CN103378245A - 发光二极管元件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种发光二极管元件，包括一磊晶基板、至少一钝化结构、至少一空穴、一半导体层、一第一型掺杂半导体层、一发光层以及一第二型掺杂半导体层。钝化结构配置于磊晶基板上且具有一外表面。空穴位于钝化结构上，且至少覆盖50％的钝化结构的外表面。半导体层配置于磊晶基板上，且将钝化结构与空穴包覆于其内。第一型掺杂半导体层配置于半导体层上。发光层配置于第一型掺杂半导体层上。第二型掺杂半导体层配置于发光层上。
Description
技术领域
本发明是有关于一种发光元件，且特别是一种发光二极管元件。
背景技术
发光二极管通常是由含有III-V族元素的半导体材料所构成，而发光二极管具有将电能转换为光能的特性。发光二极管的发光现象属于冷性发光，所以发光二极管具有反应速度快、体积小、省电以及不易破裂等优点，因此其应用的领域十分广泛。
氮化镓类(GaN-based)的半导体材料已被证实极具潜力以应用于制作发光二极管，且其发光波长所涵盖的范围可从红外光、可见光至紫外光。因此，近年来氮化镓类半导体逐渐受到广大的重视。
以传统的氮化镓发光二极管而言，通常是使用蓝宝石(Sapphire)为磊晶基板。然而，由于蓝宝石为透明材料，使得发光二极管发出光线四散发射，无法集中利用，进而降低发光二极管的发光效率。再者，由于外界空气与氮化镓材料的折射率差约1.5，使得发光二极管的发光层所产生的光易因被氮化镓与外界空气的界面全反射，而局限在发光二极管内部，这也是造成发光二极管的发光效率下降的原因。
发明内容
本发明提供一种发光二极管元件，其具有较佳的发光效率。
本发明提供一种发光二极管元件，其包括一磊晶基板、至少一钝化结构、至少一空穴、一半导体层、一第一型掺杂半导体层、一发光层以及一第二型掺杂半导体层。钝化结构配置于磊晶基板上，且具有一外表面。空穴(void)位于钝化结构上，且至少覆盖50％的钝化结构的外表面。半导体层配置于磊晶基板上，且将钝化结构与空穴包覆于其内。第一型掺杂半导体层配置于半导体层上。发光层配置于第一型掺杂半导体层上。第二型掺杂半导体层配置于发光层上。
在本发明的一实施例中，上述钝化结构的材质为二氧化硅或氮化铝。
在本发明的一实施例中，上述至少一钝化结构为多个钝化结构，至少一空穴为多个空穴。钝化结构彼此不相连且呈等间距排列于磊晶基板上，而空穴分别位于钝化结构上。
在本发明的一实施例中，上述相邻两钝化结构之间的间距介于1.5微米至3.5微米之间。
在本发明的一实施例中，上述空穴覆盖钝化结构的外表面的覆盖率小于钝化结构的外径/间距比值。
在本发明的一实施例中，上述钝化结构的外径介于1.3微米至2.8微米之间。
在本发明的一实施例中，上述钝化结构的高度介于0.5微米至2.0微米之间。
在本发明的一实施例中，上述钝化结构的剖面外形包括矩形、半圆形、三角形、梯形、弹头形、圆顶形(dome-shaped)、波浪状或锯齿状。
在本发明的一实施例中，上述钝化结构包括一突起部分以及一钝化层。突起部分配置于磊晶基板上。钝化层配置于突起部分的至少一侧且与突起部分接触，且突起部分的材质为蓝宝石，而钝化层的材质为二氧化硅或氮化铝。
在本发明的一实施例中，上述钝化层包覆突起部分。
在本发明的一实施例中，上述突起部分的剖面外形包括矩形、半圆形、三角形、梯形、弹头形、波浪状或锯齿状，而钝化结构与突起部分共形(conformal)设置。
在本发明的一实施例中，上述磊晶基板为一蓝宝石基板。
在本发明的一实施例中，上述第一型掺杂半导体层为N型掺杂半导体层，而第二型掺杂半导体层为P型掺杂半导体层。
在本发明的一实施例中，上述第一型掺杂半导体层与第二型掺杂半导体层的材质是由氮化镓、氮化铝镓、氮化铟镓、氮化铝铟镓至少其中之一掺杂II族元素或IV族元素所构成。
在本发明的一实施例中，上述发光二极管元件还包括一第一电极以及一第二电极。第一电极配置于第一型掺杂半导体层上并与第一型掺杂半导体层电性连接。第二电极配置于第二型掺杂半导体层上并与第二型掺杂半导体层电性连接。
