TWI362768B - Semiconductor light-emitting device - Google Patents

Description

1362768 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發_ _-辨物發技件(_咖 Γ發—種編度絲_之= 【先前技術】 Ο © 甚為dfiii件(例如，發光二極體)的應用領域已 甚為廣泛，例如按鍵系統、手機螢幕背光模组

統症裝飾用燈飾及遙控領域等產品 =H η可靠性以及較低的 =)求其本身的外部量子效率(::。= 部量Γίΐ及外部量子效率與其本身的内 謂的内部量後率錢材有關。所 =則;意謂從元件内部發出至周圍空氣或i封裝 ==。，出效率係取決於當輻射 Ϊ ί的半導體材料具有高折射錄 而盔法軸3絲蹄料表面產生全反射(tGtal reflection) 外^取㈣雜昇，财導财光元件的 請=圖-。圖—係緣示習知的發光二極體卜如圖一 氣Γ綠二極體1包含基板10、Ν-_氮化鎵12、p-type 氮b鎵16、發光區14以及電極18。為了導通Ρ·咖氮化鎵 6 Λ、0 / 1362768 16及N-type氮化鎵12以使發光二極體1運作，其中一個電 極18係形成於P-type氮化鎵1.6上，另外一個電極18係形成 ^ N-type氮化鎵12上。於形成另外一個電極18之前，發光 一極體1需透過钱刻製程以部份姓刻p 氮化鎵μ、發光 區14以及^type氮化鎵12。之後，另外一個電極18係形成 ;N type鼠化嫁12之曝露的部份上。然而，如圖一所示， f於發光區14被部份钱刻，因此發光二極體丨不但出光面積 大幅減少，並且其發光效率亦降低許多。 、 雖_目前為止已财許多種不⑽構的發光二極體被 ，出，但是如何充份提高發光二極體之光取出效率及 同^極，具有寬廣及均勻的出光—直是不斷被研究的議題： 解決上主蝴在於提供—種彻發光元件，以 【發明内容】 件具有高度光取出效率’並且能夠;射、;廣= © 本發明之一範疇在於提供一種半導體發光元件 於根據本發明之一具體實施例中，半導 f板(substrate)、第一傳導型態半導 ：: 半導體材料層、發_light_emittin 電極以及複數個凸狀結構(bUmpstmcture)〇弟電極、第二 第-傳導型態半導體材料層係形成於 型態半導，材料層具有上表面’並且 g气2導 上，並且發光層係形成於第二區域上=係=於第一區域 材料層係形成於發光層上。第-雷粞伤傳導型態半導體 第-電極_成於第二傳導型態 附圖料W㈣詳述及所 【實施方式】 例之^^面^^根據本發明之—具體實施 所示’半導體發光元件2包含基板2〇、第一傳 ，導U導體材料層22、發光層24、第二傳導型態半導體材 料層26、第-電極3〇、第二電極32以及複數個凸狀結構 28 ° 於實際應用中，基板20可以是玻璃(si〇2)、矽(si)、鍺 (Ge)、氮化鎵(GaN)、砷化鎵(GaAs)、磷化鎵(GaP)、氮化鋁 (A1N)、藍寶石（sapphire)、尖晶石、三氧化二鋁 (Al2〇3)、碳化矽(sic)、氧化鋅(ZnO)、氧化鎂(MgO)、二氧化 裡銘（LiAl〇2)、二氧化鋰鎵（LiGa02)或四氧化鎂二鋁 (MgAl204)，但不以此為限。 於一具體實施例中，第一傳導型態半導體材料層22及第 二傳導型態半導體材料層26可以由m-v族化合物半導體材 料所製成。 ΠΙ·ν族化合物半導體材料内之m族化學元素可以是銘 (Α1)、鎵(Ga)或銦(In)等元素。m-V族化合物半導體材料内之 V族化學元素可以是氮⑼、磷(p)或砷(As)等元素。