专利名称：半导体发光结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种发光元件，且特别是涉及一种具有图案化结构的半导体发光结构。
背景技术：
发光二极管(Light-Emitting Diode, LED)主要是通过电能转化为光能的方式发光。发光二极管的主要的组成材料是半导体，其中含有带正电的空穴比率较高的称为P型半导体，含有带负电的电子比率较高的称为N型半导体。P型半导体与N型半导体相接处形成PN接面。在发光二极管的正极及负极两端施加电压时，电子将与空穴结合。电子与空穴结合后便以光的形式发出。
由于发光二极管具有寿命长、温度低、能源利用率高等优点，近年来发光二极管已广泛应用于背光模块、台灯、交通号志灯、车用煞车灯等。传统光源已逐渐被发光二极管所取代。然而，发光二极管的半导体基板(substrate)的折射系数远高空气的折射系数，朝基板的方向射出的光线很容易进入基板内，但进入基板内的光线由于基板/空气界面处发生全反射而折返，因而导致大部分的光线被局限在基板内部而无法取出，进而导致光取出效率不佳。
发明内容
本发明的目的在于提供一种半导体发光结构，通过具有图案化结构的基板来增加光反射及散射，以提高光取出效率。根据本发明的一方面，提出一种半导体发光结构，其包括一基板、一图案化结构、一第一半导体层、一活化层以及一第二半导体层。图案化结构凸出或凹陷于基板的一表面，以使基板的表面成为一粗化面。图案化结构具有一非对称的几何形状。第一半导体层配置于粗化面上。活化层配置于第一半导体层上。第二半导体配置于活化层上。在一实施例中，非对称的几何形状包括不等边三角形、不等边梯形、不等边且不平行的多边形或其组合。在一实施例中，非对称的几何形状包括不等曲率的圆弧形。为了对本发明的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下
图I为本发明一实施例的半导体发光结构的示意图；图2为本发明一实施例的半导体发光结构的示意图；图3为本发明一实施例的半导体发光结构的示意图；图4A 图4D分别为本发明一实施例的图案化结构的立体示意图5为本发明一实施例的图案化基板的不意图。主要元件符号说明100a、100b、IOOc :半导体发光结构110:基板111,311 :表面Illa:粗化面112、312 :图案化结构
112a:凸出部112b:凹陷部113、213 :不等边三角形114:不等边梯形115 :不等边且不平行的多边形T11、T12:斜边116、316 :不等曲率的圆弧形120 :外延层122 :无掺杂的半导体层124 :第一半导体层126 :活化层128 :第二半导体层210a :三角锥210b :三角柱210c:四角锥210d:四角柱214、214a 214h :不等边四边形310:图案化基板S1、T1 :第一斜边S2、T2:第二斜边SO、T0:底边P :顶点L :光线Θ I :第一夹角Θ 2 :第二夹角
具体实施例方式本实施例的半导体发光结构，是利用凸出及/或凹陷于基板表面的图案化结构，使基板的表面具有特定几何形状的凸出部及/或凹陷部。凸出部是指凸出于基板表面的部分，而凹陷部是指凹陷于基板表面的部分。通常，凸出部与凹陷部是伴随着产生，当凸出部形成于基板表面时，相对位置较低的部分可做为凹陷部；而当凹陷部形成于基板表面时，相对位置较高的部分可做为凸出部。因此，在本实施例中，当图案化结构形成在基板表面时，无论是随机地或规则性地形成凸出部及/或凹陷部，只要基板表面具有高低起伏的特定几何形状，且能达到相同或相似的功效者，均可视为可预期的凸出部及/或凹陷部。以下是提出各种实施例进行详细说明，实施例仅用以作为范例说明，并非用以限缩本发明欲保护的范围。此外，为了简化说明，下列的实施例仅绘示凸出型态的图案化结构，但并不表示本发明所欲保护的范围仅限于此。可想而知，凹陷型态的图案化结构也包含在内。第一实施例请参照图1，其绘示依照本发明一实施例的半导体发光结构的示意图。半导体发光结构IOOa包括一基板110、一图案化结构112、一第一半导体层124、一活化层126以及一第二半导体层128。图案化结构112凸出或凹陷于基板110的一表面111，以使基板110的表 面111成为一粗化面111a。图案化结构112具有一非对称的几何形状(如虚线113所圈示者)。第一半导体层124配置于粗化面Illa上。活化层126配置于第一半导体层124上。第二半导体配置于活化层126上。在本实施例中，图案化结构112例如以非等向性蚀刻(Anisotropic etching)或反应式蚀刻(Reactive etching)的方式形成于基板110的表面111上，以使基板110的表面111具有非对称的几何形状的凸出部112a(或凹陷部112b)。常用的非等向性蚀刻，是以气体作为主要的蚀刻媒介，并通过等离子体能量来驱动反应。