TW437106B - A high efficiency light emitting diode - Google Patents

Description

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五、發明說明¢1) 【發明之範圍】 本發明係有關於一種高效率發光二極體（丨ight emitting diodes ’LED)，且特別係一種將LED之光 表面粗糙化並做成具有圓柱形或半圓柱形結構以利、 的高效率LED。 &輸出 【發明之背景】 高效率發光二極體有很多應用，例如可作為照明、甚 示板、印刷機或數據通訊等之用。但一般“!）能達到的顯 部量子效率ext與内部量子效率β㈤之間有極大之差異= 舉例來说’LED^為向品質的異質（double heter〇-~ structure，DH )結構，其7yint可以高達99 %，但是其 卻都只能維持在2 %左右《主要原因之一是因為光被 身的材料所吸收及電流分佈不當所造成。另一原因則是光 要自局折射率（refractive index ’以η來表示）的半導 體（如為八1〇3八5其11約為3.4)，傳至外圍折射率低之空氣 (η = 1 )極為不易。 LED的；?ext與；yint之間的關係是it = aw，其 t發光效率7? cptlcal = t ??FR 7?cr是由三種不同之光損失而決 定：（1 )材料本身之吸收及電流分佈不當而產生的損失決 定？7 A的值；（2) ””即是針對Fresnel的損失計算得來，當 光自一物質其折射率是屮，傳至另一折射率材料⑴，一部 份光會被反射回來，不會穿透射出；（3)全反射臨界角損 失決定cr，由Sne 11定律之關係，光只有在臨界角Θ c内 可以完全被射出，其他的光則會被反射而可能被吸收，此

43 7 1 0 6 五、發明說明（2) 臨界角^ = Sirr〗（n2/ni)，如果半導體ηι=3 4，而空氣η^1 則~ — 1 7· 1 ’因此發射的光需在2 &之圓錐形内才可以完 全射出。 要提升上述的發光效率？^Ptical便得從減少造成h ' ?? FR與C cr的損失著手。 办一般而§ ’1£：1)最好成長在透明基板上使光可以完全 牙透’然而事實上並不易做到。所以若要除去光被基板吸 收可在其上成長反光的鏡面，例如為具有高反射率的多層 DBR (distributed Bragg reflector)鏡面；電流的分佈 則可以用原來的窗口層（w丨nd〇w )或用表面透明的電傳導 層例如IT0等來傳導，另可用電流堵塞（current blocking)使電流不在電接觸（c〇ntact)處下面通過以 免光被電接觸所遮蓋而無法射出。至於Fresnel的損失較 j 了以鍵上抗反射塗層（anti-reflective coating) 以減少其損失。然而，造成C ^損失就比較嚴重，因此要 如何增加Θ c值使大部份的光能被放射出便是本發明的重 點。 【發明之目的與概述】 有鑑於此，本發明的目的便是提出一種高效率的發光 二極體’利用杻糙化LED的光傳送（Hght —transmitting )表面’或同時將LED做成具有圓頂（doom )表面且概呈 圓枉形或甚至為球形的結構，減少光發射時C cr的損失， 使大部份發射的光能被射出，以提升整個LED的發光效率 〇

第6頁 43 7 Ί 〇 五、發明說明（3) ，據上述本發明之目的，提供的高效率發光二極體係 土板、一η型半導體層、一p型半導體層、一n型電極 二三型電極層以及一焊線墊所組成.其中基板例如為 監貝石（sapphire) 、SlC、Sl、Zn〇、GaAs< —尖晶石 -基板，其具有—第—和—第二主要表面，於第 要表面侧分別依序形成n型半導體層和p型半 材質可為氮化物或碟化物的半導體’其組成例如為3 n A lyGa(1_x_y)N ^ InxAlyGa(1.x_y)P > 1¾ 〇 ^ χ >〇^y^x-]-y^ ^ 再於11型半導體層—部位的表面形成n型電極層，p型 則約略形成於整個p型半導層的表面，最後焊線墊 :、於P型電極層一部位的表面，與p型電極層形成電氣 運接。 為提南LED發光效率，本發明可分別在基板的第二主 =表面、P型半導體層或n型半導體層露出的表面形成具有 4 0. 17以„!的凹凸粗糙表面，如此能使光發射出去，通過 經粗糙化的光傳送表面時其L值增加， 的全反射臨界角損失，提高了 Cm。 士 另方面，上述提供的LED結構，可分別將基板或η型 祖層和ρ型半導體層形成具有—約略為圓頂的表面， 也就是將外觀做成例如概呈圓枉形、半圓柱形或圓錐形甚 ^為球形的形狀，使得Led發射的光，經由環繞的光傳送 又，^射4，不像以往立方體的結構侷限由四個面射出， 而，主放射狀由曲面的光傳送表面射出光，如此發出的光 大夕集中在臨界角Θ c的範圍内，因此能減少全反射臨界

