TWM597986U - Rgb全彩氮化銦鎵基led - Google Patents

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Abstract

本創作揭露一種RGB全彩氮化銦鎵基LED，在基板材料表面覆蓋晶格匹配的二維材料超薄層作為中介層，氮化銦鎵系材料在二維材料超薄層上形成外延層，此二維材料超薄層由單一材料構成或者一種以上材料疊層形成。本創作採用二維材料覆蓋基板材料表面作為In xGa 1-xN外延的中介層，進行凡得瓦外延或準凡得瓦外延技術應用，使得來自於外延製程中晶格以及熱膨脹不匹配的應力或應變能獲得一定程度的舒緩，能在目前可用的基板表面實現高品質的高In含量In xGa 1-xN外延，並實現高效能的直接綠光/紅光發光二極體，將外延及組件製程簡化，使得採用的基板材料具有更多的選擇，製造成本低，有利於市場推廣應用。

Description

RGB全彩氮化銦鎵基LED
本創作涉及LED的技術領域，特別涉及應用二維材料超薄層製備的RGB全彩氮化銦鎵基LED。
在Micro-LED的顯示器(Displays)製造過程中，需採用紅綠藍(RGB)三原色發光二極體來構成單元的像素(pixels)，目前主要的製造技術需混合採用氮化物(Nitrides)系和磷化物(Phosphides)系的發光二極體，才能滿足三原色的需求。不同材料系統發光二極體混用時，不同的發熱及衰減特性直接影響了影像呈現的品質；不同的電氣驅動特性，則直接導致了顯示模組驅動設計上的複雜度。因此，如果在同一材料系統上，實現直接發光RGB(紅綠藍)三原色發光二極體，除了有利於上述問題解決外，也同時因為省去螢光物等色光轉換機制，將降低製程複雜度以及轉換所導致效能損失，將對Micro LED技術的發展有利。
氮化銦鎵In xGa 1-xN系磊晶材料是目前製作主流藍光發光二極體的材料系統之一，理論上可藉由銦鎵固溶比例調控覆蓋整個可見光發光範圍，氮化銦鎵受益於具有直接能隙(energy gap)特性也預期將有較佳的發光效能，尤其藍光量產技術純熟，因此受到比其他材料系統更多的關注，在製作具有近似控制條件同時效能佳的直接紅綠藍發光二極體（RGB direct LED）深具潛能。然而，目前在In xGa 1-xN系磊晶材料的綠光及紅光發光二極體卻面臨技術瓶頸，由於要達到綠光及紅光合適的發光波段時，需增加In xGa 1-xN系磊晶的In含量比例，卻面臨外延品質不佳等阻礙，其主因在於In xGa 1-xN雖然具有整個成分(x)範圍的固溶性，但In離子、Ga離子半徑差距較大，使得固溶性對應力狀況較為敏感而發生相分離(phase separation)的機率較高，In含量增加時外延層晶格常數(lattice constant)隨之增大，與基板材料不匹配所致的應變(strain)也同時增大，導致In xGa 1-xN固溶性受影響而發生InN的相分離，原本預期的發光特性則因此受到嚴重影響，因此，解決綠光及紅光直接發光二極體direct LED技術發展主要辦法之一是要找出晶格常數合適的外延基板材料。參見第1圖，是氮化銦鎵帶隙能量－晶格常數－波長關係圖。
氧化鋅(ZnO)單晶材料以結晶構造、熱性質和晶格常數而言都是前項中較為合適的基板材料選擇，因此吸引了技術開發者投入研究。不過氧化鋅今日在技術領域中並不被廣泛採用，其中主要的原因包括氧化鋅的化學活性高，容易在隨後的外延過程中受到含氫物質的侵蝕導致外延層品質低劣，如第2圖所示，在外延製程時會發生氫蝕刻氧化鋅基板，同時鋅快速擴散進入外延層導致外延品質不佳，調整製程改善外延品質卻仍然發生鋅與氧擴散、摻雜入發光二極體的晶粒中，造成發光特性不符合預期，使得該種結構無法符合實際市場需求。
表1
材料 結晶結構 晶格常數 熱膨脹係數
a c ×10 － 6×Ｋ －１
氮化鎵GaN 纖鋅礦 Wurtzite 0.31885 0.5185 α a5.59 α c  3.17
