TWI429105B - 發光二極體基板及其製造方法與發光二極體 - Google Patents

Description

發光二極體基板及其製造方法與發光二極體

本發明是有關於一種發光二極體技術，且特別是有關於一種發光二極體基板及其製造方法與使用此基板的發光二極體。

發光二極體是一種由化合物半導體製作而成的發光元件，其經由電子與電洞之結合，可將電能轉換成光的形式釋出。發光二極體屬於冷發光，因此具有耗電量低、無頇暖燈時間、元件壽命長、反應速度快等優點，再加上其體積小、耐衝擊、適合量產，容易配合應用上的需求而可製成極小型式或陣列式元件。

為了使發光二極體在未來有更大的應用空間和前景，如何提高發光二極體的發光亮度是目前各界著重的研究之一。然而，實際上因為各種損耗機制，發光二極體之主動區所產生的光子無法百分之百傳播到外界。

目前為提升發光二極體的發光效率，已有使用具圖案化的發光二極體基板，譬如由許多圓錐或者平台結構所構成的發光二極體基板，來散射由發光二極體射出的光線，以降低全反射。

本發明提供一種發光二極體基板，具有高的出光效率。

本發明另提供一種發光二極體，具有上述發光二極體基板。

本發明再提供一種發光二極體基板的製造方法，能製作出具有高出光效率的基板。

本發明提出一種發光二極體基板，包括具有多個上三下六角錐體的一藍寶石基板，其中每一上三下六結構為一六角錐體與位於六角錐體上的一三角錐體所組成的結構。而且，每個三角錐體的投影面積與每個上三下六角錐體的投影面積之比大於0且小於0.5。

在本發明之一實施例中，上述上三下六角錐體的三角錐體的總投影面積與藍寶石基板的投影面積之比例如小於0.2。

在本發明之一實施例中，上述上三下六角錐體的週期(pitch)小於10 μm。

在本發明之一實施例中，每一上三下六角錐體的最大高度例如在1μm~2μm之間。

在本發明之一實施例中，上述三角錐體的頂部為平面或尖端。

在本發明之一實施例中，上述三角錐體的對稱剖面具有一第一底角以及一第二底角，第二底角大於第一底角，且第二底角的角度在28度至32度之間。

在本發明之一實施例中，上面具有三角錐體的六角錐體之對稱剖面具有一第三底角以及一第四底角，其中第四底角大於第三底角，且第四底角的角度在50度至70度之間。

在本發明之一實施例中，上三下六角錐體以外的藍寶石基板表面為(0001)面，且(0001)面佔藍寶石基板之投影面積的10%~60%之間。

本發明另提出一種發光二極體，具有上述發光二極體基板。

本發明再提出一種發光二極體基板的製造方法，包括利用至少一次的濕式蝕刻製程對藍寶石基板進行蝕刻，以便在其表面蝕刻出多個上三下六角錐體，其中每一上三下六角錐體為一六角錐體與位於六角錐體上的一三角錐體所組成的結構，且三角錐體的投影面積與各個上三下六角錐體的投影面積之比大於0且小於0.5。

在本發明之再一實施例中，上述濕式蝕刻是利用形成於藍寶石基板表面的圖案化硬罩幕(patterned hard mask)作為蝕刻罩幕。

在本發明之再一實施例中，上述濕式蝕刻製程包括單一濕式蝕刻步驟或兩道濕式蝕刻步驟。

在本發明之再一實施例中，上述單一濕式蝕刻步驟包括使用至少含有磷酸的混合蝕刻液進行蝕刻，來形成上三下六角錐體中的三角錐體。

在本發明之再一實施例中，上述兩道濕式蝕刻步驟包括進行第一濕式蝕刻步驟，以於藍寶石基板表面形成多個六角錐體，然後進行一第二濕式蝕刻步驟，於每一六角錐體上形成上述三角錐體。

