TWI706580B - 紫外光發光二極體 - Google Patents
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Abstract
一種紫外光發光二極體。此紫外光發光二極體包含透明基板、紫外光發光磊晶結構、以及透明結構。透明基板包含相對之第一表面與第二表面、以及複數個側表面環設在第一表面與第二表面之間。紫外光發光磊晶結構設於透明基板之第一表面上。透明結構具有相對之入光面與出光面，透明結構之入光面鄰接透明基板之第二表面，且透明結構之折射率介於透明基板之折射率與空氣之折射率之間。
Description
本發明是有關於一種發光二極體，且特別是有關於一種紫外光發光二極體(UV LED)。
隨著紫外光發光二極體(UV LED)在空氣與水的淨化、消毒、醫療保健等的廣泛應用，使得UV LED備受關注。然而氮化鋁鎵(AlGaN)基之UV LED一般存在較低的內部量子效率、貫穿差排缺陷(threading dislocation densities，TDDs)高、低擷取效率、以及極化電場大等缺點，均導致UV LED的應用受到限制。
在現階段UV LED反應效率受限的情況下，如何提高紫外光發光二極體的光取出效率已成為紫外光發光二極體發展的關鍵技術之一。
因此，本發明之一目的就是在提供一種紫外光發光二極體(UV LED)，其透明基板與空氣之間設有透明結構，此透明結構之折射率介於透明基板之折射率與空氣之折
射率之間。藉由此透明結構的設置可提高光在UV LED內部的折射量，降低光在內部的全反射量，進而增加出光量。
本發明之另一目的是在提供一種UV LED，其透明基板之一表面具有複數個立體結構。這些立體結構可破壞光在UV LED內部的全反射面，增加紫外光發光二極體之光取出率。
本發明之又一目的是在提供一種UV LED，其透明基板之厚度增加，以使UV LED之高度大於其長度及/或寬度，藉此可增加UV LED之側向出光面積，提高UV LED之出光量。
本發明之再一目的是在提供一種UV LED，可利用隱形切割(隱切)(stealth dicing)方式在透明基板之側表面形成數個縱向排列之隱切刀痕。由於這些隱切刀痕可增加透明基板之側表面的粗糙度，因此可提高UV LED之側向光取出率。且藉由隱切刀痕的特定排列方式，劈裂時刀痕互相連接使裂縫朝特定方向延伸，使切割後UV LED形成特定形狀。
根據本發明之上述目的，提出一種UV LED，包含透明基板、紫外光發光磊晶結構、以及透明結構。透明基板包含相對之第一表面與第二表面、以及複數個側表面環設在第一表面與第二表面之間。紫外光發光磊晶結構設於透明基板之第一表面上。透明結構具有相對之入光面與出光面。透明結構之入光面鄰接透明基板之第二表面，且透明結構之折射率介於透明基板之折射率與空氣之折射率之間。
依據本發明之一實施例，上述透明結構包含複數個透明膜依序堆疊在透明基板之第二表面上，且這些透明膜具有彼此不同之折射率。
依據本發明之一實施例，上述透明結構之厚度小於1μm，材料包含氧化物、氮化物、或氟化物。
依據本發明之一實施例，上述紫外光發光二極體之高度大於紫外光發光二極體之長度及/或寬度。
依據本發明之一實施例，上述透明基板之側表面設有縱向排列之複數個隱切刀痕。
依據本發明之一實施例，上述之透明基板之第一表面設有複數個空腔，這些空腔以一預設間距規則排列，且每個空腔包含第一傾斜面、第二傾斜面、與底面，其中第一傾斜面與第二傾斜面分別相對於底面傾斜第一角度與第二角度，第一角度不同於第二角度。
根據本發明之一實施例，上述之透明基板之第二表面具有複數個立體結構，具有相同形狀與尺寸，且這些立體結構以一預設間距規則排列。
依據本發明之一實施例，上述之立體結構不規則排列在透明基板之第二表面上。
依據本發明之一實施例，上述之立體結構包含複數個鑽石刀切結構、複數個雷射切割結構、複數個雷射隱切結構、或複數個蝕刻結構其中之一或混合。
