具有圖案化基板的發(fā)光元件及其制作方法
【專利摘要】一種具有圖案化基板的發(fā)光元件及其制作方法，其中該發(fā)光元件包含：一圖案化基板以及一發(fā)光層。圖案化基板具有多個錐形體，且兩相鄰錐形體之間具有一間距；發(fā)光層形成于多個錐形體上，且多個錐形體的頂部面積與底部面積的面積比小于0.0064。
【專利說明】具有圖案化基板的發(fā)光元件及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是關(guān)于一種發(fā)光元件，更具體而言，是關(guān)于一種具有圖案化基板的發(fā)光元件及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，為了將元件應(yīng)用于照明領(lǐng)域，有不少努力傾注于改善發(fā)光二極管的亮度，并進(jìn)一步達(dá)成能源保護(hù)以及減碳的目標(biāo)。改善亮度主要有兩個方向，第一為改善磊晶質(zhì)量以提高電子及電洞的組合效率，進(jìn)而提升內(nèi)部量子效率(IQE)，再者，增加著重發(fā)光層發(fā)出的光的光取出效率，以減少光線被LED結(jié)構(gòu)所吸收。
[0003]表面粗糙化技術(shù)對于提升亮度是相當(dāng)有效的一種方法，其中一種為人所熟知的是形成圖案化基板。由于全反射效應(yīng)及光線被磊晶層吸收并產(chǎn)生熱的因素，設(shè)置于圖案化基板上的主動層所發(fā)出的光，較容易被反射回磊晶層，導(dǎo)致光取出效率及散熱不佳問題。然而，為補(bǔ)償因內(nèi)部全反射所造成的光損失，通常會在基板上形成較深的圖案，但產(chǎn)生的高深寬比會導(dǎo)致磊晶成長困難，對磊晶質(zhì)量造成不利的影響。
[0004]另一種已知的表面粗糙技術(shù)，則是利用機(jī)械研磨的方式，在基板表面上形成隨機(jī)分布的粗糙圖案，但此方法不易控制圖案的尺寸，例如深度及寬度。再者，成長于隨機(jī)粗糙表面上的磊晶層的磊晶質(zhì)量亦較為粗劣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提出一種具圖案化基板的發(fā)光元件，此圖案化基板可同時兼具磊晶質(zhì)量及光取出效率的優(yōu)點(diǎn)。
[0006]本發(fā)明提出一種發(fā)光元件，包含一具有多個錐形體的圖案化基板，且兩相鄰錐形體之間具有一間距，以及一發(fā)光層，形成于多個錐形體上，其中，發(fā)光層包含一第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體層、一主動層以及一第二導(dǎo)電型半導(dǎo)體層。再者，第一電極以及第二電極分別電性連接于第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體層以及第二導(dǎo)電型半導(dǎo)體層。此外，采用固定或非固定的間距以用來絕緣形成于圖案化基板上的多個錐形體。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]圖1a以及圖1b為本發(fā)明的一發(fā)光元件的示意圖。
[0008]圖2為本發(fā)明的一發(fā)光元件的光取出強(qiáng)度與錐形體高度間的關(guān)系示意圖。
[0009]圖3為本發(fā)明的一發(fā)光元件的錐形體示意圖。
[0010]圖4a為本發(fā)明的一發(fā)光元件的光取出強(qiáng)度的測量結(jié)果。
[0011]圖4b為本發(fā)明的一發(fā)光元件的輸出功率的測量結(jié)果。
[0012][標(biāo)號說明]
[0013]100發(fā)光元件101成長基板
[0014]IOla間距102錐形體[0015]103中間層104第一半導(dǎo)體層
[0016]105主動層106第二半導(dǎo)體層
[0017]107第一電極108第二電極
[0018]109磊晶層201頂部
[0019]202底部203傾斜側(cè)壁
[0020]204弧部205弦部
[0021]B最大距離Dl錐形體底部寬度
[0022]D2錐形體頂部寬度H錐形體高度
[0023]S間距Θ夾角
【具體實(shí)施方式】