於此實施 例中，第一傳導型態半導體材料層22及第二傳導型態半導體 材料層26可以由氮化鎵製成。 第一傳導型態半導體材料層22係形成於基板20上，並 且第一傳導型態可以是N型態。換言之，第一傳導型態半導 體材料層22為N型態氮化鎵接觸層。第一傳導型態半導體 材料層22具有上表面220，並且上表面220包含第一區域 2200以及不同於第一區域2200之第二區域2202。第一電極 30係形成於第一區域2200上，並且發光層24係形成於第二 區域2202上。第一電極30即為N型態電極。 第二傳導型態半導體材料層26係形成於發光層24上。 對應於第一傳導型態半導體材料層22,第二傳導型態半導體 材料層26係P型態，亦即p型態氮化鎵接觸層。第二電極 32可以形成於第二傳導型態半導體材料層26上，並且第二 電極32即為P型態電極。 一 如圖二A所示，複數個凸狀結構28係形成於第一 型態半導體材料層22之上表面22〇上並且介於第一區域 2200以及第二區域施之間。於實際應用中，從頂視圖來 看’每-個凸狀結構28可以呈現圓柱狀、姻狀及 等。 特，至少一個1^ 2800係形成於每一個凸狀結構 28的侧壁。於此實施例+，每一個凸狀結構28賴壁具有 鋸齒形，因此其側壁形成複數個凹陷28〇〇。也就&一 個凸狀，構28 _壁具有_的表面形齡 morphology)。請參閱圖二B。圖二B係繪示根據本發明之另 二具體實施例之半導體發光元件2之截面視圖。於另一具體 ，例中’每-個凸狀結構28 _壁大致上可以具有弧形的 輪廓。 假設每-個凸狀結構28的侧壁具有筆直的輪靡，並且側 壁與第-傳導型態半導體材料層22之上表面220之夾角等於 度’則由發光層24所發出的光線將被侷限在凸狀結構28 與半導體發光元件2之主體間來回反射。然*，如圖二a及 圖二B所示，由於本發明中之每一個凸狀結構28的側壁具 有粗糙的表面形態或弧形的輪廓，因此部份侧壁盥第一 型態半導體材料層22之上表面挪之夾角θ可以大於或小於 9〇度。藉此，由發光層24所發出的絲，尤其是侧光，在 向凸狀結構28後可以被凸狀結構28的侧壁反射並改變其 行進方向，以增加光線由半導體發光元件2之出光面 (observation side)射出之機率。 除了侧光取出率提高之外’假設半導體發光元件2之出 光面朝上，則由發光層所射出朝向半導體發光元件2内的底 部之光線在反碰並射向魏個凸狀結構28時，光線亦可以 被凸狀結構28導向it{光面射出。除此之外，若複數個凸狀結 構28均勻地分佈於第-傳導型態半$體材料層η之上表面 220上，半導體發光元件2將可以產生較寬廣且均句的出 光。 為了避免由發光層24所發出的光線被第一 3〇所吸 收’每-個凸狀結構28的高度可以大致上等於或高於第一電 極30的高度。如圖二A戶斤示，若以第一傳導型態半導體材 料層之上表面22〇為參考面，第一電極％之頂表面 具有而度D1，每-個凸狀結構28之頂表面28〇具有高度 D2，並且D2大致上可以等於D1或大於D1峨擔光線射向 1362768 第一電極30。 請參閱圖三。圖三係繪示於一具體實施例中根據本發明 之每一個凸狀結構28的組成之示意圖。圖三係繪示一範例以 表示每一個凸狀結構28可以由第一傳導型態半導體材料層 22、第二傳導型態半導體材料層26以及發光層24所組成。 或者，母一個凸狀結構28可以完全由第一傳導型態半導體材 料層22所組成。需注意的是，為了避免由半導體發光元件2 之主體所發射的光線被吸收’圖三中每一個凸狀結構28的發 光層24進一步可以被移除。 於另一具體實施例中，如圖四A所示，為了將光線更有 效率地取出，每一個凸狀結構28可以由折射率大於丨之特定 材料所製成。