M441934 五、新型說明： 【新型所屬之技術領域】 本新型是有關於一種發光裝置’特別是指一種以半導 體磊晶製作的發光二極體裝置。 【先前技術】 參閱圖1 ’常見的發光二極體（Light Emitting Diode， LED)1包含一磊晶基板11、一形成於該磊晶基板u上的半 導體磊晶層12 ’及一形成於該半導體磊晶層12上的電極單 元13。 該半導體蟲晶層12具有一與該蟲晶基板η連接的第一 型半導體層121、一形成於該第一型半導體層pi上的發光 層122’及一形成於該發光層122上的第二型半導體123; 而該電極單元13則具有分別形成於該第一型半導體層i 2 j 、第二型半導體層123上的第一電極131、第二電極丨32， 當經由該第一、二電極131、132電連接的配合而自外部提 供電能於該半導體蟲晶層12時’該發光層122可在接收電 能後以光電效應發光。 而目前的發光二極體1的蠢晶基板11以藍寶石（ Sapphire)構成、半導體蟲晶層12以常用的氮化鎵（GaN)類 半導體材料為例而言，因為半導體磊晶層12與空氣之間的 折射率差而使得光由發光層122射出至與空氣的界面時容 易產生全反射，因此大多數的光會直接反射回到該半導體 蟲晶層12 ’而在該蟲晶基板11與該半導體蟲晶層12中往 復行進消耗’降低了發光二極體的光取出率，就此，為了 M441934 降低該半導體磊晶層12與空氣之間全反射的問題，業者紛 紛提出各種改進方案，其中之一即是如圖2所示將原本表 面平整的磊晶基板11改成表面具有凹凸結構的圖案基板 110 ’利用這些粗化結構讓由該發光層122發出的光線、或 反射朝向該圖案基板11〇前進的光線於接觸到該圖案基板 110的粗化結構後改變反射後行進的角度，而減少光在.穿出 發光二極體與外界空氣的界面間的全反射的機率，以提升 發光二極體之光取出率。 更進一步地，參閲圖3，如美國專利US2010059789 ( 以下簡稱789專利）所揭示的一種發光二極體元件2及其 製作方法°亥發光二極體元件2包含一基材21、一形成於 s 土材21上的第一半導體層23、一形成於該第一半導體層 23上的作動層24、一形成於該作動層24上的第二半導體 層心-形成於該第二半導體層25上的第一電極％，及 -形成於該第一半導㈣23上的第二電極”，而該基材 21 括^數形成於與該第—半導體| 界面處的圖案Μ :中母ϋ案22又具有一突出部221及一形成於該突 出郤221上頂面的凹褙222。 專利配合製程的說明在每一突出部221上再形 成該凹槽222，今竑m μ 22 w 土材21利用該等概呈碗狀結構的圖案 使付基材21表面的叙 古 體的光取出率。 粗糙度更-，而增進製得的發光二極 圖宰化製I::"1知’在形成半導體磊晶的基板表面進行 圖案化製得具有凹凸結構的粗糙化表面可改善因全反射造 4 M441934 成的光取出率下降的問題，但僅 構設計所能改變、改盖的 门-不平的圖案或其結 光取出率仍是有限，因此，如何 基有不同粗化結構的基板的方向進一步研究、再改 【新型内容】出辜疋本案攻克服並解決的問題。 因此，本新型之目的 率的發光二極體裝置。
於是，本新型發光二極體裝置，包含一圖案基底、— 形成於該圖案基底上的半導體蟲晶層，及一形成於該半導 體蟲曰曰層上並與该半導體蟲晶層形成電連接而能向該半導 體磊晶層輸入電能的電極單元。
