TWI411133B - High light extraction rate of light emitting diodes and their production methods - Google Patents

Description

高光取出率之發光二極體及其製作方法

本發明是有關於一種發光二極體(light emitting diode，LED)，特別是指一種高光取出率(extractive efficiency)之發光二極體及其製作方法。

參閱圖1及圖2，習知一種高光取出率之發光二極體1，包含：一圖案化藍寶石基板(patterned sapphire substrate，PSS)11、一覆蓋該圖案化藍寶石基板11的III-V族半導體化合物膜12，及兩分別與該III-V族半導體化合物膜12電性接觸的電極13。該圖案化藍寶石基板11具有一基部111，及複數間隔地自該基部111的一表面向上凸伸而出的錐狀體112。該等錐狀體112是呈週期性地排列於該基部111的表面上，且該等錐狀體112及該基部111皆是由藍寶石所製成。

熟悉此技術領域者一般都了解，該等錐狀體112於該發光二極體1中的主要目的是在於，將產生自該III-V族半導體化合物膜的光子(photons)反射回該圖案化藍寶石基板11的上方，並藉此提昇該發光二極體1的光取出率，即，所謂的外部量子效率(external quantum efficiency)。然而，該圖案化藍寶石基板11的錐狀體112僅能提供光子產生折射(refraction)，其對於反射光子的貢獻上仍有其限制。

經上述說明可知，提升發光二極體之光取出率以使得光子可以向上被反射回該圖案化藍寶石基板11的上方，是此技術領域者所需克服的難題。

因此，本發明之目的，即在提供一種高光取出率之發光二極體。

本發明之另一目的，即在提供一種高光取出率之發光二極體的製作方法。

於是，本發明高光取出率之發光二極體，包含：一具有一平坦表面之磊晶基板、一反射點陣列(array)、一磊製於每兩相鄰反射點之間的間隙處並具有一連續上表面及一相反於該連續上表面之下表面的緩衝膜，及一覆蓋該緩衝膜並與外界電性連接的III-V族半導體化合物之磊晶膜。每一反射點是自該磊晶基板的平坦表面實質背向該平坦表面的一縱向凸伸及漸縮，並於漸縮處形成有一端面。該緩衝膜是經由一橫向磊晶法所製得，以使該緩衝膜之下表面與部分反射點分別共同界定出一第一空間。

另，本發明高光取出率之發光二極體的製作方法，包含以下步驟：

(a)提供一於一平坦表面形成有一反射點陣列的磊晶基板，每一反射點是自該磊晶基板的平坦表面實質背向該磊晶基板之平坦表面的一縱向凸伸及漸縮，並於漸縮處形成有一端面；

(b)於每兩相鄰反射點之間的間隙處經由一橫向磊晶法磊製一具有一連續上表面及一相反於該連續上表面之下表面的緩衝膜，該橫向磊晶法於一實質垂直於該縱向之橫向的成長速度與該縱向的成長速度分別是R₁ 與R₂ ，R₁ 與R₂ 自該磊晶基板的平坦表面沿該縱向是分別遞增與遞減，以使得該緩衝膜的下表面與部分反射點分別共同界定出一第一空間；及

(c)於該步驟(b)之後，自該緩衝膜之連續上表面繼續磊製一與外界電性連接之III-V族半導體化合物的磊晶膜。

本發明之功效在於：藉由該緩衝膜與該等第一空間兩者間的高折射率差(refractive index difference)，以造成光子的全反射(total reflection)並提昇本發明該發光二極體整體的光取出率。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之兩個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

在本發明被詳細描述之前，要注意的是，在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖3~8，本發明高光取出率之發光二極體的製作方法的一第一較佳實施例，包含以下步驟：

(a)提供一於一平坦表面21形成有一反射點3陣列的磊晶基板2，每一反射點3是自該磊晶基板2的平坦表面21實質背向該磊晶基板2之平坦表面21的一縱向Y凸伸及漸縮，並於漸縮處形成有一端面31(如圖3~4所示)；

(b)於每兩相鄰反射點3之間的間隙處經由一橫向磊晶法磊製一具有一連續上表面41及一相反於該連續上表面41之下表面42的緩衝膜4，該橫向磊晶法於一實質垂直於該縱向Y之橫向X的成長速度與該縱向Y的成長速度分別是R₁ 與R₂ ，R₁ 與R₂ 自該磊晶基板2的平坦表面21沿該縱向Y是分別遞增與遞減，以使得該緩衝膜4的下表面42與部分反射點3分別共同界定出一第一空間421(如圖5~6所示)；及

