CN103579432A - 发光二极管元件、其制造方法及覆晶式发光二极管元件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种发光二极管元件、其制造方法及覆晶式发光二极管元件。所述方法包括：提供基板，基板具有相对的第一表面与第二表面。在基板的第一表面上形成未掺杂半导体层。在未掺杂半导体层上形成第一型掺杂半导体层。在第一型掺杂半导体层上形成发光层。在发光层上形成第二型掺杂半导体层。分别在第一型掺杂半导体层上及第二型掺杂半导体层上形成第一电极与第二电极。图案化基板的第二表面，以形成多个光学微结构，其中这些光学微结构间设有多个空隙。另外，一种发光二极管元件与一种覆晶式发光二极管元件亦被提出。

Description

发光二极管元件、其制造方法及覆晶式发光二极管元件

技术领域

本发明是有关于一种光电元件及其制造方法，且特别是有关于一种发光二极管元件、其制造方法及覆晶式发光二极管元件。

背景技术

自托马斯·爱迪生发明白炽灯(incandescent lamp)起，世界已广泛使用电力进行照明，迄今还发展出高亮度且耐用的照明装置，如荧光灯(fluorescentlamp)。相较于白炽灯泡，荧光灯具有高效率与低工作温度的优点。然而，荧光灯中含有重金属(汞)，在废弃时易对环境造成伤害。随着照明技术的发展，一种更为节能环保的光源，即发光二极管(light emitting diode)，已被开发出来。发光二极管通过在P-N接面中重组电子与空穴来发光。相较于白炽灯或荧光灯，发光二极管具有低消耗功率(power consumption)及长寿命的优点。此外，发光二极管不需使用汞而更为环保。

发光二极管元件的基本结构包含P型半导体外延层、N型半导体外延层及其间的发光层。发光二极管元件的发光效率高低是取决于发光层的量子效率以及发光二极管元件的光提取效率(light extraction efficiency)。增加量子效率的方法主要是改善发光层的外延品质及其结构设计，而增加光取出效率的关键则在于减少发光层所发出的光在发光二极管元件内部反射所造成的能量损失。为了提升发光二极管元件的发光效率，曾有现有技术在发光二极管元件中制作光学微结构，并希望通过此光学微结构增加发光二极管元件的光取出效率。这样的结构虽能增加光的扩散效果，但其仍然不能达到良好的抗反射效果。

发明内容

本发明提供一种发光二极管元件，其具有高光提取效率(light extractionefficiency)。

本发明提供一种覆晶式发光二极管元件，其亦具有高光提取效率。

本发明提供一种发光二极管元件的制造方法，其可制造出具有高光提取效率的发光二极管元件。

本发明的一实施例提出一种发光二极管元件，包括基板、未掺杂半导体层、第一型掺杂半导体层、第二型掺杂半导体层、发光层、第一电极以及第二电极。基板具有相对的第一表面与第二表面且包括多个光学微结构。这些光学微结构间设有多个空隙，且这些光学微结构配置在第二表面。未掺杂半导体层配置在基板的第一表面上。第一型掺杂半导体层配置在未掺杂半导体层上。第二型掺杂半导体层配置在第一型掺杂半导体层上。发光层配置在第一型掺杂半导体层与第二型掺杂半导体层之间。第一电极配置在第一型掺杂半导体层上，且与第一型掺杂半导体层电性连接。第二电极配置在第二型掺杂半导体层上且与第二型掺杂半导体层电性连接。各光学微结构的高度h满足下式：

$\frac{\mathrm{\λ}}{4n_{\mathrm{eff}}}\×\left(\frac{1}{3}\right)\≤h\≤\frac{\mathrm{\λ}}{{4n}_{\mathrm{eff}}}\×\left(3\right)$

n_eff＝n_a·(1-x)+n_s·x

其中λ为发光层所发出的光束的中心波长，n_a为在基板外且相邻于第二表面的介质的折射率，n_s为基板的折射率，x为光学微结构在第二表面上所占的面积的比值。

本发明的另一实施例提供一种覆晶式发光二极管元件，包括封装基板以及发光二极管元件。发光二极管元件包括基板、未掺杂半导体层、第一型掺杂半导体层、第二型掺杂半导体层、发光层、第一电极、第二电极。基板具有相对的第一表面与第二表面，且包括多个光学微结构。这些光学微结构间设有多个空隙，且这些光学微结构配置在第二表面。未掺杂半导体层配置在基板的第一表面上。第一型掺杂半导体层配置在未掺杂半导体层上。第二型掺杂半导体层配置在第一型掺杂半导体层上。发光层配置在第一型掺杂半导体层与第二型掺杂半导体层之间。第一电极配置在第一型掺杂半导体层上，且与第一型掺杂半导体层电性连接。第二电极配置在第二型掺杂半导体层上，且与第二型掺杂半导体层电性连接。各光学微结构的高度h满足下式：

