TWI429795B - 於氮化鎵上製作氧化鋅之方法與其應用thereof - Google Patents

Description

於氮化鎵上製作氧化鋅之方法與其應用THEREOF

本發明係關於一種於氮化鎵上製作氧化鋅之方法與其應用，特別是有關一種利用水熱法於氮化鎵上製作氧化鋅之方法與應用氧化鋅回收基板的方法。

近來，隨著氧化鋅奈米結構應用範圍的增廣，因此，氧化鋅磊晶層被試著生長於許多不同的基板，例如Si[4]、6H-SiC[5]、NiO[6]、indium-tin-oxide(ITO)[7]、diamind[8]、GaN[9-13]等基板。一般來說，在不同的基板上形成氧化鋅磊晶層，都是採用一氮化鎵做為氧化鋅磊晶層與基板之間的中介層，而加強氧化鋅磊晶層與不同基板之間的附著力。這是因為氮化鎵和氧化鋅的晶體結構相同，兩者晶格常數相當匹配(~1.9%)且熱傳導係數也相似。

一般來說，於氮化鎵上製作氧化鋅薄膜(或磊晶層)大多都是採取電化學沈積法(electrochemical deposition)、脈衝雷射沈積法(pulsed laser deposition)、金屬有機化學沈積法(metalorganic chemical vapor deposition)、或分子束磊晶法(molecular beam epitaxy)等方法來製作。然而，這些方法不但對於磊晶環境(或製程條件)的要求很高，例如高溫(超過100℃)、需要金屬輔助等，並且在成本上的需求也相當高，因此，亟需要一種對於磊晶環境要求低、簡單、以及低成本的方法，可以於氮化鎵上生長氧化鋅磊晶層。

另外，一般製作光學元件或光電元件，例如發光二極體(Light Emitting Diode；LED)，都是在一基板上進行製作，並且在完成光學元件(或光電元件)後，將光學元件(或光電元件)由基板剝離，就直接將基板廢棄不再使用。這樣的方式顯然並不符合環保要求且造成浪費，而導致光學元件(或光電元件)的製作成本無法降低，因此，亟需要一種可以在完成光學元件(或光電元件)製作後，可以回收基板再使用的方法，降低光學元件(或光電元件)的製作成本。

本發明之一目的為提供一種於氮化鎵上製作氧化鋅之方法，可以取代成本較高與製程條件較苛刻的電化學沈積法、脈衝雷射沈積法、金屬有機化學沈積法、或分子束磊晶法等傳統方法，而降低製作氮化鎵的困難與降低至製作成本。

本發明之另一目的為提供一種應用氧化鋅回收基板之方法，可以利用製作氧化鋅於基板上，而進行後續的光學元件(光電元件)製作，並於完成光學元件(光電元件)後，回收基板重複使用來製作光學元件(光電元件)，從而降低光學元件(光電元件)的製作成本，並使光學元件(光電元件)的製程更符合環保需要求。

根據本發明之一目的，本發明提供一種於氮化鎵上製作氧化鋅之方法，其包含下列步驟：(1)提供一基板；(2)於該基板上製作一氮化鎵層；(3)利用水熱法製作一氧化鋅薄膜於該氮化鎵層上。

根據本發明之另一目的，本發明提供一種應用氧化鋅回收基板的方法，其包含下列步驟：(1)提供一基板；(2)於該基板上製作一氮化鎵層；(3)製作一氧化鋅薄膜於該氮化鎵層上；(4)以該氧化鋅薄膜為磊晶中心製作半導體晶體或磊晶體該氧化鋅薄膜上，而製作光學元件；(5)移除該氧化鋅薄膜而將該半導體晶體或磊晶體由該基板上剝離，而回收其上具有該氮化鎵層的該基板；以及以回收的基板重複進行步驟(3)-(5)，而重複製作光學元件。

因此，本發明提供了一種於氮化鎵上製作氧化鋅之方法，可以製程要求低、困難度低、以及低成本的方法取代傳統製程要求高、困難度高、以及高成本的製作方法，並且應用該方法製作氧化鋅於基板上，而提供一種應用氧化鋅回收基板的方法，使得光學元件(光電元件)製程中使用的基板，可以一再地被回收而重複使用於製作光學元件(光電元件)，從而降低光學元件(光電元件)的製作成本。

