高光取出率的固态发光元件制造技术

本发明专利技术公开了一种高光取出率的固态发光元件，包括：一图案化蓝宝石单晶基材、一叠置于该图案化蓝宝石单晶基材并为六方晶系的缓冲层，及一叠置于该缓冲层的固态发光件。该图案化蓝宝石单晶基材具有多数个凹槽定义面以定义出多数个凹槽。每一凹槽定义面具有三依序连接的倾斜侧面部及四依序连接的倾斜侧面部其中一者。该缓冲层具有一连接该图案化蓝宝石单晶基材的第一层区及多数个分别填置于所述凹槽内的第二层区。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种固态发光元件(solid-state light emitting device)，特别是指一种高光取出率(extraction efficiency)的固态发光元件。
技术介绍
在磊晶(epitaxy)过程中，往往因形成于发光层(active layer)内部的大量贯穿式差排(threading dislocation，以下简称TDs)而导致固态发光元件无法取得优异的内部量子效率(internal quantum efficiency)。因此，熟知固态发光元件领域者皆知，降低发光层内的差排量将可有效地提升固态发光元件的内部量子效率。除此以外，为使得固态发光元件的内部量子效率可有效地回馈于外部量子效率(external quantum efficiency)上，固态发光元件相关领域者一般是使用图案化基材(pattemed substrate)或是借由对固态发光元件的出光面予以粗化(roughen)，进而增加发光源的全反射(total reflection)效应并有效地将内部量子效率回馈于外部量子效率上。参阅图1，专利技术人于中国台湾专利证书编号第I236773号专利技术专利中提及一种高效率发光元件，并于说明书中揭露出一图案化蓝宝石(sapphire；化学式为Al2O3)基板11，包括一蓝宝石板本体111及多数个凹设于该蓝宝石板本体111的凹槽112。所述凹槽112分别是经由对设置于该蓝宝石板本体111的一上表面且具有圆洞图案的遮罩(mask)施予干式蚀刻(dry etching)所形成。该图案化蓝宝石基板11进一步地，是被用来在其上面磊制一半导体磊晶膜12并于后续完成元件制程以制得该高效率发光元件。利用此种图案化蓝宝石基板11以作为磊制固态发光元件用的基板，可借由所述凹槽112并配合施予横向磊晶技术(lateral epitaxial growth)，以降低位于所述凹槽112差阶处的半导体磊晶膜12与该蓝宝石板本体111的接触面积，进而减少TDs密度，并同时达到增加内部量子效率及外部量子效率的功效。前揭借由凹槽112及横向磊晶技术等相关晶体学(crystallography)原理，可参见专利技术人于前揭专利说明书的揭示内容。虽然前揭专利的专利技术概念可同时增加内外部量子效率，但是碍于干式蚀刻法的反应机制，致使其蚀刻深度不但是受到深宽比(aspect ratio)的限制，此外，用于干式蚀刻法的反应式电浆(plasma)气体对于该蓝宝石板本体11 1所能产生的反应深度也有限，因此，此处的凹槽112对于最终所贡献出来的外部量子效率仍有提升的空间。另，参阅附件一及图4，Jing Wang、L.W.Gua及H.Q.Jia等人于J.Vac.Sci.Technol.B 23(6)，Nov/Dec 2005，2476-2749揭露一种无倾斜侧翼的氮化镓膜(wing-tilt-freegallium nitride)13。以下配合参阅图2至图4说明前揭文献的技术概念。前揭文献是以硫酸(H2SO4)作为的蚀刻剂(etchant)，对一设置于一蓝宝石板本体141上的长条状遮罩(图未示)施予湿式蚀刻(wet etching)，以在该蓝宝石板本体141上形成多数个以距离为3.5μm相间隔设置，且宽度及深度分别为3.0μm及1.25μm的条状V型沟槽142，进而完成一图案化蓝宝石基板14；进一步地，利用横向磊晶法于该图案化蓝宝石基板14沉积一氮化镓膜以形成该无倾斜侧翼的氮化镓膜13。