CN101232060A

CN101232060A - 固态发光元件及其制作方法

Info

Publication number: CN101232060A
Application number: CNA2007100029033A
Authority: CN
Inventors: 蔡宗良
Original assignee: GUANGJIA PHOTOELECTRIC CO Ltd
Current assignee: GUANGJIA PHOTOELECTRIC CO Ltd; Huga Optotech Inc
Priority date: 2007-01-26
Filing date: 2007-01-26
Publication date: 2008-07-30

Abstract

本发明公开了一种固态发光元件，包括：一个具有一个外轮廓面的基材，及一层覆盖该基材的外轮廓面的半导体化合物磊晶膜。该外轮廓面具有多数个相间隔地向一实质上垂直于该基材的第一方向凸伸的突出区。每两相邻的突出区共同定义出一个向一相反于该第一方向的第二方向凹陷的凹穴区。该基材的外轮廓面的部分突出区分别具有多数个相间隔地向该第一方向凸伸而出的峰部。每两相邻的峰部共同定义出一个向该第二方向凹陷的谷部。本发明也提供一种如前所述的固态发光元件的制作方法。

Description

固态发光元件及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种固态发光元件(solid-state light-emitting device)，特别是指一种固态发光元件及其制作方法。

背景技术

目前影响发光二极管(LED)的发光效率值的因素，分别有内部量子效率(internalquantum efficiency)及外部(external)量子效率，其中，构成低内部量子效率的主要原因，则是形成于磊晶膜中的差排量。举例来说，蓝宝石(sapphire，化学式为Al₂O₃)基板与氮化镓(GaN)系材料两者间存在有晶格不匹配度(lattice mismatch)的问题，因此，在磊晶过程中也同时地构成了大量的贯穿式差排(threading dislocation)。

一般而言，于sapphire或碳化硅(SiC)基板上磊制III-V族氮化物(如：GaN...等)磊晶膜时，多半因为sapphire与其上方磊晶膜之间的晶格常数差异(lattice constantdifference，简称Δa)过大，及两者间的原子耦合(atomic coupling)相当地微弱等原因，因此，在sapphire基板上成长磊晶膜期间，III-V族氮化物的晶体方位(crystal orientation)无法正确地向上延续，并使得III-V族氮化物中存在有起伏的晶体方位[也就是，所谓的马赛克晶体(mosaic crystal)]；其中，晶体方位围绕着垂直于基板表面的主轴的转动方向而起伏变化的扭转式(twist)马赛克晶体，以及晶体方位自一垂直方向的轴向起伏变化的倾斜式(tilt)马赛克晶体，最终则成为III-V族氮化物的磊晶膜中的贯穿式差排。

以现有的技术观看，大多数是对sapphire基板施予凹凸化处理藉以使差排产生弯折并降低形成于磊晶膜中的贯穿式差排。

参阅图1，一种固态发光元件1，包括：一图案化(patterned)蓝宝石基板11及一层磊制于该图案化蓝宝石基板11上磊晶膜12，其中，该磊晶膜12是由以GaN为主的材料所构成。该图案化蓝宝石基板11具有多数个相间隔地形成于其一表面且深度是介于0.5μm～5μm之间的等深凹槽111，其中，该磊晶膜12与每一等深凹槽111之间共同界定多数个封闭孔13。所述等深凹槽111是利用干式蚀刻法(dry etching)所构成。

形成于该图案化蓝宝石基板11的磊晶膜12主要是藉由降低其与该图案化蓝宝石基板11的接触面积，进而使得位于所述封闭孔13上方的磊晶膜12未产生有差排。该图案化蓝宝石基板11虽可降低该磊晶膜12内的差排13量，然而，其表面所形成的等深凹槽111不只尺寸过大，且深度皆相同，因此，可降低该磊晶膜12中的差排13量的贡献度有限。

另，参阅图2，一种固态半导体装置用的磊晶基板2，包括：一个板本体21、一层形成于该板本体21上的缓冲膜22及多数层叠置于该缓冲膜22上的磊晶膜23。

在该磊晶基板2的制作过程中，于完成第一层磊晶膜23之后，第一层磊晶膜23的一表面主要是利用湿式蚀刻法(wet etching)施予蚀刻处理，进而于第一层磊晶膜23的表面形成多数个深度约200nm～500nm之间的非等深凹槽231。藉所述非等深凹槽231以降低形成于第一层磊晶膜23上的第二层磊晶膜23内的差排量。

