TWI545796B - 發光二極體結構 - Google Patents

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Description

發光二極體結構
本發明有關於一種基板及發光二極體結構，尤其是指一種圖案化基板及使用該圖案化基板所製造而成的發光二極體結構。
發光二極體(Light Emitting Diode,LED)是由半導體材料所製成的發光元件，發光二極體元件具有兩個電極端子，在端子間施加電壓，通入極小的電流，經由電子與電洞之結合可將剩餘能量以光的形式激發釋出，此即為發光二極體之基本發光原理。發光二極體不同於一般白熾燈泡，發光二極體是屬於冷發光，具有耗電量低、元件壽命長、無須暖燈時間及反應速度快等優點，再加上其體積小以及適合量產，容易配合應用上的需求而製成極小或陣列式的元件。並且近年來發光二極體在發光亮度上有顯著的突破，使得發光二極體的應用範圍更加廣泛，目前發光二極體已普遍使用於資訊、通訊及消費性電子產品的指示或顯示裝置上，而成為新一代的發光元件。
傳統習知的發光二極體其上層表面是平面狀，且與其相對應的基板為相互平行的平面。如此，當發光時部分光線會穿透上層表面而出射於元件的外部，另一部分的光線則會因光線出射的角度大於臨界角而發生全反射。發生全反射的光線，由於發光二極體的表面及基板是為相互平行之平面，致使全反射的光線永遠無法出射至外部，不但光線的出射效率差，同時，全反射的光線 在發光二極體內部產生熱能，使得發光二極體整體溫度升高，而不利於產品之可靠度要求。因此現行的解決方案為使用一種圖案化藍寶石基板(Patterned Sapphire Substrate,PSS)，並於圖案化藍寶石基板上進行磊晶以形成發光二極體。由於，圖案化藍寶石基板上的圖案可增加光線散射的功用，將有利光線由發光二極體的內部傳導出來，以增加光線的輸出，並且提高發光二極體的整體亮度。
本發明在於提供一種圖案化基板及使用該圖案化基板所製造而成的發光二極體結構，由於基板上突出物體之間具有空孔的因素，將可增加光線的散射，使得光線能充分地從發光二極體的內部發射出來，以使發光二極體產生更好的發光效能。
本發明提供一種圖案化基板，包括一基板及多個突出體。多個突出體是位於基板上，突出體具有一頂面及一底部，每兩個相鄰突出體的兩底部之間最短的距離為0至0.2微米。當每兩個相鄰突出體的兩底部之間最短的距離為0時，每兩個相鄰突出體的兩底部之間為互相連接。
本發明另外提供一種發光二極體結構，包括一基板、多個突出體、一第一半導體層、一發光層、一第二半導體層、一第一電極及一第二電極。多個突出體位於基板上，突出體具有一頂面及一底部，每兩個相鄰突出體的兩底部之間最短的距離為0至0.2微米，且每兩個相鄰突出體之間具有一空孔。當每兩個相鄰突出體的兩底 部之間最短的距離為0時，每兩個相鄰突出體的兩底部之間為互相連接。第一半導體層設置於基板上，且第一半導體層僅覆蓋多個突出體的該些頂面，發光層設置於部分第一半導體層，第二半導體層設置於發光層上。第一電極設置於未覆蓋有發光層之第一半導體層上，第二電極設置於第二半導體層上。
本發明再提供一種發光二極體結構，包括一基板、多個突出體、一第一半導體層、一發光層、一第二半導體層及一第一電極。多個突出體位於基板上，突出體具有一頂面及一底部，每兩個相鄰突出體的兩底部之間最短的距離為0至0.2微米，且每兩個相鄰突出體之間具有一空孔。第一半導體層設置於基板上，且第一半導體層僅覆蓋多個突出體的該些頂面，發光層設置於第一半導體層上，第二半導體層設置於發光層上，第一電極設置於第二半導體層上。當每兩個相鄰突出體的兩底部之間最短的距離為0時，每兩個相鄰突出體的兩底部之間為互相連接。
綜上所述，本發明所製成的水平式發光二極體可保留空孔，並可以減少缺陷的發生，且由於基板上具有空孔，將有利於光線從發光二極體結構的內部散射出來，以增加光線的輸出，進而提高發光二極體的亮度。另外，透過本發明的圖案化基板所製成的垂直式發光二極體結構，由於空孔可成為化學藥劑的通道，便於基板與發光二極體結構使用化學剝離法剝離，取代習知較為昂貴的雷射剝離，將具有成本上的優勢。
