CN103094431B - 发光二极管 - Google Patents
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Abstract
一种发光二极管，该发光二极管包括氮化镓基板、第一型半导体层、发光层、第二型半导体层以及第一电极与第二电极。氮化镓基板具有位于相反侧的第一表面以及第二表面，且第二表面具有多个突起，突起具有一高度hμm与在第二表面上的分布密度d？cm-2满足：9.87×107≤h2d，且h≤1.8。第一型半导体层配置于氮化镓基板的第一表面上。发光层配置于第一型半导体层的部分区域上，发光层所发出的光波长的范围为375nm至415nm。第二型半导体层配置于发光层上。第一电极配置于第一型半导体层的部分区域上以电性连接第一型半导体层，第二电极配置于第二型半导体层的部分区域上以电性连接第二型半导体层。
Description
技术领域
本发明涉及一种发光二极管(lightemittingdiode，简称LED)，且特别涉及一种可提升光粹取率(lightextractionefficiency)的发光二极管。
背景技术
发光二极管是一种半导体元件，主要是由III-V族元素化合物半导体材料所构成。因为这种半导体材料具有将电能转换为光的特性，所以对这种半导体材料施加电流时，其内部的电子会与空穴结合，并将过剩的能量以光的形式释出，而达成发光的效果。
一般而言，发光二极管通常是使用蓝宝石(Sapphire)为磊晶基板。由于蓝宝石为透明材料，使得发光二极管出光光线四散发射，无法集中利用而形成耗损。同时，四散的光线会被内部各个半导体层吸收而蓄热，所以会降低氮化镓发光二极管的出光亮度与效率。
此外，由于发光二极管中作为磊晶层材料的氮化镓的晶格常数与蓝宝石基板的晶格常数之间存在不匹配的问题，其晶格常数不匹配的程度约为16％，致使大量的缺陷产生于晶格成长的接面，进而导致发光强度大幅衰减。再者，传统发光二极管所使用的蓝宝石基板，其散热系数小于氮化镓基板，容易因蓄积热而造成发光强度的下降。
另外，发光二极管中产生的光容易因氮化镓与空气之间的折射率差而使得仅有约4.54％的光可顺利地从氮化镓表面出射至空气中。如此一来，低光粹取率(lightextractionefficiency)将使得发光二极管的外部量子效率大幅降低，因此业界亟待开发一种高光粹取率的发光二极管。
发明内容
本发明提供一种发光二极管，其可改变光的全反射角度以提升光粹取率。
本发明提供一种发光二极管，其包括一氮化镓基板、一第一型半导体层、一发光层、一第二型半导体层以及一第一电极与一第二电极。氮化镓基板包含一第一表面以及一第二表面，其中第一表面与第二表面位于氮化镓基板的两侧，且第二表面具有多个突起，突起的高度为hμm，且在第二表面上的分布密度为dcm-2，其中h2d≥9.87×107，且h≤1.8。第一型半导体层配置于氮化镓基板的第一表面上。发光层配置于第一型半导体层的部分区域上，发光层所发出的光波长的范围为375nm至415nm。第二型半导体层配置于发光层上。第一电极配置于第一型半导体层的部分区域上，第二电极配置于第二型半导体层的部分区域上。
本发明还提供一种发光二极管，其包括一氮化镓基板、一第一型半导体层、一发光层、一第二型半导体层以及一第一电极与一第二电极。氮化镓基板包含一第一表面以及一第二表面，其中第一表面与第二表面位于氮化镓基板的两侧，且第二表面具有多个突起，突起的高度为hμm，突起在第二表面上的分布密度为dcm-2，其中h2d≥9.87×107，且d≥8x108。第一型半导体层配置于氮化镓基板的第一表面上。发光层配置于第一型半导体层的部分区域上，发光层所发出的光波长的范围为375nm至415nm。第二型半导体层配置于发光层上。第一电极配置于第一型半导体层的部分区域上，第二电极配置于第二型半导体层的部分区域上。
