TWI533469B - 發光二極體 - Google Patents

Description

發光二極體

本發明有關於一種發光二極體及其製造方法，且特別是有關一種具有高度發光效率之發光二極體及其製造方法。

時至今日，發光二極體的應用領域已甚為廣泛，例如按鍵系統、手機螢幕背光模組、車輛照明系統、裝飾用燈飾及遙控領域等產品，皆見到發光二極體被廣泛地應用。為了讓發光二極體儘可能地確保較高的功能可靠性以及較低的能源消耗，因此對於發光二極體需要求其本身的發光效率。

請參閱圖一。圖一係繪示一習知的發光二極體之截面視圖。習知發光二極體1包含一基板10、一N-type氮化鎵層11、一發光層12、一P-type氮化鎵層13以及電極14、15。習知藉由導通P-type氮化鎵層13及N-type氮化鎵層11，藉以使該發光二極體1運作。而電極15係形成於於P-type氮化鎵層13上，電極14係形成於N-type氮化鎵層11上。

一般而言，發光二極體的發光效率與其本身的內部量子效率及光取出效率(light-extraction efficiency)有關。所謂內部量子效率係由材料特性及品質所決定。至於光取出效率則是意謂從發光二極體內部發出至周圍空氣或是封裝的環氧樹脂內之輻射比例。雖然到目前為止已經有許多種不同結構的發光二極體被提出，但是如何充份提高發光二極體之光取出效率及發光效率仍然是亟待克服的問題。

本發明之一範疇在於提供一種具有高度發光效率之發光二極體。

發光二極體包含：一發光結構，包含一第一傳導型態半導體層、一發光層、及一第二傳導型態半導體層；一間隙，形成於在該發光結構內；一導電層，形成在該間隙內；及一絕緣層，形成在該導電層與該發光結構之間。

1、2、6‧‧‧發光二極體

10、20、60‧‧‧基板

11‧‧‧N-type氮化鎵層

12‧‧‧發光層

13‧‧‧P-type氮化鎵層

14、15‧‧‧電極

21、61‧‧‧反射層

22、62‧‧‧主要的堆疊結構

24、64‧‧‧柱狀結構

26、74‧‧‧第一傳導型態半導體層

28、76‧‧‧發光層

30、78‧‧‧第二傳導型態半導體層

31‧‧‧半導體堆疊結構

32‧‧‧透明絕緣材料

34、68‧‧‧透明導電層

36、70‧‧‧第一電極

38、72‧‧‧第二電極

310‧‧‧周圍部

69‧‧‧透明絕緣材料層

第一圖係繪示一習知的發光二極體之截面視圖。

第二A及二B圖係繪示根據本發明之發光二極體之截面視圖。

第二C圖係繪示柱狀結構之表面粗糙化之截面視圖。

第二D圖係繪示柱狀結構之截面呈現梯形之截面視圖。

第三A至三F圖係繪示本發明之一具體實施例之製造圖二A之發光二極體之一系列截面視圖。

第三G圖係繪示圖三A所示結構之上視圖。

第三H圖係繪示圖三B所示結構之上視圖。

第三I圖係繪示柱狀結構排列成內外兩層環狀圈之上視圖。

第四A及四B圖係繪示本發明另一具體實施例之發光二極體之截面視圖。

第五A至五E圖係繪示本發明之一具體實施例之製造第四A圖之發光二極體之一系列截面視圖。

請參閱圖二A。圖二A係繪示根據本發明之一具體實施例之發光二極體2之截面視圖。

如圖二A所示，該發光二極體2包含一基板20、一主要的堆疊結構22、複數個次要的柱狀結構24、一透明絕緣材料32、一透明導電層34、一第一電極36以及一第二電極38。於實際應用中，基板20上定義有一切割道，並且大部份的柱狀結構24之位置大致上可位於切割道之上。

主要的堆疊結構22形成於基板20上，而該複數個次要的柱狀結構24形成於基板20上並圍繞堆疊結構，其中，堆疊結構及每一個柱狀結構24皆具有依序形成於該基板20上之一第一傳導型態半導體層26、一發光層28，以及一第二傳導型態半導體層30。並且，該第一傳導型態半導體層26、該發光層28及該第二傳導型態半導體層30於實務上皆可由一氮化物材料所製成。