4371 0 6 五、發明說明（4) 角損失，提南β cr。. 根據上述本發明所提供的高功率發光二極體結構，其 外部量子效率？? ext經測試結果可達3〇 %以上，比起現有的 L E D結果為2 %左右增加許多。因此本發明的l e d不户可以 直接=於提升現抑的發光效果，藍光的發光 :=γ ρΛ做成高亮度的白光照明’用作表面裝置之紅 先A 1 Gal ηΡ發光二極體的亮度也可大為增加。 為讓本發明之上述和其他目的' S ° 顯县權，下古也 + 符徵、和優點能更明 *.肩易《 下文特舉一較佳實施例’並配人α ^ ^ 細說明如下。 亚配合所附圖式，作詳 【圖式及符號說明】 第1圖繪示光由介質1透射 ^圖搶示-種發光二極體的剖：折射現象； 光傳送表面的實施例； 極岐形成具有粗糙的 弟4圖繪示本發明高功率發 — 外觀的實施例； x尤—極體形成具有圓柱形 第5圖繪示本發明高功率 形外觀的另一實施例； 九—極體形成具有半圓柱 第6圖繪示本發明高功率 面的另一實施例； 九一極體形成具有粗糙表 第7圖繪示本發明高功率發光二 施例； 蚀體形成圓柱體的實 第8圖繪示本發明高功率 九一極體形成具有圓柱

第8頁 43 71 Ο 6 五、發明說明（5) 外觀的又一實施例；以及 第9圖繪示經表面安裝的LED以本發明形成粗糙面增 加其亮度的示意圖。 圖示 標號 21 基板 21a 第一 主要表面 21b 第二主要表面 21c 、 21d 基板側面 22 η型半導體層 22a 露出表面 23 Ρ型半導體層 24 n 型電極層 25 Ρ型電極層 25a 表面 26 焊線墊 27 粗链面 28 ' 2 8a 圓頂表面 30 LED 31 基台 32 LED表面 33 基台表面 34 樹脂層 【實施例說明】 首先先簡述有關光學的Sneli定律。 請參 照「第1圖」，如 果一束光從介質1透射向介質 2，介質之折射率分別為ιη及 η2。則在介質1及介質2交界面 上會產生 折射，其折射乃依下面的規律： nx sirH9[= sin&7 其中 Π[ = c / Vj，n2 = c/v2 。（ 3 = 2. 9 9 79 0 5x 1 0s 来/ 秒，是光 在真空中的速度。Vi與乂2分別為光在兩介質 中的傳播速度 。η為光介質之折射率，它定義為光在介質中與在真空中 傳播的速度之比。