本发明再提供一种发光二极管，其包括一氮化镓基板、一第一型半导体层、一发光层、一第二型半导体层以及一第一电极与一第二电极。氮化镓基板包含一第一表面以及一第二表面，其中第一表面与第二表面位于氮化镓基板的两侧，且第二表面具有多个突起，突起的高度为hμm，且突起在第二表面上的分布密度为dcm-2，其中3≤h≤6，且1.5x106≤d≤7.5x106。第一型半导体层配置于氮化镓基板的第一表面上。发光层配置于第一型半导体层的部分区域上，发光层所发出的光波长的范围为375nm至415nm。第二型半导体层配置于发光层上。第一电极配置于第一型半导体层的部分区域上，第二电极配置于第二型半导体层的部分区域上。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1A与1B分别为本发明的一实施例中一种发光二极管的剖面示意图。
图2A为本发明一实施例的发光二极管中一种单一量子井发光层的剖面示意图。
图2B为本发明一实施例的发光二极管中一种多重量子井发光层的剖面示意图。
图3A至图3E为本发明一实施例中一种发光二极管的制造流程剖面示意图。
图4A为氮化镓基板的氮面经蚀刻后所形成的一种突起图。
图4B计算氮化镓基板的氮面上突起高度与突起在第二表面上分布密度的辅助说明图。
图5A至图5F分别为本发明一实施例中于氮化镓基板上形成具有不同类型的突起的实验例。
图6A至图6C分别绘示本发明的发光二极管经不同蚀刻时间所形成具有不同类型突起时的光学远场角(far-fieldangle)模拟图。
图7为本发明一实施例中采用不同蚀刻时间形成具有不同类型的突起的第二表面时，蚀刻时间对于发光二极管的注入电流与发光强度之间的关系。
图8A与图8B为本发明表2中采用不同蚀刻时间所形成具有不同类型的突起的第二表面时，蚀刻时间对于发光二极管的远场角的光学表现图。
图9A与图9B分别为本发明一实施例的一种发光二极管中氮化镓基板对于光波长与穿透率之间的关系图。
【主要元件符号说明】
200：发光二极管
210：氮化镓基板
210A：第一表面
210B：第二表面
210b：第二表面的预定形成面
220：第一型半导体层
220a：未掺杂氮化镓层
220b：第一N型掺杂氮化镓层
220c：第二N型掺杂氮化镓层
230：发光层
230a：量子阻障层
230b：量子井
240：第二型半导体层
240a：第一P型掺杂氮化镓层
240b：第二P型掺杂氮化镓层
250：第一电极
260：第二电极
D1、D2：厚度
P：突起
具体实施方式
图1A与图1B分别为本发明一实施例中一种发光二极管的剖面示意图。
请参照图1A，发光二极管200包括一氮化镓基板210、一第一型半导体层220、一发光层230、一第二型半导体层240以及一第一电极250与一第二电极260。氮化镓基板210具有第一表面210A以及第二表面210B，且在本实施例中，第二表面210B例如是氮化镓基板210的氮面。第一型半导体层220、发光层230与第二型半导体层240依序迭层于氮化镓基板210的第一表面210A上。第一型半导体层220配置于氮化镓基板210的第一表面210A上，发光层230则配置于第一型半导体层220的部分区域上。第二型半导体层240配置于发光层230上。此外，第一电极250配置于第一型半导体层220的部分区域上以电性连接第一型半导体层220，而第二电极260配置于第二型半导体层240的部分区域上以电性连接第二型半导体层240。当然，上述膜层的堆迭类型也可以如图1B所示，将第一电极250与第二电极260分别设置于第二型半导体层240、发光层230、第一型半导体层220以及氮化镓基板210所构成的迭层的相反两侧，且第一电极250位于氮化镓基板210的第二表面210B上，本发明并不以此为限。
