台湾专利TW201324852A 發光二極體

专利PDF首页>>台湾专利

专利附录

专利说明

权利要求

类似技术

同族专利

引用文献

法律状态

优先权

专利摘要:
本發明提供一種發光二極體，其包括：一第一半導體層、一活性層及一第二半導體層依次層疊設置於一基底一表面，所述第一半導體層與所述基底接觸設置，所述第二半導體層遠離活性層的表面為所述發光二極體的出光面，一第一電極與所述第一半導體層電連接，一第二電極與所述第二半導體層電連接，其中，所述活性層至少一表面為複數三維奈米結構並排延伸形成的圖案化的表面，所述發光二極體的出光面為複數三維奈米結構並排延伸形成的圖案化的表面，每一三維奈米結構沿其延伸方向上的橫截面為M形。
公开号:TW201324852A
申请号:TW100145860
申请日:2011-12-12
公开日:2013-06-16
发明作者:Zheng-Dong Zhu；Qun-Qing Li；li-hui Zhang；Mo Chen；Shou-Shan Fan
申请人:Hon Hai Prec Ind Co Ltd；
IPC主号:H01L33-00

专利说明:
發光二極體
本發明涉及一種發光二極體，尤其涉及一種具有三維奈米結構陣列的發光二極體。
由氮化鎵半導體材料製成的高效藍光、綠光和白光發光二極體具有壽命長、節能、綠色環保等顯著特點，已被廣泛應用於大螢幕彩色顯示、汽車照明、交通訊號、多媒體顯示和光通訊等領域，特別是在照明領域具有廣闊的發展潛力。
傳統的發光二極體通常包括N型半導體層、P型半導體層、設置在N型半導體層與P型半導體層之間的活性層、設置在P型半導體層上的P型電極(通常為透明電極)及設置在N型半導體層上的N型電極。發光二極體處於工作狀態時，在P型半導體層與N型半導體層上分別施加正、負電壓，這樣，存在於P型半導體層中的電洞與存在於N型半導體層中的電子在活性層中發生複合而產生光子，且光子從發光二極體中射出。
然而，先前的發光二極體的發光效率不夠高，部份原因是由於活性層與N型半導體層或P型半導體層之間的接觸面積較小，從而導致電洞與電子的複合密度較小，使得產生的光子數量較少。另外由於來自活性層的大角度光在半導體與空氣的介面處發生全反射，從而大部份大角度光被限制在發光二極體的內部，直至以熱等方式耗散。這對發光二極體而言非常不利。
有鑒於此，提供一光取出效率較高的發光二極體實為必要。
一種發光二極體，其包括：一基底，所述基底包括一外延生長面；一第一半導體層設置於所述基底的外延生長面，所述第一半導體層具有相對的一第一表面和一第二表面，所述第一表面與所述基底相鄰；一活性層及一第二半導體層依次層疊於所述第一半導體層的第二表面，且所述活性層與所述第一半導體層相鄰，所述第二半導體層遠離活性層的表面形成所述發光二極體的出光面；一第一電極與所述第一半導體層電連接；一第二電極與所述第二半導體層電連接；其中，所述第一半導體層的第二表面及所述第二半導體層遠離活性層的表面為複數三維奈米結構形成的圖案化的表面，其中每一三維奈米結構包括一第一凸棱及一第二凸棱，所述第一凸棱與第二凸棱並排延伸，相鄰的第一凸棱與第二凸棱之間具有一第一凹槽，相鄰的三維奈米結構之間形成第二凹槽，所述第一凹槽的深度小於第二凹槽的深度，所述活性層與所述第一半導體層接觸的表面與所述第一半導體層所述圖案化的表面相嚙合。
一種發光二極體，其包括：一基底，所述基底包括一外延生長面；一第一半導體層設置於所述基底的外延生長面，所述第一半導體層具有相對的一第一表面和一第二表面，所述第一表面與所述基底相鄰；一活性層及一第二半導體層依次層疊於所述第一半導體層的第二表面，且所述活性層與所述第一半導體層相鄰，所述第二半導體層遠離活性層的表面形成所述發光二極體的出光面；一第一電極與所述第一半導體層電連接；一第二電極與所述第二半導體層電連接；其中，所述第一半導體層的第二表面及所述基底與第一半導體層接觸的表面為所述複數三維奈米結構形成的圖案化的表面，其中每一所述三維奈米結構包括一第一凸棱及一第二凸棱，所述第一凸棱與第二凸棱並排延伸，相鄰的第一凸棱與第二凸棱之間具有一第一凹槽，相鄰的三維奈米結構之間形成第二凹槽，所述第一凹槽的深度小於第二凹槽的深度，所述活性層與所述第一半導體層接觸的表面與所述第一半導體層所述圖案化的表面相嚙合。
一種發光二極體，其包括：一第一半導體層、一活性層及一第二半導體層依次層疊設置於一基底一表面，所述第一半導體層與所述基底接觸設置，所述第二半導體層遠離活性層的表面為所述發光二極體的出光面，一第一電極與所述第一半導體層電連接，一第二電極覆蓋所述第二半導體層遠離活性層的表面，其中，所述活性層至少一表面為複數三維奈米結構並排延伸形成的圖案化的表面，所述第二半導體層遠離活性層的表面及所述基底與第一半導體層接觸的表面中的至少一表面為複數三維奈米結構並排延伸形成的圖案化的表面，每一三維奈米結構沿其延伸方向上的橫截面為M形。
與先前技術相比較，本發明的發光二極體中，所述第一半導體層與所述活性層表面接觸的表面具有複數M形三維奈米結構，形成一三維奈米結構陣列，從而形成一圖案化的表面，因此增大了所述活性層與第一半導體層之間的接觸面積，增大了電洞與電子的複合幾率，提高了複合密度，進而提高了所述發光二極體的發光效率。
為了對本發明作更進一步的說明，舉以下具體實施例並配合附圖進行詳細描述。
請參閱圖1，本發明第一實施例提供一種發光二極體10，其包括：一基底100、一第一半導體層110、一活性層120、一第二半導體層130，所述第一半導體層110、活性層120及第二半導體層130依次層疊設置於基底100表面，所述第一半導體層110與所述基底100接觸設置。所述第二半導體層130遠離活性層120的表面為所述發光二極體10的出光面，所述第一電極112與所述第一半導體層110電連接。所述第二電極132與所述第二半導體層130電連接。所述第一半導體層110與活性層120接觸的表面具有一奈米圖形，所述發光二極體10的出光面為一圖案化的表面。
