专利名称：改良第三族氮化物基发光装置内部量子效率的方法与装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种改良发光装置的内部量子效率的方法，尤其涉及一种第三族氮化 物基发光装置，例如氮化镓(GaN)发光装置。
背景技术：
第三族氮化物基半导体为直接跃迁(direct-transition)型半导体，当使用于发 光二极管(Light emitting Diodes,LEDs)和雷射二极管(Laser-Diodes，LDs)等发光装置 时，具有从UV到红光广波段的放射光谱。当发光装置具有较高外部量子效率时(抽取出的光子数目/注入的载子数)，其功 率消耗较少。外部量子效率可借由增加出光效率(抽取出的光子数/放射出的光子数)或 内部量子效率(放射出的光子数/注入的载子数)来提升。内部量子效率的增加表示转换 自发光组件电力的热能减少。因此，内部量子效率的增加不仅降低功率消耗，同时抑制了因 加热而导致可靠性降低的情形。LED的出光效率可借由生成下部局限层或将之打线于透明基板上来加以改善，而 不是吸光基板上。LED内能隙(energy gap)相当于或小于发光层的任一层，会减低透明基 板LED的出光效率。由于活性层(active layer)，也称发光层，放射的部分光线在出光至 LED前穿越吸光层。这些吸光层能缩减线差排的数目或发光层的其它缺点，或用来简化LED 制程。另一个作用是减少异质接口的能带偏移，而降低施于接点的电压，以将特定电流导向 二极管。由于吸光层吸收波长较短的光的效率比吸收波长较长的光来得好，所以放射波长 为590nm的LED所遭受的性能影响大于放射波长640nm的LED，是因为这些吸收层存在的缘 故。活性区的吸光作用也会降低出光效率。在现有技术中，改良LED效能的技术着重 在最佳的内部量子效率取决于活性层的厚度，以及借由移除吸光基板来提升LED出光效 率。出光效率也可利用将所有吸光层(包括活性层)变薄而加以改善。然而，过薄的活性 层可能会减低LED的内部量子效率。如上所述，吸光层可减少线差排的数目，如此之外也可利用其它方法来减少线差 排的数目，以克服吸光层所导致的问题。当第三族氮化物基半导体形成于硅(Si)基板上时，磊晶成长过程可能在硅基 板和第三族氮化物基半导体间的晶格常数(lattice constants)失配所引致的应力 (stress)下进行。硅基板和第三族氮化物基半导体间热膨胀系数的差异，使得应力在冷却 过程中增加，而在第三族氮化物基半导体层产生许多裂缝。于是，产生在发光装置或其它装 置形成区域的裂缝，使装置成了有瑕疵的产品，因此装置的良率也不佳。当实行特定生长过程以防产生裂缝时，应力不能充分松弛，尤其线差排不减少。简 而言之，裂缝的产生代表应力松弛。当裂缝受到抑制时，应力遂施加于线差排，因此亟需解 决线差排向上散播的问题。本发明人有鉴于上述现有的缺点，经精心研究，提出利用形成如氧化锌(aio)层的氧化层来取代吸光层，以抑制线差排向上散播，进一步改善第三族氮化物基半导体的出 光效率并提升内部量子效率。
发明内容
由于先前技艺受限于上述问题。本发明的目的在于提供一种提升第三族氮化物基 发光装置内部量子效率的方法，同时改善出光效率。根据本发明的观点，改良第三族氮化物基发光装置内部量子效率的方法，包括以 下步骤a)提供具有单晶结构的第三族氮化物基基板；b)在第三族氮化物基基板上形成氧 化层，具有复数个不吸收可见光的粒子，其中粒子的大小、形状与密度由反应温度、反应时 间及反应浓度所控制；及C)在氧化层上生成第三族氮化物基层，其中氧化层具阻挡第三族 氮化物基基板的线差排散播到第三族氮化物基层，借以改良第三族氮化物基发光装置的内 部量子效率。根据本发明的构想，其中氧化层包括氧化锌(ZnO)、二氧化硅(Si02)、二氧化钛 (TiO2)或氧化铝(Al2O3)。根据本发明的构想，其中氧化层借由水热处理、溶胶凝胶法、热蒸镀法、化学气相 沉积法(CVD)、或分子束磊晶法(MBE))所形成。根据本发明的构想，其中粒子截面直径介于IOOnm(纳米)与数ym(微米)之间。根据本发明的构想，其中粒子在氮氢的浓度比大于1的磊晶再成长环境中稳定， 以利磊晶成长。根据本发明的构想，其中粒子在介于400°C 1000°C的再成长温度下稳定，以利
