专利名称：具有透光锥的磊晶基板、发光二极管,及其制作方法
技术领域：
本发明涉及一种磊晶基板、一种发光二极管，及该磊晶基板与发光二极管的制作方法，特别是涉及一种具有透光锥的磊晶基板，一种具有该磊晶基板的发光二极管，及该具有透光锥的磊晶基板及发光二极管的制作方法。
背景技术：
参阅图1，发光二极管具有一磊晶基板11、一发光单元12，及一电极单元13。该磊晶基板11具有一形成于该基板11表面的粗化结构111，该发光单元12具有一形成于该粗化结构111上的一第一型半导体层121、一形成于该第一型半导体层121部分表面的发光层122,及一形成于该发光层122表面的第二型半导体层123,该电极单兀13具有一与该第一型半导体层121连接的第一电极131，及一与该第二型半导体层123连接的第二电极132。当外界经由该第一电极131、第二电极132配合提供电能至该发光单元12时，该发光层122 会以光电效应发光，而自该发光层122发出朝向该磊晶基板11方向行进的光，在接触到该粗化结构111后会进行反射或折射，令光线改变行进方向，实质朝向外界发出，而可提升该发光二极管的光取出率。目前该粗化结构111与该基板11均为相同材料，其制作大多是经由蚀刻方式，直接于该磊晶基板11表面蚀刻出具有不规则或是具有预定图案分布的粗化结构111，然而，目前用于发光二极管的磊晶基板11材料大都是由硅、碳化硅、氧化铝等构成，因此，以蚀刻磊晶基板11形成该粗化结构111的方式，不仅需耗费较多的制程时间，且所形成的该粗化结构111的精度也不易控制而容易会有出光亮度不均匀的问题产生，因此，如何提供制程简便且容易控制该粗化结构111精度的图案化磊晶基板11，以提升LED的光取出率，一直是业者努力发展的目标。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有透光锥的磊晶基板。此外，本发明的另一目的在于提供一种制程简便且容易控制的具有透光锥的磊晶基板制作方法。又，本发明的又一目的在于提供一种可提升光取出率及出光均匀性的发光二极管。此外，本发明的再一目的，即在提供一种可提升光取出率及出光均匀性的发光二极管的制作方法。本发明具有透光锥的磊晶基板，包含一基材，及多个透光锥，该基材具有一平坦的表面，所述透光锥概呈锥状，是由与该基材不同且折射率低于该基材的透光材料构成而形成于该表面，且任两相邻的透光锥彼此不连接。本发明具有透光锥的磊晶基板，其中该每一透光锥概呈圆锥状，具有一与该表面连接的底面，及一由该底面至该透光锥顶部的高度，该透光锥的高度与该底面的最大宽度比值介于O. 25 I. O之间。本发明具有透光锥的磊晶基板，其中任两相邻透光锥的间距不大于I μ m。本发明具有透光锥的磊晶基板，其中所述透光锥选自耐热性不小于1000°C的材料构成。本发明具有透光锥的磊晶基板，其中所述透光锥的构成材料选自氧化硅、氮氧化硅，及氟化镁。本发明具有透光锥的磊晶基板，其中该基材的构成材料选自氧化铝、碳化硅、硅，及氮化铝。此外，本发明具有透光锥的磊晶基板制作方法，包含以下三个步骤。(a)自一基材表面依序形成一蚀刻层及一光阻层,其中，该蚀刻层是由与该基材不 同且折射率低于该基材的材料构成，接着，以微影制程令该光阻层形成一屏蔽图案。(b)将该具有屏蔽图案的基材实质加热至不高于该光阻层构成材料的玻璃转换温度，对该屏蔽图案进行热整形。(C)以该经过热整形的屏蔽图案为屏蔽，利用干式蚀刻方式，令该蚀刻层形成多个彼此间隔且概呈锥状的透光锥，然后移除该屏蔽图案，完成该具有透光锥的磊晶基板的制作。本发明具有透光锥的磊晶基板制作方法，其中该步骤(C)是控制令该基材与该屏蔽图案的蚀刻选择比介于I : O. 5 I : 1.5。