TWI493754B

TWI493754B - Luminescent diodes with interfacial periodic structure

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Publication number: TWI493754B
Application number: TW102125837A
Authority: TW
Original assignee: Univ Nat Cheng Kung
Priority date: 2013-07-18
Filing date: 2013-07-18
Publication date: 2015-07-21
Also published as: TW201505204A

Description

具介面週期結構之發光二極體

本發明係有關於一種具介面週期結構之發光二極體，尤指涉及一種可藉由離子佈植於c面藍寶石基板上取代圖案化藍寶石基板之技術，特別係指可有效提升藍光GaN基LED之發光強度者。

隨著發光二極體（Light Emitting Diode, LED）發光效率（Light Efficiency）大幅提高，目前於室外路燈、車用頭燈、指示燈、液晶顯示器（Liquid Crystal Display, LCD）背光源與建築用裝潢燈等應用上，LED之滲透率已逐年增加。根據磊晶及元件製程與封裝等技術之進展，LED固態光源將成為最普遍與廣泛使用之光源，而於照明市場方面，具省電、長壽命、高亮度及低污染之白光LED除了將成為未來主要之照明光源外，也將因其長壽命與低污染之特性，亦為節能與環保之重要利器，LED固態光源將是LED產業極具潛力之發展方向之一，其已被視為即將引發照明革命之最有潛力產品，未來之發展不可限量，深具產業價值。

於照明應用上，進一步提升LED之功率以增加亮度為一必然趨勢。因此一般在LED要成為照明設備之前，必須要在發光效率上有所提升才行，而隨著效率之提升，高亮度之LED才足以應用跨足至照明光源市場領域。目前具固態照明（Solid-State Lighting）較大潛力之LED係以氮化鎵（GaN）-基藍光為主，基本上由多層之氮化鎵層與量子井層在藍寶石基板上構成。由於其所產生之光子會因為層與層之間之全反射而侷限於二極體內，因此發光效率不高；為解決此一問題，現階段對於發光效率之提升有各式之方法，如︰表面粗化、表面圖形、光子晶體及圖案化藍寶石基板等，其最後之目的皆為改善外部量子效率或內部量子效率。目前工業界常使用圖案化藍寶石基板作為發光二極體之磊晶基板，使用圖案化藍寶石基板磊晶生長之高品質氮化鎵磊晶層，可以提升發光層晶格品質，以彌補磊晶時缺陷造成之破壞。另外，利用圖案化藍寶石基板上之幾何圖形，改變散射機制或是將散射光導引至LED內部，由逃逸角錐中穿出來增加LED晶粒之發光效率，以破壞光之全反射來增加發光二極體之發光效率。藉此，由圖案化藍寶石基板本身之圖樣，可以使原本被侷限在內部之光，有更大的機會被萃取出來，直接增加出光效益，進而改善外部量子效率。惟目前圖案化藍寶石基板技術之相關專利為日商日亞化學公司所擁有，內容備載著只要具備凹凸成型基板之半導體發光元件（如第５圖所示，參考自Journal of Crystal Growth, vol. 308 pp.321–324, 2007 & vol. 311, pp. 2973–2976, 2009）相關技術皆屬於其專利範圍。此技術已經過證實，可有效增加發光二極體之發光效率。而傳統圖案化藍寶石基板製作方式可分為濕蝕刻與乾蝕刻，然而上述提及之製程需考量到如下問題：
(1)製程之不穩定性：難以控制濕式蝕刻以增高溫度跟蝕刻液轉速來提升蝕刻率，而乾式蝕刻則要考慮擋層是否會因高功率而焦化，造成擋層不易去除，殘留在藍寶石基板上；
(2)成本高：機台與設備昂貴；以及
(3)無法精準控制蝕刻尺寸大小：濕式蝕刻在不同藍寶石晶面有不同之蝕刻速率，且濕式蝕刻只能蝕刻出藍寶石基板之晶面，而乾式蝕刻則因選擇性較差，只能複製大概圖形等。

故，鑑於上述總總困難點以及專利問題，ㄧ般習用者係無法符合使用者於實際使用時之所需。

本發明之主要目的係在於，克服習知技藝所遭遇之上述問題並提供一種可藉由離子佈植於c面藍寶石基板上取代圖案化藍寶石基板，進而可有效提升藍光GaN基LED之發光強度之具介面週期結構之發光二極體。

