CN1501517A - 横向磊晶形成磊晶层的方法 - Google Patents

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寺嶋一高
章烱煜
赖穆人
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Abstract

一种横向磊晶形成磊晶层的方法，包括提供一硅基底；形成一磊晶罩幕层于硅基底表面；图案化磊晶罩幕层，以形成多数视窗区于相邻图案化磊晶罩幕层之间，露出部分硅基底表面；磊晶一磷化硼，先垂直磊晶磷化硼于视窗区内，直到磷化硼的厚度大于图案化磊晶罩慕层的厚度，使横向磊晶磷化硼于图案化磊晶罩幕层上方。磊晶罩幕层不仅可以形成于硅基底表面，用以使磷化硼缓冲层横向磊晶于其上方，磊晶罩幕层亦可以形成于磷化硼缓冲层表面，使一束缚层横向磊晶于其上方，还可以形成于束缚层表面，用以使一活性层横向磊晶于其上方。具有提高发光元件的发光效率和使用寿命，降低发光元件的成本及使磊晶层的结晶完美，以降低差排缺陷密度的功效。

Description

横向磊晶形成磊晶层的方法
技术领域
本发明是有关于一种半导体发光元件(semiconductor light emittingdevice)，特别是有关于一种横向磊晶成长ELOG(epitaxial lateral overgrowth)形成半导体发光元件的磊晶层的方法。
背景技术
发光元件是由各种不同材质层所构成，在磊晶(epitaxial)制作各层材质时，晶体结构中难免会有缺陷产生，进而对发光元件产生以下影响：
1、降低发光效率；
2、降低电子活动率；
3、增加掺杂离子扩散的途径；
4、导致活性层的量子井中会有V型凹槽出现，而这些V型凹槽是差排的起源；
5、增加起始反向偏压电流。
另外，若结晶不完整，而出现裂缝(crack)或空隙(gap)，则在裂缝或空隙上方不宜成长发光元件，因为在此区成长的发光元件的寿命将较短及发光效率低。因此，如何制作出结晶完美的磊晶层，是提升发光元件性能的一大课题。
另一方面，目前发光元件的发展中，GaN是非常重要的宽能隙(widebandgap)半导体材料，可以通过其发出绿光、蓝光到紫外线。但是因为块材(bulk)GaN的成长一直有困难，所以目前GaN大多成长在以蓝宝石(sapphire)GaP、InP、GaAs或SiC构成的基板上。由于这些基板皆与GaN的晶格常数(latticeconstant)不匹配，所以，直接成长在这些基板上的GaN品质不佳，因此，引用一缓冲层(buffer layer)于基板与GaN之间，该缓冲层又称晶核形成层(nucleation layer)，晶格常数与基板相近的缓冲层可以提供成核(nucleation)位置，以利于GaN成核及成长，以形成相同的晶体结构，以提升GaN的结晶度。因此，缓冲层品质的优劣对后续束缚层(cladding layer)与活性层(active layer)的磊晶有关键性的影响，也间接影响到发光元件的性质。其主要缺陷在于：
由于蓝宝石等基板价格昂贵，导致发光元件的成本一直高居不下。因此，找寻新的价格便宜的基底是目前急待解决的另一项重要课题。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种横向磊晶形成磊晶层的方法，达到降低磊晶层中差排缺陷的产生，形成完美晶体结构的目的。
本发明的第二目的是提供一种横向磊晶形成磊晶层的方法，将该磊晶层应用于发光元件，达到提高发光元件的发光效率和使用寿命的目的。
本发明的第三目的是提供一种横向磊晶形成磊晶层的方法，是以硅作为基板，达到降低发光元件的成本的目的。
本发明的第四目的是提供一种横向磊晶形成磊晶层的方法，引用磷化硼作为缓冲层，达到降低硅基底与磊晶层之间的晶格不匹配的目的。
本发明的目的是这样实现的：一种横向磊晶形成磊晶层的方法，其特征之一是在硅基底与磊晶层之间采用磷化硼作为缓冲层，以降低硅基底与磊晶层之间的晶格不匹配的问题。
