CN106910806A - 蓝宝石基板 - Google Patents

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CN106910806A
CN106910806A CN201510971004.9A CN201510971004A CN106910806A CN 106910806 A CN106910806 A CN 106910806A CN 201510971004 A CN201510971004 A CN 201510971004A CN 106910806 A CN106910806 A CN 106910806A
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cone
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洪文庆
郭政煌
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Abstract

本发明提供一种蓝宝石基板，包括多个锥体结构。这些锥体结构凸出于蓝宝石基板的上表面。上表面的结晶方向为(0001)。各锥体结构具有第一群组的三个结晶面、第二群组的三个结晶面以及垂直上表面且通过锥体结构顶点的轴。第一群组的这些结晶面以120度旋转对称于轴，且第二群组的这些结晶面以120度旋转对称于轴。第一群组的这些结晶面的其中之一的结晶方向为第二群组的这些结晶面的其中之一位于中央的结晶方向为生长于本发明蓝宝石基板的发光二极管的磊晶结构缺陷密度低，且发光二极管的发光效率高。

Description

蓝宝石基板
技术领域
本发明涉及一种基板，尤其涉及一种蓝宝石基板。
背景技术
发光二极管(light-emitting diode，LED)是一种由化合物半导体制作而成的发光组件。藉由电子与电洞的结合，可以将电能转换为光能的形式释放而出。由于发光二极管兼具省电、体积小、反应时间短、寿命长等优点，目前已广泛地使用在显示器与照明方面的领域。近年来，为了使发光二极管成本降低并且使发光二极管的应用层面更广，如何提高发光二极管的发光效率为当前的研究重点之一。其中，发光二极管电致发光的内部量子效率(internalquantum efficiency,IQE)实为影响发光二极管的整体发光效率的重要因子。
一般而言，发光二极管的半导体磊晶质量越佳，例如其缺陷密度低，则发光二极管的内部量子效率越高。为了提升发光二极管的发光效率，已有现有技术使用具图案化的基板来搭配不同的发光二极管半导体材料进行磊晶。以氮化镓(Gallium nitride,GaN)发光二极管为例，目前已有具多个微结构的蓝宝石基板来生长氮化镓磊晶薄膜，以抑制氮化镓于侧向的生长，避免侧向生长的氮化镓与正向生长的氮化镓之间产生缺陷。然而，这些图案化的基板抑制氮化镓于这些微结构上的侧向生长的效力有限，使得这些微结构的侧面还是会成长氮化镓。因此，氮化镓磊晶薄膜缺陷密度难以降低，发光二极管的发光效率不易提升。
发明内容
本发明提供一种蓝宝石基板，生长于此蓝宝石基板的发光二极管的磊晶结构缺陷密度低，且发光二极管的发光效率高。
本发明的蓝宝石基板包括多个锥体结构。这些锥体结构凸出于蓝宝石基板的上表面。上表面的结晶方向为(0001)。各锥体结构具有第一群组的三个结晶面、第二群组的三个结晶面以及垂直上表面且通过锥体结构顶点的轴。第一群组的这些结晶面与第二群组的这些结晶面交替地排列以环绕轴。第一群组的这些结晶面以120度旋转对称于轴，且第二群组的这些结晶面以120度旋转对称于轴。第一群组的这些结晶面的其中之一的结晶方向为第二群组的这些结晶面的其中之一位于中央的结晶方向为
