CN104716242A - 磊晶基板、其制造方法及发光二极管 - Google Patents

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Abstract

一种磊晶基板及其制造方法，该磊晶基板包含一本体，该本体具有相反的一第一表面及一第二表面。该本体的第一表面形成多个凸起部，所述凸起部彼此不相接且对称中心为至少部分等距，且每一凸起部及其相邻凸起部的尺寸为至少部分相互差异。该磊晶基板可供制作发光二极管，以提升发光二极管的亮度。

Description

磊晶基板、其制造方法及发光二极管
技术领域
本发明涉及一种磊晶基板，特别是指一种具有不规则图案的发光二极管磊晶基板。
背景技术
发光二极管(light emitting diode，简称为LED)是目前最重要的照明技术之一，其亮度与发光效率的提升一直是各界的发展重点。就发光二极管的磊晶技术而言，图案化磊晶基板(patterned epitaxialsubstrate)可有效提升发光二极管的磊晶质量并增进其出光效率，是目前较常见的发光二极管磊晶基板。
以中国台湾公告号第M420049号专利为例，该专利提出一种图案化蓝宝石基板(patterned sapphire substrate，简称为PSS)，该图案化蓝宝石基板的表面形成多个大小一致的角锥，且各个角锥之间是以等间距的方式排列，以期提升发光二极管(蓝光)的出光效率。与未经图案化处理的蓝宝石基板相比，表面经图案化处理的蓝宝石基板确实能提升发光二极管的出光效率，但是过去的图案化蓝宝石基板的表面图案(如前述的角锥)均为相同尺寸，此种规则图案化的表面结构只能有限度地提升发光二极管出光效率。
此外，过去制作图案化蓝宝石基板的方法大多是先通过黄光微影技术(photolithography)在未图案化的蓝宝石基板表面产生图案化的蚀刻屏蔽(etching mask)，再通过蚀刻技术通过蚀刻屏蔽在蓝宝石基板的表面蚀刻出预定的结构图案(如前述的角锥)。一般而言，上述黄光微影技术是透过整面曝光式的曝光机或分区曝光式的步进式曝光机(stepper)进行蚀刻屏蔽的图形界定，但是整面曝光式的曝光机不能界定尺寸差异过大的形状图案，因此无法同时定义出微米等级与纳米等级的结构图案；而步进式曝光机则会在基板表面分区依序定义出相同的图案，较不适合用于制作不同图形的制程。因此，根据上述黄光微影技术的制程特性，会限制图案化蓝宝石基板的图案设计及制程技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种磊晶基板、该磊晶基板的制造方法及使用该磊晶基板的发光二极管。本发明的磊晶基板可解决过去规则图案化磊晶基板对于发光二极管亮度提升有限的问题，且该磊晶基板的制造方法可解决过去规则图案化蓝宝石基板的图案设计及制程技术的限制。
本发明磊晶基板，包含一本体，该本体具有相反的一第一表面及一第二表面。该本体的第一表面形成多个凸起部，所述凸起部彼此不相接，且每一凸起部及其相邻凸起部的尺寸为至少部分相互差异。
其中，所述凸起部呈圆锥结构或多边形角锥结构。
较佳地，所述凸起部的对称中心间距相等或至少部分不等。
较佳地，所述凸起部的高度范围为0.2至2微米，底面的直径或边长的长度范围为0.2至4.8微米，且所述凸起部的对称中心的间距范围为0.5至5微米。
进一步来说，所述凸起部的尺寸差异主要在于底面的直径或边长的长度，且所述凸起部的形状是由下而上渐缩。
较佳地，该磊晶基板的本体的材质选自氧化铝、碳化硅、氮化镓、硅及其群组。
较佳地，所述凸起部是以每三个相邻凸起部的对称中心连线呈正三角形的方式排列。
或者是，所述凸起部是由其中一凸起部于内，其周围的邻近六个凸起部概呈六边形的方式排列。
另一方面，本发明的制造方法适用于制作上述磊晶基板，并包含以下步骤：(A)制备一模仁及一未加工的磊晶基板，该未加工的磊晶基板具有一第一表面，该模仁的一表面凹陷形成多个间隔排列的凹部；(B)设置一可图案层于该未加工的磊晶基板的本体的第一表面，并通过该模仁压印于该可图案层，使该可图案层于对应该模仁的凹部处分别形成一凸起的抗蚀刻结构；及(C)对该磊晶基板的本体的第一表面进行蚀刻，而使该磊晶基板的本体的第一表面对应所述抗蚀刻结构处分别形成所述凸起部。
