TW201403866A - 半導體裝置及其製造方法 - Google Patents

Abstract

一種半導體裝置及其製造方法。形成第一磊晶結構於具有複數突起部的圖案化基板上，且形成穿隧接面層於第一磊晶結構上。其中，第一磊晶結構因圖案化基板而具有一特定數量的位錯（dislocation），至少部份位錯延伸向上而形成複數凹坑於第一磊晶結構的上表面，且凹坑位於第一磊晶結構上表面的分佈密度大於1x108/平方公分。

Description

半導體裝置及其製造方法

本發明係有關一種半導體裝置，特別是關於一種具有凹坑以控制穿隧接面層之缺陷密度的半導體裝置及其製造方法。

為了提升發光二極體（LED）的發光效率，方法之一是使用穿隧接面（tunnel junction）將二或多個發光二極體疊加起來。疊加發光二極體較單一發光二極體放射更多的光線，因而可提高亮度。使用穿隧接面還可強化電流的分散（spreading），使得主動層內更多的載子可進行再結合（recombination）。此外，疊加發光二極體較同樣數目之單一發光二極體具有較少的電極接觸，不但可節省空間，且可降低所造成的電致遷移（electromigration）問題。

傳統形成穿隧接面的方法之一是使用重摻雜技術，如美國專利第6,822,991號，題為“含有穿隧接面的發光裝置（Light Emitting Devices Including Tunnel Junctions）”。由於穿隧距離通常很短，因此，使用重摻雜技術較難達到所要的穿隧接面。再者，重摻雜也可能影響到鄰近層級的摻雜濃度。

傳統形成穿隧接面的另一方法是使用極化（polarization）技術，如美國專利第6,878,975號，題為“極化場增強之穿隧結構（Polarization Field Enhanced Tunnel Structures）”。此種方法需要較複雜的製程控制，且會限制了材質使用的選擇性。

上述傳統發光二極體所遭遇的問題也經常出現於其他半導體裝置，例如太陽能電池、二極體等。因此，亟需提出一種新穎的半導體裝置及其製造方法，用以解決上述的問題。

鑑於上述，本發明實施例提出一種半導體裝置及其製造方法，藉由控制圖案化基板的突起部之形狀、分佈密度或排列方式以調整控制凹坑的分佈密度，藉以有效控制穿隧接面層的缺陷密度。藉由穿隧接面層的缺陷密度，可加強半導體裝置中的載子傳輸。

根據本發明實施例，首先提供圖案化基板，其具有複數突起部。接著，形成第一磊晶結構於圖案化基板上，再形成穿隧接面層於第一磊晶結構上。其中，第一磊晶結構因圖案化基板而具有一特定數量的位錯（dislocation），至少部份位錯延伸向上而形成複數凹坑於第一磊晶結構的上表面，且凹坑位於第一磊晶結構上表面的分佈密度大於1x10⁸/平方公分。

第一A圖至第一E圖顯示本發明實施例之形成半導體裝置100的剖面圖。本實施例可廣泛應用於各種半導體裝置，例如半導體發光裝置（如發光二極體）、光檢測器（photodetector）、太陽能電池、電晶體、二極體（如雷射二極體）等。

如第一A圖所示，首先提供圖案化（patterned）基板11，其具有複數突起部111，而相鄰突起部111之間具有平坦部112。第一A圖所示圖案化基板11為一體成型，可使用乾式蝕刻或濕式蝕刻以形成突起部111。在一實施例中，圖案化基板11為藍寶石經由蝕刻所形成的圖案化藍寶石基板（patterned sapphire substrate, PSS），但不限定於此。

圖案化基板11可以如第一A圖所示為一體成型的，也可以如第一B圖所示由平坦的基板11A及含有突起部111的圖案層11B所組成。形成圖案層11B於基板11A上的方法可先於基板11A上形成結晶膜，例如使用電漿強化化學氣相沈積法（PECVD）；接著，蝕刻除去部分的結晶膜以形成圖案層11B，例如使用化學濕式蝕刻或無遮罩（maskless）乾式蝕刻。基板11A與圖案層11B的材質可以相同，也可以不同。例如，基板11A的材質可以為砷化鎵（GaAs）、鍺（Ge）表面形成鍺化矽（SiGe）、矽（Si）表面形成碳化矽（SiC）、鋁（Al）表面形成氧化鋁（Al₂O₃）、氮化鎵（GaN）、氮化銦（InN）、氮化鋁（AlN）、藍寶石（sapphire）、玻璃、石英或其組合；而圖案層11B的材質可以為氧化鋁（Al₂O₃）、二氧化矽（SiO₂）、碳化矽（SiC）、氮化矽（SiN_x）或其組合。

