CN101388425B

CN101388425B - 光电元件及其制造方法

Info

Publication number: CN101388425B
Application number: CN2007101454872A
Authority: CN
Inventors: 蔡宗良; 李玉柱
Original assignee: GUANGJIA PHOTOELECTRIC CO Ltd
Current assignee: Epistar Corp
Priority date: 2007-09-14
Filing date: 2007-09-14
Publication date: 2011-03-23
Anticipated expiration: 2027-09-14
Also published as: CN101388425A

Abstract

本发明提供一种光电元件，包含：第一电极、基底形成于第一电极上；缓冲层形成于基底上，其中该缓冲层包含：含第一含氮化合物层形成在基底上、第二含氮化合物层、及V-II族化合物层形成在第一含氮化合物层及第二含氮化合物层之间；接着，第一半导体导电层形成在缓冲层上；有源层形成在第一半导体导电层上，其中有源层为具有多个不规则且高低起伏形状的多层量子井；第二半导体导电层形成在有源层上；透明导电层形成于第二半导体导电层上；及第二电极形成在透明导电层上。

Description

光电元件及其制造方法

技术领域

本发明主要是披露一种光电元件，更特别地是披露一种光电元件具有V-II族缓冲层的外延堆叠结构。

背景技术

为了改善氮化镓化合物层的结晶品质，必需解决在蓝宝石(sapphire)与做为发光层的氮化镓化合物层之间的晶格匹配的问题。因此，在公知技术中，例如美国专利公告号5,122,845(如图1所示)搜在基底100与氮化镓层102之间形成以氮化铝(AlN)为主的缓冲层(buffer layer)101，且此缓冲层101的结晶结构是以微结晶(microcrystal)或是多结晶(polycrystal)且在非结晶硅的状态下混合，从而缓冲层101的结晶结构可以改善在氮化镓化合物层103之间的晶格不匹配(crystal mismatching)的问题。又如美国专利公告号5,290,393(如图2所示)所示，其发光元件是以氮化镓为主的化合物半导体层202，例如Ga_xAl_1-xN(0＜x≤1)。然而，在基底200上以外延的方式形成化合物半导体层202时，在基底200上的晶格表面图案不佳且会影响到后续制造蓝光发光元件的品质，因此通过缓冲层201例如Ga_xAl_x-1N来改善基底200与化合物半导体202之间的晶格匹配问题。此外，请再参照美国专利公告号5,929,466或是美国专利公告号5,909,040(如图3所示)所揭示，为了减少晶格不匹配的问题是以氮化铝301做为第一缓冲层形成在基底300上、氮化铟(InN)302做为第二缓冲层形成在第一缓冲层301上，以改善与基底300之间的晶格不匹配的问题。然而，在上述公知技术中，所产生的发光效益有其限制，因此，本发明主要披露一种在发光元件的缓冲层中加入V-II族的化合物层，并且搭配具有不规则且高低起伏形状的有源层，使得在光电元件中，增加由发光区域所产生的光源亮度，且可以增加发光元件的发光效益。

发明内容

鉴于以上的问题，本发明的主要目的在于提供一种在缓冲层中加入V-II族的化合物层的外延堆叠结构及其制造方法，从而改善外延堆叠结构的品质，使得整体的光电元件的光电效率也同时增加。

本发明的另一目的在于提供一种在缓冲层中加入V-II族的化合物层并配合具有多个不规则且高低起伏的表面的多层量子井的外延堆叠结构，从而提高光电元件的发光效率。

据此，本发明首先提供一种发光元件的外延堆叠结构，包括：缓冲层形成在基底上，其中缓冲层包含：第一含氮化合物层形成在基底上、第二含氮化合物层、及V-II族化合物层形成在第一含氮化合物层及第二含氮化合物层之间；接着，第一半导体导电层形成在缓冲层上；有源层是以多层量子井(MQW)形成在第一半导体导电层上；第二半导体导电层形成在有源层上，其中多个中介材料微粒散布在第一半导体导电层与有源层之间，从而，使形成的多层量子井具有多个不规则且高低起伏的形状。

