磊晶基板的製造方法、發光二極體及其製造方法
2023-06-19 20:15:41 1
專利名稱：磊晶基板的製造方法、發光二極體及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種磊晶基板的製造方法、一種發光二極體及其製造方法，具體地說是涉及一種圖案化磊晶基板的製造方法、一種具有該圖案化之磊晶基板的發光二極體及其製造方法。
背景技術：
參閱圖1，一般發光二極體(以下簡稱LED)結構具有一嘉晶基板11，及一形成於該磊晶基板上11上的半導體發光元件12。該半導體發光元件12具有一與該磊晶基板11連接的第一型半導體121、一形成於該第一型半導體121上的發光層122、一形成於該發光層122上的第二型半導體123，以及分別形成於該第一、第二型半導體層121、123上的第一、第二電極124、125。當外界經由該第一、第二電極124、125配合提供電能時，該發光層122可在接收電能時以光電效應發光。 而以目前LED組件發光層122常用的氮化鎵(GaN)類半導體材料為例而言，氮化鎵的折射率約為2. 5，而空氣折射率為1，因此，當自發光層122產生的光行進到發光層122與空氣的界面時，容易因為該發光層122與空氣的的折射率差而產生全反射，因此大多數的光會直接反射而實質回到發光層122，從而在磊晶基板11與半導體發光元件12中往復行進，因此降低了發光二極體的光取出率。因此，業者為了解決發光層122與空氣之間全反射的問題，紛紛提出將平面型磊晶基板11改成表面具有不同粗化結構的基板，例如將基板表面形成不規則粗化結構、或是令基板表面形成具有規則排列的凸粒結構等，利用讓光線在接觸到該基板的粗化結構後改變反射後行進路徑，進而減少光在發光層122與空氣的界面的全反射機率，從而提升LED的光取出率。參閱圖2，美國專利US2010059789公開號(以下簡稱789專利)揭示一種LED組件的製作方法，是利用表面具有多數凹、凸結構的磊晶基板2而製得一具有高光取出率的LED，該磊晶基板2的製作方法為(I)在一基材21上形成一層由光阻材料構成的光阻層，配合使用一光罩，經由微影製程後於該基材21上形成一具有預定圖案的屏蔽101，並以第一蝕刻製程蝕刻該基材21未被屏蔽101覆蓋的部分，而於該基材21上形成多數圖案102，
(2)以熱處理方式加熱前述該形成複數圖案102的基材21，令該對應覆蓋在多數圖案102上的屏蔽101於加熱過程中變形，從而形成不同厚度，(3)接著進行第二次蝕刻，將該屏蔽101與基材21 —起蝕刻，在圖案102上形成凹槽103及凸塊104，而得到表面具有多數凹、凸結構的磊晶基板2，籍由形成多數圖案102且每一圖案102均具有凹、凸結構的磊晶基板2，以改善後續磊晶品質並提升取得的LED的光取出率。由前述說明可知，由於該789專利的磊晶基板2形成的凹、凸結構是籍由將光阻加熱，利用材料受熱產生的形變而令覆蓋在圖案102上的屏蔽101轉變成具有不同厚度的結構，之後再利用具有不同厚度的屏蔽101，籍由蝕刻參數的控制，而將該圖案102蝕刻成具有凹、凸結構的圖樣，因此可知，該磊晶基板2的每一個圖案102的凹、凸結構會受限於光阻受熱產生的形變所控制，因此，也僅能得到概似碗狀的結構，而無法有更多的結構設計，此夕卜，由於製程不易控制，因此該些圖案彼此的均勻性也較難控制。
發明內容