本发明的特征之二是采用材质例如为二氧化硅的图案化磊晶罩幕层，使磊晶层先于图案化磊晶罩幕层的两侧垂直成长，等到磊晶层厚度与图案化磊晶罩幕层厚度一致，便开始横向成长于图案化磊晶罩幕层上方。横向磊晶成长(ELOG)形成结晶完美，且具有低差排密度的磊晶层，以该区域的磊晶层制作发光元件，可大大提升元件特性。
本发明提出的一种横向磊晶形成磊晶层的方法，主要包括如下步骤：
首先，提供一硅基底；接着，形成一磊晶罩幕层于硅基底表面。接着，图案化磊晶罩幕层，以形成多数视窗区于相邻图案化磊晶罩幕层之间，露出部分硅基底表面。然后，磊晶一磷化硼，先垂直磊晶磷化硼于视窗区内的硅基底表面，直到磷北硼的厚度大于图案化磊晶罩幕层的厚度，使横向磊晶磷化硼于图案化磊晶罩幕层上方。
磊晶罩幕层不仅可以形成于硅基底表面，用以使磷化硼缓冲层横向磊晶于其上方，磊晶罩幕层亦可以形成于磷化硼缓冲层表面，用以使一束缚层横向磊晶于其上方。另外，还可以形成于束缚层表面，用以使一活性层横向磊晶于其上方。
总而言之，本发明利用磊晶罩幕层，可使发光元件的各磊晶层经由横向磊晶形成于磊晶罩幕层上方，而横向磊晶所形成的磊晶层具有完美结晶，不易产生差排。
磊晶罩幕层的材质包括二氧化硅(SiO2)，其厚度约为1500-15000。磊晶罩幕层是利用一氢氟酸蚀刻以进行图案化。磊晶罩幕层两侧的磷化硼横向磊晶于磊晶罩幕层上方相接合，接合处形成一裂缝。
本发明更包括：取下图案化磊晶罩幕层上方的磷化硼，沿裂缝可自然形成发光元件制作时的劈裂面。
下面结合较佳实施例和附图进一步说明。
附图说明
图1-图5是本发明实施例1的横向磊晶制程的剖面示意图。
图6-图10是本发明实施例2的横向磊晶制程的剖面示意图。
图11-图15是本发明实施例3的横向磊晶制程的剖面示意图。
具体实施方式
实施例1
参阅图1-图5所示，本发明的较佳实施例1的横向磊晶制程包括如下步骤：
参阅图1-图2所示，提供一硅基底100。接着，在硅基底100表面，例如：{100}结晶面表面，形成一材质例如为二氧化硅的磊晶罩幕层102。磊晶罩幕层102的形成方法例如为热氧化法(thermal oxidize)S200，在含氧环境气氛、温度约1000℃之下，使硅基底100发生氧化反应，形成厚度约1500-15000的二氧化硅层102，如图2所示；
参阅图3所示，例如以氢氟酸(HF)类的蚀刻剂移除部份二氧化硅磊晶罩幕层102，例如以等间隔去除特定面积的磊晶罩幕层102，以露出部分硅基底100表面，做为视窗区(window area)I。得到面积相等，且具相等间距的多数图案化磊晶罩幕层102a。相邻图案化磊晶罩幕层102a之间的视窗区面积约为50μm×4000μm。
参阅图4-图5，磊晶一磷化硼。先垂直磊晶磷化硼104a于视窗区I内的硅基底100表面，直到磷化硼104a的厚度大于图案化磊晶罩幕层102a的厚度，如图4所示。
接着，磷化硼104a开始横向磊晶成长于图案化磊晶罩幕层102a上方，位于同一图案化磊晶罩幕层102a两侧的磷化硼104a横向磊晶于磊晶罩幕层102a上方相接合后，继续成长至所需的厚度，以形成一横向磊晶磷化硼104b，且在接合处形成一裂缝106，如图5所示。
磷化硼104磊晶于硅基板100的较佳实施例是，先将反应室温度升高至温度约900-1180℃，保持约数分钟。接着，使反应室温度降至约300℃上下，再开始供应PCl3或PH3至反应室内部，经过约3分钟后，再进行第一次BCl3供应约40分钟。接着，先停止BCl3供应，于相同温度(约300℃)上下保持一段时间，例如：5分钟，再将反应室温度升高至约1000℃上下。期间继续保持PCl3或PH3供应。然后，于温度约1000℃上下再进行第二次BCl3供应约60分钟。期间继续保持PCl3或PH3供应。接着，先停止供应PCl3或PH3与BCl3，再于温度约1000℃上下，经过一段时间，例如：约10分钟，便完成BP缓冲层的形成，可将反应室温度降至室温后取出。BP缓冲层的形成过程中，始终持续供应H2气体至反应室内部。
