TWI539632B - 發光二極體結構 - Google Patents

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TWI539632B
TWI539632B TW102139967A TW102139967A TWI539632B TW I539632 B TWI539632 B TW I539632B TW 102139967 A TW102139967 A TW 102139967A TW 102139967 A TW102139967 A TW 102139967A TW I539632 B TWI539632 B TW I539632B
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許文杰
蔡宗良
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隆達電子股份有限公司
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Description

發光二極體結構
本發明係關於一種發光元件，且特別係關於一種發光二極體結構。
由於發光二極體具有低耗電及體積小等優點，已逐漸成為目前主流發光裝置之一。典型的發光二極體包含一N型半導體層、一主動層以及一P型半導體層，三者由下往上堆疊。N型半導體層及P型半導體層上均設有一金屬電極，以供電給N型半導體層及P型半導體層。
P型半導體層的材料與其上方的透明導電材料之間存在折射率的差異。這樣的折射率差異容易導致全反射的發生，阻擋光線射出發光二極體外，而造成取光效率的下降。
有鑑於此，本發明之一目的係在於提高發光二極體的取光效率。
為了達到上述目的，依據本發明之一實施方式，一 種發光二極體結構包含一第一型半導體層、一發光層、一第二型半導體層、複數第一取光提升結構以及一透明導電層。發光層係設置於部分第一型半導體層上，並且裸露出部分第一型半導體層。第二型半導體層係設置於發光層上，其折射率為n1。第一取光提升結構係設置於第二型半導體層上，其折射率為n2。每一第一取光提升結構彼此互相間隔，且均具有至少一相對第二型半導體層上表面傾斜之出光斜面。透明導電層適順性地(conformably)覆蓋第一取光提升結構及第二型半導體層，且其折射率為n3，其中n2>n3。
於本發明之一或多個實施方式中，n2>n1。
於本發明之一或多個實施方式中，發光二極體結構更包括一第一電極以及一第二電極。第一電極係形成於部分裸露的第一型半導體層上。第二電極係形成於透明導電層上。
於本發明之一或多個實施方式中，發光二極體結構更包括複數第二取光提升結構設置於部分裸露的第一型半導體層。第二取光提升結構之折射率為n4。各第二取光提升結構彼此間隔，使得第一電極得以與第一型半導體層連接，且n4>n1。
於本發明之一或多個實施方式中，各第一及各第二取光提升結構之剖面係呈梯形、三角形、半圓形或矩形。
於本發明之一或多個實施方式中，第一及第二取光提升結構係由氧化物所構成。
於本發明之一或多個實施方式中，其中氧化物為TiO2、Ti3O5、MgO、Al2O3、HfO2、ZrO2或Y2O3其中之一或其組合。
於本發明之一或多個實施方式中，其中第一型半導體層為N型半導體層，第二型半導體層為P型半導體層。
依據本發明之另一實施方式，一種發光二極體包含一第一型半導體層、一發光層、一第二型半導體層、一透明導電層以及一第一取光提升層。發光層係設置於部分第一型半導體層上，並且裸露出部分第一型半導體層。第二型半導體層係設置於發光層上，其折射率為n1。透明導電層係設置於第二型半導體層上，且其折射率為n3。第一取光提升層係設置於透明導電層上，其折射率為n2，其中，n2>n3。
於本發明之一或多個實施方式中，n2>n1。
於本發明之一或多個實施方式中，發光二極體結構更包括一第一電極以及一第二電極。第一電極係形成於部分裸露的第一型半導體層上。第二電極係形成於第一取光提升層上。第一取光提升層具有一露出透明導電層之第一開口，使得第二電極可經第一開口與透明導電層連接。
於本發明之一或多個實施方式中，發光二極體結構更包括一第二取光提升層，設置於部分裸露的第一型半導體層，其折射率為n4。第二取光提升層具有一裸露出第一型半導體層表面之第二開口，使得第一電極得以經由第二開口與第一型半導體層連接，且n4>n1。