如圖二A所示，本發明發光二極體2之透明絕緣材料32填充於該複數個柱狀結構24之間的間隙中以大致上同高於該複數個柱狀結構24。並且，於一較佳具體實施例中，該透明絕緣材料32之折射率介於空氣之折射率與該氮化物材料之折射率之間。透明導電層34披覆於主要的堆疊結構22、複數個柱狀結構24及透明絕緣材料32上。第一電極36形成於透明導電層34上，第二電極38形成於部份外露出的第一傳導型態半導體層26上。於一較佳具體實施例中，發光二極體2進一步包含形成於基板20之底表面上之一反射層21，促使發光二極體2向上出光。

請參閱圖二B。於另一較佳具體實施例中，主要的堆疊結構22、複數個柱狀結構24及透明絕緣材料32之頂表面上靠近第二電極38之處係預留特定範圍不鍍上透明導電層34，藉此以避免第二電極38在打線時與透明導電層34接觸造成短路。

需注意的是，該複數個柱狀結構24之表面輪廓可以經過設計以進一步增加發光二極體之光取出率。於一較佳具體實施例中，該複數 個柱狀結構24之表面及設置該複數個柱狀結構24之第一傳導型態半導體層26之區域範圍係粗糙化，如圖二C所示。於另一較佳具體實施例中，該複數個柱狀結構24之截面可呈現梯形，如圖二D所示。於再一較佳具體實施例中，該複數個柱狀結構為中空的結構。

另外，於另一具體實施例中，發光二極體2之第一電極36形成於透明導電層34上，而第二電極38可形成於基板20之下表面上。需注意的是，此實施例中之基板係由導電材料所製成。關於此實施例之發光二極體的優點在於，發光層不需要被部份蝕刻以使第一傳導型態半導體層之上表面有部份區域外露以作為電極置放區，所以此實施例之發光二極體的發光面積較大。

請配合參閱圖二A及圖三A至圖三F。圖三A至圖三F係繪示本發明之一具體實施例之製造發光二極體2之一系列截面視圖。該製造方法敘述如下：

如圖三A所示，首先，連續地形成第一傳導型態半導體層26、發光層28及第二傳導型態半導體層30於基板20上以製備一半導體堆疊結構31。於一較佳具體實施例中，該方法進一步形成反射層21於基板20之底表面上，促使發光二極體2向上出光。請參閱圖三G。圖三G係繪示圖三A所示結構之上視圖，其中陰影處代表半導體堆疊結構31之一周圍部310。

接著，執行一蝕刻製程於半導體堆疊結構31之周圍部310上，致使半導體堆疊結構被蝕刻出主要的堆疊結構22及複數個位於周圍部310且圍繞主要的堆疊結構22之柱狀結構24，如圖三B及圖三H所示。圖三H係繪示圖三B所示結構之上視圖，其中複數個柱狀結構24可分散且密集地分佈在周圍部上之特定區域。特別要注意的是，圖三G中虛線所指之處可代表基板20其上定義的切割道位置。比對圖三G及圖三H可知，大部份的柱狀結構24之位置大致上位於切割道之上。另外，如圖三H所示， 經過蝕刻之後，第一傳導型態半導體層26之上表面有部份區域外露以作為電極置放區。

另外，於一具體實施例中，複數個柱狀結構24可構成至少一環狀圈以圍繞主要的堆疊結構22之發光層28，且每一環狀圈由複數個柱狀結構大致上彼此相連而構成。如圖三I所示，複數個柱狀結構24可以排列成內外兩層環狀圈的圖形，以確保複數個柱狀結構儘可能將主要的堆疊結構22之發光層28射出之光線全部導向發光二極體之出光面。

接著，如圖三C所示，將透明絕緣材料32佈滿圖三B所示之整個元件，包含填充於複數個柱狀結構24之間的間隙中。

然後，如圖三D所示，該方法可利用選擇性的蝕刻方式並搭配平面化製程以去除多餘的透明絕緣材料32，致使填充於複數個柱狀結構24之間的間隙中之透明絕緣材料32大致上同高於複數個柱狀結構24。

