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TWI746321B - 具有氮化鋁氧化物薄膜的發光二極體的製作方法 - Google Patents

具有氮化鋁氧化物薄膜的發光二極體的製作方法 Download PDF

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TWI746321B
TWI746321B TW109145098A TW109145098A TWI746321B TW I746321 B TWI746321 B TW I746321B TW 109145098 A TW109145098 A TW 109145098A TW 109145098 A TW109145098 A TW 109145098A TW I746321 B TWI746321 B TW I746321B
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Abstract

本發明為一種具有氮化鋁氧化物薄膜的發光二極體，主要包括一基板、一氮化鋁緩衝層、一氮化鋁氧化物薄膜及一發光二極體磊晶結構。氮化鋁緩衝層位於基板的一圖案化表面上，其中圖案化表面包括複數個凸起部及至少一底部。氮化鋁氧化物薄膜位於凸起部的氮化鋁緩衝層上，而設置在底部的氮化鋁緩衝層上則未設置氮化鋁氧化物薄膜。發光二極體磊晶結構包括至少一氮化鎵化合物結晶，位於氮化鋁氧化物薄膜及未設置氮化鋁氧化物薄膜的氮化鋁緩衝層上，可大幅減少氮化鎵化合物結晶的缺陷密度，並有利於提高發光二極體的亮度。

Description

具有氮化鋁氧化物薄膜的發光二極體的製作方法
本發明有關於一種具有氮化鋁氧化物薄膜的發光二極體，可大幅減少氮化鎵化合物結晶的缺陷密度，並有利於提高發光二極體的亮度。
發光二極體具有轉換效率高、使用壽命長、體積小及安全性高等優點，已經成為新一代的照明光源。此外發光二極體亦取代傳統的冷陰極管成為顯示面板的背光源，特別適用於體積較小的可攜式電子裝置，例如筆記型電腦、手機及平板電腦等。
液晶顯示器並非自發光，並存在效率不佳的問題，即使液晶顯示器顯示白色，背光源發射的光通常只有不到10%會穿過面板，增加可攜式電子裝置的耗電量。液晶顯示器除了背光源之外，還需要搭配偏光器、液晶及彩色濾光片等裝置，造成液晶顯示器的尺寸無法進一步縮小。
相較之下，有機發光二極體具有自發光、廣視角、高對比、低耗電、高反應速率及具可繞性等優點，已逐漸取代液晶顯示器成為新一代可攜式電子裝置的顯示器。但有機發光二極體仍存在烙印、壽命較短、色衰退及PWM調光等問題，而各大廠商亦開始發展下一代的顯示面板。
目前來說，微發光二極體顯示器(Micro LED Display)很可能成為下一代的顯示面板。微發光二極體顯示器與有機發光二極體顯示器一樣是自發光，還具有高色彩飽和度、反應時間短及使用壽命長等優點。
目前微發光二極體在商業化上，仍存在許多成本與技術瓶頸需要克服。在發光二極體的製程中，主要是透過有機金屬化學氣相沉積(MOCVD)在藍寶石基板上成長磊晶材料以形成發光二極體磊晶結構。藍寶石基板的材料為三氧化二鋁，發光二極體磊晶結構的材料為氮化鎵，兩者的晶格大小差異很大，因此在藍寶石基板上形成氮化鎵時，很容易因為錯位(Mismatch)而產生大量的差排缺陷(Dislocation)，進而進低發光二極體的發光亮度。由於微發光二極體的發光面積遠小於傳統的發光二極體，使得上述的現象在微發光二極體上可能更為明顯。
