TW200301970A - Method for producing semiconductor light emitting device and semiconductor light emitting device produced by such method - Google Patents
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Classifications
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- H—ELECTRICITY
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- H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
- H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
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Description
200301970 ⑴ 玖、發明說明 (發明說明應敘明：發明所屬之技術領域、先前技術、内容、實施方式及圖式簡單說明) 發明背景 1.技術領域 本發明係關於一種用以製造半導體發光裝置的方法，明 確地說，係關於一種用以製造以氮化物半導體層作為矽基 板上的發光層的半導體發光裝置的方法；以及使用該方法 所製造之半導體發光裝置。 2 .先前技術 > 使用氮化物半導體材料（例如GaN、InN、A1N或是其混 合結晶）的發光裝置通常包括由InxGa|-xN晶體所構成的氮 化物半導體層作為藍寶石基板上的發光層。 近年來’已經製造出比藍寶石基板更便宜且面積更大的 矽（Si)基板。利用此種矽基板取代藍寶石基板便可製造出 非常便宜的氮化物半導體發光裝置。 利用矽基板製造氮化物半導體發光裝置具有下面的問 題。氮化物半導體層的一熱膨脹係數大於矽基板的熱膨脹 係數。當進行磊晶成長將溫度提高然後再降低至室溫時， 由於矽基板及氮化物半導體層的熱膨脹係數差異的關係 ’氮化物半導體層的收縮程度會遠大於碎基板的收縮程度。 圖1 3所示的係利用矽基板9 1製作而成的氮化物半導體 發光裝置5 00的透視圖。如圖1 3所示，當利用磊晶成長將 溫度挺问於4碎基板91之上形成一氮化物半導體層92，然 後再降低至室溫時，氮化物半導體層9 2便會大幅地收縮。 200301970
⑺ 因此，便會在矽基板9 1及氮化物半導體層9 2間的介面處形 成拉伸應力，因而便會出現裂缝9 3。 如果一氮化物半導體發光裝置具有一雙異質結構的話 ，當出現裂缝9 3時，便會增加對發光效果毫無效用的非法 漏電流額度。如此一來便無法產生高發光亮度的輸出。為 製造長壽命且高發光亮度的氮化物半導體裝置，必須避免 造成類似裂缝9 3的情形。 圖1 4係一剖面圖，圖中顯示的係另一種慣用的氮化物半 導體發光裝置600的製造步驟。 該氮化物半導體發光裝置6 0 0係利用下面的方式進行製 造。利用氧化物層或類似的材料在碎基板9 1 A之上形成具 有複數個開口（窗口）42B的光罩層41B，然後利用磊晶成長 在該光罩層4 1 B的每個開口 4 2 B中形成氮化物半導體層 9 2 A。因為此種步驟的關係，便可減少矽基板9 1 A及氮化 物半導體層9 2 A間的介面處所形成的拉伸應力，因此便可 避免出現裂縫。 此種慣用的方法具有下面的問題。視光罩層4 1 B的尺寸 、光罩層41B的寬度及材料以及成長的溫度及速率而定， 作為磊晶成長的材料會保留在光罩層4 1 B之上。如此便會 增加開口 42B中氮化物半導體層92 A周圍部分處的材料濃 度，使得在光罩層4 1 B附近的濃度變得非常地高。因此， 如圖14所示，因為所謂的「邊緣成長效應」的關係，所以 ，在開口 42B中氮化物半導體層92A周圍部分處的厚度便 會變成其中央部分的三倍厚。 200301970
如上所述，利用開口 4 2 B中的磊晶成長以形成氮化物半 導體層92A的方法雖然可避免中央部分斷裂，但是因為在 厚部所出現的局部扭曲的關係，卻可能在氮化物半導體層 92A的周圍部分造成裂縫。 當基板係由熱膨脹係數低於氮化物半導體材料的材料（ 例如碎）所構成時，為避免造成裂缝，便無法製造長壽命 且高發光亮度的氮化物半導體發光裝置。因此，利用磊晶 成長不適用於在開口中形成氮化物半導體層。 發明内容 根據本發明其中一項觀點，所提供的是一種用以製造半 導體發光裝1的方法，該裝置包括一位於基板上的欄狀多 層結構，並且含有氮化鎵基的半導體化合物半導體層，該 半導體化合物的一般化學式為InxGayAlzN(其中，x + y + z=l ，，〇Sz<l)。該方法貝1J包括下面的步騾： 第一步驟是在該基板上形成複數個溝槽；第二步騾則是在 該基板上形成複數個第一欄狀多層結構，利用該等溝槽加 以分離。 在本發明的一具體實施例中，該方法在第二步驟之後進 一步包括第三步驟，移除沉積在該等溝槽中包含磊晶層在 内的物質；以及在第三步驟之後進一步包括第四步驟，在 該等溝槽中形成一絕緣層，以便讓該等複數個第一欄狀多 層結構彼此電性分離。 在本發明的一具體實施例中，該方法在第四步驟之後進 一步包括形成一透明電極，用以讓該等複數個第一欄狀多 200301970