等离子体会将蚀刻气体分子分解,产生能够快速蚀去基板110材料的高活性分子。此外，等离子体也会把这些气体分子离子化，使其带有电荷。将基板110设置于带负电的阴极之上，因此当带正电荷的离子被阴极吸引并加速向阴极方向前进时，会以特定角度撞击到基板110的表面111，以获得具有特定几何形状的图案化结构112。此外，反应式蚀刻是结合物理性的离子轰击与化学反应的蚀亥IJ，此种方式兼具非等向性与高蚀刻选择比的优点，可使一部分表面不被离子轰击而保留原来的形状，另一部分表面被离子轰击后再与蚀刻气体反应而形成不同的形状，由此可获得具有非对称几何形状的图案化结构112。在一实施例中，非对称的几何形状包括不等边三角形、不等边梯形、不等边且不平行的多边形或其组合。以下就不同几何形状的图案化结构112逐一说明，但非用以限制本发明。请参照图1，其绘示多个规则间隔且等高分布的不等边三角形113，其分别具有相对的一第一斜边SI以及一第二斜边S2。第一斜边SI与第二斜边S2相交于顶点P,并分别与底边SO相交。第一斜边SI与基板表面(底边S0)之间具有一第一夹角Θ1(内角)，第二斜边S2与基板表面(底边S0)之间具有一第二夹角Θ 2(内角)。由于第一夹角Θ I不等于第二夹角Θ 2，因此第一斜边SI的长度也不等于第二斜边S2的长度，以形成一不等边三角形113。在一实施例中，第一夹角Θ I可介于30 90度之间，第二夹角Θ 2可介于30 90度之间。接着，请参照图2的半导体发光结构100b，其绘示多个规则间隔且等高分布的不等边梯形114,其分别具有相对的一第一斜边Tl以及一第二斜边T2。第一斜边Tl与第二斜边T2不平行且不等长，且分别与底边TO相交。第一斜边Tl与基板表面(底边T0)之间具有一第一夹角Θ I (内角)，第二斜边T2与基板表面(底边T0)之间具有一第二夹角9 2(内角)。由于第一夹角Θ I不等于第二夹角Θ 2，因此第一斜边Tl的长度也不等于第二斜边T2的长度，以形成一不等边梯形114。在一实施例中，第一夹角Θ I可介于30 90度之间，第二夹角Θ 2可介于30 90度之间。接着，请参照图3的半导体发光结构100c，其绘示随机排列的不等边三角形113、不等边梯形114、不等边且不平行的多边形115以及不等曲率的圆弧形116。其中，不等边且不平行的多边形115例如为四边形或五边形，其具有相对的一第一斜边Tl以及一第二斜边T2。第一斜边Tl与第二斜边T2不平行且不等长，且分别与底边TO相交。第一斜边Tl并非为单一斜率，而是由不同倾度的至少两个斜边Tll及T12所组成，因此第一斜边Tl为多重斜率的斜边，以增强光散射的效果。此外，不等曲率的圆弧形116例如为椭圆形、类椭圆形或蛋形，其具有连续曲率变化的切线轨迹所形成的圆弧，且垂直切线的法线等分地或不等分地通过两焦点之间的连线。因此，本实施例可通过多曲率变化的圆弧形116来增强光散射的效果。接着，请同时参照图I、图2及图3，当基板110的表面111形成上述所介绍的具有非对称几何形状的图案化结构112之后，更可形成一无掺杂的半导体层122于第一半导体 层124与图案化结构112之间。相对于第一半导体层124与第二半导体层128掺杂五价元素(例如磷、砷、锑)与三价元素(例如铝、镓、铟)而分别形成P型半导体层与N型半导体层，无掺杂的半导体层122不掺杂任何元素(例如硅)，可做为第一半导体层124与基板110之间的缓冲层，以利于后续以有机金属气相沈积法(MOCVD)在高温下成长外延层120 (例如氮化镓)于基板110上，以做为一发光二极管。在本实施例中，基板110的种类可包括蓝宝石基材、碳化娃基材或娃基材。外延层120由下而上依序为第一半导体层124、活化层126以及第二半导体层128。当施加电压于第一半导体层124与第二半导体层128时，活化层126中的电子将与空穴结合，再以光的形式发出。此外，夕卜延层120的结晶方向、极性及差排浓度(dislocation density)会影响外延层120的品质。本实施例中，利用具有非对称几何形状的图案化结构112可使外延层120中的差排往水平方向延伸而弯曲(bending),以避免穿隧差排(threading dislocation)产生并向上延伸至活化层126，而影响活化层126的发光效率。另外，粗化面Illa的图案化结构112可使朝基板110的方向射出的光线L产生反射及散射，以使光线L向外散射而不容易进入基板110内，进而提高光取出效率。第二实施例图4A 图4D分别绘示依照本发明一实施例的图案化结构112的立体示意图。为了简化附图，仅示例地绘示单一个图案化型态的结构，但并不表示本发明所欲保护的范围仅限于此。可想而知，多个随机排列或规则性排列的图案化型态也包含在本结构内。请参照图4A及图4B，非对称的几何形状包括三角锥210a或三角柱210b。