為了克服上述缺陷，本發明提供一種製程簡便、容易控制，且圖案均勻性佳的圖案化磊晶基板的製造方法。另外，本發明提供一種可提升光取出率的發光二極體。此外，本發明還提供一種可提升光取出率的發光二極體的製造方法。本發明磊晶基板的製作方法按下述步驟進行(I)在一基材表面形成一層屏蔽層,並配合使用一 個光罩,將該屏蔽層預定部分移除，使該屏蔽層殘留部分形成複數個彼此間隔設置的第一圖案，該每一個第一圖案具有至少一個由該屏蔽層材料構成的一個第一非蝕刻區、一個第二非蝕刻區，及複數個經由移除該屏蔽層材料所形成的蝕刻區，且該第二非蝕刻區環圍該蝕刻區及該第一非蝕刻區。(2)以步驟⑴得到的第一圖案為屏蔽自該基材表面向下進行蝕刻，使該基材同時形成複數個預設圖案，之後，移除該第一圖案，完成該磊晶基板的製作。其中，每一個預設圖案具有一個外圍部，一個由該外圍部界定出的凹槽，以及至少一個位於該凹槽的凸塊。本發明的發光二極體，包含如下組成部分①一個磊晶基板，具有一本體，以及複數個由該本體表面向上凸起且彼此間隔設置的預設圖案，該每一個預設圖案具有一個外圍部、一個由該外圍部界定出的凹槽，以及至少一個位於該凹槽的凸塊。②一個半導體發光元件，設置在該磊晶基板具有預設圖案的表面，在提供電能時以光電效應發光，發光時，向該磊晶基板方向行進的光子碰到預設圖案時會被反射而實質向外射出。本發明的發光二極體的製作方法按下述步驟進行(I)在一基材表面形成一屏蔽層，並配合使用一光罩將該屏蔽層預定部分移除至該基材表面表面露出，令該屏蔽層殘留部分形成複數個彼此間隔設置的第一圖案，該每一個第一圖案具有至少一由該屏蔽層材料構成的一個第一非蝕刻區、一個第二非蝕刻區，及複數個經由移除該屏蔽材料所形成的蝕刻區，且該第二非蝕刻區環圍該些蝕刻區及第一非蝕刻區。(2)以步驟⑴得到的第一圖案為屏蔽自該基材表面向下進行蝕刻，使該基材形成複數個預設圖案，其中，每一個預設圖案具有一個外圍部、一個由該外圍部界定出的凹槽，及至少一個位於該凹槽的凸塊，之後，移除這些第一圖案，形成一磊晶基板。(3)在該磊晶基板具有預設圖案的表面形成一個在接收外加電能時會以光電效應發光的半導體發光元件。本發明的有益效果是利用光罩設計並配合蝕刻製程，可以以一次蝕刻的方式同時形成複數個具有預設圖案的磊晶基板，不僅製程簡便、容易控制，且可提升這些預設圖案的均一性；此外，還可籍由屏蔽圖案的設計而簡便地改變這些凸塊的幾何形狀。
四
圖I為本先前技術的發光二極體結構示意圖2為先前技術之具有多數凹、凸結構的磊晶基板的製作流程示意圖；圖3為本發明的較佳實施例所製得的發光二極體示意圖；圖4為輔助說明圖3的預設圖案的局部示意圖；圖5為本發明的較佳實施例的流程圖；圖6為輔助說明圖5的流程示意圖；圖7為說明本發明光罩的態樣的示意圖；圖8為說明本發明另一光罩的態樣的示意圖；圖9為本發明較佳實施例製得的CPSS與習知的Plannar的L_I_V圖。圖10-12為說明本發明披覆層形成位置的示意圖。
五具體實施例方式實施例本發明發光二極體的製作方法，如圖3所示，該發光二極體包含一個磊晶基板3,以及一個半導體發光兀件4。配合參閱圖4，所述磊晶基板3可選自藍寶石、矽、氧化物、碳化矽等材料構成，具有一個本體31，及複數個由本體31表面向上凸起且彼此間隔設置的預設圖案32，該每一預設圖案32具有一個界定出一個凹槽323的外圍部321，及複數個位於該凹槽323並都呈錐狀的凸塊322，且該每個凸塊322不相連接，其中，該每一個外圍部321具有一個自本體31向上延伸的高度H，該凹槽323具有深度D，且該深度D與該高度H實質相同。該半導體發光元件4具有一個與該本體31及這些預設圖案32表面連接的第一型半導體層41、一層形成於該第一型半導體層41上的發光層42、一層形成於發光層42上的第二型半導體層43，以及分別形成於該第一、第二型半導體層41、43上的第一、第二電極44,45,當外界經由該第一、第二電極44、45配合提供電能時，該發光層42可在接收電能後以光電效應發光。