TWI626767B - Ultraviolet light-emitting diode and its substrate and the substrate thereof law - Google Patents

Abstract

一種紫外光發光二極體之基板包含有具有一圖案化結構之基材，與一圖案化緩衝層；該基板之製造方法，包含提供一基材，於該基材表面上設置一緩衝層，並使該緩衝層形成一圖案化緩衝層，且該基材的表面形成一圖案化結構，而後移除該圖案化遮罩層；一種紫外光發光二極體包含有上述之基板、設置於該圖案化緩衝層上之至少一磊晶層，以及設置於該磊晶層上之一多層半導體結構。藉由上述方法所形成之基板，使該基板中的圖案化緩衝層仍保有單一晶格取向之特性，以該基板為基礎所製之紫外光發光二極體可達到更佳的發光效率。

Description

紫外光發光二極體及其基板以及其基板之製造方 法

本發明係與紫外光發光二極體有關；特別是指一種可提更發光效率之紫外光發光二極體、紫外光發光二極體之基板，以及該基板之製造方法。

紫外光發光二極體可應用於醫療、生醫美容、殺菌及生物鑑定等領域。目前，紫外光發光二極體的基板主要有兩種，第一種基板是在一非氮化鋁基材上以異質磊晶方式成長氮化鋁磊晶層，以形成基板，然，氮化鋁磊晶層與基材之間由於晶格常數不匹配，使得磊晶層的缺陷密度高，特別是差排的密度，缺陷將會吸收紫外光，如此一來，將會影響紫外光二極體的發光效率，使得發光效率不佳。第二種基板是氮化鋁基板，氮化鋁基板的缺陷密度低，因此，以氮化鋁基板製作的紫外光發光二極體發光效率高且壽命長，雖以氮化鋁基板製作的紫外光發光二極體具有前述優點，惟，目前製造氮化鋁基板的技術難度高，使得氮化鋁基板的產能低，價格居高不下。是以，紫外光發光二極體礙於發光效率及價格的因素，其運用仍然無法普及。

有鑑於此，本發明之目的在於提供一種紫外光發光二極體及其基板以及其基板之製造方法，以提高紫外光發光二極體之發光效率。

緣以達成上述目的，本發明提供的一種紫外光發光二極體之基板，包含有：一基材，具有一表面，該表面形成有一圖案化結構，該圖案化結構具有多數個凹陷部自該表面凹入形成以及多數個凸起部位於該些凹陷部之間，該些凸起部之頂面構成該表面的一部分；一圖案化緩衝層，具有多數個凸部及多數個鏤空區，該些凸部分別直接設置於該些凸起部之頂面上且位於該些凸起部之頂面的正投影範圍內，該些凸部之厚度介於15~2000nm且材質包含有AlN_xO_y，其中x介於0.7~1之間，y介於0~0.3之間；該各該凸部具有一C軸取向的頂面；該些鏤空區與該些凹陷部相通。

本發明另提供之紫外光發光二極體之基板的製造方法，包含下列步驟：A.提供一基材，該基材具有一表面；B.於該基材的該表面上設置一緩衝層，該緩衝層之材質包含有AlN_xO_y，其中x介於0.7至1之間，y介於0至0.3之間；該緩衝層的上表面為C軸取向；C.於該緩衝層的上表面設置一圖案化遮罩層，該圖案化遮罩層具有多數個凹穴；D.對位於該些凹穴下方的緩衝層及基材進行蝕刻，以移除位於該些凹穴下方的緩衝層之部位，使該緩衝層形成一圖案化緩衝層；以及移除該些凹穴下方之部分基材，以在該基材的表面形成一圖案化結構，其中該基材被移除之部分構成該圖案化結構之複數個凹陷部，該基材於該些凹陷部之間的部位構成該圖案化結構之複數個凸起部；E.移除該圖案化遮罩層。

本發明再提供之紫外光發光二極體，包含有：上述之紫外光發光二極體之基板；至少一磊晶層，設置於該圖案化緩衝層上；一多 層半導體結構，包含一第一型摻雜半導體層、一發光層與一第二型摻雜半導體層，其中該第一型摻雜半導體層接觸該至少一磊晶層，且該發光層位於該第一型摻雜半導體層與該第二型摻雜半導體層之間。