在视窗区I所磊晶出的磷化硼104a具有相当高的差排密度，不适合用来制作发光元件。而在图案化磊晶罩幕层102a上方所磊晶出的磷化硼104b的晶体结构完整，几乎不会有差排产生，唯接合处具有裂缝106，因此，取下图案化磊晶罩幕层102a上方的磷化硼104b，沿裂缝106可自然形成发光元件制作时的劈裂面。如此一来，磊晶层的缺陷密度低，且以磷化硼材质作为硅基底100表面的缓冲层，又可降低后续磊晶层的晶格不匹配，将该磊晶层应用于发光元件，可提高发光元件的发光效率及使用寿命。
实施例2
参阅图6-图10所示，本发明的较佳实施例2的横向磊晶制程包括如下步骤：
参阅图6所示，提供一硅基底200。接着，在硅基底200表面，例如：{100}结晶面表面，形成一磷化硼(BP)缓冲层202于硅基底200表面。
磷化硼202磊晶于硅基板200的较佳实施例是。先将反应室温度升高至900-1180℃，保持数分钟。接着，使反应室温度降至约300℃上下，再开始供应PCl3或PH3至反应室内部，经过约3分钟后，再进行第一次BCl3供应，约40分钟，接着，先停止BCl3供应，于相同温度(约300℃)上下保持一段时间，例如：5分钟，再将反应室温度升高至约1000℃上下，期间继续保持PCl3或PH3供应。然后，于温度1000℃上下再进行第二次BCl3供应约60分钟，期间继续保持PCl3或PH3供应。接着，先停止供应PCl3或PH3与BCl3，再于温度约1000℃上下，经过一段时间，例如：约10分钟，便完成BP缓冲层202的形成，可将反应室温度降至室温后取出。BP缓冲层202的形成过程中，始终持续供应H2气体至反应室内部。
接着，参阅图7所示，可利用适当的化学气相沉积法(CVD)形成一磊晶罩幕层204于磷化硼缓冲层202表面，其材质可为二氧化硅，厚度约1500-15000。
接着，参阅图8所示，例如以氢氟酸类的蚀刻剂移除部份二氧化硅磊晶罩幕层204，例如以等间隔去除特定面积的磊晶罩幕层204，以露出部分磷化硼缓冲层202表面，做为视窗区(window area)II。得到面积相等，且具相等间距的多数图案化磊晶罩幕层204a。相邻图案化磊晶罩幕层204a之间的视窗区面积约为50μm×4000μm。
参阅图9-图10所示，然后，磊晶一束缚层206a、206b。方法是：先垂直磊晶束缚层206a于视窗区II内的磷化硼缓冲层202表面，直到束缚层206a的厚度大于图案化磊晶罩幕层204a的厚度，如图9所示。
接着，束缚层206a开始横向磊晶成长于图案化磊晶罩幕层204a上方，位于同一图案化磊晶罩幕层204a两侧的束缚层206a横向磊晶于磊晶罩幕层204a上方相接合后，继续成长至所需的厚度，以形成一横向磊晶束缚层206b，且在接合处形成一裂缝208，如图10所示。
束缚层206a、206b的材质可以为Alxln1-xGayN1-y(＜x＜1，0＜y＜1＝或是AlxGa1-xNyP1-y(0＜x＜1，0＜y＜1)，例如氮化镓(GaN)、氮化铟镓(InGaN)、氮化铝镓(AlGaN)或磷氮化镓(GaNP)，且前驱物为甲基联胺系或是氨；以氮化镓(GaN)为例，其前驱物可包括一甲基联胺(monomethyl hydrazine；MMH)与三甲基镓(trimethyl galliun；TMG)，通过MOVPE法在磷化硼缓冲层202表面形成，可以降低与硅基底200的晶格不匹配，减少缺陷产生。
其中，以氮化镓束缚层206a，206b为例的磊晶方法如下所述：
首先，供应氢与氮气体，温度例如约为350-500℃下，开始供应MMH。再经过一段时间，例如：3分钟后，开始进行第一次TMG供应，时间约为20分钟。接着，停止TMG供应，经过一段时间，例如：5分钟，将反应室温度升高至约为800℃上下，期间保持MMH供应。接着，于相同温度(约800℃)上下进行第二次TMG供应，时间约为60分钟，期间保持MMH供应。最后，先停止MMH与TMG的供应，于相同温度(约800℃)上下保持一段时间，例如：30分钟。再将温度降至室温，完成GaN磊晶，GaN磊晶期间持续供应氢与氮气体。
