CN101546798A

CN101546798A - 半导体元件

Info

Publication number: CN101546798A
Application number: CN200810088424A
Authority: CN
Inventors: 林义杰; 许育宾; 郭政达; 朱瑞溢; 王俊凯
Original assignee: Epistar Corp
Current assignee: Epistar Corp
Priority date: 2008-03-26
Filing date: 2008-03-26
Publication date: 2009-09-30
Anticipated expiration: 2028-03-26
Also published as: CN101546798B

Abstract

本发明公开了一种半导体元件，其具有变温生长的半导体缓冲层，形成于基板与外延叠层之间；或是将变温生长的半导体缓冲层，形成于两层未掺杂半导体层之间后，再于其中之一未掺杂半导体层上，形成外延叠层。通过上述变温生长的半导体缓冲层的形成，可以使后续形成于其上方的外延叠层，其晶格错位的现象明显减少，并达到提升外延叠层品质的目的。

Description

半导体元件

技术领域

本发明涉及一种半导体元件，特别涉及具有变温生长缓冲层的发光二极管元件。

背景技术

半导体元件中，由于氮化物所形成的发光二极管元件的发展—例如氮化镓(GaN)系列，其能隙(energy gap)为3.47eV，可以发出短波长如蓝色可见光—使得发光二极管元件，具备了完整的三原色光源，可以完整涵盖白色光谱，因而扩展了发光二极管元件的应用领域。因此，氮化物发光二极管元件的发展与应用相当广泛且极具重要性，包括信号标志灯源、电子产品背光源、户外全彩看板、白光照明、紫外光、高密度激光应用等。上述的新兴应用领域能否快速成长，主要取决于发光二极管元件亮度的提升以及外延工艺的稳定性。

传统氮化物元件，通常是在蓝宝石基板上形成AlGaInN系列的氮化物缓冲层，再于该缓冲层上进行氮化物的外延工艺。但由于晶格常数无法匹配，导致晶格的差排密度，而影响元件的品质。为了提高氮化物的生长品质，传统氮化物外延工艺是利用两阶段生长法(two step growth)，先以低温工艺(500～600℃)形成GaN缓冲层，继而经过特定的高温(1000～1200℃)处理使其结晶(crystallization)，以利进行后续各外延叠层的外延生长。

由于缓冲层的品质将直接影响后续外延叠层的品质，故缓冲层的厚度、工艺的温度及各种反应气体的比例，都必须小心地控制。上述工艺步骤的复杂及困难度高，再加上其生长温度需做高、低温的切换，无形中影响了生产效率。

发明内容

本发明提供一种半导体元件，尤其发光二极管元件，其包含变温生长缓冲层，形成于基板与外延叠层之间，此变温生长缓冲层，可以使后续形成于其上方的外延叠层，其晶格不匹配的现象，相较于一般定温生长的缓冲层，获得明显的改善。

本发明亦提供一种半导体元件，其包含变温生长缓冲层，形成于两层未掺杂半导体层之间，并于其中的未掺杂半导体层上方，形成外延叠层。透过此结构的设计，可以使得后续形成的外延叠层，获得较佳的晶格生长条件。

本发明所提出的变温生长的缓冲层，是在连续性的降温生长条件下所形成。例如形成三五族化合物的半导体缓冲层，在反应气体通入的时间内，温度从1000℃附近，逐渐将低至600℃附近；此时其晶格结构有可能从单晶或多晶结构，渐渐转换为非晶系结构；再者，该温度变化的最高温度与最低温度的差异大致上大于100℃。