即在提供一種可以提高光取出 該圖案基底包括-本體及多個由該本體間隔向上凸出 的壁體，每-壁體具有一成環狀的頂面，及多數由該頂面 的内緣向該本體方向凹陷的傾斜面；而該半導體磊晶層利 用磊晶製程的控制在相對應於每一壁體凹陷的位置形成多 數孔洞，且該半導體磊晶層在接受外部電能後能向外發光 ，而藉由孔洞中介質（如空氣）折射率與半導體磊晶層的 折射率差異較大而能提升入射光的全反射機率、增加光反 射往遠離圖案基底的方向射出。 較佳地，該本體與該壁體是六方晶體結構，且該每一 傾斜面與該本體頂面所夾角度是50度~70度。 較佳地，每一壁體還具有一與該多數傾斜面底部相接 的底面。 較佳地’每一壁體具有三傾斜面令該與半導體磊晶層 5 M441934 配合所成的該等孔洞概成倒三角錐狀。 較佳地，該圖案基底還包括多個分別形成於每一壁體 的頂面且晶格常數與該半導體磊晶層的材料不匹配而令該 半導體磊晶層無法磊晶成長的遮蔽圖案。 較佳地’每一環狀的頂面的内緣的最大徑寬不大於3# m ° 較佳地，該本體與該等壁體是選自以下所成群組為材 料構成：藍寶石、碳化石夕，及石夕。 較佳地，該等遮蔽圖案是選自以下所成群組為材料構鲁 成.氧化物、金屬薄膜、氮化物，及石夕化物。 較佳地，該等遮蔽圖案是以二氧化矽為材料所構成。 較佳地，該等遮蔽圖案是以氮化矽為材料所構成。 較佳地，所述之發光二極體裝置，還包含多數填覆於 該等孔洞以賴該铸μ晶衫晶成長的填充材。 較佳地，所述之發光二極體裝置，該等填充材是選自 以下所成群組為材料構成：空氣、氧化物、金屬、氣化物 ，及碎化物。 $ 又本新型s種發光二極體裝置，包含一圖案基底 、-形成於該圖案基底上的半導體蟲晶層，及一形成於該 半導體遙晶層上並與該半導體蟲晶層形成電連接而能向該. 半導體蟲晶層輸入電能的電極單元。 該圖案基底包括一本體，芬 ^ 及多數間隔由該本體頂面間 隔向上凸出且材料不同於兮夫挪从 、涊本體的遮蔽圖案，每一遮蔽圖 案具有一成環狀的頂面，及一Λ 由該頂面的内緣向該本體方 6 M441934 向凹陷而成的凹槽面；而該半導體磊晶層在接受外部電能 後能向外發光’且該半導體蟲晶層能於該本體上遙晶成： 但無法在該等遮蔽圖案表面蟲晶成長，而在該等遮蔽圖案 上形成多數由該半導體蟲晶層與該凹槽面共同圍繞界定出、 的孔洞。 較佳地，每-遮蔽圖案的環狀頂面的内緣的最大經寬 不大於3 /z m。 較佳地，該本體是選自以下所成群組為材料構成：藍 寶石 '碳化矽，及矽。 較佳地，該等遮蔽圖案是選自以下所成群組為材料構 成·氧化物、金屬薄膜' 氮化物，及石夕化物。 較佳地，該等遮蔽圖案是以二氧化石夕為材料所構成。 較佳地，該等遮蔽圖案是以氮化石夕為材料所構成。 *較佳地，所述之發光二極體裝置，還包含多數填覆於 該等孔洞且不適於該半導體Μ層蟲晶成長的填充材。 較佳地，所述之發光二極體裝置，該等填充材是選自 以下所成群組為材料構成H氧化物、金屬、氮化物 ’及石夕化物。 本新型之功效在於：利用該圖案基底的形狀設計配合 蟲晶製程的控制’使得該半導體蟲晶層在該圖f基底上形 成多數孔洞’而藉由該等孔洞中介f折射率與該半導體遙 晶層折射率的差異令朝向該圖案基底前進的光在界面產生 全反射的機率增加’而增加該發光二極體裝置的出光率、 提而發光亮度。 7 【實施方式】 有關本新型之前述及其他技術内容、特點與功效，在 以下配合參考圖式之四個較佳實施例的詳細說明中，將可 清楚的呈現。 在本新型被詳細描述之前，要注意的是，在以下的說 明内容中，類似的元件是以相同的編號來表示。 參閱圖4、圖5，本新型發光二極體裝置之第一較佳實 施例包含一圖案基底3〇1、一形成於該圖案基底3〇1上的半 導體蟲晶層4,及一形成於該半導體磊晶層4上並與該半導· 體蟲晶層4形成電連接而能向該半導體磊晶層4輸入電流 的電極單元5。 