TWI398968B

TWI398968B - 發光二極體結構以及其製作方法

Info

Publication number: TWI398968B
Application number: TW99103164A
Authority: TW
Inventors: Han Zhong Liao; wei kang Cheng; Yi Sheng Ting; Shyi Ming Pan
Original assignee: Formosa Epitaxy Inc
Priority date: 2010-02-03
Filing date: 2010-02-03
Publication date: 2013-06-11
Also published as: TW201128806A

Description

發光二極體結構以及其製作方法

本發明係關於一種發光二極體結構以及其製作方法，尤指利用微結構來改善發光效率的一種發光二極體結構以及其製作方法。

發光二極體因具有環保效果、高光電轉換效率、體積小、壽命長、波長固定與低發熱等優點，已經廣泛的運用於生活環境中。例如，大至城市中的大型顯示看板、街道上的交通號誌，小至電器開關指示燈、螢幕的背光源等，都可以看見逐漸由發光二極體取代傳統光源的趨勢。隨著應用範圍的擴增，對於發光二極體的發光效率之要求日益增加。因此，提升發光二極體的發光效率成為相關產業所追求的目標之一。

影響發光二極體的發光效率，主要因素可分為兩個，一個為內部量子效率(Internal Quantum Efficiency)，另一個為取光效率(Light Extraction Efficiency)。前者的內部量子效率，表示每秒從發光二極體之主動層(Active layer)發射出光子數除以每秒從外部注入電子數。後者的取光效率，是指發光二極體內部產生光子，在經過元件本身吸收、折射、反射後實際上在元件外部可量測到光子數目。雖然目前的磊晶製程技術不斷精進，有效的減少磊晶缺陷以及改善磊晶的組成成分與結構，使得發光二極體電光轉換效率不斷提升，並進而提升內部量子效率。然而，縱使發光二極體有很高的內部量子效率，受限於材料吸收或臨界角損失等因素，主動層所發出光量可能僅會有少部分，真正能從發光二極體向外發出。因此，發光二極體的取光效率提升，仍存在很大的進步空間有待改善。

本發明之目的之一在於提供一種發光二極體結構以及其製作方法，以改善發光二極體的發光效率。

本發明之一較佳實施例提供一種發光二極體結構。上述發光二極體結構包括透明基板、發光單元、以及結構層。其中，透明基板具有一第一面以及相對於第一面之一第二面，而發光單元設置於透明基板之第一面上。再者，結構層設置於透明基板之第二面上，其中結構層包括複數個微結構設置於結構層之表面。

本發明之一較佳實施例另提供一種製作發光二極體結構的方法，包括下列步驟。首先，提供一透明基板，其中透明基板具有一第一面以及相對於第一面之一第二面。接著，於透明基板之第一面上，形成一發光單元。隨後，於透明基板之第二面上，形成一結構層，其中結構層包括複數個微結構設置於結構層之表面。

本發明之發光二極體結構以及其製作方法，利用微結構的設置，再加上微結構之側壁角度的選取，可有效的控制主動層所發出的光線，使其朝向發光二極體的發光面射出，增加發光二極體的取光效率，進而提升發光二極體的發光效率。

在說明書及後續的申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。所屬領域中具有通常知識者應可理解，製作商可能會用不同的名詞來稱呼同樣的元件。本說明書及後續的申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區別元件的方式，而是以元件在功能上的差異來作為區別的基準。在通篇說明書及後續的請求項當中所提及的「包括」係為一開放式的用語，故應解釋成「包括但不限定於」。再者，為使熟習本發明所屬技術領域之一般技藝者能更進一步了解本發明，下文特列舉本發明之數個較佳實施例，並配合所附圖式，詳細說明本發明的構成內容。需注意的是圖式僅以說明為目的，並未依照原尺寸作圖。

