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CN105514242B - 半导体发光二极管结构 - Google Patents

半导体发光二极管结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了半导体发光二极管结构，包括一外延基底，包含有一主表面和一外露表面；一外延结构，设于外延基底的主表面上，至少包含有一第一导电型半导体层、一活性发光层和一第二导电型半导体层，其中第一导电型半导体层具有一第一侧壁，而且第一侧壁包含有至少一第一蚀刻面以及一第二蚀刻面，而第一蚀刻面与外露表面间具有一第一夹角，第二蚀刻面与外露表面间具有一第二夹角，且第一蚀刻面和第二蚀刻面彼此相邻且不互相平行，第一蚀刻面和第二蚀刻面都不垂直于外延基底的外露表面，且彼此相邻的第一蚀刻面和第二蚀刻面间有一位于外延结构内的夹角，夹角介于90°至180°之间。

Description

半导体发光二极管结构
本发明申请是申请号为201210423090.6、申请日为2012年10月29日、发明名称为“半导体发光二极管结构”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种半导体发光二极管结构，特别是涉及一种具有多个不平行蚀刻面的半导体发光二极管结构。
背景技术
发光二极管(light-emitting diode,LED)是一种使用半导体材料制作而成的固态发光装置，而且能够将电能有效率的转换为光能。由于具有体积小、驱动电压低、反应速率快等优点，发光二极管已被广泛地应用在日常生活的各式电子产品，例如一般照明、广告牌、手机及显示屏背光源等各种用途中。
结构上，发光二极管通常包括基底、外延结构，设置在基底上、P电极接触焊盘(P-side electrode pad)电连接于外延结构的P型半导体接触层(P-type semiconductorcontact layer)、N电极接触焊盘(N-side electrode pad)电连接于外延结构的N型半导体接触层(N-type semiconductor contact layer)，而外延结构在P型半导体接触层以及N型半导体接触层间另具有活性发光层(active layer)。此外，在P电极接触焊盘和P型半导体接触层间通常设置有透明导电层(transparent conductive layer,TCL)，和P型半导体接触层构成欧姆接触，可以增进电流的水平扩散能力。
发明内容
本发明提供一种半导体发光二极管结构，用来改进正面光源的光分布均匀性并且同时增加正面发光强度。
为了达到上述目的，根据本发明的一优选实施例，公开了一种半导体发光二极管结构，包括一外延基底，包含有一主表面和一外露表面；一外延结构，设于外延基底的主表面上，至少包含有一第一导电型半导体层、一活性发光层和一第二导电型半导体层，其中第一导电型半导体层具有一第一侧壁，而且第一侧壁包含有至少一第一蚀刻面以及一第二蚀刻面，而第一蚀刻面与外露表面间具有一第一夹角α，第二蚀刻面与外露表面间具有一第二夹角β，且第一蚀刻面和第二蚀刻面彼此相邻；及一电极结构，设置于外延结构上。
根据本发明的另一优选实施例，公开了一种半导体发光二极管结构，包括一外延基底，包含有一主表面和一外露表面；及一外延结构，设于外延基底的主表面上，外延结构包括一侧壁，而且侧壁包括至少一和外露表面间呈锐角的一第一蚀刻面和一第二蚀刻面。
根据本发明的又一优选实施例，公开了一种半导体发光二极管结构，包括一外延基底，包含有一主表面和一外露表面；及一外延结构，设于外延基底的主表面上，至少包含有一第一导电型半导体层、一活性发光层和一第二导电型半导体层，其中外延结构具有一第一侧壁，且第一侧壁至少包含有一不同且彼此相邻的第一蚀刻面及一第二蚀刻面，而且第一蚀刻面及第二蚀刻面和主表面的夹角都小于180°并且大于0°。
为了让本发明的目的、特征和优点能更明显易懂，下文描述优选实施方式，并配合附图，详细说明如下。但优选实施方式和附图只供参考与说明，并不是用来对本发明加以限制。
附图说明
图1是根据本发明优选实施例的半导体发光二极管结构。
图2到图5是根据本发明优选实施例的半导体发光二极管结构的制作方法示意图，其中：
图2A至2D是图案化外延基底的剖面示意图；
图3是外延工艺后的结构示意图；
图4是进行干蚀刻及切割工艺后的结构示意图；及
图5是进行湿蚀刻工艺后的半导体发光二极管结构的示意图。
图6是习知半导体发光二极管结构的局部放大示意图。
图7是图5中虚线圆圈处的半导体发光二极管结构的局部放大示意图。
