TW202006197A - 電子裝置、發光元件、成長基板及其製造方法 - Google Patents

Abstract

本發明公開一種電子裝置、發光元件、成長基板及其製造方法。成長基板可用以成長磊晶層，以形成發光元件。發光元件可應用於電子裝置中。成長基板的製造方法包括：提供一基底以及形成複合膜於基底上。複合膜包括金屬層以及結晶碳層，且金屬層位於基底與結晶碳層之間。

Description

電子裝置、發光元件、成長基板及其製造方法

本發明涉及一種電子裝置、發光元件、成長基板及其製造方法，特別是涉及一種用以成長磊晶層的成長基板及其製造方法，以及應用前述成長基板的發光元件以及電子裝置。

發光二極體(LED)目前被廣泛應用於照明裝置以及做為液晶顯示器裝置中的背光模組。隨著發光二極體製作技術的發展，目前的發光二極體的晶粒尺寸(邊長)已可縮小至100微米以下，被稱為微發光二極體(Micro LED)，而可被應用於顯示面板中做為自發光的顯示畫素。

微發光二極體包括多層三五族半導體磊晶層，前述的三五族半導體可以是砷化鎵(GaAs)、磷化鋁(AlP)、氮化鎵(GaN)等。為了成長三五族半導體磊晶層，一般會使用和磊晶層的晶格常數相互匹配的基板，以減少磊晶層中的晶格缺陷。一般常用於成長三五族半導體磊晶層的基底例如是砷化鎵晶圓或者是藍寶石基底。

然而，砷化鎵晶圓或藍寶石基底的價格較為昂貴，且尺寸有限，而應用於顯示面板的微發光二極體的數量超過百萬個。若要應用這些基板來製造應用於顯示面板的微發光二極體，須使用大量的基板。如此，將使顯示面板的成本過高，而降低市場競爭力。

此外，目前是通過有機金屬化學氣相沉積(Metal Organic Chemical.Vapor Phase Deposition,MOCVD)來製造三五族半導體磊晶層的製程溫度高達1000℃以上，導致製程成本較高。因此， 目前仍待研發出其他可用來成長磊晶層的基板以及製程，以進一步降低微發光二極體等半導體元件的製造成本。

本發明所要解決的技術問題在於，降低用來成長磊晶層的成長基板成本以及製造成本，以使發光元件易於大量生產。如此，可進一步降低微發光二極體顯示裝置的生產成本。

為了解決上述的技術問題，本發明所採用的其中一技術方案是，提供一種用以成長磊晶層的成長基板的製造方法，其包括：提供一基底以及形成複合膜於基底上。複合膜包括金屬層以及結晶碳層，且金屬層位於基底與結晶碳層之間。

為了解決上述的技術問題，本發明所採用的另外一技術方案是，提供一種用以成長磊晶層的成長基板，其包括基底以及設置於基底上的複合膜，複合膜包括金屬層以及結晶碳層，且金屬層位於基底與結晶碳層之間。

為了解決上述的技術問題，本發明所採用的另外一技術方案是，提供一種發光元件，其包括成長基板以及設置於成長基板上的半導體發光結構。成長基板包括基底以及設置於基底上的複合膜。複合膜包括金屬層以及結晶碳層，且金屬層位於基底與結晶碳層之間。半導體發光結構設置在結晶碳層上。

為了解決上述的技術問題，本發明所採用的另外一技術方案是，提供一種電子裝置，其包括多個如上所述的發光元件。

本發明的其中一有益效果在於，本發明所提供的電子裝置、發光元件、成長基板及其製造方法，其能通過“在一基底上形成具有結晶碳層以及金屬層的複合膜”的技術方案，可以形成用於成長磊晶層的成長基板。相較於現有的藍寶石基板以及砷化鎵基板，本發明實施例所提供的成長基板的成本較低，且可用以大面積製造半導體發光結構，而有利於發光元件的量產。如此，當本發明實施例的發光元件應用於電子裝置時，可使電子裝置具有較 低的製造成本。

為使能更進一步瞭解本發明的特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明的詳細說明與圖式，然而所提供的圖式僅用於提供參考與說明，並非用來對本發明加以限制。

