TWI458125B - 氮化物半導體發光元件 - Google Patents

Description

氮化物半導體發光元件

本發明涉及半導體發光領域，尤其是一種具有較高光萃取效率(Light Extraction Efficiency)的氮化物半導體發光元件。

目前，氮化鎵(GaN)等氮化物(Nitride-Based)半導體發光元件因具功耗低、壽命長等特性而被廣泛應用於顯示器、背光模組、室外照明、車用照明等領域。隨著氮化物半導體發光元件，例如GaN發光二極體的各應用領域對其發光亮度之需求越來越高，氮化物半導體發光元件的光萃取效率有待進一步提升。

參見Kao等人在文獻IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 19,No. 11, Page 849-851 (06/2007) 中的“Light-Output Enhancement of Nano-Roughened GaN Laser Liff-Off Light Emitting Diodes Formed by ICP Dry Etching”一文，其揭露了一種利用電感式耦合電漿-反應離子蝕刻(Inductively Coupled Plasma-Reactive Ion Etching, ICP-RIE) 對GaN發光二極體的發光區域 (Light Emitting Region) 進行粗化處理來提升GaN發光二極體的光萃取效率。通常，在GaN表面蝕刻有用於破壞光線全反射的柱狀溝槽，以提升GaN發光二極體的光萃取效率。然而，柱狀溝槽的側面與氮化物半導體活性層垂直，其一般不出光，從而導致該GaN發光二極體的出光表面積較小，這在一定程度上也限制了光萃取效率的進一步提升。

有鑒於此，有必要提供一種具有較高光萃取效率的氮化物半導體發光元件。

下面將以實施例說明一種具有較高光萃取效率的氮化物半導體發光元件。

一種氮化物半導體發光元件，其包括基底與多層磊晶結構。該基底用於外延成長多層磊晶結構。該多層磊晶結構形成在該基底上。該多層磊晶結構包括沿遠離該基底的方向排列的第一型氮化物半導體層、氮化物半導體活性層及與該第一型氮化物半導體層極性相反的第二型氮化物半導體層，該第二型氮化物半導體層的遠離該氮化物半導體活性層的表面上形成有複數向該第二型氮化物半導體延伸的凹槽，每個凹槽具有側面以及與側面相連的底面，該側面與底面所成的角度為θ，其中，140度≦θ≦160度。

相對於先前技術，在該第二型氮化物半導體層形成的凹槽可破壞氮化物半導體發光元件內部發出光線的全反射效應，從而可提升光萃取效率。並且，該第二型氮化物半導體層形成的凹槽的側面與底面所成的角度為140度至160度，其可使光線通過側面出射，增加了出光面積，從而進一步提升了光萃取效率。

下面將結合附圖對本發明實施方式作進一步的詳細說明。

參見圖1與圖2，本發明實施例提供的一種氮化物半導體發光元件10，例如GaN發光二極體。該氮化物半導體發光元件10包括：基底11，形成在基底11上的多層磊晶結構12，p型電極13，以及n型電極14。

該基底11通常為藍寶石(Sapphire)、碳化矽(SiC)、矽(Si)、砷化鎵(GaAs)、偏鋁酸鋰(LiAlO₂ )、氧化鎂(MgO)、氧化鋅(ZnO)、氮化鎵(GaN)、氮化鋁(AlN)、或氮化銦(InN)等單晶基底，其具有一個用於外延生長多層磊晶結構12的晶面121，該晶面121的晶向與多層磊晶結構12的晶體生長方向相匹配。

該多層磊晶結構12包括n型氮化物半導體層122，p型氮化物半導體層123，以及位於n型氮化物半導體層122與p型氮化物半導體層123之間的氮化物半導體活性層124。該n型氮化物半導體層122、氮化物半導體活性層124及p型氮化物半導體層123沿遠離該基底11的方向依次形成在基底11的晶面121上。