本發明之效果在於於該基材表面設置該緩衝層後，再將該該基材與該緩衝層進行蝕刻，使圖案化遮罩層形成單一結構，以達到提高發光效率之功效。

〔本發明〕

100‧‧‧紫外光LED磊晶基板及其製造方法

1、1’‧‧‧基板

1a‧‧‧凸起結構

1b‧‧‧凹陷結構

10‧‧‧基材

10a、10a’‧‧‧表面

11‧‧‧凹陷部

12‧‧‧凸起部

20‧‧‧緩衝層

20a‧‧‧上表面

20’‧‧‧圖案化緩衝層

21‧‧‧鏤空區

22‧‧‧凸部

30‧‧‧圖案化遮罩層

31‧‧‧凹穴

32‧‧‧凸塊

30’‧‧‧遮罩層

2‧‧‧紫外光發光二極體

40‧‧‧磊晶層

41‧‧‧第一磊晶層

42‧‧‧第二磊晶層

50‧‧‧多層半導體結構

51‧‧‧第一型摻雜半導體層

52‧‧‧發光層

53‧‧‧第二型摻雜半導體層

T‧‧‧厚度

W1‧‧‧底部寬度

W2‧‧‧頂部寬度

W3‧‧‧深度

圖1為本發明第一較佳實施例之用於紫外光發光二極體之基板的製造方法流程圖。

圖2為上述較佳實施例之用於紫外光發光二極體之基板的製造流程示意圖。

圖3為上述較佳實施例之用於紫外光發光二極體之基板的示意圖。

圖4為上述較佳實施例之用於紫外光發光二極體之基板的局部立體圖。

圖5為本發明第二較佳實施例之用於紫外光發光二極體之基板的局部立體圖。

圖6為以本發明第一較佳實施例之基板所製成之紫外光發光二極體的示意圖。

為能更清楚地說明本發明，茲舉數個較佳實施例並配合圖式詳細說明如後。請參圖1所示，為本發明第一較佳實施例用於紫外光 發光二極體之基板的製造方法流程圖，於後配合圖2說明製作圖3之該基板1的步驟。

請見圖2(A)所示，首先提供一基材10，該基材10在本實施例中為藍寶石基材10，且該基材10係呈平板狀，具有上、下相背對的二表面10a、10a’。實務上，該基材10亦可採用矽基材10或碳化矽基材10，並不以此為限制。於該基材10的其中一表面10a上直接設置一緩衝層20，該緩衝層20材質包含有AlN_xO_y，其中x介於0.7至1之間，y介於0至0.3之間，且該緩衝層20的上表面20a為C軸取向。該緩衝層20係以高溫反應性sputtering、原子層沉積(ALD)、分子束磊晶(MBE)、或MOCVD製程鍍製。

將設有該緩衝層20的基材10於一保護氣體中進行退火，其中該保護氣體包含一種或至少兩種氣體，包含有惰性氣體與氮氣之中的至少一者，但不包含有含碳元素或含氧元素，以防止該緩衝層20中有氧元素殘留，或是使該緩衝層20因含碳元素之氣體導致之還原與滲碳作用，造成吸光現象而影響基板1之透光率；該退火溫度為1500℃以上，以使該緩衝層20中的原子重組，達到降低缺陷之功效。此外，更可於保護氣體中添加小於或等於10%之氫氣，以將該緩衝層20之缺陷蝕刻，進一步降低缺陷密度。透過該退火處理可將該緩衝層20遠離基板端之表層處的差排密度降低為1×10⁹/cm²以下，最佳值可降低為1×10⁸/cm²以下。

而後，再於該緩衝層20的上表面20a設置一圖案化遮罩層30。請參見圖2(A、B)所示，該圖案化遮罩層30係由利用光阻塗布等技術，先於該緩衝層20的上表面20a設置一平滑之遮罩層30’後，再以黃光微影，抑或是利用奈米轉印的技術，譬如熱壓成形式奈米轉印、光 感成形式奈米轉印等方式，使該遮罩層30’形成具表面有多數個凹穴31與多數個凸塊32之圖案化遮罩層30。

於後，對於該圖案化遮罩層30進行蝕刻，例如以電漿蝕刻或高溫濕式化學蝕刻，但不以此為限制，以使該基材10的表面10a形成有一圖案化結構，且該緩衝層20形成一圖案化緩衝層20’。請見圖2(C)，進行蝕刻時，位於該些凹穴31下方的緩衝層20與部分基材10被移除，其中該緩衝層20被移除之部分構成圖案化緩衝層20’之鏤空區21，該基材10被移除之部分構成該圖案化結構之複數個凹陷部11，且該些凹陷部11自該表面10a凹入形成；該些鏤空區21與該些凹陷部11相通。

