TWI443864B - Fabrication of crystalline structure - Google Patents
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Description
本發明係有關一種類光晶結構之製造方法，尤指一種應用於發光元件中，可提高外部光取出效率之製造方法。
固態發光元件，例如高亮度發光二極體(High－Brightness Light Emitting diode；BH-LED)或雷射二極體(Laser Diode；LD)，具有低耗電量、低發熱量、操作壽命長、耐撞擊、體積小、反應速度快、以及可發出穩定波長的色光等良好光電特性，因此常應用於家電、儀表之指示燈、光電產品之應用。隨著光電科技的進步，固態發光元件在提升發光效率、使用壽命以及亮度等方面已有長足的進步，在不久的將來將成為未來發光元件的主流。
以發光二極體為例，其基本的結構係包括基板、形成於基板的緩衝層、形成於緩衝層上的N型半導體層、覆蓋N型半導體層的主動層、形成於主動層上方的P型半導體層，以及分別與兩半導體層電性連結的接觸電極層。
發光二極體的發光效能係取決於主動層或電激發光層(Electro-luminescence Layer)之內部量子效率(Internal Quantum Efficiency)與外部光取出效率(Extraction Efficiency)兩大主要因素。隨著各式磊晶技術的進步，目前內在發光效率可達80%以上，但是發光二極體的光取出效率卻仍然偏低。例如氮化鎵系材料的折射係數約為2.5，而外界空氣的折射係數則為1，由於全反射的原因，造成在氮化鎵系材料和空氣之界面上僅約有10~12%的光被取出。
至於改善外部光取出效率方面，習知技術如台灣公開號第200832740號「發光二極體結構及其製造方法」中，係採用微影、蝕刻製程以及陽極處理技術(或電子束轟擊)在基板表面製造一層具有(週期性)奈米級晶格係數之二維光晶結構，此光晶結構可以有效的改善磊晶品質，增加內部量子發光效率。
上述習知技術中該光晶結構之成型步驟如下：
1、上光阻於基板表面；
2、經過曝光(微影製程)形成一具有曝光區與非曝光區之光阻層；
3、顯影製程，將曝光區之光阻層移除；
4、硬烤(hard bake)製程以利於後續製程；
5、利用濕式蝕刻(或乾蝕刻、拋光、電子束、離子束等技術)將基板表面蝕刻形成一具有週期性孔洞間距之基板；
6、沉積一緩衝層，其可作為後續製成週期性孔洞所必要之緩衝層；
7、隨後，利用鍍膜沉積技術(例如蒸鍍、濺鍍、電漿式化學氣相沉積、化學氣相沉積、物理氣相沉積、熱浸鍍)形成一金屬薄膜於基板之上，並填滿孔洞；
8、然後，再利用陽極處理(anodization)技術在基板與孔洞表面形成週期性奈米級多孔性氧化金屬薄膜圖案，以構成類光晶結構。
藉由上述步驟雖可製造出類光晶結構，用以改善磊晶品質，增加內部量子發光效率，並解決基板與磊晶層之間的光全反射之問題以及減少沿著界面產生的側向漏光情形，可有效地提昇了發光二極體的外部取光效率；惟，上述技術製程複雜耗時且成本高昂。故極需要一種簡易、快速且節省成本且能在發光元件內形成類光晶結構的方法。
有鑑於此，本發明即在提供一種類光晶結構之製造方法，提供一種應用於發光元件中，製程簡便並可提高外部光取出效率之製造方法，為其主要目的者。
為達上述目的，本發明之製造方法係於一基板上利用分子束磊晶形成有複數垂直配置且週期排列之奈米柱，各奈米柱之高度係大於0.1μm，再於各奈米柱表面利用化學氣相沉積形成一氮化物半導體緩衝層，而該氮化物半導體緩衝層與各奈米柱間則形成有氣隙，並於該氮化物半導體緩衝層表面形成發光元件，藉由各氣隙形成類光晶結構以抑制發光元件之全反射效應，提高外部光取出效率。
本發明之特點，可參閱本案圖式及實施例之詳細說明而獲得清楚地瞭解。
本發明主要提供一種類光晶結構之製造方法，如第一圖所示，其至少包含有下列步驟：步驟A、提供一基板11，如第二圖(A)所示，該基板11可以為藍寶石、氧化鋅、氮化鎵、碳化矽、石英、矽、鋁酸鋰或尖晶石材質；步驟B、進行分子束磊晶(molecular beam epitaxy；MBE)，係可於700~800℃環境中進行，使該基板正面111形成有複數垂直配置且週期排列之奈米柱12，如第二圖(B)所示，該奈米柱12可以為III-V族(三五族)半導體材料，例如氮化鎵材料，各奈米柱12之高度係大於0.1μm，而為使各奈米柱12與基板11介面更相容，該基板正面111與各奈米柱12間可先進一步設有緩衝膜層14，其中該緩衝膜層14可以為氮化鋁材料；步驟C、進行化學氣相沉積【可為有機金屬化學氣相沉積(metal-organic chemical vapor deposition；MOCVD)】，於各奈米柱12表面利用化學氣相沉積進行橫向磊晶形成一氮化物半導體緩衝層13，如第二圖(C)所示，該氮化物半導體緩衝層13可以為III-V族(三五族)半導體材料，例如氮化鎵材料，其成長溫度可為1000~1100℃，而成長時間為10~20分鐘，進行橫向磊晶時，請同時參閱第三圖所示，因各奈米柱12之間的間隙121因面積甚小，在橫向磊晶的過程中，往往無法使磊晶達到奈米柱12之間的間隙121表面，且以奈米柱12作為同質磊晶的種子(seed)，可使該氮化物半導體緩衝層13接續生長於各奈米柱12上，且有少許橫向沉積在間隙121邊緣，而該氮化物半導體緩衝層13與各奈米柱12間則形成有氣隙122。
