TWI527260B - 發光元件結構及其半導體晶圓結構 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種發光元件結構及其半導體晶圓結構，特別係關於一種發光元件結構及半導體晶圓結構，其藉由在發光元件之周圍設置凸牆結構以提升取光效率。
半導體發光元件，(例如發光二極體)已經被廣泛地應用在各種交通號誌、車用電子、液晶顯示器背光模組以及一般照明等。發光二極體基本上係在基板上依序形成n型半導體層、發光元件、p型半導體層，並採用在p型半導體層及n型半導體層上形成電極，藉由自半導體層注入之電洞與電子再結合，在發光元件上產生光束，其經由p型半導體層上之透光性電極或基板射出發光二極體。
如何將發光層所產生的光束取出至發光元件外部，乃目前半導體發光元件之重要的改善問題。在習知技術中，研發人員使用透明電極，俾便發光層朝向上發出之光束不致於在傳播至外界的路徑上受到阻礙物阻擋。然而，除了向上光束之外，發光層亦向其它方向發射光束，部分的光束因發生全反射而在發光元件之內部重複進行反射，最終被發光層本身吸收而衰減消滅，無法傳播至發光元件之外界。易言之，大部分光線在該發光元件內部被反射或吸收而嚴重耗損，導致該發光元件之光輸出效率相當低。
台灣專利公告第561632揭示一種發光元件，其在基板之表面部分形成使發光元件產生之光散射或繞射之至少一
個凹部及/或凸部。凹部及/凸部形成半導體層上不產生結晶缺陷的形狀。另，台灣專利公告第536841揭示一種發光元件，其係藉由第一層(基板)施行凹凸加工，並使具有與第一層不同折射率之第二層埋藏於該凹凸而成長(或在成為成長基礎的結晶層上，使第一結晶成長為凹凸狀，然後再成長具有與第一結晶不同折射率的第二結晶)。
本發明提供一種發光元件結構及半導體晶圓結構，其藉由在發光元件之周圍(即切割道)設置凸牆結構以提升取光效率。
本發明之發光元件結構之一實施例，包含一基板、設置於該基板之一第一區域上的一第一導電型半導體層、設置於該第一導電型半導體層上之一發光結構、設置於該發光結構上之一第二導電型半導體層、以及設置於該基板之一第二區域上的一凸牆結構，其中該第二區域位於該第一區域之外。
本發明之半導體晶圓結構之一實施例，包含一基板、設置於該基板上之複數個發光元件、分隔該些發光元件之複數條切割道、以及設置於該切割道上之一凸牆結構。該發光元件包含一第一導電型半導體層、設置於該第一導電型半導體層上之一發光結構、以及設置於該發光結構上之一第二導電型半導體層。
上文已相當廣泛地概述本發明之技術特徵及優點，俾使下文之本發明詳細描述得以獲得較佳瞭解。構成本發明
之申請專利範圍標的之其它技術特徵及優點將描述於下文。本發明所屬技術領域中具有通常知識者應瞭解，可相當容易地利用下文揭示之概念與特定實施例可作為修改或設計其它結構或製程而實現與本發明相同之目的。本發明所屬技術領域中具有通常知識者亦應瞭解，這類等效建構無法脫離後附之申請專利範圍所界定之本發明的精神和範圍。
圖1及圖2例示本發明一實施例之半導體晶圓結構10A，圖2係圖1沿著剖面線1－1之剖示圖。該半導體晶圓結構10A包含一基板12A、設置於該基板12A上之複數個發光元件20A、分隔該些發光元件20A之複數條切割道40A、以及設置於該切割道40A上之複數個凸牆結構50A。在本發明之一實施例中，該基板12A包含一第一區域14A(即發光元件20A)及一第二區域16A(即切割道40A)，該第二區域16A係位於該第一區域14A之外。例如該第二區域16A係環繞該第一區域14A，亦即該凸牆結構50A環繞該發光元件20A。該凸牆結構50A之壁面可為波浪狀或圓弧狀，且該凸牆結構50A之橫向厚度係呈非週期性變化。
參考圖2，該發光元件20A包含一N型半導體層22A、設置於該N型半導體層22A上之一發光結構24A、設置於該發光結構24A上之一P型半導體層26A、設置於該P型半導體層26A上之一接觸層28A、設置於該接觸層28上之一導電透光層30A、設置於該N型半導體層22A上之一第一電極32A、以
