TWI426627B - 發光二極體 - Google Patents

Description

發光二極體

本發明涉及一發光二極體，尤其涉及一具有三維奈米結構陣列之發光二極體。

由氮化鎵半導體材料製成之高效藍光、綠光及白光發光二極體具有壽命長、節能、綠色環保等顯著特點，已被廣泛應用於大螢幕彩色顯示、汽車照明、交通信號、複數媒體顯示及光通訊等領域，特別是在照明領域具有廣闊之發展潛力。

傳統發光二極體通常包括N型半導體層、P型半導體層、設置於N型半導體層與P型半導體層之間之活性層、設置於P型半導體層上之P型電極(通常為透明電極)及設置於N型半導體層上之N型電極。發光二極體處於工作狀態時，在P型半導體層與N型半導體層上分別施加正、負電壓，這樣，存在於P型半導體層中之空穴與存在於N型半導體層中之電子在活性層中發生複合而產生光子，且光子從發光二極體中射出。

然而，先前技術之發光二極體的光取出效率(光取出效率通常指活性層中所產生之光從發光二極體內部釋放出之效率)較低，其主要原因是由於半導體(通常為氮化鎵)之折射率大於空氣之折射率，來自活性層之大角度光在半導體與空氣之介面處發生全反射，從而大部份大角度光被限制在發光二極體之內部，直至以熱 等方式耗散。這對發光二極體而言非常不利。

為了解決上述問題，先前技術中通過控制氮化鎵生長方式提高發光二極體之出光率。然該方法工藝複雜，成本較高。先前技術中也有採用表面粗糙化或表面圖形化發光二極體之出光面等方法改變光線之入射角度從而提高發光二極體之出光率的報導。然這種方法只能在較小程度上改變光線之入射角，對於入射角較大之大角度光仍無法有效地提取，影響了發光二極體之出光率。

有鑒於此，提供一光取出效率較高之發光二極體實為必要。

一發光二極體，其包括：一基底；一第一半導體層、一活性層及一第二半導體層依次層疊設置於所述基底之一側，且所述第一半導體層靠近基底設置；一第一電極與所述第一半導體層電連接；一第二電極與所述第二半導體層電連接；其中，進一步包括複數三維奈米結構以陣列形式設置於第二半導體層之遠離基底的表面，且所述三維奈米結構為階梯狀結構，每一階梯狀結構包括至少兩層台狀結構。

一發光二極體，其包括：一基底；一第一半導體層、一活性層及一第二半導體層依次層疊設置於所述基底之一側，且所述第一半導體層靠近基底設置；一第一電極與所述第一半導體層電連接；一第二電極與所述第二半導體層電連接；其中，進一步包括複數三維奈米結構以陣列形式設置於第一半導體層與基底接觸之表面，且所述三維奈米結構為階梯狀結構，每一階梯狀結構包括至少兩層台狀結構。

與先前技術相比較，本發明之發光二極體中，複數三維奈米結構以陣列形式設置形成三維奈米結構陣列。由於本發明之三維奈米結構為階梯狀結構，相當於包括至少二層三維奈米結構或二層光子晶體結構，故可以更加有效提高發光二極體之大角度光的取出效率。或者，當大角度光向基底傳播過程中遇到三維奈米結構陣列，會經三維奈米結構陣列反射而變成小角度光。一方面，大角度光變成小角度光可以提高發光二極體之出光效率，另一方面，大角度光變成小角度光可以減小光線在發光二極體內部之傳播路徑，從而減小光線在傳播過程中之損耗。