1‧‧‧成長基板

10‧‧‧基底

10a‧‧‧第一表面

10b‧‧‧第二表面

11‧‧‧複合膜

110‧‧‧金屬層

111‧‧‧結晶碳層

111S‧‧‧成長表面

111p‧‧‧碳原子

M1‧‧‧發光元件

BL‧‧‧緩衝層

2‧‧‧半導體發光結構

20‧‧‧P型半導體層

21‧‧‧N型半導體層

22‧‧‧主動層

P1‧‧‧第一階段

P2‧‧‧第二階段

P3‧‧‧第三階段

A1、A2‧‧‧溫度曲線

B1‧‧‧電漿功率曲線

C1、C2‧‧‧氣體流量曲線

T1‧‧‧第一預定溫度

T2‧‧‧第二預定溫度

S100、S200、S201~S203‧‧‧流程步驟

圖1顯示本發明一實施例的發光元件的製造方法的流程圖。

圖2A顯示本發明的製造方法的步驟S100於一實施例中的示意圖。

圖2B顯示本發明的製造方法的步驟S201於一實施例的示意圖。

圖2C顯示本發明的製造方法的步驟S202於一實施例的示意圖。

圖2D顯示本發明的製造方法的步驟S203於一實施例的示意圖。

圖3顯示本發明一實施例在形成複合膜過程中的基底溫度與時間的曲線圖。

圖4顯示本發明一實施例在形成複合膜過程中的電漿功率與時間的曲線圖。

圖5顯示本發明一實施例在形成複合膜過程中的氣體流量與時間的曲線圖。

圖6顯示本發明實施例的發光元件的示意圖。

以下是通過特定的具體實施例來說明本發明所公開有關“電子裝置、發光元件、成長基板及其製造方法”的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所公開的內容瞭解本發明的優點與效果。本發明可通過其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節也可基於不同觀點與應用，在不悖離本發明的構思下進行各種修改與變更。另外，本發明的附圖僅為簡單示意 說明，並非依實際尺寸的描繪，事先聲明。以下的實施方式將進一步詳細說明本發明的相關技術內容，但所公開的內容並非用以限制本發明的保護範圍。

請參照圖1以及圖2A至2D。圖1顯示本發明一實施例的成長基板的製造方法的流程圖，圖2A至2D繪示製造本發明其中一實施例的成長基板的詳細步驟。在本發明實施例所提供的成長基板的製造方法中，可以形成用於成長磊晶層且成本較低的成長基板。

請參照圖1，在步驟S100中，提供一基底。如圖2A所示，基底10具有兩相對的第一表面10a與第二表面10b。另外，基底10的材料可以是單晶材料或者是非晶材料。單晶材料例如是矽、鍺、砷化鎵或是藍寶石，而非晶材料例如是塑膠、玻璃或是金屬。在本實施例中，基底10的材料為非晶材料。

接著，在步驟S200中，形成複合膜於基底上。形成複合膜的步驟詳細說明如下。請先參照圖1以及圖2B。在步驟S201中，形成金屬層於基底上。具體而言，金屬層110是被形成在基底10的第一表面10a上，如圖2B所示。

在一實施例中，金屬層110是通過物理氣相沉積法形成於基底10上。本實施例中，金屬層110可通過濺鍍或者蒸鍍形成於基底10上。另外，由於金屬層110的熱膨脹係數與基底10的熱膨脹係數之間的差異，在製造複合膜的過程中的溫度變化可能會造成金屬層110收縮，並且使表面粗糙度增加。因此，本實施例的金屬層110的厚度介於450奈米至700奈米之間，可避免金屬層110因熱膨脹係數差異而變形。金屬層110的材料可選自銅、鎳、銠、鈷、金、銀、鉑及其任意組合所組成的群組。