100a‧‧‧紫外光發光二極體
100b‧‧紫外光發光二極體
110‧‧‧透明基板
112‧‧‧第一表面
114‧‧‧第二表面
116‧‧‧側表面
120‧‧‧紫外光發光磊晶結構
122‧‧‧n型半導體層
122a‧‧‧第一部分
122b‧‧‧第二部分
124‧‧‧主動層
126‧‧‧p型半導體層
130a‧‧‧透明結構
130b‧‧‧透明結構
131‧‧‧透明膜
132a‧‧‧入光面
132b‧‧‧入光面
133‧‧‧透明膜
134a‧‧‧出光面
134b‧‧‧出光面
135‧‧‧透明膜
136a‧‧‧厚度
136b‧‧‧厚度
137‧‧‧透明膜
140‧‧‧n型接觸層
150‧‧‧p型接觸層
160‧‧‧隔離層
162‧‧‧第一開孔
164‧‧‧第二開孔
170‧‧‧n型電極
180‧‧‧p型電極
200‧‧‧紫外光發光二極體
200H‧‧‧高度
200L‧‧‧長度
210‧‧‧透明基板
210t‧‧‧厚度
216‧‧‧側表面
300‧‧‧紫外光發光二極體
310‧‧‧透明基板
312‧‧‧第一表面
314‧‧‧第二表面
316‧‧‧側表面
320‧‧‧立體結構
400‧‧‧紫外光發光二極體
410‧‧‧透明基板
412‧‧‧第一表面
414‧‧‧第二表面
416‧‧‧側表面
420‧‧‧隱切刀痕
510‧‧‧透明基板
512‧‧‧第一表面
514‧‧‧第二表面
520‧‧‧空腔
522‧‧‧第一傾斜面
524‧‧‧第二傾斜面
526‧‧‧底面
L‧‧‧紫外光
θ 1‧‧‧第一角度
θ 2‧‧‧第二角度
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：
〔圖1A〕係繪示依照本發明之一實施方式的一種UV LED之剖面示意圖；
〔圖1B〕係繪示依照本發明之一實施方式的一種UV LED之剖面示意圖；
〔圖2〕係繪示依照本發明之一實施方式的一種UV LED之剖面示意圖；
〔圖3〕係繪示依照本發明之一實施方式的一種UV LED之剖面示意圖；
〔圖4〕係繪示依照本發明之一實施方式的一種UV LED之剖面示意圖；以及
〔圖5〕係繪示依照本發明之一實施方式的一種透明基板之剖面示意圖。
有鑑於現階段之紫外光發光二極體(UV LED)的反應效率受到限制，因此本發明在此提出一種UV LED，其可有效提高側向及/或正向光取出效率，進而可大幅提升UV LED的出光量。
請參照圖1A，依照本發明之一實施方式的UV LED剖面示意圖。紫外光發光二極體100a可發出紫外光L，其波長落在100nm至400nm的範圍。舉例而言，紫外光發
光二極體100a可為發光波長為320nm至400nm的UVA發光二極體、發光波長為280nm至320nm的UVB發光二極體、或發光波長為100nm至280nm的UVC發光二極體。紫外光發光二極體100a主要可包含透明基板110、紫外光發光磊晶結構120、以及透明結構130a。
透明基板110包含第一表面112、第二表面114、以及數個側表面116。第一表面112與第二表面114分別位於透明基板110之相對二側，且這些側表面116環設在第一表面112與第二表面114之間。透明基板110之材料可例如為藍寶石、氮化鋁、或碳化矽。
紫外光發光磊晶結構120設於透明基板110之第一表面112上。紫外光發光磊晶結構120可發出紫外光L。在一些例子中，紫外光發光磊晶結構120主要包含n型半導體層122、主動層124、以及p型半導體層126。n型半導體層122設於透明基板110之第一表面112上，且n型半導體層122包含第一部分122a與第二部分122b。主動層124位於n型半導體層122之第一部分122a上。主動層124可發出紫外光L，因此亦可稱為發光層。在一些例子中，主動層124可包含多重量子井結構(MQW)。p型半導體層126位於主動層124上，因此主動層124夾設在p型半導體層126與n型半導體層122之第一部分122a之間。舉例而言，n型半導體層122之材料可包含n型氮化鋁鎵(n-AlGaN)，主動層124之材料可包含氮化鋁鎵或氮化銦鋁鎵(InAlGaN)，p型半導體層126之材料可包含p型氮化鋁鎵(p-AlGaN)。在一些例子
