TWI553901B - 紫外光發光二極體及其製造方法 - Google Patents

Description

紫外光發光二極體及其製造方法

本發明係與半導體元件有關；特別是指一種紫外光發光二極體及其製造方法。

發光二極體(LED；Light Emitting Diode)為具有將電信號轉變為光信號的二極體，常應用於家電、儀表指示燈或光電產品；而紫外光發光二極體更可應用於醫學治療、生醫美容、植物燈、殺菌及生物鑑定等領域。紫外光發光二極體的基本結構由下到上包括基板、N型磊晶膜、發光層、P型磊晶膜，以及分別與N型磊晶膜及P型磊晶膜電性連結的一對電極。

其中，基板的材料及製作方法大大影響了發光效率。在習知技術中，紫外光發光二極體的基板包含氮化鋁/藍寶石基板、氮化鎵/藍寶石基板及氮化鋁基板。其中由於氮化鋁/藍寶石基板係由兩種晶格不同之成分以上下層結構所構成的基板，故會產生晶格不匹配的問題，而使得生長在基板上之磊晶膜的缺陷密度增高，如此一來將使波長較短的UVC被缺陷吸收，而影響紫外光發光二極體的發光效率，並且僅能應用於UVA及UVB的發光；同樣的，氮化鎵/藍寶石基板也會發生上述晶格不匹配的而影響發光效率的問題。

直接以氮化鋁基板製作紫外光發光二極體，雖可避免晶格不匹配的問題，惟氮化鋁基板的價格昂貴，目前無法進行大尺寸的開發，故即使氮化鋁基板並無晶格不匹配的問題而可適用於UVA、UVB及UVC的發光，但仍然不普及。

有鑑於此，本發明之目的在於提供一種紫外光發光二極體及其製造方法，其製作成本不僅較低，且具有較高的發光效率。

緣以達成上述目的，本發明提供的一種紫外光發光二極體，包含一碳化矽基板、一氮化鋁層及一多層半導體結構，其中該碳化矽基板之晶體結構為六方晶體結構，且具有一上表面；該氮化鋁層設置於該碳化矽基板之上表面，且該氮化鋁層具有一上表面遠離該碳化矽基板的上表面，該氮化鋁層之上表面具有一圖案化結構；該多層半導體結構設置於該氮化鋁層之上表面，且包含一第一型掺雜半導體層、一第二型掺雜半導體層與一發光層，且各層係以堆疊的方式排列，其中該發光層位於該第一型掺雜半導體層與該第二型掺雜半導體層之間；該發光層發射出一紫外光；其中，該氮化鋁層的該圖案化結構反射一部分的該紫外光。

本發明另提供該紫外光發光二極體之製造方法，包含以下步驟：Ａ、提供一基板，該基板之晶體結構為六方晶體結構，且該基板具有一上表面；Ｂ、於該基板之上表面設置一氮化鋁層；Ｃ、於該氮化鋁層的一上表面製作一圖案化結構；Ｄ、將一多層半導體結構設置於該氮化鋁層之上表面，該多層半導體包含一第一型掺雜半導體層、一第二型掺雜半導體層與一發光層，且各層係以堆疊的方式排列，其中該發光層位於該第一型掺雜半導體層與該第二型掺雜半導體層之間；該發光層發射出一紫外光。

本發明之效果在於，該碳化矽基板與該氮化鋁層並無晶格不匹配的問題，故能降低紫外光被缺陷吸收的問題；此外，該氮化鋁層的該圖案化結構可將該紫外光向上導出，以改善該碳化矽基板將光線吸收的狀況。

為能更清楚地說明本發明，茲舉一較佳實施例並配合圖式詳細說明如後。請參圖１所示，為本發明第一較佳實施例之紫外光發光二極體100之製造流程圖。

配合圖２所示，首先提供一以碳化矽基板10為例之基板，且該碳化矽基板10具有一上表面101，該上表面101具有複數個微管缺陷（micro-pipe）12，其中部分的微管缺陷12貫穿該碳化矽基板。接著如圖３所示，繼續於該碳化矽基板10上製造一氮化鋁層20，使該氮化鋁層20完全覆蓋該碳化矽基板10之上表面101，於此實施例中，該氮化鋁層20的製造係先以濺鍍法（sputter）將氮化鋁（AlN）設置於該碳化矽基板10的上表面101，以形成完全覆蓋該碳化矽基板10之上表面101的一氮化鋁下層22。接著，以金屬有機物化學氣相沉積法（MOCVD）將氮化鋁設置於該氮化鋁下層22的上表面，以形成一氮化鋁上層24。

