(57)【要約】      （修正有）【課題】発光ダイオードの光取り出し効率を向上させるためのパターン化基板を提供する。【解決手段】発光ダイオードに用いるパターン化基板は複数の円錐２１を有する表面を含み、各円錐が三つの平滑な円錐面２１ａと三つの粗面２１ｂを含み、平滑な円錐面と粗面は交替に配置されている。円錐は複数列配列し、偶数列の円錐が奇数列の円錐と互いにずれている。二つの隣合う円錐の間にある基板表面は平坦で、発光ダイオードのエピタキシャルに適用される初期表面を提供する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の円錐を有する表面と、
を備え、前記各円錐は三つの平滑な円錐面及び三つの粗面を含み、前記平滑な円錐面と前記粗面は交替に配置されている、発光ダイオードに用いるパターン化基板。
【請求項２】
前記各粗面が下半部と上半部を有し、前記各上半部は第一底角を有し、前記各下半部は第二底角を有し、前記各第一底角の角度は５１度〜７０度であり、前記各第二底角の角度は３０度〜５０度である、請求項１記載の発光ダイオードに用いるパターン化基板。
【請求項３】
前記各粗面の中心線の平均粗さ（Ｒａ）は１０ｎｍ〜３００ｎｍである、請求項１又は２に記載の発光ダイオードに用いるパターン化基板。
【請求項４】
前記円錐の底部幅は０．２μｍ〜５μｍであり、前記円錐の高さは０．１μｍ〜２μｍであり、前記円錐の底部幅と高さの比は０．０２〜１０である、請求項１又は２記載の発光ダイオードに用いるパターン化基板。
【請求項５】
前記円錐を上方から見たとき、前記円錐における隣合う三つの円錐の頂点は一領域を画定し、前記各円錐の前記粗面のうち一つが前記領域内にある、請求項１又は２記載の発光ダイオードに用いるパターン化基板。
【請求項６】
複数の円錐を有する表面と、
を備え、前記各円錐が三つの平滑な円錐面と三つの凹面を含み、前記平滑な円錐面と前記凹面は交替に配置され、前記各凹面は下半部と上半部を含み、前記各上半部は第一底角を有し、前記各下半部は第二底角を有し、前記各第一底角の角度は５１度〜７０度であり、前記各第二底角の角度は３０度〜５０度である、発光ダイオードに用いるパターン化基板。
【請求項７】
前記円錐の底部幅は０．２μｍ〜５μｍであり、前記円錐の高さは０．１μｍ〜２μｍであり、前記円錐の底部幅と高さの比は０．０２〜１０である、請求項６記載の発光ダイオードに用いるパターン化基板。
【請求項８】
前記円錐を上方から見たとき、前記円錐における隣合う三つの円錐の頂点は一領域を画定し、前記各円錐の前記凹面のうち一つが前記領域内にある、請求項６記載の発光ダイオードに用いるパターン化基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は発光ダイオードに用いるパターン化基板に関わる。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオードはすでに日常生活の各種製品、例えば照明、信号機、表示装置及びコンピューターなどにおいて広く使用され、且つ応用されている。発光ダイオードは電子と正孔との結合により電気エネルギーを光に変換する。発光ダイオードは冷光であるから、省電力、反応速度が速く、アイドリング時間が無く、使用寿命が長いなどの利点がある。このほか、発光ダイオードは体積が小さく、耐衝撃且つ半導体プロセスによる大量生産が可能であるので、需要に応じて小型やアレイ型素子にすることが容易である。
【０００３】
近年は、エネルギー問題が日増しに重大になるなか、省電力・ＣＯ２削減はグローバルな傾向となっており、如何に発光ダイオードの光取り出し効率を向上させるかは、目下各業界が力を入れて研究する目標となっている。理想的な発光ダイオードにおいて、電子と正孔が結合して発する光が全て外界に放射され、光取り出し効率が１００％になることである。然し実際には、発光ダイオード内部の構造や材質により、光伝搬の際にいろいろな消耗が生じるため、光取り出し効率がかなり低減される。
【０００４】
発光ダイオードの光取り出し効率を向上させるために、例えば、台湾特許出願案第１０４１２６１９３号（以下、先行技術１という）には、一以上の凸部を有する突起構造からなる基板を光取り出し面としてより多くの散乱表面を提供し、発光ダイオードが生じる光の外界への放射を向上する技術が提案されている。然しながら、先行技術１の突起構造は下方部の第１領域においてのみ凸部を有しているので、その光取り出し効率は、やはり改善の余地がある。
