TWI430476B - 半導體發光元件 - Google Patents

Description

半導體發光元件

本發明係有關於一種半導體發光元件，更具體而言，本發明係有關於一種具有改善之磊晶品質和光萃取率(extraction efficiency)的半導體發光元件。

發光二極體為一種半導體發光元件，其相對於傳統燈泡係具有體積小、壽命長、低電壓/電流驅動、不易破裂、發光時無顯著之熱問題、無汞、以及省電等優勢，因此其應用範圍有逐漸增加的趨勢。

圖1為一習知發光二極體10之剖面示意圖。參照圖1，發光二極體10包含基板12、第一導電型半導體層14、發光層16、第二導電型半導體層18、歐姆接觸層20、第一電極22、以及第二電極24，其中第一導電型半導體層14、發光層16、以及第二導電型半導體層18可例如為磊晶層。

當發光二極體10以藍光發光二極體為例時，基板12可為藍寶石(sapphire；Al₂ O₃ )基板，而氮化鎵(GaN)磊晶層則可直接形成於基板12上。然而，由於藍寶石基板12與氮化鎵磊晶層間的晶格常數差異(lattice constant difference)過大，因此可能於磊晶層中造成缺陷，進而更影響到發光二極體10的發光效率。有鑑於此，習知技術，例如美國專利公開號案20080303042，其揭示了一種具有凹部/突部結構的圖案化基板，以用於改善發光二極體的發光效率。然而，利用這樣的習知技術所形成之發光二極體仍有其缺陷存在。

本發明一方面提供了一種具有改善之磊晶品質的半導體發光元件。

本發明之另一方面則提供了一種具有增進之光萃取率的半導體發光元件。

根據本發明之一實施例所提供之半導體發光元件，其包含一基板，此基板具有一表面包含一平面以及複數個突出物突出於此平面，其中上述平面為一特定晶面方向，而突出物具有僅由複數個側壁表面所構成之外表面，且側壁表面的晶面方向大致上不包含上述特定晶面方向。突出物由側面觀視係具有一輪廓線，而此輪廓線自突出物之底部至頂部包含至少一轉折點。一第一導電型半導體層位於基板之上述表面上，一發光層位於第一導電型半導體層上，而一第二導電型半導體層則位於發光層上。

根據本發明之另一實施例所提供之半導體發光元件，其包含一基板，此基板具有一表面包含一平面以及複數個突出物突出於此平面，其中上述平面為C plane晶面方向(0001)，而突出物不具有一頂部平面為C plane晶面方向(0001)。突出物由側面觀視係具有一輪廓線，而此輪廓線自突出物之底部至頂部包含至少一轉折點。一第一導電型半導體層位於基板之上述表面上，一發光層位於第一導電型半導體層上，而一第二導電型半導體層則位於發光層上。

為讓本發明之目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

本發明舉列一些實施例詳述如下，其中相同的數字符號表示相同或具有相同功能的元件，而所附之相關圖示並未依據實際比例繪製，其作用僅在於表達本發明之結構特徵。當以下說明表示一元件位於另一元件之上時，其可表示此元件為直接位於另一元件的上面或可存有中間元件；同樣地，當表示一元件為「連接」至另一元件時，其可表示此元件為直接連接至另一元件或可存有中間元件。反之，當表示一元件「直接」位於另一元件上或一元件「直接連接」至另一元件時，則表示其間沒有中間元件。

以下係提出許多具體細節，例如特定結構、成分、材料、尺寸、製程步驟及技術，以用於詳細說明本發明之實施例，然其並非用以限制本發明。此技藝一般人士在不悖離所附申請專利範圍之範疇下可有各種的修改及變化，因此本發明之範疇將不受限於構成組件的數量、材料、形狀及相關配置等，且所揭露之實施例僅為範例而已。為了避免模糊本發明的焦點，所熟知的結構或製程步驟並未加以詳述，然此並不影響本發明之實施。