為使能更進一步瞭解本發明之特徵及技術內容，請 參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。
請參考圖1所示，本發明提供一種圖案化基板，其包括一基板1及多個突出體2。該些突出體2是位於基板1上，每一個突出體2皆具有一頂面21及一底部22。突出體2的上端形成平台的頂面21，該頂面21可為圓形、三角形、多邊形、菱形或弧形等，然而，該頂面21的形狀並不加以限定。突出體2以底部22與基板1相接，每兩個相鄰突出體2的兩底部22之間最短的距離為0至0.2微米(μm)。然而，當每兩個相鄰突出體2的兩底部22之間最短的距離為0時，每兩個相鄰突出體2的兩底部22之間是為互相連接。其中圖案化基板可為藍寶石(Sapphire)基板、矽基板或碳化矽(SiC)基板，然而圖案化基板的材質並不加以限定。
其中，突出體2的頂面直徑D1與頂面之間距離D2的比值D1/D2介於1/5至5之間。頂面之間距離D2小於等於(≦)10微米(μm)，較佳實施例是介於0.3至2.5微米(μm)之間。形成突出體2的方式，可使用乾蝕刻定義出突出體2，或是可使用濕蝕刻成形突出體2，亦或是可使用乾蝕刻結合濕蝕刻來形成突出體2，然而形成突出體2的方式並不加以限定。在本發明中與習知的圖案化基板的製程差異在於，本發明改變濕蝕刻的條件，如蝕刻藥劑調配的比例與調整反應時間，而透過濕蝕刻使得突出體2的底部22達成相連或相鄰的型態。除此之外，突出體2之間由於是相連或相鄰的型態，因此形成 的不是易於磊晶的c-plane，如此一來，在突出體2之間比較不會產生磊晶，且當磊晶成長進行時，可調整磊晶參數，使得磊晶從c-plane的頂面21開始生長，突出體2之間會因為磊晶成長較少而形成空孔，空孔因而得以保留。
因此，使用本發明的圖案化基板所形成的水平式發光二極體，水平式發光二極體會保留該些空孔，得以透過該些空孔提升光萃取率(light extraction efficiency)。更進一步地說，由於空孔內部為空氣，當水平式發光二極體發出光線之後，光線到達與空孔交界之處，由於折射率的不同，光線會產生反射的效果，故可使得原先射向基板方向的光線會改變其方向，朝向外部射出，如此即可增加光線的強度，得到更好的發光效果。另外，由於磊晶比較不會在非c-plane的突出體2之間生長，因此可避免雜質或缺陷(defect)生長於突出體2之間，進而可減少缺陷產生。
請參考圖2及圖3所示，突出體2a在圖2當中是以三角錐狀體表示，然而，在本發明中突出體2a可為多角錐狀體，且不限定其幾何形狀，因此突出體2a另外可為四角錐狀體、五角錐狀體、六角錐狀體或八角錐狀體等，其中，在本發明中突出體2a較佳實施例為三角錐狀體或六角錐狀體。更進一步地說，突出體2a的頂面21為水平的平面，底部22則具有相對應幾何圖形的多個底角24及多個底邊23，因此當突出體2a為三角錐狀體時則具有三個底角24及三個底邊23，當突出體2a為六角錐狀體時則具有六個底角24及六個底邊23，以此來類 推突出體2a具有底角24及底邊23的數量。
如圖2所示，每一個突出體2a的底角24可分別連接或鄰近於相鄰之突出體2a所對應的底角24，且每一個突出體2a的底角24與相鄰之突出體2a所對應的底角24之間的距離為0至0.2微米(μm)。當底角24之間的距離為0時，每一個突出體2a的底角24是連接於相鄰之突出體2a所對應的底角24，而形成該些突出體2a之間分別以底角24相互連接的型態。
如圖3所示，每一個突出體2a的底角24可分別連接或鄰近於相鄰之突出體2a所對應的底邊23，且每一個突出體2a的底角24與相鄰之突出體2a所對應的底邊23之間的距離為0至0.2微米(μm)。當底角24與對應的底邊23之間的距離為0時，每一個突出體2a的底角24是連接於相鄰之突出體2a所對應的底邊23，而形成該些突出體2a之間是以底角24與底邊23相互連接的型態。然而，在本發明的變化實施例中，上述兩種型態可同時存在，亦即突出體2a之間可透過底角24與相對應的底角24相連接，也可透過底角24與相對應的底邊23相連接，兩種型態同時存在的實施例亦可為本發明的實施態樣。
