TW201345003A - 發光角度收斂之圖案化基材及發光二極體元件 - Google Patents
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Abstract
本發明係有關於一種發光角度收斂之圖案化基材及發光二極體元件，其中的圖案化基材係於基板之表面設有複數個封閉之幾何形狀區域，而幾何形狀區域係由至少三個條狀體所圍設形成；藉此，透過基板表面之非平整性來提供反射光線的效果，使光線以１００～１１０度射出發光二極體元件，具有較佳之指向性，並有效提升以此圖案化基材製作之發光二極體元件其出光效率。
Description
本發明係有關於一種發光角度收斂之圖案化基材及發光二極體元件，尤其是指一種藉由基板表面之複數個條狀體改變光之行進方向並收斂出光角度，以增加光之指向性並提升發光二極體元件之出光效率者。
近年來，發光二極體的應用面日趨廣泛，已成為日常生活中不可或缺的重要元件；且發光二極體可望取代現今的照明設備，成為未來新世代的固態照明元件，因此發展高節能高效率及更高功率之發光二極體將會是未來趨勢；氮化物ＬＥＤ由於具有元件體積小、無汞汙染、發光效率高及壽命長等優點，已成為最新興光電半導體材料之一，而三族氮化物之發光波長幾乎涵蓋了可見光之範圍，更使其成為極具潛力之發光二極體材料。
一般傳統的三族氮化物發光二極體結構，係於基板上依序包含有一ｎ型半導體層、一主動發光層（ａｃｔｉｖｅ ｌａｙｅｒ），以及一ｐ型半導體層，且為了提高元件之電流散佈效果以及提高光萃取效率，一般於ｐ型半導體層上會設置一透明導電層（例如：銦錫氧化物（ＩＴＯ））；最後，再於ｐ型半導體層與ｎ型半導體層上分別設置有一ｐ型電極墊與一ｎ型電極墊，且ｐ型電極墊與ｎ型電極墊係分別以歐姆接觸於ｐ型半導體層與ｎ型半導體層上；而在理想的發光二極體中，當主動發光層內載子復合成光子後，這些光子若能全部輻射至外界，那這個發光二極體的發光效率即為１００％，然而實際實施時，主動發光層所產生的光子可能會因為各種損耗機制，無法以１００％的發光效率傳播到外界。
舉例而言，上述發光二極體會由於基板和磊晶膜間晶格的不匹配產生的應變常引發錯位差排（Ｍｉｓｆｉｔ Ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ）的形成，而部分錯位差排更會延伸至晶體表面，被稱之為貫穿式差排（Ｔｈｒｅａｄｉｎｇ Ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ）；例如：藍寶石基板與氮化鎵薄膜間約有１６％的晶格錯配量，造成生長在氧化鋁基板上的氮化鎵薄膜缺陷密度很高，通常內部都會存在１０９～１０１１ｃｍ－２密度的差排，導致主動發光層之晶體品質不佳，因而降低發光二極體的內部量子效率，進而降低其發光亮度並產生熱，而使發光二極體的溫度上升，從而影響發光效率。
此外，主動發光層所發出來的光線朝向多個方向，使得發光二極體之出光角度一般約達到１２０度到１４０度之間，不僅導致發光二極體之指向性不足，造成發光亮度的降低之外，且由於出光角度過大，當發光二極體於多晶片封裝後，相鄰之發光二極體元件所發射之光線相互交錯影響，甚至被相鄰之發光元件吸收，導致發光二極體元件出光效率的降低。
今，發明人即是鑑於上述現有之發光二極體元件在實際實施上仍具有多處之缺失，於是乃一本孜孜不倦之精神，並藉由其豐富之專業知識及多年之實務經驗所輔佐，而加以改善，並據此研創出本發明。
本發明主要目的為提供一種圖案化基材，係藉由基板表面之複數個條狀體改變光之行進方向並收斂出光角度，以增加光之指向性並提升發光二極體元件之出光效率者。
本發明另提供一種發光二極體元件，係至少包含有上述之圖案化基材。