较佳地，该可图案层是采用照光固化或加热固化的材料，于步骤(C)的蚀刻加工是采用干蚀刻技术，且步骤(C)之后还包含一步骤(D)：去除该可图案层。
进一步来说，本发明还提出一种发光二极管，该发光二极管包含一如前述的磊晶基板、一缓冲层、一第一型半导体层、一半导体发光层及一第二型半导体层及两电极。该缓冲层设置于该磊晶基板的本体的第一表面。该第一型半导体层设置于该缓冲层相反于该磊晶基板的一表面。该半导体发光层设置于该第一型半导体层相反于该缓冲层的一表面，主要材质与该第一型半导体层相同。该第二型半导体层设置于该半导体发光层相反于该第一型半导体层的一表面，主要材质相同于该第一型半导体层及该半导体发光层，且电性与该第一型半导体层相异。所述电极分别设置于该第一型半导体层与该第二型半导体层，供与外部电源形成电性连接
本发明的有益效果在于：该磊晶基板的第一表面形成的尺寸相异的凸起部可提升发光二极管的亮度，且上述制造方法通过压印技术界定出凸起部的形状、尺寸与分布位置，可简便地制作具有相异尺寸的凸起部的磊晶基板。
附图说明
图1是一侧视示意图，说明本发明磊晶基板的一较佳实施例；
图2是该磊晶基板的俯视示意图；
图3是图2的局部放大图；
图4是该磊晶基板的表面形貌的变化实施态样；
图5是磊晶基板的表面形貌的另一变化实施态样；
图6是一流程图，说明该磊晶基板的制造步骤；
图7至图11是该磊晶基板的制造流程示意图；及
图12是一侧视示意图，说明一使用该磊晶基板的发光二极管。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
在本发明被详细描述之前，应当注意在以下的说明内容中，类似的组件是以相同的编号来表示。
有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考图式的一个较佳实施例的详细说明中，将可清楚地呈现。
参阅图1至图3，为本发明磊晶基板1的较佳实施例。磊晶基板1可用作制造发光二极管的承载基板，材质选自氧化铝(Al2O3)、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、硅(Si)及其群组，并包含一本体11。
磊晶基板1的本体11具有位于相反侧的一第一表面12及一第二表面13，其第一表面12形成多个凸起部121及凹陷部122，所述凸起部121彼此不相接且对称中心系相互等距排列，且每一凸起部121及其相邻凸起部121的尺寸系至少部分相互差异。此处，所述凸起部121的形状呈由下而上渐缩的圆锥结构，其高度H范围为0.2至2微米，底面的直径R的长度范围为0.2至4.8微米，且对称中心之间的间距D范围为0.5至5微米。
本实施例中，所述凸起部121的尺寸差异主要在于底面的直径的长度，且所述凸起部121是以每三个相邻凸起部121的对称中心连线呈正三角形的方式排列。也就是说，凸起部121虽根据对称中心的位置而规则等距排列，但是凸起部121的底面的直径尺寸可视为随机不规则设定，如前述说明本实施例以微米等级为例，在其他实施例中，凸起部121的底面的直径尺寸可涵盖纳米等级至微米等级的分布。
此外，参照图4，于制造过程中，凸起部121的形貌也可以制作为多边形角锥结构(此处以正六边形角锥为例)，其底面的边长L的长度范围为0.2至4.8微米，且对称中心之间的间距D范围为0.5至5微米，这些都是本发明磊晶基板1可调整的变化实施态样。
另一方面，参照图5，于前述图1至图4的实施态样中，磊晶基板1表面的凸起部121系相互等距(即各个凸起部121对称中心之间的间距D均完全相同)，且具体来说是以每三个相邻凸起部121的对称中心连线呈正三角形的方式排列。也就是说，若以如图3中七个紧邻的凸起部121来看，外围六个凸起部121的对称中心点的假想连线会形成一个正六边形，并将一个凸起部121围绕于该假想的正六边形之中。但在其他实施态样中，磊晶基板1也可以如图5般，其凸起部121的对称中心系至少部分非等距排列(也就是说各个凸起部121对称中心之间的间距D不一定相同)，且所述凸起部121主要是由其中一凸起部121于内，其周围的邻近六个凸起部121概呈六边形(非正六边形)的方式排列。根据此种排列方式，也能达成本发明的功效。