依此类推地，于完成第二层磊晶膜23之后，同样地，对第二层磊晶膜23的一表面施予蚀刻处理以于第二层磊晶膜23上形成多数个非等深凹槽231，藉以进一步地降低形成于第二层磊晶膜23上的第三层磊晶膜23的差排量。因此，当磊晶膜23的层数越多，最上方的磊晶膜23内的差排量越低。该磊晶基板2虽然可解决差排问题，但是其所形成的非等深凹槽231对所述磊晶膜23的差排产生弯折的贡献度也有限，此外，诸多蚀刻及磊晶等繁复的制程，也不符制造成本。

参阅图3，US 6,504,183揭示一种氮化物半导体的磊晶成长。US 6,504,183主要是于一个蓝宝石基板31上形成一个高度约介于1nm～10nm之间的多重核种(multiplenucleuses)321、322。进一步地，依序于该多重核种321、322上形成一层差排抑制层33及一层形成于该差排抑制层33的磊晶层34。该多重核种321、322主要是分别由不同材质所构成。藉由不同材质的核种的晶格常数及该多重核种321、322与蓝宝石基板31间的高度差以调整差排35的形成速度及方向，并抑制因晶格常数差所致的应力。差排35则是被限制地沿着该多重核种321、322的侧边成长并产生弯折，因此，降低延伸至该磊晶层34中的差排35量。

US 6,504,183所揭示的内容虽可降低磊晶层34内的差排35量，但是由于该多重核种321、322与蓝宝石基板31间的高度差异变化量不足，因此，差排量过高的问题仍具改善的空间。

参阅图4，US 6,936,851揭示一种半导体发光装置的制作方法。其主要是利用湿式蚀刻法于一个基板41的一表面施予湿式蚀刻以于该基板41形成多数个由多数个微型晶面(micro-facet)所构成的沟槽。进一步地，依序于该基板41上形成一层倾斜层42及一个上层区43。该基板41的沟槽(也就是，微型晶面)提供利于优先成核的位置，因此，该倾斜层42主要是自相邻微型晶面的接合处显露出来并于所述沟槽处结合。另，该上层区43于成长过程中的倾斜成长(inclined growth)已趋于缓慢，因此，该上层区43的一表面已呈现平坦化的状态。

于US 6,936,851所揭示的内容中，其差排主要是朝向沟槽的中心并向上传播，其中，呈反向延伸的相近的差排于相遇后合并且朝上延伸。虽然US 6,936,851所揭示的内容可减少磊晶膜内的差排量，但是此等微型晶面于表面的变化量仍嫌不足，因此，对于降低磊晶膜内的差排量的贡献度也有限。

参阅图5，US 7,033,854揭露一种于蓝宝石基板上对III-V族氮化物结晶化(crystallizing)的方法。其主要是于一个C面蓝宝石基板51上形成多数个深度大于10nm的等深凹槽511，并于该C面蓝宝石基板51上磊制一层磊晶膜52。该磊晶膜52具有多数个分别填置于所述等深凹槽511内的Al_xGa_1-xN晶体521、一层覆盖所述Al_xGa_1-xN晶体521及C面蓝宝石基板51的缓冲层522及一层覆盖该缓冲层522的无掺杂(undoped)GaN层。

US 7,033,854主要是利用所述等深凹槽511以增加该C面蓝宝石基板(也就是，Al₂O₃)51与该磊晶膜52两者间原子交互作用的接触面积，进而使得该C面蓝宝石基板51中的Al原子可因表面积增加而提升其向上扩散的机率，并使得上方的Al_xGa_1-xN晶体521是含Al量较高的晶体；另，由于Al_xGa_1-xN/sapphire间的晶格常数差(Δa)是明显地小于GaN/sapphire间的晶格常数差，因此，在晶格不匹配度降低的情况下，所述Al_xGa_1-xN晶体521的马赛克晶体含量较低且晶体方位较为均匀化；又，该C面蓝宝石基板51上方的晶体方位，可受到构成所述等深凹槽511的多数个倾斜表面所作用的横向约束力(lateral constrain force)所限制，因此，藉所述等深凹槽511以控制晶体方位，进而降低产生马赛克晶体的机率；此外，于完成该缓冲层522之后，对该缓冲层522连续升温并施予退火处理，且利用最终的退火温度于该缓冲层522上形成该无掺杂GaN层523，藉由此种分段成长(interruption of growth)而使得该缓冲层522及该无掺杂GaN层523的晶体方位更为一致。

经前述几篇先前技术的说明可知，目前大致上是使用凹凸化基板的技术手段以解决磊晶膜中差排量过高的问题。然而，此等凹凸化表面所形成的等深凹槽多呈规则性排列，因此，单位面积内所产生的表面起伏的变化性并不显著，所能减少的差排量也有限。纵算是呈不规则性排列的非等深凹槽所构成的凹凸化表面，其表面起伏的变化性也不够明显。因此，磊晶膜中的差排量过高的问题，仍有许多改善的空间。