為了達到上述實施目的，本發明人乃研擬如下實施技術，係主要於基板之表面設有複數個封閉之幾何形狀區域，幾何形狀區域係由至少三個條狀體所圍設形成；其中，幾何形狀可為三角形、四角形（例如正方形、菱形、平行四邊形等）或六角形等等，且條狀體之截面可為三角形或圓弧形其中之一，而圓弧形之曲率係介於１０－５～２﹒０μｍ－１之間；再者，條狀體係形成於基板（０００１）方向，且條狀體係呈週期性分佈，兩兩平行之條狀體具有相同的節距；其中，節距係介於１﹒０～５﹒０μｍ之間。
再者，上述之基板可由藍寶石、碳化矽、矽、砷化鎵、氧化鋅以及具有六方體系結晶材料所構成群組中的一種材料而形成；而條狀體則可由藍寶石、氮化鋁、碳化矽、矽以及二氧化矽所構成群組中的一種材料而形成。
此外，上述條狀體係包括有一底面，以及相鄰底面且彼此以底面的中垂面呈鏡像對稱之二側面，條狀體之高度係介於０﹒５～３﹒０μｍ之間；條狀體於基板上之投影距離係介於１﹒０～４﹒０μｍ之間，且兩兩平行條狀體間之最短距離係介於０﹒１～１﹒５μｍ之間；又，二側面之相接線沿著側面至底面之最短距離與兩兩平行條狀體間之最短距離的比例係介於１～５之間。
本發明另提出一種發光二極體元件，係至少包含如上述之圖案化基材、一以三族氮化物半導體材料磊晶形成於圖案化基材上之磊晶膜，以及二相配合地提供電能之電極；其中，磊晶膜係具有一設於圖案化基材上之ｎ型半導體層、一設於ｎ型半導體層上之主動發光層，以及一設於主動發光層上之ｐ型半導體層；而二電極係分別為一以歐姆接觸設於ｐ型半導體層上之ｐ型電極，以及一以歐姆接觸設於ｎ型半導體層上之ｎ型電極。
藉此，上述之發光二極體元件利用基板表面之條狀體不僅能夠改善傳統基板和磊晶膜間晶格的不匹配所產生的錯位差排現象，同時亦可將於ｎ型半導體層與ｐ型半導體層之間橫向傳遞的光線導為正向光，以使光線正向射出發光二極體元件，將出光角度收斂至１００～１１０度，不僅具有較佳之指向性，且可避免光線被鄰近之發光元件吸收，進而可大幅提昇出光效率。
另，圖案化基材藉由基板表面之非平整性來降低主動發光層出光的全反射角，以增加出光效率以外，其條狀體所圍設之幾何形狀區域亦可提供反射光線的效果，使得本發明的發光二極體元件可以不需要如傳統之反射杯的情況下，獲得良好的出光效率。
本發明之目的及其結構設計功能上的優點，將依據以下圖面所示之較佳實施例予以說明，俾使審查委員能對本發明有更深入且具體之瞭解。
首先，請參閱第一～三圖所示，為本發明發光角度收斂之圖案化基材（１）其一較佳實施例，係主要於基板（１１）之表面設有複數個封閉之幾何形狀區域（１３），幾何形狀區域（１３）係由至少三個條狀體（１２）所圍設形成；其中，幾何形狀可選自三角形、四角形（例如正方形、菱形、平行四邊形等）以及六角形所構成之群組，於本實施例，幾何形狀區域（１３）係為四角形，更明確地說，幾何形狀區域（１３）係為正方形；其中，條狀體（１２）之截面可為三角形或圓弧形其中之一，於本實施例中，條狀體（１２）之截面係為三角形（請參閱第三圖所示），使得條狀體（１２）成為一三角錐狀；再者，條狀體（１２）係形成於基板（１１）（０００１）方向，且條狀體（１２）可呈週期性分佈，而兩兩平行條狀體（１２）具有相同之節距Ｐ（Ｐｉｔｃｈ），所謂的節距Ｐ即為每一個條狀體（１２）間之距離，於本實施例中，節距Ｐ係介於１﹒０～５﹒０μｍ之間。
此外，基板（１１）可由藍寶石（Ｓａｐｐｈｉｒｅ，Ａｌ２Ｏ３）、碳化矽（ＳｉＣ）、矽（Ｓｉ）、砷化鎵（ＧａＡｓ）、氧化鋅（ＺｎＯ）以及具有六方體系（Ｈｅｘａｇｏｎａｌ）結晶材料所構成群組中的一種材料而形成；而條狀體（１２）可由藍寶石（Ｓａｐｐｈｉｒｅ，Ａｌ２Ｏ３）、氮化鋁（ＡｌＮ）、碳化矽（ＳｉＣ）、矽（Ｓｉ）以及二氧化矽（ＳｉＯ２）所構成群組中的一種材料而形成，條狀體（１２）較佳係由二氧化矽或氮化鋁材質所形成；值得注意的，當基板（１１）由藍寶石材料所形成且條狀體（１２）係以不同於基板（１１）材質（例如：二氧化矽或氮化鋁）所形成時，其基板（１１）與條狀體（１２）的接觸面可能形成有孔洞（ｖｏｉｄ）結構，藉由如此之結構，能增加光之散射程度，進而提升發光二極體元件之出光效率；再者，條狀體（１２）係可藉由黃光製程以及乾蝕刻或濕蝕刻等蝕刻製程形成於基板（１１）上，其製程方法已為習知技藝中眾所皆知之知識，且並非本發明之重點，因此，不再本發明中加以贅述。
