CN103378248A - 图案化基板及发光二极管结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种图案化基板及发光二极管结构，该图案化基板包括一基板及多个突出体。多个突出体是位于基板上，突出体具有一顶面及一底部，每两个相邻突出体的两底部之间最短的距离为0至0.2微米。当每两个相邻突出体的两底部之间最短的距离为0时，每两个相邻突出体的两底部之间为互相连接。本发明的发光二极管结构为应用该图案化基板制造而成的水平式发光二极管结构及垂直式发光二极管结构。本发明可以使发光二极管产生更好的发光效能。
Description
技术领域
本发明涉及一种基板及发光二极管结构，尤其是指一种图案化基板及使用该图案化基板所制造而成的发光二极管结构。
背景技术
发光二极管(Light Emitting Diode,LED)是由半导体材料所制成的发光元件，发光二极管元件具有两个电极端子，在端子间施加电压，通入极小的电流，经由电子与空穴的结合可将剩余能量以光的形式激发释出，此即为发光二极管的基本发光原理。发光二极管不同于一般白炽灯泡，发光二极管是属于冷发光，具有耗电量低、元件寿命长、无须暖灯时间及反应速度快等优点，再加上其体积小以及适合量产，容易配合应用上的需求而制成极小或阵列式的元件。并且近年来发光二极管在发光亮度上有显著的突破，使得发光二极管的应用范围更加广泛，目前发光二极管已普遍使用于资讯、通讯及消费性电子产品的指示或显示装置上，而成为新一代的发光元件。
传统公知的发光二极管其上层表面是平面状，且与其相对应的基板为相互平行的平面。如此，当发光时部分光线会穿透上层表面而出射于元件的外部，另一部分的光线则会因光线出射的角度大于临界角而发生全反射。发生全反射的光线，由于发光二极管的表面及基板是为相互平行的平面，致使全反射的光线永远无法出射至外部，不但光线的出射效率差，同时，全反射的光线在发光二极管内部产生热能，使得发光二极管整体温度升高，而不利于产品的可靠度要求。因此现行的解决方案为使用一种图案化蓝宝石基板(Patterned Sapphire Substrate,PSS)，并于图案化蓝宝石基板上进行外延以形成发光二极管。由于，图案化蓝宝石基板上的图案可增加光线散射的功用，将有利光线由发光二极管的内部传导出来，以增加光线的输出，并且提高发光二极管的整体亮度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种图案化基板及使用该图案化基板所制造而成的发光二极管结构，由于基板上突出物体之间具有空孔的因素，将可增加光线的散射，使得光线能充分地从发光二极管的内部发射出来，以使发光二极管产生更好的发光效能。
本发明提供一种图案化基板，包括一基板及多个突出体。多个突出体是位于基板上，突出体具有一顶面及一底部，每两个相邻突出体的两底部之间最短的距离为0至0.2微米。当每两个相邻突出体的两底部之间最短的距离为0时，每两个相邻突出体的两底部之间为互相连接。
本发明另外提供一种发光二极管结构，包括一基板、多个突出体、一第一半导体层、一发光层、一第二半导体层、一第一电极及一第二电极。多个突出体位于基板上，突出体具有一顶面及一底部，每两个相邻突出体的两底部之间最短的距离为0至0.2微米，且每两个相邻突出体之间具有一空孔。当每两个相邻突出体的两底部之间最短的距离为0时，每两个相邻突出体的两底部之间为互相连接。第一半导体层设置于基板上，且第一半导体层覆盖多个突出体，发光层设置于部分第一半导体层，第二半导体层设置于发光层上。第一电极设置于未覆盖有发光层的第一半导体层上，第二电极设置于第二半导体层上。
本发明再提供一种发光二极管结构，包括一基板、多个突出体、一第一半导体层、一发光层、一第二半导体层及一第一电极。多个突出体位于基板上，突出体具有一顶面及一底部，每两个相邻突出体的两底部之间最短的距离为0至0.2微米，且每两个相邻突出体之间具有一空孔。第一半导体层设置于基板上，且第一半导体层覆盖多个突出体，发光层设置于第一半导体层上，第二半导体层设置于发光层上，第一电极设置于第二半导体层上。当每两个相邻突出体的两底部之间最短的距离为0时，每两个相邻突出体的两底部之间为互相连接。