(c)於該步驟(b)之後，自該緩衝膜4之連續上表面41繼續磊製一與外界電性連接的III-V族半導體化合物之磊晶膜5(如圖7~8所示)，進而製得如圖8所示之高光取出率之發光二極體。

較佳地，該步驟(a)的每一反射點3是由下列所構成之群組所製成：一形成於該平坦表面21的低折射率(refractive index)介電層(dielectric layer)及一形成於該低折射率介電層的高折射率介電層、一形成於該平坦表面21的金屬反射層，及一形成於該平坦表面21的介電層及一形成於該介電層表面的金屬反射層。在本發明該第一較佳實施例中，該磊晶基板2是由單晶藍寶石所製成；每一反射點3是由形成在該磊晶基板2之平坦表面21的一SiO₂ 層與一形成在該SiO₂ 層的TiO₂ 層所製成；該緩衝膜4與該III-V族半導體化合物之磊晶膜5是由氮化鎵系(GaN-based)材料所製成。

較佳地，每一反射點3具有一介於0.4 μm~3.0 μm之間的直徑；每兩相鄰之反射點3的間距是介於0.4 μm~3 μm之間；R₂ 於鄰近該磊晶基板2之平坦表面21處是大於R₁ ，R₂ 於鄰近該等反射點3之端面31處是小於R₁ ，R₁ /R₂ 是介於0.1~2之間，且R₁ 、R₂ 值介於0.5 μm/hour至3 μm/hour。

本發明該第一較佳實施例一方面是利用構成每一反射點3的SiO₂ 層與TiO₂ 層來扮演分散式布拉格反射鏡(distributed Bragg reflector；DBR)的角色，藉以對光子造成反射；另一方面則是利用每一第一空間421與該緩衝膜4之間的高折射率差來對光子造成全反射，並提昇本發明該第一較佳實施例之發光二極體的光取出率。

參閱圖9，本發明高光取出率之發光二極體及其製作方法的一第二較佳實施例，大致上是相同於該第一較佳實施例，其不同處是在於，每一反射點3的端面31具有一自該緩衝膜4面向該磊晶基板2之平坦表面21凹陷的凹穴區311，及一圍繞該凹穴區311並自該磊晶基板2之平坦表面21朝向該縱向Y延伸的凸出區312。

較佳地，每一反射點3之凹穴區311的深度與直徑分別是介於0.01a nm~0.5a nm之間與0.1a nm~0.9a nm之間，且a為每一反射點3的端面31的直徑大小，較佳之a值大小介於0.2 μm至2 μm之間；藉此，每一反射點3的凹穴區311與該緩衝膜4的下表面42則共同界定出一第二空間422，以使得來自該磊晶膜5的光子因進入折射率遠低於該磊晶膜5的第二空間422，而實質沿著該縱向Y被反射回該磊晶膜5。

綜上所述，本發明高光取出率之發光二極體及其製作方法可藉由該緩衝膜4與該等第一、二空間421、422兩者間的高折射率差，以造成光子的全反射並提昇本發明該發光二極體整體的光取出率，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

2．．．磊晶基板

21．．．平坦表面

3．．．反射點

31．．．端面

311．．．凹穴區

312．．．凸出區

4．．．緩衝膜

41．．．連續上表面

42．．．下表面

421．．．第一空間

422．．．第二空間

5．．．磊晶膜

Y．．．縱向

X．．．橫向

圖1是一立體圖，說明習知一種高光取出率之發光二極體的一圖案化藍寶石基板；

圖2是一正視示意圖，說明該習知之高光取出率之發光二極體；

圖3是一俯視示意圖，說明本發明高光取出率之發光二極體的製作方法的一第一較佳實施例的一磊晶基板；

圖4是一沿著該圖3中之直線IV-IV所取的局部剖視圖；

圖5是一俯視示意圖，說明本發明之製作方法該第一較佳實施例的一緩衝膜；

圖6是一沿著該圖5中之直線VI-VI所取的局部剖視圖；

圖7是一俯視示意圖，說明本發明之製作方法該第一較佳實施例的一磊晶膜；

圖8是一沿著該圖7中之直線VIII-VIII所取的局部剖視圖；及

圖9是一正視示意圖，說明本發明高光取出率之發光二極體的一第二較佳實施例。

2．．．磊晶基板

21．．．平坦表面

3．．．反射點

31．．．端面

4．．．緩衝膜

41．．．連續上表面

42．．．下表面

421．．．第一空間

5．．．磊晶膜

Y．．．縱向

X．．．橫向

Claims (10)