本发明接着提供一种光电元件，包含：第一电极；基底形成于第一电极上；缓冲层形成于基底上，其中该缓冲层包含：第一含氮化合物层形成在基底上、第二含氮化合物层、及V-II族化合物层形成在第一含氮化合物层及第二含氮化合物层之间；接着，第一半导体导电层形成在缓冲层上；有源层形成在第一半导体导电层上；第二半导体导电层形成在有源层上；透明导电层形成于第二半导体导电层上；及第二电极形成在透明导电层上。

本发明再提供一种半导体结构的制造方法，包含：提供基底；形成缓冲层在基底上，其形成步骤包含：形成第一含氮化合物层在基底上；形成V-II族化合物层，将V-II族材料散布在的第一含氮化合物层上；及形成第二含氮化合物层在V-II族化合物层上；接着，以外延方式形成外延堆叠结构在缓冲层上，其中形成外延堆叠结构的步骤包含：形成第一半导体导电层在缓冲层上；形成有源层在第一半导体导电层上；以及形成第二半导体导电层在有源层上。

为使对本发明的目的、构造、特征、及其功能有进一步的了解，配合实施例详细说明如下。

附图说明

图1为根据公知技术中所披露的技术，表示光电元件的剖面示意图；

图2为根据公知技术中所披露的技术，表示以外延成长的外延晶片的剖面示意图；

图3为根据公知技术中所披露的技术，表示光电元件的剖面示意图；

图4为根据本发明所披露的技术，表示具有多层缓冲应力层的半导体结构的剖面示意图；

图5为根据本发明所披露的技术，表示以具有多层缓冲应力层及具有多个不规则且高低起伏形状的多层量子井的外延堆叠结构的光电元件的剖面示意图；及

图6为根据本发明所披露的技术，表示以具有多层缓冲应力层及具有多个不规则且高低起伏形状的多层量子井的外延堆叠结构的光电元件的另一具体实施例的剖面示意图。

附图中主要元件标记说明

10 基底

20 缓冲层 22 第一含氮化合物层

24 V-II族化合物层 26 第二含氮化合物层

30 第一半导体导电层 40 有源层

41 多个不规则且高低起伏形状

50 第二半导体导电层 60 透明导电层

70 第一电极 80 第二电极

100 基底 101 缓冲层

102 氮化镓层 103 氮化镓化合物层

200 基底 201 缓冲层

202 化合物半导体层 300 基底

301 第一缓冲层 302 第二缓冲层

具体实施方式

本发明在此所探讨的方向为一种光电元件及其制造方法。为了能彻底地了解本发明，将在下列的描述中提出详尽的光电元件的结构及其步骤。显然地，本发明的实行并未限定此光电元件的技术人员所熟知的特殊细节，然而，对于本发明的较佳实施例，则会详细描述如下。除了这些详细描述之外，本发明还可以广泛地施行在其他的实施例中，且本发明的范围不受限定，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的变更与改进，因此本发明的专利保护范围须视本说明书所附的权利要求为准。

首先请参照图4，表示本发明所披露的具有外延结构的半导体结构的剖面示意图。如图4所示，此半导体结构包括：基底10，例如以蓝宝石所形成的基底10，先将其置入金属有机汽相外延生长技术(MOVPE)的反应容器中，之后在此基底10上形成缓冲层(buffer layer)20，此缓冲层20为多层应力缓冲层结构(multi-strain releasing layer)结构，从而可以得到品质良好的氮化镓层。在本实施例中，缓冲层20由化合物层(compoundlayer)22及V-II族化合物(II-V group compound)层24所构成。其中，化合物层22形成在基底10上，主要是以氮化镓材料为主的含氮化合物层，例如氮化镓铝(AlGaN)。此外，在本发明的实施例中，其基底10的材料可以选自于下列的群组：尖晶石(MgAl₂O₄)、氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)、碳化硅(SiC)、砷化镓(GaAs)、氮化铝(AlN)、磷化镓(GaP)、硅(Si)、锗(Ge)、氧化锌(ZnO)、氧化镁(MgO)、LAO、LGO及玻璃材料。