及設置於該導電透光層30A上之一第二電極34A。
習知發光元件之部分光束因發生全反射而在發光元件之內部重複進行反射，最終被發光層本身吸收而衰減消滅，無法傳播至發光元件之外界。為了解決此一問題以提昇發光效率，本發明之一實施例在該發光元件20A之周圍該凸牆結構50A，改變光束由該發光元件20A(高射率物質)傳播至空氣(低射率物質)之入射角以避免全反射，亦即避免光束在該發光元件20A之內部重複進行反射，因而衰減消滅無法傳播至該發光元件20A之外界。如此，即可提昇該發光元件20A之發光效率。在本發明之一實施例中，該凸牆結構50A之頂端係介於該P型半導體層26A之頂端與底端之間。
該基板12A上之膜層可採用磊晶機台予以製備，而該凸牆結構50A可利用黃光顯影技術在該切割道40A上定義出其形貌(例如波浪狀或圓弧狀)，再利用乾式蝕刻在該切割道40A上蝕刻至預定深度予以製備。在本發明之一實施例中，該基板12A包含絕緣透光材料，例如藍寶石(Sapphire)；該N型半導體層22A、該發光結構24A及該P型半導體層26A包含氮化物，例如氮化鋁鎵、氮化鎵、氮化銦鎵、或是氮化鋁鎵銦；該接觸層28A包含氮化物，例如氮化鎂、氮化鋁鎵、氮化鎵、氮化銦鎵、或是氮化鋁鎵銦；該導電透光層30A包含氧化物，例如氧化銦、氧化錫、或是氧化銦錫；該發光結構24A可以是量子井(quantum well)或是多重量子井(multi－quantum well)。
圖3及圖4例示本發明另一實施例之半導體晶圓結構
10B，圖4係圖3沿著剖面線2－2之剖示圖。該半導體晶圓結構10B包含一基板12B、設置於該基板12B上之複數個發光元件20B、分隔該些發光元件20B之複數條切割道40B、以及設置於該切割道40B上之複數個凸牆結構50B。在本發明之一實施例中，該基板12B包含一第一區域14B(即發光元件20B)及一第二區域16B(即切割道40B)，該第二區域16B係位於該第一區域14B之外。例如該第二區域16B係環繞該第一區域14B，亦即該凸牆結構50B環繞該發光元件20B。該凸牆結構50B之壁面可為凹凸狀或鋸齒狀，且該凸牆結構50B之橫向厚度係呈週期性變化。
參考圖4，該發光元件20B包含一N型半導體層22B、設置於該N型半導體層22B上之一發光結構24B、設置於該發光結構24B上之一P型半導體層26B、設置於該P型半導體層26B上之一接觸層28B、設置於該接觸層28上之一導電透光層30B、設置於該N型半導體層22B上之一第一電極32B、以及設置於該導電透光層30B上之一第二電極34B。
習知發光元件之部分光束因發生全反射而在發光元件之內部重複進行反射，最終被發光層本身吸收而衰減消滅，無法傳播至發光元件之外界。為了解決此一問題以提昇發光效率，本發明之一實施例在該發光元件20B之周圍該凸牆結構50B，改變光束由該發光元件20B(高射率物質)傳播至空氣(低射率物質)之入射角以避免全反射，亦即避免光束在該發光元件20B之內部重複進行反射，因而衰減消滅無法傳播至該發光元件20B之外界。如此，即可提昇該發光元件
20B之發光效率。在本發明之一實施例中，該凸牆結構50B之頂端係介於該P型半導體層26B之頂端與底端之間。
該基板12B上之膜層可採用磊晶機台予以製備，而該凸牆結構50B可利用黃光顯影技術在該切割道40B上定義出其形貌(例如凹凸狀或鋸齒狀)，再利用乾式蝕刻在該切割道40B上蝕刻至預定深度予以製備。在本發明之一實施例中，該基板12B包含絕緣透光材料，例如藍寶石；該N型半導體層22B、該發光結構24B及該P型半導體層26B包含氮化物，例如氮化鋁鎵、氮化鎵、氮化銦鎵、或是氮化鋁鎵銦；該接觸層28B包含氮化物，例如氮化鎂、氮化鋁鎵、氮化鎵、氮化銦鎵、或是氮化鋁鎵銦；該導電透光層30B包含氧化物，例如氧化銦、氧化錫、或是氧化銦錫；該發光結構24B可以是量子井或是多重量子井。
