TW201530812A - 半導體發光結構 - Google Patents

Abstract

一種半導體發光結構，包括一基板、一圖案化結構、一第一半導體層、一主動層以及一第二半導體層。基板具有一第一表面以及一第二表面，第一表面與二表面相對。圖案化結構位於基板的第一表面，圖案化結構包括尺寸相異的複數個錐體結構。第一半導體層配置於第一表面上。主動層配置於第一半導體層上。第二半導體層配置於主動層上。

Description

半導體發光結構

本發明是有關於一種半導體發光結構，且特別是有關於一種增加光取出效率之半導體發光結構。

發光二極體(Light-Emitting Diode，LED)主要是透過電能轉化為光能的半導體發光結構。發光二極體的主要的組成材料是化合物半導體，由三價或五價元素組成化合物半導體，其中含有帶正電的電洞比率較高的半導體稱為P型半導體，含有帶負電的電子比率較高的半導體稱為N型半導體。P型半導體與N型半導體相接處形成PN接面。在發光二極體晶片的正電極及負電極施加電壓時，電子將與電洞結合。電子與電洞結合後釋放能量，並以光的形式發出。

然而，發光二極體的基板(substrate)大多為藍寶石基板或矽基板，折射係數高，因此朝基板的方向射出之光線很容易被基板反射，因而導致部分的光線被侷限在發光二極體內而無法取出，進而導致光取出效率不佳。

本發明係有關於一種半導體發光結構，藉由改變出光角度以提高光取出效率。

根據本發明之一方面，提出一種半導體發光結構，包括一基板、一圖案化結構、一第一半導體層、一主動層以及一第二半導體層。基板具有一第一表面以及一第二表面，第一表面與二表面相對。圖案化結構位於基板的第一表面，圖案化結構包括尺寸相異的複數個錐體結構。第一半導體層配置於第一表面上。主動層配置於第一半導體層上。第二半導體層配置於主動層上。

為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

100‧‧‧半導體發光結構

110‧‧‧基板

110p‧‧‧圖案化結構

111a‧‧‧第一表面

111b‧‧‧第二表面

112‧‧‧錐體結構

113、118‧‧‧第一尺寸的錐體結構

114、117‧‧‧第二尺寸的錐體結構

121‧‧‧第一半導體層

122‧‧‧主動層

123‧‧‧第二半導體層

H1‧‧‧第一高度

H2‧‧‧第二高度

W1‧‧‧第一底面寬度

W2‧‧‧第二底面寬度

θ1‧‧‧夾角

θ2‧‧‧夾角

θc‧‧‧臨界角度

T‧‧‧切線

L1‧‧‧第一光線

L2‧‧‧第二光線

L3‧‧‧第三光線

第1圖繪示依照本發明一實施例之半導體發光結構的示意圖。

第2圖繪示圖案化結構的俯視示意圖。

第3A及3B圖繪示錐體結構的示意圖。

第3C圖繪示另一實施例之錐體結構。

第4A及4B圖繪示一實施例中光線經由二次反射而射出半導體發光結構之外的示意圖。

第5A及5B圖為利用顯微放大鏡拍攝到的錐體結構的圖片。

在本實施例之一範例中，提出一種半導體發光結構，係在基板上形成圖案化結構，使基板的表面具有特定幾何形狀之複數個凸出部及/或凹陷部，這些凸出部具有不同尺寸或不同型態，例如是不同尺寸的錐體結構，不同尺寸且不同型態的錐體結構，或是不同尺寸但相同型態的錐體結構。

在本實施例之一範例中，不同尺寸的錐體結構例如是具有不同高度的錐體結構、具有不同高度及不同底面寬度的錐體結構，或是具有不同高度但相同底面寬度的錐體結構。舉例來說，錐體結構的高度/底面寬度比較佳介於0.2~0.7之間，但本發明不以此為限，亦可介於0.1~1之間。

在本實施例之一範例中，錐體結構的型態包括圓錐、三錐體、平頂圓錐及平頂三錐體等，亦可為其他形狀之錐體。錐體結構的底面可為圓形、三角形、四邊形、五邊形或六邊形。此些錐體結構可以同一型態或以不同型態形成在基板的表面上。同一型態或不同型態的錐體結構例如以不同尺寸交錯排列的方式形成在基板的表面上，以形成高低相間的圖案化結構。

以下係針對實施例進行詳細說明，實施例僅用以作為範例說明，並非用以限縮本發明欲保護之範圍。

請參照第1及2圖，其中第1圖繪示依照本發明一實施例之半導體發光結構100的示意圖，第2圖繪示錐體結構112的俯視示意圖。半導體發光結構100包括一基板110、一圖案化結構110p、一第一半導體層121、一主動層122以及一第二半導體層123。基板110具有一第一表面111a以及一第二表面111b，第一表面111a與第二表面111b相對。圖案化結構110p位於基板 110的第一表面111a，圖案化結構110p包括尺寸相異的複數個錐體結構112。第一半導體層121配置於第一表面111a上。主動層122配置於第一半導體層121上。第二半導體層123配置於主動層122上。

