CN109309082A - 紫外光发光二极管及其基板以及其基板的制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种紫外光发光二极管的基板，包括具有一图案化结构的基材与一图案化缓冲层；该基板的制造方法，包括：提供一基材，在该基材表面上设置一缓冲层，并使该缓冲层形成一图案化缓冲层，且该基材的表面形成一图案化结构，然后移除该图案化屏蔽层；一种紫外光发光二极管，包括上述的基板、设置于该图案化缓冲层上的至少一外延层，以及设置于该外延层上的一多层半导体结构。通过上述方法所形成的基板，使该基板中的图案化缓冲层仍保持有单一晶格取向的特性，以该基板为基础所形成的紫外光发光二极管可达到更佳的发光效率。

Description

紫外光发光二极管及其基板以及其基板的制造方法
技术领域
本发明涉及一种紫外光发光二极管；尤其涉及一种可提高发光效率的紫外光发光二极管、紫外光发光二极管的基板，以及该基板的制造方法。
背景技术
紫外光发光二极管可应用于医疗、生医美容、杀菌及生物鉴定等领域。目前，紫外光发光二极管的基板主要有两种，第一种基板是在一非氮化铝基材上以异质外延方式成长氮化铝外延层，以形成基板，但是，氮化铝外延层与基材之间由于晶格常数不匹配，使得外延层的缺陷密度高，特别是位错的密度，缺陷将会吸收紫外光，如此一来，将会影响紫外光二极管的发光效率，使得发光效率不佳。第二种基板是氮化铝基板，氮化铝基板的缺陷密度低，因此，以氮化铝基板制作的紫外光发光二极管的发光效率高且寿命长，虽然氮化铝基板制作的紫外光发光二极管具有前述优点，但，目前制造氮化铝基板的技术难度高，使得氮化铝基板的产能低，价格居高不下。因此，紫外光发光二极管碍于发光效率及价格的因素，其运用仍然无法普及。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种紫外光发光二极管及其基板以及其基板的制造方法，以提高紫外光发光二极管的发光效率。
为了实现上述目的，本发明提供了一种紫外光发光二极管的基板，包括：一基材，具有一表面，该表面形成有一图案化结构，该图案化结构具有自该表面凹入形成的多个凹陷部，以及位于多个凹陷部之间的多个凸起部，该多个凸起部的上表面构成所述表面的一部分；一图案化缓冲层，具有多个凸部及多个镂空区，多个凸部分别直接设置于多个凸起部的上表面上且位于多个凸起部上表面的正投影范围内，多个凸部的厚度介于15～2000nm且材质包括AlNxOy，其中x介于0.7～1之间，y介于0～0.3之间；每个凸部具有一C轴取向的上表面；多个镂空区与多个凹陷部相通。
本发明还提供了紫外光发光二极管的基板的制造方法，包括下列步骤：A.提供一基材，该基材具有一表面；B.在该基材的表面上设置一缓冲层，该缓冲层的材质包括AlNxOy，其中x介于0.7至1之间，y介于0至0.3之间；该缓冲层的上表面为C轴取向；C.在缓冲层的上表面设置一图案化屏蔽层，该图案化屏蔽层具有多个凹穴；D.对位于多个凹穴下方的缓冲层及基材进行蚀刻，以移除位于多个凹穴下方的缓冲层，使该缓冲层形成一图案化缓冲层；以及移除多个凹穴下方的部分基材，以在该基材的表面形成一图案化结构，其中该基材被移除的部分构成该图案化结构的多个凹陷部，该基材在多个凹陷部之间的部位构成图案化结构的复数个凸起部；E.移除图案化屏蔽层。
本发明还提供了紫外光发光二极管，包括：上述的紫外光发光二极管的基板；至少一外延层，设置于图案化缓冲层上；一多层半导体结构，包括一第一型掺杂半导体层、一发光层与一第二型掺杂半导体层，其中该第一型掺杂半导体层接触至少一外延层，且发光层位于第一型掺杂半导体层与第二型掺杂半导体层之间。
本发明的效果在于在基材表面设置缓冲层后，再将基材与缓冲层进行蚀刻，使图案化屏蔽层形成单一结构，以达到提高发光效率的功效。
附图说明
图1是本发明第一较佳实施例的用于紫外光发光二极管的基板的制造方法流程图；
图2(A)至图2(D)是上述较佳实施例的用于紫外光发光二极管的基板的制造流程示意图；