在本发明的一实施例中，上述的这些第一群组的这些结晶面为平面，且这些第二群组的这些结晶面为曲面。
在本发明的一实施例中，上述的第二群组的各结晶面配置于第一群组的相邻二结晶面之间。第一群组的这些结晶面与第二群组的这些结晶面彼此相邻接。
在本发明的一实施例中，上述的第一群组的这些结晶面的面积总和与第二群组的这些结晶面的面积总和的比值落在0.5至9.5的范围内。
在本发明的一实施例中，上述的这些锥体结构于上表面的投影面积与上表面的面积的比值落在0.5至0.95的范围内。
在本发明的一实施例中，上述的各锥体结构的高度值落在1.0微米至3.5微米的范围内。
在本发明的一实施例中，上述的这些锥体结构排列成多排，且偶数排的这些锥体结构分别与奇数排的这些锥体结构错开。
在本发明的一实施例中，上述的相邻二锥体结构的节距落在0.5微米至5.0微米的范围内。
基于上述，本发明实施例的蓝宝石基板由于这些锥体结构凸出于蓝宝石基板的上表面。上表面的结晶方向为(0001)。各锥体结构具有第一群组的三个结晶面、第二群组的三个结晶面以及垂直上表面且通过锥体结构顶点的轴。第一群组的这些结晶面与第二群组的这些结晶面交替地排列以环绕轴。第一群组的这些结晶面以120度旋转对称于轴，且第二群组的这些结晶面以120度旋转对称于轴。第一群组的这些结晶面的其中之一的结晶方向为第二群组的这些结晶面的其中之一位于中央的结晶方向为因此生长于此蓝宝石基板的发光二极管的磊晶结构缺陷密度低，且发光二极管的发光效率高。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1A显示本发明一实施例的蓝宝石基板的立体示意图；
图1B显示图1A实施例蓝宝石基板区域A的上视示意图；
图1C显示图1B实施例蓝宝石基板沿着线段I-I’的侧视剖面图；
图2A至图2C显示本发明另一实施例的蓝宝石基板的制作方法的示意图；
图3A是图2B实施例蓝宝石基板200’由电子显微镜观看的侧视剖面图；
图3B是图2B实施例蓝宝石基板200’由电子显微镜观看的上视示意图；
图4是本发明又一实施例的磊晶氮化镓于蓝宝石基板上并由电子显微镜观看的上视示意图。
附图标记：
100、200、200’、200”、400：蓝宝石基板
102、202、202’、202”、402：上表面
104、204：下表面
110、210、210’：锥体结构
112a、112b、112c、114a、114b、114c、212’、214’、412、414：结晶面
212：侧表面
A：区域
Ax：轴
H：高度
I-I’：线段
P：节距
PO1、PO2：位置
具体实施方式
图1A显示本发明一实施例的蓝宝石基板的立体示意图。具体而言，为了清楚表达蓝宝石基板的各个构件，图1A所显示的蓝宝石基板100仅为完整的蓝宝石基板的其中一部分。在本实施例中，以蓝宝石基板100的相关叙述，来代表地作为整体蓝宝石基板的相关叙述。
图1B显示图1A实施例蓝宝石基板区域A的上视示意图，请参考图1A以及图1B。在本实施例中，蓝宝石基板100具有相对的上表面102以及下表面104，而上表面102的结晶方向为(0001)。具体而言，蓝宝石基板100包括多个锥体结构110，而这些锥体结构110凸出于蓝宝石基板100的上表面102。蓝宝石基板100可以例如是C－平面的蓝宝石基板100。