第9頁 4371 ο 6 五、發明說明（6) 如果一束光從密介質射向疏介質（即ηΐ>η2 )，則當入 射角大於媒個臨界值時會產生全反射不發生折射。即沒有 光會進入介質2。這時可以認為在這個臨界角0。入射時， 折射角（92 = 90。對所有的L都會發生全反射。所以有 Θ, =sm-l(n2/n]) 由前述對發光效率的定義7/ 〇pticai = λ 7； fR Ty u U cr的 值取決於全反射臨界角的損失，由Θ c所決定，要減少此 損失應可朝兩個方向思考：其一是藉由增大，使射出 的光發生全反射的機會降低；其二便是使光儘量由26)。所 形成之圓錐形範圍内射出。如此一來，大部份的光便能被 控制經折射射出LED至外界’損失便會減小，π"自然會提 局〇 針對上 面形成粗韓; 謂的光傳送 )，增加全 形成約略為 半圓柱形、 臨界角的範 請參照 含由一透明 (sapphire 述兩點’本發明分別藉由（丨）將LED的光傳送表 面（考量LED發出的光不具方向性，本發明所 表面指的是能發出至少總光量1 %的LED表面 反射臨界角的值；以及（2) LED的光傳送表面 圓形的表面’整體形成例如具有概呈圓柱形、 圓錐形或甚至為球形的結構，使光入射集中在 圍内。詳細的說明如下： 「第2圖」’其為一種led結構的剖視圖，包 且絕緣的基板2 1，材質例如為一藍寶石 )、一SiC、一Si、Zn〇、GaAs或一尖晶石

第10頁 43 71 Ο 6 五、發明說明（7〕 (spinel)基板；一η型半導體層22形成於基板21的一第 一主要表面11a上’厚度約為〇.5~1〇#πι ;以及一 ρ型半導 體層23形成於η型半導體層22的表面，厚度約為〇. 〇卜5以 爪。其中不論是η型或ρ型半導體層22、23皆可採用—氮化 物或一磷化物半導體材質，其組成例如為[Α InxAlv.Gan— - — - ^ P ’ 而〇$X，〇$y 及 χ + ySl, (1-x-y) ^ n型半導體層 22較佳是摻雜有n型的雜質，如矽（s i )、鎵（以）、砸 (Se )、疏續（S )或碲（Te )等，但也可不植入雜 至於p型半導體層23則需摻雜p型的雜質，如鈹（〜）'、 4:cV二？V、辞（Zn)或鎂（Mg)等’之後再經由 或更问，皿度的回火（annealing)處理。 接著p型半導體層2 3部份被银刻掉，同時一邻彳八沾 =導體層22表面也被移去，以暴露出部份门的:型 上。11型電極層24便形成在11型半導體層22暴露的表面 接著，一ρ型電極層25便直接形成在ρ型半導體層23 面，：大體完全覆蓋整個？型半導體層23 ; :般乍為光傳送電# ’即大部份的光係由此處發散出I :任可適：的金屬材質製得，例如為選自金（Μ、錄 絡 V。金 r(pt) 、錫（S〇、銦（In)、 較$ Tl )等之一或以上的合金。若要達成具有 （。hmiC)特性’金屬材質則可為選自包含 i有=ί和白金等任兩者所形成的合金，較佳是包 …口、、，先使錄形成在Ρ型半導體層23上再形成金於 4371 ϋ 6

轉層 的處 表面。一般金屬材質製成的Ρ型電極層25會再經回火 理，形成的厚度較佳則是介於O.OObi 。 元件 架（ 烊線 J後Pi電極層25上將形成一焊線墊26，形成的LED 會以基板21的-第二主要表面m裝配在一第—引線 未繪不），再由一焊線（未繪示）焊在焊線墊26上接 第二引線Η未繪示），至於—電極層“也由另一 連至第一引線架。 係、，傳达表面形成粗糙面的實施例如「第3圖」所示， ' =氮化鎵銦（InGaN)半導體材質LED成長在藍寶石的基 綱例。粗糙表面27可形成於p型電極層表面25a、n型半 層露出的表面223及基板21的第二主表面21b上。以上 光、表面2 7可分別獨立形成，如LE D的使用是四面八方發 a，至基板2丨另兩側的表面21c、21d也可加以粗糙化， =是虽發光主要由ρ型電極層2 5射出，則基板21更可在形 n型半導體層22前先鍍上鏡面，如為DBR層或選自金、銀 或j等金屬，以反射光朝同一 口型電極層25方向射出，如 此來基板21的第二主要表面21b上便不需形成粗糙。 再請參照「第4圖」’其可視為「圖3」的上視圖， 由剖面線Ϊ — I觀之便得「圖3」的結構。可發現p型電 f層25、p型半導體層23及部份未有露出表面22a的n型半 ^體層22係形成具有圓頂的表面28，由於藍寶石基板21不 易被腐钱’所以只有將半導體層晶體做成圓柱形，基板2 i 及部份η型半導體層22保留為矩形的基台。 形成「圖4」的結構，製程上只需在上述ρ型半導體

