CN102487115A

CN102487115A - 发光二极管

Info

Publication number: CN102487115A
Application number: CN2011103158687A
Authority: CN
Inventors: 吴志凌
Original assignee: Genesis Photonics Inc
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2010-12-03
Filing date: 2011-10-18
Publication date: 2012-06-06
Anticipated expiration: 2031-10-18
Also published as: CN102487115B; TW201225336A; TWI473300B

Abstract

一种发光二极管，包含一块具有多个凸部的图案化基板、一层位于图案化基板上并具有n型氮化镓系III-V族化合物半导体层、活性层和p型氮化镓系III-V族化合物半导体层的发光结构、一层位于发光结构上的透明导电层，及一组提供外部电能至发光结构的电极单元，透明导电层具有包括多个凹槽的构形化表面，凸部相对于该透明导电层的投影范围与所述凹槽部分地重叠，使得发光结构发出的部分光经图案化基板和透明导电层作用而实质集中地朝该顶面方向发射至外界；又借由透明导电层的构形化表面，减少光线被吸收的比率，进而增加发光二极管的发光强度。

Description

发光二极管

技术领域

本发明涉及一种发光二极管，特别是涉及一种具有构形化表面的透明导电层的发光二极管。

背景技术

参阅图1、2，发光二极管(light-emitting diode，LED)的发光原理是利用电子在n型半导体与p型半导体间移动的能量差，以光的形式将能量释放，这样的发光原理系有别于白炽灯发热产生光的发光原理，因此发光二极管被称为冷光源。此外，发光二极管具有耐久性高、寿命长、轻巧、耗电量低、无汞环保等优点，因此现今的照明市场对于发光二极管寄予厚望，将其视为新一代的照明工具。

以发光二极管而言，输入电能与转换释出的光能的关系大致可归纳成内部量子效率(internal quantum efficiency)，以及光取出效率(extraction efficiency)等两种。其中，光取出效率直接影响发光二极管的发光强度，因此，如何增加发光二极管的光取出效率一直是很重要的课题。

参阅图1，申请人曾以申请中国台湾第096118530号「发光二极管的图案化基板及发光二极管」案，提出在图案化基板11上形成多数预定态样的折射体12的技术手段，以该些折射体12反射磊晶膜13发出的光，使原本由于全反射原理而束缚在半导体层的光有机会改变出光角度，破坏全反射而离开半导体，进而提高发光二极管的光取出效率。

此外，申请人也曾以如图2所示申请中国台湾第095145960号「垂直导通式发光二极管及其制造方法」案，提出在量子单元14上形成包括多数根光修正柱151的柱丛部15的技术手段，以及如图3所示中国台湾第094124908号「具有共掺杂粗化层的发光二极管及其制造方法」案，提出在主动层16上形成一层粗化层17的技术手段，借此使光射出至外界的顶面不平整而提高产生的光向外射出的机率，进而提高发光二极管的光取出率。

上述两种方式均确实可以有效提升发光二极管的光取出效率，然而，在量子单元14形成多数根光修正柱151的技术手段困难且良率低，产生成本上升的问题，而主动层16上形成一层粗化层17的技术手段，虽然可提升发光效率，但在粗化制程仍有问题难以克服，因此，寻求一种可以具有高光取出效率且能有效量产的发光二极管仍为业界的殷盼。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以提升光取出效率的发光二极管。

本发明一种发光二极管包含一块图案化基板、一层发光结构、一层透明导电层，及一组电极单元。

该图案化基板具有一个顶面，及多个形成在该顶面的凸部。

该发光结构位于该图案化基板的顶面。

该透明导电层设于该发光结构上并具有一个包括多个凹槽的构形化表面，其中，该图案化基板的凸部相对于该透明导电层的投影范围与所述凹槽部分地重叠。

该电极单元具有两块彼此配合提供外部电能至该发光结构的电极。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用于下技术措施进一步实现。

