TWI401826B

TWI401826B - 增益出光的發光裝置和其方法

Info

Publication number: TWI401826B
Application number: TW98142380A
Authority: TW
Inventors: chang chi Pan; Jean Ching Hwa Chang; Jang Ho Chen
Original assignee: Walsin Lihwa Corp
Priority date: 2009-12-10
Filing date: 2009-12-10
Publication date: 2013-07-11
Also published as: TW201121097A

Description

增益出光的發光裝置和其方法

本發明關於一種提升發光裝置出光的方法，尤指一種藉由在發光裝置上形成可控制粗化(roughness)氧化層(如氧化鋅層)的方法，以增益發光裝置的出光。

自從積體電路(IC)的發展至奈米級(nano-scale)，奈米元件的應用漸為盛行，其中尤以短波長的發光裝置，如雷射二極體(Laser Diodes,LDs)和發光二極體(Light Emitting Diodes,LEDs)，儼然已成為主流。在短波長發光裝置的發展方面，III-V族化合物半導體係為製造LED最常用的材料。然而，由於新系統材料的發展，II-VI族化合物半導體又重獲重視。實際上，氧化鋅(ZnO)除了具有低成本和易於合成的優點外，其能隙與結晶結構也與氮化鎵相似，所以ZnO的研究遂成為熱門主題，特別是ZnO奈米柱之開發與應用。

ZnO的直接能隙(direct band-gap)為3.37eV，高於其它高直接能隙半導體材料。此外，ZnO具有較高的激發結合能(氮化鎵的激發結合能約為20meV，而ZnO的激發結合能約60meV，遠高於氮化鎵)。因此在室溫下，其發光效率高於其它材料。近幾年來，許多ZnO的研究報告指出其良好發光效率可應用在短波長元件和雷射二極體。既然資料讀取可由紫外線(UV)雷射來改良，ZnO應用於UV雷射源極具潛力。

ZnO的另一主要發展方向為一维(one-dimensional)奈米柱(奈米線)。科學家可成功生成高度對正的奈米柱陣列。藉由光激發螢光(photoluminescence)，可自奈米柱激發出UV雷射。UV雷射雖可多方商業化，但如何提升出光以及控制奈米柱光脫逃角(light escape angle)尚有兩個問題待解決。否則，發光效率將大受影響。

有鑑於上述問題，本發明遂提出解決之道，以增益發光裝置的出光。

有鑑於先前技藝受限於上述問題，本發明之目的為提供一種藉由在發光裝置上形成可控制粗化(roughness)氧化層(如氧化鋅層)的方法，以增益發光裝置的出光。

根據本案之一觀點，一種提升發光裝置出光的方法，包括以下步驟：a)在發光裝置上提供佈設層；b)在佈設層上設置保護層；c)形成一陣列的孔隙穿透保護層和佈設層；以及d)在佈設層上生成氧化層，具有複數個柱體，各自形成於其中一孔隙。柱體的形狀可藉由調整氣氛的N₂ /H₂ 濃度比、反應溫度和時間來控制，如此可改變柱體的形狀和光脫逃角(light escape angle)。

根據本發明的構想，氧化層包括氧化鋅(ZnO)、二氧化矽(SiO₂ )、二氧化鈦(TiO₂ )或氧化鋁(Al₂ O₃ )。。

根據本發明的構想，氧化層藉由水熱處理、溶膠凝膠法、電鍍、熱蒸鍍法、化學氣相沈積法(CVD)、或分子束磊晶法(MBE)所形成。

根據本發明的構想，佈設層包括氧化銦錫(ITO)、鎳/金(Ni/Au)、氧化鎳/金(NiO/Au)、P型氧化鋅(p-ZnO)、或氧化鋅(ZnO)。

根據本發明的構想，保護層包括光阻材料或介電材料。

根據本發明的構想，氣氛溫度高於200℃。

根據本發明的構想，氣氛包括氮、氫、或其混合。

根據本發明的構想，柱體具有奈米結構或微米結構。

根據本發明的構想，柱體為六角錐狀或截頭六角錐狀。

根據本發明的構想，柱體下表面的直徑介於100nm(奈米)與數μm(微米)之間。

根據本發明的構想，孔隙係由濕蝕刻製程、乾蝕刻製程、光蝕刻法和曝光顯影製程、雷射切割製程、或電子束寫入製程所形成。

依照本發明之另一觀點，一種具有增益出光的發光裝置包括有發光基板；提供於發光基板上的佈設層；形成於佈設層的一陣列的孔隙；設置於具有露出孔隙的佈設層上的保護層；以及形成於佈設層上的氧化層，具有複數個柱體，各自形成於其中一孔隙。柱體的形狀可由調整氣氛N₂ /H₂ 濃度比、反應溫度和時間來控制，如此可改變柱體的形狀和光脫逃角。