該n型氮化物半導體層122、氮化物半導體活性層124及p型氮化物半導體層123可為單層或多層結構，其選用III族氮化物半導體材料。其中，III族元素可為Al、Ga、In等元素。典型地，該n型氮化物半導體層122、氮化物半導體活性層124及p型氮化物半導體層123可分別為n型氮化鎵、氮化鎵銦(InGaN)及p型氮化鎵。該多層磊晶結構12形成有一平台結構(Mesa Pattern)。該n型氮化物半導體層122具有一遠離該基底11的暴露面125。該p型氮化物半導體層123具有一個遠離該基底11的第一表面126。

該p型氮化物半導體層123的第一表面126上蝕刻有複數向該第P型氮化物半導體123延伸的凹槽15。每個凹槽15具有一個側面151以及一個與該側面151相連的底面152，且該側面151與底面152所成的角度為θ，在此，140度≦θ≦160度。該凹槽15的形狀可以為倒置圓台形，倒置棱台形等。在本實施例中，該凹槽15的形狀為倒置正六棱台形。該複數凹槽15陣列排佈，每個凹槽15具有一個正六邊形開口153，且該正六邊形開口153具有一個中心。優選地，該正六邊形153的邊長為0.5到2微米，相鄰兩開口的中心之間的距離D為0.85到3.5微米，且每個凹槽15的深度H1為該P型氮化物半導體層123的厚度H2的一半。

優選地，在該p型氮化物半導體層123的第一表面126上採用電感式耦合電漿-反應離子蝕刻法(Inductively Coupled Plasma-Reactive Ion Etching, ICP-RIE)蝕刻出凹槽15。具體地，在基底11上形成多層磊晶結構12，然後向一真空腔體內通入強氧化氣體氯氣和氬氣的混合氣體對多層磊晶結構12的發光區域進行電感式耦合電漿-反應離子蝕刻，以使遠離基底11的p型氮化物半導體層123上獲得複數凹槽15。並且，通過控制該氯氣和氬氣的混合氣體的濃度可以控制該側面151與底面152所成的角度θ的大小。

該n型電極14設置在該暴露面125上以與該n型氮化物半導體層125形成歐姆接觸。優選地，該n型電極14通常包含有至少一與n型氮化物半導體層125形成歐姆接觸的金屬層。

該p型電極13設置在該p型氮化物半導體層123的第一表面126上以與該p型氮化物半導體層123形成歐姆接觸。優選地，該p型電極13可為一金屬層或一由金屬層與透明導電薄膜形成的多層電極結構。

該複數凹槽15可以破壞氮化物半導體發光元件發出的光線的全反射，提升光萃取效率。並且，該凹槽15的側面與底面所成的角度θ大於等於140度且小於等於160度，其可進一步使光線通過側面出射，增加了出光面積，從而進一步提升了光萃取效率。請一併參見圖3所示，其中，X軸表示該複數凹槽15的側面151與底面152所成的角度θ，Y軸表示該氮化物半導體發光元件10的光萃取效率。當該複數凹槽15的側面151與底面152所成的角度θ分別為90°、100°、110°、120°、130°、140°、150°、160°、170°時，該氮化物半導體發光元件10的光萃取效率示意圖。由圖可知，當140度≦θ≦160度時，該氮化物半導體發光元件10的光萃取效率較高，並且，當該複數凹槽15的側面151與底面152所成的角度θ為150度，該氮化物半導體發光元件10的光萃取效率最高。

進一步地，請一併參見圖4所示，曲線A1、A2、A3、A4、A5分別表示當該P型氮化物半導體層123的厚度時，該複數凹槽15的深度分別為0、、、、時，該氮化物半導體發光元件10的光萃取效率示意圖，其中，X軸表示該氮化物半導體發光元件10的電流大小，單位為微安，Y軸表示該氮化物半導體發光元件10的光萃取效率。由圖4可知，在100微安的電流驅動下，=時，氮化物半導體發光元件10的光萃取效率約為62%，其次為=時，光萃取效率約為57%。由此可見，當≦≦，氮化物半導體發光元件10具有較高的光萃取效率，即為60%左右。

