TWI584499B - 半導體發光二極體結構 - Google Patents

Description

半導體發光二極體結構

本發明係關於一種半導體發光二極體結構，特別是關於一種具有複數個不平行蝕刻面之半導體發光二極體結構。

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地轉換為光能。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，例如號誌燈、一般照明、看板或顯示器背光源等各種用途。

結構上，發光二極體通常包括一基板、一磊晶結構，設於基板上、一P電極接墊(P-side electrode pad)電連接於磊晶結構的一P型半導體層(P-type semiconductor layer)、一N電極接墊(N-side electrode pad)電連接於磊晶結構的一N型半導體層(N-type semiconductor layer)，而磊晶結構在P型半導體層以及N型半導體層之間另具有一活性發光層(active layer)。此外，在P電極接墊與P型半導體層之間通常設有一透明導電層(transparent conductive layer,TCL)，俾以增進電流之水平擴散能力。

在相關的先前技藝中，美國專利公告號7652299披露了一種具有倒角結構(reverse taper)的氮化物發光二極體及其製造方法。其係利用濕式蝕刻的方式，在發光二極體的側壁蝕刻出一倒角結構，可減少在介面 所產生的全反射現象，因此提升發光二極體的光萃取效率。

美國專利公開號2010/0176418揭露一種同時具有正角(forward taper)以及倒角結構之氮化鎵半導體發光元件。其係利用多次乾式蝕刻(例如反應式離子蝕刻)搭配溼式蝕刻的方式，先在平台區域(mesa)之側壁蝕刻出一正角結構，再接著於底部半導體層之側壁蝕刻出一倒角結構。藉由上述正角以及倒角結構之設計可改善正面光源之光分佈均勻性。

韓國專利註冊號100996451揭露一種半導體層具有凹凸(concavo-convexes)結構之氮化物半導體發光元件。該凹凸結構係沿著半導體層之平滑側壁而設置，且位於該凹凸結構底部邊緣之反射面係與圖案化基板(patterned sapphire substrate,PSS)的突起結構具有一段距離。該反射面可以反射來自於活性區之光源，使得正向出光強度得以提升。

本發明係提供一種半導體發光二極體結構，用以改善正面光源之光分佈均勻性並同時增加正向發光強度。

為達到上述目的，根據本發明之一實施例，係提供一種半導體發光二極體結構，包含有一基板，此基板包含有一主表面和一未被發光二極體結構覆蓋之表面；一磊晶結構，設於基板之主表面上，此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，其中第一導電型半導體層具有一第一側壁，且第一側壁包含有至少一與未被發光二極體結構覆蓋之表面間呈銳角之第一蝕刻面以及一第二蝕刻面；以及一電極結構，設置於磊晶結構上。

根據本發明之另一實施例，係提供一種半導體發光二極體結 構，包含有一基板，此基板包含一主表面和一未被發光二極體結構覆蓋之表面；一磊晶結構，設置於基板之主表面上，磊晶結構包含有一側壁，且側壁包含有至少一與未被發光二極體結構覆蓋之表面間呈銳角之一第一蝕刻面以及一第二蝕刻面。

根據本發明之又一實施例，係提供一種半導體發光二極體結構，包含有一基板，此基板包含有一主表面和一未被發光二極體結構覆蓋之表面；以及一磊晶結構，設於基板之主表面上，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，其中磊晶結構具有一第一側壁，且第一側壁至少包含有一不同且彼此相鄰之第一蝕刻面以及一第二蝕刻面，且第一蝕刻面以及第二蝕刻面與該主表面之夾角皆小於180°且大於0°。

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。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下