10,20,30,40‧‧‧發光二極體

11,21,31,41‧‧‧第二電極

12,22,32,42‧‧‧基底

13,23,33,43‧‧‧第一電極

14,24,34,44‧‧‧第一半導體層

15,45‧‧‧三維奈米結構

152‧‧‧第一圓台

154‧‧‧第二圓台

16,26,36,46‧‧‧活性層

17,27,37,47‧‧‧三維奈米結構陣列

18,28,38,48‧‧‧第二半導體層

452‧‧‧第一圓台狀空間

454‧‧‧第二圓台狀空間

圖1為本發明第一實施例提供之發光二極體的結構示意圖。

圖2為圖1之發光二極體沿II-II線的剖視圖。

圖3為本發明第一實施例提供之發光二極體的三維奈米結構陣列之掃描電鏡照片。

圖4為本發明第一實施例提供之發光二極體的光取出效率測試結果。

圖5為本發明第二實施例提供之發光二極體的結構示意圖。

圖6為本發明第三實施例提供之發光二極體的結構示意圖。

圖7為本發明第四實施例提供之發光二極體的結構示意圖。

圖8為圖7之發光二極體沿VIII-VIII線的剖視圖。

為了對本發明作更進一步之說明，舉以下具體實施例並配合附圖 詳細描述如下。

請參閱圖1，本發明第一實施例提供一發光二極體10，其包括：一基底12、一第一半導體層14、一活性層16、一第二半導體層18、一第一電極13、一第二電極11及一三維奈米結構陣列17。

所述第一半導體層14、活性層16及第二半導體層18依次層疊設置於基底12之一側。所述第一電極13與所述第一半導體層14電連接。所述第二電極11與所述第二半導體層18電連接。所述三維奈米結構陣列17可以設置於第二半導體層18之遠離基底12之表面，或/及第一半導體層14與基底12接觸之表面，或/及基底12與第一半導體層14接觸之表面。本實施例中，所述三維奈米結構陣列17設置於所述第二半導體層18之遠離基底12之表面。

所述基底12具有支撐之作用。所述基底12之厚度為300至500微米，其材料為藍寶石、砷化鎵、磷化銦、偏鋁酸鋰、鎵酸鋰、氮化鋁、矽、碳化矽及氮化矽等材料中之一或其混合物。本實施例中，所述基底12之厚度為400微米，其材料為藍寶石。

可選擇地，一緩衝層(圖未示)可以設置於基底12及第一半導體層14之間，並與基底12及第一半導體層14分別接觸，此時第一半導體層14靠近基底12之表面與緩衝層接觸。所述緩衝層有利於提高材料之外延生長品質，減少晶格失配。所述緩衝層之厚度為10奈米至300奈米，其材料可以為氮化鎵或氮化鋁等。

所述第一半導體層14為一台階結構。所述第一半導體層14包括一第一表面、一第二表面及一第三表面。該三個表面相互平行。第二表面及第三表面均與第一表面相對設置。該第一半導體層14之 第二表面與第三表面具有不同之高度，從而使第一半導體層14具有一台階。第二表面是該台階之高度較低的表面，第三表面是該台階之高度較高的表面。相比於第三表面，第二表面與第一表面之距離較小。將第一半導體層14設置於基底12之一側時，第一半導體層14之第一表面靠近基底12設置。活性層16及第二半導體層18依次設置於第一半導體層14之第三表面。優選地，活性層16及第一半導體層14之第三表面之接觸面積與第一半導體層14之第三表面之面積相等。第二半導體層18完全覆蓋活性層16之遠離基底12的表面。可選擇地，所述第一半導體層14之第三表面與第二表面可位於一平面即第二表面及第三表面高度相同，此時，所述活性層16與第二半導體層18依次層疊設置於所述第一半導體層14之部份表面，從而形成台階結構。所述第一電極13設置於第一半導體層14之第二表面。

所述第一半導體層14、第二半導體層18分別為N型半導體層及P型半導體層二類型中之一。具體地，當該第一半導體層14為N型半導體層時，第二半導體層18為P型半導體層；當該第一半導體層14為P型半導體層時，第二半導體層18為N型半導體層。所述N型半導體層起到提供電子之作用，所述P型半導體層起到提供空穴之作用。N型半導體層之材料為N型氮化鎵、N型砷化鎵及N型磷化銅等材料中之一或其混合物。P型半導體層之材料為P型氮化鎵、P型砷化鎵及P型磷化銅等材料中之一或其混合物。所述第一半導體層14之厚度為1微米至5微米。所述第二半導體層18之厚度為0.1微米至3微米。本實施例中，所述第一半導體層14為N型半導體層，該第一半導體層14之第一表面及第三表面的距離為0.3微米，第一表面及第二表面之距離為0.1微米。第一半導體層14之 材料為N型氮化鎵。所述第二半導體層18為P型半導體層，該第二半導體層18之厚度為0.3微米，材料為P型氮化鎵。