氮化銦InN 纖鋅礦 Wurtzite 0.3545 0.5703 α a3.8 α c  2.9
氧化鋅ZnO 纖鋅礦 Wurtzite 0.32496 0.52065 α a4.31 α c  2.49
藍寶石 Sapphire 菱面體 Rhombohedral 0.4765 1.2982 α a6.66 α c  5
矽Si 金剛石Diamond 0.5431   2.6
如表1所示，依照目前技術，採用的基板材料不論是單晶的藍寶石(Sapphire)，單晶氧化鋅(ZnO)、甚至單晶氮化鎵(GaN)基板等，均無法成功製作具有實用性的In xGa 1-xN系磊晶材料的直接綠光及紅光發光二極體。無法在micro LED技術上實現同一材料系統、直接發光、高效能的三原色RGB LED晶片。
有鑑於此, 法國Soitec公司於2017年宣佈開發出適用於上述目的的基板材料，同一年度發佈使用該基板成功製作的直接綠光發光二極體(direct green LED)，該公司發佈所開發出的基板晶格常數最高可以達到0.3205奈米(nm)，2018年則發佈了成功製作的直接紅光發光二極體(direct red LED)，該公司所發佈的基板晶格常數最高值仍維持不變為0.3205奈米(nm)，該公司的基板開發除了獲得具體成效，也再次證明基板晶格常數為成功實現In xGa 1-xN直接綠光/紅光發光二極體（direct green/red LED）的關鍵，然而，如第3圖所示，該項基板技術採用複雜繁複的製造製程，製造成本偏高，為市場廣泛採用時可能的阻礙。
二維材料(two-dimensional(2D) materials)是一個快速發展的新興領域，二維材料家族中最早吸引大量研發投入也最知名的材料為石墨烯(graphene), 其二維層狀結構具備特殊或優異的物理/化學/機械/光電特性，層與層間則沒有強力的鍵結存在僅以凡得瓦力結合，這也表示層狀結構表面沒有懸空鍵(dangling bond)存在，目前石墨烯已被確認具有廣泛而優異的應用潛力，石墨烯研發工作於全球普遍發展，同時也帶動更多二維材料的研發，包括六方氮化硼 (h-BN，hexagonal Boron Nitride)，過渡金屬二硫族化物(TMDs，transition metal dichalcogenides) 以及黑磷(black phosphorus)等也是二維材料家族中累積較多研發成果者，如第4圖和第5圖所示，上述材料均各自具備特異的材料特性與應用潛能，相關材料的製造技術開發也持續積極進行中。除了優異的光電特性之外，石墨烯、h-BN以及TMDs材料之一的MoS 2都被視為具有優異的擴散阻障特性，也有程度不一的高溫穩定性，尤其h-BN更具有絕佳的化學惰性(inertness)以及高溫耐氧化性。
由於具備上述層狀結構本質以及層間凡得瓦力結合特性，將二維材料家族中兩種或多種材料製作成層狀堆疊的異質結構(hetero-structures)技術可行性大開，異質結構除了結合不同特性更創造出新的應用特性或使製作出新的組件成為可能，目前光電及半導體領域的研發相當積極，第6a圖及第6b圖所示的是機械性組成疊層的示意圖，第7a圖及第7b圖所示的是物理或化學氣相沉積的示意圖。
二維材料的凡得瓦力結合特性也獲得應用於傳統三維材料的外延基板用途的關注，其著眼點在於外延技術中外延材料在晶體結構、晶格常數(lattice constant)、熱膨脹係數(CTE， coefficient of thermal expansion)必須與基板材料匹配的非常良好，但現實上常遭遇如本創作主題的欠缺適合的基板材料，或者理想的基板材料成本偏高或不容易取得等情形，此時二維材料對於異質外延基板提供了另一種解決方案，也就是所謂的凡得瓦外延(van der Waals Epitaxy)。