TWI577630B

TWI577630B - A substrate for an ultraviolet light emitting diode, and a method for manufacturing the same

Info

Publication number: TWI577630B
Application number: TW105111049A
Authority: TW
Inventors: Yem-Yeu Chang; Jui-Ping Li; hao-zhong Guo; Jia-Yan Huang; zhe-yu Liu
Original assignee: Crystalwise Tech Inc
Priority date: 2016-04-08
Filing date: 2016-04-08
Publication date: 2017-04-11
Also published as: TW201736250A

Description

用於紫外光發光二極體之基板及該基板的製造方法

本發明係與紫外光發光二極體有關；特別是指一種用於紫外光發光二極體之基板及該基板的製造方法。

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，第一種基板是在一基材上成長氮化鋁磊晶層，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，特別是穿透差排的密度，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用於紫外光發光二極體之基板及該基板的製造方法，可以減少磊晶層之缺陷密度。

緣以達成上述目的，本發明提供的一種用於紫外光發光二極體之基板，包含有一基材與一磊晶層，其中，該基材具有一表面，該表面形成有一微奈米結構；該磊晶層設置於該基材的該表面上且覆蓋該微奈米結構，該磊晶層至少包括一氮化鋁層，其中，該氮化鋁層中的碳元素含量至少為1×10¹²atom/cm³。

本發明所提供用於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；B、於該基材的一表面製作一微奈米結構；C、於該微奈米結構上設置一磊晶層，該磊晶層包含一氮化鋁層；D、將設置有該磊晶層的基材置於一氣氛中進行退火，其中該氣氛至少包含有一含碳元素之氣體，且退火的溫度為1500℃以上；藉此，具有該微奈米結構的基材及該磊晶層形成用於紫外光發光二極體的基板。

本發明之效果在於，磊晶層經含碳元素之氣體或含碳元素之氣體與惰性氣體氣氛下退火後，可使磊晶層的穿透差排之密度降低，在後續製成紫外光發光二極體後，減少紫外光與差排缺陷復合的機會。此外，微奈米結構讓紫外光可往背離該基材的方向反射，有效增進紫外光二極體的發光效率。

〔本發明〕

1‧‧‧基板

10‧‧‧基材

10a、10a’‧‧‧表面

12‧‧‧凸丘

14‧‧‧磊晶層

2‧‧‧基板

24‧‧‧磊晶層

242‧‧‧氮化鋁層

244‧‧‧氮氧化鋁界面層

30‧‧‧基材

32‧‧‧結構

40‧‧‧基材

42‧‧‧結構

50‧‧‧基材

52‧‧‧結構

60‧‧‧基材

62‧‧‧結構

70‧‧‧基材

72‧‧‧結構

722‧‧‧平面

W‧‧‧最小寬度

H‧‧‧高度

圖1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。

圖2為一示意圖，揭示上述較佳實施例之基材。

圖3為一示意圖，揭示上述較佳實施例具有微奈米結構的基材。

圖4為一立體圖，揭示上述較佳實施例具有微奈米結構的基材。

圖5為一示意圖，揭示上述較佳實施例之基板。

圖6為一示意圖，揭示本發明第二較佳實施例之基板。

圖7為一示意圖，揭示本發明第三較佳實施例具有微奈米結構的基材。

圖8為一示意圖，揭示本發明第四較佳實施例具有微奈米結構的基材。

圖9為一示意圖，揭示本發明第五較佳實施例具有微奈米結構的基材。

圖10為一示意圖，揭示本發明第六較佳實施例具有微奈米結構的基材。

圖11為一示意圖，揭示本發明第七較佳實施例具有微奈米結構的基材。

為能更清楚地說明本發明，茲舉一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至圖6說明製作該基板1的步驟。

首先提供一基材10(圖2參照)，該基材10在本實施例中為藍寶石基材，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亦可採用矽基材或碳化矽基材