所述基底100具有支撐的作用，所述基底100具有一支持外延生長的外延生長面。所述基底100的厚度為300微米至500微米，所述基底100的材料可為SOI(silicon on insulator，絕緣基底上的矽)、LiGaO₂、LiAlO₂、Al₂O₃、Si、GaAs、GaN、GaSb、InN、InP、InAs、InSb、AlP、AlAs、AlSb、AlN、GaP、SiC、SiGe、GaMnAs、GaAlAs、GaInAs、GaAlN、GaInN、AlInN、GaAsP、InGaN、AlGaInN、AlGaInP、GaP:Zn或GaP:N等。所述基底100的材料可根據所述需要生長的半導體層的材料進行選擇，所述基底100的材料與所述半導體層的材料具有較小的晶格失配及相近的熱膨脹係數，從而可以減少生長的半導體層中的晶格缺陷，提高其品質。本實施例中，所述基底100的厚度為400微米，其材料為藍寶石。
所述第一半導體層110設置於所述基底100的外延生長面。所述第一半導體層110、第二半導體層130分別為N型半導體層和P型半導體層兩種類型中的一種。具體地，當該第一半導體層110為N型半導體層時，第二半導體層130為P型半導體層；當該第一半導體層110為P型半導體層時，第二半導體層130為N型半導體層。所述N型半導體層起到提供電子的作用，所述P型半導體層起到提供電洞的作用。N型半導體層的材料包括N型氮化鎵、N型砷化鎵及N型磷化銅等材料中的一種或幾種。P型半導體層的材料包括P型氮化鎵、P型砷化鎵及P型磷化銅等材料中的一種或幾種。所述第一半導體層110的厚度為1微米至5微米。本實施例中，第一半導體層110的材料為N型氮化鎵。
可選擇地，一緩衝層（圖未示）可以設置於基底100和第一半導體層110之間，並與基底100和第一半導體層110分別接觸，此時第一半導體層110靠近基底100的表面與緩衝層接觸。所述緩衝層有利於提高所述第一半導體層110的外延生長品質，減少晶格缺陷。所述緩衝層的厚度為10奈米至300奈米，其材料可為氮化鎵或氮化鋁等。
本實施例中，所述第一半導體層110具有相對的第一表面（未標示）及第二表面（未標示），所述第一表面與所述基底100相鄰，所述第二表面為第一半導體層110中遠離基底100的表面。所述第二表面由其功能可區分為一第一區域（未標示）及第二區域（未標示），其中所述第一區域設置所述活性層120及所述第二半導體層130，所述第二區域設置所述第一電極112。
請一併參閱圖1及圖2，所述第一半導體層110的第二表面具有一奈米圖形，為一圖案化的表面，所述奈米圖形分佈於所述第一半導體層的第一區域。為了便於描述，將該第一半導體層110區分為一本體部份110a及一由該本體部份110a向遠離該本體部份110a方向延伸的一凸起部份110b，所述本體部份110a與該凸起部份110b通過一“介面”整體分開，所述介面形成所述本體部份110a的表面。可以理解，所述“介面”是為方便描述而假設的平面，該平面可平行於所述第一半導體層110的第一表面。所述凸起部份110b可以看作從所述本體部份110a表面凸起的結構，所述凸起部份110b包括複數三維奈米結構113。所述複數三維奈米結構113以陣列形式設置，所述陣列形式設置指所述複數三維奈米結構113可以按照等間距排布、同心圓環排布等方式排列，形成所述第一半導體層110圖案化的表面。所述相鄰的兩個三維奈米結構113之間的距離相等，為10奈米~1000奈米，優選為10奈米~30奈米。本實施例中，所述複數三維奈米結構113以等間距排列，且相鄰兩個三維奈米結構113之間的距離約為10奈米。
所述三維奈米結構113為一凸起結構，所述凸起結構為從所述第一半導體層110的本體部份110a向遠離所述本體部份110a的方向突出的凸起實體。所述三維奈米結構113與所述第一半導體層110的本體部份110a為一體成型結構，即所述三維奈米結構113與所述第一半導體層110的本體部份110a之間無間隔的形成一體結構。所述複數三維奈米結構113的延伸方向相同，且在所述三維奈米結構113的延伸的方向上，所述三維奈米結構113的橫截面為一M形。換個角度說，所述複數三維奈米結構113為形成於本體部份110a上的複數條形凸起結構，該複數條形凸起結構向同一方向延伸，在沿所述延伸方向的橫截面為M形。
所述複數三維奈米結構113可在第一半導體層110的本體部份110a上以直線、折線或曲線的形式並排延伸。所述“並排”是指所述相鄰的兩個三維奈米結構113在延伸方向的任一相對位置具有相同的間距，該間距範圍為0奈米～200奈米。所述複數三維奈米結構113的延伸方向可為固定的，也可為變化的。當所述延伸方向固定時，所述複數三維奈米結構113以直線的形式並排延伸，在該延伸方向上，所述複數三維奈米結構113的橫截面均為形狀、面積一致的M形；當所述延伸方向變化時，所述複數三維奈米結構113可以折線或曲線的形式並排延伸，在所述延伸方向上的任意一點位置處，所述複數三維奈米結構113在該點的橫截面均為形狀、面積一致的M形。請一併參閱圖3，在本實施例中，所述三維奈米結構113為一條形凸起結構，所述複數三維奈米結構113在第一半導體層110的本體部份110a上以陣列形式分佈，形成所述第一半導體層110的第二表面，該第二表面具有一奈米圖形，為一圖案化的表面。所述複數條形凸起結構基本沿同一方向延伸且彼此平行設置於所述本體部份110a。定義該複數條形凸起結構的延伸方向為X方向，垂直於所述凸起結構的延伸方向為Y方向。則在X方向上，所述條形凸起結構的兩端分別延伸至所述第一半導體層110的本體部份110a相對的兩邊緣，具體的，所述複數條形凸起可在第一半導體層110的本體部份110a以直線、折線或曲線的形式沿X方向延伸；在Y方向上，所述三維奈米結構113為一雙峰凸棱結構，所述複數條形凸起並排排列，且所述條形凸起的橫截面的形狀為M形，即所述三維奈米結構113為一M形三維奈米結構。
