TWI529963B - 發光元件結構 - Google Patents
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Description
本發明係有關於一種發光元件結構，特別是有關於一種具有三維立體(3-D)分佈式布拉格反射層(distributed Bragg reflector,DBR)之發光二極體元件。
發光二極體(light-emitting diode,LED)是一種利用半導體材料製作而成的固態發光元件，其能夠將電能有效率的轉換為光能。由於具備體積小、驅動電壓低、反應速率快等優點，發光二極體已被廣泛地應用在日常生活之各式電子產品，如一般照明、看板、手機及顯示器背光源等各種用途中。
結構上，發光二極體通常包括一基底、一磊晶結構，設於基底上、一P電極接墊(P-side electrode pad)電連接於磊晶結構的一P型半導體接觸層(P-type semiconductor contact layer)、一N電極接墊(N-side electrode pad)電連接於磊晶結構的一N型半導體接觸層(N-type semiconductor contact layer)，而磊晶結構在P型半導體接觸層以及N型半導體接觸層之間另具有一活性發光層(active layer)。此外，在P電極接墊與P型半導體接觸層之間通常設有一透明導電層(transparent conductive layer,TCL)，與P型半導體接觸層構成歐姆接觸。
在相關的先前技藝中，美國專利公開號2008/0064133A1披露了一種覆晶式(flip-chip)氮化物發光二極體構造，其中在P電極與P型氮化物半導體層之間設有一網狀分佈式布拉格反射層(mesh-type DBR)，其係在前述P型氮化物半導體層的整個上表面以二維展開，並且具有複數個網目開口，曝露出部分的P型氮化物半導體層表面。在網狀分佈式布拉格反射層上則覆蓋一歐姆接觸層(ohmic contact layer)，歐姆接觸層填滿網目開口以接觸P型氮化物半導體層，而P電極即形成在歐姆接觸層的表面上，其中，歐姆接觸層係由鎳、銀或鋁等金屬材質所構成，而網狀分佈式布拉格反射層是由AlGaN/GaN堆疊結構所構成。歐姆接觸層與網狀分佈式布拉格反射層均具備高反射率，藉以反射活性發光層發出的光線，並經由透明基板之一表面射出。
台灣專利公開號200921931則披露了另一種覆晶式發光二極體結構，主要是將P電極與N電極設置在同一平面上，藉以縮短P電極與N電極的距離，其中在P電極下方以熱蒸鍍、電子束蒸鍍或離子濺鍍形成反射層，由於P電極需透過反射層與下方磊晶結構的電性接觸層電連接，故反射層需由導電材料所構成。
本發明之主要目的在提供一改良之高亮度發光二極體結構，其可以提供較高的光取出效率(light extraction efficiency)。
根據一較佳實施例，本發明發光元件包含有一基底；一磊晶結構，設於該基底上，該磊晶結構至少包含有一第一導電型半導體層、一活性發光層以及一第二導電型半導體層；一第一電極，設於該第一導電型半導體層上；一透明導電層，位於該第一電極與該第一導電型半導體層之間；以及一三維立體分佈式布拉格反射層，位於該透明導電層與該第一導電型半導體層之間。
根據另一較佳實施例，本發明發光元件包含有一基底；一磊晶結構，設於該基底上，該磊晶結構至少包含有一第一導電型半導體層、一活性發光層以及一第二導電型半導體層；一第一電極，設於該第一導電型半導體層上；一透明導電層，位於該第一電極與該第一導電型半導體層之間；以及一三維立體分佈式布拉格反射層，位於該透明導電層與該第一導電型半導體層之間。該第一電極包含一P電極接墊，其中該三維立體分佈式布拉格反射層僅僅設於該P電極接墊的正下方。
