CN101661981B - 用于制造发光元件的基板以及利用该基板制造的发光元件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于制造发光元件的基板以及利用所述基板制造的发光元件，所述基板包括：至少一个平台区，具有外延生长的第一晶面方向；以及多个连续的凸部，围绕所述平台区而彼此连接，以使所述平台区与另一平台区隔离，所述多个连续的凸部的晶面方向大致上不包含所述第一晶面方向。由于所述多个连续的凸部的晶面方向大致上不包含外延生长的方向，当形成发光元件时，外延主要在所述平台区上成长，可避免外延缺陷的产生，因而可提高发光元件的外部量子效率。

Description

用于制造发光元件的基板以及利用该基板制造的发光元件

技术领域

本发明涉及一种用于制造发光元件的基板以及利用该基板制造的发光元件；更具体而言，本发明涉及一种用于制造LED的基板以及利用该基板制造的具有高光提取效率(extraction efficiency)的LED。

背景技术

由于发光元件，或称发光二极管(light emitting diode；LED)，具有高亮度及环保等优点，LED已普遍使用于显示器的背光源及照明等应用上。然而，如本领域技术人员公知的，由于发光二极管的量子效率(quantumefficiency)不高，未能转换为光的能量被转换为热，这些热量如果无法有效地逸散出LED外，将导致LED温度上升，并影响LED的发光效率。

目前，已知在制造LED的外延过程中，如果外延膜内部含有大量贯穿式位错(dislocation)，将影响其内部量子效率(internal quantum efficiency)。内部量子效率是由外延膜的发光层所产生的光的效率，最理想状态为100％；而外部量子效率是指由发光层所产生的光有效地输出LED的比率。

为了有效地提高LED的外部量子效率，本领域技术人员经常使用图案化基板(patterned substrate)作为外延的基板。参考图6，从外延膜的发光层中产生而大致沿着膜平面行进的光，可经由图案化基板的结构所造成的全反射效应，被导向垂直于膜平面的出光方向，因而提高了光提取效率。

然而，参考现有技术图5A至5D，由于图案化基板41具有两个可供外延膜生长的表面(40、40’)，以C-plane蓝宝石基板的六方晶系的单晶结构而言，外延膜主要沿着C-plane蓝宝石的(0001)晶面(米勒指数)生长，在其它晶面则几乎不会生长。当使用图案化基板41结合横向外延生长技术(lateralepitaxial growth)生长外延膜时，外延膜42’的横向生长，经常会在凹槽顶部造成空隙缺陷48。光到达这些宏观的空隙缺陷时，会因其不规则的形状而散射，因而影响全反射效应，进而影响LED的外部量子效率。

此外，由于经由图案化基板的结构而造成的全反射效应，随着图案化基板中可供全反射表面的增加而增加，因此，如果使生长平台以外的凸部区域增加，例如通过凸部相连而使全反射的有效表面积增加，元件效率将会显著的增加。

因此，需要一种具有主要生长平台以避免空隙缺陷产生，以及在生长平台以外的凸部有效表面积增加的图案化基板。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种用于制造发光元件的基板，其具有改良的表面结构，可提供主要生长平台，以避免空隙缺陷产生，同时，在生长平台以外的凸部有效表面积增加，可有效提高全反射效应。

根据本发明，一种用于制造发光元件的基板，包括：至少一个平台区，具有外延生长的第一长晶方向的平面；以及多个连续的凸部，围绕该平台区而彼此连接，以使该平台区与另一平台区隔离，其中所述多个连续的凸部不包含所述平台区，并且该多个连续的凸部的晶面方向大致上不包含该第一长晶方向的平面，其中该平台区与该凸部的晶面方向皆不包含连续性的长晶平面，且所述多个连续的凸部的表面为平坦表面。

根据本发明的另一方案，该第一长晶方向的平面为C-plane蓝宝石的(0001)晶面方向。

根据本发明的另一方案，该基板由蓝宝石或含硅的材料所制成。

根据本发明，一种发光元件，包括：基板，包括至少一个平台区，具有外延生长的第一长晶方向的平面；以及多个连续的凸部，围绕该平台区而彼此连接，以使该平台区与另一平台区隔离，其中所述多个连续的凸部不包含所述平台区，并且该多个连续的凸部的晶面方向大致上不包含该第一长晶方向的平面，其中该平台区与该凸部的晶面方向皆不包含连续性的长晶平面，且所述多个连续的凸部的表面为平坦表面；外延堆叠结构，叠置在该基板上，沿叠置方向依次包括第一半导体层、发光层、及第二半导体层，其中该第一半导体层包括未被该发光层及该第二半导体层覆盖的第一部分；第一电极，与该第一半导体层的该第一部分相连接；以及第二电极，与该第二半导体层相连接，且与该第一电极电分离。

