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TW201603329A - 磊晶基底及發光元件 - Google Patents

磊晶基底及發光元件 Download PDF

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TW201603329A
TW201603329A TW103122875A TW103122875A TW201603329A TW 201603329 A TW201603329 A TW 201603329A TW 103122875 A TW103122875 A TW 103122875A TW 103122875 A TW103122875 A TW 103122875A TW 201603329 A TW201603329 A TW 201603329A
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wavelength conversion
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light
patterned wavelength
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廖冠詠
李允立
吳志凌
賴彥霖
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錼創科技股份有限公司
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Abstract

一種磊晶基底，適於在其上製作出一發光元件。磊晶基底包括一基板及一圖案化波長轉換結構。圖案化波長轉換結構配置於基板上的局部區域且凸出於基板。本發明更提供一種發光元件，包括上述的磊晶基底、一第一型半導體層、一發光層及一第二型半導體層。第一型半導體層配置於基板與圖案化波長轉換結構上。發光層配置於第一型半導體層上。第二型半導體層配置於發光層上。

Description

磊晶基底及發光元件
本發明是有關於一種磊晶基底及發光元件，且特別是有關於一種適於製作一發光元件的磊晶基底及能夠發出白光的發光元件。
發光二極體具有諸如壽命長、體積小、高抗震性、低熱產生及低功率消耗等優點，因此已被廣泛應用於家用及各種設備中的指示器或光源。近年來，發光二極體已朝多色彩及高亮度發展，因此其應用領域已擴展至大型戶外看板、交通號誌燈及相關領域。在未來，發光二極體甚至可能成為兼具省電及環保功能的主要照明光源。
一般而言，發光二極體為了發出不同顏色的光線，通常是會在發光二極體的基座上以模具灌膠的方式於發光二極體上形成一螢光膠層。當發光二極體所發出的光照射至螢光膠層時便開始進行光轉換而射出其他顏色的光線。然而，上述方式需在發光二極體製作完成之後額外再進行灌膠製程，程序上較為複雜。
本發明提供一種磊晶基底，適於在其上製作出能夠發出白光的發光元件。
本發明提供一種發光元件，可直接發出白光。
本發明的一種磊晶基底，適於在其上製作出一發光元件。磊晶基底包括一基板及一圖案化波長轉換結構。圖案化波長轉換結構配置於基板上的局部區域且凸出於基板。
在本發明的一實施例中，上述的圖案化波長轉換結構由單晶螢光材料或是多晶螢光材料所組成。
在本發明的一實施例中，上述的圖案化波長轉換結構包括釔鋁石榴石(yttrium aluminum granet,YAG)。
在本發明的一實施例中，上述的圖案化波長轉換結構所能耐受的溫度高於1000℃。
在本發明的一實施例中，更包括一包覆層，包覆層覆蓋圖案化波長轉換結構且露出部分的基板，其中包覆層所能耐受的溫度高於圖案化波長轉換結構所能耐受的溫度。
在本發明的一實施例中，上述的包覆層包括氧化矽或是氧化鋁，且圖案化波長轉換結構包括單晶系、多晶系或是非晶系的螢光材料。
在本發明的一實施例中，上述的基板具有一圖案化表面。
在本發明的一實施例中，更包括一成核層，配置於基板與圖案化波長轉換結構之間。
在本發明的一實施例中，更包括一成核層，覆蓋於基板及圖案化波長轉換結構。