发明内容

本发明的目的在于提供一种固态发光元件。

本发明的另一目的，在于提供一种固态发光元件的制作方法。

本发明固态发光元件，包括：一个具有一个外轮廓面的基材，及一层覆盖该基材的外轮廓面的半导体化合物磊晶膜。该外轮廓面具有多数个相间隔地向一实质上垂直于该基材的第一方向凸伸的突出区。每两相邻的突出区共同定义出一个向一相反于该第一方向的第二方向凹陷的凹穴区。该基材的外轮廓面的部分突出区分别具有多数个相间隔地向该第一方向凸伸而出的峰部。每两相邻的峰部共同定义出一个向该第二方向凹陷的谷部。

另，本发明固态发光元件的制作方法，包括以下步骤：

(a)于一个基材上形成一层预定成形膜；

(b)对该预定成形膜施予粗化(roughen)处理以使该预定成形膜形成一个粗化表面；

(c)对该粗化表面施予蚀刻处理以移除该预定成形膜并使该基材根据该粗化表面形成一个外轮廓面；及

(d)于该外轮廓面磊制一层半导体化合物磊晶膜。

本发明的功效在于，藉由前述基材的突出区的峰部、谷部及凹陷区所定义的外轮廓面，以增加差排产生弯折的机率，进而降低磊晶膜内的差排密度并增加固态发光元件整体的内部量子效率。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明：

图1是一局部剖视示意图，说明现有一种固态发光元件。

图2是一局部剖视示意图，说明现有一种固态半导体装置用的磊晶基板。

图3是一制作流程示意图，说明US 6,504,183的氮化物半导体的磊晶成长。

图4是一制作流程示意图，说明US 6,936,851的半导体发光装置。

图5是一局部剖视示意图，说明US 7,033,854所揭示的III-V族氮化物的结晶化处理的膜层结构。

图6是一正视示意图，说明本发明固态发光元件的一较佳实施例的局部放大结构。

图7是该较佳实施例的正视示意图。

图8是一制作流程示意图，说明本发明固态发光元件的制作方法的一较佳实施例。

图9是一制作流程示意图，说明本发明固态发光元件的制作方法的另一较佳实施例。

图10是一AFM表面形貌图，说明由本发明的制作方法的一实施例一所制得的基材的表面形貌。

具体实施方式

参阅图6及图7，本发明固态发光元件的一较佳实施例，包括：一个具有一个外轮廓面61的基材6，及一层覆盖该基材6的外轮廓面61的半导体化合物磊晶膜7。该外轮廓面61具有多数个相间隔地向一实质上垂直于该基材6的第一方向Y₁凸伸的突出区611，每两相邻的突出区611共同定义出一个向一相反于该第一方向Y₁的第二方向Y₂凹陷的凹穴区612。该基材6的外轮廓面61的部分突出区611分别具有多数个相间隔地向该第一方向Y₁凸伸而出的峰部613。每两相邻的峰部613共同定义出一个向该第二方向Y₂凹陷的谷部614。

为增加差排产生弯折的机率，主要是经由增加单位面积内表面起伏的变化量。因此，较佳地，该基材6的外轮廓面61的部分凹穴区612分别具有多数个相间隔地向该第一方向Y₁凸伸而出的峰部615，每两相邻的峰部615共同定义出一个向该第二方向Y₂凹陷的谷部616。

值得一提的是，当该外轮廓面61的平均粗糙度(Ra)过大时，将使得该半导体化合物磊晶膜7因未能覆盖该外轮廓面61而无法成膜，另，当该外轮廓面61的平均粗糙度过小时，则无法致使差排产生弯折。因此，更佳地，所述突出区611及凹穴区612的峰部613、615及谷部614、616共同界定出该外轮廓面61的平均粗糙度(Ra)是介于0.5nm～1000nm之间。又更佳地，该外轮廓面61的平均粗糙度是介于0.5nm～500nm之间。

较佳地，该半导体化合物磊晶膜7具有一层覆盖该外轮廓面61的成核层71及一层覆盖该成核层71的磊晶层72。更佳地，该成核层71的成膜温度是不高于1000℃；该磊晶层72的成膜温度是不低于650℃。又更佳地，该成核层71的成膜温度是介于450℃～1000℃之间；该磊晶层72的成膜温度是介于650℃～1300℃之间。

较佳地，该半导体化合物磊晶膜7是由III-V族化合物所构成；该磊晶层72具有一层覆盖该成核层71的第一导电型半导体721、一层局部覆盖该第一导电型半导体721的多重量子井722及一层覆盖该多重量子井722的第二导电型半导体723；且本发明固态发光元件还包括两个分别设置于该第一导电型半导体721及第二导电型半导体723的接触电极8。

