CN111668353B - 发光半导体结构及半导体基板 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种半导体基板，其应用于一发光半导体结构且包含一基底以及多个粒子群，基底包含一上表面，前述多个粒子群分散于上表面上或基底内，且各粒子群包含锡、锡化合物或其组合。借此，通过粒子群的不连续分布，可增加后续外延结构的局部侧向成长，改善品质，并进一步增加抗静电能力。本发明还提供一种发光半导体结构。
Description
技术领域
本发明涉及一种发光结构及基板，特别是涉及一种发光半导体结构及半导体基板。
背景技术
随着光电科技的进步，许多光电元件的体积逐渐往小型化发展。近几年来由于发光二极管(light-emitting diode，LED)制作尺寸上的突破，目前尺寸小于100微米的微型发光二极管(micro-LED)应用市场上逐渐受到重视。然而，在微型发光二极管生长的过程中，受限于蓝宝石基板与氮化镓间晶格的匹配问题，容易产生高缺陷或高位错(dislocation)密度，使得外延品质不佳，进而降低发光效率，并有抗静电能力较低等问题。
于尺寸微缩到微米等级的微型发光二极管时，晶格匹配问题影响发光效率的程度可能更为巨大。有鉴于此，如何改善微型发光二极管等发光半导体结构及应用的基板，增加其抗静电能力，遂成相关业者努力的目标。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种发光半导体结构及半导体基板，通过改变半导体基板的结构，能提升发光半导体结构的抗静电能力。
依据本发明的一实施方式提供一种半导体基板，其应用于一发光半导体结构且包含一基底以及多个粒子群，基底包含一上表面，前述多个粒子群分散于基底内并远离发光半导体结构的一外延结构，且各粒子群包含锡、锡化合物或其组合；其中，前述多个粒子群占基底的比例小于0.01，前述多个粒子群分散于基底内以形成一不连续分布，前述多个粒子群与上表面满足A3<0.01xA2的关系，其中A3表示不连续分布的面积，A2表示上表面的面积。
借此，通过前述多个粒子群的不连续分布，可增加后续外延结构的局部侧向成长，改善品质，并进一步增加抗静电能力。
依据前述的半导体基板的多个实施例，其中，粒子群与基底满足H1≤0.1xH2的关系，其中H1表示各粒子群与基底的垂直距离，H2表示基底的高度。
依据前述的半导体基板的多个实施例，半导体基板可还包含多个凸出部，前述多个凸出部与基底一体成型且间隔排列于上表面，且各凸出部包含至少一斜面，其中，前述多个粒子群分散于上表面下及至少一斜面下。
依据前述的半导体基板的多个实施例，其中，粒子群满足H3≤0.1xH4的关系，其中H3表示各粒子群与各凸出部的至少一斜面间的垂直距离，H4表示各凸出部的一顶点与上表面间的高度。
依据前述的半导体基板的多个实施例，其中粒子群满足D2<D1的关系，其中D1表示粒子群于各凸出部的至少一斜面上的密度，D2表示粒子群于上表面的密度。
依据前述的半导体基板的多个实施例，其中，基底可还包含一中心区以及一外围区，外围区包围中心区。其中前述多个粒子群与基底满足D4<D3的关系，其中D3表示粒子群于中心区的密度，D4表示粒子群于外围区的密度。
依据前述的半导体基板的多个实施例，其中，基底为一蓝宝石基底。
依据本发明的另一实施方式提供一种发光半导体结构，其包含一半导体基板以及一外延结构。半导体基板包含一基底及多个粒子群，基底包含一上表面，前述多个粒子群分散于基底内，且各粒子群包含锡、锡化合物或其组合。外延结构位于半导体基板上，其中，外延结构的厚度小于等于10微米；其中，前述多个粒子群远离外延结构，前述多个粒子群占基底的比例小于0.01，前述多个粒子群分散于基底内以形成一不连续分布，前述多个粒子群与上表面满足A3<0.01xA2的关系，其中A3表示不连续分布的面积，A2表示上表面的面积。
借此，通过前述多个粒子群的不连续分布，可增加后续外延结构的局部侧向成长，改善品质，并进一步增加抗静电能力。
附图说明
图1示出依照本发明第一实施例的一种半导体基板的侧视示意图；
图2示出图1第一实施例的半导体基板的俯视示意图；
图3示出依照本发明第二实施例的一种半导体基板的侧视示意图；
图4示出图3第二实施例的半导体基板的俯视示意图；
图5示出依照本发明第三实施例的一种半导体基板的剖视示意图；
图6示出依照本发明第四实施例的一种半导体基板的剖视示意图；以及
图7示出依照本发明第五实施例的一种发光半导体结构的剖视示意图。
其中，附图标记说明如下：
10，20，30，40：半导体基板
110，210，310，410，510：基底
111，211，311，411：上表面
112：中心区
113：外围区
