CN103390706A

CN103390706A - 发光角度收敛的图案化基材及发光二极管元件

Info

Publication number: CN103390706A
Application number: CN2012101433932A
Authority: CN
Inventors: 廖冠咏; 杨玉莲; 赖彦霖
Original assignee: Genesis Photonics Inc
Current assignee: Genesis Photonics Inc
Priority date: 2012-05-10
Filing date: 2012-05-10
Publication date: 2013-11-13

Abstract

本发明公开了一种发光角度收敛的图案化基材及发光二极管元件，其中的图案化基材于基板的表面设有多个封闭的几何形状区域，而几何形状区域由至少三个条状体所围设形成；藉此，通过基板表面的非平整性来提供反射光线的效果，使光线以100~110度射出发光二极管元件，具有较佳的指向性，并有效提升以此图案化基材制作的发光二极管元件其出光效率。

Description

发光角度收敛的图案化基材及发光二极管元件

技术领域

本发明涉及一种发光角度收敛的图案化基材及发光二极管元件，尤其是指一种通过基板表面的多个条状体改变光的行进方向并收敛出光角度，以增加光的指向性并提升发光二极管元件的出光效率者。

背景技术

近年来，发光二极管的应用面日趋广泛，已成为日常生活中不可或缺的重要元件；且发光二极管可望取代现今的照明设备，成为未来新世代的固态照明元件，因此发展高节能高效率及更高功率的发光二极管将会是未来趋势；氮化物LED由于具有元件体积小、无汞污染、发光效率高及寿命长等优点，已成为最新兴光电半导体材料之一，而三族氮化物的发光波长几乎涵盖了可见光的范围，更使其成为极具潜力的发光二极管材料。

一般传统的三族氮化物具有稳态的六方晶系纤维锌矿结构(hexagonalwurtzite structure)，六方晶系纤维锌矿结构是由二个交互混杂的六方最密(hexagonal close-packed，HCP)结构所组成，而六方晶系纤维锌矿结构包括C面、A面、M面及R面等方向，一般将垂直于C面的法线方向定义为(0001)、垂直于A面的法线方向定义为(1120)等；传统的三族氮化物发光二极管结构是在基板上依序包含有一n型半导体层、一主动发光层(active layer)，以及一p型半导体层，且为了提高组件的电流散布效果以及提高光萃取效率，一般在p型半导体层上会设置一透明导电层(例如：铟锡氧化物(ITO))；最后，再在p型半导体层与n型半导体层上分别设置有一p型电极垫与一n型电极垫，且p型电极垫与n型电极垫分别以奥姆接触于p型半导体层与n型半导体层上；而在理想的发光二极管中，当主动发光层内载子复合成光子后，这些光子若能全部辐射至外界，那这个发光二极管的发光效率即为100%，然而实际实施时，主动发光层所产生的光子可能会因为各种损耗机制，无法以100%的发光效率传播到外界。

举例而言，上述发光二极管会由于基板和外延膜间晶格的不匹配产生的应变常引发错位差排(Misfit Dislocation)的形成，而部分错位差排更会延伸至晶体表面，被称之为贯穿式差排(Threading Dislocation)；例如：蓝宝石基板与氮化镓薄膜间约有16%的晶格错配量，造成生长在氧化铝基板上的氮化镓薄膜缺陷密度很高，通常内部都会存在10⁹~10¹¹cm^-2密度的差排，导致主动发光层的晶体品质不佳，因而降低发光二极管的内部量子效率，进而降低其发光亮度并产生热，而使发光二极管的温度上升，从而影响发光效率。

此外，主动发光层所发出来的光线朝向多个方向，使得发光二极管的出光角度一般约达到120度到140度之间，不仅导致发光二极管的指向性不足，造成发光亮度的降低之外，且由于出光角度过大，当发光二极管在多晶片封装后，相邻的发光二极管元件所发射的光线相互交错影响，甚至被相邻的发光元件吸收，导致发光二极管元件出光效率的降低。

