[发明专利]制造供高效率氮化物发光二极体用的纳米图案化基材的方法

说明书

技术领域

本发明经提供以使用纳米印刷(nano printing)或纳米印制(nano imprint)工艺，经济地制造纳米至微米尺寸图案于一发光二极体基材上，该基材包括一凸部，该凸部包括选自以下群组的任一者：SiO₂、Si₃N₄、及其组合。使用该方法有效地形成纳米至微米尺寸图案在该发光二极体基材上，该基材由蓝宝石单晶等等所形成，并形成具有小晶体缺陷的氮化镓或相似物，藉此显著增进发光二极体的性能。

背景技术

发光二极体因作为未来照明的光源而受到瞩目，且由于其相较于例如传统的荧光灯、白炽灯之类的发光设备寿命长、能源消耗低、并对环境友善的，目前已广泛用作许多领域中的光源。特定而言，由于氮化物发光二极体具有大的能阶差，具有可发射绿光至蓝光区域及近紫外光区域之光的优点，大幅扩张了其使用领域，例如LCD及行动电话的背光、汽车照明、交通灯号、一般照明等。然而，尚未能有效地改进氮化物发光二极体的性能以满足此类需求。

发光二极体的性能通常根据注入电子所产生的光子数量的内部量子效率，以及根据可发射至发光二极体装置外的光子数量的光撷取效率(light extraction efficiency)而测定。

近来，虽然氮化物发光二极体之内部光子效率由于磊晶生长(epitaxial growth)技术的发展得以大幅地改进，但光撷取效率相较于内部光子效率的改进非常的低。当多量子井(multi quantum well，MQW)区域(其发光二极体的活性层(发光层))中产生的光发射时，在发光二极体装置、外部空气、以及例如环氧树脂、蓝宝石基材或相似物的外部密封材料之间的界面产生全反射。由于GaN的折射率为约2.5，较空气(n_air＝1)、环氧树脂(n_epoxy＝1.5)、及蓝宝石(n_sap.＝1.77)的折射率更大，MQW中产生的光在离开装置外的临界角范围为θ_GAN/air＝23°、θ_GAN/epoxy＝37°、及θ_GAN/sap.＝45°，非常受限的。因此，由临界角范围发出且朝装置外部方向进入的光无法前进到外面，而完全被反射直到光线由装置吸收，故光撷取效率仅为非常低的数个百分比。此外，此将导致装置发热的问题。

为克服氮化物发光二极体的限制，已有研究尝试借助于p-GaN层或是装置表面的透明电极层中插入图案，通过光的漫反射(diffused reflection)以有效地减少全反射。特定言之，已知在发光二极体制造程序中引入图案尺寸均一且规则而致密配置的次微米级光子晶体图案，将大大提升光撷取效率。然而，考量到图案化后形成p型电极、发光二极体的制造程序(例如包装程序或相似者)及产率，难以实际商业化p-GaN层及透明电极层的图案化程序。又或者，当在图案化的蓝宝石基材(PSS)上生长磊晶层时，类似的，由于光的漫反射效应，可以有效地增进光撷取效率。在PSS的情况下，实质上，发展该技术以减少蓝宝石基材与GaN磊晶层之间晶格位移产生的阶层错位(treading dislocation)密度并增加内部光子效率，或是光撷取效率亦可显著地增进，且可应用于发光二极体的制造程序。目前，在国内外发光二极体的制造公司中，使用PSS的产品处于大量制造阶段。

发明内容

[技术问题]

在目前PSS的情况下，PSS主要经由光蚀刻(photolithography)工艺以及干式及湿式蚀刻工艺制造，且大部分图案的规格为约数微米。由于光的漫反射使得发光二极体的光撷取效率的增进程度随着图案的尺寸、形状、循环等有明显的不同。已知当纳米光子晶体图案施用至发光二极体的发光区域，可大幅地提升光撷取。因此，传统商业化PSS的微米图案的直径及循环应减低到纳米等级以增进发光装置的效率，且图案的形状应最佳化。

因为施用纳米至微米尺寸图案使得光蚀刻(用以制造PSS的图案化技术)相当昂贵且增加产品制造成本，显著地降低经济可行性，无法再经由传统方法及PSS轻易地增进光撷取效率。因此，为了额外增进发光二极体的效率，不使用昂贵的光蚀刻，需要可以经济地制造该纳米至微米尺寸图案的图案化技术。

此外，需要一种涂覆一具有少量晶格缺陷的氮化镓膜在一具有纳米至微米尺寸图案的蓝宝石基材或相似物上的方法。藉此，可减少基材中的全反射且可增进光发射效率。

[问题解决方法]