該圖案基底301是選自於藍寶石（Sapphire )、碳化石夕 (SiC)或矽（Si)其中之一為材料所構成’在本第一較佳 實施例中是以藍寶石為實施說明，配合以氮化鎵系（GaN base)半導體為材料而在該圖案基底3〇1上磊晶形成該半導 體磊晶層4;而該圖案基底3〇1包括一本體31及多個由該 本體31間隔向上凸出的壁體32,每一壁體32具有一成圓· %狀的頂面321、三面由該頂面321的環形内緣向該本體 31方向凹陷的傾斜面322。 進一步說明的是，每一圓環狀的頂面321的内徑d不 於3μηι該二傾斜面322與該本體31的爽角Θ在50度 〜7〇度之間，而實際操作上，每一壁體32的頂面321並不 一定要成圓環狀，只要概成環狀（如三角環、四角環…等 等）即可，因此在其他環狀形狀的態樣實施下，其内緣的 M441934 最大徑寬仍以不大於3μηι為佳。 另外在此補充敘明的是該圖案基底301的製備方式， 透過製程的說明當可令本第-較佳實施例中每一壁體3;的 結構、傾斜面322的角度界定有更進一步的了解。 配合參閱圖6〜8’準備-呈六方晶體結構的藍寶石基板 3〇,目前所使㈣藍以基板3Q在成本與敎性的考量下 ，多還，選用成長晶面為C面（咖）的藍寶石基板扣為
主接著在5亥藍寳石基板3〇纟面形成多數間隔設置的圓環 柱狀的遮蔽圖案33。
接者利用濕触刻（wet etching)製程以化學姓刻液對該 藍寶石基板30表面進行似彳，並根據該等遮蔽圓案η的 圖幵>>移除部分結構而形成上述具有圓環狀頂面的壁體 本體31的圖案基底30卜而該等遮蔽圖案33可以由氧化物 、金屬薄膜、氮化物，切化物等與藍寶石基板3q餘刻選 擇比較高的材料構成，較佳地，在本新型製造過程中是以 氧化石夕（SiOJ、或是氮化石夕（Si3N4)此類姓刻製程成熟 、成本較低的材料做為該等遮蔽圖案33的選擇。 … 特別的是，利用濕钮刻對六方晶體結構的藍寶石基板 30的㈣特性使得每—傾斜面⑵與該本體31的角度均在 50度〜70度之間’在此強調的是，以濕蝕刻製程不但製程 成本降低、亦能自動在該藍f石基板3G上形成該等一定傾 斜角度的傾斜® 322而有利於後續蟲晶製程的控制與該等 孔洞40的形成’最後將該遮蔽圖帛33祕而得到本第一 較佳實施例中的圖案基底301。 9 再參閱圖4，該半導體磊晶層4利用磊晶製程的控制由 該圖案基底301向上磊晶形成，包括一與該圖案基底3〇1 相連的第一型半導體層41 (即n_GaN所構成）、一形成於該 第型半導體層41部分頂面上的發光層42、一形成於該發 光層42上的第二型半導體層43 (即pGaN所構成），及多 數與該圖案基底301的每一壁體32相配合形成的孔洞4〇。 該等孔洞40的形成是利用該圖案基底3〇1上的每一壁 體32呈凹槽的型態構造，包括每一壁體32間距、該頂面 321徑寬d的限制使得該半導體磊晶層4在生長過程中不易鲁 在每一壁體32的傾斜面322成長磊晶，進而配合封閉出一 個二間。更佳的是，在本第一較佳實施例中，利用濕蝕刻 所成特疋角度Θ的該等傾斜面322，可由幾何對稱關係與藍 寶石本身晶格結構推斷出是成R s (1_的晶格面；而能 了解的是R面相對於該本體31平整的c面是不利㈣㈣ 系半導體蟲晶成長的’因此’在進行該半導體蟲晶層4的 麻日日時除了彳莖寬對於磊晶成長的限制外、加上該等傾斜 面322成不適於磊晶的R面晶格結構，更能幫助該等孔洞· 40的形成，而不會輕易在磊晶成長的過程中被該半導體磊 晶層4完全覆蓋，導致無空孔的形成。 