請一併參閱圖4，所述M形三維奈米結構113包括一第一凸棱1132及一第二凸棱1134，所述第一凸棱1132與第二凸棱1134的延伸方向相同且均沿X方向並排延伸。所述第一凸棱1132具有相交的兩棱面，即一第一棱面1132a及一第二棱面1132b，所述第一棱面1132a與第二棱面1132b相交形成所述第一凸棱1132的棱角。所述第一棱面1132a及第二棱面1132b可分別為平面，曲面或折面。本實施例中，所述第一棱面1132a及第二棱面1132b分別為平面。所述第一棱面1132a與所述第一半導體層110的本體部份110a表面形成一定角度α，所述α大於0度小於等於90度。所述第一棱面1132a具有相對的兩端，一端與所述第一半導體層110的本體部份110a表面相交接；另一端以α角向遠離該本體部份110a的方向延伸，並與所述第二棱面1132b相交。所述第二棱面1132b與所述第一半導體層110的本體部份110a表面所形成的角度β大於0度小於等於90度，可與α相同或不同。所述第二棱面1132b具有相對的兩端，一端與所述第二凸棱1134相交，另一端向遠離本體部份110a的方向延伸並與所述第一棱面1132a相交，形成所述第一凸棱1132的棱角θ。所述棱角θ大於零度小於180度，優選的，所述棱角θ大於等於30度小於等於60度。
同樣，所述第二凸棱1134的結構與第一凸棱1132基本相同，包括一第一棱面1134a與第二棱面1134b，所述第一棱面1134a與第二棱面1134b分別向遠離本體部份110a的方向延伸，並相交形成所述第二凸棱1134的棱角。所述第二凸棱1134的所述第一棱面1134a一端與所述本體部份110a的表面相交接，另一端以角度α向遠離本體部份110a的方向延伸。所述第二棱面1134b具有相對的兩端，一端與所述第一凸棱1132中第二棱面1132b的一端在靠近本體部份110a的表面相交，從而形成三維奈米結構113的第一凹槽1136，另一端與所述第一棱面1134a相交於第二凸棱1134的棱角。所述複數三維奈米結構113在本體部份110a的表面並排排列，相鄰的三維奈米結構113之間形成一第二凹槽1138，故一個三維奈米結構113中的第二凸棱1134的第二棱面1134b和與其相鄰的另一個三維奈米結構113的第一凸棱1132的第一棱面1132a在所述本體部份110a的表面相交接形成所述第二凹槽1138。
所述第一凸棱1132與第二凸棱1134從第一半導體層110的本體部份110a向遠離本體部份110a表面延伸突出的高度不限，所述高度是指從所述本體部份110a表面至所述第一凸棱1132或所述第二凸棱1134的最高點之間的距離，所述第一凸棱1132與第二凸棱1134的高度可以相等或不相等，所述第一凸棱1132與第二凸棱1134的高度可為150奈米～200奈米。所述第一凸棱1132或所述第二凸棱1134的最高點的集合體可為直線形或非直線形線，如折線或曲線等，也即所述第一凸棱1132中所述第一棱面1132a與第二棱面1132b相交形成的線可為直線、折線或曲線等，同樣所述第二凸棱1134的所述第一棱面1134a與第二棱面1134b相交形成的線也可為直線、折線或曲線等。同一個三維奈米結構113中，第一凸棱1132的最高點與所述第二凸棱1134最高點之間的距離可為20奈米～100奈米。本實施例中，所述第一凸棱1132與第二凸棱1134的高度相同，均為180奈米，且最高點的集合形成一直線。所述第一凸棱1132及第二凸棱1134沿X方向延伸，在Y方向上，所述第一凸棱1132及第二凸棱1134橫截面的形狀可為梯形或錐形。本實施例中，所述第一凸棱1132及第二凸棱1134的橫截面為錐形。所述第一凸棱1132及第二凸棱1134的橫截面組合呈M形，即所述三維奈米結構113的橫截面為M形。所述第一凸棱1132與第二凸棱1134形成一雙峰凸棱結構。所述第一凸棱1132、第二凸棱1134及第一半導體層110為一一體成型結構，即所述第一凸棱1132與所述第二凸棱1134之間無間隙或間隔，且與所述本體部份110a無間隙的結合。可以理解，由於工藝的限制及其他因素的影響，所述第一凸棱1132的第一棱面1132a與第二棱面1132b並非絕對的平面，可存在一定的誤差，因此第一棱面1132a與第二棱面1132b相交形成的棱角θ也並非一絕對的尖角，可能為一弧形角等其他形式，但所述棱角的具體形狀並不影響所述第一凸棱1132的整體結構，屬於本發明的保護範圍。同理，所述第二凸棱1134的棱角亦是如此。
同一個M形三維奈米結構113中，所述第一凸棱1132與第二凸棱1134之間，形成所述第一凹槽1136，所述第一凸棱1132中第二棱面1132b與所述第二凸棱1134中的第二棱面1134b作為第一凹槽1136的兩個側面，兩個側面相交處形成所述第一凹槽1136的底部。所述第一凹槽1136的延伸方向與所述第一凸棱1132或第二凸棱1134的延伸方向相同。所述第一凹槽1136橫截面形狀為V形，且所述複數第一凹槽1136深度h₁均相等。所述第一凹槽1136的深度h₁是指所述第一凸棱1132或第二凸棱1134的最高點到本體部份110a的表面的距離。在本體部份110a表面，所述複數三維奈米結構113彼此平行且等間距排列，相鄰的M形三維奈米結構113之間形成的所述第二凹槽1138，所述第二凹槽1138的延伸方向與所述三維奈米結構113的延伸方向相同。所述第二凹槽1138的橫截面為V形或倒梯形，在X方向上，所述橫截面的形狀及大小均基本相同。可以理解，由於工藝的限制或其他外界因素的影響，所述第一凹槽1136及第二凹槽1138橫截面的形狀、大小、深度並非絕對的相同，可存在一定的誤差，但該誤差並不影響所述橫截面的整體形狀及總體趨勢。所述第二凹槽1138的深度h₂均相等，所述第二凹槽1138的深度h₂是指所述第一凸棱1132或第二凸棱1134的最高點與所述本體部份110a之間的距離。所述第二凹槽1138的深度h₂與第一凹槽1136的深度h₁不同，可根據實際需要進行選擇。所述第二凹槽1138的深度h₂大於所述第一凹槽1136的深度h₁，進一步的，所述第一凹槽1136的深度h₁與第二凹槽1138的深度h₂的比值滿足：1:1.2≤h₁:h₂≤1:3。所述第一凹槽1136的深度h₁可為30奈米～120奈米，所述第二凹槽1138的深度h₂可為100奈米～200奈米。本實施例中，所述第一凹槽1136的深度h₁為80奈米，所述第二凹槽1138的深度h₂為180奈米。
