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    • 专利摘要:
    本發明揭示一種發光元件，其包括：一基板；一緩衝層，設置於該基板的一r平面上，且該緩衝層包含岩鹽結構的氮化物；以及一發光結構，設置於該緩衝層上，且該發光結構成長於一a平面中。
    公开号:TW201310696A
    申请号:TW101104335
    申请日:2012-02-10
    公开日:2013-03-01
    发明作者:Hee-Jae Shim
    申请人:Lg Innotek Co Ltd；
    IPC主号:H01L33-00
    专利说明:
    發光元件
    本發明係關於一種發光元件。
    由於薄膜成長技術及薄膜元件與材料的發展，使用三五族或二六族元素的複合物半導體所製成的發光元件已可發出各種顏色的光，例如，紅光、綠光、藍光、及紅外線。此類發光元件包括發光二極體及雷射二極體。由於螢光材料的使用及其所造成的色彩組合，使得發光元件可以發出發光效率良好的白光。相較於螢光燈及白熾燈等的傳統光源，此類發光元件具有消耗功率低、使用壽命長、響應速度快、安全及對環境友善等的優點。
    藉此，此類發光元件更可廣泛地應用於光通訊的傳輸模組、發光二極體背光源以取代冷陰極管(cold cathode fluorescence lamp,CCFL)所構成的液晶顯示器(LCD)背光源、白光發光二極體以取代螢光燈及白熾燈、汽車頭燈、甚至是交通號誌燈。
    此類發光元件的製作包含於一基板上形成一氮化物半導體層，但該基板與該氮化物半導體層之間的晶格不匹配常會造成晶格缺陷。
    本發明主要目的係提供一種發光元件；其中，岩鹽結構氮化物的緩衝層設置於該發光元件的發光結構與藍寶石基板之間，藉以減小該發光結構與該緩衝層之間的晶格不匹配，因而增強該發光元件之穩定性及可靠性。
    根據本發明的一方面，一實施例提供一種發光元件，其包括：一基板；一緩衝層，設置於該基板的一r平面上，且該緩衝層包含岩鹽結構的氮化物；以及一發光結構，設置於該緩衝層上，且該發光結構成長於一a平面中。
    例如，該緩衝層可具有介於4.74與5.52之間或是5.11與5.18之間的晶格常數。且該緩衝層的組成材料可為氮化鑭、氮化釷、氮化鐠、氮化釹或氮化釤中的至少一者。
    該發光元件可進一步包含一未摻雜質的半導體層，其設置於該緩衝層上。
    該基板的組成材料可為藍寶石、碳化矽、矽、砷化鎵、氮化鎵、氧化鋅、磷化鎵、磷化銦、鍺及氧化鎵中的至少一者。
    該發光結構可包含：一第一導電性型半導體層，設置於該緩衝層上；一主動層，設置於該第一導電性型半導體層上；及一第二導電性型半導體層，設置於該主動層上。該第一導電性型半導體層可為N型半導體層。該第二導電性型半導體層在其表面上可具有一粗糙結構。
    此外，該發光元件可進一步包括：一第一電極，其設置於該第一導電性型半導體層上；及一第二電極，其設置於該第二導電性型半導體層上。
    該發光結構可包含成長於該a平面的氮化鎵。該緩衝層具有一晶格面，其垂直重疊於該發光結構之氮化鎵的該a平面。此外，該基板為藍寶石基板，且該藍寶石基板之該r平面、該緩衝層之該晶格面、及該發光結構之氮化鎵的該a平面彼此垂直重疊。
    該緩衝層可包含n個岩鹽結構的氮化物晶格面，且該發光結構可包含n個a平面的氮化鎵；其中，n為大於或等於2的整數，且該n個a平面的氮化鎵設置於該n個岩鹽結構的氮化物晶格面之上。該緩衝層之該n個岩鹽結構的氮化物晶格面隨著氮化物的不同而各具有不同的尺寸。其中，n等於3。
    該基板可為在α軸方向上之晶格尺寸為15.34的藍寶石基板，其在β軸方向上的晶格尺寸為4.75，且該a平面的氮化鎵在m軸方向上的晶格尺寸為5.52。
    為使　貴審查委員能對本發明之特徵、目的及功能有更進一步的認知與瞭解，茲配合圖式詳細說明本發明之發光元件及其製作方法、及發光元件封裝的實施例如後。在所有的說明書及圖示中，將採用相同的元件編號以指定相同或類似的元件。
    在以下的實施例說明中，當一元素被描述是在另一元素之「上方/上(on)」或「下方/下(under)」，係指「直接地(directly)」或「間接地(indirectly)」在該另一元素之上或下的情況，其可包含設置於其間的其他元素。「上方/上」或「下方/下」等的描述係以圖式為基準進行說明，但亦包含其他在方向上可能的轉變。
    在所有的說明書及圖示中，將採用相同的元件編號以指定相同或類似的元件。為了說明上的便利和明確，圖式中各元素的厚度或尺寸，係以誇張或省略或概略的方式表示，且各元素的尺寸並未完全為其實際的尺寸。
    圖1為根據本發明實施例的發光元件之剖面示意圖。如圖1所示，該發光元件包含一緩衝層210、一發光結構120、一第一電極200及一第二電極110。
    該緩衝層210設置於一基板100上，且該發光結構120設置於該緩衝層210上。該發光結構120包含一第一導電性型半導體層122、一主動層124、及一第二導電性型半導體層126，其設置於該緩衝層210上。該第一電極200設置於該第一導電性型半導體層122上，且該第二電極110設置於該第二導電性型半導體層126上。
