TW202127687A - 具有２ｄ材料中介層的磊晶基板及製備方法和製作元件 - Google Patents

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Abstract

一種具有2D材料中介層的磊晶基板，沿一磊晶介面方向延伸，包括：一多晶基板，具有一表層、一基板側邊及一背面，且上述多晶基板在平行上述磊晶介面方向上熱膨脹係數與AlN或GaN差異不大於1.5×10-6℃-1；一多晶向2D超薄材料中介層，設置於上述多晶基板表層，上述多晶向2D超薄材料中介層具有一頂層，前述頂層晶格常數與AlN、AlGaN或GaN高度匹配；以及一AlN、AlGaN或GaN系磊晶層，磊晶生長於上述多晶向2D超薄材料中介層遠離上述多晶基板側。

Description

具有2D材料中介層的磊晶基板及製備方法和製作元件
本發明涉及具有2D材料中介層的磊晶基板，其製備方法和製作元件，尤其是AlGaN寬能隙元件和GaN系雷射二極體。
在發光二極體或雷射二極體(LD,laser diode)的元件製造過程中，磊晶對產品的品質有重要的影響，其中對品質的影響甚至包含發光效率、耐久度等。原因在於發光二極體尤其要求構成晶體激發時電子與電洞彼此配合才可以順利產生光子。相對地，如果在材料結構或組織上產生缺陷，電子與電洞相互結合過程中被缺陷阻礙的可能性就會增加，導致發光效果劣化。發光二極體主要的發光材料選用氮化鎵(GaN)，通常是以磊晶的方法生長在基板上，而所生產出的氮化鎵結晶結構和組織則很大部分受所採用的基板影響。為了增進上述發光二極體的發光效率、耐久度以及其他關於發光二極體品質相關的特性，此技術領域通常在選擇合適基板材料時考慮幾種條件。通常，基板的材料希望能儘量减少缺陷密度的單晶材料，在晶體結構、晶格常數(lattice constant)、熱膨脹係數(CTE,coefficient of thermal expansion)與磊晶材料匹配，才能盡可能避免在磊晶過程中影響發光二極體的晶體品質。
依照目前技術，最常採用的基板材料是單晶的藍寶石(Sapphire)，主要是考慮其化學穩定性好、製造技術成熟等優點；並且由於近年產能增加，藍寶石基板相對其他替代品，如：氮化鋁(AlN)、甚至氮化 鎵(GaN)基板等，相對更符合經濟要求。但由於藍寶石在晶體結構、晶格常數、熱膨脹係數與期望的磊晶材料匹配上不盡理想，導致GaN或AlGaN磊晶層缺陷密度偏高，影響了雷射二極體(LD,laser diode)方面的應用以及紫外光發光二極體(UV LED)的性能提升；其中屬深紫外光範圍的UVC LED發光波長最具有消毒殺菌的效能，除將有效取代現行低效耗能並有害環境的汞燈之外，更將於民生及日常消毒殺菌應用中有極大發展潜能，但目前最適於UV LED的氮化鋁基板量產技術存在瓶頸，UVC LED開發主要仍著力於匹配度不佳的藍寶石基板，導致性能提升存在極大障礙。
氮化鋁和氮化鎵的熔點均在攝氏兩千五百度以上，且存在蒸氣壓高的問題；換言之，若想要直接以熔融長晶的方法製作前述兩種材料的單晶基板，則不只製造成本更高，也相對會產生更多廢熱，對環境造成不可避免的污染。氣相法長晶部分，目前氮化鎵長晶採用的是氫化物氣相磊晶法(Hydride Vapor Phase Epitaxy,HVPE)來生產單晶氮化鎵基板，由於生產成本及生產率條件等限制，目前量產技術達到4英寸基板時，成本極高。事實上，上述氣相法缺陷密度仍然高於其他液相長晶工序，但受限於其餘工序長晶速率過於緩慢，不僅導致成本更為高昂，也幾乎難以量產。在市場需求、元件性能以及基板成本與供應量折衷考慮之下，商轉主流仍限於HVPE法。文獻指出氣相法GaN長晶速率仍有提高數倍的可能、並維持良好結晶性，但受限於缺陷密度劣化，目前並未能作為降低GaN基板成本的取向。至於氮化鋁長晶技術，採用的是氣相法之一的物理氣相傳輸法(Physical Vapor Transport,PVT)來生產單晶氮化鋁基板，由於生產技術及良率限制，全球僅兩家廠家有量產能力，目前量產技術僅達到2英寸基板同時成本極高，而產能全由少數廠商占有，無法廣泛供應市場。由於氮化鋁本身化學 特性以及物理氣相傳輸法硬體元件限制，單晶成品中一定程度的碳(C)與氧(O)雜質存在為不可避免，也一定程度影響元件特性。