第12頁 43 7 ί 〇6 —--—------ 五、發明說明（9) " 層23敍刻時將形狀飯刻成具有圓頂表面的圓柱形即可 I電極層25係完全形成在圖案蝕刻後的p型半導體層上 ’自然就形成了具有圓柱體的LED結構。 曰 請參照「第5圖」的另-實施例態樣，其可視為厂圖 4」的一種變化，由剖面線n _ n得相同於「圖3」的結 構。相較於「圖4」，此實施例形成了略為圓頂的表面 28a,、，截掉的一角可作為設置η型電極層24的位置，如此可 減省LED所佔的面積，使單位面積的產能提高。此一實施 例可視為具有一半圓柱形的LEI)結構。 §然還Bb 供其它不同的結構變化，主要是半導體層 表面能形成具有約略為圓頂的表面，使LED包含有一概呈 圓柱形的結構即可’例如半導體層的頂面與底面皆為圓形 但大小不同’便是形成具有一圓錐形的LED結構。 以上是P型面在上的LED元件’另有一種LED是將上面 兩層結構翻過來’即p型在下。請參照「第6圖」，係利 用一倒裝焊接法（Π i p c h i p b ο n d i n g )將p面接到導熱板 (heat sink)基板上，如此一來》要粗链的表面便是基 板21的第二主要表面21b 了。 另一實施例如「第7圖」所示，係以氮化鎵銦 (InGaN)LED成長在SiC的基板為例。因SiC可以傳導電而 且可以用反應離子钱刻（reactive iron etching)浸餘 ，所以可以做成全部為圓柱形的LE D結構，之後再於表面 加以粗糙化即可。 再一實施例如「第8圖」所示，係以磷化鋁鏍銦

第13頁 --^43~ττ-^γ6 :，43 7ί 〇6 ~~~~ —-- _ ______---- 五、發明說明（10) (AlGalnP)半導體材質LED成長在GaAs的基板為例。此結 構與「圖3」相同’只是以透視圖來表示。再者，也能形 成如「圖7」的結構。 此外’目前流行於磷化鋁鎵銦led做表面安裝 (surface mounting)，如「第 g 圖」所示，LED 30 置於 一基台31，以樹脂層34將LED 30罩住。但是此結構會造成 LED提供的亮度降低’因此也可利用本發明將LEd 3〇表面 3 2及基台3 1表面3 3粗糙化來解決此問題。 以上的各種實施例結構都可做更進一步的改良，以獲 得具有局效率的LED。如一般的LED都有金屬歐姆接觸 (ohmic contact)以作通電流之用，但是在金屬接觸（ρ 型電極）下面電流密度最高的地方，光被金屬接觸所遮蓋 以致光無法自光傳送表面射出而被吸收。為了要減少此種 損失就要做電流堵塞（c u r r e n t b 1 〇 c k i n g )，使電流流至 其他能發光的區域，以增進效率。可用錯/鋁（Zr/Al )、錯/金、铪（Hf)/鋁或铪/金等材料置於p型電極 層25下做成肯特電障（Schotty barrier)以阻止電流在 金屬接觸下通過。還有便是基板21上加DBR或在基板上鍍 金屬等鏡面以利光反射。 最後’對於粗糙面製成法提出說明。關於如何簡單的 i成粗撻面’可以參考H.W. Deckman及J. H. Dnnsmnir在 1982年發表的自然平板印刷術（natura〖 lithography )。此法首先以〇 · 2 // m直徑的聚苯乙烯小球 (ploystyrene sphere)用浸入（dipping)或者旋轉法

