CN103545410A - 具有图案化基板的发光元件及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

一种具有图案化基板的发光元件及其制作方法，其中该发光元件包含：一图案化基板以及一发光层。图案化基板具有多个锥形体，且两相邻锥形体之间具有一间距；发光层形成于多个锥形体上，且多个锥形体的顶部面积与底部面积的面积比小于0.0064。

Description

具有图案化基板的发光元件及其制作方法
技术领域
本发明是关于一种发光元件，更具体而言，是关于一种具有图案化基板的发光元件及其制作方法。
背景技术
近年来，为了将元件应用于照明领域，有不少努力倾注于改善发光二极管的亮度，并进一步达成能源保护以及减碳的目标。改善亮度主要有两个方向，第一为改善磊晶质量以提高电子及电洞的组合效率，进而提升内部量子效率(IQE)，再者，增加着重发光层发出的光的光取出效率，以减少光线被LED结构所吸收。
表面粗糙化技术对于提升亮度是相当有效的一种方法，其中一种为人所熟知的是形成图案化基板。由于全反射效应及光线被磊晶层吸收并产生热的因素，设置于图案化基板上的主动层所发出的光，较容易被反射回磊晶层，导致光取出效率及散热不佳问题。然而，为补偿因内部全反射所造成的光损失，通常会在基板上形成较深的图案，但产生的高深宽比会导致磊晶成长困难，对磊晶质量造成不利的影响。
另一种已知的表面粗糙技术，则是利用机械研磨的方式，在基板表面上形成随机分布的粗糙图案，但此方法不易控制图案的尺寸，例如深度及宽度。再者，成长于随机粗糙表面上的磊晶层的磊晶质量亦较为粗劣。
发明内容
本发明提出一种具图案化基板的发光元件，此图案化基板可同时兼具磊晶质量及光取出效率的优点。
本发明提出一种发光元件，包含一具有多个锥形体的图案化基板，且两相邻锥形体之间具有一间距，以及一发光层，形成于多个锥形体上，其中，发光层包含一第一导电型半导体层、一主动层以及一第二导电型半导体层。再者，第一电极以及第二电极分别电性连接于第一导电型半导体层以及第二导电型半导体层。此外，采用固定或非固定的间距以用来绝缘形成于图案化基板上的多个锥形体。
附图说明
图1a以及图1b为本发明的一发光元件的示意图。
图2为本发明的一发光元件的光取出强度与锥形体高度间的关系示意图。
图3为本发明的一发光元件的锥形体示意图。
图4a为本发明的一发光元件的光取出强度的测量结果。
图4b为本发明的一发光元件的输出功率的测量结果。
[标号说明]
100 发光元件                 101 成长基板
101a 间距                    102 锥形体
103 中间层                   104 第一半导体层
105 主动层                   106 第二半导体层
107 第一电极                 108 第二电极
109 磊晶层                   201 顶部
202 底部                     203 倾斜侧壁
204 弧部                     205 弦部
B 最大距离                   D1 锥形体底部宽度
D2 锥形体顶部宽度            H 锥形体高度
S 间距                       θ 夹角
具体实施方式
以下实施例将伴随着图式说明本发明的概念，在图式或说明中，相似或相同的部分是使用相同的标号，并且在图式中，元件的形状或厚度可扩大或缩小。需特别注意的是，图中未绘示或描述的元件，可以是本领域技术人员所知的形式。
图1a为本发明一实施例的一发光元件的示意图。发光元件100包含：一成长基板101；一磊晶层109；一第一电极107；及一第二电极108。如图式所示，基板101的剖面显示多个锥形体102，且在本实施例中，发光元件100还包含一中间层103形成于基板101上，以及磊晶层109形成于中间层103上。
中间层103可为一缓冲层，用来降低介于基板101及磊晶层109之间的晶格不匹配。中间层103可为单一层、多层，或者是由两种材料或两个分离结构所结合而成，其中，材料可为有机材料、无机材料、金属材料、半导体材料等等；结构可为一反射层、一热传导层、一导电层、一欧姆接触层、一抗变形层、一应力释放层、一应力调节层、一黏合层、一波长转换层以及一机械固定结构等等。
磊晶层109包含一第一半导体层104、一主动层105、一第二半导体层106、一第一电极107以及一第二电极108。第一半导体层104具有第一导电性，并成长于中间层103上，其中，中间层103可为无掺杂半导体层或掺杂半导体层；主动层105成长于第一半导体层104上；第二半导体层106具有第二导电性，并成长于主动层105上；磊晶层109经蚀刻直到暴露出部分第一半导体层104，而第一电极107则形成于部分暴露的第一半导体层104上；第二电极108形成于第二半导体层106上。在本发明的另一实施例中，第一电极107是形成在成长基板101的一侧，也就是相反于磊晶层109成长的另一侧。
成长基板101包含多个锥形体102，且两个相邻的锥形体102之间具有一间距101a，其中，每一个锥形体102包含一顶部201、一底部202以及位于顶部201与底部202之间的一倾斜侧壁203(如图1b所示)，倾斜侧壁203环绕顶部201及底部202，且顶部201及底部202的上视图可为圆形。每一个锥形体102是以周期方式设置于基板上，且此周期方式可为固定周期、可变周期或准周期，意即，位于两个相邻锥形体102之间的间距101a可为规则或不规则。
图2为图1b所述实施例的光取出强度相对于锥形体高度的关系示意图，而在图2中所测量的发光元件皆具有相似的底部面积与底部形状，且光取出强度是随着锥形体的高度H变大而增加，再者，当锥形体高度大于1.5μm时，光取出强度则出现断层现象，意即，当基板的锥形体的高度大于1.5μm时，此发光元件则具有较好的光取出强度。因此，在一较佳实施例中，利用将发光元件的锥形体高度设计为大于1.5μm，以得到较佳的光取出强度。