於本發明之一或多個實施方式中，第一取光提升層及第二取光提升層係由複數彼此互相間隔的取光提升結構所構成。
於本發明之一或多個實施方式中，取光提升結構之剖面係呈梯形、三角形、半圓形或矩形。
於本發明之一或多個實施方式中，第一取光提升層及第二取光提升層之表面具有複數凹凸結構。
於本發明之一或多個實施方式中，第一及第二取光提升層係由氧化物所構成。
於本發明之一或多個實施方式中，氧化物為TiO2、Ti3O5、MgO、Al2O3、HfO2、ZrO2或Y2O3其中之一或其組合。
於本發明之一或多個實施方式中，第一型半導體層為N型半導體層，第二型半導體層為P型半導體層。
以上所述僅係用以闡述本發明所欲解決的問題、解決問題的技術手段、及其產生的功效等等，本發明之具體細節將在下文的實施方式及相關圖式中詳細介紹。
10‧‧‧發光二極體結構
10a‧‧‧發光二極體結構
10b‧‧‧發光二極體結構
100‧‧‧第一型半導體層
110‧‧‧上表面
112‧‧‧第一區域
114‧‧‧第二區域
200‧‧‧發光層
300‧‧‧第二型半導體層
310‧‧‧上表面
410‧‧‧第一取光提升結構
412‧‧‧底面
414‧‧‧頂面
416‧‧‧出光斜面
420‧‧‧第二取光提升結構
422‧‧‧底面
424‧‧‧頂面
426‧‧‧出光斜面
500‧‧‧透明導電層
600‧‧‧第一電極
700‧‧‧第二電極
800‧‧‧第一取光提升層
800a‧‧‧第一取光提升層
810‧‧‧取光提升結構
810a‧‧‧凹凸結構
816‧‧‧出光斜面
820‧‧‧第一開口
820a‧‧‧第一開口
900‧‧‧第二取光提升層
910‧‧‧取光提升結構
910a‧‧‧凹凸結構
920‧‧‧第二開口
920a‧‧‧第二開口
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：第1圖繪示依據本發明第一實施方式之發光二極體結構的剖面圖；第2圖繪示依據本發明第二實施方式之發光二極體結構的 剖面圖；以及第3圖繪示依據本發明第三實施方式之發光二極體結構的剖面圖。
以下將以圖式揭露本發明之複數實施方式，為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，熟悉本領域之技術人員應當瞭解到，在本發明部分實施方式中，這些實務上的細節並非必要的，因此不應用以限制本發明。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之。
第一實施方式
第1圖繪示依據本發明第一實施方式之發光二極體結構10的剖面圖。如第1圖所示，發光二極體結構10可包含一第一型半導體層100、一發光層200、一第二型半導體層300、複數第一取光提升結構410以及一透明導電層500。發光層200係設置於部分第一型半導體層100上。第二型半導體層300係設置於發光層200上。第二型半導體層300之折射率為n1。第一取光提升結構410係設置於第二型半導體層300上。第一取光提升結構410之折射率為n2。第一取光提升結構410具有至少一相對第二型半導體層300的上表面310傾斜之出光斜面416。透明導電層500適順性地(conformably)覆蓋第一取光提升結構410及第二 型半導體層300。透明導電層500之折射率為n3，其中n2>n3。
由於第一取光提升結構410具有接觸透明導電層500的出光斜面416。因此，當光線前進至出光斜面416時，其進入透明導電層500的入射角會變小，從而可減少全反射的發生，而順利進入透明導電層500。
於上述實施方式中，第一取光提升結構410之折射率n2係大於第二型半導體層300之折射率n1。根據司乃爾定律(Snell’s law)，當光線從發光層200前進至第二型半導體層300與第一取光提升結構410間的交界時，臨界角會變大，換句話說，光線需要在較大的入射角下，才會在上述交界發生全反射。因此，當光線從發光層200前進至第二型半導體層300與第一取光提升結構410間的交界時，光線較容易進入折射率較高的第一取光提升結構410，而不容易發生全反射，從而可幫助光線射出第二型半導體層300之上表面310，而進入第一取光提升結構410。