附图说明

图1显示依本发明的第一实施例。

图2A为第一实施例的SEM实验对照组照片。

图2B为第一实施例的SEM照片。

图3显示依本发明的第二实施例。

图4显示依本发明的第三实施例。

图5A为第三实施例的SEM实验对照组照片。

图5B为第三实施例的SEM照片。

图6显示依本发明的背光模块装置。

图7显示依本发明的照明装置。

附图标记说明

110 基板 120 铝层

130 缓冲层 140 未掺杂半导体层

150 第一缓冲层 160 第一未掺杂半导体层

170 第二缓冲层 180 第二未掺杂半导体层

190 外延叠层 600 背光模块装置

610 光源装置 611 半导体元件

620 光学装置 630 电源供应系统

700 照明装置 710 光源装置

711 半导体元件 720 电源供应系统

730 控制元件

具体实施方式

图1显示依本发明的第一实施例。其中各标号的涵义分别如下所述：110表示基板；130表示缓冲层；190表示外延叠层。下述其他图式中的相同元件，将标以相同的标号，且不再赘述，合先述明。本实施例的半导体元件100包含：基板110；缓冲层130，形成于基板110之上；以及外延叠层190形成于缓冲层130之上，其中外延叠层190是由p型半导体层、发光层与n型半导体层所组成，并分别于p型及n型半导体层的两侧，设置不同电性的电极(图未示)，便可以形成具有发光特性的发光二极管元件。在本实施例中，基板110是采用蓝宝石透明基板，也可以由SiC、GaAs、CaN、AlN、GaP、Si、ZnO、MgO或玻璃等材料所构成的基板所替代；缓冲层130是由氮化铝(AlN)所形成，也可以由氮化镓(GaN)、氮化铝镓(AlGaN)、氮化铟镓(InGaN)、氮化铟铝(InAlN)、或氮化铟镓铝(AlInGaN)等材料所替代；外延叠层190中所包含的p型半导体层、发光层与n型半导体层是由三五族化合物半导体氮化镓(GaN)所形成，也可以是由氮化铝(AlN)、氮化铝镓(AlGaN)、氮化铝镓(AlGaN)、氮化铟镓(InGaN)、氮化铟镓铝(AlInGaN)等材料所替代。

本实施例的外延叠层190与缓冲层130的三五族化合物半导体，是利用金属有机化学气相沉积法(MOCVD)所形成，但本发明并不限于此。其中缓冲层130是在变温生长条件下所形成的氮化铝(AlN)层，其步骤包含通入有机铝反应气体三甲基铝(Trimethylaluminum)，使其形成富铝暂态层；再通入氮反应气体氨气(NH₃)，并控制温度，在一定时间内，从1170℃逐渐将低至600℃。其间，富铝暂态层中的铝原子会往上方的反应气体氨气(NH₃)扩散、而其上方的氮原子会向下扩散，并与前述铝原子产生键结并重新排列，进而形成厚度约为300nm的氮化铝缓冲层。其中该温度变化的过程，可以是连续性的降温过程。通过上述形成温度变化所得的缓冲层130，可以使后续生长于其上的外延叠层190获得应力释放，进而提升外延叠层190的薄膜品质，使得半导体元件的光电特性获得良好的提升。其中上述的变温生长条件，是指形成缓冲层时，在反应气体通入的时间内，其形成温度随时间作连续性或非连续性的改变。

图2A与图2B为针对第一实施例所拍摄的扫描式电子光学显微镜(SEM)的对照实验照片。图2A为对照组，于一定温条件(1170℃)所形成氮化铝(AlN)的缓冲层的上方，形成氮化镓(GaN)层，其表面的SEM照片；图2B为第一实施例，于变温条件(从1170℃逐渐将低至600℃)所形成氮化铝(AlN)的缓冲层的上方，形成氮化镓(GaN)层，其表面的SEM照片。比较图2A与图2B，可以发现图2B较为平坦，显示本实施例的变温生长的缓冲层130，确实可以使形成于其上方的外延叠层190，其晶格不匹配的现象，获得明显的改善。

图3显示依本发明的第二实施例。本实施例的半导体元件200相较于第一实施例，还包含：以高温铝处理所形成的铝原子层120，形成于基板110与变温条件所形成的缓冲层130之间；以及未掺杂半导体层140，如未掺杂的氮化镓层(un-doped GaN)，形成于缓冲层130与外延叠层190之间。透过此结构的设计，也可以使得外延叠层190的生长品质大幅提升。