在本实施例中，第一型半导体层220例如为N型半导体层，其可包含依序位于氮化镓基板210上的未掺杂氮化镓层220a、第一N型掺杂氮化镓层220b以及第二N型掺杂氮化镓层220c的迭层，其中第一N型掺杂氮化镓层220b与第二N型掺杂氮化镓层220c之间的差异可为厚度不同或是掺杂浓度不同。另一方面，第二型半导体层240可为P型半导体层，其可包含依序位于发光层230上的第一P型掺杂氮化镓层240a以及第二P型掺杂氮化镓层240b的迭层，其中第一P型掺杂氮化镓层240a的厚度或掺杂浓度不同于第二P型掺杂氮化镓层240b。
此外，在本实施例中，发光层230可为单一量子井发光层230或是多重量子井发光层230。详细而言，如图2A与图2B所示，图2A为本发明一实施例的发光二极管中一种单一量子井发光层的剖面示意图，而图2B为本发明一实施例的发光二极管中一种多重量子井发光层的剖面示意图。如图2A所示，单一量子井发光层230可由量子阻障层230a与量子井230b所构成，如量子阻障层230a/量子井230b/量子阻障层230a。以近紫外光发光二极管200为例，量子井230b的材料例如是AlxInyGa1-x-yN，其中0≤x≤1，且0≤y≤1，在所属领域的技术人员可依实际需求来选择所成长的x，y含量，本发明并不以此为限。另外，如图2B所示，多重量子井发光层230可由量子阻障层230a与量子井230b的至少两对迭层所构成，以图2B中所绘示为例，例如为量子阻障层230a/量子井230b重复的迭层。
特别的是，请参照图1A与图1B，本发明的发光二极管200中，氮化镓基板210的厚度为70微米至120微米之间，且氮化镓基板210的第二表面210B上具有多个突起P而形成一粗糙表面。藉此，不但可以减低光线通过氮化镓基板210时的光吸收效率，也可以有效地降低光线通过氮化镓基板210时在第二表面210B产生的全反射效应，有助于提升光输出功率。值得注意的是，利用在氮化镓基板210上形成多个突起P的第二表面210B特别有助于提升特定波长的光粹取效率。具体来说，特别是对于发光层230所发出的波长范围为375nm至415nm的光线具有显著的提升效果。
详细来说，以下将以图1A所示的发光二极管200结构为例，具体地提出具有前述氮化镓基板210结构的发光二极管200的制造流程示意图，以及可实现前述特性的氮化镓基板的实验结果，不过以下的实施方式并非用以限定本发明。
图3A至图3E为本发明一实施例中一种发光二极管的制造流程剖面示意图。请参照图3A，提供一氮化镓基板210，其中氮化镓基板210的镓面(Ga-face)作为预定形成元件的第一表面210A，而氮化镓基板210的氮面(N-face)第二表面210B则作为光线的出射面(绘示于图3D)。之后，请参照图3B，在氮化镓基板210的第一表面210A上依序形成包括未掺杂氮化镓层220a、第二N型掺杂氮化镓层220c的第一型半导体层220、发光层230以及第二型半导体层240等膜层。接着，请参照图3C，利用芯片工艺，在氮化镓基板210的第一表面210A上形成多个如图1所示的发光二极管200，其中每一发光二极管200包括氮化镓基板210、第一型半导体层220、发光层230、包含第一P型掺杂氮化镓层240a与第二P型掺杂氮化镓层240b的第二型半导体层240以及第一电极250与第二电极260。
特别的是，利用工艺技术来薄化氮化镓基板210的厚度，使得氮化镓基板210的厚度D1缩减至厚度D2，其中薄化后氮化镓基板210的厚度D2介于70～120um左右。薄化厚度的方法例如为机械研磨或蚀刻方式。藉此，可初步降低发光层230所发出的光因行经氮化镓基板210时所被吸收的效应，提升光粹取效率。
