TW202211501A - 複合式基板與發光二極體 - Google Patents

Abstract

一種複合式基板，包括一基板、一緩衝層及一應變釋放層。緩衝層配置於基板上。應變釋放層配置於緩衝層上，其中緩衝層位於基板與應變釋放層之間。應變釋放層的材料包括Al_1-x Ga_x N，其中0≦x＜0.15。應變釋放層中摻雜有矽，以釋放緩衝層所引起的壓應變。應變釋放層中摻雜的矽濃度大於10¹⁹ cm^-3 。應變釋放層的缺陷密度小於或等於5×10⁹ /cm² 。一種發光二極體亦被提出。

Description

複合式基板及發光二極體

本技術領域是有關於一種複合式基板及發光二極體（light-emitting diode, LED）。

在發光二極體的磊晶製程中，若欲在基板上成長N型及P型三五族半導體層以及量子井層等半導體層，則需要解決基板（例如藍寶石基板（sapphire substrate））與上述半導體層之晶格常數有差異的問題。晶格常數的差異會導致磊晶缺陷，進而影響了發光二極體的發光效率。為了解決上述晶格常數差異的問題，一般會在成長上述半導體層之前，先形成晶格常數差異較小的緩衝層。

另一方面，為了提升發光二極體的量子效率而使得圖案化藍寶石基板（patterned sapphire substrate, PSS）被發展出來，以藉由基板上的凸出圖案進行光散射來提升光取出率。此時，若採用氮化鋁層作為緩衝層，則由於鋁原子的活性高且表面遷移率（surface mobility）低，導致氮化鋁層的差排密度高、縫合厚度高、表面粗糙或龜裂等問題。

本揭露的一實施例提出一種複合式基板，包括一基板及一氮化鋁層。氮化鋁層配置於基板的上表面上。矽摻雜於氮化鋁層中以調節殘餘應力，氮化鋁層的膜厚小於3.5微米，氮化鋁層的缺陷密度小於或等於5×10⁹ /cm² ，且氮化鋁層之背對該基板的上表面的方均根粗糙度小於3奈米（nanometer, nm）。

本揭露的一實施例提出一種複合式基板的製造方法，包括：製備一基板及在基板的上表面上形成一氮化鋁層。矽摻雜於氮化鋁層中以調節殘餘應力，氮化鋁層的膜厚小於3.5微米，氮化鋁層的缺陷密度小於或等於5×10⁹ /cm² ，且氮化鋁層之背對該基板的上表面的方均根粗糙度小於3奈米。

本揭露的一實施例提出一種複合式基板，包括一基板、一緩衝層及一應變釋放層。緩衝層配置於基板上。應變釋放層配置於緩衝層上，其中緩衝層位於基板與應變釋放層之間。應變釋放層的材料包括Al_1-x Ga_x N，其中0≦x＜0.15。應變釋放層中摻雜有矽，以釋放緩衝層所引起的壓應變。應變釋放層中摻雜的矽濃度大於10¹⁹ cm^-3 。應變釋放層的缺陷密度小於或等於5×10⁹ /cm² 。

本揭露的一實施例提出一種發光二極體，包括一基板、一緩衝層、一應變釋放層、一N型半導體層、一發光層、一P型半導體層及一電極接觸層。緩衝層配置於基板上。應變釋放層配置於緩衝層上，其中緩衝層位於基板與應變釋放層之間。應變釋放層的材料包括Al_1-x Ga_x N，其中0≦x＜0.15。應變釋放層中摻雜有矽，以釋放緩衝層所引起的壓應變。應變釋放層中摻雜的矽濃度大於10¹⁹ cm^-3 。應變釋放層的缺陷密度小於或等於5×10⁹ /cm² 。N型半導體層配置於應變釋放層上。N型半導體層的材料包括Al_1-z Ga_z N，其中z＞x+0.15。發光層配置於N型半導體層上。P型半導體層配置於發光層上。電極接觸層配置於P型半導體層上。

