CN102820386A - 磊晶基板的制造方法、发光二极体及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磊晶基板的制作方法，其步骤包含：①在一基材表面形成一屏蔽层，并配合使用一光罩对该屏蔽层进行微影制程，令该屏蔽层形成复数个彼此间隔设置的第一图案；②以步骤①形成的第一图案为屏蔽蚀刻，令该基材形成复数个预设图案，每一个预设图案具有一个***部、一个由该***部界定出的凹槽，以及至少一个位于该凹槽的凸块，最后，移除该第一图案，完成磊晶基板的制作。此外，本发明还提供具有该磊晶基板的发光二极体及其制造方法。

Description

磊晶基板的制造方法、发光二极体及其制造方法

一、技术领域

本发明涉及一种磊晶基板的制造方法、一种发光二极体及其制造方法，具体地说是涉及一种图案化磊晶基板的制造方法、一种具有该图案化之磊晶基板的发光二极体及其制造方法。

二、背景技术

参阅图1，一般发光二极体(以下简称LED)结构具有一磊晶基板11，及一形成于该磊晶基板上11上的半导体发光元件12。该半导体发光元件12具有一与该磊晶基板11连接的第一型半导体121、一形成于该第一型半导体121上的发光层122、一形成于该发光层122上的第二型半导体123，以及分别形成于该第一、第二型半导体层121、123上的第一、第二电极124、125。当外界经由该第一、第二电极124、125配合提供电能时，该发光层122可在接收电能时以光电效应发光。

而以目前LED组件发光层122常用的氮化镓(GaN)类半导体材料为例而言，氮化镓的折射率约为2.5，而空气折射率为1，因此，当自发光层122产生的光行进到发光层122与空气的界面时，容易因为该发光层122与空气的的折射率差而产生全反射，因此大多数的光会直接反射而实质回到发光层122，从而在磊晶基板11与半导体发光元件12中往复行进，因此降低了发光二极体的光取出率。因此，业者为了解决发光层122与空气之间全反射的问题，纷纷提出将平面型磊晶基板11改成表面具有不同粗化结构的基板，例如将基板表面形成不规则粗化结构、或是令基板表面形成具有规则排列的凸粒结构等，利用让光线在接触到该基板的粗化结构后改变反射后行进路径，进而减少光在发光层122与空气的界面的全反射机率，从而提升LED的光取出率。

参阅图2，美国专利US2010059789公开号(以下简称789专利)揭示一种LED组件的制作方法，是利用表面具有多数凹、凸结构的磊晶基板2而制得一具有高光取出率的LED，该磊晶基板2的制作方法为：(1)在一基材21上形成一层由光阻材料构成的光阻层，配合使用一光罩，经由微影制程后于该基材21上形成一具有预定图案的屏蔽101，并以第一蚀刻制程蚀刻该基材21未被屏蔽101覆盖的部分，而于该基材21上形成多数图案102，(2)以热处理方式加热前述该形成复数图案102的基材21，令该对应覆盖在多数图案102上的屏蔽101于加热过程中变形，从而形成不同厚度，(3)接着进行第二次蚀刻，将该屏蔽101与基材21一起蚀刻，在图案102上形成凹槽103及凸块104，而得到表面具有多数凹、凸结构的磊晶基板2，籍由形成多数图案102且每一图案102均具有凹、凸结构的磊晶基板2，以改善后续磊晶品质并提升取得的LED的光取出率。

由前述说明可知，由于该789专利的磊晶基板2形成的凹、凸结构是籍由将光阻加热，利用材料受热产生的形变而令覆盖在图案102上的屏蔽101转变成具有不同厚度的结构，之后再利用具有不同厚度的屏蔽101，籍由蚀刻参数的控制，而将该图案102蚀刻成具有凹、凸结构的图样，因此可知，该磊晶基板2的每一个图案102的凹、凸结构会受限于光阻受热产生的形变所控制，因此，也仅能得到概似碗状的结构，而无法有更多的结构设计，此外，由于制程不易控制，因此该些图案彼此的均匀性也较难控制。