具體地說，所述第一、第二型半導體層41、43是由電性彼此相反的III-V族系半導體材料構成，例如可選自氮化鎵系半導體材料。所述發光層42是選自接收電能後可以以光電效應發光材料構成，例如硫化鋅、硫化鎘、磷化鎵、砷鋁鎵、或氮化鎵等。所述第一、第二電極44、45選自鎳、鉛、鈷、鐵、鈦、銅、銠、金、釕、鎢、鋯、鑰、鉭、鉬、銀等的氧化物或氮化物，或其中一種或幾種的組合的材料所構成。本實施例中磊晶基板3由藍寶石構成，發光層42由氮化鎵構成，第一、第二電44、45由鉬構成。由於該磊晶基板3使用了具有多數均勻區隔分離的預設圖案32的設計，自發光層42發出、朝向磊晶基板3行進的光在接觸預設圖案32的凸塊及凹槽322、323後改變反射後的光行進路線，減少光在第二型半導體43與空氣界面間的全反射機率，而得以進一步提升該發光二極體的光取出率。本發明發光二極體的製作方法的具體實施例，如圖5和圖6，包含以下三個步驟(I)進行步驟51，在一基材200表面形成複數個第一圖案202。具體地講,該步驟51是先在一基材200表面形成一層屏蔽層201,然後配合使用一個具有複數個屏蔽圖案301的光罩300，將該屏蔽層201預定部分移除，令殘餘的屏蔽層201形成複數個於這些屏蔽圖案301相對應的第一圖案202。該屏蔽層201可以由氧化矽、氮化矽或光阻材料構成，這些屏蔽圖案301為依據該預定形成的預設圖案32及所使用的光阻材料的選擇而加以設計改變。例如，當預定形成具有複數個凸塊322的預設圖案32時，這些屏蔽圖案301可以設計成具有如圖7所示具有複數個呈圓形、彼此呈預定間隔設置且為最密堆積排列的屏蔽圖案301，該每一個屏蔽圖案301具有複數個都成方形且彼此錯位排列的透光區302、一個圈圍這些透光區302的第一非透光區303、及複數個由這些透光區302共同界定的第二非透光區304，經由這些屏蔽圖案301的設計，令該屏蔽層201於該基材200表面形成與這些屏蔽圖案301對應的第一圖案202 ;而當預定形成具有一個凸塊322的預設圖案32時，則該每一個屏蔽圖案可設計成如圖8所示具有一個位於該屏蔽圖案301中央並都成方形的第一非透光區303、一個圈圍該第一非透光區303的透光區302，及一個環圍該透光區302的第二非透光區304的圖案。需要說明的是，這些第一、第二非蝕刻區的形狀可依需求而具有例如方形、圓形、多邊形等不同的形狀設計，而得到具有不同幾何形狀的凸塊322。還需要說明的是，當屏蔽層201是由氧化矽或氮化矽構成時，可利用具有預定屏蔽圖案301的光罩300為屏蔽直接對該屏蔽層201進行蝕刻，而使該屏蔽層201形成與這 些屏蔽圖案301相對應的第一圖案202 ;而當該屏蔽層201是由光阻材料構成時，則可利用具有預定屏蔽圖案301的光罩300為屏蔽對該屏蔽層201進行微影製程，而使該屏蔽層201形成與這些屏蔽圖案301相對應的第一圖案202。於本實施例中，該屏蔽材料201是由正型光阻材料構成，且該光罩300是以具有如圖7所示的屏蔽圖案301為例進行說明。詳細地說，該步驟51是先在該基材200上形成一層由正型光阻材料構成的屏蔽層201後，再使用該具有預定屏蔽圖案301的光罩300對該屏蔽層201進行微影製程，將該屏蔽層201預定部分移除至基材200表面露出，使殘留的屏蔽層201形成複數個與這些屏蔽圖案301相對應的第一圖案202，該每一個第一圖案202具有複數個由該光阻材料構成的第一非蝕刻區203、一個第二非蝕刻區204，及複數個經由移除該光阻材料後所形成的蝕刻區205，這些蝕刻區205共同環圍界定出這些第一蝕刻區203，並使這些第一非蝕刻區203彼此間隔，且該第二蝕刻區204環圍這些蝕刻區205。