所述M形三維奈米結構113的寬度λ可為100奈米～300奈米。所述三維奈米結構113的“寬度”是指所述M形三維奈米結構113在Y方向上延伸的最大跨度。本實施例中，所述三維奈米結構113寬度是指在Y方向上，所述每一三維奈米結構113在所述本體部份110a表面擴展的跨度。並且在遠離該本體部份110a表面的方向上，該長度逐漸減小，也即每一三維奈米結構中，第一凸棱1132與第二凸棱1134的最高點之間的距離，小於該三維奈米結構的寬度。所述複數三維奈米結構113可間隔分佈，任意兩個相鄰的三維奈米結構113之間具有相同的間距。所述間隔即形成所述第二凹槽1138。定義相鄰兩第二凹槽1138之間的距離為相鄰的兩個第二凹槽1138向第一半導體層110內部延伸的最深點之間的距離，則所述相鄰兩第二凹槽1138之間的距離等於所述三維奈米結構113的寬度。相鄰兩個三維奈米結構113之間的間距λ₀可相等或不等。所述間距λ₀隨所述第一凸棱1132或第二凸棱1134高度的增加而增加，隨其高度的減小而減小。在Y方向上，所述間距λ₀也可逐漸變化，如逐漸變大或逐漸變小或週期性變化。相鄰兩三維奈米結構113之間的間距λ₀可為0奈米～200奈米。當所述λ₀為0時，所述第二凹槽1138橫截面的形狀為V形；當λ₀大於0時，所述第二凹槽1138橫截面的形狀為倒梯形。在Y方向上，所述複數三維奈米結構113彼此平行設置於所述本體部份110a的表面，並且呈週期性分佈。所述三維奈米結構113的週期P可為100奈米～500奈米。進一步的，所述週期P、三維奈米結構113的寬度λ及相鄰兩三維奈米結構113之間的的間距λ₀滿足如下關係：
P＝λ＋λ₀。
所述週期P、三維奈米結構113的寬度λ及相鄰兩三維奈米結構113之間的的間距λ₀的單位均為奈米。所述週期P可為一固定值，此時當所述λ₀增加時，則λ相應減小；當λ₀減小時，所述λ相應增加。進一步的，所述複數三維奈米結構113可以複數週期形成於所述本體部份110a表面，即部份三維奈米結構113以週期P排列，另一部份以週期P′（P′≠P）分佈。所述三維奈米結構113以多週期分佈時，可進一步擴展其應用前景。在本實施例中，所述P約為200奈米，所述λ約為190奈米，所述λ₀約為10奈米。
所述活性層120設置於所述第一半導體層110第二表面的第一區域。優選地，所述活性層120和第一半導體層110的接觸面積與第一區域的面積相等。即所述活性層完全覆蓋所述第一半導體層110的第一區域。具體的，所述活性層120覆蓋所述複數三維奈米結構113的表面，並且所述活性層120與所述第一半導體層110接觸的表面形成一圖案化的表面。由於所述第一半導體層110的第二表面為複數三維奈米結構113形成的圖案化的表面，因此所述活性層120的表面亦具有一與所述奈米圖形相嚙合的圖形。具體的，所述活性層120與第一半導體層110接觸的表面亦具有複數M形的三維奈米結構（未標示），所述三維奈米結構為向活性層120內部延伸形成的凹進空間，並且該凹進空間與第一半導體層110中所述凸起實體的三維奈米結構113相嚙合，進而形成一M形的凹進空間。所述“嚙合”是指，所述活性層120表面形成的三維奈米結構同樣形成複數凹槽及凸棱，並且，所述凹槽與所述三維奈米結構113中的第一凸棱1132及第二凸棱1134相配合；所述凸棱與所述三維奈米結構113中的第一凹槽1136及第二凹槽1138相配合，從而所述活性層120與所述第一半導體層110具有三維奈米結構113的表面無間隙的複合。所述活性層120為包含一層或多層量子阱層的量子阱結構(Quantum Well)。所述活性層120用於提供光子。所述活性層120的材料為氮化鎵、氮化銦鎵、氮化銦鎵鋁、砷化稼、砷化鋁稼、磷化銦鎵、磷化銦砷或砷化銦鎵中的一種或幾種，其厚度為0.01微米至0.6微米。本實施例中，所述活性層120為兩層結構，包括一氮化銦鎵層及一氮化鎵層，其厚度為0.03微米。
請參閱圖5，所述第二半導體層130設置於所述活性層120遠離基底100的表面，具體的，所述第二半導體層130覆蓋所述活性層120遠離基底100的整個表面。所述第二半導體層130的厚度為0.1微米～3微米。所述第二半導體層130可為N型半導體層或P型半導體層兩種類型，並且所述第二半導體層130與第一半導體層110分屬兩種不同類型的半導體層。所述第二半導體層130遠離基底100的表面作為發光二極體10的出光面。本實施例中，所述第二半導體層130為鎂(Mg)摻雜的P型氮化鎵，其厚度為0.3微米。進一步的，所述第二半導體層130遠離活性層120的表面形成有複數三維奈米結構133，所述複數三維奈米結構以陣列的形式分佈。即所述發光二極體10的出光面為所述複數三維奈米結構133形成的圖案化的表面。所述三維奈米結構133的結構與第一半導體層110中所述三維奈米結構113的結構基本相同，所述三維奈米結構133為一向遠離第二半導體層130方向凸起形成的條形凸起結構，且所述複數三維奈米結構133並排延伸。在沿所述三維奈米結構133延伸方向上，所述三維奈米結構133的橫截面為M形。每一所述三維奈米結構133包括一第一凸棱1332及一第二凸棱1334，所述第一凸棱1332與第二凸棱1334並排延伸，相鄰的第一凸棱1332與第二凸棱1334之間形成一第一凹槽1336，相鄰的三維奈米結構133之間形成第二凹槽1338，所述第一凹槽1336的深度小於第二凹槽1338的深度。所述三維奈米結構133的表面形成所述發光二極體10圖案化的出光面。
所述第一電極112與所述第一半導體層110電連接。本實施例中，所述第一電極112設置於所述第一半導體層110的第二區域，並覆蓋該第二區域的部份表面。所述第一電極112與所述活性層120間隔設置。所述第一電極112可為N型電極或P型電極，其與第一半導體層110的類型相同。所述第一電極112至少為一層的整體結構，其材料為鈦、銀、鋁、鎳、金或其任意組合。本實施例中，所述第一電極112為兩層結構，一層為厚度15奈米的鈦，另一層為厚度200奈米的金。