為達以上之目的，本發明係一種具介面週期結構之發光二極體，係包括：一基板，具有一平整之上表面，該上表面具有多個佈植區及多個非佈植區，且該些佈植區係從該上表面延伸至該基板內部；一緩衝層，配置於該基板上表面之非佈植區上；以及一氮化鎵磊晶層，配置於該緩衝層上，其內部埋入具有多個空氣孔隙（Air Gaps）及倒置六方錐形（Inverted Hexagonal Pyramid）之氮化鋁鎵層（AlGaN），且該些空氣孔隙係位於該些佈植區上方。

於本發明上述實施例中，該基板係為藍寶石基板（Sapphire Substrate）。

於本發明上述實施例中，該佈植區直徑係為3μm±20%，深度係為95nm±20%，且該非佈植區直徑係為1μm±20%。

於本發明上述實施例中，該佈植區係經由氬離子或矽離子以週期性佈植所形成之週期圖案。

於本發明上述實施例中，該緩衝層係以介於700～1100°C高溫下在該基板上表面進行選擇性生長形成於該非佈植區上。

於本發明上述實施例中，該些空氣孔隙係在腔體壓力為100 torr±20%與V/III比為1750±20%之磊晶條件下所形成。

於本發明上述實施例中，該倒置六方錐形之氮化鋁鎵層係在腔體壓力為300 torr±20%與V/III比為920±20%之磊晶條件下所形成。

於本發明上述實施例中，該氮化鎵磊晶層係以側向成長方式，在該些佈植區上方形成該些空氣孔隙，並以磊晶過程中產生之多個倒錐形凹部，埋入該倒置六方錐形之氮化鋁鎵層於其中。

於本發明上述實施例中，該氮化鎵磊晶層上可進一步配置有一發光二極體結構層。

本發明於另一實施例中，上述氮化鎵磊晶層，其內部僅埋入具有多個空氣孔隙，且該些空氣孔隙係位於該些佈植區上方。

１０‧‧‧二氧化矽阻擋層
１１、１１a‧‧‧基板
１１１‧‧‧上表面
１１２‧‧‧佈植區
１１３‧‧‧非佈植區
１１４‧‧‧倒錐形凹部
１２‧‧‧緩衝層
１３‧‧‧氮化鎵磊晶層
１３１‧‧‧空氣孔隙
１３２‧‧‧倒置六方錐形氮化鋁鎵層
１４‧‧‧發光二極體結構層
１５‧‧‧光阻層

第１圖，係本發明之製備流程示意圖。
第２Ａ圖，係本發明離子佈植於平坦基板之黃光製程示意圖。
第２Ｂ圖，係本發明已定義所需週期圖案之結構剖面示意圖。
第３圖，係本發明氮化鋁鎵層之鋁結構含量與折射率對應關係示意圖。
第４圖，係本發明另一具體實施例之結構示意圖。
第５圖，係習用具備凹凸成型之圖案化藍寶石基板之半導體發光元件示意圖。

請參閱『第１圖及第２Ａ、２Ｂ圖』所示，係分別為本發明之製備流程示意圖、本發明離子佈植於平坦基板之黃光製程示意圖、及本發明已定義所需週期圖案之結構剖面示意圖。如圖所示：本發明係一種具介面週期結構之發光二極體，係包括一基板１１、一緩衝層１２、一氮化鎵磊晶層１３及一發光二極體結構層１４所構成。

上述所提之基板１１具有一平整之上表面１１１，該上表面１１１具有多個佈植區１１２及多個非佈植區１１３，且該些佈植區１１２係從該上表面１１１延伸至該基板１１內部。如第２Ａ、２Ｂ圖所示，於一具體實施例中，本發明以藍寶石基板（Sapphire Substrate）為例；首先，進行基板清洗：將一基板１１a浸泡於丙酮（ACE）溶液10分鐘後，接續以異丙醇（IPA）洗滌10分鐘，最後再以去離子水洗滌5分鐘，並以氮氣（N₂ ）吹乾。接著，進行絕緣材料或阻擋層材料鍍著：可使用化學氣相沈積（CVD）、物理氣相沈積（DC/RF）、濺鍍（sputter）系統、熱蒸著（thermal evaporator）與電子束沉積（e-beam）等沉積系統，於該基板１１a上方形成一絕緣材料或阻擋層材料，本實施例以二氧化矽（SiO₂ ）阻擋層１０為例。然後，進行圖形定義：在已沈積該二氧化矽阻擋層１０之基板１１a上，透過一光阻層１５，利用黃光微影製程定義出所需之週期圖案，以本實施例為例，佈植區(d1)直徑為3μm±20%，非佈植區直徑(d2)為1μm±20%。之後，進行離子佈植：佈植離子種類可為氬（Ar）離子或矽（Si）離子，劑量為5E15/cm² ，佈植能量為100Kev，且根據此模擬結果，該佈值區深度約為95nm±20%。最後，進行蝕刻移除二氧化矽阻擋層：配製去離子水與氫氟酸（HF）之蝕刻溶液，將前述已佈值之基板１１a置於室溫下之蝕刻溶液中1～30分鐘以移除該二氧化矽阻擋層，接著將該基板１１a浸泡於ACE溶液中10分鐘，續以IPA洗滌10分鐘後，再以去離子水洗滌5分鐘，並以N₂ 吹乾，完成清理即為第１圖所示之基板１１。