上述先利用濺鍍法生成該氮化鋁下層22，再利用金屬有機物化學氣相沉積法於該氮化鋁下層22上生成該氮化鋁上層24，係為了降低製作成本。詳而言之，傳統在生成氮化鋁層的方式，通常是僅以金屬有機物化學氣相沉積法在該基板的上表面生成氮化鋁層，雖然亦可行，但此種方式在沉積氮化鋁層的速度較慢，且沉積過程中，反應溫度必須高於1000℃，屬於高溫製程，故成本高。此外，金屬有機物化學氣相沉積法的製作過程中，容易使得製程或加熱設備附著具黏性的化學物質，而使得該些設備之預防性維修的週期縮減，並減少其壽命。

相較於上述傳統製程，本實施例之氮化鋁層的製作過程，係先以濺鍍法完成該氮化鋁下層22，而濺鍍法的鍍膜速度較快，故若欲製造出相同厚度的氮化鋁層，僅須花費較短的時間即可完成；此外，濺鍍法所需的反應溫度較低，且設備價格較低廉，故能確實降低製作該氮化鋁層20的成本。

欲先生成該氮化鋁下層22的另一目的是作為緩衝層之用，並使該氮化鋁層20能穩定地附著於該碳化矽基板10上。

另外，該碳化矽基板10與該氮化鋁層20的晶格大小幾乎一致（僅約1%的差異），故能避免兩者的介面晶格不匹配，而造成缺陷產生。

在一般情況下，該氮化鋁層之厚度D1介於0.5至10μm之間；於此實施例中，該厚度D1係大於5μm，而該氮化鋁下層22的厚度D2則小於1μm。

繼續配合圖４所示，接著利用光微影製程於該氮化鋁層20的上表面201製作一圖案化結構。於此實施例中，該圖案化結構係以黃光定義圖案後再進行乾蝕刻所製成。其中該圖案化結構包含有複數個凸部26，於此實施例中，該些凸部26之形狀為長條形（圖５參照），且呈週期性排列。其中，各該凸部26之高度D3介於0.1至5μm之間，而兩相鄰凸部26之間的間距D4則介於0.1至10μm之間。

接著配合圖６所示，將一多層半導體結構30設置於該氮化鋁層20的上表面201，其中該多層半導體30包含一以N型磊晶膜32為例的第一型掺雜半導體層、一發光層34與一以P型磊晶膜36為例的第二型掺雜半導體層，其中該發光層34用以發射出一紫外光。於此實施例中，該N型磊晶膜32、該發光層34與該P型磊晶膜36係由下往上依序堆疊排列，且該N型磊晶膜32與該P型磊晶膜36的其中一者與該氮化鋁層20接觸。當然，該多層半導體結構30不排除包含有其他半導體層，以調整能階的分部；此外，與該氮化鋁層20接觸者並不以該N型磊晶膜32或該P型磊晶膜36為限，而有可能為該其他半導體層。

最後，請配合圖７所示，分別於該多層半導體結構30的上表面301與碳化矽基板10的下表面102設置一對垂直式電極，即一第一電極40與一第二電極50。其中該第一電極40位於該P型磊晶膜36上，而該第二電極50則位於該碳化矽基板10的下表面102且過該碳化矽基板10與該N型磊晶膜32電性連接。

當一電流由該第一電極40流往該第二電極50而產生一順向偏壓時，該多層半導體結構30即往各個方向發散該紫外光。當該紫外光往該氮化鋁層20的方向射出，該圖案化結構便將一部分的該紫外光向上反射而導出該多層半導體結構30。由於該圖案化結構使得該氮化鋁層20的上表面201呈現一非平滑表面，故可提高該紫外光向上反射的機會而改善該紫外光被該碳化矽基板10吸收的問題。

其中，該圖案化結構僅需要達到能向上反射紫外光的功能即可，故其凸部26的形狀不需以長條狀為限制。如圖８所示，本發明第二較佳實施例之紫外光發光二極體之氮化鋁層20A具有複數個半球形的凸部26A；又如圖９所示，本發明第三較佳實施例之紫外光發光二極體之凸部26B呈三角錐形。

再者，該圖案化結構亦可以複數個聚苯乙烯奈米球1及一鎳層2作為遮罩再進行蝕刻。如圖10所示，本發明第四較佳實施例之紫外光發光二極體的製作流程如下；首先配合圖10（a）所示，將該些聚苯乙烯奈米球1平均分布於該氮化鋁層20的表面，其中該些聚苯乙烯奈米球1係先與去離子水混合成10%wt的溶液，再經介面活性劑（99.5%酒精）處理。接著配合圖10（b）所示，以電漿輔助化學氣相沉積（PECVD）在該氮化鋁層20的表面鍍上鎳以形成該鎳層2，其中被鍍上的鎳係附著於不與該些聚苯乙烯奈米球1接觸的該氮化鋁層20表面。再配合圖10（c）所示，利用丙酮及震盪作用將該些聚苯乙烯奈米球1移除，以形成表面具有複數個凹槽3的鎳層2。