较佳地，该图案化基板与该透明导电层相配合能够使来自该发光结构的部分光实质集中地朝该顶面方向发射至外界。

较佳地，该图案化基板的凸部相对于透明导电层的投影范围中有50％以上与凹槽重叠。

较佳地，该图案化基板的凸部具有规则的排列周期，该排列周期为1.5微米～6.5微米。

较佳地，该凸部的高度是0.5微米～2.5微米。

较佳地，该凸部是径长渐向上渐缩的炮弹型凸部。

较佳地，该凸部的最大宽度是1微米～3.5微米。

较佳地，该相邻的凸部的平均间距是0.5微米～3微米。

较佳地，该构形化表面的凹槽具有规则的排列周期，该排列周期为3微米～9微米。

较佳地，该相邻的凹槽的平均间距是0.5微米～4微米。

较佳地，该凹槽的深度范围是0.1微米～0.5微米。

较佳地，该凹槽的宽度范围是2微米～6微米。

较佳地，该凹槽的宽度是该凸部宽度的0.8～4倍。

较佳地，所述的发光二极管还包含一层绝缘层，位于该透明导电层上，该绝缘层具有粗化的表面。

本发明的有益的效果在于：借由图案化基板改变光的出光角度，使产生的光更集中的从透明导电层的凹槽处离开半导体，减少透明导电层的吸光；另一方面，借由图案化基板与透明导电层彼此作用而调整发光结构产生的部分光，使该部分光实质集中地朝该图案化基板的正向出光面发射至外界。

附图说明

图1是一剖视示意图，说明中国台湾第096118530号申请案的发光二极管；

图2是一剖视示意图，说明中国台湾第095145960号申请案的垂直导通式发光二极管；

图3是一剖视示意图，说明中国台湾第094124908号申请案的具有共掺杂粗化层的发光二极管；

图4是一剖视示意图，说明本发明发光二极管的第一较佳实施例；

图5是一局部俯视图，辅助说明图4的发光二极管；

图6是一剖视示意图，说明本发明一种发光二极管的第二较佳实施例。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

参阅图4、图5，本发明发光二极管的第一较佳实施例，包含一块图案化基板2、一层发光结构3、一层透明导电层4，及一组电极单元5。

该图案化基板2是借由进行化学或物理方式以达图案化的目的。化学方式如化学溶液或活性气体的溶解反应，而物理方式为以刀具钻、切等、以模具压制成型等或高能活性离子轰击等，皆可获得该图案化基板2。该图案化基板2具有一个包括分布均匀的凸部22的特定形状的顶面21，具体而言，该图案化基板2的凸部22具有规则的排列周期，该排列周期为1.5微米～6.5微米，较佳为2微米～6微米。该凸部22的高度为0.5微米～2.5微米，该凸部22的最大宽度是1微米～3.5微米，较佳的是径长渐向上渐缩的炮弹型凸部22，相邻的凸部22的平均间距为0.5微米～3微米。另外，该图案化基板2可为绝缘图案化基板、蓝宝石图案化基板、碳化硅(SiC)图案化基板、硅(Si)图案化基板、砷化镓(GaAs)图案化基板、偏铝酸锂(LiAlO₂)图案化基板、镓酸锂(LiGaO₂)图案化基板，或氮化铝(AlN)图案化基板。

该发光结构3位于该图案化基板2顶面21，包含一层第一半导体层31、一层第二半导体层32，及一层位于该第一半导体层31、第二半导体层32的间的活性层33，该第一半导体层31系位于该图案化基板2上，作为包覆层，该活性层33位于第一半导体层31上，作为发光层，该第二半导体层32位于活性层33上，作为另一包覆层。该第一半导体层31与第二半导体层32可为不同掺杂型，在此实施例中，该第一半导体层31是n型半导体，而该第二半导体层32是p型半导体；活性层33可为同质结构(Homostructure)、单异质结构(SingleHeterostructure)、双异质结构(Double Heterostructure)，或多重量子井结构(multiple quantum wells)；此外，该第一半导体层31、活性层33，及第二半导体层32包含任何习知的材料，第一半导体层31及第二半导体层32的材料举例来说可为III-V族半导体材料，如氮化镓(GaN)、磷砷化铝铟镓(AlInGaPAs)、氮化铝铟镓(AlInGaN)，而活性层33的材料可为氮化镓(GaN)、氮化铟镓(InGaN)。

该透明导电层4是由金属氧化物、金属氮化物，或半导体材料构成，金属氧化物例如氧化铟(In₂O₃)、氧化锡(SnO₂)、氧化镉(CdO)、氧化锌(ZnO)、氧化铟锡(ITO)、氧化镉锡(CTO)、氧化锌铝(AZO)、氧化锑锡(ATO)、氧化锑等，金属氮化物例如氮化钛(TiN)、氮化钛钨(TiWN)等；此金属氧化物或金属氮化物可借由电子束沉积(E-beam deposition)或溅镀(sputter)方式形成；而半导体材料如碳化硅(SiC)、氮化铝(AlN)，可借由电浆增强式化学气相沉积(PECVD)或分子束磊晶法(MBE)方式形成。

该透明导电层4可以解决第二半导体层32导电度低的问题，提供电流均匀横向扩散的途径，使发光二极管的电流分布获得改善，进而增加发光二极管的发光效率与寿命。该透明导电层4的厚度约小于0.5微米，较佳约为0.1微米～0.3微米。

