CN101488545B - 发光二极管基板表面粗化的方法 - Google Patents

Abstract

一种发光二极管基板表面粗化的方法，是利用研磨技术通过号数为300号至6000号之间的研磨砂纸对基板表面进行研磨，使基板表面形成不规则的多个凹部与凸部结构，如此，在该基板表面上形成半导体发光结构后，通过这些凹部与凸部结构对发光二极管元件内部光线的散射与绕射效果，减少半导体层与基板的界面中的光横向传播的情况，减少全反射的机率，提高发光二极管的光取出率。

Description

发光二极管基板表面粗化的方法

技术领域

本发明涉及一种发光二极管基板表面粗化的方法，尤其涉及一种在基板表面形成不规则的凹凸结构的方法。

背景技术

为了实现固态照明，开发以及改善发光二极管的发光效率便成为当务之急。改善发光二极管的发光效率的方式可分成两部分：其一为提高发光二极管的内部量子效率；其二为增加发光二极管的光萃取效率(光取出率)。

在内部量子效率方面，改善磊晶材料品质对于内部量子效率有最直接且明显的提升，其中一种侧向生长技术(Epitaxial LateralOvergrowth；ELOG)可改善磊晶材料品质，主要是在二氧化硅条纹图案化的基板上利用侧向再生长氮化镓层，以减少穿透位错的缺陷，进而提升内部量子效率。

另一种技术是横向磊晶法(Lateral Epitaxial Pattern Substrate；LEPS)，该技术利用干式或湿式蚀刻的方式来进行基板上图案样式的蚀刻，达到与ELOG类似的效果，其好处是不仅加工容易，而且可以降低磊晶成长的时间。利用此方法能有效地降低氮化镓层中的穿透位错，能有效提升发光二极管的发光效率。

而在光萃取效率方面，因为一般半导体材与封装材料的折射率相差甚多，使得全反射角小。所以，发光二极管所产生的光到达与空气的界面时，大于临界角的光将产生全反射回到发光二极管晶粒内部。光子在交界面离开半导体的机率变小，使光子只能在内部全反射直到被吸收殆尽，使光转成热的形式，造成发光效果不佳。

因此，改变基板的几何形状是一个有效提升发光效率的方法-在光萃取效率方面。根据美国专利US6,870,193，该案所披露的技术是一种具有形成于基板的凹部和/或凸部结构的半导体发光元件，相较于平坦基板情况下，此种结构的光在半导体层的横向方向传播时，光可通过凹部或凸部产生散射或绕射效果，可大幅提高外部量子效率。此外，在基板的凹部和/或凸部结构处，通过侧向生长技术，可降低氮化镓层的穿透位错，同时提升发光二极管的内部量子效率。

但是，该技术对于基板制备成具有凹部或凸部几何形状的方法，是先在基板上方形成钝化层结构，再利用使用黄光微影方式，图案定义出凹部或凸部几何形状的外形，再利用干蚀刻或湿蚀刻方式对基板蚀刻出凹部或凸部结构。此种制造过程较为繁琐且稳定性不佳，而且也大幅增加制造成本，相当不适合发光二极管的商业应用。

发明内容

于是，为解决上述的缺陷，本发明提供一种发光二极管基板表面粗化的方法，以简易且稳定的制造过程，在低制造成本且高生产率的效益下，使基板表面形成不规则的凹凸表面，用以提升发光二极管的外部量子效率。

本发明是一种发光二极管基板表面粗化的方法，此方法包括：先提供基板，该基板是蓝宝石(Al₂O₃)、碳化硅(SiC)、硅(Si)、砷化镓(GaAs)和氮化铝(AlN)、氮化镓(GaN)基板其中之一；然后利用研磨技术通过号数为300号至6000号之间的研磨砂纸对该基板表面进行研磨，使该基板表面形成不规则的多个凹部与凸部结构，其中这些凹部与凸部结构的高度差为0.05μm至15μm。