适用于本发明的III族元素是选自B、Al、Ga、In、Ti，或此等的一组合；适用于本发明的V族元素是选自N、P、As、Sb、Bi，或此等的一组合；另，适用于本发明的基材6可以是呈单晶结构且晶格常数与GaN系材料相近的蓝宝石、碳化硅(SiC)、硅(Si)、氧化锌(ZnO)、砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)，或呈尖晶石(spinel)结构的铝酸镁(MgAl₂O₄)。

参阅图8，本发明固态发光元件的制作方法的一较佳实施例，包括以下步骤：

(a)于一个基材6’上形成一层预定成形膜9；

(b)对该预定成形膜9施予粗化处理以使该预定成形膜9形成一个粗化表面91；

(c)对该粗化表面91施予蚀刻处理以移除该预定成形膜9并使该基材6’根据该粗化表面91形成一个外轮廓面61’；及

(d)于该外轮廓面61’磊制一层半导体化合物磊晶膜7’。

较佳地，该步骤(b)的粗化处理是选自退火处理(annealing treatment)、湿式蚀刻、机械研磨(mechanical lapping)，或喷砂处理(bead blasting)；该步骤(d)的半导体化合物磊晶膜7’是依序于该基材6’上磊制一层覆盖该外轮廓面61’的成核层71’并于该成核层71’上磊制一层覆盖该成核层71’的磊晶层72’；该步骤(d)的磊晶层72’具有一层覆盖该成核层71’的第一导电型半导体、一层局部覆盖该第一导电型半导体的多重量子井及一层覆盖该多重量子井的第二导电型半导体(图8未示)；且，于该步骤(d)之后还包括一个于该第一导电型半导体及第二导电型半导体上分别形成一个接触电极的步骤(e)(图8未示)；更佳地，该步骤(d)的成核层71’及磊晶层72’的成膜温度分别是不高于1000℃及不低于650℃；又更佳地，该步骤(d)的成核层71’的成膜温度是介于450℃～1000℃之间，该步骤(d)的磊晶层72’的成膜温度是介于650℃～1300℃之间。

在一实施例中，该步骤(b)的粗化处理是退火处理，且该步骤(a)的预定成形膜9于退火处理后是呈压应力及张应力其中一者；较佳地，该步骤(a)的预定成形膜9于退火处理后是呈压应力；更佳地，该步骤(a)的预定成形膜9是选自一光阻(photo resistor)材料或一金属材料；又更佳地，该步骤(a)的预定成形膜9是一金属材料；适用于本发明的金属材料是选自Ni、Ag、Al、Au、Pt、Pd、Zn、Cd、Cu，或此等的一组合；且在该实施例中，该金属材料是Ni。

値得一提的是，在该实施例中，当该预定成形膜9的厚度过大时，于实施退火处理时该预定成形膜9则不易见有压应力的作用，相反地，当该预定成形膜9的厚度不足时，该预定成形膜9于退火处理时虽可因材料本身压应力的作用而见有粗化现象，但是，也将因厚度不足而导致该粗化表面61无法取得充分的起伏变化量；因此，较佳地，该步骤(a)的预定成形膜9的厚度是介于50nm～2000nm之间。

又，当该步骤(b)的退火处理温度过高时，将使得该预定成形膜9产生汽化或导致其材料产生变质的问题，相反地，当该步骤(b)的退火处理温度过低时，该预定成形膜9的原子将因无法取得足够的热能以产生原子迁移而导致该粗化表面91的起伏变化量不足；因此，较佳地，该步骤(b)的退火处理温度是介于400℃～1000℃之间；更佳地，该步骤(b)的退火处理温度是介于500℃～800℃之间；又更佳地，该步骤(b)的退火处理温度是介于600℃～750℃之间。

虽然本发明在该实施例中是使用于退火处理时呈压应力的金属材料来做为该预定成形膜9。而値得一提的是，适用于本发明的呈压应力的光阻材料，可以是选自SU-8、BCB、聚酰亚胺(polyimide)、EPG-516、AZ-5214，或DNR-L300-D1等光阻材料。举例来说，本发明也可于该基材61’上直接依序地形成一层氧化硅(SiO₂)层及一层EPG-516光阻层以作为一层预定成形膜(图8未示)，并使用蚀刻法移除该预定成形膜以于该基材6’表面形成该外轮廓面61’。