根據本發明的構想，氧化層包括氧化鋅(ZnO)、二氧化矽(SiO₂ )、二氧化鈦(TiO₂ )或氧化鋁(Al₂ O₃ )。

根據本發明的構想，氧化層由水熱處理、溶膠凝膠法、電鍍、熱蒸鍍法、化學氣相沈積法(CVD)、或分子束磊晶法(MBE)所形成。

根據本發明的構想，佈設層包括ITO、Ni/Au、NiO/Au、p-ZnO、或ZnO。

根據本發明的構想，保護層包括光阻材料或介電材料。

根據本發明的構想，氣氛溫度高於200℃。

根據本發明的構想，氣氛包括氮、氫、或其混合。

根據本發明的構想，柱體具有奈米結構或微米結構。

根據本發明的構想，柱體為六角錐狀或截頭的六角錐狀。

根據本發明的構想，孔隙由濕蝕刻製程、乾蝕刻製程、光蝕刻法和曝光顯影製程、雷射切割製程、或電子束寫入製程所形成。

本發明將於下列的實施例中更具體的揭露。值得注意的是，下列本發明實施例中之描述僅出於描述與圖式之用，發明本身並不侷限於揭露的型態與式樣。

圖1為本發明較佳實施例的流程圖，繪示增益發光裝置出光的方法，係藉由在發光裝置上形成具有可控制粗化程度(roughness)的氧化層。圖2為本發明的3D立體圖，繪示本發明各元件的相對位置。請參照圖1與圖2。本發明提升發光裝置出光的方法包含以下步驟。首先，發光裝置102提供有形成於其上表面的表層104(如步驟S101所示)。在本實施例中，表層104由P型氮化鎵(p-GaN)所製成。然而，本發明的表層104不限於p-GaN，亦可由p-AlGaN、p-InGaN、p-GaN/InGaN SLs、p-AlGaN/GaN SLs、p-AlInGaN、p-InAlGaN/InAlGaN SLs、n-(In)(Al)GaN、n-InGaN、ITO、p-ZnO、ZnO、Ni/Au、或NiO/Au來製成。換句話說，表層104不限於P型或N型導電型。

本實施例中的發光裝置102為氮化鎵發光二極體，其能隙(energy band gap)相當於200nm至750nm波長。

隨後在發光裝置102的表層104上提供佈設層106(如步驟S102)。佈設層106可由氧化銦錫(ITO)、鎳/金(Ni/Au)、氧化鎳/金(NiO/Au)、P型氧化鋅(p-ZnO)、或氧化鋅(ZnO)來製成。

在佈設層106上設置保護層107(如步驟S103)。請參照圖3，其繪示圖2中A-A’截面的剖面圖。藉由濕蝕刻製程、乾蝕刻製程、光蝕刻法和曝光顯影製程、雷射切割製程、或電子束寫入製程，以形成一陣列的孔隙109穿透保護層107和佈設層106(如步驟S104)。當使用光蝕刻製程(photolithographic processes)時，保護層107由光阻材料製成時，而當使用蝕刻製程時，保護層107則由光阻材料或介電材料製成。

具有複數個柱體108的氧化層生成於佈設層106，柱體108因而形成於其中一孔隙109。保護層107用來將柱體108定位於孔隙109，以及防止柱體108生成於孔隙109之外的地方。

控制氣氛的溫度和濃度可調整柱體108的形狀，如此可改變柱體的光脫逃角(light escape angle)，如步驟S105至S106。

氧化層可由氧化鋅(ZnO)、二氧化矽(SiO₂ )、二氧化鈦(TiO₂ )或氧化鋁(Al₂ O₃ )來製成。在本實施例中，氧化層由ZnO所製成。

本實施例中，氧化層由水熱處理所形成。首先，包含佈設層的發光裝置分別以丙酮、甲醇、以及去離子水清洗約各5分鐘。發光裝置和佈設層以氮氣噴槍吹乾。接著，ZnO的晶種層形成於佈設層上，以增加附著力。發光裝置、佈設層、以及晶種層(seed layer)統稱為媒介(mediator)。