該電極單元5包括分別設置於該第一型半導體層41、 第二型半導體層43並與之相電連接的第一電極51、第二電 極52，而能由外部分別向該第一型半導體層41、第二型半 導體層43通入電能，使得產生的電子、電洞在該發光層42 結合後釋出光能而向外發光。一般來說，該位於第二型半 10 M441934 導體層43上的第二電極52還會具有—由氧化銦錫所構成 的透明導電層（ΙΤ〇)心均句分散通人的電流，但此結構 為熟知本技術領域者所周知且非本新型創作重點，故不細 述。 本第-較佳實施例中該等孔洞4G中是充滿空氣，而空 氣的折射率約等於1，該與圖案基底3〇1連接並由n GaN構 成的第-型半導體層41折射率約等於25，構成該圖案基 底301的藍寶石折射率約等於178，因此當光線直接由第 -型半導體層41射人該藍寶石構成的本體31時入射角需 大於45度才產生全反射，但由於本新型發光二極體裝置在 該圖案基底3〇1與該半導體蟲晶層4之間形成該等充滿空 氣的孔洞4G ’所以當光線由第—型半導體層41射往該圖案 基底301並碰觸到與該等孔洞4〇的交界時只要入射角大於 23度即會產生全反射’令朝該圖案基& 3〇1冑進的光被反 射而增加朝外發光的光量，藉此提高光取出率、改善整體 發光效率。 也就是說，本新型發光二極體裝置藉由在原本折射率 相近的半導體蟲晶I 4與圖案基底301間形成該等折射率 差異較大的孔洞40,而令原本朝向該圖案基底3〇1方向前 進的光線可以產生更多的全反射'令更多的光朝外射出， 而改善整體發光二極體裝置的發光亮度。 參閱圖9,進一步說明的是，本第—較佳實施例中每一 壁體32的形狀經由前述圖案基底3G1的製備方式所述濕钱 刻時間等製程參數的控制也可令凹陷的形狀概成截頭倒三 11 M441934 角錐狀，也就是說每一壁體32還具有一與該等傾斜面322 底部相接的底面323,而非一定要限制形成本第一較佳實施 例中尖錐的態樣，但能了解的是，本第一較佳實施例所示 的尖錐狀的每一壁體32態樣對於孔洞4〇的形成是更有利 的。 參閱圖10,是本新型發光二極體裝置之第二較佳實施 例，與該第一較佳實施例相似，其不同處僅在於本第二較 佳實施例的一圖案基底302還包括填覆於該等孔洞4〇中且 不適於該半導體磊晶層4磊晶成長的填充材34。 該等填充材34的材料可選自空氣（即第一較佳實施例 )、氧化物、金屬、氮化物，及矽化物其中之一，較佳地， 在本第二較佳實施例中是以金屬為實施材料，利用金屬材 料具有的高光反射特性，可進一步地將由該發光層42發出 並經折射後射往該本體31方向的光反射’再增加光經過折 射、反射後朝外射出的機率，提高發光二極體裝置的發光 亮度。 補充說明的是，在本第二較佳實施例中該等孔洞4〇是 完全填覆有該等填充材34,但實際製造上也可僅部分填覆 而保有部分空孔，此均為透過製程參數的控制可達到而 製程方式為習知技術且非本新型創作重點，故不在此多加 細述。 參閱圖11,是本新型發光二極體裝置之第三較佳實施 例，與該第一較佳實施例相似’其不同處僅在於：其圖案 基底303還包括多數分別形成於每一壁體32的頂面321的 12 M441934 遮蔽圖案33。 。