為了解決上述先前技術的問題，本發明提出一種具有氮化鋁氧化物薄膜的發光二極體，主要於基板的表面上形成一氮化鋁緩衝層，並於氮化鋁緩衝層的部分表面上存在氮化鋁氧化物薄膜，以減少在形成氮化鎵化合物結晶的過程中發生的差排缺陷，並有利於提高發光二極體的發光亮度及發光效率。
本發明的一目的，在於提供一種具有氮化鋁氧化物薄膜的發光二極體，主要於基板的一圖案化表面形成一氮化鋁緩衝層，其中圖案化表面包括一底部及複數個凸出部，而氮化鋁緩衝層則覆蓋在圖案化表面的底部 及凸出部。氮化鋁氧化物薄膜設置在位於凸出部的氮化鋁緩衝層上，而位於底部的氮化鋁緩衝層上則未設置氮化鋁氧化物薄膜。
本發明主要依據基板的圖案化表面的構造，控制氮化鋁氧化物薄膜的設置位置，以利於在氮化鋁緩衝層及氮化鋁氧化物薄膜上形成至少一氮化鎵化合物結晶，並可有效減少在基板上形成發光二極體磊晶結構時產生的差排缺陷。
本發明的一目的，在於提供一種具有氮化鋁氧化物薄膜的發光二極體的製作方法，主要透過物理氣相沉積製程在基板的一圖案化表面形成一氮化鋁緩衝層，而後將基板傳送至一真空冷卻腔體冷卻。透過真空腔體的真空度、溫度及/或冷卻時間，控制形成在氮化鋁緩衝層表面的一氮化鋁氧化物薄膜的厚度，例如大於0.5nm並小於4.5nm。
將具有氮化鋁緩衝層及氮化鋁氧化物薄膜的基板輸送至一有機金屬化學氣相沉積腔體，以在基板上沉積氮化鎵化合物結晶。有機金屬化學氣相沉積需要在高溫的環境下進行，約400℃以上，在此一高溫的環境下會造成基板上部分的氮化鋁氧化物薄膜燃燒而移除，並使得部分的氮化鋁緩衝層裸露出來。後續的氮化鎵化合物結晶會形成在氮化鋁氧化物薄膜及裸露的氮化鋁緩衝層的表面，其中氮化鎵化合物在氮化鋁氧化物薄膜及氮化鋁緩衝層表面的成長速度不同，並有利於減少氮化鎵化合物在磊晶的過程中產生差排缺陷(Dislocation)。
本發明的一目的，在於提供一種具有氮化鋁氧化物薄膜的發光二極體的製作方法，用以形成氮化鎵化合物結晶的基板包括一圖案化表面，其中圖案化表面包括一底部及設置在底部上的複數個凸起部。在本發明中 主要透過冷卻的條件控制氮化鋁緩衝層上的氮化鋁氧化物薄膜的厚度，使得氮化鋁氧化物薄膜的厚度大於0.5nm並小於4.5nm之間。
在對基板進行有機金屬化學氣相沉積的過程中，腔體內的高溫環境會造成氮化鋁氧化物薄膜燃燒，使得部分區域的氮化鋁氧化物薄膜被移除。具體而言，圖案化表面的底部上的氮化鋁氧化物薄膜會被移除，使得位於底部的氮化鋁緩衝層裸露，而圖案化表面的凸起部的表面則會存在氮化鋁氧化物薄膜。
在基板上進行有機金屬化學氣相沉積的過程中，未設置氮化鋁氧化物薄膜的底部會以較快的速度形成氮化鎵化合物結晶，而具有氮化鋁氧化物薄膜的凸起部則會以較慢的速度形成氮化鎵化合物結晶。整體來看氮化鎵化合物結晶會由圖案化表面的底部朝凸起部凸起的方向逐漸沉積，以在基板的圖案化表面形成均勻且平整的氮化鎵化合物結晶，並可大幅減少氮化鎵化合物結晶在磊晶過程中形成差排缺陷。
為了達到上述的目的，本發明提出一種具有氮化鋁氧化物薄膜的發光二極體，包括：一基板；一氮化鋁緩衝層，設置在基板的至少一表面上；一氮化鋁氧化物薄膜，位於部分氮化鋁緩衝層上，而部分氮化鋁緩衝層為裸露，其中氮化鋁氧化物薄膜的厚度大於0.5nm並小於4.5nm；及一發光二極體磊晶結構，包括至少一氮化鎵化合物結晶，位於氮化鋁氧化物薄膜及裸露的氮化鋁緩衝層上。
本發明提供一種具有氮化鋁氧化物薄膜的發光二極體的製作方法，包括：在一基板的至少一表面形成一氮化鋁緩衝層；將基板輸送至一真空冷卻腔體內冷卻，直到基板的溫度小於或等於120℃，以在氮化鋁緩衝 層上形成一氮化鋁氧化物薄膜，其中氮化鋁氧化物薄膜的厚度大於0.5nm並小於4.5nm；及將經過冷卻的基板輸送至一有機金屬化學氣相沉積腔體，並在基板的氮化鋁氧化物薄膜及氮化鋁緩衝層上形成一氮化鎵化合物結晶。