請參考第1圖。第1圖為本發明第一較佳實施例之發光二極體結構之示意圖。如第1圖所示，第一較佳實施例之發光二極體結構主要包括透明基板10、發光單元11、以及結構層12。其中，透明基板10具有一第一面101以及相對於第一面101之一第二面102。在本實施例中，透明基板10可以是藍寶石(sapphire)基板，但不以此為限，例如可以為玻璃、磷化鎵(GaP)、磷砷化鎵(GaAsP)、硒化鋅(ZnSe)、硫化鋅(ZnS)、硒硫化鋅(ZnSSe)或碳化矽(SiC)等基板。再者，發光單元11可以設置於透明基板10之第一面101上。其中發光單元11可以由複數層磊晶層組成，例如發光單元11可以包括N型摻雜層111、主動層112、P型摻雜層113。如第1圖所示，N型摻雜層111可以設置於透明基板10上，主動層112可以設置於N型摻雜層111上，以及P型摻雜層113可以設置於主動層112上。並且，結構層12可以設置於透明基板10之第二面102上，其中結構層12可以包括複數個微結構設置於結構層12之表面。值得注意的是，實質上複數個微結構是位於結構層12以及與結構層12接觸之材料層(在本實施例中為透明基板10)之間，所以微結構可以認定為位於結構層12之表面或認定為位於透明基板10之表面，但為了簡化說明，本發明將複數個微結構定義為位於結構層12之表面，並且後續其它實施例也是將複數個微結構定義為位於結構層之表面。並且，微結構之表面平整度均方根值(RMS)大體上可以小於500奈米，值得注意的是，圖示中會清楚說明其結構，故未按照實際比例繪示。另外，本實施例可以設置一P型接觸電極131與一N型接觸電極132。更明確的說，P型接觸電極131可以電性連接至發光單元11之P型摻雜層113，而N型接觸電極132可以電性連接至發光單元11之N型摻雜層111。其中，P型接觸電極131與N型接觸電極132，可以作為後續封裝時電性連接之接點，以連接至外部電路。

在第一較佳實施例中，微結構的形狀可以是方錐狀(如在第1圖中，微結構的剖面形狀為梯形)，但並不以此為限，而可以具有各種不同的尺寸與形狀，例如V型溝槽、半圓球狀微結構、或各種規則或不規則形狀等。請參考第2圖。第2圖為本發明第一較佳實施例另一實施態樣之發光二極體結構之示意圖，其與第1圖的差別僅在於微結構的形狀，故以下僅針對差異處說明，相同處不再贅述。如第2圖所示，此實施態樣之微結構可以為一尖錐或圓錐形(如在第2圖中，微結構的剖面形狀為鋸齒狀)。同樣的，微結構之側壁與結構層之表面之間的夾角A大體上較佳可以介於30度到70度。另外，本發明之微結構並不僅限於從透明基板10向外凸出，也可以是從透明基板10向內凹入。

值得注意的是，第一較佳實施例之結構層12係由反射材質組成，換句話說，結構層12可以作為反射鏡的功能，用來改變主動層所發出的部分光線，使其朝發光面射出。其中，反射材質可以是金屬材質所組成，例如銀、鋁、或金等材質，但不以此為限，而可為其他其它合適的反射材質。此外，如第1圖所示，微結構之側壁與結構層之表面之間的夾角A大體上較佳可以介於30度到70度。據此，第一較佳實施例可以利用微結構的設置，再加上微結構之側壁角度的選取，使由主動層112所發出的光線，可有效的反射以朝向發光二極體的發光面射出，增加發光二極體的取光效率，進而提升發光二極體的發光效率，並且可達到出光均勻的效果。