在另一实施例中，该步骤(b)的粗化处理是喷砂处理，且该步骤(a)的预定成形膜9是金属材料；较佳地，该步骤(b)的喷砂处理所使用的砂粒(bead)是选自氧化铝(Al₂O₃)、碳化硅(SiC)、金刚砂(black alumina)、钢珠(steel shot)、铜珠(bronze alloy shots)、陶瓷砂(ceramic bead)、铝砂(alumina)、钢石乐(stainless shot)、塑料砂(plastic bead)、核桃砂(walnut powder)、二氧化硅(SiO₂)、碳化硼(B₄C)，或此等的一组合，该步骤(a)的预定成形膜9的厚度是介于50nm～5μm之间，且该步骤(b)的砂粒的粒径尺寸是介于0.05μm～500μm之间；此外，适用于该另一实施例的步骤(b)的金属材料是选自Ni、Cu、Ti、Au、Pt，或此等的一组合；更佳地，该另一具体的步骤(b)的砂粒的粒径尺寸是介于3μm～10μm之间。

值得一提的是，当该步骤(b)的喷砂处理所实施的压力过大时，将破损该预定成形膜9，相反地，当该步骤(b)的喷砂处理所实施的压力不足时，也将无法达到所欲的粗化效果。因此，更佳地，该步骤(b)所使用的压力是介于5g/cm²～10kg/cm²之间。

另，该预定成形膜9与该步骤(b)的一喷砂装置的喷嘴(nozzle，图8未示)的间距是介于20cm～30cm之间。值得一提的是，该步骤(b)的喷砂装置的喷嘴与该预定成形膜9的间距大小，只决定作用于该预定成形膜9的面积大小，对于该预定成形膜9的粗化表面91的平均粗糙度影响不大。因此，重点在于，该喷嘴与预定成形膜9的间距所构成的喷砂作用面积是可覆盖该预定成形膜9，就可以构成本发明的制作方法的该另一实施例。

又，値得一提的是，该步骤(d)的外轮廓面61’是依据该粗化表面91所构成，为使得该步骤(d)的半导体化合物磊晶膜7’得以均匀地成膜，并使其差排适度地弯折以降低向图6所示的第一方向Y₁延伸的贯穿式差排密度。因此，较佳地，该步骤(b)的粗化表面91的平均粗糙度是介于0.5nm～1000nm之间，且该步骤(c)是使用非等向性(anisotropic)蚀刻法；更佳地，该步骤(b)的粗化表面91的平均粗糙度是介于0.5nm～500nm之间；且，适用于本发明的非等向性蚀刻法可以是现有技术中的任何一种干式蚀刻法。

另，适用于本发明该步骤(d)的半导体化合物磊晶膜7’的材质已说明于前述内容中，于此不再多加描述。

参阅图9，本发明固态发光元件的制作方法的另一较佳实施例，包括以下步骤：

(A)对一个基材6”施予粗化处理以于该基材6”的一个表面形成一个外轮廓面61”，粗化处理是选自喷砂处理及机械研磨其中一者；及

(B)于该外轮廓面61”磊制一层半导体化合物磊晶膜7”。

在又一实施例中，该步骤(A)的粗化处理是喷砂处理；较佳地，该步骤(A)的喷砂处理所使用的砂粒，以及该步骤(A)的基材6”与一喷砂装置的喷嘴92的间距，是相同于前述的该另一实施例的步骤(b)。

值得一提的是，在该又一实施例中，是直接对硬度较高的基材(如：sapphire)6”施予喷砂处理，当该步骤(A)的砂粒的粒径尺寸过小时，该基材6”将无法取得足够的撞击力已产生适当的粗化效果；另，当该步骤(A)的喷砂处理所实施的压力过高或过低时，该外轮廓面61”的平均粗糙度将不适用于本发明；因此，较佳地，该步骤(A)的砂粒的粒径尺寸是介于1μm～500μm之间，该步骤(A)所使用的压力是介于50g/cm²～50kg/cm²之间，且该步骤(A)的外轮廓面61”的平均粗糙度是介于0.5nm～1000nm之间；又更佳地，该步骤(A)的外轮廓面61”的平均粗糙度是介于0.5nm～500nm之间。

另，该步骤(B)的半导体化合物磊晶膜7”是依序于该基材6”上磊制一层覆盖该外轮廓面61”的成核层71”并于该成核层71”上磊制一层覆盖该成核层71”的磊晶层72”；又，该步骤(B)的成核层71”及磊晶层72”的成膜温度、该步骤(B)的半导体化合物磊晶膜7”的材质、该步骤(B)的磊晶层72”的膜层结构皆相同于前，于此不再多加描述。此外，本发明该又一实施例于该步骤(B)之后，还包括一个于该第一导电型半导体及第二导电型半导体上分别形成一个接触电极的步骤(C)(图9未示)。

有关本发明之前述及其它技术内容、特点与功效，在以下配合参考图式的三个实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。