【０００５】
このほか、米国特許出願ＵＳ２０１４３６７６９３Ａ１号（以下、先行技術２という）には、複数の突出部を有した基板であって、突出部が複数の突起を含むものが提案されている。しかしながら、先行技術２にかかる基板は突起が敷き詰められるため、エピタキシャルの品質が影響され、その光取り出し効率にはやはり改善の余地がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】台湾特許出願案第１０４１２６１９３号
【特許文献２】米国特許出願ＵＳ２０１４３６７６９３Ａ１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
先行技術の発光ダイオードの光取り出し効率を更に向上させる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一実施形態において、発光ダイオードに用いるパターン化基板であって、複数の円錐を有する表面を含み、各円錐が三つの平滑な円錐面と三つの粗面を含み、平滑な円錐面と粗面は交替に配置されている。別の実施例においては、各粗面は下半部と上半部を有し、各上半部は第一底角を有し、各下半部は第二底角を有し、各第一底角の角度は約５１度〜７０度であり、各第二底角の角度は約３０度〜５０度である。ある実施例においては、各粗面の中心線の平均粗さ（Ｒａ）は約１０ｎｍ〜３００ｎｍである。ある実施例においては、円錐の底部幅は約０．２μｍ〜５μｍである。円錐の高さは約０．１μｍ〜２μｍである。円錐の底部幅と高さの比は約０．０２〜１０である。ある実施例において、円錐を上方から見たとき、円錐における隣合う三つの円錐の頂点は一領域を画定し、各円錐の粗面のうち一つが該領域内に配置されてもよい。
【０００９】
本発明の別の実施形態において、発光ダイオードに用いるパターン化基板であって、複数の円錐を有する表面を含み、各円錐が三つの平滑な円錐面と三つの凹面を含み、平滑な円錐面と凹面は交替に配置されている。各凹面は下半部と上半部を含み、各上半部は第一底角を有し、各下半部は第二底角を有し、各第一底角の角度は約５１度〜７０度であり、各第二底角の角度は約３０度〜５０度である。一実施例においては、円錐の底部幅は約０．２μｍ〜５μｍである。円錐の高さは約０．１μｍ〜２μｍである。円錐の底部幅と高さの比は約０．０２〜１０である。一実施例において、円錐を上方から見たとき、円錐における隣合う三つの円錐の頂点は一領域を画定し、各円錐の凹面のうち一つが該領域内に配置されてもよい。
【００１０】
以下、本発明の詳細な記述において、図面を参照しながら本発明の利点と特徴を詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】発光ダイオードに用いるパターン化基板を模式的に示す断面図である。
【図２】（ａ）本発明の一実施例による発光ダイオードに用いるパターン化基板の円錐を模式的に示す平面図である。（ｂ）図２（ａ）の円錐の粗面の拡大断面図である。
【図３】（ａ）本発明の別の実施例による、発光ダイオードに用いるパターン化基板の円錐を模式的に示す平面図である。（ｂ）本発明の別の実施例による、発光ダイオードに用いるパターン化基板の円錐を模式的に示す別の平面図である。
【図４】（ａ）本発明の別の実施例による発光ダイオードに用いるパターン化基板の円錐を模式的に示す平面図である。（ｂ）図４（ａ）の円錐のＡＡ’ラインに沿った断面を模式的に示す図である。
【図５】（ａ）本発明の一実施例による図１の発光ダイオードに用いるパターン化基板の一部を模式的に示す平面図である。（ｂ）本発明の一実施例による図１の発光ダイオードに用いるパターン化基板の一部の別の平面図である。
【図６】図２（ａ）に示す円錐の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）平面視画像である。
【図７】発光ダイオードに用いるパターン化基板の一部のＳＥＭ平面視画像である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