    該基板100的組成材料可以是半導體材料、金屬材料、複合材料或其組合物。該基板100可以是藍寶石(sapphire,Al203)、碳化矽、矽、砷化鎵、氮化鎵、氧化鋅、磷化鎵、磷化銦、鍺及氧化鎵(Ga203)等材料中的至少一者所組成的導電或絕緣基板。例如，該基板100可採用具有r主平面(principal plane)的藍寶石基板。
    在本實施例中，該緩衝層210可形成於該發光結構120與該基板100之間，用以調和該發光結構120與該基板100之間的晶格不匹配及熱膨脹係數差異。該緩衝層210的組成材料可以是三五族元素的複合物半導體，特別是岩鹽結構(rock salt structure)的氮化物。
    圖2A及2B分別為根據本發明實施例的岩鹽結構之透視圖。具有陽離子(cations)及陰離子(anions)數量相同之特徵的陶瓷結構材料可稱為AX型複合物，其中A表示陽離子而X表示陰離子。
    上述的AX型複合物可具有各種的晶體結構。如圖2A所示的岩鹽結構中，陰離子X形成面心立方(FCC)結構，而陽離子A則填滿全部的八面體隙位(octahedral site)。
    如圖2B所示的岩鹽結構中，由陽離子A所組成的八面體可形成該八面體的邊緣。
    例如，在該陰離子X的面心立方結構中，八面體隙位的數量等於陰離子X的數量。該岩鹽結構的化學式可表示為AX。
    此類的岩鹽結構複合物包括氯化鈉(NaCl)、氯化鉀(KCl)、氟化鋰(LiF)、氧化鎂(MgO)、氧化鈣(CaO)、氧化鍶(SrO)、氧化鎳(NiO)、氧化鈷(CoO)、氧化錳(MnO)、氧化鉛(PbO)、氮化鑭(LaN)、氮化釷(ThN)、氮化鐠(PrN)、氮化釹(NdN)、及氮化釤(SmN)。在上述的該岩鹽結構複合物中，本實施例以氮化物為該緩衝層210的組成材料。例如，該緩衝層210的組成材料可以是氮化鑭、氮化釷、氮化鐠、氮化釹及氮化釤中的至少一者。
    在本實施例中，該緩衝層210的晶格常數介於4.75與5.52之間。較佳者，該緩衝層的晶格常數介於5.11與5.18之間。
    在本實施例中，該緩衝層210成長於該藍寶石基板100的R-平面上，且藉由將氮化鎵(GaN)成長於該緩衝層210上，該發光結構120可形成於a-平面。
    在本實施例中，該緩衝層210的晶體細胞(crystalline cell)(或是晶體平面(crystal plane))可垂直地重疊於該發光結構120氮化鎵之a-平面。
    一未摻雜質的半導體層亦可設置於該緩衝層210上，但本發明並不對此加以限制。
    該發光結構120可設置於該緩衝層210上。該發光結構120的製作方法可以是金屬有機化學氣相沈積(Metal Organic Chemical Vapor Deposition,MOCVD)、化學氣相沈積(CVD)、電漿加強式化學氣相沉積(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition,PECVD)、分子束磊晶(Molecular Beam Epitaxy,MBE)、或混合式氣相磊晶(Hybride Vapor Phase Epitaxy,HVPE)等，但本發明並不對此加以限制。較佳者，該發光結構120可以是氮化鎵成長於上述的a-平面。
    圖3為氮化鎵晶體結構之透視圖。如圖3所示，該氮化鎵晶體結構具有複數個平行於c-軸的非極面(non-polar plane)，例如，m-平面(M-平面)及a-平面401。該氮化鎵之a-平面401具有一平行於m-軸[1100]的邊側402(m)，及一平行於c-軸[0001]的c邊側403(c)。
    在本實施例中，形成該發光結構120的氮化鎵係成長於如圖3所示之a-平面401。
    該第一導電性型半導體層122設置於該緩衝層210上。該第一導電性型半導體層122的組成材料可以是三五族或二六族元素的複合物半導體，其內摻雜有第一導電性型的摻雜物。例如，該第一導電性型半導體層122可為化學式AlxInyGa(1-x-y)N的半導體材料，其中0x1，0y1，且0x+y1；例如，氮化鎵(GaN)、氮化銦(InN)、氮化鋁(AlN)、氮化銦鎵(InGaN)、氮化鋁鎵(AlGaN)、氮化銦鋁鎵(InAlGaN)、氮化鋁銦(AlInN)、砷化鋁鎵(AlGaAs)、砷化銦鎵(InGaAs)、砷化鋁鎵銦(AlInGaAs)、磷化鎵(GaP)、磷化鋁鎵(AlGaP)、磷化銦鎵(InGaP)、磷化鋁鎵銦(AlInGaP)及磷化銦(InP)等材料中的至少一者。倘若該第一導電性型半導體層122為N型的半導體層，則該第一導電性型的雜質可以是N型的摻雜物，例如矽、鍺、錫、硒(Se)或碲(Te)，但本發明並不對此加以限制。該第一導電性型半導體層122可為單層或多層的結構，但本發明並不對此加以限制。