图3是上述较佳实施例的用于紫外光发光二极管的基板的示意图；
图4是上述较佳实施例的用于紫外光发光二极管的基板的局部立体图；
图5是本发明第二较佳实施例的用于紫外光发光二极管的基板的局部立体图；
图6是以第一较佳实施例的基板所制成的紫外光发光二极管的示意图。
【附图标记说明】
100-紫外光LED外延基板及其制造方法；
1、1’-基板； 1a-凸起结构；
1b-凹陷结构； 10-基材；
10a、10a’-表面； 11-凹陷部；
12-凸起部； 20缓冲层；
20a-上表面； 20’-图案化缓冲层；
21-镂空区； 22-凸部；
30-图案化屏蔽层； 31-凹穴；
32-凸块； 30’-屏蔽层；
2-紫外光发光二极管； 40-外延层；
41-第一外延层； 42-第二外延层；
50-多层半导体结构； 51-第一型掺杂半导体层；
52-发光层； 53-第二型掺杂半导体层；
T-厚度； W1-底部宽度；
W2-顶部宽度； W3-深度。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，为本发明第一较佳实施例用于紫外光发光二极管的基板的制造方法流程图，配合图2说明制作图3的基板1的步骤。
如图2(A)所示，首先提供一基材10，该基材10在本实施例中为蓝宝石基材10，且该基材10呈平板状，具有上、下相背对的二表面10a、10a’。实际上，该基材10也可采用硅基材10或碳化硅基材10，并不以此为限制。在该基材10的其中一表面10a上直接设置一缓冲层20，该缓冲层20的材质包括AlNxOy，其中x介于0.7至1之间，y介于0至0.3之间，且该缓冲层20的上表面20a为C轴取向。该AlNxOy缓冲层以高温反应性溅射(sputtering)、原子层沉积(ALD)、分子束外延(MBE)、或金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法制备得到。
将设有该缓冲层20的基材10在一保护气体中进行退火，其中该保护气体包含一种或至少两种气体，包含有惰性气体与氮气之中的至少之一，但不包含有含碳元素或含氧元素，以防止该缓冲层20中有氧元素残留，或是使该缓冲层20因含碳元素的气体导致的还原与渗碳作用，造成吸光现象而影响基板1的透光率；该退火温度为1500℃以上，以使该缓冲层20中的原子重组，达到降低缺陷的功效。此外，更可在保护气体中添加小于或等于10％的氢气，以将该缓冲层20的缺陷蚀刻，进一步降低缺陷密度。通过该退火处理可使AlNxOy缓冲层在远离基板端的表层处的位错密度降到1×109/cm2以下，最佳值可降至1×108/cm2以下。
然后，再在该缓冲层20的上表面20a设置一图案化屏蔽层30。如图2(A)、图2(B)所示，该图案化屏蔽层30由利用光阻涂布等技术，先在该缓冲层20的上表面20a设置一平滑的屏蔽层30’后，再以黄光微影，或利用纳米转印的技术，譬如热压成形式纳米转印、光感成形式纳米转印等方式，使该屏蔽层30’形成具表面有多个凹穴31与多个凸块32的图案化屏蔽层30。
然后，对图案化屏蔽层30进行蚀刻，例如以电浆蚀刻或高温湿式化学蚀刻，但不以此为限制，以使该基材10的表面10a形成有一图案化结构，且该缓冲层20形成一图案化缓冲层20’。如图2(C)，进行蚀刻时，位于多个凹穴31下方的缓冲层20与部分基材10被移除，其中该缓冲层20被移除的部分构成图案化缓冲层20’的镂空区21，该基材10被移除的部分构成图案化结构的多个凹陷部11，且多个凹陷部11自该表面10a凹入形成；多个镂空区21与多个凹陷部11相通。
而位于多个凸块32下方的缓冲层20与基材10，因为受到图案化屏蔽层30较厚的区域遮蔽而得以保留，该基材10保留的部分构成该图案化结构的凸起部12，且该些凸起部12位于该些凹陷部11之间，该些凸起部12的上表面构成该基材10表面10a的一部分；该缓冲层20保留的部分构图案化缓冲层20’的凸部22，该些凸部22的厚度T介于15～2000nm之间，且分别直接设置于该些凸起部12的上表面上，并位于该些凸起部12的上表面的正投影范围内，且，各该凸起部12的侧壁与设置其上的各该凸部22的侧壁相连。