第一A圖或第一B圖之突起部111的形狀可為各種形體，例如錐狀體（例如角錐體或圓錐體）或火山形體（例如盾狀火山形體（shield）或破火山形體（caldera））。突起部111的頂部可以是尖銳的（如圖所示），也可以是平坦的。

第二A圖例示第一A圖或第一B圖之突起部111的排列上視圖。第二B圖例示另一種突起部111的排列上視圖。藉由不同的排列方式，可得到不同的突起部111或平坦部112的分布密度大小（亦即，每單位面積的數量）。舉例而言，第二B圖的平坦部112之分布密度較第二A圖的平坦部112之分布密度來得大。在一實施例中，平坦部112的直徑小於1微米（μm），且平坦部112於圖案化基板11上的分佈密度大於5x10⁷/平方公分。在另一實施例中，突起部111的底部直徑小於2微米，且突起部111於圖案化基板11上的分佈密度大於5x10⁷/平方公分。

接下來，如第一C圖所示，形成第一磊晶結構12於圖案化基板11上。在本實施例中，第一磊晶結構12由下而上依次包含第一摻雜層121、主動層122及第二摻雜層123。其中，第一摻雜層121形成於圖案化基板11上，第二摻雜層123形成於第一摻雜層121上，且主動層122位於第一摻雜層121與第二摻雜層123之間。第一摻雜層121的電性相反於第二摻雜層123。例如，第一摻雜層121為n型摻雜，且第二摻雜層123為p型摻雜。主動層122可以為發光二極體的發光層，或者為太陽能電池的光吸收層。此外，於第一摻雜層121與圖案化基板11之間，例如於圖案化基板11之突起部111的表面或/且平坦部112的表面，還可額外形成成核（nucleation）層120。在一實施例中，成核層120係首先於大約500℃的溫度下磊晶成長厚度大約為40~90奈米；接著，於大約1050℃的溫度下，對其進行再結晶（recrystallization）製程。

根據上述製程，第一磊晶結構12成長時，由於其與圖案化基板11的晶格不匹配，使得第一磊晶結構12具有一特定數量的位錯（dislocation，或稱為差排），至少部份位錯延伸至第一磊晶結構12的上表面，因而形成至少一凹坑（pit）124。凹坑124的形狀可以為V或半菱形。一般來說，突起部111上方所形成的（第一）凹坑數目或分佈密度大於（至少二倍於）平坦部112上方所形成的（第二）凹坑數目或分佈密度。

第三圖顯示第一C圖的局部上視圖，係藉由調整突起部111的形狀，使得第一磊晶結構12中的位錯數量達到上述特定數量，而令凹坑124位於第一磊晶結構12上表面的分佈密度大於特定值。其中，每ㄧ個三角錐體之突起部111的頂端具有平坦區域1110，每ㄧ個突起部111上方形成至少三個第一凹坑124A（亦即，三角錐體的每ㄧ稜線1112上對應至少一個第一凹坑124A），而相鄰突起部111之間的平坦部112上方形成至少一個第二凹坑124B。類似的情形，如果突起部111為四角錐體（未圖示），則每ㄧ個突起部111上方形成至少四個第一凹坑124A（亦即，四角錐體的每ㄧ個稜線1112上對應至少一個第一凹坑124A），而相鄰突起部111之間的平坦部112上方形成至少一個第二凹坑124B。

另一實施例中，如第二A及二B圖，係可藉由調整突起部111的排列進而增加平坦部112的分佈密度，第一磊晶結構12中的位錯數量達到上述特定數量，而令凹坑124位於第一磊晶結構12上表面的分佈密度大於特定值。在本實施例中，可藉由控制突起部111的形狀、分佈密度或排列方式以調整控制第一/第二凹坑124A/B的分佈密度。