為讓本揭露的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1A及圖2至圖5為本揭露的一實施例的複合式基板的製作流程的剖面示意圖，而圖1B為圖1A中的基板的上視示意圖。本實施例的複合式基板的製造方法包括下列步驟。首先，參照圖1A與圖1B，製備一基板110，基板110的上表面112包括多個奈米圖案化凹陷114，這些奈米圖案化凹陷114彼此分離。在本實施例中，基板110例如為藍寶石基板，這些奈米圖案化凹陷114的深度H是落在150奈米至1.5微米的範圍內，較佳是100奈米至1微米，更佳是200奈米至500奈米。且這些奈米圖案化凹陷的寬度W是落在200奈米至1.5微米的範圍內，較佳是300奈米至800奈米，更佳是400奈米至600奈米。在本實施例中，這些奈米圖案化凹陷114的形成方法例如是將尚未加工的藍寶石基板的上表面以溼蝕刻的方式製作出這些奈米圖案化凹陷114，因此蝕刻液會順著多個不同的晶面蝕刻藍寶石基板，並在相鄰兩晶面之間產生晶面的交界線113。在本實施例中，奈米圖案化凹陷114的多個晶面呈現倒角錐形（例如是三個晶面呈現倒三角錐形），而多條（例如至少三條，本實施例中是以三條為例）交界線113交會於倒三角錐形的最底部的頂點。在本實施例中，奈米圖案化凹陷114的側壁呈倒角錐形，且奈米圖案化凹陷114的底部呈尖端狀。然而，在其他實施例中，這些奈米圖案化凹陷114的形成方法亦可以是乾式蝕刻，則此方法所形成的奈米圖案化凹陷114就沒有上述的交界線113。

在本實施例中，這些奈米圖案化凹陷114在基板110的上表面112上呈週期性排列。然而，在其他實施例中，這些奈米圖案化凹陷114也可以呈不規則排列。

接著，參照圖2，在基板110的上表面112上形成一第一氮化鋁層120。第一氮化鋁層120的形成方法可以是金屬有機化學氣相沉積法（metal organic chemical vapor deposition, MOCVD）、濺鍍（sputtering）或氫化物氣相磊晶法（hydride vapor phase epitaxy, HVPE）。在本實施例中，第一氮化鋁層120的膜厚T1大於奈米圖案化凹陷114的深度H。

然後，再參照圖3，在第一氮化鋁層120上形成一平坦化層130，平坦化層130在覆蓋第一氮化鋁層120後，平坦化層130的上表面會較第一氮化鋁層120的上表面平坦。在本實施例中，平坦化層130的材料例如是旋塗式玻璃。然而，在其他實施例中，平坦化層130的材料亦可以是聚合物。

之後，參照圖4，逐漸移除平坦化層130的材料，其中當逐漸移除平坦化層130的材料至平坦化層130的底部時，亦會同時逐漸移除了部分的第一氮化鋁層120，以使第一氮化鋁層120平坦化，而形成上表面較為平坦的第一氮化鋁層121。在本實施例中，逐漸移除平坦化層130的材料的方法為乾蝕刻，例如是感應耦合電漿（inductively coupled plasma, ICP）蝕刻法，而蝕刻條件可以經選擇，而使對平坦化層130的蝕刻速率實質上相同於對第一氮化鋁層121的蝕刻速率，如此當將所有的平坦化層130的材料蝕刻完畢後，此時部分的第一氮化鋁層120便會被蝕刻到，以使平坦化層130的上表面形貌轉移至第一氮化鋁層121的上表面，而形成較為平坦的第一氮化鋁層121。然而，在其他實施例中，逐漸移除平坦化層130的材料的方法也可以是機械研磨（mechanical polishing）。

此外，在逐漸移除平坦化層130的材料之後，可對已平坦化的第一氮化鋁層121作退火（annealing）處理，例如是進行1500°C以上的高溫退火處理。高溫退火處理可引發第一氮化鋁層121的再結晶，大幅降低第一氮化鋁層121膜內的差排密度。

此後，請參照圖5，在已平坦化的第一氮化鋁層121上形成一第二氮化鋁層140，例如是利用金屬有機氣相沉積法來形成第二氮化鋁層140。由於第二氮化鋁層140是在已平坦化的第一氮化鋁層121上形成，因此第二氮化鋁層140之背對基板110的上表面142的方均根粗糙度（root mean square roughness）小於3奈米。由於第二氮化鋁層140是在上表面較為平坦的第一氮化鋁層121上形成，因此第二氮化鋁層140的縫合厚度可以較小。在本實施例中，第一氮化鋁層121加上第二氮化鋁層140所形成的氮化鋁層150的膜厚T2小於3.5微米。此外，由於第二氮化鋁層140是在上表面較為平坦的第一氮化鋁層121上形成，所以氮化鋁層150中可以不具有孔洞或較小的孔洞，且氮化鋁層150的缺陷密度小於或等於5×10⁹ /cm² ，而具有良好的結晶品質。氮化鋁層150中具有較小的孔洞是指氮化鋁層150內部具有多個孔洞，而每一孔洞在平行於基板110的橫向與垂直於基板110的縱向的至少一方向上的尺寸小於50奈米。在本實施例中，第二氮化鋁層140的厚度（其等於膜厚T2減去第一氮化鋁層121的膜厚T3）小於600奈米。

