CN102263174B - 半导体发光元件 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种半导体发光元件，其包括一基板，此基板具有一表面包括一平面以及复数个突起物突出于此平面，其中上述平面为一特定晶面方向，而突起物具有由复数个侧壁表面所构成的外表面，且侧壁表面的晶面方向大致上不包括上述特定晶面方向。突起物由侧面观视具有一轮廓线，而此轮廓线自突起物的底部至顶部包括至少一转折点。一第一导电型半导体层位于基板的上述表面上，一发光层位于第一导电型半导体层上，而一第二导电型半导体层则位于发光层上。本发明的半导体发光元件，具有改善磊晶品质和光萃取率的优点。

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，尤其涉及一种具有改善磊晶品质和光萃取率(extraction efficiency)的半导体发光元件。

背景技术

发光二极管为一种半导体发光元件，其相对于传统灯泡具有体积小、寿命长、低电压/电流驱动、不易破裂、发光时无显著热问题、无汞、以及省电等优势，因此其应用范围有逐渐增加的趋势。

图1为现有发光二极管的剖面示意图。参照图1，发光二极管10包括基板12、第一导电型半导体层14、发光层16、第二导电型半导体层18、欧姆接触层20、第一电极22、以及第二电极24，其中第一导电型半导体层14、发光层16、以及第二导电型半导体层18可例如为磊晶层。

当发光二极管10以蓝光发光二极管为例时，基板12可为蓝宝石(sapphire；Al₂O₃)基板，而氮化镓(GaN)磊晶层则可直接形成于基板12上。然而，由于蓝宝石基板12与氮化镓磊晶层间的晶格常数差异(lattice constantdifference)过大，因此可能在磊晶层中造成缺陷，进而影响到发光二极管10的发光效率。有鉴于此，现有技术，例如美国专利公开号案20080303042，其揭示了一种具有凹部/突部结构的图案化基板，以用于改善发光二极管的发光效率。然而，利用这种现有技术所形成的发光二极管仍有其缺陷存在。

发明内容

本发明的目的是提供一种半导体发光元件，其具有改善磊晶品质的优点。

本发明的另一目的是提供一种半导体发光元件，其具有增进光萃取率的优点。

本发明提供一种半导体发光元件，其包括一基板，此基板具有一表面包括一平面以及复数个突起物突出于此平面，其中上述平面为一特定晶面方向，而突起物具有由复数个侧壁表面所构成的外表面，且侧壁表面的晶面方向大致上不包括上述特定晶面方向。突起物由侧面观视具有一轮廓线，而此轮廓线自突起物的底部至顶部包括至少一转折点；一第一导电型半导体层位于基板的上述表面上，一发光层位于第一导电型半导体层上，而一第二导电型半导体层则位于发光层上。

本发明另提供一种半导体发光元件，其包括一基板，此基板具有一表面包括一平面以及复数个突起物突出于此平面，其中上述平面为C plane晶面方向(0001)，而突起物不具有为C plane晶面方向(0001)的一顶部平面。突起物由侧面观视具有一轮廓线，而此轮廓线自突起物的底部至顶部包括至少一转折点；一第一导电型半导体层位于基板的上述表面上，一发光层位于第一导电型半导体层上，而一第二导电型半导体层则位于发光层上。

为让本发明的目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并结合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1为现有发光二极管的剖面示意图；

