专利名称：具有网状通道的固态发光元件及其制作方法
技术领域：
本发明涉及一种产生光的固态发光元件及其制作方法，特别是涉及一种具有网状通道的固态发光元件及其制作方法。
背景技术：
固态发光元件，例如发光二极管，是将电能转换成光能的半导体装置，就输入的电能与转换释放出的光能的关系而言，大致有内部量子效率(internal quantum efficiency)、外部量子效率(external quantum efficiency),以及光取出效率 (extraction efficiency)等三种,而光取出效率直接影响发光二极管的发光亮度与均勻度，因此，如何改善、调整发光二极管的光取出效率一直是很重要的课题。如图I所示，图I是说明现有的发光二极管结构的剖视示意图。以发光二极管为例，以往的固态发光元件包含一块基板11、一个连接在该基板11上的发光层单元12，及一组电极单元13。该基板11通常是易于供氮化镓系半导体材料磊晶成长的材质，例如蓝宝石 (sapphire)所构成，且呈现平板状态。该发光层单元12是以氮化镓系半导体材料自该基板11向上形成，并包括一层呈现平板状态的层体121，该层体121的结构为一层以第一型半导体材料(η型半导体材料) 嘉晶形成在该基板上的第一披覆层122(n_typecladding layer)、一层以第二型半导体材料(P型半导体材料)嘉晶形成在该第一披覆层上的第二披覆层124(p_type cladding layer)，及一层位于该第一披覆层122、第二披覆层124之间而在供给电能时以电子-电洞复合转换产生光的发光区123 (active region)。该电极单元13包括分别与该第一披覆层122、第二披覆层124电连接且形成欧姆接触的一个第一电极131和一个第二电极132，并可配合外部电路(图未示)而对该发光层单元12提供电能。当外部电路经该电极单元13对该发光层单元12提供电能时，电能经该第一披覆层122、第二披覆层124至该发光区123而以光电效应产生光，发出的光部分直接穿过该第二披覆层124而正向发光；部分朝向该基板11方向行进的光，则因为该发光层单元12及该基板11皆为平坦的平板结构，所以光在接触基板11反射后的角度与入射角恒相同而无法再改变，也就是说，朝向该基板11方向行进的光几乎不可能再被反射后朝向第二披覆层 124方向正向射出至外界，也因此，整体元件的光取出效率极低。如图2所示，图2是说明一般具有图案化基板的发光二极管结构的剖视示意图。为增加光取出效率，一般方法则是将基板改良成图案化基板21，以提升元件整体的光取出效率。该图案化基板21的顶面具有多个彼此间隔且规则排列的图案(pattern)，图标中以朝该发光层单元12凸出的半球形凸点211作说明。借由该图案化基板21的多个凸点 211形成不平整的表面，使该发光层单元12发出并朝向该图案化基板21行进的光被反射时具有多种反射角度，而能改变行进方向并反向于该图案化基板21方向行进而穿过该第二披覆层124至外界，进而增加光取出效率。虽然，以该图案化基板21所构成的固态发光元件的整体光取出效率确实较平坦基板所构成的固态发光元件有所提升，但是，图案化基板21是先以具有完整晶格排列的平板状态晶圆，再经过多数次微影、蚀刻等工艺所制作，而在实施这些工艺例如蚀刻过程中必然会破坏最初平坦状态的晶圆顶面的晶格完整度，导致在该图案化基板21上磊晶形成该发光层单元12时容易产生非必要性的空隙(void)或缺陷(dislocation),反而降低该发光层单元12的内部量子效率，而使得整体发光效率下降。由此可见，上述现有的单纯以图案化基板来提升固态发光元件的光取出效率的改良方法及所制作的固态发光元件在产品结构、制作方法与使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。为了解决上述存在的问题，相关厂商莫不费尽心思来谋求解决之道，但长久以来一直未见适用的设计被发展完成，而一般产品及方法又没有适切的结构及方法能够解决上述问题，此显然是相关业者急欲解决的问题。因此如何能创设一种新的具有网状通道的固态发光元件及其制作方法，实属当前重要研发课题之一，亦成为当前业界极需改进的目标。