专利名称：半导体发光元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及——禾中半导体发光元件(semiconductor light—emitting device), 特别地，本发明涉及一种具有高度外部量子效率(external quantum efficiency) 的半导体发光元件。
背景技术：
现今半导体发光元件(例如，发光二极体)的应用领域已甚为广泛，例如按键系 统、手机萤幕背光模组、车辆照明系统、装饰用灯饰及遥控领域等产品，皆见到半 导体发光元件被广泛地应用。为了让半导体发光元件尽可能地确保较高的功能可靠 性以及较低的能源消耗，因此对于半导体发光元件皆须要求其本身的外部量子效 率。
原则上， 一半导体发光元件的外部量子效率取决于其本身的内部量子效率 (internal quantum efficiency)以及释放效率(extraction efficiency)。所谓的
内部量子效率是由半导体发光元件的材料特性及品质所决定。至于释放效率则意谓 着从元件内部发出至周围空气或封装的环氧树脂内的辐射比例。释放效率取决于辐 射离开元件内部时所发生的损耗。造成上述损耗的主要原因之一是由于形成元件的 表面层的半导体材料具有较高的折射率，例如砷化镓(GaAs)的折射率约为3.6。众 所周知，高的折射率会导致光在该材料表面产生全反射(total reflection)而无法 发射出去。
在现有技术中，表面粗糙化的方法已被公开，该方法用以提升半导体发光元件 的外部量子效率。举例而言，美国专利案号7， 102, 175即公开了在一种透明导电层 上形成许多微米结构并呈现粗糙的表面形态的发光二极体。请参阅图1。图1显示 了透明导电层上具有许多微米结构的发光二极体。
这种微米结构为一周期性结构，并且彼此间的间距为L。此外，半导体发光元 件所产生的光线的波长为入，而波长入与L之间存在一关系式为入SL^20入。因 此，这种微米结构可以降低光线的全反射机率，以提升半导体发光元件的外部量子 效率。需注意的是，以上所述是从几何光学的领域切入去解决反射率的问题，即以 光的粒子性去探讨其折射及反射的现象。
理论上，若在半导体发光元件的出光面上形成纳米结构，并且纳米结构彼此间的间距是根据光线的波长而设计，则当光线入射至出光面时，就能够以光的波动性 去探讨其穿透率，此即属于次波长光学的领域。此外，若纳米结构本身的折射率配 合邻近的介质而经过设计，将可以提高光的穿透率，使得半导体发光元件所产生的 光线几乎穿透过出光面而发射出去，以大幅提升半导体发光元件的外部量子效率。 因此，本发明的主要目的在于提供一种具有高度外部量子效率的半导体发光元 件，以解决上述的问题。
发明内容
本发明的一目的在于提供一种半导体发光元件。
根据本发明的一具体实施例，该半导体发光元件包含一基板(substrate)、 一 多层结构(multi-layer structure)以及多个纳米复合结构(nano-scaled composite structure)。
该基板具有一上表面(叩per surface)及一下表面(lower surface)。该多层结 构形成于该基板的该上表面上并且包含一发光区(light-emitting region)。该多 层结构具有一顶表面(top surface)。
该多个纳米复合结构中的每一个纳米复合结构包含一第一纳米层以及一第二 纳米层。该第一纳米层形成于该多层结构的该顶表面上及/或该基板的该下表面上。 该第二纳米层形成于该第一纳米层上。特别地，该第一纳米层的折射率大于该第二 纳米层的折射率。
根据本发明的另一具体实施例为一种半导体发光元件。
该半导体发光元件包含一基板、 一多层结构、多个第一纳米层以及一第二纳米层。
该基板具有一上表面。该多层结构形成于该基板的该上表面上并且包含一发光 区。该多层结构具有一顶表面。
该多个第一纳米层形成于该多层结构的该顶表面上。该第二纳米层形成于该第 一纳米层上并且形成于该多层结构的该顶表面上。特别地，每一个第一纳米层的折 射率大于该第二纳米层的折射率。
根据本发明的另一具体实施例为一种半导体发光元件。
该半导体发光元件包含一基板、 一多层结构、多个第一纳米层以及一第二纳米层。