10‧‧‧半導體發光二極體結構

100‧‧‧圖案化基板

100a‧‧‧凹凸結構

110‧‧‧成核層

120‧‧‧磊晶最底層

130‧‧‧第一導電型半導體層

130a‧‧‧頂面

140‧‧‧活性發光層

150‧‧‧第二導電型半導體層

160‧‧‧第二電極

170‧‧‧第一電極

200‧‧‧磊晶結構

310‧‧‧第一蝕刻面

320‧‧‧第二蝕刻面

330‧‧‧第一側壁

400‧‧‧發光平台區

410‧‧‧蝕刻面

420‧‧‧第二側壁

A‧‧‧光線

α、α ₁‧‧‧第一銳角

β‧‧‧第二銳角

θ、θ ₁‧‧‧夾角

f‧‧‧正面

n、n₁‧‧‧法線

S、S₁‧‧‧暴露出之表面

S’、

S”‧‧‧主表面

第1圖所繪示的係根據本發明之較佳實施例半導體發光二極體結構。

第2圖至第5圖所繪示的係根據本發明實施例之半導體發光二極體結構之製作方法示意圖，其中：第2圖是圖案化基板之剖面示意圖； 第3圖是磊晶製程後之結構示意圖；第4圖所繪示的是施行乾式蝕刻及切割製程後之結構示意圖；以及第5圖所繪示的是施行濕式蝕刻製程後之半導體發光二極體結構之示意圖。

第6圖所繪示的是習知半導體發光二極體結構之局部放大示意圖。

第7圖所繪示的是第5圖中虛線圓圈處之半導體發光二極體結構局部放大示意圖。

第8圖所繪示的係習知半導體發光二極體與本發明之半導體發光二極體之配光曲線圖。

第9圖所繪示的係習知半導體發光二極體與本發明之半導體發光二極體之光輸出功率對應輸入電流之折線圖。

以下實施例將伴隨著圖式說明本發明之概念，在圖式或說明中，相似或相同之部分係使用相同之標號，並且在圖式中，元件之形狀或厚度可擴大或縮小。需特別注意的是，圖中未繪示或描述之元件，可以是熟習此技藝之人士所知之形式。

第1圖所繪示的是根據本發明之較佳實施例之一種半導體發光二極體結構10。如第1圖所示，半導體發光二極體結構10包含一具有複數個凹凸結構100a之圖案化基板100以及一設置於圖案化基板100主表面S’上之磊晶結構200，磊晶結構200至少包含有一第一導電型半導體層130、一活 性發光層140以及一第二導電型半導體層150，其中第一導電型半導體層130具有一頂面130a與一第一側壁330，且第一側壁330包含至少一與未被發光二極體結構覆蓋之暴露出之表面S呈銳角之第一蝕刻面310以及一第二蝕刻面320；一設置於頂面130a上之第一電極170；以及一設置於第二導電型半導體層150上之第二電極160。此外，第一導電型半導體層130與圖案化基板100之間可另包含一成核層110以及磊晶最底層120。

於下文中，係加以陳述本發明之半導體發光二極體結構之具 體實施方式，俾使本技術領域中具有通常技術者可據以實施本發明。該些具體實施方式可參考相對應的圖式，俾使該些圖式構成實施方式之一部分。雖然本發明之實施例揭露如下，然而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疇內，當可作些許之更動與潤飾。

第2圖到第4圖所繪示的是根據本發明較佳實施例之半導體 發光二極體結構10之製作方法示意圖。第2圖係為圖案化基板100之剖面示意圖。首先提供一圖案化基板100，例如一圖案化藍寶石基板(patterned sapphire substrate,PSS)，圖案化基板100具有一主表面S’，其主要晶面可以是C-平面(C-plane)、R-平面(R-plane)、A-平面(A-plane)或M-平面(M-plane)等，根據本實施例，主表面S’的晶面係為一C-平面。接著，利用機械研磨、電漿蝕刻或濕式蝕刻等類似的蝕刻方式，於主表面S’形成複數個凹凸結構100a，凹凸結構100a可包含三角形底面之平台結構(triangular frustum structure)、卵形結構(oval structure)、四面體結構(tetrahedral structure)或多角形結構(polygonal structure)等，其結構分別依序對應於第2圖之(a)至(d)，但不限於此。上述之凹凸結構100a除了可增加半導體發光二極體結構10之 光萃取效率(light extraction efficiency)，也可提供後續磊晶結構200成長所需之特定晶面，例如r-晶面(r-planes)，俾使後續的磊晶結構200能沿著凹凸結構100a之特定晶面成長，因而形成所需磊晶結構200。

