TWI414081B - 使用微影技術製備發光二極體之奈米量子點活性層的方法 - Google Patents

使用微影技術製備發光二極體之奈米量子點活性層的方法 Download PDF

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Description

使用微影技術製備發光二極體之奈米量子點活性層的方法
本發明與製備發光二極體中的活性層有關，特別是直接利用現行微影技術設備，可製備出具有奈米量子點(Quantum Dots)等級活性層之發光二極體，使其成為發光波長更長、亮度更高及低起振電流的高品質發光二極體(Light Emitting Diode)。
因為發光二極體(LED)是一種半導體元件，故壽命長；由電轉換為光的效率高，耗電量少；同時發光二極體元件是一種極小的發光源，所以可配合各種應用設備的小型化。和一般燈泡比較起來，發光二極體燈泡的壽命要高出50~100倍，二極體本身耗費的電量約是一般燈泡的1/3~1/5，由於白色發光二極體燈泡具有多項優點，可望在二十一世紀取代鎢絲燈和水銀燈，成為兼具省電和環保概念的新照明光源。
就LED發光亮度來說，可分為高亮度和低亮度兩種，光亮度大於1燭光(cd)者，稱之為高亮度LED，區別在於材料的使用上及磊晶技術(Epitaxy)的不同。早期由液相磊晶(Liquid Phase Epitaxy, LPE) 開始發展，常用的技術還有鹵素氣相磊晶(Hydride Vapor Phase Epitaxy, HVPE)、分子束磊晶(Molecular Beam Epitaxy, MBE)和有機金屬氣相磊晶(Metal-Organic Vapor phase Epitaxy, MOVPE)等。
當材料粒子的尺寸縮小到奈米等級時，其物理和化學性質會發生改變，因此，奈米技術(nanotechnology，NT)被認為是二十一世紀最重要的技術之一，將奈米技術應用在發光二極體上，可以大幅提升發光二極體的性能。
如第一圖至第三圖所示，係習知以奈米微影製程(nano-lithography)所得之奈米結構，其施作之步驟為：(A).先將預期的奈米圖形Q設計於光罩(photomask)M上，再將該光罩M置放於表面塗佈有阻劑(resist)2的基材1上方(如第一圖所示)；(B).以光束e穿過光罩M上的各奈米圖形Q後形成曝光，再經過顯影之後，即會在基材1表面的阻劑2上生長出與原設計於光罩M上相同圖形Q的奈米孔3之結構(如第二圖所示)；(C).以鍍源裝置30將氣體分子或原子型態的鍍源材料B直接鍍著在該奈米孔3的周圍與底部位置上(如第三圖-a及第三圖-b所示)；(D).最後再以溶劑將阻劑2消除後，即可在基材1表 面上得到所需奈米結構的奈米點4(如第三圖-c所示)。
前述之習知製程因受限於既有光刻技術的精度極限下，使得目前最精密的奈米尺寸只能達到60~65奈米(nm)，因此轉印曝光來自光罩M的奈米孔3，其奈米尺寸均在60奈米(nm)以上，相對地其製備所得到的奈米點4之奈米尺寸也是在60奈米(nm)以上，故前述習知奈米尺寸量子點器件的物理極限尺寸至今仍是停留在60奈米(nm)以上，因此如何突破使得該奈米孔3的奈米尺度再為更小，乃是至今各個領域產業專家們所急欲解決的技術難題，同時在解決過程中又得遵守成本花費不可太高的原則，致使選擇技術突破的方式相當困難，瞭解奈米科技的科學家或奈米技術的製備專家們，都知道要做出小於50奈米或小至1~2奈米之元件的好處，但至今仍見不到有任何好的特別方法被提出或發表或應用因而，更遑論能在發光二極體中製備出具有奈米量子點等級的活性層矣！