在本實施例中，於圖5之步驟後所形成的氮化鋁層150配置於基板110的上表面112上，氮化鋁層150之背對基板110的上表面（也就是第二氮化鋁層140的上表面142）的方均根粗糙度小於3奈米。如此一來，即形成包含基板110與氮化鋁層150的複合式基板100。複合式基板100可供發光二極體的N型半導體層、量子井層及P型半導體層形成於其上，且有助於提升N型半導體層、量子井層及P型半導體層的結晶品質。

在本實施例中，在第一氮化鋁層121上形成第二氮化鋁層140時，可在第二氮化鋁層140中摻雜矽，以調控殘餘應力。在本實施例中，第二氮化鋁層140中的矽的摻雜濃度大於2×10¹⁷ cm^-3 並且小於1×10²⁰ cm^-3 。在一較佳實施例中，第二氮化鋁層140中的矽的摻雜濃度大於2×10¹⁸ cm^-3 並且小於5×10¹⁹ cm^-3 。在本實施例中，由於第二氮化鋁層140中的矽摻雜，第二氮化鋁層140的面內晶格常數（in-plane lattice constant）大於第一氮化鋁層121的面內晶格常數。此外，在本實施例中，氮化鋁層150在鄰近基板110的一側（即圖中的下側）的矽濃度小於氮化鋁層150在遠離基板110的一側（即圖中的上側）的矽濃度。在本實施例中，氮化鋁層中最高矽濃度的位置（即位於第二氮化鋁層140的下側的位置）至基板110的上表面在垂直於基板110的鉛直方向上的距離大於600奈米。

在本實施例的複合式基板100及其製造方法中，由於在基板110的上表面112採用了彼此分離的多個奈米圖案化凹陷114，也就是採用了具有下凹式奈米圖案的奈米圖案化基板來取代傳統具有上凸式奈米圖案的圖案化基板，因此可大幅降低氮化鋁磊晶的先天晶粒縫合難度。此外，在本實施例中，形成奈米圖案化凹陷114的方法可以是溼蝕刻法，如此有助於提升氮化鋁直接於其上的磊晶品質。再者，藉由形成平坦化層130後再逐漸移除平坦化層130的材料的方法以使第一氮化鋁層121的表面平坦化，以及藉由對已平坦化的第一氮化鋁層121作退火處理，可進一步提升氮化鋁層150的晶體品質、降低縫合難度，並擴展複合式基板100的設計空間。

圖6A是關於圖5的複合式基板的三種不同樣品在第二氮化鋁層成長後的(002) X射線回擺曲線圖（X-ray rocking curve），而圖6B是關於圖5的複合式基板的三種不同樣品在第二氮化鋁層成長後的(102) X射線回擺曲線圖。此處採用了樣品A、樣品B及樣品C來驗證圖4、圖5、圖6A與圖6B中的本實施例的結晶品質。樣品A是指在基板110上形成第一氮化鋁層121，但第一氮化鋁層121沒有經過退火處理，且第一氮化鋁層121的膜厚T3為300奈米的樣品。樣品B是指在基板110上形成第一氮化鋁層121，且第一氮化鋁層121有經過退火處理，且第一氮化鋁層121的膜厚T3為300奈米的樣品。樣品C是指在基板110上形成第一氮化鋁層121，且第一氮化鋁層121有經過退火處理，且第一氮化鋁層121的膜厚T3為600奈米的樣品。當樣品A、樣品B及樣品C上尚未形成第二氮化鋁層140時，其(002) X射線回擺曲線的半高寬分別是50角秒（arcsec）、30角秒及70角秒，而其(102) X射線回擺曲線的半高寬分別是大於2000角秒、392角秒及371角秒。於樣品A、樣品B及樣品C上形成第二氮化鋁層140後的(002) X射線回擺曲線及(102) X射線回擺曲線則分別如圖6A與圖6B所繪示。樣品A、樣品B及樣品C形成第二氮化鋁層140後，其(002) X射線回擺曲線的半高寬分別是420角秒（arcsec）、216角秒及144角秒，而其(102) X射線回擺曲線的半高寬分別是560角秒、400角秒及280角秒。在本實施例中，氮化鋁層150的(002) X射線回擺曲線的半高寬小於或等於216角秒（例如小於150角秒），且氮化鋁層150的(102) X射線回擺曲線的半高寬小於或等於400角秒（例如小於350角秒）。由以上實驗數據可驗證，退火處理可在成長第二氮化鋁層140之前，有效提升第一氮化鋁層121的晶體品質，足夠的第一氮化鋁層121的厚度有助於進一步提升第二氮化鋁層140的晶體品質。在本實施例中，最後，複合式基板100的氮化鋁層150的(102) X射線回擺曲線的半高寬可達260角秒，換算差排密度約4×10⁸ cm^-2 。