根據另一較佳實施例，本發明發光元件包含有一基底；一磊晶結構，設於該基底上，該磊晶結構至少包含有一第一導電型半導體層、一活性發光層以及一第二導電型半導體層；一第一電極，設於該第一導電型半導體層上；一透明導電層，位於該第一電極與該第一導電型半導體層之間；以及一三維立體分佈式布拉格反射層，位於該透明導電層與該第一導電型半導體層之間。該第一電極另包含有至少一分支電極，且該透明導電層僅與該至少一分支電極重疊，且該第一電極直接接觸該三維立體分佈式布拉格反射層。
為讓本發明之上述目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施方式，並配合所附圖式，作詳細說明如下。然而如下之較佳實施方式與圖式僅供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。
請參閱第1A圖至第1B圖，其中，第1A圖為依據本發明較佳實施例所繪示的發光二極體元件的正面上視圖，第1B圖為第1A圖中沿著切線I-I’所視之剖面示意圖。首先，如第1A圖及第1B圖所示，本發明發光二極體元件1a包含有一發光平台區(mesa area)10以及一N電極接觸區12，其中發光平台區10係一凸出於N電極接觸區12的島狀塊體結構，且可以具有兩延伸部10a及10b環抱著N電極接觸區12。根據本發明較佳實施例，在發光平台區10的正面S上設有一P電極區100，其包含有一P電極接墊102以及至少一分支電極104，且分支電極104連接P電極接墊102，並朝向N電極接觸區12延伸出去。在N電極接觸區12內則設置有一N電極接墊122。當然，熟習該項技藝者應能理解上述結構描述僅為例示，本發明並不限制於上述佈局結構，例如，在其它實施例中，有可能省略掉分支電極104，而僅僅只有P電極接墊102，或者，有兩個P電極接墊102。依據本發明較佳實施例，本發明發光二極體元件1a係為一正面取光型發光二極體元件，亦即，大部分光線係由發光平台區10的正面S射出。
根據本發明較佳實施例，P電極接墊102以及分支電極104的材料可以選自：Cr、Au、Ni、Ti、TiN、Ta、Al、Ag、In、W、InSn、WSi、Nd、Pd、Pt、Zr或上述金屬之複合層或合金。例如，P電極接墊102以及分支電極104的材料可以是Cr/Au。根據本發明較佳實施例，N電極接墊122的材料可以選自：Cr、Au、Ni、Ti、TiN、Ta、Al、Ag、In、W、InSn、WSi、Nd、Pd、Pt、Zr或上述金屬之複合層或合金。
如第1B圖所示，發光平台區10包含有形成在一基板110表面上的磊晶結構200，其中磊晶結構200至少包含有一N型半導體層202、一活性發光層204以及一P型半導體層206。根據本發明較佳實施例，基板110可以是藍寶石(sapphire)基板、砷化鎵(GaAs)基板、碳化矽(SiC)基板或矽基板等，但不限於此。N型半導體層202，例如，N型GaN層，但不限於此。P型半導體層206例如，P型GaN層，但不限於此。活性發光層204可以是未摻雜之GaN層或InGaN層，或具有多重量子井(MQW)結構，但不限於此。進一步地，本實施例可在基板110相對於磊晶結構200的另一面設置一反射層209，其材料可為金屬，藉以增加光反射，正向光之取出。
上述之磊晶結構200可以利用有機金屬氣相沈積(metal organic chemical vapor deposition,MOCVD)、分子束磊晶(molecular beam epitaxy,MEB)或氫化物氣相磊晶(hydride vapor phase epitaxy,HVPE)等方法形成。當然，在N型半導體層202與基板110之間可以另包含有披覆層(cladding layer)、緩衝層(buffer layer)或者反射鏡面層(圖未示)。由於磊晶結構200為業界所周知，且並非本發明之重點所在，故不再詳細贅述。