続いて、図面に示すいくつかの好ましい実施例を参照しながら、本発明を詳細に説明する。本発明を理解するために、以下の記述において多くの具体的な細部について述べるが、当業者とって、本発明はこれら細部の一部又は全部を省略しても実施できることは明らかである。このほか、不必要な本発明の混同を避けるため、公知のプロセス及び又は構造については、ここで詳しく述べない。
【００１３】
図１は発光ダイオードに用いるパターン化基板を模式的に示す断面図である。本発明において、発光ダイオードに用いるパターン化基板はサファイア基板又はシリコン基板であるが、これに限られない。図１に示すように、パターン化基板１１は表面１３を含み、表面１３上方に複数の円錐１５が設けられる。本発明の一実施例において、二つの隣合う円錐１５の間にある基板表面１３は平坦で、後続の発光ダイオードのエピタキシャルに適用される初期表面を提供する。
【００１４】
本発明において、各円錐の底部幅は約０．２μｍ〜５μｍである。その高さは約０．１μｍ〜２μｍである。各円錐の底部幅と高さの比は約０．０２〜１０であるが、これに限られない。然しながら、高さが大きすぎると後続のエピタキシャル過程が困難になる恐れがある。上記の底部幅とは、円錐の直径であり、高さとは円錐の底部から頂部までの距離である。
【００１５】
以下、図１の円錐の各種の実施態様を詳細に説明する。
【００１６】
図２（ａ）は本発明の一実施例による、発光ダイオードに用いるパターン化基板の円錐２１を模式的に示す平面図である。図２（ａ）のように、円錐２１は三つの平滑な円錐面２１ａと三つの粗面２１ｂを含み、平滑な円錐面２１ａと粗面２１ｂは交替に配置されている。
【００１７】
具体的には、円錐２１は円錐の表面に対して化学エッチング処理を行ってなり、前記エッチング処理において、三つの面のみをエッチングして粗い表面を形成し（即ち、粗面２１ｂ）、ほかの三つのエッチングされなかった面は平滑な表面を保つ（即ち、平滑な円錐面２１ａ）。
【００１８】
図２（ｂ）は図２（ａ）の円錐２１の粗面の拡大断面図である。図２（ｂ）に示すように、粗面は中心線の平均粗さＲａを有する。以下の方程式ｆを参照し、本明細書中のＲａは、サンプリング長さ１内の垂直偏差（ｖｅｒｔｉｃａｌ  ｄｅｖｉａｔｉｏｎ）ｙ（ｘ）の絶対値の算術平均値を指す。
【００１９】
【数１】
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【００２０】
本発明においては、粗面のＲａは、１０ｎｍ〜３００ｎｍであるが、これに限られない。
【００２１】
通常粗面はより多くの光乱射表面を提供でき、発光ダイオードが生じる光を外界に放出する助けになり、発光ダイオードの光取り出し効率を向上させる。さらに、平滑な円錐面と粗面が交替に配置されることで、エピタキシャル成長の品質を改善し、さらに発光ダイオード全体のエピタキシャル成長の品質と効率を向上させることができる。図２（ａ）に示す粗面と比較すると、先行技術１において、その突起構造は下方部の第１区域にのみ凸部を有するので、粗面の比率が本発明より少ない。また、先行技術２は交替に配置されていない。従って、図２（ａ）に示す粗面を有する円錐を含むパターン化基板は、先行技術１と先行技術２の従来のパターン化基板より優れている。
【００２２】
図３（ａ）は本発明の別の実施例による発光ダイオードに用いるパターン化基板の円錐３１を模式的に示す平面図である。図３（ａ）の円錐３１は図２（ａ）の円錐２１の変形例であり、円錐３１は三つの平滑な円錐面３１ａ及び三つの粗面３１ｂを含み、平滑な円錐面３１ａと粗面３１ｂは交替に配置されている。円錐３１と円錐２１の差異は、円錐３１の各粗面３１ｂが凹面であり、凹面は下半部と上半部を含み、各上半部の底角は各下半部の底角より大きい（凹面に関する説明は、図４（ｂ）のより詳細な記述を参照されたい）。
【００２３】
図３（ｂ）は本発明の別の実施例による発光ダイオードに用いるパターン化基板の円錐３１の別の平面図である。図３（ｂ）に示すように、円錐３１の各粗面３１ｂは下半部３２ａと上半部３２ｂを含み、各上半部３２ｂの底角は各下半部３２ａの底角より大きい。理解しやすいため、下半部３２ａと上半部３２ｂのＲａが明らかに異なるように示している。しかし、実際の状況は各粗面３１ｂのＲａは次第に変化し、つまり、各粗面３１ｂのＲａは円錐３１の頂点に近いほど高くなる。