在本实施例中，蓝宝石基板100的各锥体结构110具有第一群组的三个结晶面，即结晶面112a、结晶面112b以及结晶面112c。另外，各锥体结构110还具有第二群组的三个结晶面，即结晶面114a、结晶面114b以及结晶面114c。此外，各锥体结构110具有垂直上表面102且通过锥体结构110顶点的轴Ax。具体而言，蓝宝石基板100的晶格排列是以六方最密堆积(hexagonalclose-packed,HCP)。在蓝宝石基板100的各锥体结构110中，第一群组的这些结晶面与第二群组的这些结晶面交替地排列以环绕轴Ax。具体而言，第一群组的结晶面112a、结晶面112b以及结晶面112c与第二群组的结晶面114a、结晶面114b以及结晶面114c交替地排列以环绕轴Ax。第一群组的结晶面112a、结晶面112b以及结晶面112c以120度旋转对称于轴Ax，且第二群组的结晶面114a、结晶面114b以及结晶面114c以120度旋转对称于轴Ax。
在本实施例中，第二群组的各结晶面配置于第一群组的相邻二结晶面之间，且第一群组的这些结晶面与第二群组的这些结晶面彼此相邻接。具体而言，第二群组的结晶面114a配置于第一群组的相邻的结晶面112a以及结晶面112b之间，第二群组的结晶面114b配置于第一群组的相邻的结晶面112b以及结晶面112c之间，且第二群组的结晶面114c配置于第一群组的相邻的结晶面112a以及结晶面112c之间。此外，第一群组的结晶面112a、结晶面112b以及结晶面112c与第一群组的结晶面114a、结晶面114b以及结晶面114c彼此相邻接。
在本实施例中，这些锥体结构110排列成多排，且偶数排的这些锥体结构110分别与奇数排的这些锥体结构110错开。具体而言，这些锥体结构110即是以交错的方式排列，且这些锥体结构110平均地排列在蓝宝石基板100的上表面102。另外，这些锥体结构110于上表面102的投影面积与上表面102的面积的比值落在0.5至0.95的范围内，较佳地，落在0.73至0.88的范围内。在一些实施例中，这些锥体结构110亦可以在上表面102以格子状排列、放射状排列，或是任意地排列以形成图案，本发明并不以此为限。此外，在其他实施例中，这些锥体结构110亦可以是设置于蓝宝石基板100的下表面104，或者这些锥体结构110可以是同时设置于蓝宝石基板100的上表面102以及下表面104，本发明亦不以此为限。
在本实施例中，第一群组的这些结晶面为平面，且第二群组的这些结晶面为曲面。具体而言，第一群组的结晶面112a、结晶面112b以及结晶面112c为实质上平整的平面，且第二群组的结晶面114a、结晶面114b以及结晶面114c为曲面，例如是圆锥曲面的一部分。然而在一些实施例中，第一群组的这些结晶面112a、结晶面112b以及结晶面112c亦可以是非平面，例如是曲面，而第二群组的这些结晶面114a、结晶面114b以及结晶面114c亦可以是平面，本发明并不以此为限。
在本实施例中，第一群组的这些结晶面具有特定的结晶方向，且第二群组的这些结晶面位于各个结晶面中央的位置亦具有特定的结晶方向。第二群组的各个结晶面的中央例如是指第二群组的各个结晶面的几何中心的位置。在本实施例中，第一群组的这些结晶面的其中之一的结晶方向为且第二群组的这些结晶面的其中之一位于中央的结晶方向为具体而言，第一群组的结晶面112a、结晶面112b以及结晶面112c的其中之一的结晶方向为其中结晶面112a的结晶方向例如是第二群组的结晶面114a、结晶面114b以及结晶面114c的其中之一位于中央的结晶方向为其中结晶面114a的结晶方向例如是在一些实施例中，亦可以依据实际需求，设计这些锥体结构110的这些结晶面具有其他的结晶方向，本发明并不以此为限。
请继续参考图1B，在本实施例中，第一群组的这些结晶面112a、结晶面112b以及结晶面112c的面积总和与第二群组的这些结晶面114a、结晶面114b以及结晶面114c的面积总和，二者的比值落在0.5至9.5的范围内，较佳地，落在3至8的范围内。在其他实施例中，依据实际需求，亦可以设计第一群组的这些结晶面与第二群组的这些结晶面具有其他的比例关系，本发明并不以此为限。
