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TWI429030B - 發光二極體基板與發光二極體 - Google Patents

發光二極體基板與發光二極體 Download PDF

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TWI429030B TW100117040A TW100117040A TWI429030B TW I429030 B TWI429030 B TW I429030B TW 100117040 A TW100117040 A TW 100117040A TW 100117040 A TW100117040 A TW 100117040A TW I429030 B TWI429030 B TW I429030B
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Description

發光二極體基板與發光二極體
本發明是有關於一種發光二極體基板，且特別是有關於一種具有高的光萃取效率之發光二極體基板與使用此基板的發光二極體。
發光二極體是一種由化合物半導體製作而成的發光元件，其經由電子與電洞之結合，可將電能轉換成光的形式釋出。發光二極體屬於冷發光，因此具有耗電量低、無頇暖燈時間、元件壽命長、反應速度快等優點，再加上其體積小、耐衝擊、適合量產，容易配合應用上的需求而可製成極小型式或陣列式元件。
為了使發光二極體在未來有更大的應用空間和前景，如何提高發光二極體的發光亮度是目前各界著重的研究之一。在理想的發光二極體中，當主動區內載子復合成光子後，這些光子若能全部輻射至外界，那這個發光二極體的發光效率也是百分之百，然而實際上主動區所產生的光子可能會因為各種損耗機制，無法百分之百傳播到外界。
目前為提升發光二極體的發光效率，已有使用具圖案化的發光二極體基板，譬如由許多圓錐或者平台結構所構成的發光二極體基板，來散射由發光二極體射出的光線，以降低全反射。
本發明提供一種發光二極體基板，具有高的出光效率。
本發明另提供一種發光二極體，具有上述發光二極體基板。
本發明提出一種發光二極體基板，包括一藍寶石基板，其特徵在於這樣的藍寶石基板包括由多個上三下六角錐體所構成的一表面，其中每一上三下六角錐體為一六角錐體與位於六角錐體上的一三角錐體所組成的結構，且這些上三下六角錐體的週期(pitch)小於10 μm。
在本發明之一實施例中，上述上三下六角錐體的週期例如在1μm~4μm之間。
在本發明之一實施例中，每一上三下六角錐體的最大高度例如在1μm~2μm之間，較佳是在1.5μm~2μm之間。
在本發明之一實施例中，上述三角錐體的頂部為平面或尖端。
在本發明之一實施例中，上述三角錐體的對稱剖面具有一第一底角以及一第二底角，第二底角大於第一底角，且第二底角的角度在28度至32度之間。
在本發明之一實施例中，上面具有三角錐體的六角錐體之對稱剖面具有一第三底角以及一第四底角，其中第四底角大於第三底角，且第四底角的角度在50度至70度之間。
在本發明之一實施例中，上述藍寶石基板的表面包括(0001)面，且(0001)面佔此一表面之總面積的10%~60%；較佳是佔藍寶石基板的表面的10%~30%。
本發明另提出一種發光二極體，包括上述藍寶石基板、配置在所述藍寶石基底上的一第一半導體層、配置在所述第一半導體層上的一發光層、配置在所述發光層上的一第二半導體層、接觸所述第一半導體層的一第一歐姆電極、以及接觸所述第二半導體層的一第二歐姆電極。
在本發明之另一實施例中，上述第一半導體層、發光層與第二半導體層包括III-V族系半導體，如氮化鎵系半導體。
在本發明之另一實施例中，上述第一與第二歐姆電極是含自鎳、鉛、鈷、鐵、鈦、銅、銠、金、釕、鎢、鋯、鉬、鉭、銀及此等之氧化物、氮化物所構成之群中所選出的至少一種合金或多層膜。
在本發明之另一實施例中，上述第一與第二歐姆電極是含自銠、銥、銀、鋁所構成之群中所選出的一種合金或多層膜。