ZnO的晶種層係將醋酸鋅(Zn(CH₃ COO)₂ ‧H₂ O,zinc acetate)溶解於乙二醇甲醚(CH₃ O(CH₂ )₂ OH,2-methoxyethanol)配製而成，兩者濃度為0.5M，接著在加熱溫度達65℃時攪拌其混合溶液兩小時，以取得透明膠狀溶液。隨後將透明膠狀溶液旋轉塗佈於佈設層的上表面。接下來，在溫度130℃時，將其上布有透明膠狀溶液的佈設層進行60分鐘的熱退火(thermal annealing)，以取得氧化鋅晶種層。在本實施例中，ZnO晶種層作為ZnO粒子來生成ZnO層。

晶種層不限於由氧化鋅製成，亦可由金(Au)、銀(Ag)、錫(Sn)、或鈷(Co)製成。氧化層可隨機或依序形成。

晶種層形成後，將媒介的面朝下，置於純度99.5%的六亞甲四胺(C₆ H₁₂ N₄ ,HMT,hexamethylenetetramine)與98%的純度的硝酸鋅(Zn(NO₃ )₂ ‧6H₂ O,zinc nitrate hexahydrate)的生長溶液中，兩者濃度為0.5M。之後在烘乾機中以低溫90℃加熱約3小時。加熱後，將之取出以去離子水清洗。如此可獲得具有複數個柱體的氧化鋅層。ZnO柱體的高度、生長速率、尺寸可由調整溫度、濃度和生長時間來控制。

進行水熱處理時，ZnO的形成係依據下列分子式：

在上述沉積機制中，一旦鋅離子(zinc ions)和氫氧離子(hydroxide ions)的濃度飽和時，ZnO開始形成於晶種層上。由於原子鍵合(atomic bonding)的異向性，原子依附在核上成長時，會傾向游移至低能處，造成了某一個能量較低的方向堆疊在一特定方向上的非對稱性成長，也因此形成柱/線形陣列結構。

本實施例係採用水熱處理，然本發明不限於使用水熱處理法，亦可採用熱蒸鍍法(thermal evaporation)、溶膠凝膠法(sol-gel method)、化學氣相沈積法(chemical vapor deposition,CVD)、或分子束磊晶法(molecular beam epitaxy,MBE)。

此外，本實施例雖以旋轉塗佈法(spin coating)來佈設晶種層於GaN基板上，亦可利用浸漬塗佈(dip coating)、蒸鍍(evaporation)、濺射(sputtering)、原子層沉積(atomic layer deposition)、電化學沉積(electrochemical deposition)、脈衝雷射沉積(pulse laser deposition)、金屬有機物化學氣相沉積(metal-organic chemical vapor deposition)、或熱退火(thermal annealing)等方式。

氣氛可包含氮、氫、或其混合。此外，ZnO柱體的可控制粗化的氣氛溫度高於200℃。

在上述的氣氛條件下，柱體108可能呈現為六角錐狀或截頭六角錐，其尺寸介於奈米與數微米間。柱體108下表面的直徑介於100nm(奈米)與數μm(微米)之間。

請參照圖4，其繪示ZnO層的柱體108形成於佈設層106的孔隙109中。柱體108各自具有六角截面和烏采結構(Wurtzite Structure)，如圖5所示。在本發明中呈現為六角圓柱。根據柱體108的結構，光束自發光裝置102朝特定方向發射。

圖6繪示在不同溫度和濃度的環境條件下形成各種形狀的柱體108。舉例來說，圖6A的柱體108為六角錐狀，係在小於圖6C的氣氛氮氫濃度比下所形成，而圖6C的柱體則呈現為截頭六角錐狀。圖6A中的柱體108亦可在溫度高於圖6C的條件下形成。因此，發光裝置的粗化可藉由改變氧化層柱體108的棱錐形狀(銳度)來加以控制。

請參照圖7與圖8，其繪示六角柱和六角錐各自不同的光徑。與圖7相對照之下，圖8的六角錐顯然會產生折射並增加光脫逃角(light escape angle)，因而改變光的方向。因此，發光裝置的出光可大為增益，同時光脫逃角亦可為本發明所控制。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。反之，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