100‧‧‧基板

102‧‧‧氮化鎵層

104‧‧‧氧化鋅薄膜

106‧‧‧氮化物半導體晶體或磊晶體

108‧‧‧化學溶液

110‧‧‧容器

第一A圖至第一E圖為本發明之一實施例之於氮化鎵上製作氧化鋅之方法與其應用方法的剖面流程圖。

本發明的一些實施例詳細描述如下。然而，除了該詳細描述外，本發明還可以廣泛地在其他的實施例施行。亦即，本發明的範圍不受已提出之實施例的限制，而以本發明提出之申請專利範圍為準。其次，當本發明之實施例圖示中的各元件或步驟以單一元件或步驟描述說明時，不應以此作為有限定的認知，即如下之說明未特別強調數目上的限制時本發明之精神與應用範圍可推及多數個元件或結構並存的結構與方法上。再者，在本說明書中，各元件之不同部分並沒有完全依照尺寸繪圖，某些尺度與其他相關尺度相比或有被誇張或是簡化，以提供更清楚的描述以增進對本發明的理解。而本發明所沿用的現有技藝，在此僅做重點式的引用，以助本發明的闡述。

第一A圖至第一D圖為本發明之於氮化鎵上製作氧化鋅之方法的一個實施例，其以剖面結構圖顯示整個製程與各個製程步驟。參照第一A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、或軟性塑膠基板。接著，製作一氮化鎵層102於基板100上。氮化鎵層102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)、或金屬有機化學沈積法(metalorganic chemical vapor deposition)而製作於基板100上。其中，氮化鎵層102可以依照製程的需求與設計，製作成未摻雜氮化鎵、n型氮化鎵、或p型氮化鎵。

接著，以丙酮或甲醇洗淨基板100與其上氮化鎵層102，再以去離子水洗淨吹乾基板100與氮化鎵層102。然後，參照第 一B圖，將基板100置入或浸入一裝有化學溶液108的容器110中，而利用水熱法(hydrothermal method)於氮化鎵層102上製作氧化鋅薄膜。化學溶液108為硝酸鋅/六甲基四胺水溶液或任何可以經由化學反應析出氧化鋅的混合水溶液，而化學溶液108的濃度在50mM至220mM之間，其可依照製程需求，例如所需的沈積速率，而採取不同的化學溶液或不同濃度的化學溶液。製作氧化鋅薄膜的溫度在60℃至90℃之間，其較佳的製程溫度在65℃至75℃之間，而製程時間在1小時至數10小時之間，例如1小時至24小時，其可以依照不同的製程條件來決定，例如製程溫度，化學溶液成分與濃度等。

然後，參照第一C圖，等到氧化鋅薄膜104已經沈積至一預設厚度後，將基板移出，即完成氧化鋅薄膜104的製作。氧化鋅薄膜104的厚度(即預設厚度)在0.5微米(μm)至數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。在完成氧化鋅薄膜104製作後，可以於氧化鋅薄膜104上繼續進行後續製程，而製作光學元件(或光電元件)。參照第一D圖，完成氧化鋅薄膜104製作後，以氧化鋅薄膜104做為磊晶中心，而於氧化鋅薄膜104上製作或生長一或多層氮化物半導體晶體或磊晶體106，以組成光學元件(或光電元件)，例如發光二極體(LED)。氮化物半導體晶體或磊晶體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體106的製作係以原子層沈積法(atomic layer deposition)、電化學沈積法(electrochemical deposition)、脈衝雷射沈積法(pulsed laser deposition)、或金屬有機化 學沈積法(metalorganic chemical vapor deposition進行。

在第一A圖至第一D圖所示之於氮化鎵上製作氧化鋅之方法中，以低於100℃(60℃-90℃)的製程溫度，在可以經由化學反應析出氧化鋅的混合水溶液(例如硝酸鋅/六甲基四胺水溶液)中，反應1小時至數10小時等簡單的製程條件與步驟，即可以在氮化鎵上製作氧化鋅，完全不需要傳統製作氧化鋅方法中的嚴苛製程條件，例如高溫(至少要高於100℃)、需要金屬輔助等，也不需要為達成這些嚴苛製程條件所需要的成本，所以可以簡化於氮化鎵上製作氧化鋅的製程與降低其製作成本。

另外，本發明也提供一種應用氧化鋅回收基板之方法，特別是應用前文所說明的於氮化鎵上製作氧化鋅之方法製作氧化鋅而進行回收基板的方法。參照第一A圖至第一E圖，其為本發明之應用氧化鋅回收基板之方法之一實施例，以剖面結構圖顯示整個製程與各個製程步驟。