    該主動層124設置於該第一導電性型半導體層122與該第二導電性型半導體層126之間。該主動層124係由具有一特定能帶的主動層(發光層)材料所組成，該主動層124所發出的光決定於該能帶；當帶電載子由該第一導電性型半導體層122注入該主動層124，將會遇到由該第二導電性型半導體層126注入的帶電載子。
    該主動層124的結構可以是雙異質(hetero)結構、多異質結構、單量子井(quantum well)結構、多重量子井(MQW)、量子線(Quantum wire)結構及量子點(Quantum dot)結構中的至少一者。該主動層124的組成材料可以是三五族元素的複合物半導體，且該主動層124可具有井層/障礙層之成對結構，例如，InGaN/GaN、InGaN/InGaN、GaN/AlGaN、InAlGaN/GaN、InAlGaN/InAlGaN、GaAs(InGaAs)/AlGaAs、及GaP(InGaP)/AlGaP等結構中的至少一者，但本發明並不對此加以限制。該井層所具有的能帶隙窄於該障礙層所具有的能帶隙。
    該第二導電性型半導體層126的組成材料可包含三五族或二六族元素的複合物半導體，其內摻雜有第二導電性型的摻雜物。例如，該第二導電性型半導體層126可為化學式InxAlyGa(1-x-y)N的半導體材料(其中0x1，0y1，且0x+y1)或是AlInN、AlGaAs、GaP、GaAs、GaAsP及AlGaInP中的至少一者。倘若該第二導電性型半導體層126為P型的半導體層，則該第二導電性型的雜質可以是P型的摻雜物，例如，鎂、鋅、鈣、鍶(Sr)或鋇(Ba)。該第二導電性型半導體層126可為單層或多層的結構，但本發明並不對此加以限制。
    該第二電極110設置於該第二導電性型半導體層126上。該第二電極110的組成材料可選自鉬、鉻、鎳、金、鋁、鈦、鉑、釩、鎢、鉛、銅、銠及銥的金屬群，或上述金屬的合金。該第二電極110可藉由光罩而形成於該第二導電性型半導體層126的部分區域上。
    該第一電極200設置於該第一導電性型半導體層122表面之蝕刻外露的台面(mesa)區域上。該第一電極200的組成材料可相同於該第二電極110。
    根據本發明實施例的發光元件(如圖1所示)之製作方法，請參考圖4A至4E詳述於後。
    圖4A至4E為根據本發明實施例的發光元件製作方法之各步驟的元件剖面圖。
    如圖4A所示，提供一基板100。該基板100的組成材料可以是半導體材料、金屬材料、複合材料或其組合物。該基板100可以是藍寶石(Al203)、碳化矽、矽、砷化鎵、氮化鎵、氧化鋅、磷化鎵、磷化銦、鍺及氧化鎵(Ga203)等材料中的至少一者所組成的導電或絕緣基板。
    一粗糙結構可形成於該基板100上，但本發明並不對此加以限制。該基板100可易於溼式清洗，以去除其表面的不潔物。在本實施例中，該基板100採用具有r主平面的藍寶石基板。
    此外，該發光結構120形成於該基板100上，且一緩衝層210可形成於該發光結構120與該基板100之間；該發光結構120包含該第一導電性型半導體層122、該主動層124、及該第二導電性型半導體層126。
    該緩衝層210成長於該發光結構120與該基板100之間，藉以減小該發光結構120與該基板100之間的晶格不匹配及熱膨脹係數差異。
    該緩衝層210的組成材料可以是半導體材料、金屬材料、複合材料或其組合物。該緩衝層210可以是三五族元素的複合物半導體；例如，氮化鎵(GaN)、氮化銦(InN)、氮化鋁(AlN)、氮化銦鎵(InGaN)、氮化鋁鎵(AlGaN)、氮化銦鋁鎵(InAlGaN)及氮化鋁銦(AlInN)等。一未摻雜的半導體層亦可形成於該緩衝層210上，但本發明並不對此加以限制。
    在本實施例中，該緩衝層210的組成材料為岩鹽結構的氮化物；例如，該緩衝層210的組成材料為氮化鑭、氮化釷、氮化鐠、氮化釹及氮化釤中的至少一者。
    在本實施例中，該緩衝層210的晶格常數介於4.75與5.52之間。較佳者，該緩衝層210的晶格常數介於5.11與5.18之間。
    在本實施例中，該緩衝層210成長於該藍寶石基板100的r-平面上，且藉由氮化鎵(GaN)的成長於該緩衝層210上，該發光結構120可形成於a-平面。
    在本實施例中，該緩衝層210的晶體細胞可垂直地重疊於該發光結構120的氮化鎵之a-平面。
    該發光結構120可設置於該緩衝層210上。該發光結構120的製作方法可以是金屬有機化學氣相沈積(MOCVD)、化學氣相沈積(CVD)、電漿加強式化學氣相沉積(PECVD)、分子束磊晶(MBE)、或混合式氣相磊晶(HVPE)等，但本發明並不對此加以限制。較佳者，該發光結構120可以是成長於上述的a-平面氮化鎵。
    藉由將三甲基鎵(TMGa)、氨(NH3)、氮、含有N型摻雜物(例如，矽)的矽烷等氣體通入反應腔室中，可製作該第一導電性型半導體層122。
    該主動層124可由單一量子井、多重量子井(MQW)、量子線及量子點等結構中的至少一者來形成。例如，藉由注入三甲基鎵(TMGa)、氨、氮、三甲基銦(TMIn)等氣體，可形成多重量子井結構，但本發明並不對此加以限制。