所述第二電極132類型可為N型電極或P型電極，其與第二半導體層130的類型相同。所述第二電極132的形狀不限，可根據實際需要進行選擇。所述第二電極132至少為一層結構，其材料為鈦、銀、鋁、鎳、金或其任意組合，也可為ITO或奈米碳管膜。本實施例中，所述第二電極132為P型電極。所述第二電極132為兩層結構，一層為厚度為15奈米的鈦，另一層為厚度為100奈米的金，形成一鈦/金電極。
進一步的，可在基底100遠離活性層120的表面設置一反射層（圖未示），所述反射層的材料可為鈦、銀、鋁、鎳、金或其任意組合。當活性層中產生的光子到達該反射層後，所述反射層可將光子反射，從而使之從所述發光二極體10的出光面射出，進而可進一步提高所述發光二極體10的出光效率。
本發明提供的發光二極體10可通過以下方法製備：
步驟S11，提供一基底100，所述基底100具有一外延生長面；
步驟S12，在所述外延生長面生長一第一半導體層110；
步驟S13，在所述第一半導體層110的表面形成複數三維奈米結構113；
步驟S14，在所述三維奈米結構113的表面生長一活性層120及一第二半導體層130；
步驟S15，蝕刻所述第二半導體層130遠離活性層120的表面，形成複數三維奈米結構133；
步驟S16，設置一第一電極112，使其與所述第一半導體層110電連接；
步驟S17，設置一第二電極132，使其與所述第二半導體層130電連接。
本發明第一實施例提供的發光二極體10，由於所述第一半導體層110的表面具有複數三維奈米結構113，且所述活性層120設置於該複數三維奈米結構113的表面，從而增加了所述活性層120與所述第一半導體層110的接觸面積，進而提高了所述電洞與電子的複合幾率，增加了產生光子的數量，從而提高了所述發光二極體10的發光效率。同時，由於所述發光二極體10的出光面形成有複數三維奈米結構，從而形成一圖案化的表面，進而當活性層120中產生的大角度光遇到三維奈米結構陣列，會經三維奈米結構陣列折射而改變出射光的出射方向。一方面，大角度光變成小角度光可以提高發光二極體的出光效率，另一方面，大角度光變成小角度光可以減小光線在發光二極體內部的傳播路徑，從而減小光線在傳播過程中的損耗。
請參閱圖6，本發明第二實施例提供一種發光二極體20，其包括：一基底100、一第一半導體層110、一活性層120、一第二半導體層130，所述第一半導體層110、活性層120及第二半導體層130依次層疊設置於基底100表面，所述第一半導體層110與所述基底100接觸設置。所述第二半導體層130遠離活性層120的表面為所述發光二極體10的出光面，所述第一電極112與所述第一半導體層110電連接。所述第二電極132與所述第二半導體層130電連接。所述第一半導體層110與活性層120接觸的表面為複數三維奈米結構113形成一圖案化的表面，所述發光二極體20的出光面為複數三維奈米結構133形成的圖案化的表面，且所述活性層120遠離第一半導體層110的表面具有複數M形三維奈米結構123。
本發明第二實施例提供的發光二極體20與第一實施例中所述發光二極體10的結構基本相同，其不同在於所述發光二極體20中，所述活性層120遠離第一半導體層110的表面亦具有複數M形三維奈米結構123，所述三維奈米結構123為複數並排延伸的條形凸起結構。請參閱圖7，所述M形三維奈米結構123與所述三維奈米結構113的結構基本相同。具體的，所述三維奈米結構123包括一第一凸棱1232及第二凸棱1234，所述第一凸棱1232與第二凸棱1234之間形成一第一凹槽1236，相鄰的三維奈米結構123之間形成一第二凹槽1238，並且所述三維奈米結構123與所述三維奈米結構113對應設置。所述“對應設置”是指所述活性層120表面的三維奈米結構123的起伏趨勢與所述第一半導體層110表面的三維奈米結構113的起伏趨勢對應相同，具體的，在所述活性層120的剖面中，所述第一凸棱1232與第一凸棱1132共軸設置，所述第二凸棱1234與所述第二凸棱1134共軸設置；所述第一凹槽1236與所述第二凹槽1138共軸設置，所述第二凹槽1238與所述第二凹槽1138共軸設置。
所述第二半導體層130設置於所述活性層120中三維奈米結構123的表面，由於所述三維奈米結構123具有複數凹槽及凸棱，因此所述第二半導體層130與活性層120接觸的表面亦形成複數三維奈米結構，並且所述三維奈米結構與所述活性層120中所述三維奈米結構123相嚙合。具體的，所述嚙合是指，在所述第二半導體層130與活性層120接觸的表面形成的三維奈米結構中，亦同時具有複數凹槽及凸棱，且所述第二半導體層130表面的凹槽與所述活性層120中的凸棱相配合，所述第二半導體層130中的凸棱與所述活性層120中的凹槽相配合。
本發明第二實施例提供的發光二極體20，由於所述活性層與所述第一半導體層和第二半導體層接觸的表面同時形成複數三維奈米結構，即進一步增加了所述活性層與二者之間的接觸面積，進而進一步提高了所述電洞與電子的複合幾率，從而大大提高了所述發光二極體20的發光效率。
本發明第二實施例提供的發光二極體20可通過以下方法製備：
步驟S21，提供一基底100，所述基底100具有一外延生長面;
步驟S22，在所述外延生長面生長一第一半導體層110；
步驟S23，在所述第一半導體層110的表面形成複數三維奈米結構113；
步驟S24，在所述三維奈米結構113的表面生長一活性層120，所述活性層120遠離第一半導體層的表面形成有複數三維奈米結構123；
步驟S25，在所述三維奈米結構123的表面生長一第二半導體層130；
步驟S26，在所述第二半導體層130遠離活性層120的表面形成複數三維奈米結構133；
步驟S27，設置一第一電極112，使其與所述第一半導體層110電連接；