该基板具有一上表面及一下表面。该多层结构形成于该基板的该上表面上并且 包含一发光区。该多个第一纳米层形成于该基板的该下表面上。该第二纳米层形成 于该多个第一纳米层上以及形成于该基板的该下表面上。特别地，每一个第一纳米 层的折射率大于该第二纳米层的折射率。相比现有技术，根据本发明的半导体发光元件是利用该第一纳米层及该第二纳 米层之间折射率的差异(即渐变折射率的概念)及控制该第一纳米层彼此间的间距 以提升光线由半导体发光元件的内部射向外界的穿透率，进而增加半导体发光元件 的外部量子效率。
本发明的优点与精神可以由以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。
图1显示了透明导电层上具有许多微米结构的发光二极体。
图2A至图2C显示了根据本发明的一具体实施例的半导体发光元件的截面视图。
图3A及图3B显示了根据本发明的另一具体实施例的半导体发光元件的截面视图。
图4显示了根据本发明的另一具体实施例的半导体发光元件的截面视图。
具体实施例方式
请参阅图2A至图2C。图2A至图2C显示了根据本发明的一具体实施例的半导 体发光元件l的截面视图。
如图2A至图2C所示，该半导体发光元件1包含一基板10、 一多层结构12以 及多个纳米复合结构14。
该基板10可由硅(Si)、氮化镓(GaN)、氮化铝(A1N)、蓝宝石(sapphire)、尖 晶石(spi騰l)、碳化硅(SiC)、砷化镓(GaAs)、三氧化二铝(A1A)、 二氧化锂镓 (LiGaO》、二氧化锂铝(LiA102)或四氧化镁二铝(MgAlA)制成。
该基板10具有一上表面100及一下表面102。该多层结构12是形成于该基板 10的该上表面100上并且包含一发光区120。该半导体发光元件1由该发光区120 发射光线。该多层结构12具有一顶表面122。于一具体实施例中，该多层结构12 的一最顶层可以是一透明导电层或一半导体材料层。因此，该顶表面122则可以是 该透明导电层或该半导体材料层的表面。
该多个纳米复合结构14中的每一个纳米复合结构14包含一第一纳米层140以 及一第二纳米层142。该第二纳米层142形成于该第一纳米层140上。
如图2A所示，若光线由该半导体发光元件l本身的上方出光，该第一纳米层 140可以形成于该多层结构12的该顶表面122上。或者，如图2B所示，若光线由 该半导体发光元件1本身的下方出光，该第一纳米层140可以形成于该基板10的 该下表面102上。又或者如图2C所示，若光线同时由该半导体发光元件l本身的 上方及下方出光，该第一纳米层140可以形成于该多层结构12的该顶表面122上及该基板10的该下表面102上。特别地，该第一纳米层140的折射率大于该第二 纳米层142的折射率。
于此具体实施例中，该第一纳米层140可以由硅(Si)所制成，但不以此为限。 此外，该第一纳米层140可以由一电化学蚀刻(photochemical etching)制程 所形成。由该电化学蚀刻制程，该第一纳米层140可以随机地(random)形成于该多 层结构12的该顶表面122上及/或该基板10的该下表面102上。原则上，该多个 纳米复合结构14彼此间的间距(pitch) P可以经过设计，使得该间距P大致上小 于光线的四分之一个波长入。另外，由于该电化学蚀刻制程不需要使用光罩，因此 可以降低根据本发明的半导体发光元件1的制造成本。
该第一纳米层140形成之后，该第一纳米层140可以进一步置于一热氧化 (thermal oxidation)制程中以形成一氧化层(即该第二纳米层142)于该第一纳米 层140上。于一具体实施例中，该第二纳米层142可以由二氧化硅(Si02)所制成， 但不以此为限。
需注意的是，该第一纳米层140的折射率大于该第二纳米层142的折射率。除 了该多个纳米复合结构14的该间距P大致上小于该光线的四分之一个波长入夕卜， 该第一纳米层140及该第二纳米层142的折射率可以分别配合邻近的介质而经过设 计，如此将可以控制光线入射至该多个纳米复合结构14时的穿透率。