<实施例一>

本发明固态发光元件的制作方法的一实施例是简单地说明于下。

首先，利用电子束蒸镀法(e-beam evaporation)以600℃的工作温度于一个蓝宝石基材上镀制一层厚度约300nm的Ni镀膜；进一步地，对镀制有Ni镀膜的蓝宝石基材施予600℃且持温10分钟的退火处理，以使Ni镀膜透过原子迁移的作用而产生表面粗化。

于完成退火处理后，利用反应式离子蚀刻法(reactive ion etching，简称RIE)对Ni镀膜施予蚀刻处理以移除Ni镀膜，并使该蓝宝石基材根据该Ni镀膜的粗化表面形成如图8所示的外轮廓面61’。参阅图10，是本发明于完成R正蚀刻处理后利用原子力显微镜(atomic force microscope，简称AFM)所取得的表面形貌，且经AFM所取得的Ra值约等于10nm。

后续，于一MOCVD系统中引入NH₃/TMG[(CH₃)₃Ga]的流量比等于500的反应源，并于500mTorr的工作压力及至540℃的成膜温度下形成一层GaN成核层；进一步地，于该MOCVD系统中引入NH₃/TMG等于2500的反应源，并于200mTorr的工作压力及1050℃的成膜温度下形成一层以GaN为主的磊晶层。

最后，对该实施例的磊晶层施予元件制程及接触电极等制作流程，进而制得如图7所示的固态发光元件。在本发明该实施例一中，成核层、磊晶层、元件制程、接触电极并非本发明的技术特征，因此，与成核层、磊晶层、元件制程、接触电极等相关的细节技术，于此不再多加描述。

<实施例二>

本发明固态发光元件及其制作方法的一实施例二，大致上是相同于该实施例一，其不同处在于，于该蓝宝石基材上是形成一层500nm厚的Ni镀膜，并对该实施例二的Ni镀膜施予喷砂处理。

为使得本发明该实施例二的蓝宝石基材在完成喷砂处理及RIE蚀刻处理后的外轮廓面得以如图6所示(也就是，突出区611及凹穴区612上皆分别形成有峰部613、615及谷部614、616)，在本发明该实施例二中，喷砂处理用的砂粒是混合20μm、10μm及5μm的体积比为1∶1∶1的SiO₂粒子，该实施例二的蓝宝石基材与喷砂装置的喷嘴的间距约20cm，且该实施例二的喷砂处理所实施的压力及时间分别为100g/cm²及5秒钟，又该实施例二的蓝宝石基材的Ra值约10nm。

<实施例三>

本发明固态发光元件及其制作方法的一实施例三，大致上是相同于该实施例二，其不同处在于，于该实施例三的蓝宝石基材上是未形成有Ni镀膜，且该实施例三的喷砂处理是直接实施于该蓝宝石基材上。

在本发明该实施例三中，喷砂处理用的砂粒是混合50μm、20μm及10μm的体积比为1∶1∶1的SiC粒子，该实施例三的蓝宝石基材与喷砂装置的喷嘴的间距约15cm，且该实施例三的喷砂处理所实施的压力及时间分别为2Kg/cm²及60秒钟，又该实施例三的蓝宝石基材的Ra值约15nm。

本发明主要是藉由如图6所示的突出区611及凹穴区612的峰部613、615及谷部614、616，以提升该外轮廓面61于单位面积内的起伏变化量，并使得提供差排产生弯折的位置得以增加。差排于产生弯折后将无法向该第一方向Y₁延伸，因此，有效地降低该磊晶层72内的贯穿式差排密度并大幅提升固态发光元件的内部量子效率。

归纳上述，本发明固态发光元件及其制作方法，可藉由前述基材的外轮廓面以增加差排产生弯折的机率，进而降低磊晶膜内的差排密度并增加固态发光元件整体的内部量子效率，所以确实能达到本发明的目的。

Claims

1.一种固态发光元件，其特征在于其包括：

一个具有一个外轮廓面的基材，该外轮廓面具有多数个相间隔地向一实质上垂直于该基材的第一方向凸伸的突出区，每两相邻的突出区共同定义出一个向一相反于该第一方向的第二方向凹陷的凹穴区，该基材的外轮廓面的部分突出区分别具有多数个相间隔地向该第一方向凸伸而出的峰部，每两相邻的峰部共同定义出一个向该第二方向凹陷的谷部；及