本發明的主要目的在利用既有生產製造奈米尺度結構的設備下，不必改變或重新設計其原有製備 奈米尺寸設備的精準度，即可製備出具有更為微小發光二極體的奈米活性層，進而有效製備出發光波長更長、亮度更高及低起振電流的高品質發光二極體。
本發明之另一目的係在提供一種「使用微影技術製備發光二極體之奈米量子點(Quantum Dots)活性層的方法」，其步驟包含：(a)在既定磊晶基材上以傳統微影方式成長奈米結構筒狀細孔(pore)，在筒狀細孔的頂部開口上，以原子或分子態的材料堆積黏著於該頂部開口，使其頂部開口的口徑逐漸縮小而形成一較原有頂部開口口徑為小的奈米縮小口(reduced nano-aperture)；(b)將磊晶基材固定在水平方向，再以氣體分子或原子型態的鍍源材料垂直正對於該奈米縮小口，使該鍍源材料穿透該奈米縮小口後，即會直接在奈米結構筒狀細孔底部的磊晶基材表面上，鍍著形成一個與該奈米縮小口之口徑尺度相同的奈米量子點；(c)令磊晶基材以奈米縮小口為中心向右傾斜一傾斜角度θ，且鍍源材料輸出方向不變，再次將該鍍源材料穿透該奈米縮小口，即會在原先量子點之右側位置的磊晶基材表面上，鍍著出另一奈米量子點；(d)以奈米縮小口的中心 線作為軸心而旋轉一旋轉角度Φ，且鍍源材料輸出方向不變，又可鍍著出另一奈米量子點；(e)最後經由調控不同的傾斜角度θ及旋轉角度Φ等參數，可達成更高密度與數量奈米量子點的活性層。
請參閱第四圖至第六圖所示，第四圖為習知雙異質結構(DH, Double Heterostructure)砷化鎵鋁(AlGaAs)發光二極體的剖面示意圖，第五圖為習知雙行雙異質結構(DDH)砷化鎵銦(InGaAs)發光二極體的剖面示意圖，本發明即是針對諸如該砷化鎵鋁(AlGaAs)或砷化鎵銦(InGaAs)等發光二極體中的活性層(Active Layer)來製備出奈米量子點(Quantum Dots)活性層的方法，因此，第六圖所示係習知微影製程中利用build-up或build-down等方法，而在發光二極體的磊晶基材100(p侷限層或n侷限層)上所成長得出的奈米結構筒狀細孔10，該習知奈米結構筒狀細孔10的孔徑最小尺寸，目前只能達到60奈米(nm)或60奈米(nm)以上，其製備方式可選擇包括光刻微影技術、奈米轉印技術(nano imprinting)、分子束磊晶技術(MBE)、金屬有機化學氣相沉積技術(MOVCD)等之任一種方式來達成， 惟，該等習知之技術方式因非本發明所訴求之技術特徵與標的，在此不予贅述，合先敘明。
續請參閱第六圖至第十五圖所示，本發明「使用微影技術製備發光二極體之奈米量子點(Quantum Dots)活性層的方法」，其步驟包含：(a)在磊晶基材100(即p侷限層或n侷限層)上，以傳統微影方式成長(型)出奈米結構筒狀細孔(pore)10，於該奈米結構筒狀細孔10的頂部開口11上(如第七圖所示)，先以原子或分子態的封口材料A堆積黏著於該頂部開口11，使該頂部開口11的口徑逐漸縮小而形成一較原頂部開口11之口徑為小的奈米縮小口(reduced nano-aperture)20(如第八圖-g及第九圖所示)；(b)將磊晶基材100固定在水平方向，再以氣體分子或原子型態的鍍源材料B垂直正對於該奈米縮小口20，使該鍍源材料B穿透該奈米縮小口20(如第十圖所示)後，即會直接在奈米結構筒狀細孔10底部的磊晶基材100表面上，鍍著形成一個與該奈米縮小口20之口徑尺度相同的奈米量子點40(如第十一圖及第十一圖-a所示)；(c)令磊晶基材100以奈米縮小口20為中心向右 