TW201801347A - 具有結構元件的基板和半導體元件 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種具有沉積側(10)和與沉積側相對向的後側(11)之基板(1)，其中在該沉積側上配置多個結構元件(2)且該些結構元件之配置具有多個堆積區(4)，其分別具有至少二個結構元件。

Description

具有結構元件的基板和半導體元件

本發明涉及一種具有結構元件的基板和一種具有此種基板的半導體元件。

結構化的藍寶石-基板可應用於氮化物化合物半導體材料之磊晶沉積中，其中均勻地在基板的表面劃分出多個結構。藉由微米範圍中該些結構的橫向過生長(over-growth)，可使待沉積的材料之缺陷減少。具有此種基板之發光二極體中，該些結構在與平面式基板比較下另外可造成更佳的發射效率。此外，奈米範圍中的結構已為人所知。利用此種基板，可達成一種可相比擬的發射效率。當然，會出現顯著的缺陷減少。

本發明的目的是使具有高的晶體品質之發光二極體之製造簡易化且同時具有良好的發射效率。

上述目的另外藉由請求項1之基板來達成或藉由具有此種基板之半導體元件來達成。其它的構成和適用性是附屬請求項之主題。

提供一種具有沉積側和後側(與沉積側相對向)的基板。沉積側特別是用於以氮化物化合物半導體材料為主的半導體材料之磊晶沉積。例如，基板具有基板 本體。基板本體例如包含藍寶石或由藍寶石構成。例如，基板本體可形成沉積側。另一方式是，該沉積側係藉由配置在基板本體上的一層而形成。

「以氮化物-化合物半導體材料」為主此處是指，此種名稱之半導體層序列或其至少一部份，特別佳的是至少其活性區及/或其生長基板，具有氮化物-化合物半導體材料或由此種材料構成，此種材料較佳是Al_xIn_yGa_1-x-yN，其中0≦x≦1,0≦y≦1且x+y≦1。因此，此種材料未必具有上述形式之以數學表示之準確的組成。反之，此種材料例如可具有一種或多種摻雜物質以及其它成份。然而，為了簡單之故，上述形式只包含晶格(Al,Ga,In,N)之主要成份，這些主要成份之一部份亦可由少量的其它物質來取代及/或補足。

依據基板之至少一實施形式，在沉積側上配置多個結構元件。該些結構元件特別在橫向中並排配置著且至少部份地互相隔開。例如，須形成該些結構元件，使磊晶沉積在該些結構元件上時晶核生成(nucleation)機率小於該些結構元件之間的區域中者。

提供一種沿著基板之主延伸面而延伸的方向作為橫向。適當方式是，垂直方向是垂直於基板之主延伸面的方向。

依據基板之至少一實施形式，該些結構元件之配置具有多個堆積區。特別是，該些堆積區分別具有至少二個結構元件，例如，至少三個結構元件。相鄰的結構元件之表面以適當方式至少部份地互相隔開。在堆 積區中，基板所具有的設有結構元件之面積佔有密度大於相鄰的堆積區之間者。換言之，堆積區中沉積側之表面的由結構元件形成之份量大於相鄰的堆積區之間者，例如，至少有二倍大的份量。不同於傳統的基板，該些結構元件因此不是「以均勻的配置等距離地分佈於基板的沉積側上」。

在基板之至少一實施形式中，基板具有一沉積側和一與沉積側相對向的後側，在沉積側上配置多個結構元件且該些結構元件的配置具有多個堆積區，其分別具有至少三個結構元件。

特別是，可配置該些結構元件，使基板上的磊晶生長由該些堆積區之間的中介區開始。適當方式是，堆積區內部中相鄰的結構元件之間的距離須小，使堆積區中的晶核生成可忽略。

依據基板之至少一實施形式，該些堆積區配置成規則的晶格，特別是配置成規則的六角形晶格。特別是，一堆積區係與規則的晶格之恰巧一晶格點重疊。大致上可測得各別的堆積區所屬之結構元件的面積重心以決定堆積區的配置。例如，各面積重心分別配置在距規則的晶格之晶格點的一距離處，該距，離是相鄰的晶格點之距離的最多20%，較佳是最多10%。在理想情況下，各面積重心亦可分別準確地位於規則的晶格之晶格點上，使該距離為零。