发明内容

发明人即是鉴于上述现有的发光二极管元件在实际实施上仍具有多处的缺失，于是乃一本孜孜不倦的精神，并通过其丰富的专业知识及多年的实务经验所辅佐，而加以改善，并据此研创出本发明。

本发明主要目的为提供一种图案化基材，通过基板表面的多个条状体改变光的行进方向并收敛出光角度，以增加光的指向性并提升发光二极管元件的出光效率者。

本发明另提供一种发光二极管元件，至少包含有上述之图案化基材。

为了达到上述实施目的，本发明人乃研拟如下实施技术，主要于基板的表面设有多个封闭的几何形状区域，几何形状区域由至少三个条状体所围设形成；其中，几何形状可为三角形、四角形(例如正方形、菱形、平行四边形等)或六角形等等，且条状体的截面可为三角形或圆弧形其中之一，而圆弧形的曲率介于10^-5~2.0μm^-1之间；再者，条状体形成于基板(0001)方向，且条状体呈周期性分布，两两平行的条状体具有相同的节距；其中，节距介于1.0~5.0μm之间。

再者，上述的基板可由蓝宝石、碳化硅、硅、砷化镓、氧化锌以及具有六方体系结晶材料所构成群组中的一种材料而形成；而条状体则可由蓝宝石、氮化铝、碳化硅、硅以及二氧化硅所构成群组中的一种材料而形成。

此外，上述条状体包括有一底面，以及相邻底面且彼此以底面的中垂面呈镜像对称的二侧面，条状体的高度介于0.5~3.0μm之间；条状体于基板上的投影距离介于1.0~4.0μm之间，且两两平行条状体间的最短距离介于0.1~1.5μm之间；又，二侧面的相接线沿着侧面至底面的最短距离与两两平行条状体间的最短距离的比例介于1~5之间。

本发明另提出一种发光二极管元件，至少包含如上述的图案化基材、一以三族氮化物半导体材料外延形成于图案化基材上的外延膜，以及二相配合地提供电能的电极；其中，外延膜具有一设于图案化基材上的n型半导体层、一设于n型半导体层上的主动发光层，以及一设于主动发光层上的p型半导体层；而二电极分别为一以欧姆接触设于p型半导体层上的p型电极，以及一以欧姆接触设于n型半导体层上的n型电极。

藉此，上述的发光二极管元件利用基板表面的条状体不仅能够改善传统基板和外延膜间晶格的不匹配所产生的错位差排现象，同时亦可将于n型半导体层与p型半导体层之间横向传递的光线导为正向光，以使光线正向射出发光二极管元件，将出光角度收敛至100~110度，不仅具有较佳的指向性，且可避免光线被邻近的发光元件吸收，进而可大幅提升出光效率。

另，图案化基材通过基板表面的非平整性来降低主动发光层出光的全反射角，以增加出光效率以外，其条状体所围设的几何形状区域亦可提供反射光线的效果，使得本发明的发光二极管元件可以不需要如传统的反射杯的情况下，获得良好的出光效率。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1为本发明其一较佳实施例的图案化基材外观立体图；