本发明具有透光锥的磊晶基板制作方法，其中该每一透光锥概呈圆锥状，具有一与该表面连接的底面，及一由该底面至该透光锥顶部的高度，该透光锥的高度与该底面的最大宽度比值介于O. 25 I. O之间，且任两相邻的透光锥的间距不大于I μ m。本发明具有透光锥的磊晶基板制作方法，其中该蚀刻层是选自透光且耐热性不小于1000°C的材料构成。本发明具有透光锥的磊晶基板制作方法，其中该蚀刻层的构成材料选自氧化硅、氮氧化硅，及氟化镁。本发明具有透光锥的磊晶基板制作方法，其中该基材的构成材料包括氧化铝、碳化硅、硅,或氮化铝。此外，本发明的发光二极管，包含一磊晶基板及一发光单元。该磊晶基板具有一基材，及多个透光锥，该基材具有一平坦的表面，所述透光锥概呈锥状，是由与该基材不同且折射率低于该基材的材料构成而形成于该表面，且任两相邻的透光锥彼此不连接。该发光单元设置在该磊晶基板具有所述透光锥的表面，在提供电能时以光电效应发光，而当发光时，朝向该磊晶基板方向行进的光子碰到该每一透光锥时会被反射实质向外发出。本发明的发光二极管，其中该每一透光锥概呈圆锥状，具有一与该表面连接的底面，及一由该底面至该透光锥顶部的高度，该透光锥的高度与该底面的最大宽度比值介于
O.25 I. O之间，且任两相邻的透光锥的间距不大于I μ m。本发明的发光二极管，其中该发光单元具有一形成于所述透光锥及该基材表面的第一型半导体层，且该第一型半导体层与所述透光锥的表面共同界定出至少一个气穴。
本发明的发光二极管，其中该基材的构成材料包括氧化铝、碳化硅、硅，或氮化铝。本发明的发光二极管，其中所述透光锥的构成材料选自氧化硅、氮氧化硅，及氟化镁。又，本发明发光二极管的制作方法，包含以下四个步骤。(a)自一基材的表面依序形成一蚀刻层及一光阻层,其中，该蚀刻层是由与该基材不同且折射率低于该基材的材料构成，接着，以微影制程令该光阻层形成一屏蔽图案。(b)将该具有屏蔽图案的基材实质加热至不高于该光阻层构成材料的玻璃转换温度，对该屏蔽图案进行热整形。(C)以该经过热整形的屏蔽图案为屏蔽，利用干式蚀刻方式，令该蚀刻层形成多个 彼此间隔且概呈锥状的透光锥，然后移除该屏蔽图案，形成一具有透光锥的磊晶基板。 (d)于该磊晶基板具有所述透光锥的表面形成一在接收外施加电能时会以光电效应发光的发光单元，完成该发光二极管的制作。本发明发光二极管的制作方法，其中该步骤(C)是控制令该基材与该屏蔽图案的蚀刻选择比介于I : O. 5 I : 1.5。本发明发光二极管的制作方法，其中该每一透光锥概呈圆锥状，具有一与该表面连接的底面，及一由该底面至该透光锥顶部的高度，该透光锥的高度与该底面的最大宽度比值介于O. 25 I. O之间，且任两相邻的透光锥的间距不大于I μ m。本发明发光二极管的制作方法，其中该发光单元具有一形成于所述透光锥及该基材表面的第一型半导体层，该步骤(d)是以横向磊晶方式形成该第一型半导体层，且该第一型半导体层与所述透光锥的表面共同界定出至少一个气穴。本发明发光二极管的制作方法，其中该基材的构成材料包括氧化铝、碳化硅、硅，或氮化招。本发明发光二极管的制作方法，其中该蚀刻层的构成材料选自氧化硅、氮氧化硅及氟化镁。本发明的有益效果在于利用蚀刻层所制得的透光锥，由于不需直接对该基材进行蚀刻，因此，制程简便容易控制，且借由所述透光锥的形状及其与该基材的折射率差，还可让发光单元发出的光线于接触到所述透光锥及该基材时，进行二次折射及反射而提升光取出率。