以下参照图1、图2、图6，说明本发明磊晶基板1的制造方法。
步骤S1、S2：参照图7、图8及图9。首先，制备一模仁2及一未加工的磊晶基板1’。此处，未加工的磊晶基板1’系以氧化铝材质的蓝宝石基板(sapphire substrate)为例进行说明，而该模仁2的表面则形成多个凹部22及凸部21，所述凹部22系等距排列，且尺寸、形状及分布位置对应于图1中的磊晶基板1的凸起部121。也就是说，模仁2的凹部22系用于界定磊晶基板1的凸起部121的尺寸、形状及排列分布状态。
接着，在未加工的磊晶基板1’的第一表面12设置一可图案层3(如图7)，并通过模仁2压印于可图案层3，使可图案层3于对应模仁2的凹部22分别形成一凸起的抗蚀刻结构31。其中，可图案层3系采用照光固化或加热固化的材料，本实施例是使用光阻。因此，步骤S2会先将光阻涂布于未加工的磊晶基板1’的第一表面12并施以初步的烤干，随后将模仁2具有凹部22及凸部21的表面压印于光阻，使光阻对应于凹部22处受压形成抗蚀刻结构31(如图8)，接着再对光阻施以紫外光照光固化，并将模仁2自光阻表面移除(如图9)，即完成抗蚀刻结构31的图形定义，所述抗蚀刻结构31可用作后续蚀刻制程的蚀刻屏蔽。
相较于一般采用黄光微影技术界定抗蚀刻结构31的方式，本发明使用压印技术进行抗蚀刻结构31的图形界定。由于凸起部121的底面的直径或对角线长度范围涵盖微米等级与纳米等级，采用压印技术透过模仁2可一次性地制成抗蚀刻结构31，而相对于黄光微影技术具有较佳的制程优点。
步骤S3、S4：参照图10及图11，完成上述抗蚀刻结构31的制作后，接着对未加工的磊晶基板1’的第一表面12进行蚀刻，于蚀刻过程中所述抗蚀刻结构31可暂时保护其下的磊晶基板1的第一表面12不受到蚀刻制程影响，因此磊晶基板1的第一表面12未设有抗蚀刻结构31处会先被蚀刻而形成凹陷部122，而设有抗蚀刻结构31最终会保留形成凸起部121。
本实施例中，步骤S3是以干蚀刻技术进行磊晶基板1的加工，例如以含氯气的蚀刻气体(图10中的向下箭头即表示由蚀刻气体进行蚀刻)通过蚀刻设备的偏压、气体流量、时间等制程参数控制凸起部121表面形貌，而能形成圆锥或角锥形貌的凸起部121。
完成上述蚀刻制程后，可进一步进行可图案层3(如光阻)的去除步骤，并清洗磊晶基板1，而完成磊晶基板1的制作。但要特别说明的是，上述关于可图案层3的材质与蚀刻制程的技术内容可根据需要而调整，不以此处公开的内容为限。
参照图12，为使用上述磊晶基板1制作的发光二极管4的晶粒(die)侧视示意图。发光二极管4包含一磊晶基板1、一缓冲层41、一第一型半导体层42、一半导体发光层43、一第二型半导体层44及两电极45。
本实施例中，发光二极管4是以蓝光发光二极管为例进行说明，因此磊晶基板1是采用氧化铝材质的蓝宝石基板，缓冲层41、第一型半导体层42、半导体发光层43及第二型半导体层44等磊晶结构的主要材质为氮化镓，但上述技术内容仅用于示例说明，不应以此限制发明的实施范围。
缓冲层41设置于磊晶基板1的第一表面12，提供磊晶基板1与第一型半导体层42之间的晶格匹配缓冲作用。第一型半导体层42设置于缓冲层41上相反该磊晶基板1的表面，本实施例其材质为经掺杂处理的N型氮化镓。半导体发光层43设置于第一型半导体层42上相反于缓冲层41的表面，主要材质也是氮化镓，其中还进一步区分为多层铟含量不同的氮化铟镓(InGaN)交错层叠所构成的多重量子阱(multiple quantum well，简称为MQW，图中未绘出)，为发光二极管4的主要发光区域。第二型半导体层44设置于半导体发光层43上相反于第一型半导体层42的表面，此处的材质为经掺杂处理的P型氮化镓。电极45分别设置于第一型半导体层42与第二型半导体层44上，主要为金属材质，可供外部电源形成电性连接。