藉由上述各種控制圖案化基板11的突起部111之形狀或分佈密度的方法，或是突起部111與平坦部112之排列方式，來調整控制凹坑的分佈密度達到特定值，藉以有效控制穿隧接面層的缺陷密度。在本實施例中，藉由控制平坦部112於圖案化基板11上的分佈密度大於5x10⁷/平方公分，或是突起部111於圖案化基板11上的分佈密度大於5x10⁷/平方公分，使得凹坑124位於第一磊晶結構12上表面的分佈密度大於1x10⁸/平方公分。在一較佳實施例中，藉由控制平坦部112於圖案化基板11上的分佈密度大於1x10⁸/平方公分，或是突起部111於圖案化基板11上的分佈密度大於1x10⁸/平方公分，使得凹坑124的分佈密度則大於5x10⁸/平方公分。在另一較佳實施例中，藉由控制平坦部112於圖案化基板11上的分佈密度大於5x10⁸/平方公分，或是突起部111於圖案化基板11上的分佈密度大於5x10⁸/平方公分，使得凹坑124的分佈密度則大於1x10⁹/平方公分。在另一較佳實施例中，藉由控制平坦部112於圖案化基板11上的分佈密度大於1x10⁹/平方公分，或是突起部111於圖案化基板11上的分佈密度大於1x10⁹/平方公分，使得凹坑124的分佈密度則大於5x10⁹/平方公分。在另一較佳實施例中，藉由控制平坦部112於圖案化基板11上的分佈密度大於5x10⁹/平方公分，或是突起部111於圖案化基板11上的分佈密度大於5x10⁹/平方公分，使得凹坑124的分佈密度則大於2x10¹⁰/平方公分。

上述凹坑124也可藉由控制溫度或/且成長速率來形成。在一實施例中，使用三族氮化物（例如氮化鎵或氮化銦鎵）並於成長溫度500~900℃（較佳為800-900℃）或/且成長速率1~6微米/小時（較佳為4~6微米/小時）以形成凹坑124。在一實較佳施例中，可調高氮化物前驅物（例如氨氣(NH₃)）以形成含三族氮化物的凹坑124。

接著，如第一D圖所示，形成穿隧接面層13於含有凹坑124的第一磊晶結構12上。根據上述本實施例的製程，藉由控制突起部111的形狀、分佈密度或排列方式以調整控制第一/第二凹坑124A/B的分佈密度（已如前所述），藉此，可控制穿隧接面層13的缺陷密度。

第四A圖顯示根據本發明實施例之一的穿隧接面層13之局部剖面圖。在本實施例中，穿隧接面層13包含超晶格（super lattice）結構，其主要係由二材質相異的複數子層131、132交替堆疊而成。本實施例之每ㄧ子層131/132的厚度小於或等於5奈米，而超晶格結構的總厚度小於或等於10奈米。本實施例之超晶格結構的材質為三族氮化物，亦即，一、二或三個三族元素（例如銦、鎵、鋁）與氮（N）形成二元（dualization）化合物、三元（ternary）化合物或四元（quaternary）化合物。超晶格結構可由該些化合物的任何兩種化合物交替堆疊而成。例如，由下述各種組合交替堆疊而形成超晶格結構：二元化合物及二元化合物、二元化合物及三元化合物、二元化合物及四元化合物、三元化合物及三元化合物、三元化合物及四元化合物或四元化合物及四元化合物。其中，二元化合物可為氮化銦(InN)、氮化鎵(GaN)或氮化鋁(AlN)，三元化合物可為氮化銦鎵(In_xGa_1-xN)、氮化銦鋁(In_xAl_1-xN)或氮化鋁鎵(Al_xGa_1-xN)，四元化合物可為氮化銦鋁鎵(In_xAl_yGa_1-x-yN)。

第四B圖顯示根據本發明另一實施例的穿隧接面層13之局部剖面圖。在本實施例中，穿隧接面層13包含三層結構，其包含二摻雜層133、135以及位於二摻雜層133、135之間的絕緣層134。其中，二摻雜層133、135的摻雜型態相反（例如其中一摻雜層為n型摻雜且另一摻雜層為p型摻雜），絕緣層134的材質可包含氮化鋁（AlN）或氮化矽（SiN）。