本發明的一種發光元件，包括一磊晶基底、一第一型半導體層、一發光層及一第二型半導體層。磊晶基底包括一基板及一圖案化波長轉換結構。圖案化波長轉換結構配置於基板上的局部區域且凸出於基板。第一型半導體層配置於基板與圖案化波長轉換結構上。發光層配置於第一型半導體層上。第二型半導體層配置於發光層上。
在本發明的一實施例中，上述的圖案化波長轉換結構由單晶螢光材料或是多晶螢光材料所組成。
在本發明的一實施例中，上述的圖案化波長轉換結構包括釔鋁石榴石。
在本發明的一實施例中，上述的圖案化波長轉換結構所能耐受的溫度高於1000℃。
在本發明的一實施例中，上述的磊晶基底更包括一包覆層，覆蓋圖案化波長轉換結構且露出部分的基板，且包覆層所能耐受的溫度高於圖案化波長轉換結構所能耐受的溫度。
在本發明的一實施例中，上述的包覆層包括氧化矽或是氧化鋁，且圖案化波長轉換結構包括單晶系、多晶系或是非晶系的螢光材料。
在本發明的一實施例中，上述的基板具有一圖案化表面。
在本發明的一實施例中，上述的磊晶基底更包括一成核 層，配置於基板與圖案化波長轉換結構之間，且第一型半導體層配置於圖案化波長轉換結構以及成核層上。
在本發明的一實施例中，上述的磊晶基底更包括一成核層，配置於基板及圖案化波長轉換結構上，且第一型半導體層配置於成核層上。
基於上述，本發明的磊晶基底透過在基板上的局部區域配置圖案化波長轉換結構，其後在磊晶基底上依序配置第一型半導體層、發光層及第二型半導體層而形成發光元件，此發光元件所發出的部分光線會通過圖案化波長轉換結構，且另一部分光線不通過圖案化波長轉換結構，而使發光元件本身便能夠發出多種色光，這些不同顏色的光線可混合出白光，也就是說，發光元件不需在其上額外配置例如是螢光膠層等結構，便可直接發出白光。此外，磊晶基底的圖案化波長轉換結構為了要能夠承受形成第一型半導體層、發光層及第二型半導體層的過程中的高溫，圖案化波長轉換結構可選用例如是釔鋁石榴石等耐受溫度高於1000℃的材料，或者，透過將能夠耐受高溫的包覆層(例如是氧化矽或是氧化鋁)覆蓋住圖案化波長轉換結構，而確保圖案化波長轉換結構在經過高溫的磊晶製程之後仍能提供通過的光線進行轉換波長的功能。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
10‧‧‧發光元件
20‧‧‧第一型半導體層
30‧‧‧發光層
40‧‧‧第二型半導體層
100、200、300、400、500、600‧‧‧磊晶基底
110、210、310、410、510、610‧‧‧基板
120、220、320、520、620‧‧‧圖案化波長轉換結構
230‧‧‧包覆層
540、640‧‧‧成核層
圖1是依照本發明的一實施例的一種磊晶基底的剖面示意圖。
圖2是依照本發明的一實施例的一種發光元件的剖面示意圖。
圖3是依照本發明的另一實施例的一種磊晶基底的剖面示意圖。
圖4是依照本發明的另一實施例的一種磊晶基底的剖面示意圖。
圖5是依照本發明的另一實施例的一種磊晶基底的剖面示意圖。
圖6是依照本發明的另一實施例的一種磊晶基底的剖面示意圖。
圖7是依照本發明的另一實施例的一種磊晶基底的剖面示意圖。
本發明的磊晶基底適於在其上製作出能夠直接發出多種顏色的色光的一發光元件。圖1是依照本發明的一實施例的一種磊晶基底的剖面示意圖。請參閱圖1，本實施例的磊晶基底100包括一基板110及一圖案化波長轉換結構120。
在本實施例中，基板110為藍寶石基板，但在其他實施例中，任何可供成長三五族(如III族氮化物)半導體層之基板材料皆可使用，例如是矽(Si)、玻璃(SiO2)、氮化鎵(GaN)、氮化鋁(AlN)、尖晶石(spinnel)、碳化矽(SiC)、砷化鎵(GaAs)、三氧化二鋁(Al2O3)、二氧化鋰鎵(LiGaO2)、二氧化鋰鋁(LiAlO2)或四氧化鎂二鋁(MgAl2O4)等。