再者，於本實施例中，條狀體（１２）係包括有一底面（１２１），以及相鄰底面（１２１）且彼此以底面（１２１）的中垂面呈鏡像對稱之二側面（１２２），二側面（１２２）之相接線至底面（１２１）的最短距離（即條狀體（１２）之高度Ｈ）係介於０﹒５～３﹒０μｍ之間，而當條狀體（１２）的高度Ｈ大於２﹒０μｍ時，將造成磊晶不易的情形發生；此外，條狀體（１２）於基板（１１）上之投影距離Ｄ係介於１﹒０～４﹒０μｍ之間，且兩兩平行之條狀體（１２）間的最短距離Ｓ１係介於０﹒１～１﹒５μｍ之間；又，二側面（１２２）之相接線沿著側面（１２２）至底面（１２１）之最短距離Ｓ２與兩兩平行條狀體（１２）間之最短距離Ｓ１的比例（亦即Ｓ２∕Ｓ１）係介於１～５之間。
上述之圖案化基材（１）可應用於發光二極體元件中，第四圖為依照本發明其一較佳實施例之一種發光二極體元件結構剖面示意圖，該發光二極體元件至少包含如上述之圖案化基材（１）、一以三族氮化物半導體材料磊晶形成於圖案化基材（１）上之磊晶膜（２），以及二相配合地提供電能之電極（３）；其中，三族氮化物係為氮化鋁(ＡｌＮ)、氮化鎵（ＧａＮ)、氮化銦（ＩｎＮ）、氮化鋁鎵（ＡｌＧａＮ）、氮化鋁銦（ＡｌＩｎＮ）、氮化銦鎵（ＩｎＧａＮ）以及氮化鋁銦鎵（ＡｌＩｎＧａＮ）其中之一或兩者以上之混合。
此外，於本實施例中，磊晶膜（２）係具有一設於圖案化基材（１）上之ｎ型半導體層（２１）、一設於ｎ型半導體層（２１）上之主動發光層（２２），以及一設於主動發光層（２２）上之ｐ型半導體層（２３）；且上述二電極（３）係分別為一以歐姆接觸設於ｐ型半導體層（２３）上之ｐ型電極（３１），以及一以歐姆接觸設於ｎ型半導體層（２１）上之ｎ型電極（３２）；而為了提高發光二極體元件之電流散佈效果以及光萃取效率，可於ｐ型半導體層（２３）與ｐ型電極（３１）間進一步設有一透明導電層（圖中未標示），透明導電層之材質可為銦錫氧化物（Ｉｎｄｉｕｍ ｔｉｎ ｏｘｉｄｅ，ＩＴＯ）、摻鋁氧化鋅（ａｌｕｍｉｎｕｍ ｄｏｐｅｄ ｚｉｎｃ ｏｘｉｄｅ，ＡＺＯ）以及銦鋅氧化物（ｉｎｄｉｕｍ ｚｉｎｃ ｏｘｉｄｅ，ＩＺＯ）所構成群組中的一種材料而形成。
藉此，請參閱第五圖，係為根據第四圖之虛線部分其發光二極體元件作動時，發光角度收斂之剖面放大示意圖，可看出於基板（１１）表面之複數個條狀體（１２）不僅能夠改善傳統基板（１１）和磊晶膜（２）間晶格的不匹配所產生的錯位差排現象，使得ｎ型半導體層（２１）具有較佳之磊晶品質外，且其截面呈三角形狀之條狀體（１２）更可將於ｎ型半導體層（２１）與ｐ型半導體層（２３）之間橫向傳遞的光線導為正向光，以使光線正向射出發光二極體元件，其出光角度可收斂至１００～１１０度，除了可提高發光二極體元件的外部量子效率外，因所射出之光線具有較佳之指向性，進而可提高發光的亮度；再者，由於出光角度較為收斂，可避免相鄰之發光二極體元件所發射之光線相互交錯影響，而導致發光二極體元件出光效率降低的問題發生。
此外，請再參閱第六～八圖所示，為本發明其二～四較佳實施例之圖案化基材（１）平面圖，與上述其一較佳實施例不同之處在於，條狀體（１２）所圍設形成之幾何形狀區域（１３）可分別為三角形、平行四邊形以及六角形；而由於條狀體（１２）亦排列設置於基板（１１）表面上，且條狀體（１２）亦為截面呈三角形狀之三角錐體，使得不論條狀體（１２）所圍設形成之幾何形狀區域（１３）是為三角形、四角形（例如菱形、平行四邊形等）或六角形，其所產生之功效與技術上之優點皆與其一較佳實施例相同，應視為本發明之等效變化或修飾。
