TWI528579B - 發光二極體元件 - Google Patents

Description

發光二極體元件

本發明是有關於一種發光元件，且特別是一種發光二極體元件。

發光二極體通常是由含有III-V族元素的半導體材料所構成，而發光二極體具有將電能轉換為光能的特性。發光二極體的發光現象屬於冷性發光，所以發光二極體具有反應速度快、體積小、省電以及不易破裂等優點，因此其應用的領域十分廣泛。

氮化鎵類(GaN-based)的半導體材料已被證實極具潛力以應用於製作發光二極體，且其發光波長所涵蓋的範圍可從紅外光、可見光至紫外光。因此，近年來氮化鎵類半導體逐漸受到廣大的重視。

以傳統的氮化鎵發光二極體而言，通常是使用藍寶石(Sapphire)為磊晶基板。然而，由於藍寶石為透明材料，使得發光二極體出光光線四散發射，無法集中利用，進而降低發光二極體的發光效率。再者，由於外界空氣與氮化鎵材料的折射率差約1.5，使得發光二極體的發光層所產生的光易因被氮化鎵與外界空氣的介面全反射，而局限在發光二極體內部，此也是造成發光二極體的發光效率下降的原因。

本發明提供一種發光二極體元件，其具有較佳的發光效率。

本發明提出一種發光二極體元件，其包括一磊晶基板、至少一鈍化結構、至少一空洞、一半導體層、一第一型摻雜半導體層、一發光層以及一第二型摻雜半導體層。鈍化結構配置於磊晶基板上，且具有一外表面。空洞(void)位於鈍化結構上，且至少覆蓋50%之鈍化結構的外表面。半導體層配置於磊晶基板上，且將鈍化結構與空洞包覆於其內。第一型摻雜半導體層配置於半導體層上。發光層配置於第一型摻雜半導體層上。第二型摻雜半導體層配置於發光層上。

在本發明之一實施例中，上述鈍化結構為的材質為二氧化矽或氮化鋁。

在本發明之一實施例中，上述至少一鈍化結構為多個鈍化結構，至少一空洞為多個空洞。鈍化結構彼此不相連且呈等間距排列於磊晶基板上，而空洞分別位於鈍化結構上。

在本發明之一實施例中，上述相鄰兩鈍化結構之間的間距介於1.5微米至3.5微米之間。

在本發明之一實施例中，上述空洞覆蓋鈍化結構之外表面的覆蓋率小於鈍化結構的外徑/間距比值。

在本發明之一實施例中，上述鈍化結構的外徑介於1.3微米至2.8微米之間。

在本發明之一實施例中，上述鈍化結構的高度介於0.5微米製2.0微米之間。

在本發明之一實施例中，上述鈍化結構的剖面外型包括矩形、半圓形、三角形、梯形、彈頭形、圓頂形(dome-shaped)、波浪狀或鋸齒狀。

在本發明之一實施例中，上述鈍化結構包括一突起部以及一鈍化層。突起部配置於磊晶基板上。鈍化層配置於突起部之至少一側且與突起部接觸，且突起部的材質為藍寶石，而鈍化層的材質為二氧化矽或氮化鋁。

在本發明之一實施例中，上述鈍化層包覆突起部。

在本發明之一實施例中，上述突起部的剖面外型包括矩形、半圓形、三角形、梯形、彈頭形、波浪狀或鋸齒狀，而鈍化結構與突起部共形(conformal)設置。

在本發明之一實施例中，上述磊晶基板為一藍寶石基板。

在本發明之一實施例中，上述第一型摻雜半導體層為N型摻雜半導體層，而第二型摻雜半導體層為P型摻雜半導體層。

在本發明之一實施例中，上述第一型摻雜半導體層與第二型摻雜半導體層的材質是由氮化鎵、氮化鋁鎵、氮化銦鎵、氮化鋁銦鎵至少其中之一摻雜II族元素或IV族元素所構成。

在本發明之一實施例中，上述發光二極體元件更包括一第一電極以及一第二電極。第一電極配置於第一型摻雜半導體層上並與第一型摻雜半導體層電性連接。第二電極配置於第二型摻雜半導體層上並與第二型摻雜半導體層電性連接。

