CN115274966A - 紫外光发光二极管 - Google Patents
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Abstract
一种紫外光发光二极管。此紫外光发光二极管包含透明基板、紫外光发光磊晶结构、以及透明结构。透明基板包含相对的第一表面与第二表面、以及复数个侧表面环设在第一表面与第二表面之间。紫外光发光磊晶结构设于透明基板的第一表面上。透明结构具有相对的入光面与出光面，透明结构的入光面邻接透明基板的第二表面，且透明结构的折射率介于透明基板的折射率与空气的折射率之间。此透明结构的设置可提高光在UV LED内部的折射量，降低光在内部的全反射量，进而增加出光量。
Description
技术领域
本发明是有关于一种发光二极管，且特别是有关于一种紫外光发光二极管(UVLED)。
背景技术
随着紫外光发光二极管(UV LED)在空气与水的净化、消毒、医疗保健等的广泛应用，使得UV LED备受关注。然而氮化铝镓(AlGaN)基的UV LED一般存在较低的内部量子效率、贯穿差排缺陷(threading dislocation densities，TDDs)高、低撷取效率、以及极化电场大等缺点，均导致UV LED的应用受到限制。
在现阶段UV LED反应效率受限的情况下，如何提高紫外光发光二极管的光取出效率已成为紫外光发光二极管发展的关键技术之一。
发明内容
因此，本发明的一目的就是在提供一种紫外光发光二极管(UV LED)，其透明基板与空气之间设有透明结构，此透明结构的折射率介于透明基板的折射率与空气的折射率之间。借由此透明结构的设置可提高光在UV LED内部的折射量，降低光在内部的全反射量，进而增加出光量。
本发明的另一目的是在提供一种UV LED，其透明基板的表面具有复数个立体结构。这些立体结构可破坏光在UV LED内部的全反射面，增加紫外光发光二极管的光取出率。
本发明的又一目的是在提供一种UV LED，其透明基板的厚度增加，以使UV LED的高度大于其长度及/或宽度，借此可增加UV LED的侧向出光面积，提高UV LED的出光量。
本发明的再一目的是在提供一种UV LED，可利用隐形切割(隐切)(stealthdicing)方式在透明基板的侧表面形成数个纵向排列的隐切刀痕。由于这些隐切刀痕可增加透明基板的侧表面的粗糙度，因此可提高UV LED之侧向光取出率。且借由隐切刀痕的特定排列方式，劈裂时刀痕互相连接使裂缝朝特定方向延伸，使切割后UV LED形成特定形状。
根据本发明的上述目的，提出一种UV LED，包含透明基板、紫外光发光磊晶结构、以及透明结构。透明基板包含相对的第一表面与第二表面、以及复数个侧表面环设在第一表面与第二表面之间。紫外光发光磊晶结构设于透明基板的第一表面上。透明结构具有相对的入光面与出光面。透明结构的入光面邻接透明基板的第二表面，且透明结构的折射率介于透明基板的折射率与空气的折射率之间。
依据本发明的一实施例，上述透明结构包含复数个透明膜依序堆叠在透明基板的第二表面上，且这些透明膜具有彼此不同的折射率。
依据本发明的一实施例，上述透明结构的厚度小于1μm，材料包含氧化物、氮化物、或氟化物。
依据本发明的一实施例，上述紫外光发光二极管的高度大于紫外光发光二极管的长度及/或宽度。
依据本发明的一实施例，上述透明基板的侧表面设有纵向排列的复数个隐切刀痕。
依据本发明的一实施例，上述的透明基板的第一表面设有复数个空腔，这些空腔以预设间距规则排列，且每个空腔包含第一倾斜面、第二倾斜面、与底面，其中第一倾斜面与第二倾斜面分别相对于底面倾斜第一角度与第二角度，第一角度不同于第二角度。
根据本发明的一实施例，上述的透明基板的第二表面具有复数个立体结构，具有相同形状与尺寸，且这些立体结构以预设间距规则排列。
依据本发明的一实施例，上述的立体结构不规则排列在透明基板的第二表面上。
依据本发明的一实施例，上述的立体结构包含复数个钻石刀切结构、复数个激光切割结构、复数个激光隐切结构、或复数个蚀刻结构其中的一或混合。
附图说明
为让本发明的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，附图说明如下：
图1A是依照本发明的一实施方式的一种UV LED的剖面示意图；
图1B是依照本发明的一实施方式的一种UV LED的剖面示意图；
图2是依照本发明的一实施方式的一种UV LED的剖面示意图；
图3是依照本发明的一实施方式的一种UV LED的剖面示意图；
图4是依照本发明的一实施方式的一种UV LED的剖面示意图；以及
图5是依照本发明的一实施方式的一种透明基板的剖面示意图。
具体实施方式
有鉴于现阶段的紫外光发光二极管(UV LED)的反应效率受到限制，因此本发明在此提出一种UV LED，其可有效提高侧向及/或正向光取出效率，进而可大幅提升UV LED的出光量。