图I是一种以往发光二极管的结构示意图；图2是本发明发光二极管的较佳实施例结构示意图；图3是图2的局部放大图；图4是一个发光亮度模拟图谱，说明该较佳实施例的发光二极管的发光亮度模拟结果;图5是一个示意图，说明由所述透光锥与第一型半导体层共同界定的气穴；图6是一个方块图，说明该较佳实施例的制作方法；图7是一个流程示意图，辅助说明图6。
具体实施例方式下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。本发明一种发光二极管的较佳实施例包含一磊晶基板2，及一发光单元3。该嘉晶基板2,具有一基材21,及多个由该基材21表面向上凸起呈维状，且彼此间隔设置的透光锥22。该基材21选自硅、氧化铝、碳化硅、氮化硅等材料构成，具有一平坦的表面211，所述透光锥22形成于该表面211，是由折射率低于该基材21的材料构成，且任两相邻的透光锥22彼此不连接。适用于本较佳实施例所述透光锥22的构成材料选自氧化硅(SiOx),氮氧化硅(SiONx),及氟化镁(MgF2)。配合参阅图3，要说明的是，该每一透光锥22概成圆锥状，具有一与该表面211连接的底面221，该底面221具有一宽度W，及一由该底面221至该透光锥22顶部的高度H，借由控制所述透光锥22呈圆锥状的设计可更容易地改变光线于接触所述透光锥22后的行进 路径，而提升光取出率；当所述透光锥22的高度/宽度比值过小时，会因所述透光锥22的高度不足而使光线接触所述透光锥22的入射角过大而降低光取出率，较佳地，该每一透光锥22的高度H与该宽度W比值(H/W)不小于O. 25。该发光单元3具有一与该基材21及所述透光锥22表面连接的第一型半导体层31、一形成在该第一型半导体层31部分表面的发光层32、一形成于该发光层32表面且电性与该第一型半导体层31相反的第二型半导体层33、一形成于该第一型半导体层31的第一电极34，及一形成于该第二型半导体层33的第二电极35，当外界经由该第一电极34、第二电极35配合提供电能至该发光层32,该发光层32会以光电效应发光,而自该发光层32发出朝向该磊晶基板2方向行进的光，在接触到所述透光锥22及该基材21之后会进行反射或折射，令光线改变行进方向，实质朝向外界发出，而可提升发光二极管的光取出率。由于该发光单元3的相关材料选择为本技术领域者所周知，且非为本发明的重点，因此不再多加赘述。配合参阅图4，将所述透光锥22的宽度W固定为4 μ m，在输入电流为20mA条件下，于不同透光锥22高度H的光取出率模拟结果。图不中__ι—表不本发明该较佳实施例的发光二极管,其中，该基材21为一般蓝宝石材料，所述透光锥22是由氧化硅构成；_ ■_表示以往具有粗化结构的蓝宝石磊晶基板所制得的发光二极管。由图4可知，由本发明具有均匀分布的透光锥22的磊晶基板2所制得的发光二极管，与以往经由蚀刻基板得到具粗化结构的磊晶基板制得的发光二极管的光取出效率相较，本发明发光二极管的光取出效率可提升约20%，显示本发明借由于该基材21上形成多个彼此间隔分离，且具有折射率低于该基材21的透光锥22的结构设计，让自该发光层32发出，朝向该磊晶基板2行进的光，在接触所述透光锥22及该基材21后可经由二次折射及反射后实质向外发出，而可有效提升该发光二极管的光取出率。而再由图4中所述透光锥22在不同高度H与宽度W(于图4中W = 4μπι)的比值(H/W)结果可知，本发明该较佳实施例的发光二极管借由该每一透光锥22的高度/宽度比值(H/W)控制在不小于O. 25时，可调整光线于接触该每一透光锥22的入射角，而提升该发光二极管的光取出率，较佳地，该每一透光锥22的高度H与该宽度W比值(H/W)介于