步驟D、該氮化物半導體緩衝層13表面形成發光元件，如第四圖所示，其設有一未掺雜半導體層15、一第一型掺雜半導體層16、一發光層17、一第二型掺雜半導體層18以及第一、第二電極191、192，係分別設置於該第一、第二型掺雜半導體層16、18之上表面。
本發明中藉由各氣隙形成類光晶結構，可以破壞發光元件發出光線被全反射的光，以抑制全反射效應，可允許，使原來被內部全反射損失之部分光線發射出來，提高發光元件外部光取出效率。
本發明中，係以光輸出-電流-電壓(LIV)系統，來測量NP-LED(本發明所成型具有類光晶結構之發光元件)與C-LED(一般發光元件)之發光效率，其結果如第五圖所示。由第五圖中可明顯看出，該NP-LED的發光效率均優於C-LED，例如在輸入電流20mA時，該NP-LED的發光效率較C-LED高出55%。顯示類光晶結構有助於提昇發光元件的發光效率。
再利用有限差分時域法(FDTD)測試NP-LED與C-LED之發光效率，其結果如第六圖所示。第六圖係為模擬計算的時間(橫座標)對歸一化的光輸出(縱座標)作為函數，由第六圖中可明顯看出，該NP-LED的發光效率均優於C-LED，該NP-LED的發光效率較C-LED高出48.4%。亦顯示類光晶結構有助於提昇發光元件的發光效率。
當然，亦可先於該步驟C之後先進行降溫製程，如第七圖所示，會在環境溫度下降約至室溫時，因基板11與各奈米柱12異質材料熱膨脹係數的差異，於界面間強度最弱的地方自然分離，即例如在各奈米柱12處產生斷裂，令該氮化物半導體緩衝層13自該基板11表面分離。
如上所述，本發明提供一較佳可行類光晶結構之製造方法，爰依法提呈發明專利之申請；本發明之技術內容及技術特點巳揭示如上，然而熟悉本項技術之人士仍可能基於本發
明之揭示而作各種不背離本案發明精神之替換及修飾。因此，本發明之保護範圍應不限於實施例所揭示者，而應包括各種不背離本發明之替換及修飾，並為以下之申請專利範圍所涵蓋。
11‧‧‧基板
111‧‧‧正面
12‧‧‧奈米柱
121‧‧‧間隙
122‧‧‧氣隙
13‧‧‧氮化物半導體緩衝層
14‧‧‧緩衝膜層
15‧‧‧未掺雜半導體層
16‧‧‧第一型掺雜半導體層
17‧‧‧發光層
18‧‧‧第二型掺雜半導體層
191‧‧‧第一電極
192‧‧‧第二電極
第一圖係為本發明中類光晶結構之製造流程方塊圖。
第二圖(A)~(C)係為本發明中類光晶結構之製造流程示意圖。
第三圖係為本發明中進行橫向磊晶之結構示意圖。
第四圖係為本發明中具有類光晶結構之發光元件之結構立體圖。
第五圖係為本發明中光輸出-電流-電壓(LIV)系統之測試結果圖。
第六圖係為本發明中有限差分時域法(FDTD)之測試結果圖。
第七圖係為本發明中進行基板剝離之結構示意圖。θ
Claims (12)
- 一種類光晶結構之製造方法，其至少包含有下列步驟：步驟A、提供一基板；步驟B、進行分子束磊晶(MBE)，使該基板正面形成有複數垂直配置且週期排列之奈米柱，各奈米柱之高度係大於0.1μm；步驟C、進行化學氣相沉積，於各奈米柱表面利用化學氣相沉積形成一氮化物半導體緩衝層，而該氮化物半導體緩衝層與各奈米柱間則形成有氣隙。
- 如請求項1所述類光晶結構之製造方法，其中該化學氣相沉積可為有機金屬化學氣相沉積(MOCVD)。
- 如請求項2所述類光晶結構之製造方法，其中該氮化物半導體緩衝層之成長溫度可為1000~1100℃，而成長時間為10~20分鐘。
- 2或3所述類光晶結構之製造方法，其中該步驟B係於700~800℃進行。
- 如請求項4所述類光晶結構之製造方法，其中該奈米柱及氮化物半導體緩衝層可以為III-V族(三五族)半導體材料。
- 如請求項5所述類光晶結構之製造方法，其中該奈米柱及氮化物半導體緩衝層可以為氮化鎵材料。
- 如請求項4所述類光晶結構之製造方法，其中該基板正面與各奈米柱間進一步設有緩衝膜層。
- 如請求項7所述類光晶結構之製造方法，其中該緩衝膜層可以為氮化鋁材料。
- 如請求項4所述類光晶結構之製造方法，其中該步驟C之後更包括提供一降溫製程，使各奈米柱產生斷裂，令該氮化物半導體緩衝層自該基板表面分離。
- 如請求項4所述類光晶結構之製造方法，其中該氮化物半導體緩衝層表面形成發光元件，其設有一未掺雜半導體層、一第一型掺雜半導體層、一發光層以及一第二型掺雜半導體層。
- 如請求項10所述類光晶結構之製造方法，其中該第一、第二型掺雜半導體層之上表面分別設有第一、第二電極。
- 2或3所述類光晶結構之製造方法，其中該基板11可以為藍寶石、氧化鋅、氮化鎵、碳化矽、石英、矽、鋁酸鋰或尖晶石材質
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