(2)進行步驟52，以步驟(I)形成的第一圖案202圍屏蔽，自該基材200表面向下進行蝕刻，製得一磊晶基板3。具體地講，步驟52是以第一圖案202為屏蔽，利用乾式蝕刻，例如高密度電漿蝕亥IJ、反應式離子蝕刻，或溼式蝕刻方式，例如使用磷酸、硫磷酸或氫氧化鉀等蝕刻液，自基材200表面向下蝕刻，使基材200同時形成多數個預設圖案32，每一個預設圖案32具有一個自該基材200露出的表面向上延伸且高度為H的外圍部321、一個由該外圍部321界定出的凹槽323，及複數個位於該凹槽323且彼此不向連接的凹塊322，其中，該凹槽323的深度地籍由蝕刻的參數控制而使其小於或等於該外圍部的高度H。於本實施例中，步驟52是以乾式蝕刻方式進行蝕刻，使該凹槽的深度D與該外圍部321的高度H相同。之後，將這些第一圖案202移除，即可製得該具有複數個如圖3所示的預設圖案32的磊晶基板3。(3)進行步驟53，在步驟(2)形成的磊晶基板3表面形成一半導體發光元件4。具體地講，步驟53是先於該磊晶基板3具有預設圖案32的表面形成該第一型半導體層41，再由該第一型半導體層41的部分表面向上磊晶形成發光層42，然後，再於該發光層42表面形成該第二型半導體層43，最後，分別在該第一、第二型半導體層41、43表面形成該第一、第二電極44、45，即可製得如圖2所示的發光二極體。
本發明籍由光罩300的圖案設計，先在基材200上形成預定的第一圖案202，再搭配一次蝕刻製程，使該基材200同時形成複數個具預定凹槽323及凸塊322的預設圖案32，而得到該圖案化磊晶基板3，不僅可有效提升利用該磊晶基板3製得的發光二極體的光取出率，且與習知利用光阻經由熱處理後產生的厚度差異，再利用該厚度差，經蝕刻後而於基材表面產生凹、凸結構圖案的方法相比較，本案不僅製程容易控制，且更可提升預設圖案32彼此之間的均勻性；此外，由於該預定圖案32會使該磊晶基板3表面形成凹、凸態樣的微結構，與習知具平面態樣的磊晶基板相比，由於該凹、凸樣態可微結構可增加該第一型半導體層與該磊晶基板的接觸面積，因此還可進一步提升磊晶品質，降低磊晶過程的缺陷產生。參閱圖9，圖9是本發明具體實施例製得的發光二極體(以下簡稱CPSS)與利用平面態樣的磊晶基板製得的發光二極體(以下簡稱Planar)，在輸入電流為20mA條件下的光-電流-電壓(以下簡稱L-I-V)量測結果。由圖9可知，以本發明具有均勻分布的預設圖案32的磊晶基板3所製得的發光二極體(CPSS)與由平面態樣的磊晶基板製得的發光二極體(Planar)的光取出效率相較，可大幅提升約25%。
需要說明的是，在進行步驟53，形成第一型半導導41時，可以以橫向磊晶方式，籍由製程控制，使該第一型半導體41不完全覆蓋凹槽323，而與該每一個預設圖案32共同界定出至少一個封閉孔33，籍由這些封閉孔33的形成可讓該磊晶基板3具有不同的折射率，增加光線在接觸該磊晶基板3時的反射及折射效果，從而進一步提升該發光二極體的光取出率。還需要說明的是，該發光二極體的製作方法更包含一實施於該步驟53之前的披覆層形成步驟。參閱圖10 12，該步驟是先在該磊晶基板3上形成一由折射率與該磊晶基板3不同的材料構成的披覆層34，例如可於該凹槽323中，或是該本體31的部分而表面形成氧化物、氮化物、矽、或矽化物構成的披覆層34，或是具有高反射性，例如金屬、合金金屬等材料構成的披覆層34，讓該磊晶基板3籍由該披覆層的材料選擇而具有不同的折射率或反射能力，而得以增加光線於接觸該磊晶基板3時的折射及反射效果，以更進一步提升該發光二極體的光取出率。