本發明發光二極體元件1a其結構特徵在於P電極區100的正下方設有複數個柱體結構130，其中，特別是柱體結構130僅僅形成在P電極區100的正下方，而不會形成在P電極區100以外的區域。根據本發明較佳實施例，各個柱體結構130係至少由磊晶結構200的N型半導體層202、活性發光層204以及P型半導體層206構成。在柱體結構130之間係為一凹陷溝槽140，其係由發光平台區10的正面S向下依序蝕刻P型半導體層206、活性發光層204以及N型半導體層202而成。根據本發明較佳實施例，凹陷溝槽140的深度要比活性發光層204更深，並深入到N型半導體層202。柱體結構130的側視立體圖，如第2圖所示，其結構如一截頭圓椎體，但不限於此。由於柱體結構130係蝕刻P型半導體層206、活性發光層204以及N型半導體層202而成，故柱體結構130的頂面130a會與P型半導體層206的頂面齊平，換言之，柱體結構130應當不會凸出於發光平台區10的正面S。
請參閱第1B圖右側的圓圈處，其繪示的是部分柱體結構130及凹陷溝槽140的放大示意圖，可看出柱體結構130具有頂面130a及一傾斜側壁130b，而凹陷溝槽140具有一底面140a。根據本發明較佳實施例，P型半導體層206具有一頂面206a，而頂面206a至凹陷溝槽140的底面140a的垂直高度h至少0.2 μm；更具體地說為0.2-8 μm。此外，本發明發光二極體元件1a另包含一分佈式布拉格反射層(DBR)208，在本最佳實施例中，該分佈式布拉格反射層208為三維立體形態，其連續且均勻的形成在柱體結構130的頂面130a及傾斜側壁130b上，以及凹陷溝槽140的底面140a；以及一透明導電層(TCL)210，例如，氧化銦錫(ITO)，設於分佈式布拉格反射層208之上，並延伸覆蓋發光平台區10的正面S。根據本發明較佳實施例，柱體結構130的傾斜側壁130b與凹陷溝槽140的底面140a之間具有一銳角夾角θ，較佳者，此銳角夾角θ介於35°至80°之間，以避免在凹陷溝槽140轉角處上的透明導電層覆蓋率不佳而造成發光二極體元件電壓上升的問題。由活性發光層204直接射出之光線304可以被形成在柱體結構130的傾斜側壁130b上的分佈式布拉格反射層208反射，而避免被P電極區100吸收，而反射光306可以被形成在凹陷溝槽140的底面140a上的分佈式布拉格反射層208反射，避免被P電極區100吸收。根據本發明較佳實施例，介於透明導電層210與P型半導體層206之間的分佈式布拉格反射層208係為一結構上完整且連續的反射材料層，且需以絕緣材料構成，例如，二氧化鈦及二氧化矽重複堆疊結構，可以同時作為電流擴散阻障層。由此可知，本發明發光二極體元件1a的P電極接墊102以及分支電極104係透過透明導電層210與P型半導體層206電連接，再藉由分佈式布拉格反射層208所形成電流擴散阻礙，使得電流可以均勻橫向分散在發光平台區10的正面S。
請參閱第3圖，其為依據本發明另一實施例所繪示的發光二極體元件的剖面示意圖，其中沿用相同符號來表示相同的構件及區域。如第3圖所示，發光二極體元件1b同樣包含有發光平台區10以及N電極接觸區12，其中發光平台區10係凸出於N電極接觸區12的島狀塊體結構。在發光平台區10的正面S上同樣設有P電極區100，其包含有P電極接墊102以及分支電極104，且分支電極104連接P電極接墊102，並朝向N電極接觸區12延伸出去。在N電極接觸區12內則設置有N電極接墊122。形成在基板110上的磊晶結構200包含有N型半導體層202、活性發光層204以及P型半導體層206。另外，在基板110相對於磊晶結構200的另一面可以設置一反射層，其材料可為金屬，藉以增加光反射，正向光之取出。P電極區100的正下方設有複數個柱體結構130’，僅僅形成在P電極區100的正下方，而柱體結構130’不會形成在P電極區100以外的區域。根據此實施例，各個柱體結構130’僅由P型半導體層206構成，換言之，柱體結構130’之間的凹陷溝槽140b的深度不會超過P型半導體層206的厚度。本發明發光二極體元件1b另包含分佈式布拉格反射層208，其連續且均勻的形成在柱體結構130’以及凹陷溝槽140b的表面；以及一透明導電層210，例如，氧化銦錫，設於分佈式布拉格反射層208之上，並延伸覆蓋發光平台區10的正面S。P電極接墊102以及分支電極104則是設置在透明導電層210上。