基於上述，本發明的結構基本上是由多個上三下六角錐體所構成的藍寶石基板做為出光表面，所以能藉由上三下六角錐體本身的九個面來增加光的散射，進一步增進基板的出光效率。
為讓本發明之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。
圖1是依照本發明之第一實施例之一種發光二極體基板的立體示意圖。在圖1中顯示一藍寶石基板100。這個藍寶石基板100包括由多個上三下六角錐體102所構成的一表面104，其中每一上三下六角錐體102為一六角錐體106與位於六角錐體106上的一三角錐體108所組成的結構，且這些上三下六角錐體102的週期(pitch) p小於10μm，較佳是在1μm~4μm之間。所謂的「週期」是指每一個上三下六角錐體102之間的距離。
在圖1中，三角錐體108的頂部108a為尖端，但是本發明並不侷限於此，三角錐體108的頂部108a也可以具有平台表面，但以尖端形式的出光效率較佳。本實施例之藍寶石基板100的表面104包括(0001)面(即圖1中顯示有點狀分佈的面)，且(0001)面例如佔此整個表面104之總面積的10%~60%；較佳是10%~30%。當(0001)面佔整個表面104之總面積高於60%時，可能會導致光輸出效率的增益不彰，但是當(0001)面佔整個表面104之總面積低於10%時，可能會導致磊晶遭遇困難。
圖2A顯示第一實施例之單一上三下六角錐體的立體示意圖；圖2B是圖2A之上三下六角錐體的對稱剖面(B-B線段之剖面)示意圖。
請參照圖2A與圖2B，其中的上三下六角錐體200的最大高度h譬如是與上三下六角錐體200的週期成正比。所謂的「最大高度」是自三角錐體202的頂部到六角錐體204底部的距離，以本實施例而言，上三下六角錐體200的最大高度例如在1μm~2μm之間，較佳是在1.5μm~2μm之間。當上三下六角錐體200的最大高度大於2μm時，可能會有不易磊晶的情形發生。而上三下六角錐體200的三角錐體202的對稱剖面具有一第一底角a1以及一第二底角a2，第二底角a2大於第一底角a1，且第二底角a2的角度例如在28度至32度之間；六角錐體204之對稱剖面具有一第三底角a3以及一第四底角a4，其中第四底角a4大於第三底角a3，且第四底角a4的角度例如在50度至70度之間；較佳是在55度至65度之間。
以下列舉兩種製作第一實施例之發光二極體基板的實驗例(Experimental Example)。
請先參照圖3A至圖3D的製作流程剖面示意圖。
首先準備一個藍寶石基板300，然後在藍寶石基板300上形成一層具有圖案的硬罩幕302，如圖3A。隨後如有需要，可藉由現有技術來增加硬罩幕302與藍寶石基板300的附著性，以應付後續之蝕刻步驟，增加抗蝕能力。
然後，進行約數分鐘的濕式蝕刻。在這段蝕刻期間，藍寶石基板300會先出現六角錐狀陣列之凸型圖案304，如圖3B。
等到硬罩幕302被蝕刻掉，而形成六角錐體306之後，蝕刻液會繼續對藍寶石基板300進行蝕刻，而在原本的六角錐體306上形成三角錐體308，如圖3C。
隨著時間拉長，六角錐體306的高度會逐漸下降，最後終會消失，因此需藉由控制蝕刻終止的時間來確保藍寶石基板300上形成有六角錐體306與三角錐體310構成的上三下六角錐體，如圖3D。此時，六角錐體306的較大底角之角度是58度，所以六角錐體306的結晶面為(310)、(310)、(130)、(130)、(130)和(310)。三角錐體310的較大底角之角度是31度，所以三角錐體310的結晶面為(105)、(015)、(015)。
此外，在圖3B之後，還可選擇先將硬罩幕302去除，如圖3E。然後，進行另一道約數分鐘的濕式蝕刻，同樣能在藍寶石基板300上形成有六角錐體312與其上的三角錐體314，其中三角錐體314的頂部314a可能是平面，如圖3F所示。
以上僅為說明製作本發明之發光二極體基板的幾種實驗例，因此上述製程並非用以侷限本發明的結構範圍，只是為使本發明所屬技術領域中具有通常知識者明暸並能藉由適當利用現有技術製作出本發明的結構。