120，220，320，420，511：粒子群
230，430：凸出部
231，431：斜面
432：顶点
50：发光半导体结构
500：外延结构
520：成核层
530：缓冲层
540：第一型半导体层
550：主动层
560：第二型半导体层
H1，H3：垂直距离
H2，H4：高度
T1：厚度
具体实施方式
以下将参照附图说明本发明的实施例。为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，阅读者应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本发明。也就是说，在本发明部分实施例中，这些实务上的细节是非必要的。此外，为简化附图起见，一些现有惯用的结构与元件在附图中将以简单示意的方式示出；并且重复的元件将可能使用相同的编号或类似的编号表示。
此外，本文中第一、第二、第三等用语只是用来描述不同元件或成分，而对元件/成分本身并无限制，因此，第一元件/成分亦可改称为第二元件/成分。且本文中的元件/成分/机构/模块的组合非此领域中的一般周知、常规或现有的组合，不能以元件/成分/机构/模块本身是否为现有，来判定其组合关系是否容易被技术领域中的通常知识者轻易完成。
请参阅图1及图2，其中图1示出依照本发明第一实施例的一种半导体基板10的侧视示意图，图2示出图1第一实施例的半导体基板10的俯视示意图。半导体基板10可应用于一发光半导体结构(于图1及图2中未示出，可参考图7)且包含一基底110以及多个粒子群120，基底110包含一上表面111，前述多个粒子群120分散于上表面111上，且各粒子群120包含锡(Sn)、锡化合物(Sn Compound)或其组合。
借此，通过粒子群120的不连续分布，可增加后续外延结构的局部侧向成长，改善品质，并进一步增加抗静电能力。半导体基板10的细节将描述如后。
半导体基板10的材料可包含碳化硅(silicon carbide；SiC)、氮化铝(aluminiumnitride；AlN)、玻璃或蓝宝石(Sapphire)，因此基底110可为一碳化硅基底、一氮化铝基底、一玻璃基底或一蓝宝石基底。上表面111是供后续外延结构生长的表面，多个粒子群120可例如由物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)方式形成的不连续膜，通过温度或压力的控制，可形成相互独立且分散的粒子群120，粒子群120为一立体几何图案化结构凸出于上表面111，立体几何图案化结构可呈条状、岛状、弧状、锥状或其组合，以利后续外延成长。然上述制程仅为示例，本发明可使用任何的可能的制程方式，以于上表面111上形成随机分散的粒子群120或团簇。特别说明的是，粒子群可以为不对称立体几何图案化结构，且选择锡(Sn)或锡化合物(Sn Compound)，例如氧化锡(SnO2)，亦可以为锡(Sn)或锡化合物的组合，以分散后续外延成长的随机应力。
进一步地，不连续膜与上表面111可满足A1≤0.01xA2的关系，其中A1表示不连续膜的面积，A2表示上表面111的面积。不连续膜的面积即是指粒子群120的总面积，更仔细地说，是指粒子群120与上表面111接触的底面积的总合，而前述总合限制为占上表面111面积的1％以下，以避免因不匹配的晶格影响到后续外延结构的成长。通过半导体基板10的基底110具有含锡、锡化合物或其组合，例如氧化锡(SnO2)的多个粒子群120分散于上表面111上，可降低后续外延结构和半导体基板10的不匹配晶格，降低应力，此设计更适用于与氮化物系为主的外延结构晶格匹配差异大的蓝宝石基底上，以更有效地减少外延结构和半导体基板10因应力而产生的差排。
基底110可还包含一中心区112以及一外围区113，外围区113包围中心区112。粒子群120与基底110满足D4<D3的关系，其中D3表示粒子群120于中心区112的密度，D4表示粒子群120于外围区113的密度。以俯视观之，中心区112是指靠近基底110中心的区域，外围区113是指环绕在中心区112且邻近基底110周缘的区域，两者一体相连且无分界，仅为方便说明而将其区分为二区，不以此限制本发明。而基于D4<D3的关系，粒子群120于中心区112一单位面积的数量多于在外围区113相同单位面积的数量，当满足D4<D3的关系时，成长于中心区112的外延结构会具有较少的缺陷。其中，外围区113面积占基底110的面积小于等于10％，可有较佳的外延品质。
此外，如图1所示，各粒子群120可具有一厚度T1，各厚度T1小于或等于50nm，其中厚度T1是指粒子群120顶面或顶点至上表面111的最大垂直距离。借此，可避免上表面111的缺陷变多影响到后续外延结构的成长。