请参照图1A，依照本发明的一实施方式的UV LED剖面示意图。紫外光发光二极管100a可发出紫外光L，其波长落在100nm至400nm的范围。举例而言，紫外光发光二极管100a可为发光波长为320nm至400nm的UVA发光二极管、发光波长为280nm至320nm的UVB发光二极管、或发光波长为100nm至280nm的UVC发光二极管。紫外光发光二极管100a主要可包含透明基板110、紫外光发光磊晶结构120、以及透明结构130a。
透明基板110包含第一表面112、第二表面114、以及数个侧表面116。第一表面112与第二表面114分别位于透明基板110的相对二侧，且这些侧表面116环设在第一表面112与第二表面114之间。透明基板110的材料可例如为蓝宝石、氮化铝、或碳化硅。
紫外光发光磊晶结构120设于透明基板110的第一表面112上。紫外光发光磊晶结构120可发出紫外光L。在一些例子中，紫外光发光磊晶结构120主要包含n型半导体层122、主动层124、以及p型半导体层126。n型半导体层122设于透明基板110的第一表面112上，且n型半导体层122包含第一部分122a与第二部分122b。主动层124位于n型半导体层122的第一部分122a上。主动层124可发出紫外光L，因此亦可称为发光层。在一些例子中，主动层124可包含多重量子井结构(MQW)。p型半导体层126位于主动层124上，因此主动层124夹设在p型半导体层126与n型半导体层122的第一部分122a之间。举例而言，n型半导体层122的材料可包含n型氮化铝镓(n-AlGaN)，主动层124的材料可包含氮化铝镓或氮化铟铝镓(InAlGaN)，p型半导体层126的材料可包含p型氮化铝镓(p-AlGaN)。在一些例子中，紫外光发光磊晶结构120亦可包含缓冲层(未绘示)与超晶格结构(未绘示)，其中缓冲层与超晶格结构位于透明基板110与n型半导体层122之间，且缓冲层介于透明基板110的第一表面112与超晶格结构之间。
请继续参照图1A，透明结构130a设于透明基板110的第二表面114上，而与紫外光发光磊晶结构120分别位于透明基板110的相对二侧。可利用例如离子增长型化学气相沉积(PECVD)工艺、有机金属化学气相沉积(MOCVD)工艺、溅镀(sputter)工艺、电子枪(E-gun)蒸镀工艺、或热沉积工艺来制作透明结构130a。透明结构130a具有彼此相对的入光面132a与出光面134a，其中入光面132a邻接透明基板110的第二表面114。在本实施方式中，透明结构130a的折射率介于透明基板110的折射率与出光面134a所接触的介质的折射率之间，出光面134a所接触的介质例如为空气。透明结构130a的材料可包含氧化物、氮化物、或氟化物，例如二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)、或二氟化镁(MgF2)。透明结构130a的厚度136a小于1μm。
在图1A的例子中，透明结构130a由单一层结构所构成。在单层的透明结构130a的例子中，透明结构130a可具有单一折射率，然透明结构130a亦可具有渐变折射率，即透明结构130a的折射率由入光面132a朝出光面134a的方向递减。
在另一些例子中，透明结构可为多层堆叠结构。请参照图1B，本发明的一实施方式的一种UV LED的剖面示意图。此UV LED 100b的结构大致与UV LED 100a的结构相同，二者之间的差异在于UV LED 100b的透明结构130b为多层堆叠结构。
举例而言，如图1B所示，透明结构130b可包含数个透明膜131、133、135、与137，其中这些透明膜131、133、135、与137依序堆叠在透明基板110的第二表面112上。可利用例如电浆增益化学气相沉积工艺、有机金属化学气相沉积工艺、溅镀工艺、电子枪蒸镀工艺、或热沉积工艺来形成透明膜131、133、135、与137。在此实施方式中，透明膜131、133、135、与137的折射率介于透明基板110的折射率与空气的折射率之间且彼此不同。在一些示范例子中，透明膜131、133、135、与137的折射率由透明结构130b的入光面132b朝出光面134b的方向递减。亦即，透明膜131的折射率小于透明基板110的折射率且大于透明膜133的折射率，透明膜133的折射率大于透明膜135的折射率，透明膜137的折射率小于透明膜135的折射率且大于空气的折射率。然而，在本实施方式中，这些透明膜131、133、135、与137可依产生的光的条件，而有多种膜厚与折射率的搭配组合，并不必然是递减。透明膜131、133、135、与137的材料可包含氧化物、氮化物、或氟化物，例如二氧化硅、氮化硅、或二氟化镁。透明结构130b的厚度136b小于1μm。