一层覆盖该基材的外轮廓面的半导体化合物磊晶膜。

2.如权利要求1所述的固态发光元件，其特征在于：

该基材的外轮廓面的部分凹穴区分别具有多数个相间隔地向该第一方向凸伸而出的峰部，每两相邻的峰部共同定义出一个向该第二方向凹陷的谷部。

3.如权利要求2所述的固态发光元件，其特征在于：

所述突出区及凹穴区的峰部及谷部共同界定出该外轮廓面的平均粗糙度是介于0.5nm～1000nm之间。

4.如权利要求3所述的固态发光元件，其特征在于：

该外轮廓面的平均粗糙度是介于0.5nm～500nm之间。

5.如权利要求1所述的固态发光元件，其特征在于：

该半导体化合物磊晶膜具有一层覆盖该外轮廓面的成核层及一层覆盖该成核层的磊晶层。

6.如权利要求5所述的固态发光元件，其特征在于：

该成核层的成膜温度是不高于1000℃；该磊晶层的成膜温度是不低于650℃。

7.如权利要求6所述的固态发光元件，其特征在于：

该成核层的成膜温度是介于450℃～1000℃之间；该磊晶层的成膜温度是介于650℃～1300℃之间。

8.如权利要求5所述的固态发光元件，其特征在于：

该半导体化合物磊晶膜是由III-V族化合物所构成；III族元素是选自B、Al、Ga、In、Ti，或此等的一组合；V族元素是选自N、P、As、Sb、Bi，或此等的一组合。

9.如权利要求5所述的固态发光元件，其特征在于：

该磊晶层具有一层覆盖该成核层的第一导电型半导体、一层局部覆盖该第一导电型半导体的多重量子井及一层覆盖该多重量子井的第二导电型半导体。

10.如权利要求9所述的固态发光元件，其特征在于：

还包括两个分别设置于该第一导电型半导体及第二导电型半导体的接触电极。

11.一种固态发光元件的制作方法，其特征在于其包括以下步骤：

(a)于一个基材上形成一层预定成形膜；

(b)对该预定成形膜施予粗化处理以使该预定成形膜形成一个粗化表面；

(d)于该外轮廓面磊制一层半导体化合物磊晶膜。

12.如权利要求11所述的固态发光元件的制作方法，其特征在于：

该步骤(b)的粗化处理是选自退火处理、湿式蚀刻、机械研磨，或喷砂处理。

13.如权利要求12所述的固态发光元件的制作方法，其特征在于：

该步骤(b)的粗化处理是退火处理，且该步骤(a)的预定成形膜于退火处理后是呈压应力及张应力其中一者。

14.如权利要求13所述的固态发光元件的制作方法，其特征在于：

该步骤(a)的预定成形膜于退火处理后是呈压应力。

15.如权利要求14所述的固态发光元件的制作方法，其特征在于：

该步骤(a)的预定成形膜是选自一光阻材料或一金属材料。

16.如权利要求15所述的固态发光元件的制作方法，其特征在于：

该步骤(a)的预定成形膜是金属材料；该金属材料是选自Ni、Ag、Al、Au、Pt、Pd、Zn、Cd、Cu，或此等的一组合。

17.如权利要求16所述的固态发光元件的制作方法，其特征在于：

该金属材料是Ni。

18.如权利要求17所述的固态发光元件的制作方法，其特征在于：

该步骤(a)的预定成形膜的厚度是介于50nm～2000nm之间。

19.如权利要求17所述的固态发光元件的制作方法，其特征在于：

该步骤(b)的退火处理温度是介于400℃～1000℃之间。

20.如权利要求12所述的固态发光元件的制作方法，其特征在于：

该步骤(b)的粗化处理是喷砂处理，且该步骤(a)的预定成形膜是金属材料。

21.如权利要求20所述的固态发光元件的制作方法，其特征在于：

该步骤(b)的喷砂处理所使用的砂粒是选自氧化铝、碳化硅、金刚砂、钢珠、铜珠、陶瓷砂、铝砂、钢石乐、塑料砂、核桃砂、二氧化硅、碳化硼，或此等的一组合；该步骤(a)的预定成形膜的厚度是介于50nm～5μm之间。