依據基板之至少一實施形式，堆積區內部中各結構元件之配置係與相鄰的堆積區之配置相同。例 如，堆積區內部中各結構元件之配置對至少50%之堆積區或對全部的堆積區都是相同的。各結構元件因此可配置成週期性重複的圖樣(muster)，此處週期長度等於該些堆積區之中心至中心之距離。

大致上，二個元件之中央點之間的距離可視為該二個元件的中心至中心之距離。與此不同，外部距離是二個元件之外部邊緣之間的最小距離。

依據基板之至少一實施形式，相鄰的堆積區之間的中心至中心之距離是一堆積區之相鄰的結構元件之間的中心至中心之距離的至少二倍大，例如，至少三倍大或至少四倍大。

依據基板之至少一實施形式，相鄰的堆積區之中心至中心之距離是在100奈米(含)和5微米(含)之間，例如，在400奈米(含)和4微米(含)之間。

依據基板之至少一實施形式，一堆積區之最大橫向範圍是在相鄰的堆積區之中心至中心之距離的0.2倍(含)和該中心至中心之距離的0.99倍(含)之間。一堆積區之最大橫向範圍相對於相鄰的堆積區之中心至中心之距離越大，則相鄰的堆積區之間的中介區可越小。

依據基板之至少一實施形式，一堆積區和一最靠近該堆積區的結構元件之間的外部距離是至少50奈米。此一外部距離指出該堆積區和最靠近的該結構元件之間的空出區之橫向範圍。特別是，對每一結構元件而言，在堆積區之一邊緣上至該堆積區外部最靠近的結構元件之外部距離是至少50奈米。最靠近堆積區之結構 元件於此未必屬於最靠近的該堆積區。相鄰的堆積區之間亦可配置其它的結構元件。

依據基板之至少一實施形式，一堆積區之二個相鄰的結構元件之間的內部距離介於0奈米(含)和50奈米(含)之間。該內部距離指出一堆積區之相鄰的結構元件之間的空出區之橫向範圍。二個相鄰的結構元件因此特別是亦可直接相鄰。由於相鄰的結構元件之間小的內部距離，則可防止：該些結構元件之間的中介區中在磊晶沉積時發生顯著的生長。

依據基板之至少一實施形式，一堆積區之每一結構元件對應於至少一相鄰的結構元件，其配置在至該結構元件最多50奈米的內部距離內。換言之，典型上一堆積區之結構元件不存在於距同一個堆積區之最近的結構元件大於50奈米的距離處。一堆積區內部中的磊晶生長可特別有效地受到抑制。

依據基板之至少一實施形式，結構元件之至少一部份，例如，結構元件之至少50%或亦可為全部的結構元件，的垂直範圍是在100奈米(含)和1微米(含)之間，特別是在200奈米(含)和500奈米(含)之間。已顯示的事實是：此範圍中的垂直範圍對有效率的輻射發射有貢獻且同時可使待沉積的材料之完全的橫向過生長所需之層厚度保持較小，特別是在與傳統之具有微米範圍的結構(典型高度是1.4微米至1.8微米)之結構化基板比較時。基板之由應力造成的彎曲可較小。

依據基板之至少一實施形式，至少一些結構元件隨著至基板的後側之逐漸增大的距離而變細。例如，結構元件沿著整個周圍而變細。結構元件的表面例如至少部份地傾斜於基板之後側而延伸。特別是，結構元件的表面傾斜於該些堆積區之間的區域而延伸。在該些結構元件之間的中介區中，沉積側可平行於後側而延伸。因此，藉由選取適當的沉積參數，則可以簡易的方式使待沉積在基板上的材料之磊晶生長完全地或至少主要地由該些結構元件之間，特別是該些堆積區之間，的中介區開始進行。