可以理解地是，也可以將p型氮化物半導體層123、氮化物半導體活性層124以及n型氮化物半導體層122依次沿遠離該基底11的方向依次形成在基底11的晶面121上，進而在該n型氮化物半導體層122形成複數凹槽15，並且每個凹槽15的側面151與底面152所成的角度為大於等於140度而小於等於160度，以提升該氮化物半導體發光元件10的光萃取效率。

另外，本領域技術人員還可於本發明精神內做其他變化，如變更基底22的種類，多層磊晶結構24的結構、該凹槽15的數量、形狀以及排佈等以用於本發明等設計，只要其不偏離本發明的技術效果均可。這些依據本發明精神所做的變化，都應包含在本發明所要求保護的範圍之內。

10‧‧‧半導體發光元件

11‧‧‧基底

12‧‧‧多層磊晶結構

13‧‧‧p型電極

14‧‧‧n型電極

121‧‧‧晶面

122‧‧‧n型氮化物半導體層

123‧‧‧p型氮化物半導體層

124‧‧‧氮化物半導體活性層

125‧‧‧暴露面

126‧‧‧第一表面

15‧‧‧凹槽

151‧‧‧側面

152‧‧‧底面

153‧‧‧正六邊形開口

圖1是本發明實施例提供的氮化物半導體發光元件的俯視圖。

圖2是圖1中的氮化物半導體發光元件沿II-II的剖面示意圖。

圖3是圖2中的氮化物半導體發光元件的凹槽的側面與底面成不同角度時的光萃取效率示意圖。

圖4是圖2中的氮化物半導體發光元件的凹槽為不同的深度時的光萃取效率示意圖。

10‧‧‧半導體發光元件

11‧‧‧基底

12‧‧‧多層磊晶結構

13‧‧‧p型電極

14‧‧‧n型電極

121‧‧‧晶面

122‧‧‧n型氮化物半導體層

123‧‧‧p型氮化物半導體層

124‧‧‧氮化物半導體活性層

125‧‧‧暴露面

126‧‧‧第一表面

15‧‧‧凹槽

151‧‧‧側面

152‧‧‧底面

Claims (8)

1. 一種氮化物半導體發光元件，其包括：
   基底，其用於外延成長多層磊晶結構；
   多層磊晶結構，其形成在該基底上，該多層磊晶結構包括沿遠離該基底的方向排列的第一型氮化物半導體層、氮化物半導體活性層及與該第一型氮化物半導體層極性相反的第二型氮化物半導體層，該第二型氮化物半導體層的遠離該氮化物半導體活性層的表面上形成有複數向該第二型氮化物半導體延伸的凹槽，每個凹槽具有側面以及與側面相連的底面，該側面與底面所成的角度為θ，其中，140度≦θ≦160度。
2. 如申請專利範圍第1項所述之氮化物半導體發光元件，其中，該基底的材料為藍寶石、碳化矽、矽、砷化鎵、偏鋁酸鋰、氧化鎂、氧化鋅、氮化鎵、氮化鋁或氮化銦。
3. 如申請專利範圍第1項所述之氮化物半導體發光元件，其中，該第一型半導體層、氮化物半導體活性層及第二型半導體層由III族氮化物半導體材料製成。
4. 如申請專利範圍第1項所述之氮化物半導體發光元件，其中，該凹槽形狀為倒置圓台形，或倒置棱台形。
5. 如申請專利範圍第1項所述之氮化物半導體發光元件，其中，該複數凹槽為陣列排佈的倒置正棱台形凹槽。
6. 如申請專利範圍第1項所述之氮化物半導體發光元件，其中，該複數凹槽為倒置正六棱台形凹槽，且每個凹槽具有一個正六邊形開口，該正六邊形的邊長為0.5到2微米。
7. 如申請專利範圍第1項所述之氮化物半導體發光元件，其中，該複數凹槽為陣列排佈的倒置正六棱台形凹槽，每個凹槽具有一個正六邊形開口，且相鄰兩凹槽的開口的中心之間的距離為0.85到3.5微米。
8. 如申請專利範圍第1項所述之氮化物半導體發光元件，其中，該複數凹槽的深度為，該第二型氮化物半導體的厚度為，其中，≦≦。