圖2A和圖2B顯示採用一圖案化基板30形成磊晶層32之概略剖面示意圖。參照圖2A，圖案化基板30具有用以形成磊晶層32之表面33，而表面33包含底部平面34和突出於底部平面34的突起物36，其中突起物36具有平行於底部平面34的頂部平面38。如圖2A所示，由於圖案化基板30之底部平面34與突起物36的頂部平面38均具有適於磊晶層32成長的晶面方向，因此磊晶層32’、32”將分別同時自底部平面34與頂部平面38上開始形成。然而，當磊晶層32’、32”同時於底部平面34與頂部平面38橫向成長時，則最後形成之磊晶層32將容易於接近突起物36的上方處造成空隙缺陷39(如圖2B所示)，進而影響到後續所形成之半導體發光元件的發光效率。

為解決上述問題，下列實施例係提供了一種半導體發光元件，其具有可改善磊晶品質與光萃取率的圖案化基板。

圖3A至圖3D顯示根據一實施例形成一圖案化基板的一系列概略剖面側視圖，而此圖案化基板可後續用於形成一半導體發光元件。參照圖3A，首先提供一基板40，而基板40的材料及特性可根據所欲形成的半導體發光元件類型和後續形成於基板40上的磊晶層材質而定。本實施例以形成一藍光發光二極體為例，而採用的基板40為一藍寶石基板。

接著，於基板40上形成圖案化保護層42。在本實施例中，圖案化保護層42係利用習知的薄膜沉積方法先形成氧化矽薄膜，接著再利用習知的微影、蝕刻等技術，形成適當直徑的圓形圖案。然而，圖案化保護層42係可根據實際的需求，而於基板40上形成適當的形狀、尺寸和排列，本發明並非以此為限。

參照圖3B，執行第一次蝕刻步驟，以形成具有凹陷44的基板40’，而此時基板40’受到圖案化保護層42所遮蔽的地方則形成具有兩個傾斜面的突起物46。在本實施例中，第一次蝕刻步驟較佳以濕式蝕刻法完成，將基板40浸潤於一蝕刻劑中，而此蝕刻劑較佳為對基板40和圖案化保護層42有良好蝕刻選擇比的溶液。在此實施例中，基板40為C plane晶面方向(0001)之藍寶石基板，而圖案化保護層42為氧化矽，因此蝕刻劑可例如為包含硫酸、磷酸、或其組合的溶液，然而本發明並非以此為限。

接著，將圖案化保護層42自基板40’上移除，而此時基板40’之突起物46的頂部將具有一受到圖案化保護層42所保護的頂部平面48，如圖3C所示。

在移除圖案化保護層42之後，對基板40’執行第二次蝕刻步驟，以將突起物46的頂部平面48尖化，進而形成一後續用以形成磊晶層的基板40”，如圖3D所示。基板40”具有一表面50，而表面50包含具有適於磊晶層成長之晶面方向的平面52、以及複數個不具有平行於平面52之頂部平面的突起物46’。在本實施例中，此蝕刻步驟亦為一濕式蝕刻法，且所使用的蝕刻劑和第一次濕式蝕刻法所採用的蝕刻劑相同。

本實施例所提供之突起物46’係具有僅由複數個側壁表面54所構成之外表面，而這些側壁表面54未平行於基板40”之平面52，亦即側壁表面54的晶面方向大致上不包含平面52的晶面方向，亦即C plane晶面方向(0001)，如此一來，後續將形成品質較佳的磊晶層。參照圖3D，突起物46’由側面觀視係具有一外輪廓線L，而此外輪廓線L自突出物46’的底部至頂部係包含至少一轉折點P。參照圖3D，由側面觀視，突起物46’之側壁表面54具有底部側壁表面56和上方側壁表面58，其中底部側壁表面56係夾置於平面52與上方側壁表面58之間，並且連接於平面52與上方側壁表面58，其中底部側壁表面56與平面52間具有第一傾斜角θ1，而上方側壁表面58與平面52間則具有第二傾斜角θ2，且第一傾斜角θ1和第二傾斜角θ2互異。在此實施例中，第一傾斜角θ1大於第二傾斜角θ2，而突起物46’之側壁表面54的傾斜度可藉由調整蝕刻製程的處理參數而控制。

在本實施例中，由於基板40”的突起物46’不具有平行於平面52之頂部平面，亦即突起物46’不具有適合磊晶層成長之C plane晶面方向(0001)的頂部平面，因此後續在基板40”之表面50上所形成的磊晶層將可避免形成例如空隙等缺陷，進而具有較佳的磊晶品質。