    該主動層124可具有井層/障礙層之成對結構，例如，InGaN/GaN、InGaN/InGaN、GaN/AlGaN、InAlGaN/GaN、InAlGaN/InAlGaN、GaAs(InGaAs)/AlGaAs、及GaP(InGaP)/AlGaP等結構中的至少一者，但本發明並不對此加以限制。該井層所具有的能帶隙窄於該障礙層所具有的能帶隙。
    一傳導覆層(圖中未示)可設置於該主動層124之上或/及之下。該傳導覆層的組成材料可以是AlGaN族系的半導體，其能帶隙寬於該主動層124的能帶隙。
    該第二導電性型半導體層126的組成材料為三五族元素的複合物半導體，其內摻雜有第二導電性型的摻雜物。例如，該第二導電性型半導體層126可為化學式InxAlyGa(1-x-y)N的半導體材料，其中0x1，0y1，且0x+y1。倘若該第二導電性型半導體層126為P型的半導體層，則該第二導電性型的雜質可以是P型的摻雜物，例如，鎂、鋅、鈣、鍶(Sr)或鋇(Ba)。
    藉由將三甲基鎵(TMGa)、氨、氮、及含有P型摻雜物(例如，鎂)的bis-ethyl cycro pentadienyl magnesium(EtCp2Mg){Mg(C2H5C5H4)2}等氣體通入反應腔室中，可製作P型的氮化鎵層，以作為該第二導電性型半導體層126。
    在本實施例中，該第一導電性型半導體層122為P型半導體層，且該第二導電性型半導體層126為N型半導體層。在該第二導電性型半導體層126上可形成一半導體層，其導電極性(polarity)與該第二導電性型相反；例如，若該第二導電性型半導體層126為P型半導體層，則該半導體層為N型半導體層(圖中未示)，形成於該第二導電性型半導體層126上方。因此，該發光結構120的實施態樣可以是N-P接面、P-N接面、N-P-N接面、及P-N-P等接面結構中的其中一者。
    接著，如圖4B所示，藉由反應式離子蝕刻法(RIE)，針對自該第二導電性型半導體層126至部分的該第一導電性型半導體層122，進行台面蝕刻，藉以外露出該第一導電性型半導體層122。
    舉例而言，倘若所採用者為絕緣基板(例如，藍寶石基板)，則電極無法形成於該基板的背側面。藉由自該第二導電性型半導體層126至部分的該第一導電性型半導體層122之台面蝕刻，可取得用以製作電極的空間。
    接著，如圖4C所示，一粗糙結構126A可形成於該第二導電性型半導體層126上。在本實施例中，該粗糙結構126A的製作可藉由光電化學(photo electro chemical,PEC)或遮罩蝕刻法來完成。
    在該光電化學(PEC)蝕刻製程中，藉由調整蝕刻液(例如，KOH)的量及氮化鎵(GaN)結晶的蝕刻速率，可製作微米尺寸的粗糙結構。該粗糙結構可以是有週期性的或是無週期性的。
    根據不同的實施例，一歐姆層(圖中未示)可設置於該第二導電性型半導體層126上，藉以電性連接至該第二電極110，但本發明並不對此加以限制。該歐姆層的組成材料可以是氧化銦錫(ITO)，或是例如銦、鈷、矽、鍺、金、鉛、鉑、釕(Ru)、鎂、鋅、鉿(Hf)、鉭、銠(Rh)、銥(Ir)、鎢、鈦、銀、鉻、鉬、鈮(Nb)、鋁、鎳、銅、鎢鈦、氧化銦錫(ITO)、氧化銦鋅(IZO)、氧化銦鋅錫(IZTO)、氧化銦鋁鋅(IAZO)、氧化銦鎵鋅(IGZO)、氧化銦鎵錫(IGTO)、氧化鋁鋅(AZO)、氧化銻醯基錫(ATO)、氧化鎵鋅(GZO)、IZO氮化物(IZON)、鋁鎵氧化鋅(AGZO)、銦鎵氧化鋅(IGZO)、氧化鋅(ZnO)、氧化銥(IrOx)、氧化釕(RuOx)、氧化鎳(NiO)、RuOx/ITO、Ni/IrOx/Au、及Ni/IrOx/Au/ITO等材料中的至少一者。
    本發明並不限定必須設置如圖4C所示的該粗糙結構126A。
    接著，如圖4D所示，一第二電極110可形成於該第二導電性型半導體層126的表面上。該第二電極110的組成材料可選自鉬、鉻、鎳、金、鋁、鈦、鉑、釩、鎢、鉛、銅、銠及銥的金屬群，或上述金屬的合金。該第二電極110可藉由光罩而形成於該第二導電性型半導體層126的部分區域上。
    接著，如圖4E所示，該第一電極200可設置於該第一導電性型半導體層122表面之蝕刻外露的台面區域上。該第一電極200的組成材料可相同於該第二電極110。
    圖5為根據本發明實施例之a-平面氮化鎵形成於r-平面藍寶石基板上的示意圖。
    倘若該a-平面氮化鎵401形成於該藍寶石基板501上(該藍寶石基板具有該r主平面，但沒有該緩衝層210)，則三個a-平面氮化鎵401可形成於一個具有r主平面的藍寶石基板501上。
    該藍寶石基板501的該r-平面具有一平行於α-軸的寬度側邊503(α)及一平行於β-軸的高度側邊502(β)。在本實施例中，該寬度側邊503(α)長於該高度側邊502(β)。
    在本實施例中，該r-平面藍寶石基板501的晶體細胞在該α-軸上的尺寸為15.34，而在該β-軸上的尺寸為4.75。該三個a-平面氮化鎵401的晶體細胞在該m-軸上的尺寸為5.52，而在該c-軸上的尺寸為15.54。因此，將導致c-軸方向上1.3%的晶格不匹配，及m-軸方向上16.2%的晶格不匹配。