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有的单纯以图案化基板来提升固态发光元件的光取出效率的固态发光元件存在的缺陷，而提供一种新型结构的具有网状通道的固态发光元件， 所要解决的技术问题是使其通过在固态发光元件内形成网状通道，使得由发光层单元产生并朝向基板方向行进的光被反射而导正为正向发光的机率增加，从而使固态发光兀件能够具有良好的高亮度及光均匀度，非常适于实用。本发明的另一目的在于，克服现有的单纯以图案化基板来提升固态发光元件的光取出效率的改良方法存在的缺陷，而提供一种新型结构的具有网状通道的固态发光元件的制作方法，所要解决的技术问题是使其通过在固态发光元件内形成网状通道，使得由发光层单元产生并朝向基板方向行进的光被反射而导正为正向发光的机率增加，使所制得的固态发光元件能够具有良好的高亮度及光均匀度，从而更加适于实用。本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种具有网状通道的固态发光兀件，包含一块基板、一个发光层单兀，及一组电极单兀。该发光层单元连接在该基板上并在接受电能后产生光，且具有一层层体，及多个间隔地自该层体底面向下延伸而与该基板连接的块体，且该层体的底面、所述块体与该基板的顶面共同界定出一个网状通道的结构；该电极单元电连接于该发光层单元，且与外部电路配合提供电能至该发光层单元，使该发光层单元发光。本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。较佳地，前述的具有网状通道的固态发光元件，其中所述的块体成间距是2 10 μ m的规则排列，且所述块体与该基板的顶面连接的表面至该层体的底面的距离不大于 10 μ m。较佳地，前述的具有网状通道的固态发光元件，其中所述的网状通道中存在有空气。
较佳地，前述的具有网状通道的固态发光元件，其中所述的固态发光元件还包含一层形成在该发光层单元上且能让该发光层单元发出的光穿透的透明导电层，该透明导电层可导电并具有远低于该发光层单元的电阻值。本发明的目的及解决其技术问题还采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的一种具有网状通道的固态发光元件的制作方法，包含一个图案化步骤、一个发光层单元成长步骤、一个移除步骤，及一个电极单元设置步骤。该图案化步骤是在一块基板上形成一个网状的牺牲结构，使该基板顶面预定区域裸露。该发光层单元成长步骤是自该基板裸露的顶面区域向上形成多个块体至与该牺牲结构顶面共平面后，继续自所述块体与该牺牲结构共同构成的平面向上形成一层层体， 使所述块体与该层体构成一个在提供电能时以光电效应产生光的发光层单元。该移除步骤是移除该牺牲结构使得该发光层单元的层体的底面、所述块体与该基板的顶面共同界定形成一个形态对应于该牺牲结构的网状通道。该电极单元设置步骤是对该发光层单元设置一组与外部电路配合以提供电能至该发光层单元的电极单元。本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。较佳地，前述的具有网状通道的固态发光元件的制作方法，其中所述的图案化步骤中的该牺牲结构是由与该基板和该发光层单元的构成材料的选择蚀刻比高的材料所构成。较佳地，前述的具有网状通道的固态发光元件的制作方法，其中所述的图案化步骤是先以与该基板盒盖发光层单元的构成材料的选择蚀刻比高的材料在该基板上形成一层牺牲层后，以黄光蚀刻工艺将该牺牲层定义形成该牺牲结构。较佳地，前述的具有网状通道的固态发光元件的制作方法，其中所述的图案化步骤定义的该牺牲结构包括多个相连接且等高的栅壁而成网状。较佳地，前述的具有网状通道的固态发光元件的制作方法，其中所述的移除步骤是以化学湿蚀刻工艺移除该牺牲结构。较佳地，前述的具有网状通道的固态发光元件的制作方法，还包含一个透明导电层设置步骤，在该发光层单元相反于所述块体的顶面形成一层能让该发光层单元发出的光穿透的透明导电层，其中，该透明导电层以可导电并具有远低于该发光层单元电阻值的材料构成。本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案，本发明具有网状通道的固态发光元件及其制作方法至少具有下列优点及有益效果本发明提供的具有网状通道的固态发光元件及其制作方法，利用该网状通道，使该发光层单元产生并朝向基板方向行进的光被反射而导正为正向发光的机率增加，提高了该固态发光元件的整体发光亮度及均匀度。