[0024]以下實(shí)施例將伴隨著圖式說明本發(fā)明的概念，在圖式或說明中，相似或相同的部分是使用相同的標(biāo)號，并且在圖式中，元件的形狀或厚度可擴(kuò)大或縮小。需特別注意的是，圖中未繪示或描述的元件，可以是本領(lǐng)域技術(shù)人員所知的形式。
[0025]圖1a為本發(fā)明一實(shí)施例的一發(fā)光兀件的不意圖。發(fā)光兀件100包含:一成長基板101 ;一嘉晶層109 ;—第一電極107 ;及一第二電極108。如圖式所不,基板101的剖面顯不多個錐形體102，且在本實(shí)施例中，發(fā)光元件100還包含一中間層103形成于基板101上，以及磊晶層109形成于中間層1 03上。
[0026]中間層103可為一緩沖層，用來降低介于基板101及磊晶層109之間的晶格不匹配。中間層103可為單一層、多層，或者是由兩種材料或兩個分離結(jié)構(gòu)所結(jié)合而成，其中，材料可為有機(jī)材料、無機(jī)材料、金屬材料、半導(dǎo)體材料等等；結(jié)構(gòu)可為一反射層、一熱傳導(dǎo)層、
一導(dǎo)電層、一歐姆接觸層、一抗變形層、一應(yīng)力釋放層、一應(yīng)力調(diào)節(jié)層、一黏合層、一波長轉(zhuǎn)換層以及一機(jī)械固定結(jié)構(gòu)等等。
[0027]嘉晶層109包含一第一半導(dǎo)體層104、一主動層105、一第二半導(dǎo)體層106、一第一電極107以及一第二電極108。第一半導(dǎo)體層104具有第一導(dǎo)電性，并成長于中間層103上，其中，中間層103可為無摻雜半導(dǎo)體層或摻雜半導(dǎo)體層；主動層105成長于第一半導(dǎo)體層104上；第二半導(dǎo)體層106具有第二導(dǎo)電性，并成長于主動層105上；磊晶層109經(jīng)蝕刻直到暴露出部分第一半導(dǎo)體層104,而第一電極107則形成于部分暴露的第一半導(dǎo)體層104上；第二電極108形成于第二半導(dǎo)體層106上。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，第一電極107是形成在成長基板101的一側(cè)，也就是相反于磊晶層109成長的另一側(cè)。
[0028]成長基板101包含多個錐形體102，且兩個相鄰的錐形體102之間具有一間距101a，其中，每一個錐形體102包含一頂部201、一底部202以及位于頂部201與底部202之間的一傾斜側(cè)壁203 (如圖1b所示)，傾斜側(cè)壁203環(huán)繞頂部201及底部202，且頂部201及底部202的上視圖可為圓形。每一個錐形體102是以周期方式設(shè)置于基板上，且此周期方式可為固定周期、可變周期或準(zhǔn)周期，意即，位于兩個相鄰錐形體102之間的間距IOla可為規(guī)則或不規(guī)則。
[0029]圖2為圖1b所述實(shí)施例的光取出強(qiáng)度相對于錐形體高度的關(guān)系示意圖，而在圖2中所測量的發(fā)光元件皆具有相似的底部面積與底部形狀，且光取出強(qiáng)度是隨著錐形體的高度H變大而增加，再者，當(dāng)錐形體高度大于1.5 μ m時，光取出強(qiáng)度則出現(xiàn)斷層現(xiàn)象，意即，當(dāng)基板的錐形體的高度大于1.5μπι時，此發(fā)光元件則具有較好的光取出強(qiáng)度。因此，在一較佳實(shí)施例中，利用將發(fā)光元件的錐形體高度設(shè)計為大于1.5μπι，以得到較佳的光取出強(qiáng)度。
[0030]圖3為本發(fā)明另一實(shí)施例的錐形體102的剖面示意圖，其中多個錐形體102是通過間距S所分隔。錐形體102包含一頂面201、底面202以及一傾斜側(cè)壁203，傾斜側(cè)壁203具有一向外突起的弧形204以及弦部205，且傾斜側(cè)壁203的上視圖可為曲面。為了增加光取出強(qiáng)度，在將錐形體102形成于基板101時，有許多參數(shù)是需要考慮的，例如錐形體的底部寬度D1、高H、頂部寬度D2、傾斜角度Θ以及最大距離B，其中，底部寬度Dl為錐形體102的底部圓周上任意兩點(diǎn)間的最大距離；頂部寬度D2為錐形體102的頂部圓周上任意兩點(diǎn)間的最大距離，其可為O ;傾斜角度Θ是介于底部202與弦部205間的夾角；最大距離B是介于弧部204與弦部205之間。
