用於改善外部量子效率的led納米技術的製作方法

2024-02-15 23:39:15

專利名稱：用於改善外部量子效率的led納米技術的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種在發光元件表面形成二維圖案的方法，特別涉及一種 應用金屬陽極氧化處理以在發光元件表面形成二維圖案的方法。
背景技術：
發光二極體是一種相當常見的光電元件， 一般而言，具有粗化表面的 發光二極體或具有二維光子晶體(photonic crystal)的發光二極體比具有平 滑表面的發光二極體擁有更高的光取出效率。通常，在發光二極體表面形 成二維光子晶體的技術有以下三種電子束光刻技術(Electron Beam Lithography, EBL)、納米壓印光刻技術(Nanoimprint Lithography, NIL)以及 聚合物光刻技術(Copolymer lithography, CPL)。目前已有多篇專利披露了利用電子束光刻技術在發光二極體基板表 面形成二維光子晶體的方法，例如美國專利公開號第2006/0027815號和 第2005/0285132號。 一般而言，現有技術是在一個發光二極體基板上塗敷 一層光刻膠，然後利用電子束照射部分區域的光刻膠。在移除被照射的光 刻膠部分之後剩下的光刻膠部分可以被當作一個刻蝕掩膜，在進行反應離 子刻蝕(Reactive Ion Etching, RIE)和移除掩膜之後，在發光二極體的基板 上形成一個二維圖案。利用電子束光刻技術在發光二極體基板表面形成二 維圖案的方法具有高精確度的優點，其精確度可以達到1-2納米，但是， 缺點是電子束光刻設備太過昂貴、以及製作過程耗時，使得生產效率極低。利用納米壓印光刻技術在發光二極體的基板表面形成二維光子晶體 的方法可以參照美國專利公開號第2005/0173717號和美國專利號第 7074631號的有關描述。其主要步驟是首先利用電子束光刻技術製作一 個壓印的模具，然後將模具壓在塗敷紫外線抗蝕劑(UV curable resist)的基 板上並照射紫外線。在將基板脫離模具之後，可以得到具有壓印圖案的基 板。利用納米壓印光刻技術形成二維光子晶體的方法可以獲得納米級的精 確度，但是，缺點是模具成本十分昂貴，並且模具在經過多次使用之後，因為壓力將導致模具發生變形，從而使得圖案尺寸變形，因此模具的生命 周期很短。此外，在實際操作過程中，模具與聚合物的界面特性是一個長 期難解的問題，聚合物在模具的溝槽中難以流動，因此不易形成精細的圖 案，而且聚合物在受壓成形之後，不容易完全脫膜而不發生變形。美國專利號第6，468，823號披露了利用電子束光刻刻蝕，並利用化學 輔助離子束刻蝕或溼法刻蝕或其它刻蝕方式，圖形化半導體層以形成二維 光子晶體。此專利披露了利用對電子束敏感的光致抗蝕劑，例如PMMA， 以電子束光刻定義二維光子晶體結構，或藉由其它高解析度光刻技術，如 X射線、深紫外光極短的紫外光光刻，或納米壓印、納米模印也可以滿足。 PMMA圖形化之後，再藉由化學輔助離子刻蝕半導體層，再以丙酮或氧電 漿刻蝕移除PMMA。但此方法仍然需要設備昂貴的電子束、X射線、深紫 外光極短的紫外光光刻等設備，此製作過程頗為耗時，即便是以納米壓印、 納米模印製作二維圖形，仍然需要面臨模具成本高，且容易變形等問題。