幕晶成长。根据本发明的构想，其中粒子具有纳米结构或微结构。依照本发明的另一观点，一种具有改良内部量子效率的第三族氮化物基发光装 置，包括具有单晶结构的第三族氮化物基基板；形成于第三族氮化物基基板上的氧化层，具 有复数个不吸收可见光的粒子，粒子的大小、形状与密度由反应温度、反应时间以及反应浓 度所控制，以及生成在氧化层上的第三族氮化物基层。其中氧化层具阻挡第三族氮化物基 基板的线差排传播到第三族氮化物基层，借以改良第三族氮化物基发光装置的内部量子效 率。
图1为本发明的一较佳实施例的流程图；图2A及图2B分别为具有氧化锌层的与不具有氧化锌层的LED示意图；图3为本发明氧化锌(SiO)粒子阻挡氮化镓(GaN)基板线差排的传播的扫描电子 显微镜(Scanning Electron Microscope, SEM)影像图；图4为本发明ZnO粒子在成核期(nucleation stage)形成于GaN基板上的SEM 影像图；图5为ZnO粒子在岛状核期(island stage)形成于GaN基板上的SEM影像图；图6为ZnO粒子在成膜期(film stage)形成于GaN基板上的SEM影像图；图7绘示传统LED与本发明LED的放射强度与直流注入电流间的关系图。
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附图标记说明S101 S106-步骤
具体实施例方式下面结合实施例对本发明作进一步说明，应该理解的是，这些实施例仅用于例证 的目的，决不限制本发明的保护范围。请参照图1。图1绘示本发明第三族氮化物基发光装置的内部量子效率的改良 方法的最佳实施例流程图。本实施例中，第三族氮化物基发光装置是指氮化镓(GaN)发 光二极管。本发明改良第三族氮化物基发光装置内部量子效率的方法包含以下步骤首 先，提供氮化镓(GaN)基板，最好是由平坦表面形成的单晶结构的GaN基板，如步骤S101。 氮化镓基板的形成主要可划分为三个生成阶段成核期(nucleation stage)、岛状核期 (island stage)、以及成膜期(film stage) 0氮化镓基板在三个生成阶段分别具有非晶结 构(non-crystal 1 ine structure)、多晶结构(polycrystalline structure)、以及单晶结 构(single crystalline structure)。最后成膜期中具有单晶结构的GaN基板可提供绝佳 的核基(nucleated base)。分别利用丙酮、甲醇、以及去离子水将GaN基板清洗约30秒，如步骤S102。清洗 GaN基板后，以氮气喷枪吹干，如步骤S103。接下来，在GaN基板的上表面形成氧化锌(SiO) 的晶种层，以增加附着力，如步骤S104。GaN基板其上的晶种层可做为媒介(mediator)。氧化锌(ZnO)的晶种层是将醋酸锌(Zn(CH3COO)2 · H2O, zinc acetate)溶解于乙 二醇甲醚(CH3O(CH2)20H，2-methOXyethanol)配制而成，两者浓度为0. 5M，接着在加热温度 达65°C时搅拌其混合溶液两小时，以取得透明胶状溶液。随后将透明胶状溶液旋转涂布于 GaN基板的上表面。接下来，在温度130°C时，将其上布有透明胶状溶液的GaN基板进行60 分钟的热退火(thermal annealing)，以取得氧化锌晶种层。在此实施例中，氧化锌晶种层 作为氧化锌粒子来生成氧化锌(SiO)层。晶种层不限于由氧化锌制成，也可由金(Au)、银(Ag)、锡(Sn)、或钴(Co)制成。 同样地，氧化层不限于由氧化锌制成，也可由二氧化硅(Si02)、二氧化钛(TiO2)或氧化铝 (Al2O3)所制成。此外，氧化层可随机或依序形成。晶种层形成后，将媒介的面朝下，置于纯度99.5%的六亚甲四胺(C6H12N4，HMT, hexamethylenetetramine)与 98 % 的纯度的硝酸锌(Si(NO3)2 · 6H20, zincnitrate hexahydrate)的生长溶液中，两者浓度为0. 