综上所述，本发明是有关于一种具有网状通道的固态发光元件及其制作方法。该具有网状通道的固态发光元件，包含基板、形成在基板上并在提供电能时产生光的发光层单元，及配合外部电路提供电能至发光层单元的电极单元，特别的是，发光层单元具有一层层体，及多个间隔地自层体底面向下延伸而与基板连接的块体，且该层体的底面、所述块体与该基板的顶面共同界定出一个网状通道的结构，借此使得由发光层单元产生并朝向基板方向行进的光有较高的机率被反射，进而有效提高了固态发光元件的整体发光亮度；另外， 本发明还提供了该具有网状通道的固态发光元件的制作方法。本发明在技术上有显着的进步，并具有明显的积极效果，诚为一新颖、进步、实用的新设计。上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段， 而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
图I是说明现有的发光二极管结构的剖视示意图。图2是说明一般具有图案化基板的发光二极管结构的剖视示意图。图3是本发明具有网状通道的固态发光元件的第一较佳实施例的剖视示意图。图4是说明该第一较佳实施例中在基板上方的网状通道的俯视示意图。图5是说明该第一较佳实施例的制作方法的流程图。图6是说明在基板上形成网状的牺牲结构的示意图。图7是本发明具有网状通道的固态发光元件的第二较佳实施例的剖视示意图。图8是说明该第二较佳实施例的制作方法的流程图。
具体实施例方式为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的具有网状通道的固态发光元件及其制作方法其具体实施方式
、结构、方法、步骤、特征及其功效，详细说明如后。有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合参考图式的较佳实施例的详细说明中将可清楚呈现。通过具体实施方式
的说明，应当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效获得一更加深入且具体的了解，然而所附图式仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。请参阅图3、图4所示，图3是本发明具有网状通道的固态发光元件的第一较佳实施例的剖视示意图。图4是说明该第一较佳实施例中在基板上方的网状通道的俯视示意图。本发明一种具有网状通道的固态发光元件的一个第一较佳实施例包含一块基板31、一个发光层单元32，及一组电极单元33。该基板31呈平坦状且以蓝宝石为主要材料制成。该发光层单元32设置于该基板31上，并具有一层层体321及多个块体325。所述块体325间隔排列地自该层体321底面往该基板31方向一体延伸，而与该基板31的顶面彼此相连结，而使得该层体321的底面、所述块体325的侧面，及该基板31的顶面共同配合界定出一个含有空气的网状通道34的结构，较佳地，所述块体325的间距为2 μ m 10 μ m， 且该层体321的底面到该基板31的顶面的距离不大于10 μ m。在物理结构上，该发光层单元32具有一层以第一型半导体材料(η型半导体材料) 嘉晶形成的第一披覆层322(n_type cladding layer)、一层以第二型半导体材料(也就是P型半导体材料)嘉晶形成在该第一披覆层322上的第二披覆层324(p-type claddinglayer)，及一层位于该第一披覆层322、第二披覆层324间而在提供电能时以电子_电洞复合转换产生光的发光区323 (active region)。该电极单元33包括分别与该第一披覆层322、第二披覆层324电连接并形成欧姆接触的一个第一电极331和一个第二电极332，且可配合外部电路(图未示出)而对该发光层单元32提供电能。当配合外部电路经该电极单元33对该发光层单元32提供电能时，电能经该第一披覆层322、第二披覆层324至该发光区323而以光电效应产生光，发出的光部分直接穿过该第二披覆层324而正向发光；部分朝向该基板31方向行进的光，则因为该发光层单元32 的层体321的底面、所述块体325与该基板31的顶面所构成的网状通道34以及该网状通道34中的空气，而大幅提高反射后朝相反于该基板31方向行进并穿过该第二披覆层324 至外界的光量，从而大幅提升整体元件的光取出效率，而使元件具有更高的亮度。