本發明提供另一種具有氮化鋁氧化物薄膜的發光二極體的製作方法，包括：在一基板的一圖案化表面形成一氮化鋁緩衝層，其中圖案化表面包括複數個凸起部及至少一底部；將基板輸送至一真空冷卻腔體內冷卻，直到基板的溫度小於或等於120℃，以在氮化鋁緩衝層上形成一氮化鋁氧化物薄膜，其中氮化鋁氧化物薄膜的厚度大於0.5nm並小於4.5nm；將冷卻後的基板輸送至一有機金屬化學氣相沉積腔體，並透過有機金屬化學氣相沉積腔體加熱基板，以移除位於圖案化表面的底部上的氮化鋁氧化物薄膜，使得位於圖案化表面的底部上的氮化鋁緩衝層為裸露；及於基板的氮化鋁氧化物薄膜及裸露的氮化鋁緩衝層上形成一氮化鎵化合物結晶。
所述的具有氮化鋁氧化物薄膜的發光二極體，其中氮化鋁緩衝層的厚度小於500nm。
所述的具有氮化鋁氧化物薄膜的發光二極體，其中基板為一藍寶石基板、一SiC基板、一Si基板、一鑽石基板、一LiAlO2基板、一ZnO基板、一W基板、一Cu基板、一GaN基板、一AlGaN基板、一AlN基板、一鹼石灰或高矽玻璃基板。
所述的具有氮化鋁氧化物薄膜的發光二極體，其中發光二極體磊晶結構包括一n型氮化鎵化合物、一多層量子井及一p形氮化鎵化合物的層疊。
所述的具有氮化鋁氧化物薄膜的發光二極體，其中基板包括至少一圖案化表面，圖案化表面包括複數個凸起部及至少一底部，氮化鋁緩衝層設置在基板的圖案化表面上，氮化鋁氧化物薄膜位於凸起部的氮化鋁緩衝層上，底部的氮化鋁緩衝層為裸露，而氮化鎵化合物結晶則位於凸起部的氮化鋁氧化物薄膜及底部的氮化鋁緩衝層上。
所述的具有氮化鋁氧化物薄膜的發光二極體的製作方法，包括有機金屬化學氣相沉積腔體加熱基板，並移除基板上的部份氮化鋁氧化物薄膜，使得部分氮化鋁緩衝層為裸露，而後於氮化鋁氧化物薄膜及裸露的氮化鋁緩衝層上形成氮化鎵化合物結晶。
所述的具有氮化鋁氧化物薄膜的發光二極體的製作方法，包括將基板輸送至一物理氣相沉積腔體，並在基板的表面形成氮化鋁緩衝層。
所述的具有氮化鋁氧化物薄膜的發光二極體的製作方法，其中基板放置在真空冷卻腔體內冷卻，直到基板的溫度小於或等於80℃。
10:具有氮化鋁氧化物薄膜的發光二極體
11:基板
110:圖案化表面
111:底部
112:凹部
113:凸起部
13:氮化鋁緩衝層
15:氮化鋁氧化物薄膜
17:發光二極體磊晶結構
171:n型氮化鎵化合物
173:多層量子井
175:p形氮化鎵化合物
[圖1]為本發明具有氮化鋁氧化物薄膜的發光二極體一實施例的剖面示意圖。
[圖2]為本發明具有氮化鋁氧化物薄膜的發光二極體的部分構造一實施例的立體示意圖。
[圖3]為本發明具有氮化鋁氧化物薄膜的發光二極體的部分構造一實施例的俯視圖。
[圖4]為本發明具有氮化鋁氧化物薄膜的發光二極體的製作方法一實施例的步驟流程圖。
[圖5]至[圖8]分別為本發明具有氮化鋁氧化物薄膜的發光二極體的製作方法一實施例的步驟剖面示意圖。
[圖9]為在具有氮化鋁氧化物薄膜的基板上形成氮化鎵化合物一實施例的微觀構造圖。
[圖10]為在未設置氮化鋁氧化物薄膜的基板上形成氮化鎵化合物一實施例的微觀構造圖。
請參閱圖1，為本發明具有氮化鋁氧化物薄膜的發光二極體一實施例的剖面示意圖。如圖所示，本發明具有氮化鋁氧化物薄膜的發光二極體10包括一基板11、至少一氮化鋁緩衝層(AlN buffer layer)13、至少一氮化鋁氧化物薄膜15及至少一發光二極體磊晶結構17，其中氮化鋁緩衝層13設置在基板11的至少一表面上，氮化鋁氧化物薄膜15位於部分的氮化鋁緩衝層13上，而發光二極體磊晶結構17則設置在氮化鋁氧化物薄膜15及氮化鋁緩衝層13的表面。