請參閱第4圖，其為依據本發明又另一實施例所繪示的發光二極體元件的剖面示意圖，其中仍沿用相同符號來表示相同的構件及區域。如第4圖所示，發光二極體元件1c同樣包含有發光平台區10以及N電極接觸區12，其中發光平台區10係凸出於N電極接觸區12的島狀塊體結構。在發光平台區10的正面S上同樣設有P電極區100，其包含有P電極接墊102以及分支電極104，且分支電極104連接P電極接墊102，並朝向N電極接觸區12延伸出去。在N電極接觸區12內則設置有N電極接墊122。形成在基板110上的磊晶結構200包含有N型半導體層202、活性發光層204以及P型半導體層206。另外，在基板110相對於磊晶結構200的另一面可以設置一反射層，其材料可為金屬，藉以增加光反射，正向光之取出。P電極區100的正下方設有複數個柱體結構130”，僅僅形成在P電極區100的正下方，而柱體結構130”不會形成在P電極區100以外的區域。根據此實施例，各個柱體結構130”僅由P型半導體層206以及活性發光層204構成，換言之，柱體結構130”之間的凹陷溝槽140c的深度不會超過P型半導體層206以及活性發光層204的厚度總和。本發明發光二極體元件1c另包含分佈式布拉格反射層208，其連續且均勻的形成在柱體結構130”以及凹陷溝槽140c的表面；以及一透明導電層210，例如，氧化銦錫，設於分佈式布拉格反射層208之上，並延伸覆蓋發光平台區10的正面S。P電極接墊102以及分支電極104則是設置在透明導電層210上。
請參閱第5A圖及第5B圖，其中，第5A圖為依據本發明另一實施例所繪示的發光二極體元件的正面上視圖，第5B圖為第5A圖中沿著切線II-II’所視之剖面示意圖。如第5A圖及第5B圖所示，發光二極體元件1d結構上與第1A-1B圖中的發光二極體元件1a相似，差別在於P電極接墊102的正下方不會有透明導電層210，而僅僅分支電極104與透明導電層210重疊。由於P電極接墊102直接接觸到絕緣的分佈式布拉格反射層208，如此使得電流必須集中由分支電極104導出，達到擴散電流之功效。另外，在基板110相對於磊晶結構200的另一面可以設置一反射層，其材料可為金屬，藉以增加光反射，正向光之取出。
請參閱第6A圖及第6B圖，其中，第6A圖為依據本發明另一實施例所繪示的發光二極體元件的正面上視圖，第6B圖為第6A圖中沿著切線III-III’所視之剖面示意圖。如第6A圖及第6B圖所示，發光二極體元件1e結構上與第1A-1B圖中的發光二極體元件1a相似，差別在於：(1) P電極接墊102的正下方不會有透明導電層210，而僅僅分支電極104與透明導電層210重疊；(2)僅僅分支電極104的邊緣與透明導電層210重疊；(3)柱體結構130及分佈式布拉格反射層208僅僅形成在P電極接墊102的正下方。由於P電極接墊102直接接觸到絕緣的分佈式布拉格反射層208，如此使得電流必須集中由分支電極104與透明導電層210重疊處導出，達到擴散電流之功效。另外，在基板110相對於磊晶結構200的另一面可以設置一反射層，其材料可為金屬，藉以增加光反射，正向光之取出。