圖4是經由以上步驟製作的藍寶石基板之掃瞄式電子顯微鏡(SEM)相片；圖5是圖4的發光二極體基板之上視SEM相片，由圖5能更清楚地觀察出上三下六角錐體的六角錐體及其上的三角錐體之間的界線。
圖6是依照本發明之第二實施例之一種發光二極體的剖面示意圖。在圖6中顯示一個第一實施例之藍寶石基板100(詳見圖1)、配置在藍寶石基底100上的一第一半導體層600、配置在第一半導體層600上的一發光層602、配置在發光層602上的一第二半導體層604、接觸第一半導體層600的一第一歐姆電極606、以及接觸第二半導體層604的一第二歐姆電極608。在本實施例中，第一半導體層600、發光層602與第二半導體層604可為III-V族系半導體，如氮化鎵系半導體。至於第一與第二歐姆電極606和608例如是含自鎳、鉛、鈷、鐵、鈦、銅、銠、金、釕、鎢、鋯、鉬、鉭、銀及此等之氧化物、氮化物所構成之群中所選出的至少一種合金或多層膜。另外，第一與第二歐姆電極606和608也可以是含自銠、銥、銀、鋁所構成之群中所選出的一種合金或多層膜。
為驗證以上實施例的發光二極體基板之功效，模擬圖6的發光二極體在使用不同的發光二極體基板所得到的出光效率(light-emitting efficiency)。
模擬試驗
首先，假設圖6的第一半導體層600是n-GaN、發光層602是多重量子井(MQW)結構、第二半導體層604是p-GaN。至於發光二極體基板部份有三種，包括由圖7的傳統圓錐體構成的基板、由圖8的傳統平台結構構成的基板、與如第一實施例之上三下六角錐體所構成的基板(請見圖9)。上述圖7與圖8的表面結構均是經由乾蝕刻製程製得的。
模擬結果顯示，圖7的出光效率為128.2%、圖8的出光效率為130.5%、圖9的出光效率為135.5%。因此在出光效率方面，上三下六結構所構成的基板比傳統平台結構或者傳統圓錐體構成的基板都還要優異。
綜上所述，本發明的發光二極體基板是由多個上三下六角錐體所構成的藍寶石基板做為出光表面，所以能藉由上三下六角錐體的九個面來增加光的散射。因此，使用這種發光二極體基板的發光二極體，其出光效率將獲得改善。
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、300‧‧‧藍寶石基板
102、200‧‧‧上三下六角錐體
104‧‧‧表面
106、306‧‧‧六角錐體
108、310、308、314‧‧‧三角錐體
108a、314a‧‧‧頂部
302‧‧‧硬罩幕
304‧‧‧凸型圖案
600‧‧‧第一半導體層
602‧‧‧發光層
604‧‧‧第二半導體層
606‧‧‧第一歐姆電極
608‧‧‧第二歐姆電極
a1、a2、a3、a4‧‧‧底角
h‧‧‧最大高度
p‧‧‧週期
圖1是依照本發明之第一實施例之一種發光二極體基板的立體示意圖。
圖2A顯示第一實施例之單一上三下六角錐體的立體示意圖。
圖2B是圖2A之上三下六角錐體的對稱剖面示意圖。
圖3A至圖3F顯示第一實施例之發光二極體基板的兩種製作流程剖面示意圖。
圖4是經由圖3A至圖3D之步驟製作的藍寶石基板之掃瞄式電子顯微鏡(SEM)相片。
圖5是圖4的發光二極體基板之上視SEM相片。
圖6是依照本發明之第二實施例之一種發光二極體的剖面示意圖。
圖7是模擬試驗中的傳統圓錐體構成的基板之詳細尺寸。
圖8是模擬試驗中的傳統平台結構構成的基板之詳細尺寸。
圖9是模擬試驗中的上三下六角錐體所構成的基板之詳細尺寸。
100．．．藍寶石基板
102．．．上三下六角錐體
104．．．表面
106．．．六角錐體
108．．．三角錐體
108a．．．頂部
p．．．週期

Claims (18)

