TWI584500B - 具有圖案化基板之發光元件及其製作方法 - Google Patents

Description

具有圖案化基板之發光元件及其製作方法

本發明係關於一種發光元件，更具體而言，係關於一種具有圖案化基板之發光元件及其製作方法。

近年來，為了將元件應用於照明領域，有不少努力傾注於改善發光二極體的亮度，並進一步達成能源保護以及減碳的目標。改善亮度主要有兩個方向，第一為改善磊晶品質以提高電子及電洞的組合效率，進而提升內部量子效率(IQE)，再者，增加著重發光層發出的光之光取出效率，以減少光線被LED結構所吸收。

表面粗糙化技術對於提升亮度是相當有效的一種方法，其中一種為人所熟知的是形成圖案化基板。由於全反射效應及光線被磊晶層吸收並產生熱之因素，設置於圖案化基板上之主動層所發出的光，較容易被反射回磊晶層，導致光取出效率及散熱不佳問題。然而，為補償因內部全反射所造成的光損失，通常會在基板上形成較深的圖案，但產生的高深寬比會導致磊晶成長困難，對磊晶品質造成不利的影響。

另一種習知的表面粗糙技術，則是利用機械研磨的方式，在基板表面上形成隨機分佈的粗糙圖案，但此方法不易控制圖案的尺寸，例如深度及寬度。再者，成長於隨機粗糙表面上之磊晶層的磊晶品質亦較為粗劣。

本發明提出一種具圖案化基板的發光元件，此圖案化基板可同時兼具磊晶品質及光取出效率的優點。

本發明提出一發光元件，包含一具有複數個錐形體之圖案化基板，且兩相鄰錐形體之間具有一間距，以及一發光層，形成於複數個錐形體上，其中，發光層包含一第一導電型半導體層、一主動層以及一第二導電型半導體層。再者，第一電極以及第二電極分別電性連接於第一導電型半導體層以及第二導電型半導體層。此外，採用固定或非固定的間距以用來絕緣形成於圖案化基板上的複數個錐形體。

100‧‧‧發光元件

101‧‧‧成長基板

101a‧‧‧間距

102‧‧‧錐形體

103‧‧‧中間層

104‧‧‧第一半導體層

105‧‧‧主動層

106‧‧‧第二半導體層

107‧‧‧第一電極

108‧‧‧第二電極

109‧‧‧磊晶層

201‧‧‧頂部

202‧‧‧底部

203‧‧‧傾斜側壁

204‧‧‧弧部

205‧‧‧弦部

B‧‧‧最大距離

D1‧‧‧錐形體底部寬度

D2‧‧‧錐形體頂部寬度

H‧‧‧錐形體高度

S‧‧‧間距

θ‧‧‧夾角

第1a圖以及第1b圖為本發明之一發光元件之示意圖。

第2圖為本發明之一發光元件之光取出強度與錐形體高度間的關係示意圖。

第3圖為本發明之一發光元件之錐形體示意圖。

第4a圖為本發明之一發光元件之光取出強度的量測結果。

第4b圖為本發明之一發光元件之輸出功率的量測結果。

以下實施利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1a圖為本發明一實施例之一發光元件之示意圖。發光元件100包含：一成長基板101；一磊晶層109；一第一電極107；及一第二電極108。如圖式所示，基板101之剖面顯示複數個錐形體102，且在本實施例中，發光元件100更包含一中間層103形成於基板101上，以及磊晶層109形成於中間層103上。

中間層103可為一緩衝層，用來降低介於基板101及磊晶層109之間的晶格不匹配。中間層103可為單一層、複數層，或者是由兩種材料或兩個分離結構所結合而成，其中，材料可為有機材料、無機材料、金屬材料、半導體材料等等；結構可為一反射層、一熱傳導層、一導電層、一歐姆接觸層、一抗變形層、一應力釋放層、一應力調節層、一黏合層、一波長轉換層以及一機械固定結構等等。