請參閱第7A圖至第7C圖，其中，第7A圖為依據本發明另一實施例所繪示的發光二極體元件的正面上視圖，第7B圖為第7A圖中沿著切線IV-IV’所視之剖面示意圖，第7C圖為第7A圖中沿著切線V-V’所視之剖面示意圖。如第7A圖至第7C圖所示，發光二極體元件1f結構上與第6A-6B圖的發光二極體元件1e相似，差別在於：(1)除了分支電極104的邊緣與透明導電層210重疊之外，P電極接墊102的邊緣也會與透明導電層210重疊；(2)柱體結構130僅僅形成在P電極接墊102的正下方，但是分佈式布拉格反射層208除了形成在P電極接墊102的正下方構成三維立體反射圖案，也會形成在分支電極104的正下方構成二維平面反射圖案。如此，電流由分支電極104與透明導電層210重疊處以及P電極接墊102與透明導電層210重疊處導出，達到擴散電流之功效。另外，如第7C圖所示，在基板110相對於磊晶結構200的另一面可以設置一反射層209，其材料可為金屬，藉以增加光反射，正向光之取出。
請參閱第8A圖至第8C圖，其中，第8A圖為依據本發明另一實施例所繪示的發光二極體元件的正面上視圖，第8B圖為第8A圖中沿著切線VI-VI’所視之剖面示意圖，第8C圖為第8A圖中沿著切線VII-VII’所視之剖面示意圖。如第8A圖至第8C圖所示，發光二極體元件1g結構上與第7A-7B圖的發光二極體元件1f相似，差別在於：分佈式布拉格反射層208僅僅在P電極接墊102的正下方構成三維立體反射圖案，而不會延伸到分支電極104的正下方。電流由分支電極104與透明導電層210重疊處以及P電極接墊102與透明導電層210重疊處導出，達到擴散電流之功效。另外，在基板110相對於磊晶結構200的另一面可以設置一反射層，其材料可為金屬，藉以增加光反射，正向光之取出。
請參閱第9圖，其為依據本發明另一實施例所繪示的發光二極體元件的剖面示意圖。如第9圖所示，發光二極體元件1h係在基板210上依序形成磊晶結構200、透明導電層210及分佈式布拉格反射層208之後，再向下蝕刻分佈式布拉格反射層208、透明導電層210以及磊晶結構200的部分P型半導體層，形成凹陷溝槽140以及立體圖案化結構340。繼之，在凹陷溝槽140以及立體圖案化結構340上形成P電極接墊102，以及在發光平台之外的N電極接觸區12內，形成N電極接墊122。另外，在基板110相對於磊晶結構200的另一面可以設置一反射層209，其材料可為金屬，藉以增加光反射，正向光之取出。
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。
1a、1b、1c、1d、1e、1f、1g．．．發光二極體元件
10．．．發光平台區
10a、10b．．．延伸部
12．．．N電極接觸區
100．．．P電極區
102．．．P電極接墊
104．．．分支電極
110．．．基板
122．．．N電極接墊
130．．．柱體結構
130’．．．柱體結構
130”．．．柱體結構
130a．．．頂面
130b．．．傾斜側壁
140．．．凹陷溝槽
140a．．．底面
200．．．磊晶結構
202．．．N型半導體層
204．．．活性發光層
206．．．P型半導體層
206a．．．頂面
208．．．分佈式布拉格反射層
209．．．反射層
210．．．透明導電層
304．．．光線
306．．．反射光
340．．．立體圖案化結構
S．．．正面
第1A圖為依據本發明較佳實施例所繪示的發光二極體元件的正面上視圖。
第1B圖為第1A圖中沿著切線I-I’所視之剖面示意圖。
第2圖為本發明發光二極體元件的柱體結構的側視立體圖。
第3圖為依據本發明另一實施例所繪示的發光二極體元件的剖面示意圖。
第4圖為依據本發明又另一實施例所繪示的發光二極體元件的剖面示意圖。
第5A圖為依據本發明另一實施例所繪示的發光二極體元件的正面上視圖。
第5B圖為第5A圖中沿著切線II-II’所視之剖面示意圖。
第6A圖為依據本發明另一實施例所繪示的發光二極體元件的正面上視圖。
第6B圖為第6A圖中沿著切線III-III’所視之剖面示意圖。
第7A圖為依據本發明另一實施例所繪示的發光二極體元件的正面上視圖。
第7B圖為第7A圖中沿著切線IV-IV’所視之剖面示意圖。