如图2(D)所示，将残留于凸部22上的凸块32移除后，即完成基板1的制备。该基板1表面包含有多个由多个凸起部12及其上方的多个凸部22所构成的凸起结构1a，以及多个由相连通的多个镂空区21与多个凹陷部11所构成的凹陷结构1b，且相邻的一该凸起结构1a与一该凹陷结构1b构成一次结构。
通过上述制造基板1步骤的设计，可使包含有AlNxOy的图案化缓冲层20’形成单一取向(C轴取向)的上表面，以达到较佳的光线穿透率。
如图3所示，多个次结构符合以下条件：
1、多个次结构的底部宽度W1(即一凸起部12底部与相邻的一凹陷部11的宽度)介于0.1～5μm，其中，较佳的状态下该底部宽度W1介于0.5～3μm之间。
2、多个次结构的顶部宽度W2(即该图案化缓冲层20’的一该凸部22的顶面宽度)与多个次结构的底部宽度W1的比值大于或等于0.5。
3、多个次结构的深度W3(即各该凸部22上表面在垂直方向与相邻的一该凹陷部11的距离)介于0.1～2.5μm之间。
通过图案化屏蔽层与蚀刻方法使基材10与缓冲层20形成多个次结构，且通过上述条件的设计，可以降低外延制备在非预期区域异常成长的问题，并在完成LED组件制备后，可以通过折射、绕射或抗反射效应提高出光效率。
本实施例中的多个凸起结构1a如图4所示，呈平顶圆锥，但不以此为限制，也可为平顶角锥、平顶球面或不规则的结构；如图5所示，为本发明第二较佳实施例的基板1’，该基板1’的多个凹陷结构1b呈杯状，但不以此为限制，也可为圆锥状、角锥状、碗状或不规则的结构。当然，多个凸起结构1a与多个凹陷结构1b也可为两种以上形状的组合。
如图6所示，紫外光发光二极管2是在上述第一较佳实施例的基板1上再设置至少一外延层40，以及一多层半导体结构50，其中该至少一外延层40包含AlN与AlGaN中的至少之一。
在本实施例中，该少一外延层40的数量为二，分别为一含有AlN的第一外延层41，以及一含有AlGaN的第二外延层42。该第一外延层41与该第二外延层42可以采用溅镀、氢化物气相外延(HVPE)、或金属有机化学气相沉积(MOCVD)等方法制备。该第一外延层41设置于该基板1上且未填满基材10的凹陷部11与图案化缓冲层20’的镂空区21，而形成空洞(void)；该第二外延层42设置于该第一外延层41上。
多层半导体结构50包含一第一型掺杂半导体层51、一发光层52与一第二型掺杂半导体层53，其中第一型掺杂半导体层51接触第二外延层42，使第二外延层42位于第一外延层41与第一型掺杂半导体层51之间；发光层52位于第一型掺杂半导体层51与第二型掺杂半导体层53之间。发光层52所发出的紫外光将可穿过凹陷部11与镂空区21所形成的空洞，而自基材10射出，以增加光的提取率。
据上所述，本发明用于紫外光发光二极管2的基板1及其制造方法，可使位于基材10表面10a的图案化缓冲层20’形成单一取向且缺陷少的结构，以此基板1为基础所制成的紫外光发光二极管2可达到提高发光效率的功效。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (19)

1.一种紫外光发光二极管的基板，包括：
一基材，具有一表面，所述表面形成有一图案化结构，所述图案化结构具有自所述表面凹入形成的多个凹陷部，以及位于所述多个凹陷部之间的多个凸起部，所述多个凸起部的上表面构成所述表面的一部分；
一图案化缓冲层，具有多个凸部及多个镂空区，所述多个凸部分别直接设置于所述多个凸起部的上表面且位于所述多个凸起部上表面的正投影范围内；所述多个凸部的厚度介于15～2000nm之间，且所述图案化缓冲层的材质包括AlNxOy，其中x介于0.7～1之间，y介于0～0.3之间；每个所述凸部具有一C轴取向的上表面；所述多个镂空区与所述多个凹陷部相通。