    由於該r-平面藍寶石基板501的晶體細胞在該β-軸上的尺寸為4.75，該a-平面氮化鎵401的晶體細胞在該m-軸上的尺寸為5.52，該緩衝層210的晶格常數可介於4.75與5.52之間。
    特別地，由於該a-平面氮化鎵401的晶體細胞在該c-軸上的尺寸為5.18，該r-平面藍寶石基板501的晶體細胞在該α-軸上的尺寸為15.34(15.34/3=5.11)，該緩衝層210的晶格常數可介於5.11與5.18之間。
    圖6為根據本發明實施例的岩鹽結構緩衝層之透視圖，該岩鹽結構緩衝層係設置於一r-平面藍寶石基板501與一a-平面氮化鎵的發光結構401之間。
    如圖6所示，該岩鹽結構緩衝層設置於該r-平面藍寶石基板501與該a-平面氮化鎵的發光結構401之間。
    在本實施例中，作為該緩衝層的n個岩鹽結構氮化物晶體細胞301可垂直地設置於該r-平面藍寶石基板501上，且n個a-平面氮化鎵401可形成於該n個氮化物晶體細胞301上，其中n為2或大於2的整數。例如，在圖6中，n為3。
    在本實施例中，該r-平面藍寶石基板501的晶體細胞在該α-軸上的尺寸為15.34，而在該β-軸上的尺寸為4.75。該a-平面氮化鎵401的晶體細胞在該m-軸上的長度為5.52。
    該三個岩鹽結構氮化物晶體細胞301形成該緩衝層，而各岩鹽結構氮化物晶體細胞301的尺寸(或晶格常數)隨著氮化物種類的不同而有所增減。
    圖7為根據本發明實施例該緩衝層210的各岩鹽結構氮化物之晶體細胞尺寸表。如圖7所示，該緩衝層210的各岩鹽結構氮化物701之晶體細胞尺寸可分別以參考數值702表示。
    圖8為根據本發明實施例該緩衝層210的各岩鹽結構氮化物之晶格不匹配數值表。如圖8所示，該緩衝層210的各岩鹽結構氮化物801之晶體細胞尺寸可分別以參考數字802表示。在本實施例中，該晶體細胞的尺寸可為寬度或長度，且該寬度可以等於該長度。
    在該c-軸方向上，該緩衝層與該a-平面氮化鎵的發光結構之間的晶格不匹配比例可小於或等於3%；而在該m-軸方向上，其晶格不匹配比例則可小於或等於10%。此外，在該α-軸方向上，該緩衝層與該r-平面基板之間的晶格不匹配比例可小於或等於12%；而在該β-軸方向上，其晶格不匹配比例則可小於或等於4%。
    當以不同的氮化物製作該緩衝層210時，該參考數值803及804代表該緩衝層210與該a-平面氮化鎵401的發光結構120之間的晶格不匹配比例。
    例如，如圖8所示，倘若該緩衝層210為氮化鑭(LaN)所組成，則在該c-軸方向上，該緩衝層210與該a-平面氮化鎵的發光結構120之間的晶格不匹配比例為-2.28%；而在該m-軸方向上，其晶格不匹配比例則為4.13%。此外，倘若該緩衝層210為氮化鑭所組成，則在該α-軸方向上，該緩衝層210與該r-平面藍寶石基板之間的晶格不匹配比例為11.6%；而在該β-軸方向上，其晶格不匹配比例則為3.67%。
    例如，倘若該緩衝層210為氮化釷(ThN)所組成，則在該c-軸方向上，該緩衝層210與該a-平面氮化鎵的發光結構120之間的晶格不匹配比例為-0.38%；而在該m-軸方向上，其晶格不匹配比例則為6.15%。此外，倘若該緩衝層210為氮化釷所組成，則在該α-軸方向上，該緩衝層210與該r-平面藍寶石基板100之間的晶格不匹配比例為9.74%；而在該β-軸方向上，其晶格不匹配比例則為1.69%。
    例如，倘若該緩衝層210為氮化鐠(PrN)所組成，則在該c-軸方向上，該緩衝層210與該a-平面氮化鎵的發光結構120之間的晶格不匹配比例為0.48%；而在該m-軸方向上，其晶格不匹配比例則為7.08%。此外，倘若該緩衝層210為氮化鐠所組成，則在該α-軸方向上，該緩衝層210與該r-平面藍寶石基板100之間的晶格不匹配比例為8.53%；而在該β-軸方向上，其晶格不匹配比例則為0.08%。
    例如，倘若該緩衝層210為氮化釹(NdN)所組成，則在該c-軸方向上，該緩衝層210與該a-平面氮化鎵的發光結構120之間的晶格不匹配比例為0.56%；而在該m-軸方向上，其晶格不匹配比例則為7.16%。此外，倘若該緩衝層210為氮化釹所組成，則在該α-軸方向上，該緩衝層210與該r-平面藍寶石基板100之間的晶格不匹配比例為8.44%；而在該β-軸方向上，其晶格不匹配比例則為0.74%。
    例如，倘若該緩衝層210為氮化釤(SmN)所組成，則在該c-軸方向上，該緩衝層210與該a-平面氮化鎵的發光結構120之間的晶格不匹配比例為2.61%；而在該m-軸方向上，其晶格不匹配比例則為9.35%。此外，倘若該緩衝層210為氮化釤所組成，則在該α-軸方向上，該緩衝層210與該r-平面藍寶石基板100之間的晶格不匹配比例為6.28%；而在該β-軸方向上，其晶格不匹配比例則為-1.28%。