请同时参照图1A与1B，由于透明结构130a/130b的折射率介于透明基板110的折射率与空气的折射率之间，因此主动层124所发出的紫外光L经由n型半导体层122与透明基板110而从透明基板110的第二表面114射入透明结构130a/130b时，透明结构130a/130b的存在可提高紫外光L在UV LED 100a/100b内部的折射量，有效降低紫外光L在紫外光发光二极管100a/100b内部的全反射量，如此可增加UV LED 100a/100b的出光量。
请继续参照图1A与1B，在一些例子中，UV LED 100a更可包含n型接触层140、p型接触层150、隔离层160、n型电极170、与p型电极180。n型接触层140设于n型半导体层122的第二部分122b上，且与主动层124及p型半导体层126分隔开。n型接触层140为导电层且可与n型半导体层122形成欧姆接触。n型接触层140的材料可例如包含金属。p型接触层150设于p型半导体层126上。p型接触层150为导电层且可与p型半导体层126形成欧姆接触。p型接触层150的材料可例如包含金属。
隔离层160覆盖在紫外光发光磊晶结构120、n型接触层140、与p型接触层150上。隔离层160具有第一开孔162与第二开孔164，其中第一开孔162与第二开孔164均贯穿隔离层160，而分别暴露出部分的n型接触层140与部分的p型接触层150。在一些例子中，隔离层160可具有反射光的功能，因此亦可称为反射层。隔离层160系由绝缘材料所组成。举例而言，隔离层160的材料可包含二氧化硅。n型电极170设于n型接触层140上方的隔离层160的一部分上，且填充在第一开孔162中并与n型接触层140接合。n型电极170的材料可包含金属，例如金。p型电极180设于p型接触层150上方的隔离层160的一部分上，且填充在第二开孔164中并与p型接触层150接合。p型电极180的材料可包含金属，例如金。n型电极170及p型电极180分别通过n型接触层140及p型接触层150而与n型半导体层122及p型半导体层126电性连接。
除了上述实施方式，本发明亦可额外采用以下几种设计来进一步提升UV LED的光取出效率。请参照图2，其是依照本发明的一实施方式的一种UV LED的剖面示意图。此UVLED 200的架构大致与图1A的UV LED 100a的架构相同，二者的差异在于UV LED 200的透明基板210较UV LED 100a的透明基板110厚，且透明基板210上并未设有透明结构。
此实施方式将透明基板210的厚度210t加厚，以使UV LED 200的高度200H大于长度200L及/或宽度(未显示于图中)。
通过增加透明基板210的厚度210t的方式，来增加侧表面216的高度，借此加大侧表面面积，同时增加紫外光L在UV LED 200内部的折射量，并减少紫外光L在透明基板210内的全反射量。因此，可提升UV LED 200的光取出效率。
虽然图2所示的UV LED 200并未设置如图1A或1B的透明结构130a或130b，但在本发明的其他实施方式中，可于UV LED 200的透明基板210的第二表面214上额外设置透明结构130a或130b，借此可进一步提升紫外光发光二极管200的光取出效果。
请参照图3，其是本发明的一实施方式的一种UV LED的剖面示意图，架构大致与图2的UV LED 200的相同，二者的差异在于此UV LED 300的透明基板310上设有数个立体结构320，且透明基板310可较UV LED 200的透明基板210薄。
在UV LED 300中，透明基板310同样具有彼此相对的第一表面312与第二表面314、以及数个侧表面316，这些侧表面316环设于第一表面312与第二表面314之间。透明基板310的材料可例如为蓝宝石、氮化铝、或碳化硅。紫外光发光磊晶结构120设于透明基板310的第一表面312上。而数个立体结构320则设置在透明基板310的第二表面314上。可利用例如钻石刀切、激光切割、激光隐形切割、或蚀刻等方式在透明基板310的第二表面314上形成立体结构320。因此，这些立体结构320可包含钻石刀切结构、激光切割结构、激光隐切结构、蚀刻结构其中之一、或其混合。
如图3所示，这些立体结构320可为凹槽结构；在另一些例子中，立体结构320可为凸状结构。在一些例子中，这些立体结构320可具有相同形状与相同尺寸，且以预设间距规则排列在透明基板310的第二表面314上，或者这些立体结构310不规则地排列在透明基板310的第二表面314上。在另一些例子中，这些立体结构320的形状彼此不同。立体结构320可为三角形、正方形、矩形、多边形、圆形、或椭圆形等。
设置在透明基板310的第二表面314上的立体结构320可破坏紫外光的全反射，借此可增加紫外光在紫外光发光二极管300内部的折射量，并减少紫外光在透明基板310的第二表面214的全反射量。借此，可提升紫外光发光二极管300的光取出效率。