步驟S28，設置一第二電極132，覆蓋所述第二半導體層130遠離活性層120的表面。
請參閱圖8，本發明第三實施例提供一種發光二極體30，其包括：一基底100、一第一半導體層110、一活性層120、一第二半導體層130，所述第一半導體層110、活性層120及第二半導體層130依次層疊設置於基底100一表面，所述第一半導體層110與所述基底100接觸設置。所述第二半導體層130遠離活性層120的表面為所述發光二極體30的出光面。所述第一電極112與所述第一半導體層110電連接。所述第二電極132與所述第二半導體層130電連接。所述第一半導體層110與活性層120接觸的表面具有一奈米圖形。所述基底100與第一半導體層110接觸的表面進一步形成有複數三維奈米結構103。
本發明第三實施例提供的發光二極體30與第一實施例中所述發光二極體10的結構基本相同，其不同在於，所述發光二極體30中所述基底100與第一半導體層110接觸的表面具有複數三維奈米結構103。所述複數三維奈米結構103形成一外延生長面，從而使所述外延生長面為一圖案化的表面。所述三維奈米結構103與所述三維奈米結構113的結構基本相同。所述複數三維奈米結構103為一條形凸起結構，且所述複數三維奈米結構103並排延伸，在沿所述三維奈米結構103的延伸方向上，所述三維奈米結構103的橫截面為M形。同時，由於在所述基底100表面具有複數三維奈米結構103，所述第一半導體層110與所述基底100的表面即所述第一半導體層110的第一表面亦形成複數三維奈米結構（圖未標示），而形成一圖案化的第一表面。具體的，所述第一半導體層110中所述三維奈米結構為向第一半導體層110內部延伸形成的M形凹進空間。所述凹進空間與基底100表面的凸起結構相嚙合。
本發明第三實施例提供的發光二極體30可通過以下方法製備：
步驟S31，提供一基底100；
步驟S32，蝕刻所述基底100，形成複數三維奈米結構103，從而形成所述圖案化的外延生長面；
步驟S33，在所述外延生長面生長第一半導體層110；
步驟S34，在所述第一半導體層110遠離基底100的表面形成複數三維奈米結構113；
步驟S35，在所述三維奈米結構113表面生長所述活性層120及第二半導體層130；
步驟S36，設置一第一電極112與所述第一半導體層110電連接，設置一第二電極132與所述第二半導體層130電連接。
本發明第三實施例提供的發光二極體30，由於所述第一半導體層110的表面具有複數三維奈米結構113，且所述活性層120設置於該複數三維奈米結構113的表面，從而增加了所述活性層120與所述第一半導體層110的接觸面積，進而提高了所述電洞與電子的複合幾率，增加了光子的產生數量，從而提高了所述發光二極體10的發光效率。同時，由於所述基底100與第一半導體層110接觸的表面具有複數三維奈米結構103，當活性層120中產生的光子以大角度入射到三維奈米結構103時，會經三維奈米結構反射而改變出射光的出射方向。一方面，大角度光變成小角度光可以提高發光二極體的出光效率，另一方面，大角度光變成小角度光可以減小光線在發光二極體內部的傳播路徑，從而減小光線在傳播過程中的損耗。
請參閱圖9，本發明第四實施例提供一種發光二極體40，其包括：一基底100、一第一半導體層110、一活性層120、一第二半導體層130，所述第一半導體層110、活性層120及第二半導體層130依次層疊設置於基底100一表面，所述第一半導體層110與所述基底100接觸設置。所述第二半導體層130遠離活性層120的表面為所述發光二極體40的出光面。所述第一電極112與所述第一半導體層110電連接。所述第二電極132與所述第二半導體層130電連接。所述第一半導體層110與活性層120接觸的表面具有一奈米圖形。所述基底100與第一半導體層110接觸的表面形成有複數三維奈米結構103。所述活性層120遠離第一半導體層110的表面具有複數M形三維奈米結構123。
本發明第四實施例提供的發光二極體40與第三實施例中所述發光二極體30的結構基本相同，其不同在於所述發光二極體40中，所述活性層120遠離第一半導體層110的表面亦具有複數M形三維奈米結構123。所述M形三維奈米結構123與所述三維奈米結構113的結構基本相同，並且所述三維奈米結構123與所述三維奈米結構113可對應設置。進一步的，所述發光二極體40的出光面也可具有所述複數M形三維奈米結構形成圖案化的表面。
綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。
10，20，30，40．．．發光二極體
100．．．基底
110．．．第一半導體層
110a．．．本體部份
110b．．．凸起部份
112．．．第一電極
103，113，123，133．．．三維奈米結構
1132，1232，1332．．．第一凸棱
1134，1234，1334．．．第二凸棱
1136，1236，1336．．．第一凹槽
1138，1238，1338．．．第二凹槽
1132a，1134a．．．第一棱面
1132b，1134b．．．第二棱面
120．．．活性層
130．．．第二半導體層
132．．．第二電極
圖1為本發明第一實施例提供的發光二極體的結構示意圖。
圖2為圖1所示的發光二極體中三維奈米結構陣列的結構示意圖。
圖3為圖2所示的三維奈米結構陣列的掃描電鏡照片。
圖4為圖2所示的三維奈米結構陣列沿IV-IV線的剖視圖。
圖5為圖1所示的發光二極體中第二半導體層的結構示意圖。
圖6為本發明第二實施例提供的發光二極體的結構示意圖。
圖7為圖6中所示發光二極體中活性層的結構示意圖。
圖8為本發明第三實施例提供的發光二極體的結構示意圖。
圖9為本發明第四實施例提供的發光二極體的結構示意圖。
10．．．發光二極體
100．．．基底
110．．．第一半導體層
112．．．第一電極
113，133．．．三維奈米結構
120．．．活性層
130．．．第二半導體層
132．．．第二電極