根据本发明的一个方案，该第一半导体层为n型半导体，且该第二半导体层为p型半导体。

根据本发明的另一方面，还提供了一种用于制造发光元件的基板，包括：

至少一个平台区，作为主要的外延生长平台，具有供外延生长的第一长晶方向的平面；以及

多个连续的凸部，围绕所述平台区，以使平台区与另一平台区隔离，其中所述多个连续的凸部不包含所述平台区，并且所述多个连续的凸部的晶面方向大致上不包含所述第一长晶方向的平面，其中该平台区与该凸部的晶面方向皆不包含连续性的长晶平面，用于提高光提取效率，且所述多个连续的凸部的表面为平坦表面。

根据本发明的又一方面，提供了一种发光元件，包括：

基板，包括至少一个平台区，作为主要的外延生长平台，具有供外延生长的第一长晶方向的平面；以及多个连续的凸部，围绕所述平台区，其中所述多个连续的凸部不包含所述平台区，并且所述多个连续的凸部的晶面方向大致上不包含所述第一长晶方向的平面，其中该平台区与该凸部的晶面方向皆不包含连续性的长晶平面，以使平台区与另一平台区隔离，用于提高光提取效率，且所述多个连续的凸部的表面为平坦表面；

外延堆叠结构，叠置在所述基板上，沿叠置方向依次包括第一半导体层、发光层、及第二半导体层，其中所述第一半导体层包括未被所述发光层及所述第二半导体层覆盖的第一部分；

第一电极，与所述第一半导体层的所述第一部分相连接；以及第二电极，与所述第二半导体层相连接，且与所述第一电极电分离。

附图说明

图1A为本发明的图案化基板的一个实施例的立体图；

图1B为沿着图1A的1B-1B’线所截取的截面图；

图1C为沿着图1A的1C-1C’线所截取的截面图；

图2A为本发明的图案化基板的另一实施例的立体图；

图2B为沿着图2A的2B-2B’线所截取的截面图；

图2C为沿着图2A的2C-2C’线所截取的截面图；

图2D为图2A的俯视图；

图2E为本发明的图案化基板的另一优选实施例的俯视图；

图3A至3D为本发明的发光元件的一个实施例的制造流程示意图；

图4为本发明的图案化基板的一个实施例的局部放大图；

图5A至5D为现有技术的发光元件的制造流程示意图；

图6为说明图案化基板的全反射效应的光路示意图。

具体实施方式

虽然将以多个优选实施例来阐述本发明，但本领域技术人员所了解的其它实施例(包括并未提供此文中所提及的所有优点及特征的实施例)也落在本发明的范围中。因此，本发明的范围仅参考所附权利要求的范围所限定。

现将参照附图，描述根据本发明的图案化基板的说明性实施例。

图1A至1C是说明本发明的图案化基板的一个实施例。图1A为本发明的图案化基板的一个实施例的立体图；图1B为沿着图1A的1B-1B’线所截取的截面图；图1C为沿着图1A的1C-1C’线所截取的截面图。

参照图1A，本发明用于制造发光元件的图案化基板11，包括：至少一个平台区10，具有供外延生长的第一晶面方向，例如C-plane蓝宝石的(0001)晶面方向；以及多个连续的凸部12，围绕该平台区10而彼此连接，以使该平台区10与另一平台区10’隔离，该多个连续的凸部12的晶面方向系大致上不包含该第一晶面方向。其中，该多个连续的凸部12的表面为平坦表面。

如图1B及1C的截面图所示，图案化基板11主要具有可供外延膜生长的平台区10，外延膜主要沿着C-plane蓝宝石的(0001)晶面生长，在其它晶面则几乎不会生长。此外，多个连续的凸部12，围绕该平台区10而彼此连接，使图案化基板11可供全反射的表面最大化，元件光提取效率显著地增加。