    在本實施例中，倘若該晶格不匹配比例為負值，則該a-平面氮化鎵會有抗拉應力(tensile stress)。此外，倘若該晶格不匹配比例為正值，則該a-平面氮化鎵會有抗壓應力(ompressive stress)。
    另一方面，請參考圖5，該緩衝層210未設置於該r-平面藍寶石基板100或501與該a-平面發光結構120之間，則具有緩衝層者之晶格不匹配比例小於不具緩衝層者之晶格不匹配比例。
    因此，將該緩衝層210設置於該基板100與該發光結構120之間，藉以調和晶格不匹配及熱膨脹係數差異，本實施例具有增強發光元件之穩定性及可靠性的優勢。
    例如，倘若未設置該緩衝層210，則在該a-平面氮化鎵的c-軸方向上，會發生1.3%的晶格不匹配比例，且在該a-平面氮化鎵的m-軸方向上，會發生16.2%的晶格不匹配比例。相反地，倘若設置有該緩衝層210，則該緩衝層210與該a-平面氮化鎵的發光結構120之間的晶格不匹配比例為-2.28%(在該c-軸方向上)及4.13%(在該m-軸方向上)。因此，晶格不匹配的程度降低，可增強發光元件之穩定性及可靠性。
    圖9為根據本發明實施例的發光元件封裝之剖面示意圖。如圖9所示，該發光元件封裝包含：一封裝主體720、一第一電極層711、一第二電極層712、一發光元件700、及一鑄型部740。該發光元件700設置於該封裝主體720上，並同時電性連接該第一電極層711及該第二電極層712。該發光元件700為前述各實施例所述之發光元件。
    如圖9所示，該第一電極層711及該第二電極層712設置於該封裝主體720上；該鑄型部740圍封該發光元件700。
    該封裝主體720的組成材料可以是矽材料、合成材料或金屬材料，並在鄰近該發光元件700的周圍形成斜面，藉以提高光的提取效率。
    該第一電極層711及第二電極層712是互相電性隔離的，並藉以供應電源給該發光元件700。此外，該第一電極層711及第二電極層712可藉由反射該發光元件700的發光以增加光提取效率，且能將該發光元件700的發熱驅散至該發光元件封裝之外側。
    該發光元件700可以裝設於該封裝主體720、該第一電極層711、或是該第二電極層712之上。
    該發光元件700可藉由接線焊接(wire bonding)、覆晶(flip chip)或晶粒黏接(die bonding)的方式，電性連接至該第一電極層711及第二電極層712。
    該發光元件封裝可裝設至少一個或多個依據上述實施例之發光元件，但本發明並不對此加以限制。
    複數個上述實施例的發光元件封裝，可陣列式地設置於基板上。導光板、棱柱片(prism sheet)及擴散片等光學元件亦可設置於該發光元件封裝的光路徑上。該發光元件封裝、該基板、及該等光學元件可被用來組成一照明裝置。另外，本發明亦可用來實現顯示裝置、指示裝置或照明系統等實施例，其中包含前述實施例所述的半導體發光元件或發光元件封裝。舉例來說，該照明系統可包含燈光或街燈。
    圖10為根據本發明實施例的顯示裝置之結構分解透視圖，該顯示裝置具有前述實施例所述之發光元件。
    如圖10所示，該顯示裝置800包含一光源模組830及835、一底蓋810、一反射板820、一導光板840、一第一棱柱片850、一第二棱柱片860、一面板870、及一濾光片880。該反射板820設置於該底蓋810之上。該導光板840設置於該反射板820的前方，藉以將該光源模組的發光導向該顯示裝置800的前方。該第一棱柱片850及該第二棱柱片860設置於該導光板840的前方。該面板870設置於該第二棱柱片860的前方，且該濾光片880設置於該面板870的前方。
    該光源模組包含基板830及設置於其上的發光元件封裝835。該底蓋810可容納該顯示裝置800的零組件。此外，該反射板820可以是如圖所示的獨立構件，或是形成於該導光板840後面或該底蓋810前面的高反射性材料塗層。
    在本實施例中，該反射板820的組成材料可以是高反射性且可製成薄膜的材料；例如，PET(PolyEthyle ne Terephtalate)。
    該導光板840散射該光源模組所發出的光，以造成該液晶顯示裝置800整個螢幕區域均勻的發光分佈。因此，該導光板840的組成材料可以是折射性及穿透性良好的材料，例如，聚甲基丙烯酸酯(PolyMethylMethAcrylate,PMMA)、聚碳酸酯(PolyCarbonate,PC)、或聚乙烯(PolyEthylene,PE)。
    此外，另一實施例亦可省略該導光板840，藉以在該第一棱柱片850與該反射板820之間形成空氣導流空間，且光可於其中傳導。
    該第一棱柱片850的組成材料為具有高透光性及高彈性的聚合物，其可形成於一支承膜的表面。該聚合物可包含一棱柱層，其可具有複數個三維結構圖案重複出現於其上。在本實施例中，該複數個圖案可以是如圖所示的條紋形狀，其凸脊852與凹槽854重複出現。
    此外，該第二棱柱片860的凸脊862及凹槽864之排列方向可垂直於該第一棱柱片850的凸脊852與凹槽854之排列方向，藉以使來自該光源模組及該反射板的光於該面板870的整個螢幕表面形成均勻的分佈。
