專利名稱：半導(dǎo)體發(fā)光元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及——禾中半導(dǎo)體發(fā)光元件(semiconductor light—emitting device), 特別地，本發(fā)明涉及一種具有高度外部量子效率(external quantum efficiency) 的半導(dǎo)體發(fā)光元件。
背景技術(shù)：
現(xiàn)今半導(dǎo)體發(fā)光元件(例如，發(fā)光二極體)的應(yīng)用領(lǐng)域已甚為廣泛，例如按鍵系 統(tǒng)、手機(jī)螢?zāi)槐彻饽＝M、車輛照明系統(tǒng)、裝飾用燈飾及遙控領(lǐng)域等產(chǎn)品，皆見到半 導(dǎo)體發(fā)光元件被廣泛地應(yīng)用。為了讓半導(dǎo)體發(fā)光元件盡可能地確保較高的功能可靠 性以及較低的能源消耗，因此對于半導(dǎo)體發(fā)光元件皆須要求其本身的外部量子效 率。
原則上， 一半導(dǎo)體發(fā)光元件的外部量子效率取決于其本身的內(nèi)部量子效率 (internal quantum efficiency)以及釋放效率(extraction efficiency)。所謂的
內(nèi)部量子效率是由半導(dǎo)體發(fā)光元件的材料特性及品質(zhì)所決定。至于釋放效率則意謂 著從元件內(nèi)部發(fā)出至周圍空氣或封裝的環(huán)氧樹脂內(nèi)的輻射比例。釋放效率取決于輻 射離開元件內(nèi)部時所發(fā)生的損耗。造成上述損耗的主要原因之一是由于形成元件的 表面層的半導(dǎo)體材料具有較高的折射率，例如砷化鎵(GaAs)的折射率約為3.6。眾 所周知，高的折射率會導(dǎo)致光在該材料表面產(chǎn)生全反射(total reflection)而無法 發(fā)射出去。
在現(xiàn)有技術(shù)中，表面粗糙化的方法已被公開，該方法用以提升半導(dǎo)體發(fā)光元件 的外部量子效率。舉例而言，美國專利案號7， 102, 175即公開了在一種透明導(dǎo)電層 上形成許多微米結(jié)構(gòu)并呈現(xiàn)粗糙的表面形態(tài)的發(fā)光二極體。請參閱圖1。圖1顯示 了透明導(dǎo)電層上具有許多微米結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極體。
這種微米結(jié)構(gòu)為一周期性結(jié)構(gòu)，并且彼此間的間距為L。此外，半導(dǎo)體發(fā)光元 件所產(chǎn)生的光線的波長為入，而波長入與L之間存在一關(guān)系式為入SL^20入。因 此，這種微米結(jié)構(gòu)可以降低光線的全反射機(jī)率，以提升半導(dǎo)體發(fā)光元件的外部量子 效率。需注意的是，以上所述是從幾何光學(xué)的領(lǐng)域切入去解決反射率的問題，即以 光的粒子性去探討其折射及反射的現(xiàn)象。
理論上，若在半導(dǎo)體發(fā)光元件的出光面上形成納米結(jié)構(gòu)，并且納米結(jié)構(gòu)彼此間的間距是根據(jù)光線的波長而設(shè)計，則當(dāng)光線入射至出光面時，就能夠以光的波動性 去探討其穿透率，此即屬于次波長光學(xué)的領(lǐng)域。此外，若納米結(jié)構(gòu)本身的折射率配 合鄰近的介質(zhì)而經(jīng)過設(shè)計，將可以提高光的穿透率，使得半導(dǎo)體發(fā)光元件所產(chǎn)生的 光線幾乎穿透過出光面而發(fā)射出去，以大幅提升半導(dǎo)體發(fā)光元件的外部量子效率。 因此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種具有高度外部量子效率的半導(dǎo)體發(fā)光元 件，以解決上述的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一目的在于提供一種半導(dǎo)體發(fā)光元件。
根據(jù)本發(fā)明的一具體實施例，該半導(dǎo)體發(fā)光元件包含一基板(substrate)、 一 多層結(jié)構(gòu)(multi-layer structure)以及多個納米復(fù)合結(jié)構(gòu)(nano-scaled composite structure)。
該基板具有一上表面(叩per surface)及一下表面(lower surface)。該多層結(jié) 構(gòu)形成于該基板的該上表面上并且包含一發(fā)光區(qū)(light-emitting region)。該多 層結(jié)構(gòu)具有一頂表面(top surface)。