要另外说明的是，由于该基板31、网状通道34内的空气及块体325的折射率相异， 因此光在反射的过程中，不但可将反射的光经不同介质的折射而提升正向发光的机率，同时，还可以借着该基板31、网状通道34，及块体325的形态与彼此的位置而令光产生多次折射、散射，进一步增进正向发光的均匀度。上述本发明具有网状通道的固态发光元件的第一较佳实施例，在通过以下制作方法的说明后，应当可更加清楚明白。请参阅图5所示，图5是说明该第一较佳实施例的制作方法的流程图。上述该第一较佳实施例所述的具有网状通道的固态发光元件的制作方法依序包含一个图案化步骤51、 一个发光层单元成长步骤52、一个移除步骤53，及一个电极单元设置步骤54。请配合参阅图6所示，图6是说明在基板上形成网状的牺牲结构的示意图。首先进行图案化步骤51，在该蓝宝石基板31上以气相沉积的方式沉积一层以二氧化硅为材料而构成的牺牲层(图未示)，经由黄光的曝光及显影等过程界定出预定形状的图案，再在黄光工艺后配合蚀刻等工艺对该牺牲层作图案化动作以形成一层牺牲结构35，该牺牲结构 35包括多个彼此连接的栅壁351，所述栅壁351等高且相配合而成网状，使该基板31顶面预定区域裸露于外，且该基板31顶面预定区域之外的区域被该牺牲结构35所覆盖。此处牺牲层的构成材料主要是对应该基板31及该发光层单元32的构成材料而选择相对蚀刻比高的材料，而不以该第一较佳实施例所使用的材料为限。请参阅图3、图5及图6所示，接着进行该发光层单元成长步骤52，以磊晶的方式自该基板31顶面裸露、不被该牺牲结构35所覆盖的预定区域向上形成多个彼此间隔的块体325，并使所述块体325填覆满该预定区域；待所述块体325与该牺牲结构35的顶面共同界定出一个实质平坦的平面后，再继续自该平面以磊晶的方式向上形成该层体321。然后实施的是该移除步骤53，以湿蚀刻的方式对该图案化步骤51所形成的网状的牺牲结构35进行蚀刻，由于该牺牲结构35与该基板31及发光层单元32材料间的选择蚀刻比高，因此，湿蚀刻进行完成时，该基板31的顶面、所述块体325，及该层体321底面共同配合构成该网状通道34，且该网状通道34内含有空气。最后进行的是该电极单元设置步骤54，在该发光层单元32上设置分别与该发光层单元32的第一披覆层322、第二披覆层324电连接并形成欧姆接触的第一电极331、第二电极332，而构成该与外部电路相配合而可以传送电能至该发光层单元32的电极单元33，也就制得该第一较佳实施例的具有网状通道的固态发光元件。经过上述说明可知，主要是针对减低工艺中对元件本身伤害的前提下设计出具有网状通道的固态发光元件，并设计整体的工艺过程，特别是在保持该基板31本身用于向上磊晶形成发光层单元32的顶面的晶格排列完整的状况下，自预定区域先磊晶出块体325后再横向磊晶成长出层体321而构成该发光层单元32，因此，所制作出的发光层单元32具有较少的空隙或缺陷，相比较于目前直接利用的图案化基板制成的固态发光元件而言，具有更高的内部量子效率、光取出效率、整体发光亮度及发光均匀度。请参阅图7所示，是本发明具有网状通道的固态发光元件的第二较佳实施例的剖视示意图。本发明具有网状通道的固态发光元件的一个第二较佳实施例与该第一较佳实施例相似，其不同处仅在于本第二较佳实施例还包含一位于该发光层单元32顶面(也就是第二披覆层324上表面)与第二电极332间的透明导电层36,该透明导电层36以可导电、相对该发光层单元32发出的光是透明的，并具有远低于该发光层单元32的电阻值的材料构成，而使该第二电极332传送输入的电能经该透明导电层36横向散布后实质均匀地流过该发光层单元32，借此有效提高发光层单元32的内部量子效率，进而有效提升整体发光亮度与均匀度。请参阅图7、图8所示，图8是说明该第二较佳实施例的制作方法的流程图。本发明具有网状通道的固态发光元件的第二较佳实施例的制作方法与该第一较佳实施例的制作方法类似，不同处仅在于进行该电极单元设置步骤54之前还先进行一个透明导电层设置步骤55，即在尚未设置该电极单元33的第二电极332之前，先在该发光层单元32的第二批覆层324上以透明导电材料，例如氧化铟锡(ITO)镀覆形成该透明导电层36，之后，在该透明导电层36上设置该第二电极332而构成该电极单元33，而制得本第二较佳实施例具有网状通道的固态发光元件。在本例与图示中，是以实施该移除步骤53之后，及实施该电极设置步骤54之前实施该透明导电层设置步骤55作说明。