凡得瓦外延可能有利於異質外延的機制來自於傳統外延接口直接的化學鍵改由凡得瓦力結合所取代，將使得來自於外延製程中晶格以及熱膨脹不匹配的應力或應變能因此獲得一定程度的舒緩，從而使得外延層品質獲得改善，換句話說，藉由二維材料以及凡得瓦外延導入可以使某些原先無法實用化的異質外延技術成為可能。相關研究也指出，當上述二維材料相互疊層異質結構時，相互間作用力以凡得瓦力為主；而在二維材料上進行三維材料的外延時，由於接口上三維材料的懸空鍵(dangling bond)存在同時對接口的結合力有貢獻，這種外延實質上並非純粹的凡得瓦外延(van der Waals Epitaxy)，或者更精確地可視為準凡得瓦外延(Quasi van der Waals Epitaxy)；不論何種情形，晶格與熱膨脹的匹配程度，無疑地仍對最終的外延品質發揮了一定的作用，二維材料中介層與基板材料都對整體的匹配度有所貢獻。上述二維層狀材料具有六角形或蜂巢狀(hexagon or honeycomb)結構，與纖鋅礦（Wurtzite）和閃鋅礦（Zinc-Blende）結構材料在外延時被視為結構相容，本創作相關領域主要外延材料均屬此類結構，作為直接綠光、紅光發光二極體(direct green, red LED)的In xGa 1-xN外延層則屬纖鋅礦(Wurtzite)結構；實際上，如第8圖所示，高品質的氮化鎵(GaN)外延層已經成功實現於以二維材料(主要為石墨烯)為中介層的不同基板材料上，包括碳化矽(SiC)、藍寶石以及熔融石英(fused silica，SiO 2)等，凡得瓦外延(van der Waals Epitaxy)或準凡得瓦外延(Quasi van der Waals Epitaxy)技術應用可行性已獲得許多驗證。
本創作的目的在於提供一種RGB全彩氮化銦鎵基LED，透過應用導入二維材料超薄層，以在同一材料系統上實現直接發光RGB(紅綠藍)三原色發光二極體。
為了達成上述目的，本創作的解決方案是：
RGB全彩氮化銦鎵基LED，在基板材料表面覆蓋晶格匹配的二維材料超薄層作為中介層，氮化銦鎵系材料外延層形成在二維材料超薄層上，此二維材料超薄層由單一材料構成或者一種以上材料疊層形成。
二維材料是六方氮化硼h-BN、石墨烯(graphene)、h-BNC、WS 2、WSe 2、MoS 2或MoSe 2等。二維材料超薄層的厚度範圍在0.5nm到1000nm。
二維材料超薄層為單一材料，如WSe 2或MoSe 2。
二維材料超薄層為複合層結構，頂層採用與氮化銦鎵晶格匹配佳的二維材料，如WSe 2或MoSe 2，而底層採用阻隔效果佳的二維材料，如六方氮化硼h-BN、石墨烯(graphene)。
基板為單晶基板，如藍寶石sapphire、氧化鋅ZnO、單晶矽Si、碳化矽SiC、氮化鎵GaN等單晶材料；基板為陶瓷ceramics或玻璃glass等材料。
基板和中介層之間加入金屬催化層，金屬催化層總厚度範圍在0.5nm到3000nm，金屬催化層包括 Fe、Co、Ni、Au、Ag、Cu、W、Mo、Ru或Pt等。
採用上述方案後，本創作採用二維材料覆蓋基板材料表面作為In xGa 1-xN外延的中介層，進行凡得瓦外延或準凡得瓦外延技術應用，使得來自於外延製程中晶格以及熱膨脹不匹配的應力或應變能因此獲得一定程度的舒緩，能在目前可用的基板表面實現高品質的高In含量In xGa 1-xN外延，並實現高效能的直接綠光/紅光發光二極體(direct green/red LED)。
本創作可替代 Soitec公司所開發的InGaN temple基板，在同一材料系統上實現直接發光RGB(紅綠藍)三原色發光二極體，將外延及組件製程簡化，使得採用的基板材料具有更多的選擇，製造成本低，有利於市場推廣應用。
下面將結合附圖和具體實施例對本創作作進一步的詳細說明。