举例而言，若该多层结构12的该最顶层为一氮化镓半导体材料层(折射率为 2. 5)，则该第一纳米层140的折射率可以根据该氮化镓半导体材料层的折射率而设 计，即可使第一纳米层140的折射率低于氮化镓半导体材料层的折射率。同样地， 该第二纳米层142的折射率可以根据空气(折射率为l)的折射率而设计，即可使第 二纳米层142的折射率高于空气(折射率为1)的折射率。由此在原理上，使得从该 氮化镓半导体材料层至空气的折射率呈现递减变化，实现渐变折射率。
如此，当光线由该半导体发光元件l的内部射向空气时，基于渐变折射率的概 念，空气与该氮化镓半导体材料层之间折射率的差异变小，因此入射光的穿透率获 得提升，致使该半导体发光元件1的光线大幅度地导出至该半导体发光元件1外而 提升其外部量子效率。
请参阅图3A及图3B。图3A及图3B显示了根据本发明的另一具体实施例的半 导体发光元件2的截面视图。
如图3A及图3B所示，该半导体发光元件2包含一基板20、 一多层结构22、 多个第一纳米层24以及一第二纳米层26。
该基板20具有一上表面200及一下表面202。该多层结构22形成于该基板20 的该上表面200上并且包含一发光区220。该多层结构22具有一顶表面222。
如图3A所示，若光线由该半导体发光元件2本身的上方出光，该多个第一纳米层24形成于该多层结构22的该顶表面222上。该第二纳米层26形成于该多个第一纳米层24上并且还形成于该多层结构22的该顶表面222上。
如图3B所示，若光线同时由该半导体发光元件2本身的上方及下方出光，该多个第一纳米层24形成于该多层结构22的该顶表面222上及该基板20的该下表面202上。该第二纳米层26形成于该多个第一纳米层24上、该多层结构22的该顶表面222上及该基板20的该下表面202上。
该多个第一纳米层24可以由硅所制成，并且该第二纳米层26可以由一氧化层所制成。举例而言，该氧化层可以是二氧化硅。
此外，该多个第一纳米层24可以由一电化学蚀刻制程所形成。原则上，该多个第一纳米层24彼此间的一间距P可以经过设计，使得该间距P大致上小于该光线的四分之一个波长入。
于该第一纳米层24形成之后，进一步可以执行一原子层沉积(atomic layerd印osition)制程以形成该氧化层(即该第二纳米层26)于该多个第一纳米层24上。
于实务上，原子层沉积制程具有以下优点(l)可在原子等级控制材料的形成；(2)可更精准地控制薄膜的厚度；(3)可大面积量产；(4)有优异的均匀度(uniformity); (5)有优异的三维包覆性(conformality); (6)无孔洞结构；(7)缺陷密度小；以及(8)沉积温度低…，等制程优点。
同样地，每一个第一纳米层24的折射率大于该第二纳米层26的折射率，其功能性及理由如上所述，在此不再赘述。
请参阅图4。图4显示了根据本发明的另一具体实施例的半导体发光元件3的截面视图。
如图4所示，该半导体发光元件3包含一基板30、 一多层结构32、多个第一纳米层34以及一第二纳米层36。
该基板30具有一上表面300及一下表面302。该多层结构32形成于该基板30的该上表面300上并且包含一发光区320。于此实施例中，光线是由该半导体发光元件3本身的下方出光，因此该多个第一纳米层34形成于该基板30的该下表面302上。该第二纳米层36形成于该多个第一纳米层34上以及形成于该基板30的该下表面302上。
同样地，若光线同时由该半导体发光元件3本身的上方及下方出光，该多个第一纳米层34形成于该多层结构32的一顶表面322上及该基板30的该下表面302上。该第二纳米层36是形成于该多个第一纳米层34上、该多层结构32的该顶表面322上及该基板30的该下表面302上。
于一具体实施例中，该多个第一纳米层34可以由硅所制成，并且该第二纳米层36可以由一氧化层所制成。举例而言，该氧化层可以是二氧化硅。此外，该多个第一纳米层34可以由一电化学蚀刻制程所形成。原则上，该多个第一纳米层34彼此间的一间距P可以经过设计，使得该间距P大致上小于该光线的四分之一个波长入。
同样地，每一个第一纳米层34的折射率是大于该第二纳米层36的折射率，其
功能性及理由如上所述，在此不再赘述。
相比现有技术，根据本发明的半导体发光元件利用该第一纳米层及该第二纳米层的间折射率的差异(即渐变折射率的概念)及控制该第一纳米层彼此间的间距以
提升光线由半导体发光元件的内部射向外界的穿透率，进而增加半导体发光元件的外部量子效率。
