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TW201443255A - 製作氮化鎵之方法 - Google Patents

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TW201443255A
TW201443255A TW102116894A TW102116894A TW201443255A TW 201443255 A TW201443255 A TW 201443255A TW 102116894 A TW102116894 A TW 102116894A TW 102116894 A TW102116894 A TW 102116894A TW 201443255 A TW201443255 A TW 201443255A
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Taiwan
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gallium nitride
substrate
zinc oxide
nitride according
pulsed laser
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TW102116894A
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林清富
古竣偉
吳皓郁
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國立臺灣大學
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Abstract

本發明係有關於一種製作氮化鎵之方法，其包括：首先，提供一基板；接著，製作一氧化鋅層於基板上；再者，藉由一脈衝雷射沉積系統製作一氮化鎵薄膜於氧化鋅層上。

Description

製作氮化鎵之方法
本發明係有關一種製作氮化鎵之方法，特別是關於一種藉由脈衝雷射沉積系統製作氮化鎵於氧化鋅之方法。
隨著科技蓬勃發展，全球環保意識抬頭，極具有節能效益的發光二極體產業逐漸嶄露頭角。其中，尤以氮化鎵發光二極體長期受到廣泛的研究及應用。
目前氮化鎵發光二極體的製作方法主要為以下兩種方法：
(1)利用有機金屬化學氣相沉積法(MOCVD)在藍寶石基板上生長氮化物磊晶層，接著利用熱壓方式將金屬/矽與氮化物磊晶層鍵合(bonding)，再來利用雷射剝離的方式將藍寶石分離自基板。但由於氮化鎵和藍寶石之間有較大的晶格和熱膨脹係數錯配，長成的氮化鎵磊晶層通常含有高密度缺陷，因此以藍寶石為基板所製作的元件尺寸則受到相當限制，舉例來說，其現前最成熟的尺寸為4吋，且利用雷射剝離所需成本亦高昂。
(2)先製作具有圖形化的矽基板，接著利用MOCVD製作氮化物緩衝層在圖型化矽基板上，最後再利用MOCVD磊晶後續氮化物發光元件。然而此方法雖可製作出大尺寸發光元件，但由於矽基板將會對發光元件所發出的光產生吸收現象，而導致整體較低的發光率。
因此，亟需提出一種具有高效率及高效益的製作氮化鎵之方法。
本發明之一目的在於提出一種製作氮化鎵之方法，其包含：首先，提供一基板；接著，製作一氧化鋅層於基板上；再者，藉由一脈衝雷射沉積系統製作一氮化鎵薄膜於氧化鋅層上。
為了使本發明之敘述更加詳盡與完備，可參照所附之圖式及以下所述各種實施例，圖式中相同之號碼代表相同或相似之元件。另一方面，眾所週知的元件與步驟並未描述於實施例中，以避免造成本發明不必要的限制。
第一圖至第四圖係繪示根據本發明一實施例之於氧化鋅上製作氮化鎵之方法流程圖，其分別依序顯示各製程步驟。請參照第一圖，首先，提供一基板100，基板100為金屬基板、矽基板、石英基板、玻璃基板、藍寶石基板、或可撓性塑膠基板。並且，以丙酮或甲醇洗淨基板100，再以去離子水洗淨吹乾基板100。
接著，請參照第二圖，製作一氧化鋅層102於基板100上，以作為緩衝層。氧化鋅層102係以原子層沈積法(atomic layer deposition)、電化學沈積法(electrochemicaldeposition)、脈衝雷射沈積法(pulsed laser deposition)、金屬有機物化學氣相沈積法(metalorganicchemical vapor deposition)或水熱法(hydrothermal method)而製作於基板100上。然而，氧化鋅層102的厚度(即預設厚度)介於在0.1微米(μm)至10微米(μm)之間，其可以依照製程的需求或是後續製程的需求而選擇不同的厚度。