    雖未繪示於圖中，該等棱柱片850及860的表面上各可設置一保護片；包含光擴散粒子及黏著劑的保護膜層亦可形成於該支承膜的兩側面。
    此外，該棱柱層的組成材料可選自聚氨基甲酸酯(polyurethane,PU)、苯乙烯-丁二烯(styrene-butadiene)共聚合物、聚丙烯酸酯(polyacrylate)、聚甲基丙烯酸酯(polymethacrylate)、聚甲基丙烯酸酯(polymethylmethacrylate,PMMA)、聚乙烯對苯二甲酯(polyethyleneterephthalate)合成橡膠、聚異戊二烯(polyisoprene)、及多晶矽(polysilicon)等材料群中的至少一者。
    雖未繪示於圖中，一擴散片可設置於該導光板840與該第一棱柱片850之間。該擴散片的組成材料可以是聚酯(polyester)或聚碳酸酯(polycarbonate)為基底的材料，藉由來自該背光模組的入射光之折射及散射而加寬光的投射角。
    該擴散片可包含一含有光擴散子的承載層、一形成於光發射面上的第一膜層(在該第一棱柱片850的方向上)、及一形成於光入射面上的第二膜層(在該反射板820的方向上)。該第一及第二膜層不具有光擴散子。
    該承載層的組成為100個權重單位之甲基丙烯酸酯(Methacrylate)-苯乙烯(styrene)共聚合物與甲基丙烯酸酯(Methacrylate)-甲基苯乙烯(methyl-styrene)共聚合物的混合樹酯，加上0.1～10個權重單位之矽氧烷基(siloxane group)光擴散子(其平均顆粒直徑為1～10μm)，以及0.1～10個權重單位之丙烯醯基(acryl group)光擴散子(其平均顆粒直徑為1～10μm)。
    該第一膜層及該第二膜層的組成為100個權重單位之甲基丙烯酸酯(Methacrylate)-甲基苯乙烯(methyl-styrene)共聚合物，加上0.01～1個權重單位之紫外(UV)光吸收劑，以及0.001～10個權重單位之抗靜電劑(antistatic agent)。
    在該擴散片中，該承載層的厚度為100～10000μm，且該第一及第二膜層的厚度各為10～1000μm。
    在本實施例中，該第一棱柱片850及該第二棱柱片860組合成該光學片。該光學片亦可為其他的組合，例如：微透鏡陣列、擴散片與微透鏡陣列的組合、及棱柱片與微透鏡陣列的組合等。
    該面板870可以是液晶顯示面板，但亦可為採用其他類型之需要光源的顯示裝置。該面板870的構造為液晶設置於二玻璃面板之間，且極化板裝設於該二玻璃面板之上，藉此可操作光的極化性質。該液晶的性質係介於液體與固體之間，其中的液晶為具有類似液體的流動性而又排列規則類似晶體的有機分子。藉由液晶的特性，其分子排列受到外部電場的影響而產生的變化，而能顯示出影像。
    上述用於該顯示裝置的液晶顯示面板可以是主動矩陣的類型，其可藉由電晶體作為開關來調整施加於各畫素的電壓。
    該濾光片880可設置於該面板870的前方，且可使各畫素由該面板870的穿透光中，只傳送出紅光、綠光、或藍光，藉此而顯示影像。
    唯以上所述者，僅為本發明之較佳實施例，當不能以之限制本發明的範圍。即大凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化及修飾，仍將不失本發明之要義所在，亦不脫離本發明之精神和範圍，故都應視為本發明的進一步實施狀況。
    100．．．基板
    110．．．第二電極
    120．．．發光結構
    122．．．第一導電性型半導體層
    124．．．主動層
    126．．．第二導電性型半導體層
    126A．．．粗糙結構
    200．．．第一電極
    210．．．緩衝層
    301．．．晶體細胞
    401．．．a-平面(氮化鎵)
    402(m)/403(c)．．．邊側
    501．．．(r-平面)藍寶石基板
    700．．．發光元件
    711．．．第一電極層
    712．．．第二電極層
    720．．．封裝主體
    740．．．鑄型部
    701/801．．．氮化物
    702/802．．．晶體細胞尺寸
    803/804/805/806．．．晶格不匹配
    800．．．顯示裝置
    810．．．底蓋
    820．．．反射板
    830．．．基板
    835．．．發光元件封裝
    840．．．導光板
    850．．．第一棱柱片
    852．．．凸脊
    854．．．凹槽
    860．．．第二棱柱片
    862．．．凸脊
    864．．．凹槽
    870．．．面板
    880．．．濾光片
    圖1為根據本發明實施例的發光元件之剖面示意圖。
    圖2A及2B分別為根據本發明實施例的岩鹽結構之透視圖。
    圖3為氮化鎵晶體結構之透視圖。
    圖4A至4E為根據本發明實施例的發光元件製作方法之各步驟的元件剖面示意圖。