特别地，该透明导电层4具有一个包括多个凹槽42的构形化表面(shaped surface)41，「构形化」指具有特定形状，具体而言，所述凹槽42是但非限定于六角凹槽、圆形凹槽、方形凹槽、条状凹槽，或其他具有特定形状的凹槽。该构形化表面41的凹槽42具有规则的排列周期，该排列周期为3微米～9微米，相邻的凹槽42的平均间距是0.5微米～4微米，1微米～3微米为较佳，深度约为0.1微米～0.5微米，较佳约为0.1微米～0.3微米，该凹槽42的宽度范围是2微米～6微米。

透明导电层4可有效提升发光二极管的电流分布均匀性，使发光效率明显提升，但由于透明导电层4会吸收光，因此，借由构形化表面41的设计，可维持良好的电流分布，同时又减少透明导电层4的吸光，加上和图案化基板2做适度的对准，使产出的光经由图案化基板2集中后，从透明导电层4的凹槽42处射出，达到提升发光强度的效果。

于本实施例中，该凸部22的宽度不大于凹槽42的宽度，较佳的，该凹槽42的宽度为该凸部22宽度的0.8～4倍，尤佳者为，该凹槽42的宽度为该凸部22宽度的0.95～2倍。借由该图案化基板2凸部22和透明导电层4的构形化表面41的凹槽42二者相互使用，再搭配上特定的凹槽42与凸部22的宽度比，可达到提升发光强度的功效。

此外，本发明该图案化基板2的凸部22相对于该透明导电层的投影范围与所述凹槽42部分地重叠，借由调整图案化基板2顶面21的凸部22与透明导电层4构形化表面41的凹槽42彼此的对应位置，特别是当凸部22相对于透明导电层4的投影范围中有50％以上与凹槽42重叠时，能有效提升发光二极管的整体发光强度。通过此设计，可使得发光结构3发出的部分光经图案化基板2与透明导电层4构形化表面41作用而实质集中地朝顶面方向发射至外界，进而提升发光二极管的整体发光强度。

该电极单元5具有两块彼此配合提供外接电能至该发光结构3的电极51，其中一块电极51接触连接于该透明导电层4上，另一块接触连接于该发光结构3的第一半导体层31上，而可彼此配合提供电能至该发光结构3产生光。

参阅图6，本发明发光二极管的第二较佳实施例是与上例相似，不同处仅在于本例的发光二极管还形成有一层绝缘层6于该透明导电层4上，用于保护发光二极管。一般而言，该绝缘层6的构成材料是选用高介电常数材料，例如但不限于二氧化硅(SiO₂)或氮化硅(Si₃N₄)，此外，该绝缘层6可具有平滑表面或是粗化表面，粗化表面可有效增加光的散射，为较佳态样，在图示中也仅以粗化表面作说明。

综上所述，本发明主要是提出一种发光二极管，借着图案化基板2顶面21的凸部22与透明导电层4构形化表面41的凹槽42相配合，而让该发光结构3发出的部分光实质集中地朝该图案化基板2的正向出光面发射至外界，而达到提升整体出光强度的功效，确实达成本发明的目的。

Claims

1.一种发光二极管，包含一块具有一个顶面，及多个形成在该顶面的凸部的图案化基板、一层位于该图案化基板的顶面的发光结构、一层设于该发光结构上的透明导电层，及一组具有两块彼此配合提供外部电能至该发光结构的电极的电极单元；其特征在于：

该透明导电层具有一个包括多个凹槽的构形化表面，该图案化基板的凸部相对于该透明导电层的投影范围与所述凹槽部分地重叠。

2.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：该图案化基板与该透明导电层相配合能够使来自该发光结构的部分光实质集中地朝该顶面方向发射至外界。

3.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：该图案化基板的凸部相对于透明导电层的投影范围中有50％以上与凹槽重叠。

4.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：该图案化基板的凸部具有规则的排列周期，该排列周期为1.5微米～6.5微米。

5.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：该凸部的高度是0.5微米～2.5微米。

6.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：该凸部是径长渐向上渐缩的炮弹型凸部。

7.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：该凸部的最大宽度是1微米～3.5微米。

8.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：该相邻的凸部的平均间距是0.5微米～3微米。

9.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：该构形化表面的凹槽具有规则的排列周期，该排列周期为3微米～9微米。

10.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：该相邻的凹槽的平均间距是0.5微米～4微米。

11.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：该凹槽的深度范围是0.1微米～0.5微米。

12.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：该凹槽的宽度范围是2微米～6微米。

13.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：该凹槽的宽度是该凸部宽度的0.8～4倍。

14.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述的发光二极管还包含一层绝缘层，位于该透明导电层上，该绝缘层具有粗化的表面。