然後，請參照第三圖，藉由脈衝雷射沉積系統(Pulsed Laser Deposition (PLD))製作一氮化鎵薄膜104於氧化鋅層102上。更進一步地說，在一實施例中，脈衝雷射沈積系統可以實施於具有氮源之氣體環境下，例如氮氣，予以製作氮化鎵薄膜104，且氣體流量亦可依據製程條件及需求而予以調整。其次，脈衝雷射沈積系統於製作過程中所注入之腔體壓力可以介於0.001托耳(torr)至760托耳(一大氣壓)之間。再者，製作氮化鎵薄膜104時，脈衝雷射沈積系統之基板加熱溫度可介於30℃至1000℃之間，其亦可以依照實際需求的製程條件予以決定之。另外，脈衝雷射沈積系統的工作距離，即基板與靶材之間的距離，則可以為15公分至30公分。然而，脈衝雷射沈積系統之雷射能量可依據實際製程條件而調整在200毫焦耳/脈衝(mJ/pulse)至600毫焦耳/脈衝之間，且脈衝雷射沈積系統之雷射頻率則可調整在5赫茲(Hz)至100赫茲之間。因此，當利用脈衝雷射沉積系統製作氮化鎵薄膜104時，將可藉由選擇適切之製作環境氣體，以及調整其適切之氣體流量、基板加熱溫度、雷射頻率及雷射能量，進而在氧化鋅層102上製作出具有所需厚度與特性的氮化鎵薄膜104。
請參照第四圖，在一實施例中，完成氮化鎵薄膜104製作後，接著進行元件製作步驟，其以氮化鎵薄膜104做為磊晶中心，而於氮化鎵薄膜104上製作或生長一或多層氮化物半導體晶體或磊晶層106，例如利用脈衝雷射沉積系統以形成光學元件(或光電元件)，如發光二極體(LED)於氮化鎵薄膜104上。氮化物半導體晶體或磊晶層106製作或生長的數量可以依照所欲製作的光學元件(或光電元件)的種類與結構而選擇。氮化物半導體晶體或磊晶層106的製作係可以藉由原子層沈積法(atomic layer deposition)、電化學沈積法(electrochemicaldeposition)、脈衝雷射沈積法(pulsed laser deposition)、或金屬有機物化學氣相沈積法(metalorganicchemical vapor deposition)進行。
接著，再請參照第五圖，在另一實施例中，當完成氮化物半導體晶體或磊晶層106製作之後，藉由化學蝕刻法移除氧化鋅層102，而使氮化鎵薄膜104自基板100分離。更具體地說，其係以化學蝕刻溶液對氧化鋅層102進行蝕刻而將氧化鋅層102移除，使得製作於氮化鎵薄膜104上的氮化物半導體晶體或磊晶層106，與基板100或氮化鎵薄膜102分離。換言之，即將氧化鋅層102完全蝕刻，使得製作於氧化鋅層102上的光學元件，從基板110上剝離。用以蝕刻除氧化鋅層102的化學蝕刻溶液則可包含一酸性溶液，其中酸性溶液可以為鹽酸、醋酸、硫酸、硝酸、或這些酸性溶液的混合溶液。另外，化學蝕刻溶液蝕刻氧化鋅層的移除時間係依據化學蝕刻溶液之濃度的選擇而有所調整。因此，化學蝕刻溶液的濃度則可以依照製程需求而選擇不同的濃度，例如依據實際所需的蝕刻速率、蝕刻時間而予以選擇適切之濃度。
請參照第六圖，將從移除步驟中所剝離出來的使氮化鎵薄膜104及氮化物半導體晶體或磊晶層106轉移至另一基板200，例如矽基板。其中，進行轉移步驟時，基板200需先鍍上一金屬層202以作為反光層，而使得氮化鎵薄膜104可轉移設置於金屬層202。
最後，請參照第七圖，其係將基板100回收而再使用。因此，可以直接重複第一圖至第五圖所示之步驟，分別依序將於基板100上製作氧化鋅層102、於氧化鋅層102製作氮化鎵薄膜104、於氮化鎵薄膜104製作一或多層氮化物半導體晶體或磊晶層106、以及移除氧化鋅層102，而重複地回收基板100並於其上製作光學元件(或光電元件)，直到基板100不堪使用為止。藉此，基板100將具有可重複利用性，而可大幅降低的製作成本。
如此一來，透過本發明所揭示之氧化鋅作為緩衝層，並利用成本較低的脈衝雷射沈積系統(PLD)沈積氮化鎵薄膜及其生長之磊晶層，接著再依據氧化鋅的化學特性，進行簡易移除步驟，將可使於移除步驟所剝離之發光二極體磊晶結構得以轉移至金屬/矽基板或其他基板予以應用，而剝離之基板亦可以重複利用製作氧化鎵薄膜。藉此，不僅將可在基板上重複有效製作大面積之氮化鎵薄膜，且可以製作出垂直電極，同時亦可有效改善基板吸光及發光元件電流分佈不均之問題，從而提高量產效率，且大幅降低生產成本。
以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。
100．．．基板
102．．．氧化鋅層
104．．．氮化鎵薄膜
106．．．氮化物半導體晶體或磊晶層
200．．．基板
202．．．金屬層
第一圖至第七圖係繪示根據本發明一實施例之製作氮化鎵之方法的流程圖。
100．．．基板
102．．．氧化鋅層
104．．．氮化鎵薄膜