另外，雖然第一取光提升結構410之折射率n2大於透明導電層500之折射率n3，而可能會降低臨界角，但由於當光線前進至出光斜面416時，其進入透明導電層500的入射角會變小，從而可減少全反射的發生，而順利進入透明導電層500。此外，由於透明導電層500適順性地覆蓋第一取光提升結構410，故其形狀與第一取光提升結構410相同，因此，類似於上述原理，即使透明導電層500的折射率n3大於空氣(或額外的封裝材料，如環氧樹脂等)的折 射率，其亦可利用傾斜面來降低光線進入空氣(或額外的封裝材料)的入射角。故由上述原理可知，本實施方式之發光二極體結構10可利於光線射出，從而可提升取光效率。
於本實施方式中，第一取光提升結構410之剖面係呈梯形。具體來說，第一取光提升結構410具有一底面412以及相對於底面412之一頂面414。底面412接觸第二型半導體層300之上表面310。出光斜面416連接底面412及頂面414。底面412之面積與頂面414之面積不同。舉例來說，底面412之面積可大於頂面414之面積，換句話說，第一取光提升結構410在沿底面412朝頂面414的方向上係漸縮的。於其他實施方式中，第一取光提升結構410之剖面亦可呈三角形、半圓形或矩形，但並不以此為限。
於部分實施方式中，發光層200裸露出部分第一型半導體層100。換句話說，第一型半導體層100之上表面110具有一第一區域112與鄰接第一區域112之一第二區域114。第一區域112被發光層200所覆蓋，而第二區域114不被發光層200所覆蓋。發光二極體結構10還包含一第一電極600以及一第二電極700。第一電極600係形成於部分裸露的第一型半導體層100上，亦即，第一電極600係形成於第一型半導體層100之上表面110的第二區域114，以供電給第一型半導體層100。第二電極700係形成於透明導電層500上，以藉由透明導電層500供電給第二型半導體層300。
於部分實施方式中，每一第一取光提升結構410彼 此互相間隔，換句話說，相鄰第一取光提升結構410係互相分隔一間距的，而部分透明導電層500係位於此間距中，並接觸第二型半導體層300之上表面310。如此一來，透明導電層500可電性連接於第二電極700與第二型半導體層300之間，以利第二電極700供電給第二型半導體層300。
於部分實施方式中，發光二極體結構10可包含複數第二取光提升結構420。第二取光提升結構420係設置於部分裸露的第一型半導體層100。第二取光提升結構420之折射率為n4，且n4>n1。第二取光提升結構420彼此間隔，換句話說，相鄰兩第二取光提升結構420係分隔一間距的，而部分第一電極600係位於此間距中，使得第一電極600得以與第一型半導體層100連接。
於本實施方式中，第二取光提升結構420之剖面係呈梯形。具體來說，第二取光提升結構420具有一底面422、頂面424以及一出光斜面426。頂面424係相對於底面422。底面422接觸第一型半導體層100之上表面110的第二區域114。出光斜面426連接底面422及頂面424。底面422之面積與頂面424之面積不同。舉例來說，底面422之面積可大於頂面424之面積，換句話說，第二取光提升結構420在沿底面422朝頂面424的方向上係漸縮的。於其他實施方式中，第二取光提升結構420之剖面亦可呈三角形、半圓形或矩形，但並不以此為限。
於部分實施方式中，第一取光提升結構410與第二取光提升結構420係由氧化物所構成。舉例來說，氧化物 可為TiO2、Ti3O5、MgO、Al2O3、HfO2、ZrO2或Y2O3其中之一或其組合。
於部分實施方式中，第一型半導體層100是一N型半導體層，第二型半導體層300是一P型半導體層。舉例而言，第一型半導體層100可由摻雜有N型雜質的氮化物半導體所構成，例如：N型氮化鎵(n-GaN)，其可在純的氮化鎵晶體中摻雜四族元素雜質(如：矽)而形成。第二型半導體層300可由摻雜有P型雜質的氮化物半導體所構成，例如：P型氮化鎵(p-GaN)，其可在純的氮化鎵晶體中摻雜二族元素雜質(如：鎂)而形成。
於部分實施方式中，發光層200包含複數個量子井(quantum well)結構，以幫助第一型半導體層100及第二型半導體層300所提供的電子及電洞結合。
於部分實施方式中，透明導電層500之材質可為氧化銦錫(ITO)或氧化銦鋅(IZO)，但不以此為限。
第二實施方式