5M，如步骤S105。之后在烘干机中以低温90°C 加热约3小时。加热后，将之取出以去离子水清洗。如此可获得具有复数个不吸收可见光 粒子的氧化锌层。粒子的大小、形状与密度可由氧化锌层形成过程中的反应温度、反应时间及反应 浓度所控制。粒子具有纳米结构或微米结构。线差排通常向上散播穿越GaN层，直达表面，如图2A，其平均密度介于IO9 IOltlCmA本发明中，ZnO层的粒子具阻挡GaN基板的线差排向上传播的功用，如图2B与图 3所示，借以将线差排从IO9 IO10cm-2缩减至1 2X IOW0如此，GaN发光装置的内部 量子效率可获大改良，因此本发明的主要目的是提供具有粒子良好对正于GaN基板上的氧化层。上述氧化层形成的过程即所谓的“水热处理”。进行水热处理时，ZnO的形成是依
权利要求
1.一种改良第三族氮化物基发光装置内部量子效率的方法，其特征在于其包括以下步骤提供具有单晶结构的第三族氮化物基基板；在第三族氮化物基基板上形成氧化层，具有复数个不吸收可见光的粒子，其中粒子的 大小、形状与密度由反应温度、反应时间及反应浓度所控制；以及在氧化层上生成第三族氮化物基层；其中氧化层具阻挡第三族氮化物基基板的线差排传播到第三族氮化物基层，借以改良 第三族氮化物基发光装置的内部量子效率。
2.如权利要求1的方法，其特征在于氧化层包括氧化锌(ZnO)、二氧化硅(SiO2)、二氧 化钛(TiO2)或氧化铝(Al2O3)。
3.如权利要求1的方法，其特征在于氧化层借由水热处理、溶胶凝胶法、热蒸镀法、化 学气相沉积法、或分子束磊晶法所形成。
4.如权利要求1的方法，其特征在于粒子截面直径介于IOOnm(纳米)与数μm(微米) 之间。
5.如权利要求1的方法，其特征在于粒子在氮氢的浓度比大于1的磊晶再成长环境中 稳定，以利磊晶成长。
6.如权利要求1的方法，其特征在于粒子在介于400°C 1000°C的再成长温度下稳定， 以利磊晶成长。
7.如权利要求1的方法，其特征在于粒子具有纳米结构或微米结构。
8.一种具有改良内部量子效率的第三族氮化物基发光装置，其特征在于其包括具有单晶结构的第三族氮化物基基板；形成于第三族氮化物基基板上的氧化层，具有复数个不吸收可见光的粒子，粒子的大 小、形状与密度由反应温度、反应时间以及反应浓度所控制，以及生成在氧化层上的第三族氮化物基层；其中氧化层具阻挡第三族氮化物基基板的线差排传播到第三族氮化物基层，借以改良 第三族氮化物基发光装置的内部量子效率。
9.如权利要求8的第三族氮化物基发光装置，其特征在于氧化层包括氧化锌(ZnO)、二 氧化硅(SiO2)、二氧化钛(TiO2)或氧化铝(Al2O3)。
10.如权利要求8的第三族氮化物基发光装置，其特征在于氧化层利用水热处理、溶胶 凝胶法、热蒸镀法、化学气相沉积法、或分子束磊晶法所形成。
11.如权利要求8的第三族氮化物基发光装置，其特征在于粒子截面直径介于 IOOnm(纳米)与数ym(微米)之间。
12.如权利要求8的第三族氮化物基发光装置，其特征在于粒子在氮氢的浓度比大于1 的再成长环境中稳定，以利磊晶成长。
13.如权利要求8的第三族氮化物基发光装置，其特征在于粒子在介于400°C 1000°C 的再成长温度下稳定，以利磊晶成长。
14.如权利要求8的第三族氮化物基发光装置，其特征在于粒子具有纳米结构或微米 结构。
全文摘要
本发明公开一种改良第三族氮化物基发光装置内部量子效率的方法，其步骤包含提供具有单晶结构的第三族氮化物基基板，在第三族氮化物基基板上形成具有复数个不吸收可见光的粒子氧化层，其中粒子的大小、形状与密度由反应温度、反应时间及反应浓度所控制，以及在氧化层上生成第三族氮化物基层。其中氧化层具阻挡第三族氮化物基基板的线差排传播到第三族氮化物基层，借以改良第三族氮化物基发光装置的内部量子效率。本发明还公开一种改良第三族氮化物基发光装置内部量子效率的装置。
文档编号H01L33/12GK102097557SQ20091025928
公开日2011年6月15日 申请日期2009年12月15日 优先权日2009年12月15日
发明者张简庆华, 潘昌吉, 陈彰和 申请人:华新丽华股份有限公司