基於上述，由於本發明之發光二極體元件具有位在鈍化結構上的空洞，且鈍化結構與孔洞皆包覆於半導體層內。因此，當發光層所產生的光入射至鈍化結構時，位在鈍化結構之外表面上的空洞可產生良好的散射效果，進而提升發光二極體元件的發光效率。再者，由於空洞易於使來自發光層的光產生全反射，而使光在全反射後，而射出至發光二極體元件外，此亦是提升發光二極體元件之發光效率的原因。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1A為本發明之一實施例之一種發光二極體元件的剖面示意圖。請參考圖1A，在本實施例中，發光二極體元件100a包括一磊晶基板110、至少一鈍化結構120a(圖1A中示意地繪示多個)、至少一空洞130a(圖1A中示意地繪示多個)、一半導體層140、一第一型摻雜半導體層150、一發光層160以及一第二型摻雜半導體層170。於此，磊晶基板110例如是一藍寶石基板。

詳細來說，鈍化結構120a配置於磊晶基板110上，其中鈍化結構120a彼此不相連且呈等間距排列於磊晶基板110上。於此，並考量後續的磊晶品質與製程良率，較佳地，相鄰兩鈍化結構120a之間的間距D例如是介於1.5微米至3.5微米之間。鈍化結構120a的外徑T例如是介於1.3微米至2.8微米之間，而鈍化結構120a的高度H例如是介於0.5微米製2.0微米之間。空洞130a分別位於鈍化結構120a上，且覆蓋鈍化結構120a的一外表面122，其中空洞130a至少覆蓋50%之鈍化結構120a的外表面122。如圖1所示，空洞130a並未完全覆蓋鈍化結構120a，空洞130a僅覆蓋約70%之鈍化結構120a的外表面122。於此，每一鈍化結構120a的外型皆例如是彈頭形，而呈均勻連續態之空洞130a則分別覆蓋每一鈍化結構120a的外表面122。特別是，鈍化結構120a為的材質為二氧化矽或氮化鋁，且空洞130a覆蓋鈍化結構120a之外表面122的覆蓋率小於鈍化結構120a之外徑T/間距D比值。

半導體層140配置於磊晶基板110上，且將鈍化結構120a與空洞130a包覆於其內。第一型摻雜半導體層150配置於半導體層140上。發光層160配置於第一型摻雜半導體層150上。第二型摻雜半導體層170配置於發光層160上。於此，第一型摻雜半導體層150為N型摻雜半導體層，而第二型摻雜半導體層170為P型摻雜半導體層。第一型摻雜半導體層150與第二型摻雜半導體層170的材質例如是是由氮化鎵、氮化鋁鎵、氮化銦鎵、氮化鋁銦鎵至少其中之一摻雜II族元素或IV族元素所構成。此外，本實施例之發光二極體元件100a更包括一第一電極180以及一第二電極190。第一電極180配置於第一型摻雜半導體層150上並與第一型摻雜半導體層150電性連接，而第二電極配置190於第二型摻雜半導體層170上並與第二型摻雜半導體層170電性連接。

由於本實施例之發光二極體元件100a具有位在鈍化結構120a上的空洞130a，且鈍化結構120a與孔洞130a皆包覆於半導體層140內。因此，當發光層160所產生的光(請參考圖1A中之箭頭方向)入射至鈍化結構120a時，位在鈍化結構120a之外表面122上的空洞130a可產生良好的散射效果，進而提升發光二極體元件的發光效率。再者，由於空洞130a易於使來自發光層160的光產生全反射，而使光在全反射後，而射出至發光二極體元件100a外，此亦是提升發光二極體元件100a之發光效率的原因。

值得一提的是，本發明並不限定鈍化結構120a的外型，雖然此處所提及之鈍化結構120a的剖面外型具體化為彈頭形。但於其他實施例中，請參考圖1B，鈍化結構120b的剖面外型亦可為半圓形；亦或是，請參考圖1C，鈍化結構120c的剖面外型亦可為梯形；亦或是，請參考圖1D，鈍化結構120d的剖面外型亦可為三角形；亦或是，請參考圖1E，鈍化結構120e的剖面外型亦可為波浪狀；亦或是，請參考圖1F，鈍化結構120f的剖面外型亦可為鋸齒狀；亦或是，於未繪示實施例中，鈍化結構的剖面外型亦可為圓頂形(dome-shaped)。因此，圖1A所示的鈍化結構120a的剖面外形僅為舉例說明，並非限定本發明。