這種材料可以是ITO、Si02、SiN、ZnO、 polyimide、BCB、SOG、InO、SnO、ΙΠ-V 族化合物半導體 材料或II-VI族化合物半導體材料，但不以此為限。m_v族 化合物半導體材料内之ΙΠ族化學元素及V族化學元素的種 類已如之前所述。π-νι族化合物中之π族化學元素可以是鈹 (Be)、鎂(Mg)、鈣(Ga)或銘(Sr)等元素，n-VI族化合物中之 VI族化學元素可以是氧(〇)、硫(s)、砸(Se)或碲(Te)等元素。 藉由空氣與特定材料之折射率的差異，半導體發光元件 2之光取出效率能夠更有效地提昇。由於這種材料本身具有 之折射率大於環境之折射率(例如空氣之折射率為1}，因&半 導體發光元件2所發出之侧光可經由此材料折向上方或下 方，避免被第一電極30吸收，以增加半導體發光元件2本身 之光輸出效率。 於另一具體實施例中，每一個凸狀結構28亦可以由絕緣 =料所製成。或者，如圖四B所示，於另一具體實施例中， 母一個凸狀結構28可以包含第一結構層282以及第二結構异

•<.S 11 ώ Μ 圖二中凸狀結構28之組成，第一結構層282可以 #型癌半導體材料層22、第二傳導型態半導體材料 二=6以及發光層24所組成。或者，第一結構層282可以完 ί傳導型態半導體材料層22所組成。第二結構層284 3 ^結構層282上並且由折射率大於1之特定材料所 裏成，材料的選擇則如同先前所述。

，了提高光取出效率，於一較佳具體實 =導型態半導體材料層22之上表面22G為參二H ο 面300具有高度D1，每一個凸狀結構28之頂表 /、有尚度132，並且D2大致上可以等於D1或大於D1 光層24戶斤發出的光線被第一電極30所吸收、。另 德道結構層282之頂表面2820具有高度D3，並且第二 致4 ί導體材料層％之頂表面具有高度D4。D4大 致上可以等於D3或大於D3。 2 圖五。圖五鱗示㈣本發日狀轉體發光元件 © 際應用中’複數個凸狀結構28基本上需環 向未顯不於圖五中)以將由發光層24射出之光線導 l所_發光疋件2之出光面。於—較佳具體實施例中，如 圖带=複^個凸狀結構28可以排列成内外兩層環狀圈的 外兩層環狀圈彼此錯開以確保複數個凸狀結構 之出^ Γ ; 層、24射出之光線全部導向半導體發光元件2 離総甚者’複數個凸狀結構28亦可以佈滿第一傳導型 層22之上表面220以保證半導體發光元件2之 先取出效率能夠被提昇。 片構Is參Α及圖六Β。圖六Α係繪示圖二Α中之凸狀 二国。固丄頂表面進—步形成至少一個凹陷2802之截面 » °圖六B係繪示圖二B中之凸狀結構28之頂表面28〇 12 /05 側‘個凹陷28G2之截面視圖。也就是說，除了 表面形^ j結構28之頂表面28G亦可以同時具有粗輪的 的輪鹿，凸狀結構28之頂表面280亦可以具有弧形 或弧幵%ϊίΐ結構28之頂表面280具有粗糙的表面形態 魏形的輪廓，皆可崎-步提S光取姐率。 本道:;^圖七°圖七係繪示根據本發明之—具體實施例之 Ο ΐ 22 透明導電層34形.第—傳導型態半導體材料 i、發光22:上並且包覆第二傳導型態半導體材料層 層二形成之後，第二_ 32可以形成於透；導$ 二網㈣2際應用中’透明導電層34可以由薄型金屬 i不H層、轉觸____所製成， ，較於先前技術，根據本發明之半導體發光 出光面發^^件内部所射出之光線導^ ❿ 率。ί外廊’更可以有效地提高光取出效 於，、有咼度的光取出效率，根據本發明之半導 體發先70件亦可以朗於光泵浦⑽办㈣）。 丰導 述本ί 實施例之詳述，係希望能更加清楚描 涵蓋ϋΐίΓ —加以_。