Figure 109135672-A0101-12-0003-1
氧化鋅(ZnO)單晶材料以結晶構造、熱性質和晶格常數而言，都是前項中較為合適的基板材料選擇，因此吸引了技術開發者投入研究。不過氧化鋅今日在技術領域中並不被廣泛採用，其中主要的原因包括氧化鋅的化學活性高，容易在隨後的磊晶過程中受到含氫物質的侵蝕導致磊晶層品質低劣，如圖1所示，在磊晶工序時會發生氫92蝕刻氧化鋅基板91，同時，鋅93快速擴散進入上方磊晶層導致磊晶品質不佳；調整制程改善磊晶品質，卻仍然發生鋅與氧擴散、摻雜入發光二極體的晶粒中，造成發光特性不符合預期，使得該種結構無法符合實際市場需求。
同樣的情形，也可能存在於目前使用中的其他光電元件基板-磊晶組合中，例如碳化矽(SiC)或砷化鎵(GaAs)等；其中單晶碳化矽基板是目前高性能功率半導體以及高端發光二極體的基板材料，單晶長晶工序為 氣相法中的物理氣相傳輸法(Physical Vapor Transport,PVT)，高品質大尺寸碳化矽單晶成長技術難度高，高端量產技術掌握在少數廠商手中，影響所及應用成本仍有很大進步空間。
二維材料(two-dimensional(2D)materials)是一個快速發展的新興領域，2D材料家族中最早吸引大量研發投入也最知名的材料為石墨烯(graphene)，其二維層狀結構具備特殊或優異的物理/化學/機械/光電特性，層與層間則沒有强力的鍵結存在，僅以凡德瓦力結合，這也表示層狀結構表面沒有空懸鍵(dangling bond)存在，目前石墨烯已被確認具有廣泛而優異的應用潜能；石墨烯研發工作於全球普遍開展，同時也帶動更多2D材料的研發，包括過渡金屬二硫族化物TMDs(transition metal dichalcogenides)如圖2所示的WS2俯視圖、或如圖3所示的六方氮化硼hBN(hexagonal Boron Nitride)俯視圖以及黑磷(black phosphorus)等，也是2D材料家族中累積較多研發成果者，上述材料均各自具備特異的材料特性與應用潜能，相關材料的製造技術開發也持續積極推展中。除了優異的光電特性之外，石墨烯、hBN以及TMDs材料之一的MoS2都被視為具有優異的擴散阻障特性，也有程度不一的高溫穩定性，尤其hBN更具有絕佳的化學鈍性(inertness)以及高溫耐氧化性。
由於具備上述層狀結構本質以及層間凡德瓦力結合特性，將2D材料家族中兩種或多種材料製作成層狀堆疊異質結構(hetero-structures)技術可行性大開，異質結構除了結合不同特性更創造出新的應用特性或製作出新的元件成為可能，目前光電及半導體領域的研發相當積極。如圖4a、4b所示是機械性組成疊層的示意圖，圖5所示是物理或化學氣相沉積的示意圖。
2D材料的凡德瓦力結合特性也獲得應用於傳統3D材料的磊晶基板用途的關注，其著眼點在於磊晶技術中磊晶材料在晶體結構、晶格常數、熱膨脹係數必須與基板材料匹配非常良好，但現實上常遭遇如本發明主題欠缺適合基板材料，或者是理想的基板材料成本偏高或不容易取得等情形，此時2D材料對於異質磊晶基板提供了另一種解决方案，也就是所謂的凡德瓦磊晶(van der Waals Epitaxy)。凡德瓦磊晶可能有利於異質磊晶的機制來自於傳統磊晶介面直接的化學鍵改由凡德瓦力結合所取代，將使得來自於磊晶工序中晶格以及熱膨脹不匹配的應力或應變能因此獲得一定程度的舒緩，從而使得磊晶層品質獲得改善，或者說藉由2D材料以及凡德瓦磊晶導入可以使某些原先無法實用化的異質磊晶技術成為可能。