請參考圖4及圖5所示，每一個突出體2b為圓錐狀體，頂面21為水平的平面，底部22則具有圓弧形的底邊23，每一個突出體2b的底邊23與相鄰之突出體2b所對應的底邊23之間的距離為0至0.2微米(μm)，亦即每一個突出體2b的底邊23是鄰近或連接於相鄰的突出體2b之底邊23。如圖4所示，該些突出體2b的排 列方式是為矩陣排列，更進一步地說，該些突出體2b之間相互對齊，而呈現矩陣類型的排列型態。如圖5所示，該些突出體2b的排列方式是為交錯排列，更進一步地說，該些突出體2b之間錯位約半個突出體2b，而呈現交錯類型的排列型態。
請參考圖6所示，每一個突出體2c為長條梯形體，頂面21為水平的平面，底部22在長邊的方向具有兩底邊23，每一個突出體2c的底邊23與相鄰之突出體2c所對應的底邊23之間的距離為0至0.2微米(μm)，亦即每一個突出體2c以兩底邊23鄰近或連接於相鄰的突出體2c之該底邊23。
請參考圖7所示，本發明另提供一種發光二極體結構，其包括一基板1、多個突出體2、一第一半導體層4、一發光層5、一第二半導體層6、一第一電極8及一第二電極9，發光二極體結構即為水平式發光二極體。
基板1上具有多個突出體2，每一個突出體2具有一頂面21及一底部22，每兩個相鄰突出體2的兩底部之間最短的距離為0至0.2微米(μm)。且每兩個相鄰突出體2之間具有一空孔3，以使得該些突出體2之間皆為空孔3所間隔。由於發光二極體具有該些空孔3，將可以提升光萃取率(light extraction efficiency)，以增加光線的強度，得到更好的發光效果。然而，當每兩個相鄰突出體2的兩底部22之間最短的距離為0時，每兩個相鄰突出體2的兩底部22之間是為互相連接。其中圖案化基板可為藍寶石(Sapphire)基板、矽基板或碳化矽(SiC)基板，然而圖案化基板的材質並不加以限定。
第一半導體層4則設置於基板1上，且第一半導體層4覆蓋該些突出體2，並於部分第一半導體層4上設置發光層5，第二半導體層6設置於發光層5上。另外第一電極8設置於第二半導體層6的上方，第二電極9設置於未覆蓋有發光層5的第一半導體層4上，然而第一電極8及第二半導體層6之間更可包括設置接觸層7，如此即可完成發光二極體結構。
其中，突出體2可為多角錐狀體，頂面21為水平的平面，底部22具有多個底角24及多個底邊23。每一個突出體2以底角24分別鄰近或連接於相鄰之突出體2所對應的底角24或所對應的底邊23。或者，每一個突出體2可為長條梯形體，頂面21為水平的平面，底部22於長邊方向具有兩底邊23，每一個突出體2以兩底邊23鄰近或連接於相鄰的突出體2之底邊23。再或者，每一個突出體2可為圓錐狀體，頂面21為水平的平面，底部22具有一圓弧形底邊23，每一個突出體2以底邊23鄰近或連接於相鄰的突出體2之底邊23，該些突出體2的排列方式可為矩陣排列或交錯排列。
請參考圖8所示，本發明再提供一種發光二極體結構，其包括一基板1、多個突出體2、一第一半導體層4、一發光層5、一第二半導體層6及一第一電極8，該發光二極體結構即為基板剝離前的垂直式發光二極體結構。
基板1上具有多個突出體2，每一個突出體2具有一頂面21及一底部22，每兩個相鄰突出體2的兩底部之間最短的距離為0至0.2微米(μm)。且每兩個相鄰突 出體2之間具有一空孔3，以使得該些突出體2之間皆為空孔3所間隔。然而，當每兩個相鄰突出體2的兩底部22之間最短的距離為0時，每兩個相鄰突出體2的兩底部22之間是為互相連接。其中圖案化基板可為藍寶石(Sapphire)基板、矽基板或碳化矽(SiC)基板，然而圖案化基板的材質並不加以限定。