本發明之發光二極體結構並不以上述實施例為限，而具有其它不同的實施樣態，且為簡化說明，在以下的實施例中，對於相同的部件或特徵，例如透明基板之材料與微結構的形狀等不再作重覆贅述。請參考第3圖。第3圖為本發明第二較佳實施例之發光二極體結構之示意圖。如第3圖所示，第二較佳實施例之發光二極體結構主要包括透明基板20、發光單元21、結構層22、以及反射層24。其中，透明基板20具有一第一面201以及相對於第一面201之一第二面202。再者，發光單元21可以設置於透明基板20之第一面201上。其中發光單元21可以包括N型摻雜層211、主動層212、P型摻雜層213。結構層22可以設置於透明基板20之第二面202上，其中結構層22包括複數個微結構設置於結構層22之表面，且微結構可以具有各種不同的尺寸與形狀。同樣的，本實施例可以設置一P型接觸電極231與一N型接觸電極232。另外，第二較佳實施例之發光二極體結構可以包括一反射層24，設置於結構層22相對於透明基板20之另一面上。值得注意的是，在本實施例中，發光二極體結構之結構層22係由透光材質組成，且微結構係位於結構層22與透明基板20之間。同樣的，微結構之側壁與結構層之表面之間的夾角大體上較佳可以介於30度到70度。據此，第二較佳實施例可以利用微結構的設置，再加上微結構之側壁角度的選取，可有效的控制主動層212所發出的光線，進而提升發光二極體的發光效率。

請參考第4圖。第4圖為本發明第三較佳實施例之發光二極體結構之示意圖。如第4圖所示，第三較佳實施例之發光二極體結構主要包括透明基板30、發光單元31、結構層32、反射層34、以及透光層35。其中，透明基板30具有一第一面301以及相對於第一面301之一第二面302。再者，發光單元31可以設置於透明基板30之第一面301上。其中發光單元31可以包括N型摻雜層311、主動層312、P型摻雜層313。結構層32可以設置於透明基板30之第二面302上，其中結構層32包括複數個微結構設置於結構層32之表面。此外，P型接觸電極331可以電性連接至發光單元31之P型摻雜層313，而N型接觸電極332可以電性連接至發光單元31之N型摻雜層311。另外，第三較佳實施例之發光二極體結構可以包括一透光層35，其設置於結構層32相對於透明基板30之另一面上，並且透光層35與結構層32可以由兩個不同之透光材質組成(亦即透光層35與結構層32具有不同的折射率)。並且，第三較佳實施例之反射層34，可以設置於透光層35相對於結構層32之另一面上。值得注意的是，在第三較佳實施例中，發光二極體結構之微結構係位於結構層32與透光層35之間。同樣的，微結構之側壁與結構層之表面之間的夾角大體上較佳可以介於30度到70度。據此，第三較佳實施例可以利用微結構的設置，再加上微結構之側壁角度的選取，可有效的控制主動層312所發出的光線，進而提升發光二極體的發光效率。

請參考第5圖。第5圖為本發明第四較佳實施例之發光二極體結構之示意圖。如第5圖所示，第四較佳實施例之發光二極體結構主要包括透明基板40、發光單元41、結構層42、以及反射層44。其中，透明基板40具有一第一面401以及相對於第一面401之一第二面402。再者，發光單元41可以設置於透明基板40之第一面401上。其中發光單元41可以由複數層磊晶層組成，例如發光單元41可以包括N型摻雜層411、主動層412、P型摻雜層413。並且，結構層42可以設置於透明基板40之第二面402上，其中結構層42包括複數個微結構設置於結構層42之表面。再者，第四較佳實施例可以包括一反射層44，設置於發光單元41相對於透明基板40之另一面上，更明確的說，反射層44可以與發光單元41之P型摻雜層413相連接。同樣的，本實施例可以於發光單元41上設置一P型接觸電極431與一N型接觸電極432，其中P型接觸電極431可以透過反射層44電性連接至發光單元41之P型摻雜層413，而N型接觸電極432可以電性連接至發光單元41之N型摻雜層411。

另外，第四較佳實施例之發光二極體結構可以包括提供一底座(Sub-mount)45，設置於該反射層相對於該發光單元之另一側。其中，底座45可以是一矽載板，但不以此為限。並且，於底座45上設置複數個導電凸塊，以與各電極形成電性連接。更明確的說，導電凸塊461可以電性連接至P型接觸電極431，導電凸塊462可以電性連接至N型接觸電極432。其中，導電凸塊可以是金屬黏著物，例如金墊、錫球、錫膏或銀膠等，但不以此為限。據此，第四較佳實施例可以降低了在電極側的光損耗，也可直接藉由導電凸塊與封裝結構中的散熱結構直接接觸，將主動層412產生的熱由導電凸塊向外傳導，而大幅提昇散熱效果，進一步提升發光二極體的發光量。