具體而言，氮化鋁氧化物薄膜15僅設置在部分的氮化鋁緩衝層13的表面，而部分的氮化鋁緩衝層13則未設置氮化鋁氧化物薄膜15，並形成裸露的氮化鋁緩衝層13。
發光二極體磊晶結構17包括至少一氮化鎵化合物結晶，例如包括一n型氮化鎵化合物171、一多層量子井173及一p形氮化鎵化合物175的層 疊，並設置在氮化鋁氧化物薄膜15及未設置氮化鋁氧化物薄膜15的氮化鋁緩衝層13的表面。
具體而言，氮化鎵化合物結晶在氮化鋁氧化物薄膜15及裸露的氮化鋁緩衝層13的磊晶速度不同，例如氮化鎵化合物在裸露的氮化鋁緩衝層13上的成長速度會大於在氮化鋁氧化物薄膜15上的成長速度。因此透過控制在基板11表面形成的氮化鋁氧化物薄膜15及裸露的氮化鋁緩衝層13的位置，將可調整的氮化鎵化合物結晶在基板11不同區域上的成長速度，以在基板11上形成均勻且平整的氮化鎵化合物結晶，同時可大幅減少氮化鎵化合物結晶在磊晶過程中形成差排缺陷(Dislocation)。
目前用以形成氮化鎵化合物結晶的基板11包括藍寶石基板、SiC基板、Si基板、鑽石基板、LiAlO2基板、ZnO基板、W基板、Cu基板、GaN基板、AlGaN基板、AlN基板、鹼石灰或高矽玻璃基板等，其中以藍寶石基板(sapphire)或碳化矽基板(SiC)為主。碳化矽基板與氮化鎵的晶格差異較小，且兩者的熱膨脹係數較接近，因此碳化矽基板比藍寶石基板更適合形成氮化鎵化合物結晶。然而碳化矽基板的製作成本高於藍寶石基板，因此目前業界主要還是以藍寶石基板作為氮化鎵化合物結晶的基板11。
藍寶石基板(三氧化二鋁)與氮化鎵約存在15%的晶格差異，因此不利於在藍寶石基板的表面形成高品質的氮化鎵化合物結晶。為此1983年日本的Yoshida博士提出在藍寶石基板表面形成氮化鋁，又稱晶核形成層(Nucleation layer)，有利於在基板11上形成高品質的氮化鎵化合物結晶。
此外為了進一步提高氮化鎵化合物結晶在基板11上磊晶品質，可對基板11的表面進行蝕刻，以在基板11的表面形成一圖案化表面，使得基 板11成為圖案化藍寶石基板(Patterned sapphire substrate，PSS)。圖案化藍寶石基板不僅可減少氮化鎵化合物結晶的差排密度，以提高發光二極體的發光效率，同時圖案化表面亦可用以反射發光二極體產生的光以提高出光效率。
本發明所述的具有氮化鋁氧化物薄膜的發光二極體及製作方法，特別適用於圖案化藍寶石基板，其中基板11具有至少一圖案化表面110。請配合參閱圖2及圖3，圖案化表面110包括至少一底部111及複數個凸起部113例如底部111可約略為平面，而凸起部113則排列在底部111上。
氮化鋁緩衝層13設置在基板11的圖案化表面110上，並覆蓋圖案化表面110的底部111及凸起部113的表面，例如氮化鋁緩衝層13的厚度約小於500nm。而後在氮化鋁緩衝層13的表面形成氮化鋁氧化物薄膜15，例如可將基板11放置在一真空冷卻腔體內，並控制冷卻的時間、溫度及/或腔體的真空度，直到基板11的溫度小於或等於120℃，使得氮化鋁氧化物薄膜15的厚度大於0.5nm並小於4.5nm。
對基板11進行金屬化學氣相沉積，在沉積的過程中基板11會被加熱，使得部分的氮化鋁氧化物薄膜15被移除，並露出部分未被氮化鋁氧化物薄膜15覆蓋的氮化鋁緩衝層13。