请参阅图3及图4，其中图3示出依照本发明第二实施例的一种半导体基板20的侧视示意图，图4示出图3第二实施例的半导体基板20的俯视示意图。第二实施例与第一实施例类似，第一实施例与第二实施例的不同处在于第二实施例中的凸出部230与粒子群220的配置，第二实施例中半导体基板20可还包含多个凸出部230，多个凸出部230与基底210一体成型且间隔排列于上表面211，且各凸出部230包含至少一斜面231；此外，第二实施例中，粒子群220分散于上表面211上及各凸出部230的前述至少一斜面231上，且满足D2<D1的关系，其中D1表示粒子群220于各凸出部230的前述至少一斜面231上的密度，D2表示粒子群220于上表面211的密度。其中，粒子群220位于上表面211上及各凸出部230的前述至少一斜面231上以形成一不连续膜，该不连续膜与上表面211及各凸出部230的前述至少一斜面231满足A1≤0.01xA2’的关系，其中A1表示该不连续膜的面积，A2’表示上表面211及各凸出部230的前述至少一斜面231的总面积。
仔细而言，凸出部230是由基底210经涂布、光刻及刻蚀等方式，依预设图案去除掉不需要的部分后，形成于基底210的上表面211上且相对上表面211凸出的部分，而能与基底210一体成型，换句话，上表面211及各凸出部230的前述至少一斜面231为连续面，各凸出部230的前述至少一斜面231皆可视为基底210的上表面211的一部分。此部分的制程为现有且非本发明的改良重点，在此不再赘述。
由第二实施例可知，凸出部230可概成圆锥形而具有一斜面231，在其他实施例中，凸出部亦可以是锥形四面体而具有四斜面，或凸出部可以是岛状多面体而具有多个斜面，前述凸出部形状举例如前述但不以此为限。而基于D2<D1的关系，表示粒子群220于斜面231一单位面积的数量多于在上表面211(指未被凸出部230遮蔽的外露部分)相同单位面积的数量。由于造成外延结构裂痕的应力会沿着凸出部230的斜面231延伸，通过粒子群220于斜面231上的分布密度大于未被凸出部230遮蔽的外露部分的上表面211上的分布密度，有助于后续外延结构的侧向成长。
请参阅图5，其中图5示出依照本发明第三实施例的一种半导体基板30的剖视示意图。第三实施例与第一实施例类似，第三实施例与第一实施例的不同处在于第三实施例中的粒子群320的配置，在第三实施例中，多个粒子群320是掺杂分散于基底310内形成一不连续分布，即，多个粒子群320随机分散于上表面311下。粒子群320可以是例如以离子布植(Ion implantation)方式植入于基底310内，通过控制离子束电流量、布值时间及离子能量，能控制离子布植的浓度或高度，离子布植的技术非本发明的改良重点，不再赘述。多个粒子群320占基底310的比例小于等于0.01，过大会造成后续外延成长的缺陷。此处的比例可例如是一原子百分比。
在第三实施例中，粒子群320与上表面311满足A3≤0.01xA2的关系，其中A3表示不连续分布的面积，A2表示上表面311的面积。此外，粒子群320与基底310可满足H1≤0.1xH2的关系，其中H1表示各粒子群320与基底310间的垂直距离，即各粒子群320与上表面311间的垂直距离，H2表示基底310的高度，H1/H2≤0.1的比例有助于后续外延结构的侧向成长。在第三实施例中，各粒子群320与基底310间的垂直距离H1不超过100nm，然不以此限制本发明。
请参阅图6，其中图6示出依照本发明第四实施例的一种半导体基板40的剖视示意图。第四实施例中，半导体基板40可包含基底410、多个粒子群420及多个凸出部430，基底410及多个凸出部430的关系和形成方式和第二实施例的基底210及多个凸出部230相同，不再赘述。
在第四实施例中，多个粒子群420是掺杂分散于基底410及各凸出部430内形成一不连续分布，即，多个粒子群420随机分散于基底410及凸出部430的斜面431下。粒子群420可以是例如以离子布植(Ion implantation)方式植入于基底410内，通过控制离子束电流量、布值时间及离子能量，能控制离子布植的浓度或高度，离子布植的技术非本发明的改良重点，不再赘述。
各凸出部430可包含斜面431及一顶点432，粒子群420与基底410可满足H3≤0.1xH4的关系，其中H3表示各粒子群420与各凸出部430的斜面431间的垂直距离，H4表示各凸出部430的顶点432与上表面411间的高度，H3/H4≤0.1的比例有助于后续外延结构的侧向成长。在第四实施例中，凸出部430的高度为1μm至2μm，粒子群420与各斜面431的垂直距离H3不超过100nm，然不以此限制本发明。其中，粒子群420位于上表面411下及各凸出部430的前述至少一斜面431内以形成一不连续分布，满足A3≤0.01xA2’的关系，其中A3表示不连续分布的面积，A2’表示上表面411及各凸出部430的前述至少一斜面431的总面积。