參照第一A圖、第一B圖、第一C圖以及第一D圖，以前文所提及第一A圖至第一D圖所示之步驟，分別依序於基板100上製作氮化鎵層102、於氮化鎵層102製作氧化鋅薄膜104、於氧化鋅薄膜104製作一或多層氮化物半導體晶體或磊晶體106。由於這些步驟與前述於氮化鎵上製作氧化鋅之方法中的步驟相同，因此，在此不再贅述。然而，值得注意的是，在第一A圖至第一E圖所示應用氧化鋅回收基板之方法中，雖然以製程步驟簡單、製程條件(或要求)低、以及成本低廉的水熱法於氮化鎵層102製作氧化鋅薄膜104為一最佳的選擇，但是仍然可以依照製程的 需求，而選擇以熱蒸鍍法(thermal evaporation)、化學氣相沈積法(chemical vapor deposition)、分子束磊晶法(molecular beam epitaxy)、或陽極氧化鋁多孔模板法(AAO)等製程步驟複雜、製程條件(或要求)嚴苛、以及成本較高的傳統方法製作，並不侷限於水熱法。

接著，參照第一E圖，在完成氮化物半導體晶體或磊晶體106製作而組成光學元件(或光電元件)後，以酸性溶液對蝕刻氧化鋅薄膜104進行蝕刻，而將氧化鋅薄膜104移除，使得製作於氧化鋅薄膜104上的氮化物半導體晶體或磊晶體106，與基板100或氮化鎵層102分離，而由其上剝離。換言之，即將氧化鋅薄膜104完全蝕刻，而使得製作於氧化鋅薄膜104上的光學元件，由基板110(或氮化鎵層102)上剝離。用以蝕刻除氧化鋅薄膜104的酸性溶液為鹽酸、醋酸、硫酸、硝酸、或這些酸性溶液的混合溶液。酸性溶液的濃度可以依照製程需求而選擇不同的濃度，例如依照需要的蝕刻速率、蝕刻時間等選擇不同的濃度。

最後，將基板110回收而再使用。由於此時基板100上已經製作有氮化鎵層102，因此，可以直接重複第一B圖至第一E圖所示之步驟，分別依序將於基板100上製作氮化鎵層102、於氮化鎵層102製作氧化鋅薄膜104、於氧化鋅薄膜104製作一或多層氮化物半導體晶體或磊晶體106、以及移除氧化鋅薄膜104，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。如此一來，在基板未磨損或是破損到一定程度之前，都可以重複回收並再使用於光學元件(或光電元件)的製作。由於基板不再使用過一次後即廢棄，所以有助於光學元件(或光電元件)的製作成本的大幅降低，並且也更符 合環保的要求。

有鑑於上述實施例，本發明提供一種於氮化鎵上製作氧化鋅之方法，利用步驟簡單、製程條件(或要求)低、以及成本低廉的水熱法取代成本較高與製程條件較苛刻的電化學沈積法、脈衝雷射沈積法、金屬有機化學沈積法、或分子束磊晶法等傳統方法，於氮化鎵上製作氧化鋅，而降低製作氮化鎵的困難與降低至製作成本，從而簡化製程與降低製程要求和製作成本。更進一步，本發明應用於氮化鎵上製作氧化鋅之方法，而提出一種回收基板的方法，可以不斷地回收基板重新進行光學元件(或光電元件)之製作，而有助於光學元件(或光電元件)的製作成本的大幅縮減。

100‧‧‧基板

102‧‧‧氮化鎵層

104‧‧‧氧化鋅薄膜

106‧‧‧氮化物半導體晶體或磊晶體

108‧‧‧化學溶液

110‧‧‧容器

Claims (24)