1. 一種高光取出率之發光二極體，包含：一具有一平坦表面之磊晶基板；一反射點陣列，每一反射點是自該磊晶基板的平坦表面實質背向該磊晶基板之平坦表面的一縱向凸伸及漸縮，並於漸縮處形成有一端面；一緩衝膜，經由一橫向磊晶法磊製於每兩相鄰反射點之間的間隙處，並具有一連續上表面及一相反於該連續上表面的下表面，該緩衝膜的下表面與部分反射點分別共同界定出一第一空間；及一覆蓋該緩衝膜之連續上表面並與外界電性連接的III-V族半導體化合物之磊晶膜。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之高光取出率之發光二極體，其中，每一反射點是由下列所構成之群組所製成：一形成於該平坦表面的低折射率介電層及一形成於該低折射率介電層的高折射率介電層、一形成於該平坦表面的金屬反射層，及一形成於該平坦表面的介電層及一形成於該介電層表面的金屬反射層。
3. 依據申請專利範圍第2項所述之高光取出率之發光二極體，其中，每一反射點的端面具有一自該緩衝膜面向該磊晶基板之平坦表面凹陷的凹穴區，及一圍繞該凹穴區並自該磊晶基板之平坦表面朝向該縱向延伸的凸出區，每一反射點的凹穴區與該緩衝膜共同界定出一第二空間，以使得來自該磊晶膜的光子實質沿著該縱向被反射回該磊晶膜。
4. 依據申請專利範圍第3項所述之高光取出率之發光二極體，其中，每一反射點具有一介於0.4 μm~3.0 μm之間的直徑；每兩相鄰之反射點的間距是介於0.4 μm~3 μm之間。
5. 依據申請專利範圍第4項所述之高光取出率之發光二極體，其中，每一反射點之凹穴區的深度與直徑分別是介於0.01a nm~0.5a nm之間與0.1a nm~0.9a nm之間，a為每一反射點之端面的直徑大小，且a值大小介於0.2μm至2μm之間。
6. 一種高光取出率之發光二極體的製作方法，包含以下步驟：(a)提供一於一平坦表面形成有一反射點陣列的磊晶基板，每一反射點是自該磊晶基板的平坦表面實質背向該磊晶基板之平坦表面的一縱向凸伸及漸縮，並於漸縮處形成有一端面；(b)於每兩相鄰反射點之間的間隙處經由一橫向磊晶法磊製一具有一連續上表面及一相反於該連續上表面之下表面的緩衝膜，該橫向磊晶法於一實質垂直於該縱向之橫向的成長速度與該縱向的成長速度分別是R₁ 與R₂ ，R₁ 與R₂ 自該磊晶基板的平坦表面沿該縱向是分別遞增與遞減，以使得該緩衝膜的下表面與部分反射點分別共同界定出一第一空間；及(c)於該步驟(b)之後，自該緩衝膜之連續上表面繼續磊製一與外界電性連接的III-V族半導體化合物之磊晶膜。
7. 依據申請專利範圍第6項所述之高光取出率之發光二極體的製作方法，其中，該步驟(a)的每一反射點是由下列所構成之群組所製成：一形成於該平坦表面的低折射率介電層及一形成於該低折射率介電層的高折射率介電層、一形成於該平坦表面的金屬反射層，及一形成於該平坦表面的介電層及一形成於該介電層表面的金屬反射層。
8. 依據申請專利範圍第7項所述之高光取出率之發光二極體的製作方法，其中，每一反射點的端面具有一自該緩衝膜面向該磊晶基板之平坦表面凹陷的凹穴區，及一圍繞該凹穴區並自該磊晶基板之平坦表面朝向該縱向延伸的凸出區，每一反射點的凹穴區與該緩衝膜共同界定出一第二空間。
9. 依據申請專利範圍第8項所述之高光取出率之發光二極體的製作方法，其中，每一反射點具有一介於0.4 μm~3.0 μm之間的直徑；每兩相鄰之反射點的間距是介於0.4 μm~3 μm之間；R₂ 於鄰近該磊晶基板之平坦表面處是大於R₁ ，R₂ 於鄰近該等反射點之端面處是小於R₁ ，R₁ /R₂ 是介於0.1~2之間，且R₁ 、R₂ 值是介於0.5μm/hour至3μm/hour。
10. 依據申請專利範圍第9項所述之高光取出率之發光二極體的製作方法，其中，每一反射點之凹穴區的深度與直徑分別是介於0.01a nm~0.5a nm之間與0.1a nm~0.9a nm之間，a為每一反射點之端面的直徑大小；且a值大小介於0.2 μm至2 μm之間。