值得注意的是，在第四較佳實施例中，發光二極體結構之微結構係位於結構層42與透明基板40之間。同樣的，微結構之側壁與結構層之表面之間的夾角A大體上較佳可以介於30度到70度。據此，第四較佳實施例可以利用微結構的設置，再加上微結構之側壁角度的選取，可有效的控制主動層412所發出的光線，進而提升發光二極體的發光效率。

綜上可知，本發明之發光二極體結構於不同實施例中，除了部份的差異外，大體上皆具有一透明基板、一發光單元、以及一結構層。因此，對於本發明各個不同的實施例，其製作發光二極體結構的方法大體上類似，為簡化說明，以下以第一實施例為例，針對本發明之發光二極體結構的製作方法說明如下。請參考第6圖，並請配合參閱第1圖。第6圖繪示了本發明製作發光二極體結構之流程示意圖。如第6圖所示，首先，步驟50提供一透明基板10，其中透明基板10具有一第一面101以及相對於第一面101之一第二面102。接著，於透明基板10之第一面101上，形成一發光單元11。隨後，於透明基板10之第二面102上，形成一結構層12，其中結構層12包括複數個微結構設置於結構層12之表面。並且，如第1圖所示，後續可形成P型接觸電極131與N型接觸電極132於發光單元11上。同理，第6圖製作發光二極體結構之流程示意圖，可以適用於本發明其它的實施例，並且可以依據不同實施例之要求，繼續進行相關製程，例如針對第二較佳實施例，可以如第3圖所示，於結構層22下另外形成反射層24等，在此不再贅述。值得注意的是，在第一較佳實施例中，結構層12可以選自反射材質，以作為反射鏡的功能，然而，在第二較佳實施例、第三較佳實施例、以及第四較佳實施例中，結構層22、結構層32、以及結構層42可以選自具有透光性的材質等。另外，雖然微結構設置的位置，依不同的實施例而有所不同，例如第一實施例之微結構可以位於結構層12與透明基板10之間，第二較佳實施例之結構層22可以由透光材質組成，且微結構可以位於結構層22與透明基板20之間，而第三較佳實施例之微結構可以位於結構層32與透光層35之間等。然而，不同實施例之微結構皆可以定義為位於結構層之表面，因此可利用相同的方法製作出具有複數個微結構的結構層。

針對本發明製作結構層之方法，大致可以分為兩種，並且進一步說明如下。請參考第7圖至第8圖。第7圖至第8圖繪示了本發明第一種製作發光二極體結構之結構層的方法示意圖。如第7圖所示，提供一透明基板60，其中透明基板60具有一第一面601以及相對於第一面601之一第二面602。接著，於透明基板60之第二面602上，形成一具有透光性之接合層603。例如，本實施例之透光性之接合層603可以選用苯環丁烯(Benzocyclobutene,BCB)，但不以此為限，並且將其旋塗於透明基板60之第二面602上。隨後，藉由此透光性之接合層，將一具有微結構之結構層62，黏著於透明基板60之第二面602上。其中，第8圖之結構層62為具有鋸齒狀形狀的微結構，但不以此為限。另外，結構層62可獨立製作，而不受限於發光二極體的製程條件，換言之，可利用各種形成微結構的方法製作結構層62。因此，可以依照產品規格或製作成本之要求，選用適合的方式來製作具有微結構之結構層62，最後再利用接合層603黏著於透明基板60之第二面602上，此即為本發明第一種製作結構層之方法。值得注意的是，本發明之第一較佳實施例至第四較佳實施例，若利用此方法製作結構層，實質上會具有一透光性之接合層，但為了簡化說明，並且使發光二極體結構之示意圖可同時說明另一種製作結構層的方法，故於第1圖至第5圖之示意圖中，並未標示出接合層603。