該多個納米復(fù)合結(jié)構(gòu)中的每一個納米復(fù)合結(jié)構(gòu)包含一第一納米層以及一第二 納米層。該第一納米層形成于該多層結(jié)構(gòu)的該頂表面上及/或該基板的該下表面上。 該第二納米層形成于該第一納米層上。特別地，該第一納米層的折射率大于該第二 納米層的折射率。
根據(jù)本發(fā)明的另一具體實施例為一種半導(dǎo)體發(fā)光元件。
該半導(dǎo)體發(fā)光元件包含一基板、 一多層結(jié)構(gòu)、多個第一納米層以及一第二納米層。
該基板具有一上表面。該多層結(jié)構(gòu)形成于該基板的該上表面上并且包含一發(fā)光 區(qū)。該多層結(jié)構(gòu)具有一頂表面。
該多個第一納米層形成于該多層結(jié)構(gòu)的該頂表面上。該第二納米層形成于該第 一納米層上并且形成于該多層結(jié)構(gòu)的該頂表面上。特別地，每一個第一納米層的折 射率大于該第二納米層的折射率。
根據(jù)本發(fā)明的另一具體實施例為一種半導(dǎo)體發(fā)光元件。
該半導(dǎo)體發(fā)光元件包含一基板、 一多層結(jié)構(gòu)、多個第一納米層以及一第二納米層。
該基板具有一上表面及一下表面。該多層結(jié)構(gòu)形成于該基板的該上表面上并且 包含一發(fā)光區(qū)。該多個第一納米層形成于該基板的該下表面上。該第二納米層形成 于該多個第一納米層上以及形成于該基板的該下表面上。特別地，每一個第一納米 層的折射率大于該第二納米層的折射率。相比現(xiàn)有技術(shù)，根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光元件是利用該第一納米層及該第二納 米層之間折射率的差異(即漸變折射率的概念)及控制該第一納米層彼此間的間距 以提升光線由半導(dǎo)體發(fā)光元件的內(nèi)部射向外界的穿透率，進(jìn)而增加半導(dǎo)體發(fā)光元件 的外部量子效率。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與精神可以由以下的發(fā)明詳述及所附圖式得到進(jìn)一步的了解。


圖1顯示了透明導(dǎo)電層上具有許多微米結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極體。
圖2A至圖2C顯示了根據(jù)本發(fā)明的一具體實施例的半導(dǎo)體發(fā)光元件的截面視圖。
圖3A及圖3B顯示了根據(jù)本發(fā)明的另一具體實施例的半導(dǎo)體發(fā)光元件的截面視圖。
圖4顯示了根據(jù)本發(fā)明的另一具體實施例的半導(dǎo)體發(fā)光元件的截面視圖。
具體實施例方式
請參閱圖2A至圖2C。圖2A至圖2C顯示了根據(jù)本發(fā)明的一具體實施例的半導(dǎo) 體發(fā)光元件l的截面視圖。
如圖2A至圖2C所示，該半導(dǎo)體發(fā)光元件1包含一基板10、 一多層結(jié)構(gòu)12以 及多個納米復(fù)合結(jié)構(gòu)14。
該基板10可由硅(Si)、氮化鎵(GaN)、氮化鋁(A1N)、藍(lán)寶石(sapphire)、尖 晶石(spi騰l)、碳化硅(SiC)、砷化鎵(GaAs)、三氧化二鋁(A1A)、 二氧化鋰鎵 (LiGaO》、二氧化鋰鋁(LiA102)或四氧化鎂二鋁(MgAlA)制成。
該基板10具有一上表面100及一下表面102。該多層結(jié)構(gòu)12是形成于該基板 10的該上表面100上并且包含一發(fā)光區(qū)120。該半導(dǎo)體發(fā)光元件1由該發(fā)光區(qū)120 發(fā)射光線。該多層結(jié)構(gòu)12具有一頂表面122。于一具體實施例中，該多層結(jié)構(gòu)12 的一最頂層可以是一透明導(dǎo)電層或一半導(dǎo)體材料層。因此，該頂表面122則可以是 該透明導(dǎo)電層或該半導(dǎo)體材料層的表面。
該多個納米復(fù)合結(jié)構(gòu)14中的每一個納米復(fù)合結(jié)構(gòu)14包含一第一納米層140以 及一第二納米層142。該第二納米層142形成于該第一納米層140上。