接著，請參照圖1，在步驟S202中，在第一預定溫度下，暴露金屬層於碳前驅氣體中。配合參照圖2C，須說明的是，金屬層110可作為觸媒，以使碳前驅氣體在第一預定溫度下被分解而產生 碳原子。具體而言，碳前驅氣體可以是碳氫化合物氣體，例如：甲烷或是乙炔。碳前驅氣體在第一預定溫度下會進行脫氫反應(dehydrogenation)，從而產生碳原子。據此，第一預定溫度最好能大於可使碳前驅氣體被分解的最低溫度。

在一實施例中，第一預定溫度是至少大於400℃。若基底10為非晶材料，進一步考量基底10的熔點，第一預定溫度可介於400℃至700℃之間。若基底10的材料為矽、鍺或藍寶石，第一預定溫度也可以在700℃以上。在碳前驅氣體被分解之後，碳原子111p會溶入金屬層110中，形成固溶體(solid solution)，如圖2B所示。

接著，請參照圖1以及圖2D。在步驟S203中，冷卻基底以及金屬層至一第二預定溫度，以驅使金屬層內的碳原子被析出於金屬層的表面，而形成結晶碳層。

如圖2D所示，在基底10以及金屬層110被降溫至第二預定溫度後，金屬層110內的碳原子111p會被析出於金屬層110的表面。第二預定溫度可介於15℃至35℃之間。

須說明的是，碳原子在金屬層110內的溶解度(後文中稱為碳溶解度)，會隨著溫度下降而減少。既然第一預定溫度大於第二預定溫度，在第一預定溫度下的碳溶解度會大於在第二溫度下的碳溶解度。也就是說，在降溫過程中，金屬層110內的碳原子因濃度過飽和而析出於金屬層110的表面。

另外，析出於金屬層110表面的碳原子會有序地排列，而形成結晶碳層111。須說明的是，結晶碳層111的晶體結構是介於非晶結構與單晶結構之間。結晶碳層111可能包含石墨、石墨烯或者類鑽碳。在一實施例中，結晶碳層111包含石墨烯，且具有六角晶格結構。由於結晶碳層111的晶格常數和部分三五族半導體材料(如：氮化鎵)的晶格常數可相互匹配，因而適合於成長這類三五族半導體材料的磊晶層。所述的晶格常數匹配是指兩種異質材 料的晶格常數之間的差異不超過5%。據此，通過形成結晶碳層111，可以使成長基板1具有可用以成長磊晶層的成長表面111S。

在降溫過程中，幾乎大部分的碳原子都會被析出於金屬層110表面，但少量的碳原子有可能留在金屬層110內而未被析出。因此，金屬層110內含有微量的碳原子。

在其他實施例中，若金屬層110的碳溶解度低於0.01%，再通過控制溫度參數(包括第一預定溫度、第二預定溫度以及降溫速率)以及碳前驅氣體的流量，也有可能在降溫至第二預定溫度後，使金屬層110內的碳原子全部析出。另外，結晶碳層111的厚度大約介於10奈米至20奈米，可通過控制溫度參數以及碳前驅氣體的流量來調整。

如圖2D所示，通過上述步驟，可形成用以成長磊晶層的成長基板1。成長基板1包括基底10以及位於基底10上的複合膜11，且複合膜11具有金屬層110以及結晶碳層111，其中金屬層110位於結晶碳層111與基底10之間，且結晶碳層111具有可成長磊晶層的成長表面111S。

也就是說，即便基底10的材料是非晶材料，通過在基底10上形成具有金屬層110以及結晶碳層111的複合膜11，可形成適合於磊晶的成長表面111S。

接著，以濺鍍製程為例，來詳細說明本發明實施例形成複合膜11的步驟。請一併參照圖3至圖5。圖3顯示本發明一實施例在形成複合膜過程中的基底溫度與時間的曲線圖。圖4顯示本發明一實施例在形成複合膜過程中的電漿功率與時間的曲線圖。圖5顯示本發明一實施例在形成複合膜過程中的氣體流量與時間的曲線圖。

需先說明的是，圖3中所繪示的溫度曲線僅是用來表示在形成複合膜的過程中，被預先設定的溫度變化趨勢，並非反映實際的溫度曲線。相似地，圖4以及圖5中的電漿功率曲線以及氣體 流量曲線也僅是分別用來表示在形成複合膜的過程中，被預先設定的電漿功率變化趨勢以及氣體流量的變化趨勢。