相關研究也指出，當上述2D材料相互疊層異質結構時，相互間作用力以凡德瓦力為主；而在2D材料上進行3D材料的磊晶時，由於介面上3D材料的空懸鍵(dangling bond)存在同時對介面的結合力有貢獻，這種磊晶實質上並非純粹凡德瓦磊晶(van der Waals Epitaxy)或者更精確地可視為準凡德瓦磊晶(Quasi van der Waals Epitaxy)；不論何種情形，晶格與熱膨脹的匹配程度，無疑地仍對最終的磊晶品質起了一定的作用，2D材料中介層與基板材料都對整體的匹配度有所貢獻。上述2D層狀材料具有六角形或蜂巢狀(hexagon or honeycomb)結構，與纖鋅礦(Wurtzite)和閃鋅礦(Zinc-Blende)結構材料在磊晶時被視為結構兼容，本發明相關領域主要磊晶材料均屬此類結構。
基於磊晶基板用途，單晶(single crystal)為確保磊晶品質的要求之一。現有工藝，如圖7所示，是在高品質單晶基板7表面進行本質或異質磊晶，形成本質或異質的磊晶層8。目前AlGaN寬能隙元件在藍寶石或氮化鋁(AlN)上磊晶，GaN系雷射二極體在高品質單晶GaN上磊晶。AlGaN寬 能隙元件在藍寶石上磊晶，由於匹配度不佳，導致缺陷密度偏高(磊晶層缺陷密度>108/cm2)，嚴重影響元件效能，UVC LED元件更因為AlGaN與藍寶石折射率差異幅度大，導致內部反射，因此降低了整體發光效率，目前市場上元件發光效率EQE(External Quantum Efficiency，外部量子效率)遠低於10%；高品質AlN單晶基板是AlGaN磊晶的理想基板，由於晶格與熱膨脹係數與磊晶層高度匹配，磊晶層缺陷密度<105/cm2，目前受限於PVT製造技術含有特定雜質恰好吸收UVC波段光譜導致目前市場上元件發光效率EQE也低於10%。儘管如此，PVT AlN製造技術目前只能產制2英寸芯片，同時產量偏低成本偏高，全球唯二的PVT AlN供貨商產能也遭特定集團掌握，難以滿足市場供應需求；GaN系雷射二極體磊晶用的高品質單晶GaN製造成本偏高，然而受限於製造技術HVPE GaN晶體缺陷密度為藍寶石基板缺陷密度的100~1000倍，水平達到105/cm2且量產尺寸僅以4吋芯片為主；由於雷射二極體效能對磊晶層缺陷密度高度敏感，現有GaN單晶芯片實非理想選項，但市場上缺乏更佳方案。
近年多項研究指出2D材料家族通常互為異質磊晶的理想基板材料，例如六方氮化硼(hBN)被視為絕佳的過渡金屬二硫族化物TMDs(transition metal dichalcogenides)材料的磊晶基板，研究指出在單晶hBN表面可以磊晶成長MoS2、WS2、MoSe2、WSe2等TMD材料並維持高達95%表面積為單晶連續薄膜。
一般2D材料成長往往會在成核階段與結晶性基板晶體指向呈現相關性，當基板採用一般金屬箔片時，由於屬多晶結構，2D材料在成核階段已經形成方向不一致，晶核隨成長聚合成連續薄膜後仍存在不同指向的區塊(domain)而非單晶；當基板採用單晶材料如藍寶石，仍然因為兩者結 構對稱相關性導致可能出現的特定成核指向並非唯一，而無法形成單晶連續薄膜。因此，適用於先進電子元件晶圓等級的hBN單晶連續薄膜，在製程上仍然存在很大的挑戰。
近年研究指出在單晶的c面(c-plane)藍寶石表面可以CVD等方式成長結晶性良好的層狀MoS2、WS2、MoSe2、WSe2等TMD材料，成長出來的TMD材料存在兩種(0°及60°)晶體指向(crystal orientation)，並非單晶結構，被視為仍待克服的挑戰之一(參考文獻：Nature 2019,v.567,169-170)。如圖6所示，針對本發明所關注的AlGaN以及GaN材料而言，由於晶體結構在磊晶接面上具有六方對稱性(hexagonal)，上述的TMD層雖不構成單晶層，但理論上作為磊晶基板時無礙於AlGaN以及GaN磊晶層形成單晶；目前將TMD層自藍寶石表面剝下並移轉到其他基板表面的技術已達成實用化及大面積化，藍寶石基板可以重複循環使用，已屬商業量產可行的制程(參考文獻：ACS Nano 2015,9,6,6178-6187)。因此，本發明將上述研究晶向不同的困擾反過來加以利用，試圖藉由上述製程進一步研發，除了上述方式製作TMD單晶連續薄膜之外，更將藍寶石表面的多晶TMD層設置到熱膨脹係數與AlGaN以及GaN高度匹配的基板，藉以磊晶生長單晶AlGaN以及GaN系磊晶層，創造出適於量產的可行解決方案。