(4) 層結構彼此電性連接。 在本發明的一具體實施例中，該方法在第四步驟之後進 一步包括針對每個該等複數個第一欄狀多層結構形成一 透明電極；以及將所得到的層壓結構分割成複數個晶片， 讓每個晶片都包括一第一欄狀多層結構。 在本發明的一具體實施例中，該等溝槽係以晶格圖案進 行排列。該基板包括複數個第一區域及複數個第二區域， 每個區域都被該等溝槽包圍。該等複數個第一區域及該等 複數個第二區域都係以棋盤圖案進行排列。在進行第一步 驟之前，該方法進一步包括形成一光罩層以覆蓋該基板， 以及將對應到欲形成於該基板中的溝槽的部分光罩層移 除。第二步驟包括下面的步驟，移除位於該等複數個第一 區域中的部分光罩層，並且在每個該等複數個第一區域中 各形成一第一襴狀多層結構；以及移除位於該等複數個第 二區域中的部分光罩層，並且在每個該等複數個第二區域 中各形成一第二欄狀多層結構。 在本發明的一具體實施例中，該等複數個第一欄狀多層 結構的熱膨脹係數都高於該基板的熱膨脹係數。 在本發明的一具體實施例中，該基板係由矽所構成的。 在本發明的一具體實施例中，該等溝槽的深度都至少係 每個該等複數個第一欄狀多層結構於垂直該基板表面的 方向中的厚度的50%，並且等於或小於10 /zm。該等溝槽 的寬度皆等於或大於2 /zm且等於或小於10 。 在本發明的一具體實施例中，溝槽會彼此交錯。 200301970
(5) 根據本發明的另一項觀點，係利用上述的方法製造半導 體發光裝置。 因此，本發明於本文中所述的内容的優點如下：提供一 種可利用矽基板製造半導體發光裝置的方法，同時可避免 在矽基板及氮化物半導體層間的介面處產生裂縫；以及使 用該方法製造一半導體發光裝置。 熟習本技藝之專業人士只要詳讀並瞭解下文中參考附 圖的詳細說明便可明白本發明的所有優點。 較佳具體實施例說明 接下來，本發明將藉由說明性範例並參考所附圖式來作 說明。在此份專利内容中，「欄狀多層結構」一詞所指的 係含有利用羞晶成長方式形成於部分梦基板之上的氮化 物半導體層之層壓結構。「半導體發光裝置」一詞所指的 則係於該矽基板之上包括至少一欄狀多層結構之發光裝 置。 (範例1 ) 圖1所示的係根據本發明第一範例之氮化物半導體發光 裝置1 0 0之剖面圖。圖2所示的係該氮化物半導體發光裝置 100之平面圖。 該氮化物半導體發光裝置100包括一矽基板11，其具有 一（1 1 1)的平面，以及一位於該矽基板1 1之上的絕緣層3 1 。絕緣層3 1具有複數個開口 3 2，於其中將會成長一氮化物 半導體層。舉例來說，絕緣層3 1包含Si02。在每個開口 32 之中，都會配備一欄狀多層結構2 0。該欄狀多層結構20 200301970
包括氮化鎵基的化合物半導體層，該化合物半導體層的一 般化學式為 InxGayAlzN(其中，x + y + z=1 ’ ，〇 Sz Si) 〇 絕緣層3 1係精確地放置在形成於梦基板1 1表面中的複 數個溝槽1 2之底面中。溝槽1 2係位於梦基板1 1的整個表面 中，不過，四個角落中至少有一個除外。該等溝槽1 2係以 晶格圖案進行排列，因此彼此會垂直交錯。該等開口 3 2 會被溝槽1 2包圍，並且其位置係在其四個角落（可能一個 以上）以外的地方（視圖2 )。該等開口 3 2會鑿穿絕緣層3 1 ，曝露出矽基板1 1的表面。該等開口 3 2係方形的，並且係 位於矽<h-2>方向及矽<1-10>方向的矩陣中，其中，氮化 物半導體材料會以晶體成長的方式形成於該等開口 3 2之 中。<1 1-2〉方向及<1-1 0>方向係彼此垂直的。 欄狀多層結構2 0包括一位於該矽基板1 1表面中的緩衝 層21。緩衝層21含有摻雜著矽的11型All nN。欄狀多層結 構20進一步包括一含有η型Gal nN的第一包覆層22、一含 有InxGahN的發光層23、一含有ρ型AiGalnN的載體阻隔 層24以及一含有p型GalnN的第二包覆層25。該等層22, 2 3、2 4及2 5會依序堆積在緩衝層2 1之上。該欄狀多層結構 20的設計厚度為26。該設計厚度26係指在垂直於該矽基板 1 1之平面的方向中的厚度。 該欄狀多層結構2 0係埋植在該絕緣層3 1之中。實質上， 整個絕緣層3 1的頂端表面都會被一透明電極1 6覆蓋，因此 ，每個欄狀多層結構2 0的頂端表面（即第二包覆層2 5 )都會 200301970