再請參閱第九圖所示，係為本發明其五較佳實施例之圖案化基材（１）其外觀立體圖，與上述其一較佳實施例之不同處在於本實施例中，條狀體（１２）之截面係為圓弧形（請參閱第十圖所示），請一併參閱第十一～十二圖所示，且圓弧形之曲率係介於１０－５～２﹒０μｍ－１之間，又為了兼具磊晶膜的品質與導光效果，較佳地，該圓弧形之曲率係介於０﹒０１～２﹒０μｍ－１之間；值得注意的，本實施例條狀體（１２）所圍設形成之幾何形狀區域（１３）係為正方形，但於其他實施例中亦可分別為三角形、其它四角形以及六角形等幾何形狀；藉此，其截面呈圓弧形之條狀體（１２）亦可將於ｎ型半導體層（２１）與ｐ型半導體層（２３）之間橫向傳遞的光線導為正向光，以使光線正向射出發光二極體元件，令出光角度可收斂至１００～１１０度，使得射出之光線具有較佳之指向性，進而可提高發光二極體元件的亮度以及出光效率。
由上述之發光角度收斂之圖案化基材及發光二極體元件與實施說明可知，本發明具有以下優點：
- 本發明藉由基板表面之複數個條狀體不僅能夠改善傳統基板和磊晶膜間晶格的不匹配所產生的錯位差排現象，同時亦可將於ｎ型半導體層與ｐ型半導體層之間橫向傳遞的光線導為正向光，以使光線正向射出發光二極體元件，並將出光角度收斂至１００～１１０度，不僅具有較佳之指向性，且可避免射出之光線被鄰近之發光二極體元件吸收，進而可大幅提昇出光效率。
- 本發明之發光角度收斂之圖案化基材藉由基板表面之非平整性來降低主動發光層出光的全反射角，以增加出光效率以外，其條狀體所圍設之幾何形狀區域亦可提供反射光線之功效，使得本發明的發光二極體元件可以不需要如傳統之反射杯的情況下，獲得良好的出光效率。
綜上所述，本發明之發光角度收斂之圖案化基材及發光二極體元件，的確能藉由上述所揭露之實施例，達到所預期之使用功效，且本發明亦未曾公開於申請前，誠已完全符合專利法之規定與要求。爰依法提出發明專利之申請，懇請惠予審查，並賜准專利，則實感德便。
惟，上述所揭之圖示及說明，僅為本發明之較佳實施例，非為限定本發明之保護範圍；大凡熟悉該項技藝之人士，其所依本發明之特徵範疇，所作之其它等效變化或修飾，皆應視為不脫離本發明之設計範疇。
(1)．．．圖案化基材
(11)．．．基板
(12)．．．條狀體
(121)．．．底面
(122)．．．側面
(13)．．．幾何形狀區域
(2)．．．磊晶膜
(21)．．．n型半導體層
(22)．．．主動發光層
(23)．．．p型半導體層
(3)．．．電極
(31)．．．p型電極
(32)．．．n型電極
H．．．高度
D．．．投影距離
P．．．節距
S1．．．最短距離
S2．．．最短距離
第一圖：本發明其一較佳實施例之圖案化基材外觀立體圖
第二圖：根據本發明其一較佳實施例之圖案化基材局部立體剖面圖
第三圖：本發明其一較佳實施例之條狀體外觀立體圖
第四圖：本發明其一較佳實施例之發光二極體元件結構剖面示意圖
第五圖：根據第四圖之虛線部分其發光二極體元件作動時，發光角度收斂之剖面放大示意圖
第六圖：本發明其二較佳實施例之圖案化基材平面圖
第七圖：本發明其三較佳實施例之圖案化基材平面圖
第八圖：本發明其四較佳實施例之圖案化基材平面圖
第九圖：本發明其五較佳實施例之圖案化基材外觀立體圖
第十圖：根據本發明其五較佳實施例之圖案化基材局部立體剖面圖
第十一圖：本發明其五較佳實施例之條狀體外觀立體圖
第十二圖：本發明其五較佳實施例之發光二極體元件結構剖面示意圖
(1)．．．圖案化基材
(11)．．．基板
(12)．．．條狀體
(13)．．．幾何形狀區域
Claims (19)
- ㄧ種發光角度收斂之圖案化基材，係主要於基板之表面設有複數個封閉之幾何形狀區域，該幾何形狀區域係由至少三個條狀體所圍設形成。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光角度收斂之圖案化基材，其中該幾何形狀係選自三角形、四角形以及六角形所構成之群組。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光角度收斂之圖案化基材，其中該條狀體係呈週期性分佈，且兩兩平行之該條狀體具有相同之節距（Ｐｉｔｃｈ）。