圖案化波長轉換結構120配置於基板110上的局部區域且凸出於基板110。如圖1所示，圖案化波長轉換結構120覆蓋住基板110的一部分，且裸露出基板110的另一部分。由於之後要磊晶基底100上堆疊出磊晶層(例如是第一型半導體層、發光層及一第二型半導體層)，為了確保圖案化波長轉換結構120在經過高溫的磊晶製程之後仍能提供通過的光線進行轉換波長的功能，在本實施例中，圖案化波長轉換結構120由單晶螢光材料或是多晶螢光材料所組成，舉例而言，圖案化波長轉換結構120的材料可選用單晶結構的釔鋁石榴石，以單晶結構的釔鋁石榴石形成的圖案化波長轉換結構120所能耐受的溫度高於1000℃，而能承受後續製作發光元件的高溫製程。
下面將以圖1的磊晶基底100為例，在其上製作出發光元件10。圖2是依照本發明的一實施例的一種發光元件的剖面示意圖。請參閱圖2，本實施例的發光元件10包括磊晶基底100、一第一型半導體層20、一發光層30及一第二型半導體層40。第一型半導體層20配置於基板110與圖案化波長轉換結構120上， 發光層30配置於第一型半導體層20上，第二型半導體層配置40於發光層30上。在本實施例中，第一型半導體層20例如是n型的氮化物半導體堆疊層，第二型半導體層40例如是p型的氮化物半導體層，發光層30例如是多重量子井(quantum well)。第一型半導體層20、發光層30及第二型半導體層40可以有機金屬氣相沉積法(MOCVD)依序形成於磊晶基底100上，但第一型半導體層20、發光層30及第二型半導體層40的製作方式並不以此為限制。
再者，由於第一半導體層20與磊晶基底100之間的晶格常數(lattice constant)差異很大，因此，會在磊晶基底100和第一半導體層20間配置一成核層或/及緩衝層(未繪示)，可用來減低第一半導體層20與磊晶基底100之間因晶格常數差異所造成的晶格不匹配(lattice mismatch)的現象。換言之，成核層或/及緩衝層可改善後續要堆疊在磊晶基底100上的第一半導體層20、發光層30以及第二半導體層40的磊晶品質，以降低缺陷密度，進而避免發光元件的發光效率受到影響。一般來說，成核層或/及緩衝層包括III-V族化合物半導體，例如是氮化鎵或氮化鋁，當然，成核層或/及緩衝層的材料種類不以此為限制。在一較佳的實施例中，可先在磊晶基底100先形成一成核層氮化鋁後，再形成一緩衝層氮化鎵，藉由二種材料搭配而形成，可使後續的第一半導體層20、發光層30以及第二半導體層40的磊晶品質更佳。
在本實施例中，由於圖案化波長轉換結構120僅設置在基板110上的局部區域，發光元件10所發出的部分光線會通過圖案化波長轉換結構120，而使此部分的光線的波長被轉換，未通過圖案化波長轉換結構120的另一部分光線則維持原來的波長，使得發光元件10不需額外配置例如是螢光膠層等結構，在完成磊晶製程之後便能夠直接發出多種色光。這些不同顏色的光線可混合出白光，而使發光元件10可直接發出白光。
當然，上面僅提供其中一種磊晶基底100，磊晶基底的種類並不以此為限制，下面將繼續介紹其他能夠讓設置在其上的發光元件發出多種色光的磊晶基底。
圖3是依照本發明的另一實施例的一種磊晶基底的剖面示意圖。請參閱圖3，圖3的磊晶基底200與圖1的磊晶基底100的主要差異在於，在圖3中，磊晶基底200更包括一包覆層230，包覆層230覆蓋圖案化波長轉換結構220且露出部分的基板210。
由於磊晶製程的溫度較高，圖案化波長轉換結構220需要耐高溫才能夠確保經過高溫的磊晶製程之後仍能提供通過的光線進行轉換波長的功能，而對圖案化波長轉換結構220的材料種類產生了限制。在本實施例中，包覆層230覆蓋圖案化波長轉換結構220，換句話說，後續的磊晶製程是形成在基板210以及包覆層230上，因此，圖案化波長轉換結構220可選用耐受溫度較低的材料，只要覆蓋圖案化波長轉換結構220的包覆層230所能耐 受的溫度高於磊晶製程的溫度即可。
舉例而言，包覆層230可包括氧化矽或是氧化鋁等耐高溫的材料，而圖案化波長轉換結構220則可採用單晶系、多晶系或是非晶系的螢光材料等耐受溫度不受限制的波長轉換材料。本實施例的磊晶基底200藉由覆蓋於圖案化波長轉換結構220的包覆層230對圖案化波長轉換結構220提供保護，而降低後續的高溫磊晶製程對圖案化波長轉換結構220的影響。當然，在其他實施例中，圖案化波長轉換結構220仍可選用釔鋁石榴石等本身即能夠耐受磊晶製程溫度的材料，包覆層230與圖案化波長轉換結構220的種類並不以上述為限制。