圖5及圖6例示本發明另一實施例之半導體晶圓結構10C，圖6係圖5沿著剖面線3－3之剖示圖。參考圖5，該半導體晶圓結構10C包含一基板12C、設置於該基板12C上之複數個發光元件20C、分隔該些發光元件20C之複數條切割道40C、以及設置於該切割道40C上之複數個凸牆結構50C。
在本發明之一實施例中，該基板12C包含一第一區域14C(即發光元件20C)及一第二區域16C(即切割道40C)，該第二區域16C係位於該第一區域14C之外。例如該第二區域16C係環繞該第一區域14C，亦即該凸牆結構50C環繞該發光元件20C。該些凸牆結構50C係呈環狀排列且彼此分隔，且每一凸牆結構20C包含至少二個凹凸。此外，內圈與外圈
之凸牆結構50C係呈交錯狀排列。
參考圖6，該發光元件20C包含一N型半導體層22C、設置於該N型半導體層22C上之一發光結構24C、設置於該發光結構24C上之一P型半導體層26C、設置於該P型半導體層26C上之一接觸層28C、設置於該接觸層28C上之一導電透光層30C、設置於該N型半導體層22C上之一第一電極32C、以及設置於該導電透光層30C上之一第二電極34C。
習知發光元件之部分光束因發生全反射而在發光元件之內部重複進行反射，最終被發光層本身吸收而衰減消滅，無法傳播至發光元件之外界。為了解決此一問題以提昇發光效率，本發明之一實施例在該發光元件20C之周圍該凸牆結構50C，改變光束由該發光元件20C(高折射率物質)傳播至空氣(低折射率物質)之入射角以避免全反射，亦即避免光束在該發光元件20C之內部重複進行反射，因而衰減消滅無法傳播至該發光元件20C之外界。如此，即可提昇該發光元件20C之發光效率。在本發明之一實施例中，該凸牆結構50C之頂端係介於該P型半導體層26C之頂端與底端之間。
該基板12C上之膜層可採用磊晶機台予以製備，而該凸牆結構50C可利用黃光顯影技術在該切割道40C上定義出其凹凸形貌，再利用乾式蝕刻在該切割道40C上蝕刻至預定深度予以製備。在本發明之一實施例中，該基板12C包含絕緣透光材料，例如藍寶石；該N型半導體層22C、該發光結構24C及該P型半導體層26C包含氮化物，例如氮化鋁鎵、氮化鎵、氮化銦鎵、或是氮化鋁鎵銦；該接觸層28C包含氮
化物，例如氮化鎂、氮化鋁鎵、氮化鎵、氮化銦鎵、或是氮化鋁鎵銦；該導電透光層30C包含氧化物，例如氧化銦、氧化錫、或是氧化銦錫；該發光結構24C可以是量子井或是多重量子井。
本發明之技術內容及技術特點已揭示如上，然而本發明所屬技術領域中具有通常知識者應瞭解，在不背離後附申請專利範圍所界定之本發明精神和範圍內，本發明之教示及揭示可作種種之替換及修飾。例如，上文揭示之許多製程可以不同之方法實施或以其它製程予以取代，或者採用上述二種方式之組合。
此外，本案之權利範圍並不侷限於上文揭示之特定實施例的製程、機台、製造、物質之成份、裝置、方法或步驟。本發明所屬技術領域中具有通常知識者應瞭解，基於本發明教示及揭示製程、機台、製造、物質之成份、裝置、方法或步驟，無論現在已存在或日後開發者，其與本案實施例揭示者係以實質相同的方式執行實質相同的功能，而達到實質相同的結果，亦可使用於本發明。因此，以下之申請專利範圍係用以涵蓋用以此類製程、機台、製造、物質之成份、裝置、方法或步驟。
10A‧‧‧半導體晶圓
12A‧‧‧基板
14A‧‧‧第一區域
16A‧‧‧第二區域
20A‧‧‧發光元件
22A‧‧‧N型半導體層
24A‧‧‧發光結構
26A‧‧‧P型半導體層
28A‧‧‧接觸層
30A‧‧‧導電透光層
32A‧‧‧第一電極
34A‧‧‧第二電極
40A‧‧‧切割道
50A‧‧‧凸牆結構
10B‧‧‧半導體晶圓
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24B‧‧‧發光結構