- 如申請專利範圍第3項所述之發光角度收斂之圖案化基材，其中該節距係介於１﹒０～５﹒０μｍ之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光角度收斂之圖案化基材，其中該條狀體之截面係為三角形或圓弧形其中之一。
- 如申請專利範圍第5項所述之發光角度收斂之圖案化基材，其中該圓弧形之曲率係介於１０－５～２﹒０μｍ－１之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光角度收斂之圖案化基材，其中該條狀體係形成於該基板（０００１）方向。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光角度收斂之圖案化基材，其中該基板係選自藍寶石（Ｓａｐｐｈｉｒｅ，Ａｌ２Ｏ３）、碳化矽（ＳｉＣ）、矽（Ｓｉ）、砷化鎵（ＧａＡｓ）、氧化鋅（ＺｎＯ）以及具有六方體系（Ｈｅｘａｇｏｎａｌ）結晶材料所構成之群組。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光角度收斂之圖案化基材，其中該條狀體係選自藍寶石（Ｓａｐｐｈｉｒｅ，Ａｌ２Ｏ３）、氮化鋁（ＡｌＮ）、碳化矽（ＳｉＣ）、矽（Ｓｉ）以及二氧化矽（ＳｉＯ２）所構成之群組。
- 如申請專利範圍第9項所述之發光角度收斂之圖案化基材，其中該條狀體係由二氧化矽或氮化鋁材質所形成。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光角度收斂之圖案化基材，其中該條狀體之高度係介於０﹒５～３﹒０μｍ之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光角度收斂之圖案化基材，其中該條狀體於該基板上之投影距離係介於１﹒０～４﹒０μｍ之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光角度收斂之圖案化基材，其中兩兩平行之該條狀體間的最短距離係介於０﹒１～１﹒５μｍ之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光角度收斂之圖案化基材，其中該條狀體係包括有一底面，以及相鄰該底面且彼此以該底面的中垂面呈鏡像對稱之二側面，該二側面之相接線沿著該側面至該底面之最短距離與兩兩平行條狀體間之最短距離的比例係介於１～５之間。
- ㄧ種發光二極體元件，其至少包含有：
一種圖案化基材；
一以三族氮化物半導體材料磊晶形成於該圖案化基材上之磊晶膜；以及
二相配合地提供電能之電極；其中，該圖案化基材係主要於基板之表面設有複數個封閉之幾何形狀區域，該幾何形狀區域係由至少三個條狀體所圍設形成。 - 如申請專利範圍第15項所述之發光二極體元件，其中該磊晶膜係具有一設於該圖案化基材上之ｎ型半導體層、一設於該ｎ型半導體層上之主動發光層，以及一設於該主動發光層上之ｐ型半導體層，且該二電極係分別為一以歐姆接觸設於該ｐ型半導體層上之ｐ型電極，以及一以歐姆接觸設於該ｎ型半導體層上之ｎ型電極。
- 如申請專利範圍第16項所述之發光二極體元件，其中於該ｐ型半導體層與該ｐ型電極間進一步設有一透明導電層。
- 如申請專利範圍第17項所述之發光二極體元件，其中該透明導電層之材質係包括銦錫氧化物（Ｉｎｄｉｕｍ ｔｉｎ ｏｘｉｄｅ，ＩＴＯ）、摻鋁氧化鋅（ａｌｕｍｉｎｕｍ ｄｏｐｅｄ ｚｉｎｃ ｏｘｉｄｅ，ＡＺＯ）以及銦鋅氧化物（ｉｎｄｉｕｍ ｚｉｎｃ ｏｘｉｄｅ，ＩＺＯ）所構成之群組。
- 如申請專利範圍第15項所述之發光二極體元件，其中該三族氮化物係為氮化鋁(ＡｌＮ)、氮化鎵（ＧａＮ)、氮化銦（ＩｎＮ）、氮化鋁鎵（ＡｌＧａＮ）、氮化鋁銦（ＡｌＩｎＮ）、氮化銦鎵（ＩｎＧａＮ）以及氮化鋁銦鎵（ＡｌＩｎＧａＮ）其中之一或兩者以上之混合。
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