  1. 一種發光二極體基板，包括一藍寶石基板，其特徵在於：該藍寶石基板包括由多個上三下六角錐體所構成的一表面，該表面包括(0001)面，且該(0001)面佔該表面之總面積的10%~30%之間，其中每一上三下六角錐體為一六角錐體與位於該六角錐體上的一三角錐體所組成的具有九個面的結構，且該些上三下六角錐體的週期(pitch)小於10μm。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體基板，其中該些上三下六角錐體的週期在1μm~4μm之間。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體基板，其中每一上三下六角錐體的最大高度為1μm~2μm之間。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之發光二極體基板，其中每一上三下六角錐體的最大高度為1.5μm~2μm之間。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體基板，其中該三角錐體的頂部為平面或尖端。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體基板，其中該三角錐體的對稱剖面具有一第一底角以及一第二底角，該第二底角大於該第一底角，且該第二底角的角度在28度至32度之間。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體基板，其中該六角錐體的對稱剖面具有一第三底角以及一第四底角，該第四底角大於該第三底角，且該第四底角的角度在50度至70度之間。
  8. 一種發光二極體，包括：一藍寶石基板，包括由多個上三下六角錐體所構成的一表面，該表面包括(0001)面，且該(0001)面佔該表面之總面積的10%~30%之間，其中每一上三下六角錐體為一六角錐體與位於該六角錐體上的一三角錐體所組成的具有九個面的結構，且該些上三下六角錐體的週期小於10μm；一第一半導體層，配置在該藍寶石基底上；一發光層，配置在該第一半導體層上；一第二半導體層，配置在該發光層上；一第一歐姆電極，接觸該第一半導體層；以及一第二歐姆電極，接觸該第二半導體層。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之發光二極體，其中該些上三下六角錐體的週期在1μm~4μm之間。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之發光二極體，其中每一上三下六角錐體的最大高度為1μm~2μm之間。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之發光二極體，其中每一上三下六角錐體的最大高度為1.5μm~2μm之間。
  12. 如申請專利範圍第8項所述之發光二極體，其中該三角錐體的頂部為平面或尖端。
  13. 如申請專利範圍第8項所述之發光二極體，其中該三角錐體的對稱剖面具有一第一底角以及一第二底角，該第二底角大於該第一底角，且該第二底角的角度在28度至32度之間。
  14. 如申請專利範圍第8項所述之發光二極體，其中該 六角錐體的對稱剖面具有一第三底角以及一第四底角，該第四底角大於該第三底角，且該第四底角的角度在50度至70度之間。
  15. 如申請專利範圍第8項所述之發光二極體，其中該第一半導體層、該發光層與該第二半導體層包括III-V族系半導體。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之發光二極體，其中該III-V族系半導體為氮化鎵系半導體。
  17. 如申請專利範圍第8項所述之發光二極體，其中該第一歐姆電極與該第二歐姆電極是含自鎳、鉛、鈷、鐵、鈦、銅、銠、金、釕、鎢、鋯、鉬、鉭、銀及此等之氧化物、氮化物所構成之群中所選出的至少一種合金或多層膜。
  18. 如申請專利範圍第8項所述之發光二極體，其中該第一歐姆電極與該第二歐姆電極是含自銠、銥、銀、鋁所構成之群中所選出的一種合金或多層膜。
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