本發明最理想的狀況為，透過加熱基板11移除圖案化表面110的底部111上方或垂直延伸位置的氮化鋁氧化物薄膜15，而凸起部113上方或垂直延伸位置上的氮化鋁氧化物薄膜15則不會被移除。當然上述圖案化表面110的底部111不存在氮化鋁氧化物薄膜15及凸起部113被氮化鋁氧化物薄膜15覆蓋是最為理想的結果，但在實際應用時有可能因為腔體內各個區 域的溫度不一致，造成少部分的底部111仍存在氮化鋁氧化物薄膜15，或者是少部分凸起部113上的氮化鋁氧化物薄膜15被移除。因此本發明的權利範圍並不侷限在所有底部111的氮化鋁氧化物薄膜15皆被移除，或者是所有凸起部113上的氮化鋁緩衝層13皆被氮化鋁氧化物薄膜15所覆蓋。
一般而言，凸起部113的截面積通常是連接底部111的部分最大，並朝凸起部113凸起的方向逐漸縮小，使得兩個相鄰的凸起部113之間凹部112的剖面為上寬下窄的開口狀構造。在圖案化表面110沉積氮化鎵化合物結晶的過程中，若底部111及凸起部113上的沉積速率相同，則會在凹部112靠近底部111的區域造成擠壓，進而增加氮化鎵化合物結晶的缺陷密度，並影響發光二極體的發光亮度。
為此本發明提出在圖案化表面110的凸起部113上設置或覆蓋氮化鋁氧化物薄膜15，並以氮化鋁氧化物薄膜15覆蓋凸起部113上的氮化鋁緩衝層13，而圖案化表面110的底部111則不設置氮化鋁氧化物薄膜15，使得底部111的氮化鋁緩衝層13為裸露。氮化鎵化合物結晶17設置在凸起部113的氮化鋁氧化物薄膜15及底部111的氮化鋁緩衝層13上。
圖案化表面110的底部111未設置氮化鋁氧化物薄膜15，氮化鎵化合物結晶可以較快的速度在底部111的氮化鋁緩衝層13的表面形成均勻的磊晶。反之，凸起部113上則設置氮化鋁氧化物薄膜15，氮化鎵化合物在凸起部113的氮化鋁氧化物薄膜15表面的磊晶速度較慢。
在理想狀況下氮化鎵化合物可由圖案化表面110的底部111朝凸起部113凸起的方向磊晶，並均勻的填滿圖案化表面110的底部111及凹部112，以在基板11的圖案化表面110上形成均勻且平整的氮化鎵化合物結 晶，並可大幅減少在磊晶過程中產生的缺陷密度，以提高具有氮化鋁氧化物薄膜的發光二極體10的發光亮度。
請參閱圖4，為本發明具有氮化鋁氧化物薄膜的發光二極體的製作方法一實施例的步驟流程圖。請配合參閱圖5至圖7，首先提供一基板11，並在基板11的一表面形成一氮化鋁緩衝層13，如步驟21所示。具體而言，基板11的一表面具有一圖案化表面110，其中圖案化表面110包括至少一底部111及複數個凸起部113。在基板11的圖案化表面110上形成氮化鋁緩衝層13，例如可將基板11輸送至一物理氣相沉積腔體，並透過物理氣相沉積在基板11的圖案化表面110形成氮化鋁緩衝層13，其中氮化鋁緩衝層13的厚度約小於500nm。
氮化鋁緩衝層13會均勻的覆蓋在基板11的圖案化表面110上，例如覆蓋圖案化表面110的底部111及凸起部113的表面，以利於進行後續的製程步驟，例如有利於在基板11上形成高品質的氮化鎵化合物結晶。當然透過物理氣相沉積在基板11的圖案化表面110上設置氮化鋁緩衝層13僅為本發明一實施方式，並非本發明權利範圍的限制。
在進行物理氣相沉積的過程中，基板11的溫度會上升到約390℃。本發明提出將高溫的基板11輸送到一真空冷卻腔體冷卻，直到基板11的溫度小於或等於120℃，並以小於或等於80℃為較佳，如步驟23所示。在基板11冷卻的過程中，高溫的氮化鋁緩衝層13會與環境中的氧氣反應，並在氮化鋁緩衝層13的表面形成一氮化鋁氧化物薄膜15。
本發明主要透過控制真空冷卻腔體冷卻基板11的溫度、時間及真空度，調整氮化鋁氧化物薄膜15的厚度，使得氮化鋁氧化物薄膜15的厚度大於0.5nm並小於4.5nm，如圖5及圖6所示。