在已圖案^f七藍寶石基板(pattemed sapphire substrate)成長優質GaN磊 晶層的技術可以參閱期刊論文Material Science and Engineering :B， V122, No. 3， ppl84-187 (2005)及IEEE Photonic Technology Letter: Vol. 17, No. 2， pp:288-290 (2005)。通常製作這種具有刻蝕圖形的藍寶石基板的方法是用 普通的曝光顯影技術，繼而以溼法刻蝕(33(TC磷酸)或氯基氣體環境的感應 耦合離子體反應離子刻蝕(ICP-RIE)來形成。因為採用的是普通的曝光顯影 技術，其圖形尺寸在微米級(micron-scale)以上，容易在磊晶成長之後，由 於PN界面的不平整而使元件造成閘流效應(thyristor effect)。綜上所述，上述技術的製作過程複雜、耗時且成本高昂。因此，極需 要一種簡易、快速且節省成本的方法在發光元件上形成二維圖案。發明內容為了有效地提高光子晶體量子效率，本發明提供一種在發光元件上形 成一個二維圖案的方法，其可以改善光源取出效率，改善光源準直性，並 且降低製作成本及提升產能。本發明的一個實施例提供一種在發光元件上形成二維圖案的方法，其 包含在發光元件的發光表面上形成第一基板；在此第一基板上形成一個金 屬層；電化學陽極氧化處理此金屬層，以形成多孔性金屬氧化物；利用多 孔性金屬氧化物作為一個屏蔽，刻蝕此第一基板；並去除此多孔性金屬氧 化物，從而在第一基板上形成二維圖案。本發明的另一實施例提供一種發光元件，其包含第一類型半導體層； 第二類型半導體層，位於此第一類型半導體上方；以及第一基板，位於此 第二類型半導體上方，此第一基板的表面具有一個二維圖案，其中此二維 圖案是根據下列步驟製成在此第一基板上形成一個金屬層；電化學陽極 氧化處理此金屬層，以形成多孔性金屬氧化物；利用多孔性金屬氧化物作 為一個屏蔽，刻蝕此第一基板；並去除此多孔性金屬氧化物，以在此第一 基板上形成此二維圖案。


圖1A-1E顯示本發明在發光元件上形成二維圖案的方法的實施例步驟；圖2A-2E顯示根據本發明披露的方法所製作的具有二維圖案的發光 元件的實施例步驟。
具體實施方式
圖1A-1E顯示本發明在發光元件上形成二維圖案的方法的第一優選實 施例。如圖1A所示，在發光元件101的發光表面形成第一基板102，而此 第一基板102可以是一個透光性基板，此透光性基板至少包括透明導電材 料，例如氧化銦錫(ITO)基板、氧化銻錫(ATO)、氧化鋅、氧化鋅、摻雜碳 化矽等的透明導電材料碳化矽，或藍寶石基板、非摻雜碳化矽等的透明材 料等等。在圖1B中，在此第一基板102上沉積一個金屬層103，在此金屬 層103可以是厚度約為0.2 2微米Oim)的鋁或其它可在後續製作中形成 多孔性金屬氧化物的金屬。接著，在圖1C中對此金屬層103進行電化學 陽極氧化處理，此電化學陽極氧化處理是在電解液濃度大約是0.3M的磷酸、硫酸或草酸，溫度大約是2"C 15'C以及操作電壓範圍在40伏特至220 伏特下進行。此電化學陽極氧化處理可以使金屬層103中的電場重新分布， 從而使金屬層103形成較具規則性的納米級二維圖案的多孔性金屬氧化 物。接著，在圖1D中，利用多孔性金屬氧化物作為刻蝕掩膜，進行縱向 刻蝕此第一基板102，此刻蝕可以利用幹法刻蝕進行， 一般是以離子刻蝕 進行幹法刻蝕，從而使多孔性金屬氧化物的規則性納米級二維圖案轉移到 此第一基板102上。在優選實施例中，二維圖案的孔徑和孔徑間的間距都 是介於大約80納米至500納米之間，較佳地， 一般都大約小於350納米。最後，在圖1E中，此多孔性金屬氧化物被移除，以在此第一基板102 上形成二維圖案。