該披覆層的位置設置可經由製程的設計而加以控制，例如，該披覆層34可形成於該本體31無形成預設圖案32的部分表面，或是可形成於該預設圖案32上；參閱圖10 12，圖10 12是以該披覆層34為形成於該預設圖案32做說明，該披覆層34可形成於該預設圖案32之外圍部321圈圍的基材200表面，或是凸塊322的周面與外圍部321鄰近凸塊322的表面，或是同時行成於這些凸塊322的周面，該外圍部321鄰近該些凸塊322的表面與該些由該外圍部321圈圍的基材200表面。籍由該披覆層34的設置，也可減低後續以橫向磊晶形成第一型半導體41與磊晶基板3之間晶格不匹配所形成的差排問題。綜上所述，本發明籍由光罩的圖案設計，先於該基材上形成預定的第一圖案，再搭配一次蝕刻製程，直接於該基材上同時形成多數個預定的凹、凸結構之預設圖案，不僅製程簡單，容易控制，且更可有效提升利用該圖案化後的磊晶基板製得的發光二極體的光取出率；此外，由於預設圖案令該磊晶基板表面形成凹、凸態樣的微結構而可增加該第一型半導體於這些磊晶基板的接觸面積，因此還可提升磊晶品質，降低磊晶過程的缺陷產生，故確實能達成本發明的目的。
權利要求
1.一種磊晶基板的製造方法，其特徵在於，按下述步驟進行 ①、在一基材表面形成一屏蔽層，並配合使用一光罩，將該屏蔽層預定部分移除，令該屏蔽層殘留部分形成複數個彼此間隔設置的第一圖案，該每一個第一圖案具有至少一個由該屏蔽層材料構成的一個第一非蝕刻區、一個第二非蝕刻區以及複數個由移除該屏蔽層材料所形成的蝕刻區，且該第二非蝕刻區為環圍該蝕刻區及第一非蝕刻區； ②、以步驟①形成的第一圖案為屏蔽，自該基材表面向下進行蝕刻，令該基材同時形成複數個預設圖案，完成該磊晶基板的製作，其中，該每一個預設圖案具有一個外圍部、一個由外圍部界定出的凹槽，以及至少一個位於該凹槽的凸塊。
2.如權利要求I所述的磊晶基板的製造方法，其特徵在於，所述步驟①所形成的每一個預設圖案具有複數個第一圖案，所述步驟②所形成的每一個預設圖案具有複數個凸塊。
3.如權利要求2所述的磊晶基板的製造方法，其特徵在於，所述複數個凸塊彼此不相連接。
4.如權利要求I所述的磊晶基板的製造方法，其特徵在於，所述外圍部具有一個自該本體表面向上延伸的高度，且該凹槽的深度與該高度實質相同。
5.如權利要求I所述的磊晶基板的製造方法，其特徵在於，所述步驟②是利用高密度電漿蝕刻、反應式離子蝕刻方式進行。
6.一種發光二極體，其特徵在於，包含以下構成部分 一磊晶基板，具有一本體，以及由該本體表面向上凸起、且彼此間隔設置的預設圖案，該每一預設圖案具有一個外圍部、一個由該外圍部界定出的凹槽、以及至少一個位於該凹槽的凸塊； 一半導體發光元件，設置在該磊晶基板具有預設圖案的表面，在提供電能時以光電效應發光，而當發光時，向該磊晶基板方向行進的光子碰到每一個預設圖案時會被反射而實質向外射出。
7.如權利要求6所述的發光二極體，其特徵在於，所述每一個預設圖案具有複數個凸塊。
8.如權利要求6所述的發光二極體，其特徵在於，所述凹槽是由該外圍部與該本體表面共同界定，且所述凸塊彼此不相連接。
9.如權利要求6所述的發光二極體，其特徵在於，所述半導體發光元件具有一形成於所述預設圖案表面的第一型半導體層，且該第一型半導體與所述預設圖案共同界定出至少一個封閉孔。