中，紫外光發光磊晶結構120亦可包含緩衝層(未繪示)與超晶格結構(未繪示)，其中緩衝層與超晶格結構位於透明基板110與n型半導體層122之間，且緩衝層介於透明基板110之第一表面112與超晶格結構之間。
請繼續參照圖1A，透明結構130a設於透明基板110之第二表面114上，而與紫外光發光磊晶結構120分別位於透明基板110之相對二側。可利用例如電漿增益化學氣相沉積(PECVD)製程、有機金屬化學氣相沉積(MOCVD)製程、濺鍍(sputter)製程、電子槍(E-gun)蒸鍍製程、或熱沉積製程來製作透明結構130a。透明結構130a具有彼此相對之入光面132a與出光面134a，其中入光面132a鄰接透明基板110之第二表面114。在本實施方式中，透明結構130a之折射率介於透明基板110之折射率與出光面134a所接觸的介質之折射率之間，出光面134a所接觸的介質例如為空氣。透明結構130a之材料可包含氧化物、氮化物、或氟化物，例如二氧化矽(SiO2)、氮化矽(Si3N4)、或二氟化鎂(MgF2)。透明結構130a之厚度136a小於1μm。
在圖1A之例子中，透明結構130a由單一層結構所構成。在單層之透明結構130a的例子中，透明結構130a可具有單一折射率，然透明結構130a亦可具有漸變折射率，即透明結構130a之折射率由入光面132a朝出光面134a的方向遞減。
在另一些例子中，透明結構可為多層堆疊結構。請參照圖1B，本發明之一實施方式的一種UV LED之
剖面示意圖。此UV LED 100b之結構大致與UV LED 100a之結構相同，二者之間的差異在於UV LED 100b之透明結構130b為多層堆疊結構。
舉例而言，如圖1B所示，透明結構130b可包含數個透明膜131、133、135、與137，其中這些透明膜131、133、135、與137依序堆疊在透明基板110之第二表面112上。可利用例如電漿增益化學氣相沉積製程、有機金屬化學氣相沉積製程、濺鍍製程、電子槍蒸鍍製程、或熱沉積製程來形成透明膜131、133、135、與137。在此實施方式中，透明膜131、133、135、與137之折射率介於透明基板110之折射率與空氣之折射率之間且彼此不同。在一些示範例子中，透明膜131、133、135、與137之折射率由透明結構130b之入光面132b朝出光面134b的方向遞減。亦即，透明膜131之折射率小於透明基板110之折射率且大於透明膜133之折射率，透明膜133之折射率大於透明膜135之折射率，透明膜137之折射率小於透明膜135之折射率且大於空氣的折射率。然而，在本實施方式中，這些透明膜131、133、135、與137可依產生的光的條件，而有多種膜厚與折射率的搭配組合，並不必然是遞減。透明膜131、133、135、與137之材料可包含氧化物、氮化物、或氟化物，例如二氧化矽、氮化矽、或二氟化鎂。透明結構130b之厚度136b小於1μm。
請同時參照圖1A與1B，由於透明結構130a/130b之折射率介於透明基板110之折射率與空氣之折射率之間，因此主動層124所發出之紫外光L經由n型半導
體層122與透明基板110而從透明基板110之第二表面114射入透明結構130a/130b時，透明結構130a/130b的存在可提高紫外光L在UV LED 100a/100b內部的折射量，有效降低紫外光L在紫外光發光二極體100a/100b內部的全反射量，如此可增加UV LED 100a/100b的出光量。