如圖2A所示，若光線由該半導(dǎo)體發(fā)光元件l本身的上方出光，該第一納米層 140可以形成于該多層結(jié)構(gòu)12的該頂表面122上?；蛘?，如圖2B所示，若光線由 該半導(dǎo)體發(fā)光元件1本身的下方出光，該第一納米層140可以形成于該基板10的 該下表面102上。又或者如圖2C所示，若光線同時由該半導(dǎo)體發(fā)光元件l本身的 上方及下方出光，該第一納米層140可以形成于該多層結(jié)構(gòu)12的該頂表面122上及該基板10的該下表面102上。特別地，該第一納米層140的折射率大于該第二 納米層142的折射率。
于此具體實施例中，該第一納米層140可以由硅(Si)所制成，但不以此為限。 此外，該第一納米層140可以由一電化學(xué)蝕刻(photochemical etching)制程 所形成。由該電化學(xué)蝕刻制程，該第一納米層140可以隨機(jī)地(random)形成于該多 層結(jié)構(gòu)12的該頂表面122上及/或該基板10的該下表面102上。原則上，該多個 納米復(fù)合結(jié)構(gòu)14彼此間的間距(pitch) P可以經(jīng)過設(shè)計，使得該間距P大致上小 于光線的四分之一個波長入。另外，由于該電化學(xué)蝕刻制程不需要使用光罩，因此 可以降低根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光元件1的制造成本。
該第一納米層140形成之后，該第一納米層140可以進(jìn)一步置于一熱氧化 (thermal oxidation)制程中以形成一氧化層(即該第二納米層142)于該第一納米 層140上。于一具體實施例中，該第二納米層142可以由二氧化硅(Si02)所制成， 但不以此為限。
需注意的是，該第一納米層140的折射率大于該第二納米層142的折射率。除 了該多個納米復(fù)合結(jié)構(gòu)14的該間距P大致上小于該光線的四分之一個波長入夕卜， 該第一納米層140及該第二納米層142的折射率可以分別配合鄰近的介質(zhì)而經(jīng)過設(shè) 計，如此將可以控制光線入射至該多個納米復(fù)合結(jié)構(gòu)14時的穿透率。
舉例而言，若該多層結(jié)構(gòu)12的該最頂層為一氮化鎵半導(dǎo)體材料層(折射率為 2. 5)，則該第一納米層140的折射率可以根據(jù)該氮化鎵半導(dǎo)體材料層的折射率而設(shè) 計，即可使第一納米層140的折射率低于氮化鎵半導(dǎo)體材料層的折射率。同樣地， 該第二納米層142的折射率可以根據(jù)空氣(折射率為l)的折射率而設(shè)計，即可使第 二納米層142的折射率高于空氣(折射率為1)的折射率。由此在原理上，使得從該 氮化鎵半導(dǎo)體材料層至空氣的折射率呈現(xiàn)遞減變化，實現(xiàn)漸變折射率。
如此，當(dāng)光線由該半導(dǎo)體發(fā)光元件l的內(nèi)部射向空氣時，基于漸變折射率的概 念，空氣與該氮化鎵半導(dǎo)體材料層之間折射率的差異變小，因此入射光的穿透率獲 得提升，致使該半導(dǎo)體發(fā)光元件1的光線大幅度地導(dǎo)出至該半導(dǎo)體發(fā)光元件1外而 提升其外部量子效率。
請參閱圖3A及圖3B。圖3A及圖3B顯示了根據(jù)本發(fā)明的另一具體實施例的半 導(dǎo)體發(fā)光元件2的截面視圖。
如圖3A及圖3B所示，該半導(dǎo)體發(fā)光元件2包含一基板20、 一多層結(jié)構(gòu)22、 多個第一納米層24以及一第二納米層26。
該基板20具有一上表面200及一下表面202。該多層結(jié)構(gòu)22形成于該基板20 的該上表面200上并且包含一發(fā)光區(qū)220。該多層結(jié)構(gòu)22具有一頂表面222。
如圖3A所示，若光線由該半導(dǎo)體發(fā)光元件2本身的上方出光，該多個第一納米層24形成于該多層結(jié)構(gòu)22的該頂表面222上。該第二納米層26形成于該多個第一納米層24上并且還形成于該多層結(jié)構(gòu)22的該頂表面222上。
如圖3B所示，若光線同時由該半導(dǎo)體發(fā)光元件2本身的上方及下方出光，該多個第一納米層24形成于該多層結(jié)構(gòu)22的該頂表面222上及該基板20的該下表面202上。該第二納米層26形成于該多個第一納米層24上、該多層結(jié)構(gòu)22的該頂表面222上及該基板20的該下表面202上。
該多個第一納米層24可以由硅所制成，并且該第二納米層26可以由一氧化層所制成。舉例而言，該氧化層可以是二氧化硅。
此外，該多個第一納米層24可以由一電化學(xué)蝕刻制程所形成。原則上，該多個第一納米層24彼此間的一間距P可以經(jīng)過設(shè)計，使得該間距P大致上小于該光線的四分之一個波長入。