活性層16設置於第一半導體層14之第三表面。所述活性層16為包含一層或複數層量子阱層之量子阱結構(Quantum Well)。所述活性層16用於提供光子。所述活性層16之材料為氮化鎵、氮化銦鎵、氮化銦鎵鋁、砷化稼、砷化鋁稼、磷化銦鎵、磷化銦砷或砷化銦鎵中之一或其混合物，其厚度為0.01微米至0.6微米。本實施例中，所述活性層16為二層結構，包括一氮化銦鎵層及一氮化鎵層，其厚度為0.03微米。所述第一半導體層14之第二表面與第二半導體層18遠離基底12之表面的距離是0.8微米。

所述第一電極13、第二電極11可以為N型電極或P型電極二類型中之一。所述第二電極11之類型與第二半導體層18之類型相同。第一電極13與第一半導體層14之類型相同。所述第二電極11、第一電極13至少為一層結構，其厚度為0.01微米至2微米。所述第一電極13、第二電極11之材料包括鈦、鋁、鎳及金中之一或其任意組合。優選地，所述第二電極11為N型電極，該第二電極11為二層結構，包括一厚度為150埃之鈦層及一厚度為2000埃之金層。所述第一電極13為P型電極，該第一電極13為二層結構，包括一厚度為150埃之鎳層及一厚度為1000埃之金層。本實施例中，第一電極13設置於所述第一半導體層14之第二表面，第二電極11設置於所述第二半導體層18之遠離基底12的部份表面。

所述三維奈米結構陣列17包括複數三維奈米結構15。所述三維奈米結構15之材料或定義該三維奈米結構15之材料可以與第二半導體層18之材料相同以形成一體結構，或與第二半導體層18之材料 不同。所述複數三維奈米結構15在第二半導體層18表面以陣列形式設置。所述陣列形式設置指所述複數三維奈米結構15可以按照等間距行列式排布、同心圓環排布或六角形密堆排布等方式排列。而且，所述以陣列形式設置之複數三維奈米結構15可形成一單一圖案或複數圖案。所述單一圖案可以為三角形、平行四邊形、體形、菱形、方形、矩形或圓形等。所述複數圖案可以包括複數相同或不同上述單一圖案所形成之圖案化的陣列。所述相鄰之二個三維奈米結構15之間的距離相等，即相鄰之二第一圓台152之間的距離相等，為10奈米~1000奈米，優選為10奈米~30奈米。本實施例中，所述複數三維奈米結構15呈六角形密堆排布形成一單一正方形圖案，且相鄰二個三維奈米結構15之間之距離約為30奈米。

所述三維奈米結構15為一階梯狀結構。所述三維奈米結構15可以為一階梯狀凸起結構或階梯狀凹陷結構。所述階梯狀凸起結構為從所述第二半導體層18表面向外延伸出之階梯狀突起之實體。所述階梯狀凹陷結構為從第二半導體層18表面向第二半導體層18內凹陷形成之階梯狀凹陷之空間。所述階梯狀凸起結構或階梯狀凹陷結構可以為一複數層台狀結構，如複數層三棱台、複數層四棱台、複數層六棱台或複數層圓台等。優選地，所述階梯狀凸起結構或階梯狀凹陷結構為複數層圓台結構。所謂階梯狀凹陷結構為複數層圓台結構是指所述階梯狀凹陷之空間為複數層圓台形狀。所述階梯狀凸起結構或階梯狀凹陷結構之最大尺度為小於等於1000奈米，即其長度、寬度及高度均小於等於1000奈米。優選地，所述階梯狀凸起結構或階梯狀凹陷結構長度、寬度及高度範圍為10奈米~500奈米。