請繼續參照圖1A與1B，在一些例子中，UV LED 100a更可包含n型接觸層140、p型接觸層150、隔離層160、n型電極170、與p型電極180。n型接觸層140設於n型半導體層122之第二部分122b上，且與主動層124及p型半導體層126分隔開。n型接觸層140為導電層且可與n型半導體層122形成歐姆接觸。n型接觸層140之材料可例如包含金屬。p型接觸層150設於p型半導體層126上。p型接觸層150為導電層且可與p型半導體層126形成歐姆接觸。p型接觸層150之材料可例如包含金屬。
隔離層160覆蓋在紫外光發光磊晶結構120、n型接觸層140、與p型接觸層150上。隔離層160具有第一開孔162與第二開孔164，其中第一開孔162與第二開孔164均貫穿隔離層160，而分別暴露出部分之n型接觸層140與部分之p型接觸層150。在一些例子中，隔離層160可具有反射光的功能，因此亦可稱為反射層。隔離層160係由絕緣材料所組成。舉例而言，隔離層160之材料可包含二氧化矽。n型電極170設於n型接觸層140上方之隔離層160的一部分上，且填充在第一開孔162中並與n型接觸層140接合。n型電極170之材料可包含金屬，例如金。p型電極180設於p型
接觸層150上方之隔離層160的一部分上，且填充在第二開孔164中並與p型接觸層150接合。p型電極180之材料可包含金屬，例如金。n型電極170及p型電極180分別透過n型接觸層140及p型接觸層150而與n型半導體層122及p型半導體層126電性連接。
除了上述實施方式，本發明亦可額外採用以下幾種設計來進一步提升UV LED之光取出效率。請參照圖2，其係繪示依照本發明之一實施方式的一種UV LED之剖面示意圖。此UV LED 200之架構大致與圖1A之UV LED 100a的架構相同，二者之差異在於UV LED 200之透明基板210較UV LED 100a之透明基板110厚，且透明基板210上並未設有透明結構。
此實施方式將透明基板210的厚度210t加厚，以使UV LED 200的高度200H大於長度200L及/或寬度(未顯示於圖中)。
透過增加透明基板210之厚度210t的方式，來增加側表面216的高度，藉此加大側表面面積，同時增加紫外光L在UV LED 200內部的折射量，並減少紫外光L在透明基板210內之全反射量。因此，可提升UV LED 200的光取出效率。
雖然圖2所示之UV LED 200並未設置如圖1A或1B之透明結構130a或130b，但在本發明之其他實施方式中，可於UV LED 200之透明基板210的第二表面214上額
外設置透明結構130a或130b，藉此可進一步提升紫外光發光二極體200的光取出效果。
請參照圖3，其係本發明之一實施方式的一種UV LED之剖面示意圖，架構大致與圖2之UV LED 200的相同，二者之差異在於此UV LED 300之透明基板310上設有數個立體結構320，且透明基板310可較UV LED 200之透明基板210薄。
在UV LED 300中，透明基板310同樣具有彼此相對之第一表面312與第二表面314、以及數個側表面316，這些側表面316環設於第一表面312與第二表面314之間。透明基板310之材料可例如為藍寶石、氮化鋁、或碳化矽。紫外光發光磊晶結構120設於透明基板310之第一表面312上。而數個立體結構320則設置在透明基板310之第二表面314上。可利用例如鑽石刀切、雷射切割、雷射隱形切割、或蝕刻等方式在透明基板310之第二表面314上形成立體結構320。因此，這些立體結構320可包含鑽石刀切結構、雷射切割結構、雷射隱切結構、蝕刻結構其中之一、或其混合。
如圖3所示，這些立體結構320可為凹槽結構；在另一些例子中，立體結構320可為凸狀結構。在一些例子中，這些立體結構320可具有相同形狀與相同尺寸，且以一預設間距規則排列在透明基板310之第二表面314上，或者這些立體結構310不規則地排列在透明基板310的第二表面314上。在另一些例子中，這些立體結構320之形狀彼此不
同。立體結構320可為三角形、正方形、矩形、多邊形、圓形、或橢圓形等。