本发明的有益效果在于，综上所述，本发明所制成的水平式发光二极管可保留空孔，并可以减少缺陷的发生，且由于基板上具有空孔，将有利于光线从发光二极管结构的内部散射出来，以增加光线的输出，进而提高发光二极管的亮度。另外，通过本发明的图案化基板所制成的垂直式发光二极管结构，由于空孔可成为化学药剂的通道，便于基板与发光二极管结构使用化学剥离法剥离，取代公知较为昂贵的激光剥离，将具有成本上的优势。
为使能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。
附图说明
图1为本发明的图案化基板的剖面示意图。
图2为本发明的图案化基板的突出体底角连接底角的俯视示意图。
图3为本发明的图案化基板的突出体底角连接底边的俯视示意图。
图4为本发明的图案化基板的突出体矩阵排列的俯视示意图。
图5为本发明的图案化基板的突出体交错排列的俯视示意图。
图6为本发明的图案化基板的突出体底边连接底边的立体示意图。
图7为本发明的水平式发光二极管的剖面示意图。
图8为本发明的垂直式发光二极管结构基板剥离前的剖面示意图。
图9为本发明的垂直式发光二极管的成品剖面示意图。
其中，附图标记说明如下：
顶面直径 D1
顶面之间距离 D2
基板 1
突出体 2,2a,2b,2c
顶面 21
底部 22
底边 23
底角 24
空孔 3
第一半导体层 4
发光层 5
第二半导体层 6
接触层 7
第一电极 8
第二电极 9
具体实施方式
请参考图1所示，本发明提供一种图案化基板，其包括一基板1及多个突出体2。所述突出体2是位于基板1上，每一个突出体2皆具有一顶面21及一底部22。突出体2的上端形成平台的顶面21，该顶面21可为圆形、三角形、多边形、菱形或弧形等，然而，该顶面21的形状并不加以限定。突出体2以底部22与基板1相接，每两个相邻突出体2的两底部22之间最短的距离为0至0.2微米(μm)。然而，当每两个相邻突出体2的两底部22之间最短的距离为0时，每两个相邻突出体2的两底部22之间是为互相连接。其中图案化基板可为蓝宝石(Sapphire)基板、硅基板或碳化硅(SiC)基板，然而图案化基板的材质并不加以限定。
其中，突出体2的顶面直径D1与顶面之间距离D2的比值D1/D2介于1/5至5之间。顶面之间距离D2小于等于(≦)10微米(μm)，较佳实施例是介于0.3至2.5微米(μm)之间。形成突出体2的方式，可使用干蚀刻定义出突出体2，或是可使用湿蚀刻成形突出体2，亦或是可使用干蚀刻结合湿蚀刻来形成突出体2，然而形成突出体2的方式并不加以限定。在本发明中与公知的图案化基板的工艺差异在于，本发明改变湿蚀刻的条件，如蚀刻药剂调配的比例与调整反应时间，而通过湿蚀刻使得突出体2的底部22达成相连或相邻的型态。除此之外，突出体2之间由于是相连或相邻的型态，因此形成的不是易于外延的C面（c-plane），如此一来，在突出体2之间比较不会产生外延，且当外延成长进行时，可调整外延参数，使得外延从C面（c-plane）的顶面21开始生长，突出体2之间会因为外延成长较少而形成空孔，空孔因而得以保留。
因此，使用本发明的图案化基板所形成的水平式发光二极管，水平式发光二极管会保留所述空孔，得以通过所述空孔提升光萃取率(light extractionefficiency)。更进一步地说，由于空孔内部为空气，当水平式发光二极管发出光线之后，光线到达与空孔交界之处，由于折射率的不同，光线会产生反射的效果，故可使得原先射向基板方向的光线会改变其方向，朝向外部射出，如此即可增加光线的强度，得到更好的发光效果。另外，由于外延比较不会在非C面（c-plane）的突出体2之间生长，因此可避免杂质或缺陷(defect)生长于突出体2之间，进而可减少缺陷产生。
请参考图2及图3所示，突出体2a在图2当中是以三角锥状体表示，然而，在本发明中突出体2a可为多角锥状体，且不限定其几何形状，因此突出体2a另外可为四角锥状体、五角锥状体、六角锥状体或八角锥状体等，其中，在本发明中突出体2a较佳实施例为三角锥状体或六角锥状体。更进一步地说，突出体2a的顶面21为水平的平面，底部22则具有相对应几何图形的多个底角24及多个底边23，因此当突出体2a为三角锥状体时则具有三个底角24及三个底边23，当突出体2a为六角锥状体时则具有六个底角24及六个底边23，以此来类推突出体2a具有底角24及底边23的数量。