圖7是三種不同樣品在第二氮化鋁層140成長後的拉曼光譜圖。圖7中的樣品X是指在基板110上形成第一氮化鋁層121，但第一氮化鋁層121沒有經過退火處理，於第一氮化鋁層121上成長沒有摻雜矽的第二氮化鋁層140，樣品Y是指在基板110上形成第一氮化鋁層121，但第一氮化鋁層121有經過退火處理，於第一氮化鋁層121上成長沒有摻雜矽的第二氮化鋁層140，樣品Z是指在基板110上形成第一氮化鋁層121，但第一氮化鋁層121有經過退火處理，於第一氮化鋁層121上成長有摻雜矽的第二氮化鋁層140。圖7中的樣品X、Y及Z的氮化鋁層150的厚度分別為2.11微米、2.12微米及2.13微米，圖7中的樣品X、Y及Z的翹曲度（warpage）分別是20.3微米、60.8微米及46.4微米，而圖7中的樣品X、Y及Z的拉曼光譜的E2高模態（E2 high mode）的頻移分別為658.9 cm^-1 、661.7 cm^-1 及659.6 cm^-1 。在本實施例中，複合式基板100的拉曼光譜的E2高模態的頻移小於或等於659.6 cm^-1 。由拉曼光譜的頻移，可根據文獻對應得知圖7中的樣品X、Y及Z的應力值分別為-1 GPa、-1.96 GPa及-1.24 GPa，而根據翹曲度可藉由史東納方程式（Stoney equation）分別計算出圖7中的樣品X、Y及Z的應力值分別為-0.54 GPa、-1.61 GPa及-1.22 GPa。負的應力值是表示壓應力，以區別於具有正應力值的張應力。負的應力值的絕對值越大，表示壓應力越大。在本實施例中，複合式基板100的殘餘應力的值大於或等於-1.24 GPa。

圖8是關於圖7的複合式基板的三種不同樣品X、Y及Z在第二氮化鋁層140成長後的(102) X射線回擺曲線半高寬對翹曲度圖。圖8中的樣品X、Y及Z的翹曲度（warpage）分別是20.3微米、60.8微米及46.4微米。樣品X、樣品Y及樣品Z形成第二氮化鋁層140後，其(102) X射線回擺曲線的半高寬分別是521角秒、259角秒及254角秒。由上述實驗數據可知，高溫退火處理有效的提升結晶品質，但殘餘的熱壓縮應變造成在第二氮化鋁層140成長後的大的晶圓翹曲，而採用在第二氮化鋁層140摻雜矽的方法可以平衝此應變，同時保持良好的結晶品質。

圖9是本揭露的另一實施例的複合式基板的剖面示意圖。請參照圖9，本實施例的複合式基板100a與圖5的複合式基板100類似，但兩者的主要差異如下所述。本實施例的複合式基板100a的基板110a的上表面112a為一平坦表面，而不具有如圖5之奈米圖案化凹陷114。此外，本實施例的複合式基板100a的製造方法是直接在基板110a的上表面112a上形成氮化鋁層150，且氮化鋁層150中摻雜有矽，以有效調控殘餘應力。本實施例的基板110a的材質相同於圖5之基板110的材質，而本實施例的氮化鋁層150的形成方法可以是金屬有機化學氣相沉積法。