磊晶層109包含一第一半導體層104、一主動層105、一第二半導體層106、一第一電極107以及一第二電極108。第一半導體層104具有第一導電性，並成長於中間層103上，其中，中間層103可為無摻雜半導體層或摻雜半導體層；主動層105成長於第一半導體層104上；第二半導體層106具有第二導電性，並成長於主動層105上；磊晶層109經蝕刻直到暴露出部份第一半導體層104，而第一電極107則形成於部分暴露之第一半導體層104上；第二電極108形成於第二半導體層106上。在本發明之另一實施例中，第一電極107係形成在成長基板101的一側，也就是相反於磊晶層109成長的另一側。

成長基板101包含複數個錐形體102，且兩個相鄰的錐形體102之間具有一間距101a，其中，每一個錐形體102包含一頂部201、一底部202以及位於頂部201與底部202之間的一傾斜側壁203(如圖1b所示)，傾斜側壁203環繞頂部201及底部202，且頂部201及底部202之上視圖可為圓形。每一個錐形體102係以週期方式設置於基板上，且此週期方式可為固定週期、可變週 期或準週期，意即，位於兩個相鄰錐形體102之間的間距101a可為規則或不規則。

第2圖為第1b圖所述實施例之光取出強度相對於錐形體高度的關係示意圖，而在第2圖中所量測的發光元件皆具有相似的底部面積與底部形狀，且光取出強度係隨著錐形體之高度H變大而增加，再者，當錐形體高度大於1.5μm時，光取出強度則出現斷層現象，意即，當基板之錐形體的高度大於1.5μm時，此發光元件則具有較好的光取出強度。因此，在一較佳實施例中，利用將發光元件之錐形體高度設計為大於1.5μm，以得到較佳的光取出強度。

第3圖為本發明另一實施例之錐形體102的剖面示意圖，其中複數個錐形體102係藉由間距S所分隔。錐形體102包含一頂面201、底面202以及一傾斜側壁203，傾斜側壁203具有一向外突起的弧部204以及弦部205，且傾斜側壁203之上視圖可為曲面。為了增加光取出強度，在將錐形體102形成於基板101時，有許多參數是需要考慮的，例如錐形體的底部寬度D1、高H、頂部寬度D2、傾斜角度θ以及最大距離B，其中，底部寬度D1為錐形體102之底部圓周上任意兩點間的最大距離；頂部寬度D2為錐形體102之頂部圓周上任意兩點間的最大距離，其可為0；傾斜角度θ係介於底部202與弦部205間的夾角；最大距離B係介於弧部204與弦部205之間。

根據第2圖所示，當發光元件的底部面積及底部形狀維持一固定值時，光取出強度係隨著錐形體102之高度增加而增加，而若相較於具有較小錐形體之發光元件，具較大錐形體之發光元件則顯示有較多光線藉由錐形體102射入或漫射。再者，可利用增加每一個錐形體102的底部面積，使兩個相鄰錐形體102之間的間距S相對減少，以增加光取出強度。在本實施例中，頂部201可為一平面，而介於兩相鄰錐形體102間的間距與頂部201平面 之間則可為一C平面，以適合磊晶成長。若預成長相同高度之磊晶層，當C平面具有較小面積者，需要較長的磊晶成長時間。此外，可以預期當具有較大的底部面積時，可提高光漫射現象，兩相鄰錐形體102間亦具有足夠的間距，以利於磊晶成長。因此，兩相鄰錐形體102之間的間距S約為0.01-0.9μm，以確保磊晶成長時間不會過久。綜上所述，兩相鄰錐形體102間之間距S與錐形體102之底部寬度D1可由一關係式表示，第一比率Q1=S/(D1+S)，其中，本實施例之Q1約為0.01-0.3，而在一較佳實施例中，介於兩錐形體102間的最佳間距可為0.1-0.4μm，Q1可為0.03-0.15之間。

如第3圖所示，錐形體102具有從傾斜側邊203突起的一弧部204，此設計可使得落入錐形體102的光線增加以及產生更多的光漫射現象，進而提高光取出。然而，因為中間層103的折射率大於基板101的折射率，故基於司乃耳定律，錐形體102中的全反射會發生在中間層103與錐形體102的交界面。綜上所述，光取出效率係決定於錐形體102的光漫射現象。