图2A至2E为说明本发明的图案化基板的另一实施例。图2A为本发明的图案化基板的一实施例的立体图；图2B为沿着图2A的2B-2B’线所截取的截面图；图2C为沿着图2A的2C-2C’线所截取的截面图；图2D为图2A的俯视图；图2E为本发明的图案化基板的另一优选实施例的俯视图。

参照图2A，本发明的用于制造发光元件的图案化基板21，包括：至少一个平台区20，具有外延生长的第一晶面方向，例如C-plane蓝宝石的(0001)晶面方向；以及多个连续的凸部22，围绕该平台区20而彼此连接，以使该平台区20与另一平台区20’隔离，该多个连续的凸部22的晶面方向大致上不包含该第一晶面方向。其中，该多个连续的凸部22的表面为弯曲表面。

如图2B及2C的截面图所示，图案化基板21主要具有可供外延膜生长的平台区20，外延膜系主要沿着C-plane蓝宝石的(0001)晶面生长，在其它晶面则几乎不会生长。此外，多个连续的凸部22，围绕该平台区20而彼此连接，使图案化基板21的可供全反射表面最大化，元件光提取效率显著地增加。

其次，参照图2D与图2E，说明凸部面积增加的具体实施例。图2D为图2A的俯视图，其中虚线三角形的各顶点位于相邻凸部的圆心位置，虚线三角形所围成的单位面积为A，平台区的面积为A1，凸部面积为A-A1。图2E为本发明的图案化基板的另一优选实施例的俯视图，与图2D相同地，虚线三角形的各顶点位于相邻凸部的圆心位置，虚线三角形所围成的单位面积为A，平台区的面积为A2，凸部面积为A-A2。若将虚线三角形所围成的部分视为单位区域，比较图2D与图2E可明显得知，凸部面积A-A2大于凸部面积A-A1。

在图2E所示的本发明的图案化基板的另一优选实施例中，凸部面积增加，使得供全反射的有效面积增加，元件效率将会有显著的增加。优选地，本发明的图案化基板的其它可行的实施例的单位面积中所占的凸部面积比例x具有下列关系式：

$\frac{A-A1}{A}\&le;x<1$ (式1)

本发明的图案化基板，可通过干蚀刻或电子束蚀刻方式形成。或者，本发明的图案化基板，可通过湿蚀刻工艺结合过蚀刻(over etch)方式形成。干蚀刻、电子束蚀刻、及湿蚀刻等工艺，为本领域技术人员所熟知，因此，在本说明书中不再赘述。

接着，利用图3A至3D说明使用根据本发明一个实施例的图案化基板来制造发光元件的制造流程。

图3A为提供本发明的图案化基板(多个连续的凸部的表面为平坦表面)。图3B显示图案化基板的平台区在外延过程中生长外延膜。图3C显示外延膜厚度已超出图案化基板的凸部的高度。图3D显示本发明的发光元件的一个实施例，其中图案化基板31经过翻转，并在外延膜32上进一步生长外延堆叠结构及电极等。

图3B显示在外延过程中外延膜32主要在图案化基板31的平台区30处生长，因此，不会产生如图5B现有技术所示的空隙缺陷。

图3D显示本发明的发光元件的一个实施例，包括：基板31及外延堆叠结构37，叠置在该基板31上，沿叠置方向依次包括第一半导体层32、发光层33、及第二半导体层34，其中该第一半导体层32包括未被该发光层33及该第二半导体层34覆盖的第一部分38；第一电极36，与该第一半导体层32的该第一部分38相连接；以及第二电极35，与该第二半导体层34相连接，且与该第一电极36电分离。

该第一半导体层32与该第二半导体层34由GaN系材料所制成。优选为该第一半导体层32由n型GaN材料制成，且该第二半导体层34由p型GaN材料制成。

此外，本实施例虽以倒装封装说明，但本发明也可采用其它LED封装方式，例如传统的打线封装等，只要可以实现因图案化基板而增加外部量子效率的效果即可。

图4例示说明本发明的图案化基板的一个实施例，包括：平台区50，具有供外延生长的第一晶面方向，例如C-plane蓝宝石的(0001)晶面方向；以及多个连续的凸部53，围绕该平台区50而彼此连接，以使该平台区50与另一平台区50’隔离，该多个连续的凸部53的晶面方向大致上不包含该第一晶面方向。其中，该平台区50的宽度为W1，该平台区50’的宽度为W2，平台区与凸部53的最高点之间的高度差为H。在本发明的图案化基板中，W1与W2可相同或不同，优选为W1＝W2。