图2A和图2B为本发明一实施例采用一图案化基板形成磊晶层的概略剖面示意图；

图3A至图3D为根据本发明一实施例形成一图案化基板的一系列概略剖面侧视图；

图4A和图4B分别为本发明一实施例形成的图案化蓝宝石基板的剖面侧视图和俯视图；

图5A和图5B分别为本发明一实施例提供的突起物的概略透视图和俯视图；

图5C为本发明一实施例提供的用于形成半导体发光元件的基板的概略透视图；

图6为根据本发明一实施例提供的基板而形成的半导体发光元件的剖面示意图。

主要元件符号说明：

10：发光二极管；            12：基板；

14：第一导电型半导体层；    16：发光层；

18：第二导电型半导体层；    20：欧姆接触层；

22：第一电极；              24：第二电极；

30：图案化基板；            32、32’、32”：磊晶层；

33：表面；                  34：底部平面；

36：突起物；                38：顶部平面；

39：空隙缺陷；              40、40’、40”：基板；

42：图案化保护层；          44：凹陷；

46、46’：突起物；          48：顶部平面；

50：表面；                  52：平面；

54：侧壁表面；              56：底部侧壁表面；

58：上方侧壁表面；          60：底面；

62：转角；                  70：半导体发光元件；

72：第一导电型半导体层；    74：发光层；

76：第二导电型半导体层；    78：欧姆接触层；

80：第一电极；              82：第二电极；

P：转折点；                 L：外轮廓线；

θ1：第一倾斜角；          θ2：第二倾斜角。

具体实施方式

本发明举列一些实施例详述如下，其中相同的数字符号表示相同或具有相同功能的元件，而所附的相关图示并未依据实际比例绘制，其作用仅在于表达本发明的结构特征。当以下说明表示一元件位于另一元件之上时，其可表示此元件为直接位于另一元件的上面或可存有中间元件；同样地，当表示一元件为“连接”至另一元件时，其可表示此元件为直接连接至另一元件或可存有中间元件。反之，当表示一元件“直接”位于另一元件上或一元件“直接连接”至另一元件时，则表示其间没有中间元件。

以下提出许多具体细节，例如特定结构、成分、材料、尺寸、制程步骤及技术，以用于详细说明本发明的实施例，但其并非用以限制本发明。本领域技术人员在不背离申请专利范围的范畴下可有各种的修改及变化，因此本发明的范畴将不受限于构成组件的数量、材料、形状及相关配置等，且所揭露的实施例仅为范例而已。为了避免模糊本发明的焦点，所熟知的结构或制程步骤并未加以详述，然此并不影响本发明的实施。

图2A和图2B为本发明一实施例采用一图案化基板形成磊晶层的概略剖面示意图。参照图2A，图案化基板30具有用以形成磊晶层32的表面33，而表面33包括底部平面34和突出于底部平面34的突起物36，其中突起物36具有平行于底部平面34的顶部平面38。如图2A所示，由于图案化基板30的底部平面34与突起物36的顶部平面38均具有适于磊晶层32成长的晶面方向，因此磊晶层32’、32”将分别同时自底部平面34与顶部平面38上开始形成。然而，当磊晶层32’、32”同时于底部平面34与顶部平面38横向成长时，则最后形成的磊晶层32将容易在接近突起物36的上方处造成空隙缺陷39(如图2B所示)，进而影响到后续所形成的半导体发光元件的发光效率。

为解决上述问题，下列实施例提供了一种半导体发光元件，其具有可改善磊晶品质与光萃取率的图案化基板。

图3A至图3D为根据本发明一实施例形成一图案化基板的一系列概略剖面侧视图，而此图案化基板可后续用于形成一半导体发光元件。参照图3A，首先提供一基板40，而基板40的材料及特性可根据所欲形成的半导体发光元件类型和后续形成于基板40上的磊晶层材质而定。本实施例以形成一蓝光发光二极管为例，而采用的基板40为一蓝宝石基板。

接着，在基板40上形成图案化保护层42。在本实施例中，图案化保护层42利用现有的薄膜沉积方法先形成氧化硅薄膜，接着再利用现有的微影、蚀刻等技术，形成适当直径的圆形图案。然而，图案化保护层42可根据实际的需求，而在基板40上形成适当的形状、尺寸和排列，本发明并非以此为限。

参照图3B，执行第一次蚀刻步骤，以形成具有凹陷44的基板40’，而此时基板40’受到图案化保护层42所遮蔽的地方则形成具有两个倾斜面的突起物46。在本实施例中，第一次蚀刻步骤较佳以湿式蚀刻法完成，将基板40浸润于一蚀刻剂中，而此蚀刻剂较佳为对基板40和图案化保护层42有良好蚀刻选择比的溶液。在此实施例中，基板40为C plane晶面方向(0001)的蓝宝石基板，而图案化保护层42为氧化硅，因此蚀刻剂可例如为包含硫酸、磷酸、或其组合的溶液，然而本发明并非以此为限。