如上所述，當弧部204與弦部205之間的最大距離B越大，錐形體102的表面積亦相對越大，有利於光的漫射及增加光取出效率，但若距離B越大，則會阻礙磊晶層成長於兩相鄰錐形體102之間的間距(圖中未顯示)，並增加兩相鄰錐形體102間的光吸收率。在本實施例中，弧形204與弦部205間的最大距離B可為0-0.5μm；在另一實施例中，因考慮磊晶層的成長，最大距離B可為0-0.2μm。因此，兩相鄰錐形體102之間的間距S、弧部204與弦部205之間的最大距離B以及錐形體102的底部寬度D1可由一關係式表示，第二比率Q2=B/(D1+S)，利用此關係式可防止相鄰錐形體102間的光線吸收，以及確保有足夠的磊晶層成長時間，而第二比率Q2約為0-0.2，其較佳值可為0-0.05。

由於基板101與中間層103間的折射率不同，易造成基板101之錐 形體102內部的光反射，故錐形體102的頂部寬度D2需大於0，以避免光吸收。當錐形體102的頂部寬度D2介於0-(Wd/nintermediate)mm之間，較大的頂部寬度D2意味著具有較大的光入口使光進入錐形體102，其中，Wd為內部光線的主要波長，nintermediate為中間層103的折射率。在本實施例中，錐形體102的頂部寬度係小於0.1μm。為了在光線被錐形體102吸收前將光線藉由頂部201引導至磊晶層109，因此，可設計錐形體102之底部202與弧部204之弦部205之間具有之夾角θ介於40°-60°之間，而其較佳值可為48°。

如上所述，為考慮光取出效率及磊晶層成長率，頂部201之面積與底部202之面積比需小於0.0064，因此，錐形體102之底部寬度D1及頂部寬度D2則可由一關係式表示，第三比率Q3=(D2/D1)，且Q3介於0-0.08之間，其較佳值係介於0-0.03之間。

根據第2圖所示之光取出強度，當高度H的值越大，相對地反射光越多，再者，介於兩相鄰錐形體102間的間距S與頂部201的平面之間可為C平面，以適合磊晶成長。因此，高度H、間距S以及底部寬度D1可由一關係式表示，第四比率Q4=H/(D1+S)。在本實施例中，Q4可介於0.4-0.6之間。在一較佳實施例中，為考慮磊晶層的成長速率及光取出效率，Q4可為0.5。

如表1a所示，發光元件具有規格I及規格III兩種不同的設計，規格III之發光元件的圖案化基板具有第一比率Q1為0.13的錐形體尺寸，而規格I之發光元件的圖案化基板具有第一比率Q1為0.25的錐形體尺寸。根據第4a圖中顯示的量測結果，相較規格I之發光元件，規格III之發光元件增加約20%的光取出效率；根據第4b圖中顯示的輸出功率量測結果及表1b中的平均值，規格III之發光元件約大於規格I之發光元件3%的輸出功率。因此，第4a圖及第4b圖的量測結果皆顯示，規格III的發光元件具有優於規格I發光元件的光取出性能。綜上所述，規格III之發光元件的光取出效率較優於規格I之發光 元件，其中，規格III之發光元件的第一比率Q1為0.13，係介於0.03-0.15之間；而規格I之發光元件的第一比率Q1為0.25，係介於0.01-0.03之間。另外，為了證明發光元件之不同的光特性與不同的量測設備無關，本實施例將其量測結果依四台設備分別表示。

此外，藉由X-光繞射儀(X-ray diffraction)的分析，可測試半高寬因子，以確認發光元件磊晶層的品質，如表1b所示，發光元件規格III較發光元件規格I具有較小的X-光繞射儀半高寬值，意即，規格III之發光元件具有較佳的磊晶品質。綜上所述，規格III之發光元件不但比規格I之發光元件具較佳的光特性，亦具有較佳的磊晶品質。