傾斜一傾斜角度θ1，且鍍源材料B的輸出方向不變，再次將該氣體分子或原子型態的鍍源材料B穿透該奈米縮小口20，即會在原先奈米量子點40之右側位置的磊晶基材100表面上，鍍著出另一奈米量子點41(如第十二圖及第十二圖-a所示)；(d)再令磊晶基材100以奈米縮小口20為中心向左傾斜一傾斜角度θ2，且鍍源材料B的輸出方向不變，再次將該氣體分子或原子型態的鍍源材料B穿透該奈米縮小口20，即會在該原先奈米量子點40之左側位置的磊晶基材100表面上，又可鍍著出另一奈米量子點42(如第十三圖及第十三圖中-a所示)；(e)以奈米縮小口20的中心線作為軸心，並配合一傾斜角度θ而旋轉一旋轉角度Φ，且鍍源材料B的輸出方向不變，再經由氣體分子或原子型態的鍍源材料B穿透該奈米縮小口20後，即會在該原先奈米量子點40之前側位置的磊晶基材100表面上，又可鍍著出另一奈米量子點43(如第十四圖及第十四圖-a所示)；及(f)經由調控不同的傾斜角度θ及旋轉角度Φ等參數，可在每一奈米結構筒狀細孔10中完成預期數 量的奈米量子點40、41、42及43(如第十五圖中的上視圖所示)；(g)最後以溶劑洗滌(即溼式蝕刻wet etching)或氣體腐蝕(即乾式蝕刻dry etching)等方式將磊晶基材100上的所有奈米結構筒狀細孔10消除(如第十五圖所示)，即可在磊晶基材100上製備出具有密度高，且均勻分佈有許多相同奈米尺度奈米量子點的發光二極體之奈米活性層。
其中，當步驟(c)中的傾斜角度θ1與步驟(d)中的傾斜角度θ2為相等時，則反應在鍍著於磊晶基材100表面上該奈米量子點40與奈米量子點41之間的距離d2，就會等於該奈米量子點40與奈米量子點42之間的距離d1(如第十五圖中之上視圖所示)；另該奈米量子點40與奈米量子點43之間的距離d3則是透過旋轉角度Φ的大小來控制(如第十四圖-a所示)，因此，經由傾斜角度θ1、θ2與旋轉角度Φ之容易且可調控定位下，即可使各奈米量子點40、41、42及43之間的距離大小，或是單位面積上所需要的密度等要求均能非常精準地達成，甚至各個量子點如被要求各自有不同材質成份之要求時，亦僅需透過選用不同的鍍源材料B來搭配即可滿足其要 求，使得本發明能完全應用在製備出具有奈米量子點(Quantum Dots)等級活性層之發光二極體領域上，且其又都是在室溫下可操作，故整體之效益相當高但卻又價廉。
又，前述步驟(a)中在奈米結構筒狀細孔10的頂部開口11所形成奈米縮小口20的施作方式乃如第八圖-a至第八圖-g所示，其步驟包含：(1)先將磊晶基材100置放固定於具有三維空間傾斜角度及旋轉功能的旋轉傾斜檯R上，並調整該旋轉傾斜檯R成一傾斜角度θ(如第八圖-a所示，即該奈米結構筒狀細孔10的頂部開口11中心軸線與鍍源裝置30的輸出方向之夾角度值為90°-θ°)，使得原子或分子態的封口材料A能在奈米結構筒狀細孔10的頂部開口11之最底端口緣位置處上，先產生局部堆積封口的結果(如第八圖-a及其所對應之側視圖中之圖號A所示)；及(2)令該旋轉傾斜檯R固定在該傾斜角度θ之傾斜位置上，再經逐漸旋轉該旋轉傾斜檯R一圈後(如第八圖-b、第八圖-c、第八圖-d、第八圖-e、第八圖-f及其各自所對應之各側視圖所示)，則該原子或分子態的封口材料A即可在奈米結構筒狀細孔10的頂 部開口11上堆積出較頂部開口11之口徑為小的奈米縮小口20(如第八圖-g及其所對應之側視圖所示)；其中，該旋轉傾斜檯R只要經由增加其旋轉的圈數，即可使封口材料A在該頂部開口11上，獲得更小口徑的奈米縮小口20，且該奈米縮小口20的口徑大小可利用市售之膜厚計來做即時的度量監測，以作為控制旋轉傾斜檯R旋轉速度快慢的依據，因而能達成所預期口徑大小的奈米縮小口20，俾符合發光二極體之奈米量子點(Quantum Dots)活性層結構的密度要求。
再者，前述步驟(a)中的磊晶基材100，可由液相磊晶(Liquid Phase Epitaxy/LPE)、或鹵素氣相磊晶(Hydride Vapor Phase Epitaxy HVPE)、或分子束磊晶(Molecular Beam Epitaxy MBE)、或有機金屬氣相磊晶(Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy MOVPE)等習知之製程製備得到。