第7C圖為第7A圖中沿著切線V-V’所視之剖面示意圖。
第8A圖為依據本發明另一實施例所繪示的發光二極體元件的正面上視圖。
第8B圖為第8A圖中沿著切線VI-VI’所視之剖面示意圖。
第8C圖為第8A圖中沿著切線VII-VII’所視之剖面示意圖。
第9圖為依據本發明另一實施例所繪示的發光二極體元件的剖面示意圖。
100．．．P電極區
110．．．基板
130．．．柱體結構
202．．．N型半導體
204．．．活性發光層
206．．．P型半導體層
206a．．．頂面
12．．．N電極接觸區
102．．．P電極接墊
104．．．分支電極
122．．．N電極接墊
130a．．．頂面
130b．．．傾斜側壁
140．．．凹陷溝槽
140a．．．底面
200．．．磊晶結構
208．．．分佈式布拉格反射層
209．．．反射層
210．．．透明導電層
304．．．光線
306．．．反射光
S．．．正面
Claims (14)
- 一種發光元件，包含有：一基底；一磊晶結構，設於該基底上，該磊晶結構至少包含有一第一導電型半導體層、一活性發光層以及一第二導電型半導體層；一第一電極，設於該第一導電型半導體層上；一透明導電層，位於該第一電極與該第一導電型半導體層之間；以及一三維立體分佈式布拉格反射層，位於該透明導電層與該第一導電型半導體層之間，其中該第一電極另包含有一分支電極。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該三維立體分佈式布拉格反射層僅僅設於該第一電極的下方。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該磊晶結構包含有複數個柱體結構。
- 如申請專利範圍第3項所述之發光元件，其中該複數個柱體結構僅形成於該第一電極的正下方。
- 如申請專利範圍第3項所述之發光元件，其中該三維立體分佈式布拉格反射層係形成在該複數個柱體結構的表面上。
- 如申請專利範圍第3項所述之發光元件，其中該複數個柱體結構之間係為一凹陷溝槽，其中該凹陷溝槽的深度係選自於下列組成或之一：該凹陷溝槽的深度比該活性發光層更深，並深入到該第二導電型半導體層；該凹陷溝槽的深度不會超過該第一導電型半導體層的厚度；以及該凹陷溝槽的深度不會超過該第一導電型半導體層以及該活性發光層的厚度總和。
- 如申請專利範圍第6項所述之發光元件，其中各該柱體結構的傾斜側壁與凹陷溝槽的底面之間具有一銳角夾角θ，其中該銳角夾角θ介於35°至80°之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該透明導電層僅與該分支電極重疊，且該第一電極直接接觸該三維立體分佈式布拉格反射層。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該透明導電層僅與該分支電極之邊緣重疊。
- 一種發光元件，包含有：一基底；一磊晶結構，設於該基底上，該磊晶結構至少包含有一第一導電型半導體層、一活性發光層以及一第二導電型半導體層；以及一第一電極，設於該第一導電型半導體層上；其中該磊晶結構包含複數個柱體結構，該複數個柱體結構僅位於該第一電極下方，其中該第一電極包含一電極接墊以及一分支電極。
- 如申請專利範圍第10項所述之發光元件，更包含一布拉格反射層位於該第一電極與該第一導電型半導體層之間，其中該布拉格反射層僅位於該複數個柱體結構上。
- 如申請專利範圍第10項所述之發光元件，更包含一透明導電層，位於該第一電極與該第一導電型半導體層之間。
- 如申請專利範圍第10項所述之發光元件，其中該複數個柱體結構僅位於該電極接墊的正下方。
- 如申請專利範圍第12項所述之發光元件，其中該透明導電層僅與該分支電極以及該電極接墊的邊緣重疊。
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