图3为本发明另一实施例的锥形体102的剖面示意图，其中多个锥形体102是通过间距S所分隔。锥形体102包含一顶面201、底面202以及一倾斜侧壁203，倾斜侧壁203具有一向外突起的弧形204以及弦部205，且倾斜侧壁203的上视图可为曲面。为了增加光取出强度，在将锥形体102形成于基板101时，有许多参数是需要考虑的，例如锥形体的底部宽度D1、高H、顶部宽度D2、倾斜角度θ以及最大距离B，其中，底部宽度D1为锥形体102的底部圆周上任意两点间的最大距离；顶部宽度D2为锥形体102的顶部圆周上任意两点间的最大距离，其可为0；倾斜角度θ是介于底部202与弦部205间的夹角；最大距离B是介于弧部204与弦部205之间。
根据图2所示，当发光元件的底部面积及底部形状维持一固定值时，光取出强度是随着锥形体102的高度增加而增加，而若相较于具有较小锥形体的发光元件，具较大锥形体的发光元件则显示有较多光线通过锥形体102射入或漫射。再者，可利用增加每一个锥形体102的底部面积，使两个相邻锥形体102之间的间距S相对减少，以增加光取出强度。在本实施例中，顶部201可为一平面，而介于两相邻锥形体102间的间距与顶部201平面之间则可为一C平面，以适合磊晶成长。若预成长相同高度的磊晶层，当C平面具有较小面积者，需要较长的磊晶成长时间。此外，可以预期当具有较大的底部面积时，可提高光漫射现象，两相邻锥形体102间亦具有足够的间距，以利于磊晶成长。因此，两相邻锥形体102之间的间距S约为0.01-0.9nm，以确保磊晶成长时间不会过久。综上所述，两相邻锥形体102间的间距S与锥形体102的底部宽度D1可由一关系式表示，第一比率Q1=S/(D1+S)，其中，本实施例的Q1约为0.01-0.3，而在一较佳实施例中，介于两锥形体102间的最佳间距可为0.1-0.4nm，Q1可为0.03-0.15之间。
如图3所示，锥形体102具有从倾斜侧边203突起的一弦部204，此设计可使得落入锥形体102的光线增加以及产生更多的光漫射现象，进而提高光取出。然而，因为中间层103的折射率大于基板101的折射率，故基于司乃耳定律，锥形体102中的全反射会发生在中间层103与锥形体102的交界面。综上所述，光取出效率是决定于锥形体102的光漫射现象。
如上所述，当弧部204与弦部205之间的最大距离B越大，锥形体102的表面积亦相对越大，有利于光的漫射及增加光取出效率，但若距离B越大，则会阻碍磊晶层成长于两相邻锥形体102之间的间距(图中未显示)，并增加两相邻锥形体102间的光吸收率。在本实施例中，弧形204与弦部205间的最大距离B可为0-0.5nm；在另一实施例中，因考虑磊晶层的成长，最大距离B可为0-0.2nm。因此，两相邻锥形体102之间的间距S、弧部204与弦部205之间的最大距离B以及锥形体102的底部宽度D1可由一关系式表示，第二比率Q2=B/(D1+S)，利用此关系式可防止相邻锥形体102间的光线吸收，以及确保有足够的磊晶层成长时间，而第二比率Q2约为0-0.2，其较佳值可为0-0.05。
由于基板101与中间层103间的折射率不同，易造成基板101的锥形体102内部的光反射，故锥形体102的顶部宽度D2需大于0，以避免光吸收。当锥形体102的顶部宽度D2介于0-(Wd/nintermediate)nm之间，较大的顶部宽度D2意味着具有较大的光入口使光进入锥形体102，其中，Wd为内部光线的主要波长，nintermediate为中间层103的折射率。在本实施例中，锥形体102的顶部宽度是小于0.1nm。为了在光线被锥形体102吸收前将光线通过顶部201引导至磊晶层109，因此，可设计锥形体102的底部202与弧部204的弦部205之间具有的夹角θ介于40°-60°之间，而其较佳值可为48°。
如上所述，为考虑光取出效率及磊晶层成长率，顶部201的面积与底部202的面积比需小于0.0064，因此，锥形体102的底部宽度D1及顶部宽度D2则可由一关系式表示，第三比率Q3=(D2/D1)，且Q3介于0-0.08之间，其较佳值是介于0-0.03之间。
根据图2所示的光取出强度，当高度H的值越大，相对地反射光越多，再者，介于两相邻锥形体102间的间距S与顶部201的平面之间可为C平面，以适合磊晶成长。因此，高度H、间距S以及底部宽度D1可由一关系式表示，第四比率Q4=H/(D1+S)。在本实施例中，Q4可介于0.4-0.6之间。在一较佳实施例中，为考虑磊晶层的成长速率及光取出效率，Q4可为0.5。
规格 H(μm) D1(μm) S(μm) S/(D1+S) 倾斜高度θ(degree)
I 1.5 2.45 0.8 0.25 50.8
III 1.5 2.65 0.4 0.13 48.5
表1a
规格 XRD半高宽(arcsec) 输出功率(mw)
I 316 367
III 311 388
表1b
如表1a所示，发光元件具有规格I及规格III两种不同的设计，规格III的发光元件的图案化基板具有第一比率Q1为0.13的锥形体尺寸，而规格I的发光元件的图案化基板具有第一比率Q1为0.25的锥形体尺寸。根据图4a中显示的测量结果，相较规格I的发光元件，规格III的发光元件增加约20%的光取出效率；根据图4b中显示的输出功率测量结果及表1b中的平均值，规格III的发光元件约大于规格I的发光元件3%的输出功率。因此，图4a及图4b的测量结果皆显示，规格III的发光元件具有优于规格I发光元件的光取出性能。综上所述，规格III的发光元件的光取出效率较优于规格I的发光元件，其中，规格III的发光元件的第一比率Q1为0.13，是介于0.03-0.15之间；而规格I的发光元件的第一比率Q1为0.25，是介于0.01-0.03之间。另外，为了证明发光元件的不同的光特性与不同的测量设备无关，本实施例将其测量结果依四台设备分别表示。
此外，通过X-光绕射仪(X-ray diffraction)的分析，可测试半高宽因子，以确认发光元件磊晶层的质量，如表1b所示，发光元件规格III较发光元件规格I具有较小的X-光绕射仪半高宽值，意即，规格III的发光元件具有较佳的磊晶质量。综上所述，规格III的发光元件不但比规格I的发光元件具较佳的光特性，亦具有较佳的磊晶质量。
本发明所列举的各实施例仅用以说明本发明，并非用以限制本发明的范围。任何人对本发明所作的任何显而易知的修饰或变更皆不脱离本发明的精神与范围。