权利要求:
Claims (19)
[1] 一種發光二極體，其包括：一基底，所述基底包括一外延生長面；一第一半導體層設置於所述基底的外延生長面，所述第一半導體層具有相對的一第一表面和一第二表面，所述第一表面與所述基底相鄰；一活性層及一第二半導體層依次層疊於所述第一半導體層的第二表面，且所述活性層與所述第一半導體層相鄰，所述第二半導體層遠離活性層的表面形成所述發光二極體的出光面；一第一電極與所述第一半導體層電連接；一第二電極與所述第二半導體層電連接；其改良在於，所述第一半導體層的第二表面及所述第二半導體層遠離活性層的表面為複數三維奈米結構形成的圖案化的表面，其中每一三維奈米結構包括一第一凸棱及一第二凸棱，所述第一凸棱與第二凸棱並排延伸，相鄰的第一凸棱與第二凸棱之間具有一第一凹槽，相鄰的三維奈米結構之間形成第二凹槽，所述第一凹槽的深度小於第二凹槽的深度，所述活性層與所述第一半導體層接觸的表面與所述第一半導體層所述圖案化的表面相嚙合。
[2] 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體，其中，所述三維奈米結構為條形凸起結構，所述三維奈米結構在第一半導體層表面以直線、折線或曲線並排延伸。
[3] 如申請專利範圍第2項所述的發光二極體，其中，所述三維奈米結構在其延伸方向的橫截面的形狀為M形。
[4] 如申請專利範圍第3項所述的發光二極體，其中，所述第一凸棱及第二凸棱的橫截面分別為錐形，所述第一凸棱與第二凸棱形成一雙峰凸棱結構。
[5] 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體，其中，所述第一凹槽的深度為30奈米～120奈米，所述第二凹槽的深度為100奈米～200奈米。
[6] 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體，其中，所述複數三維奈米結構在第第一半導體層表面按照等間距排布、同心圓環排布或同心回形排布。
[7] 如申請專利範圍第6項所述的發光二極體，其中，所述複數三維奈米結構在第一半導體層表面按同一週期或複數週期排布，所述週期範圍為100奈米～500奈米。
[8] 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體，其中，相鄰三維奈米結構之間的間距為0奈米～200奈米。
[9] 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體，其中，所述三維奈米結構的寬度為100奈米～300奈米。
[10] 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體，其中，所述活性層表面形成複數凹槽及凸棱，所述凹槽與所述三維奈米結構中的第一凸棱及第二凸棱相配合，所述凸棱與第一凹槽及第二凹槽相配合。
[11] 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體，其中，所述活性層遠離第一半導體層的表面進一步形成有複數三維奈米結構，所述三維奈米結構為條形凸起結構。
[12] 如申請專利範圍第11項所述的發光二極體，其中，活性層遠離第一半導體層表面的三維奈米結構與第一半導體層第二表面的三維奈米結構相一致且對應設置。
[13] 如申請專利範圍第12項所述的發光二極體，其中，所述第二半導體層與所述活性層接觸的表面與所述活性層遠離第一半導體層圖案化的表面相嚙合。
[14] 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體，其中，所述活性層遠離第一半導體層的表面為一平面。
[15] 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體，其中，進一步包括一反射層設置於所述基底遠離第一半導體層的表面。
[16] 一種發光二極體，其包括：一基底，所述基底包括一外延生長面；一第一半導體層設置於所述基底的外延生長面，所述第一半導體層具有相對的一第一表面和一第二表面，所述第一表面與所述基底相鄰；一活性層及一第二半導體層依次層疊於所述第一半導體層的第二表面，且所述活性層與所述第一半導體層相鄰，所述第二半導體層遠離活性層的表面形成所述發光二極體的出光面；一第一電極與所述第一半導體層電連接；一第二電極與所述第二半導體層電連接；其改良在於，所述第一半導體層的第二表面及所述基底與第一半導體層接觸的表面為所述複數三維奈米結構形成的圖案化的表面，其中每一所述三維奈米結構包括一第一凸棱及一第二凸棱，所述第一凸棱與第二凸棱並排延伸，相鄰的第一凸棱與第二凸棱之間具有一第一凹槽，相鄰的三維奈米結構之間形成第二凹槽，所述第一凹槽的深度小於第二凹槽的深度，所述活性層與所述第一半導體層接觸的表面與所述第一半導體層所述圖案化的表面相嚙合。
[17] 如申請專利範圍第16項所述的發光二極體，其中，所述活性層遠離第一半導體層的表面進一步包括複數所述三維奈米結構。
[18] 如申請專利範圍第16項所述的發光二極體，其中，所述第一半導體層的第一表面與所述基底圖案化的表面相嚙合。
[19] 一種發光二極體，其包括：一第一半導體層、一活性層及一第二半導體層依次層疊設置於一基底一表面，所述第一半導體層與所述基底接觸設置，所述第二半導體層遠離活性層的表面為所述發光二極體的出光面，一第一電極與所述第一半導體層電連接，一第二電極與所述第二半導體層電連接，其改良在於，所述活性層至少一表面為複數三維奈米結構並排延伸形成的圖案化的表面，所述第二半導體層遠離活性層的表面及所述基底與第一半導體層接觸的表面中的至少一表面為複數三維奈米結構並排延伸形成的圖案化的表面，每一三維奈米結構沿其延伸方向上的橫截面為M形。