在另一個優選實施例中，在第一基板102上形成金屬層103之前可以 額外沉積另一層導電性材料層，此導電性金屬材料可以是厚度約為300埃 (A)的鈦，或氧化銦錫(ITO)，以在後續的製作過程中形成一個停止層。此 外，此導電性材料層在多孔性金屬氧化物被移除時也一併被移除。在另一個實施例中，在形成多孔性金屬氧化物之後，可接著對形成規 則性二維圖案的多孔性金屬氧化物進行擴孔處理，處理的刻蝕液是大約5% 的磷酸，利用溼法刻蝕的等向性，對多孔性金屬氧化物進行縱向與側向刻 蝕，使多孔性金屬氧化物的孔洞加寬並加深。在另一個實施例中，本發明披露的方法也可以額外應用於發光元件中 的第二基板(如藍寶石基板)。這樣，整個發光元件的光取出效率及光方向 準直性可以得到進一步提升。本發明披露的方法可以適用於各式發光元件，如發光二極體、垂直發 光二極體或倒裝發光二極體等。根據本發明披露的方法，由於電化學陽極氧化的過程僅需要電解槽、 冷卻機與電源，與傳統電子朿圖案化製作或壓印製作相比，製作成本大幅 降低，而且電化學反應具有溼式批次製作的特性，製作效率也大幅提高。圖2A-2E顯示根據本發明披露的方法所製成的具有二維圖案的發光元 件的不同實施例。如圖2A所示，此發光元件(如發光二極體)包括第一 類型半導體層206;第二類型半導體層207，位於所述第一類型半導體層 206上方；和第一基板204，位於所述第二類型半導體層207上方，所述第 一基板204的表面有一個二維圖案，其中在所述第一基板204表面的二維 圖案是利用本發明披露的方法形成。圖2B顯示根據本發明披露方法所製成的發光元件的另一個實施例。 此發光元件包含一個N型半導體202，在其上方有一個P型半導體203。 在本實施例中半導體層以GaN為例，N層GaN 202和P型GaN 203之間 是量子阱(MWQ) 208，在P型GaN 203上方有一個透光性的第一基板204 (透光性基板至少包括透明導電材料，如氧化銦錫基板、氧化銻錫基板、 氧化鋅基板、摻雜碳化矽基板，或藍寶石基板、非摻雜碳化矽等的透明材 料)。所述第一基板204利用本發明披露的方法，形成具有納米級的規則性 二維圖案，從而形成二維光子晶體的發光二極體，進而提高外部量子效率， 改善發光二極體的出光效率，並且提高光源射出的準直性。而在N型GaN 202下方的第二基板201可以是藍寶石基板、氧化銦錫(ITO)、銅、銀、 金、矽、碳化矽或氧化鋁基板等。 .在本發明的另一個實施例中(如圖2C所示)， 一個發光二極體具有P 型GaN 203 ，在其上方有N型GaN 202， P型GaN 203和N型GaN 202之 間是量子阱(MWQ) 208，在P型GaN203和第二基板201之間，可以有 一個鏡面層205，使從P型GaN 203、 N型GaN 202界面產生的光源反射 經鏡面層205反射後，由N型GaN202上的第一基板204的方向射出，此 第一基板是一個透光性基板，所述透光性基板至少包含透明導電材料，例 如氧化銦錫(ITO)、氧化銻錫(ATO)、氧化鋅、摻雜碳化矽，或藍寶石、 非摻雜碳化矽等的透明材料等。所述第一基板204是利用本發明提供的方 法，形成規則性的納米級二維圖案，而在鏡面層下方的第二基板201，至 少包括氧化銦錫(ITO)、藍寶石、銅、銀、金、矽、碳化矽或氧化鋁基板 中的一種，從而形成垂直式二維光子晶體的發光二極體。在本發明的另一個實施例中，如圖2D所示，發光二極體的結構如下， 在N型GaN 202上的第一基板204 (如藍寶石基板)，通過使用本發明披 露的方法被處理為規則性的納米級二維圖案，N型GaN 202下方是P型 GaN 203，發光二極體的電極分別直接連結到P型GaN 203和N型GaN 202，形成二維光子晶體倒裝發光二極體。