如图2所示，每一个突出体2a的底角24可分别连接或邻近于相邻的突出体2a所对应的底角24，且每一个突出体2a的底角24与相邻的突出体2a所对应的底角24之间的距离为0至0.2微米(μm)。当底角24之间的距离为0时，每一个突出体2a的底角24是连接于相邻之突出体2a所对应的底角24，而形成所述突出体2a之间分别以底角24相互连接的型态。
如图3所示，每一个突出体2a的底角24可分别连接或邻近于相邻之突出体2a所对应的底边23，且每一个突出体2a的底角24与相邻之突出体2a所对应的底边23之间的距离为0至0.2微米(μm)。当底角24与对应的底边23之间的距离为0时，每一个突出体2a的底角24是连接于相邻之突出体2a所对应的底边23，而形成所述突出体2a之间是以底角24与底边23相互连接的型态。然而，在本发明的变化实施例中，上述两种型态可同时存在，亦即突出体2a之间可通过底角24与相对应的底角24相连接，也可通过底角24与相对应的底边23相连接，两种型态同时存在的实施例亦可为本发明的实施态样。
请参考图4及图5所示，每一个突出体2b为圆锥状体，顶面21为水平的平面，底部22则具有圆弧形的底边23，每一个突出体2b的底边23与相邻的突出体2b所对应的底边23之间的距离为0至0.2微米(μm)，亦即每一个突出体2b的底边23是邻近或连接于相邻的突出体2b的底边23。如图4所示，所述突出体2b的排列方式是为矩阵排列，更进一步地说，所述突出体2b之间相互对齐，而呈现矩阵类型的排列型态。如图5所示，所述突出体2b的排列方式是为交错排列，更进一步地说，所述突出体2b之间错位约半个突出体2b，而呈现交错类型的排列型态。
请参考图6所示，每一个突出体2c为长条梯形体，顶面21为水平的平面，底部22在长边的方向具有两底边23，每一个突出体2c的底边23与相邻之突出体2c所对应的底边23之间的距离为0至0.2微米(μm)，亦即每一个突出体2c以两底边23邻近或连接于相邻的突出体2c之该底边23。
请参考图7所示，本发明另提供一种发光二极管结构，其包括一基板1、多个突出体2、一第一半导体层4、一发光层5、一第二半导体层6、一第一电极8及一第二电极9，发光二极管结构即为水平式发光二极管。
基板1上具有多个突出体2，每一个突出体2具有一顶面21及一底部22，每两个相邻突出体2的两底部之间最短的距离为0至0.2微米(μm)。且每两个相邻突出体2之间具有一空孔3，以使得所述突出体2之间皆为空孔3所间隔。由于发光二极管具有所述空孔3，将可以提升光萃取率(light extractionefficiency)，以增加光线的强度，得到更好的发光效果。然而，当每两个相邻突出体2的两底部22之间最短的距离为0时，每两个相邻突出体2的两底部22之间是为互相连接。其中图案化基板可为蓝宝石(Sapphire)基板、硅基板或碳化硅(SiC)基板，然而图案化基板的材质并不加以限定。
第一半导体层4则设置于基板1上，且第一半导体层4覆盖所述突出体2，并于部分第一半导体层4上设置发光层5，第二半导体层6设置于发光层5上。另外第一电极8设置于第二半导体层6的上方，第二电极9设置于未覆盖有发光层5的第一半导体层4上，然而第一电极8及第二半导体层6之间还可包括设置接触层7，如此即可完成发光二极管结构。
其中，突出体2可为多角锥状体，顶面21为水平的平面，底部22具有多个底角24及多个底边23。每一个突出体2以底角24分别邻近或连接于相邻之突出体2所对应的底角24或所对应的底边23。或者，每一个突出体2可为长条梯形体，顶面21为水平的平面，底部22于长边方向具有两底边23，每一个突出体2以两底边23邻近或连接于相邻的突出体2之底边23。再或者，每一个突出体2可为圆锥状体，顶面21为水平的平面，底部22具有一圆弧形底边23，每一个突出体2以底边23邻近或连接于相邻的突出体2的底边23，所述突出体2的排列方式可为矩阵排列或交错排列。
请参考图8所示，本发明再提供一种发光二极管结构，其包括一基板1、多个突出体2、一第一半导体层4、一发光层5、一第二半导体层6及一第一电极8，该发光二极管结构即为基板剥离前的垂直式发光二极管结构。