圖10為本揭露的一實施例的發光二極體的剖面示意圖。請參照圖10，本實施例的發光二極體200包括一基板110a、一緩衝層121b、一應變釋放層140b、一N型半導體層220、一發光層230、一P型半導體層240及一電極接觸層250。基板110a、緩衝層121b及應變釋放層140b形成一複合式基板100b。本實施例的複合式基板100b類似於圖9的複合式基板100a，而兩者的主要差異如下所述。緩衝層121b配置於基板110a上，而應變釋放層140b配置於緩衝層121b上，其中緩衝層121b位於基板110a與應變釋放層140b之間。緩衝層121b的材料相同於前述第一氮化鋁層121的材料，且如同前述第一氮化鋁層121，緩衝層121b是已經過退火的膜層。在本實施例中，緩衝層121b的(102) X射線回擺曲線的半高寬小於350角秒，且緩衝層的線差排密度（threading dislocation density）小於2×10⁹ cm^-2 ，其代表緩衝層121b具有良好的磊晶品質。

應變釋放層140b的材料包括Al_1-x Ga_x N，其中0≦x＜0.15。舉例而言，應變釋放層140b為一Al_1-x Ga_x N層，且當x等於零時，應變釋放層140b為一氮化鋁層。

應變釋放層140b中摻雜有矽，以釋放緩衝層121b所引起的壓應變。應變釋放層140b中摻雜的矽濃度大於10¹⁹ cm^-3 。由於緩衝層121b經退火而為壓應變的，當一不摻雜矽的氮化鋁層形成於緩衝層121b上時，會具有大的壓應變。雖然不摻雜矽的氮化鋁層可具有良好的磊晶品質，前述壓應變加上由氮化鋁層與AlGaN層（即N型半導體層）之間的晶格常數不匹配所引起的另一壓應變可使得AlGaN層的應變難以被管控，其降低了AlGaN層與其上方的多個膜層的磊晶品質。在本實施例中，應變釋放層140b摻雜有高濃度的矽，而矽會產生許多空缺（vacancy）而逐漸釋放晶體的壓應變。因此，應變釋放層140b能夠具有小的缺陷密度與良好的磊晶品質，且良好的磊晶品質可被應變釋放層140b上方的這些膜層所繼承。在本實施例中，應變釋放層140b的缺陷密度小於或等於5×10⁹ /cm² 。此外，在本實施例中，應變釋放層140b的下表面142b與基板110a的上表面112b之間的距離T4小於600奈米，且應變釋放層140b的下表面142b與基板110a的上表面112b互相面對。

N型半導體層220配置於應變釋放層140b上。N型半導體層220的材料包括Al_1-z Ga_z N，其中z＞x+0.15。發光層230配置於N型半導體層220上。P型半導體層240配置於發光層230上。電極接觸層250配置於P型半導體層240上。在本實施例中，由於應變釋放層140b具有小的缺陷密度、良好的磊晶品質及較小的壓應變，因此N型半導體層220、發光層230及P型半導體層240能夠具有較佳的磊晶品質。

在本實施例中，發光二極體200更包括一鋁漸變層210，配置於應變釋放層140b與N型半導體層220之間，其中鋁漸變層210的材料包括Al_1-y Ga_y N，其中x≦y≦z。在本實施例中，鋁漸變層210為一氮化鋁鎵層。沿著應變釋放層140b至N型半導體層220的方向D1，鋁漸變層210的鋁濃度從接近應變釋放層140b的鋁濃度逐漸變化至接近N型半導體層220的鋁濃度。

在本實施例中，電極接觸層250具有超晶格結構，此超晶格結構包括交替堆疊的多個Al_1-w Ga_w N層252與多個Al_1-v Ga_v N層254，其中w不等於v。此超晶格結構的週期P1可小於4奈米。此超晶格結構可降低電極接觸層250對發光層230所發出的光的吸光度，進而提升發光二極體200的光取出效率（light extraction efficiency）。在本實施例中，電極接觸層250對發光層230所發出的光的吸光度小於10%。然而，在其他實施例中，電極接觸層250可以是不具有超晶格結構的單一的AlGaN層。

在本實施例中，發光層230可具有多重量子井層，此多重量子井層具有交替堆疊的多個能障層（barrier layer）232與多個能井層（well layer）234。能障層232與能井層234可以是氮化鋁鎵層，其中能障層232的鋁的莫耳分率不同於能井層234的鋁的莫耳分率。能井層234的鋁濃度小於能障層232的鋁濃度。