該緩衝層１２係配置於該基板１１上表面１１１之非佈植區１１３上。其中，該緩衝層１２係可為氮化鋁（AlN），以介於700～1100°C高溫下，在該基板１１上表面１１１進行選擇性生長形成於該非佈植區１１３上。

該氮化鎵磊晶層１３係配置於該緩衝層１２上，其內部埋入具有多個空氣孔隙（Air Gaps）１３１及倒置六方錐形（Inverted Hexagonal Pyramid）之氮化鋁鎵層（AlGaN）１３２，且該些空氣孔隙１３１係位於該些佈植區１１２上方。其中，該些空氣孔隙１３１係在腔體壓力為100 torr±20%與V/III比為1750±20%之磊晶條件下，使該氮化鎵磊晶層１３側向成長，而形成於該些佈植區１１２上方，然後再以腔體壓力為300 torr±20%與V/III比為920±20%之磊晶條件下，於磊晶過程中產生之多個倒錐形凹部１１４上方，埋入該倒置六方錐形之氮化鋁鎵層１３２於其中。

該發光二極體結構層１４係配置於該氮化鎵磊晶層１３上。如是，藉由上述揭露之流程構成一全新之具介面週期結構之發光二極體。

請參閱『第３圖』所示，係本發明氮化鋁鎵層之鋁結構含量與折射率對應關係示意圖。如圖所示：藉由氮化鋁鎵層之鋁含量所造成之折射率差異，可使光子在底部氮化鎵行進時，散射中心之介面改變其行徑路徑。

請參閱『第４圖』所示，係本發明另一具體實施例之結構示意圖。如圖所示：本發明除上述所提結構型態之外，亦可為另一實施例結之構型態，而其所不同之處係在於，該氮化鎵磊晶層１３僅於內部埋入具有多個空氣孔隙１１３，且該些空氣孔隙１１３係位於該些佈植區上方。

藉此，本發明提供一種可藉由離子佈植（Ion Implantation）於c面（c-plane）藍寶石基板上取代圖案化藍寶石基板（Pattern Sapphire Substrate, PSS）之技術，其主要特徵在於使用離子週期性佈植於藍寶石基板表面，使其表面被離子轟擊之區域造成晶格散亂，可在藍寶石基板表面無週期性損傷之前提下，形成多個從表面延伸至基板內部之佈植區。接續可將一高溫緩衝層優先成長於非佈植區，形成一選擇性成長現象，再依序分別埋入具有空氣孔隙及倒置六方錐形氮化鋁鎵層於氮化鎵磊晶層內部，藉由折射率差異使光子在底部氮化鎵行進時，散射中心之介面改變其行徑路徑，進而有效改善全反射角之限制，有效提升光萃取效率。因此，本發明技術之特色在於可應用離子佈植於LED結構中，與傳統以圖案化藍寶石基板相比，本發明不需涉及蝕刻製程、具有製程簡易與成本低廉之優點，於製程上之極具創新性。再者，透過磊晶參數調變，可有效提升藍光GaN基LED之發光強度，可適用於各種尺寸、高功率、高發光效率各色光裝飾照明與LCD背光模組之高效率GaN-基LED晶粒製作。

綜上所述，本發明係一種具介面週期結構之發光二極體，可有效改善習用之種種缺點，不需涉及蝕刻製程、具有製程簡易與成本低廉之優點，透過磊晶參數調變，可有效提升藍光GaN基LED之發光強度，可適用於各種尺寸、高功率、高發光效率各色光裝飾照明與LCD背光模組之高效率GaN-基LED晶粒製作，進而使本發明之産生能更進步、更實用、更符合使用者之所須，確已符合發明專利申請之要件，爰依法提出專利申請。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