接著，於該基材10的其中一表面10a製作多數個以凸丘12為例的結構(圖3與圖4參照)，該些凸丘12構成一微奈米結構。本實施例中，該些凸丘12係呈周期性排列，且各該凸丘12呈半球狀，各該凸丘12之底部的最小寬度W介於100~5000nm之間，且各該凸丘12的高度H與其底部的最小寬度W之比值為0.2以上。該些凸丘係可採用以下方式製成，包括：(1)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形成；(2)利用奈米球微影的技術，即先於基板1的表面10a，預先塗佈一層混和有奈米球的溶液，利用奈米球具有自我組裝(self-assembly)效應之特性，在基材10表面10a形成有次序的週期性排列後，以奈米球為蝕刻遮罩，加以蝕刻轉印形成；(3)利用陽極氧化鋁(AAO)製程技術，藉由金屬鋁在陽極氧化的過程中，自我組裝所形成奈米孔洞的氧化鋁做為板模，蝕刻轉印形成；(4)利用黃光微影及蝕刻技術形成。

而後，請配合圖5，於該基材10上設置厚度介於100~2000nm之間的一磊晶層14，以覆蓋該些凸丘12。本實施例中該磊晶層14為一氮化鋁層，該氮化鋁層的厚度介於100~2000nm之間，該磊晶層14的可以採濺鍍、蒸鍍、或MOCVD等方式製作。實務上，該些凸丘12亦可以不規則的方式排列。而微奈米結構並不限定為多數個凸丘12，亦可為多數個以凹坑為例的結構，凹坑之深度與凹坑底部的最小寬度之比值為0.2以上。

再將設置有該磊晶層14的基材10置一退火爐(圖未示)中，通入含碳元素之氣體(如一氧化碳、二氧化碳或烷類氣體等)，氣氛中亦可通入惰性氣體，以調整含碳元素之氣體的濃度，其中，惰性氣體可為氮氣、氬氣及氦氣之中的至少一者或任意二者以上之混合，讓設置有該磊晶層14的基材10處於含碳元素之氣體的氣氛中進行退火，退火的溫度為1500℃以上。藉此，退火後的該磊晶層14及該基材10構成用於紫外光發光二極體的基板1。由於是在含有碳元素的氣氛中退火，因此，碳元素將會在表面吸附或滲入該磊晶層14中，使該磊晶層14中含有碳元素，其中該磊晶層14中的碳元素含量至少為1×10¹²atom/cm³．

藉由上述之含碳元素之氣體退火步驟，可以有效地減少該磊晶層14的穿透差排之密度，該磊晶層14的穿透差排之密度可降低至1×10⁸/cm³以下。由於穿透差排之密度減少，採用該基板1製造的紫外光發光二極體，將可以減少所產生的紫外光與差排缺陷復合的機會，提高紫外光二極體的發光效率。此外，藉由該些凸丘12所形成的微奈米結構亦可增加紫外光反射的效果，讓紫外光可以被微奈米結構往背離該基板1的方向反射，提高紫外光二極體的發光效率。

為進一步改善晶格失配問題，磊晶層14中的氮化鋁層可以有微量元素掺雜，例如添加Ga、In、Si等。或是另外在退火的氮化鋁層上再磊晶一層氮化鋁鎵(AlGaN)層成為template產品(圖未示)。

圖6所示者為本發明第二較佳實施例的基板2，其具有大致相同於第一實施例之基板1，不同的是，本實施例之基板2的磊晶層24包括一氮化鋁層242及一氮氧化鋁界面層244，該氮氧化鋁界面層244的厚度介於100~2000nm且覆蓋於該些凸丘12上且位於該氮化鋁層242下方。本實施例之基板2的製造方式係以第一實施例為基礎，係先於基材10的該些凸丘12上設置相同於第一實施例的磊晶層14(圖5參照)，而在退火的過程中，係控制退火的溫度以及含碳元素之氣體與惰性氣體比例而形成圖6中磊晶層24中的該氮氧化鋁界面層244，該氮氧化鋁界面層244則構成本實施例的磊晶層24的一部分，該磊晶層14其餘的部分則形成為圖6中的該氮化鋁層242。較佳者，控制退火參數係使該氮氧化鋁界面層244的厚度可達到5nm以上，適當厚度的氮氧化鋁界面層244將有助於微調氮化鋁層242的晶格常數，降低後續製作紫外光發光二極體時，氮化鋁層242與其上之磊晶層(例如氮化鋁鎵磊晶層)之間的晶格失配，從而有利於紫外光發光二極體磊晶層的缺陷密度下降。