在本實施例中，具有納米圖案的 二維光子晶體ITO基板可以提高發光二極體的外部量子效率，提升光取出 效率，並且改善出光方向的準直性。圖2E顯示本發明的另一個實施例。發光二極體的第二基板210可以 是藍寶石基板，通過使用本發明披露的方法形成規則性的納米級二維圖案， 使N型GaN 211在圖案化的第二基板210表面上形成，其上方有P型GaN 212，在N型GaN211與P型GaN212之間是量子阱(MQW) 208，在P 型GaN 212上的第一基板213可以是ITO.基板，通過使用本發明披露的 方法形成規則性的納米級二維圖案。由於N型GaN211是在規則納米圖案 上形成，可以提高內部量子效率，並且提高光源在N型GaN211與第二基 板210界面上的反射，從而提高發光效率，並且不會產生閘流效應(thyristor effect)。而發光二極體表面的規則性納米圖案的二維光子晶體ITO可以進 一步提高外部量子效應，改善光取出效率，並且提高出光方向的準直性。綜上所述，本發明利用金屬的電化學陽極氧化處理，以形成規則性的 納米級二維圖案，並把此圖案轉移至發光元件的基板形成二維光子晶體， 以改善發光元件的量子效率，提高光取出效率，改善出光方向的準直性。 此外，根據本發明提供的方法，不僅製作方法簡單，成本低廉，而且可以 大幅提升生產效率。雖然以上已經描述了本發明的技術內容與特徵，然而，本領域的技術 人員仍然可以在不偏移本發明的精神和披露內容的情況下進行許多變化與 修改。因此，本發明的範圍並非受限於已披露的實施例，也包含不偏移本 發明的其它變化與修改，其屬於如附加權利要求所涵蓋的範圍。
權利要求
1.一種在發光元件上形成二維圖案的方法，包含以下步驟(a)在所述發光元件的發光表面上形成第一基板；(b)在所述第一基板上形成一個金屬層；(c)用電化學陽極氧化處理所述金屬層，以形成多孔性金屬氧化物；(d)利用所述多孔性金屬氧化物作為一層掩膜，刻蝕所述第一基板；和(e)去除所述多孔性金屬氧化物，從而在所述第一基板上形成二維圖案。
2. 根據權利要求1所述的方法，其中所述步驟(a)還包括在所述第一 基板上形成一個導電性材料層的步驟。
3. 根據權利要求2所述的方法，其中所述導電性材料層的厚度大約是 300埃(A)。
4. 根據權利要求2所述的方法，其中所述導電性材料層是由鈦或氧化 銦錫(ITO)製成。
5. 根據權利要求1所述的方法，其中所述步驟(c)的電解液濃度大約 是0.3M的磷酸、硫酸或草酸，溫度大約是2"C 15'C，操作電壓範圍大約 在40伏特至220伏特之間。
6. 根據權利要求1所述的方法，其中所述步驟(c)還包括擴大所述多 孔性金屬氧化物的孔徑的步驟。
7. 根據權利要求2所述的方法，其中所述步驟(e)還包括移除所述導 電性材料層的步驟。
8. 根據權利要求1所述的方法，其中所述步驟(e)是幹法刻蝕。
9. 根據權利要求1所述的方法，其中所述金屬層是由鋁製成，所述多孔性金屬氧化物是由氧化鋁製成。
10. 根據權利要求1所述的方法，所述多孔性金屬氧化物具有較規則性的二維圖案。'
11. 根據權利要求1所述的方法，其中在所述第一基板上的所述二維圖案的孔徑和孔徑間的間距都大約介於80納米至500納米之間。
12. 根據權利要求1所述的方法，其中在所述第一基板上的所述二維 圖案的孔徑和孔徑間的間距都大約小於350納米。