[0031]根據(jù)圖2所示，當(dāng)發(fā)光元件的底部面積及底部形狀維持一固定值時，光取出強(qiáng)度是隨著錐形體102的高度增加而增加，而若相較于具有較小錐形體的發(fā)光元件，具較大錐形體的發(fā)光元件則顯示有較多光線通過錐形體102射入或漫射。再者，可利用增加每一個錐形體102的底部面積，使兩個相鄰 錐形體102之間的間距S相對減少，以增加光取出強(qiáng)度。在本實(shí)施例中，頂部201可為一平面，而介于兩相鄰錐形體102間的間距與頂部201平面之間則可為一 C平面，以適合磊晶成長。若預(yù)成長相同高度的磊晶層，當(dāng)C平面具有較小面積者，需要較長的磊晶成長時間。此外，可以預(yù)期當(dāng)具有較大的底部面積時，可提高光漫射現(xiàn)象，兩相鄰錐形體102間亦具有足夠的間距，以利于磊晶成長。因此，兩相鄰錐形體102之間的間距S約為0.01-0.9nm,以確保磊晶成長時間不會過久。綜上所述，兩相鄰錐形體102間的間距S與錐形體102的底部寬度Dl可由一關(guān)系式表示，第一比率Ql=S/(D1+S)，其中，本實(shí)施例的Ql約為0.01-0.3，而在一較佳實(shí)施例中，介于兩錐形體102間的最佳間距可為 0.1-0.4nm, Ql 可為 0.03-0.15 之間。
[0032]如圖3所示，錐形體102具有從傾斜側(cè)邊203突起的一弦部204，此設(shè)計可使得落入錐形體102的光線增加以及產(chǎn)生更多的光漫射現(xiàn)象，進(jìn)而提高光取出。然而，因?yàn)橹虚g層103的折射率大于基板101的折射率，故基于司乃耳定律，錐形體102中的全反射會發(fā)生在中間層103與錐形體102的交界面。綜上所述，光取出效率是決定于錐形體102的光漫射現(xiàn)象。
[0033]如上所述，當(dāng)弧部204與弦部205之間的最大距離B越大，錐形體102的表面積亦相對越大，有利于光的漫射及增加光取出效率，但若距離B越大，則會阻礙磊晶層成長于兩相鄰錐形體102之間的間距(圖中未顯示)，并增加兩相鄰錐形體102間的光吸收率。在本實(shí)施例中，弧形204與弦部205間的最大距離B可為0-0.5nm ;在另一實(shí)施例中，因考慮磊晶層的成長，最大距離B可為0-0.2nm。因此，兩相鄰錐形體102之間的間距S、弧部204與弦部205之間的最大距離B以及錐形體102的底部寬度Dl可由一關(guān)系式表示，第二比率Q2=B/(D1+S)，利用此關(guān)系式可防止相鄰錐形體102間的光線吸收，以及確保有足夠的磊晶層成長時間，而第二比率Q2約為0-0.2，其較佳值可為0-0.05。
[0034]由于基板101與中間層103間的折射率不同，易造成基板101的錐形體102內(nèi)部的光反射，故錐形體102的頂部寬度D2需大于0，以避免光吸收。當(dāng)錐形體102的頂部寬度D2介于0-(Wd/ninteMediate)nm之間，較大的頂部寬度D2意味著具有較大的光入口使光進(jìn)入錐形體102，其中，Wd為內(nèi)部光線的主要波長，ninte?ediate為中間層103的折射率。在本實(shí)施例中，錐形體102的頂部寬度是小于0.1nm0為了在光線被錐形體102吸收前將光線通過頂部201引導(dǎo)至磊晶層109，因此，可設(shè)計錐形體102的底部202與弧部204的弦部205之間具有的夾角Θ介于40° -60°之間，而其較佳值可為48°。
[0035]如上所述，為考慮光取出效率及磊晶層成長率，頂部201的面積與底部202的面積比需小于0.0064，因此，錐形體102的底部寬度Dl及頂部寬度D2則可由一關(guān)系式表示，第三比率Q3=(D2/D1)，且Q3介于0-0.08之間，其較佳值是介于0-0.03之間。
[0036]根據(jù)圖2所示的光取出強(qiáng)度，當(dāng)高度H的值越大，相對地反射光越多，再者，介于兩相鄰錐形體102間的間距S與頂部201的平面之間可為C平面，以適合磊晶成長。因此，高度H、間距S以及底部寬度Dl可由一關(guān)系式表示，第四比率Q4=H/(D1+S)。在本實(shí)施例中，Q4可介于0.4-0.6之間。在一較佳實(shí)施例中，為考慮嘉晶層的成長速率及光取出效率，Q4可為0.5。
[0037]
【權(quán)利要求】