综上所述，由于本发明的发光二极管元件具有位于钝化结构上的空穴，且钝化结构与空穴皆包覆于半导体层内。因此，当发光层所产生的光入射至钝化结构时，位于钝化结构的外表面上的空穴可产生良好的散射效果，进而提升发光二极管元件的发光效率。再者，由于空穴易于使来自发光层的光产生全反射，使光在全反射后，射出至发光二极管元件外，这也是提升发光二极管元件的发光效率的原因。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1A为本发明的一实施例的一种发光二极管元件的剖面示意图；
图1B为图1A的另一种钝化结构的剖面示意图；
图1C为图1A的另一种钝化结构的剖面示意图；
图1D为图1A的另一种钝化结构的剖面示意图；
图1E为图1A的另一种钝化结构的剖面示意图；
图1F为图1A的另一种钝化结构的剖面示意图；
图2为本发明的另一实施例的一种发光二极管元件的剖面示意图；
图3为本发明的另一实施例的一种发光二极管元件的剖面示意图；
图4为本发明的另一实施例的一种发光二极管元件的剖面示意图；
图5为本发明的另一实施例的一种发光二极管元件的剖面示意图；
图6为本发明的另一实施例的一种发光二极管元件的剖面示意图。
附图标记说明：
100a、100b、100c、100d、100e、100f：发光二极管元件；
110：磊晶基板；
120a、120b、120c、120d、120e、120f、120g、120h：钝化结构；
122：外表面；
125a、125b：突起部分；
127a、127b：钝化层；
130a、130b、130c、130d、130e、130f：空穴；
140：半导体层；
150：第一型掺杂半导体层；
160：发光层；
170：第二型掺杂半导体层；
180：第一电极；
190：第二电极；
D：间距；
H：高度；
T：外径。
具体实施方式
图1A为本发明的一实施例的一种发光二极管元件的剖面示意图。请参考图1A，在本实施例中，发光二极管元件100a包括一磊晶基板110、至少一钝化结构120a(图1A中示意地绘示多个)、至少一空穴130a(图1A中示意地绘示多个)、一半导体层140、一第一型掺杂半导体层150、一发光层160以及一第二型掺杂半导体层170。在此，磊晶基板110例如是一蓝宝石基板。
详细来说，钝化结构120a配置于磊晶基板110上，其中钝化结构120a彼此不相连且呈等间距排列于磊晶基板110上。在此，并考量后续的磊晶品质与制程良率，较佳地，相邻两钝化结构120a之间的间距D例如是介于1.5微米至3.5微米之间。钝化结构120a的外径T例如是介于1.3微米至2.8微米之间，而钝化结构120a的高度H例如是介于0.5微米制2.0微米之间。空穴130a分别位于钝化结构120a上，且覆盖钝化结构120a的一外表面122，其中空穴130a至少覆盖50％的钝化结构120a的外表面122。如图1所示，空穴130a并未完全覆盖钝化结构120a，空穴130a仅覆盖约70％的钝化结构120a的外表面122。在此，每一钝化结构120a的外形皆例如是弹头形，而呈均匀连续态的空穴130a则分别覆盖每一钝化结构120a的外表面122。特别是，钝化结构120a的材质为二氧化硅或氮化铝，且空穴130a覆盖钝化结构120a的外表面122的覆盖率小于钝化结构120a的外径T/间距D比值。
半导体层140配置于磊晶基板110上，且将钝化结构120a与空穴130a包覆于其内。第一型掺杂半导体层150配置于半导体层140上。发光层160配置于第一型掺杂半导体层150上。第二型掺杂半导体层170配置于发光层160上。在此，第一型掺杂半导体层150为N型掺杂半导体层，而第二型掺杂半导体层170为P型掺杂半导体层。第一型掺杂半导体层150与第二型掺杂半导体层170的材质例如是由氮化镓、氮化铝镓、氮化铟镓、氮化铝铟镓至少其中之一掺杂II族元素或IV族元素所构成。此外，本实施例的发光二极管元件100a还包括一第一电极180以及一第二电极190。第一电极180配置于第一型掺杂半导体层150上并与第一型掺杂半导体层150电性连接，而第二电极190配置于第二型掺杂半导体层170上并与第二型掺杂半导体层170电性连接。