如第9圖和第10圖 所示。本創作揭露的RGB全彩氮化銦鎵基LED，在結構方面，是在基板1的材料表面覆蓋晶格匹配的二維材料超薄層3作為In xGa 1-xN外延的中介層，氮化銦鎵系材料外延層2成長於二維材料超薄層3上，此二維材料超薄層3由第9圖所示的單一材料構成或者第10圖所示的一種以上材料疊層形成。二維材料超薄層3和氮化銦鎵系材料外延層2、基板1之間借助晶格匹配或凡得瓦外延（VDWE）來達到應力鬆弛。
其中，本創作基板1可以為單晶基板，包括藍寶石sapphire、氧化鋅ZnO、單晶矽Si、SiC、GaN等單晶材料，但本創作不限定於此；或者基板1可以為陶瓷ceramics或玻璃glass等材料。本創作二維材料可使用六方氮化硼h-BN、石墨烯(graphene)、h-BNC、WS 2、WSe 2、MoS 2或MoSe 2等。且二維材料超薄層3的厚度範圍在0.5nm到1000nm。
第9圖所示的二維材料超薄層3為晶格匹配佳的單一材料，如WSe 2或MoSe 2。
第10圖所示的二維材料超薄層3為複合中介層，頂層31採用與氮化銦鎵晶格匹配佳的二維材料，如WSe 2或MoSe 2，而底層32採用阻隔效果佳的二維材料，如六方氮化硼hBN、石墨烯(graphene)。各材料晶格常數如表2所示。 表2
材料 晶格常數a（nm）
六方氮化硼h-BN 0.25
石墨烯graphene 0.246
WSe 2 0.3297
MoSe 2 0.3283
底層32的二維材料超薄層作為阻障層（barrier）來阻隔基板材料中的缺陷對外延層品質以及組件性能造成損害，基板中的缺陷包括點缺陷（如氧離子或其它雜質）和線缺陷（如錯位）。
為了獲得更佳的結構，本創作可在二維材料覆蓋基板1材料的表面增加金屬催化層4，金屬催化層4可以包括 Fe、Co、Ni、Au、Ag、Cu、W、Mo、Ru或Pt等，金屬催化層4先行成長或沉積在基板1表面,也可能需要熱處理製程，金屬催化層4總厚度範圍在0.5nm到3000nm。
本創作進一步揭露了RGB全彩氮化銦鎵基LED的製備方法，其氮化銦鎵系材料與基板外延步驟如下：
第一步，對基板1(晶片)材料進行外延成長等級拋光，並經由適當前處理(含晶片清洗)作為後續製程的準備。
第一步之後，第二步之前，可以根據二維材料成長需求，適時的進行加入金屬催化層4等製程。二維材料覆蓋基板1材料表面的成長或沉積製程可能需要包括 Fe、Co、Ni、Au、Ag、Cu、W、Mo、Ru或Pt等金屬催化層4先行成長或沉積在基板1表面，也可能需要熱處理製程。金屬催化層4總厚度範圍在0.5nm到3000nm。
第二步，利用凡得瓦外延或準凡得瓦外延技術，將晶格匹配佳的二維材料覆蓋在基板1材料表面作為氮化銦鎵系材料外延的中介層；可以是單層或複合層的二維材料超薄層3覆蓋。二維材料覆蓋基板1材料表面可以採用習知的製程，包括成長、沉積、轉移、塗佈等，以及相關必要的前處理與後處理製程。單層或多層總厚度範圍在0.5nm到1000nm。
第二步之後，第三步之前，可根據第三步的外延品質需求，適時將第二步中的二維材料中介層進行光刻等製程以劃分成區塊以舒緩應力，區塊尺寸大小可以是1×1 mm 2到1000×1000 mm 2。
第三步，利用凡得瓦外延或準凡得瓦外延技術，在中介層上成長氮化銦鎵系材料外延層2。
本創作的二維材料最外層採用MoSe 2或WSe 2時，晶格常數可上達0.3283nm或0.3297nm，完全匹配於紅光發光範圍的氮化銦鎵外延層，除了確保外延層品質之外，更可以將外延及組件製程簡化，也將使得採用的基板材料具有更多的選擇。
當本創作的基板材料存在任何化學成分或微觀缺陷而有影響外延品質疑慮時，二維材料可採用異質結構(hetero-structures)，選擇以化學穩定性或擴散阻障性能較強的材料作為底層，例如h-BN，與基板接合，表層則採用與外延層匹配較好的材料。