基於上述，本發明的結構基本上是由多個上三下六角錐體所構成的藍寶石基板做為出光表面，所以能藉由上三下六角錐體本身的九個面來增加光的散射，進一步增進基板的出光效率。而且，三角錐體的投影面積與各個上三下六角錐體的投影面積之比小於0.5能減少因磊晶缺陷導致的空孔或靜電放電(ESD)等問題。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1是依照本發明之第一實施例之一種發光二極體基板的立體示意圖。在圖1中顯示一藍寶石基板100。這個藍寶石基板100具有多個上三下六角錐體102。每一上三下六角錐體102為一個六角錐體104與位於六角錐體104上的一三角錐體106所組成的結構，其中六角錐體104的每個表面都屬同一方向族、三角錐體106的每個表面也都屬同一方向族。而且，每個三角錐體106的投影面積與單一個上三下六角錐體102的投影面積之比需大於0且小於0.5。當單一三角錐體106的投影面積與單一上三下六角錐體102的投影面積之比大於0.5，可能會因為影響磊晶而產生空孔或導致靜電放電(ESD)等問題。在第一實施例中，上三下六角錐體102的三角錐體106的總投影面積與整個藍寶石基板100的投影面積之比例如小於0.2。

本實施例之藍寶石基板100在上三下六角錐體102以外的表面如為(0001)面，則(0001)面可佔整個藍寶石基板100之投影面積的10%~60%；較佳是10%~30%。當(0001)面佔整個藍寶石基板100之投影面積高於60%時，可能會導致光輸出效率的增益不彰，但是當(0001)面佔整個藍寶石基板100之投影面積低於10%時，可能會導致磊晶遭遇困難。

為更詳細說明第一實施例的結構，請參見圖2A與圖2B，其中圖2A是第一實施例中的兩個上三下六角錐體的立體示意圖；圖2B是圖2A之上三下六角錐體的對稱剖面(B-B線段之剖面)示意圖。

在圖2B中顯示出上三下六角錐體102的週期(pitch)p。所謂的「週期」是指每一個上三下六角錐體102之間的距離，在本實施例中，p例如是小於10 μm，較佳是在1μm~4μm之間。而上三下六角錐體102的最大高度h例如是與上三下六角錐體102的週期成正比；即，p愈大h愈高、p愈小h愈低。所謂的「最大高度」是自三角錐體106的頂部到六角錐體104底部的距離，以本實施例而言，上三下六角錐體102的最大高度例如在1μm~2μm之間，較佳是在1.5μm~2μm之間。當上三下六角錐體102的最大高度大於2μm時，可能會有不易磊晶的情形發生。

在本實施例中，上三下六角錐體102的三角錐體106的對稱剖面具有第一底角a1以及第二底角a2，第二底角a2大於第一底角a1，且第二底角a2的角度例如在28度至32度之間；六角錐體104之對稱剖面具有第三底角a3以及第四底角a4，其中第四底角a4大於第三底角a3，且第四底角a4的角度例如在50度至70度之間；較佳是在55度至65度之間。

在以上圖式中的三角錐體106的頂部為尖端，但是本發明並不侷限於此，三角錐體106的頂部也可以是具有平面的，如第二實施例的圖3。

在圖3中，第二實施例的藍寶石基板300和第一實施例的相同都有多個上三下六角錐體302，每個上三下六角錐體302為一個六角錐體304與一個三角錐體306所組成的結構。第二實施例與第一實施例之差異在於圖3的三角錐體306頂部是平面308，且平面308上可能會有罩幕(未繪示)存在。至於其他結構上的參數均可參照第一實施例，故不再贅述。

圖4是依照本發明之第三實施例之一種發光二極體的剖面示意圖。在圖4中顯示一個第一實施例之藍寶石基板100(詳見圖1)。而在藍寶石基底100上一般配置有第一半導體層400、發光層402、第二半導體層404、接觸第一半導體層400的第一歐姆電極406、以及接觸第二半導體層404的第二歐姆電極408。然而，圖4中的藍寶石基板100也可改用藍寶石基板300(詳見圖3)。