本發明之基材上的結構除了半球形之外，亦可如圖7至圖11所示的形狀，其中：請配合圖7，於第三實施例中，基材30上的結構32係呈圓錐狀；請配合圖8，於第四實施例中，基材40上的結構42係呈圓弧狀；請配合圖9，於第五實施例中，基材50上的結構52係呈角錐狀，且結構52的側環面呈弧形凹陷；請配合圖10，於第六實施例中，基材60上的結構62係呈圓柱狀，且結構62旁呈弧形凹陷；請配合圖11，於第七實施例中，基材70上的結構72係呈平台狀，其頂部具有平面722。

總括各上述實施例的結構具有讓紫外光往背離該基材的方向反射之作用。

據上所述，本發明用於紫外光發光二極體之基板及其製造方法，可使磊晶層的穿透差排之密度降低，在後續製成紫外光發光二極體後，減少紫外光與差排缺陷復合的機會，且微奈米結構讓紫外光可往背離該基材的方向反射，藉此，有效增進紫外光二極體的發光效率。

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。

1‧‧‧基板

10‧‧‧基材

12‧‧‧凸丘

14‧‧‧磊晶層

Claims

一種用於紫外光發光二極體之基板，包含有：一基材，具有一表面，該表面形成有一微奈米結構；以及一磊晶層，設置於該基材的該表面上且覆蓋該微奈米結構，該磊晶層至少包括一氮化鋁層，其中，該氮化鋁層中的碳元素含量至少為1×10¹²atom/cm³；其中，該磊晶層包含一氮氧化鋁界面層，該氮氧化鋁界面層覆蓋該微奈米結構且位於該氮化鋁層下方。
如請求項1所述用於紫外光發光二極體之基板，其中該氮氧化鋁界面層的厚度為5nm以上。
如請求項1所述用於紫外光發光二極體之基板，其中該氮化鋁層的厚度介於100~2000nm之間。
一種用於紫外光發光二極體之基板，包含有：一基材，具有一表面，該表面形成有一微奈米結構；以及一磊晶層，設置於該基材的該表面上且覆蓋該微奈米結構，該磊晶層至少包括一氮化鋁層，其中，該氮化鋁層中的碳元素含量至少為1×10¹²atom/cm³；其中，該磊晶層的穿透差排之密度為1×10⁸/cm³以下。
如請求項1或4所述用於紫外光發光二極體之基板，其中該微奈米結構包含多數個結構，各該結構之底部的最小寬度介於100~5000nm之間。
如請求項5所述用於紫外光發光二極體之基板，其中各該結構的高度或深度與其底部的最小寬度之比值為0.2以上。
如請求項1或4所述用於紫外光發光二極體之基板，其中該基材為藍寶石基材、矽基材、及碳化矽基材之中的一者。
一種用於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；B、於該基材的一表面製作一微奈米結構；C、於該微奈米結構上設置一磊晶層，該磊晶層至少包含一氮化鋁層；D、將設置有該磊晶層的基材置於一氣氛中進行退火，其中該氣氛至少包含有一含碳元素之氣體，且退火的溫度為1500℃以上；藉此，具有該微奈米結構的基材及該磊晶層形成用於紫外光發光二極體的基板。
如請求項8所述用於紫外光發光二極體之基板的製造方法，其中步驟B係於該基材上製作多數個結構，該些結構構成該微奈米結構，且各該結構之底部的最小寬度介於100~5000nm之間。
如請求項9所述用於紫外光發光二極體之基板的製造方法，其中各該結構的高度或深度與其底部的最小寬度之比值為0.2以上。
如請求項8所述用於紫外光發光二極體之基板的製造方法，其中步驟B中該氮化鋁層係覆蓋於該微奈米結構上；步驟D中該氣氛包含有惰性氣體，且步驟D中包含控制退火的溫度以及該含碳元素之氣體與惰性氣體比例，以使該氮化鋁層反應而形成一氮氧化鋁界面層，該氮氧化鋁界面層構成該磊晶層的一部分。
如請求項11所述用於紫外光發光二極體之基板的製造方法，其中該氮氧化鋁界面層的厚度為5nm以上。
如請求項8所述用於紫外光發光二極體之基板的製造方法，其中步驟C中，該氮化鋁層的厚度介於100~2000nm之間。
如請求項8所述用於紫外光發光二極體之基板的製造方法，步驟D中，該含碳元素之氣體為一氧化碳、二氧化碳、或烷類氣體。
如請求項8所述用於紫外光發光二極體之基板的製造方法，步驟D中，該氣氛更包含有氮氣、氬氣及氦氣之中的至少一者。