接着，请参照图3D，通过湿蚀刻技术对氮化镓基板210的氮面(即第二表面210B的预定形成面210b)进行蚀刻，以于氮化镓基板210的氮面上形成多个突起P，藉此，可利用第二表面210B上的多个突起P来降低光线自氮化镓基板210界面出射时的全反射效应，再度提升光粹取效率。关于第二表面210B上所形成的多个突起P的详细构造将于后进行说明。接着，请参照图3E，再将氮化镓基板210进行分割，以形成多个具有高光粹取效率的发光二极管200。当然，在另一实施例中，也可以先行分割氮化镓基板210以形成多个发光二极管200之后，再对已分割的氮化镓基板210进行湿蚀刻技术以薄化氮化镓基板210的厚度来形成多个本发明的发光二极管，本发明并不限定发光二极管的制作流程。
值得一提的是，发光二极管200的光粹取效率与发光强度可通过调制氮化镓基板210第二表面210B上的多个突起P的结构而有效地被提升。详细来说，在本实施例中，例如使用浓度为2M的氢氧化钾(KOH)溶液对氮化镓基板210的氮面进行蚀刻，蚀刻后氮化镓基板210的第二表面210B上形成例如是锯齿状的角锥(pyramid)的多个突起P。当然，所属领域的技术人员也可以选择硫酸等其他蚀刻液来进行湿蚀刻工艺，也可通过调整所选用蚀刻液的种类、浓度以及蚀刻时间等来控制第二表面210B上的多个突起P的高度、分布密度。具体而言，本发明的发光二极管的氮化镓基板中，当第二表面上的多个突起P的高度与分布密度在一条件下，可有效改变发光二极管出射光的全反射角，具有优异的光粹取效率。
详细来说，请参阅图4A与图4B。图4A为氮化镓基板的氮面经蚀刻后所形成的一种如角锥P(pyramid)状的突起，依据氮化镓基板的晶格排列类型，所形成的各角锥实质上呈现六角锥的类型，且角锥顶点与底面之间夹有58度的特性角。
如图4B所示，角锥顶点与底面之间的夹角可由氮化镓基板氮面的晶格排列类型得知为58度，因此当突起的高度为hμm时，构成底面之一的三角形的高为：h×cot58°×sin60°，此外，构成底面之一的三角形的底为：(h×cot58°)×cos60°×2。据此，可计算出角锥底面的面积为六个上述三角形的面积和：6×1/2×(h×cot58°×sin60°)×(2×cos60°)×(h×cot58°)，亦即角锥底面积为：6×h2×cot258°×sin60°cos60°。
在1cm2的单位面积中，角锥的分布密度dcm-2可由单位面积除以角锥底面积的商得知，亦即可通过下式计算得出突起在单位面积上的分布密度d＝(104×104)/(6×h2×cot258°×sin60°cos60°)。换句话说，依据理论计算突起的高度h与突起在第二表面上分布密度d之间的关系为h2d＝(104×104)/(6×cot258°×sin60°cos60°)。
值得一提的是，上述的计算是基于角锥在单位面积中呈最疏排列时的理论计算值。因此，前述第二表面中突起的高度h与突起在第二表面上的分布密度d应满足条件：9.87×107≤h2d。
表1中记载本发明一实施例中于氮化镓基板210上形成具有多个突起P的第二表面210B的多个实验例，其蚀刻时间与蚀刻后所形成的多个突起P的垂直高度及分布密度关系如下表1所示，而各实验例中相对应的扫描式电子显微镜(SEM)测量图如图5A至图5F所示。
表1
由表1与图5A至图5F可知，多个突起P在氮化镓基板上的分布密度随着蚀刻时间的增加而变疏，且多个突起P在氮化镓基板上的高度随着蚀刻时间的增加而增加。
图6A至图6C分别绘示本发明的发光二极管经不同蚀刻时间所形成具有不同类型突起时的光学远场角(far-fieldangle)模拟图，其中图6A为依据前述表1中蚀刻1分钟(1min)具有如图5B的突起的发光二极管的光学远场角，图6B为依据前述表1中蚀刻10分钟(10min)具有如图5D的突起的发光二极管的光学远场角，而图6C为依据前述表1中蚀刻30分钟(30min)具有如图5E的突起的发光二极管的光学远场角。由图6A至图6C中可知，本发明的发光二极管分别经1分钟、10分钟以及30分钟后分别具有高达66.7％、62.8％以及51.5％的光粹取效率(powerextraction)本发明的发光二极管具有优异的光粹取效率，且出光率(光粹取效率)随着角锥高度减少与分布密度的增加而增加。