請參閱圖2及圖3，本實施例中，所述三維奈米結構15為一階梯狀凸起之雙層圓台結構。具體地，所述三維奈米結構15包括一第一圓台152及一設置於該第一圓台152表面之第二圓台154。所述第一圓台152靠近第二半導體層18設置。所述第一圓台152之側面垂直於第二半導體層18之表面。所述第二圓台154之側面垂直於第一圓台152之低面。所述第一圓台152與第二圓台154形成一階梯狀凸起結構，所述第二圓台154設置在所述第一圓台152之範圍內。優選地，所述第一圓台152與第二圓台154同軸設置。所述第一圓台152與第二圓台154為一體結構，即所述第二圓台154為第一圓台152之頂面延伸出之圓台狀結構。

所述第一圓台152之底面直徑大於第二圓台154之底面直徑。所述第一圓台152之底面直徑為30奈米~1000奈米，高度為50奈米~1000奈米。優選地，所述第一圓台152之底面直徑為50奈米~200奈米，高度為100奈米~500奈米。所述第二圓台154之底面直徑為10奈米~500奈米，高度為20奈米~500奈米。優選地，所述第二圓台154之底面直徑為20奈米~200奈米，高度為100奈米~300奈米。本實施例中，所述第一圓台152與第二圓台154同軸設置。所述第一圓台152之底面直徑為380奈米，高度為105奈米。所述第二圓台154之底面直徑為280奈米，高度為55奈米。

可以理解，所述三維奈米結構15還可以包括一設置於該第二圓台154表面之第三圓台(圖未示)。優選地，所述第三圓台與第一圓台152，第二圓台154同軸設置。

當由第二半導體層18發出之大角度光在出射過程中遇到三維奈米結構陣列17，會經三維奈米結構陣列17繞射而改變光子之出射方 向，從而實現了發光二極體10之大角度光的取出，提高了發光二極體10之光取出效率。由於本發明之三維奈米結構陣列17之三維奈米結構15為階梯狀結構，相當於包括至少二層三維奈米結構或二層光子晶體結構，可以更加有效之提高發光二極體10之光取出效率。請參閱圖4，本發明提供之發光二極體10之光取出效率為先前技術中沒有設置三維奈米結構陣列之發光二極體的光取出效率的5倍。

請參閱圖5，本發明第二實施例提供一發光二極體20，其包括：一基底22、一第一半導體層24、一活性層26、一第二半導體層28、一第一電極23、一第二電極21及一三維奈米結構陣列27。本發明第二實施例中之發光二極體20的結構同第一實施例中之發光二極體10的結構相似，其區別在於，所述三維奈米結構陣列27設置於第一半導體層24與基底22接觸之表面。

請參閱圖6，本發明第三實施例提供一發光二極體30，其包括：一基底32、一第一半導體層34、一活性層36、一第二半導體層38、一第一電極33、一第二電極31及一三維奈米結構陣列37。本發明第三實施例中之發光二極體30之結構同第一實施例中之發光二極體10的結構相似，其區別在於，所述三維奈米結構陣列37設置於基底32與第一半導體層34接觸之表面。

可以理解，由於本發明第二實施例與第三實施例中分別將三維奈米結構陣列37,47設置於第一半導體層24與基底22接觸之表面或基底32與第一半導體層34接觸之表面，所以當大角度光向基底22，32傳播過程中遇到三維奈米結構陣列37,47，會經三維奈米結構陣列37,47反射而變成小角度光。一方面，大角度光變成小角 度光可以提高發光二極體20,30之出光效率，另一方面，大角度光變成小角度光可以減小光線在發光二極體20,30內部之傳播路徑，從而減小光線在傳播過程中之損耗。當緩衝層設置於第一半導體層24，34與基底22，32之間時，本發明第二實施例與第三實施例中可以分別將三維奈米結構陣列37,47設置於第一半導體層24與緩衝層接觸之表面或基底32與緩衝層接觸之表面。