將冷卻後的基板11輸送至一有機金屬化學氣相沉積腔體，並在基板11的氮化鋁氧化物薄膜15及氮化鋁緩衝層13上形成氮化鎵化合物結晶，如步驟25所示。在進行有機金屬化學氣相沉積時，會透過有機金屬化學氣相沉積腔體加熱基板11，其中氮化鋁氧化物薄膜15會因為高溫燃燒而被移除。在本發明中主要控制冷卻的條件，將氮化鋁氧化物薄膜15的厚度控制在0.5nm至4.5nm之間。在加熱基板11的過程中，部分區域的氮化鋁氧化物薄膜15會被移除，使得該區域的氮化鋁緩衝層13為裸露，而部分(其他)區域的氮化鋁氧化物薄膜15則會保留。
具體而言，當氮化鋁氧化物薄膜15的厚度大於0.5nm並小於4.5nm時，如圖5及圖6所示，基板11的圖案化表面110的底部111上方的氮化鋁氧化物薄膜15會因為高溫燃燒而被移除，使得底部111上方的氮化鋁緩衝層13裸露，而圖案化表面110的凸起部113上方的氮化鋁氧化物薄膜15則不會被移除，如圖7所示。
而後對基板11進行氮化鎵化合物結晶的沉積，並在氮化鋁氧化物薄膜15及裸露的氮化鋁緩衝層13上形成發光二極體磊晶結構17，如圖1所示。
本發明的圖案化表面110的底部111的氮化鋁緩衝層13為裸露，而突出部113的氮化鋁緩衝層13則被氮化鋁氧化物薄膜15所覆蓋。氮化鎵化合物結晶在底部111的氮化鋁緩衝層13的成長速度會大於在凸出部113的氮化 鋁氧化物薄膜15的成長速度。如圖8及圖9所示，氮化鎵化合物結晶及/或n型氮化鎵化合物171在圖案化表面110的底部111的磊晶速度會大於凸起部113，並在底部111上方形成較厚的氮化鎵化合物結晶及/或n型氮化鎵化合物171。反之，如圖10所示，若底部111及凸起部113的氮化鋁緩衝層13上不存在氮化鋁氧化物薄膜15，則氮化鎵化合物結晶在凸起部113的氮化鋁緩衝層13上的成長速度會大於或等於底部111，並可能會在形成氮化鎵化合物結晶的過程中造成擠壓，而在氮化鎵化合物結晶內形成大量的差排缺陷。在同樣的製程條件下，氮化鎵化合物在圖10的凸起部113上的成長速度會大於在圖9的凸起部113上的成長速度。
透過調整氮化鎵化合物結晶在圖案化表面110不同區域的磊晶速度，可在圖案化表面110上形成均勻且平整的氮化鎵化合物結晶，並可減少氮化鎵化合物結晶的缺陷密度。例如在底部111的氮化鋁緩衝層13及凸出部113的氮化鋁氧化物薄膜15上依序設置一n型氮化鎵化合物171、一多層量子井(multiple quantum wells)173及一p形氮化鎵化合物175。
以下為形成氮化鋁緩衝層13的基板11在真空冷卻腔體內進行冷卻的最終溫度的量測數值比較表：
Figure 109145098-A0305-02-0015-1
由上述的表格可清楚看出，在冷卻至120℃的基板11上形成發光二極體磊晶結構17，相較於在冷卻至180℃的基板11上形成發光二極體磊晶 結構17的發光亮度可獲得小幅的提升。此外冷卻至80℃或小於60℃的基板11上形成發光二極體磊晶結構17，可使得發光二極體的發光亮度增加約2%，如上述表格的Iv。
由上述的表格可清楚得知，透過本發明所提出的具有氮化鋁氧化物薄膜的發光二極體及其製作方法確實可有效減少氮化鎵化合物結晶的缺陷密度，同時有利於提高發光二極體的發光亮度。
以上所述者，僅為本發明之一較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，即凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。
10:具有氮化鋁氧化物薄膜的發光二極體
11:基板
110:圖案化表面
111:底部
112:凹部
113:凸起部
13:氮化鋁緩衝層
15:氮化鋁氧化物薄膜
17:發光二極體磊晶結構
171:n型氮化鎵化合物