S101~S106．．．步驟

102．．．發光裝置

104．．．表層

106．．．佈設層

107．．．保護層

108．．．柱體

109．．．孔隙

圖1係本發明較佳實施例的流程圖。

圖2係本發明的3D立體圖。

圖3係圖2中A-A’截面的剖面圖，以繪示孔隙的形成。

圖4係圖2中A-A’截面的剖面圖，以繪示柱體的形成。

圖5係柱體的放大視圖。

圖6繪示在不同環境下形成的柱體結構。

圖7繪示六角圓柱狀柱體中的光徑。

圖8繪示六角錐狀柱體中的光徑。

S101~S106．．．步驟

Claims

一種提升發光裝置出光的方法，包括以下步驟：在發光裝置上提供佈設層；在佈設層上設置保護層；形成一陣列的孔隙穿透保護層和佈設層；以及在佈設層上生成氧化層，具有複數個柱體，各自形成於其中一孔隙；其中柱體的形狀係藉由控制氣氛溫度高於200℃而獲得，其中氣氛包括氮、氫、或其混合。
如申請專利範圍第1項的方法，其中氧化層包括氧化鋅(ZnO)、二氧化矽(SiO₂ )、二氧化鈦(TiO₂ )或氧化鋁(Al₂ O₃ )。
如申請專利範圍第1項的方法，其中氧化層藉由水熱處理、溶膠凝膠法、電鍍、熱蒸鍍法、化學氣相沈積法(CVD)、或分子束磊晶法(MBE)所形成。
如申請專利範圍第1項的方法，其中佈設層包括氧化銦錫(ITO)、鎳/金(Ni/Au)、氧化鎳/金(NiO/Au)、P型氧化鋅(p-ZnO)、或氧化鋅(ZnO)。
如申請專利範圍第1項的方法，其中保護層包括光阻材料或介電材料。
如申請專利範圍第1項的方法，其中柱體具有奈米結構或微米結構。
如申請專利範圍第1項的方法，其中柱體為六角錐狀或截頭六角錐狀。
如申請專利範圍第1項的方法，其中柱體下表面的直徑介於100 nm(奈米)與數μm(微米)之間。
如申請專利範圍第1項的方法，其中孔隙係由濕蝕刻製程、乾蝕刻製程、光蝕刻法和曝光顯影製程、雷射切割製程、或電子束寫入製程所形成。
一種具有增益出光的發光裝置，包括：發光基板；提供於發光基板上的佈設層；形成於佈設層的一陣列的孔隙；保護層，設置於具有露出孔隙的佈設層上；以及形成於佈設層上的氧化層，具有複數個柱體，各自形成於其中一孔隙；其中柱體的形狀可為六角錐狀或截頭的六角錐狀。
如申請專利範圍第10項的發光裝置，其中氧化層包括氧化鋅(ZnO)、二氧化矽(SiO₂ )、二氧化鈦(TiO₂ )或氧化鋁(Al₂ O₃ )。
如申請專利範圍第10項的發光裝置，其中氧化層由水熱處理、溶膠凝膠法、電鍍、熱蒸鍍法、化學氣相沈積法(CVD)、或分子束磊晶法(MBE)所形成。
如申請專利範圍第10項的發光裝置，其中佈設層包括氧化銦錫(ITO)、鎳/金(Ni/Au)、氧化鎳/金(NiO/Au)、P型氧化鋅(p-ZnO)、或氧化鋅(ZnO)。
如申請專利範圍第10項的發光裝置，其中保護層包括光阻材料或介電材料。
如申請專利範圍第10項的發光裝置，其中氣氛的溫度高於200℃。
如申請專利範圍第10項的發光裝置，其中氣氛包括氮、氫、或其混合。
如申請專利範圍第10項的發光裝置，其中柱體具有奈米結構或微米結構。
如申請專利範圍第10項的發光裝置，其中柱體下表面的直徑介於100 nm(奈米)與數μm(微米)之間。
如申請專利範圍第10項的發光裝置，其中孔隙由濕蝕刻製程、乾蝕刻製程、光蝕刻法和曝光顯影製程、雷射切割製程、或電子束寫入製程所形成。