請參閱圖7及圖8，本發明第四實施例提供一發光二極體40，其包括：一基底42、一第一半導體層44、一活性層46、一第二半導體層48、一第一電極43、一第二電極41及一三維奈米結構陣列47。本發明第四實施例中之發光二極體40的結構同第一實施例中之發光二極體10的結構相似，其區別在於，所述三維奈米結構陣列47包括複數三維奈米結構45，且該三維奈米結構45為一階梯狀凹陷結構，即由第二半導體層48定義之凹陷空間。所述三維奈米結構45之形狀為一雙層圓台狀空間，具體包括一第一圓台狀空間452，及一與第一圓台狀空間452連通之第二圓台狀空間454。所述第一圓台狀空間452與第二圓台狀空間454同軸設置。所述第一圓台狀空間452與第二圓台狀空間454同軸設置。所述第二圓台狀空間454靠近第二半導體層48表面設置。所述第二圓台狀空間454之直徑大於第一圓台狀空間452的直徑。

綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡習知本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。

10‧‧‧發光二極體

11‧‧‧第二電極

12‧‧‧基底

13‧‧‧第一電極

14‧‧‧第一半導體層

15‧‧‧三維奈米結構

152‧‧‧第一圓台

154‧‧‧第二圓台

16‧‧‧活性層

17‧‧‧三維奈米結構陣列

18‧‧‧第二半導體層

Claims (14)

1. 一發光二極體，其包括：一基底；一第一半導體層、一活性層及一第二半導體層依次層疊設置於所述基底之一側，且所述第一半導體層靠近基底設置；一第一電極與所述第一半導體層電連接；一第二電極與所述第二半導體層電連接：其中，進一步包括複數三維奈米結構以陣列形式設置於第二半導體層之遠離基底之表面，且所述三維奈米結構為階梯狀結構，每一階梯狀結構包括一第一圓台及一設置於該第一圓台表面之第二圓台，所述第一圓台之側面垂直於第二半導體層之表面，所述第二圓台之側面垂直於第一圓台之底面。
2. 如請求項第1項所述之發光二極體，其中，所述三維奈米結構為設置在所述第二半導體層表面之階梯狀凸起結構或階梯狀凹陷結構。
3. 如請求項第2項所述之發光二極體，其中，所述階梯狀凸起結構或階梯狀凹陷結構之尺度小於等於1000奈米。
4. 如請求項第1項所述之發光二極體，其中，所述三維奈米結構為一複數層階梯狀圓台結構。
5. 如請求項第4項所述之發光二極體，其中，所述第一圓台靠近第二半導體層設置，所述第一圓台之底面直徑大於第二圓台之底面直徑。
6. 如請求項第5項所述之發光二極體，其中，所述第一圓台與第二圓台同軸設置且形成一體結構。
7. 如請求項第5項所述之發光二極體，其中，所述三維奈米結構進一步包括 一設置於第二圓台表面之第三圓台。
8. 如請求項第1項所述之發光二極體，其中，所述複數三維奈米結構按照等間距行列式排布、同心圓環排布或六角形密堆排布之方式設置在第二半導體層表面。
9. 如請求項第1項所述之發光二極體，其中，所述三維奈米結構與第二半導體層形成一體結構。
10. 如請求項第1項所述之發光二極體，其中，所述相鄰之二個三維奈米結構之間的距離為10奈米~1000奈米。
11. 如請求項第1項所述之發光二極體，其中，進一步包括複數三維奈米結構以陣列形式設置於第一半導體層與基底接觸之表面。
12. 如請求項第1項所述之發光二極體，其中，進一步包括複數三維奈米結構以陣列形式設置於基底與第一半導體層接觸之表面。
13. 如請求項第1項所述之發光二極體，其中，所述以陣列形式設置之複數三維奈米結構形成一單一圖案或複數圖案。
14. 一發光二極體，其包括：一基底；一第一半導體層、一活性層及一第二半導體層依次層疊設置於所述基底之一側，且所述第一半導體層靠近基底設置；一第一電極與所述第一半導體層電連接；一第二電極與所述第二半導體層電連接；其中，進一步包括複數三維奈米結構以陣列形式設置於第一半導體層與基底接觸之表面，且所述三維奈米結構為階梯狀結構，每一階梯狀結構包括一第一圓台及一設置於該第一圓台表面之第二圓台，所述第一圓台之側面垂直於第二半導體層之表面，所述第二圓台之側面垂直於第一圓台之底面。