三、发明内容

为了克服上述缺陷，本发明提供一种制程简便、容易控制，且图案均匀性佳的图案化磊晶基板的制造方法。

另外，本发明提供一种可提升光取出率的发光二极体。

此外，本发明还提供一种可提升光取出率的发光二极体的制造方法。

本发明磊晶基板的制作方法按下述步骤进行：

(1)在一基材表面形成一层屏蔽层，并配合使用一个光罩，将该屏蔽层预定部分移除，使该屏蔽层残留部分形成复数个彼此间隔设置的第一图案，该每一个第一图案具有至少一个由该屏蔽层材料构成的一个第一非蚀刻区、一个第二非蚀刻区，及复数个经由移除该屏蔽层材料所形成的蚀刻区，且该第二非蚀刻区环围该蚀刻区及该第一非蚀刻区。

(2)以步骤(1)得到的第一图案为屏蔽自该基材表面向下进行蚀刻，使该基材同时形成复数个预设图案，之后，移除该第一图案，完成该磊晶基板的制作。其中，每一个预设图案具有一个***部，一个由该***部界定出的凹槽，以及至少一个位于该凹槽的凸块。

本发明的发光二极体，包含如下组成部分：

①一个磊晶基板，具有一本体，以及复数个由该本体表面向上凸起且彼此间隔设置的预设图案，该每一个预设图案具有一个***部、一个由该***部界定出的凹槽，以及至少一个位于该凹槽的凸块。

②一个半导体发光元件，设置在该磊晶基板具有预设图案的表面，在提供电能时以光电效应发光，发光时，向该磊晶基板方向行进的光子碰到预设图案时会被反射而实质向外射出。

本发明的发光二极体的制作方法按下述步骤进行：

(1)在一基材表面形成一屏蔽层，并配合使用一光罩将该屏蔽层预定部分移除至该基材表面表面露出，令该屏蔽层残留部分形成复数个彼此间隔设置的第一图案，该每一个第一图案具有至少一由该屏蔽层材料构成的一个第一非蚀刻区、一个第二非蚀刻区，及复数个经由移除该屏蔽材料所形成的蚀刻区，且该第二非蚀刻区环围该些蚀刻区及第一非蚀刻区。

(2)以步骤(1)得到的第一图案为屏蔽自该基材表面向下进行蚀刻，使该基材形成复数个预设图案，其中，每一个预设图案具有一个***部、一个由该***部界定出的凹槽，及至少一个位于该凹槽的凸块，之后，移除这些第一图案，形成一磊晶基板。

(3)在该磊晶基板具有预设图案的表面形成一个在接收外加电能时会以光电效应发光的半导体发光元件。

本发明的有益效果是：利用光罩设计并配合蚀刻制程，可以以一次蚀刻的方式同时形成复数个具有预设图案的磊晶基板，不仅制程简便、容易控制，且可提升这些预设图案的均一性；此外，还可籍由屏蔽图案的设计而简便地改变这些凸块的几何形状。

四、附图说明

图1为本先前技术的发光二极体结构示意图；

图2为先前技术之具有多数凹、凸结构的磊晶基板的制作流程示意图；

图3为本发明的较佳实施例所制得的发光二极体示意图；

图4为辅助说明图3的预设图案的局部示意图；

图5为本发明的较佳实施例的流程图；

图6为辅助说明图5的流程示意图；

图7为说明本发明光罩的态样的示意图；

图8为说明本发明另一光罩的态样的示意图；

图9为本发明较佳实施例制得的CPSS与习知的Plannar的L-I-V图。

图10-12为说明本发明披覆层形成位置的示意图。

五、具体实施方式

实施例：本发明发光二极体的制作方法，如图3所示，该发光二极体包含一个磊晶基板3，以及一个半导体发光元件4。

配合参阅图4，所述磊晶基板3可选自蓝宝石、硅、氧化物、碳化硅等材料构成，具有一个本体31，及复数个由本体31表面向上凸起且彼此间隔设置的预设图案32，该每一预设图案32具有一个界定出一个凹槽323的***部321，及复数个位于该凹槽323并都呈锥状的凸块322，且该每个凸块322不相连接，其中，该每一个***部321具有一个自本体31向上延伸的高度H，该凹槽323具有深度D，且该深度D与该高度H实质相同。