本發明之一目的在於提供一種具有2D材料中介層的磊晶基板，供需要單晶磊晶基板的電子元件使用，解决現有UVC LED和GaN系雷射二極體磊晶基板問題。
本發明之另一目的在提供上述磊晶基板的製備方法，供在多晶基板上磊晶生長單晶AlN、AlGaN或GaN系磊晶層。
本發明又一目的在提供一種上述磊晶基板的製作元件，AlGaN寬能隙元件以及GaN系雷射二極體。
為了達成上述目的，本發明揭露一種AlN、AlGaN或GaN系寬能隙光電元件，包括：一種具有2D材料中介層的磊晶基板，沿一磊晶介面方向延伸，包括：一多晶基板，具有一表層、一基板側邊及一背面，且上述多晶基板在平行上述磊晶介面方向上熱膨脹係數與AlN或GaN差異不大於1.5×10-6℃-1；一多晶向2D超薄材料中介層，設置於上述多晶基板表層，上述多晶向2D超薄材料中介層具有一頂層，前述頂層晶格常數與AlN、AlGaN或GaN高度匹配；以及一AlN、AlGaN或GaN系磊晶層，磊晶生長於上述多晶向2D超薄材料中介層遠離上述多晶基板側，供作為功能性半導體層。一對致能上述磊晶基板的致能電極；以及一封裝上述磊晶基板的封裝層。
為達上述目的，本發明更揭露一種具有2D材料中介層的磊晶基板，沿一磊晶介面方向延伸，包括：一多晶基板，具有一表層、一基板側邊(wafer bevel)及一背面，且上述多晶基板在平行上述磊晶介面方向上熱膨脹係數與AlN或GaN差異不大於1.5×10-6℃-1；一多晶向2D超薄材料中介層，設置於上述多晶基板表層，上述多晶向2D超薄材料中介層具有一頂層，前述頂層晶格常數與AlN、AlGaN或GaN高度匹配；以及一AlN、AlGaN或GaN系磊晶層，磊晶生長於上述多晶向2D超薄材料中介層遠離上述多晶基板側。
如上述具有2D材料中介層的磊晶基板，其中上述多晶向2D超薄材料中介層是包括一頂層和一底層異質接合的複合層結構，上述頂層晶格常數與AlN或GaN不匹配度(lattice constant misfit)不大於20%並適用於 AlN、AlGaN或GaN磊晶。
本發明同時揭露一種製備具有2D材料中介層的磊晶基板的方法：步驟1，上述多晶向2D超薄材料中介層系藉由具有六方對稱性結構單晶基板表面成長，形成由兩種互呈60度角匹配的結晶區域所組成的連續性薄層，且該連續性薄層的表層晶格常數與AlGaN以及GaN高度匹配；
步驟2，將上述多晶向2D超薄材料中介層，由上述具有六方對稱性結構單晶基板上移轉到多晶基板材料表層上；
步驟3，在上述多晶向2D超薄材料中介層上磊晶生長一AlN、AlGaN或GaN系磊晶層，得到具有2D材料中介層的磊晶基板。
採用上述方案後，本發明提供全新的基板，藉由2D材料(WS2與MoS2等)晶格常數與c面AlGaN和GaN高度匹配，多晶基板(例如燒結AlN)熱膨脹性質與AlGaN和GaN高度匹配，提供可行技術滿足在多晶基板上進行單晶層磊晶，加上因為燒結AlN技術可以製作大尺寸(6吋及6吋以上)基底且製作成本遠低於相關單晶芯片(GaN、AlN及藍寶石)，本發明同時解决現有UVC LED和GaN系雷射二極體磊晶基板問題並能顯著降低工序成本，可以有效提升AlGaN寬能隙光電電子元件以及GaN系雷射二極體元件效能並降低生產成本。
1、1’、1”:多晶基板
4”:致能電極
11”:基板側邊
5”:封裝層
2、2’、2”:多晶向2D超薄材料中介層
21’:頂層
61~65:步驟
22’:底層
7:單晶基板
3、3’、3”:AlN、AlGaN或GaN系磊晶層
31”:披覆部
8:磊晶層
91:ZnO
92:氫