于該第一納米層24形成之后，進(jìn)一步可以執(zhí)行一原子層沉積(atomic layerd印osition)制程以形成該氧化層(即該第二納米層26)于該多個第一納米層24上。
于實務(wù)上，原子層沉積制程具有以下優(yōu)點(diǎn)(l)可在原子等級控制材料的形成；(2)可更精準(zhǔn)地控制薄膜的厚度；(3)可大面積量產(chǎn)；(4)有優(yōu)異的均勻度(uniformity); (5)有優(yōu)異的三維包覆性(conformality); (6)無孔洞結(jié)構(gòu)；(7)缺陷密度小；以及(8)沉積溫度低…，等制程優(yōu)點(diǎn)。
同樣地，每一個第一納米層24的折射率大于該第二納米層26的折射率，其功能性及理由如上所述，在此不再贅述。
請參閱圖4。圖4顯示了根據(jù)本發(fā)明的另一具體實施例的半導(dǎo)體發(fā)光元件3的截面視圖。
如圖4所示，該半導(dǎo)體發(fā)光元件3包含一基板30、 一多層結(jié)構(gòu)32、多個第一納米層34以及一第二納米層36。
該基板30具有一上表面300及一下表面302。該多層結(jié)構(gòu)32形成于該基板30的該上表面300上并且包含一發(fā)光區(qū)320。于此實施例中，光線是由該半導(dǎo)體發(fā)光元件3本身的下方出光，因此該多個第一納米層34形成于該基板30的該下表面302上。該第二納米層36形成于該多個第一納米層34上以及形成于該基板30的該下表面302上。
同樣地，若光線同時由該半導(dǎo)體發(fā)光元件3本身的上方及下方出光，該多個第一納米層34形成于該多層結(jié)構(gòu)32的一頂表面322上及該基板30的該下表面302上。該第二納米層36是形成于該多個第一納米層34上、該多層結(jié)構(gòu)32的該頂表面322上及該基板30的該下表面302上。
于一具體實施例中，該多個第一納米層34可以由硅所制成，并且該第二納米層36可以由一氧化層所制成。舉例而言，該氧化層可以是二氧化硅。此外，該多個第一納米層34可以由一電化學(xué)蝕刻制程所形成。原則上，該多個第一納米層34彼此間的一間距P可以經(jīng)過設(shè)計，使得該間距P大致上小于該光線的四分之一個波長入。
同樣地，每一個第一納米層34的折射率是大于該第二納米層36的折射率，其
功能性及理由如上所述，在此不再贅述。
相比現(xiàn)有技術(shù)，根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光元件利用該第一納米層及該第二納米層的間折射率的差異(即漸變折射率的概念)及控制該第一納米層彼此間的間距以
提升光線由半導(dǎo)體發(fā)光元件的內(nèi)部射向外界的穿透率，進(jìn)而增加半導(dǎo)體發(fā)光元件的外部量子效率。
通過以上優(yōu)選實施例的詳述，是希望能更加清楚描述本發(fā)明的特征與精神，而并非以上述所公開的優(yōu)選實施例來對本發(fā)明的范圍加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排于本發(fā)明所欲申請的專利范圍的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體發(fā)光元件，包含一基板，該基板具有一上表面及一下表面；一多層結(jié)構(gòu)，該多層結(jié)構(gòu)形成于該基板的該上表面上并且包含一發(fā)光區(qū)，該多層結(jié)構(gòu)具有一頂表面；以及多個納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，每一個納米復(fù)合結(jié)構(gòu)包含一第一納米層，該第一納米層形成于該多層結(jié)構(gòu)的該頂表面上或該基板的該下表面上；以及一第二納米層，該第二納米層形成于該第一納米層上；其中該第一納米層的折射率大于該第二納米層的折射率。
2. 如權(quán)利要求l所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，該多個納米復(fù)合結(jié)構(gòu)彼 此間的間距小于發(fā)光區(qū)發(fā)射的光線的四分之一個波長。
3. 如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，該第一納米層由硅所制成。
4. 如權(quán)利要求l所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，該第二納米層由二氧化硅所制成。
5. 如權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，該第一納米層由一電化 學(xué)蝕刻制程形成。