第2圖繪示依據本發明第二實施方式之發光二極體結構10a的剖面圖。如第2圖所示，本實施方式之發光二極體結構10a包含一第一型半導體層100、一發光層200、一第二型半導體層300、一透明導電層500以及一第一取光提升層800。發光層200係設置於部分第一型半導體層100上，並且裸露出部分第一型半導體層100。第二型半導體層300係設置於發光層200上，其折射率為n1。透明 導電層500係設置於第二型半導體層300上，且其折射率為n3。第一取光提升層800係設置於透明導電層500上，第一取光提升層800之折射率為n2，其中，n2>n1，且n2>n3。第一取光提升層800係由複數彼此互相間隔的取光提升結構810所構成。每一取光提升結構810具有一出光斜面816。
於上述實施方式中，由於第一取光提升層800之折射率n2係大於透明導電層500之折射率n3，根據司乃爾定律(Snell’s law)，當光線從發光層200前進至透明導電層500與第一取光提升層800間的交界時，臨界角會變大，換句話說，光線需要在較大的入射角下，才會在上述交界發生全反射。因此，當光線從發光層200前進至透明導電層500與第一取光提升層800間的交界時，光線較容易進入折射率較高的第一取光提升層800，而不容易發生全反射，從而可幫助光線射出透明導電層500，而進入第一取光提升層800。
另外，雖然第一取光提升層800之折射率n2大於空氣(或額外的封裝材料)的折射率，但由於第一取光提升層800具有出光斜面816。因此，當光線前進至出光斜面816時，其進入空氣(或額外的封裝材料)的入射角會變小，從而可減少全反射的發生，而順利進入空氣(或額外的封裝材料)。
於部分實施方式中，發光二極體結構10a還包含一第二取光提升層900，其係設置於部分裸露的第一型半導體 層100。第二取光提升層900係由複數彼此互相間隔的取光提升結構910所構成。第二取光提升層900之折射率為n4，且n4>n1。
於部分實施方式中，每一取光提升結構810及910之形狀係如同第一實施方式之第一取光提升結構410及第二取光提升結構420，亦即，每一取光提升結構810及910之剖面可呈梯形、三角形、半圓形或矩形，但並不以此為限。
於部分實施方式中，發光二極體結構10a更包括一第一電極600與一第二電極700。第一電極600係形成於部分裸露的第一型半導體層100上。第二電極700係形成於第一取光提升層800上。第一取光提升層800具有一露出透明導電層500之第一開口820。部分第二電極700可位於第一開口820中，以使得第二電極700可經第一開口820與透明導電層500連接。
於部分實施方式中，第二取光提升層900具有一裸露出第一型半導體層100表面之第二開口920，部分第一電極600可位於第二開口920中，以使得第一電極600得以經由第二開口920與第一型半導體層100連接。
於部分實施方式中，第一取光提升層800與第二取光提升層900係由氧化物所構成。舉例來說，氧化物可為TiO2、Ti3O5、MgO、Al2O3、HfO2、ZrO2或Y2O3其中之一或其組合。
本實施方式之其他技術特徵係如同第一實施方式 中所載，故不再重複敘述。
第三實施方式
第3圖繪示依據本發明第三實施方式之發光二極體結構10b的剖面圖。如第3圖所示，本實施方式與第二實施方式之間的主要差異係在於：發光二極體結構10b的第一取光提升層800a與第二取光提升層900a並非互相間隔的凸塊結構，且第一取光提升層800a具有複數凹凸結構810a，而第二取光提升層900a具有複數凹凸結構910a。上述凹凸結構810a與可降低光線在第一取光提升層800a與空氣(或其他封裝材料)間交界的入射角，而減少全反射的發生。相似地，上述凹凸結構910a與可降低光線在第二取光提升層900a與空氣(或其他封裝材料)間交界的入射角，而減少全反射的發生。
類似於第二實施方式，第一取光提升層800a具有一露出透明導電層500之第一開口820a。部分第二電極700可位於第一開口820中，以使得第二電極700可經第一開口820a與透明導電層500連接。
亦類似於第二實施方式，第二取光提升層900a具有一裸露出第一型半導體層100表面之第二開口920a，部分第一電極600可位於第二開口920a中，以使得第一電極600得以經由第二開口920a與第一型半導體層100連接。