此外，電極260與電極270可分別配置於N型半導體層220與電極接觸層250上。藉由施加一順向電壓於電極270與電極260之間，發光層230可發光，例如發出紫外光C（UVC）。在其他實施例中，發光層230可發光，例如發出紫外光B（UVB）。在本實施例中，電極260與電極270可以是金屬電極。

圖11顯示不具有矽摻雜的一氮化鋁層的X射線ω-2θ掃描（標示為「無摻雜MOCVD氮化鋁模板」）及圖10中的緩衝層與應變釋放層的X射線ω-2θ掃描（標示為「具有壓應力的氮化鋁緩衝層與摻雜矽的氮化鋁」）。圖11中的單位「a.u.」是指「任意單位」。請參照圖10與圖11，從圖11可知，當矽摻雜於應變釋放層140b中時，包含緩衝層121b與應變釋放層140b的氮化鋁層的X射線ω-2θ掃描的波峰（peak）變寬或分裂為兩個波峰（即圖11中所顯示的121b的波峰與140b的波峰），其表示應變釋放層140b中的應變被釋放了。

圖12為利用二次離子質譜儀（secondary ion mass spectrometer, SIMS）測量圖10的發光二極體所得的成分分佈圖。在圖12中，單位「c/s」是指每秒的計數。請參照圖10與圖12，從圖12可知，摻雜於應變釋放層140b中的矽的濃度大於10¹⁹ cm^-3 ，且鋁漸變層210的鋁濃度從接近於應變釋放層140b的鋁濃度逐漸變化至接近於N型半導體層220的鋁濃度。

圖13為圖10中的發光二極體的下部的掃描穿透電子顯微術（scanning transmission electron microscopy, STEM）的影像。圖14為圖10中的發光二極體的上部的掃描穿透電子顯微術的影像。請參照圖10與圖13，在本實施例中，在應變釋放層140b中的差排（dislocation）143b相對於基板的法線傾斜一傾斜角θ，且傾斜角θ是落在從10度至30度的範圍內。圖13顯示三種傾斜角θ例如分別約為13度、26度及15度。如果應變釋放層140b被不摻雜矽的氮化鋁層取代，此層中的差排將會不規則或彎曲。相較之下，應變釋放層140b具有較規則的傾斜差排，其代表應變釋放層140b具有較佳的磊晶品質。從圖14可知，位於應變釋放層140b上方的多個膜層亦具有良好的磊晶品質。

圖15顯示二種電極接觸層的吸光度光譜及圖10中的發光層的電致發光（electroluminescence, EL）光譜。標示為「p-SPSL 12.5Å/12.5Å」的曲線為圖10中的電極接觸層250的吸光度光譜曲線，其中這些Al_1-w Ga_w N層252的每一者具有12.5Å的厚度，且這些Al_1-v Ga_v N層254的每一者具有12.5Å的厚度。再者，舉例而言，這些Al_1-w Ga_w N層252（圖14中的多個黑線）的w可為0.6，且這些Al_1-v Ga_v N層254（圖14的多個亮線）的v可為0.36。標示為「p-GaN接觸層」的曲線為電極接觸層的吸光度光譜曲線，其中此電極接觸層為不具有超晶格結構的單一P型氮化鎵層。標示為「EL」的曲線為發光層230的電致發光光譜。藉由比較此三曲線可知，圖10中具有超晶格結構的電極接觸層250對來自發光層230的光吸收較少，因此發光二極體200具有較佳的光取出效率。

圖16為本揭露的另一實施例的發光二極體的剖面示意圖。請參照圖16，本實施例的發光二極體200c類似於圖10的發光二極體200，而兩者的主要差異為複合式基板100c採用如圖1A所繪示的具有多個奈米圖案化凹陷的基板110（即奈米圖案化藍寶石基板（nano-patterned sapphire substrate）），且形成於基板110上的緩衝層為圖5中的第一氮化鋁層121。第一氮化鋁層121的製造方法已於前述實施例描述，在此將不再重述。

在本實施例中，應變釋放層140b不具有可被觀察到的孔洞，其表示應變釋放層中的孔洞在平行於基板110的一水平方向與垂直於基板110的鉛直方向中的至少一方向上的尺寸小於50奈米，其中孔洞可由基板110的奈米圖案化凹陷所引起。