接著，如圖三E所示，披覆透明導電層34於主要的堆疊結構22、複數個柱狀結構24及透明絕緣材料32上。

接著，如圖三F所示，分別形成第一電極36於透明導電層34上，與第二電極38於部份外露出的第一傳導型態半導體層26上。

請參閱圖四A。圖四A係繪示本發明另一具體實施例之發光二極體6之截面視圖。

發光二極體6包含一基板60、一主要的堆疊結構62、複數個次要的柱狀結構64、一連續的透明絕緣材料層69、一連續的透明導電層68、一第一電極70以及一第二電極72。於實際應用中，基板60上定義有一切割道，並且大部份的柱狀結構64之位置大致上可位於切割道之上。

主要的堆疊結構62形成於基板60上，而該複數個次要的柱狀結構64形成於基板60上並圍繞主要的堆疊結構62。該主要的堆疊結構62及每一個柱狀結構64皆具有依序形成於該基板60上之一第一傳導型態半導體層74、一發光層76與一第二傳導型態半導體層78。並且，該第一 傳導型態半導體層74、該發光層76及該第二傳導型態半導體層78於實務上皆可由一氮化物材料所製成。

如圖四A所示，連續的透明絕緣材料層69披覆於設置該複數個柱狀結構64之第一傳導型態半導體層74之上表面上、主要的堆疊結構62及該複數個柱狀結構64個別的第一傳導型態半導體層74、發光層76與第二傳導型態半導體層78之側表面上，致使主要的堆疊結構62及該複數個柱狀結構64個別的第二傳導型態半導體層78之頂表面露出。連續的透明導電層68披覆於該透明絕緣材料層69上、主要的堆疊結構62及該複數個柱狀結構64個別的第二傳導型態半導體層78之頂表面上，致使主要的堆疊結構62及該複數個柱狀結構64彼此導通。

需注意的是，透明絕緣材料層69並不一定要將主要的堆疊結構62及該複數個柱狀結構64個別的第二傳導型態半導體層78之側表面完全蓋住，只要第二傳導型態半導體層78在透明絕緣材料層69披覆後能夠露出與透明導電層68接觸即可。

並且，於一較佳具體實施例中，透明導電層68之折射率介於空氣之折射率與氮化物材料之折射率之間。透明絕緣材料層69之折射率介於空氣之折射率與氮化物材料之折射率之間。特別注意的是，於實際應用中，透明導電層68進一步可填滿於複數個柱狀結構64之間的間隙中，如圖四B所示。

第一電極70形成於透明導電層68上，第二電極72形成於部份外露出的第一傳導型態半導體層74上。於一較佳具體實施例中，發光二極體6進一步包含形成於基板60之底表面上之一反射層61，促使發光二極體6向上出光。

需注意的是，複數個柱狀結構64之表面輪廓可以經過設計以進一步增加發光二極體之光取出率。於一較佳具體實施例中，複數個柱狀結構64之表面及設置該複數個柱狀結構64之第一傳導型態半導體層74 之區域範圍係粗糙化(請再參閱圖二C所示)。於另一較佳具體實施例中，複數個柱狀結構64之截面可呈現梯形，(請再參閱圖二D所示)。於再一較佳具體實施例中，複數個柱狀結構64為中空的結構。

另外，於另一具體實施例中，發光二極體6之第一電極70形成於透明導電層68上，而第二電極72可形成於基板60之下表面上。需注意的是，此實施例中之基板係由導電材料所製成。關於此實施例之發光二極體的優點在於，發光層不需要被部份蝕刻以使第一傳導型態半導體層之上表面有部份區域外露以作為電極置放區，所以此實施例之發光二極體的發光面積較大。

請參閱圖五A至圖五E。圖五A至圖五E係繪示本發明之一具體實施例之製造發光二極體6之一系列截面視圖。該製造方法敘述如下：

如圖五A所示，首先，連續地形成第一傳導型態半導體層74、發光層76及第二傳導型態半導體層78於基板60上以製備一半導體堆疊結構。於一較佳具體實施例中，該方法進一步形成反射層61於基板60之底表面上，促使發光二極體6向上出光。