圖4是依照本發明的另一實施例的一種磊晶基底的剖面示意圖。請參閱圖4，圖4的磊晶基底300與圖1的磊晶基底100的主要差異在於，在圖1中，基板110上接觸圖案化波長轉換結構120的表面為一平面，在圖4中，基板310上接觸圖案化波長轉換結構320的表面為一圖案化表面。詳細而言，在本實施例中，基板310上具有多個半圓形凸起，這些半圓形凸起可用來散射由在磊晶基底300上製作出的發光元件(未繪示)所射出之光線以達到降低全反射的效果，進一步提昇在磊晶基底300上製作出的發光元件的外部量子效率。
需說明的是，雖然在圖4中，圖案化波長轉換結構320配置於基板310的圖案化表面的半圓形凸起上，但在其他實施例中，圖案化波長轉換結構320分布在基板310上的位置不一定要 對應於半圓形凸起的所在位置，例如可部分位在基板310上的半圓形凸起，部分位在平坦處，或是，均位在基板310上的平坦處。
此外，圖案化表面的形式也不以上述為限制。圖5是依照本發明的另一實施例的一種磊晶基底的剖面示意圖。請參閱圖5，在圖5中，基板410上具有多個錐形凸起，以使之後磊晶基底400上製作出的發光元件(未繪示)所射出之光線能夠被散熱而降低全反射，且提升發光元件的外部量子效率。在一未繪示的實施例中，基板的圖案化表面也可是具有多個凹陷部或者是同時具有多個凹陷與凸起的表面，當然，圖案化表面的種類不以上述為限制。
圖6是依照本發明的另一實施例的一種磊晶基底的剖面示意圖。請參閱圖6，圖6的磊晶基底500與圖1的磊晶基底100的主要差異在於，圖6的磊晶基底500更包括一成核層540，配置於基板510與圖案化波長轉換結構520之間。之後若要在磊晶基底500上堆疊出發光元件(未繪示)時，第一型半導體層(未繪示)則會配置於圖案化波長轉換結構520以及成核層540上。
在此實施例中，成核層540的目的是為了防止後續成長半導體層時，半導體層中的元素(例如是鎵等)易與基板510中的元素反應形成化合物，導致非晶質或非單晶結構的產生，而破壞發光元件的發光強度。成核層例如是氮化鋁，但成核層的種類並不以此為限制。
圖7是依照本發明的另一實施例的一種磊晶基底的剖面 示意圖。請參閱圖7，圖7的磊晶基底600與圖6的磊晶基底500的主要差異在於，圖7的磊晶基底600的成核層640的所在位置不同，更明確地說，在本實施例中，成核層640覆蓋於基板610及圖案化波長轉換結構620。此外，在本實施例中，成核層640實質上等厚，成核層640沿著凸出於基板610的圖案化波長轉換結構620呈現高低起伏的形式，但在其他實施例中，成核層640也可以在基板610上的部分較厚，在圖案化波長轉換結構620上的部分較薄，而使成核層640在遠離基板610的一側呈現平坦的表面。當然，成核層640的形式並不以此為限制。另外，在本實施例中，若要在磊晶基底600上堆疊出發光元件(未繪示)時，第一型半導體層(未繪示)則會配置於成核層640上，當然，為了提高磊晶品質，也可在成核層640和第一型半導體層(未繪示)間加入一III-V族化合物半導體的緩衝層。
需說明的是，上面雖僅以圖1的磊晶基底100為例，在其上製作出如圖2所示的發光元件10，但其他實施例的磊晶基底200、300、400、500、600同樣地也可以堆疊磊晶層而製作出能夠直接發出白光的發光元件，此處便不對此多加贅述。
綜上所述，本發明的磊晶基底透過在基板上的局部區域配置圖案化波長轉換結構，其後在磊晶基底上依序配置第一型半導體層、發光層及第二型半導體層而形成發光元件，此發光元件所發出的部分光線會通過圖案化波長轉換結構，且另一部分光線不通過圖案化波長轉換結構，而使發光元件本身便能夠發出多種 色光，這些不同顏色的光線可混合出白光，也就是說，發光元件不需在其上額外配置例如是螢光膠層等結構，便可直接發出白光。此外，磊晶基底的圖案化波長轉換結構為了要能夠承受形成第一型半導體層、發光層及第二型半導體層的過程中的高溫，圖案化波長轉換結構可選用例如是釔鋁石榴石等耐受溫度高於1000℃的材料，或者，透過將能夠耐受高溫的包覆層(例如是氧化矽或是氧化鋁)覆蓋住圖案化波長轉換結構，而確保圖案化波長轉換結構在經過高溫的磊晶製程之後仍能提供通過的光線進行轉換波長的功能。