法國Soitec公司的氮化銦鎵 temple基板製造製程起始的氮化銦鎵 temple外延成長已包含基本的材料與外延製程成本，此部分成本評估已不低於本創作方法之製程成本；而其後續須經由兩次的氮化銦鎵層剝離-鍵結製程，也將應力鬆弛的光刻(lithography)列為必要製程，先不論多道製程影響的良率的問題，相關製程均可觀地提高其氮化銦鎵 temple基板成品的製造成本；然而，依據該公司的公告，其氮化銦鎵 temple基板晶格常數目前上限僅達0.3205奈米(nm)，此晶格常數值參照第1圖，事實上僅略高於GaN且仍明顯低於綠光及紅光氮化銦鎵發光範圍，以直接採用GaN作為基板仍不能成功製作穩定的綠光產品來看，該公司的技術成效說明了提高基板晶格常數有明顯幫助，但在組件製作上顯然仍需要較繁複且較長的外延製程來漸進過渡到適當外延主動層，這將使組件製造端成本較高；本創作採用凡得瓦外延或準凡得瓦外延技術，不匹配的應力或應變可以因此獲得一定程度的舒緩，基板頂層晶格常數值也能達到0.329奈米(nm)左右，理想地和第1圖的綠光與紅光氮化銦鎵範圍匹配，有利於更簡單與穩健的綠光及紅光氮化銦鎵發光組件製程。
以上僅為本創作的例示性實施例，並非對本創作保護範圍的限制。應當說明的是，本領域具有通常知識者在閱讀完本說明書後，依本案的創作概念所做的等效變化，均應落入本案的保護範圍。
1:基板 2:外延層 3:二維材料超薄層 31:頂層 32:底層 4:金屬催化層
第1圖是習知氮化銦鎵帶隙能量－晶格常數－波長關係圖； 第2圖是習知氧化鋅基板在外延過程中受侵蝕示意圖； 第3圖是習知法國Soitec公司研發製造的基板的製程圖； 第4圖是習知二維材料過渡金屬二硫族化物TMDs的結構示意圖； 第5圖是習知二維材料六方氮化硼h-BN的結構示意圖； 第6a圖及第6b圖是習知機械性組成疊層的示意圖； 第7a圖及第7b圖是習知物理或化學氣相沉積的示意圖； 第8圖是習知氮化鎵/石墨烯/碳化矽的結構示意圖； 第9圖是本創作的實施例一的結構示意圖； 第10圖是本創作的實施例二的結構示意圖。
1:基板
2:外延層
3:二維材料超薄層
4:金屬催化層

Claims (6)

  1. 一種RGB全彩氮化銦鎵基LED，其中在一基板材料表面覆蓋晶格匹配的一二維材料超薄層作為一中介層，在該二維材料超薄層上形成氮化銦鎵系材料一外延層，該二維材料超薄層由單一材料構成或者一種以上材料疊層形成。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的RGB全彩氮化銦鎵基LED，其中一二維材料是六方氮化硼(Hexagonal boron nitride，h-BN)、石墨烯、氮化硼摻雜石墨烯(Boron-nitride-hybridized graphene，h-BNC)、二硫化鎢、二硒化鎢、二硫化鉬或二硒化鉬。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的RGB全彩氮化銦鎵基LED，其中該二維材料超薄層的厚度範圍為0.5nm到1000nm。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的RGB全彩氮化銦鎵基LED，其中該二維材料超薄層為一複合層結構，一頂層採用與氮化銦鎵晶格匹配的二維材料，而一底層採用阻隔效果的二維材料。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的RGB全彩氮化銦鎵基LED，其中該基板為藍寶石、氧化鋅、單晶矽、碳化矽、氮化鎵、陶瓷或玻璃。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的RGB全彩氮化銦鎵基LED，其中該基板與該中介層之間加入一金屬催化層，該金屬催化層總厚度範圍為0.5nm到3000nm，該金屬催化層包括鐵、鈷、鎳、金、銀、銅、鎢、鉬、釕或鉑。
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