在第1圖中，此些錐體結構112突出於基板110的第一表面111a，以形成一粗化表面。第一半導體層121可直接或間接覆蓋在各個錐體結構112上。此些錐體結構112的尺寸例如介於0.1~5微米之間，較佳是介於0.5~2微米之間。在一實施例中，可藉由乾式蝕刻、濕式蝕刻或混合乾濕式蝕刻方式來形成不同尺寸及/或不同型態的錐體結構112。

常用的乾式蝕刻，例如以氣體作為主要的蝕刻媒介，並藉由電漿能量來驅動反應。電漿會將蝕刻氣體分子分解，產生能夠快速蝕去基板110材料的高活性分子。此外，電漿也會把這些氣體分子離子化，使其帶有電荷。將基板110設置於帶負電的陰極之上，因此當帶正電荷的離子被陰極吸引並加速向陰極方向前進時，會以特定角度撞擊到基板110之表面，以獲得具有特定幾何形狀之圖案化結構110p。此外，常用的混合乾濕蝕刻，係結合物理性的離子轟擊與化學反應的蝕刻，此種方式兼具非等向性與高蝕刻選擇比之優點，可使一部分表面不被離子轟擊而保留原來的形狀，另一部分表面被離子轟擊後再與蝕刻氣體反應而形成不同的形狀，藉此可獲得具有特定幾何形狀之圖案化結構110p。

請參照第1圖，錐體結構112包括多個第一尺寸的錐體結構113以及多個第二尺寸的錐體結構114，此些第一尺寸 與第二尺寸的錐體結構113、114交錯排列在基板110的第一表面111a上。第一尺寸的錐體結構113具有第一高度H1以及第一底面寬度W1，第二尺寸的錐體結構114具有第二高度H2以及第二底面寬度W2。在一實施例中，第一尺寸的錐體結構113的高度可小於此些第二尺寸的錐體結構114的高度，即H1<H2；而第一尺寸的錐體結構113的底面寬度可小於第二尺寸的錐體結構114的底面寬度，即W1<W2。

在另一未繪示之實施例中，第一尺寸的錐體結構113的高度可小於此些第二尺寸的錐體結構114的高度，而第一尺寸的錐體結構113的底面寬度可大於或等於第二尺寸的錐體結構114的底面寬度。或者，第一尺寸的錐體結構113的高度可大於此些第二尺寸的錐體結構114的高度，而第一尺寸的錐體結構113的底面寬度可小於第二尺寸的錐體結構114的底面寬度。

在一實施例中，第一尺寸及第二尺寸的錐體結構113、114的高度/底面寬度比例如介於0.2~0.7之間，但不以此為限，亦可介於0.1~1之間。

請參照第2圖，第一尺寸的錐體結構113與第二尺寸的錐體結構114等距或非等距排列，以形成大小相間的一島狀陣列。在第2圖中，位於第M排與第M+2排的第二尺寸的錐體結構114之間設有第M+1排尺寸較小的第一尺寸的錐體結構113，其中M為大於等於1的整數。由於尺寸較大的錐體結構114包圍在尺寸較小的錐體結構113的周圍，因此可使基板110單位面積上的錐體數量增加，且在對角線方向上的相鄰二錐體結構113、114具有不同尺寸，以形成高低相間的圖案化結構110p。

請參照第3A及3B圖，其繪示錐體結構112的示意圖。上述之錐體結構112例如是圓錐、三錐體、平頂圓錐或平頂三錐體，其具有一側表面112a，且此側表面112a與基板110的第一表面111a之間具有一夾角θ1，此夾角θ1介於5度~85度之間，較佳是介於30~60度之間。

另外，第3C圖繪示另一實施例之錐體結構112。此錐體結構112的側表面112b例如為一曲面，且曲面上的一切線T與基板110的第一表面111a之間的夾角θ2由錐頂往下依序漸增，其角度可由5度至85度。在一實施例中，此錐體結構112的曲面可藉由乾式蝕刻或混合乾濕式蝕刻調整蝕刻的方向，以控制曲面的曲率，進而形成具有特定表面形狀之錐體結構112。

請參照第4A及4B圖，其繪示一實施例中光線經由二次反射而射出半導體發光結構100之外的示意圖。第一半導體層121與第二半導體層123摻雜五價元素(例如磷)或三價元素(例如鋁)而分別形成N型半導體層與P型半導體層，當施加電壓於第一半導體層121與第二半導體層123時，電洞和電子在正負不同極性的電壓作用下從電極兩端分別流向PN接合面(即主動層122)，使得在主動層122中的電子與電洞結合並釋放能量，再以光的形式發出。

