TWI573288B - 發光二極體及其製作方法 - Google Patents
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Description
本發明涉及一種發光二極體及其製作方法，尤其涉及一種以玻璃或者金屬為基板的發光二極體及其製作方法。
由於氮化鎵具有很寬的直接能隙範圍，而且氮化鎵的製程與矽技術相容，容易形成異質結構，其能帶結構為直接能隙型，被視為最適合發展藍光元件的半導體材料，但其最大的問題在於磊晶生長困難。
一般氮化鎵都是在藍寶石或者碳化矽基底上生長，形成異質結構，以磊晶技術生長在藍寶石基板上的氮化鎵材料是屬於六方晶型之晶體結構，藍寶石基板亦為六方晶體，但兩者之晶格常數大小並不相同，由此嚴重影響了其所制得的發光二極體的發光效率，並且使用藍寶石基板價格昂貴，大大提高了發光二極體的製作成本。
有鑒於此，提供一種能夠解決上述問題的發光二極體及其製作方法實為必要。
一種發光二極體，其包括依次疊置的基板、第一電極、緩衝層、發光層以及第二電極，其中，該第一電極由定義在該基板上的鋁摻雜氧化鋅薄膜所構成，該緩衝層為氧化鋅奈米線陣列，該發光層由依次層疊的N型氮化鎵奈米線陣列以及P型氮化鎵奈米線陣列所構成，該第二電極包覆在該P型氮化鎵奈米線陣列的端頭，該發光二極體還包括有一填充於該第一電極以及第二電極之間的絕緣體
。
一種發光二極體之製作方法，其包括如下步驟：提供一基板；在該基板上製備鋁摻雜氧化鋅薄膜；對該鋁摻雜氧化鋅薄膜進行蝕刻以定義出第一電極；在該第一電極上生長氧化鋅奈米線陣列；在該氧化鋅納米線陣列上生長氮化鎵奈米線發光層；鍍絕緣體層以覆蓋該生長有該氧化鋅奈米線陣列以及氮化鎵奈米線發光層之基板，並使該氮化鎵奈米線發光層之端頭露出以定義出第二電極區域；在該第二電極區域製備第二電極。
與先前技術相比，本發明所提供的該發光二極體之結構及其製作方法，將傳統的半導體層之P-N結以單晶奈米線的方式進行層疊生長，採用了多晶結構的鋁摻雜氧化鋅以及氧化鋅奈米線作為氮化鎵奈米線之生長基底，從而使得所製得的發光二極體之基板不受限於藍寶石基板，使得本發明所提供之發光二極體之結構及其製作方法除了能夠降低成本之外，還能夠提供多樣化的開發彈性。
下面將結合附圖對本發明所提供的實施方式作進一步詳細說明。
請參見圖1，本發明實施方式所提供的發光二極體100，其包括依次疊設的基板10、第一電極20、緩衝層30、氮化鎵奈米線發光層40以及第二電極60。
其中，該第一電極20為鋁摻雜氧化鋅薄膜，該緩衝層30由氧化鋅奈米線陣列形成，該氮化鎵奈米線發光層40包
括依次疊置的N型氮化鎵奈米線陣列41以及P型氮化鎵奈米線陣列42，該第二電極60包覆在該P型氮化鎵奈米線陣列42的頂端。
該發光二極體100還包括一絕緣層50，該絕緣層50位於該第一電極20與該第二電極60之間對該氧化鋅奈米線緩衝層30以及氮化鎵奈米線發光層40進行填充。
在本發明中，該基板10的材料可以是玻璃基板或者金屬基板，當然其還可以根據不同的設計需要而改變。
可以理解的，該氧化鋅奈米線以及氮化鎵奈米線可以是單晶奈米線也可以是多晶奈米線，優選的，該氧化鋅奈米線以及氮化鎵奈米線均為單晶奈米線。
本發明還提供了上述發光二極體100的製作方法，其包括如下步驟。
(1)請參閱圖2，提供一基板10，採用射頻濺鍍法在該基板10上製備鋁摻雜氧化鋅(AZO)薄膜21。
在本實施方式中，該基板10為金屬基板。為了保證鍍膜品質，在對該基板10進行鍍膜前需要對該基板10進行清洗以去除附著於基板表面的污染物。
由於在本發明中，該鋁摻雜氧化鋅薄膜21係作為電極使用，所以需要保證該鋁摻雜氧化鋅薄膜21具有良好的電導率。
然而，根據鋁摻雜氧化鋅的反應基理，鋁摻雜氧化鋅的導電率會隨著摻雜鋁的含量的不同而變化，這是因為當