继续参阅图10所示，在视窗区II所磊晶出的束缚层206a具有相当高的差排密度，不适合用来制作发光元件，而在图案化磊晶罩幕层204a上方所磊晶出的束缚层206b的晶体结构完整，几乎不会有差排产生，唯接合处具有裂缝208，因此，取下图案化磊晶罩幕层204a上方的束缚层206b，沿裂缝208可自然形成发光元件制作时的劈裂面。如此一来，磊晶层的缺陷密度低，且以磷化硼材质作为硅基底200表面的缓冲层，又可降低束缚层与硅基底的晶格不匹配，将该些磊晶层应用于发光元件，可提高发光元件的发光效率及用寿命。
实施例3
参阅图11-图15所示，本发明的较佳实施例3的横向磊晶制程包括如下步骤：
参阅图11所示，提供一硅基底300。接着，在硅基底300表面，例如：{100}结晶面表面，形成一磷化硼(BP)缓冲层302于硅基底300表面。然后，形成一氮化镓束缚层304于磷化硼缓冲层302表面。
磷化硼缓冲层302磊晶于硅基板300的一较佳实施例是：先将反应室温度升高至温度900-1180℃，保持数分钟。接着，使反应室温度降至约300℃上下，再开始供应PCl3或PH3至反应室内部，经过约3分钟后，再进行第一次BCl3供应约40分钟。接着，先停止BCl3供应，于相同温度(约300℃)上下保持一段时间，例如：5分钟，再将反应室温度升高至约1000℃上下，期间继续保持PCl3或PH3供应。然后于温度约1000℃上下再进行第BCl3供应约60分钟，期间继续保持PCl3或PH3供应。接着，先停止供应PCl3或PH3及BCl3，再于温度约1000℃上下，经过一段时间，例如：约10分钟，便完成BP缓冲层302的形成，可将反应室温度降至室温后取出。BP缓冲层302的形成过程中，始终持续供应氢气体至反应室内部。
束缚层304可以通过MOVPE法在磷化硼缓冲层302表面形成，以降低与硅基底300的晶格不匹配，减少缺陷产生。其中，氮化镓束缚层304磊晶于硅基板300的一较佳实施例如下：
首先，供应氢与氮气体，温度例如约为350-500℃下，开始供应MMH。再经过一段时间，例如：3分钟后，开始进行第一次TMG供应，时间约为20分钟。接着，停止TMG供应，经过一段时间，例如：5分钟，将反应室温度升高至温度约为800℃上下。期间保持MMH供应。接着，于相同温度(约800℃)上下进行第二次TMG供应，时间约为60分钟。期间保持MMH供应。最后，先停止MMH与TMG的供应，于相同温度(约800℃)上下保持一段时间例如：30分钟。再将温度降至室温，完成GaN304磊晶，GaN304磊晶期间，持续供应氢与氮气体。
接着，参阅图12所示，利用适当的化学气相沉积法(CVD)形成一磊晶罩幕层306于氮化镓束缚层304表面，其材质可为二氧化硅，厚度约1500-15000。
参阅图13所示，例如以氢氟酸(HF)类的蚀刻剂移除部份二氧化硅磊晶罩幕层306，例如以等间隔去除特定面积的磊晶罩幕层306，以露出部分氮化镓束缚层304表面，做为视窗区(window area)III。得到面积相等，且具相等间距的多数图案化磊晶罩幕层306a。相邻图案化磊晶罩幕层306a之间的视窗区面积约为50μm×4000μm。
参阅图14-图15，磊晶一活性层308a、308b。先垂直磊晶活性层308a于视窗区III内的氮化镓束缚层304表面，直到活性层308a的厚度大于图案化磊晶罩幕层306a的厚度，如图14所示。
接着，活性层308a开始横向磊晶成长于图案化磊晶罩幕层306a上方，位于同一图案化磊晶罩幕层306a两侧的活性层308a横向磊晶于磊晶罩幕层306a上方相接合后，继续成长至所需的厚度，以形成一横向磊晶活性层308b，且在接合处形成一裂缝310，如图15所示。