請參考第9圖至第11圖。第9圖至第11圖繪示了本發明第二種製作發光二極體結構之結構層的方法示意圖。第二種製作發光二極體結構之結構層的方法，可以包括下列步驟。首先，如第9圖所示，提供一透明基板80，其中透明基板80具有一第一面801以及相對於第一面801之一第二面802。並且，於透明基板80之第二面802上形成一圖案化遮罩86，其中圖案化遮罩86可以利用一黃光顯影製程形成，或者是利用塗布微米奈米粒子之方式形成，但不以此為限。隨後如第10圖所示，於具有圖案化遮罩86之透明基板80上進行一蝕刻製程，形成複數個微結構，其中蝕刻製程可以是一濕式蝕刻製程，亦或是一乾式蝕刻製程，但不以此為限，並且微結構的形狀與尺寸可以利用蝕刻的參數進行控制。接著如第11圖所示，於蝕刻製程後，移除圖案化遮罩86，再形成一結構層82於透明基板80之第二面802上，此即為本發明第二種製作結構層之方法。值得注意的是，實質上複數個微結構是位於結構層82與透明基板80之間，但為了簡化說明，本發明將複數個微結構定義為位於結構層82之表面。

綜上所述，本發明之發光二極體結構以及其製作方法，利用微結構的設置，再加上微結構之側壁角度的選取，可有效的控制主動層所發出的光線，使其朝向發光二極體的發光面射出，增加發光二極體的取光效率，進而提升發光二極體的發光效率，並且可達到出光均勻的效果。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