第一半導體層4則設置於基板1上，且第一半導體層4覆蓋該些突出體2，並於第一半導體層4上設置發光層5，第二半導體層6設置於發光層5上，第一電極8設置於第二半導體層6的上方，然而第一電極8及第二半導體層6之間更可包括設置接觸層7。
其中，突出體2可為多角錐狀體，頂面21為水平的平面，底部22具有多個底角24及多個底邊23。每一個突出體2以底角24分別鄰近或連接於相鄰之突出體2所對應的底角24或所對應的底邊23。或者，每一個突出體2可為長條梯形體，頂面21為水平的平面，底部22於長邊方向具有兩底邊23，每一個突出體2以兩底邊23鄰近或連接於相鄰的突出體2之底邊23。亦或者，每一個突出體2可為圓錐狀體，頂面21為水平的平面，底部22具有一圓弧形底邊23，每一個突出體2以底邊23鄰近或連接於相鄰的突出體2之底邊23，該些突出體2的排列方式可為矩陣排列或交錯排列。
請參考圖9所示，之後會使用化學剝離法或是雷射剝離法，將基板1與第一半導體層4剝離，然而剝離的方法並不加以限定，在本發明較佳實施例中，是使用化學剝離法使基板1與第一半導體層4剝離，接下來再將 第二電極9設置於第一半導體層4的下方，如此即可完成垂直式發光二極體之成品製作。其中，在本發明較佳實施例所使用的化學剝離法，是透過空孔3形成化學藥劑的流道，以使化學藥劑進入基板1與第一半導體層4之間，再經由化學藥劑的作用使得基板1與第一半導體層4剝離，故化學剝離法相較於習知的雷射剝離法，將具有成本上的優勢。
因此，使用本發明的圖案化基板所製成的垂直式發光二極體之成品，雖然圖案化基板不存留在垂直式發光二極體上，然而，由於基板1與第一半導體層4剝離之後，仍可從垂直式發光二極體上的缺陷密度判定原來圖案化基板存在的證據。以下敘述判定的方法，可先將第二電極9移除，再於第一半導體層4的底部進行拋光或研磨，之後使用Threading Dislocation Density(TDD)或Etched Pits Densities(EPDs)的檢測方式判定缺陷密度。使用本發明的圖案化基板所製成的垂直式發光二極體，其第一半導體層4與基板1接觸之處的缺陷密度會產生不均勻現象，原先與突出體2相接之處的缺陷密度會較低，而沒有與突出體2相接之處的缺陷密度會較高，以此來判定垂直式發光二極體是否使用本發明的圖案化基板，然而檢測的方式不以上述為限。
綜上所述，本發明具有下列諸項優點：
1.由於C-plane只形成在頂面上，磊晶是從頂面上開始生長，故比較不會在突出體之間產生磊晶，因此空孔不會因而消失，並且可以減少缺陷的發生。
2.透過本發明的圖案化基板所製造而成的水平式發光 二極體結構，由於基板上具有突出體之間所形成的空孔，將有利於光線從發光二極體結構的內部散射出來，以增加光線的輸出，進而提高發光二極體的亮度。
3.透過本發明的圖案化基板所製造而成的垂直式發光二極體結構，由於基板上具有突出體之間所形成的空孔，空孔可成為化學藥劑的通道，便於基板與發光二極體結構使用化學剝離法剝離，取代習知較為昂貴的雷射剝離，將具有成本上的優勢。
惟以上所述僅為本發明之較佳實施例，非意欲侷限本發明的專利保護範圍，故舉凡運用本發明說明書及圖式內容所為的等效變化，均同理皆包含於本發明的權利保護範圍內，合予陳明。
D1‧‧‧頂面直徑
D2‧‧‧頂面之間距離
1‧‧‧基板
2,2a,2b,2c‧‧‧突出體
21‧‧‧頂面
22‧‧‧底部
23‧‧‧底邊
24‧‧‧底角
3‧‧‧空孔
4‧‧‧第一半導體層
5‧‧‧發光層
6‧‧‧第二半導體層
7‧‧‧接觸層
8‧‧‧第一電極
9‧‧‧第二電極
圖1為本發明之圖案化基板的剖面示意圖。
圖2為本發明之圖案化基板的突出體底角連接底角的俯視示意圖。
圖3為本發明之圖案化基板的突出體底角連接底邊的俯視示意圖。
圖4為本發明之圖案化基板的突出體矩陣排列的俯視示意圖。
圖5為本發明之圖案化基板的突出體交錯排列的俯視示意圖。
圖6為本發明之圖案化基板的突出體底邊連接底邊的立體示意圖。
圖7為本發明之水平式發光二極體的剖面示意圖。
圖8為本發明之垂直式發光二極體結構基板剝離前的剖 面示意圖。
