TWI464910B - 半導體發光結構 - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種發光元件，且特別是有關於一種具有圖案化結構之半導體發光結構。
發光二極體(Light-Emitting Diode，LED)主要是透過電能轉化為光能的方式發光。發光二極體的主要的組成材料是半導體，其中含有帶正電的電洞比率較高的稱為P型半導體，含有帶負電的電子比率較高的稱為N型半導體。P型半導體與N型半導體相接處形成PN接面。在發光二極體的正極及負極兩端施加電壓時，電子將與電洞結合。電子與電洞結合後便以光的形式發出。
由於發光二極體具有壽命長、溫度低、能源利用率高等優點，近年來發光二極體已廣泛應用於背光模組、檯燈、交通號誌燈、車用煞車燈等。傳統光源已逐漸被發光二極體所取代。
然而，發光二極體的半導體基板(substrate)的折射係數遠高空氣的折射係數，朝基板的方向射出之光線很容易進入基板內，但進入基板內的光線由於基板/空氣介面處發生全反射而折返，因而導致大部分的光線被侷限在基板內部而無法取出，進而導致光取出效率不佳。
本發明係有關於一種半導體發光結構，藉由具有圖案化結構之基板來增加光反射及散射，以提高光取出效率。
根據本發明之一方面，提出一種半導體發光結構，其包括一基板、一圖案化結構、一第一半導體層、一活化層以及一第二半導體層。圖案化結構凸出或凹陷於基板之一表面，以使基板之表面成為一粗化面。圖案化結構具有一非對稱的幾何形狀。第一半導體層配置於粗化面上。活化層配置於第一半導體層上。第二半導體配置於活化層上。
在一實施例中，非對稱的幾何形狀包括不等邊三角形、不等邊梯形、不等邊且不平行之多邊形或其組合。
在一實施例中，非對稱的幾何形狀包括不等曲率之圓弧形。
為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
本實施例之半導體發光結構，係利用凸出及/或凹陷於基板表面的圖案化結構，使基板之表面具有特定幾何形狀之凸出部及/或凹陷部。凸出部係指凸出於基板表面的部分，而凹陷部係指凹陷於基板表面的部分。通常，凸出部與凹陷部是伴隨著產生，當凸出部形成於基板表面時，相對位置較低的部分可做為凹陷部；而當凹陷部形成於基板表面時，相對位置較高的部分可做為凸出部。因此，在本實施例中，當圖案化結構形成在基板表面時，無論是隨機地或規則性地形成凸出部及/或凹陷部，只要基板表面具有高低起伏之特定幾何形狀，且能達到相同或相似之功效者，均可視為可預期之凸出部及/或凹陷部。
以下係提出各種實施例進行詳細說明，實施例僅用以作為範例說明，並非用以限縮本發明欲保護之範圍。此外，為了簡化說明，下列之實施例僅繪示凸出型態的圖案化結構，但並不表示本發明所欲保護之範圍僅限於此。可想而知，凹陷型態的圖案化結構也包含在內。
請參照第1圖，其繪示依照本發明一實施例之半導體發光結構的示意圖。半導體發光結構100a包括一基板110、一圖案化結構112、一第一半導體層124、一活化層126以及一第二半導體層128。圖案化結構112凸出或凹陷於基板110之一表面111，以使基板110之表面111成為一粗化面111a。圖案化結構112具有一非對稱的幾何形狀(如虛線113所圈示者)。第一半導體層124配置於粗化面111a上。活化層126配置於第一半導體層124上。第二半導體配置於活化層126上。