请参阅图7，其中图7示出依照本发明第五实施例的一种发光半导体结构50的剖视示意图。发光半导体结构50包含一半导体基板(未标示)和一外延结构500。半导体基板的结构可与上述的半导体基板10、20、30、40中任一者相同而包含基底510及多个粒子群511，外延结构500厚度小于等于10微米，后续可通过制程而形成多个微型发光二极管结构(未示出)。其中外延结构500可包括成核层520位于半导体基板上，缓冲层530位于成核层520上；第一型半导体层540位于缓冲层530上；主动层550位于第一型半导体层540上；第二型半导体层560位于主动层550上。
成核层520可采用含铝成核材料，例如为氮化铝(AlN)。缓冲层530可采用氮化镓材料，例如为非掺杂氮化镓(U-GAN)。第一型半导体层540可例如为N型的氮化物半导体堆叠层，如掺杂N型掺质的氮化镓(GaN)、氮化铝镓(AlGaN)、氮化铝铟镓(AlInGaN)或氮化铟镓(InGaN)等。主动层550可采用量子井(quantum well)，例如为多重量子井(multiplequantum wells)。第二型半导体层560可例如为P型的氮化物半导体堆叠层，如掺杂P型掺质的氮化镓、氮化铝镓、氮化铝铟镓或氮化铟镓等，本发明使用材料举例同前但不以此为限。
表1为本发明的第五实施例的发光半导体结构50与一比较例的发光半导体结构(未绘制)的电特性测式结果，其中Vr为逆向电压，Ir为逆向电流，ESD为静电放电。发光半导体结构50的粒子群511为锡，而比较例的发光半导体结构的半导体基板不包含任何粒子群。由表1可知，本发明的第五实施例的发光半导体结构50确实具有良好的抗静电效果。
表1
| Vr(V) | Ir(μA) | ESD(％) | |
| 第五实施例 | 28.12 | 0.13 | 62.9 |
| 比较例 | 25.07 | 0.21 | 5.2 |
虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的变动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定者为准。
Claims (8)
1.一种半导体基板，应用于一发光半导体结构，其特征在于，该半导体基板包含：
一基底，包含一上表面；以及
多个粒子群，分散于该基底内并远离该发光半导体结构的一外延结构，且各该粒子群包含锡、锡化合物或其组合；
其中，所述粒子群占该基底的比例小于0.01，所述粒子群分散于该基底内以形成一不连续分布，所述粒子群与该上表面满足A3<0.01xA2的关系，其中A3表示该不连续分布的面积，A2表示该上表面的面积。
2.如权利要求1所述的半导体基板，其特征在于，所述粒子群与该基底满足H1≤0.1xH2的关系，其中H1表示各该粒子群与该基底的垂直距离，H2表示该基底的高度。
3.如权利要求1所述的半导体基板，其特征在于，还包含：
多个凸出部，与该基底一体成型且间隔排列于该上表面，且各该凸出部包含至少一斜面；
其中，所述粒子群分散于该上表面下及该至少一斜面下。
4.如权利要求3所述的半导体基板，其特征在于，所述粒子群满足H3≤0.1xH4的关系，其中H3表示各该粒子群与各该凸出部的该至少一斜面间的垂直距离，H4表示各该凸出部的一顶点与该上表面间的高度。
5.如权利要求3所述的半导体基板，其特征在于，所述粒子群满足D2<D1的关系，其中D1表示所述粒子群于各该凸出部的该至少一斜面上的密度，D2表示所述粒子群于该上表面的密度。
6.如权利要求1所述的半导体基板，其特征在于，该基底还包含：
一中心区；以及
一外围区，包围该中心区；
其中所述粒子群与该基底满足D4<D3的关系，其中D3表示所述粒子群于该中心区的密度，D4表示所述粒子群于该外围区的密度。
7.如权利要求1所述的半导体基板，其特征在于，该基底为一蓝宝石基底。
8.一种发光半导体结构，其特征在于，包含：
一半导体基板，包含：
一基底，包含一上表面；及
多个粒子群，分散于该基底内，且各该粒子群包含锡、锡化合物或其组合；以及
一外延结构，位于该半导体基板上，其中，该外延结构的厚度小于等于10微米；
其中，所述粒子群远离该外延结构，所述粒子群占该基底的比例小于0.01，所述粒子群分散于该基底内以形成一不连续分布，所述粒子群与该上表面满足A3<0.01xA2的关系，其中A3表示该不连续分布的面积，A2表示该上表面的面积。
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