設置在透明基板310之第二表面314上的立體結構320可破壞紫外光的全反射，藉此可增加紫外光在紫外光發光二極體300內部的折射量，並減少紫外光在透明基板310之第二表面214的全反射量。藉此，可提升紫外光發光二極體300的光取出效率。
雖然圖3所示之紫外光發光二極體300並未設置如圖1A之透明結構130a或圖1B之透明結構130b，且也未額外增加透明基板310之厚度，但在本發明之其他實施方式中，可於紫外光發光二極體300之透明基板310的第二表面314上額外設置透明結構130a或130b、及/或增加透明基板310之厚度，藉此可進一步提升紫外光發光二極體300的光取出效果。透明結構130a或130b可覆蓋在透明基板310之立體結構320上。
請參照圖4，其係依照本發明之一實施方式的一種UV LED之剖面示意圖。此UV LED 400之架構大致與圖3相同，二者之差異在於此UV LED 400之透明基板410上設有數個隱切刀痕420，但透明基板410之表面並未設有立體結構。
在UV LED 400中，透明基板410同樣具有彼此相對之第一表面412與第二表面414、以及數個側表面416，其中這些側表面416環設於第一表面412與第二表面414之間。利用雷射隱形切割技術先在透明基板410內部不
同深度形成數個隱切刀痕420，而在透明基板410中分別形成內部裂縫後，再施予拉力以引導透明基板410之內部裂縫擴散來切割UV LED 400。如此，隱切刀痕420可縱向排列在透明基板410之側表面416上。隱切刀痕420可增加紫外光在UV LED 400內部的折射量，並減少紫外光在透明基板410之側表面416的全反射量，藉此提升UV LED 400的側向光取出效率。
藉由隱切刀痕的特定排列方式，劈裂時刀痕互相連接使裂縫朝特定方向延伸，使切割後UV LED形成特定形狀，增加後續封裝製程的變化性。
圖4之UV LED 400並未設置如圖1A之透明結構130a或圖1B之透明結構130b、以及圖3之立體結構320，且也未額外增加透明基板410之厚度，但在本發明之其他實施方式中，可於UV LED 400之透明基板410的第二表面414上額外設置透明結構130a或130b、立體結構320、及/或增加透明基板410之厚度，藉此可進一步提升UV LED 400的光取出效果。
請參照圖5，其係依照本發明之一實施方式的一種透明基板之剖面示意圖。此透明基板510可取代上述實施方式之透明基板110、210、310、與410。透明基板510具有彼此相對之第一表面512與第二表面514。透明基板510之材料可例如為藍寶石、氮化鋁、或碳化矽。紫外光發光磊晶結構可在透明基板510之第一表面512上成長。透明基板510之第一表面512設有數個空腔520。
在一些例子中，這些空腔520彼此隔開，且以一預設間距規則排列，即週期性排列。舉例而言，此預設間距可為約0.5μm至約5μm。如圖5所示，在一些例子中，每個空腔520包含第一傾斜面522、第二傾斜面524、與底面526。第一傾斜面522與第二傾斜面524鄰接，第二傾斜面524則與底面526鄰接。第一傾斜面522相對於底面526傾斜第一角度θ 1，第二傾斜面524相對於底面526傾斜第二角度θ 2，其中第一角度θ 1不同於第二角度θ 2。在一些示範例子中，第一角度θ 1小於第二角度θ 2。舉例而言，第一角度θ 1可為約30度至約90度，第二角度θ 2可為約75度至約90度。
本實施方式之透明基板的空腔可不限於包含二傾斜表面，每個空腔亦可設計成包含三個或更多之傾斜面。
藉由在透明基板510之第一表面512上設置規則排列之空腔520，可提升在第一表面512成長之紫外光發光磊晶結構的品質，提高紫外光發光磊晶結構良率，節省成本。
由上述之實施方式可知，本發明之一優點就是因為本發明之UV LED的透明基板與空氣之間設有透明結構，此透明結構之折射率介於透明基板之折射率與空氣之折射率之間。藉由此透明結構的設置可提高光在UV LED內部的折射量，進而可增加UV LED的出光量。