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28B‧‧‧接觸層
30B‧‧‧導電透光層
32B‧‧‧第一電極
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50B‧‧‧凸牆結構
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30C‧‧‧導電透光層
32C‧‧‧第一電極
34C‧‧‧第二電極
40C‧‧‧切割道
50C‧‧‧凸牆結構
藉由參照前述說明及下列圖式，本發明之技術特徵及優點得以獲得完全瞭解。
圖1例示本發明一實施例之半導體晶圓結構；
圖2係圖1沿著剖面線1－1之剖示圖；圖3例示本發明一實施例之半導體晶圓結構；圖4係圖3沿著剖面線2－2之剖示圖；圖5例示本發明一實施例之半導體晶圓結構；以及圖6係圖5沿著剖面線3－3之剖示圖。
10A‧‧‧半導體晶圓
14A‧‧‧第一區域
16A‧‧‧第二區域
20A‧‧‧發光元件
32A‧‧‧第一電極
34A‧‧‧第二電極
40A‧‧‧切割道
50A‧‧‧凸牆結構
Claims (22)
- 一種發光元件結構，包含：一基板，包含一第一區域及一第二區域，該第二區域位於該第一區域之外；一第一導電型半導體層，設置於該第一區域上；一發光結構，設置於該第一導電型半導體層上；一第二導電型半導體層，設置於該發光結構上；以及一凸牆結構，設置於該第二區域上，且該凸牆結構之壁面係呈波浪狀或鋸齒狀。
- 根據請求項1之發光元件結構，其中該凸牆結構之頂端係介於該第二導電型半導體層之頂端與底端之間。
- 根據請求項1之發光元件結構，其中該凸牆結構之頂端係介於該發光結構之頂端與底端之間。
- 根據請求項1之發光元件結構，其中該凸牆結構之頂端係介於該第一導電型半導體層之頂端與底端之間。
- 根據請求項1之發光元件結構，其中該凸牆結構環繞該第一區域。
- 根據請求項1之發光元件結構，其中該凸牆結構之壁面係呈圓弧狀。
- 根據請求項1之發光元件結構，其中該凸牆結構之橫向厚度係呈週期性變化。
- 根據請求項1之發光元件結構，其中該凸牆結構之橫向厚度係呈非週期性變化。
- 根據請求項1之發光元件結構，其中該凸牆結構包含至少二個凹凸。
- 根據請求項1之發光元件結構，包含複數個凸牆結構，且該些凸牆結構係彼此分隔。
- 根據請求項1之發光元件結構，包含複數個凸牆結構，且該些凸牆結構係呈交錯狀排列。
- 一種半導體晶圓結構，包含：一基板；複數個發光元件，設置於該基板上，該發光元件包含；一第一導電型半導體層；一發光結構，設置於該第一導電型半導體層上；以及一第二導電型半導體層，設置於該發光結構上；複數條切割道，分隔該些發光元件；以及一凸牆結構，設置於該切割道上，且該凸牆結構之壁面係呈波浪狀或鋸齒狀。
- 根據請求項12之半導體晶圓結構，其中該凸牆結構之頂端係介於該第二導電型半導體層之頂端與底端之間。
- 根據請求項12之半導體晶圓結構，其中該凸牆結構之頂端係介於該發光結構之頂端與底端之間。
- 根據請求項12之半導體晶圓結構，其中該凸牆結構之頂端係介於該第一導電型半導體層之頂端與底端之間。
- 根據請求項12之半導體晶圓結構，其中該凸牆結構環繞該發光元件。
- 根據請求項12之半導體晶圓結構，其中該凸牆結構之壁面係呈圓弧狀。
- 根據請求項12之半導體晶圓結構，其中該凸牆結構之橫向厚度係呈週期性變化。
- 根據請求項12之半導體晶圓結構，其中該凸牆結構之橫向厚度係呈非週期性變化。
- 根據請求項12之半導體晶圓結構，其中該凸牆結構包含至少二個凹凸。
- 根據請求項12之半導體晶圓結構，包含複數個凸牆結構，且該些凸牆結構係彼此分隔。
- 根據請求項12之半導體晶圓結構，包含複數個凸牆結構，且該些凸牆結構係呈交錯狀排列。
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