TW201530815A - 半導體發光結構 - Google Patents

Abstract

一種半導體發光結構，包括一基板、一第一半導體層、一主動層以及一第二半導體層。第一半導體層形成於基板上。主動層形成於部分第一半導體層上，並且裸露部分第一半導體層作為第一電極預定區。第二半導體層形成於主動層上，第二半導體層表面具有一第二電極預定區及一微結構預定區，其中微結構預定區包括有複數個凹槽及複數個突出部，且各等突出部是對應地位於各等凹槽中。

Description

半導體發光結構

本發明是有關於一種半導體發光結構，且特別是有關於一種提昇出光效率的半導體發光結構。

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。發光二極體的主要組成材料是化合物半導體，由三價或五價元素組成化合物半導體，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。在發光二極體的正電極及負電極施加電壓時，電子將與電洞結合並釋放能量，再以光的形式發出。

然而，發光二極體的半導體層與空氣的折射率相差太大，因此朝半導體表面的方向射出之光線很容易被反射回來，出光角度很小，因而導致部分的光線被侷限在發光二極體內而無法取出，進而導致出光效率不佳。

本發明係有關於一種半導體發光結構，以提昇出光 效率。

根據本發明之一方面，提出一種半導體發光結構，包括一基板、一第一半導體層、一主動層以及一第二半導體層。第一半導體層形成於基板上。主動層形成於部分第一半導體層上，並且裸露部分第一半導體層作為第一電極預定區。第二半導體層形成於主動層上，第二半導體層表面具有一第二電極預定區及一微結構預定區，其中微結構預定區包括有複數個凹槽及複數個突出部，且各等突出部是對應地位於各等凹槽中。

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：

20‧‧‧半導體層

22‧‧‧表面

24‧‧‧突出部

30‧‧‧透明導電層

32‧‧‧開口

42、44‧‧‧電極

L1、L2‧‧‧光線

100~103‧‧‧半導體發光結構

110‧‧‧基板

120‧‧‧第一半導體層

122‧‧‧第一電極預定區

130‧‧‧主動層

140‧‧‧第二半導體層

141‧‧‧凹槽

141a‧‧‧側壁

141b‧‧‧底面

142‧‧‧第二電極預定區

143‧‧‧突出部

143a‧‧‧頂面

144‧‧‧微結構預定區

145‧‧‧絕緣材料層

151‧‧‧第一電極

152‧‧‧第二電極

153‧‧‧導電層

160‧‧‧電流阻擋層

A‧‧‧局部區域

第1A及1B圖分別繪示在半導體層之表面上形成具有網狀分佈之開口的透明導電層的俯視圖及局部區域A之剖面圖。

第1C圖繪示在半導體層之表面上形成突出部的示意圖。

第2A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2B及2C圖繪示不同實施態樣之凹槽及突出部。

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4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5A及5B圖分別繪示依照本發明一實施例之半導體發光結 構的示意圖及另一實施態樣的結構。

在本實施例之一範例中，提出一種半導體發光結 構，係在微結構預定區中形成多個凹槽以及多個突出部，各突出部對應地位於各凹槽中。相對於傳統半導體層之平整表面容易形成全反射面，本發明利用凹槽及突出部改變表面輪廓，以避免半導體層表面形成全反射面，進而增加出光效率。

請參照第1A及1B圖，其繪示在半導體層20之表 面22上形成具有網狀分佈之開口32的透明導電層30的俯視圖及局部區域A之剖面圖。在第1A圖中，除了二電極42、44所在的區域之外，其餘的區域皆有網狀分佈之開口32，其尺寸例如3~10微米左右。在第1B圖中，形成網狀分佈之開口32是為了增加出光效率，但開口處的表面22為平整表面，因而光線L1在開口處因半導體層20與空氣的折射率差異太大而容易發生全反射，使得出光效率無法有效提昇。故，單純使用具有開口32的透明導電層30無法提昇出光效率。

請參照第1C圖，其繪示在半導體層20之表面22 上形成突出部24的示意圖。突出部24例如是圓柱，圓柱的頂面例如是圓頂曲面，使得大部分光線L2可經由突出部24之表面向外射出。因此，本發明利用突出部24改變表面輪廓，以避免半導體層20之表面22形成全反射面，進而增加出光效率。

以下係針對不同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。

第一實施例

請參照第2A圖，其繪示依照本發明一實施例之半導體發光結構100的示意圖。半導體發光結構100包括一基板110、一第一半導體層120、一主動層130、一第二半導體層140、一第一電極151以及一第二電極152。第一半導體層120形成於基板110上。在一實施例中，基板110例如是藍寶石基板或矽基板，第一半導體層120可直接形成在基板110上，或例如藉由一緩衝層(圖未繪示)配置於基板110上。