本發明之另一優點就是本發明之UV LED之透明基板的一表面具有複數個立體結構。由於這些立體結構可
破壞光在UV LED內部的全反射面，可增加UV LED之光取出率。
本發明之又一優點就是因為本發明之一實施方式增加透明基板之厚度，以使UV LED之高度大於其長度及/或寬度，增加UV LED之側向出光面積，進而可提高UV LED之整體出光量。
本發明之再一優點就是利用隱形切割在透明基板側表面形成數個縱向排列之隱切刀痕。由於這些隱切刀痕可增加透明基板之側表面的粗糙度，提高UV LED之側向光取出率。且藉由特定方式排列數個隱切刀痕，在UV LED切割分離時，裂縫逐漸擴大至互相連接，依刀痕方向切割出特定形狀，增加後續封裝製程的變化性。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何在此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‧‧‧紫外光發光二極體
110‧‧‧透明基板
112‧‧‧第一表面
114‧‧‧第二表面
116‧‧‧側表面
120‧‧‧紫外光發光磊晶結構
122‧‧‧n型半導體層
122a‧‧‧第一部分
122b‧‧‧第二部分
124‧‧‧主動層
126‧‧‧p型半導體層
130a‧‧‧透明結構
132a‧‧‧入光面
134a‧‧‧出光面
136a‧‧‧厚度
140‧‧‧n型接觸層
150‧‧‧p型接觸層
160‧‧‧隔離層
162‧‧‧第一開孔
164‧‧‧第二開孔
170‧‧‧n型電極
180‧‧‧p型電極
L‧‧‧紫外光
Claims (11)
- 一種紫外光發光二極體，包含：一透明基板，包含相對之一第一表面與一第二表面、以及複數個側表面環設在該第一表面與該第二表面之間，其中該透明基板之材料為藍寶石、氮化鋁、或碳化矽；一紫外光發光磊晶結構，設於該透明基板之該第一表面上；以及一透明結構，具有相對之一入光面與一出光面，其中該透明結構之該入光面鄰接該透明基板之該第二表面，且該透明結構之一折射率介於該透明基板之一折射率與空氣之一折射率之間。
- 如申請專利範圍第1項之紫外光發光二極體，其中該透明結構之該折射率由該入光面朝該出光面遞減。
- 如申請專利範圍第1項之紫外光發光二極體，其中該透明結構包含複數個透明膜依序堆疊在該透明基板之該第二表面上，且該複數個透明膜具有彼此不同之複數個折射率。
- 如申請專利範圍第1項之紫外光發光二極體，其中該透明結構之一厚度小於1μm。
- 如申請專利範圍第1項之紫外光發光二極體，其中該透明結構之材料包含氧化物、氮化物、或氟化物。
- 如申請專利範圍第1項之紫外光發光二極體，其中該紫外光發光二極體之一高度大於該紫外光發光二極體之一長度及/或一寬度。
- 如申請專利範圍第1項之紫外光發光二極體，其中該透明基板之該複數個側表面設有縱向排列之複數個隱切刀痕。
- 如申請專利範圍第1項之紫外光發光二極體，其中該透明基板之該第一表面設有複數個空腔，該複數個空腔以一預設間距規則排列，且每一該複數個空腔包含一第一傾斜面、一第二傾斜面、與一底面，其中該第一傾斜面與該第二傾斜面分別相對於該底面傾斜一第一角度與一第二角度，該第一角度不同於該第二角度。
- 如申請專利範圍第1項之紫外光發光二極體，其中該透明基板之該第二表面具有複數個立體結構；其中該複數個立體結構包含複數個鑽石刀切結構、複數個雷射切割結構、複數個雷射隱切結構、或複數個蝕刻結構其中之一或混合。
- 如申請專利範圍第9項之紫外光發光二極體，其中該複數個立體結構具有相同形狀與相同尺寸，且該複數個立體結構以一預設間距規則排列。
- 如申請專利範圍第9項之紫外光發光二極體，其中該複數個立體結構不規則排列在該透明基板之該第二表面上。
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