1. 一種利用水熱法於氮化鎵上製作氧化鋅之方法，包含：(1)提供一基板；(2)於該基板上製作一氮化鎵層；(3)利用水熱法製作一連續且完整的氧化鋅薄膜於該氮化鎵層上；以及(4)以該氧化鋅薄膜為磊晶中心而製作半導體晶體或磊晶體，而製作一光學元件或光電元件於該氧化鋅薄膜上。
2. 根據申請專利範圍第1項所述之利用水熱法於氮化鎵上製作氧化鋅之方法，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、或軟性塑膠基板。
3. 根據申請專利範圍第1項所述之利用水熱法於氮化鎵上製作氧化鋅之方法，其中該氮化鎵層為未摻雜、n型、或p型。
4. 根據申請專利範圍第1項所述之利用水熱法於氮化鎵上製作氧化鋅之方法，其中步驟(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)、或金屬有機化學沈積法(metal organic chemical vapor deposition)製作該氮化鎵層。
5. 根據申請專利範圍第1項所述之利用水熱法於氮化鎵上製作氧化鋅之方法，其中步驟(3)係以硝酸鋅/六甲基四胺水溶液或可以經由化學反應析出氧化鋅的混合水溶液做為化學溶液，而於該氮化鎵層上沈積該氧化鋅薄膜。
6. 根據申請專利範圍第1項所述之利用水熱法於氮化鎵上製作氧化鋅之方法，其中該化學溶液的濃度在50mM至220mM之間。
7. 根據申請專利範圍第1項所述之利用水熱法於氮化鎵上製作氧化鋅之方法，其中步驟(3)係在60℃至90℃之間進行。
8. 根據申請專利範圍第1項所述之利用水熱法於氮化鎵上製作氧化鋅之方法，其中步驟(3)的製程時間在1小時至數10小時之間進行。
9. 根據申請專利範圍第1項所述之利用水熱法於氮化鎵上製作氧化鋅之方法，其中該氧化鋅薄膜的厚度在0.5微米(μm)至數10微米(μm)之間。
10. 根據申請專利範圍第1項所述之利用水熱法於氮化鎵上製作氧化鋅之方法，其中更包含一洗淨步驟於步驟(3)之前實施，其包含：以丙酮或甲醇洗淨已製作有氮化鎵層於其上的基板；以及以去離子水洗淨吹乾該基板。
11. 一應用氧化鋅回收基板的方法，包含：(1)提供一基板；(2)於該基板上製作一氮化鎵層；(3)製作一連續且完整的氧化鋅薄膜於該氮化鎵層上；(4)以該氧化鋅薄膜為磊晶中心製作半導體晶體或磊晶體該氧化鋅薄膜上，而製作光學元件；(5)移除該氧化鋅薄膜而將該半導體晶體或磊晶體由該基板上剝離，而回收其上具有該氮化鎵層的該基板；以及(6)以回收的基板重複進行步驟(3)-(5)，而重複製作光學元件。
12. 根據申請專利範圍第11項所述之應用氧化鋅回收基板的方 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、或軟性塑膠基板。
13. 根據申請專利範圍第11項所述之應用氧化鋅回收基板的方法，其中該氮化鎵層為未摻雜、n型、或p型。
14. 根據申請專利範圍第11項所述之應用氧化鋅回收基板的方法，其中步驟(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)、或金屬有機化學沈積法(metalorganic chemical vapor deposition)製作該氮化鎵層。
15. 根據申請專利範圍第11項所述之應用氧化鋅回收基板的方法，其中更包含一洗淨步驟於步驟(3)之前實施，其包含：以丙酮或甲醇洗淨已製作有氮化鎵層於其上的基板；以及以去離子水洗淨吹乾該基板。
16. 根據申請專利範圍第11項所述之應用氧化鋅回收基板的方法，其中該步驟(3)係以水熱法(hydrothermal method)、熱蒸鍍法(thermal evaporation)、化學氣相沈積法(chemical vapor deposition)、分子束磊晶法(molecular beam epitaxy)、或陽極氧化鋁多孔模板法(AAO)製作該氧化鋅薄膜。
17. 根據申請專利範圍第11項所述之應用氧化鋅回收基板的方法，其中該步驟(3)係以硝酸鋅/六甲基四胺水溶液或可以經由化學反應析出氧化鋅的混合水溶液做為化學溶液，而以水熱法於該氮化鎵層上沈積該氧化鋅薄膜。
18. 根據申請專利範圍第17項所述之應用氧化鋅回收基板的方法，其中該化學溶液的濃度在50mM至220mM之間。
19. 根據申請專利範圍第17項所述之應用氧化鋅回收基板的方法，其中步驟(3)係在60℃至90℃之間進行。
20. 根據申請專利範圍第17項所述之應用氧化鋅回收基板的方法，其中步驟(3)的製程時間在1小時至數10小時之間進行。
21. 根據申請專利範圍第11項所述之應用氧化鋅回收基板的方法，其中該氧化鋅薄膜的厚度在0.5微米(μm)至數10微米(μm)之間。
22. 根據申請專利範圍第11項所述之應用氧化鋅回收基板的方法，其中步驟(4)係以原子層沈積法、電化學沈積法、脈衝雷射沈積法、或金屬有機化學沈積法製作半導體晶體或磊晶體該氧化鋅薄膜上。
23. 根據申請專利範圍第11項所述之應用氧化鋅回收基板的方法，其中步驟(5)係以酸性溶液蝕刻該氧化鋅薄膜而將其移除。
24. 根據申請專利範圍第23項所述之應用氧化鋅回收基板的方法，其中酸性溶液為鹽酸、醋酸、硫酸、硝酸、或其混合溶液。