该半导体发光元件4具有一个与该本体31及这些预设图案32表面连接的第一型半导体层41、一层形成于该第一型半导体层41上的发光层42、一层形成于发光层42上的第二型半导体层43，以及分别形成于该第一、第二型半导体层41、43上的第一、第二电极44、45，当外界经由该第一、第二电极44、45配合提供电能时，该发光层42可在接收电能后以光电效应发光。

具体地说，所述第一、第二型半导体层41、43是由电性彼此相反的III-V族系半导体材料构成，例如可选自氮化镓系半导体材料。所述发光层42是选自接收电能后可以以光电效应发光材料构成，例如硫化锌、硫化镉、磷化镓、砷铝镓、或氮化镓等。所述第一、第二电极44、45选自镍、铅、钴、铁、钛、铜、铑、金、钌、钨、锆、钼、钽、铂、银等的氧化物或氮化物，或其中一种或几种的组合的材料所构成。本实施例中磊晶基板3由蓝宝石构成，发光层42由氮化镓构成，第一、第二电44、45由铂构成。

由于该磊晶基板3使用了具有多数均匀区隔分离的预设图案32的设计，自发光层42发出、朝向磊晶基板3行进的光在接触预设图案32的凸块及凹槽322、323后改变反射后的光行进路线，减少光在第二型半导体43与空气界面间的全反射机率，而得以进一步提升该发光二极体的光取出率。

本发明发光二极体的制作方法的具体实施例，如图5和图6，包含以下三个步骤：

(1)进行步骤51，在一基材200表面形成复数个第一图案202。

具体地讲，该步骤51是先在一基材200表面形成一层屏蔽层201，然后配合使用一个具有复数个屏蔽图案301的光罩300，将该屏蔽层201预定部分移除，令残余的屏蔽层201形成复数个于这些屏蔽图案301相对应的第一图案202。该屏蔽层201可以由氧化硅、氮化硅或光阻材料构成，这些屏蔽图案301为依据该预定形成的预设图案32及所使用的光阻材料的选择而加以设计改变。例如，当预定形成具有复数个凸块322的预设图案32时，这些屏蔽图案301可以设计成具有如图7所示具有复数个呈圆形、彼此呈预定间隔设置且为最密堆积排列的屏蔽图案301，该每一个屏蔽图案301具有复数个都成方形且彼此错位排列的透光区302、一个圈围这些透光区302的第一非透光区303、及复数个由这些透光区302共同界定的第二非透光区304，经由这些屏蔽图案301的设计，令该屏蔽层201于该基材200表面形成与这些屏蔽图案301对应的第一图案202；而当预定形成具有一个凸块322的预设图案32时，则该每一个屏蔽图案可设计成如图8所示具有一个位于该屏蔽图案301中央并都成方形的第一非透光区303、一个圈围该第一非透光区303的透光区302，及一个环围该透光区302的第二非透光区304的图案。

需要说明的是，这些第一、第二非蚀刻区的形状可依需求而具有例如方形、圆形、多边形等不同的形状设计，而得到具有不同几何形状的凸块322。

还需要说明的是，当屏蔽层201是由氧化硅或氮化硅构成时，可利用具有预定屏蔽图案301的光罩300为屏蔽直接对该屏蔽层201进行蚀刻，而使该屏蔽层201形成与这些屏蔽图案301相对应的第一图案202；而当该屏蔽层201是由光阻材料构成时，则可利用具有预定屏蔽图案301的光罩300为屏蔽对该屏蔽层201进行微影制程，而使该屏蔽层201形成与这些屏蔽图案301相对应的第一图案202。于本实施例中，该屏蔽材料201是由正型光阻材料构成，且该光罩300是以具有如图7所示的屏蔽图案301为例进行说明。