接着，将图案化保护层42自基板40’上移除，而此时基板40’的突起物46的顶部将具有一受到图案化保护层42所保护的顶部平面48，如图3C所示。

在移除图案化保护层42之后，对基板40’执行第二次蚀刻步骤，以将突起物46的顶部平面48尖化，进而形成一后续用以形成磊晶层的基板40”，如图3D所示。基板40”具有一表面50，而表面50包括具有适于磊晶层成长的晶面方向的平面52、以及复数个不具有平行于平面52的顶部平面的突起物46’。在本实施例中，此蚀刻步骤也为一湿式蚀刻法，且所使用的蚀刻剂和第一次湿式蚀刻法所采用的蚀刻剂相同。

本实施例所提供的突起物46’具有仅由复数个侧壁表面54所构成的外表面，而这些侧壁表面54未平行于基板40”的平面52，即侧壁表面54的晶面方向大致上不包括平面52的晶面方向，即C plane晶面方向(0001)，如此一来，后续将形成品质较佳的磊晶层。参照图3D，突起物46’由侧面观视具有一外轮廓线L，而此外轮廓线L自突起物46’的底部至顶部包括至少一转折点P。参照图3D，由侧面观视，突起物46’的侧壁表面54具有底部侧壁表面56和上方侧壁表面58，其中底部侧壁表面56夹置于平面52与上方侧壁表面58之间，并且连接于平面52与上方侧壁表面58，其中底部侧壁表面56与平面52间具有第一倾斜角θ1，而上方侧壁表面58与平面52间则具有第二倾斜角θ2，且第一倾斜角θ1和第二倾斜角θ2互异。在此实施例中，第一倾斜角θ1大于第二倾斜角θ2，而突起物46’的侧壁表面54的倾斜度可通过调整蚀刻制程的处理参数而控制。

在本实施例中，由于基板40”的突起物46’不具有平行于平面52的顶部平面，即突起物46’不具有适合磊晶层成长的C plane晶面方向(0001)的顶部平面，因此后续在基板40”的表面50上所形成的磊晶层将可避免形成例如空隙等缺陷，进而具有较佳的磊晶品质。

图4A和图4B分别为本发明一实施例形成的图案化蓝宝石基板的剖面侧视图和俯视图，其为利用SEM仪器所实际拍摄的图式。

图5A和图5B分别为本发明一实施例提供的突起物的概略透视图和俯视图，而图5C为本发明一实施例提供的用于形成半导体发光元件的基板的概略透视图。

突起物46’具有一近似多边形的底面60。在本实施例中，参照图5A和5B，突起物46’所具有的多边形底面60大抵具有三个转角62，而多边形底面60在转角62间呈弧状。

侧壁表面54可大抵为一曲面、一平面或其组合，而突起物46’由侧面观视时，则底部侧壁表面56与上方侧壁表面58的一连接处则显示为转折点P，其中转折点P可大抵为具有不同倾斜度的平面、或具有不同曲率的曲面的侧壁表面54间的连接处。在本实施例中，突起物46’的侧壁表面54仅由三个底部侧壁表面56与三个上方侧壁表面58所构成。

参照图5C，多个突起物46’在基板40”上彼此分离，并且以交错的方式而规则排列。然而，突起物46’间的距离和排列方式可根据实际需求而定，即本发明并非受限于此。

图6为根据本发明一实施例提供的基板而形成的半导体发光元件的剖面示意图。参照图6，半导体发光元件70包括位于基板40”的表面50上的第一导电型半导体层72、位于第一导电型半导体层72上的发光层74、以及位于发光层74上的第二导电型半导体层76。在本实施例中，第一导电型半导体层可为N型半导体层，而第二导电型半导体层则为P型半导体层，且第一导电型半导体层72、发光层74、以及第二导电型半导体层76均可为磊晶层。第一电极80和第二电极82可分别设置于第一导电型半导体层72和第二导电型半导体层76上，而在此实施例中，一欧姆接触层78设置于第二导电型半导体层76与第二电极82之间。

根据本实施例，第一导电型半导体层72可直接磊制于基板40”的表面50上，由于基板40”的表面50具有复数个突起物46’，因此可减少磊晶层的差排现象。此外，在本实施例中，由于基板40”的突起物46’的侧壁表面54大抵不具有适于磊晶层成长的晶面方向，如此可减少磊晶层所产生的缺陷，因而提升磊晶品质与光萃取效率。如此一来，本实施例所提供的半导体发光元件70将具有较佳的制程良率和量子发光效率。