图2为根据本发明其一较佳实施例的图案化基材局部立体剖面图；

图3为本发明其一较佳实施例的条状体外观立体图；

图4为本发明其一较佳实施例的发光二极管元件结构剖面示意图；

图5为根据图4的虚线部分其发光二极管元件作动时，发光角度收敛的剖面放大示意图；

图6为本发明其二较佳实施例的图案化基材平面图；

图7为本发明其三较佳实施例的图案化基材平面图；

图8为本发明其四较佳实施例的图案化基材平面图；

图9为本发明其五较佳实施例的图案化基材外观立体图；

图10为根据本发明其五较佳实施例的图案化基材局部立体剖面图；

图11为本发明其五较佳实施例的条状体外观立体图；

图12为本发明其五较佳实施例的发光二极管元件结构剖面示意图。

附图标号：

1 图案化基材 11 基板

12 条状体 121 底面

122 侧面 13 几何形状区域

2 外延膜 21 n型半导体层

22 主动发光层 23 p型半导体层

3 电极 31 p型电极

32 n型电极 H 高度

D 投影距离 P 节距

S1 最短距离 S2 最短距离

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

本发明的目的及其结构设计功能上的优点，将依据以下图面所示的较佳实施例予以说明，以使审查员能对本发明有更深入且具体的了解。

首先，请参阅图1~图3所示，为本发明发光角度收敛的图案化基材1其一较佳实施例，主要于基板11的表面设有多个封闭的几何形状区域13，几何形状区域13由至少三个条状体12所围设形成；其中，几何形状可选自三角形、四角形(例如正方形、菱形、平行四边形等)以及六角形所构成的群组，在本实施例，几何形状区域13为四角形，更明确地说，几何形状区域13为正方形；其中，条状体12的截面可为三角形或圆弧形其中之一，在本实施例中，条状体12的截面为三角形(请参阅图3所示)，使得条状体12成为一三角锥状；再者，条状体12形成于基板11(0001)方向，且条状体12可呈周期性分布，而两两平行条状体12具有相同的节距P(Pitch)，所谓的节距P即为每一个条状体12间的距离，在本实施例中，节距P介于1.0~5.0μm之间。

此外，基板11可由蓝宝石(Sapphire，Al₂O₃)、碳化硅(SiC)、硅(Si)、砷化镓(GaAs)、氧化锌(ZnO)以及具有六方体系(Hexagonal)结晶材料所构成群组中的一种材料而形成；而条状体12可由蓝宝石(Sapphire，Al₂O₃)、氮化铝(AlN)、碳化硅(SiC)、硅(Si)以及二氧化硅(SiO₂)所构成群组中的一种材料而形成，条状体12较佳由二氧化硅或氮化铝材质所形成；值得注意的，当基板11由蓝宝石材料所形成且条状体12以不同于基板11材质(例如：二氧化硅或氮化铝)所形成时，其基板11与条状体12的接触面可能形成有孔洞(void)结构，通过如此的结构，能增加光的散射程度，进而提升发光二极管元件的出光效率；再者，条状体12可通过黄光制造工艺以及干蚀刻或湿蚀刻等蚀刻制造工艺形成于基板11上，其制造工艺方法已为现有技艺中众所皆知的知识，且并非本发明的重点，因此，不再本发明中加以赘述。

再者，在本实施例中，条状体12包括有一底面121，以及相邻底面121且彼此以底面121的中垂面呈镜像对称的二侧面122，二侧面122的相接线至底面121的最短距离(即条状体12的高度H)介于0.5~3.0μm之间，而当条状体12的高度H大于2.0μm时，将造成外延不易的情形发生；此外，条状体12在基板11上的投影距离D介于1.0~4.0μm之间，且两两平行的条状体12间的最短距离S1介于0.1~1.5μm之间；又，二侧面122的相接线沿着侧面122至底面121的最短距离S2与两两平行条状体12间的最短距离S1的比例(亦即S2/S1)介于1~5之间。

上述的图案化基材1可应用于发光二极管元件中，图4为依照本发明其一较佳实施例的一种发光二极管元件结构剖面示意图，该发光二极管元件至少包含如上述的图案化基材1、一以三族氮化物半导体材料外延形成于图案化基材1上的外延膜2，以及二相配合地提供电能的电极3；其中，三族氮化物为氮化铝(AlN)、氮化镓(GaN)、氮化铟(InN)、氮化铝镓(AlGaN)、氮化铝铟(AlInN)、氮化铟镓(InGaN)以及氮化铝铟镓(AlInGaN)其中之一或两者以上的混合。