圖17顯示圖10與圖16的多個發光二極體的電致發光強度。請參照圖17，標示為「FSS上的UVC LED」的數據點是指圖10的發光二極體200的電致發光強度，標示為「NPSS上的UVC LED」的數據點是指圖16中的發光二極體200c的電致發光強度。圖17的橫軸是指可有效發光的不同的多個發光二極體晶圓的測試序號。序號23以下為不採用應變釋放層140b及具有超晶格結構的電極接觸層250的發光二極體，而序號24以上為採用應變釋放層140b與具有超晶格結構的電極接觸層250的發光二極體200或200c。從圖17可知，藉由採用應變釋放層140b與具有超晶格結構的電極接觸層250，發光二極體200的電致發光強度至少提升了約50%。

綜上所述，在本揭露的實施例的複合式基板及其製造方法中，由於在基板的上表面採用了彼此分離的多個奈米圖案化凹陷，也就是採用了具有下凹式奈米圖案的奈米圖案化基板來取代傳統具有上凸式奈米圖案的圖案化基板，因此可大幅降低氮化鋁磊晶的先天晶粒縫合難度。此外，在本揭露的實施例中，形成奈米圖案化凹陷的方法可以是溼蝕刻法，如此有助於提升氮化鋁直接於其上的磊晶品質。再者，在本揭露的實施例中，藉由形成平坦化層後再逐漸移除平坦化層的材料的方法以使第一氮化鋁層的表面平坦化，以及藉由對已平坦化的第一氮化鋁層作退火處理，可進一步提升氮化鋁層的晶體品質、降低縫合難度，並擴展複合式基板的設計空間。在本揭露的實施例的複合式基板與發光二極體中，採用了摻雜高濃度矽的應變釋放層，而矽會產生許多空缺而逐漸釋放晶體中的壓應變。因此應變釋放層能夠具有小的缺陷密度與良好的磊晶品質，且良好的磊晶品質可被應變釋放層上方的多個膜層所繼承。

雖然本揭露已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本揭露的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100、100a、100b、100c:複合式基板 110、110a:基板 112、112a、112b、142:上表面 113:交界線 114:奈米圖案化凹陷 120、121:第一氮化鋁層 121b:緩衝層 130:平坦化層 140:第二氮化鋁層 140b:應變釋放層 142b:下表面 143b:差排 150:氮化鋁層 200、200c:發光二極體 210:鋁漸變層 220:N型半導體層 230:發光層 232:能障層 234:能井層 240:P型半導體層 250:電極接觸層 252:Al_1-w Ga_w N層 254:Al_1-v Ga_v N層 260、270:電極 D1:方向 H:深度 P1:週期 T1、T2、T3、T4:膜厚 W:寬度 θ:傾斜角

圖1A及圖2至圖5為本揭露的一實施例的複合式基板的製作流程的剖面示意圖。 圖1B為圖1A中的基板的上視示意圖。 圖6A是關於圖5的複合式基板的三種不同樣品在第二氮化鋁層成長後的(002) X射線回擺曲線圖。 圖6B是關於圖5的複合式基板的三種不同樣品在第二氮化鋁層成長後的(102) X射線回擺曲線圖。 圖7是關於複合式基板的三種不同樣品在第二氮化鋁層成長後的拉曼光譜圖。 圖8是關於圖7的複合式基板的三種不同樣品在第二氮化鋁層成長後的(102) X射線回擺曲線半高寬對翹曲度圖。 圖9是本揭露的另一實施例的複合式基板的剖面示意圖。 圖10為本揭露的一實施例的發光二極體的剖面示意圖。 圖11顯示不具有矽摻雜的一氮化鋁層的X射線ω-2θ掃描及圖10中的緩衝層與應變釋放層的X射線ω-2θ掃描。 圖12為利用二次離子質譜儀測量圖10的發光二極體所得的成分分佈圖。 圖13為圖10中的發光二極體的下部的掃描穿透電子顯微術的影像。 圖14為圖10中的發光二極體的上部的掃描穿透電子顯微術的影像。 圖15顯示二種電極接觸層的吸光度光譜及圖10中的發光層的電致發光光譜。 圖16為本揭露的另一實施例的發光二極體的剖面示意圖。 圖17顯示圖10與圖16的多個發光二極體的電致發光強度。