图1C显示图1B实施例蓝宝石基板沿着线段I-I’的侧视剖面图，请参考图1B以及图1C。在本实施例中，线段I-I’作为剖线，用以辅助说明蓝宝石基板100的构件形貌。本实施例的线段I-I’非用以限定本发明。在本实施例中，蓝宝石基板100的各锥体结构110的高度值落在1.0微米至3.5微米的范围内，较佳地，落在1.65微米至1.95微米的范围内。此外，相邻二锥体结构110的节距(pitch)落在0.5微米至5.0微米的范围内。在其他实施例中，依据实际需求，亦可以设计蓝宝石基板100的各锥体结构110具有其他的高度值以及相邻二锥体结构110之间具有其他的节距值，本发明并不以此为限。
在本实施例中，当蓝宝石基板100应用于制作发光二极管时，例如是应用于制作氮化镓(Gallium nitride,GaN)发光二极管时，蓝宝石基板100作为发光二极管磊晶的基板，且氮化镓磊晶于蓝宝石基板100的上表面102。具体而言，这些锥体结构110凸出于蓝宝石基板100的上表面102，且上表面102的结晶方向为(0001)。各锥体结构110除了具有第一群组的结晶面112a、结晶面112b以及结晶面112c之外，各锥体结构110更具有第二群组的结晶面114a、结晶面114b以及结晶面114c。第一群组的这些结晶面的其中之一的结晶方向为且第二群组的这些结晶面的其中之一位于中央的结晶方向为一般而言，氮化镓在磊晶的过程中，氮化镓在(0001)的方向上具有较快的生长速度。在氮化镓磊晶的过程中，蓝宝石基板100的各锥体结构110的这些结晶面可以抑制氮化镓于侧向的生长，而使得氮化镓在(0001)方向上的生长主导氮化镓整体地在蓝宝石基板100上的生长，而形成平整的氮化镓磊晶层。由于这些结晶面抑制氮化镓于侧向的生长，因此可以减少侧向生长的氮化镓与正向生长(即氮化镓于(0001)上的生长)的氮化镓之间产生缺陷。也就是说，当蓝宝石基板100应用于制作发光二极管时，例如是应用于制作氮化镓发光二极管时，发光二极管磊晶结构的缺陷密度低，使得发光二极管的内部量子效率高，进而使发光二极管的发光效率高。
图2A至图2C显示本发明另一实施例的蓝宝石基板的制作方法的示意图，请先参考图2A。在本实施例中，首先，制备蓝宝石基板200。蓝宝石基板200具有相对的上表面202以及下表面204，而上表面202的结晶方向为(0001)。接着，请参考图2B，于蓝宝石基板200的上表面202进行蚀刻。在本实施例中，于蓝宝石基板200的上表面202进行蚀刻的方法包括对蓝宝石基板200上进行光阻(photoresist)制程以定义出这些锥体结构210所在位置。接着，对蓝宝石基板200的上表面202进行干蚀刻(Dry Etching)，反应气体包括三氯化硼以及氯气，且蚀刻时间例如是落在5分钟至60分钟的范围内。具体而言，蓝宝石基板200的上表面202进行蚀刻后，形成经蚀刻后的上表面202’，且多个锥体结构210凸出于经蚀刻后的蓝宝石基板200’的上表面202’。各锥体结构210具有侧表面212，且这些侧表面212例如是圆锥曲面。
接着，请参考图2C，对蓝宝石基板200’进行湿蚀刻。在本实施例中，对蓝宝石基板200’进行湿蚀刻的方法包括以蚀刻液蚀刻这些锥体结构210的侧表面212，使多个锥体结构210’形成于经蚀刻后的蓝宝石基板200”的上表面202”上。具体而言，这些锥体结构210’类似于图1A至图1C的锥体结构110，锥体结构210’的结构以及相关叙述可以参考图1A至图1C实施例的锥体结构110，在此便不再赘述。相同地，锥体结构210’具有第一群组的三个结晶面，例如是结晶面212’，且锥体结构210’亦具有第二群组的三个结晶面，例如是结晶面214’。在本实施例中，结晶面212’可以例如是图1B实施例的结晶面112a，且结晶面214’可以例如是图1B实施例的结晶面114b。或者，结晶面212’可以例如是图1B实施例的结晶面112b，且结晶面214’可以例如是图1B实施例的结晶面114c。再者，结晶面212’可以例如是图1B实施例的结晶面112c，且结晶面214’可以例如是图1B实施例的结晶面114a。