另外，在形成複合膜11之前，基底10已被設置在真空腔體內。如圖3至圖5所示，在形成複合膜的步驟中，分為三個階段。在第一階段P1中，是在基底10上形成金屬層110。在第二階段P2中，是使碳原子固溶在金屬層110內。在第三階段P3中，是使碳原子析出於金屬層110的表面，而形成結晶碳層111。

圖3中的溫度曲線A1、A2分別表示不同的實施方式。溫度曲線A1代表在形成金屬層110之前，基底10一開始就被加熱到第一預定溫度T1。之後，基底10被維持在第一預定溫度T1直到第二階段P2結束。在第三階段P3中，基底10是由第一預定溫度T1降溫至第二預定溫度T2，以驅使碳原子析出於金屬層110的表面。

另一溫度曲線A2代表在形成金屬層110的過程中，基底10也可以先不加熱，而維持在較低的第二預定溫度T2。在進入第二階段P2之前，再將基底10加熱至第一預定溫度T1，並使基底10維持在第一預定溫度T1，直到第二階段P2結束。之後，在第三階段P3，基底10同樣是由第一預定溫度T1降溫至第二預定溫度T2，以驅使碳原子析出於金屬層110的表面。

圖4中的電漿功率曲線可顯示產生電漿以形成金屬層110的時間點。配合圖3以及圖4，在一實施例中，根據溫度曲線A1以及電漿功率曲線B1，在第一階段P1時，可在基底10被加熱至第一預定溫度T1後，開啟電源增加電漿功率，以在真空腔體內產生電漿，以撞擊靶材形成金屬層110於基底10上。在另一實施例中，也可以在基底10尚未被加熱到第一預定溫度T1之前，開啟電源增加電漿功率。當金屬層110的厚度達到一預設值時，再將電源關閉。

請配合參照圖5，在本實施例中，其中一氣體流量曲線C1代 表通入真空腔體內的氬氣氣體流量在不同階段的變化。另一氣體流量曲線C2代表通入真空腔體內的碳前驅氣體的氣體流量在不同階段的變化。

參照圖3至圖5，根據電漿功率曲線B1以及氣體流量曲線C1，在第一階段P1以及第二階段P2，通入真空腔體內的氬氣氣體流量達到一預設值，以產生氬氣電漿。根據另一氣體流量曲線C2，在第一階段P1並未通入碳前驅氣體。在第二階段P2時，才於真空腔體內通入碳前驅氣體。換言之，在第二階段P2中，氬氣與碳前驅氣體會共同通入真空腔體內。氬氣與碳前驅氣體的比例可以根據實際需求來設定。

根據電漿功率曲線B1，由於在第二階段P2中電漿電源尚未被關閉，因此金屬層110的厚度仍持續增加。此時，電漿也可輔助分解碳前驅氣體，從而使碳原子111p溶入金屬層110內，而形成固溶體(如圖2C)。

配合參照圖3至圖5，根據溫度曲線A1、Á2、電漿功率曲線B1以及氣體流量曲線C1、C2，在進入第三階段P3之前，也就是在冷卻基底10的步驟之前，停止供應碳前驅氣體以及氬氣氣體，並關閉電漿電源。之後，在第三階段P3中，隨著基底10的溫度下降，可驅使金屬層110內的碳原子因濃度過飽和而析出於金屬層110的表面，從而形成結晶碳層(如圖2D)。

本發明實施例的成長基板1可應用於成長磊晶層，而形成半導體元件。前述的半導體元件例如是發光二極體或者是三五族太陽能電池。請參照圖6，以下以發光元件為例，來進一步說明本發明實施例的成長基板之應用。

發光元件M1包括通過前述製造方法所形成的成長基板1、緩衝層BL以及半導體發光結構2，其中緩衝層BL位於結晶碳層111與半導體發光結構2之間。具體而言，可在成長基板1上依序形成緩衝層BL以及半導體發光結構2，來形成本發明實施例的發光 元件M1。