图4显示依本发明的第三实施例。本实施例主要是在两个未掺杂半导体层之间，形成变温条件下所生长的氮化铝(AlN)缓冲层。本实施例的半导体元件300，其结构包含：基板110；第一缓冲层150，形成于基板110之上；第一未掺杂半导体层160，形成于第一缓冲层150之上；第二缓冲层170，形成于第一未掺杂半导体层160之上；第二未掺杂半导体层180形成于第二缓冲层170之上；以及外延叠层190形成于第二未掺杂半导体层180之上。其中第一缓冲层150与第二缓冲层170是在变温条件下所形成的氮化铝(AlN)层，其温度控制是在一定时间内，从1170℃逐渐将低至600℃；上述两层缓冲层的形成温度与时间的控制亦可以相异。

图5A与图5B为针对第三实施例所拍摄的扫描式电子光学显微镜(SEM)的对照实验照片。图5A为对照组的外延叠层190表面的SEM照片，其中外延叠层下方的第一缓冲层与第二缓冲层，是于一定温条件(1170℃)下所形成；图5B为第三实施例的外延叠层190表面的SEM照片，其中外延叠层190下方的第一缓冲层150与第二缓冲层170，是于一变温条件(从1170℃逐渐将低至600℃)下所形成。比较图5A与图5B，可以发现图5B较为平坦，显示本实施例的变温形成的第一缓冲层150与第二缓冲层170，确实能够使形成于其上方的外延叠层190，其晶格不匹配的现象，获得明显的改善。

图6显示依本发明的背光模块。其中背光模块装置600包含：由本发明上述任意实施例的半导体元件611所构成的光源装置610；光学装置620置于光源装置610的出光路径上，负责将光做适当处理后出光；以及电源供应系统630，提供上述光源装置610所需的电源。

图7显示依本发明的照明装置。上述照明装置700可以是车灯、街灯、手电筒、路灯、指示灯等等。其中照明装置700包含：光源装置710，是由本发明上述的任一实施例的半导体元件711所构成；电源供应系统720，提供光源装置710所需的电源；以及控制元件730控制电流输入光源装置710。

虽然本发明已藉各实施例说明如上，然其并非用以限制本发明的范围；且任何对于本发明所作的各种修饰与变更，皆不脱本发明的精神与范围。

Claims

1.一半导体元件，包含

基板；

缓冲层，形成于该基板之上；以及

外延叠层，形成于该缓冲层之上，

其中该缓冲层于至少一反应气体通入时的形成温度随时间而变化。

2.如权利要求1所述的半导体元件，其中该形成温度随时间从约1000℃降低至约600℃。

3.如权利要求1所述的半导体元件，其中该形成温度的最高温度与最低温度间的差异至少大于100℃。

4.如权利要求1所述的半导体元件，其中该形成温度为连续性降温过程。

5.如权利要求1所述的半导体元件，其中该缓冲层为单层结构。

6.如权利要求1所述的半导体元件，还包含铝原子层，形成于该基板与该缓冲层之间。

7.如权利要求1所述的半导体元件，还包含未掺杂半导体层，形成于该缓冲层与该外延叠层之间，其中该未掺杂半导体层是由未掺杂的氮化镓层所形成。

8.如权利要求1所述的半导体元件，其中该缓冲层是由氮化铝、氮化镓、氮化铝镓、氮化铟镓、氮化铟铝、氮化铟镓铝等材料，至少择一形成。

9.如权利要求1所述的半导体元件，还包含第一未掺杂半导体层，形成于该缓冲层与该外延叠层之间，以及第二未掺杂半导体层，形成于该基板与该缓冲层之间。

10.如权利要求1所述的半导体元件，还包含另一缓冲层，形成于该基板与该第一未掺杂半导体层之间，且该另一缓冲层于至少一反应气体通入时的形成温度随时间而变化。