另外，本发明的图案化基板的一个实施例采用蓝宝石基板，但本发明并不限于此，任何可供生长三、五族(如III族氮化物)半导体的基板材料均可使用，例如：Si、SiC等。

此外，III族氮化物半导体并不限于GaN系材料，其可为二元分子(例如AlN或InN)、三元分子、或四元分子。

本领域技术人员应了解，上述方法及设计具有额外的应用且相关的应用并不限于上列具体阐述。并且，本发明可以其它的特定形式来加以实施而不会偏离本文中所述的基本特性。不论是以何种角度而言，上述实施例均应视为是说明性的而非限制性的。

Claims (8)

1.一种用于制造发光元件的基板，包括：

至少一个平台区，具有供外延生长的第一长晶方向的平面；以及

多个连续的凸部，围绕所述平台区，以使平台区与另一平台区隔离，其中所述多个连续的凸部不包含所述平台区，并且所述多个连续的凸部的晶面方向大致上不包含所述第一长晶方向的平面，其中该平台区与该凸部的晶面方向皆不包含连续性的长晶平面，且所述多个连续的凸部的表面为平坦表面。

2.根据权利要求1所述的用于制造发光元件的基板，其中，所述第一长晶方向的平面为C-plane蓝宝石的(0001)晶面方向。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的用于制造发光元件的基板，其中，所述基板由蓝宝石或含硅材料制成。

4.一种发光元件，包括：

基板，包括至少一个平台区，具有供外延生长的第一长晶方向的平面；以及多个连续的凸部，围绕所述平台区，以使平台区与另一平台区隔离，其中所述多个连续的凸部不包含所述平台区，并且所述多个连续的凸部的晶面方向大致上不包含所述第一长晶方向的平面，其中该平台区与该凸部的晶面方向皆不包含连续性的长晶平面，且所述多个连续的凸部的表面为平坦表面；

外延堆叠结构，叠置在所述基板上，沿叠置方向依次包括第一半导体层、发光层、及第二半导体层，其中所述第一半导体层包括未被所述发光层及所述第二半导体层覆盖的第一部分；

第一电极，与所述第一半导体层的所述第一部分相连接；以及

第二电极，与所述第二半导体层相连接，且与所述第一电极电分离。

5.根据权利要求4所述的发光元件，其中，所述第一半导体层为n型半导体，且所述第二半导体层为p型半导体。

6.根据权利要求4至5中任一项所述的发光元件，其中，所述基板由蓝宝石或含硅材料制成。

7.一种用于制造发光元件的基板，包括：

至少一个平台区，作为主要的外延生长平台，具有供外延生长的第一长晶方向的平面；以及

多个连续的凸部，围绕所述平台区，以使平台区与另一平台区隔离，其中所述多个连续的凸部不包含所述平台区，并且所述多个连续的凸部的晶面方向大致上不包含所述第一长晶方向的平面，其中该平台区与该凸部的晶面方向皆不包含连续性的长晶平面，用于提高光提取效率，且所述多个连续的凸部的表面为平坦表面。

8.一种发光元件，包括：

基板，包括至少一个平台区，作为主要的外延生长平台，具有供外延生长的第一长晶方向的平面；以及多个连续的凸部，围绕所述平台区，其中所述多个连续的凸部不包含所述平台区，并且所述多个连续的凸部的晶面方向大致上不包含所述第一长晶方向的平面，其中该平台区与该凸部的晶面方向皆不包含连续性的长晶平面，以使平台区与另一平台区隔离，用于提高光提取效率，且所述多个连续的凸部的表面为平坦表面；

外延堆叠结构，叠置在所述基板上，沿叠置方向依次包括第一半导体层、发光层、及第二半导体层，其中所述第一半导体层包括未被所述发光层及所述第二半导体层覆盖的第一部分；

第一电极，与所述第一半导体层的所述第一部分相连接；以及第二电极，与所述第二半导体层相连接，且与所述第一电极电分离。