93:鋅
圖1是氧化鋅基板在磊晶過程中受侵蝕示意圖；
圖2是二維材料過渡金屬二硫族化物TMDs的結構示意圖；
圖3是二維材料六方氮化硼hBN的結構示意圖；
圖4a、4b是機械性組成疊層的示意圖；
圖5是物理和化學氣相沉積的示意圖；
圖6是晶體結構在磊晶接面上的六方對稱性結構圖；
圖7是現有高品質的單晶基板表面進行本質或異質磊晶示意圖；
圖8是本發明的具有2D材料中介層的磊晶基板的製備方法流程示意圖；
圖9是本發明的具有2D材料中介層的磊晶基板的製備方法步驟1示意圖；
圖10是本發明的具有2D材料中介層的磊晶基板的製備方法步驟2中將待轉移的多晶向2D超薄材料中介層自單晶基板移除的示意圖；
圖11是本發明的具有2D材料中介層的磊晶基板的製備方法步驟2示意圖；
圖12是本發明的第一實施例結構示意圖；
圖13是本發明的第二實施例結構示意圖；
圖14是本發明的第三實施例結構示意圖。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚呈現；此外，在各實施例中，相同之元件將以相似之標號表示。
如圖8所示，本發明具有2D材料中介層的磊晶基板的製備方法，步驟如下：一併參考圖9、10、11和12，首先在步驟61，先製備符合磊晶成長等級的一高品質的單晶基板7，在本例中是以拋光單晶藍寶石基板(芯片)為例而作為起始材料，經過適當前處理(含芯片清洗)後，於步驟62在上述單晶基板7上異質磊晶由兩種互呈60度角匹配的結晶區域所組成的一多晶向2D超薄材料中介層2，在本例中以多晶WS2層為例。其中，將上述2D材料生成於單晶基板7表面，在本例中是採用成長(growth)工序，在高品質 單晶藍寶石基板上成長多晶WS2層作為待轉移的多晶向2D超薄材料中介層2，但是發明所屬領域中具有通常知識者，除了上述成長工序之外，也可以因應需求採用沉積(deposition)或塗覆(coating)等工序製備上述多晶向2D超薄材料中介層2。
隨後在步驟63，利用凡德瓦鍵結(van der Waals bond)特性，如圖10及11所示，將原本設置於單晶基板7上的多晶向2D超薄材料中介層2異質移轉(transfer)設置在一多晶基板1表面，總厚度範圍則在0.5nm以上；在本例中，是將適用於AlN、AlGaN或GaN磊晶的上述多晶WS2層自上述藍寶石表面剝下並移轉到多晶基板1表面，形成表層晶格常數與AlN、AlGaN或GaN不匹配度不大於5%的多晶向2D超薄材料中介層2。
在本實施例中，厚度約為3~5nm多晶向2D超薄材料中介層2，是被移轉設置到多晶基板1表面，本例的多晶基板1則是以燒結AlN為例。多晶向2D超薄材料中介層2易於產生兩種互呈60度角匹配的結晶區域，使得所組成的數層WS2難以符合單晶向的要求，而且該層上表面處的頂層，晶格常數與AlN、AlGaN或GaN必須相互匹配至誤差小於5%，在此稱為不匹配度不大於5%因此適於進行AlN、AlGaN或GaN磊晶。
在步驟64，在多晶向2D超薄材料中介層2上，借助凡德瓦磊晶成長一單晶AlN、AlGaN或GaN系磊晶層3，經最終處理步驟65而得到具有2D材料中介層的磊晶基板，也就是第一較佳實施例的結構，如圖12所示。其中上述多晶基板1的條件範圍為：在平行磊晶介面方向上熱膨脹係數與AlN或GaN差異不大於1.5×10-6℃-1，使其在AlGaN以及GaN磊晶工序中能維持材料品質穩定，不致造成損害而降低產出良率。
當然，如本技術領域人士所能輕易理解，多晶向2D超薄材料 中介層2’也可以是複合層結構，如圖13所示，本發明的第二較佳實施例，其中多晶基板1’和AlN、AlGaN或GaN系磊晶層3’與第一較佳實施例相同，不另贅述。本例中多晶向2D超薄材料中介層2’則是包括一頂層21’和一底層22’的複合層結構，由異質材料接合，其中頂層21’的頂層晶格常數與AlN、AlGaN或GaN不匹配度不大於20%而適於AlN、AlGaN或GaN磊晶，例釋為MoSe2；上述底層22’為可以磊晶成長MoS2、WS2、MoSe2、WSe2等TMD材料並維持延續底層晶向的2D連續薄膜材料，例釋為六方氮化硼hBN。