相反地’其目的是希望能 圍的範•内明所欲申請之專利範 據上述的朗作n /所申明之翻_的射應該根 ㈣說月作最寬廣的解釋，以致使其涵蓋所有可能的改 13 1362768 變以及具相等性的安排。 3 © 14 1362768 ' \ 【圖式簡單說明】 圖-儀繪示習知的發光二極體。 元件示根據她之-具體實施例之半導體發光 光元具財_之半導體發 Ο 圖三、圖四Α及圖四Β 結構的組成之示意圖。 係繪示根據本發明之每一個凸狀 頂視圖 圖五係繪示根據本發明之半導體發光元件之 至巾之凸狀結叙财崎—步形成 圖^^：?中之凸狀結構之頂表面進一步^ © 至少一個凹陷之截面視圖 圖 件進一步包含透明導電層之截面視圖。 【主要元件符號說明】 1 :發光二極體 10 :基板 12 : N-type氮化鎵 14 :發光區 16 : P-type氮化鎵 18 :電極 2:半導體發光元件 20 :基板 15 1362768 22 :第一傳導型態半導體材料層 24 :發光層 28 :凸狀結構 32 :第二電極 220 :上表面 284 :第二結構層 〇 26 :第二傳導型態半導體材料層 30 :第一電極 34 :透明導電層 282 :第一結構層 260、280、300、320、2820 :頂表面 2200 :第一區域 2202 :第二區域 2800、2802 :凹陷 Θ :夾角 D卜 D2、D3、D4 :高度 Θ 16

Claims (1)

1362768 十、申請專利範圍： 1、 一種半導體發光元件，包含： 一基板； ，該第-傳導型態半導體 :層具有-上表面，並且該上表面= 及不同於該第一區域之一第二區域；匕3《£域以 Ο © 2、 -第-電極，該第一電極係形成於該第一區域上； 一發光層，該發光層係形成於該第二區域上； ^二料錢半導體 彻：料型態半導 _數個凸狀結構係形成於該第一傳 體材料層之該上表面上並且介於該第-區 ，以及該第二區域之間，其中至少—個凹陷係形成於 ΐϊϊ專利範圍第1項所述之半導體發光祕，其中每-個 ^狀…構的部份側壁與該第一傳導型態半導體材料層之誃 表面之一失角係大於或小於90度。 ^ 、7請專利範圍第i項所述之半導體發光元件，其中該第一 I極之-第-頂表面大致上與每—個凸狀結構之—第 面同高或低於每一個凸狀結構之該第二頂表面。 4、^申請專利範，3項所述之半導體發光元件，其中每一個 狀結構係由折射率大於丨之一材料所製成，並且該材料係 17 1362768 ·-· % 選自由 ITO、Si02、SiN、ZnO、polymide、BCB、SOG、 InO、SnO、一m-v族化合物半導體材料以及一π-VI族化合 物半導體材料所組成之一群組中之其一。 5、 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光元件，其中每一個 凸狀結構包含： 一第一結構層；以及 一第二結構層，形成於該第一結構層上並且由折射率大 於1之一材料所製成，並且該材料係選自由ITO、 〕 Si〇2、SiN、ZnO、polymide、BCB、SOG、InO、 Sn0、一m-V族化合物半導體材料以及一π-νι族化合物 半導體材料所組成之一群組中之其一。 6、 如申請專利範圍第5項所述之半導體發光元件，其中該第一 ， 電極，一第一頂表面大致上與每一個凸狀結構之一第二頂表 面同高或低於每一個凸狀結構之該第二頂表面。 7、 如申請專利範圍第6項所述之半導體發光元件，其中該第一 結構層之一第三頂表面大致上與該第二傳導型態半導體材料 層之一第四頂表面同高或低於該第二傳導型態半導體材料層 ^ 之該第四頂表面。 