鋁對氧化鋅進行摻雜時，一部分摻雜的鋁原子會取代鋅原子的晶格位置或者是佔據氧化鋅晶格中的間隙位置，提高了載子濃度，從而提高了導電率，但是由於鋁原子在氧化鋅晶格中為離子化散射中心，因此部分鋁原子在佔據氧化鋅晶格中的間隙位置後會使得結晶變形，從而導致電子移動率下降而使導電率下降。目前的研究表明，當摻雜鋁的含量為2wt%時鋁摻雜氧化鋅具有較佳的電導率，因此，優選的，在本實施方式中，藉由控制射頻濺鍍的條件將該鋁摻雜氧化鋅薄膜21的摻雜鋁含量大約控制在2wt%。
可以理解的，該鋁摻雜氧化鋅薄膜21還可以採用其它的製程製備，例如可以採用有機金屬化學氣相沈積法(MOCVD)、分子束磊晶(MBE)、脈衝雷射沈積法(PLD)以及熱分解法(spray pyrolysis)等製程來在該基板10上覆蓋該鋁摻雜氧化鋅薄膜21。
為了確保該鋁摻雜氧化鋅薄膜20為多晶結構，還可以將鍍有該鋁摻雜氧化鋅薄膜21的基板10送入高溫爐在氧環境中進行退火處理，在本實施方式中，將該完成鍍膜的基板10送入高溫爐在氧環境中以300~500℃進行退火處理。當然，也可以不用對該基板10進行退火處理。
(2)如圖3所示，蝕刻該鋁摻雜氧化鋅薄膜21以定義出該第一電極20。
在此步驟中，可以根據不同的設計需求來對電極的形狀進行設計，在本實施方式中，採用黃光微影技術對該鋁
摻雜氧化鋅薄膜21進行微影蝕刻以定義出該第一電極20。
可以理解的，本發明還可以採用其它的物理蝕刻或者化學蝕刻的方式對該鋁摻雜氧化鋅薄膜21進行蝕刻以定義該第一電極20。
(3)在該第一電極20上生長該氧化鋅奈米線緩衝層30，如圖4所示。
本實施方式中採用化學氣相沈積法在該第一電極21上生長氧化鋅奈米線陣列。化學氣相沈積法製備氧化鋅奈米線之過程及原理大致為：在鈍氣氣氛中通入鋅源，鋅原子在該鈍氣氣氛中沈積，接著通入氧氣，此時富鋅相的氧化鋅形成，溫度持續上升，金屬鋅以及富鋅相氧化鋅融成液相，經由自我催化的VLS(Self-catalyzed VLS process)機制析出氧化鋅晶柱，然後在該氧化鋅晶柱表面進行氣相沈積以生長氧化鋅奈米線，在這個過程中，藉由改變氧氣流速藉以控制氧氣濃度，最終目的是通過控制氧氣濃度來控制氧化鋅奈米柱的生長，尤其是縱向的生長。
由於本實施方式中，採用鋁摻雜氧化鋅薄膜21作為基底來生長氧化鋅奈米線，而鋁摻雜氧化鋅薄膜的主體材料為氧化鋅，其晶格常數與氧化鋅奈米線的晶格常數相同，因此氧化鋅奈米線會選擇性的生長在該第一電極20上。
可以理解的，還可以採用其它的合成方法在該第一電極
20上生長氧化鋅奈米線，例如輔助模板生長、溶解基底合成、催化劑驅使分子束磊晶、有機金屬氣相磊晶法、有機金屬化學氣相沈積等氧化鋅奈米線生長方法。
(4)在該氧化鋅納米線緩衝層30上沿着其奈米線之延伸方向接續生長氮化鎵奈米線發光層40，如圖5所示。
本實施方式中，亦採用化學氣相沈積法製備該氮化鎵奈米線發光層40。由於氮化鎵的晶格常數與氧化鋅的晶格常數非常接近，因此在化學氣相沈積過程中，氮化鎵奈米線能夠選擇性的在該氧化鋅奈米線上接續生長。
由於通常氧化鋅具有N型半導體的特徵，因此，首先在該氧化鋅奈米線陣列30上生長N型氮化鎵奈米線陣列41，然後再轉換沈積條件在該N型氮化鎵奈米線陣列41上生長P型氮化鎵奈米線陣列42，由此形成該氮化鎵奈米線發光層40。
可以理解的，在本發明中，該氮化鎵奈米線也可以採用其它的生長方式，例如電漿輔助化學氣相沈積等方法。
(6)在該基板10上覆蓋絕緣層50以填埋該氧化鋅奈米線緩衝層30以及氮化鎵奈米線發光層40，並且保持該P型氮化鎵奈米線陣列42之端頭露出以定義出第二電極區域60。
在本實施方式中，該絕緣層50為二氧化矽層，如圖6及圖7所示，首先在該基板10上沈積二氧化矽以對生長在該基板10上的氧化鋅奈米線緩衝層30以及氮化鎵奈米線發光層40進行填埋覆蓋至完全覆蓋，然後在對該絕緣層50進行蝕刻以使得該P型氮化鎵奈米線陣列42之端頭露出，從
而定義出該第二電極區域60。
可以理解的，也可以控制二氧化矽的沈積以使得該絕緣層50對該P型氮化鎵奈米線陣列42進行部分覆蓋而使得該P型氮化鎵奈米線陣列42之端頭露出，從而省去對該絕緣層50進行蝕刻的步驟。
可以理解的，在本發明中該絕緣層50的材料並不限於二氧化矽。
(7)在該第二電極區域60製備第二電極61，如圖8所示。