在本实施例中，蚀刻液为硫酸与磷酸的混合液。在此混合液中，硫酸与磷酸的比例落在1.0比1.0至4.0比1.0的范围内，较佳地，硫酸与磷酸的比例为1.55比1。另外，蚀刻时间例如是10秒至1800秒，较佳地，以蚀刻液蚀刻这些锥体结构210的侧表面212的蚀刻时间为180秒。此外，蚀刻温度例如是落在30℃至310℃的范围内，较佳地，在蚀刻温度为235℃的环境下以蚀刻液蚀刻这些锥体结构210的侧表面212。具体而言，在蚀刻的过程中，蚀刻液会蚀刻出锥体结构210’的第一群组的三个结晶面，并且相邻二个上述的结晶面之间未蚀刻的部分，形成锥体结构210’的第二群组的一个结晶面。具体而言，本实施例的蓝宝石基板的制作方法至少可以应用于图1A至图1C实施例的蓝宝石基板100。
图3A是图2B实施例蓝宝石基板200’由电子显微镜观看的侧视剖面图，而图3B是图2B实施例蓝宝石基板200’由电子显微镜观看的上视示意图，请参考图3A以及图3B。在本实施例中，蓝宝石基板200’上的这些锥体结构210具有侧表面212，且这些侧表面212例如是圆锥曲面。
图4是本发明又一实施例的磊晶氮化镓于蓝宝石基板上并由电子显微镜观看的上视示意图，请参考图4。在本实施例中，蓝宝石基板400类似于图1A至图1C实施例的蓝宝石基板100。蓝宝石基板400的结构以及相关叙述可以参考图1A至图1C实施例的蓝宝石基板100，在此便不再赘述。在本实施例中，蓝宝石基板400包括多个锥体结构，而这些锥体结构凸出于蓝宝石基板400的上表面402。各锥体结构具有第一群组的三个结晶面，例如是结晶面412，且各锥体结构具有第二群组的三个结晶面，例如是结晶面414。在本实施例中，各锥体结构的第一群组的这些结晶面类似于图1A至图1C实施例的各锥体结构110的第一群组的这些结晶面。另外，在本实施例中，各锥体结构的第二群组的这些结晶面类似于图1A至图1C实施例的各锥体结构110的第二群组的这些结晶面。具体而言，氮化镓磊晶于蓝宝石基板400的上表面402上，且氮化镓尚未形成平整的氮化镓表面。
以下(表一)将举出图4实施例的氮化镓磊晶于蓝宝石基板400的上表面402之后，于蓝宝石基板400的上表面402进行元素分析的结果，此元素分析的位置为图4中的位置PO1，且位置PO1位于相邻二个锥体结构之间的位置。另外，(表二)也将举出图4实施例的氮化镓磊晶于蓝宝石基板400的上表面402之后，于蓝宝石基板400的上表面402进行元素分析的结果，此元素分析的位置为图4中的位置PO2，且位置PO2位于锥体结构的表面上，且位于第一群组的结晶面412的位置。需注意的是，下述的表一以及表二所列的数据仅为本发明一实施例的数据，并非用以限定本发明。任何所属技术领域中普通技术人员在参照本发明之后，当可应用本发明的原则对其参数或设定作适当的改动，仍应属于本发明的范畴内。
(表一)
元素 碳(C) 氮(N) 氧(O) 镓(Ga) 铝(Al)
重量百分比(wt％) 5.69 9.12 0.63 80.84 1.02
原子百分比(at％) 26.73 29.54 2.24 65.48 2.13
(表二)
元素 碳(C) 氮(N) 氧(O) 镓(Ga) 铝(Al)
重量百分比(wt％) 3.83 9.14 28.74 9.25 49.04
原子百分比(at％) 7.76 1.14 43.68 3.23 44.19