圖4A和圖4B分別顯示根據本發明一實施例所形成之圖案化藍寶石基板的剖面側視圖和俯視圖，其係利用SEM儀器所實際拍攝之圖式。

圖5A和圖5B分別為根據本發明一實施例所提供之突起物46’的概略透視圖和俯視圖，而圖5C則為根據本發明一實施例所提供之用於形成半導體發光元件的基板40”的概略透視圖。

突出物46’具有一近似多邊形之底面60。在本實施例中，參照圖5A和5B，突起物46’所具有之多邊形底面60係大抵具有三個轉角62，而多邊形底面60於轉角62間係呈弧狀。

側壁表面54可大抵為一曲面、一平面或其組合，而突起物46’由側面觀視時，則底部側壁表面56與上方側壁表面58之一連接處則顯示為轉折點P，其中轉折點P可大抵為具有不同傾斜度之平面、或具有不同曲率之曲面的側壁表面54間的連接處。在本實施例中，突起物46’之側壁表面54僅由三個底部側壁表面56與三個上方側壁表面58所構成。

參照圖5C，多個突起物46’於基板40”上係彼此分離，並且以交錯的方式而規則排列。然而，突起物46’間的距離和排列方式可根據實際需求而定，亦即本發明並非受限於此。

圖6顯示一根據上述實施例所提供之基板40”而形成的半導體發光元件70之剖面示意圖。參照圖5，半導體發光元件70包含位於基板40”之表面50上的第一導電型半導體層72、位於第一導電型半導體層72上之發光層74、以及位於發光層74上的第二導電型半導體層76。在本實施例中，第一導電型半導體層可為N型半導體層，而第二導電型半導體層則為P型半導體層，且第一導電型半導體層72、發光層74、以及第二導電型半導體層76均可為磊晶層。第一電極80和第二電極82可分別設置於第一導電型半導體層72和第二導電型半導體層76上，而在此實施例中，一歐姆接觸層78係設置於第二導電型半導體層76與第二電極82之間。

根據本實施例，第一導電型半導體層72係可直接磊製於基板40”的表面50上，由於基板40”的表面50具有複數個突起物46’，因此可減少磊晶層的差排現象。此外，在本實施例中，由於基板40”的突起物46’之側壁表面54大抵不具有適於磊晶層成長的晶面方向，如此可減少磊晶層所產生的缺陷，因而提升磊晶品質與光萃取效率。如此一來，本實施例所提供的半導體發光元件70將具有較佳的製程良率和量子發光效率。

又，在本實施例中，由於基板40”之突起物46’的側面自其底部至頂部係具有一個以上之轉折點，因此可更為有效地反射光束，以便提昇光萃取效率。

然而，根據基板40的材質、圖案化保護層24的形狀和尺寸、以及蝕刻方法和製程參數，基板40”可具有不同形狀的突起物46’，例如突起物46’的多邊形底面亦可包含其他種多邊形形狀，且突起物46’的側面之轉折點可為一個以上，例如突起物46’的上方側壁表面58可包含第一上方側壁表面與第二上方側壁表面，且其中第一上方側壁表面係夾置於底部側壁表面與第二上方側壁表面之間，並且連接於底部側壁表面與第二上方側壁表面，而觀視突出物46’之側面，則第一上方側壁表面與第二上方側壁表面的連接處亦可為一轉折點。

儘管本發明已特別配合特定較佳的實施例而描述，然而很明顯地，熟習此技藝之人士可於參考本說明書之情形下而進行多種替代、修改及變更。因此，附加的申請專利範圍意欲在不悖離本發明實際範圍及精神下涵蓋任何這些替代、修改及變更。