本發明所列舉之各實施例僅用以說明本發明，並非用以限制本發明之範圍。任何人對本發明所作之任何顯而易知之修飾或變更皆不脫離本發明之精神與範圍。

100‧‧‧發光元件

101‧‧‧基板

101a‧‧‧間距

102‧‧‧錐形體

103‧‧‧中間層

104‧‧‧第一半導體層

105‧‧‧主動層

106‧‧‧第二半導體層

107‧‧‧第一電極

108‧‧‧第二電極

109‧‧‧磊晶層

Claims (17)

1. 一種發光元件，包含：一圖案化基板，具有複數個錐型體，且該複數個錐形體其中之一具有一高度以及包含一頂部、一底部以及一側壁，該側壁位於該頂部與該底部之間，其中該頂部與該底部之面積比小於0.0064；以及一發光層，形成於該複數個錐形體上方，且該發光層包含一第一半導體層、一主動層以及一第二半導體層；其中，該高度大於1.5μm。
2. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中，其餘的每一個錐形體分別具有一高度以及包含一頂部和一底部，其中該些其餘的每一個錐形體的該頂部與該底部之面積比小於0.0064該高度大於1.5μm。
3. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，更包含一中間層，該中間層形成於該圖案化基板上方，且具有一折射率。
4. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中，該頂部包含一頂部寬度，該頂部寬度小於0.1μm。
5. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，更包含一間距，該間距位於兩相鄰的該複數個錐形體之間，且介於0.1μm-0.4μm。
6. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中，該底部包含一底部寬度，該複數個錐形體的該其中之一符合0.4≦H/(D1+S)≦0.6，H為該高度，D1為該底部寬度，S為介於兩相鄰的該複數個錐形體之一間距。
7. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中，該複數個錐形體的該其中之一的該頂部的面積為0。
8. 一種發光元件，包含： 一圖案化基板，具有複數個錐型體，每一該複數個錐形體包含一頂部、一底部以及一側壁，該底部具有一底部寬度，該側壁位於該頂部與該底部之間；以及一發光層，形成於該複數個錐形體上方，該發光層包含一第一半導體層、一主動層以及一第二半導體層；其中，一間距位於兩相鄰的該複數個錐形體之間；其中，該複數個錐形體的其中之一符合0.01≦S/(D1+S)≦0.3，D1為該底部寬度，S為該間距。
9. 如申請專利範圍第8項所述之發光元件，其中，該側壁為一傾斜側壁，該傾斜側壁之剖面包含一弧形及一弦部。
10. 如申請專利範圍第9項所述之發光元件，其中，該底部與該弦部之間具有一夾角，且該夾角介於40°-60°。
11. 如申請專利範圍第9項所述之發光元件，其中，位於該弧形與該弦部之間的一最大距離小於或等於0.5μm。
12. 如申請專利範圍第11項所述之發光元件，其中，該複數個錐形體的其中之另一符合0≦B/(D1+S)≦0.2，D1為該底部寬度，B為該最大距離，S為該間距。
13. 如申請專利範圍第8項所述之發光元件，其中，該頂部具有一頂部寬度，該複數個錐形體的其中之另一的該頂部寬度與該底部寬度的比小於0.08。
14. 一種發光元件，包含：一圖案化基板，具有複數個錐型體，該複數個錐形體其中之一包含一頂部、一底部以及一側壁，該側壁位於該頂部與該底部之間，該頂部具有一頂部寬度；一發光層，形成於該複數個錐形體上方，該發光層包含一第一半導體層、一主動層以及一第二半導體層；以及 一中間層，該中間層形成於該圖案化基板上方，且具有一折射率其中，該頂部寬度小於一商數，該商數係該發光元件之一光波長除以該中間層之該折射率。
15. 如申請專利範圍第14項所述之發光元件，其中更包含一間距，該間距位於兩相鄰的該複數個錐形體之間，且介於0.1μm-0.4μm。
16. 如申請專利範圍第14項所述之發光元件，其中該底部具有一底部寬度，其中該頂部與該底部之面積比小於0.0064。
17. 如申請專利範圍第14項所述之發光元件，其中，其餘的每一個錐形體分別具有一頂部，該些其餘的每一該複數個錐形體的該頂部之一頂部寬度小於該商數。