详细地说，该步骤51是先在该基材200上形成一层由正型光阻材料构成的屏蔽层201后，再使用该具有预定屏蔽图案301的光罩300对该屏蔽层201进行微影制程，将该屏蔽层201预定部分移除至基材200表面露出，使残留的屏蔽层201形成复数个与这些屏蔽图案301相对应的第一图案202，该每一个第一图案202具有复数个由该光阻材料构成的第一非蚀刻区203、一个第二非蚀刻区204，及复数个经由移除该光阻材料后所形成的蚀刻区205，这些蚀刻区205共同环围界定出这些第一蚀刻区203，并使这些第一非蚀刻区203彼此间隔，且该第二蚀刻区204环围这些蚀刻区205。

(2)进行步骤52，以步骤(1)形成的第一图案202围屏蔽，自该基材200表面向下进行蚀刻，制得一磊晶基板3。

具体地讲，步骤52是以第一图案202为屏蔽，利用干式蚀刻，例如高密度电浆蚀刻、反应式离子蚀刻，或湿式蚀刻方式，例如使用磷酸、硫磷酸或氢氧化钾等蚀刻液，自基材200表面向下蚀刻，使基材200同时形成多数个预设图案32，每一个预设图案32具有一个自该基材200露出的表面向上延伸且高度为H的***部321、一个由该***部321界定出的凹槽323，及复数个位于该凹槽323且彼此不向连接的凹块322，其中，该凹槽323的深度地籍由蚀刻的参数控制而使其小于或等于该***部的高度H。于本实施例中，步骤52是以干式蚀刻方式进行蚀刻，使该凹槽的深度D与该***部321的高度H相同。之后，将这些第一图案202移除，即可制得该具有复数个如图3所示的预设图案32的磊晶基板3。

(3)进行步骤53，在步骤(2)形成的磊晶基板3表面形成一半导体发光元件4。

具体地讲，步骤53是先于该磊晶基板3具有预设图案32的表面形成该第一型半导体层41，再由该第一型半导体层41的部分表面向上磊晶形成发光层42，然后，再于该发光层42表面形成该第二型半导体层43，最后，分别在该第一、第二型半导体层41、43表面形成该第一、第二电极44、45，即可制得如图2所示的发光二极体。

本发明籍由光罩300的图案设计，先在基材200上形成预定的第一图案202，再搭配一次蚀刻制程，使该基材200同时形成复数个具预定凹槽323及凸块322的预设图案32，而得到该图案化磊晶基板3，不仅可有效提升利用该磊晶基板3制得的发光二极体的光取出率，且与***面态样的磊晶基板相比，由于该凹、凸样态可微结构可增加该第一型半导体层与该磊晶基板的接触面积，因此还可进一步提升磊晶品质，降低磊晶过程的缺陷产生。

参阅图9，图9是本发明具体实施例制得的发光二极体(以下简称CPSS)与利用平面态样的磊晶基板制得的发光二极体(以下简称Planar)，在输入电流为20mA条件下的光-电流-电压(以下简称L-I-V)量测结果。由图9可知，以本发明具有均匀分布的预设图案32的磊晶基板3所制得的发光二极体(CPSS)与由平面态样的磊晶基板制得的发光二极体(Planar)的光取出效率相较，可大幅提升约25％。

需要说明的是，在进行步骤53，形成第一型半导导41时，可以以横向磊晶方式，籍由制程控制，使该第一型半导体41不完全覆盖凹槽323，而与该每一个预设图案32共同界定出至少一个封闭孔33，籍由这些封闭孔33的形成可让该磊晶基板3具有不同的折射率，增加光线在接触该磊晶基板3时的反射及折射效果，从而进一步提升该发光二极体的光取出率。