前揭文献的蓝宝石板本体141是呈六方晶系(hexagonal system)的单晶结构，而由图2中以米勒指针(Miller indices)所示的蓝宝石晶体结构的晶面(crystal facets)及方向(direction)可知，设置于该蓝宝石板本体141上的长条状遮罩主要是沿 的方向设置，进而限制蚀刻剂只针对蓝宝石晶体的 面及 面沿着c轴向下蚀刻，因此，所述条状V型沟槽142主要是由蓝宝石晶体的 面及 面所贡献而得。前揭文献主要探讨的问题是在于，借由形成于该蓝宝石板本体141的条状V型沟槽142以提升该无倾斜侧翼的氮化镓膜13的结晶品质，进而使其后续所完成的固态发光元件的内部量子效率得以优化。此外，前揭文献与前揭专利相比较下，虽然该文献所使用的湿式蚀刻法可增加对该蓝宝石板本体141的蚀刻深度，以提供构成外部量子效率更优异的全反射环境。然而，此文献中所提及的每一条状V型沟槽142在外部量子效率的贡献上，只提供出两个平面(也就是，蓝宝石晶体的 面及 面)以优化光子(photon)在行进过程中的全反射环境，因此，对于固态发光元件在外部量子效率上的贡献度仍有限。再者，每一条状V型沟槽142的深度(1.25μm)已大于可见光的波长(以绿光为例，波长约为460nm～490nm)，因此，当光子行经此等条状V型沟槽142时，将形成不必要的散射(scattering)以致使光源产生衰减，也将影响固态发光元件的外部量子效率。由上述可知，在提升固态发光元件的成膜品质以增加内部量子效率的考量下，同时也能有效地使内部量子效率回馈于外部量子效率上，是当前研究开固态发光元件相关领域者所待解决的问题。
技术实现思路
<专利技术概要> 有鉴于先前技术所提到的缺失，本专利技术利用湿式蚀刻法破坏晶体内部分子或原子间的键结，并针对呈六方晶系的蓝宝石晶体结构在原子间排列上的特性，以提供固态发光元件于运作过程中所产生的光子在行进过程中，具备有更优异的全反射环境。一般在定义六方晶系的单位晶胞(unit cell)大致上有四种两种为三方晶体单胞(rhombohedral unit cell)，另两种为六方晶体单胞(hexagonal unit cell)；其中，较常被应用于定义单位晶胞的六方晶体单胞，则可被分为形貌单胞(morphological unit cell)及结构单胞(structural unit cell)两种。结构单胞与形貌单胞在晶格常数(lattice constant)上的差异为(1)结构单胞的晶格常数比(cs＝12.957；as＝4.748；as/cs＝2.730)为形貌单胞的两倍(am/cm＝1.365)；(2)于原子排列的对称性(symmetry)上，结构单胞是相对形貌单胞的c轴旋转180°。在本专利技术中，相关于蓝宝石六方晶系的晶面与晶向定义，皆采用结构单胞定义的。本专利技术是利用蚀刻剂对一设置于一蓝宝石基材上并具有一圆洞数组图案的遮罩予以湿式蚀刻，进而在该蓝宝石基材上形成多数个凹槽定义面以分别定义出多数个凹槽。每一凹槽定义面具有三依序连接的倾斜侧面部及四依序连接的倾斜侧面部其中一者。参阅图5，为蓝宝石的结构单胞的原子键结模型(ball-stick model)，其中，空心圆形代表氧离子(O2-ion)，实心圆形代表铝离子(Al3+ion)。基于化学腐蚀作用的原理可知，蚀刻剂会先破坏晶体内部分子或原子间键结能(bonding energy)较弱的键结。由图5的蓝宝石的结构单胞所示可知，位在(0001)面上相邻的氧离子作用力较弱也最容易被蚀刻剂所腐蚀。因此，当蚀刻剂沿着蓝宝石晶体的(0001)面施予湿式蚀刻时，将形成一由 面族群中的三个对本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高光取出率的固态发光元件，其特征在于其包括：一具有多数个凹槽定义面以定义出多数个凹槽的图案化蓝宝石单晶基材，每一凹槽定义面具有三依序连接的倾斜侧面部及四依序连接的倾斜侧面部其中一者；一叠置于该图案化蓝宝石单晶基材并为六方 晶系的缓冲层，具有一连接该图案化蓝宝石单晶基材的第一层区及多数个分别填置于所述凹槽内的第二层区；及一叠置于该缓冲层的固态发光件。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：武东星，洪瑞华，王伟凯，文国昇，
申请(专利权)人：武东星，
类型：发明
国别省市：71[中国|台湾]