由于本实施例的发光二极管元件100a具有位于钝化结构120a上的空穴130a，且钝化结构120a与空穴130a皆包覆于半导体层140内。因此，当发光层160所产生的光(请参考图1A中的箭头方向)入射至钝化结构120a时，位于钝化结构120a的外表面122上的空穴130a可产生良好的散射效果，进而提升发光二极管元件的发光效率。再者，由于空穴130a易于使来自发光层160的光产生全反射，使光在全反射后，射出至发光二极管元件100a外，这也是提升发光二极管元件100a的发光效率的原因。
值得一提的是，本发明并不限定钝化结构120a的外形，虽然此处所提及的钝化结构120a的剖面外形具体化为弹头形。但在其他实施例中，请参考图1B，钝化结构120b的剖面外形也可为半圆形；亦或是，请参考图1C，钝化结构120c的剖面外形也可为梯形；亦或是，请参考图1D，钝化结构120d的剖面外形也可为三角形；亦或是，请参考图1E，钝化结构120e的剖面外形也可为波浪状；亦或是，请参考图1F，钝化结构120f的剖面外形也可为锯齿状；亦或是，在未绘示实施例中，钝化结构的剖面外形也可为圆顶形(dome-shaped)。因此，图1A所示的钝化结构120a的剖面外形仅为举例说明，并非限定本发明。
以下实施例沿用前述实施例的元件标号与部分内容，其中采用相同的标号来表示相同或近似的元件，并且省略了相同技术内容的说明。关于省略部分的说明可参考前述实施例，下述实施例不再重复赘述。
图2为本发明的另一实施例的一种发光二极管元件的剖面示意图。本实施例的发光二极管元件100b与图1A的发光二极管元件100a相同，差异之处仅在于：本实施例的空穴130b是呈不均匀连续态。因此，当发光层160所产生的光(请参考图2中的箭头方向)入射至钝化结构120a时，可提高在任何角度射入至钝化结构120a所产生全反射的机率，进而使整体发光二极管元件100b的发光效率提升。
图3为本发明的另一实施例的一种发光二极管元件的剖面示意图。本实施例的发光二极管元件100c与图1A的发光二极管元件100a相同，差异之处仅在于：本实施例的空穴130c是呈不均匀的非连续态。因此，当发光层160所产生的光(请参考图3中的箭头方向)入射至钝化结构120a时，可提高在任何角度射入至钝化结构120a所产生全反射的机率，并提高入射光产生反射及散射的机率，可有效提升整体发光二极管元件100c的发光效率。
图4为本发明的另一实施例的一种发光二极管元件的剖面示意图。本实施例的发光二极管元件100d与图1A的发光二极管元件100a相同，差异之处仅在于：本实施例的空穴130d是呈均匀连续态，且完全覆盖钝化结构120a。因此，当发光层160所产生的光(请参考图4中的箭头方向)入射至钝化结构120a时，可提高在任何角度射入至钝化结构120a所产生全反射与散射的机率，进而可提升整体发光二极管元件100d的发光效率。
图5为本发明的另一实施例的一种发光二极管元件的剖面示意图。本实施例的发光二极管元件100e与图1A的发光二极管元件100a相同，差异之处仅在于：本实施例的发光二极管元件100e的每一钝化结构120g包括一突起部分125a以及一钝化层127a，其中突起部分125a配置于磊晶基板110上。在此，突起部分125a的外型外形例如是倒梯形，而钝化层127a配置于突起部分125a的至少一侧且与突起部分125a接触。在此，钝化层127a仅位于突起部分125a的顶端，而空穴130e是呈均匀连续态，且完全覆盖钝化结构120g的钝化层127a。当然，在其他未绘示的实施例中，突起部分125a的剖面外形也可为矩形、圆顶形(dome-shaped)、半圆形、三角形、弹头形、波浪状或锯齿状，在此并不加以限制。此外，突起部分125a的材质例如是蓝宝石，而钝化层127a的材质为二氧化硅或氮化铝。值得一提的是，本实施例并不限定空穴130e的形态，在其他未绘示的实施例中，空穴130e的形态也可为前述实施例所提及的空穴130a、空穴130b、空穴130c的形态。