O.25 I. O之间，更佳地，该每一透光锥22的高度H与该宽度W比值(H/W)介于O. 6 I. O之间；此外，再由图4结果也可得知，以氧化硅为透光锥22的材料时，该发光二极管的光取出率会高于蓝宝石粗化结构。此外，借由所述透光锥22彼此的间距调控，可令该磊晶基板2于单位面积具有较大的透光锥22密度，而达到更佳的反射及折射效果，较佳地，任两相邻透光锥22的间距不大于I μ m。参阅图5，值得一提的是，该发光二极管可更包含至少一个由该第一型半导体层31与所述透光锥22表面共同界定的气穴23，该气穴23可提供该第一型半导体层31与气穴23之间更大的折射率差，而让朝自该基板21方向行进的光更容 易经由该气穴23与第一型半导体层31的界面向外发出。参阅图3、图6，本发明发光二极管的该较佳实施例，借由以下发光二极管的制作方法的说明，当可更清楚明白。本发明该发光二极管的制作方法包含以下四个步骤。首先进行步骤41，于该基材21表面211形成一屏蔽图案301。配合参阅图7，该步骤41是自该基材21表面211依序形成一层蚀刻层200，及一层光阻层300，接着配合使用一具有预设图案的光罩100，以微影制程将该光阻层300预定部份移除至使该蚀刻层200裸露出，令残余的光阻层300形成一屏蔽图案301。该光阻层300可依制程需求选自正型或负型光阻材料，该蚀刻层200选自折射率低于该基材21的透光材料构成，例如，氧化硅(SiOx)、氮氧化硅(SiONx),或氟化镁(MgF2)；较佳地，为配合后续制作该发光单元3的高温制程及制成所述透光锥22对光线的折射效果，该蚀刻层200是选自耐热性不小于KKKTC，且折射率与该基材21及该第一型半导体层31差异性较大的材料，例如，氧化硅(SiOx)、氟化镁(MgF2)。具体的说，该步骤41是以化学气相沉积方式于该基材21的表面211形成该蚀刻层200，然后，于该蚀刻层200上形成该由正型光阻材料构成的光阻层300，接着，再以该具有预定图案的光罩100对该光阻层300进行微影制程，将该光阻层300的预定部份移除至使该蚀刻层200露出，令残留的光阻层300形成一屏蔽图案301，由于该化学气相沉积制程及微影制程为半导体制程领域技术人员所熟知，因此，不再多加赘述。接着进行步骤42，将该具有屏蔽图案301的基材21进行热整形。该步骤42是将前述该具有屏蔽图案301的基材21加热到该正型光阻的玻璃转换温度(以下简称Tg)以下约5 10度左右的温度条件下，持温约60分钟，对该屏蔽图案301进行热处理，利用高分子材料于Tg时的分子链运动，将该屏蔽图案301整形成具有最低表面能的弧形结构。接着进行步骤43，以该经热整形后的屏蔽图案301为屏蔽进行干式蚀刻，制得该嘉晶基板2。该步骤43是以经过热整形后的屏蔽图案301为屏蔽，利用干式蚀刻的非等向蚀刻特性对该蚀刻层200进行蚀刻，令该蚀刻层200形成多个概呈圆锥状的透光锥22，然后，将该屏蔽图案301移除，制得该嘉晶基板2。具体的说，该步骤43是在射频功率约200 400W之间，蚀刻气体可以使用含氟元素的气体，例如CF4、SF6、CHF3等，进行干式蚀刻，即可得到所述透光锥22，较佳地，该基材21与该屏蔽图案301的蚀刻选择比介于I : O. 5 I : 1.5。
最后，进行步骤44,于该嘉晶基板2表面211形成一发光单兀3。该步骤44是以有机金属化学气相沉积方式先于该基材21及所述透光锥22表面形成该第一型半导体层31，再由该第一型半导体层31的部份表面形成该发光层32，接着，再于该发光层32表面形成该第二型半导体层33，然后自该第二型半导体层33的预定表面向下蚀刻移除该第二型半导体层33、该发光层32至使该第一型半导体层31露出，最后再分别于该第一型半导体层31、第二型半导体层33表面沉积形成该第一电极34、第二电极35，即可得到如图2所示的发光二极管；由于该步骤44的相关材料选择及制程为本技术领域人员所熟知，且非为本发明之重点，因此不再多加赘述。