CN1619842A - 一种氮化物发光元件 - Google Patents
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Abstract
本发明关于一种氮化物发光元件，其提供一种具有光线撷取层的基板，将氮化物发光结构成长于此基板上，通过改变光线路径而提高发光效率。同时通过光线撷取层与成长基板折射率的匹配，可再大幅提升发光效率。此外，本发明也可提供一种牺牲层基板，在将氮化物发光结构成长于此基板上后，通过两种以上的金属或合金所构成的结合层，将成长基板上的氮化物发光结构与具有高热导系数的基板相结合；再通过化学溶液将此牺牲层完全蚀刻去除，使此所成长的结构与其原基板剥离。最后，使得能将此氮化物发光结构替换设置于具有高热导系数的基板上。由于承载基板为具有高热导系数的基板，因此，此元件可在高电流操作下，大幅提升其发光效率。
Description
技术领域
本发明关于一种氮化物发光元件，其提供一种具有光线撷取层的基板，将氮化物发光结构成长于此基板上。此外，本发明亦涉及一种高功率氮化物发光元件，其提供具有牺牲层(sacrificial layer)的基板，首先将氮化物发光结构成长于此基板上，然后经过两种以上的金属或合金结合层，将成长于基板上的氮化物发光结构与高热导系数基板相结合；再通过化学蚀刻法以化学溶液将此牺牲层完全蚀去除，而与原先的成长基板剥离，最后得以将氮化物发光结构更换设置于另一具有高热导系数的基板上。
背景技术
传统技术的发光元件的发光效率因半导体材料与外界材质两者之间有折射率差异，使得大部分的光线无法穿透射出而使其发光效率大打折扣。以氮化物发光元件为例，此在基板上所成长氮化物的折射率为2.0～2.5，而该氧化铝(Al2O3)基板的折射率为1.77，一般封装所采用环氧树脂的折射率为1.5，因此，使得大量光线无法从磊晶层内部穿透射出而被其吸收，造成元件的发光效率远低于20％。
Steigerwald等人在美国专利US 2002/0125485中揭示一种将基板背面与侧面粗化以增加光线输出的方法，但此制程不易实现且无法获得高优良率。
Kuo等人于美国专利US 6515306中揭示一种利用透明导电电极以取代传统半透明欧姆接触金属层的方法，由于其可大幅降低光线吸收效应，因此可大幅提升其发光效率。但在实际应用中，此种元件的使用寿命年限却仍无法令人满意。
此外，通常在传统技术中的氮化物发光元件乃是以氧化铝(Al2O3)为磊晶成长基板，由于基板本身为绝缘体，因而将P型和N型电极置于同一侧，但亦减少了晶粒有效发光区域；再者，由于成长基板为具有低热导系数的材质，因而无法于高电流下应用该元件。
Cheung等人于美国专利案号US 6420242中揭示一种利用准分子雷射(excimer laser)将氧化铝基板与氮化物磊晶层分离的方法，但此制程不易实现且无法获得高优良率。
以上所述为传统技术的氮化物发光元件的缺点与限制。
发明内容
本发明涉及一种氮化物发光元件，其提供一种具有光线撷取层之基板，将氮化物发光结构成长于此基板上，其通过此光线撷取层改变光线路径而提高发光效率。同时通过光线撷取层与成长基板之间折射率的匹配，可再大幅提升其发光效率。
此外，本发明又涉及一种高功率氮化物发光元件，其提供具有牺牲层(sacrificial layer)的基板，首先将氮化物发光结构成长于此基板上，然后通过两种以上的金属或合金结合层，将成长于基板上的氮化物发光结构与高热导系数基板相结合；再通过化学蚀刻法以化学溶液将此牺牲层完全蚀刻去除，而与原先成长基板剥离，最后得以将氮化物发光结构更换设置于另一具有高热导系数的基板上。因此，即可以高电流操作此元件，以大幅提升此元件发光效率。
一、为了解决上述背景技术前半部中所述的问题，必须降低磊晶层的光线吸收效应，因此，首先在氧化铝基板上成长一光线撷取层，可将其上部制作成不同的图案(pattern)，然后将氮化物磊晶层成长于其上。当将电流通入此元件时，使得光线从发光层射出后在行进至基板前，因遭遇光线撷取层而改变此光线行进路线，这样使原先会被磊晶层吸收的光线，从此元件大量穿透射出。