如第3圖所示，接著，利用磊晶製程，依序形成成核層 (nucleation layer)110、磊晶最底層(buffer layer)120、第一導電型半導體層130、活性發光層140以及第二導電型半導體層150。成核層110係為一薄層，其厚度約略為0.02微米(μm)，但不限於此。成核層110及磊晶最底層120包含氮化鋁(AlN)、氮化鋁鎵(Al_xGa_1-xN)等含鋁之半導體氮化物，較佳為氮化鋁(AlN)。根據本實施例，第一導電型半導體層130係為一N型半導體層，其成分包含N型摻質(例如矽原子或鍺原子)之氮化鋁銦鎵(Al_xIn_yGa_1-x-yN,0≦x≦1,0≦y<1,0≦x+y≦1)；而第二導電型半導體層150係為一P型半導體層，其成分包含P型摻質(例如鎂原子)之氮化鋁銦鎵(Al_xIn_yGa_1-x-yN,0≦x≦1,0≦y<1,0≦x+y≦1)。活性發光層140具有一多重量子井結構(multiple quantum well,MQW)，其組成包含氮化鎵/氮化銦鎵等多層結構，由於多重量子井結構係依據習知技藝而製得，在此便不多贅述。上述之磊晶製程可包含有機金屬化學氣相沈積(metal organic chemical vapor deposition,MOCVD)、分子束磊晶(molecular beam epitaxy,MBE)或氫化物氣相磊晶(hydride vapor phase epitaxy,HVPE)等類似之磊晶製程。為了簡潔起見，上述實施例中僅列示出必要的組成結構，並非對本發明加諸額外之限制。舉例而言，上述之第一導電型半導體層130與圖案化基板100之間另可包含有披覆層(cladding layer)、反射鏡面層或布拉格反射層(distributed Bragg reflector,DBR)，但不限於此。

接著，如第4圖及第5圖所示，第4圖繪示的是施行乾式蝕刻 及切割製程後之結構示意圖。第5圖繪示的是施行濕式蝕刻製程後之半導體發光二極體結構10之示意圖。其製程敘述如下：首先，進行一微影及蝕刻製程，俾以定義出一用來設置第二電極160(例如P型電極)之發光平台區400，以及於第一導電型半導體層130之頂面130a定義出可設置一第一電極170(例如N型電極)之區域。其中，發光平台區400具有一大致垂直於主表面S’之第二側壁420。上述之蝕刻製程係為一乾式蝕刻製程，較佳為一感應耦合電漿反應性離子蝕刻製程(Inductively Coupled Plasma Reactive Ion Etching,ICP-RIE)。接著，施行一切割製程，形成一包圍半導體發光二極體結構10四周之溝渠(圖未示)，溝渠係可呈現U形或V形，且其底部可達圖案化基板100之主表面S’，因此可用以隔離、電絕緣各半導體發光二極體結構10。上述之切割製程包含二氧化碳雷射、釔鋁石榴石雷射(Yttrium Aluminum Garnet Laser,YAG laser)、準分子雷射(excimer laser)或脈衝雷射(pulsed layer)等雷射切割製程，但不限於此。