$\frac{\mathrm{\λ}}{4n_{\mathrm{eff}}}\×\left(\frac{1}{3}\right)\≤h\≤\frac{\mathrm{\λ}}{{4n}_{\mathrm{eff}}}\×\left(3\right)$

n_eff＝n_a·(1-x)+n_s·x

其中λ为发光层所发出的光束的中心波长，n_a为在基板外且相邻于第二表面的介质的折射率，n_s为基板的折射率，x为光学微结构在第二表面上所占的面积的比值。

本发明的又一实施例提供一种发光二极管元件的制造方法包括下列步骤。提供基板，基板具有相对的第一表面与第二表面。在基板的第一表面上形成未掺杂半导体层。在未掺杂半导体层上形成第一型掺杂半导体层。在第一型掺杂半导体层上形成发光层。在发光层上形成第二型掺杂半导体层。分别在第一型掺杂半导体层上及第二型掺杂半导体层上形成第一电极与第二电极。图案化基板的第二表面，以形成多个光学微结构，其中这些光学微结构间设有多个空隙。其中形成所述所述多个光学微结构的方法，包括：在所述基板的所述第二表面上形成金属层；对所述金属层进行退火处理，以使所述金属层形成多个金属微球，其中所述所述多个金属微球固定在所述基板的所述第二表面上；以所述所述多个金属微球为罩幕而蚀刻所述基板的所述第二表面，以形成所述所述多个光学微结构；以及移除所述所述多个金属微球。

基于上述，依本发明的实施例的发光二极管元件的制造方法可在基板的第二表面上形成彼此间有空隙的光学微结构，而这些光学微结构可减少光被第二表面反射而局限于发光二极管元件内部的情形，进而提升发光二极管元件的光提取效率。在本发明的实施例的发光二极管元件及覆晶式发光二极管元件中，由于基板的第二表面上设有光学微结构，且这些光学微结构间设有多个空隙，因此这些光学微结构可减少光被第二表面反射而局限于发光二极管元件及覆晶式发光二极管元件内部的情形，进而提升发光二极管元件的光提取效率。

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为本发明实施例的发光二极管元件的剖面示意图；

图1B为本发明的另一实施例的发光二极管元件示意图；

图2A至图2L为本发明一实施例的发光二极管元件的制造流程示意图。

附图标记说明：100：发光二极管元件；

110：基板；

110a、110b：表面；

112：光学微结构；

120：第一型掺杂半导体层；

122：平台部；

124：下陷部；

130：第二型掺杂半导体层；

140：发光层；

150：第一电极；

160：第二电极；

170：导电凸块；

180：封装基板；

190：未掺杂半导体层；

200：金属层；

210：金属微球；

D1、D2：厚度；

d：光学微结构直径；

g：间距；

H：空隙；

h：光学微结构高度。

具体实施方式

图1A为本发明实施例的发光二极管元件的剖面示意图。请参照图1A，本实施例的发光二极管元件100包括基板110、未掺杂半导体层190、第一型掺杂半导体层120、第二型掺杂半导体层130、发光层140、第一电极150、第二电极160。在本实施例中，基板110可为蓝宝石(sapphire)基板，但本发明不以上述为限。

本实施例的基板110具有相对的两表面110a、表面110b。本实施例的未掺杂半导体层190配置在基板110的表面110a上。第一型掺杂半导体层120配置在未掺杂半导体层190上。本实施例的第二型掺杂半导体层130配置在第一型掺杂半导体层120上。本实施例的发光层140配置在第一型掺杂半导体层120与第二型掺杂半导体层130之间。第一电极150配置在第一型掺杂半导体层120上且与第一型掺杂半导体层120电性连接。第二电极160配置在第二型掺杂半导体层130上且与第二型掺杂半导体层130电性连接。