Claims (17)

1.一种发光元件，包含:
一图案化基板，具有多个锥型体，且每一个锥形体包含一顶部、一底部以及一侧壁，该顶部具有一顶部宽度，该底部具有一底部宽度，而该侧壁位于该顶部与该底部之间，其中，该顶部与该底部的面积比小于0.0064；以及
一发光层，形成于该多个锥形体上方，且该发光层包含一第一半导体层、一主动层以及一第二半导体层。
2.根据权利要求1所述的发光元件，其中，位于该顶部与该底部之间的该侧壁为一倾斜侧壁。
3.根据权利要求1所述的发光元件，其中，该顶部的形状包含圆形。
4.根据权利要求1所述的发光元件，其中，该底部的形状包含圆形。
5.根据权利要求2所述的发光元件，其中，该倾斜侧壁的剖面包含一弧形，且该弧形具有一向外突起的弦部。
6.根据权利要求1所述的发光元件，还包含一中间层，该中间层形成于该图案化基板上方，且具有一折射率。
7.根据权利要求6所述的发光元件，其中，该顶部宽度是小于一商数，而该商数是该发光元件的一光波长除以该中间层的该折射率。
8.根据权利要求1所述的发光元件，其中，该顶部宽度小于0.1μm。
9.根据权利要求5所述的发光元件，还包含一间距，该间距位于相邻两锥形体之间，且介于0.1-0.4μm。
10.根据权利要求5所述的发光元件，其中，该锥型体的该底部与该弦部之间具有一夹角，且该夹角介于40°-60°之间。
11.根据权利要求9所述的发光元件，其中，位于该弧形与该弦部之间的一最大距离是小于0.5μm。
12.根据权利要求1所述的发光元件，其中，该锥形体的该顶部宽度与该锥形体的该底部宽度的比小于0.8。
13.根据权利要求1所述的发光元件，其中，至少一锥形体符合0.4≦H/(D1+S)≦0.6，H为该锥形体高度，D1为该锥形体底部宽度，S为介于两个相邻该锥形体的间距。
14.根据权利要求9所述的发光元件，其中，至少一锥形体符合0.01≦S/(D2+S)≦0.3，D2为该锥形体顶部宽度，S为介于两个相邻该锥形体的间距。
15.根据权利要求11所述的发光元件，其中，至少一锥形体符合0≦B/(D2+S)≦0.2，D2为该锥形体顶部宽度，B为该弧形与该弦部之间的该最大距离。
16.根据权利要求1所述的发光元件，其中，该锥形体的一高度大于1.5μm。
17.根据权利要求1所述的发光元件，其中，该锥形体的该顶部的面积为0。
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