在本實施例中，圖案化結構112例如以非等向性蝕刻(Anisotropic etching)或反應式蝕刻(Reactive etching)的方式形成於基板110之表面111上，以使基板110之表面111具有非對稱的幾何形狀之凸出部112a(或凹陷部112b)。常用的非等向性蝕刻，係以氣體作為主要的蝕刻媒介，並藉由電漿能量來驅動反應。電漿會將蝕刻氣體分子分解，產生能夠快速蝕去基板110材料的高活性分子。此外，電漿也會把這些氣體分子離子化，使其帶有電荷。將基板110設置於帶負電的陰極之上，因此當帶正電荷的離子被陰極吸引並加速向陰極方向前進時，會以特定角度撞擊到基板110之表面111，以獲得具有特定幾何形狀之圖案化結構112。此外，反應式蝕刻係結合物理性的離子轟擊與化學反應的蝕刻，此種方式兼具非等向性與高蝕刻選擇比之優點，可使一部分表面不被離子轟擊而保留原來的形狀，另一部分表面被離子轟擊後再與蝕刻氣體反應而形成不同的形狀，藉此可獲得具有非對稱幾何形狀之圖案化結構112。
在一實施例中，非對稱的幾何形狀包括不等邊三角形、不等邊梯形、不等邊且不平行之多邊形或其組合。以下就不同幾何形狀之圖案化結構112逐一說明，但非用以限制本發明。請參照第1圖，其繪示多個規則間隔且等高分佈的不等邊三角形113，其分別具有相對之一第一斜邊S1以及一第二斜邊S2。第一斜邊S1與第二斜邊S2相交於頂點P，並分別與底邊S0相交。第一斜邊S1與基板表面(底邊S0)之間具有一第一夾角θ1(內角)，第二斜邊S2與基板表面(底邊S0)之間具有一第二夾角θ2(內角)。由於第一夾角θ1不等於第二夾角θ2，因此第一斜邊S1的長度也不等於第二斜邊S2的長度，以形成一不等邊三角形113。在一實施例中，第一夾角θ1可介於30～90度之間，第二夾角θ2可介於30～90度之間。
接著，請參照第2圖之半導體發光結構100b，其繪示多個規則間隔且等高分佈的不等邊梯形114，其分別具有相對之一第一斜邊T1以及一第二斜邊T2。第一斜邊T1與第二斜邊T2不平行且不等長，且分別與底邊T0相交。第一斜邊T1與基板表面(底邊T0)之間具有一第一夾角θ1(內角)，第二斜邊T2與基板表面(底邊T0)之間具有一第二夾角θ2(內角)。由於第一夾角θ1不等於第二夾角θ2，因此第一斜邊T1的長度也不等於第二斜邊T2的長度，以形成一不等邊梯形114。在一實施例中，第一夾角θ1可介於30～90度之間，第二夾角θ2可介於30～90度之間。
接著，請參照第3圖之半導體發光結構100c，其繪示隨機排列的不等邊三角形113、不等邊梯形114、不等邊且不平行之多邊形115以及不等曲率之圓弧形116。其中，不等邊且不平行之多邊形115例如為四邊形或五邊形，其具有相對之一第一斜邊T1以及一第二斜邊T2。第一斜邊T1與第二斜邊T2不平行且不等長，且分別與底邊T0相交。第一斜邊T1並非為單一斜率，而是由不同傾度之至少二斜邊T11及T12所組成，因此第一斜邊T1為多重斜率之斜邊，以增強光散射的效果。此外，不等曲率之圓弧形116例如為橢圓形、類橢圓形或蛋形，其具有連續曲率變化的切線軌跡所形成之圓弧，且垂直切線的法線等分地或不等分地通過兩焦點之間的連線。因此，本實施例可藉由多曲率變化之圓弧形116來增強光散射的效果。
接著，請同時參照第1、2及3圖，當基板110之表面111形成上述所介紹之具有非對稱幾何形狀的圖案化結構112之後，更可形成一無摻雜之半導體層122於第一半導體層124與圖案化結構112之間。相對於第一半導體層124與第二半導體層128摻雜五價元素(例如磷、砷、銻)與三價元素(例如鋁、鎵、銦)而分別形成P型半導體層與N型半導體層，無摻雜之半導體層122不摻雜任何元素(例如矽)，可做為第一半導體層124與基板110之間的緩衝層，以利於後續以有機金屬氣相沈積法(MOCVD)在高溫下成長磊晶層120(例如氮化鎵)於基板110上，以做為一發光二極體。在本實施例中，基板110的種類可包括藍寶石基材、碳化矽基材或矽基材。磊晶層120由下而上依序為第一半導體層124、活化層126以及第二半導體層128。當施加電壓於第一半導體層124與第二半導體層128時，活化層126中的電子將與電洞結合，再以光的形式發出。