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，當可作些許之更動與潤飾，故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‧‧‧磊晶基底
110‧‧‧基板
120‧‧‧圖案化波長轉換結構

Claims (18)

  1. 一種磊晶基底，適於在其上製作出一發光元件，該磊晶基底包括：一基板；以及一圖案化波長轉換結構，配置於該基板上的局部區域且凸出於該基板。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的磊晶基底，其中該圖案化波長轉換結構由單晶螢光材料或是多晶螢光材料所組成。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的磊晶基底，其中該圖案化波長轉換結構包括釔鋁石榴石(yttrium aluminum granet,YAG)。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的磊晶基底，其中該圖案化波長轉換結構所能耐受的溫度高於1000℃。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的磊晶基底，更包括：一包覆層，覆蓋該圖案化波長轉換結構且露出部分的該基板，其中該包覆層所能耐受的溫度高於該圖案化波長轉換結構所能耐受的溫度。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的磊晶基底，其中該包覆層包括氧化矽或是氧化鋁，且該圖案化波長轉換結構包括單晶系、多晶系或是非晶系的螢光材料。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的磊晶基底，其中該基板具有一圖案化表面。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的磊晶基底，更包括： 一成核層，配置於該基板與該圖案化波長轉換結構之間。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的磊晶基底，更包括：一成核層，覆蓋於該基板及該圖案化波長轉換結構。
  10. 一種發光元件，包括：一磊晶基底，包括：一基板；以及一圖案化波長轉換結構，配置於該基板上的局部區域且凸出於該基板；一第一型半導體層，配置於該基板與該圖案化波長轉換結構上；一發光層，配置於該第一型半導體層上；以及一第二型半導體層，配置於該發光層上。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的發光元件，其中該圖案化波長轉換結構由單晶螢光材料或是多晶螢光材料所組成。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的發光元件，其中該圖案化波長轉換結構包括釔鋁石榴石。
  13. 如申請專利範圍第10項所述的發光元件，其中該圖案化波長轉換結構所能耐受的溫度高於1000℃。
  14. 如申請專利範圍第10項所述的發光元件，其中該磊晶基底更包括一包覆層，覆蓋該圖案化波長轉換結構且露出部分的該基板，且該包覆層所能耐受的溫度高於該圖案化波長轉換結構所能耐受的溫度。
  15. 如申請專利範圍第14項所述的發光元件，其中該包覆層包括氧化矽或是氧化鋁，且該圖案化波長轉換結構包括單晶系，多晶系或是非晶系的螢光材料。
  16. 如申請專利範圍第10項所述的發光元件，其中該基板具有一圖案化表面。
  17. 如申請專利範圍第10項所述的發光元件，其中該磊晶基底更包括一成核層，配置於該基板與該圖案化波長轉換結構之間，且該第一型半導體層配置於該圖案化波長轉換結構以及該成核層上。
  18. 如申請專利範圍第10項所述的發光元件，其中該磊晶基底更包括一成核層，配置於該基板及該圖案化波長轉換結構上，且該第一型半導體層配置於該成核層上。
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