继续参阅图15所示，在视窗区III所磊晶出的活性层308a具有相当高的差排密度，不适合用来制作发光元件。而在图案化磊晶罩幕层306a上方所磊晶出的活性层308b的晶体结构完整，几乎不会有差排产生，唯接合处具有裂缝310，因此，取下图案化磊晶罩幕层306a上方的活性层308b，沿裂缝310可自然形成发光元件制作时的劈裂面。此外，磊晶层的缺陷密度低，且以磷化硼材质作为硅基底300表面的缓冲层，又可降低束缚层与基板的晶格不匹配，将该磊晶层应用于发光元件，可提高发光元件的发光效率及使用寿命。
本发明虽以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明的范围，任何熟习此项技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，所做各种的更动与润饰，都属于本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1、一种横向磊晶形成磊晶层的方法，其特征是：它包括如下步骤：
(1)提供一硅基底；
(2)形成一磊晶罩幕层于该硅基底表面；
(3)图案化该磊晶罩幕层，以形成多数视窗区于相邻图案化磊晶罩幕层之间，露出部分硅基底表面；
(4)磊晶一磷化硼，先垂直磊晶该磷化硼于该视窗区内的硅基底表面，直到该磷化硼的厚度大于该图案化磊晶罩幕层的厚度，使横向磊晶该磷化硼于图案化磊晶罩幕层上方。
2、根据权利要求1所述的横向磊晶形成磊晶层的方法，其特征是：该磊晶罩幕层的材质包括二氧化硅。
3、根据权利要求1所述的横向磊晶形成磊晶层的方法，其特征是：该磊晶罩幕层两侧的磷化硼横向磊晶于该磊晶罩幕层上方相接合，接合处形成一裂缝。
4、根据权利要求1所述的横向磊晶形成磊晶层的方法，其特征是：它还包括取下该图案化磊晶罩幕层上方的磷化硼，沿该裂缝自然形成发光元件制作时的劈裂面。
5、一种横向磊晶形成磊晶层的方法，其特征是：它包括如下步骤：
(1)提供一硅基底；
(2)形成磷化硼缓冲层于该硅基底表面；
(3)形成一磊晶罩幕层于该磷化硼缓冲层表面；
(4)图案化该磊晶罩幕层，以形成多数视窗区于相邻图案化磊晶罩幕层之间，露出部分该磷化硼缓冲层表面；
(5)磊晶一束缚层，先垂直磊晶该束缚层于该视窗区内的磷化硼表面，直到该束缚层的厚度大于该图案化磊晶罩幕层的厚度，使横向磊晶该束缚层于该图案化磊晶罩幕层上方。
6、根据权利要求5所述的横向磊晶形成磊晶层的方法，其特征是：该磊晶罩幕层的材质包括二氧化硅。
7、根据权利要求5所述的横向磊晶形成磊晶层的方法，其特征是：该磊晶罩幕层两侧的束缚层横向磊晶于该磊晶罩幕层上方相接合，接合处形成一裂缝。
8、根据权利要求7所述的横向磊晶形成磊晶层的方法，其特征是：它还包括取下该图案化磊晶罩幕层上方的束缚层，沿该裂缝自然形成发光元件制作时的劈裂面。
9、一种横向磊晶形成磊晶层的方法，其特征是：它包括如下步骤：
(1)提供一硅基底；
(2)形成一磷化硼缓冲层于该硅基底表面；
(3)形成一氮化镓束缚层于该磷化硼缓冲层表面；
(4)形成一磊晶罩幕层于该氮化镓束缚层表面；
(5)图案化该磊晶罩幕层，以形成多数视窗区于相邻图案化磊晶罩幕层之间，露出部分该氮化镓束缚层表面；
(6)磊晶一活性层。先垂直磊晶该活性层于该视窗区内的氮化镓束缚层表面，直到该活性层的厚度大于该图案化磊晶罩幕层的厚度，使横向磊晶该活性层于该图案化磊晶罩幕层上方。
10、根据权利要求9所述的横向磊晶形成磊晶层的方法，其特征是：该磊晶罩幕层的材质包括二氧化硅。
11、根据权利要求9所述的横向磊晶形成磊晶层的方法，其特征是：该磊晶罩幕层两侧的活性层横向磊晶于该磊晶罩幕层上方相接合，接合处形成一裂缝。
12、根据权利要求9所述的横向磊晶形成磊晶层的方法，其特征是：它还包括取下该图案化磊晶罩幕层上方的活性层，沿该裂缝自然形成发光元件制作时的劈裂面。
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