接著，如第5圖所示，於未覆蓋磊晶結構200之未被發光二極 體結構覆蓋之暴露出之表面S施行一濕式蝕刻製程，俾以蝕刻第一導電型半導體層130之側壁(圖未示)。此濕式蝕刻之組成包含正磷酸(orthophosphoric acid)，由於正磷酸對於第一導電型半導體層130的不同晶面(例如R-平面、A-平面或M-平面)具有不等的蝕刻速率，透過該濕式蝕刻製程，俾於第一導電型半導體層130形成一第一側壁330，其中第一側壁330包含兩彼此不相鄰(圖未示)或相鄰且不相平行之一第一蝕刻面310以及一第二蝕刻面320，且第一蝕刻面310與第二蝕刻面320均與未被發光二極體結構覆蓋之暴露出 之表面S呈銳角。根據本發明之另一實施例，第一側壁330可包含兩個以上均不互相平行之蝕刻面，該些蝕刻面彼此相鄰且均與暴露出之表面S呈銳角。根據本發明之又一實施例，第一側壁330也可包含兩個或兩個以上均不互相平行之蝕刻面，該些蝕刻面彼此相鄰且均與暴露出之表面S呈鈍角。至此，綜觀上述之各不同實施例，其共同特徵在於各該蝕刻面與表面S皆不呈直角。此外，上述之濕式蝕刻會同時蝕刻成核層110以及磊晶最底層120之側壁(圖未示)，而使得該側壁平行於第一蝕刻面310。在此需注意的是，藉由形成上述之第一蝕刻面310以及第二蝕刻面320，可使得第一導電型半導體層130之外觀具有複數個倒角結構或正角結構(圖未示)。

請參照第6圖及第7圖，而第6圖所繪示的是習知半導體發光 二極體結構之局部放大示意圖，第7圖所繪示的是第5圖中虛線圓圈處之半導體發光二極體結構局部放大示意圖。參照第6圖，半導體層(圖未示)僅具有一蝕刻面410，且蝕刻面410與暴露出之表面S₁之間僅具有一第一銳角α₁。對照於第7圖所示，可知本發明之第一蝕刻面310與暴露出之表面S之間具有一第一銳角α，第二蝕刻面320與暴露出之表面S之間具有一第二銳角β，且第一蝕刻面310與第二蝕刻面320之夾角(圖未示)係介於90°到180°之間。其中第一銳角α約略為58°，且第一銳角α之角度小於第二銳角β。上述之各不同角度之蝕刻面會影響光行進之路線，並進而影響半導體發光二極體之光形分佈以及其光萃取效率。首先，根據第6圖所示，在習知技術中，源自於活性發光層(圖未示)之光線A於主表面S”反射後，會朝蝕刻面410前進。然而，由於光線A與法線n₁之夾角θ₁大於臨界角(critical angle)，因此光線A會在蝕刻面410產生全反射現象而無法有效穿透蝕刻面410出光。然 而，根據第7圖所示，根據本發明之一實施例，第一導電型半導體層130係具有一第二蝕刻面320，當光線A於主表面S’反射後，會接著朝第二蝕刻面320前進。此時，由於法線n與光線A之夾角θ小於臨界角，因此光線A會穿透第二蝕刻面320與空氣之介面而進入空氣中。而第一蝕刻面310係作為一全反射面，俾使光線反射至第二蝕刻面320或正面f，以增加光源出光的機率。

請參照第8圖及第9圖，第8圖所繪示的是習知半導體發光二 極體與本發明之半導體發光二極體之配光曲線圖。第9圖所繪示的是習知半導體發光二極體與本發明之半導體發光二極體之光輸出功率對應輸入電流之折線圖。如第8圖所示，習知的半導體發光二極體在發光角度(emission angle)為90°時具有最強之發光強度，而其強度隨著發光角度往0°或180°移動時會逐漸遞減，因此，上述的光形分佈造成發光強度過度集中於發光角度為90°之區域，使得光強度分佈不均。而根據本發明之半導體發光二極體結構10，其發光強度之最大數值約位於發光角度60°以及120°，其強度隨著發光角度往0°、90°或180°移動時逐漸遞減，可知本發明之半導體發光二極體結構10之發光均勻性較佳。此現象係歸因於光線可由第二蝕刻面320出光，因此避免了發光強度過度集中於發光角度90°。接著，根據第9圖所顯示的實驗數據，可清楚得知隨著輸入電流由0毫安培(mA)逐漸增加到350mA，本發明之半導體發光二極體結構10之光輸出功率皆大於習知的半導體發光二極體結構。此現象係歸因於複數個不平行蝕刻面310、320所產生的複數倒角結構(圖未示)縮短了光線停留於半導體層(圖未示)之時間，因此減少了光線被半導體層吸收之情形。