Figure 109135672-A0101-12-0012-2
本例中，異質接合的多晶向2D超薄材料中介層2’是例釋為多晶向hBN層的底層22’，並將多晶向hBN層移轉到多晶基板1’表面，再設置如上述頂層的2D材料於上述底層上。當然，熟知本技術領域人士所能輕易知悉，本例中上述底層22’所採用的材料例釋為hBN，但不限定為hBN。
如圖14所示，本發明的第三較佳實施例，一種AlN、AlGaN或GaN系寬能隙光電元件，是在具有2D材料中介層的磊晶基板上繼續進行後續磊晶等必要製造工序，以形成AlN、AlGaN或GaN系寬能隙光電元件。上述具有2D材料中介層的磊晶基板具有一多晶基板1”，其中前述多晶基板1”每一個側表面所組成的連續面，形成多晶基板1”的基板側邊11”(wafer bevel)。在上述多晶基板1”表面，移轉而設置有一例釋為由兩種互呈60度角匹配的結晶區域所組成的單層MoSe2，作為本例中多晶向2D超薄材料中介層2”，其中上述多晶向2D超薄材料中介層2”具有一頂層，而上述頂層晶格常數與AlN、AlGaN或GaN不匹配度不大於5%且適用於AlN、AlGaN或GaN磊晶。
和前述實施例不同之處在於，本例中的單晶AlN、AlGaN或GaN系磊晶層3”更包括有一在靠近多晶向2D超薄材料中介層2”的部分先形成一緩衝層(buffer layer)或成核層(nucleation layer)的披覆部31”，至少完全包覆上述多晶向2D超薄材料中介層2”的頂層和邊緣，更進一步朝圖示下方包覆多晶基板1”的基板側邊11”達一預定厚度範圍，提供AlN、AlGaN或GaN系磊晶更佳的成核效果以及磊晶品質，並同時在結構上提供多晶基板邊緣和2D材料中介層邊緣的保護性包覆。上述單晶AlN、AlGaN或GaN系磊晶層3”的披覆部31”例釋為以化學氣相蒸鍍(CVD)成長的AlN層；在側邊保護性包覆方面，上述披覆部31”可包覆上述多晶向2D超薄材料中介層2”整個頂面及邊緣，並包覆上述多晶基板1”的基板側邊11”達例釋為10nm的部分。
更進一步，上述披覆部31”至多可以完整包覆上述多晶基板1”的基板側邊11”和背面，上述基板側邊11”是多晶基板1”每一個側表面所組成的連續面；包覆程度係由不同製程能力及參數所控制或影響，發明所屬領域中具有通常知識者能採用適當的材料和工序如濺鍍(sputter)、化學氣相蒸鍍(CVD)、分子束磊晶(MBE)成長或沉積形成上述披覆部31”，不限於本例中以化學氣相蒸鍍成長的AlN層。
最後，單晶AlN、AlGaN或GaN系磊晶層3”繼續磊晶生長，製成AlN、AlGaN或GaN系寬能隙光電元件的功能性半導體層(active layer)，其 中AlGaN用於UVC LED紫外線中的C波段LED而GaN則用於藍色雷射二極體(blue laser diode)。一對致能上述磊晶基板的致能電極4”設置於上述單晶AlN、AlGaN或GaN系磊晶層3”上；一封裝層5”將上述具有2D材料中介層的磊晶基板封裝起來，組成AlN、AlGaN或GaN系寬能隙光電元件。
本發明解决了上述現有UVC LED和GaN系雷射二極體磊晶基板在缺陷密度和匹配度等方面的問題，並能顯著降低工序成本，不僅可以使得產品的產出效率提升，更重要的是藉由大幅減少瑕疵而使得大面積製造成為可行。進一步有效提升AlGaN系寬能隙光電及電子元件以及GaN系雷射二極體的元件效能、使得大面積產品生產良率顯著提升、並降低生產成本。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明涵蓋之範圍內。
1:多晶基板
2:多晶向2D超薄材料中介層
3:AlN、AlGaN或GaN系磊晶層

Claims (10)

  1. 一種AlN、AlGaN或GaN系寬能隙光電元件，包括：