    圖5為根據本發明實施例之a-平面氮化鎵形成於r-平面藍寶石基板上的示意圖。
    圖6為根據本發明實施例的岩鹽結構緩衝層之透視圖，該岩鹽結構緩衝層係設置於一r-平面藍寶石基板與一a-平面氮化鎵的發光結構之間。
    圖7為根據本發明實施例該緩衝層的各岩鹽結構氮化物之晶體細胞尺寸表。
    圖8為根據本發明實施例該緩衝層的各岩鹽結構氮化物之晶格不匹配數值表。
    圖9為根據本發明實施例的發光元件封裝之剖面示意圖。
    圖10為根據本發明實施例的顯示裝置之結構分解透視圖，該顯示裝置具有前述實施例所述之發光元件。
    100．．．基板
    110．．．第二電極
    120．．．發光結構
    122．．．第一導電性型半導體層
    124．．．主動層
    126．．．第二導電性型半導體層
    200．．．第一電極
    210．．．緩衝層
    权利要求:
    Claims (20)
    [1] 一種發光元件，其包括：一基板；一緩衝層，設置於該基板的一r平面上，且該緩衝層包含岩鹽結構的氮化物；以及一發光結構，設置於該緩衝層上，且該發光結構成長於一a平面中。
    [2] 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該緩衝層具有介於4.74與5.52之間的晶格常數。
    [3] 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該緩衝層具有介於5.11與5.18之間的晶格常數。
    [4] 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該緩衝層的組成材料為氮化鑭(LaN)、氮化釷(ThN)、氮化鐠(PrN)、氮化釹(NdN)或氮化釤(SmN)中的至少一者。
    [5] 如申請專利範圍第1至4項中的任何一者所述之發光元件，進一步包含：一未摻雜質的半導體層，設置於該緩衝層上。
    [6] 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該基板的組成材料為藍寶石(sapphire,Al203)、碳化矽、矽、砷化鎵、氮化鎵、氧化鋅、磷化鎵、磷化銦、鍺及氧化鎵(Ga203)中的至少一者。
    [7] 如申請專利範圍第1至6項中的任何一者所述之發光元件，其中該發光結構包含：一第一導電性型半導體層，設置於該緩衝層上；一主動層，設置於該第一導電性型半導體層上；及一第二導電性型半導體層，設置於該主動層上。
    [8] 如申請專利範圍第7項所述之發光元件，其中該第一導電性型半導體層為N型半導體層。
    [9] 如申請專利範圍第7項所述之發光元件，其中該第二導電性型半導體層在其表面上具有一粗糙結構。
    [10] 如申請專利範圍第7項所述之發光元件，進一步包括：一第一電極，設置於該第一導電性型半導體層上。
    [11] 如申請專利範圍第7項所述之發光元件，進一步包括：一第二電極，設置於該第二導電性型半導體層上。
    [12] 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該發光結構包含成長於該a平面的氮化鎵。
    [13] 如申請專利範圍第12項所述之發光元件，其中該緩衝層具有一晶格面，其垂直重疊於該發光結構之氮化鎵的該a平面。
    [14] 如申請專利範圍第12項所述之發光元件，其中該基板為藍寶石基板，且該藍寶石基板之該r平面、該緩衝層之該晶格面、及該發光結構之氮化鎵的該a平面彼此垂直重疊。
    [15] 如申請專利範圍第12項所述之發光元件，其中該緩衝層包含n個岩鹽結構的氮化物晶格面，且該發光結構包含n個a平面的氮化鎵；其中，n為大於或等於2的整數，且該n個a平面的氮化鎵設置於該n個岩鹽結構的氮化物晶格面之上。
    [16] 如申請專利範圍第15項所述之發光元件，其中該緩衝層之該n個岩鹽結構的氮化物晶格面隨著氮化物的不同而各具有不同的尺寸。
    [17] 如申請專利範圍第15項所述之發光元件，其中n等於3。
    [18] 如申請專利範圍第17項所述之發光元件，其中該基板為在α軸方向上之晶格尺寸為15.34的藍寶石基板。
    [19] 如申請專利範圍第18項所述之發光元件，其中該藍寶石基板在β軸方向上的晶格尺寸為4.75。
    [20] 如申請專利範圍第19項所述之發光元件，其中該a平面的氮化鎵在m軸方向上的晶格尺寸為5.52。
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    法律状态:
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    KR1020110087852A|KR101883840B1|2011-08-31|2011-08-31|발광소자|
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