还需要说明的是，该发光二极体的制作方法更包含一实施于该步骤53之前的披覆层形成步骤。参阅图10～12，该步骤是先在该磊晶基板3上形成一由折射率与该磊晶基板3不同的材料构成的披覆层34，例如可于该凹槽323中，或是该本体31的部分而表面形成氧化物、氮化物、硅、或硅化物构成的披覆层34，或是具有高反射性，例如金属、合金金属等材料构成的披覆层34，让该磊晶基板3籍由该披覆层的材料选择而具有不同的折射率或反射能力，而得以增加光线于接触该磊晶基板3时的折射及反射效果，以更进一步提升该发光二极体的光取出率。该披覆层的位置设置可经由制程的设计而加以控制，例如，该披覆层34可形成于该本体31无形成预设图案32的部分表面，或是可形成于该预设图案32上；参阅图10～12，图10～12是以该披覆层34为形成于该预设图案32做说明，该披覆层34可形成于该预设图案32之***部321圈围的基材200表面，或是凸块322的周面与***部321邻近凸块322的表面，或是同时行成于这些凸块322的周面，该***部321邻近该些凸块322的表面与该些由该***部321圈围的基材200表面。籍由该披覆层34的设置，也可减低后续以横向磊晶形成第一型半导体41与磊晶基板3之间晶格不匹配所形成的差排问题。

综上所述，本发明籍由光罩的图案设计，先于该基材上形成预定的第一图案，再搭配一次蚀刻制程，直接于该基材上同时形成多数个预定的凹、凸结构之预设图案，不仅制程简单，容易控制，且更可有效提升利用该图案化后的磊晶基板制得的发光二极体的光取出率；此外，由于预设图案令该磊晶基板表面形成凹、凸态样的微结构而可增加该第一型半导体于这些磊晶基板的接触面积，因此还可提升磊晶品质，降低磊晶过程的缺陷产生，故确实能达成本发明的目的。

Claims (24)

1.一种磊晶基板的制造方法，其特征在于，按下述步骤进行：

①、在一基材表面形成一屏蔽层，并配合使用一光罩，将该屏蔽层预定部分移除，令该屏蔽层残留部分形成复数个彼此间隔设置的第一图案，该每一个第一图案具有至少一个由该屏蔽层材料构成的一个第一非蚀刻区、一个第二非蚀刻区以及复数个由移除该屏蔽层材料所形成的蚀刻区，且该第二非蚀刻区为环围该蚀刻区及第一非蚀刻区；

②、以步骤①形成的第一图案为屏蔽，自该基材表面向下进行蚀刻，令该基材同时形成复数个预设图案，完成该磊晶基板的制作，其中，该每一个预设图案具有一个***部、一个由***部界定出的凹槽，以及至少一个位于该凹槽的凸块。

2.如权利要求1所述的磊晶基板的制造方法，其特征在于，所述步骤①所形成的每一个预设图案具有复数个第一图案，所述步骤②所形成的每一个预设图案具有复数个凸块。

3.如权利要求2所述的磊晶基板的制造方法，其特征在于，所述复数个凸块彼此不相连接。

4.如权利要求1所述的磊晶基板的制造方法，其特征在于，所述***部具有一个自该本体表面向上延伸的高度，且该凹槽的深度与该高度实质相同。

5.如权利要求1所述的磊晶基板的制造方法，其特征在于，所述步骤②是利用高密度电浆蚀刻、反应式离子蚀刻方式进行。

6.一种发光二极体，其特征在于，包含以下构成部分：

一磊晶基板，具有一本体，以及由该本体表面向上凸起、且彼此间隔设置的预设图案，该每一预设图案具有一个***部、一个由该***部界定出的凹槽、以及至少一个位于该凹槽的凸块；