再配合圖10（d）所示，利用感應耦合電漿體─反應離子蝕刻法（ICP-RIE）使各該凹槽3下方的氮化鋁層20形成一下凹的蝕刻部4；換言之，該鎳層2可作為遮罩而避免位於該鎳層2下方的氮化鋁層20形成該蝕刻部4。最後，請配合圖10（e）所示，將該鎳層2去除，即可得到表面具有複數個凸部26C的氮化鋁層20。藉此，該氮化鋁層20的表面即可具有奈米尺寸的圖案化結構。

此外，由於該碳化矽基板10與該氮化鋁層20的晶格不匹配約只有1%，可大幅減少缺陷產生。故其上方的多層半導體結構30不會因為產生過多缺陷而將波長較短的UVC吸收，故本發明各該實施例皆可適用於發射波段介於200至280 nm的紫外光。

於上述實施例中，該碳化矽基板10為電熱良導體，故無效光複合態所產生的熱能可由該碳化矽基板10導出，避免熱能累積於該基板，並有助於垂直式電極的設置。當然，該二電極亦可設置於該多層半導體30的同一側，例如圖11所揭示之第五較佳實施例之紫外光發光二極體，其第一電極40A及第二電極50A亦分別與一P型磊晶膜36A及一N型磊晶膜32A電性連接，並分別設置於該P型磊晶膜36A的一上表面與該N型磊晶膜32A的一上表面。

此外，基板除了採用碳化矽基板10之外，亦可採用晶體結構與碳化矽同為六方晶體結構的基板，例如藍寶石基板、氮化鎵基板、氧化鋅基板及氮化鋁基板。

以上所述僅為本發明較佳可行實施例而已，舉凡應用本創作說明書及申請專利範圍所為之等效變化，理應包含在本創作之專利範圍內。

〔本發明〕
100、200‧‧‧紫外光發光二極體
1‧‧‧聚苯乙烯奈米球
2‧‧‧鎳層
3‧‧‧凹槽
4‧‧‧蝕刻部
10‧‧‧碳化矽基板
101‧‧‧上表面
102‧‧‧下表面
12‧‧‧微管缺陷
20‧‧‧氮化鋁層
201‧‧‧上表面
22‧‧‧氮化鋁下層
24‧‧‧氮化鋁上層
26、26A、26B、26C‧‧‧凸部
30‧‧‧多層半導體結構
32、32A‧‧‧N型磊晶膜
34、34A‧‧‧發光層
36、36A‧‧‧P型磊晶膜
40、40A‧‧‧第一電極
50、50A‧‧‧第二電極

圖１係本發明第一較佳實施例之紫外光發光二極體之製造方法流程圖。 圖２係本發明上述第一較佳實施例之紫外光發光二極體之局部側視圖，揭示碳化矽基板。 圖３係本發明上述第一較佳實施例之紫外光發光二極體之局部側視圖，揭示氮化鋁層形成於碳化矽基板上。 圖４係本發明上述第一較佳實施例之紫外光發光二極體之局部側視圖，揭示氮化鋁層的上表面具有圖案化結構。 圖５係圖４之立體圖。 圖６係本發明上述第一較佳實施例之紫外光發光二極體之局部側視圖，揭示多層半導體結構設置於氮化鋁層上。 圖７係本發明上述第一較佳實施例之紫外光發光二極體之側視圖，揭示兩電極以垂直方向設置。 圖８係本發明第二較佳實施例之紫外光發光二極體之局部立體圖，揭示氮化鋁層的圖案化結構的凸部為半球形。 圖９係本發明第三較佳實施例之紫外光發光二極體之局部立體圖，揭示氮化鋁層的圖案化結構的凸部為錐形。 圖10係本發明第四較佳實施例之紫外光發光二極體之局部側視圖，揭示氮化鋁層的圖案化結構係將聚苯乙烯奈米球及鎳層作為遮罩，並加以蝕刻而成形。 圖11係本發明第五較佳實施例之紫外光發光二極體之側視圖，揭示兩電極設置於多層半導體結構的同一側。

100‧‧‧紫外光發光二極體

10‧‧‧碳化矽基板

20‧‧‧氮化鋁層

32‧‧‧N型磊晶膜

34‧‧‧發光層

36‧‧‧P型磊晶膜

40‧‧‧第一電極

50‧‧‧第二電極

Claims (18)