8、 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光元件，其中每一個 凸狀結構係由一絕緣材料所製成。 9、 如申請專利範圍第1項所述之半導體發光元件，進一步包含 一透明導電層，該透明導電層形成於該第一傳導型態半導體 材料層之該上表面上並且包覆該第二傳導型態半導體材料 層、該發光層以及該複數個凸狀結構。 \ 1〇、如申請專利範圍第1項所述之半導體發光元件，其中至少一 乂,S 18 11I) © 個凹陷進-步形成於每—個凸狀結構之頂表面。 第1項所述之半導體發光元件，其中每一個 凸狀結構之頂表面進-步具有一弧形的輪廣。 1固 12、 範圍第1項所述之半導體發光元件，其中該第- I13、 述之半導體發光元件，其中該基板 銘、藍寶石、尖晶石、：m ^化録、鼠化 ^ 一軋化一鋁、石反化矽、氧化鋅、氧化 ^、一氧化鋰鋁、二氧化鋰鎵以及四氧化 群組中之其一所形成。 、 導it係Ν型態，並且該第二傳導型態係ρ型 態 •在呂所組成之- 14、一種半導體發光元件，包含： 一基板； 一第-傳導型態半導體材料層，該第上，該第-傳 -第-電極’該第-電極係形成於該第—區域上； 一發光層，該發光層係形成於該第二區域上； 一 該第二傳導型態半導體 一 ίίΐ ϋ觸观卿：料型態半導 複狀結構’該複油凸狀結構 s 19 1362768 大致上具有一派形的輪靡。 15、 如申請專利範圍第14項所述之半導體發光元件，其中每-個 凸狀結構的部份側壁與該第一傳導型態半導體材料層之該上 表面之一夾角係大於或小於90度。 16、 ^申請專利範圍第14項所述之半導體發光元件，其中該第一 電極之一第一頂表面大致上與每一個凸狀結構之一第二頂表 面同高或低於每一個凸狀結構之該第二頂表面。 17、 如申請專利範圍第16項所述之半導體發光元件，其中每一個 凸狀結構係由折射率大於丨之一材料所製成，並且該材料係 選自由 ITO、Si02、SiN、ZnO、polymide、BCB、SOG、 InO ' SnO、一m-V族化合物半導體材料以及一η·νι族化合 物半導體材料所組成之一群組中之其一 β 18、 如申請專利範圍第Μ項所述之半導體發光元件，其中每一個 凸狀結構包含： 一第一結構層；以及 一第二結構層，形成於該第一結構層上並且由折射率大 於1之一材料所製成，並且該材料係選自由ΙΤΟ、 Si02、SiN、ZnO、p〇iymide、BCB、S0G、InO、 SnO、一ni_V族化合物半導體材料以及一h 化合物 半導體材料所組成之一群組中之其一。 19、 如申請專利範圍第18項所述之半導體發光元件，其中該第一 電極之一第一頂表面大致上與每一個凸狀結構之一第二頂表 面同高或低於每一個凸狀結構之該第二頂表面。 2〇、如申請專利範圍第β項所述之半導體發光元件，其中該第一 結構層之-第二頂表面大致上與該第二傳導型態半導體材料 〆r' 20 面’低於該第二傳導型態半導體材料層 21、 導體發光耕，其情-個 22、 項所述之半導體發光元件，進一步包含 材表 1^導電層形成於該第一料娜半導體 層、該發光層以及該複^固傳導型態半導禮材料 23、 其中至少- 24、 範圍第14項所述之半導體發光元件，每一個凸狀 、、、。構之頂表©進-步具有—弧形的輪靡。 25、 ΐίΐί·圍第14項所述之半導體發光元件，其中該第一 LUN型態，並且該第二傳導型態係ρ型態。 6、ΪΙ、5冑專職圍第14項所述之半導體發光元件，其中該基板 由J自由玻璃、石夕、鍺、氮化鎵、坤化錄、碟化蘇、氮化 、k寶石、尖晶石、三氧化二|g、碳化發、氧化辞、氧化 群組氧触軌及吨賊二麵組成之-