以下實施例沿用前述實施例的元件標號與部分內容，其中採用相同的標號來表示相同或近似的元件，並且省略了相同技術內容的說明。關於省略部分的說明可參考前述實施例，下述實施例不再重複贅述。

圖2為本發明之另一實施例之一種發光二極體元件的剖面示意圖。本實施例之發光二極體元件100b與圖1A之發光二極體元件100a相同，差異之處僅在於：本實施例之空洞130b是呈不均勻連續態。因此，當發光層160所產生的光(請參考圖2中之箭頭方向)入射至鈍化結構120a時，可提高在任何角度射入至鈍化結構120a所產生全反射的機率，進而使整體發光二極體元件100b的發光效率提升。

圖3為本發明之另一實施例之一種發光二極體元件的剖面示意圖。本實施例之發光二極體元件100c與圖1A之發光二極體元件100a相同，差異之處僅在於：本實施例之空洞130c是呈不均勻的非連續態。因此，當發光層160所產生的光(請參考圖3中之箭頭方向)入射至鈍化結構120a時，可提高在任何角度射入至鈍化結構120a所產生全反射的機率，並提高入射光產生反射及散射的機率，可有效提昇整體發光二極體元件100c的發光效率。

圖4為本發明之另一實施例之一種發光二極體元件的剖面示意圖。本實施例之發光二極體元件100d與圖1A之發光二極體元件100a相同，差異之處僅在於：本實施例之空洞130d是呈均勻連續態，且完全覆蓋鈍化結構120a。因此，當發光層160所產生的光(請參考圖4中之箭頭方向)入射至鈍化結構120a時，可提高在任何角度射入至鈍化結構120a所產生全反射與散射的機率，進而可提升整體發光二極體元件100d的發光效率。

圖5為本發明之另一實施例之一種發光二極體元件的剖面示意圖。本實施例之發光二極體元件100e與圖1A之發光二極體元件100a相同，差異之處僅在於：本實施例之發光二極體元件100e的每一鈍化結構120g包括一突起部125a以及一鈍化層127a，其中突起部125a配置於磊晶基板110上。於此，突起部125的外型例如是倒梯形，而鈍化層127a配置於突起部125a的至少一側且與突起部125a接觸。於此，鈍化層127a僅位於突起部125a的頂端，而空洞130e是呈均勻連續態，且完全覆蓋鈍化結構120g的鈍化層127a。當然，於其他未繪示的實施例中，突起部125a的剖面外型亦可為矩形、圓頂形(dome-shaped)、半圓形、三角形、彈頭形、波浪狀或鋸齒狀，於此並不加以限制。此外，突起部125a的材質例如是藍寶石，而鈍化層127a的材質為二氧化矽或氮化鋁。值得一提的是，本實施例並不限定空洞130e的形態，於其他未繪示的實施例中，空洞130e的形態亦可為前述實施例所提及之空洞130a、130b、130c的形態。

圖6為本發明之另一實施例之一種發光二極體元件的剖面示意圖。本實施例之發光二極體元件100f與圖5之發光二極體元件100e相同，差異之處僅在於：本實施例之發光二極體元件100f的每一鈍化結構120h包括一突起部125b以及一鈍化層127b，其中突起部125b配置於磊晶基板110上，而鈍化層127b完全包覆突起部125b，且空洞130f完全包覆鈍化結構120g。於此，突起部125b的外型例如是彈頭形。

綜上所述，由於本發明之發光二極體元件具有位在鈍化結構上的空洞，且鈍化結構與孔洞皆包覆於半導體層內。因此，當發光層所產生的光入射至鈍化結構時，位在鈍化結構之外表面上的空洞可產生良好的散射效果，進而提升發光二極體元件的發光效率。再者，由於空洞易於使來自發光層的光產生全反射，而使光在全反射後，射出至發光二極體元件外，此亦是提升發光二極體元件之發光效率的原因。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故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。