此外，当于氮化镓基板的光出射面上形成具有上述多个突起的第二表面时，可以提升发光二极管整体的光粹取效率，特别是针对波长约为405纳米的光线而言，具有较佳的光粹取效率。图7为本发明一实施例中采用不同蚀刻时间形成具有不同类型的多个突起的第二表面时，蚀刻时间对于发光二极管的注入电流与发光强度之间的关系，其中横轴表示为不同的注入电流(单位：安培)，纵轴为发光强度(单位：瓦特)，而不同的线段代表进行不同的蚀刻时间。在蚀刻条件中，是使用浓度为2M的KOH溶液，温度至少为55℃，例如是80℃，而蚀刻时间分别为1分钟、10分钟和30分钟。将其结果统整于下表2中。
表2
由上表2可知，在氮化镓基板的光出射面执行1分钟的蚀刻工艺后，可将发光二极管中光波长为405纳米时的原发光强度13.1mW提升至两倍左右的27.2mW。如果由其结构来看，当突起P的高度介于250纳米至350纳米、而分布密度介于8x109至9x109cm-2时会具有特佳的发光强度。
图8A与图8B为本发明表2中采用不同蚀刻时间所形成具有不同类型的多个突起的第二表面时，蚀刻时间对于发光二极管的远场角的光学表现图，其中图8A横轴表示为不同的视角(单位：度)，纵轴为发光强度(单位：a.u.)，而不同的线段A(矩形表示)、B(圆形表示)、C(三角形表示)、D(星形表示)分别代表未蚀刻、蚀刻1分钟、蚀刻10分钟以及蚀刻30分钟，此外，图8B中纵轴表示为正规化(normalized)的发光强度，而图8B中以不同类型的点所表示的图A(矩形表示)、B(圆形表示)、C(三角形表示)、D(星形表示)则分别代表未蚀刻、蚀刻1分钟、蚀刻10分钟以及蚀刻30分钟。由图8A和8B可发现氮化镓基板经过蚀刻后，在不同视角的光强度均会提升，尤其在蚀刻1分钟者有着最强的光强度，其效果与图七一致。
表3中记载了本发明的一实施例中使用氮化镓作为基板的发光二极管在不同蚀刻时间下的发光效率，以及记载了使用传统蓝宝石作为基板的发光二极管的发光效率作为比较例。在蚀刻条件中，是使用浓度为2M的KOH溶液，蚀刻时间为10分钟和未蚀刻。将其结果统整于下表3中。
表3
由上表3可知，当发光二极管使用氮化镓基板时，发光二极管所发出的波长为405纳米的发光强度在蚀刻之后可从13.2mW跃升至25.6mW，而对于波长为450纳米的光而言，其发光强度可从18.6mW提升至24.0mW。因此，相较于使用蓝宝石基板的发光二极管而言，本发明的发光二极管具有优于传统使用蓝宝石基板的发光二极管的发光效率。因此，通过制作多个突起P于氮化镓基板氮面，在多个突起P的高度与分布密度满足如前述的条件下，可有效地改变光全反射角进而提升光粹取效率。
再者，由于氮化镓基板的吸光效应高于蓝宝石基板，因此由上表可知，在未进行蚀刻工艺形成多个突起P前，使用氮化镓基板的发光二极管的光粹取效率低于使用蓝宝石基板的发光二极管的光粹取效率。然而，在经由蚀刻工艺的制作多个突起P后，可让使用氮化镓基板的发光二极管的光粹取效率优于使用蓝宝石基板的发光二极管的光粹取效率，特别是对于光波长为405纳米的光粹取效率更具有显著的提升效果。
图9A与图9B分别为本发明一实施例的一种发光二极管中氮化镓基板对于光波长与穿透率之间的关系图，其中图9A为发光二极管中的氮化镓基板尚未蚀刻时的光波长与穿透率的关系图，而图9B为发光二极管中的氮化镓基板是经蚀刻后的光波长与穿透率的关系图。请先参照图9A，对于未经过蚀刻的具有氮化镓基板的发光二极管而言，氮化镓基板在405纳米波段的穿透率小于在450纳米波段的穿透率，具体来说，在405纳米波段的穿透率比在450纳米波段的穿透率约低19％左右，换句话说，波长为405纳米波段的发光强度小于波长为450纳米波段的发光强度，如此造成发光层所发出的405纳米的光行经氮化镓基板后会被其吸收导致发光强度下降。