图6为本发明的另一实施例的一种发光二极管元件的剖面示意图。本实施例的发光二极管元件100f与图5的发光二极管元件100e相同，差异之处仅在于：本实施例的发光二极管元件100f的每一钝化结构120h包括一突起部分125b以及一钝化层127b，其中突起部分125b配置于磊晶基板110上，而钝化层127b完全包覆突起部分125b，且空穴130f完全包覆钝化结构120g。在此，突起部分125b的外形例如是弹头形。
综上所述，由于本发明的发光二极管元件具有位于钝化结构上的空穴，且钝化结构与空穴皆包覆于半导体层内。因此，当发光层所产生的光入射至钝化结构时，位于钝化结构的外表面上的空穴可产生良好的散射效果，进而提升发光二极管元件的发光效率。再者，由于空穴易于使来自发光层的光产生全反射，而使光在全反射后，射出至发光二极管元件外，这也是提升发光二极管元件的发光效率的原因。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (15)
1.一种发光二极管元件，其特征在于，包括：
一磊晶基板；
至少一钝化结构，配置于该磊晶基板上，且具有一外表面；
至少一空穴，位于该钝化结构上，且至少覆盖50％的该钝化结构的该外表面；
一半导体层，配置于该磊晶基板上，且将该钝化结构与该空穴包覆于其内；
一第一型掺杂半导体层，配置于该半导体层上；
一发光层，配置于该第一型掺杂半导体层上；以及
一第二型掺杂半导体层，配置于该发光层上。
2.根据权利要求1所述的发光二极管元件，其中该钝化结构的材质为二氧化硅或氮化铝。
3.根据权利要求1所述的发光二极管元件，其中该至少一钝化结构为多个钝化结构，至少一空穴为多个空穴，该些钝化结构彼此不相连且呈等间距排列于该磊晶基板上，而该些空穴分别位于该些钝化结构上。
4.根据权利要求3所述的发光二极管元件，其中相邻两该些钝化结构之间的间距介于1.5微米至3.5微米之间。
5.根据权利要求3所述的发光二极管元件，其中该些空穴覆盖该些钝化结构的该些外表面的覆盖率小于该钝化结构的外径/间距比值。
6.根据权利要求1所述的发光二极管元件，其中该钝化结构的外径介于1.3微米至2.8微米之间。
7.根据权利要求1所述的发光二极管元件，其中该钝化结构的高度介于0.5微米至2.0微米之间。
8.根据权利要求1所述的发光二极管元件，其中该钝化结构的剖面外形包括矩形、半圆形、三角形、梯形、弹头形、圆顶形、波浪状或锯齿状。
9.根据权利要求1所述的发光二极管元件，其中该钝化结构包括一突起部分以及一钝化层，该突起部分配置于该磊晶基板上，该钝化层配置于该突起部分的至少一侧且与该突起部分接触，该突起部分的材质为蓝宝石，而该钝化层的材质为二氧化硅或氮化铝。
10.根据权利要求9所述的发光二极管元件，其中该钝化层包覆该突起部分。
11.根据权利要求9所述的发光二极管元件，其中该突起部分的剖面外形包括矩形、半圆形、三角形、梯形、弹头形、圆顶形、波浪状或锯齿状，而该钝化结构与该突起部分共形设置。
12.根据权利要求1所述的发光二极管元件，其中该磊晶基板为一蓝宝石基板。
13.根据权利要求1所述的发光二极管元件，其中该第一型掺杂半导体层为N型掺杂半导体层，而该第二型掺杂半导体层为P型掺杂半导体层。
14.根据权利要求1所述的发光二极管元件，其中该第一型掺杂半导体层与该第二型掺杂半导体层的材质是由氮化镓、氮化铝镓、氮化铟镓、氮化铝铟镓至少其中之一掺杂II族元素或IV族元素所构成。
15.根据权利要求1所述的发光二极管元件，还包括：
一第一电极，配置于该第一型掺杂半导体层上并与该第一型掺杂半导体层电性连接；以及
一第二电极，配置于该第二型掺杂半导体层上并与该第二型掺杂半导体层电性连接。
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| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20131030 |