详言之，本实施例的第一型掺杂半导体层120具有相连接的平台部122与下陷部124。平台部122的厚度D1大于下陷部124的厚度D2。发光层140与第二型掺杂半导体层130配置在平台部122上。第一电极150配置在下陷部124上。第二电极160配置在平台部122上。在本实施例中，第一型掺杂半导体层120例如为N型半导体层，而第二型掺杂130半导体层例如为P型半导体层。发光层140例如为氮化镓(gallium nitride，GaN)层与氮化铟镓(indium gallium nitride，InGaN)层交替堆叠的多重量子井结构(MultipleQuantum Well，MQW)。然而，在其他实施例中，发光层140亦可以是量子井结构。第一电极150与第二电极160的材质为导电材料，其包括钛、铝、铬、铂、金、其他导电材料或这些材料的组合。但本发明不以上述为限。

图1B为本发明的另一实施例的发光二极管元件。100可为覆晶式发光二极管元件。换言之，发光二极管元件100倒覆在封装基板180而与封装基板180电性连接。更进一步地说，发光二极管元件100可通过导电凸块170与封装基板180电性连接。二导电凸块170分别配置在第一电极150及第二电极160上且分别与第一电极150及第二电极160电性连接。导电凸块170位于基板110与封装基板180之间。在本实施例中，封装基板可为电路板，而导电凸块为共晶材料，第一电极150与第二电极160可通过共晶材料200与此电路板连接。然而，本发明不限于此，在其他实施例中，发光二极管元件100可不包括导电凸块170，而采用接合导线来接合第一电极150与封装基板180以及接合第二电极160与封装基板180，而此时第一电极150与第二电极160背对封装基板180。

值得特别注意的是，本实施例的基板110包括多个光学微结构112。光学微结构112可形成抗反射层。这些光学微结构112配置在表面110b上，且这些光学微结构112之间设有多个空隙H。光学微结构112为凸起结构。各光学微结构112的直径可小于300纳米。更进一步地说，本实施例的各光学微结构的高度h满足下式：

$\frac{\mathrm{\λ}}{4n_{\mathrm{eff}}}\×\left(\frac{1}{3}\right)\≤h\≤\frac{\mathrm{\λ}}{{4n}_{\mathrm{eff}}}\×\left(3\right)$

n_eff＝n_a·(1-x)+n_s·x

其中λ为发光层140所发出的光束L的中心波长，n_a为在基板110外且相邻于表面110b的介质的折射率，n_s为基板110的折射率，x为所有光学微结构112在第二表面110b上所占的面积的比值。举例而言，较佳为0.35≤x≤0.5，而本实施例的光学微结构112的直径d可介于25纳米至250纳米。

本实施例的光学微结构112可形成抗反射层，通过使用抗反射层于基板110与外部介质之间，则可避免折射率的突然变化，如此减少基板110与外部介质的边界处的内反射光量，而使发光层140所发出的光束有效地自表面110b穿出。换言之，本实施例的光学微结构112可减少光束被表面110b反射回发光二极管元件100中的机率，进而有效地提升发光二极管元件100的光提取效率(light extraction efficiency)。

图2A至图2L为本发明一实施例的发光二极管元件的制造流程示意图。请参照图2A，首先，提供基板110，基板110具有相对的表面110a与表面110b。在本实施例中，基板110可采用蓝宝石(sapphire)基板，但本发明不以上述为限。

请依序参照图2B至图2G，接着，在基板110的第一表面110a上形成未掺杂半导体层190。然后，在未掺杂半导体层190上形成第一型掺杂半导体层120。接着，在第一型掺杂半导体层120上形成发光层140。接着，在发光层140上形成第二型掺杂半导体层130。然后，蚀刻部分的第二型掺杂半导体层130、部分的发光层140以及部分的第一型掺杂半导体层120，以形成第一型掺杂半导体层120的平台区122与下陷区124，其中未被蚀刻的部分发光层140与部分第二型掺杂态半导体层130配置在平台区122上。之后，分别在第一型掺杂半导体层120上及第二型掺杂半导体层130上形成第一电极150与第二电极160。在本实施例中，第一电极150例如是形成在下陷区124上。接着，薄化基板110。薄化基板110的方法包括以机械研磨(mechanicalpolish)的方式研磨基板110的第二表面110b。在本实施例中，第一型掺杂半导体层120例如为N型半导体层，而第二型掺杂130半导体层例如为P型半导体层。发光层140例如为氮化镓(gallium nitride，GaN)层与氮化铟镓(indiumgallium nitride，InGaN)层交替堆叠的多重量子井结构(Multiple Quantum Well，MQW)。然而，在其他实施例中，发光层140亦可以是量子井结构。第一电极150与第二电极160的材质为导电材料，其包括钛、铝、铬、铂、金、其他导电材料或这些材料的组合。但本发明不以上述为限。