图8是习知半导体发光二极管和本发明的半导体发光二极管的配光曲线图。
图9是习知半导体发光二极管和本发明的半导体发光二极管的光输出功率对应输入电流的折线图。
其中，附图标记说明如下：
10 半导体发光二极管结构
100 图案化外延基底
100a 凹凸结构
110 成核种子层
120 外延最底层
130 第一导电型半导体层
130a 顶面
140 活性发光层
150 第二导电型半导体层
160 第二电极
170 第一电极
200 外延结构
310 第一蚀刻面
320 第二蚀刻面
330 第一侧壁
400 发光平台区
410 蚀刻面
420 第二侧壁
A 光线
α、α1 第一夹角
β 第二夹角
θ、θ1 第三夹角
具体实施方式
图1是根据本发明优选实施例的半导体发光二极管结构10。如图1所示，半导体发光二极管结构10包含一具有多个凹凸结构100a的图案化外延基底100和一设置于图案化外延基底100主表面S’上的外延结构200，外延结构200至少包含有一第一导电型半导体层130、一活性发光层140以及一第二导电型半导体层150，其中第一导电型半导体层130具有一顶面130a与一第一侧壁330，而且第一侧壁330包含至少一第一蚀刻面310以及一第二蚀刻面320，而第一蚀刻面310与没有被发光二极管结构覆盖的外露出的表面S间具有一第一夹角α，第二蚀刻面与没有被发光二极管结构覆盖的外露出的表面S间具有一第二夹角β，且第一蚀刻面310和第二蚀刻面320彼此相邻；一设置于顶面130a上的第一电极170；和一设置于第二导电型半导体层150上的第二电极160。此外，第一导电型半导体层130和图案化外延基底100之间可以另外包括一成核层110及外延最底层120。
在下文中，会描述本发明的半导体发光二极管结构的具体实施方法，使得本技术领域中的一般技术人员可以实施本发明。这些具体实施方法可以参考相对应的附图，使得所述附图构成实施方法的一部分。虽然本发明的优选实施例揭露如下，但不是用来限定本发明，任何本领域的技术人员，在不违背本发明的精神和范畴内，可以作些许的更动和修改。
图2到图4是根据本发明优选实施例的半导体发光二极管结构10的制作方法示意图。图2是图案化外延基底100的剖面示意图。首先，提供一图案化外延基底100，例如一图案化蓝宝石基底(patterned sapphire substrate,PSS)，图案化外延基底100具有一主表面S’，其主要晶面可以是C-平面(C-plane)、R-平面(R-plane)、A-平面(A-plane)或M-平面(M-plane)等，根据此优选实施例，主表面S’的晶面是一C-平面。接着，利用机械抛光、等离子体蚀刻或湿蚀刻等类似的蚀刻方法，在主表面S’形成多个凹凸结构100a，凹凸结构100a可包含三角形底面的平台结构(triangular frustum structure)、卵形结构(ovalstructure)、四面体结构(tetrahedral structure)或多角形结构(polygonal structure)等，其结构分别对应图2的(A)到(D)，但不限于此。上述凹凸结构100a除了可以增加半导体发光二极管结构10的光提取效率(light extraction efficiency)，也可以提供后续外延结构200成长所需的特定晶面，例如r-晶面(r-planes)，使得后续的外延结构200能沿着凹凸结构100a的特定晶面成长，因此形成所需的外延结构200。
如图3，接着，利用外延工艺，依序形成成核层(nucleation layer)110、外延最底层(buffer layer)120、第一导电型半导体层130、活性发光层140和第二导电型半导体层150。成核层110是一薄层，其厚度约略为0.02微米(μm)，但不限于此。成核层110及外延最底层120包含氮化铝(AlN)、氮化铝镓(AlxGa1-xN)等含铝的半导体氮化物，较佳是氮化铝(AlN)。根据此优选实施例，第一导电型半导体层130是一N型半导体层，其成分包含N型掺质(例如硅原子或锗原子)的氮化铝铟镓(AlxInyGa1-x-yN,0≦x≦1,0≦y＜1,0≦x+y≦1)；而第二导电型半导体层150是一P型半导体层，其成分包含P型掺质(例如镁原子)的氮化铝铟镓(AlxInyGa1-x-yN,0≦x≦1,0≦y＜1,0≦x+y≦1)。活性发光层140具有一多量子井结构(multiple quantum well,MQW)，其组成包括氮化镓/氮化铟镓等多层结构，由于多量子井结构是根据习知技术制得，在此就不加多描述。上述的外延工艺可以包含有机金属化学气相沉积(metal organic chemical vapor deposition,MOCVD)、分子束外延(molecularbeam epitaxy,MBE)或氢化物气相外延(hydride vapor phase epitaxy,HVPE)等类似的外延工艺。为了简洁，上述优选实施例中只列示出必要的组成结构，并不是对本发明加上其它的限制。举例来说，上述第一导电型半导体层130和图案化外延基底100之间还可以包含包覆层(cladding layer)、反射镜面层或布拉格反射层(distributed Bragg reflector,DBR)，但不限于此。