在一實施例中，緩衝層BL的材料為氮化鎵、氮化鋁、氧化鋅、砷化鎵、矽或鍺。成長在結晶碳層111上的緩衝層BL可具有較佳的結晶性，從而使後續成長在緩衝層BL上的半導體發光結構2也具有較好的磊晶品質。

緩衝層BL的晶格常數，可以和半導體發光結構2的晶格常數相互匹配。在一實施例中，當半導體發光結構2的材料為氮化鎵時，緩衝層BL的材料為氮化鋁或氧化鋅。

除此之外，在形成半導體發光結構2的步驟中，緩衝層BL可以減少因為成長基板1與半導體發光結構之間的熱膨脹係數差異而產生的熱應力。在一實施例中，緩衝層BL的厚度可介於50至200nm(奈米)。

另外，在本實施例中，緩衝層BL也可通過濺鍍形成於成長基板1上，且形成緩衝層BL的加工溫度是介於500℃至600℃之間。相較於有機金屬化學氣相沉積而言，通過濺鍍來形成緩衝層BL，可使加工溫度較低，且有利於大面積製作。

半導體發光結構2包括多層磊晶層，且多層磊晶層至少包括P型半導體層20、N型半導體層21以及一主動層22。主動層22位於P型半導體層20以及N型半導體層21之間，並可包括單個或者多個量子阱(quantum well)。在一實施例中，半導體發光結構2的材料可以是氮化鎵(GaN)、砷化鎵(GaAs)、磷化鋁(AlP)等三五族半導體材料。

半導體發光結構2是通過物理氣相沉積形成於緩衝層BL上。進一步而言，半導體發光結構2可通過濺鍍形成於緩衝層BL上。須說明的是，在現有的技術中，較少使用濺鍍來製作半導體發光結構，主要因為目前通過濺鍍形成品質較高的磊晶層仍有一定的困難度，而磊晶層的品質又影響發光元件M1的發光效率以及亮度。據此，以往在製造半導體發光結構2時，濺鍍通常不會是優 先選用的製作方式。

但是，在將發光元件M1應用在顯示裝置中作為顯示畫素時，由於發光元件M1的數量巨大(可能多達數百萬個)，因此對於單個發光元件M1的亮度以及發光效率的要求較為寬鬆。在以能夠大面積地形成半導體發光結構2作為主要考量的前提下，本發明實施例中，是選擇通過濺鍍來製造半導體發光結構2。另一方面，應用本發明實施例的成長基板1，並通過濺鍍來成長半導體發光結構2時，可使半導體發光結構2具有符合要求的磊晶品質。如此，有利於發光元件M1大量生產，而可進一步降低顯示裝置的成本。

另外，相較於有機金屬化學氣相沉積製程，通過濺鍍來製造半導體發光結構2的製程溫度也相對較低。因此，用於形成成長基板1的基底10的材料的選擇也較多。本發明實施例所提供的發光元件M1可被應用於電子裝置(未圖示)中，前述的電子裝置例如是顯示裝置或者照明裝置。

換句話說，電子裝置可以包括多個發光元件M1。當電子裝置為顯示裝置時，多個發光元件M1可以成陣列排列，以作為顯示畫素，或者是作為顯示裝置的背光源。在另一實施例中，當電子裝置為照明裝置時，多個成陣列排列的發光元件M1可以形成一面光源。

綜上所述，本發明的其中一有益效果在於，本發明所提供的電子裝置、發光元件、成長基板及其製造方法，其能通過其能通過“在一基底10上形成具有結晶碳層111以及金屬層110的複合膜11”的技術方案，可以形成用於成長磊晶層的成長基板1。

相較於現有的藍寶石基板以及砷化鎵基板，本發明實施例所提供的成長基板1的成本較低，且可用以大面積製造半導體發光結構2，而有利於發光元件M1的量產。如此，當本發明實施例的發光元件應用於電子裝置時，可使電子裝置具有較低的製造成本。另外，本發明實施例中，成長基板1的基底10可選擇金屬材 料，因此對於發光元件M1而言，具有更好的散熱效果。