值得一提的是，于进行该步骤44，形成该第一型半导体层31时，可借由横向磊晶方式磊晶成长参数如气体组成、压力及温度的控制，让该第一型半导体层31与所述透光锥22表面不完全接触，而形成至少一气穴23，借由该气穴23的形成可让自该发光层32发出并朝向该基板21方向行进的光更容易经由该气穴23与第一型半导体层31更大的折射率变化而向外发出，而更进一步提升该发光二极管的出光效率。本发明通过于该基材21的表面211形成多数个概呈圆锥状，且具有折射率低于 该基材21的透光锥22，利用所述透光锥22与该基材21之间的折射率差，让自该发光单元3发出的光线于接触到所述透光锥22及该基材21时，经由二次折射及反射的效果，而可有效提升发光二极管的光取出率，此外，由于所述透光锥22是利用蚀刻该基材21上的蚀刻层200所制得，不像习知需直接蚀刻基材21而形成粗化结构，因此，不仅制程简便，且更容易控制所形成的透光锥22的尺寸精度及均匀性，而可提升发光二极管的出光均匀性。
权利要求
1.一种具有透光锥的磊晶基板，包含一个基材，及多个透光锥；其特征在于该基材具有一个平坦的表面，所述透光锥呈锥状，是由与该基材不同且折射率低于该基材的透光材料构成，形成于该表面，且任两个相邻的透光锥彼此不连接。
2.根据权利要求I所述的具有透光锥的磊晶基板，其特征在于该每一个透光锥呈圆锥状，具有一个与该表面连接的底面，及一个由该底面至该透光锥顶部的高度，该透光锥的高度与该底面的最大宽度比值介于O. 25 I. O之间。
3.根据权利要求I所述的具有透光锥的磊晶基板，其特征在于任两个相邻透光锥的间距不大于I μ m。
4.根据权利要求I所述的具有透光锥的磊晶基板，其特征在于所述透光锥选自耐热性不小于1000°C的材料构成。
5.根据权利要求4所述的具有透光锥的磊晶基板，其特征在于所述透光锥的构成材料选自氧化硅、氮氧化硅，及氟化镁。
6.根据权利要求I所述的具有透光锥的磊晶基板，其特征在于该基材的构成材料选自氧化铝、碳化硅、硅，及氮化铝。
7.一种具有透光锥的磊晶基板制作方法，其特征在于该制作方法包含 (a)自一个基材的表面依序形成一个蚀刻层及一个光阻层，该蚀刻层是由与该基材不同且折射率低于该基材的材料构成，接着，以微影制程令该光阻层形成一个屏蔽图案； (b)将该具有屏蔽图案的基材加热至不高于该光阻层构成材料的玻璃转换温度，对该屏蔽图案进行热整形；以及 (C)以该经过热整形的屏蔽图案为屏蔽，利用干式蚀刻方式，令该蚀刻层形成多个彼此间隔且呈锥状的透光锥，然后移除该屏蔽图案，完成该具有透光锥的磊晶基板的制作。
8.根据权利要求7所述的具有透光锥的磊晶基板制作方法，其特征在于该步骤(C)是控制令该基材与该屏蔽图案的蚀刻选择比介于I : O. 5 I : 1.5。
9.根据权利要求7所述的具有透光锥的磊晶基板制作方法，其特征在于该每一个透 光锥呈圆锥状，具有一个与该表面连接的底面，及一个由该底面至该透光锥顶部的高度，该透光锥的高度与该底面的最大宽度比值介于O. 25 I. O之间，且任两相邻的透光锥的间距不大于I μ m。
10.根据权利要求7所述的具有透光锥的磊晶基板制作方法，其特征在于该蚀刻层是由透光且耐热性不小于1000°c的材料构成。
11.根据权利要求10所述的具有透光锥的磊晶基板制作方法，其特征在于该蚀刻层的 构成材料选自氧化硅、氮氧化硅，及氟化镁。
12.根据权利要求7所述的具有透光锥的磊晶基板制作方法，其特征在于该基材的构成材料包括氧化铝、碳化硅、硅，或氮化铝。