本實施方式之其他技術特徵係如同第一實施方式與第二實施方式中所載，故不再重複敘述。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此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。
10‧‧‧發光二極體結構
100‧‧‧第一型半導體層
110‧‧‧上表面
112‧‧‧第一區域
114‧‧‧第二區域
200‧‧‧發光層
300‧‧‧第二型半導體層
310‧‧‧上表面
410‧‧‧第一取光提升結構
412‧‧‧底面
414‧‧‧頂面
416‧‧‧出光斜面
420‧‧‧第二取光提升結構
422‧‧‧底面
424‧‧‧頂面
426‧‧‧出光斜面
500‧‧‧透明導電層
600‧‧‧第一電極
700‧‧‧第二電極

Claims (15)

  1. 一種發光二極體結構，包含：一第一型半導體層；一發光層，設置於部分該第一型半導體層上，並且裸露出部分該第一型半導體層；一第二型半導體層，設置於該發光層上，其折射率為n1；複數第一取光提升結構，設置於該第二型半導體層上，其折射率為n2，各該等第一取光提升結構彼此互相間隔，且均具有至少一相對該第二型半導體層上表面傾斜之出光斜面；以及一透明導電層，適順性地覆蓋該等第一取光提升結構及該第二型半導體層，且其折射率為n3，其中，n2>n3；一第一電極，形成於該部分裸露的該第一型半導體層上；一第二電極，形成於該透明導電層上；以及複數第二取光提升結構設置於該部分裸露的該第一型半導體層，其折射率為n4，各該等第二取光提升結構彼此間隔，使得該第一電極得以與該第一型半導體層連接，且n4>n1。
  2. 如請求項1所述之發光二極體結構，其中n2>n1。
  3. 如請求項1所述之發光二極體結構，其中各該等第一及各該等第二取光提升結構之剖面係呈梯形、三角形、或 半圓形。
  4. 如請求項3所述之發光二極體結構，其中該等第一及該等第二取光提升結構係由氧化物所構成。
  5. 如請求項4所述之發光二極體結構，其中該氧化物為TiO2、Ti3O5、MgO、Al2O3、HfO2、ZrO2或Y2O3其中之一或其組合。
  6. 如請求項1或2所述之發光二極體結構，其中該第一型半導體層為N型半導體層，該第二型半導體層為P型半導體層。
  7. 一種發光二極體結構，包含：一第一型半導體層；一發光層，設置於部分該第一型半導體層上，並且裸露出部分該第一型半導體層；一第二型半導體層，設置於該發光層上，其折射率為n1；一透明導電層，設置於該第二型半導體層上，且其折射率為n3；一第一取光提升層，設置於該透明導電層上，其折射率為n2，該第一取光提升層之表面具有複數凹凸結構，其中，n2>n3； 一第一電極，形成於該部分裸露的該第一型半導體層上；以及一第二電極，形成於該第一取光提升層上，其中該第一取光提升層具有一露出該透明導電層表面之第一開口，使得該第二電極可經該第一開口與該透明導電層連接。
  8. 如請求項7所述之發光二極體結構，其中n2>n1。
  9. 如請求項7所述之發光二極體結構，更包括一第二取光提升層，設置於該部分裸露的該第一型半導體層，其折射率為n4，且該第二取光提升層具有一裸露出該第一型半導體層表面之第二開口，使得該第一電極得以經由該第二開口與該第一型半導體層連接，且n4>n1。
  10. 如請求項9所述之發光二極體結構，其中該第一取光提升層及該第二取光提升層係由複數彼此互相間隔的取光提升結構所構成。
  11. 如請求項10所述之發光二極體結構，其中各該等取光提升結構之剖面係呈梯形、三角形、或半圓形。
  12. 如請求項9所述之發光二極體結構，其中該第二取光提升層之表面具有複數凹凸結構。
  13. 如請求項9至12中任一項所述之發光二極體結 構，其中該第一及該第二取光提升層係由氧化物所構成。
  14. 如請求項13所述之發光二極體結構，其中該氧化物為TiO2、Ti3O5、MgO、Al2O3、HfO2、ZrO2或Y2O3其中之一或其組合。
  15. 如請求項7所述之發光二極體結構，其中該第一型半導體層為N型半導體層，該第二型半導體層為P型半導體層。
TW102139967A 2013-11-04 2013-11-04 發光二極體結構 TWI539632B (zh)

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