接着，如图4及图5，图4是进行干蚀刻和切割工艺后的结构示意图。图5是进行湿蚀刻工艺后的半导体发光二极管结构10的示意图。工艺步骤叙述如下：首先，进行一光刻工艺和蚀刻工艺，定义出一用来设置第二电极160(例如P型电极)的发光平台区400，和在第一导电型半导体层130的顶面130a定义出可以设置一第一电极170(例如N型电极)的区域。其中，发光平台区400具有一大体上垂直于主表面S’的第二侧壁420。上述蚀刻工艺是一干蚀刻工艺，较佳为一感应耦合等离子体反应性离子蚀刻工艺(Inductively Coupled PlasmaReactive Ion Etching,ICP-RIE)。接着，进行一切割工艺，形成一包围半导体发光二极管结构10四周的沟渠(图没有画出)，沟渠的剖面可以是U形或V形，且沟渠底部可以达到图案化外延基底100的主表面S’，因此可以用来隔离、电绝缘各半导体发光二极管结构10。上述的切割工艺包含二氧化碳激光、钇铝石榴石激光(Yttrium Aluminum Garnet Laser,YAGlaser)、准分子激光(excimer laser)或脉冲激光(pulsed laser)等激光切割工艺，但不限于此。
接着，如图5，在没有被发光二极管结构覆盖的外露出的表面S进行一湿蚀刻工艺，蚀刻第一导电型半导体层130的侧壁(图没有画出)。此湿蚀刻的组成包含正磷酸(orthophosphoric acid)，因为正磷酸对于第一导电型半导体层130的不同晶面(例如R-晶面、A-晶面或M-晶面)具有不同的蚀刻速率，所以经过所述湿蚀刻工艺后，可以在第一导电型半导体层130形成一第一侧壁330，其中第一侧壁330包含两彼此不相邻(图没有画出)或相邻且不相平行的一第一蚀刻面310及一第二蚀刻面320，而且第一蚀刻面310和第二蚀刻面320都和没有被发光二极管结构覆盖的外露出的表面S呈锐角。根据本发明的另一优选实施例，第一侧壁330可以包含两个以上都不互相平行的蚀刻面，所述的这些蚀刻面彼此相邻且都和外露出的表面S呈锐角。根据本发明的又一优选实施例，第一侧壁330也可以包含两个或两个以上都不互相平行的蚀刻面，所述的这些蚀刻面彼此相邻且都和外露出的表面S呈钝角。至此，综观上述的各不同优选实施例，其共同特征在于各所述的蚀刻面与外露出的表面S皆不呈直角。此外，上述的湿蚀刻会同时蚀刻成核层110及外延最底层120的侧壁(图没有画出)，使得所述的侧壁平行于第一蚀刻面310。在此需注意的是，借由形成上述的第一蚀刻面310以及第二蚀刻面320，可使得第一导电型半导体层130的外观具有多个倒角结构或正角结构(图没有画出)。
请参考图6及图7，图6是习知半导体发光二极管结构的局部放大示意图，图7是图5中虚线圆圈处的半导体发光二极管结构局部放大示意图。参考图6，半导体层(图没有画出)只具有一蚀刻面410，而且蚀刻面410与外露出的表面S1之间只具有一第一夹角α1，且第一夹角α1呈锐角。对照图7，可以知道本发明的第一蚀刻面310和外露出的表面S之间具有一第一夹角α，第二蚀刻面320和外露出的表面S之间具有一第二夹角β，且第一蚀刻面310与第二蚀刻面320间有一位于外延结构200内的夹角(图没有画出)介于90°到180°之间。其中第一夹角α与第二夹角β皆呈锐角，而第一夹锐角α约略为58°，且第一夹角α的角度小于第二夹角β。上述的各不同角度的蚀刻面会影响光前进的路线，并影响半导体发光二极管的光形分布及光提取效率。首先，根据图6，在习知技术中，从活性发光层(图没有画出)产生出的光线A在主表面S”反射后，会朝向蚀刻面410前进。但是，由于光线A与法线n1的第三夹角θ1大于临界角(critical angle)，因此光线A会在蚀刻面410产生全反射现象而不会穿过蚀刻面410。但是，根据图7，根据本发明的优选实施例，第一导电型半导体层130具有一第二蚀刻面320，当光线A在主表面S’反射后，会接着向第二蚀刻面320前进。此时，因为法线n和光线A的第三夹角θ小于临界角，因此光线A会穿透第二蚀刻面320和空气的介面而进入空气中。而第一蚀刻面310可以作为一全反射面，使得光线反射到第二蚀刻面320或正面f，可以增加光源出光的机率。