此外，通过光线撷取层与成长基板之间折射率的匹配，亦可大幅提升此元件的发光效率。
此外，本发明亦可利用此光线撷取层，大幅降低氮化物磊晶层的缺陷，因而提高此元件内部的量子效率。
本发明提供在磊晶制程前的一种简易结构，以提升该元件的发光效率。
二、此外，为了解决上述背景技术后半部中所述发光元件的缺点，本发明人作以下改进：首先在氧化铝基板上成长一牺牲层，可在其上制作成不同图案，然后将氮化物磊晶层成长其上。当氮化物发光结构与具有高热导系数基板通过结合层互相结合后，即可经由化学蚀刻法以化学溶液将牺牲层完全蚀刻去除，最后，将氮化物发光结构置换于具有高热导系数的基板上。因承载基板为具有高热导系数的基板，如此即可在高电流下操作此元件，以大幅提升此发光元件的发光效率。
此外，亦可利用本发明的牺牲层，以大幅降低氮化物磊晶层的缺陷，因而提高元件内部的量子效率。
本发明于磊晶制程前提供一种简易结构，以制成高功率氮化物发光元件。
附图说明
图1为传统技术的氮化物发光元件的纵截面图；
图2为传统技术的氮化物发光元件的俯视图；
图3为根据本发明较佳实施例一的基板上所设光线撷取层的俯视图；
图4为根据本发明较佳实施例二的基板上所设光线撷取层的俯视图；
图5为根据本发明较佳实施例三的基板上所设光线撷取层的俯视图；
图6为根据本发明较佳实施例四的基板上所设光线撷取层的俯视图；
图7为根据本发明较佳实施例五的基板上所设光线撷取层的俯视图；
图8为根据本发明较佳实施例六的基板上所设光线撷取层的俯视图；
图9为根据本发明较佳实施例七的基板上所设光线撷取层的俯视图；
图10为根据本发明较佳实施例八的基板上所设光线撷取层的俯视
图11为根据本发明较佳实施例九的基板上所设光线撷取层的俯视图；
图12为根据本发明较佳实施例十的基板上所设光线撷取层的俯视图；
图13为根据本发明的氮化物发光元件结构的侧视图，其显示光线撷取层的尺寸；
图14为根据本发明的氮化物发光元件较佳结构(1)的纵截面图；
图15为根据本发明的氮化物发光元件较佳结构(2)的纵截面图；
图16为根据传统技术的氮化物发光元件的纵截面图；
图17为根据传统技术的另一种氮化物发光元件的纵截面图；
图18为根据本发明较佳实施例十一的基板上所设牺牲层的俯视图；
图19为根据本发明较佳实施例十二的基板上所设牺牲层的俯视图；
图20为根据本发明较佳实施例十三的基板上所设牺牲层的俯视图；
图21为根据本发明较佳实施例十四的基板上所设牺牲层的俯视图；
图22为根据本发明较佳实施例十五的基板上所设牺牲层的俯视图；
图23为根据本发明较佳实施例十六的基板上所设牺牲层的俯视图；
图24为根据本发明较佳实施例十七的基板上所设牺牲层的俯视图；
图25为根据本发明较佳实施例十八的基板上所设牺牲层的俯视图；
图26为根据本发明较佳实施例十九的基板上所设牺牲层的俯视图；
图27为根据本发明较佳实施例二十的基板上所设牺牲层的俯视图；
图28为根据本发明的高功率氮化物发光元件的制作流程图；
图29为根据本发明的高功率氮化物发光元件的较佳结构(3)的纵截面图；以及
图30为本发明高功率氮化物发光元件的较佳结构(4)的纵截面图。
图中
10 传统技术氮化物发光元件 11 P-型氮化物磊晶层
12 活性层 13 N-型氮化物磊晶层
14 氧化铝基板 15A P电极
15B N电极 16 光线撷取层图案1
17 光线撷取层图案2 18 光线撷取层图案3
19 光线撷取层图案4 20 光线撷取层图案5
21 光线撷取层图案6 22 光线撷取层图案7
23 光线撷取层图案8 24 光线撷取层图案9
25 光线撷取层图案10 26 牺牲层图案1
27 牺牲层图案2 28 牺牲层图案3
29 牺牲层图案4 30 牺牲层图案5
31 牺牲层图案6 32 牺牲层图案7
33 牺牲层图案8 34 牺牲层图案9
35 牺牲层图案10