⑺ 接觸到該透明電極1 6。如此一來，所有的攔狀多層結構2 0 便可互相電性連接。 在透明電極1 6的其中一個角落處具有一柱狀焊接電‘極 1 7，用以從外部提供電流給該透明電極1 6。在矽基板1 1 的底面則具有一後端電極1 9。 發光層23可藉由改變InxGa^N的比例X，以提供各種的 能量帶至能量帶發光波長，其範圍介於紫外光至紅光之間 。在此範例中，I η的比例X經過設定之後，全部的欄狀多 層結構2 0之發光層2 3便都會發出藍光。 連接至第二包覆層25的透明電極16包含一金屬層或一 I TO層，其厚度等於或小於20 nm。該ΙΤΟ層、交佳的係包含 下面金屬元素中至少其中一種：Ta、Co、Rh、Ni、Pd、 Pt、Cu、Ag 及 Auo 後端電極1 9較佳的係包含下面金屬元素中至少其中一 種：Al、Ti、Zr、Hf、V及 Nb。 具有上述結構的氮化.物半導體發光裝置1 0 0係利用下面 的方式進行製造。 圖3所示的係具有溝槽1 2之矽基板1 1的剖面圖。矽基板 1 1經過沖洗之後，便會以規定的晶格圖案形成該等溝槽1 2 ，使其不會千擾到對應欲於其中成長欄狀多層結構20之複 數個開口 3 2的位置。該等溝槽1 2的寬度W 1各約為5 而 深度H1亦各約為5 。開口 32的寬度W3則約為100 /zm。 開口 3 2的寬度W 3較佳的係介於5 0 # m至1 5 0 // m之間。 當開口 3 2的寬度W 3超過2 0 0 // m時，因為矽基板1 1及欄狀 200301970 ⑻ 多層結構2 0之間的熱膨脹係數差異所造成的熱扭曲的關 係，所以便非常可能會出現裂缝。 該等溝槽1 2可利用反應離子式蝕刻（RIE)方式構成，或 是以混合酸（包含HF、ΗΝΟ 3及乙酸）對矽進行蝕刻而構成。 該等溝槽1 2個別的寬度W 1較佳的係介於2 β m至1 0 # m 之間。當寬度W 1低於2 //m時，在成長氮化物半導體材料 時的選擇能力便會降低，造成兩個相鄰的欄狀多層結構2 0 會結合在一起，因而提，出現裂縫的可能性。該等溝槽1 2 個別的深度Η 1較佳的係能夠大於寬度W 1，因為如此一來 ，兩個相鄰的欄狀多層結構2 0便不會結合在一起，因而便 不會出現裂缝。 ^ 深度Η 1較佳的係等於或大於該欄狀多層結構2 0的設計 厚度2 6 (圖1)的5 0 %。當深度Η 1小於設計厚度2 6的5 0 %時， 便會發生下面的問題。於後面的製造步驟中，當在每個開 口 3 2中成長該欄狀多層結構2 0時，半導體材料便會跑到開 口 3 2外面，並且掉入該等溝槽1 2之中。此半導體材料會結 合構成欄狀多層結構2 0的半導體材料，因而提高出現裂缝 的可能性。深度Η 1同樣較佳的係等於或小於1 0 。當深 度Η 1大於1 0 //m時，用以構成該欄狀多層結構20的半導體 材料便會以多晶的狀態沉積在每個溝槽1 2的側護壁中。因 此，電流會從氮化物半導體發光裝置1 〇〇洩漏出來，破壞 該氮化物半導體發光裝置1 〇 〇的特徵，因而損及其發光效 率。藉由在每條溝槽1 2之側護壁中形成由氧化物層所構成 的光罩或類似的結構，便可防止在每條溝槽1 2之側護壁沉 200301970
(9) 積半導體材料。 提供該等溝槽1 2係為隔離成長於兩個相鄰開口 3 2中的 氮化物半導體層。所以，該等溝槽1 2可能是兩階段式或多 重階段式。舉例來說，可利用刻劃或非等向性蚀刻的方式 形成該等溝槽1 2，使其具有一 V字型的剖面型狀。 當以上述的方式在矽基板1 1之中形成該等溝槽1 2之後 ，便可沖洗該^夕基板Π的表面。接著，便可將具有溝槽1 2 之矽基板11放進MOCVD設備之中。矽基板11可在充滿氫 氣（H2)的環境中，1 100 °C的高溫下，進行沖洗。 圖4係一剖面圖，圖中顯示的係一用以製造該氮化物半 導體發光裝置1 〇〇的步驟。圖4中的欄狀多層結構20係以下 面的方式進行成長。 當以N2作為載體氣體，以10 L/min的流速供應給該 MOCVD設備時，可在800 °C的溫度下，分別以5 L/min、 20 #mol/min及137 //mol/min的流速供應NH3、三甲基铭 (TMA)及三甲基銦（TMI.)。經過數秒鐘之後，可將SiH4氣 體導入該MOCVD設備之中，從而進行矽摻雜。因此，可 在每個相當於開口 3 2的位置中形成厚度為3 0 n m，由 八1〇.85111〇.15^[所構成的緩衝層21° 在上述的MOVPE晶體成長中，會於供應V族的NH3氣體 的數秒鐘之前供應111族的有機金屬（T M A及Τ ΜI) α基於下 面可能的原因，必須以此方式讓緩衝層2 1變得較為平坦。 如杲在供應有機金屬之前先供應ΝΗ3氣體的話，矽基板11 的表面便會被氮化。相反地’如果在供應Ν Η3氣體之前先 200301970 (ίο) 發日膠戀 供應有機金屬的話’便可避免矽基板丨丨的表面被氮化，並 且可將III族元素提供至碎基板11的表面中。在供應NH3 氣體之前先供應有機金屬的精確時序會隨著該1^〇(：\^0設 備的規格而改變。 在提供緩衝層2 1之前’較合宜的方式是先提供一層厚度 為2 0 n m的A1 〇. 9 51η 〇. 〇 5 N ’其A1的比例高於石夕基板1 1中的緩 衝層2 1。利用此種結構’便可改良矽基板丨丨與欄狀多層結 構2 0之間的介面狀態。