接着，图案化基板110的表面110b，以形成多个光学微结构112。这些光学微结构112间设有多个空隙H。以下将配合图2H至图2K详细说明之。

上段所述的形成光学微结构112的方法包括下列步骤。请参照图2H，首先，在基板110的表面110b上形成金属层200。在本实施例中，金属层200的材质包括银、镍、铝或金。请参照图2I，接着，对金属层200进行退火处理，以使金属层200形成多个金属微球210，其中金属微球210固定在基板110的表面110b上。在本实施例中，退火处理包括激光退火(laser anneal)或热退火(thermal anneal)。退火处理的制程温度可介于200℃至600℃。请参照图2J，接着，金属微球210为罩幕而蚀刻基板110的表面110b，而形成光学微结构112。这些光学微结构112间设有多个空隙。其中各所述光学微结构的高度h满足下式：

$\frac{\mathrm{\λ}}{4n_{\mathrm{eff}}}\×\left(\frac{1}{3}\right)\≤h\≤\frac{\mathrm{\λ}}{{4n}_{\mathrm{eff}}}\×\left(3\right)$

n_eff＝n_a·(1-x)+n_s·x

其中λ为所述发光层所发出的光束的中心波长，n_a为在所述基板外且相邻于所述第二表面的介质的折射率，n_s为所述基板的折射率，x为所述所述多个光学微结构在所述第二表面上所占的面积的比值。在本实施例中，较佳为0.35≤x≤0.5。蚀刻基板110的方式可为湿蚀刻或是干蚀刻，湿蚀刻的蚀刻液包括：硫酸(H₂SO₄)、磷酸(H₃PO₄)、及其组合，干蚀刻则为感应耦合电浆蚀刻(ICP)。请参照图2K，最后，移除金属微球210。接着，劈裂基板110，而初步完成了本实施例的发光二极管元件100。

需特别说明的是，在上段所述的形成光学微结构112的方法中，可精准控制金属微球210的大小，而可容易地控制所有光学微结构112在第二表面110b上所占的面积的比值，进而使这些光学微结构112具有良好的抗反射作用。

另外，本实施例的发光二极管元件100可利用覆晶(flip chip)的方式来封装。如图2L所示，本实施例可利用导电凸块170接合(bounding)第一电极150与封装基板180及接合第二电极160与封装基板180。如此一来，使用者便可通过封装基板180操作本实施例的发光二极管元件100。

综上所述，依本发明的实施例的发光二极管元件的制造方法可在基板的第二表面上形成彼此间有空隙的光学微结构，而这些光学微结构可减少光被第二表面反射而局限于发光二极管元件内部的情形，进而提升发光二极管元件的光提取效率。在本发明的实施例的发光二极管元件及覆晶式发光二极管元件中，由于基板的第二表面上设有光学微结构，且这些光学微结构间设有多个空隙，因此这些光学微结构可减少光被第二表面反射而局限于发光二极管元件及覆晶式发光二极管元件内部的情形，进而提升发光二极管元件的光提取效率。

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 (16)

1.一种发光二极管元件，其特征在于，包括：

基板，具有相对的第一表面与第二表面，且包括多个光学微结构，其中所述多个光学微结构间设有多个空隙，且所述多个光学微结构配置在所述第二表面；

未掺杂半导体层，配置在所述基板的所述第一表面上；

第一型掺杂半导体层，配置在所述未掺杂半导体层上；

第二型掺杂半导体层，配置在所述第一型掺杂半导体层上；

发光层，配置在所述第一型掺杂半导体层与所述第二型掺杂半导体层之间；

第一电极，配置在所述第一型掺杂半导体层上，且与所述第一型掺杂半导体层电性连接；以及

第二电极，配置在所述第二型掺杂半导体层上，且与所述第二型掺杂半导体层电性连接，其中各所述光学微结构的高度h满足下式：

$\frac{\mathrm{\λ}}{4n_{\mathrm{eff}}}\×\left(\frac{1}{3}\right)\≤h\≤\frac{\mathrm{\λ}}{4n_{\mathrm{eff}}}\×\left(3\right)$

n_eff＝n_a·(1-x)+n_s·x

其中λ为所述发光层所发出的光束的中心波长，n_a为在所述基板外且相邻于所述第二表面的介质的折射率，n_s为所述基板的折射率，x为所述多个光学微结构在所述第二表面上所占的面积的比值。