依據基板之至少一實施形式，結構元件之至少一部份具有錐體、截錐體、棱錐體、平截頭棱錐體、圓柱體或棱鏡之基本形式。棱體錐、平截頭棱錐體或棱鏡可具有一種特別是規則的多角形基面，例如，規則的三角形或六角形的基面。

依據基板之至少一實施形式，結構元件包含藍寶石。結構元件例如可由基板本體之結構來形成。

依據基板之至少一實施形式，結構元件包含氧化物-材料或氮化物-材料。例如，結構元件由配置在基板本體上的層之結構來形成。另一方式是，該層同樣可包含藍寶石。基板本體可裸露在該些結構元件之間的中介區中。

半導體元件依據至少一實施形式具有一基板，該基板具有前述特徵之至少一種以及一配置在該基板上的半導體層序列、特別是磊晶沉積在該基板上的半 導體層序列。例如，該半導體元件是光電半導體元件，其具有一用於產生及/或接收輻射的活性區。

前述基板特別適用於該半導體元件。結合該基板而描述的特徵因此亦可用於該半導體元件。

其它的構成和適用性由以下各實施例的描述結合各圖式即可得知。

1‧‧‧基板

10‧‧‧沉積側

11‧‧‧後側

15‧‧‧基板本體

16‧‧‧區域

18‧‧‧層

2‧‧‧結構元件

20‧‧‧結構元件之表面

25‧‧‧堆積點之間的中介區

27‧‧‧堆積點之結構元件之間的中介區

4‧‧‧堆積區

41‧‧‧面積重心

42‧‧‧堆積區之中心至中心之距離

43‧‧‧堆積區中結構元件之內部距離

44‧‧‧結構元件之外部距離

5‧‧‧半導體材料

50‧‧‧移位

8‧‧‧半導體元件

81‧‧‧半導體層序列

85‧‧‧活性區

86‧‧‧接觸區

第1A圖、第1B圖和第1C圖係基板之第一實施例的俯視圖(第1A圖)和剖面圖(第1B圖)以及基板上具有已沉積的半導體材料之此種基板(第1C圖)。

第2A圖和第2B圖係基板之第二實施例的剖面圖(第2A圖)和基板上具有已沉積的半導體材料之此種基板(第2B圖)。

第3圖係基板之第三實施例的俯視圖。

第4圖係半導體元件之實施例的剖面圖。

相同、相同形式或作用相同的元件在各圖式中設有相同的參考符號。

各圖式分別是示意圖且因此不一定依比例繪出。反之，較小的元件且特別是層厚度為了清楚之故而放大地顯示出。

基板1之第一實施例以示意的俯視圖顯示在第1A圖中且以剖面圖顯示在第1B圖中。

基板1在沉積側10和後側11之間於垂直方向中延伸，即，垂直於基板之主延伸面而延伸。在沉積側10上配置多個結構元件2。該些結構元件之配置具有多個堆積區4。該些堆積區4分別包括多個結構元件2，在所示的實施例中例示性地包括七個結構元件。然而，亦可使用與此數目不同的結構元件，例如，二個結構元件或更多個，特別是三個結構元件或更多個。在製造時，該些結構元件2例如可藉由奈米壓印-方法製成。

該些堆積區4分別配置著一面積重心41。面積重心41配置在規則的六角形晶格之晶格點上。相鄰的堆積區4之間的中心至中心之距離42是由相鄰的面積重心之距離來表示。然而，面積重心的位置亦可偏離晶格點的位置，例如，偏離值為相鄰的面積重心之距離的最多20%。