主動層130形成於部分第一半導體層120上，並且 裸露部分第一半導體層120作為第一電極預定區122。第一電極預定區122為第一電極151與第一半導體層120接觸的區域。此外，第二半導體層140形成於主動層130上，第二半導體層140表面具有一第二電極預定區142及一微結構預定區144。第二電極預定區142為第二電極152與第二半導體層140接觸的區域。

在一實施例中，第一半導體層120是N型半導體 層，第二半導體層140是P型半導體層。或者，第一半導體層120是P型半導體層，第二半導體層140是N型半導體層，兩者的電性相反並於通電後，使得電子與電洞分別由第一電極151及第二電極152往主動層130移動，並結合而發光。

第一半導體層120、主動層130以及第二半導體層 140之材質可由週期表ⅢA族元素之氮化物所構成，例如是選自於由氮化鎵(GaN)、氮化銦鎵(InGaN)、氮化鋁鎵(AlGaN)或氮化鋁銦鎵(AlInGaN)所組成的群組其中之一或其組合。

請參照第2A圖，微結構預定區144包括有多個凹 槽141及多個突出部143，且各個突出部143對應地位於各個凹槽141中。在一實施例中，此些凹槽141為網狀分佈之凹槽，除了第二電極預定區142不需形成凹槽141之外，微結構預定區144內幾乎形成有網狀分佈之凹槽141，數量不限，且各個凹槽141中對應有一個突出部143。也就是說，各個凹槽141的中央設有一個突出部143，而突出部143的周圍為一環狀凹槽。

突出部143及凹槽141例如以乾式蝕刻或濕式蝕刻 形成的微結構，可改變第二半導體層140的表面輪廓，以避免第二半導體層140之表面形成全反射面，進而增加出光效率。

請參照第2A圖，各個凹槽141具有一側壁141a以 及一底面141b，而突出部143自各個凹槽141底面141b垂直突出，並且不與各個凹槽141的側壁141a接觸。突出部143被包圍於凹槽141中，因此凹槽141的尺寸大於突出部143的尺寸。在一實施例中，凹槽141的尺寸例如3~10微米左右，突出部143的尺寸根據凹槽141的尺寸對應調整，約為1~5微米左右。此外，突出部143的頂面143a例如為曲面，使大部分光線能經由頂面143a向外發散。

第2B及2C圖繪示不同實施態樣之凹槽141及突出 部143。請同時參照第2A、2B及2C圖，不同之處在於：在第2A圖中，凹槽141貫穿部分第二半導體層140，即凹槽141的深度小於第二半導體層140的厚度；在第2B圖中，凹槽141貫穿第二半導體層140及部分主動層130，即凹槽141的深度大於第二半導體層140的厚度，但小於第二半導體層140及主動層130的總厚度；在第2C圖中，凹槽141貫穿第二半導體層140、主動層 130及部分第一半導體層120，即凹槽141的深度大於第二半導體層140及主動層130的總厚度，但小於第二半導體層140、主動層130及第一半導體層120的總厚度。

在上述各圖式範例中，雖繪示凹槽141的深度大致 上等於突出部143的高度(或深度)，但本發明不以此為限，在一實施例中，凹槽141的深度可大於突出部143的高度。在另一實施例中，凹槽141的深度可小於突出部143的高度。上述之變化可依照實際的需求加以調整。

第二實施例

請參照第3圖，其繪示依照本發明一實施例之半導體發光結構101的示意圖。本實施例之半導體發光結構101與第一實施例不同之處在於：第二半導體層140上配置一導電層153。第二電極152設置在導電層153上。導電層153例如是透明導電層153，除了凹槽141及突出部143未被覆蓋之外，導電層153幾乎覆蓋第二半導體層140上。

導電層153具有多個開口154，如第1A圖所示之開口。此些開口154貫穿導電層153，且各個開口154的位置與凹槽141的位置相對應。由於開口154處的表面不為平整表面，因而光線不會在開口處因第二半導體層140與空氣的折射率差異太大而容易發生全反射。故，本實施例之半導體發光結構101可使出光效率有效提昇。

在一實施例中，導電層153之材質可為銦錫氧化物(ITO)或銦鋅氧化物(IZO)等透明材質，不會影響出光面積。同時，電流在導電層153之引導下，不需使用大面積的第二電極 152，故第二電極152的面積相對減少，以減少被第二電極152遮蔽的出光面積，符合設計的需求。