22.如权利要求21所述的固态发光元件的制作方法，其特征在于：

该步骤(b)的砂粒的粒径尺寸是介于0.05μm～500μm之间。

23.如权利要求20所述的固态发光元件的制作方法，其特征在于：

该步骤(b)所使用的压力是介于5g/cm²～10kg/cm²之间。

24.如权利要求20所述的固态发光元件的制作方法，其特征在于：

该预定成形膜与该步骤(b)的一喷砂装置的喷嘴的间距是介于20cm～30cm之间。

25.如权利要求11所述的固态发光元件的制作方法，其特征在于：

该步骤(b)的粗化表面的平均粗糙度是介于0.5nm～1000nm之间。

26.如权利要求25所述的固态发光元件的制作方法，其特征在于：

该步骤(b)的粗化表面的平均粗糙度是介于0.5nm～500nm之间。

27.如权利要求11所述的固态发光元件的制作方法，其特征在于：

该步骤(d)的半导体化合物磊晶膜是依序于该基材上磊制一层覆盖该外轮廓面的成核层并于该成核层上磊制一层覆盖该成核层的磊晶层。

28.如权利要求27所述的固态发光元件的制作方法，其特征在于：

该步骤(d)的成核层及磊晶层的成膜温度分别是不高于1000℃及不低于650℃。

29.如权利要求28所述的固态发光元件的制作方法，其特征在于：

该步骤(d)的成核层的成膜温度是介于450℃～1000℃之间；该步骤(d)的磊晶层的成膜温度是介于650℃～1300℃之间。

30.如权利要求29所述的固态发光元件的制作方法，其特征在于：

该步骤(d)的半导体化合物磊晶膜是由III-V族化合物所构成；III族元素是选自B、Al、Ga、In、Ti，或此等的一组合；V族元素是选自N、P、As、Sb、Bi，或此等的一组合。

31.如权利要求30所述的固态发光元件的制作方法，其特征在于：

该步骤(d)的磊晶层具有一层覆盖该成核层的第一导电型半导体、一层局部覆盖该第一导电型半导体的多重量子井及一层覆盖该多重量子井的第二导电型半导体。

32.如权利要求31所述的固态发光元件的制作方法，其特征在于：

于该步骤(d)之后还包括一个于该第一导电型半导体及第二导电型半导体上分别形成一个接触电极的步骤(e)。

33.一种固态发光元件的制作方法，其特征在于其包括以下步骤：

(A)对一个基材施予粗化处理以于该基材的一个表面形成一个外轮廓面，粗化处理是选自喷砂处理及机械研磨其中一者；及

(B)于该外轮廓面磊制一层半导体化合物磊晶膜。

34.如权利要求33所述的固态发光元件的制作方法，其特征在于：

该步骤(A)的粗化处理是喷砂处理。

35.如权利要求34所述的固态发光元件的制作方法，其特征在于：

该步骤(A)的喷砂处理所使用的砂粒是选自氧化铝、碳化硅、金刚砂、钢珠、铜珠、陶瓷砂、铝砂、钢石乐、塑料砂、核桃砂、二氧化硅、碳化硼，或此等的一组合。

36.如权利要求35所述的固态发光元件的制作方法，其特征在于：

该步骤(A)的砂粒的粒径尺寸是介于1μm～500μm之间。

37.如权利要求34所述的固态发光元件的制作方法，其特征在于：

该步骤(A)所使用的压力是介于50g/cm²～50kg/cm²之间。

38.如权利要求34所述的固态发光元件的制作方法，其特征在于：

该步骤(A)的基材与一喷砂装置的喷嘴的间距是介于20cm～30cm之间。

39.如权利要求33所述的固态发光元件的制作方法，其特征在于：

该步骤(A)的外轮廓面的平均粗糙度是介于0.5nm～1000nm之间。

40.如权利要求39所述的固态发光元件的制作方法，其特征在于：

该步骤(A)的外轮廓面的平均粗糙度是介于0.5nm～500nm之间。

41.如权利要求33所述的固态发光元件的制作方法，其特征在于：

该步骤(B)的半导体化合物磊晶膜是依序于该基材上磊制一层覆盖该外轮廓面的成核层并于该成核层上磊制一层覆盖该成核层的磊晶层。

42.如权利要求41所述的固态发光元件的制作方法，其特征在于：

该步骤(B)的成核层及磊晶层的成膜温度分别是不高于1000℃及不低于650℃。

43.如权利要求42所述的固态发光元件的制作方法，其特征在于：

该步骤(B)的成核层的成膜温度是介于450℃～1000℃之间；该步骤(B)的磊晶层的成膜温度是介于650℃～1300℃之间。

44.如权利要求43所述的固态发光元件的制作方法，其特征在于：

该步骤(B)的半导体化合物磊晶膜是由III-V族化合物所构成；III族元素是选自B、Al、Ga、In、Ti，或此等的一组合；V族元素是选自N、P、As、Sb、Bi，或此等的一组合。

45.如权利要求44所述的固态发光元件的制作方法，其特征在于：

该步骤(B)的磊晶层具有一层覆盖该成核层的第一导电型半导体、一层局部覆盖该第一导电型半导体的多重量子井及一层覆盖该多重量子井的第二导电型半导体。

46.如权利要求45所述的固态发光元件的制作方法，其特征在于：

于该步骤(B)之后还包括一个于该第一导电型半导体及第二导电型半导体上分别形成一个接触电极的步骤(C)。