11‧‧‧基板

111‧‧‧上表面

112‧‧‧佈植區

113‧‧‧非佈植區

114‧‧‧倒錐形凹部

12‧‧‧緩衝層

13‧‧‧氮化鎵磊晶層

131‧‧‧空氣孔隙

132‧‧‧倒置六方錐形氮化鋁鎵層

14‧‧‧發光二極體結構層

Claims

一種具介面週期結構之發光二極體，係包括：
     一基板，具有一平整之上表面，該上表面具有多個佈植區及多個非佈植區，且該些佈植區係從該上表面延伸至該基板內部；
     一緩衝層，配置於該基板上表面之非佈植區上；以及
     一氮化鎵磊晶層，配置於該緩衝層上，其內部埋入具有多個空氣孔隙（Air Gaps）及倒置六方錐形（Inverted Hexagonal Pyramid）之氮化鋁鎵層（AlGaN），且該些空氣孔隙係位於該些佈植區上方。
依申請專利範圍第１項所述之具介面週期結構之發光二極體，其中，該基板係為藍寶石基板（Sapphire Substrate）。
依申請專利範圍第１項所述之具介面週期結構之發光二極體，其中，該佈植區直徑係為3μm±20%，深度係為95nm±20%，且該非佈植區直徑係為1μm±20%。
依申請專利範圍第１項所述之具介面週期結構之發光二極體，其中，該佈植區係經由氬離子或矽離子以週期性佈植所形成之週期圖案。
依申請專利範圍第１項所述之具介面週期結構之發光二極體，其中，該緩衝層係以介於700～1100°C高溫下在該基板上表面進行選擇性生長形成於該非佈植區上。
依申請專利範圍第１項所述之具介面週期結構之發光二極體，其中，該些空氣孔隙係在腔體壓力為100 torr±20%與V/III比為1750±20%之磊晶條件下所形成。
依申請專利範圍第１項所述之具介面週期結構之發光二極體，其中，該倒置六方錐形之氮化鋁鎵層係在腔體壓力為300 torr±20%與V/III比為920±20%之磊晶條件下所形成。
依申請專利範圍第１項所述之具介面週期結構之發光二極體，其中，該氮化鎵磊晶層係以側向成長方式，在該些佈植區上方形成該些空氣孔隙，並以磊晶過程中產生之多個倒錐形凹部，埋入該倒置六方錐形之氮化鋁鎵層於其中。
依申請專利範圍第１項所述之具介面週期結構之發光二極體，其中，該氮化鎵磊晶層上可進一步配置有一發光二極體結構層。
一種具有空氣孔隙之發光二極體結構，係包括：
     一基板，具有一平整之上表面，該上表面具有多個佈植區及多個非佈植區，且該些佈植區係從該上表面延伸至該基板內部；
     一緩衝層，配置於該基板上表面之非佈植區上；以及
     一氮化鎵磊晶層，配置於該緩衝層上，其內部埋入具有多個空氣孔隙，且該些空氣孔隙係位於該些佈植區上方。
依申請專利範圍第１項所述之具有空氣孔隙之發光二極體結構，其中，該基板係為藍寶石基板。
依申請專利範圍第１項所述之具有空氣孔隙之發光二極體結構，其中，該佈植區直徑係為3μm±20%，深度係為95nm±20%，且該非佈植區直徑係為1μm±20%。
依申請專利範圍第１項所述之具有空氣孔隙之發光二極體結構，其中，該佈植區係經由氬離子或矽離子以週期性佈植所形成之週期圖案。
依申請專利範圍第１項所述之具有空氣孔隙之發光二極體結構，其中，該緩衝層係以介於700～1100°C高溫下在該基板上表面進行選擇性生長形成於該非佈植區上。
依申請專利範圍第１項所述之具有空氣孔隙之發光二極體結構，其中，該些空氣孔隙係在腔體壓力為100 torr±20%與V/III比為1750±20%之磊晶條件下所形成。
依申請專利範圍第１項所述之具有空氣孔隙之發光二極體結構，其中，該氮化鎵磊晶層係以側向成長方式，在該些佈植區上方形成該些空氣孔隙。
依申請專利範圍第１項所述之具有空氣孔隙之發光二極體結構，其中，該氮化鎵磊晶層上可進一步配置有一發光二極體結構層。