在第三實施例中，上述第一半導體層400、發光層402與第二半導體層404可為III-V族系半導體，如氮化鎵系半導體。至於第一與第二歐姆電極406和408例如是含自鎳、鉛、鈷、鐵、鈦、銅、銠、金、釕、鎢、鋯、鉬、鉭、銀及此等之氧化物、氮化物所構成之群中所選出的至少一種合金或多層膜。另外，第一與第二歐姆電極406和408也可以是含自銠、銥、銀、鋁所構成之群中所選出的一種合金或多層膜。

圖5A至圖5C是依照本發明之第四實施例之一種發光二極體基板的製作流程剖面示意圖。

請先參照圖5A，首先準備一個藍寶石基板500，然後在藍寶石基板500上形成一層圖案化硬罩幕502，其是由多個圓形圖案罩幕502a構成，每一圓形圖案罩幕502a的直徑例如小於1μm；較佳是大於0μm至0.7μm。此外，上述圖案化硬罩幕502也可選用其他形狀的圖案罩幕，如方形、三角形等，不侷限於本圖所示的圓形。

然後，請參照圖5B，使用一混合蝕刻液對藍寶石基板500進行單一濕式蝕刻步驟，其中上述混合蝕刻液譬如是至少包含磷酸的蝕刻液。而且，可藉由調控上述混合蝕刻液的酸配比，在蝕刻藍寶石基板500的同時也使圓形圖案罩幕502a逐漸縮小，譬如將混合蝕刻液的磷酸比例(即，磷酸/混酸)調配在0.1~0.5的範圍內。在這段蝕刻期間，藍寶石基板500會先形成六角錐體504。

之後，請參照圖5C，在圖5B之圓形圖案罩幕502a逐漸被蝕刻掉的同時，至少含有磷酸的混合蝕刻液會繼續對藍寶石基板500進行蝕刻，而在原本的六角錐體504上形成三角錐體506。藉由第四實施例的製程不但能製作出如圖1的發光二極體基板，如果最後如圖5B仍有圓形圖案罩幕502a留在三角錐體506上，則可形成圖3的發光二極體基板。

圖6A至圖6C是依照本發明之第五實施例之一種發光二極體基板的製作流程剖面示意圖。

請先參照圖6A，首先準備一個藍寶石基板600，然後在其表面上形成一層圖案化硬罩幕602，其是由多個圓形圖案罩幕602a構成，每一圓形圖案罩幕602a的直徑例如小於1μm；較佳是大於0μm至0.7μm。此外，上述圖案化硬罩幕602也可選用其他形狀的圖案罩幕，如方形、三角形等，不侷限於本圖所示的圓形。

然後，請參照圖6B，進行第一濕式蝕刻步驟，譬如使用第一種蝕刻液604進行約數分鐘的濕式蝕刻。在這段蝕刻期間，藍寶石基板600會先出現六角錐體606。

之後，請參照圖6C，進行第二濕式蝕刻步驟，譬如是使用第二種蝕刻液608進行約1分鐘的濕式蝕刻，溫度可控制在250℃~300℃之間，在第二濕式蝕刻步驟中的溫度與時間是呈反比，譬如溫度較高時濕式蝕刻的時間就較短；反之，溫度較低時濕式蝕刻的時間就較長。蝕刻完成後會在六角錐體606上形成三角錐體610。

第五實施例的製程如果在圖6C之前先將圓形圖案罩幕602a去除，能形成如圖1的發光二極體基板。此外，如將圓形圖案罩幕602a留著，則可形成圖3的發光二極體基板。

以上僅為說明本發明之發光二極體基板的幾種製造流程，並非用以侷限本發明的範圍。

綜上所述，本發明的發光二極體基板是由上三下六角錐體所構成的藍寶石基板做為出光表面，且三角錐體佔上三下六角錐體的面積比例被控制在一定範圍內，因此能大幅增加光散射的程度，進而增加使用此種基板的發光二極體的出光效率。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100、300、500、600．．．藍寶石基板