另，在前述步驟(b)中的氣體分子或原子型態鍍源材料B係由鍍源裝置30所提供輸出，為使得氣體分子或原子型態的鍍源材料B能以直線路徑方式穿透過奈米縮小口20，可於該鍍源裝置30與奈米縮小口20之間加裝一準直器Y(如第十圖所示)，其能有 助於導引該氣體分子或原子型態鍍源材料B的行進方向更為一致性，進而增加磊晶基材100表面上所形成各奈米量子點40、41、42及43的可靠度。
因此，經由本發明前述步驟(a)至(g)所完成之發光二極體中的奈米量子點活性層，其各奈米量子點的大小，以及各奈米量子點彼此之間的間距等均可達成百分之百地精準控制，使其在光學特性的表現上具有相當的穩定性，進而可產生極為有效可靠的混光效應之功效，同時讓發光二極體的各種光電效應都能獲得更好的品質大幅提升，故本發明極具產業利用性。
1‧‧‧基材
2‧‧‧阻劑
3‧‧‧奈米孔
4‧‧‧奈米點
10‧‧‧奈米結構筒狀細孔
11‧‧‧頂部開口
20‧‧‧奈米縮小口
30‧‧‧鍍源裝置
40、41、42、43‧‧‧奈米量子點
100‧‧‧磊晶基材
A‧‧‧封口材料
B‧‧‧鍍源材料
d1、d2、d3‧‧‧距離
e‧‧‧光束
M‧‧‧光罩
Q‧‧‧奈米圖形
R‧‧‧旋轉傾斜檯
Y‧‧‧準直器
θ、θ1、θ2‧‧‧傾斜角度
Φ‧‧‧旋轉角度
第一圖：係習用奈米轉印技術微影製程中光罩與基材的立體示意圖。
第二圖：係第一圖中2-2線的剖面視圖。
第三圖-a：係習用製備奈米點結構的流程圖之一。
第三圖-b：係習用製備奈米點結構的流程圖之二。
第三圖-c：係習用製備奈米點結構的流程圖之三。
第四圖：係習知雙異質結構發光二極體之剖面示意圖。
第五圖：係習知雙行雙異質結構發光二極體之剖面示意圖。
第六圖：係習知利用build-up或build-down等方法 製程中所得出奈米結構圓筒狀細孔的立體圖。
第七圖：係第六圖中之7-7線的剖面視圖。
第八圖-a：係本發明中施作奈米縮小口的流程示意圖之一。
第八圖-b：係本發明中施作奈米縮小口的流程示意圖之二。
第八圖-c：係本發明中施作奈米縮小口的流程示意圖之三。
第八圖-d：係本發明中施作奈米縮小口的流程示意圖之四。
第八圖-e：係本發明中施作奈米縮小口的流程示意圖之五。
第八圖-f：係本發明中施作奈米縮小口的流程示意圖之六。
第八圖-g：係本發明中施作奈米縮小口的流程示意圖之七。
第九圖：係本發明在奈米結構圓筒狀細孔的頂部完成奈米縮小口之剖面示意圖。
第十圖：係本發明在磊晶基材表面上長成奈米量子點之作動示意圖。
第十一圖：係本發明在磊晶基材表面上製備出各奈米量子點的作動示意圖之一。
第十一圖-a：係第十一圖中11a-11a線之剖面圖。
第十二圖：係本發明在磊晶基材表面上製備出各奈 米量子點的作動示意圖之二。
第十二圖-a：係第十二圖中12a-12a線之剖面圖。
第十三圖：係本發明在磊晶基材表面上製備出各奈米量子點的作動示意圖之三。
第十三圖-a：係第十三圖中13a-13a線之剖面圖。
第十四圖：係本發明在磊晶基材表面上製備出各奈米量子點的作動示意圖之四。
第十四圖-a：係第十四圖中14a-14a線之剖面圖。
第十五圖：係本發明在磊晶基材表面上完成製備出具有奈米量子點的發光二極體之奈米活性層之示意圖。
2‧‧‧阻劑
10‧‧‧奈米結構筒狀細孔
20‧‧‧奈米縮小口
30‧‧‧鍍源裝置
40‧‧‧奈米量子點
100‧‧‧磊晶基材
B‧‧‧鍍源材料
Y‧‧‧準直器

Claims (6)