【００２４】
図４（ａ）は本発明の別の実施例による発光ダイオードに用いるパターン化基板の円錐４１を模式的に示す平面図である。図４（ｂ）は図４（ａ）の円錐のＡＡ’ラインに沿った断面を模式的に示す図である。図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、円錐４１は三つの平滑な円錐面４１ａと三つの凹面４１ｂを含み、平滑な円錐面４１ａと凹面４１ｂは交替に配置されている。側面から見たときに、三つの凹面４１ｂは内側に凹んだ略三角形の形状を呈している。具体的には、図４（ｂ）に示すように、各凹面４１ｂは、第二底角θ２をもつ下半部４２ａと、第一底角θ１をもつ上半部４２ｂとを備える。例えば、第一底角θ１の角度は約５１度〜７０度であり、第二底角θ２の角度は約３０度〜５０度である。
【００２５】
通常、円錐と基板の角度は小さければ（例えば図４（ｂ）における第二底角θ２の角度は約３０度〜５０度である）、エピタキシャル成長の品質改善に役立ち、発光ダイオードの光取出し効率を向上させる。
【００２６】
図５（ａ）は本発明の一実施例による図１の発光ダイオードに用いるパターン化基板の一部を模式的に示す平面図である。図５（ａ）に示すように、パターン化基板１１は表面１３を含み、表面１３は化学エッチング処理によって形成した複数の円錐を備える。前記円錐は例えば、図２（ａ）に示す円錐２１である。前記円錐は複数列配列し、偶数列の円錐が奇数列の円錐と互いにずれている。具体的に、前記円錐において隣合う三つの円錐５５、５６及び５７の頂点が領域５８を画定し、円錐５５、５６及び５７それぞれの一つの粗面が領域５８内にある。例えば、粗面５５ｂ、５６ｂ及び５７ｂが領域５８内にある。このような配列方式は欠陥密度の減少に役立ち、エピタキシャル成長の品質改善になる。
【００２７】
図５（ｂ）は本発明の一実施例による図１の発光ダイオードに用いるパターン化基板１１の一部の別の平面図である。図５（ｂ）に示すように、パターン化基板１１は表面１３を含み、表面１３は複数の化学エッチング処理によって形成された円錐を有する（例えば、図４（ａ）における円錐４１）。前記円錐において隣合う三つの円錐５１、５２及び５３の頂点が領域５４を画定し、円錐５１、５２及び５３の凹面の内の一が（たとえば、凹面５１ｂ、５２ｂ及び５３ｂ）領域５４内にある。このような配列方式は、エピタキシャル成長の品質改善に役立つ。
【００２８】
図５（ａ）及び図５（ｂ）に示す円錐の配列方式は、本明細書で述べたその他の円錐にも適用できる。例えば図３（ａ）及び図３（ｂ）に示す円錐３１にも適用できる。
【００２９】
なお、図３（ａ）乃至図５（ｂ）における点線は、各領域を説明するために描いたに過ぎず、本発明の実施例を制限するものではない。
【００３０】
図６は図２（ａ）に示す円錐の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）平面視画像である。
【００３１】
本発明は多くの好ましい実施例で記述したが、その他変更、配列の置換あるいはその他代替の等価態様があっても、本発明の範囲内である。注意すべきは、多くの本発明を実行する方法と機器の代替方法がある。従って、出願人は、以下の特許請求の範囲について、本発明の真の精神と範囲内にあるこれら変更、配列の置換あるいはその他代替の等価態様を全て含むことを意図している。
【符号の説明】
【００３２】
１１  パターン化基板
１３  表面
１５  円錐
２１  円錐
２１ａ  平滑な円錐面
２１ｂ  粗面
３１  円錐
３１ａ    平滑な円錐面
３１ｂ  粗面
３２ａ  下半部
３２ｂ  上半部
４１  円錐
４１ａ  平滑な円錐面
４１ｂ  凹面
４２ａ  下半部
４２ｂ  上半部
５１  円錐
５１ｂ  凹面
５２  円錐
５２ｂ  凹面
５３  円錐
５４  領域
５５  円錐
５５ｂ  粗面
５６  円錐
５６ｂ  粗面
５７  円錐
５７ｂ  粗面
５８  領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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