    一種具有2D材料中介層的磊晶基板，沿一磊晶介面方向延伸，包括：
    一多晶基板，具有一表層、一基板側邊及一背面，且上述多晶基板在平行上述磊晶介面方向上熱膨脹係數與AlN或GaN差異不大於1.5×10-6℃-1；
    一多晶向2D超薄材料中介層，設置於上述多晶基板表層，上述多晶向2D超薄材料中介層具有一頂層，前述頂層晶格常數與AlN、AlGaN或GaN高度匹配；以及
    一AlN、AlGaN或GaN系磊晶層，磊晶生長於上述多晶向2D超薄材料中介層遠離上述多晶基板側，供作為功能性半導體層；
    至少一對致能上述磊晶基板的致能電極；以及
    一封裝上述磊晶基板的封裝層。
  2. 一種具有2D材料中介層的磊晶基板，沿一磊晶介面方向延伸，包括：
    一多晶基板，具有一表層、一基板側邊及一背面，且上述多晶基板在平行上述磊晶介面方向上熱膨脹係數與AlN或GaN差異不大於1.5×10-6℃-1；
    一多晶向2D超薄材料中介層，設置於上述多晶基板表層，上述多晶向2D超薄材料中介層具有一頂層，前述頂層晶格常數與AlN、AlGaN或GaN高度匹配；以及
    一AlN、AlGaN或GaN系磊晶層，磊晶生長於上述多晶向2D超薄材料中介層遠離上述多晶基板側。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的具有2D材料中介層的磊晶基板，其中上述多晶向2D超薄材料中介層是包括一頂層和一底層異質接合的複合層結構，上述頂層晶格常數與AlN、AlGaN或GaN不匹配度不大於20%並適用於AlN、AlGaN或GaN磊晶。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的具有2D材料中介層的磊晶基板，其中上述多晶向2D超薄材料中介層的厚度大於0.5nm。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的具有2D材料中介層的磊晶基板，其中上述多晶向2D超薄材料中介層是選自hBN、MoS2、WS2、MoSe2或WSe2的集合。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的具有2D材料中介層的磊晶基板，更包括一包覆上述多晶向2D超薄材料中介層的披覆部，且該披覆部至少完全包覆上述多晶向2D超薄材料中介層的頂層和邊緣，以及至少部分包覆上述基板側邊。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的具有2D材料中介層的磊晶基板，其中上述披覆部更完全包覆上述多晶基板的上述基板側邊及上述背面。
  8. 如申請專利範圍第1、2、3、4、5、6或7項所述的具有2D材料中介層的磊晶基板，其中上述多晶向2D超薄材料中介層至少頂層由兩種互呈60度角匹配的結晶區域(domain)所組成的。
  9. 一種製備具有2D材料中介層的磊晶基板的方法：
    步驟1，一多晶向2D超薄材料中介層系藉由具有六方對稱性結構單晶基板表面成長，形成由兩種互呈60度角匹配的結晶區域所組成的連續性薄層，且該連續性薄層的表層晶格常數與AlN、AlGaN或GaN高度匹配；
    步驟2，將上述多晶向2D超薄材料中介層，由上述具有六方對稱性結構單晶基板上移轉到多晶基板材料表層上；
    步驟3，在上述多晶向2D超薄材料中介層上磊晶生長一AlN、AlGaN或GaN系磊晶層，得到具有2D材料中介層的磊晶基板。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的一種製備具有2D材料中介層的磊晶基板的方法所述步驟1，其中上述多晶向2D超薄材料中介層沉積或塗覆成型於上述具有六方對稱性結構單晶基板表面。
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