當形成該緩衝層2 1之後，便可停止供應τ μ A。接著，同 樣在8 0 0 C的溫度下’分别以流速約2 0以m ο 1 / m i η及流速約 100 "mol/min 導入 TMG 及 ΤΜΙ，進行掺雜矽的 Ga0.92In0.08N 的晶體成長，以便形成厚度約3 0 0 n m的η型第一包覆層 22 〇 該第一包覆層2 2可能是由G aN所構成的，其係在形成該 緩衝層2 1之後提高溫度而獲得的。該第一包覆層2 2亦可能 是由GalnN所構成的，其含有卻不含A1。該GalnN層 可於低溫中進行成長，此種條件可抑制在矽基板丨丨之中出 現裂缝。 當形成該第一包覆層22之後，便可停止供應TMA、TMI 及TMG ’並且將基板溫度降低至76〇°c。接著，分別以流 速 6.5 /zmol/min 及 2.8 /zmol/min 供應 TMI 及 TMG，從而成 長一含有In0.18GaQ 82n的井層，其厚度為3 nm。接著，將 溫度提高至8 5 0 °C，以流速1 4 /z m ο 1 / m i η供應丁 M G，從而成 長一含有GaN的屏障層。井層及屏障層會依此方式反覆地 200301970
⑼ 成長，從而形成一多重量子井（MQW)層，其包括五個井層 及五個屏障層，彼此交替排列。多重量子井（M Q W)層的作 用係當作發光層2 3。 形成發光層23之後，便可在與用於成長最上方屏障層實 質相同的溫度下，分別以流速Η Α πι ο 1 / m i η、1 · 1 ν m ο 1 / m i η及 4 0 # mol/min供應TMG、TMA及TMI。在此同時，則可以流 速 10 Nmol/min供應雙環戊二晞鎂（biscyclopentadienyl magnesium, Cp2Mg) »其為一種p型掺雜氣體。因此，便可 長出厚度為50nm，由p型含有掺雜鎂的Al〇.2〇Ga〇.75In〇.05N 所構成的載體阻隔層2 4。 當形成該載體阻隔層24之後，便可停止供應TMA。因此 ，便可在實質相同的溫度下，以晶體成長的方式長出摻雜 鎂的GaN，從而形成厚度為1〇〇 nm，由p型的Ga〇.9in〇.iN 所構成的第二包覆層2 5。 如此一來，便可在矽基板Π的表面形成該欄狀多層結構 20。接著，便可停止供應TGA、TMI及Cp2Mg，並且將溫 度降低成室溫。然後，便可將所產生的層壓結構從該 MOCVD設備中移開。因此，如圖4所示，便可在該矽基板 1 1的表面上以磊晶成長的方式長出該欄狀多層結構2 0。 在此範例中，如上述般，該等溝槽1 2係形成於矽基板1 1 之中。由於該等溝槽1 2的關係，該等欄狀多層結構2 0各層 於成長之後，會在平行於該矽基板11表面中的方向中具有 非常均句的厚度，而不會產生所謂的邊緣成長效應。所以 ，便可避免出現裂縫。 -15 - 200301970
(12) 此時，在形成該欄狀多層結構2 0期間，從開口 3 2跑出來 的半導體材料亦會跑進該等溝槽1 2之中，形成物質2 2 6， 其包括各個並非故意沉積的磊晶層。物質2 2 6可以下面的 方式移除。利用噴濺或C VD方式在所產生的層壓結構中形 成一氧化矽層，然後利用微影蝕刻方式進行蝕刻，從而形 成一光罩層227，曝露出物質226。利用光罩層227，以RIE 方式移除該等溝槽1 2中的物質2 2 6。接著，如圖5所示，同 樣將光罩層2 2 7移除。 接著，如圖1所示，便可在該等溝槽1 2中形成該絕緣層 3 1。形成該絕緣層3 1之後，便可避免在後面的製造步騾中 提供透明電極1 6時造成該欄狀多層結構2 0短路。 在該絕緣層3 1的整個表面中，都會形成該透明電極1 6 ，用以覆蓋所有欄狀多層結構2 0的第二包覆半導體層2 5 (p型的Ga0.9In0.iN)。利用此步驟，便可利用該透明電極16 將該等欄狀多層結構2 0 (其彼此之間係以絕緣層3 1互相絕 緣）互相電性連接。 接著，便會在該透明電極1 6的角落處（沒有欄狀多層結 構的地方）形成焊接電極1 7。後端電極1 9則會形成於該矽 基板1 1的底面。因此，便可製造出圖1及2所示的氮化物半 導體發光裝置100。 在根據第一範例的氮化物半導體發光裝置1 0 0中，該等 欄狀多層結構2 0彼此之間係以位於該矽基板1 1中的溝槽 1 2之中的絕緣層3 1互相絕緣，以便達到抑制出現裂縫的目 的。所以，必須提供透明電極1 6，方能連接所有的襴狀多 -16 - 200301970
層結構2 0。在每個晶片中的透明電極1 6都會配備一焊接電 極17。 該氮化物半導體發光裝置i 00的操作方式如下。外部電 壓可透過焊接電極1 7施知在該透明電極丨6之中，因而便可 將該電壓施加至彼此之間以絕緣層3丨互相絕緣的每個欄 狀多層結構20之中。藉由每個欄狀多層結構2〇與矽基板η 的底面中的後端電極1 9之間的電壓差，便可從每個爛狀多 層結構20的發光層23發光。從發光層23所發出的光會從每 個攔狀多層結構2 〇的的頂端表面經過透明電極丨6朝上方 發出。 如上述！，在第〆範例中，該等溝槽丨2係形成於矽基板i i 中’用以將欄狀多層結構2 〇彼此隔離。所以，該等欄狀多 層結構20各層於系θ曰成長之後，會在平行於該碎基板η 表面中的方向中的全部開口 3 2中具有非常均句的厚度，而 不會產生所謂的邊緣成長效應。因此，便可避免出現裂缝 。因此’雖然使用碎基板11，不過該氮化物半導體發光裝 置100卻具有非常長的壽命而且能夠產生極高的發光亮度。 圖ό所示的係根據本發明第一範例之另一半導體發光裝 置100Α之平面圖。 在該氛化物半導體發光裝置1〇ΟΑ中，會在矽基板丨丨中 形成溝槽，使得位於該矽基板丨丨中的絕緣層3丨具有複數個 呈等邊三角形的開口 3 2 A ^如上述，位於該矽基板1 1中的 氮化物半導體材料的晶體成長方向為矽方向及矽 < 1 -1 0>方向，兩者互相垂直。開口 3 2 A的排列方式讓該些 200301970 (14) 三角形的其中一邊位於< 1 -1 0 >方向中的直線中。從該邊中 心看到的該些三角形的頂點則係位於< 1 1 - 2〉方向中。以此 種方式排列的兩個相鄰的三角形之間則會插入另一個其 中一邊位於<1-10>方向中的三角形。對該另一個三角形而 言，從該邊中心所看到的的頂點同樣是在< 1 1 -2〉方向中， 不過卻左右倒置。 該氮化物半導體發光裝置1 0 0 A包括位於每個三角形開 口 32A中的欄狀多層結構20、透明電極16、焊接電極17及 後端電極1 9。 當欄狀多層結構20係由六角系的氮化鎵基化合物半導 體材料所構成時，便非常可能會在平行於GaN層的 <11-20 >軸的方向中出現裂缝。為避免出現裂缝，該等溝 槽的形成方式必須讓該GaN層的<1 1-2 0>軸平行於該些三 角形開口 3 2 A的其中一邊。當該矽基板1 1具有（1 1 1)平面時 ，該等溝槽的形成方式則必須讓該GaN層的<1 1-20>軸平 行於該矽基板1 1的矽< 1 -1 0 >軸。 (範例2 ) 圖7所示的係根據本發明第二範例之氮化物半導體發光 裝置200之剖面圖。圖8所示的係該氮化物半導體發光裝置 2 0 0之平面圖。在此範例中，與第一範例於前面圖1至6中 所討論相同的元件具有相同的考符號，並將省略其詳細說 明。 該氮化物半導體發光裝置200包括一矽基板11，其具有 (1 1 1)的平面，以及一位於該矽基板11之上的絕緣層3 1。 -18- 200301970 絕緣層31具有兩種開口 32B及32C。在每個開口 32B之中， 都會配備一欄狀多層結構2 0。在每個開口 3 2 C之中，則會 配備一欄狀多層結構40。舉例來說，絕緣層3 1包含Si02。 絕緣層3 1係精確地放置在形成於矽基板1 1表面中的複 數個溝槽12A之底面中。溝槽12A係位於矽基板1 1的整個 表面中，不過，四個角落中至少有一個除外（參看圖8)。 該等溝槽1 2 A係以晶格圖案進行排列，因此彼此會垂直交 錯。該等開口 32B及32C會被溝槽12A包圍，並且其位置係 在其四個角落（可能一個以上）以外的地方。該等開口 3 2 B 及3 2 C會鑿穿絕緣層3 1，曝露出矽基板1 1的表面。該等開 口 3 2 B及3 2 C係方形的，並1且係位於矽< 1 1 - 2 >方向及矽 < 1 -1 0>方向的矩陣中，其中，氮化物半導體材料會以晶體 成長的方式形成於該等開口 32B及32C之中。<11-2〉方向 及< 1 -1 0 >方向係彼此垂直的。該等開口 3 2 B及3 2 C係以交 替的方式排列在< 1 1 - 2 >方向及< 1 -1 〇〉方向中。該等開口 3 2 B及3 2 C都係以棋盤圖案的方式排列。 位於每個開口 3 2 B中的欄狀多層結構2 0皆包括一位於 該矽基板1 1表面中的緩衝層2卜緩衝層2 1含有摻雜著矽的 η型AlInN。欄狀多層結構20進一步包括一含有η型GalnN 的第一包覆層22、一含有InxG a丨-以的發光層23' —含有p 型AlGalnN的載體阻隔層24以及一含有p型GalnN的第二 包覆層25。該等層22、23、24及25會依序堆積在緩衝層21 之上。 位於每個開口 3 2 C中的欄狀多層結構4 0皆包括一位於 200301970 (16)
該矽基板11表面中，厚度為500 nm的GaAs低溫緩衝層41 。欄狀多層結構4〇進一步包括一厚度為1 的GaAs下方 層42、一厚度為200nm的η型AlGaAs包覆層43、一 AlGaAs 主動層44、一 p型AlGaAs包覆層45以及一 p型GaAs接觸層 46。該等層42、43、44、45及46會依序堆積在緩衝層41 之上。 該欄狀多層結構2 〇及4 0都係埋植在該絕緣層3 1之中。實 質上，整個絕緣層3 1的頂端表面都會被一透明電極1 6覆蓋 ，因此，每個欄狀多層結構20及40的頂端表面（即所有欄 狀多層結構20的第二包覆層25與所有欄狀多層結構40的 接觸層46)都會1接觸到該透明電極16 ^如此一來’所有的 爛狀多層結構20及40便可互相電性連接。 在透明電極1 6的其中一個角落處具有一柱狀焊接電極 i 7，用以從外部提供電流給該透明電極1 6 °在咬基板1 1 的底面則具有一後端電極19 ° 具有上述結構的氮化物半導體發光裝置2 0 0係利用下面 的方式進行製造。 圖9所示的係具有溝槽1 2 A及爛狀^層結構2 〇之發基板 1 1的剖面圖。該等溝槽1 2 A及欄狀多層結構2 0係以下面的 方式構成。 首先，會在該矽基板11的整個表面中形成一厚庋為100 nm的光罩層5 1。該光罩層5 1係由了面各材料所組成··氧 化物（例如Si〇2或類似的材料）或氮化物（例如SiN或類似 的材料）。該光罩層5 1的厚度較佳的係等於或大於5 0 nm -20- 200301970 (17) 。當該光罩層5 1的厚度低於5 0 nm時，其相當容易剝離， 而且用以成長該欄狀多層結構2 0的氨氣非常輕易地便可 滲入其中，因而將碎基板1 1的表面氮化。這些現象都不利 於後續的製造步驟。當形成該光罩層5 1之後，便可利用微 影蝕刻及蝕刻方式移除部分寬度為5 的光罩層5 1。接 著，便可以混合酸（包含HF、HN〇3及乙酸）對該矽基板1 1 進行蝕刻。因此，便可在矽基板1 1之中形成該等溝槽1 2 A 。接著，便可將該矽基板1 1中欲於其上形成該等攔狀多層 結構2 0的區域中的部分光罩層5 1移除。該等欄狀多層結構 2 0可以第一範例中所述的方法成長於該等區域中。 接著，如圖1 〇所示，便可將該矽基板1 1中1欲於其上形成 該等欄狀多層結構40的區域中（在圖10中僅顯示出其中一 個區域）的其餘光罩層5 1部分移除。該等欄狀多層結構2 0 會受到氧化物層的保護，隨即便可成長該等欄狀多層結構 40欄狀多層結構40係以GaAs為基礎，其可發出波長極長 的光。 接著，便必須將用以保護該等襴狀多層結構2 0的氧化物 層移除。形成該絕緣層3 1之後，其會覆蓋該等攔狀多層結 構2 0及4 0的側面以及一部分的表面。如圖7所示，該等欄 狀多層結構20各係位於開口 32B之中，而該等欄狀多層結 構4 0則各係位於開口 3 2 C之中。形成該絕緣層3 1之後，便 可避免在後面的製造步驟中提供透明電極1 6時造成該欄 狀多層結構2 0及4 0短路。 在該絕緣層3 1的整個表面中，都會形成該透明電極1 6 -21 - 200301970 (18) ，用以覆蓋所有欄狀多層結構20的第二包覆半導體層25(p 型的Ga0.9In0.iN)以及所有欄狀多層結構40的p型GaAs接 觸層4 6。利用此步驟，便可利用該透明電極1 6將該等攔狀 多層結構2 0及4 0 (其彼此之間係以絕緣層3 1互相絕緣）互 相電性連接。 接著，便會在該透明電極1 6的角落處（或該透明電極1 6 之中沒有欄狀多層結構20或40的地方）形成焊接電極17。 後端電極1 9則會形成於該矽基板1 1的底面。因此，便可製 造出圖7及8所示的氮化物半導體發光裝置200。 透明電極1 6、焊接電極1 7及後端電極1 9都可配合每個攔 狀多層結構20及40來排列。 1 (範例3 ) 圖Π所示的係根據本發明第三範例之氮化物半導體發 光裝置3 0 0之剖面圖。在此範例中，與第一範例於前面圖1 至6中所討論相同的元件具有相同的考符號，並將省略其 詳細說明。 在該氮化物半導體發光裝置3 0 0中，該絕緣層3 1的開口 3 2的寬度大於其在第一範例中的寬度。即使該氮化物半導 體發光裝置3 00的每個晶片都具有一欄狀多層結構20，仍 然可得到令人滿意的半導體發光裝置。 該氮化物半導體發光裝置300包括一矽基板11，其具有 (1 1 1)的平面，以及一位於該矽基板1 1之上的絕緣層3 1。 絕緣層3 1具有一開口 3 2，其中將會成長該襴狀多層結構2 0 。舉例來說，絕緣層3 1包含S i Ο 2。 200301970
(19) 絕緣層3 1係精確地放置在形成於矽基板1 1表面中的複 數個溝槽1 2之底面中。該等溝槽1 2係以環繞在開口 3 2的四 周。該等開口 3 2會鑿穿絕緣層3 1，曝露出矽基板1 1的表面。 位於該等開口 3 2中的襴狀多層結構2 0皆包括一位於該 矽基板11表面中的緩衝層21。緩衝層21含有摻雜著矽的η 型AlInN。欄狀多層結構20進一步包括一含有η型GalnN的 第一包覆層22、一含有InxGai.xN的發光層23、一含有p型 AlGalnN的載體阻隔層24以及一含有p型GalnN的第二包 覆層25。該等層22、23、24及25會依序堆積在緩衝層21 之上。 該欄狀多層結構2 0係埋植在該絕緣層3 1之中。實質上，1 整個絕緣層3 1的頂端表面都會被一透明電極1 6覆蓋，因此 ，每個欄狀多層結構2 0的頂端表面（即其第二包覆層2 5) 都會接觸到該透明電極丨6。 在透明電極1 6的其中一個角落處具有一柱狀焊接電極 1 7，用以從外部提供電流給該透明電極1 6。在矽基板1 1 的底面則具有一後端電極1 9。 具有上述結構的氮化物半導體發光裝置3 00係利用下面 的方式進行製造。 圖1 2所示的係具有溝槽1 2之矽基板1 1的剖面圖。矽基板 1 1經過沖洗之後，便會以規定的晶格圖案形成該等溝槽1 2 ，使其不會干擾到對應欲於其中成長襴狀多層結構20之複 數個開口 3 2的位置。該等溝槽1 2的寬度W 1各約為5 /zm而 深度H1亦各約為5 //m。每個開口 32的寬度W3各約為200 -23 - 200301970
(20) ，大於第一範例中的寬度。寬度W3較佳的係介於200 //m至400 ym之間。 當以上述的方式在矽基板1 1之中形成該等溝槽1 2之後 ，便可沖洗該矽基板11的表面。接著，便可將具有溝槽1 2 之矽基板11放進MOCVD設備之中。矽基板丨1可在充滿氫 氣（H2)的環境中，1 lOOt的高溫下，進行沖洗。 當以N2作為載體氣體，以1〇 L/min的流速供應給該 Μ Ο C V D設備時，可在8 0 0 °C的溫度下，分別以5 L / m i η、 20 #mol/min及137 /zmol/min的流速供應ΝΗ3、三甲基鋁 (ΤΜΑ)及三甲基銦（ΤΜΙ)。經過數秒鐘之後’可將SiH4氣 體導入該Μ Ο C V D設備之中，從而進行矽摻雜。d此’可 在每個相當於開口 3 2的位置中形成厚度約3 0 n m，由 八1〇.851^.15>^所構成的緩衝層21° 在上述的MOVPE晶體成長中，會於供應V族的NH3氣體 的數秒鐘之前供應111族的有機金屬（TM A及TMI) °基於下 面可能的原因，必須以此方式讓緩衝層2 1變得較為平坦。 如果在供應有機金屬之前先供應NH3氣體的話’ ♦基板11 的表面便會被氮化。相反地’如果在供應NH3氣體之前先 供應有機金屬的話’便可避免碎基板1 1的表面被氮化’並 且可將ill族元素提供至碎基板η的表面中。在供應^^^3 氣體之前先供應有機金屬的精確時序會隨著該M0CVD設 備的規格而改變。 在提供缓衝層21之前’較合宜的方式是先提供一層厚度 為2 0 n m的A1 〇. 9 51 η 〇. 〇 5 N ’其A1的比例南於石夕基板1 1中的緩 ，24 · 200301970
(21) 衝層2 1。利用此種結構，便可改良矽基板丨丨與欄狀多層結 構2 0之間的介面狀態。 當形成該緩衝層2 1之後，便可停止供應Τ Μ A。接著，同 樣在8 0 0 °C的溫度下，分別以流速約2 0 V m ο 1 / m i η及流速約 100 emol/min 導入 TMG 及 ΤΜΙ，進行摻雜矽的 Gao.92lrio.o8N 的晶體成長，以便形成厚度約3 0 0 n m的η型第一包覆層 11。 該第一包覆層22可能是由GaN所構成的，其係在形成該 緩衝層2 1之後提高溫度而獲得的。該第一包覆層2 2亦可能 是由GalnN所構成的，其含有In但卻不含A1。該GalnN層 可於低溫中進行成長，此種條件可抑制在碎基板1 1之中出 現裂縫。 當形成該第一包覆層22之後，便可停止供應TMA、TMI 及TMG，並且將基板溫度降低至760°C。接著，分別以流 速 6.5 /zmol/min 及 2.8 /zmol/min 供應 TMI 及 TMG，從而成 長一含有IriQ.uGao.wN的井層，其厚度為3 nm。接著，將 溫度提鬲至8 5 0 °C，以流速1 4 a m ο 1 / m i η供應T M G，從而成 長一含有GaN的屏障層。井層及屏障層會依此方式反覆地 成長，從而形成一多重量子井（MQW)層，其包括五個井層 及五個屏障層，彼此交替排列。多重量子井（MQW)層的作 用係當作發光層2 3。 形成發光層23之後，便可在與用於成長最上方屏障層實 質相同的溫度下，分別以流速1 1 ymol/min、1.1 /zmol/min 及40 /zmol/min供應TMG、TMA及TMI。在此同時，則可 200301970 (22) 以流速lOnmol/min供應雙環戊二烯鎂（Cp2Mg)’其為一種 P型摻雜氣體。因此，便可長出厚度為5〇 nm，由p型含有 摻雜鎂的AlmGamIru.osN所構成的載體阻隔層24 °
當形成該載體阻隔層24之後，便可停止供應TMA。因此 ，便可在實質相同的溫度下，以晶體成長的方式長出捧雜 鎂的GaN ,從而形成厚度為丨〇〇 nm，由P型的GaojInnN 所構成的第二包覆層2 5。 如此一來，便可在矽基板11的表面形成該欄狀多層結構 20。接著，便可停止供應TMG、TMI&Cp2Mg ’並且將溫 度降低成室溫。然後，便可將所產生的層壓結構從該 MOCVD設備中移開。 透明電極1 6形成之後便會覆蓋位於每個該等複數個開 口 3 2中的欄狀多層結構2 0的第二包覆層2 5。接著’便會在 每個透明電極1 6中形成一焊接電極1 了。後端電極1 9則會形 成於該矽基板1 1的底面中，位於對應每個透明電極1 6的位 置中。所產生的層壓結構可劃分成複數個晶片’每個晶片 都具有一欄狀多層結構2 0。因此，便可製造出圖1 1所示的 氮化物半導體發光裝置3〇〇 ° 該氮化物半導體發光裝置300看來似乎與未在該碎基板 之中形成任何溝槽的氮化物半導體發光裝置完全相同。然 而，當製造該氮化物半導體發光裝置300期間’在梦基板 1 1中形成溝槽1 2可減緩因為形成欄狀多層結構20所導致 的邊緣成長效應。為避免出現裂縫，便必須減緩此種邊緣 成長效應。 -26- 200301970
(23) 在上述的全部範例中，該襴狀多層結構2 0的熱膨脹係數 高於該矽基板1 1的熱膨脹係數。 根據本發明，必須在矽基板之中形成該等溝槽，如此方 能將該等複數個欄狀多層結構彼此隔離。形成該等溝槽可 防止邊緣成長效應（即局部地增加該欄狀多層結構各層的 厚度）。因此，該欄狀多層結構各層都相當地平坦，因而 可抑制裂縫的產生。 因此，雖然使用的是矽基板，不過，利用本發明所產生 的氮化物半導體發光裝置卻具有非常長的壽命而且能夠 產生極高的發光亮度。 本發明提供一種可利用矽基板製造半導體發光裝置的 方法，同時可避免在矽基板及氮化物半導體層間的介面處 產生裂缝；以及使用該方法製造一半導體發光裝置。 熟習本技藝的人士都非常明白本發明的各種修改，並且 可在不脫離本發明的範疇與精神下非常輕易地便可加以 修改。因此，隨附的申請專利範圍的範疇並不受限於本文 中所提供的詳細說明中，而僅是對該些申請專利範圍作概 括解說。 圖式簡單說明 圖1所示的係根據本發明一第一範例之半導體發光裝置 之剖面圖； 圖2所示的係圖1所示之半導體發光裝置的平面圖； 圖3所示的係於製造圖1所示之半導體發光裝置時，具有 溝槽的矽基板剖面圖； -27- 200301970
(24) 圖4所示的係於製造圖1所示之半導體發光裝置時所產 生的層壓結構之剖面圖； 圖5所示的係於製造圖1所示之半導體發光裝置時所產 生的另一層壓結構之剖面圖； 圖6所示的係根據本發明第一範例之另一半導體發光裝 置之平面圖； 圖7所示的係根據本發明第二範例之半導體發光裝置之 剖面圖； 圖8所示的係圖7所示之半導體發光裝置的平面圖； 圖9所示的係於製造圖7所示之半導體發光裝置時所產 生的層壓結構之剖面圖； 圖1 0所示的係於製造圖7所示之半導體發光裝置時所產 生的另一層壓結構之剖面圖； 圖1 1所示的係根據本發明第三範例之半導體發光裝置 之剖面圖； 圖1 2所示的係於製造圖1 1所示之半導體發光裝置時所 產生的層壓結構之剖面圖； 圖1 3所示的係慣用的半導體發光裝置之立方圖；及 圖1 4所示的係另一慣用的半導體發光裝置之剖面圖。 圖式代表符號說明 11，91，91A 矽基板 12，12A 溝槽 W1 溝槽1 2的寬度 HI 溝槽1 2的深度 -28- 200301970
(25) 16 透明電極 17 焊接電極 19 後端電極 20,40 欄狀多層結構 21 緩衝層 22 第一包覆層 23 發光層 24 載體阻隔層 25 第二包覆層 26 欄狀多層結構20的設計厚度 31 ' 絕緣層 32,32A，32B，32C，42B 開口 W3 開口 3 2的寬度 41 GaAS低溫緩衝層 41B，51，227 光罩層 42 GaAs下方層 43 η型AlGaAs包覆層 44 A1G a A s主動層 45 p型AlGaAs包覆層 46 p型GaAs接觸層 92,92A 氮化物半導體層 93 裂縫 100,100A,200,300,500,600 氮化物半導體發光裝置 226 物質
-29-
Claims (1)
- 200301970 拾、申請專利範圍 1. 一種用以製造一半導體發光裝置的方法，該裝置包括 位於一基板上的至少一個第一欄狀多層結構，並且含 有氮化鎵基的半導體化合物半導體層，該半導體化合 物的一般化學式為 InxGayAlzN(其中，x + y + z= l， ，，〇Sz£_l)，該方法包括： 一第一步驟是在該基板上形成複數個溝槽；以及 一第二步驟則是在<該基板上形成複數個第一欄狀多 層結構，以便利用該等溝槽加以分離。 2. 如申請專利範圍第1項之方法，該方法進一步包括·· 在第二步驟之後進行一第三步驟，移除沉積在該等 溝槽中包含磊晶層在内的一物質；以及 在第三步驟之後進行一第四步驟，在該等溝槽中形 成一絕緣層，以便讓該等複數個第一欄狀多層結構彼 此電性分離。 3. 如申請專利範圍第2項之方法，該方法在第四步驟之後 進一步包括形成一透明電極，用以讓該等複數個第一 欄狀多層結構彼此電性連接。 4 ·如申請專利範圍第2項之方法，該方法在第四步驟之後 進一步包括針對每個該等複數個第一連接欄狀多層結 構形成一透明電極；以及將所得到的層壓結構分割成 複數個晶片，讓每個晶片都包括一第一襴狀多層結構。 5.如申請專利範圍第1項之方法，其中： 該等溝槽係以一晶格圖案進行排列； 200301970該基板包括複數個第一區域及複數個第二區域，每 個區域都被該等溝槽包圍； 該等複數個第一區域及該等複數個第二區域都係 以一棋盤圖案進行佈置；以及 在進行第一步驟之前，該方法進一步包括形成一光 罩層，以覆蓋該基板，以及將對應到欲形成於該基板 中的溝槽的一部分光罩層移除；以及 該第二步驟包括下面的步驟： 將位於該等複數個第一區域中的光罩層部分移除 ，並且在每一個該等複數個第一區域中形成一第一欄 狀多層結構；以及 將位於該等複數個第二區域中的光罩層部分移除 ，並且在每一個該等複數個第二區域中形成一第二欄 狀多層結構。 6 .如申請專利範圍第1項之方法，其中該等複數個第一欄 狀多層結構的每一熱膨脹係數都高於該基板的熱膨脹 係數。 7 .如申請專利範圍第1項之方法，其中該基板係由矽所構 成的。 8.如申請專利範圍第1項之方法，其中： 該等溝槽的一深度都至少係每個該等複數個第一欄 狀多層結構於垂直該基板表面的一方向中的厚度的 5 0 %，並且該深度等於或小於1 0 /zm ;以及 該等溝槽的一寬度皆等於或大於2 a m且等於或小 -2- 200301970於 1 0 fim。 9 ·如申請專利範圍第1項之方法，其中該等溝槽會彼此交 錯。 1 0. —種半導體發光裝置，其利用申請專利範圍第1項之方 法所製造。
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