此外，磊晶層120的結晶方向、極性及差排濃度(dislocation density)會影響磊晶層120的品質。本實施例中，利用具有非對稱幾何形狀之圖案化結構112可使磊晶層120中的差排往水平方向延伸而彎曲(bending)，以避免穿隧差排(threading dislocation)產生並向上延伸至活化層126，而影響活化層126的發光效率。
另外，粗化面111a的圖案化結構112可使朝基板110的方向射出之光線L產生反射及散射，以使光線L向外散射而不容易進入基板110內，進而提高光取出效率。
第4A～4D圖分別繪示依照本發明一實施例之圖案化結構112的立體示意圖。為了簡化圖式，僅示例地繪示單一個圖案化型態之結構，但並不表示本發明所欲保護之範圍僅限於此。可想而知，多個隨機排列或規則性排列之圖案化型態亦包含在本結構內。
請參照第4A及4B圖，非對稱的幾何形狀包括三角錐210a或三角柱210b。在第4A圖中，三角錐210a由三個交會於頂點之不等邊三角形213所組成，每一個不等邊三角形213均具有不等長的二側邊S1、S2，如第一實施例中所述之不等邊三角形113(參見第1圖)，以形成一非對稱的三角錐210a。此外，在第4B圖中，三角柱210b由二個不等邊三角形213以及二個不等邊四邊形214所組成，每一個不等邊三角形213均具有不等長的二側邊S1、S2，如第一實施例中所述之不等邊三角形113(參見第1圖)，而每一個不等邊四邊形214連接於兩相對的不等邊三角形213之間，以形成一非對稱的三角柱210b。
接著，請參照第4C及4D圖，非對稱的幾何形狀包括四角錐210c或四角柱210d。在第4C圖中，以平頂的四角錐為例(但亦可為尖頂的四角錐)，其具有四個不等邊四邊形214a～214d(或不等邊的三角形)。在第4D圖中，四角柱210d具有四個不等邊四邊形214e～214h。每一個不等邊四邊形214a～214h均具有不等長的二側邊T1、T2，如第一實施例中所述之不等邊梯形114(參見第2圖)或四邊形，以形成一非對稱的四角錐210c或四角柱210d。
請參照第5圖，其繪示依照本發明一實施例之圖案化基板的示意圖。圖案化基板310可為藍寶石基材、碳化矽基材或矽基材之基板。雖然本實施例僅繪示圖案化基板310，但並不表示本發明所欲保護之範圍僅限於此。如第一實施例所述，本實施例亦可將第一半導體層124配置於圖案化基板310之表面311上。之後，活化層126配置於第一半導體層124上，第二半導體配置於活化層126上，以構成一半導體發光結構。
本實施例與上述實施例不同的是，圖案化結構312並非以島狀型態分佈於基板之表面311上，而是以條狀型態分佈於基板之表面311上。圖案化結構312具有條狀型態之非對稱的幾何形狀，其可包括不等邊三角形313、不等邊梯形314、不等邊且不平行之多邊形、不等曲率之圓弧形316或其組合。有關圖案化結構312的製作方法及細節，已詳細地描述於第一實施例中，本實施例可藉由調整製程條件來改變非等向性蝕刻或反應式蝕刻之參數，藉以獲得具有非對應幾何形狀之圖案化結構312，並使圖案化結構312以條狀型態分佈於基板之表面311上。
本發明上述實施例所揭露之半導體發光結構，係利用凸出及/或凹陷於基板表面的圖案化結構，使基板之表面具有特定幾何形狀之凸出部及/或凹陷部。由於圖案化結構具有非對稱之幾何形狀，並可使發光二極體朝基板的方向射出之光線經由圖案化結構反射及散射，以使光線向外散射而不容易進入基板內，進而提高發光二極體之光取出效率。
綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100a、100b、100c．．．半導體發光結構
110．．．基板
111、311．．．表面
111a．．．粗化面
112、312．．．圖案化結構
112a．．．凸出部
112b．．．凹陷部