以上所公開的內容僅為本發明的優選可行實施例，並非因此侷限本發明的申請專利範圍，所以凡是運用本發明說明書及圖式內容所做的等效技術變化，均包含於本發明的申請專利範圍內。

S100、S200、S201~S203‧‧‧流程步驟

Claims (17)

1. 一種成長基板的製造方法，其中，所述成長基板用以成長磊晶層，且所述製造方法包括：提供一基底；以及形成一複合膜於所述基底上，其中，所述複合膜包括一金屬層以及一結晶碳層，且所述金屬層位於所述基底與所述結晶碳層之間。
2. 如請求項1所述的製造方法，其中，形成所述複合膜的步驟包括：形成所述金屬層於所述基底上；在一第一預定溫度下，暴露所述金屬層於一碳前驅氣體中，以使所述碳前驅氣體在所述第一預定溫度下被分解而產生碳原子，且使所述碳原子溶入所述金屬層內，其中，所述第一預定溫度至少大於400℃；以及冷卻所述基底以及所述金屬層至一第二預定溫度，以驅使所述金屬層內的碳原子被析出於所述金屬層的表面，而形成所述結晶碳層。
3. 如請求項2所述的製造方法，其中，在形成所述金屬層的步驟中，所述基底被加熱至所述第一預定溫度，且所述第一預定溫度介於400℃至700℃。
4. 如請求項2所述的製造方法，其中，所述碳前驅氣體為碳氫化合物氣體。
5. 如請求項2所述的製造方法，其中，在冷卻所述基底的步驟之前，停止供應所述碳前驅氣體。
6. 如請求項2所述的製造方法，其中，所述金屬層是通過物理氣相沉積法而形成。
7. 如請求項1所述的製造方法，其中，所述基底的材料為非晶材料，且所述金屬層的材料選自銅、鎳、銠、鈷、金、銀、鉑及其任意組合所組成的群組，且所述金屬層含有碳原子。
8. 一種成長基板，其用以成長磊晶層，所述成長基板包括：一基底；以及一複合膜，其設置於所述基底上，其中，所述複合膜包括一金屬層以及一結晶碳層，所述金屬層位於所述基底與所述結晶碳層之間。
9. 如請求項8所述的成長基板，其中，所述基底的材料為非晶材料，且所述金屬層的材料選自銅、鎳、銠、鈷、金、銀、鉑及其任意組合所組成的群組，且所述金屬層含有碳原子。
10. 如請求項8所述的成長基板，其中，所述金屬層的厚度介於450nm至700nm之間，所述結晶碳層的厚度介於10nm至20nm之間。
11. 一種發光元件，其包括：一成長基板，其包括一基底以及一設置於所述基底上的複合膜，其中，所述複合膜包括一金屬層以及一結晶碳層，所述金屬層位於所述基底與所述結晶碳層之間；以及一半導體發光結構，其設置於所述結晶碳層上。
12. 如請求項11所述的發光元件，其中，所述基底的材料為非晶 基底，所述金屬層的材料選自銅、鎳、銠、鈷、金、銀、鉑及其任意組合所組成的群組，且所述金屬層含有碳原子。
13. 如請求項11所述的發光元件，其中，所述金屬層的厚度介於450nm至700nm之間，所述結晶碳層的厚度介於10nm至20nm之間。
14. 如請求項11所述的發光元件，還進一步包括：一緩衝層，位於所述結晶碳層與所述半導體發光結構之間，所述緩衝層的材料為氮化鎵、氮化鋁、氧化鋅、砷化鎵、矽或鍺。
15. 如請求項11所述的發光元件，其中，所述半導體發光結構包括多層磊晶層，且每一所述磊晶層的材料為三五族半導體材料。
16. 一種電子裝置，所述電子裝置包括多個發光元件，每一所述發光元件包括：一成長基板，其包括一基底以及一設置於所述基底上的複合膜，其中，所述複合膜包括一金屬層以及一結晶碳層，所述金屬層位於所述基底與所述結晶碳層之間；以及一半導體發光結構，其設置於所述結晶碳層上。
17. 如請求項16所述的電子裝置，其中，所述電子裝置為顯示裝置或者照明裝置。

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