虽然图3所示的紫外光发光二极管300并未设置如图1A的透明结构130a或图1B的透明结构130b，且也未额外增加透明基板310的厚度，但在本发明的其他实施方式中，可于紫外光发光二极管300的透明基板310的第二表面314上额外设置透明结构130a或130b、及/或增加透明基板310的厚度，借此可进一步提升紫外光发光二极管300的光取出效果。透明结构130a或130b可覆盖在透明基板310的立体结构320上。
请参照图4，其是依照本发明的一实施方式的一种UV LED的剖面示意图。此UV LED400的架构大致与图3相同，二者的差异在于此UV LED 400的透明基板410上设有数个隐切刀痕420，但透明基板410的表面并未设有立体结构。
在UV LED 400中，透明基板410同样具有彼此相对的第一表面412与第二表面414、以及数个侧表面416，其中这些侧表面416环设于第一表面412与第二表面414之间。利用激光隐形切割技术先在透明基板410内部不同深度形成数个隐切刀痕420，而在透明基板410中分别形成内部裂缝后，再施予拉力以引导透明基板410的内部裂缝扩散来切割UV LED400。如此，隐切刀痕420可纵向排列在透明基板410的侧表面416上。隐切刀痕420可增加紫外光在UV LED 400内部的折射量，并减少紫外光在透明基板410的侧表面416的全反射量，借此提升UV LED 400的侧向光取出效率。
借由隐切刀痕的特定排列方式，劈裂时刀痕互相连接使裂缝朝特定方向延伸，使切割后UV LED形成特定形状，增加后续封装工艺的变化性。
图4的UV LED 400并未设置如图1A的透明结构130a或图1B的透明结构130b、以及图3的立体结构320，且也未额外增加透明基板410的厚度，但在本发明的其他实施方式中，可于UV LED 400的透明基板410的第二表面414上额外设置透明结构130a或130b、立体结构320、及/或增加透明基板410的厚度，借此可进一步提升UV LED 400的光取出效果。
请参照图5，其是依照本发明的一实施方式的一种透明基板的剖面示意图。此透明基板510可取代上述实施方式的透明基板110、210、310、与410。透明基板510具有彼此相对的第一表面512与第二表面514。透明基板510的材料可例如为蓝宝石、氮化铝、或碳化硅。紫外光发光磊晶结构可在透明基板510的第一表面512上成长。透明基板510的第一表面512设有数个空腔520。
在一些例子中，这些空腔520彼此隔开，且以预设间距规则排列，即周期性排列。举例而言，此预设间距可为约0.5μm至约5μm。如图5所示，在一些例子中，每个空腔520包含第一倾斜面522、第二倾斜面524、与底面526。第一倾斜面522与第二倾斜面524邻接，第二倾斜面524则与底面526邻接。第一倾斜面522相对于底面526倾斜第一角度θ1，第二倾斜面524相对于底面526倾斜第二角度θ2，其中第一角度θ1不同于第二角度θ2。在一些示范例子中，第一角度θ1小于第二角度θ2。举例而言，第一角度θ1可为约30度至约90度，第二角度θ2可为约75度至约90度。
本实施方式的透明基板的空腔可不限于包含二倾斜表面，每个空腔亦可设计成包含三个或更多的倾斜面。
借由在透明基板510的第一表面512上设置规则排列的空腔520，可提升在第一表面512成长的紫外光发光磊晶结构的质量，提高紫外光发光磊晶结构良率，节省成本。
由上述的实施方式可知，本发明的一优点就是因为本发明的UV LED的透明基板与空气之间设有透明结构，此透明结构的折射率介于透明基板的折射率与空气的折射率之间。借由此透明结构的设置可提高光在UV LED内部的折射量，进而可增加UV LED的出光量。
本发明的另一优点就是本发明的UV LED的透明基板的表面具有复数个立体结构。由于这些立体结构可破坏光在UV LED内部的全反射面，可增加UV LED的光取出率。
本发明的又一优点就是因为本发明的一实施方式增加透明基板的厚度，以使UVLED的高度大于其长度及/或宽度，增加UV LED的侧向出光面积，进而可提高UV LED的整体出光量。
本发明的再一优点就是利用隐形切割在透明基板侧表面形成数个纵向排列的隐切刀痕。由于这些隐切刀痕可增加透明基板的侧表面的粗糙度，提高UV LED的侧向光取出率。且借由特定方式排列数个隐切刀痕，在UV LED切割分离时，裂缝逐渐扩大至互相连接，依刀痕方向切割出特定形状，增加后续封装工艺的变化性。
虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
【符号说明】
100a...紫外光发光二极管
100b...紫外光发光二极管
110...透明基板
112...第一表面
114...第二表面
116...侧表面
120...紫外光发光磊晶结构