接着，在化合物层22上形成V-II族化合物层24，其中V-II族化合物层24的二族(II group)材料可以选自于下列群组：锌(Zn)、铍(Be)、镁(Mg)、钙(Ca)、锶(Sr)、钡(Ba)、镭(Ra)、锌(Zn)、镉(Cd)及汞(Hg)；及五族(V group)材料可以是氮(N)、磷(P)、砷(As)、锑(Sb)或铋(Bi)。因此，可以通过上述二族材料与五族材料的任意组成，而可以形成适用于本发明中所需要的V-II族化合物层24。

在本发明的一实施例中，形成V-II族化合物层24的方式是以含镁的前驱物(precursor)，例如，Cp₂Mg(bis(cyclopentadienyl)Magnesium)或是Bis(methylcyclopentadienyl)Magnesium在反应容器内导入氨气(NH₃)并进行反应，且以金属有机化学气相沉积法(MOCVD)，形成氮化镁(Mg_xN_y)。从而，可以在外延堆叠结构的含氮化合物层22上形成厚度约为10埃的氮化镁作为V-II族化合物层24，且其粗糙度约小于10nm；而在本发明的一较佳实施例中，此V-II族化合物层24的最适粗糙度约为2nm。由于V-II族化合物层24的材料可以在含氮化合物层22上成长，尤其是P型化合物材料，且其能隙能量(band-gap energy)小于传统的五族/三族化合物材料(III-V group)，例如，由文献可知V-II族化合物材料如，Zn₃As₂的能隙能量约为0.93eV，Zn₃N为3.2eV，Zn₃P₃为1.57eV及Mg₃N₂为2.8eV，而传统以五族/三族化合物为主的氮化镓，其能隙能量约为3.34eV。因此，由能隙能量得知，V-II族化合物层24有良好的欧姆接触。

紧接着，在缓冲层20的上方形成外延堆叠结构(epi-stack structure)30，其包含：第一半导体导电层30形成在缓冲层20上、有源层40形成在第一半导体导电层30上及第二半导体导电层50形成在有源层40上，其中第一半导体导电层30及第二半导体导电层50是由五族/三族(III-V group)材料所构成的化合物半导体导电层，特别是一种以氮化物为主的半导体层。此外，第一半导体导电层30与第二半导体导电层50的电性相反；例如：当第一半导体导电层30为n型半导体导电层时，则第二半导体导电层50就必须是p型半导体导电层。

接着，在本发明的另一较佳实施例中，可以选择性地在MOVPE的反应容器内随意添加由一种或多种异质材料所形成的多个微粒，将这些异质材料所形成的多个微粒随意分布第一半导体导电层30之上。在此要强调，本发明对此添加的异质材料的种类及数量并不加以限制，只要是不同于第一半导体导电层30的材料均可以作为本发明所称的异质材料。例如，当第一半导体导电层30为氮化镓(GaN)材料时，此异质材料可以是周期表的第III族，其包括：硼(B)、铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)或是铊(Tl)；或是周期表的第二族(II group)包括：铍(Be)、镁(Mg)、钙(Ca)、锶(Sr)、钡(Ba)或镭(Ra)；或是周期表的第四族(IV group)包括：碳(C)、硅(Si)、锗(Ge)、锡(Sn)或铅(Pb)；或是周期表的第五族(V group)其包括：氮(N)、磷(P)、砷(As)、锑(Sb)或铋(Bi)或是周期表的六族(VI group)其包括：氧(O)、硫(S)、硒(Se)、碲(Te)或是五族/三族化合物、六族/二族化合物或是V-II族化合物，例如Mg₃N₂或是氮化硅(SiN_x)等。

