颗粒的出光强度在120分钟时约8.5％，也较无纳米结构氧化锌颗粒的情形高。因此，很明显地，该纳米结构氧化锌颗粒显著的改进了氮化镓发光二极管的出光强度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (16)

1.一种改进第三族氮化物发光装置的出光效率的方法，其特征在于其步骤包括：
提供具有一上表面的一第三族氮化物发光装置；
于该上表面布设一晶种层以增加该第三族氮化物发光装置的附着力，该晶种层包含氧化锌、金、银、锡或钴；及
于该晶种层上形成一具图样的氧化层，具有数个纳米颗粒但不会吸收可见光；
其中该纳米颗粒的大小与形状是由该具图样的氧化层形成过程中的反应浓度、时间及温度所控制，因此可改进第三族氮化物发光装置的出光效率而不会损害该第三族氮化物发光装置。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于该具图样的氧化层包含氧化锌、二氧化硅、二氧化钛或氧化铝。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于该具图样的氧化层利用水热法、热蒸镀法、化学气相沉积法或分子束磊晶法制成。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于该晶种层利用旋转涂布、浸渍涂布、蒸镀、溅镀、原子层沉积、电化学沉积、脉冲雷射沉积或金属有机物化学气相沉积布设。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于该纳米颗粒长度介于10nm至50μm之间。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于该纳米颗粒的截面直径介于30nm至10μm之间。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于该纳米颗粒的间距介于10nm至1000μm之间。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于该纳米颗粒的等效折射率介于1.5至2.5之间。
9.一种具改进出光效率的第三族氮化物发光装置，其特征在于其包括：
一第三族氮化物发光装置，其具有一上表面；
一晶种层于该上表面上以增加该第三族氮化物发光装置的附着力，该晶种层包含氧化锌、金、银、锡或钴；及
一具图样的氧化层，形成于该晶种层上，具有数个纳米颗粒但不会吸收可见光。
10.如权利要求9所述的第三族氮化物发光装置，其特征在于该具图样的氧化层包含氧化锌、二氧化硅、二氧化钛或氧化铝。
11.如权利要求9所述的第三族氮化物发光装置，其特征在于该具图样的氧化层利用水热法、热蒸镀法、化学气相沉积法或分子束磊晶法制成。
12.如权利要求9所述的第三族氮化物发光装置，其特征在于该晶种层利用旋转涂布、浸渍涂布、蒸镀、溅镀、原子层沉积、电化学沉积、脉冲雷射沉积或金属有机物化学气相沉积布设。
13.如权利要求9所述的第三族氮化物发光装置，其特征在于该纳米颗粒长度介于10nm至50μm之间。
14.如权利要求9所述的第三族氮化物发光装置，其特征在于该纳米颗粒的截面直径介于30nm至10μm之间。
15.如权利要求9所述的第三族氮化物发光装置，其特征在于该纳米颗粒的间距介于10nm至1000μm之间。
16.如权利要求9所述的第三族氮化物发光装置，其特征在于该纳米颗粒的等效折射率介于1.5至2.5之间。
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