由(表一)以及(表二)可以看出，在本实施例中，蓝宝石基板400位于相邻二个锥体结构之间的位置(即位置PO1)，其氮含量以及镓含量分别明显地高于蓝宝石基板400位于第一群组的结晶面412的位置(即位置PO2)的氮含量以及镓含量。另外，位置PO2的氧含量以及铝含量分别明显地高于位置PO1的氧含量以及铝含量。具体而言，由于氮元素以及镓元素为镓化镓的主要组成，而氧元素以及铝元素为蓝宝石基板的主要组成，因此可以藉由上述元素分析得知镓化镓于蓝宝石基板400上不同位置的磊晶情形。在本实施例中，蓝宝石基板400位于相邻二个锥体结构之间的位置的镓化镓生长速度明显高于蓝宝石基板400位于第一群组的结晶面412的位置。也就是说，蓝宝石基板400的这些锥体结构可以抑制氮化镓于侧向的生长，而使得氮化镓在(0001)方向上的生长主导氮化镓整体地在蓝宝石基板400上的生长。具体而言，随着氮化镓磊晶的进行，氮化镓由蓝宝石基板400上相邻二个锥体结构之间的位置沿着(0001)的方向生长，并且逐渐覆盖这些锥体结构，进而形成平整的氮化镓磊晶层。在本实施例中，蓝宝石基板400具有类似于图1A至图1C实施例的蓝宝石基板100的效果。当蓝宝石基板400应用于制作氮化镓发光二极管时，发光二极管磊晶结构的缺陷密度低，且发光二极管的发光效率高。
综上所述，本发明实施例的蓝宝石基板具有多个锥体结构，而这些锥体结构凸出于蓝宝石基板的上表面。上表面的结晶方向为(0001)。各锥体结构具有第一群组的三个结晶面、第二群组的三个结晶面以及垂直上表面且通过锥体结构顶点的轴。第一群组的这些结晶面与第二群组的这些结晶面交替地排列以环绕轴。第一群组的这些结晶面以120度旋转对称于轴，且第二群组的这些结晶面以120度旋转对称于轴。第一群组的这些结晶面的其中之一的结晶方向为且第二群组的这些结晶面的其中之一位于中央的结晶方向为因此，生长于此蓝宝石基板的发光二极管的磊晶结构缺陷密度低，且发光二极管的发光效率高。
虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的改动与润饰，故本发明的保护范围当视所附权利要求界定范围为准。

Claims (8)

1.一种蓝宝石基板，其特征在于，包括多个锥体结构，该些锥体结构凸出于所述蓝宝石基板的上表面，所述上表面的结晶方向为(0001)，各所述锥体结构具有第一群组的三个结晶面、第二群组的三个结晶面以及垂直所述上表面且通过所述锥体结构顶点的轴，所述第一群组的该些结晶面与所述第二群组的该些结晶面交替地排列以环绕所述轴，其中所述第一群组的该些结晶面以120度旋转对称于所述轴，且所述第二群组的该些结晶面以120度旋转对称于所述轴，所述第一群组的该些结晶面的其中之一的结晶方向为且所述第二群组的该些结晶面的其中之一位于中央的结晶方向为
2.根据权利要求1所述的蓝宝石基板，其特征在于，该些第一群组的该些结晶面为平面，且该些第二群组的该些结晶面为曲面。
3.根据权利要求1所述的蓝宝石基板，其特征在于，所述第二群组的各所述结晶面配置于所述第一群组的相邻二所述结晶面之间，且所述第一群组的该些结晶面与所述第二群组的该些结晶面彼此相邻接。
4.根据权利要求1所述的蓝宝石基板，其特征在于，所述第一群组的该些结晶面的面积总和与所述第二群组的该些结晶面的面积总和的比值落在0.5至9.5的范围内。
5.根据权利要求1所述的蓝宝石基板，其特征在于，该些锥体结构于所述上表面的投影面积与所述上表面的面积的比值落在0.5至0.95的范围内。
6.根据权利要求1所述的蓝宝石基板，其特征在于，各所述锥体结构的高度值落在1.0微米至3.5微米的范围内。
7.根据权利要求1所述的蓝宝石基板，其特征在于，该些锥体结构排列成多排，且偶数排的该些锥体结构分别与奇数排的该些锥体结构错开。
8.根据权利要求1所述的蓝宝石基板，其特征在于，相邻二所述锥体结构的节距落在0.5微米至5.0微米的范围内。
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