也就疋6兒，在前述第一較佳實施例製造圖案基底的過 程中僅進仃如圖6、_ 7的製程而不進行圖8所示的製程， ㈣留該等遮蔽圖案33於每—壁體32的頂面32ι而製得 本第三較佳實施例的圖案基底3〇3,且在本第三較佳實施例 中因為8亥等遮蔽圖案33材料的晶格常數與該半導體蟲晶 層4材料的晶格常數不匹配而令該半導體蟲晶層*益法: 該等«㈣33的表面進行H因此，藉著該等無法成 長磊曰曰的遮敝圖案33進-步限制後續該半導體磊晶層4的 磊晶成長’使得在每一壁體32的位置能更容易形成該等孔 洞4〇並控制該等孔、洞40的形成大小，而一樣利用該等位 於該圖案基底303與該半導體遙晶層4之間充滿空氣的孔 洞40、折射率的差異達到提升全反射機率、增進光朝向正 面射出的光量。更詳細地說，該等遮蔽圖案33的材料可以 選自於氧化物、金屬薄膜、氮化物，及矽化物其中一種， • 而在本第三較佳實施例中則是以二氧切（Si〇2)為實施說 明，另外如氮化矽（ShN4)也是本新型可常用的材料選擇 〇 加以補充說明的還有，在每一孔洞4〇中亦能填覆除空 氣外的其他介質材料，如氧化物、金屬、氮化物，或矽化 物，較佳地，是以具有高光反射特性的金屬做為本第三較 佳實施例的填充材34的選擇，而藉由該金屬構成的填充材 34將折射進入的光再朝外反射，增加出光的機率提高光 取出率。 13 M441934 參閱圖12本新型發光二極體裝置之第四較佳實施例 包含一圖案基底6、—形成於該圖案基底6上的半導體蟲晶 , %成於該半導體$晶層7上並與該半導體遙晶層 7形成電連接而能㈣半導體蟲晶層7輸人電流的電極單元 8 ° i圖案基底6包括―本體61，及多數間隔分佈於該本 體頁面並由該本體61頂面向上凸出的遮蔽圖案Μ，該 遮蔽圖案62的構成材料與該本體61不同且與該半導體蟲 晶層7材料的晶格常數差異大，更詳細地說，該本體Μ是 由藍，石、碳化^切其中之—所構成，而該遮蔽圖案U 可以是氧化物、金屬薄膜、氮化物，及矽化物其中一種。 在本第四較佳實施例中，該本體61是以藍寶石（ &ΡΡΐΐ1Γ〇為材料，該遮蔽圖案62是以二氧化矽（Si〇2) 為材料所構成’令後續以氮化鎵系的半導體材料屋晶形成 的該半導體磊晶層7能由該藍寶石構成的本體Μ上磊晶成 長，但無法在該二氧化矽構成的遮蔽圖案62上進行磊晶； 再補充說明的是本第四較佳實施例的該遮蔽圖案62還；使 用氮化妙（Si3N4)材料配合該藍f石構成的本體61。 每-遮蔽圖案62概成中空柱狀，具有一成圓環狀的頂 面621 ’及-由該圓環狀頂® 621的内緣向該本體61方向 凹陷的凹槽面，較佳地，每一成圓環狀的頂面62ι的 的徑寬不大於3μηι。 *然，在實際製作上，每一遮蔽圖案62的頂面621亦 可成多邊形的環狀，如三角環狀、四角環狀·.等等且頂 14 M441934 面621的内環最大徑寬亦不大於3μηι為佳。 該半導體磊晶層7利用磊晶製程的控制由該本體6ι表 面上磊晶形成，包括一與該圖案基底6相連的第一型半導 體層71 (即n_GaN⑼構成）…形成於該第—型半導體層 71部分頂面的發光層72、一形成於該發光層72上的第2 型半導體層73 (即p_GaN所構成），及多數由該第_型半: 體層71與每一遮蔽圖t 62的凹槽面622共同圍繞界定出 的孔洞70。 該等孔洞70的形成是利用該等無法形成蟲晶的遮蔽圖 案62控制磊晶生長的位置，而配合上述每一遮蔽圖案Q 所形成的間距、高度而相對應形成出一個封閉的空間'，其 中：關於該半導體㈣7的蟲晶製程控制是熟悉本技術 領域者所周知，故不在此多加贅述。 