再接着，进行多层量子井(MQW)40的成长，由于在多层量子井成长之前，第一半导体导电层30的部份位置已经被添加的异质材料所覆盖，因此在后续成长多层量子井40时，这些被异质材料所覆盖的地方就会阻绝多层量子井40的成长或减慢多层量子井40的成长速率。因此，在此情形下所成长出的多层量子井40，很明显地会在异质材料处自然形成凹陷状，因此会形成不规则形状41，此不规则形状41近似在海滩上所形成的一片沙丘，而各个沙丘均具有各自的高度及宽度，且各个沙丘间并不一定会连接在一起。而在本发明的具有多个不规则且高低起伏的多层量子井的外延结构中，此多层量子井的横断面(即底∶高)约为3∶1～1∶10，其粗糙度值约为Ra＝0.5～50纳米之间，而较佳的粗糙度值约为Ra＝30～40纳米之间。

此外，上述的基底10除了以蓝宝石C表面、M表面、R表面或A表面为主面之外，其也可以是尖晶石(MgAl₂O₄)般的绝缘性基材，SiC(含有6H、4H、3C)、GaAs、AlN、GaN、GaP、Si、ZnO、MgO、LAO、LGO、玻璃材料或是GaN等。而多个不规则且高低起伏的多层量子井40的材料也可以是选自于下列的群组：AlN、GaN、InN、AlGaN、InGaN及InAlGaN。在此要说明的是，本发明所披露的有源层40可以是如上述的具有多个不规则的高低起伏形状的多层量子井，也可以是量子井(Quantum Well)或是氮化镓铟(InGaN)。

接着，同样参考图4，再在有源层40上形成一个第二半导体导电层50，以完成一个光电元件的外延堆叠结构。因此可以很明显的得知，在形成光电元件的基本结构中，在有源层40的上下形成一个n型的半导体导电层及P型半导体导电层，这可以使得n型半导体导电层及p型半导体导电层中的电子及电动能够在施加适当的偏压之后，能够被驱动至有源层40中，而产生复合(recombination)后发出光线。因此，如前所述，本发明所披露的光电元件的外延堆叠结构中，并不限定第一半导体导电层30或第二半导体导电层50为n型半导体导电层或是p型半导体导电层，其只要能够形成光电元件的基本结构皆可。因此，在本发明的实施例中，当第二半导体导电层50为n型半导体导电层时，则第一半导体导电层30就必需是p型半导体导电层，反之亦然。同时，本发明所披露的光电元件的外延堆叠结构也可作为发光二极管(LED)、激光(Laser)、光检测器(photodetector)或是面射型激光(VCSEL)等元件的基本外延堆叠结构。

在此要说明的是，本发明所披露的具有多个不规则且高低起伏的多层量子井的光电元件的外延堆叠结构，可以随着多层量子井所形成的有源层40的化合物材料以及形成化合物的成份比重而发出不同的光，这些光包括紫外光、可见光及红外光。举例来说，当形成有源层40的化合物材料中加入含磷(P)或砷(As)化物或磷砷化物的成份时，就可形成红光、黄光或红外光。当形成有源层40的化合物材料中加入氮(N)的成份时，就可以形成蓝光、绿光或紫外光。

接着，请继续参照图5，表示本发明所披露的具有外延堆叠结构的光电元件的剖面示意图。在本实施例中，基底10、外延堆叠结构的第一半导体导电层30、有源层40及第二半导体导电层50的结构以及形成方法与上述的实施例相同，故不再重复叙述。如图5所述，如同前述，此发光元件包含：基底10、缓冲层20、外延堆叠结构(30，40，50)、透明导电层60及第一电极70及第二电极80，其中缓冲层20形成在基底10上、外延堆叠结构(30，40，50)形成于缓冲层20上、透明导电层60形成于外延堆叠结构(30，40，50)之上、第一电极70形成在基底10上，以及第二电极80形成在透明导电层60上。

在此实施例中，外延堆叠结构(30，40，50)由缓冲层20向上依次为第一半导体导电层30、有源层40及第二半导体导电层50所构成。在此要强调的是，在基底10上所形成缓冲层20，由第一含氮化合物层22、V-II族化合物层24及第二含氮化合物层26所构成，其中第一含氮化合物层22的材料选自于下列的群组：氮化铟镓铝(AlInGaN)层、氮化铟镓(InGaN)层、氮化铝镓(AlGaN)层及氮化铝铟(AlInN)层。第二含氮化合物层26的材料选自于下列的群组：氮化铝镓(AlGaN)层及氮化镓(GaN)层。