五、發明說明（11) 塗上（s p i n c 〇 a t i n g )表面，然後以這些小球做遮罩 (mask )，將樣品放進RIE設備中以氯幫助氙離子（Xe+ ) 腐蝕刻約為0. 1 7 " m的凹凸表面層。當然，若採用其它粗 糙化方法能達成相同製成粗糙面的結果也同樣適用於本發 明。 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，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神 和範圍内，當可作些許之更動與潤飾，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。

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Claims (1)

1. ,d37l〇6 ?、申請專利範圍 1 、一種高效率發光二極體，至少包含： 一基板，具有一第一和一第二主要表面； 一 η型半導體層，形成於該基板的該第一主要表面侧 ，並具有一約略為圓頂的表面； 一 Ρ型半導體層，亦形成於該基板的該第一主要表面 側，同樣具有一約略為圓頂的表面； 一η型電極層，形成於該η型半導體層一部份的表面； 一 ρ型電極層，約略形成於整個該Ρ型半導層的表面； 以及 一焊線墊，形成於該ρ型電極層一部份的表面，以與 該Ρ型電極層形成電氣連接。 2 、如申請專利範圍第1項所述之高效率發光二極體，其 中該基板的該第二主要表面係形成粗糙的表面。 3 、如申請專利範圍第1項所述之高效率發光二極體，其 t該ρ型半導體層露出的表面係形成粗糙的表面。 4、如申請專利範圍第1項所述之高效率發光二極體，其 中該η型半導體層露出的表面係形成粗糙的表面。 5 、如申請專利範圍第2至第4項中任一項所述之高效率 發光二極體，其中該粗糙表面為形成具有約0 . 1 7 μ m 的凹凸表面。 6 、如申請專利範圍第1項所述之高效率發光二極體，其 中該基板係選自於一藍寶石（sapphire) 、一SiC、 一Si、ZnO、GaAs或一尖晶石（spinel )基板中任一 者。

   第16頁 ,43 Μ Ο ^ 43711 Ο S_;_ 六、申請專利範圍 7、 如申請專利範圍第1項所述之高效率發光二極體，其 中該基板之該第一與第二主要表面形成約略為圓頂的 表面d 8、 如申請專利範圍第7項所述之高效率發光二極體，其 中該基板係形成為一圓柱體。 9 、如申請專利範圍第1項所述之高效率發光二極體，其 中該η型半導體層為一氮化物或一磷化物半導體中任 一者。 1 0、如申請專利範圍第9項所述之高效率發光二極體， 其中該氮化物半導體之組成為： InxAlyGa(1_x_y)N 其中，OSx，OSy 及 χ + ySl.O。 1 2 、如申請專利範圍第9項所述之高效率發光二極體， 其_該鱗化物半導體之組成為· InxAlyGau_x—y)P 其中，0 Sx，0 Sy 及x + y S 1 · 0。 1 3、如申請專利範圍第1項所述之高效率發光二極體， 其中該P型半導體層為一氮化物或一磷化物半導體中 任一者。 1 4、如申請專利範圍第1 3項所述之高效率發光二極體 ，其中該亂化物半導體之組成為 InxAlyGa(].x_y)N 其中，〇gx，〇gy 及 x + ygl.O。 1 5 、如申請專利範圍第1 3項所述之高效率發光二極體

   第17頁 六、申請專利範圍 ，其中該磷化物半導體之組成為： inxAlyGa(1_x—y)P 其中，OSx，OSy 及 χ + ySl.O。 1 6 、如申請專利範圍第1項所述之高效率發光二極體， 其中該η型半導體層係形成為一圓柱體。 1 7、如申請專利範圍第1項所述之高效率發光二極體， 其中該η型半導體層係形成為一圓錐體。 1 8、如申請專利範圍第1項所述之高效率發光二極體， 其中該ρ型半導體層係形成為一圓柱體。 1 9 、如申請專利範圍第1項所述之高致率發光二極體， 其中該ρ型半導體層係形成為一半圓柱體。 2 ◦、如申請專利範圍第1項所述之高效率發光二極體， 其中該Ρ型半導體層係形成為一圓錐體。

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