該電極單元8包括分別設置於該第一型半導體層71、 第二型半導體層73並與之相電連接的第一電極81、第二電 極82,而能由外部分別向該第一型半導體層71、第二型半 導體層73通入電能，使得產生的電子、電洞在該發光層η 結合後釋出光能而向外發光，且與上述第一較佳實施例相 似地，該位於第二型半導體層73上的第二電極82還可以 具有一由氧化銦錫所構成的透明導電層（IT〇)用以均勻分 散通入的電流，但此結構為熟知本技術領域者所周知且非 本新型創作重點，故不細述。 本第四較佳實施例利用該等無法成長蟲晶的遮蔽圖案 62並控制該等遮蔽圖案62的間距、大小，使得後續進行該 15 M441934 半導體蟲晶層7的屋晶時，對應形成該等孔洞7〇，而該等 孔洞70中介質材料的折射率（如空氣）與該半導體磊晶層 7差異較大，因此’原本由該半導體磊晶層7朝向該圖案基 底6前進的光線在接觸到該等孔洞7{)時因折射率差異大 而增加產生全反射的機率，如此一來，便可進一步地改善 整體發光二極體裝置的出光率、提升亮度。 當然’該等孔洞70中的介質材料除了本第四較佳實施 例所示的空氣外，亦可填覆入如氧化物、金屬、氮化物， 及矽化物其中之一的材料，一樣能令光由該半導體磊晶層7· 射入時因為介質折射率的差異，使得全反射的機率增加， 加上如金屬等具有高光反射特性材料的輔助，還能令折射 進入的光藉由反射再進一步地提高光朝外射出的機率，改 善整體發光亮度。 综上所述，本新型發光二極體裝置藉由在該 (3〇1 ' 302、303、6)與該半導體磊晶層（4、7)的交界 處形成β等孔洞（4Q、7G )，並利用該等孔洞⑽、)中 介質材料的折射率與該半導體麁晶層（4、7)的差異大於 該半導體蟲晶層（4、7)相對於該本體（31、61)材料的 折射率差異’而令由該半導體蟲晶層4朝該圖案基底3前 進線除了㈣原本的高低圖案結構使得反射角度增加 提间由5亥半導體层晶層（4、7)射出至外界的光量外， 更可利用該等孔洞（4G、7G)相對於該半導體蟲晶層（4、 斗折射率的差異提南全反射機率，也就是使得更多的 光朝向遠離該圖案基底（3〇1、3〇2、3〇3、6)的方向射出 16 M441934 以提同發光—極體裝置的出光量，更甚者，選擇具有高光 反射特性的材料做為該等孔洞（4G、7G)中的介f或遮蔽 圖案（33、62)’將能進一步地令朝該本體（31、61)前進 的光反射以提高出光機率，改善發光效率，故確實能達成 本新型之目的。 惟以上所述者，僅為本新型之較佳實施例而已，當不 月匕以此限足本新型實施之範圍，即大凡依本新型申請專利 範圍及新型說明内容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍 屬本新型專利涵蓋之範圍内。 【圖式簡單說明】 圖1疋。J面不思圖，說明常見的發光二極體的基板 圖2是一剖面示意圖 體結構； 圖3是一剖面示意圖， 揭示的一種發光二極體元件 圖4是一剖面示意圖 第一較佳實施例； 圖5是一剖面示意圖 基底的局部放大結構； 圖6是一剖面示意圖 基底的製作流程； 圖7是一剖面示意圖 基底的製作流程； ’說明具有圖案基板的發光二極 說明美國專利US2010059789所 9 ’說明本新型發光二極體裝置的 5兒明該第一較佳實施例中圖案 說明該第一較佳實施例中圖案 ，說明該第-較佳實施例中圖案 17 M441934 圖8是一剖面示意圖，說明該第一較佳實施例中圖案 基底的製作流程； 圖9是一剖面示意圖，說明該第一較佳實施例中 基底的另一態樣； 圖10是一剖面示意圖，說明本新型發光二極體裴 第二較佳實施例； 的 圖11是一剖面示意圖 第三較佳實施例；及 說明本新型發光二極 體裴置的
圖12是一剖面示意圖，說明本新型發光二極體裴 第四較佳實施例。 18