在本實施方式中，該第二電極61為ITO電極，可以理解的，該第二電極61也可以是其它類型的電極，例如鋁摻雜氧化鋅電極等。當然，該第二電極61的製備方式可以採用包括化學沈積等方式在內的各種電極製作方式，只要能夠確保在該第二電極區域60內製備出有利於發光二極體使用的電極即可。
與先前技術相比，本發明所提供的該發光二極體之結構及其製作方法，將傳統的半導體層之P-N結以單晶奈米線的方式進行層疊生長，採用了多晶結構的鋁摻雜氧化鋅以及氧化鋅奈米線作為氮化鎵奈米線之生長基底，從而使得所製得的發光二極體之基板不受限於藍寶石基板，使得本發明所提供之發光二極體之結構及其製作方法除了能夠降低成本之外，還能夠提供多樣化的開發彈性。
綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施方式，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本
案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。
100‧‧‧發光二極體
10‧‧‧基板
20‧‧‧第一電極
21‧‧‧鋁摻雜氧化鋅薄膜
30‧‧‧緩衝層
40‧‧‧氮化鎵奈米線發光層
41‧‧‧N型氮化鎵奈米線陣列
42‧‧‧P型氮化鎵奈米線陣列
50‧‧‧絕緣層
60‧‧‧第二電極
圖1係本發明實施方式所提供的發光二極體之截面結構示意圖。
圖2至圖8係本發明實施方式所提供之發光二極體在各製作過程中之結構示意圖。
100‧‧‧發光二極體
10‧‧‧基板
20‧‧‧第一電極
30‧‧‧緩衝層
40‧‧‧氮化鎵奈米線發光層
41‧‧‧N型氮化鎵奈米線陣列
42‧‧‧P型氮化鎵奈米線陣列
50‧‧‧絕緣層
60‧‧‧第二電極
Claims (10)
- 一種發光二極體，其包括依次疊置的基板、第一電極、緩衝層、發光層以及第二電極，其中，該第一電極由位於該基板上的鋁摻雜氧化鋅薄膜所構成，該緩衝層為氧化鋅奈米線陣列，該發光層由依次層疊的N型氮化鎵奈米線陣列以及P型氮化鎵奈米線陣列所構成，該第二電極包覆在該P型氮化鎵奈米線陣列的頂端，該發光二極體還包括一填充於該第一電極以及第二電極之間的絕緣體。
- 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體，其中：該基板為玻璃基板或者金屬基板。
- 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體，其中：該第二電極為ITO電極。
- 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體，其中：該絕緣體為二氧化矽。
- 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體，其中：該氧化鋅奈米線為單晶奈米線。
- 一種發光二極體之製作方法，其包括如下步驟：提供一基板；在該基板上製備鋁摻雜氧化鋅薄膜；蝕刻該鋁摻雜氧化鋅薄膜以形成第一電極；在該第一電極上生長氧化鋅奈米線陣列；在該氧化鋅納米線陣列上生長氮化鎵奈米線發光層；鍍絕緣體層以填埋覆蓋該生長有該氧化鋅奈米線陣列以及氮化鎵奈米線發光層之基板，並使該氮化鎵奈米線發光層之端頭露出以定義出第二電極區域； 在該第二電極區域製備第二電極。
- 如申請專利範圍第6項所述的發光二極體之製作方法，其中：該氮化鎵發光層包括沿該氧化鋅奈米線之延伸方向依次生長的N型氮化鎵奈米線陣列以及P型氮化鎵奈米線陣列。
- 如申請專利範圍第6項所述的發光二極體之製作方法，其中：該基板為玻璃基板或者金屬基板。
- 如申請專利範圍第6項所述的發光二極體之製作方法，其中：該鋁摻雜氧化鋅薄膜採用射頻濺鍍法製成。
- 如申請專利範圍第6項所述的發光二極體之製作方法，其中：該氧化鋅奈米線陣列以及氮化鎵系奈米線陣列均採用化學氣相沈積法製成。
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