一半导体发光元件，设置在该磊晶基板具有预设图案的表面，在提供电能时以光电效应发光，而当发光时，向该磊晶基板方向行进的光子碰到每一个预设图案时会被反射而实质向外射出。

7.如权利要求6所述的发光二极体，其特征在于，所述每一个预设图案具有复数个凸块。

8.如权利要求6所述的发光二极体，其特征在于，所述凹槽是由该***部与该本体表面共同界定，且所述凸块彼此不相连接。

9.如权利要求6所述的发光二极体，其特征在于，所述半导体发光元件具有一形成于所述预设图案表面的第一型半导体层，且该第一型半导体与所述预设图案共同界定出至少一个封闭孔。

10.如权利要求6所述的发光二极体，其特征在于，所述半导体发光元件具有一形成于所述预设图案表面的第一型半导体层，且该第一型半导体层与该每一预设图案共同界定出至少一个封闭孔。

11.如权利要求6所述的发光二极体，其特征在于，所述磊晶基板选自蓝宝石、硅、氧化物、或碳化硅。

12.如权利要求6所述的发光二极体，其特征在于，所述磊晶基板具有一披覆层。

13.如权利要求12所述的发光二极体，其特征在于，所述披覆层是氧化物、氮化物、硅或硅化物。

14.如权利要求12所述的发光二极体，其特征在于，所述披覆层选自金属、金属合金。

15.一种发光二极体的制作方法，其特征在于，按下述步骤进行：

①、在一基材表面形成一屏蔽层，并配合使用一光罩将该屏蔽层预定部分移除，令该屏蔽层残留部分形成复数个彼此间隔设置的第一图案，该每一个第一图案具有至少一个由该屏蔽层材料构成的一个第一非蚀刻区、一个第二非蚀刻区，及复数个经由移除该屏蔽层材料所形成的蚀刻区，且该第二非蚀刻区为环围该蚀刻区及第一非蚀刻区；

②、以步骤①形成的第一图案为屏蔽自该基材表面向下进行蚀刻，令该基材同时形成复数个预设图案，该每一个预设图案具有一个***部、一个由该***部界定出的凹槽，及至少一个位于该凹槽的凸块，之后，移除该第一图案，形成一磊晶基板；

③、在步骤②形成的磊晶基板表面形成一在接收外施加电能时会以光电效应发光的半导体发光元件，完成该发光二极体的制作。

16.如权利要求15所述的发光二极体的制作方法，其特征在于，所述步骤①形成的每一预设图案具有复数个第一图案，所述步骤②形成的每一个预设图案具有复数个凸块。

17.如权利要求16所述的发光二极体的制作方法，其特征在于，所述凸块彼此不相连接。

18.如权利要求15所述的发光二极体的制作方法，其特征在于，所述***部具有一个自该基材露出的表面向上延伸的高度，且该凹槽的深度与该高度实质相同。

19.如权利要求15所述的发光二极体的制作方法，其特征在于，所述半导体发光元件具有一以横向磊晶方式形成于该磊晶基板表面的一层第一型半导体层，且该第一型半导体层与所述预设图案共同界定出至少一个封闭孔。

20.如权利要求15所述的发光二极体的制作方法，其特征在于，所述半导体发光元件具有一以横向磊晶方式形成于该磊晶基板表面的一层第一型半导体层，且该第一型半导体层于所述每一个预设图案共同界定出至少一个封闭孔。

21.如权利要求15所述的发光二极体的制作方法，其特征在于，所述步骤②是利用高密度电浆蚀刻、反应式离子蚀刻方式进行。

22.如权利要求15所述的发光二极体的制作方法，其特征在于，在所述步骤③之前于该磊晶基板上形成一披覆层。

23.如权利要求22所述的发光二极体的制作方法，其特征在于，所述披覆层是氧化物、氮化物、硅、或硅化物。

24.如权利要求22所述的发光二极体的制作方法，其特征在于，所述披覆层是选自金属、合金金属。

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