参考图8及图9，图8是习知半导体发光二极管与本发明的半导体发光二极管的配光曲线图。图9是习知半导体发光二极管和本发明的半导体发光二极管的光输出功率对应输入电流的折线图。如图8，习知的半导体发光二极管在发光角度(emission angle)为90°时具有最强的发光强度，而其强度随着发光角度往0°或180°移动时会逐渐变弱，因此，上述的光形分布造成发光强度过度集中于发光角度为90°的区域，使得光强度分布不均。而根据本发明的半导体发光二极管结构10，其发光强度的最大数值大体上位于发光角度60°以及120°，其强度随着发光角度往0°、90°或180°移动时逐渐变弱，可以知道本发明的半导体发光二极管结构10的发光均匀性比较好。会发生此现象是因为光线可以从第二蚀刻面320出光，所以避免了发光强度过度集中于发光角度90°。接着，根据图9显示的实验数据，可以清楚知道随着输入电流由0毫安(mA)逐渐增加到350mA，本发明的半导体发光二极管结构10的光输出功率皆大于习知的半导体发光二极管结构。会发生此现象是因为多个不平行蚀刻面310、320所产生的多个倒角结构(图没有画出)缩短了光线停留在半导体层(图没有画出)内的时间，因此减少了光线被半导体层吸收的情形。
总结上述，本发明结合图案化外延基底100、氮化铝的外延最底层120和正磷酸湿蚀刻等的工艺条件，提供一种具有多个不平行蚀刻面310、320的半导体发光二极管结构10，借由提供多个不平行的蚀刻面310、320，使得光线可以从第二蚀刻面320出光，因此可以避免半导体发光二极管结构10的发光强度过度集中於90°的发光角度。此外，由于光线不会在第二蚀刻面320产生全反射，缩短了光线停留于半导体层的时间，因此也增加了半导体发光二极管结构10的光提取效率。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种半导体发光二极管结构，其特征在于包括：
一外延基底，包含有一主表面和一外露表面；
一外延结构，设于所述外延基底的所述主表面上，至少包含有一第一半导体层、一活性发光层和一第二半导体层，其中所述第一半导体层具有一第一侧壁，而且所述第一侧壁包含有至少一第一蚀刻面以及一第二蚀刻面，而所述第一蚀刻面与所述外露表面间具有一第一夹角，所述第二蚀刻面与所述外露表面间具有一第二夹角，且所述第一蚀刻面和所述第二蚀刻面彼此相邻且不互相平行，所述第一蚀刻面和所述第二蚀刻面都不垂直于所述外延基底的所述外露表面，且所述彼此相邻的第一蚀刻面和所述的第二蚀刻面间有一位于所述外延结构内的夹角，所述夹角介于90°至180°之间。
2.根据权利要求1所述的半导体发光二极管结构，其特征在于所述的外延基底是一具有凹凸结构的图案化外延基底。
3.根据权利要求1所述的半导体发光二极管结构，其特征在于还包括一外延最底层，其中所述外延最底层是含铝的氮化层材料。
4.根据权利要求1所述的半导体发光二极管结构，其特征在于所述第一蚀刻面和所述第二蚀刻面和所述主表面的夹角都小于180°并且大于0°。
5.根据权利要求1所述的半导体发光二极管结构，其特征在于所述第一夹角与所述第二夹角皆呈锐角，且第一夹角小于所述第二夹角。
6.一种半导体发光二极管结构，其特征在于包括：
一基底，包含有一主表面和一没有被发光二极管结构覆盖的表面；及
一外延结构，设于所述的基底的所述的主表面上，其中所述外延结构具有一第一侧壁，且所述第一侧壁至少包含有一不同且彼此相邻的第一蚀刻面以及一第二蚀刻面，所述彼此相邻的所述第一蚀刻面和所述第二蚀刻面不互相平行且都不垂直于所述基底的所述没有被发光二极管结构覆盖的表面，且所述彼此相邻的第一蚀刻面和所述的第二蚀刻面间有一位于所述外延结构内的夹角，且所述夹角介于90°至180°之间。
7.根据权利要求6所述的半导体发光二极管结构，其中所述外延结构至少包含有一第一半导体层、一活性发光层和一第二半导体层，及/或所述的外延基底是一具有凹凸结构的图案化外延基底。
8.根据权利要求6所述的半导体发光二极管结构，其特征在于还包括一外延最底层，其中所述外延最底层包含所述第一蚀刻面。
9.根据权利要求6所述的半导体发光二极管结构，其特征在于所述第一蚀刻面和所述第二蚀刻面和所述主表面的夹角都小于180°并且大于0°。
10.根据权利要求6所述的半导体发光二极管结构，其特征在于所述第一蚀刻面和所述主表面的夹角大于所述第二蚀刻面和所述主表面的夹角。
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