  1. 一種「使用微影技術製備發光二極體之奈米量子點活性層的方法」，其步驟包含：(a)在磊晶基材上，以傳統微影方式成長(型)出奈米結構筒狀細孔(pore)，於該奈米結構筒狀細孔的頂部開口上，先以原子或分子態的封口材料堆積黏著於該頂部開口，使該頂部開口的口徑逐漸縮小而形成一較原頂部開口之口徑為小的奈米縮小口(reduced nano-aperture)；(b)將磊晶基材固定在水平方向，再以氣體分子或原子型態的鍍源材料垂直正對於該奈米縮小口，使該鍍源材料穿透該奈米縮小口後，即會直接在奈米結構筒狀細孔底部的磊晶基材表面上，鍍著形成一個與該奈米縮小口之口徑尺度相同的奈米量子點；(c)令磊晶基材以奈米縮小口為中心向右傾斜一傾斜角度，且鍍源材料的輸出方向不變，再次將該氣體分子或原子型態的鍍源材料穿透該奈米縮小口，即會在原先奈米量子點之右側位置的磊晶基材表面上，鍍著出另一奈米量子點；(d)再令磊晶基材以奈米縮小口為中心向左傾斜一傾斜角度，且鍍源材料的輸出方向不變，再次將該氣體分子或原子型態的鍍源材料穿透該奈米縮小口，即會在該原先奈米量子點之左側位置的磊晶基材表面上，又可鍍著出另一奈米量子點；(e)以奈米縮小口的中心線作為軸心，並配合一傾斜角度而旋轉一旋轉角度，且鍍源材料的輸出方向不 變，再經由氣體分子或原子型態的鍍源材料穿透該奈米縮小口後，即會在該原先奈米量子點之前側位置的磊晶基材表面上，又可鍍著出另一奈米量子點；及(f)最後以溶劑洗滌(即溼式蝕刻wet etching)或氣體腐蝕(即乾式蝕刻dry etching)等方式將磊晶基材上的所有奈米結構筒狀細孔消除，即可在磊晶基材上製備出具有密度高，且均勻分佈有許多相同奈米尺度奈米量子點的發光二極體之奈米活性層。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，步驟(a)中該奈米結構筒狀細孔的頂部開口所形成奈米縮小口的施作步驟包含：(1)先將磊晶基材置放固定於具有三維空間傾斜角度及旋轉功能的旋轉傾斜檯上，並調整該旋轉傾斜檯成一傾斜角度，使得原子或分子態的封口材料能在奈米結構筒狀細孔的頂部開口之最底端口緣位置處上，先產生局部堆積封口的結果；及(2)令該旋轉傾斜檯固定在該傾斜角度之傾斜位置上，再經逐漸旋轉該旋轉傾斜檯一圈後，則該原子或分子態的封口材料即可在奈米結構筒狀細孔的頂部開口上堆積出較頂部開口之口徑為小的奈米縮小口。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，經由反覆操作步驟(b)至步驟(e)，並配合調控不同的傾斜角度θ及旋轉角度Φ等參數，即可在每一奈米結構筒狀細孔中完成預期數量的奈米量子點。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，步驟(a)中的磊晶基材，可由液相磊晶(Liquid Phase Epitaxy/LPE)、或鹵素氣相磊晶(Hydride Vapor Phase Epitaxy HVPE)、或分子束磊晶(Molecular Beam Epitaxy MBE)、或有機金屬氣相磊晶(Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy MOVPE)等習知之製程製備得到。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，步驟(a)中的磊晶基材可為發光二極體之p侷限層或發光二極體之n侷限層。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，步驟(b)中更於鍍源裝置與奈米縮小口之間加裝一準直器。
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