36 氮化物发光元件纵截面图
37 氮化物发光元件较佳结构(1)
38 氮化物发光元件较佳结构(2)
39 氮化物发光元件较佳结构(3)
40 氮化物发光元件较佳结构(4)
41 氧化铝基板 42 粗化表面
43 N-GaN 44 活性层
45 P-GaN 46 P-电极
47 N-电极 50 P-氮化物磊晶层
51 活性层 52 N-氮化物磊晶层
53 光线撷取层 54 氧化铝基板
55A P-电极 55B N-电极
50′ P-氮化物磊晶层 51′ 活性层
52′ N-氮化物磊晶层 53′ 光线撷取层
54′ 氧化铝基板 55A′ P-电极
55B′ N-电极 50″ P-氮化物磊晶层
51″ 活性层 52″ N-氮化物磊晶层
53″ 光线撷取层 54″ 氧化铝基板
55A″ P-电极 55B″ N-电极
70 氮化物发光元件纵截面图
71 P-氮化物磊晶层
72 活性层 73 N-氮化物磊晶层
74 氧化铝基板 76A P-电极
76B N-电极 77 透明导电层(TCL)
81 准分子雷射光 82 蓝宝石
83 牺牲层 84 GaN
85 结合层 86 Si层
90 P-氮化物磊晶层 91 活性层
92 N-氮化物磊晶层 93 牺牲层
94 氧化铝基板 90′ P-氮化物磊晶层
91′ 活性层 92′ N-氮化物磊晶层
93′ 牺牲层 94′ 氧化铝基板
100 方法 120、130 步骤
140、150 步骤 160、170 步骤
具体实施方式
本发明的特点与优点将由以下关于实施例的详细说明，并参考所附图式而获得更佳的了解。
为了具体实现上述发明内容一中的目的与内容，本发明的发光元件于磊晶成长制程之前，首先于基板上制作光线撷取层，然后在其上成长氮化物磊晶层，随后经由黄光、蒸镀、蚀刻、研磨、切割等制程完成制作此发光元件。当将电流通入此元件而在光线从发光层射出后行进至基板前，因遭遇本发明所设置的光线撷取层而改变此光线原来的行进路线，使得原先在传统技术中会被磊晶层吸收的光线，凭此种设计可大量穿透磊晶层而从此发光元件射出；此外，通过光线撷取层与成长基板之间折射率的匹配，亦可再大幅提升其发光效率。
首先请参阅图1，其显示根据传统技术的氮化物发光结构10，此氮化物发光结构10包含一氧化铝基板14以及成长于其上的一P型氮化物磊晶层11与N型氮化物磊晶层13上。磊晶层11和13则是利用现行传统磊晶技术所形成的磊晶结构层。此元件结构因氮化物与氧化铝基板两者有折射率差异，使得大量的光线无法从此发光结构内部穿透射出而被磊晶层吸收，造成此元件的发光效率远低于20％。
图2即是为了避免上述情况，Steigerwald等人于美国专利案号US2002/0125485中揭示一种方法将基板背面与侧面粗化以增加光线输出，但此种制程不易实现且无法获得高优良率。
因此，为改善上述传统技术的缺陷，在氧化铝基板上制作一光线撷取层16～25，其图案如图3～图12中所示；此光线撷取层可以磊晶沉积、溅镀法、电浆沉积、化学气相沉积、或电子束蒸镀等方法中之一制成；而此光线撷取层的尺寸如图13所示，其中t＝0～99％T，T为0.01～3μm，w＝0～100％W，W为0.1～10000μm。在完成此光线撷取层的制作后，再将氧化铝基板置入磊晶机台上，进行氮化物磊晶层的成长，随后经过配合黄光、蒸镀、蚀刻、研磨、切割等制程完成此发光元件的制作，通过不同尺寸的光线撷取层并配合适当的磊晶成长条件，可成长出例如结构37与38的发光元件，如图14与图15所示。
此光线撷取层所选用的材料可为氧化铟锡(ITO)、氧化铟(In2O3)、二氧化钛(TiO2)、氧化锆(ZrO2)、硫化锌(ZnS)、氧化锌(ZnO)、硒化锌(ZnSe)及氧化镁(MgO)中的一种。
此利用本发明上述技术所制成的氮化物发光元件，可大幅减少被内部磊晶层所吸收的光线，致使其发光效率被提升至近乎30％。
此外，本发明亦可利用此光线撷取层，大幅减少氮化物磊晶层的缺陷，因而提高元件内部的量子效率。