13.一种发光二极管，包含一个磊晶基板，及一个发光单元，该磊晶基板具有一个基材，及多个透光锥，其特征在于 该磊晶基板具有一个基材，及多个透光锥，该基材具有一个平坦的表面，所述透光锥呈锥状，是由与该基材不同且折射率低于该基材的材料构成而形成于该表面，且任两相邻的透光锥彼此不连接；该发光单元是设置在该磊晶基板具有所述透光锥的表面，在提供电能时以光电效应发光，而当发光时，朝向该磊晶基板方向行进的光子碰到该每一个透光锥时会被反射而向外发出。
14.根据权利要求13所述的发光二极管，其特征在于该每一个透光锥呈圆锥状，具有一个与该表面连接的底面，及一个由该底面至该透光锥顶部的高度，该透光锥的高度与该底面的最大宽度比值介于O. 25 I. O之间，且任两相邻的透光锥的间距不大于I μ m。
15.根据权利要求13所述的发光二极管，其特征在于该发光单元具有一个形成于所述透光锥及该基材表面的第一型半导体层，且该第一型半导体层与所述透光锥的表面共同界定出至少一个气穴。
16.根据权利要求13所述的发光二极管，其特征在于该基材的构成材料包括氧化铝、碳化硅、硅，或氮化铝。
17.根据权利要求13所述的发光二极管，其特征在于所述透光锥的构成材料选自氧化硅、氮氧化硅，及氟化镁。
18.一种发光二极管的制作方法，包含 (a)自一个基材的表面依序形成一个蚀刻层及一个光阻层，该蚀刻层是由与该基材不同且折射率低于该基材的材料构成，接着，以微影制程令该光阻层形成一屏蔽图案； (b)将该具有屏蔽图案的基材加热至不高于该光阻层构成材料的玻璃转换温度，对该屏蔽图案进行热整形； (C)以该经过热整形的屏蔽图案为屏蔽，利用干式蚀刻方式，令该蚀刻层形成多个彼此间隔且呈锥状的透光锥，然后移除该屏蔽图案，形成一个磊晶基板；及 (d)于该磊晶基板具有所述透光锥的表面形成一在接收外施加电能时会以光电效应发光的发光单元，完成该发光二极管的制作。
19.根据权利要求18所述的发光二极管的制作方法，其特征在于该步骤(c)是控制令该基材与该屏蔽图案的蚀刻选择比介于I : O. 5 I : 1.5。
20.根据权利要求18所述的发光二极管的制作方法，其特征在于该每一个透光锥呈圆锥状，具有一个与该表面连接的底面，及一个由该底面至该透光锥顶部的高度，该透光锥的高度与该底面的最大宽度比值介于O. 25 I. O之间，且任两个相邻的透光锥的间距不大于 I μ m。
21.根据权利要求18所述的发光二极管的制作方法，其特征在于该发光单元具有一形成于所述透光锥及该基材表面的第一型半导体层，该步骤(d)是以横向磊晶方式形成该第一型半导体层，且该第一型半导体层与所述透光锥的表面共同界定出至少一个气穴。
22.根据权利要求18所述的发光二极管的制作方法，其特征在于该基材的构成材料包括氧化铝、碳化硅、硅，或氮化铝。
23.根据权利要求18所述的发光二极管的制作方法，其特征在于该蚀刻层的构成材料选自氧化硅、氮氧化硅及氟化镁。
全文摘要
一种发光二极管，包含一磊晶基板，及一发光单元，该磊晶基板具有一基材，及多个透光锥，该基材具有一平坦的表面，所述透光锥概呈锥状，是由与该基材不同且折射率低于该基材的材料构成，而形成于该表面，且任两相邻的透光锥彼此不连接，该发光单元设置在该表面，在提供电能时以光电效应发光，故本发明该发光二极管确实具有可提升光取出率及出光均匀性的功效。此外，本发明还同时提供具有透光锥的磊晶基板，及该具有透光锥的磊晶基板及发光二极管的制作方法。
文档编号H01L33/00GK102810611SQ20111034958
公开日2012年12月5日 申请日期2011年11月8日 优先权日2011年5月31日
发明者罗信明, 许世昌 申请人:兆鑫光电科技股份有限公司