102、302．．．上三下六角錐體

104、304、504、606．．．六角錐體

106、306、506、610．．．三角錐體

308．．．平面

400．．．第一半導體層

402．．．發光層

404．．．第二半導體層

406．．．第一歐姆電極

408．．．第二歐姆電極

502、602．．．硬罩幕

502a、602a．．．圓形圖案罩幕

604、608．．．蝕刻液

a1、a2、a3、a4．．．底角

h．．．最大高度

p．．．週期

圖1是依照本發明之第一實施例之一種發光二極體基板的立體示意圖。

圖2A顯示第一實施例中的兩個上三下六角錐體的立體示意圖。

圖2B是圖2A之上三下六角錐體的對稱剖面示意圖。

圖3是依照本發明之第二實施例之一種發光二極體基板的立體示意圖。

圖4是依照本發明之第三實施例之一種發光二極體的剖面示意圖。

圖5A至圖5C是依照本發明之第四實施例之一種發光二極體基板的製作流程剖面示意圖。

圖6A至圖6C是依照本發明之第五實施例之一種發光二極體基板的製作流程剖面示意圖。

100．．．藍寶石基板

102．．．上三下六角錐體

104．．．六角錐體

106．．．三角錐體

Claims (14)

1. 一種發光二極體基板，包括一藍寶石基板，且該藍寶石基板具有多個上三下六角錐體，每一上三下六角錐體為一六角錐體與位於該六角錐體上的一三角錐體所組成的結構，該發光二極體基板之特徵在於：該三角錐體的投影面積與各該上三下六角錐體的投影面積之比大於0且小於0.5。
2. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體基板，其中該些上三下六角錐體的該三角錐體的總投影面積與該藍寶石基板的投影面積之比小於0.2。
3. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體基板，其中該些上三下六角錐體的週期小於10μm。
4. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體基板，其中每一上三下六角錐體的最大高度為1μm~2μm之間。
5. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體基板，其中該三角錐體的頂部為平面或尖端。
6. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體基板，其中該三角錐體的對稱剖面具有一第一底角以及一第二底角，該第二底角大於該第一底角，且該第二底角的角度在28度至32度之間。
7. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體基板，其中該六角錐體的對稱剖面具有一第三底角以及一第四底角，該第四底角大於該第三底角，且該第四底角的角度在50度至70度之間。
8. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體基板，其中該些上三下六角錐體以外的該藍寶石基板表面包括(0001)面，且該(0001)面佔該藍寶石基板之投影面積的10%~60%之間。
9. 一種發光二極體，具有如申請專利範圍第1~8項任一項所述之發光二極體基板。
10. 一種發光二極體基板的製造方法，包括：利用至少一濕式蝕刻製程對一藍寶石基板進行蝕刻，以於該藍寶石基板表面形成多個上三下六角錐體，其中每一上三下六角錐體為一六角錐體與位於該六角錐體上的一三角錐體所組成的結構，且該三角錐體的投影面積與各該上三下六角錐體的投影面積之比大於0且小於0.5。
11. 如申請專利範圍第10項所述之發光二極體基板的製造方法，其中該至少一濕式蝕刻製程是利用形成於該藍寶石基板表面的一圖案化硬罩幕作為蝕刻罩幕。
12. 如申請專利範圍第10項所述之發光二極體基板的製造方法，其中該至少一濕式蝕刻製程包括單一濕式蝕刻步驟或兩道濕式蝕刻步驟。
13. 如申請專利範圍第12項所述之發光二極體基板的製造方法，其中該單一濕式蝕刻步驟包括使用一混合蝕刻液進行蝕刻，來形成每一上三下六角錐體中的該三角錐體，且該混合蝕刻液至少包括磷酸。
14. 如申請專利範圍第12項所述之發光二極體基板的製造方法，其中該兩道濕式蝕刻步驟包括：進行一第一濕式蝕刻步驟，以於該藍寶石基板表面形成多個六角錐體；以及進行一第二濕式蝕刻步驟，於每一六角錐體上形成該三角錐體。