类似技术:

公开号 | 公开日 | 专利标题

TWI450419B|2014-08-21|發光二極體

US10522715B2|2019-12-31|Light-emitting device having a patterned surface

TWI488335B|2015-06-11|發光二極體

US8946729B2|2015-02-03|Light emitting diode

US9831385B2|2017-11-28|Semiconductor light-emitting devices

US20060278888A1|2006-12-14|Vertically-structured nitride semiconductor light emitting diode

TWI483422B|2015-05-01|發光二極體

JP4957130B2|2012-06-20|発光ダイオード

TWI478379B|2015-03-21|發光二極體

TWI426627B|2014-02-11|發光二極體

JP2012033521A|2012-02-16|基板、及び発光素子

TW201316550A|2013-04-16|發光二極體

KR100832070B1|2008-05-27|질화갈륨계 발광 다이오드 소자

TW201501351A|2015-01-01|發光二極體製造方法

US20090159916A1|2009-06-25|Light source with reflective pattern structure

KR102192428B1|2020-12-17|고효율 발광 다이오드

TWI478386B|2015-03-21|白光led

TWI501422B|2015-09-21|發光二極體的製備方法

KR100756842B1|2007-09-07|광추출용 컬럼들을 갖는 발광 다이오드 및 그것을 제조하는방법

KR20110139813A|2011-12-30|고효율 발광 다이오드

TWI496322B|2015-08-11|發光二極體

同族专利:

公开号 | 公开日

CN103137803B|2015-08-26|

TWI450419B|2014-08-21|

US8946753B2|2015-02-03|

US20150069326A1|2015-03-12|

CN103137803A|2013-06-05|

US9202977B2|2015-12-01|

US20140091276A1|2014-04-03|

US8629424B2|2014-01-14|

US20130140519A1|2013-06-06|

引用文献:

公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题

US6313397B1|1998-08-31|2001-11-06|Sharp Kabushiki Kaisha|Solar battery cell|

CN1292493C|1999-12-03|2006-12-27|美商克立股份有限公司|藉由内部及外部光学组件之使用而加强发光二极管中的光放出|

JP2003069061A|2001-08-24|2003-03-07|Sharp Corp|積層型光電変換素子|

JP3782357B2|2002-01-18|2006-06-07|株式会社東芝|半導体発光素子の製造方法|

US8035113B2|2004-04-15|2011-10-11|The Trustees Of Boston University|Optical devices featuring textured semiconductor layers|

KR100668964B1|2005-09-27|2007-01-12|엘지전자 주식회사|나노 홈을 갖는 발광 소자 및 그의 제조 방법|

KR101330251B1|2007-03-06|2013-11-15|서울바이오시스 주식회사|패터닝된 기판 상에 질화물 반도체층을 형성하는 방법 및그것을 갖는 발광 다이오드|

JP4276684B2|2007-03-27|2009-06-10|株式会社東芝|半導体発光装置及びその製造方法|

TW200919773A|2007-10-23|2009-05-01|Univ Nat Central|Light emitting diode substrate using nano/micro spheres as periodical structure|

CN101939820B|2008-02-15|2012-02-08|三菱化学株式会社|外延生长用基板、GaN类半导体膜的制造方法、GaN类半导体膜、GaN类半导体发光元件的制造方法以及GaN类半导体发光元件|

US8247822B2|2008-09-11|2012-08-21|Huga Optotech Inc.|Semiconductor light-emitting device|

US8288195B2|2008-11-13|2012-10-16|Solexel, Inc.|Method for fabricating a three-dimensional thin-film semiconductor substrate from a template|

MY159267A|2009-03-24|2016-12-30|Solexel Inc|Method for fabricating a three-dimensional thin-film semiconductor substrate from a template|

JP5229270B2|2010-05-14|2013-07-03|豊田合成株式会社|Ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子の製造方法|

US8624279B2|2011-06-02|2014-01-07|Sino-American Silicon Products Inc.|Light emitting diode substrate and light emitting diode|

CN103137804B|2011-12-03|2015-09-30|清华大学|发光二极管|CN103030106B|2011-10-06|2015-04-01|清华大学|三维纳米结构阵列|

CN103035798B|2011-10-07|2015-08-26|清华大学|发光二极管|

CN103035799B|2011-10-07|2015-08-26|清华大学|发光二极管|

CN103035800B|2011-10-07|2016-06-08|清华大学|发光二极管|

CN103137804B|2011-12-03|2015-09-30|清华大学|发光二极管|

CN103137811B|2011-12-03|2015-11-25|清华大学|发光二极管|

CN104253179A|2013-06-28|2014-12-31|晶能光电（江西）有限公司|一种GaN基LED外延片的制备方法|

JP2015018878A|2013-07-09|2015-01-29|株式会社東芝|半導体発光素子及びその製造方法|

US9502615B2|2014-11-13|2016-11-22|Epistar Corporation|Light-emitting diode device|

WO2018035331A1|2016-08-17|2018-02-22|The Regents Of The University Of California|Iii-nitride tunnel junction light emitting diode with wall plug efficiency of over seventy percent|

US10672948B2|2017-12-15|2020-06-02|Saphlux, Inc.|Methods for producing light extraction structures for semiconductor devices|

US10665752B2|2017-12-15|2020-05-26|Saphlux, Inc.|Air void structures for semiconductor fabrication|

法律状态:

优先权:

申请号 | 申请日 | 专利标题

CN201110395475.1A|CN103137803B|2011-12-03|2011-12-03|发光二极管|

[返回顶部]