另外，V-II族化合物层24中的二族的材料选自于下列的群组：铍(Be)、镁(Mg)、钙(Ca)、锶(Sr)、钡(Ba)、镭(Ra)、锌(Zn)、镉(Cd)及汞(Hg)；以及五族的材料选自于下列的群组：氮(N)、磷(P)、砷(As)、锑(Sb)及铋(Bi)。因此，通过第一含氮化合物层22、V-II族化合物层24及第二含氮化合物层26所构成的缓冲层20为多层应力缓冲层结构(multi-strain releasing layerstructure)，通过此多层应力缓冲层结构20可以做为后续利用外延成长的外延堆叠结构(30，40，50)的起始层。另外，此多层应力缓冲层结构(即缓冲层)20与外延堆叠结构的第一半导体导电层30之间有良好的晶格匹配及减缓基底10与第一半导体导电层30间的因晶格差异所产生的应力，并且得到品质良好的含氮化镓的半导体层。

紧接着，形成透明导电层60的方式是在外延堆叠结构(30，40，50)形成在缓冲层20上之后，将反应容器温度降低至室温，然后由反应容器中取出外延芯片，并且在外延堆叠结构(30，40，50)的第二半导体导电层50的表面上形成某一特定形状的光罩图样，然后再在反应性离子蚀刻(RIE)装置中进行蚀刻。在蚀刻之后，再在整个第二半导体导电层50上形成透明导电层60，其厚度约为2500埃，且材料可以选自于下列的群组：Ni/Au、NiO/Au、Ta/Au、TiWN、TiN、氧化铟锡、氧化铬锡、氧化锑锡、氧化锌铝及氧化锌锡。

接着，在透明导电层60上形成一层厚度约为2000um的第二电极80。在本实施例中，第二半导体导电层50为p型氮化物半导体导电层，因此第二电极80的材料可以由Au/Ge/Ni或Ti/Al或Ti/Au或Ti/Al/Ti/Au或Cr/Au等合金所构成。最后在基底10上形成第一电极70，此第一电极70的材料可以是Au/Ge/Ni或Ti/Al或Ti/Au或Ti/Al/Ti/Au或Cr/Au合金或是W/Al合金。因此，根据以上所述，即可以得到一个具体的光电元件，在此要说明的是由于第一电极70及第二电极80在光电元件的制造工艺中为公知技术，因此在本发明中不再进一步的叙述。

另外，请继续参照图6，表示本发明所披露的具有外延堆叠结构的光电元件的另一具体实施例的剖面示意图。在本实施例中，基底10、外延堆叠结构的第一半导体导电层30、有源层40及第二半导体导电层50的结构以及形成方法与上述的实施例相同，因此不再重复叙述。如图6所述，此光电元件包含：基底10、缓冲层20、外延堆叠结构(30，40，50)、透明导电层60及第一电极70及第二电极80，其中缓冲层20形成在基底10上、外延堆叠结构(30，40，50)形成于缓冲层20上，其中外延堆叠结构(30，40，50)具有第一部份及第二部份，且第一部份远离第二部份、透明导电层60形成于外延堆叠结构(30，40，50)的第一部份之上、第一电极70形成在外延堆叠结构(30，40，50)的第二部份之上，以及第二电极80形成在透明导电层60上。在本实施例中，可以在完成光电元件的外延堆叠结构后，使用蚀刻制造工艺，直接将光电元件的外延堆叠结构中的部份第二半导体导电层50、部份有源层40及部份第一半导体导电层30移除，并暴露出部份的第一半导体导电层30(即第二部份)。接着，在第二半导体导电层50上依次形成透明导电层60及第二电极80以及在暴露的第一半导体导电层30(第二部份)上形成第一电极70，从而完成光电元件的结构。