第四C圖顯示根據本發明又一實施例的穿隧接面層13之局部剖面圖。在本實施例中，凹坑124的表面具有極化面向（例如C面向），因而可形成極化增強之穿隧接面層13。

接下來，如第一E圖所示，形成第二磊晶結構15於穿隧接面層13上。在本實施例中，第二磊晶結構15由下而上依次包含第一摻雜層151、主動層152及第二摻雜層153。其中，第一摻雜層151形成於穿隧接面層13上，第二摻雜層153形成於第一摻雜層151上，且主動層152位於第一摻雜層151與第二摻雜層153之間。第一摻雜層151的電性相反於第二摻雜層153。例如，第一摻雜層151為n型摻雜，且第二摻雜層153為p型摻雜。主動層152可為發光二極體的發光層，或者為太陽能電池的光吸收層。此外，於第一摻雜層151與穿隧接面層13之間，還可額外形成緩衝層14，有利於第二磊晶結構15的成長。

上述實施例（第一A圖至第一E圖）例示使用一穿隧接面層13以疊加二磊晶結構12、15。本發明也可使用多個穿隧接面層以疊加三（或以上）磊晶結構。第五圖顯示一半導體裝置101，其使用二穿隧接面層13、16以疊加三磊晶結構12、15、17。其中，於形成第二磊晶結構15之前，可形成圖案層18，其形成方法類似於前述的圖案層11B。

以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。

100．．．半導體裝置

101．．．半導體裝置

11．．．圖案化基板

11A．．．基板

11B．．．圖案層

111．．．突起部

1110．．．平坦區域

1112．．．稜線

112．．．平坦部

12．．．第一磊晶結構

120．．．成核層

121．．．第一摻雜層

122．．．主動層

123．．．第二摻雜層

124．．．凹坑

124A．．．第一凹坑

124B．．．第二凹坑

13．．．穿隧接面層

131．．．子層

132．．．子層

133．．．摻雜層

134．．．絕緣層

135．．．摻雜層

14．．．緩衝層

15．．．第二磊晶結構

151．．．第一摻雜層

152．．．主動層

153．．．第二摻雜層

16．．．穿隧接面層

17．．．磊晶結構

18．．．圖案層

第一A圖至第一E圖顯示本發明實施例之形成半導體裝置的剖面圖。
第二A圖及第二B圖例示突起部的排列上視圖。
第三圖顯示第一C圖的局部上視。
第四A圖至第四C圖顯示本發明不同實施例的穿隧接面層之局部剖面圖。
第五圖顯示使用二穿隧接面層以疊加三磊晶結構。

100．．．半導體裝置

11．．．圖案化基板

111．．．突起部

112．．．平坦部

12．．．第一磊晶結構

120．．．成核層

121．．．第一摻雜層

122．．．主動層

123．．．第二摻雜層

124．．．凹坑

13．．．穿隧接面層

14．．．緩衝層

15．．．第二磊晶結構

151．．．第一摻雜層

152．．．主動層

153．．．第二摻雜層

Claims (20)