10.如權利要求6所述的發光二極體，其特徵在於，所述半導體發光元件具有一形成於所述預設圖案表面的第一型半導體層，且該第一型半導體層與該每一預設圖案共同界定出至少一個封閉孔。
11.如權利要求6所述的發光二極體，其特徵在於，所述磊晶基板選自藍寶石、矽、氧化物、或碳化矽。
12.如權利要求6所述的發光二極體，其特徵在於，所述磊晶基板具有一披覆層。
13.如權利要求12所述的發光二極體，其特徵在於，所述披覆層是氧化物、氮化物、矽或矽化物。
14.如權利要求12所述的發光二極體，其特徵在於，所述披覆層選自金屬、金屬合金。
15.一種發光二極體的製作方法，其特徵在於，按下述步驟進行 ①、在一基材表面形成一屏蔽層，並配合使用一光罩將該屏蔽層預定部分移除，令該屏蔽層殘留部分形成複數個彼此間隔設置的第一圖案，該每一個第一圖案具有至少一個由該屏蔽層材料構成的一個第一非蝕刻區、一個第二非蝕刻區，及複數個經由移除該屏蔽層材料所形成的蝕刻區，且該第二非蝕刻區為環圍該蝕刻區及第一非蝕刻區； ②、以步驟①形成的第一圖案為屏蔽自該基材表面向下進行蝕刻，令該基材同時形成複數個預設圖案，該每一個預設圖案具有一個外圍部、一個由該外圍部界定出的凹槽，及至少一個位於該凹槽的凸塊，之後，移除該第一圖案，形成一磊晶基板； ③、在步驟②形成的磊晶基板表面形成一在接收外施加電能時會以光電效應發光的半導體發光元件，完成該發光二極體的製作。
16.如權利要求15所述的發光二極體的製作方法，其特徵在於，所述步驟①形成的每一預設圖案具有複數個第一圖案，所述步驟②形成的每一個預設圖案具有複數個凸塊。
17.如權利要求16所述的發光二極體的製作方法，其特徵在於，所述凸塊彼此不相連接。
18.如權利要求15所述的發光二極體的製作方法,其特徵在於,所述外圍部具有一個自該基材露出的表面向上延伸的高度，且該凹槽的深度與該高度實質相同。
19.如權利要求15所述的發光二極體的製作方法，其特徵在於，所述半導體發光元件具有一以橫向磊晶方式形成於該磊晶基板表面的一層第一型半導體層，且該第一型半導體層與所述預設圖案共同界定出至少一個封閉孔。
20.如權利要求15所述的發光二極體的製作方法，其特徵在於，所述半導體發光元件具有一以橫向磊晶方式形成於該磊晶基板表面的一層第一型半導體層，且該第一型半導體層於所述每一個預設圖案共同界定出至少一個封閉孔。
21.如權利要求15所述的發光二極體的製作方法，其特徵在於，所述步驟②是利用高密度電漿蝕刻、反應式離子蝕刻方式進行。
22.如權利要求15所述的發光二極體的製作方法，其特徵在於，在所述步驟③之前於該磊晶基板上形成一披覆層。
23.如權利要求22所述的發光二極體的製作方法，其特徵在於，所述披覆層是氧化物、氮化物、矽、或矽化物。
24.如權利要求22所述的發光二極體的製作方法，其特徵在於，所述披覆層是選自金屬、合金金屬。
全文摘要
本發明公開了一種磊晶基板的製作方法，其步驟包含①在一基材表面形成一屏蔽層，並配合使用一光罩對該屏蔽層進行微影製程，令該屏蔽層形成複數個彼此間隔設置的第一圖案；②以步驟①形成的第一圖案為屏蔽蝕刻，令該基材形成複數個預設圖案，每一個預設圖案具有一個外圍部、一個由該外圍部界定出的凹槽，以及至少一個位於該凹槽的凸塊，最後，移除該第一圖案，完成磊晶基板的製作。此外，本發明還提供具有該磊晶基板的發光二極體及其製造方法。
文檔編號H01L33/10GK102820386SQ20111016580
公開日2012年12月12日 申請日期2011年6月11日 優先權日2011年6月11日
發明者魏政宏, 林博文, 彭俊彥, 郭浩中, 徐文慶 申請人:崑山中辰矽晶有限公司