Claims

1.一种光电元件的外延堆叠结构，包含：

基底；

缓冲层，包含；

第一含氮化合物层，形成于该基底上；及

V-II族化合物层，形成于该第一含氮化合物上；

所述的外延堆叠结构，形成于该缓冲层上，该外延堆叠结构包含：

第一半导体导电层，形成于该缓冲层上；

有源层，形成于该第一半导体导电层上，且多个中介材料微粒散布于该第一半导体导电层与该有源层之间，以使得该有源层具有多个不规则且高低起伏的形状；及

第二半导体导电层，形成于该有源层上。

2.根据权利要求1所述的外延堆叠结构，还包含多个中介材料微粒散布于该第一半导体导电层与该有源层之间，以使得该有源层具有多个不规则且高低起伏的形状。

3.一种光电元件的外延堆叠结构，包含：

基底；

缓冲层，形成于该基底之上包含：

第一含氮化合物层，形成于该基底之上；及

V-II族化合物层，形成于该第一含氮化合物层之上；

外延堆叠结构，具有第一部份及第二部份且该第一部份远离该第二部份，形成在该缓冲层之上；

有源层，形成在该第一半导体导电层上，且多个中介材料微粒散布于该第一半导体导电层与该有源层之间，以使得该有源层具有多个不规则且高低起伏的形状；及

第二半导体导电层，形成于该有源层之上。

4.根据权利要求3所述的外延堆叠结构，还包含多个中介材料微粒散布于该第一半导体导电层与该有源层之间，以使得该有源层具有多个不规则且高低起伏的形状。

5.一种光电元件，包含：

第一电极；

基底，形成于该第一电极上；

缓冲层，形成于该基底上，其中该缓冲层包含；

第一含氮化合物层，形成在该基底上；及

V-II族化合物层，形成在该第一含氮化合物上；

第一半导体导电层，形成于该缓冲层上；

第二半导体导电层；

有源层，形成于该第一半导体导电层与该第二半导体导电层之间；

透明导电层，形成于该第二半导体导电层上；及

第二电极，形成于该透明导电层上。

6.根据权利要求5所述的光电元件，还包含多个中介材料微粒散布于该第一半导体导电层与该有源层之间，以使得该有源层具有多个不规则且高低起伏的形状。

7.一种光电元件，包含：

基底；

缓冲层，形成于该基底之上，包含：

第一含氮化合物层，形成于基底之上；及

V-II族化合物层，形成于该第一含氮化合物层之上；

外延堆叠结构，形成于该缓冲层之上，具有第一部份及第二部份且第一部份远离该第二部份；

第一电极，形成于该第一半导体导电层的该第二部份；

有源层，形成于第一半导体导电层上，且远离该第一电极；

第二半导体导电层，形成于该有源层之上；

透明导电层，形成于该有源层之上；及

第二电极，形成于该透明导电层之上。

8.一种半导体结构的制造方法，包含：

提供基底；

形成缓冲层，包含：

形成第一含氮化合物层在该基底上；及

形成V-II族化合物层，将该V-II族化合物层的材料散布于该第一含氮化合物层上；及

以外延方式形成外延堆叠结构在该缓冲层上，其中该外延堆叠结构包含：

形成第一半导体导电层在该缓冲层上；

形成第二半导体导电层；及

形成有源层在该第一半导体导电层及该第二半导体导电层之间。

9.根据权利要求8所述的制造方法，其特征是还包含执行蚀刻步骤以依次移除部份该第二半导体导电层、部份该有源层及部份该第一半导体导电层以裸露出部份该第一半导体导电层。

10.一种光电元件的制造方法，包含：

提供基底；

形成缓冲层在该基底之上，包含：

形成第一含氮化合物层在该基底之上；及

形成V-II族化合物层在该第一含氮化合物层之上；

形成第一半导体导电层在该缓冲层之上；

形成有源层在该第一半导体导电层之上

形成第二半导体导电层在该有源层；

蚀刻部份该第二半导体导电层、部份该有源层以及部份该第一半导体导电层以裸露部份该第一半导体导电层；

形成透明导电层在该第二半导体导电层上；

形成第一电极在裸露的部份该第一半导体导电层上；及形成第二电极在该透明导电层上。