173:多層量子井
175:p形氮化鎵化合物

Claims (6)

  1. 一種具有氮化鋁氧化物薄膜的發光二極體的製作方法，包括：在一基板的至少一表面形成一氮化鋁緩衝層；將該基板輸送至一真空冷卻腔體內冷卻，直到該基板的溫度小於或等於120℃，以在該氮化鋁緩衝層上形成一氮化鋁氧化物薄膜，其中該氮化鋁氧化物薄膜的厚度大於0.5nm並小於4.5nm；及將經過冷卻的該基板輸送至一有機金屬化學氣相沉積腔體，並在該基板的該氮化鋁氧化物薄膜及該氮化鋁緩衝層上形成一氮化鎵化合物結晶。
  2. 如請求項1所述的具有氮化鋁氧化物薄膜的發光二極體的製作方法，包括該有機金屬化學氣相沉積腔體加熱該基板，並移除該基板上的部份該氮化鋁氧化物薄膜，使得部分該氮化鋁緩衝層為裸露，而後於該氮化鋁氧化物薄膜及裸露的該氮化鋁緩衝層上形成該氮化鎵化合物結晶。
  3. 如請求項1所述的具有氮化鋁氧化物薄膜的發光二極體的製作方法，包括將該基板輸送至一物理氣相沉積腔體，並在該基板的該表面形成該氮化鋁緩衝層。
  4. 如請求項1所述的具有氮化鋁氧化物薄膜的發光二極體的製作方法，其中該基板放置在該真空冷卻腔體內冷卻，直到該基板的溫度小於或等於80℃。
  5. 一種具有氮化鋁氧化物薄膜的發光二極體的製作方法，包括：在一基板的一圖案化表面形成一氮化鋁緩衝層，其中該圖案化表面包括複數個凸起部及至少一底部； 將該基板輸送至一真空冷卻腔體內冷卻，直到該基板的溫度小於或等於120℃，以在該氮化鋁緩衝層上形成一氮化鋁氧化物薄膜，其中該氮化鋁氧化物薄膜的厚度大於0.5nm並小於4.5nm；將冷卻後的該基板輸送至一有機金屬化學氣相沉積腔體，並透過該有機金屬化學氣相沉積腔體加熱該基板，以移除位於該圖案化表面的該底部上的該氮化鋁氧化物薄膜，使得位於該圖案化表面的該底部上的該氮化鋁緩衝層為裸露；及於該基板的該氮化鋁氧化物薄膜及裸露的該氮化鋁緩衝層上形成一氮化鎵化合物結晶。
  6. 如請求項5所述的具有氮化鋁氧化物薄膜的發光二極體的製作方法，其中該基板放置在該真空冷卻腔體內冷卻，直到該基板的溫度小於或等於80℃。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113066911B (zh) * 2021-04-23 2022-10-11 厦门三安光电有限公司 Led外延片衬底结构及其制备方法、led芯片及其制备方法
CN115692570B (zh) * 2022-08-24 2025-07-11 聚灿光电科技股份有限公司 一种基于氧化铝氧化硅复合衬底的led芯片及其制造方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW201115630A (en) * 2009-07-17 2011-05-01 Applied Materials Inc A method of forming a group III-nitride crystalline film on a patterned substrate by hydride vapor phase epitaxy (HVPE)
TW201237928A (en) * 2010-11-08 2012-09-16 Nanogan Ltd High quality devices growth on pixelated patterned templates
US8823025B1 (en) * 2013-02-20 2014-09-02 Translucent, Inc. III-N material grown on AIO/AIN buffer on Si substrate