綜上所述，本發明係結合圖案化基板100、氮化鋁之磊晶最 底層120以及正磷酸濕式蝕刻等的製程要件，提供一種具有複數個不平行蝕刻面310、320之半導體發光二極體結構10，藉由提供複數個不平行的蝕刻面310、320，使得光線可以由第二蝕刻面之320出光，因此可避免半導體發光二極體結構10之發光強度過度集中於90°之發光角度。此外，由於光線不會在第二蝕刻面320產生全反射，縮短了光線停留於半導體層之時間，因此也提升了半導體發光二極體結構10的光萃取效率。

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。

10‧‧‧半導體發光二極體結構

100‧‧‧圖案化基板

100a‧‧‧凹凸結構

110‧‧‧成核層

120‧‧‧磊晶最底層

130‧‧‧第一導電型半導體層

130a‧‧‧頂面

140‧‧‧活性發光層

150‧‧‧第二導電型半導體層

160‧‧‧第二電極

170‧‧‧第一電極

200‧‧‧磊晶結構

310‧‧‧第一蝕刻面

320‧‧‧第二蝕刻面

330‧‧‧第一側壁

S‧‧‧暴露出之表面

S’‧‧‧主表面

Claims (10)

1. 一種半導體發光二極體結構，包含：一基板，包含一第一區域，其中該第一區域包含一表面；以及一磊晶結構，設於該基板之該第一區域之該表面上，該磊晶結構包含有一側壁，該側壁包含一第一面以及一第二面，其中，該第一面與該表面不垂直，該第二面與該表面不垂直，該第一面與該第二面彼此不互相平行，該第一面與該第二面相接。
2. 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光二極體結構，其中該基板更包含一第二區域，該第二區域包含複數個第一微結構，其中該複數個第一微結構圍繞該磊晶結構且不被該磊晶結構覆蓋，以及/或者該第一區域之該表面包含複數個第二微結構。
3. 如申請專圍第2項所述之半導體發光二極體結構，其中於一剖視圖觀之，該複數個第一微結構/該複數個第二微結構的形狀包含一三角形、一梯形、一半圓形或一多邊形，其中該多邊形具有一弧邊。
4. 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光二極體結構，其中該磊晶結構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。
5. 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光二極體結構，其中該第一面較第二面靠近該表面，該第一面與該表面之間有一第一夾角，該第二面與該表面之間有一第二夾角，其中該第一夾角小於該第二夾角，以及/或者該第一面與該第二面之間有一第三夾角，該第三夾角小於180°。
6. 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光二極體結構，其中該半導體發光二極體結構具有一發光強度，該發光強度之一最大數值對應於一發光角度，該發光角度為60°以及120°。
7. 如申請專利範圍第6項所述之半導體發光二極體結構，其中該發光強度之強度隨著該發光角度往0°、90°或180°移動時逐漸遞減。
8. 一種半導體發光二極體之製程方法，包含：提供一基板，該基板包含有一第一區域，其中該第一區域包含一表面；形成一磊晶結構於該基板之該第一區域之該表面上；施行一雷射切割製程，使該磊晶結構形成一側壁；以及施行一蝕刻製程以蝕刻該側壁，於該側壁處形成一第一蝕刻面以及一第二蝕刻面，其中，該第一蝕刻面與該第二蝕刻面彼此不相平行，該第一蝕刻面與該第二蝕刻面相接。
9. 如申請專利範圍第8項所述之半導體發光二極體之製程方法，其中該第一蝕刻面與該表面不垂直，該第二蝕刻面與該表面不垂直。
10. 如申請專利範圍第8項所述之半導體發光二極體之製程方法，其中該第一蝕刻面與該表面之間有一銳角夾角，或者該第二蝕刻面與該表面之間有一銳角夾角。