1.一種發(fā)光兀件，包含: 一圖案化基板，具有多個錐型體，且每一個錐形體包含一頂部、一底部以及一側(cè)壁，該頂部具有一頂部寬度，該底部具有一底部寬度，而該側(cè)壁位于該頂部與該底部之間，其中，該頂部與該底部的面積比小于0.0064 ;以及 一發(fā)光層，形成于該多個錐形體上方，且該發(fā)光層包含一第一半導(dǎo)體層、一主動層以及一第二半導(dǎo)體層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光元件，其中，位于該頂部與該底部之間的該側(cè)壁為一傾斜側(cè)壁。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光元件，其中，該頂部的形狀包含圓形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光元件，其中，該底部的形狀包含圓形。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的發(fā)光元件，其中，該傾斜側(cè)壁的剖面包含一弧形，且該弧形具有一向外突起的弦部。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光元件，還包含一中間層，該中間層形成于該圖案化基板上方，且具有一折射率。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的發(fā)光元件，其中，該頂部寬度是小于一商數(shù)，而該商數(shù)是該發(fā)光元件的一光波長除以該中間層的該折射率。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光元件，其中，該頂部寬度小于0.1 μ m。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的發(fā)光元件，還包含一間距，該間距位于相鄰兩錐形體之間，且介于 0.1~0.4 μ m。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的發(fā)光元件，其中，該錐型體的該底部與該弦部之間具有一夾角，且該夾角介于40° -60°之間。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的發(fā)光元件，其中，位于該弧形與該弦部之間的一最大距離是小于0.5 μ m0
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光元件，其中，該錐形體的該頂部寬度與該錐形體的該底部寬度的比小于0.8。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光元件，其中，至少一錐形體符合0.4= H/(D1+S) =0.6，H為該錐形體高度，Dl為該錐形體底部寬度，S為介于兩個相鄰該錐形體的間距。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的發(fā)光元件，其中，至少一錐形體符合0.01= S/(D2+S) ^ 0.3，D2為該錐形體頂部寬度，S為介于兩個相鄰該錐形體的間距。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的發(fā)光元件，其中，至少一錐形體符合O含B/(D2+S)^ 0.2，D2為該錐形體頂部寬度，B為該弧形與該弦部之間的該最大距離。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光元件,其中，該錐形體的一高度大于1.5μπι。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光元件，其中，該錐形體的該頂部的面積為O。
【文檔編號】H01L33/20GK103545410SQ201310294353
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年7月12日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月12日
【發(fā)明者】張中英, 王士瑋, 蔡政達(dá) 申請人:晶元光電股份有限公司