综上所述，本发明主要是提供具有网状通道的固态发光元件及其制作方法，主要是在维持基板31具有平坦且晶格结构不受破坏的的顶面的状况下磊晶成长发光层单元 32，而使得形成的发光层单元32具有较少的缺陷与空隙，进而达到提升内部量子效率的目的，同时，借由在该基板31及发光层单元32间形成含有空气而具有不同折射率介质的网状通道34，而有效增加反射的光可正向出光，以及出光更均匀的机率，从而达到提升固态发光元件整体发光亮度及光均匀度的表现，确实达成本发明的目的。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
权利要求
1.一种具有网状通道的固态发光兀件，包含一块基板、一个发光层单兀，及一组电极单元，该发光层单元连接在该基板上并在接受电能后产生光，该电极单元电连接于该发光层单元，且与外部电路配合提供电能至该发光层单元，使该发光层单元发光；其特征在于该发光层单元还具有一层层体，及多个间隔地自该层体底面向下延伸而与该基板连接的块体，且该层体的底面、所述块体与该基板的顶面共同界定出一个网状通道的结构。
2.根据权利要求I所述的具有网状通道的固态发光元件，其特征在于所述块体成间距是 10 μ m的规则排列，且所述块体与该基板的顶面连接的表面至该层体的底面的距离不大于10 μ m。
3.根据权利要求2所述的具有网状通道的固态发光元件，其特征在于该网状通道中存在有空气。
4.根据权利要求3所述的具有网状通道的固态发光元件，其特征在于该固态发光元件还包含一层形成在该发光层单元上且能让该发光层单元发出的光穿透的透明导电层，该透明导电层可导电并具有远低于该发光层单元的电阻值。
5.一种具有网状通道的固态发光元件的制作方法，其特征在于该制作方法包含以下步骤一个图案化步骤，在一块基板上形成一个网状的牺牲结构，使该基板顶面预定区域裸一个发光层单元成长步骤，自该基板裸露的顶面区域向上形成多个块体至与该牺牲结构顶面共平面后，继续自所述块体与该牺牲结构共同构成的平面向上形成一层层体，使所述块体与该层体构成一个在接受电能时以光电效应产生光的发光层单兀；一个移除步骤，移除该牺牲结构使得该发光层单元的层体的底面、所述块体与该基板的顶面共同界定形成一个形态对应于该牺牲结构的网状通道；以及一个电极单元设置步骤，对该发光层单元设置一组与外部电路配合以提供电能至该发光层单元的电极单元。
6.根据权利要求5所述的具有网状通道的固态发光元件的制作方法，其特征在于该图案化步骤中的牺牲结构是由与该基板、和该发光层单元的构成材料的选择蚀刻比高的材料所构成。
7.根据权利要求6所述的具有网状通道的固态发光元件的制作方法，其特征在于该图案化步骤是先以与该基板、和该发光层单元的构成材料选择蚀刻比高的材料形成该基板上形成一层牺牲层后，以黄光蚀刻工艺将该牺牲层定义形成该牺牲结构。
8.根据权利要求7所述的具有网状通道的固态发光元件的制作方法，其特征在于该图案化步骤定义的该牺牲结构包括多个相连接且等高的栅壁而成网状。
9.根据权利要求6或9所述的具有网状通道的固态发光元件的制作方法，其特征在于 该移除步骤是以化学湿蚀刻工艺移除该牺牲结构。
10.根据权利要求9所述的具有网状通道的固态发光元件的制作方法，其特征在于该制作方法还包含一个透明导电层设置步骤，在该发光层单元相反于所述块体的顶面形成一层能与该发光层单元发出的光穿透的透明导电层，其中，该透明导电层以可导电并具有远低于该发光层单兀电阻值的材料构成。
全文摘要
本发明是有关于一种具有网状通道的固态发光元件及其制作方法。该具有网状通道的固态发光元件，包含基板、形成在基板上并在提供电能时产生光的发光层单元，及配合外部电路提供电能至发光层单元的电极单元，特别的是，发光层单元具有一层层体，及多个间隔地自层体底面向下延伸而与基板连接的块体，且该层体的底面、所述块体与该基板的顶面共同界定出一个网状通道的结构，借此使得由发光层单元产生并朝向基板方向行进的光有较高的几率被反射，进而有效提高了固态发光元件的整体发光亮度；另外，本发明还提供了该具有网状通道的固态发光元件的制作方法。
文档编号H01L33/36GK102593299SQ20121002286
公开日2012年7月18日 申请日期2012年1月10日 优先权日2011年1月17日
发明者唐修穆, 王德忠, 陈复邦, 陈铭胜, 颜志泓 申请人:隆达电子股份有限公司