此外，在本实施例中，外延膜2具有一设于图案化基材1上的n型半导体层21、一设于n型半导体层21上的主动发光层22，以及一设于主动发光层22上的p型半导体层23；且上述二电极3分别为一以欧姆接触设于p型半导体层23上的p型电极31，以及一以欧姆接触设于n型半导体层21上的n型电极32；而为了提高发光二极管元件的电流散布效果以及光萃取效率，可在p型半导体层23与p型电极31间进一步设有一透明导电层(图中未标示)，透明导电层的材质可为铟锡氧化物(Indium tin oxide，ITO)、掺铝氧化锌(aluminum doped zinc oxide，AZO)以及铟锌氧化物(indium zinc oxide，IZO)所构成群组中的一种材料而形成。

藉此，请参阅图5，为根据图4的虚线部分其发光二极管元件作动时，发光角度收敛的剖面放大示意图，可看出在基板11表面的多个条状体12不仅能够改善传统基板11和外延膜2间晶格的不匹配所产生的错位差排现象，使得n型半导体层21具有较佳的外延品质外，且其截面呈三角形状的条状体12更可将在n型半导体层21与p型半导体层23之间横向传递的光线导为正向光，以使光线正向射出发光二极管元件，其出光角度可收敛至100~110度，除了可提高发光二极管元件的外部量子效率外，因所射出的光线具有较佳的指向性，进而可提高发光的亮度；再者，由于出光角度较为收敛，可避免相邻的发光二极管元件所发射的光线相互交错影响，而导致发光二极管元件出光效率降低的问题发生。

此外，请再参阅图6~图8所示，为本发明其二~四较佳实施例的图案化基材1平面图，与上述其一较佳实施例不同之处在于，条状体12所围设形成的几何形状区域13可分别为三角形、平行四边形以及六角形；而由于条状体12亦排列设置于基板11表面上，且条状体12亦为截面呈三角形状的三角锥体，使得不论条状体12所围设形成的几何形状区域13是为三角形、四角形(例如菱形、平行四边形等)或六角形，其所产生的功效与技术上的优点皆与其一较佳实施例相同，应视为本发明的等效变化或修饰。

再请参阅图9所示，为本发明其五较佳实施例的图案化基材1其外观立体图，与上述其一较佳实施例的不同处在于本实施例中，条状体12的截面为圆弧形(请参阅图10所示)，请一并参阅图11~图12所示，且圆弧形的曲率介于10^-5~2.0μm^-1之间，又为了兼具外延膜的品质与导光效果，较佳地，该圆弧形的曲率介于0.01~2.0μm^-1之间；值得注意的，本实施例条状体12所围设形成的几何形状区域13为正方形，但在其他实施例中亦可分别为三角形、其它四角形以及六角形等几何形状；藉此，其截面呈圆弧形的条状体12亦可将在n型半导体层21与p型半导体层23之间横向传递的光线导为正向光，以使光线正向射出发光二极管元件，令出光角度可收敛至100~110度，使得射出的光线具有较佳的指向性，进而可提高发光二极管元件的亮度以及出光效率。

由上述的发光角度收敛的图案化基材及发光二极管元件与实施说明可知，本发明具有以下优点：

1.本发明通过基板表面的多个条状体不仅能够改善传统基板和外延膜间晶格的不匹配所产生的错位差排现象，同时亦可将在n型半导体层与p型半导体层之间横向传递的光线导为正向光，以使光线正向射出发光二极管元件，并将出光角度收敛至100~110度，不仅具有较佳的指向性，且可避免射出的光线被邻近的发光二极管元件吸收，进而可大幅提升出光效率。

2.本发明的发光角度收敛的图案化基材通过基板表面的非平整性来降低主动发光层出光的全反射角，以增加出光效率以外，其条状体所围设的几何形状区域亦可提供反射光线的功效，使得本发明的发光二极管元件可以不需要如传统的反射杯的情况下，获得良好的出光效率。

综上所述，本发明的发光角度收敛的图案化基材及发光二极管元件，的确能通过上述所揭露的实施例，达到所预期的使用功效，且本发明亦未曾公开于申请前，诚已完全符合专利法的规定与要求。故依法提出发明专利的申请，恳请惠予审查，并赐准专利，则实感德便。