而位於該些凸塊32下方的緩衝層20與基材10，因為受到圖案化遮罩層30較厚之區域遮蔽而得以保留，該基材10保留之部分構成該圖案化結構之凸起部12，且該些凸起部12位於該些凹陷部11之間，該些凸起部12之頂面構成該基材10表面10a的一部分；該緩衝層20保留之部分構該圖案化緩衝層20’之凸部22，該些凸部22之厚度T介於15~2000nm且分別直接設置於該些凸起部12之頂面上，並位於該些凸起部12之頂面的正投影範圍內，又，各該凸起部12的側壁與設置其上之各該凸部22的側壁相連。

請見圖2(D)所示，將殘留於該凸部22上之凸塊32移除後，即完成該基板1。該基板1表面包含有多數個由該些凸起部12及其上方之該些凸部22所構成之凸起結構1a，以及多數個由相連通之該些鏤空區21與該些凹陷部11所構成之凹陷結構1b，且相鄰之一該凸起結構1a與一該凹陷結構1b構成一次結構。

藉由上述製造基板1步驟之設計，可使包含有AlN_xO_y圖案化緩衝層20’形成單一取向(C軸取向)之頂面，以達到較佳之光線穿透率。

請配合圖3所示，該些次結構符合以下條件：

1.該些次結構之底部寬度W1(即一該凸起部12底部與相鄰之一凹陷部11之寬度)介於0.1~5μm，其中，較佳的狀態下該底部寬度W1介於0.5~3μm之間。

2.該些次結構之頂部寬度W2(即該圖案化緩衝層20’之一該凸部22的頂面寬度)與該些次結構之底部寬度W1的比值大於或等於0.5。

3.該些次結構之深度W3(即各該凸部22頂面於垂直方向至相鄰之一該凹陷部11之距離)介於0.1~2.5μm之間。

藉由圖案化遮罩層與蝕刻製程使基材10與緩衝層20形成該些次結構，且藉由上述條件的設計，可以降低磊晶製程在非預期區域異常成長的問題，並在完成LED元件製程後，可以透過折射、繞射或抗反射效應提高出光效率。

本實施例中的該些凸起結構1a如圖4所示呈平頂圓錐，但不以此為限制，亦可為平頂角錐、平頂球面或不規則之結構；請見圖5，為本發明第二較佳實施例之基板1’，該基板1’之該些凹陷結構1b呈杯狀，但不以此為限制，亦可為圓錐狀、角錐狀、碗狀或不規則之結構。當然，該些凸起結構1a與該些凹陷結構1b亦可為兩種以上形狀之組合。

請配合圖6所示，該紫外光發光二極體2係於上述第一較佳實施例之基板1上再設置至少一磊晶層40，以及一多層半導體結構50，其中該至少一磊晶層40包含AlN與AlGaN中的至少一者。

在本實施例中，該少一磊晶層40的數量為二，分別為一含有AlN之第一磊晶層41，以及一含有AlGaN之第二磊晶層42。該第一磊晶層41與該第二磊晶層42可以採濺鍍、HVPE、或MOCVD等方式製作。該第一磊晶層41設置於該基板1上且未填滿基材10之凹陷部11與圖案化緩衝層20’之鏤空區21，而形成空洞(void)；該第二磊晶層42設置於該第一磊晶層41上。

該多層半導體結構50包含一第一型摻雜半導體層51、一發光層52與一第二型摻雜半導體層53，其中該第一型摻雜半導體層51接觸該第二磊晶層42，使該第二磊晶層42位於該第一磊晶層41與該第一型摻雜半導體層51之間；該發光層52位於該第一型摻雜半導體層51與該第二型摻雜半導體層53之間。發光層52所發出的紫外光將可穿過凹陷部11與鏤空區21所形成空洞，而自基材10透出，以增加光萃取率。

據上所述，本發明用於紫外光發光二極體2之基板1及其製造方法，可使位於基材10表面10a之圖案化緩衝層20’形成單一取向且缺陷少之結構，以此基板1為基礎所製成之紫外光發光二極體2可達到提高發光效率之功效。

以上所述僅為本發明較佳可行實施例而已，舉凡應用本發明說明書及申請專利範圍所為之等效變化，理應包含在本發明之專利範圍內。

Claims (19)