基板1上具有多个突出体2，每一个突出体2具有一顶面21及一底部22，每两个相邻突出体2的两底部之间最短的距离为0至0.2微米(μm)。且每两个相邻突出体2之间具有一空孔3，以使得所述突出体2之间皆为空孔3所间隔。然而，当每两个相邻突出体2的两底部22之间最短的距离为0时，每两个相邻突出体2的两底部22之间是为互相连接。其中图案化基板可为蓝宝石(Sapphire)基板、硅基板或碳化硅(SiC)基板，然而图案化基板的材质并不加以限定。
第一半导体层4则设置于基板1上，且第一半导体层4覆盖所述突出体2，并于第一半导体层4上设置发光层5，第二半导体层6设置于发光层5上，第一电极8设置于第二半导体层6的上方，然而第一电极8及第二半导体层6之间还可包括设置接触层7。
其中，突出体2可为多角锥状体，顶面21为水平的平面，底部22具有多个底角24及多个底边23。每一个突出体2以底角24分别邻近或连接于相邻之突出体2所对应的底角24或所对应的底边23。或者，每一个突出体2可为长条梯形体，顶面21为水平的平面，底部22于长边方向具有两底边23，每一个突出体2以两底边23邻近或连接于相邻的突出体2之底边23。亦或者，每一个突出体2可为圆锥状体，顶面21为水平的平面，底部22具有一圆弧形底边23，每一个突出体2以底边23邻近或连接于相邻的突出体2的底边23，所述突出体2的排列方式可为矩阵排列或交错排列。
请参考图9所示，之后会使用化学剥离法或是激光剥离法，将基板1与第一半导体层4剥离，然而剥离的方法并不加以限定，在本发明较佳实施例中，是使用化学剥离法使基板1与第一半导体层4剥离，接下来再将第二电极9设置于第一半导体层4的下方，如此即可完成垂直式发光二极管的成品制作。其中，在本发明较佳实施例所使用的化学剥离法，是通过空孔3形成化学药剂的流道，以使化学药剂进入基板1与第一半导体层4之间，再经由化学药剂的作用使得基板1与第一半导体层4剥离，故化学剥离法相较于公知的激光剥离法，将具有成本上的优势。
因此，使用本发明的图案化基板所制成的垂直式发光二极管的成品，虽然图案化基板不存留在垂直式发光二极管上，然而，由于基板1与第一半导体层4剥离之后，仍可从垂直式发光二极管上的缺陷密度判定原来图案化基板存在的证据。以下叙述判定的方法，可先将第二电极9移除，再于第一半导体层4的底部进行抛光或研磨，之后使用螺纹状差排缺陷密度（ThreadingDislocation Density，简称TDD)或腐蚀缺陷密度（Etched Pits Densities，简称EPDs)的检测方式判定缺陷密度。使用本发明的图案化基板所制成的垂直式发光二极管，其第一半导体层4与基板1接触之处的缺陷密度会产生不均匀现象，原先与突出体2相接之处的缺陷密度会较低，而没有与突出体2相接之处的缺陷密度会较高，以此来判定垂直式发光二极管是否使用本发明的图案化基板，然而检测的方式不以上述为限。
综上所述，本发明具有下列诸项优点：
1.由于C面（C-plane）只形成在顶面上，外延是从顶面上开始生长，故比较不会在突出体之间产生外延，因此空孔不会因而消失，并且可以减少缺陷的发生。
2.通过本发明的图案化基板所制造而成的水平式发光二极管结构，由于基板上具有突出体之间所形成的空孔，将有利于光线从发光二极管结构的内部散射出来，以增加光线的输出，进而提高发光二极管的亮度。
3.通过本发明的图案化基板所制造而成的垂直式发光二极管结构，由于基板上具有突出体之间所形成的空孔，空孔可成为化学药剂的通道，便于基板与发光二极管结构使用化学剥离法剥离，取代公知较为昂贵的激光剥离，将具有成本上的优势。
惟以上所述仅为本发明的较佳实施例，非意欲局限本发明的专利保护范围，故举凡运用本发明说明书及附图内容所为的等同变化，均同理皆包含于本发明的权利保护范围内，合予陈明。
Claims (18)
1.一种图案化基板，其特征在于，包括：
一基板；以及
多个突出体，所述多个突出体位于该基板上，每一个突出体具有一顶面及一底部，每两个相邻突出体的两底部之间最短的距离为0至0.2微米。
2.如权利要求1所述的图案化基板，其特征在于，上述每两个相邻突出体的两底部之间的距离为0，上述每两个相邻突出体的两底部互相连接。
3.如权利要求1所述的图案化基板，其特征在于，该图案化基板为蓝宝石基板、硅基板及碳化硅基板之中的其中一种。