6. 如權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，該第二納米層由一熱氧 化制程所形成。
7. —種半導(dǎo)體發(fā)光元件，包含 一基板，該基板具有一上表面；一多層結(jié)構(gòu)，該多層結(jié)構(gòu)形成于該基板的該上表面上并且包含一發(fā)光區(qū)，該多層結(jié)構(gòu)具有一頂表面；多個第一納米層，該多個第一納米層形成于該多層結(jié)構(gòu)的該頂表面上；以及一第二納米層，該第二納米層是形成于該多個第一納米層上以及形成于該多層 結(jié)構(gòu)的該頂表面上；其中每一個第一納米層的折射率大于該第二納米層的折射率。
8. 如權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，該多個第一納米層彼此 間的間距小于發(fā)光區(qū)發(fā)射的光線的四分之一個波長。
9. 如權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，該多個第一納米層是由硅所制成。
10. 如權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，該第二納米層是由二氧化硅所制成。
11. 如權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，該多個第一納米層由一 電化學(xué)蝕刻制程所形成。
12. 如權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，該第二納米層由一原子層沉積制程所形成。
13. —種半導(dǎo)體發(fā)光元件，包含 一基板，該基板具有一上表面及一下表面；一多層結(jié)構(gòu)，該多層結(jié)構(gòu)形成于該基板的該上表面上并且包含一發(fā)光區(qū)； 多個第一納米層，該多個第一納米層形成于該基板的該下表面上；以及 一第二納米層，該第二納米層形成于該多個第一納米層上以及形成于該基板的 該下表面上；其中每一個第一納米層的折射率是大于該第二納米層的折射率。
14. 如權(quán)利要求13所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，該多個第一納米層彼 此間的間距小于發(fā)光區(qū)發(fā)射的光線的四分之一個波長。
15. 如權(quán)利要求13所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，該多個第一納米層是 由硅所制成。
16. 如權(quán)利要求13所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，該第二納米層是由二 氧化硅所制成。
17. 如權(quán)利要求15所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，該多個第一納米層由 一電化學(xué)蝕刻制程所形成。
18. 如權(quán)利要求16所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，該第二納米層由一原 子層沉積制程所形成。
全文摘要
本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體發(fā)光元件。根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光元件包含一基板、一多層結(jié)構(gòu)以及多個納米復(fù)合結(jié)構(gòu)。該基板具有一上表面及一下表面。該多層結(jié)構(gòu)形成于該基板的上表面上并且包含一發(fā)光區(qū)。該多層結(jié)構(gòu)具有一頂表面。該多個納米復(fù)合結(jié)構(gòu)中的每一個納米復(fù)合結(jié)構(gòu)包含一第一納米層以及一第二納米層。該第一納米層形成于該多層結(jié)構(gòu)的該頂表面上及/或該基板的該下表面上。該第二納米層形成于該第一納米層上。特別地，該第一納米層的折射率大于該第二納米層的折射率。
文檔編號H01L33/00GK101651173SQ20081014701
公開日2010年2月17日 申請日期2008年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月12日
發(fā)明者何思樺, 葉哲良, 徐文慶 申請人:昆山中辰硅晶有限公司