接著，如圖五B所示，執行一蝕刻製程於半導體堆疊結構之一周圍部上，致使半導體堆疊結構被蝕刻出主要的堆疊結構62及複數個位於周圍部且圍繞主要的堆疊結構62之柱狀結構64。關於周圍部的分佈位置請再參閱圖三G即可。

請再參閱圖三H。於一具體實施例中，複數個柱狀結構64可分散且密集地分佈在周圍部上之特定區域。或者，請再參閱圖三I。於另一具體實施例中，複數個柱狀結構64可構成至少一環狀圈以圍繞主要的堆疊結構62之發光層76，且每一環狀圈由複數個柱狀結構大致上彼此相連而構成。

接著，如圖五C所示，披覆連續的透明絕緣材料層69於設 置該複數個柱狀結構64之第一傳導型態半導體層74之上表面上、主要的堆疊結構62及該複數個柱狀結構64個別的第一傳導型態半導體層74、發光層76與第二傳導型態半導體層78之側表面上。

然後，如圖五D所示，披覆連續的透明導電層68於該透明絕緣材料層69上、主要的堆疊結構62及該複數個柱狀結構64個別的第二傳導型態半導體層78之頂表面上。特別注意的是，透明導電層68進一步可填滿於複數個柱狀結構64之間的間隙中，如圖四B所示。

最後，如圖五E所示，分別形成第一電極70於透明導電層68上，以及第二電極72於部份外露出的第一傳導型態半導體層74上。

相較於習知技術，由於本發明之發光二極體包含如前述之複數個柱狀結構，因此可增加發光二極體之光取出率。進一步來說，填充具有高折射率的透明絕緣材料於該複數個柱狀結構之間的間隙中不但可降低光線於發光二極體內之全反射現象，且可增加元件的抗破壞強度。此外，柱狀結構上方披覆透明導電層，可使發光二極體之驅動電流流向柱狀結構，促使柱狀結構之發光層能夠發光，而不喪失柱狀結構之發光面積。

藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。因此，本發明所申請之專利範圍的範疇應該根據上述的說明作最寬廣的解釋，以致使其涵蓋所有可能的改變以及具相等性的安排。

2‧‧‧發光二極體

20‧‧‧基板

22‧‧‧主要的堆疊結構

24‧‧‧次要的柱狀結構

26‧‧‧第一傳導型態半導體層

28‧‧‧發光層

30‧‧‧第二傳導型態半導體層

32‧‧‧透明絕緣材料

34‧‧‧透明導電層

36‧‧‧第一電極

38‧‧‧第二電極

21‧‧‧反射層

Claims (10)

1. 一種發光二極體，包含：一發光結構，包含一第一傳導型態半導體層、一發光層、及一第二傳導型態半導體層；一間隙，形成於在該發光結構內；一導電層，形成在該間隙內；及一絕緣層，形成在該導電層與該發光結構之間。
2. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體，其中，該第二傳導型態半導體層具有一側表面，該導電層與該第二傳導型態半導體層之該側表面相接觸。
3. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體，其中，該第二傳導型態半導體層具有一頂表面，且該導電層形成於該頂表面上。
4. 如申請專利範圍第3項所述之發光二極體，更包含一第一電極形成於該導電層上，一第二電極形成於該第一傳導型態半導體層上；其中，該導電層未形成於靠近該第一電極之該頂表面上。
5. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體，其中，該間隙之截面係呈梯形。
6. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體，其中，該導電層填滿該間隙。
7. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體，其中，該第一傳導型態半導體層具有一側表面，及其中，該絕緣層覆蓋該第一傳導型態半導體層之 側表面。
8. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體，其中，該發光結構具有一粗糙化之側表面。
9. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體，其中，該導電層包含一透明材料。
10. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體，其中，該發光結構包含氮化物材料，及其中該導電層之折射率介於空氣之折射率與氮化物材料之折射率之間。