在第4A圖中，朝向基板110方向的第一光線L1先經由基板110的第一表面111a反射，再經由第一尺寸的錐體結構113第二次反射之後，朝向遠離基板110的方向前進，以改變第一光線L1的出光角度。此外，朝向基板110方向的第二光線L2先經由第二尺寸的錐體結構114反射，再經由第一尺寸的錐體結 構113第二次反射之後，朝向遠離基板110的方向前進，以改變第二光線L2的出光角度。在一實施例中，經二次反射後的第一光線L1的出光角度落在臨界角度θc的範圍內時(圖中僅表示光線L1之臨界角範圍)，可直接由上方表面射出而不會被反射回來，進而增加光取出效率。

在第4B圖中，第二尺寸的錐體結構117若為平頂圓錐或平頂三錐體時，朝向基板110方向的部分第三光線L3被錐頂平面直接反射或散射，而部分第三光線L3經由基板110的第一表面111a反射，再經由第一尺寸的錐體結構118第二次反射之後，朝向遠離基板110的方向前進，以改變第三光線L3的出光角度。在一實施例中，經一次反射或二次反射後的第三光線L3的出光角度落在臨界角度θc的範圍內時，可直接由上方表面射出而不會被反射回來，進而增加光取出效率。

在一實施例中，基板110為藍寶石基板、碳化矽基板或矽基板。基板110之第一表面111a經過圖案化之後，形成尺寸不同的錐體結構112。請參照第5A及5B圖，利用顯微放大鏡拍攝到的錐體結構的圖片中，基板經過圖案化之後可形成尺寸不同的錐體結構。因此，可使朝基板110方向之光線被錐體結構112反射及散射，以使光線向外散射而不容易產生全反射，進而提高光取出效率。

本發明上述實施例所揭露之半導體發光結構，係利用尺寸不同的錐體結構來改變光線的出光角度，以提高光取出效率。相對於以單一尺寸或單一型態的圖案化結構來改變出光角度，本發明之半導體發光結構可避免某些出光角度的光線無法落 在臨界角度的範圍內，而產生全反射的情形。

綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧半導體發光結構

110‧‧‧基板

110p‧‧‧圖案化結構

111a‧‧‧第一表面

111b‧‧‧第二表面

113‧‧‧第一尺寸的錐體結構

114‧‧‧第二尺寸的錐體結構

121‧‧‧第一半導體層

122‧‧‧主動層

123‧‧‧第二半導體層

H1‧‧‧第一高度

H2‧‧‧第二高度

W1‧‧‧第一底面寬度

W2‧‧‧第二底面寬度

Claims (11)

1. 一種半導體發光結構，包括：一基板，具有一第一表面以及一第二表面，該第一表面與該二表面相對；一圖案化結構，位於該基板的該第一表面，該圖案化結構包括尺寸相異的複數個錐體結構；一第一半導體層，配置於該第一表面上；一主動層，配置於該第一半導體層上；以及一第二半導體層，配置於該主動層上。
2. 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光結構，其中該些錐體結構為同一型態或不同型態，且具有不同高度及底面寬度的錐體結構，該些錐體結構的型態包括圓錐、三錐體、平頂圓錐或平頂三錐體。
3. 如申請專利範圍第2項所述之半導體發光結構，其中該些錐體結構的高度/底面寬度比介於0.2~0.7之間。
4. 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光結構，其中該些錐體結構分別具有一側表面，且該側表面與該第一表面之間具有一夾角，該夾角介於5度~85度之間。
5. 如申請專利範圍第4項所述之半導體發光結構，其中該側表面為一曲面，且該曲面上的一切線與該第一表面之間的夾角由錐頂往下依序漸增。
6. 如申請專利範圍第2項所述之半導體發光結構，其中該些 錐體結構包括複數個第一尺寸的錐體結構以及複數個第二尺寸的錐體結構，該些第一尺寸與第二尺寸的錐體結構交錯排列在該第一表面上。
7. 如申請專利範圍第6項所述之半導體發光結構，其中該些第一尺寸與第二尺寸的錐體結構等距或非等距排列成一島狀陣列。
8. 如申請專利範圍第6項所述之半導體發光結構，其中該些第一尺寸的錐體結構的高度小於該些第二尺寸的錐體結構的高度。
9. 如申請專利範圍第6項所述之半導體發光結構，其中該些第一尺寸的錐體結構的底面寬度小於該些第二尺寸的錐體結構的底面寬度。
10. 如申請專利範圍第6項所述之半導體發光結構，其中該些第一尺寸及第二尺寸的錐體結構的高度/底面寬度比介於0.2~0.7之間。
11. 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光結構，其中該基板為藍寶石基板、碳化矽基板或矽基板。