100a、100b、100c、100d、100e、100f．．．發光二極體元件

110．．．磊晶基板

120a、120b、120c、120d、120e、120f、120g、120h．．．鈍化結構

122．．．外表面

125a、125b．．．突起部

127a、127b．．．鈍化層

130a、130b、130c、130d、130e、130f．．．空洞

140．．．半導體層

150．．．第一型摻雜半導體層

160．．．發光層

170．．．第二型摻雜半導體層

180．．．第一電極

190．．．第二電極

D．．．間距

H．．．高度

T．．．外徑

圖1A為本發明之一實施例之一種發光二極體元件的剖面示意圖。

圖1B為圖1A之另一種鈍化結構的剖面示意圖。

圖1C為圖1A之另一種鈍化結構的剖面示意圖。

圖1D為圖1A之另一種鈍化結構的剖面示意圖。

圖1E為圖1A之另一種鈍化結構的剖面示意圖。

圖1F為圖1A之另一種鈍化結構的剖面示意圖。

圖2為本發明之另一實施例之一種發光二極體元件的剖面示意圖。

圖3為本發明之另一實施例之一種發光二極體元件的剖面示意圖。

圖4為本發明之另一實施例之一種發光二極體元件的剖面示意圖。

圖5為本發明之另一實施例之一種發光二極體元件的剖面示意圖。

圖6為本發明之另一實施例之一種發光二極體元件的剖面示意圖。

100a．．．發光二極體元件

110．．．磊晶基板

120a．．．鈍化結構

122．．．外表面

130a．．．空洞

140．．．半導體層

150．．．第一型摻雜半導體層

160．．．發光層

170．．．第二型摻雜半導體層

180．．．第一電極

190．．．第二電極

D．．．間距

H．．．高度

T．．．外徑

Claims (16)

1. 一種發光二極體元件，包括：一磊晶基板；至少一鈍化結構，具有一外表面，其中該鈍化結構包括一突起部以及一鈍化層，該突起部配置於該磊晶基板上，該鈍化層與該突起部接觸；至少一空洞(void)，位於該鈍化結構上，且至少覆蓋50%之該鈍化結構的該外表面；一半導體層，配置於該磊晶基板上，且將該鈍化結構與該空洞包覆於其內；一第一型摻雜半導體層，配置於該半導體層上；一發光層，配置於該第一型摻雜半導體層上；以及一第二型摻雜半導體層，配置於該發光層上。
2. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體元件，其中該鈍化結構為的材質為二氧化矽或氮化鋁。
3. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體元件，其中該至少一鈍化結構為多個鈍化結構，至少一空洞為多個空洞，該些鈍化結構彼此不相連且呈等間距排列於該磊晶基板上，而該些空洞分別位於該些鈍化結構上。
4. 如申請專利範圍第3項所述之發光二極體元件，其中相鄰兩該些鈍化結構之間的間距介於1.5微米至3.5微米之間。
5. 如申請專利範圍第3項所述之發光二極體元件，其中該些空洞覆蓋該些鈍化結構之該些外表面的覆蓋率小於 該鈍化結構的外徑/間距比值。
6. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體元件，其中該鈍化結構的外徑介於1.3微米至2.8微米之間。
7. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體元件，其中該鈍化結構的高度介於0.5微米製2.0微米之間。
8. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體元件，其中該鈍化結構的剖面外型包括矩形、半圓形、三角形、梯形、彈頭形、圓頂形(dome-shaped)、波浪狀或鋸齒狀。
9. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體元件，其中該突起部的材質為藍寶石，而該鈍化層的材質為二氧化矽或氮化鋁。
10. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體元件，其中該鈍化層包覆該突起部。
11. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體元件，其中該突起部的剖面外型包括矩形、半圓形、三角形、梯形、彈頭形、圓頂形(dome-shaped)、波浪狀或鋸齒狀，而該鈍化結構與該突起部共形(conformal)設置。
12. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體元件，其中該磊晶基板為一藍寶石基板。
13. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體元件，其中該第一型摻雜半導體層為N型摻雜半導體層，而該第二型摻雜半導體層為P型摻雜半導體層。
14. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體元件，其中該第一型摻雜半導體層與該第二型摻雜半導體層的材 質是由氮化鎵、氮化鋁鎵、氮化銦鎵、氮化鋁銦鎵至少其中之一摻雜II族元素或IV族元素所構成。
15. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體元件，更包括：一第一電極，配置於該第一型摻雜半導體層上並與該第一型摻雜半導體層電性連接；以及一第二電極，配置於該第二型摻雜半導體層上並與該第二型摻雜半導體層電性連接。
16. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體元件，其中該突起部與該磊晶基板為一體成型。