100b:複合式基板

110a:基板

112b:上表面

121b:緩衝層

140b:應變釋放層

142b:下表面

200:發光二極體

210:鋁漸變層

220:N型半導體層

230:發光層

232:能障層

234:能井層

240:P型半導體層

250:電極接觸層

252:Al_1-w Ga_w N層

254:Al_1-v Ga_v N層

260、270:電極

D1:方向

P1:週期

T4:膜厚

Claims (20)

1. 一種複合式基板，包括： 一基板； 一緩衝層，配置於該基板上；以及 一應變釋放層，配置於該緩衝層上，其中該緩衝層位於該基板與該應變釋放層之間，該應變釋放層的材料包括Al_1-x Ga_x N，其中0≦x＜0.15，該應變釋放層中摻雜有矽，以釋放該緩衝層所引起的壓應變，該應變釋放層中摻雜的矽濃度大於10¹⁹ cm^-3 ，且該應變釋放層的缺陷密度小於或等於5×10⁹ /cm² 。
2. 如請求項1所述的複合式基板，其中該緩衝層為氮化鋁層。
3. 如請求項1所述的複合式基板，其中該緩衝層的(102) X射線回擺曲線的半高寬小於350角秒。
4. 如請求項1所述的複合式基板，其中該應變釋放層的下表面與該基板的上表面之間的距離小於600奈米，且該應變釋放層的該下表面與該基板的該上表面互相面對。
5. 如請求項1所述的複合式基板，其中該應變釋放層中的差排相對於該基板的法線傾斜一傾斜角，且該傾斜角是落在從10度至30度的範圍內。
6. 如請求項1所述的複合式基板，其中該應變釋放層不具有可觀察到的孔洞。
7. 如請求項1所述的複合式基板，其中該緩衝層為一經退火的膜層。
8. 如請求項1所述的複合式基板，其中該緩衝層的線差排密度小於2×10⁹ cm^-2 。
9. 一種發光二極體，包括： 一基板； 一緩衝層，配置於該基板上； 一應變釋放層，配置於該緩衝層上，其中該緩衝層位於該基板與該應變釋放層之間，該應變釋放層的材料包括Al_1-x Ga_x N，其中0≦x＜0.15，該應變釋放層中摻雜有矽，以釋放該緩衝層所引起的壓應變，該應變釋放層中摻雜的矽濃度大於10¹⁹ cm^-3 ，且該應變釋放層的缺陷密度小於或等於5×10⁹ /cm² ； 一N型半導體層，配置於該應變釋放層上，該N型半導體層的材料包括Al_1-z Ga_z N，其中z＞x+0.15； 一發光層，配置於該N型半導體層上； 一P型半導體層，配置於該發光層上；以及 一電極接觸層，配置於該P型半導體層上。
10. 如請求項9所述的發光二極體，其中該緩衝層為氮化鋁層。
11. 如請求項9所述的發光二極體，其中該緩衝層的(102) X射線回擺曲線的半高寬小於350角秒。
12. 如請求項9所述的發光二極體，其中該應變釋放層的下表面與該基板的上表面之間的距離小於600奈米，且該應變釋放層的該下表面與該基板的該上表面互相面對。
13. 如請求項9所述的發光二極體，其中該應變釋放層中的差排相對於該基板的法線傾斜一傾斜角，且該傾斜角是落在從10度至30度的範圍內。
14. 如請求項9所述的發光二極體，其中該應變釋放層不具有可觀察到的孔洞。
15. 如請求項9所述的發光二極體，其中該緩衝層為一經退火的膜層。
16. 如請求項9所述的發光二極體，其中該緩衝層的線差排密度小於2×10⁹ cm^-2 。
17. 如請求項9所述的發光二極體，更包括一鋁漸變層，配置於該應變釋放層與該N型半導體層之間，其中該鋁漸變層的材料包括Al_1-y Ga_y N，其中x≦y≦z，該鋁漸變層的鋁濃度沿著從該應變釋放層至該N型半導體層的一方向從接近該應變釋放層的鋁濃度的一濃度逐漸變化至接近該N型半導體層的鋁濃度的一濃度。
18. 如請求項9所述的發光二極體，其中該電極接觸層具有超晶格結構，該超晶格結構包括交替堆疊的多個Al_1-w Ga_w N層與Al_1-v Ga_v N層，其中w不等於v。
19. 如請求項18所述的發光二極體，其中該超晶格結構的週期小於4奈米。
20. 如請求項18所述的發光二極體，其中該電極接觸層對該發光層所發出的光的吸光度小於10%。

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