第三實施例

請參照第4圖，其繪示依照本發明一實施例之半導體發光結構102的示意圖。本實施例之半導體發光結構102與第二實施例不同之處在於：在第二電極預定區142上配置一電流阻擋層160，且電流阻擋層160被導電層153包覆。電流阻擋層160位於第二半導體層140上，與第二電極152的位置相對，可使電流在導電層153中有較均勻的擴散，藉以減緩大電流注入時在第二電極152的下方產生電流擁擠效應。

在一實施例中，電流阻擋層160例如為高能隙之AlGaN半導體材料，可摻雜N型摻質，以使由第二電極152往下的電流受到電流阻擋層160的屏蔽而往周圍移動，再經由周圍區域的導電層153注入到第二半導體層140中，進而提高電流擴散的效果。

第四實施例

請參照第5A及5B圖，其分別繪示依照本發明一實施例之半導體發光結構103的示意圖及另一實施態樣的結構。本實施例之半導體發光結構103與第一實施例不同之處在於：此些突出部143上覆蓋一絕緣材料層145。在第5B圖中，絕緣材料層145還可覆蓋凹槽141的底面141b。

在一實施例中，絕緣材料層145可為氧化物、氮化物或氮氧化物，例如以物理氣相沉積的方式形成在突出部143 上，以使絕緣材料層145與突出部143的結構共形。因此，絕緣材料層145的頂面143a仍可保持為一圓頂曲面，以增加出光效率。

絕緣材料層145的折射率介於空氣與第二半導體層140之間，例如介於1~2.5之間，以避免第二半導體層140與空氣的折射率差異太大而容易發生全反射。較佳地，絕緣材料層145的折射率介於1.3~2之間。此外，絕緣材料層145可為單層膜或多層膜，本發明對此不加以限制。

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。

100‧‧‧半導體發光結構

110‧‧‧基板

120‧‧‧第一半導體層

122‧‧‧第一電極預定區

130‧‧‧主動層

140‧‧‧第二半導體層

141‧‧‧凹槽

141a‧‧‧側壁

141b‧‧‧底面

142‧‧‧第二電極預定區

143‧‧‧突出部

143a‧‧‧頂面

144‧‧‧微結構預定區

151‧‧‧第一電極

152‧‧‧第二電極

Claims (13)

1. 一種半導體發光結構，包括：一基板；一第一半導體層，形成於該基板上；一主動層，形成於部分該第一半導體層上，並且裸露部分該第一半導體層，作為第一電極預定區；以及一第二半導體層，形成於該主動層上，該第二半導體層表面具有一第二電極預定區及一微結構預定區，其中該微結構預定區包括有複數個凹槽及複數個突出部，且各該等突出部是對應地位於各該等凹槽中。
2. 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光結構，各該等凹槽分別具有一側壁及一底面。
3. 如申請專利範圍第2項所述之半導體發光結構，各該等凹槽分別貫穿部分該第二半導體層，或分別貫穿該第二半導體層及部分該主動層，或分別貫穿該第二半導體層、該主動層及部分該第一半導體層。
4. 如申請專利範圍第3項所述之半導體發光結構，各該等突出部是自各該等凹槽底面垂直突出，並且不與各該等凹槽側壁接觸。
5. 如申請專利範圍第4項所述之半導體發光結構，各該等突出部分別具有一頂面，且該些頂面為曲面。
6. 如申請專利範圍第5項所述之半導體發光結構，更包括一 導電層，配置於該第二半導體層上，該導電層具有複數個開口，該些開口貫穿該導電層，且各該等開口的位置與該些凹槽的位置相對應。
7. 如申請專利範圍第6項所述之半導體發光結構，其中該導電層為透明導電層。
8. 如申請專利範圍第7項所述之半導體發光結構，更包括一電流阻擋層，位於該第二電極預定區的該第二半導體層上，且被該導電層包覆。
9. 如申請專利範圍第1至8項中任一項所述之半導體發光結構，其中該第一電極預定區上更包括有一第一電極，而該第二電極預定區上更包括有一第二電極。
10. 如申請專利範圍第9項所述之半導體發光結構，更包括一絕緣材料層，覆蓋於該些突出部上。
11. 如申請專利範圍第10項所述之半導體發光結構，其中該絕緣材料層，更覆蓋各該等凹槽的底面。
12. 如申請專利範圍第11項所述之半導體發光結構，其中該絕緣材料層的折射率介於1~2.5之間。
13. 如申請專利範圍第12項所述之半導體發光結構，其中該絕緣材料層的折射率介於1.3~2之間。