US20150076507A1 (en) * 2012-04-26 2015-03-19 Osram Opto Semiconductors Gmbh Epitaxy substrate, method for producing an epitaxy substrate and optoelectronic semiconductor chip comprising an epitaxy substrate
TW201940660A (zh) * 2017-12-22 2019-10-16 美商亮銳公司 用於發光二極體(led)陣列之波長轉換層圖案

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7151284B2 (en) * 2003-11-10 2006-12-19 Shangjr Gwo Structures for light emitting devices with integrated multilayer mirrors
US11211527B2 (en) * 2019-12-19 2021-12-28 Lumileds Llc Light emitting diode (LED) devices with high density textures
US11597999B2 (en) * 2020-02-24 2023-03-07 Sky Tech Inc. Method and device for decreasing generation of surface oxide of aluminum nitride

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW201115630A (en) * 2009-07-17 2011-05-01 Applied Materials Inc A method of forming a group III-nitride crystalline film on a patterned substrate by hydride vapor phase epitaxy (HVPE)
TW201237928A (en) * 2010-11-08 2012-09-16 Nanogan Ltd High quality devices growth on pixelated patterned templates
US20150076507A1 (en) * 2012-04-26 2015-03-19 Osram Opto Semiconductors Gmbh Epitaxy substrate, method for producing an epitaxy substrate and optoelectronic semiconductor chip comprising an epitaxy substrate
US8823025B1 (en) * 2013-02-20 2014-09-02 Translucent, Inc. III-N material grown on AIO/AIN buffer on Si substrate
TW201940660A (zh) * 2017-12-22 2019-10-16 美商亮銳公司 用於發光二極體(led)陣列之波長轉換層圖案

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