2.根据权利要求1所述的发光二极管元件，其特征在于，0.35≤x≤0.5。

3.根据权利要求1所述的发光二极管元件，其特征在于，所述多个光学微结构形成抗反射层。

4.根据权利要求1所述的发光二极管元件，其特征在于，各所述多个光学微结构的直径小于300纳米。

5.根据权利要求1所述的发光二极管元件，其特征在于，所述第一型掺杂半导体层具有相连接的平台部与下陷部，所述平台部的厚度大于所述下陷部的厚度，所述发光层与所述第二型掺杂半导体层配置在所述平台部上，且所述第一电极配置在所述下陷部上。

6.一种覆晶式发光二极管元件，其特征在于，包括：

封装基板；

发光二极管元件，倒覆在所述封装基板而与所述封装基板电性连接，所述发光二极管元件包括：

基板，具有相对的第一表面与第二表面，且包括多个光学微结构，其中所述多个光学微结构间设有多个空隙，且所述多个光学微结构配置在所述第二表面；

未掺杂半导体层，配置在所述基板的所述第一表面上；

第一型掺杂半导体层，配置在所述未掺杂半导体层上；

第二型掺杂半导体层，配置在所述第一型掺杂半导体层上；

发光层，配置在所述第一型掺杂半导体层与所述第二型掺杂半导体层之间；

第一电极，配置在所述第一型掺杂半导体层上，且与所述第一型掺杂半导体层电性连接；以及

第二电极，配置在所述第二型掺杂半导体层上，且与所述第二型掺杂半导体层电性连接；

其中各所述光学微结构的高度h满足下式：

$\frac{\mathrm{\λ}}{4n_{\mathrm{eff}}}\×\left(\frac{1}{3}\right)\≤h\≤\frac{\mathrm{\λ}}{4n_{\mathrm{eff}}}\×\left(3\right)$

n_eff＝n_a·(1-x)+n_s·x

其中λ为所述发光层所发出的光束的中心波长，n_a为在所述基板外且相邻于所述第二表面的介质的折射率，n_s为所述基板的折射率，x为所述多个光学微结构在所述第二表面上所占的面积的比值。

7.根据权利要求6所述的覆晶式发光二极管元件，其特征在于，0.35≤x≤0.5。

8.根据权利要求6所述的覆晶式发光二极管元件，其特征在于，所述多个光学微结构形成抗反射层。

9.根据权利要求6所述的覆晶式发光二极管元件，其特征在于，所述发光二极管元件是通过导电凸块与所述封装基板电性连接。

10.根据权利要求9所述的覆晶式发光二极管元件，其特征在于，所述导电凸块是为共晶材料。

11.一种发光二极管元件的制造方法，其特征在于，包括：

提供基板，所述基板具有相对的第一表面与第二表面；

在所述基板的所述第一表面上形成未掺杂半导体层；

在所述未掺杂半导体层上形成第一型掺杂半导体层；

在所述第一型掺杂半导体层上形成发光层；

在所述发光层上形成第二型掺杂半导体层；

在所述第一型掺杂半导体层上及所述第二型掺杂半导体层上分别形成第一电极与第二电极；以及

图案化所述基板的第二表面，以形成多个光学微结构，其中所述多个光学微结构间设有多个空隙。其中形成所述多个光学微结构的方法，包括：在所述基板的所述第二表面上形成金属层；

对所述金属层进行退火处理，以使所述金属层形成多个金属微球，其中所述多个金属微球固定在所述基板的所述第二表面上；

以所述多个金属微球为罩幕而蚀刻所述基板的所述第二表面，以形成所述多个光学微结构；以及移除所述多个金属微球。

12.根据权利要求11所述的发光二极管元件的制造方法，其特征在于，所述金属层的材质包括：银、镍、铝或金。

13.根据权利要求11所述的发光二极管元件的制造方法，其特征在于，所述退火处理包括激光退火或热退火。

14.根据权利要求11所述的发光二极管元件的制造方法，其特征在于，所述退火处理的制程温度介于200℃至600℃。

15.根据权利要求11所述的发光二极管元件的制造方法，其特征在于，还包括：在图案化所述基板的第二表面前，薄化所述基板。

16.根据权利要求15所述的发光二极管元件的制造方法，其特征在于，薄化所述基板的方法包括：以机械研磨的方式研磨所述基板的所述第二表面。

Images