113、213．．．不等邊三角形
114．．．不等邊梯形
115．．．不等邊且不平行之多邊形
T11、T12．．．斜邊
116、316．．．不等曲率之圓弧形
120．．．磊晶層
122．．．無摻雜之半導體層
124．．．第一半導體層
126．．．活化層
128．．．第二半導體層
210a．．．三角錐
210b．．．三角柱
210c．．．四角錐
210d．．．四角柱
214、214a～214h．．．不等邊四邊形
310．．．圖案化基板
S1、T1．．．第一斜邊
S2、T2．．．第二斜邊
S0、T0．．．底邊
P．．．頂點
L．．．光線
θ1．．．第一夾角
θ2．．．第二夾角
第1圖繪示依照本發明一實施例之半導體發光結構的示意圖。
第2圖繪示依照本發明一實施例之半導體發光結構的示意圖。
第3圖繪示依照本發明一實施例之半導體發光結構的示意圖。
第4A～4D圖分別繪示依照本發明一實施例之圖案化結構的立體示意圖。
第5圖繪示依照本發明一實施例之圖案化基板的示意圖。
100a．．．半導體發光結構
110．．．基板
111．．．表面
111a．．．粗化面
112．．．圖案化結構
112a．．．凸出部
112b．．．凹陷部
113．．．不等邊三角形
120．．．磊晶層
122．．．無摻雜之半導體層
124．．．第一半導體層
126．．．活化層
128．．．第二半導體層
θ1．．．第一夾角
θ2．．．第二夾角
S1．．．第一斜邊
S2．．．第二斜邊
S0．．．底邊
P．．．頂點
L．．．光線
Claims (10)
- 一種半導體發光結構，包括：一基板；一圖案化結構，凸出於該基板之一表面，以使該表面成為一粗化面，該圖案化結構具有一非對稱的幾何形狀；一第一半導體層，配置於該粗化面上；一活化層，配置於該第一半導體層上；以及一第二半導體層，配置於該活化層上。
- 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光結構，其中該圖案化結構以島狀或條狀型態分佈於該基板之該表面。
- 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光結構，其中該非對稱的幾何形狀包括不等邊三角形、不等邊梯形、不等邊且不平行之多邊形或其組合。
- 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光結構，其中該非對稱的幾何形狀包括具有複數個不等邊三角形之三角柱或三角錐。
- 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光結構，其中該非對稱的幾何形狀包括具有複數個不等邊四邊形之四角柱或四角錐。
- 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光結構，其中該非對稱的幾何形狀包括不等曲率之圓弧形。
- 如申請專利範圍第3項所述之半導體發光結構，其中該非對稱的幾何形狀具有相對之一第一斜邊以及一第二斜邊，該第一斜邊與該表面之間具有一第一夾角，該 第二斜邊與該表面之間具有一第二夾角，該第一夾角不等於該第二夾角。
- 如申請專利範圍第7項所述之半導體發光結構，其中該第一夾角介於30~90度之間，該第二夾角介於30~90度之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光結構，其中該基板為藍寶石基材、碳化矽基材或矽基材。
- 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光結構，更包括一無摻雜之半導體層，配置於該第一半導體層與該圖案化結構之間。
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