1. 一種紫外光發光二極體，包括：一碳化矽基板，其晶體結構為六方晶體結構，該碳化矽基板具有一上表面；一氮化鋁層，設置於該碳化矽基板之上表面，且該氮化鋁層具有一上表面遠離該碳化矽基板的上表面，該氮化鋁層之上表面具有一圖案化結構；以及一多層半導體結構，設置於該氮化鋁層之上表面，包含一第一型掺雜半導體層、一第二型掺雜半導體層與一發光層，且各層係以堆疊的方式排列，其中該發光層位於該第一型掺雜半導體層與該第二型掺雜半導體層之間；該發光層發射出一紫外光；其中，該氮化鋁層的該圖案化結構反射一部分的該紫外光；其中，該氮化鋁層包含有一氮化鋁下層以及一氮化鋁上層，該氮化鋁下層位於該氮化鋁上層以及該碳化矽基板之間，且該氮化鋁下層的厚度小於1μm，該氮化鋁上層的厚度大於5μm。
2. 如請求項1所述之紫外光發光二極體，其中該氮化鋁層完全覆蓋該碳化矽基板之上表面。
3. 如請求項1所述之紫外光發光二極體，包括二電極；該碳化矽基板具有一下表面遠離該氮化鋁層，其中一該電極設置於該碳化矽基板的下表面；該多層半導體結構具有一上表面遠離該氮化鋁層，另一該電極設置於該多層半導體結構的上表面。
4. 如請求項1所述之紫外光發光二極體，包括二電極；該第一型掺雜半導體層與該第二型掺雜半導體層皆具有一遠離該氮化鋁層 的上表面；該二電極分別設置於該第一型掺雜半導體層的上表面與該第二型掺雜半導體層的上表面。
5. 如請求項1所述之紫外光發光二極體，其中該氮化鋁層之厚度介於5至10μm之間。
6. 如請求項1所述之紫外光發光二極體，其中該氮化鋁層之該圖案化結構包含有複數個凸部，且該些凸部用以反射一部分的該紫外光。
7. 如請求項6所述之紫外光發光二極體，其中該些凸部呈週期性排列，且各該凸部之高度介於0.1至5μm之間。
8. 如請求項6所述之紫外光發光二極體，其中該些凸部呈週期性排列，且兩相鄰凸部之間的間距介於0.1至10μm之間。
9. 一種紫外光發光二極體之製造方法，包括以下步驟：A、提供一基板，該基板之晶體結構為六方晶體結構，且該基板具有一上表面；B、於該基板之上表面設置一氮化鋁層；其中，該氮化鋁層包含有一氮化鋁下層以及一氮化鋁上層，該氮化鋁下層位於該氮化鋁上層以及該基板之間，且該氮化鋁下層的厚度小於1μm，該氮化鋁上層的厚度大於5μm；C、於該氮化鋁層的一上表面製作一圖案化結構；D、將一多層半導體結構設置於該氮化鋁層之上表面，該多層半導體包含一第一型掺雜半導體層、一第二型掺雜半導體層與一發光層，且各層係以堆疊的方式排列，其中該發光層位於該第一型掺雜半導體層與該第二型掺雜半導體層之間；該發光層發射出一紫外光。
10. 如請求項9所述紫外光發光二極體之製造方法，其中該步驟A之該基板為一碳化矽基板。
11. 如請求項10所述紫外光發光二極體之製造方法，其中該步驟B之該氮化鋁層係完全覆蓋該基板之上表面。
12. 如請求項10所述紫外光發光二極體之製造方法，其中於步驟D之後包括，將二電極分別設置於該基板的下表面與該多層半導體結構的上表面。
13. 如請求項10所述紫外光發光二極體之製造方法，其中於步驟D之後包括，將二電極設置於該多層半導體結構的同一側，其中該二電極分別設置於該第一型掺雜半導體層的一上表面與該第二型掺雜半導體層的一上表面。
14. 如請求項9所述紫外光發光二極體之製造方法，其中該步驟B之該氮化鋁下層係透過濺鍍法設置於該基板的上表面，且該氮化鋁下層具有一上表面遠離該基板的上表面；該氮化鋁上層係透過金屬有機化學氣相沉積法設置於該氮化鋁下層的上表面。
15. 如請求項9所述紫外光發光二極體之製造方法，其中該步驟B之該氮化鋁層之厚度介於5至10μm之間。
16. 如請求項9所述紫外光發光二極體之製造方法，其中該步驟C之該圖案化結構包含有複數個凸部，且該些凸部用以反射一部分的該紫外光。
17. 如請求項16所述紫外光發光二極體之製造方法，其中該些凸部呈週期性排列，且各該凸部之高度介於0.1至5μm之間。
18. 如請求項16所述紫外光發光二極體之製造方法，其中該些凸部呈週期性排列，且兩相鄰凸部之間的間距介於0.1至10μm之間。