122...n型半导体层
122a...第一部分
122b...第二部分
124...主动层
126...p型半导体层
130a...透明结构
130b...透明结构
131...透明膜
132a...入光面
132b...入光面
133...透明膜
134a...出光面
134b...出光面
135...透明膜
136a...厚度
136b...厚度
137...透明膜
140...n型接触层
150...p型接触层
160...隔离层
162...第一开孔
164...第二开孔
170...n型电极
180...p型电极
200...紫外光发光二极管
200H...高度
200L...长度
210...透明基板
210t...厚度
216...侧表面
300...紫外光发光二极管
310...透明基板
312...第一表面
314...第二表面
316...侧表面
320...立体结构
400...紫外光发光二极管
410...透明基板
412...第一表面
414...第二表面
416...侧表面
420...隐切刀痕
510...透明基板
512...第一表面
514...第二表面
520...空腔
522...第一倾斜面
524...第二倾斜面
526...底面
L...紫外光
θ1...第一角度
θ2...第二角度。
Claims (10)
1.一种紫外光发光二极管，其特征在于，该紫外光发光二极管包含：
透明基板，包含相对的第一表面与第二表面、以及复数个侧表面环设在该第一表面与该第二表面之间；
紫外光发光磊晶结构，设于该透明基板的该第一表面上；以及
透明结构，具有相对的入光面与出光面，其中该透明结构的该入光面邻接该透明基板的该第二表面，且该透明结构的折射率介于该透明基板的折射率与空气的折射率之间。
2.如权利要求1的紫外光发光二极管，其特征在于，该透明结构的该折射率由该入光面朝该出光面递减。
3.如权利要求1的紫外光发光二极管，其特征在于，该透明结构包含复数个透明膜依序堆叠在该透明基板的该第二表面上，且该复数个透明膜具有彼此不同的复数个折射率。
4.如权利要求1的紫外光发光二极管，其特征在于，该透明结构的材料包含氧化物、氮化物、或氟化物。
5.如权利要求1的紫外光发光二极管，其特征在于，该紫外光发光二极管的高度大于该紫外光发光二极管的长度及/或宽度。
6.如权利要求1的紫外光发光二极管，其特征在于，该透明基板的该复数个侧表面设有纵向排列的复数个隐切刀痕。
7.如权利要求1的紫外光发光二极管，其特征在于，该透明基板的该第一表面设有复数个空腔，该复数个空腔以预设间距规则排列，且每一该复数个空腔包含第一倾斜面、第二倾斜面、与底面，其中该第一倾斜面与该第二倾斜面分别相对于该底面倾斜第一角度与第二角度，该第一角度不同于该第二角度。
8.如权利要求1的紫外光发光二极管，其特征在于，该透明基板的该第二表面具有复数个立体结构；其中该复数个立体结构包含复数个钻石刀切结构、复数个激光切割结构、复数个激光隐切结构、或复数个蚀刻结构其中之一或混合。
9.如权利要求8的紫外光发光二极管，其特征在于，该复数个立体结构具有相同形状与相同尺寸，且该复数个立体结构以预设间距规则排列。
10.如权利要求8的紫外光发光二极管，其特征在于，该复数个立体结构不规则排列在该透明基板的该第二表面上。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110476197.6A CN115274966A (zh) | 2021-04-29 | 2021-04-29 | 紫外光发光二极管 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| CN115274966A true CN115274966A (zh) | 2022-11-01 |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110476197.6A Pending CN115274966A (zh) | 2021-04-29 | 2021-04-29 | 紫外光发光二极管 |
Country Status (1)
| Country | Link |
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| CN (1) | CN115274966A (zh) |
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2021
- 2021-04-29 CN CN202110476197.6A patent/CN115274966A/zh active Pending
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