通过以上优选实施例的详述，是希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所公开的优选实施例来对本发明的范围加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明所欲申请的专利范围的范围内。
权利要求
1.一种半导体发光元件，包含一基板，该基板具有一上表面及一下表面；一多层结构，该多层结构形成于该基板的该上表面上并且包含一发光区，该多层结构具有一顶表面；以及多个纳米复合结构，每一个纳米复合结构包含一第一纳米层，该第一纳米层形成于该多层结构的该顶表面上或该基板的该下表面上；以及一第二纳米层，该第二纳米层形成于该第一纳米层上；其中该第一纳米层的折射率大于该第二纳米层的折射率。
2. 如权利要求l所述的半导体发光元件，其特征在于，该多个纳米复合结构彼 此间的间距小于发光区发射的光线的四分之一个波长。
3. 如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，该第一纳米层由硅所制成。
4. 如权利要求l所述的半导体发光元件，其特征在于，该第二纳米层由二氧化硅所制成。
5. 如权利要求3所述的半导体发光元件，其特征在于，该第一纳米层由一电化 学蚀刻制程形成。
6. 如权利要求4所述的半导体发光元件，其特征在于，该第二纳米层由一热氧 化制程所形成。
7. —种半导体发光元件，包含 一基板，该基板具有一上表面；一多层结构，该多层结构形成于该基板的该上表面上并且包含一发光区，该多层结构具有一顶表面；多个第一纳米层，该多个第一纳米层形成于该多层结构的该顶表面上；以及一第二纳米层，该第二纳米层是形成于该多个第一纳米层上以及形成于该多层 结构的该顶表面上；其中每一个第一纳米层的折射率大于该第二纳米层的折射率。
8. 如权利要求7所述的半导体发光元件，其特征在于，该多个第一纳米层彼此 间的间距小于发光区发射的光线的四分之一个波长。
9. 如权利要求7所述的半导体发光元件，其特征在于，该多个第一纳米层是由硅所制成。
10. 如权利要求7所述的半导体发光元件，其特征在于，该第二纳米层是由二氧化硅所制成。
11. 如权利要求9所述的半导体发光元件，其特征在于，该多个第一纳米层由一 电化学蚀刻制程所形成。
12. 如权利要求10所述的半导体发光元件，其特征在于，该第二纳米层由一原子层沉积制程所形成。
13. —种半导体发光元件，包含 一基板，该基板具有一上表面及一下表面；一多层结构，该多层结构形成于该基板的该上表面上并且包含一发光区； 多个第一纳米层，该多个第一纳米层形成于该基板的该下表面上；以及 一第二纳米层，该第二纳米层形成于该多个第一纳米层上以及形成于该基板的 该下表面上；其中每一个第一纳米层的折射率是大于该第二纳米层的折射率。
14. 如权利要求13所述的半导体发光元件，其特征在于，该多个第一纳米层彼 此间的间距小于发光区发射的光线的四分之一个波长。
15. 如权利要求13所述的半导体发光元件，其特征在于，该多个第一纳米层是 由硅所制成。
16. 如权利要求13所述的半导体发光元件，其特征在于，该第二纳米层是由二 氧化硅所制成。
17. 如权利要求15所述的半导体发光元件，其特征在于，该多个第一纳米层由 一电化学蚀刻制程所形成。
18. 如权利要求16所述的半导体发光元件，其特征在于，该第二纳米层由一原 子层沉积制程所形成。
全文摘要
本发明提供一种半导体发光元件。根据本发明的半导体发光元件包含一基板、一多层结构以及多个纳米复合结构。该基板具有一上表面及一下表面。该多层结构形成于该基板的上表面上并且包含一发光区。该多层结构具有一顶表面。该多个纳米复合结构中的每一个纳米复合结构包含一第一纳米层以及一第二纳米层。该第一纳米层形成于该多层结构的该顶表面上及/或该基板的该下表面上。该第二纳米层形成于该第一纳米层上。特别地，该第一纳米层的折射率大于该第二纳米层的折射率。
文档编号H01L33/00GK101651173SQ20081014701
公开日2010年2月17日 申请日期2008年8月12日 优先权日2008年8月12日
发明者何思桦, 叶哲良, 徐文庆 申请人:昆山中辰硅晶有限公司