请再参照图9B，通过前述的蚀刻工艺而于氮化镓基板表面形成多个突起P于第二表面后，比较图9A与图9B在蚀刻前后的穿透率可明显地看出，通过湿蚀刻工艺可提升波长375纳米至415纳米波段的穿透率，尤其对于波长约为405纳米的穿透率而言，从原本与450纳米相比较约低19％跃升至与450纳米相比较约高6.5％左右，因此可使得具有氮化镓基板的发光二极管在蚀刻之后在405纳米的发光强度(25.6mW)大于在450纳米的发光强度(24.0mW)。
综上所述，本发明通过在氮化镓基板的氮面上形成多个突起，在满足前述的条件时，可有效改变发光二极管出射光的全反射角，以提升光粹取效率。
虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。
Claims (13)
1.一种发光二极管，包括：
一氮化镓基板，包含一第一表面以及一第二表面，分别位于该氮化镓基板的两侧，该第二表面具有多个突起，这些突起的高度为hμm，且在该第二表面上的分布密度为dcm-2，其中h2d≥9.87×107，且h≤1.8；
一第一型半导体层，配置于该氮化镓基板的该第一表面上；
一发光层，配置于该第一型半导体层的部分区域上，该发光层所发出的光波长的范围为375nm至415nm；
一第二型半导体层，配置于该发光层上；以及
一第一电极以及一第二电极，其中该第一电极配置于该第一型半导体层的部分区域上，该第二电极配置于该第二型半导体层的部分区域上。
2.如权利要求1所述的发光二极管，其中该氮化镓基板的厚度介于70μm至120μm。
3.如权利要求1所述的发光二极管，其中0.25≤h≤1.8。
4.如权利要求1所述的发光二极管，其中8×108≤d≤9×109。
5.如权利要求1所述的发光二极管，其中该第二表面为该氮化镓基板的氮面。
6.一种发光二极管，包括：
一氮化镓基板，包含一第一表面以及一第二表面，其中该第一表面与该第二表面位于该氮化镓基板的两侧，且该第二表面具有多个突起，这些突起的高度为hμm且在该第二表面上的分布密度为dcm-2，其中h2d≥9.87×107，且d≥8×108；
一第一型半导体层，配置于该氮化镓基板的该第一表面上；
一发光层，配置于该第一型半导体层的部分区域上，该发光层所发出的光波长的范围为375nm至415nm；
一第二型半导体层，配置于该发光层上；以及
一第一电极以及一第二电极，其中该第一电极配置于该第一型半导体层的部分区域上，该第二电极配置于该第二型半导体层的部分区域上。
7.如权利要求6所述的发光二极管，其中该氮化镓基板的厚度介于70μm至120μm。
8.如权利要求6所述的发光二极管，其中0.25≤h≤1.8。
9.如权利要求6所述的发光二极管，其中8×108≤d≤9×109。
10.如权利要求6所述的发光二极管，其中该第二表面为该氮化镓基板的氮面。
11.一种发光二极管，包括：
一氮化镓基板，包含一第一表面以及一第二表面，其中该第一表面与该第二表面位于该氮化镓基板的两侧，且该第二表面具有多个突起，这些突起的高度为hμm且在该第二表面上的分布密度为dcm-2，其中3≤h≤6，且1.5×106≤d≤7.5×106；
一第一型半导体层，配置于该氮化镓基板的该第一表面上；
一发光层，配置于该第一型半导体层的部分区域上，该发光层所发出的光波长的范围为375nm至415nm；
一第二型半导体层，配置于该发光层上；以及
一第一电极以及一第二电极，其中该第一电极配置于该第一型半导体层的部分区域上，该第二电极配置于该第二型半导体层的部分区域上。
12.如权利要求11所述的发光二极管，其中该氮化镓基板的厚度介于70μm至120μm。
13.如权利要求11所述的发光二极管，其中该第二表面为该氮化镓基板的氮面。
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