Claims (16)

  1. 一種製作氮化鎵之方法，包含：(1)提供一基板；(2)製作一氧化鋅層於該基板上；及(3)藉由一脈衝雷射沉積系統(Pulsed Laser Deposition (PLD))製作一氮化鎵薄膜於該氧化鋅層上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之製作氮化鎵之方法，其中該基板為金屬基板、矽基板、石英基板、玻璃基板、藍寶石基板或可撓性塑膠基板。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之製作氮化鎵之方法，其中該步驟(2)係以原子層沈積法(atomic layer deposition)、電化學沈積法(electrochemical deposition)、脈衝雷射沈積法(pulsed laser deposition)、金屬有機物化學氣相沈積法(metalorganic chemical vapordeposition)或水熱法(hydrothermalmethod)製作該氧化鋅層於該基板上。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之製作氮化鎵之方法，其中該步驟(2)中，該氧化鋅層的厚度為0.1微米(μm)至10微米(μm)之間。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之製作氮化鎵之方法，其中在該步驟(3)中，該脈衝雷射沈積系統對該基板加熱的溫度為30℃至1000℃之間。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之製作氮化鎵之方法，其中在該步驟(3)中，該脈衝雷射沈積系統之一工作距離為15公分至30公分。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之製作氮化鎵之方法，其中該步驟(3)中之該脈衝雷射沈積系統係實施於具有一氮源之氣體環境中。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之製作氮化鎵之方法，其中該步驟(3)中，該脈衝雷射沈積系統之雷射能量在200毫焦耳/脈衝(mJ/pulse)至600毫焦耳/脈衝之間。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之製作氮化鎵之方法，其中該步驟(3)中，該脈衝雷射沈積系統之雷射頻率在5赫茲(Hz)至100赫茲之間。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之製作氮化鎵之方法，其中更包含元件製作步驟，其以該氮化鎵薄膜為磊晶中心而製作半導體晶體或磊晶層。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之製作氮化鎵之方法，其中該元件製作步驟係以原子層沈積法、電化學沈積法、脈衝雷射沈積法、或金屬有機物化學氣相沈積法製作半導體晶體或磊晶層於該氮化鎵薄膜上
  12. 如申請專利範圍第1項所述之製作氮化鎵之方法，更包含移除步驟，其藉由化學蝕刻法移除該氧化鋅層，而使該氮化鎵薄膜自該基板分離。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之製作氮化鎵之方法，其中係以一化學蝕刻溶液蝕刻該氧化鋅層而予以移除，並且該化學蝕刻溶液包含一酸性溶液。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之製作氮化鎵之方法，其中該酸性溶液為鹽酸、醋酸、硫酸、硝酸、或其混合溶液。
  15. 如申請專利範圍第13項所述之製作氮化鎵之方法，其中該化學蝕刻溶液蝕刻該氧化鋅層的移除時間係依據該化學蝕刻溶液之濃度。
  16. 如申請專利範圍第12項所述之製作氮化鎵之方法，其中更包含：回收該基板，並以回收的基板重複進行步驟(1)-(3)及移除步驟，而重複製作氮化鎵薄膜。
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