13. 根據權利要求1所述的方法，其中所述第一基板是一個透光性基 板，所述透光性基板至少包括氧化銦錫(ITO)、氧化銻錫(ATO)、氧化 鋅、摻雜碳化矽等的透明導電材料，或藍寶石、非摻雜碳化矽等的透明材 料中的一種材料。
14. 根據權利要求1所述的方法，其中所述發光元件至少包括發光二 極管、垂直發光二極體和倒裝(flip-chip)發光二極體中的一種。
15. 根據權利要求1所述的方法，還包括在所述發光元件的第二基板 上形成所述二維圖案的步驟。
16. 根據權利要求15所述的方法，其中所述第二基板是藍寶石基板。
17. —種發光元件，包括 第一類型半導體層；第二類型半導體層，位於所述第一類型半導體的上方；和 第一基板，位於所述第二類型半導體的上方，所述第一基板的表面有 一個二維圖案，其中所述第一基板表面上的二維圖案是由以下步驟形成(a) 在所述第一基板上形成一個金屬層；(b) 電化學陽極氧化處理所述金屬層，以形成多孔性金屬氧化物；(c) 利用所述多孔性金屬氧化物作為一層掩膜，刻蝕所述第一基板;(d)去除所述多孔性金屬氧化物，從而在所述第一基板上形成所述二 維圖案。
18. 根據權利要求17所述的發光元件，其中所述第一基板是一個透 光性基板，所述透光性基板至少包括氧化銦錫(ITO)、氧化銻錫(ATO)、 氧化鋅、摻雜碳化矽等的透明導電材料，或藍寶石、非摻雜碳化矽等的透 明材料中的一種材料。
19. 根據權利要求17所述的發光元件，其中所述第一類型半導體層 是P型半導體，所述第二類型半導體層是N型半導體。
20. 根據權利要求17所述的發光元件，其中所述第一類型半導體層 是N型半導體，所述第二類型半導體層是P型半導體。
21. 根據權利要求17所述的發光元件，還包括第二基板，其與所述 第一類型半導體層相鄰。
22. 根據權利要求21所述的發光元件，還包括一個鏡面層，其位於 所述第二基板和所述第一類型半導體層之間。
23. 根據權利要求21所述的發光元件，其中所述第二基板至少包括 氧化銦錫(ITO)、藍寶石、銅、銀、金、矽、碳化矽或氧化鋁基板中的一 種。
24. 根據權利要求21所述的發光元件，其中所述第二基板表面具有 所述二維圖案。
25. 根據權利要求17所述的發光元件，其中所述發光元件至少包括 發光二極體、垂直發光二極體和倒裝發光二極體中的一種。
26. 根據權利要求17所述的發光元件，其中在所述第一基板上的所 述二維圖案的孔徑和孔徑間的間距都大約介於80納米至500納米之間。27.根據權利要求17所述的發光元件，其中在所述第一基板上的所述二維圖案的孔徑和孔徑間的間距都大約小於350納米。
全文摘要
本發明涉及用於改善外部量子效率的LED納米技術，尤其涉及利用該納米技術在發光元件上形成二維圖案的方法，其包含以下步驟在發光元件的發光表面上形成第一基板；在第一基板上形成一個金屬層；電化學陽極氧化處理此金屬層，以形成多孔性金屬氧化物；利用多孔性金屬氧化物作為一個屏蔽，刻蝕第一基板；並去除多孔性金屬氧化物，從而在此第一基板上形成二維圖案。根據本發明披露的方法，可以提供製作成本低廉且生產效率更高的製作方法。此外，利用本發明披露的方法所製成的發光裝置，可以改善量子效應，提高光取出(optical capture)效率，並改善出光方向的準直性(alignment)。
文檔編號H01L33/00GK101252158SQ20071030080
公開日2008年8月27日 申請日期2007年12月18日 優先權日2007年12月18日
發明者劉紀美, 勇 蔡, 褚宏深, 郭浩中 申請人:香港應用科技研究院有限公司