圖9為本發明之垂直式發光二極體的成品剖面示意圖。
D1‧‧‧頂面直徑
D2‧‧‧頂面之間距離
1‧‧‧基板
2‧‧‧突出體
21‧‧‧頂面
22‧‧‧底部

Claims (10)

  1. 一種發光二極體結構，包括：一基板；多個突出體，該些突出體位於該基板上，每一個突出體具有一頂面及一底部，每兩個相鄰突出體的兩底部之間最短的距離為0至0.2微米，且每兩個相鄰突出體之間具有因磊晶成長較少形成的空孔，其中每兩個相鄰突出體之間之區域的磊晶程度較頂面之磊晶程度少；一第一半導體層，該第一半導體層設置於該基板上，且該第一半導體層僅覆蓋該些突出體的該些頂面；一發光層，該發光層設置於部分該第一半導體層上；一第二半導體層，該第二半導體層設置於該發光層上；一第一電極，該第一電極設置於未覆蓋有該發光層之該第一半導體層的上方；以及一第二電極，該第二電極設置於該第二半導體層上；其中，當上述每兩個相鄰突出體的兩底部之間最短的距離為0時，上述每兩個相鄰突出體的兩底部之間為互相連接。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體結構，其中該圖案化基板為藍寶石基板、矽基板及碳化矽基板之中其中一種。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體結構，其中每一個突出體為多角錐狀體，該頂面為水平的平面，該底部具有多個底角及多個底邊，每一個突出體以該些底角分別連接或鄰近於相鄰之突出體所對應的底角或所對應 的底邊。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體結構，其中每一個突出體為圓錐狀體，該頂面為水平的平面，該底部具有一圓弧形底邊，每一個突出體以該底邊連接或鄰近於相鄰的突出體之該底邊，而組合排列成矩陣的型態或交錯的型態。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體結構，其中每一個突出體為長條梯形體，該頂面為水平的平面，該底部於長邊方向具有兩底邊，每一個突出體以上述兩底邊連接或鄰近於相鄰的突出體之該底邊。
  6. 一種發光二極體結構，包括：一基板；多個突出體，該些突出體位於該基板上，每一個突出體具有一頂面及一底部，每兩個相鄰突出體的兩底部之間最短的距離為0至0.2微米，且每兩個相鄰突出體之間具有因磊晶成長較少形成的空孔，其中每兩個相鄰突出體之間之區域的磊晶程度較頂面之磊晶程度少；一第一半導體層，該第一半導體層設置於該基板上，且該第一半導體層僅覆蓋該些突出體的該些頂面；一發光層，該發光層設置於該第一半導體層上；一第二半導體層，該第二半導體層設置於該發光層上；以及一第一電極，該第一電極設置於該第二半導體層上；其中，當上述每兩個相鄰突出體的兩底部之間最短的距離為0時，上述每兩個相鄰突出體的兩底部之間為互 相連接。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的發光二極體結構，其中該圖案化基板為藍寶石基板、矽基板及碳化矽基板之中其中一種。
  8. 如申請專利範圍第6項所述的發光二極體結構，其中每一個突出體為多角錐狀體，該頂面為水平的平面，該底部具有多個底角及多個底邊，每一個突出體以該些底角分別連接或鄰近於相鄰之突出體所對應的底角或所對應的底邊。
  9. 如申請專利範圍第6項所述的發光二極體結構，其中每一個突出體為圓錐狀體，該頂面為水平的平面，該底部具有一圓弧形底邊，每一個突出體以該底邊連接或鄰近於相鄰的突出體之該底邊，而組合排列成矩陣的型態或交錯的型態。
  10. 如申請專利範圍第6項所述的發光二極體結構，其中每一個突出體為長條梯形體，該頂面為水平的平面，該底部於長邊方向具有兩底邊，每一個突出體以上述兩底邊連接或鄰近於相鄰的突出體之該底邊。
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