2.根据权利要求1所述的紫外光发光二极管的基板，其中，每个所述凸起部的底部与设置于其上方的凸部，以及与其相邻的一所述凹陷部、与所述凹陷部相连通的镂空区构成一次结构；每个所述次结构的底部宽度介于0.1～5μm之间。
3.根据权利要求2所述的紫外光发光二极管的基板，其中，每个所述次结构的底部宽度介于0.5～3μm之间。
4.根据权利要求1所述的紫外光发光二极管的基板，其中，每个所述凸部的上表面至相邻的一所述凹陷部的距离介于0.1～2.5μm之间。
5.根据权利要求1所述的紫外光发光二极管的基板，其中，每个所述凸起部的底部与设置于其上方的凸部，以及与其相邻的一所述凹陷部、与所述凹陷部相连通的镂空区构成一次结构；每个所述凸部上表面的宽度与每个所述次结构底部的宽度的比值大于或等于0.5。
6.根据权利要求1所述的紫外光发光二极管的基板，其中，所述基板材料为蓝宝石、硅或碳化硅材料。
7.根据权利要求6所述的紫外光发光二极管的基板，其中，每个所述凸起部与设置于其上的每个所述凸部所成的形状呈平顶圆锥、平顶角锥、平顶球面与不规则结构中的其中至少一种。
8.根据权利要求1所述的紫外光发光二极管的基板，其中，每个所述镂空区与对应的每个凹陷部呈杯状、圆锥状、角锥状、碗状与不规则结构状凹陷中的其中至少一种。
9.根据权利要求1所述的紫外光发光二极管的基板，其中，材质为AlNxOy的所述缓冲层远离基板端的表层处的位错密度为1×109/cm2以下。
10.一种紫外光发光二极管，包括：
上述权利要求1至9中任一项所述的紫外光发光二极管的基板；
至少一外延层，设置于所述图案化缓冲层上；
一多层半导体结构，包括一第一型掺杂半导体层、一发光层与一第二型掺杂半导体层，其中所述第一型掺杂半导体层接触所述至少一外延层，且所述发光层位于所述第一型掺杂半导体层与所述第二型掺杂半导体层之间。
11.根据权利要求10所述的紫外光发光二极管，其中，所述至少一外延层包括AlN与AlGaN中的至少之一。
12.根据权利要求11所述的紫外光发光二极管，其中，所述至少一外延层包括一含有AlN的第一外延层，以及一含有AlGaN的第二外延层，所述第二外延层位于所述第一外延层与所述第一型掺杂半导体层之间。
13.一种紫外光发光二极管的基板的制造方法，包括下列步骤：
A.提供一基材，所述基材具有一表面；
B.在所述基材的表面上设置一缓冲层，所述缓冲层的材质包括AlNxOy，其中x介于0.7至1之间，y介于0至0.3之间；所述缓冲层的上表面为C轴取向；
C.在所述缓冲层的上表面设置一图案化屏蔽层，该图案化屏蔽层具有多个凹穴；
D.对位于所述多个凹穴下方的缓冲层及基材进行蚀刻，以移除位于所述多个凹穴下方的缓冲层，使所述缓冲层形成一图案化缓冲层；以及移除所述多个凹穴下方的部分基材，以在所述基材的表面形成一图案化结构，其中所述基材被移除的部分构成所述图案化结构的多个凹陷部，所述基材在所述多个凹陷部之间的部位构成所述图案化结构的多个凸起部；
E.移除所述图案化屏蔽层。
14.根据权利要求13所述的紫外光发光二极管的基板的制造方法，其中，在所述步骤B、C之间还包括：将设置有所述缓冲层的基材进行退火，且退火的温度为1500℃以上。
15.根据权利要求14所述的紫外光发光二极管的基板的制造方法，其中，所述步骤B、C之间是将设置有所述缓冲层的基材置于一保护气体中进行退火，且所述保护气体不包含有碳元素或氧元素的气体。
16.根据权利要求15所述的紫外光发光二极管的基板的制造方法，其中，所述保护气体包含有惰性气体与氮气之中的至少之一。
17.根据权利要求15所述的紫外光发光二极管的基板的制造方法，其中，所述保护气体包含有小于或等于10％的氢气。
18.根据权利要求15所述的紫外光发光二极管的基板的制造方法，其中，所述保护气体可以是两种或两种以上气体的混合。
19.根据权利要求15所述紫外光发光二极管的基板的制造方法，其中，AlNxOy材质的所述缓冲层是通过高温反应性溅射、原子层沉积、分子束外延、或金属有机化学气相沉积方法制备得到。
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