在图4A中，三角锥210a由三个交会于顶点的不等边三角形213所组成，每一个不等边三角形213均具有不等长的二侧边SI、S2，如第一实施例中所述的不等边三角形113 (参见图1)，以形成一非对称的三角锥210a。此外，在图4B中，三角柱210b由两个不等边三角形213以及两个不等边四边形214所组成，每一个不等边三角形213均具有不等长的二侧边S1、S2，如第一实施例中所述的不等边三角形113(参见图I)，而每一个不等边四边形214连接于两相对的不等边三角形213之间，以形成一非对称的三角柱210b。接着，请参照图4C及图4D，非对称的几何形状包括四角锥210c或四角柱210d。在图4C中，以平顶的四角锥为例(但也可为尖顶的四角锥)，其具有四个不等边四边形214a 214d(或不等边的三角形)。在图4D中，四角柱210d具有四个不等边四边形214e 214h。每一个不等边四边形214a 214h均具有不等长的二侧边T1、T2，如第一实施例中所述的不等边梯形114(参见图2)或四边形，以形成一非对称的四角锥210c或四角柱210d。第三实施例请参照图5,其绘不依照本发明一实施例的图案化基板的不意图。图案化基板310可为蓝宝石基材、碳化硅基材或硅基材的基板。虽然本实施例仅绘示图案化基板310，但并不表示本发明所欲保护的范围仅限于此。如第一实施例所述，本实施例也可将第一半导体层124配置于图案化基板310的表面311上。之后，活化层126配置于第一半导体层124上，第二半导体配置于活化层126上，以构成一半导体发光结构。本实施例与上述实施例不同的是，图案化结构312并非以岛状型态分布于基板的表面311上，而是以条状型态分布于基板的表面311上。图案化结构312具有条状型态的非对称的几何形状，其可包括不等边三角形313、不等边梯形314、不等边且不平行的多边形、不等曲率的圆弧形316或其组合。有关图案化结构312的制作方法及细节，已详细地描述于第一实施例中，本实施例可通过调整制作工艺条件来改变非等向性蚀刻或反应式蚀刻的·参数，用于获得具有非对应几何形状的图案化结构312，并使图案化结构312以条状型态分布于基板的表面311上。本发明上述实施例所揭露的半导体发光结构，是利用凸出及/或凹陷于基板表面的图案化结构，使基板的表面具有特定几何形状的凸出部及/或凹陷部。由于图案化结构具有非对称的几何形状，并可使发光二极管朝基板的方向射出的光线经由图案化结构反射及散射，以使光线向外散射而不容易进入基板内，进而提高发光二极管的光取出效率。综上所述，虽然结合以上较佳实施例揭露了本发明，然而其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中熟悉此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围应以附上的权利要求所界定的为准。
权利要求
1.一种半导体发光结构,包括 基板； 图案化结构，凸出或凹陷于该基板的一表面，以使该表面成为一粗化面，该图案化结构具有一非对称的几何形状； 第一半导体层，配置于该粗化面上； 活化层，配置于该第一半导体层上；以及 第二半导体层，配置于该活化层上。
2.如权利要求I所述的半导体发光结构，其中该图案化结构以岛状或条状型态分布于该基板的该表面。
3.如权利要求I所述的半导体发光结构，其中该非对称的几何形状包括不等边三角形、不等边梯形、不等边且不平行的多边形或其组合。
4.如权利要求I所述的半导体发光结构，其中该非对称的几何形状包括具有多个不等边三角形的三角柱或三角锥。
5.如权利要求I所述的半导体发光结构，其中该非对称的几何形状包括具有多个不等边四边形的四角柱或四角锥。
6.如权利要求I所述的半导体发光结构，其中该非对称的几何形状包括不等曲率的圆弧形。
7.如权利要求3所述的半导体发光结构，其中该非对称的几何形状具有相对的第一斜边以及第二斜边，该第一斜边与该表面之间具有第一夹角，该第二斜边与该表面之间具有第二夹角，该第一夹角不等于该第二夹角。
8.如权利要求7所述的半导体发光结构，其中该第一夹角介于30 90度之间，该第二夹角介于30 90度之间。
9.如权利要求I所述的半导体发光结构，其中该基板为蓝宝石基材、碳化硅基材或硅基材O
10.如权利要求I所述的半导体发光结构，还包括无掺杂的半导体层，配置于该第一半导体层与该图案化结构之间。
全文摘要
本发明公开一种半导体发光结构，其包括一基板、一图案化结构、一第一半导体层、一活化层以及一第二半导体层。图案化结构凸出或凹陷于基板的一表面，以使基板的表面成为一粗化面。图案化结构具有一非对称的几何形状。第一半导体层配置于粗化面上。活化层配置于第一半导体层上。第二半导体配置于活化层上。
文档编号H01L33/02GK102800769SQ20111016523
公开日2012年11月28日 申请日期2011年6月20日 优先权日2011年5月23日
发明者余长治, 林孟毅 申请人:隆达电子股份有限公司