本发明提供在磊晶制程前的一种简易结构，以提升此种发光元件的发光效率。
为了具体实现上述发明内容二中的目的与内容，本发明研制成高功率氮化物发光元件，在磊晶制程前，首先于基板上制作牺牲层，然后在其上成长氮化物磊晶层，随后配合芯片结合技术将此氮化物发光元件结构与具有高热导系数的基板经由结合层相互结合后，即可通过化学蚀刻法以化学溶液将此牺牲层蚀刻完全去除，然后将氮化物磊晶层置换于具有高热导系数的基板上。随后经由黄光、蒸镀、蚀刻、研磨、切割等制程完成此发光元件的制作。最后将磊晶层设置于此具有高导电性的基板上，因而达成只需单一导线的垂直结构；此外，由于承载基板具有高热导系数，亦可于高电流下操作此发光元件，以大幅提升此发光元件的发光效率。请参考以下描述与图16至图30所附图式，以获得有关本发明更详尽与完备的说明与了解。
首先请参考图16，其为传统技术的氮化物发光结构70，此氮化物发光结构70包含一氧化铝基板74以及成长其上的一P型氮化物磊晶层71与N型氮化物磊晶层73。磊晶层71和73则是利用现有传统磊晶技术所形成的磊晶结构层。由于成长基板本身为绝缘体，因而将P型和N型电极置于基板同一侧，除了减少元件有效发光区域外；此外，由于氧化铝为具有低热导系数的材质，因而无法在高电流下操作与应用此元件。
图17则为了避免上述情况，由Cheung等人于美国专利案号US6420242中揭示一种利用准分子雷射(excimer laser)将氧化铝基板与氮化物磊晶层分离的方法，但此种制程不易实现且无法获得高优良率。
为了克服上述传统技术的缺点，首先在氧化铝基板上制作一牺牲层26～35，其图案如图18～图27所示。请参考图28(方法100)：此牺牲层可以使用磊晶沉积、溅镀法、电浆沉积、凝胶烧结法、烧结法、化学气相沉积、或电子束蒸镀中的一种制成(步骤110)，而牺牲层的厚度为0.01～3μm，宽度为0.1～1000μm。在制作完成牺牲层之后，再将氧化铝基板置入于磊晶机台上，以包括：有机金属化学气相沉积、诱导电藕极电浆化学气相沉积法、溅镀法、氢化物气相沉积法(HVPE)、凝胶烧结法(sol-gel)等方法进行氮化物磊晶层的成长(步骤120)，随后配合经由芯片结合技术将此氮化物发光结构与具有高热导系数的基板通过结合层相互结合(步骤130)后，再通过化学蚀刻法(步骤140)以化学溶液将此牺牲层蚀刻完全去除，即可将氮化物磊晶层以大面积更换设置于具有高热导系数的基板上，随后配合黄光、蒸镀、蚀刻(步骤150)、研磨、切割(步骤160)以及封装(步骤170)等制程步骤完成此发光元件的制作。本案通过不同尺寸的牺牲层并配合适当的磊晶成长条件，可成长制成如结构39与40的发光元件，与图29、30中所示相同。
该牺牲层所选用的材料可为：氧化铟锡(ITO)、氧化铟(In2O3)、二氧化钛(TiO2)、氧化锆(ZrO2)、硫化锌(ZnS)、氧化锌(ZnO)、硒化锌(ZnSe)及氧化镁(MgO)中的一种。
使用本发明技术所制成的高功率氮化物发光元件，其操作电流可较传统式氮化物所制成发光元件的操作电流高出五倍之多。
此外，亦可使用本发明所制的牺牲层，以大幅减少传统式氮化物磊晶层的缺陷，因而提高此发光元件内部的量子效率。
本发明是提供于磊晶制程之前的一种简易结构，以达成高功率发光元件的制作。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，其仅用于说明目的而非用以限制本发明与申请专利范围的内容；凡是其它未偏离本发明所揭示的精神下所作的等效改变或修饰，均应包含在所附权利要求书所保护的的范围内。
Claims (16)
1.一种氮化物发光元件，其特征在于，包括：
一成长基板；
一成长于此基板上的光线撷取层；
一成长于此光线撷取层上的氮化物磊晶层；
通过此光线撷取层可改变光线原来的行进路径，因而可避免光线的大部份被磊晶层吸收，而可从此发光元件射出，因此可提高发光效率；并且通过此光线撷取层与成长基板折射率的匹配，亦可大幅增加发光效率。