然后，将该基板表面清洁干净后，就可在该基板表面上形成半导体发光结构，其中可利用侧向生长磊晶技术或横向磊晶法生长半导体发光结构的磊晶层，使磊晶层填平前述的凹部且无任何孔洞形成。通过这些凹部与凸部结构对发光二极管元件内部光的散射与绕射效果，减少半导体层与基板的界面中的光横向传播的情况，减少全反射的机率，提高发光二极管的光取出率。

本发明的优点在于利用一种新颖的基板表面粗化方法，以简易且稳定的研磨技术，可在低制造成本且高生产率的效益下，使基板表面形成不规则的凹凸表面，通过凹凸表面对发光二极管元件内部光的散射与绕射效果，可减少半导体层与基板的界面中的光横向传播的情况，减少全反射的机率，提高发光二极管的光取出率，适合产业大量生产应用。

附图说明

图1为本发明实施例的基板的示意图。

图2为本发明实施例的基板表面被研磨后的示意图。

图3为本发明实施例的基板表面磊晶层的示意图。

图4为本发明实施例的发光二极管结构的示意图。

具体实施方式

对于本发明的详细内容及技术说明，现以实施例来做进一步说明，但应了解的是，这些实施例仅是例示说明之用，而不应被解释为本发明实施的限制。

请参阅图1至图4所示，本发明是一种发光二极管基板表面粗化的方法，实施例的发光二极管元件的制造方法包括：先提供基板100，该基板是蓝宝石(Al₂O₃)、碳化硅(SiC)、硅(Si)、砷化镓(GaAs)和氮化铝(AlN)、氮化镓(GaN)基板其中之一(如图1所示)。然后利用研磨技术通过号数为300号至6000号之间的研磨砂纸对该基板100进行研磨，使该基板100表面形成不规则的多个凹部110与凸部120的结构(如图2所示)，其中这些凹部110与凸部120的高度差为0.05μm至15μm，与研磨砂纸的粗糙度相同。

然后，在该基板100的表面形成发光二极管的半导体发光结构200，该半导体发光结构200是依次磊晶结合至少一个n型半导体层210、活性层220与至少一个p型半导体层230(如图3所示)。其中该活性层220作为发光区形成于该n型半导体层210与该p型半导体层230之间，且该p型半导体层230与p型欧姆接触电极231电性连接，该n型半导体层210通过接触窗240与n型欧姆接触电极211电性连接，用以提供顺向偏压(如图4所示)。

实施上可利用侧向生长磊晶技术或横向磊晶法，通过改变半导体层的磊晶温度及压力实现侧向生长速度高于纵向成长速度，可使该半导体发光结构200中厚度较厚的n型半导体层210填平前述的凹部110以将该基板100表面的凹部110与凸部120的落差填平，使该基板100表面的这些凹部110与凸部120结构无任何孔洞形成，可得到高质量低穿透位错(Threading Dislocation)的磊晶层。例如成长氮化镓(约15μm)作为该n型半导体层210材料，填平前述的凹部110。

因为降低这些凹部110与凸部120结构对该活性层220的影响，可良好地保持该活性层220(发光区域)的结晶性，减少穿透位错的因素，使内部量子效率提升。而且，通过这些凹部110与凸部120结构，该半导体发光结构200内部该活性层220所发出的光将会被这些凹部110与凸部120结构散射或绕射，减少n型半导体层210与基板100的界面中光横向传播的情况，减少全反射的机率，射向基板100上方或下方的光束增加，可提高发光二极管的光取出率，增加总发光量。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围。即，凡是根据本发明申请专利范围所做的同等变化与修改，都被本发明专利范围涵盖。

Claims (3)

1.一种发光二极管基板表面粗化的方法，其特征在于，

提供基板(100)；以及

利用研磨技术通过研磨砂纸对所述基板(100)进行研磨，使所述基板(100)表面形成不规则的多个凹部(110)与凸部(120)结构，所述研磨砂纸的号数为300号至6000号之间。

2.根据权利要求1所述的发光二极管基板表面粗化的方法，其特征在于，所述基板(100)是蓝宝石、碳化硅、硅、砷化镓和氮化铝、氮化镓基板其中之一。

3.根据权利要求1所述的发光二极管基板表面粗化的方法，其特征在于，所述凹部(110)与凸部(120)结构的高度差为0.05μm至15μm。

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