10,20,30,40,60,80．．．透明基板

101,201,301,401,601,801．．．第一面

102,202,302,402,602,802．．．第二面

12,22,32,42,62,82．．．結構層

111,211,311,411．．．N型摻雜層

112,212,312,412．．．主動層

113,213,313,413．．．P型摻雜層

131,231,331,431．．．P型接觸電極

132,232,332,432．．．N型接觸電極

11,21,31,41．．．發光單元

24,34,44．．．反射層

35．．．透光層

45．．．底座

461,462．．．導電凸塊

603．．．接合層

50,52,54．．．步驟

86．．．圖案化遮罩

A．．．夾角

第1圖為本發明第一較佳實施例之發光二極體結構之示意圖。

第2圖為本發明第一較佳實施例另一實施態樣之發光二極體結構之示意圖。

第3圖為本發明第二較佳實施例之發光二極體結構之示意圖。

第4圖為本發明第三較佳實施例之發光二極體結構之示意圖。

第5圖為本發明第四較佳實施例之發光二極體結構之示意圖。

第6圖繪示了本發明製作發光二極體結構之流程示意圖。

第7圖至第8圖繪示了本發明第一種製作發光二極體結構之結構層的方法示意圖。

第9圖至第11圖繪示了本發明第二種製作發光二極體結構之結構層的方法示意圖。

10．．．透明基板

101．．．第一面

102．．．第二面

11．．．發光單元

111．．．N型摻雜層

112．．．主動層

113．．．P型摻雜層

12．．．結構層

131．．．P型接觸電極

132．．．N型接觸電極

A．．．夾角

Claims

一種發光二極體結構，包括：一透明基板，具有一第一面以及相對於該第一面之一第二面；一發光單元，設置於該透明基板之該第一面上；一結構層，設置於該透明基板之該第二面上，其中該結構層包括複數個微結構設置於該結構層之表面；以及一透光層，設置於該結構層相對於該透明基板之另一面上，並且該透光層與該結構層係由兩個不同之透光材質組成，其中該等微結構係位於該結構層與該透光層之間，且該透光層與該結構層具有不同的折射率。
如請求項1所述之發光二極體結構，其中該等微結構之一側壁與該結構層之一表面之間的夾角大體上介於30度到70度。
如請求項1所述之發光二極體結構，其中該等微結構之表面平整度均方根值係小於500奈米。
如請求項1所述之發光二極體結構，其中該等微結構為一尖錐或圓錐形。
如請求項1所述之發光二極體結構，其中該結構層係由反射材質組成。
如請求項5所述之發光二極體結構，其中該等微結構係位於該結構層與該透明基板之間。
如請求項1所述之發光二極體結構，其中該結構層係由透光材質組成。
如請求項7所述之發光二極體結構，另包括一反射層，設置於該結構層相對於該透明基板之另一面上。
如請求項7所述之發光二極體結構，其中該等微結構係位於該結構層與該透明基板之間。
如請求項1所述之發光二極體結構，其中另包括一反射層，設置於該透光層相對於該結構層之另一面上。
如請求項1所述之發光二極體結構，另包括一反射層，設置於該發光單元相對於該透明基板之另一面上。
如請求項11所述之發光二極體結構，其中另包括一底座(Sub-mount)，設置於該反射層相對於該發光單元之另一側。
如請求項11所述之發光二極體結構，其中該等微結構係位於該結構層與該透明基板之間。
如請求項1所述之發光二極體結構，其中該發光單元係由複數層磊晶層組成，該等磊晶層包括：一N型摻雜層，設置於該透明基板上；一主動層，設置於該N型摻雜層上；以及一P型摻雜層，設置於該主動層上。
一種製作發光二極體結構的方法，包括：提供一透明基板，該透明基板具有一第一面以及相對於該第一面之一第二面；於該透明基板之該第一面上，形成一發光單元；於該透明基板之該第二面上，形成一結構層，其中該結構層包括複數個微結構設置於該結構層之表面；以及於該結構層相對於該透明基板之另一面上形成一透光層，其中該透光層與該結構層係由兩個不同之透光材質組成，該等微結構係位於該結構層與該透光層之間，且該透光層與該結構層具有不同的折射率。
如請求項15所述之製作發光二極體結構的方法，其中於該透明基板之該第二面上形成該結構層之步驟係利用一具有透光性之接合層，使該結構層黏著於該透明基板之該第二面上。
如請求項15所述之製作發光二極體結構的方法，其中於該透明基板之該第二面上，形成該結構層之步驟包括：於該透明基板之該第二面上形成一圖案化遮罩；於具有該圖案化遮罩之該透明基板上進行一蝕刻製程，形成複數個微結構；以及於該蝕刻製程後，形成一結構層於該透明基板之該第二面上。
如請求項17所述之製作發光二極體結構的方法，其中該圖案化遮罩係利用一黃光顯影製程形成。
如請求項17所述之製作發光二極體結構的方法，其中該圖案化遮罩係利用塗布微米奈米粒子之方式形成。
如請求項15所述之製作發光二極體結構的方法，其中該結構層係由反射材質形成。
如請求項15所述之製作發光二極體結構的方法，其中該結構層係由透光材質形成。
一種發光二極體結構，包括：一透明基板，具有一第一面以及相對於該第一面之一第二面；一發光單元，設置於該透明基板之該第一面上；一結構層，設置於該透明基板之該第二面上，其中該結構層包括複數個微結構設置於該結構層之表面；一反射層，設置於該發光單元相對於該透明基板之另一面上，其中該發光單元係設置於該反射層與該透明基板之間；以及一底座，設置於該反射層相對於該發光單元之另一側，其中該反射層係設置於該發光單元與該底座之間。
一種製作發光二極體結構的方法，包括：提供一透明基板，該透明基板具有一第一面以及相對於該第一面之一第二面；於該透明基板之該第一面上，形成一發光單元；以及於該透明基板之該第二面上，形成一結構層，其中該結構層包括複數個微結構設置於該結構層之表面，於該透明基板之該第二面上形成該結構層之步驟係利用一具有透光性之接合層，使該結構層黏著於該透明基板之該第二面上，且該透光性之接合層係形成於該透明基板與該結構層之間。