2. 根据权利要求1所述的氮化物发光元件，其特征在于，所述成长基板的材质为氧化铝(Al2O3)。
3.根据权利要求1所述的氮化物发光元件，其特征在于，所述成长基板的材质为碳化硅(SiC)。
4.根据权利要求1所述的氮化物发光元件，其特征在于，该光线撷取层是选自氧化铟锡(ITO)、氧化铟(In2O3)、二氧化钛(TiO2)、氧化锆(ZrO2)、硫化锌(ZnS)、氧化锌(ZnO)、硒化锌(ZnSe)及氧化镁(MgO)中的一种。
5.根据权利要求1所述的氮化物发光元件，其特征在于，所述光线撷取层的厚度T为0.01～3μm。
6.根据权利要求1所述的氮化物发光元件，其特征在于，所述光线撷取层的宽度W为0.1～10000μm。
7.一种具有牺牲层成长于其上的高功率氮化物发光元件，其特征在于，包括：
一磊晶成长基板；
一牺牲层成长于此基板上；
一氮化物磊晶层成长于此牺牲层上；
一高热导系数基板，通过结合层与以上元件所构成的氮化物发光结构互相结合；
一结合层、用于结合以上元件所构成的氮化物发光结构与具有高热导系数的基板；将以上所形成的氮化物发光结构经由化学蚀刻法以化学溶液，将此牺牲层与成长基板蚀刻完全去除，然后将如此制成的氮化物磊晶结构置于具有高热导系数的基板上，则可于高电流下操作此元件，以大幅提升其发光效率。
8.根据权利要求7所述的高功率氮化物发光元件，其特征在于，所述成长基板材质为氧化铝(Al2O3)。
9.根据权利要求7所述的高功率氮化物发光元件，其特征在于，该牺牲层是选自氧化铟锡(ITO)、氧化铟(In2O3)、二氧化钛(TiO2)、氧化锆(ZrO2)、硫化锌(ZnS)、氧化锌(ZnO)、硒化锌(ZnSe)及氧化镁(MgO)中的一种。
10.根据权利要求7所述的高功率氮化物发光元件，其特征在于，所述牺牲层的厚度为0.01～3μm。
11.根据权利要求7所述的高功率氮化物发光元件，其特征在于，该牺牲层的宽度为0.1～1000μm。
12.根据权利要求7所述的高功率氮化物发光元件，其特征在于，所述高热导系数基板的热导系数大于150W/m-K。
13.根据权利要求7所述的高功率氮化物发光元件，其特征在于，所述高热导系数基板的材质是选自半导体、金属或合金材料中的一种。
14.根据权利要求7所述的高功率氮化物发光元件，其特征在于，结合层的组成需至少包括铝(Al)、银(Ag)、金(Au)、镍(Ni)、铜(Cu)、铂(Pt)、钛(Ti)、钯(Pd)的任一种材质。
15.根据权利要求7所述的高功率氮化物发光元件，其特征在于，结合层的成长方式是选自沉积、溅镀或电镀中的一种。
16.根据权利要求7所述的高功率氮化物发光元件，其特征在于，氧化铝基板剥除方式为化学蚀刻法。
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|---|---|---|---|
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| CN1619842A true CN1619842A (zh) | 2005-05-25 |
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| CNA2003101150328A Pending CN1619842A (zh) | 2003-11-18 | 2003-11-18 | 一种氮化物发光元件 |
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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2003
- 2003-11-18 CN CNA2003101150328A patent/CN1619842A/zh active Pending
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |