TW201027806A - Method for the producing of an optoelectronic semiconductor chip and optoelectronic semiconductor chip - Google Patents

Description

201027806 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明涉及一種光電半導體晶片之製造方法及光電半導 體晶片。 【先前技術】 在半導體晶片中製造高摻雜-且同時是高晶體値之半導 體層時’在多種材料（特別是寬頻半導體）中除了原來的慘 0 雜以外亦需與第二種材料來進行共摻雜（co-doped)。例如， 在力求一種高的P·摻雜以產生高的電荷載體濃度（即，高的 電洞濃度）時’須加入一種電子受體材料。爲了同時對抗晶 體品質的劣化，須另外加入一種電子施體材料以作爲共摻 雜劑，但這樣會使晶體之至少一部份又形成電性上的中 性。共摻雜因此不是所期望者但由於此製造方法而成爲必 要。然而，依據此種例子所形成的P-摻雜且同時又η-摻雜 之層中，藉由共摻雜可形成一種只是很少的Ρ-摻雜或甚至 〇 形成本質之電荷載體濃度或一種η-摻雜。對上述例子中所 力求之高的Ρ-導電性所需之高的電洞濃度而言，共摻雜之 補償作用須再提高，這稱爲導電性（上述例子中是Ρ-導電性） 之驅動或摻雜物質之驅動。 此種共摻雜之半導體材料之電性驅動通常藉由純熱療形 式之驅動來達成。因此，共摻雜物質需要較摻雜物質更容 易揮發，且共摻雜物質可藉由熱療步驟而由摻雜之半導體 層中排出至某種程度或完全排出，即，例如，排出0.001% 201027806 至100%。此種方法例如對以GaN-爲主之發光二極體（LEDs) 之P -側的驅動是需要的。就此種驅動而言，存在多種開創 性的方法，例如，特別是在特殊大氣下以所謂快速熱處理 (RTP，rapid thermal processing)爲主的方法。RTP-處理的形 式中’傳統的驅動處理在700至1000 °C之高溫中在晶圓複 合物中進行，或亦可在較低的500至600 °C之溫度下在晶圓 複合物中於管爐中在另一種氣體混合物下進行一段長很多 的時間。 ❹ 然而，習知的方法在該共摻雜物質由摻雜的半導體材料 向外之擴散受到抑制時不能充份地發生作用，例如，在由 所謂埋入之P-摻雜層向外擴散時即屬此種情況。因此，敞 開之共摻雜的多個P-層（其位於晶體之表面附近且上述傳 統方法對其會發生作用）以及埋置於一層或多層（特別是 摻雜層）下方之P-摻雜層之可達成的驅動程度將有很大的 差異。後者之P-摻雜層以習知的驅動方法只能稍微被驅動 Q 或甚至不能被驅動。組件（例如，LEDs)之可測得的操作電 壓因此大大地提高。 【發明內容】 本發明至少一實施形式的目的是提供光電半導體晶片之 製造方法，其具有至少一摻雜之功能層。至少另一實施形 式之目的是提供一種光電半導體晶片。 上述目的藉由申請專利範圍獨立項之方法和物件來達 成。此方法和物件之有利的實施形式和其它形式描述在申 201027806 請專利範圍各附屬項中且可由以下的描述和圖式中得知。 依據至少一實施形式，光電半導體晶片之製造方法特別 是包括以下各步驟： A)形成一具有至少一摻雜之功能層之半導體層序列， 其鍵結複合物具有至少一摻雜物質和至少一共摻雜物 質，其中由該摻雜物質和該共摻雜物質所選取之一是 電子授體且另一是電子施體。 I B)藉由能量之施加使鍵結複合物中斷來驅動該摻雜物 質，此時該共摻雜物質之至少一部份保留在該半導體 層序列中且至少一部份未與該摻雜物質形成鍵結複合 物。 依據至少另一實施形式，光電半導體晶片特別是包括一 種半導體層序列，其至少一摻雜之功能層具有一摻雜物質 和一共摻雜物質，其中該半導體層序列具有一種包括晶格 結構之半導體材料，由該摻雜物質和該共摻雜物質所選取 Q 之一是電子授體且另一是電子施體，該共摻雜物質鍵結至 該半導體材料及/或配置在中間晶格位置上，且該共摻雜物 質之至少一部份未與該摻雜物質形成鍵結複合物。 只要未另外明顯地標示時，下述之實施形式、特徵及其 組合同樣都與光電半導體晶片及其製造方法有關。 所謂一層或一元件配置在或施加在另一層或另一元件” 上”或”之上”，此處及以下都是指：該一層或該一元件直接 以機械及/或電性接觸方式而配置在該另一層或該另一元件 201027806 上。此外，亦指：該一層或該一元件間接地配置在該另一 層或該另一元件”上”或”之上”。因此，其它層及/或元件配 置在該一層和該另一層之間或配置在該一元件和該另一元 件之間。 “ 一層或一元件配置在另二層或元件”之間”此處以及以 下是指，一層或一元件配置成與該另二層或元件成直接機 械地及/或電性地接觸或配置成與該另二層或元件成間接機 械地及/或電性地接觸。因此，在間接接觸時其它的層及/

G 或元件配置在該另二層之一層和至少一層之間或配置在該 另二元件之一元件和至少一元件之間。 此槪念”摻雜的功能層”此處是指一種具有摻雜物質和 共摻雜物質之層。 藉由將適當的能量施加至步驟B中，則摻雜的功能層中 各鍵結複合物可以”共摻雜物質相對於特定的摻雜物質之 摻雜特性之補償作用可提高”來處理，其中該鍵結複合物 Q 是以摻雜物質和共摻雜物質之間的原子鍵結形式而存在著 或以該摻雜的功能層之摻雜物質、共摻雜物質和半導體材 料之間的鍵結複合物之形式而存在著。在與傳統方法相比 較下，藉由適當的處理條件，則利用上述方法可避免直接 地又形成中斷的鍵結物或鍵結複合物。特別是，共慘雜物 質可鍵結至該摻雜的功能層-或半導體層序列之其它層之 半導體材料之晶格中之其它位置（即，不是慘雜物質的位置） 處或沈積在中間晶格中，其中該共摻雜物質對該慘雜物質 201027806 不造成補償作用。於是，由摻雜物質所帶入的自由的（即， 未被補償的）電荷載體之數量將增加，此時不必將該共摻雜 物質由該摻雜的功能層或該半導體層序列中排出。由於這 樣所達成之高的導電性，則可使受驅動的光電半導體晶片 之操作電壓下降。 該共摻雜物質至少一部份未與該摻雜物質形成鍵結複合 物，這在此處及下文中特別是表示：至少一部份之共摻雜 物質存在於該摻雜的功能層中，該些共摻雜物質未與該摻 ❹ 雜物質之一部份形成鍵結複合物，使該一部份之摻雜物質 可用來提高該摻雜之功能層中自由電荷載體之密度。於 是，此槪念”自由電荷載體”特別是包括p-摻雜層中的電 洞以及η-摻雜層中的電子，其中電洞位於無電子之位置處 且主要是由於電洞而使ρ-導電之半導體具有導電性。 上述之光電半導體晶片特別是可製成發光二極體（LED) 或雷射二極體且其至少一活性層具有一活性區，該活性區 〇 用來發出電磁輻射。此處以及下文中，”光”或”電磁輻 射”同樣是表示至少一波長或一波長範圍之電磁輻射，該 波長是指大於或等於200奈米且小於或等於20000奈米之 紅外線至紫外線之波長。於此，光或電磁輻射包括可見的 波長（即，靠近紅外線）至藍色波長的範圍，其具有一種或 多種介於3 50奈米和1〇〇〇奈米之間的波長。 半導體晶片可具有一種pn-接面，一種雙異質結構，一種 單一量子井結構（SQW-結構）或一種多量子井結構（MQW-結 201027806 構）以作爲活性層中的活性區。此名稱量子井結構此處特別 是包含一種結構，此結構中可藉由局限（confinement)而使電 荷載體之能量狀態經歷一種量子化。此名稱量子并結構此 處未指出量子化的維度。因此，量子井結構可另外包含量 子槽，量子線和量子點以及這些結構的每一種組合。半導 體層序列除了上述之活性層以外還具有其它的功能層和功 能區，電極和上述各種層之組合，該功能層和功能區是由 P-和η-摻雜之電荷載體輸送層（即，電子-和電洞輸送層）’ 〇 Ρ-，η-和未摻雜的局限層，外罩層和波導層，位障層，平坦 化之層，緩衝層，保護層中選取。各電極可分別具有：一 個或多個金屬層，其包括銀、金'錫、鈦、鉑、鈀、鉻、 鋁及/或鎳；及/或一個或多個具有透明導電氧化物之層，透 明導電氧化物包括氧化鋅、氧化錫、氧化鎘、氧化鈦、氧 化銦或氧化銦錫（ΙΤ0)。此外，例如可在半導體層序列周圍 (即，大致上是在半導體層序列之側面上）以垂直於半導體層 〇 序列之配置方向的方式而配置其它的層，例如，緩衝層、 位障層及/或保護層。 半導體層序列或半導體晶片可形成爲磊晶層序列，即， 磊晶生長之半導體層序列。半導體晶片或半導體層序列特 別是可形成爲氮化物-半導體系統。此槪念”氮化物-半導 體系統”包括全部之氮化物-化合物半導體材料，其因此是 一種由具有氮之III-族元素之二元、三元及/或四元化合物 所構成之半導體結構。例如，此種材料包括BN，AlGaN, 201027806

GaN，InAlGaN或其它之ΙΙΙ-V-化合物。在此種 導體層序列或半導體晶片是以InAlGaN爲主而 以InAlGaN爲主之半導體層序列和半導體晶片 以磊晶方式製成之半導體層序列通常具有一種 一層所構成的層序列，其中至少一個單一層： ιπ-ν-化合物半導體材料系統iniAhGai.x.yN，其 OS y S 1且x + y S 1所構成的材料。 Ο 具有至少一以InAlGaN爲主之活性層之半導 如可發出紫外線至綠色或綠-黃色波長範圍之電 此外，例如可製成以AlGaAs爲主之半導體 謂以AlGaAs爲主之半導體層序列特別是指，以 成之半導體層序列通常具有一種由不同之單一 層序列，其中至少一個單—層具有一種由m_ 導體材料系統ALGaiqAs，其中〇$χ$ι所構成 有一以AlGaAs爲主之材料的活性層可發出紅 Q 波長範圍中之一個或多個光譜成份之電磁輻射 種材料除了上述的元素以外另具有銦及/或磷。 又’半導體層序列可以InGaAlp爲主，即， 列可具有不同之單一層’其中至少—個單一層 …-▽•化合物半導體材料系統^^丨山〜㈠卜其畔 SySl且x + ySl所構成的材料。具有至少一以 主之活性層的半導體層序列或半導體晶片例如 至紅色波長範圍中之一個或多個光譜成份之電; 槪念下，半 製成。所謂 特別是指， 由不同之單 具有一種由 中 OS 1， 體層序列例 磁輻射。 層序列。所 磊晶方式製 層所構成的 V-化合物半 的材料。具 色至紅外線 。此外，此 半導體層序 具有一種由 ϊ 1, 0 InGaAlP 爲 可發出綠色 磁輻射。 -10- 201027806 此外’除了 III-V-化合物半導體材料系統以外，半導體 層序列或半導體晶片亦可具有II-VI-化合物半導體材料系 統。II-VI-化合物半導體材料可具有至少一由第二族或第二 副（sub)族（例如，鈹、鎂、鈣、緦、鎘、鋅、錫）而來的元 素以及一由第六族（例如，氧、硫、硒、碲）而來的元素。n_VI-化合物半導體材料特別是包括一種二元、三元或四元之化 合物’其具有至少一由第二族或第二副族而來之元素和至 少一由第六族而來之元素。此種二元、三元或四元之化合 ❹ 物例如可另外具有一種或多種摻雜物質以及其它之成份。 例如，ZnO，ZnMgO，CdS，ZnCdS，MgBeO 都屬於 II-VI·化合 物半導體材料。 上述全部之材料未必含有上述形式之以數學所表示之準 確的組成。反之，該些材料可具有一種或多種摻雜物質以 及其它成份，這些成份不會改變此材料之物理特性。然而， 爲了簡單之故，上述形式只含有晶格之主要成份，這些主 Q 要成份之一部份亦可由少量的其它物質來取代。 半導體層序列可另外具有基板，其上沈積上述之III-V-或II-VI-化合物半導體材料系統。該基板可包括一種半導 體材料，例如，上述之化合物半導體材料。例如，該基板 可包括GaP, GaN, SiC，Si及/或Ge或由此種材料所構成。 該基板可形成爲生長基板，即，半導體層序列生長在該基 板上且該半導體層序列之配置在離該基板最遠處之功能層 在生長方向中是位於最上方之層。或是，該基板亦可形成 -11- 201027806 爲載體基板，一種先前已生長在該生長基板上的半導體層 序列例如藉由鍵結而轉印至該載體基板上，使該半導體層 序列之在生長方向中位於該生長基板最上方之層在鍵結之 後最靠近該載體基板。該生長基板可在該轉印過程之後完 全被去除或去除一部份，使該半導體層序列之最先生長在 該生長基板上的層露出。特別是具有載體基板之光電半導 體晶片可形成爲薄膜-半導體晶片。 薄膜-半導體晶片之特徵是至少以下各特徵的至少一種： -在輻射產生用的磊晶層序列之面向載體之第一主面上 施加或形成一種反射層，其使磊晶層序列中所產生的電磁 輻射之至少一部份反射回到磊晶層序列中。 -此磊晶層序列較佳是具有一種20微米或更小的厚度， 特別好的情況是1 0微米。 •此磊晶層序列包含至少一種半導體層，其至少一面有一 混合結構。在理想狀況下，此混合結構可使磊晶層序列中 的輻射達成一種近似遍壢（ergodic)之分佈，即，該輻射具有 一種儘可能遍壢之隨機雜散特性。 薄膜-發光二極體晶片之基本原理例如已描述在文件I. Schnitzer et al., Appl. Phys. Lett. 63(16), 18. October 1 9 9 3, page 2174-2176中，其已揭示的內容藉由參考而倂入此處。 上述步驟A中，例如可製成單一層形式-或摻雜的功能層 堆疊形式之摻雜的功能層以作爲半導體層序列。此外，亦 可製成半導體層序列以作爲半導體晶片之已製成的一部 份。這表示：該半導體層序列具有一基板（大致上是生長基 -12- 201027806 板），其上生長多個功能層，包括一種具有摻雜物質和共摻 雜物質之摻雜的功能層，以作爲生長方向中位於最上方之 層。或是，該基板是一種載體基板，其上轉印有一種具有 摻雜的功能層之半導體層序列，且隨後將該生長基板去 除，使該摻雜的功能層露出。 此外，步驟A中形成具有多個功能層之半導體層序列， 其中具有摻雜物質和共摻雜物質之該摻雜的功能層配置在 另二個功能層之間，使該摻雜的功能層不是形成爲該半導 〇 體層序列之最上方之層。該生長方向中若在該摻雜的功能 層上方和下方分別配置一個或多個其它的功能層，其中至 少直接與該摻雜的功能層相鄰之層是與該摻雜的功能層不 同（特別是不同地摻雜），則該摻雜的功能層在此處和下文 中亦稱爲”埋入”層。 步驟A中特別是已製成半導體晶片，即，步驟A之後的 半導體層序列具有半導體晶片操作時所需之全部的功能 Q 層。半導體層序列因此可形成在晶圓複合物中。這樣所製 成的半導體層序列在步驟A之後可形成於晶圓複合物中或 另外劃分成各別的半導體晶片。 半導體晶片或半導體層序列例如可在P_摻雜層和生長方 向中隨後的η-摻雜層之間具有一活性區，使在生長方向中 觀看時極性可與傳統半導體晶片（其中ρ-摻雜區在生長方 向中位於η-摻雜區之後）中者相反。在形成一具有生長基板 或載體基板之半導體晶片之後，η-摻雜層或ρ-摻雜層可形 -13- 201027806 成爲埋入之摻雜的功能層。 此外，該埋入之摻雜的功能層在光電半導體晶片中能以 至少一穿隧接面來形成，該穿隧接面包括至少一 η-摻雜（n-型）之穿隧接面層和至少一 P-摻雜（P-型）之穿隧接面層°具 有摻雜物質和共摻雜物質之至少一摻雜的功能層可由至少 一 η-摻雜之穿隧接面層或至少一 p-摻雜之穿隧接面層來形 成。在一種由離開該基板之方向中觀看時，半導體層序列 內部中一種具有活性區之活性層配置在該穿隧接面之後。 ❹ 於此，在該至少一 η-型之穿隧接面層和該至少一 ρ-型之穿 隧接面層之間可配置一種由至少一未摻雜之中間層所構成 的未摻雜區，使該η-型之穿隧接面層和該ρ-型之穿隧接面 層不直接相鄰而是藉由至少一未摻雜之中間層來互相隔 開。此槪念”穿隧接面層”因此是用來與半導體晶片或半 導體層序列之其餘的功能層相區別且表示：所提及的η-型 或Ρ-型穿隧接面層配置在穿隧接面中。 Q 由於該η-型之穿隧接面層和該ρ-型之穿隧接面層是藉由 未摻雜區而互相隔開，則可防止界面上不同的電荷載體之 不良的補償，其是在該η-型之穿隧接面層和該ρ-型之穿隧 接面層直接相鄰時由於電荷載體在該界面上之擴散而發 生。又，亦可藉由在該η-型之穿隧接面層和該ρ-型之穿隧 接面層之間施加一未摻雜區，藉此而在穿隧接面中產生一 具有小的電荷載體密度之區域。然而，添加一個或多個未 摻雜之中間層而形成的未摻雜區就該穿隧接面之電性（特 -14- 201027806 別是前向偏壓）所造成之不利影響小於該η-型之穿隧接面 層和直接相鄰之Ρ-型之穿隧接面層之間的界面上的區域 (其中各電荷載體由於在界面上的擴散而互相補償）所造成 的不利影響。 又，半導體晶片或半導體層序列可形成爲堆疊式LED， 其具有多個重疊地生長之活性層，其中每一活性層分別配 置在至少一 η-摻雜層和一 ρ-摻雜層之間，亦可與穿隧接面 層相組合。於是，一種形成爲堆疊式LED之半導體層序列 〇 具有至少一埋入之摻雜的功能層。 半導體晶片或半導體層序列之上述結構在形式上具有一 般的極性或反向的極性、穿隧接面層和堆疊之活性區，這 已爲此行的專家所知悉，此處因此不再說明。全部的上述 結構表示了：其可具有埋入之摻雜的功能層，各功能層具 有摻雜物質和共摻雜物質且與可作爲該共摻雜物質用之摻 雜位障之層相鄰。在此種埋入之摻雜的功能層中，例如幾 〇 乎不能或完全不能藉由上述之傳統RTP-方法來以傳統方式 驅動該摻雜物質。 P-摻雜之功能層用的摻雜物質（gp，至少一適當的電子受 體）至少在可達成之高的摻雜度中通常不能以純的形式施 加至摻雜的功能層之半導體材料中。反之，該摻雜物質存 在於一種具有至少另一物質（共摻雜物質）之複合物中。該 另一物質通常作爲半導體材料用之電子施體，其在電性作 用上可對電子受體材料（β卩，摻雜物質）進行補償。特別是 -15- 201027806 該摻雜的功能層可以是P-摻雜層，其中該摻雜物質是電子 受體材料，但該共摻雜物質是電子施體材料。上述步驟B 中所述之驅動步驟適合用來持續地在半導體材料中對該摻 雜物質之至少一部份造成電性上的影響，即，該驅動步驟 可使P-導電性提高。 寬頻半導體系統中該摻雜物質特別佳時就像P-摻雜的功 能層用之氮化物化合物半導體系統中一樣具有鎂。鎂通常 加入至一種具有氫之複合物中以作爲半導體材料中之共摻 〇 雜物質。藉由步驟B中的驅動步驟，則可形成該鎂（作爲p-摻雜物質）之至少一部份之電性功能，其可藉由氫來補償。 在例如ZnSe之類的II-VI-化合物半導體系統中，該摻雜物 質例如具有氮或本身是氮。該共摻雜物質亦可以是氫。 或是，該摻雜的功能層亦可以是η-摻雜層，即，該摻雜 物質是電子施體材料，但該共摻雜物質是電子受體材料。 這例如特別適用於能帶間隙較小之半導體材料，例如，以 Q CdTe或GaAs爲主的化合物半導體材料。 由於此處所述的方法中不需驅出該共摻雜物質，則特別 適用於摻雜的功能層，該共摻雜物質由於不會由該摻雜的 功能層擴散出來，此乃因該摻雜的功能層是一種埋入層。 此處所述之方法因此可用來驅動該些層。就上述之以GaN 或其它上述之化合物半導體材料爲主 之” PILS” （ “ polarity inverted LED structures” ）和堆疊式 LEDs而言，上述形式的驅動是需要的，此乃因在此種情況 -16- 201027806 下P-摻雜的功能層（例如，以鎂作爲摻雜物質且以氫作爲共 摻雜物質）可由於以RTP-爲主之退火過程而不受驅動，該退 火過程只用來驅出該共摻雜物質。 爲了使共摻雜物質至摻雜物質（或晶體原子）之使摻雜物 質鈍化之鍵結能適當地且儘可能永久地中斷，則需要輸送 且施加能量。於此，在步驟B中藉由在摻雜的功能層中產 生電流來施加能量。這在此處以及下文中稱爲”電性驅 動”。在電性驅動時，至少該摻雜的功能層在電性上可連 〇 接至外部的電流源。此外，一種在步驟A中半導體層序列 已被製成之光電半導體晶片可於一特定的期間受到電性驅 動，即，連接至外部的電流源或電壓源。光電半導體晶片 因此可存在於晶圓複合物中，使多個光電半導體晶片或半 導體層序列可同時被驅動。或是，在步驟A中對半導體晶 片進行劃分且因此使半導體晶片由晶圓複合物中脫離，以 使半導體晶片各別地且與晶圓複合物之其它半導體晶片獨 Q 立地被驅動。就以下所述之所需的電流密度而言，在已劃 分之半導體層序列或光電半導體晶片進行電性驅動時是有 利的，此乃因在較大的晶圓上標示（scaling)此方法在技術上 只能有限地達成。 或是，藉由外部之適當的繞組配置以無接觸的感應方式 來產生電流。於此，至少在摻雜的功能層中或另外在半導 體層序列之其它層中在與該摻雜的功能層之延伸面平行的 面中在垂直於半導體層序列之生長方向中且因此垂直於半 -17- 201027806 導體晶片之與驅動有關的電流方向中產生一種迴路電流 多個迴路電流。 步驟A中例如若在電性絕緣的藍寶石基板上形成半導 層序列以作爲生長基板’則在將半導體層序列鍵結至導 的載體基板且將該生長基板去除之後藉由電性終端來進 電性驅動。或是，在可能不再需要的鍵結步驟之前可藉 感應來進行電性驅動。 在藉由電性終端和感應來作電性驅動時，可觀看到所 ❹ 的操作電壓持續地下降至一最小値，其永久地保持著》 是，所產生的電流密度可大於或等於50 A/cm2，其中較 的電流密度可使驅動加速。 此外，特別有利的是除了產生電流以外亦可供應一種 能，使半導體層序列或光電半導體晶片（至少是該摻雜的 能層）之溫度提高。該摻雜的功能層之溫度應大於或等於 °C且特別是應大於或等於100°C。此外，在此種溫度時所 Q 生的電流密度大於或等於10 A/cm2。在與習知之驅動方

比較下，此處所述之驅動方法中的溫度小於或等於400 °C 較佳是小於或等於3 00 °C。隨著溫度的升高，該驅動幾乎 指數地加速，這樣同時可達成所需之較小的電流密度。 由測量來確定：在大約300°C時例如在1分鐘之後在操作 壓下降時可達成一種飽和。驅動時所需的時間必須很 確，即’特別是不可選擇成太長，否則會由於半導體層 # 列之老化而使發光量進一步下降。當然，會造成一種參 或 體 電 行 由 需 於 大 熱 功 80 產 法 且 成 藉 電 準 序 數 -18 - 201027806 空間，其中可很慢才設定該老化且該老化所持續的速率較 該操作電壓之位準已下降時所發生的飽和還慢。特別是驅 動時所需的時間在電性驅動時以及下述之其它方式的驅動 過程中都是小於或等於10分鐘，且特別是小於或等於5分 鐘。 熱能可藉由外部的熱源（大致上是加熱器）來提供。或 是，熱能亦可藉由所產生的電流本身由於歐姆損耗來提 供。由所施加的熱能所產生的高溫之影響以及所產生的電 Ο 流的組合，則可使共摻雜物質（例如，上述之氫）分佈在周 圍，以使原來的摻雜物質（例如，上述之鎂）活性化。 或是，除了產生電流及/或施加熱能以外，在步驟B中亦 可藉由入射該電磁輻射來施加能量。這在此處以及下文中 稱爲”電磁驅動”。電磁驅動可表示：步驟A中所形成的 半導體層序列可以電磁輻射來照射，此電磁輻射是與半導 體層序列之摻雜的功能層及/或其它層之吸收波長或吸收 Q 頻帶共振或未共振。 藉由電磁輻射之照射，則可產生額外的電荷載體，其在 與上述電性驅動相結合下可產生較大的感應電流，這在摻 雜的功能層中本質上只存在很少的電荷載體或未存在自由 的電荷載體時特別有利。此外，在共振式照射時電荷載體 可在進行驅動的層（即，摻雜的功能層）中被激發。又，摻 雜的功能層只有藉由電磁驅動才可被驅動。 入射的電磁輻射之頻率決定了電磁輻射之形式。在使用 -19- 201027806 一種波長大於或等於1毫米且小於或等於1米（或頻率大約 是3 00 MHz至3 00 GHz)之微波輻射時，此種驅動在典型的半 導體材料中通常不會發生共振。於此，能量傳送至原子鍵 結區可另外藉由微粒（Rotonen)及/或光子（Phononen)的激.發 來達成。光子在摻雜的功能層中可具有數個10 meV之激發 能量。微粒可具有小於1 me V至數個毫電子伏特之激發能 量。微粒可包括原子或複合物（例如，激子（Exzitonen))之固 有轉動微粒。在使用所謂億萬（1012)赫之電磁輻射（即，波 ❹ 長大於或等於100微米且小於或等於1微米或頻率300 GHz 至3 THz之電磁輻射）時，在一般的半導體材料中通常會發 生共振式驅動，此時會直接產生晶格振動（Phononen)。 各種處理條件例如包括頻率、功率、大氣、時間、額外 的受子（Susceprtor)，其中受子可吸收電磁輻射。這些處理 條件定義了電磁驅動之程度和結果。電磁驅動特別是亦可 藉由共振式和非共振式之驅動來達成。例如，對由p-GaN H 構成之埋入之摻雜的功能層而言，入射的電磁輻射之頻率 在功率是100至4000瓦時介於5和10 GHz之間。入射時 間較佳是在1 0秒至1小時之間。爲了防止所謂”熱點以及 所謂”電弧（即，局部過熱和火花放電）”，則亦可使頻率 改變。此外，半導體層序列亦可相對於電磁輻射入射用的 裝置而旋轉及/或平移或反之亦可。 由電磁輻射來進行的驅動提供了其它優點：主要是可用 在晶片製程中。在傳統的熱驅動方法中，驅動步驟在晶片 -20- 201027806 製程中通常是第一步驟，此乃因如上所述此處通常需要很 高的溫度，例如，大於700°C ;此種高溫通常會損壞很多” 後續組件”或”後續的層”，其在步驟A中在晶片製程時 連續地施加在半導體層序列上。反之，將電磁輻射適當地 入射至所使用的材料（例如，由p-GaN構成的摻雜的功能層） 上，這樣可允許將此一步驟在稍後的時間點整合至製程 中，此乃因可對電磁輻射之波特性進行調整，使驅動能量 可準確地被選取且幾乎只有在其”被引入”之處入射， ◎ 即，入射至待驅動之摻雜物質-共摻雜物質或摻雜物質-共 摻雜物質-半導體晶體-鍵結複合物。因此，就單一過程之 可能的順序而言可在設計上和所謂晶片-流中達成更多的 自由度。又，可使驅動效率提高，這例如藉由”平台-蝕刻 之後進行驅動”來達成。進行驅動時之時間點是指：藉由 所產生的平台組而存在大的敞開之晶體-面且因此可使共 摻雜物質較佳地向外輸送。 Q 步驟A中已形成的半導體層序列或光電半導體晶片亦可 具有多個（即，至少二個）直接相鄰而配置的摻雜的功能層 或多個摻雜的功能層（其間配置著其它的功能層）。多個摻 雜的功能層之驅動在步驟B中同時進行。或是，每一摻雜 的功能層分別在一種針對上述驅動時之參數來調整的步驟 B中被驅動。 共摻雜物質之局部鍵結狀態之變化的證明可以不同方式 來達成或進行。一特別敏感的方法是旋轉共振，如文件 -21- 201027806 278111^6〖31.，八？1^95，1884 (2004)中所描述者，其已揭示的 內容藉由參考而收納於此處。共摻雜物質之已變化的鍵結 可在鍵結環境中有效地使待觀看的電荷載體之g_因數發生 變化，其中g-因數是所謂回轉磁因數或所謂藍地（Lande)因 數。已發生變化之g-因數表現在已改變的共振頻率中。 又，共摻雜物質之鍵結狀態亦可直接經由其在晶格中特 有的振盪頻率來證明。因此，GaN中例如Mg-H和N-H依 據其在晶格中之位置和鍵結狀態而具有振動模式，其能量 介於2000和4000波數之間，這可藉由拉慢（Raman)光譜儀 和紅外線（傅立葉）光譜儀來證明，如Neugebauerandvande Walle, PRL 75, 4452 ( 1 995), Van de Walle, Phys. Rev. B 56, 1 0020 ( 1 997), Kaschner et al., APL 74, 328 ( 1 999), Harima et al·，APL 75, 1 383, ( 1 999) AND Cusco et al., APL 84, 897 (2004)中所描述者，其已揭示的內容藉由參考而收納於此 處。 Q 本發明之其它優點和有利的實施形式描述在以下之第 1A圖至第5圖所示的實施例中。 【實施方式】 各圖式和實施例中相同-或作用相同的各組件分別設有 相同的參考符號。所示的各元件和各元件之間的比例未必 依比例繪出。反之，爲了清楚及/或更容易理解之故’各圖 式的一些元件，例如，層、構件、組件和區域已在厚度或 尺寸上予以放大地顯示出。 -22- 201027806 第1A圖至第ID圖顯示製造光電半導體晶片用之方法的 步驟A之不同的實施例。於此，依據第1A圖至第1D圖’ 分別形成一種半導體層序列1⑼’ 200 ’ 300或400 ’其具有 至少一基板1、一摻雜的功能層7、一活性區8和另一功能 層9。爲了達成電性接觸，須在該基板1之遠離該摻雜的 功能層7之一側上和各別的半導體層序列1〇〇 ’ 200，300， 400之遠離該基板1之一表面上施加電極層10，11，其可 具有一種或多種金屬及/或一種或多種一般的透明之導電 〇 氧化物。各實施例之半導體層序列純粹以氮化物-化合物半 導體-層序列來構成。或是，半導體層序列亦可具有上述其 它之化合物半導體材料。 又，然後針對各別待製成的半導體晶片而形成應製成的 半導體層序列100，200，300，400，即，針對各別的層構 造而對應於半導體晶片來製成半導體層序列。或是，亦可 在步驟A中形成只有一部份已製成之半導體層序列，其至 ❹ 少具有該摻雜的功能層7。又，步驟A中可在隨後將進行 的切割步驟之前在晶圓複合物中形成半導體層序列。 以下的描述只限於p_摻雜的該摻雜的功能層7以及其它 的功能層，其以η-或p-導電方式來形成。或是，該摻雜的 功能層7和其它功能層之極性可相反或其摻雜物質和可能 存在的共摻雜物質之極性可相反。即，該摻雜的功能層7 另外亦可以η-摻雜來形成。 半導體層序列1〇〇之基板1在第1Α圖中是生長基板， -23- 201027806 其上在步驟A中以磊晶方式生長了多個層7，8，9。生長 方向在第1A圖中以及下述的第1B圖至第1D圖中都是以箭 頭99來表示。 本實施例中，較佳是以一種η-導電之基板作爲生長基 板。可能的η-導電之基板例如可爲n-GaN，n-SiC，n-SiUll)。 然而，亦可使用非導電之基板，例如，藍寶石，其中該電 極層10配置在該基板1之面向各層7，8，9之此側上。 功能層9是η-導電層’其由一種以矽來摻雜之氮化鎵層 ❹ 所形成。在該功能層9上生長一活性層8，其具有用來產生 輻射之單一-或多重式量子井結構以作爲活性區。此活性層 8較佳是以III-V-化合物半導體材料系統lnyGai.yN，其中0 SySl爲主且具有交替配置之光學活性層和位障層。該活 性層8較佳是用來產生紫外線、藍色、藍-綠、黃色或紅色 光譜區之電磁輻射，其中所發出的電磁輻射之波長可藉由 活性層8之組合和構造來調整。活性層8中之銦濃度較佳是 Q 介於10和60%之間。 在該活性層8上生長該摻雜的功能層7，其具有GaN或 AlGaN以作爲半導體材料且具有鎂以作爲p-摻雜物質以及 具有氫以作爲共摻雜物質，以便在晶體生長時不會由於加 入摻雜物質而使半導體材料之晶體品質劣化（大致上是由於 形成了本質缺陷所造成）。該摻雜物質和共摻雜物質形成了 鍵結複合物，這樣可使該摻雜物質所產生之自由電荷載體 受到補償且半導體晶體之電中性又可至少部份地形成。 -24 - 201027806 就此配置而言，半導體層序列100之構造對應於基板1 和活性層8之間的η -導電之功能層9以及傳統之發光二極 體（LED)之在生長方向99中形成在該活性層8上之ρ -導電 之摻雜的功能層7’且此構造亦可具有其它的功能層，例 如’緩衝層、位障層及/或擴散位障層，這些層爲了清楚之 故未顯示在圖中。 第1B圖之另一實施例之半導體層序列200在與半導體層 序列100比較下具有相反的極性，其中ρ -導電之摻雜的功 能層7形成在該生長基板1和活性層8之間，且另一 η-導 電之功能層9在生長方向99中形成在活性層8上。層7, 8, 9之各別的層成份對應於先前的實施例。 此外，半導體層序列200在基板1和ρ-導電之摻雜的功 能層7之間具有一種由矽摻雜之GaN所構成的另一 η-導電 之功能層2，其中該基板1形成爲η-導電之生長基板。爲 了將該Ρ-導電之摻雜的功能層7有效地在電性上連接至該 Q 另一η-導電之功能層2，則在此二層之間須形成一種穿隧 接面3,其具有高摻雜之η-導電之穿隧接面層4、擴散位障 層5和高摻雜之ρ-導電之穿隧接面層6。穿隧接面3因此 就像上述方式一樣地構成，其中Ρ-導電之穿隧接面層6就 像Ρ-導電之摻雜之功能層7 —樣具有鎂（作爲摻雜物質）和 氫（作爲共摻雜物質）。因此，高摻雜之Ρ-導電之穿隧接面 層6就像摻雜的功能層7 —樣形成爲待驅動之摻雜的功能 層0 -25- 201027806 相對於第1A圖之實施例之半導體層序列100而言，半 導體層序列中摻雜的功能層6和7形成爲所謂埋入之摻雜 的功能層，其配置在其它的功能半導體層之間。層6和7 藉由習知之驅動方法將共摻雜物質驅出所進行之驅動因此 不能用於半導體層序列200中。 半導體層序列200可在基板1和功能層2之間具有像緩 衝層之類的其它功能層（未顯示）及/或在摻雜的功能層7和 活性層8之間具有一擴散位障層。 〇 第1C圖中顯示一以薄膜-半導體晶片來構成的半導體層 序列300，其同樣具有一埋入的摻雜之功能層7。層7，8 和9對應於第1Α圖之層7，8和9，其中在一生長基板（例 如，藍寶石）上進行生長之後各層藉由鍵結（Umbonden)而轉 印至載體基板1上。生長方向99因此顯示在載體基板1之 方向中。該生長基板在鍵結之後去除。半導體層序列300 在載體基板1和P-導電之摻雜的功能層7之間可具有其它 φ 的功能層（例如，反射層）及/或具有薄膜-半導體晶片之其它 特徵。藉由鍵結，則該摻雜之功能層7同樣能以埋入層而 存在著，其藉由習知之以共摻雜物質之驅出爲主之驅動方 法在鍵結之後可未被驅動。在習知的驅動方法中，該驅動 較佳是在該鍵結之前該摻雜的功能層7仍露出時進行。 除了在載體基板上製成薄膜-半導體晶片以外，在基板1 和活性層8之間亦可藉由磊晶生長而在p-導電之生長基板 上形成各層7，8和9之層序列，其包括摻雜之功能層7。 -26- 201027806 在此種情況下，P -導電之基板例如可由p-GaN，p-SiC或 p-Si(lll)所構成，其中該生長方向99是離開該基板1之方 向。 第1D圖中顯示半導體層序列400，其具有一種和第1B 圖成相反的構造且另外形成爲堆疊式構造，其具有另一活 性層8’ 。摻雜的功能層7’因此對應於摻雜的功能層7。 其它的功能層3’和9’對應於層3和9，其中穿隧接面 3’就像穿隧接面3 —樣具有第1B圖所示之穿隧接面層4, 6和擴散位障層5(未顯示）。 在先前以及以下各實施例所述的驅動方法之下一步驟B 中，在製程中依據步驟B來進行驅動時的時間點是與各別 的半導體層序列之形成和製程無關。例如，依據第1B圖之 半導體層序列200來顯示步驟B之實施例。 第2圖之實施例之步驟B中，摻雜的功能層7和高摻雜 之P-導電的穿隧接面層6藉由施加電能形式的能量而被驅 〇 動。於此，半導體層序列200連接至外部之電流-和電壓供 應器12。於是，本實施例中會在半導體層序列2 00中或特 別是在摻雜的功能層7和高摻雜的p-導電之穿隧接面層6 中產生大約50 A/cm2之電流密度。又，半導體層序列200 藉由熱能13之供應而使其溫度大於一般的環境溫度和操 作溫度。本實施例中，半導體層序列200藉由外部之加熱 器（未顯示）而加熱到至少80°C之溫度。所提供的熱能之至 少一部份亦可藉由所施加的電流之歐姆損耗來提供。 -27- 201027806 實驗上已顯示，所需的操作電壓連續地隨著時間而下降 且達到一永久保持著的飽和値，該操作電壓是在上述條件 下由操作該半導體層序列200的電流-和電壓供應器所提

供。這表示··半導體層序列之電流-電壓-特性可藉由步驟B 來改良且在步驟B之後可永久保持著。第5圖中顯示在特 定的操作電流時所施加的操作電壓U之測量値（任意單位） 相對於電性驅動之驅動時間t(任意單位）之關係。又，已確 _ 定的是：電流密度及/或溫度的提高可加速電壓的下降而達 〇 成飽和。 藉由半導體層序列200之上述驅動操作，則可在層6，7 中使半導體層序列2 00製造時在步驟A中已形成的摻雜物 質-共摻雜物質、和摻雜物質-共摻雜物質-半導體晶體-鍵結 複合物中斷。相對於傳統之驅動方法而言，另外可達成的 是：共摻雜物質的至少一部份在其它位置（即，不是在摻雜 物質上形成該鍵結複合物之位置）上鍵結於該層6和7之半 〇 導體晶體中或沈積於中間柵格中。於是，在此處所示的電 性驅動中不需將該共摻雜物質的至少一部份由半導體層序 列中驅出，但在習知之熱驅動方法中這是必要的。 由於上述對步驟B中有利的電流密度，則所示之電性驅 動可藉由來自外部之電流-和電壓供應器12所施加的電流 而特別適用於已切割之半導體層序列，其具有至少一埋入 之摻雜的功能層7，其中傳統之驅動方法在技術上幾乎不 可行或甚至不能進行。此外，使用此處所示的步驟B至晶 -28- 201027806 圓複合物中的半導體層序列是可能的。 然而，第3圖之實施例之步驟B特別適用於晶圓複合物 中的半導體層序列或已切割的半導體層序列。於此，藉由 裝置14而在半導體層序列2 00中或至少在摻雜的功能層7 和同樣待驅動的高摻雜的P-導電之穿隧接面層6中藉由感 應而產生電流，且因此供應了能量而使具有摻雜物質和共 摻雜物質之鍵結複合物中斷。感應裝置14在本實施例中例 如藉由繞組來形成，其中每一種可在半導體層序列200中

G 造成足夠的感應電流的裝置都很適合》 藉由裝置14,則可利用各層6和7中的自由電荷載體來 感應迴路電流，藉此來達成上述與第2圖有關之驅動作 用。迴路電流是垂直於半導體層序列200之功能層之生長 方向99且平行於延伸方向而產生。此外，外部加熱器（未 顯示）及/或迴路電流之歐姆損耗形式之熱能都可供應至半 導體層序列200。 ❹ 又，第3圖之實施形式中該半導體層序列200是以電磁 輻射15來照射，此電磁輻射15是與功能層且特別是與待 驅動之層6和7之吸收波長共振或未共振。藉由電磁輻射 15之入射’則可產生額外的電荷載體，其可使感應的迴路 電流達成更大的電流強度。這在本質上在步驟A之後在待 驅動的層6和7中只存在很少的電荷載體或未具有自由電 荷載體時特別有利。特別是在共振地照射時，可適當地在 待驅動的層6和7中激發其它的自由電荷載體，這樣可使 -29- 201027806 驅動的效率提高。 如第4圖中步驟B之另一實施例所示，該驅動是使具有 摻雜物質和共摻雜物質之複合物中斷，此種驅動亦只能藉 由供應電磁輻射15形式的能量來進行。電磁輻射15之頻 率因此決定了該驅動的形式。在使用微波輻射時，電磁驅 動以非共振方式來進行，在使用億萬赫的輻射時，則屬一 種共振式的電磁驅動。製程上的條件例如包括電磁輻射之 頻率、功率、時間及/或其它的吸收中心，這些條件界定了 ❺ 該驅動的程度和結果。在非共振的情況下，能量另外藉由 微粒和光子的激發而傳送至原子鍵結區。在共振的情況 下，直接產生晶格振動（Phononen)，其可使具有摻雜物質和 共摻雜物質之鍵結複合物中斷。 第3圖和第4圖之步驟B可有利地在半導體晶片之製程 中用在晶圓平面上的晶片製造中或用在切割之後，此乃因 其可以無接觸的方式來進行，且就像第2圖之實施例中的 Q 步驟B —樣不需要一敞開之待驅動的摻雜的功能層7。因 此，在設計時有更多的自由度且因此在單一過程之可能的 順序中可達成上述之.晶片-流。此外，例如可藉由平台蝕刻 後才進行該驅動而使驅動效率提高，因此出現一種較大的 敞開之半導體晶體表面，且該共摻雜物質之至少一部份亦 可向外輸送。 步驟B之此處所述的實施例以及一般部份之其它實施形 式可相組合或依序用於各別之待驅動之層中，亦可用於半 -30- 201027806 導體層序列內部中多個待驅動之層中。 若需要，則在步驟B之後亦可進行其它習知的步驟以製 成具有受驅動之半導體層序列之半導體晶片。 本發明當然不限於依據各實施例中所作的描述。反之， 本發明包含每一新的特徵和各特徵的每一種組合，特別是 包含各申請專利範圍-或不同實施例之各別特徵之每一種組 合，當相關的特徵或相關的組合本身未明顯地顯示在各申 請專利範圍中或各實施例中時亦屬本發明。 【圖式簡單說明】 第1A圖至第1D圖顯示不同實施例中製造光電半導體 晶片用之方法的各步驟。 第2圖至第4圖顯示其它實施例中製造光電半導體晶 片用之方法的各步驟。 m 5 @ _操作電壓之測量値相對於驅動時間的關 係。 ❿ 【主要元件符號說明】 1 基板 2 功能層 3 穿隧接面 4 穿隧接面層 5 擴散位障層 6 穿隧接面層 7 摻雜的功能層 -31 - 201027806

8 9 10 11 12 13 14 15 100 、 200 > 300 、 400 活性層 功能層 電極層 電極層 電流-和電壓供應器 熱會g 感應裝置 電磁輻射 半導體層序列

-32-

Claims (1)

1. 201027806 七、申請專利範圍： 1. 一種光電半導體晶片之製造方法，包括以下各步驟： A) 形成〜具有至少一摻雜的功能層（7)之半導體層序列 (200) ’其鍵結複合物具有至少一摻雜物質和至少一共 慘雜物質’其中由該摻雜物質和該共摻雜物質所選取 之一是電子授體且另一是電子施體， B) 藉由能量之施加使鍵結複合物中斷來驅動該摻雜物 0 質’此時該共摻雜物質之至少一部份保留在該半導體 層序列（200)中且至少一部份未與該摻雜物質形成鍵 結複合物。 2. 如申請專利範圍第1項之製造方法，其中該半導體層序 列（200)在步驟a中形成，使該摻雜的功能層（7)配置在另 二個功能層（2，8)之間。 3. 如申請專利範圍第1或2項之製造方法，其中該半導體 層序列（200)在步驟A中形成於晶圓複合物中且隨後被切 ❹ 割。 4·如申請專利範圍第1至3項中任一項之製造方法，其中 該摻雜物質具有鎂且該共摻雜物質具有氫。 5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之製造方法，其中 在該步驟B中藉由電流的產生而將能量施加至該摻雜的 功能層（7)中。 6. 如申請專利範圍第5項之製造方法，其中該電流以無接 觸方式藉由感應而產生。 -33- 201027806 7. 如申請專利範圍第5項之製造方法，其中該電流藉由至 少該摻雜的功能層（7)在電性上連接至外部的電流源（12) 來提供。 8. 如申請專利範圍第5至7項中任一項之製造方法，其中 除了產生該電流以外亦提供一種熱能（13)。 9. 如申請專利範圍第8項之製造方法，其中該熱能（13)之至 少一部份是由該電流來提供。 _ 10.如申請專利範圍第1至9項中任一項之製造方法，其中 ❾ 該步驟B中藉由電磁輻射（15)之照射來施加能量。 11. 如申請專利範圍第10項之製造方法，其中該電磁輻射 (15)之至少一部份是與該摻雜的功能層（7)之吸收波長共 振。 12. 如申請專利範圍第10或11項之製造方法，其中該電磁 輻射（15)之至少一部份未與該摻雜的功能層（7)之吸收波 長共振。 〇 13.—種光電半導體晶片，包括半導體層序列（200)，其至少 一摻雜之功能層（7)具有至少一摻雜物質和至少一共摻雜 物質，其中 -該半導體層序列（200)具有一種包括晶格結構之半導體材 料， -由該摻雜物質和該共摻雜物質所選取之一是電子授體且 另一是電子施體， -該共摻雜物質鍵結至該半導體材料及/或配置在中間晶 -34- 201027806 格位置上，以及 -該共摻雜物質之至少一部份未與i 合物。 14.如申請專利範圍第13項之光電 雜的功能層（7)配置在另二個功能層 1 5 .如申請專利範圍第1 3或1 4項之 該摻雜物質具有鎂且該共摻雜物質 該摻雜物質形成鍵結複 半導體晶片，其中該摻 F (3，8)之間。 光電半導體晶片，其中 具有氫。

   -35-