10．．．發光二極體

12．．．基板

14．．．第一導電型半導體層

16．．．發光層

18．．．第二導電型半導體層

20．．．歐姆接觸層

22．．．第一電極

24．．．第二電極

30．．．圖案化基板

32、32’、32”．．．磊晶層

33．．．表面

34．．．底部平面

36．．．突起物

38．．．頂部平面

39．．．空隙缺陷

40、40’、40”．．．基板

42．．．圖案化保護層

44．．．凹陷

46．．．突起物

48．．．頂部平面

50．．．表面

52．．．平面

54．．．側壁表面

56．．．底部側壁表面

58．．．上方側壁表面

60．．．底面

62．．．轉角

70．．．半導體發光元件

72．．．第一導電型半導體層

74．．．發光層

76．．．第二導電型半導體層

78．．．歐姆接觸層

80．．．第一電極

82．．．第二電極

P．．．轉折點

L．．．外輪廓線

θ1．．．第一傾斜角

θ2．．．第二傾斜角

圖1為一習知發光二極體之剖面示意圖；

圖2A和圖2B顯示採用一圖案化基板形成磊晶層的概略剖面示意圖；

圖3A至圖3D顯示根據一實施例形成一圖案化基板的一系列概略剖面側視圖；

圖4A和圖4B分別顯示根據本發明一實施例所形成之圖案化藍寶石基板的剖面側視圖和俯視圖；

圖5A和圖5B分別為根據本發明一實施例所提供之突起物的概略透視圖和俯視圖，而圖5C則為根據本發明一實施例所提供之用於形成半導體發光元件的基板的概略透視圖；以及

圖6顯示根據本發明一實施例所提供之基板而形成的半導體發光元件之剖面示意圖。

40”．．．基板

46’．．．突起物

50．．．表面

52．．．平面

54．．．側壁表面

56．．．底部側壁表面

58．．．上方側壁表面

P．．．轉折點

L．．．外輪廓線

θ1．．．第一傾斜角

θ2．．．第二傾斜角

Claims (12)

1. 一種半導體發光元件，其包含：一基板，該基板具有一表面，該表面包含一平面以及複數個突出物突出於該平面，其中該平面為一特定晶面方向，而該些突出物具有僅由複數個側壁表面所構成之一外表面，且該些側壁表面的晶面方向大致上不包含該特定晶面方向，該些突出物由側面觀視係具有一外輪廓線，而該外輪廓線自該些突出物之底部至頂部包含至少一轉折點；一第一導電型半導體層，位於該基板之該表面上；一發光層，位於該第一導電型半導體層上；以及一第二導電型半導體層，位於該發光層上。
2. 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光元件，其中該些側壁表面包含一底部側壁表面與一上方側壁表面，其中該底部側壁表面係連接於該平面與該上方側壁表面，當該突出物由側面觀視時，該底部側壁表面與該上方側壁表面之一連接處為該轉折點。
3. 如申請專利範圍第2項所述之半導體發光元件，其中該底部側壁表面與該平面間具有一第一傾斜角，而該上方側壁表面與該平面間具有一第二傾斜角，其中該第一傾斜角與該第二傾斜角互異。
4. 如申請專利範圍第3項所述之半導體發光元件，其中該第一傾斜角大於該第二傾斜角。
5. 如申請專利範圍第2項所述之半導體發光元件，其中該些突出物之該複數個側壁表面係僅由三個該底部側壁表面與三個該上方側壁表面所構成。
6. 如申請專利範圍第2項所述之半導體發光元件，其中該上方側壁表面包含一第一上方側壁表面與一第二上方側壁表面，其中該第一上方側壁表面係連接於該底部側壁表面與該第二上方側壁表面，當該突出物由側面觀視時，該第一上方側壁表面與該第二上方側壁表面之一連接處為該轉折點。
7. 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光元件，其中該些側壁表面為一曲面、一平面或其組合。
8. 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光元件，其中該突出物具有一近似多邊形之底面。
9. 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光元件，其中該底面具有三個轉角。
10. 如申請專利範圍第9項所述之半導體發光元件，其中該底面於該些轉角間係呈弧狀。
11. 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光元件，其中該些突起物係彼此分離，並且以交錯的方式規則排列。
12. 一種半導體發光元件，其包含：一基板，該基板具有一表面，該表面包含一平面以及複數個突出物突出於該平面，其中該平面為一C plane晶面方向(0001)，而該些突出物不具有一頂部平面為該C plane晶面方向(0001)，且該些突出物由側面觀視係具有一外輪廓線，而該外輪廓線自該些突出物之底部至頂部包含至少一轉折點；一第一導電型半導體層，位於該基板之該表面上；一發光層，位於該第一導電型半導體層上；以及一第二導電型半導體層，位於該發光層上。