1. 一種紫外光發光二極體之基板，包含有：一基材，具有一表面，該表面形成有一圖案化結構，該圖案化結構具有多數個凹陷部自該表面凹入形成以及多數個凸起部位於該些凹陷部之間，該些凸起部之頂面構成該表面的一部分；一圖案化緩衝層，具有多數個凸部及多數個鏤空區，該些凸部分別直接設置於該些凸起部之頂面上且位於該些凸起部之頂面的正投影範圍內，該些凸部之厚度介於15~2000nm且材質包含有AlN_xO_y，其中x介於0.7~1之間，y介於0~0.3之間；該各該凸部具有一C軸取向的頂面；該些鏤空區與該些凹陷部相通。
2. 如請求項1所述之紫外光發光二極體之基板，其中各該凸起部底部與設置於其上方之凸部，以及與其相鄰之一該凹陷部、與該凹陷部相連通之鏤空區構成一次結構；各該次結構之底部寬度介於0.1~5μm之間。
3. 如請求項2所述之紫外光發光二極體之基板，其中各該次結構之底部寬度介於0.5~3μm之間。
4. 如請求項1所述之紫外光發光二極體之基板，其中各該凸部頂面至相鄰之一該凹陷部之距離介於0.1~2.5μm之間。
5. 如請求項1所述之紫外光發光二極體之基板，其中各該凸起部底部與設置於其上方之凸部，以及與其相鄰之一該凹陷部、與該凹陷部相連通之鏤空區構成一次結構；各該凸部的頂面寬度與各該次結構之底部寬度之比值大於或等於0.5。
6. 如請求項1所述之紫外光發光二極體之基板，其中該基材為藍寶石、矽或碳化矽材料。
7. 如請求項6所述之紫外光發光二極體之基板，其中各該凸起部與設置於其上之各該凸部所成的形狀係呈平頂圓錐、平頂角錐、平頂球面與不規則結構之中的其中至少一種。
8. 如請求項1所述之紫外光發光二極體之基板，其中該各該鏤空區與對應的各該凹陷部係呈杯狀、圓錐狀、角錐狀、碗狀與不規則結構狀凹陷之中的其中至少一種。
9. 請求項1所述之紫外光發光二極體之基板，其中該圖案化緩衝層遠離基板端之表層處的差排密度為1×10⁹/cm²以下。
10. 一種紫外光發光二極體，包含有：上述請求項1~9所述之紫外光發光二極體之基板中的一者；至少一磊晶層，設置於該圖案化緩衝層上；一多層半導體結構，包含一第一型摻雜半導體層、一發光層與一第二型摻雜半導體層，其中該第一型摻雜半導體層接觸該至少一磊晶層，且該發光層位於該第一型摻雜半導體層與該第二型摻雜半導體層之間。
11. 如請求項10所述之紫外光發光二極體，其中該至少一磊晶層包含AlN與AlGaN中的至少一者。
12. 如請求項11所述之紫外光發光二極體，其中該至少一磊晶層包含有一含有AlN之第一磊晶層，以及一含有AlGaN之第二磊晶層，該第二磊晶層位於該第一磊晶層與該第一型摻雜半導體層之間。
13. 一種紫外光發光二極體之基板的製造方法，包含下列步驟：A.提供一基材，該基材具有一表面； B.於該基材的該表面上設置一緩衝層，該緩衝層之材質包含有AlN_xO_y，其中x介於0.7至1之間，y介於0至0.3之間；該緩衝層的上表面為C軸取向；C.於該緩衝層的上表面設置一圖案化遮罩層，該圖案化遮罩層具有多數個凹穴；D.對位於該些凹穴下方的緩衝層及基材進行蝕刻，以移除位於該些凹穴下方的緩衝層之部位，使該緩衝層形成一圖案化緩衝層；以及移除該些凹穴下方之部分基材，以在該基材的表面形成一圖案化結構，其中該基材被移除之部分構成該圖案化結構之複數個凹陷部，該基材於該些凹陷部之間的部位構成該圖案化結構之複數個凸起部；E.移除該圖案化遮罩層。
14. 如請求項13所述之紫外光發光二極體之基板的製造方法，其中於步驟B、C之間更包含將設置有該緩衝層的基材進行退火，且退火的溫度為1500℃以上。
15. 如請求14所述之紫外光發光二極體之基板的製造方法，其中步驟B、C之間係將設置有該緩衝層的基材置於一保護氣體中進行退火，且該保護氣體不包含有碳元素或氧元素之氣體。
16. 如請求項15所述之紫外光發光二極體之基板的製造方法，其中該保護氣體包含有惰性氣體與氮氣之中的至少一者。
17. 如請求項15所述之紫外光發光二極體之基板的製造方法，其中該保護氣體包含有小於或等於10%的氫氣。
18. 如請求項15所述之紫外光發光二極體之基板的製造方法，其中該保護氣體可以是兩種或兩種以上氣體之混合。
19. 如請求項15所述之紫外光發光二極體之基板的製造方法，其中該緩衝層係以高溫反應性sputtering、原子層沉積(ALD)、分子束磊晶(MBE)、或MOCVD製程鍍製。