4.如权利要求1所述的图案化基板，其特征在于，该顶面直径与每2个顶面之间距离的比值介于1/5至5之间。
5.如权利要求1所述的图案化基板，其特征在于，每2个顶面之间的距离小于等于10微米，每2个顶面之间的距离为介于0.3至2.5微米之间。
6.如权利要求1所述的图案化基板，其特征在于，每一个突出体为多角锥状体，该顶面为水平的平面，该底部具有多个底角及多个底边，每一个突出体以所述多个底角分别连接或邻近于相邻的突出体所对应的底角或所对应的底边。
7.如权利要求1所述的图案化基板，其特征在于，每一个突出体为圆锥状体，该顶面为水平的平面，该底部具有一圆弧形底边，每一个突出体以该底边连接或邻近于相邻的突出体的该底边，而组合排列成矩阵的型态或交错的型态。
8.如权利要求1所述的图案化基板，其特征在于，每一个突出体为长条梯形体，该顶面为水平的平面，该底部于长边方向具有两底边，每一个突出体以上述两底边连接或邻近于相邻的突出体的该底边。
9.一种发光二极管结构，其特征在于，包括：
一基板；
多个突出体，所述多个突出体位于该基板上，每一个突出体具有一顶面及一底部，每两个相邻突出体的两底部之间最短的距离为0至0.2微米，且每两个相邻突出体之间具有一空孔；
一第一半导体层，该第一半导体层设置于该基板上，且该第一半导体层覆盖所述多个突出体；
一发光层，该发光层设置于部分该第一半导体层上；
一第二半导体层，该第二半导体层设置于该发光层上；
一第一电极，该第一电极设置于未覆盖有该发光层的该第一半导体层的上方；以及
一第二电极，该第二电极设置于该第二半导体层上；
其中，当上述每两个相邻突出体的两底部之间最短的距离为0时，上述每两个相邻突出体的两底部之间为互相连接。
10.如权利要求9所述的发光二极管结构，其特征在于，该图案化基板为蓝宝石基板、硅基板及碳化硅基板之中其中一种。
11.如权利要求9所述的发光二极管结构，其特征在于，每一个突出体为多角锥状体，该顶面为水平的平面，该底部具有多个底角及多个底边，每一个突出体以所述多个底角分别连接或邻近于相邻之突出体所对应的底角或所对应的底边。
12.如权利要求9所述的发光二极管结构，其特征在于，每一个突出体为圆锥状体，该顶面为水平的平面，该底部具有一圆弧形底边，每一个突出体以该底边连接或邻近于相邻的突出体的该底边，而组合排列成矩阵的型态或交错的型态。
13.如权利要求9所述的发光二极管结构，其特征在于，每一个突出体为长条梯形体，该顶面为水平的平面，该底部于长边方向具有两底边，每一个突出体以上述两底边连接或邻近于相邻的突出体的该底边。
14.一种发光二极管结构，其特征在于，包括：
一基板；
多个突出体，所述多个突出体位于该基板上，每一个突出体具有一顶面及一底部，每两个相邻突出体的两底部之间最短的距离为0至0.2微米，且每两个相邻突出体之间具有一空孔；
一第一半导体层，该第一半导体层设置于该基板上，且该第一半导体层覆盖所述多个突出体；
一发光层，该发光层设置于该第一半导体层上；
一第二半导体层，该第二半导体层设置于该发光层上；以及
一第一电极，该第一电极设置于该第二半导体层上；
其中，当上述每两个相邻突出体的两底部之间最短的距离为0时，上述每两个相邻突出体的两底部之间为互相连接。
15.如权利要求14所述的发光二极管结构，其特征在于，该图案化基板为蓝宝石基板、硅基板及碳化硅基板之中其中一种。
16.如权利要求14所述的发光二极管结构，其特征在于，每一个突出体为多角锥状体，该顶面为水平的平面，该底部具有多个底角及多个底边，每一个突出体以所述多个底角分别连接或邻近于相邻之突出体所对应的底角或所对应的底边。
17.如权利要求14所述的发光二极管结构，其特征在于，每一个突出体为圆锥状体，该顶面为水平的平面，该底部具有一圆弧形底边，每一个突出体以该底边连接或邻近于相邻的突出体的该底边，而组合排列成矩阵的型态或交错的型态。
18.如权利要求14所述的发光二极管结构，其特征在于，每一个突出体为长条梯形体，该顶面为水平的平面，该底部于长边方向具有两底边，每一个突出体以上述两底边连接或邻近于相邻的突出体的该底边。
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