进一步，在本实施例中，由于基板40”的突起物46’的侧面自其底部至顶部具有一个以上的转折点，因此可更为有效地反射光束，以便提升光萃取效率。

然而，根据基板40”的材质、图案化保护层42的形状和尺寸、以及蚀刻方法和制程参数，基板40”可具有不同形状的突起物46’，例如突起物46’的多边形底面也可包括其他种多边形形状，且突起物46’的侧面的转折点可为一个以上，例如突起物46’的上方侧壁表面58可包括第一上方侧壁表面与第二上方侧壁表面，且其中第一上方侧壁表面夹置于底部侧壁表面与第二上方侧壁表面之间，并且连接于底部侧壁表面与第二上方侧壁表面，而观视突起物46’的侧面，则第一上方侧壁表面与第二上方侧壁表面的连接处也可为一转折点。

尽管本发明已结合特定较佳的实施例而描述，然而很明显地，本领域技术人员可在参考本说明书的情况下进行多种替代、修改及变更。因此，本申请专利的保护范围应在不背离本发明实际范围及精神下涵盖任何这些替代、修改及变更。

Claims (10)

1.一种半导体发光元件，其特征在于，包括：

一基板，所述基板具有一表面，所述表面包括一平面以及复数个突起物突出于所述平面，其中所述平面为一特定晶面方向，而各个所述突起物具有由复数个侧壁平面所构成的一外表面，且所述复数个侧壁平面的晶面方向不包括所述特定晶面方向，各个所述突起物由俯视图观视具有复数个外轮廓线，且所述复数个外轮廓线相交于一点；以及

一发光磊晶叠层直接位于所述基板的所述表面上，包括一第一导电型半导体层、位于所述第一导电型半导体层上的一发光层、以及位于所述发光层上的一第二导电型半导体层，其中所述突起物与所述发光磊晶叠层之间不包含空隙。

2.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，所述复数个侧壁平面包括一底部侧壁表面与一上方侧壁表面，其中所述底部侧壁表面连接于所述平面与所述上方侧壁表面，当各个所述突起物由侧面观视时，所述底部侧壁表面与所述上方侧壁表面的一连接处为一转折点。

3.根据权利要求2所述的半导体发光元件，其特征在于，所述底部侧壁表面与所述平面间具有一第一倾斜角，而所述上方侧壁表面与所述平面间具有一第二倾斜角，其中所述第一倾斜角与所述第二倾斜角互异。

4.根据权利要求3所述的半导体发光元件，其特征在于，所述第一倾斜角大于所述第二倾斜角。

5.根据权利要求2所述的半导体发光元件，其特征在于，各个所述突起物的所述复数个侧壁平面由三个所述底部侧壁表面与三个所述上方侧壁表面所构成。

6.根据权利要求2所述的半导体发光元件，其特征在于，所述上方侧壁表面包括一第一上方侧壁表面与一第二上方侧壁表面，其中所述第一上方侧壁表面连接于所述底部侧壁表面与所述第二上方侧壁表面，当各个所述突起物由侧面观视时，所述第一上方侧壁表面与所述第二上方侧壁表面的一连接处为一转折点。

7.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，所述复数个突起物是以湿式蚀刻方法形成，并且具有一近似多边形的底面。

8.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，各个所述突起物的底面具有三个转角。

9.根据权利要求8所述的半导体发光元件，其特征在于，各个所述突起物的底面在三个所述转角间呈弧状。

10.一种半导体发光元件，其特征在于，包括：

一基板，所述基板具有一表面，所述表面包括一平面以及复数个突起物突出于所述平面，其中所述平面为一C plane晶面方向(0001)，而各个所述突起物不具有为所述C plane晶面方向(0001)的一顶部平面，各个所述突起物具有由复数个侧壁平面所构成的一外表面，且各个所述突起物由俯视图观视具有复数个外轮廓线，且所述复数个外轮廓线相交于一点；以及

一发光磊晶叠层直接位于所述基板的所述表面上，包括一第一导电型半导体层、位于所述第一导电型半导体层上的一发光层、以及位于所述发光层上的一第二导电型半导体层，其中所述突起物与所述发光磊晶叠层之间不包含空隙。