但是，上述所揭的图示及说明，仅为本发明的较佳实施例，非为限定本发明的保护范围；大凡本领域技术人员，其所依本发明的特征范畴，所作的其它等效变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的设计范畴。

Claims

1.一种发光角度收敛的图案化基材，其特征在于，主要在基板的表面设有多个封闭的几何形状区域，所述几何形状区域由至少三个条状体所围设形成。

2.如权利要求1所述的发光角度收敛的图案化基材，其特征在于，所述几何形状选自三角形、四角形以及六角形所构成的群组。

3.如权利要求1所述的发光角度收敛的图案化基材，其特征在于，所述条状体呈周期性分布，且两两平行的所述条状体具有相同的节距。

4.如权利要求3所述的发光角度收敛的图案化基材，其特征在于，所述节距介于1.0~5.0μm之间。

5.如权利要求1所述的发光角度收敛的图案化基材，其特征在于，所述条状体的截面为三角形或圆弧形其中之一。

6.如权利要求5所述的发光角度收敛的图案化基材，其特征在于，所述圆弧形的曲率系介于10^-5~2.0μm^-1之间。

7.如权利要求1所述的发光角度收敛的图案化基材，其特征在于，所述条状体形成于所述基板(0001)方向。

8.如权利要求1所述的发光角度收敛的图案化基材，其特征在于，所述基板选自蓝宝石、碳化硅、硅、砷化镓、氧化锌以及具有六方体系结晶材料所构成的群组。

9.如权利要求1所述的发光角度收敛的图案化基材，其特征在于，所述条状体选自蓝宝石、氮化铝、碳化硅、硅以及二氧化硅所构成的群组。

10.如权利要求9所述的发光角度收敛的图案化基材，其特征在于，所述条状体由二氧化硅或氮化铝材质所形成。

11.如权利要求1所述的发光角度收敛的图案化基材，其特征在于，所述条状体的高度介于0.5~3.0μm之间。

12.如权利要求1所述的发光角度收敛的图案化基材，其特征在于，所述条状体在所述基板上的投影距离介于1.0~4.0μm之间。

13.如权利要求1所述的发光角度收敛的图案化基材，其特征在于，两两平行的所述条状体间的最短距离介于0.1~1.5μm之间。

14.如权利要求1所述的发光角度收敛的图案化基材，其特征在于，所述条状体包括有一底面，以及相邻所述底面且彼此以所述底面的中垂面呈镜像对称的二侧面，所述二侧面的相接线沿着所述侧面至所述底面的最短距离与两两平行条状体间的最短距离的比例介于1~5之间。

15.一种发光二极管元件，其特征在于，其至少包含有：

一种图案化基材；

一以三族氮化物半导体材料外延形成于所述图案化基材上的外延膜；以及

二相配合地提供电能的电极；其中，所述图案化基材主要在基板的表面设有多个封闭的几何形状区域，所述几何形状区域由至少三个条状体所围设形成。

16.如权利要求15所述的发光二极管元件，其特征在于，所述外延膜具有一设于所述图案化基材上的n型半导体层、一设于所述n型半导体层上的主动发光层，以及一设于所述主动发光层上的p型半导体层，且所述二电极分别为一以欧姆接触设于所述p型半导体层上的p型电极，以及一以欧姆接触设于所述n型半导体层上的n型电极。

17.如权利要求16所述的发光二极管元件，其特征在于，在所述p型半导体层与所述p型电极间进一步设有一透明导电层。

18.如权利要求17所述的发光二极管元件，其特征在于，所述透明导电层的材质包括铟锡氧化物、掺铝氧化锌以及铟锌氧化物所构成的群组。

19.如权利要求15所述的发光二极管元件，其特征在于，所述三族氮化物为氮化铝、氮化镓、氮化铟、氮化铝镓、氮化铝铟、氮化铟镓以及氮化铝铟镓其中之一或两者以上的混合。