1. 一種半導體裝置的製造方法，包含：
   　　 提供一圖案化基板，該圖案化基板具有複數突起部；
   　　 形成一第一磊晶結構於該圖案化基板上；及
   　　 形成一穿隧接面層於該第一磊晶結構上；
   　　 其中，該第一磊晶結構因該圖案化基板而具有一特定數量的位錯（dislocation），至少部分該些位錯延伸向上而形成複數凹坑於該第一磊晶結構的上表面，該些凹坑位於該第一磊晶結構上表面的分佈密度大於1x10⁸/平方公分。
2. 如申請專利範圍第1項所述半導體裝置的製造方法，其中提供該圖案化基板之步驟包括:調整該些突起部的形狀，使得該些位錯的數量等於該特定數量，其中該些突起部的形狀包括一角錐體、一圓錐體、一盾狀火山形體或一破火山形體。
3. 如申請專利範圍第1項所述半導體裝置的製造方法，其中該些突起部的底部直徑小於2微米，且該些突起部於該圖案化基板上的分佈密度大於5x10⁷/平方公分，使得該些位錯的數量等於該特定數量。
4. 如申請專利範圍第1項所述半導體裝置的製造方法，其中相鄰的該些突起部之間具有一平坦部，上述提供該圖案化基板之步驟包括:調整該些突起部的排列進而增加該平坦部的分佈密度，使得該些位錯的數量等於該特定數量。
5. 如申請專利範圍第4項所述半導體裝置的製造方法，其中該平坦部的直徑小於1微米，且該平坦部於該圖案化基板上的分佈密度大於5x10⁷/平方公分。
6. 如申請專利範圍第1項所述半導體裝置的製造方法，其中該些凹坑係藉由控制溫度或/且成長速率來形成。
7. 一種半導體裝置，包含：
   　　 一圖案化基板，具有複數突起部；
   　　 一第一磊晶結構，形成於該圖案化基板上；及
   　　 一穿隧接面層，形成於該第一磊晶結構上；
   　　 其中，該第一磊晶結構因該圖案化基板而具有一特定數量的位錯（dislocation），至少部分該些位錯延伸向上而形成複數凹坑於該第一磊晶結構的上表面，該些凹坑位於該第一磊晶結構上表面的分佈密度大於1x10⁸/平方公分。
8. 如申請專利範圍第7項所述之半導體裝置，其中該圖案化基板包含：
   一基板；及
   一圖案層，形成於該基板上，該圖案層包含該些突起部。
9. 如申請專利範圍第8項所述之半導體裝置，其中該圖案化基板或該基板的材質包含砷化鎵（GaAs）、鍺（Ge）表面形成鍺化矽（SiGe）、矽（Si）表面形成碳化矽（SiC）、鋁（Al）表面形成氧化鋁（Al₂O₃）、氮化鎵（GaN）、氮化銦（InN）、氮化鋁（AlN）、藍寶石（sapphire）、玻璃、石英或其組合；且該圖案層的材質包含氧化鋁（Al₂O₃）、二氧化矽（SiO₂）、碳化矽（SiC）、氮化矽（SiN_x）或其組合。
10. 如申請專利範圍第7項所述之半導體裝置，其中該些突起部的形狀包括一角錐體、一圓錐體、一盾狀火山形體或一破火山形體，且該些突起部的形狀可使該些位錯的數量等於該特定數量。
11. 如申請專利範圍第7項所述之半導體裝置，其中該些突起部的底部直徑小於2微米，且該些突起部於該圖案化基板上的分佈密度大於5x10⁷/平方公分，使得該些位錯的數量等於該特定數量。
12. 如申請專利範圍第7項所述之半導體裝置，其中相鄰的該些突起部之間具有一平坦部，藉由調整該些突起部的排列進而增加該平坦部的分佈密度，使得該些位錯的數量等於該特定數量。
13. 如申請專利範圍第12項所述之半導體裝置，其中該平坦部的直徑小於1微米，且該平坦部於該圖案化基板上的分佈密度大於5x10⁷/平方公分。
14. 如申請專利範圍第7項所述之半導體裝置，更包含一成核層，形成於該第一磊晶結構與該圖案化基板之間。
15. 如申請專利範圍第7項所述之半導體裝置，其中該穿隧接面層包含一超晶格結構，其係由二材質相異的複數子層交替堆疊而成，該超晶格結構的材質包含三族氮化物。
16. 如申請專利範圍第15項所述之半導體裝置，其中每ㄧ該子層的厚度小於或等於5奈米，且該超晶格結構的總厚度小於或等於10奈米。
17. 如申請專利範圍第7項所述之半導體裝置，其中該穿隧接面層包含：
    　　 二摻雜層，形成於該第一磊晶結構上，該二摻雜層的電性相反；及
    　　 一絕緣層，位於該二摻雜層之間。
18. 如申請專利範圍第7項所述之半導體裝置，更包含一第二磊晶結構，形成於該穿隧接面層上。
19. 如申請專利範圍第18項所述之半導體裝置，更包含一緩衝層，形成於該第二磊晶結構與該穿隧接面層之間。
20. 如申請專利範圍第18項所述之半導體裝置，更包含一圖案層，形成於該第二磊晶結構與該穿隧接面層之間。