以下，定义磊晶基板1的填充因子(fill factor)为磊晶基板1每单位面积中的凸起部121底部面积所占的比例。在填充因子、磊晶结构、电极结构及测试电源均相同的比较条件下，使用本发明磊晶基板1的发光二极管的亮度会高于使用现有规则图案化磊晶基板的发光二极管约2%，因此本发明的磊晶基板1确实能有效提升发光二极管的亮度。
综上所述，通过不规则尺寸的凸起部121的形成，本发明磊晶基板1确实能进一步提升发光二极管的亮度。此外，通过压印技术与蚀刻技术的配合，本发明的制造方法能有效且便捷地制出磊晶基板1上的纳米与微米尺寸的不规则尺寸凸起部121。故本发明磊晶基板1及其制造方法确实能达成本发明的目的。
以上所述者，仅为本发明的较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即凡依本发明权利要求书及说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明专利的范围。

Claims (13)

1.一种磊晶基板，包含一本体，其特征在于：该本体具有相反的一第一表面及一第二表面，该本体的第一表面形成多个凸起部，所述凸起部彼此不相接，且每一凸起部及其相邻凸起部的尺寸为至少部分相互差异。
2.根据权利要求1所述的磊晶基板，其特征在于：所述凸起部的对称中心间距相等。
3.根据权利要求1所述的磊晶基板，其特征在于：所述凸起部的对称中心间距至少部分不等。
4.根据权利要求1所述的磊晶基板，其特征在于：所述凸起部呈圆锥结构或多边形角锥结构。
5.根据权利要求2所述的磊晶基板，其特征在于：所述凸起部的高度范围为0.2至2微米，底面的直径或边长的长度范围为0.2至4.8微米，且所述凸起部的对称中心的间距范围为0.5至5微米。
6.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的磊晶基板，其特征在于：所述凸起部的尺寸差异主要在于底面的直径或边长的长度。
7.根据权利要求1所述的磊晶基板，其特征在于：所述凸起部的形状是由下而上渐缩。
8.根据权利要求1所述的磊晶基板，其特征在于：该本体的材质选自氧化铝、碳化硅、氮化镓、硅及其群组。
9.根据权利要求2所述的磊晶基板，其特征在于：所述凸起部是以每三个相邻凸起部的对称中心连线呈正三角形的方式排列。
10.根据权利要求3所述的磊晶基板，其特征在于：所述凸起部主要是由其中一个凸起部于内，其周围的邻近六个凸起部呈六边形的方式排列。
11.一种制造方法，用于制作权利要求1至10中任一项所述的磊晶基板，其特征在于包含以下步骤：
(A)制备一模仁及一未加工的磊晶基板，该未加工的磊晶基板具有一第一表面，该模仁的一表面凹陷形成多个间隔排列的凹部；
(B)设置一可图案层于该未加工的磊晶基板的本体的第一表面，并通过该模仁压印于该可图案层，使该可图案层于对应该模仁的凹部处分别形成一凸起的抗蚀刻结构；
(C)对该磊晶基板的本体的第一表面进行蚀刻，使该磊晶基板的本体的第一表面对应所述抗蚀刻结构处分别形成所述凸起部。
12.根据权利要求11所述的制造方法，其特征在于：该可图案层是使用照光固化或加热固化的材料，于步骤(C)的蚀刻步骤是使用干蚀刻技术，且步骤(C)之后还包含一步骤(D)：去除该可图案层。
13.一种发光二极管，其特征在于，该发光二极管包含：
一如权利要求1至10中任一项所述的磊晶基板；
一缓冲层，设置于该磊晶基板的本体的第一表面；
一第一型半导体层，设置于该缓冲层相反于该磊晶基板的一表面；
一半导体发光层，设置于该第一型半导体层相反于该缓冲层的一表面，主要材质与该第一型半导体层相同；
一第二型半导体层，设置于该半导体发光层相反于该第一型半导体层的一表面，主要材质相同于该第一型半导体层及该半导体发光层，且电性与该第一型半导体层相异；及
两电极，分别设置于该第一型半导体层与该第二型半导体层，供与外部电源形成电性连接。
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