堆積區4之配置亦可不是成規則的晶格之配置，只要該些結構元件之配置具有互相隔開的堆積區即可。

相鄰的堆積區4之距離，特別是中心至中心之距離42，較佳方式為介於100奈米(含)和5微米(含)之間，較佳為介於400奈米(含)和4微米(含)之間。

堆積區4和最靠近該堆積區之結構元件2之間的外部距離44大於堆積區4內部中相鄰的結構元件之間的內部距離43。該外部距離指出一堆積區和一最靠近該堆積區之結構元件之間的空出區之橫向範圍。例如，一堆積區和一最靠近該堆積區之結構元件之間的外部距離是至少50奈米。

堆積區4內部中相鄰的結構元件的內部距離43較佳為最多50奈米。該內部距離43越小，則堆積區4中相鄰的結構元件之間的中介區27可越小。特別是，堆積區4內部中該些結構元件亦可部份地直接相鄰，使該內部距離43成為零(請比較第2A圖)。

堆積區4之最大橫向範圍例如介於相鄰的堆積區的中心至中心之距離的0.2倍(含)和0.99倍(含)之間。沉積側10可較大面積地由該些結構元件2佔用，例如，佔用整個面積份量的至少60%。

在所示的實施例中，該些結構元件2分別具有相同的基本形式和相同的尺寸。然而，亦可使用二個或多於二個之不同的結構元件2，其例如在橫向範圍、垂直範圍及/或幾何上的基本形式互不相同。

就像第1C圖中所示那樣，在半導體材料5之磊晶沉積時生長係由沉積側之區域16中該些堆積區4之間的中介區25開始進行。區域16特別是可相連地在沉積側上延伸。堆積區4橫向地過生長，使移位(dislocation)50隨著垂直方向中減低的移位密度而在半導體材料中持續著。晶體品質因此可提高。特別是，堆積區4之橫向範圍較結構元件2之橫向範圍還大。換言之，可磊晶過生長的區域之橫向範圍不是由結構元件2本身的橫向範圍來決定而是由堆積區4之橫向範圍來決定。特別是，可磊晶橫向過生長的區域，即，堆積區4，之橫向範圍亦可藉由堆積區內部中結構元件之數目的增加而擴大。在與傳統之具有微米範圍的結構之基板比較 下，移位密度可較小且因此使晶體品質提高。同時，沉積側10的整個表面擴大，這樣會由於反射及/或折射而使輻射轉向的機率提高，則發射效率亦可提高。特別是，在與傳統之具有微米結構之基板比較下，用於形成堆積區4之結構元件2大大地縮小，使例如對可見光譜區，特別是藍色光譜區和綠色光譜區或紫外線光譜區，中的輻射可產生繞射效應。於是，可達成一種對準的發射且整體上可使發射效率進一步提高。

藉由上述將多個結構元件2配置於堆積區4，則可達成高的晶體品質且同時達成高的發射效率。特別是，傳統之具有微米結構之基板的優點和傳統之具有奈米結構之基板的優點可相結合。

此外，有效率的發射可以結構元件2之較小的垂直範圍來達成。例如，一些或全部的結構元件2之垂直範圍介於100奈米(含)和1微米(含)之間，特別是介於200奈米(含)和500奈米(含)之間。在與傳統之具有微米範圍的結構之基板比較下，待沉積之材料的厚度可減小且基板1之由應力造成的彎曲因此可較小。

結構元件2是由基板本體15，例如，藍寶石基板本體，之結構形成。結構元件之表面20，特別是整個表面20，傾斜於該些結構元件2之間的區域16中沉積側10的表面而延伸。藉由調整出適當的生長參數，則在區域16中磊晶沉積時晶核生成機率可大於結構元件之表面20的傾斜於區域16而延伸的部份區域上者。

結構元件2例如具有錐體或棱錐體的基本形式，大致上是三角形、四角形或六角形之基本形式，其具有多角形的基面。然而，其它形式亦適合，其中結構元件之橫向範圍隨著至後側11之逐漸增大的距離而變細，例如，平截頭棱錐體或截錐體亦適合。

此外，可使用具有固定之橫切面的基本形式，例如，圓柱體或棱鏡之基本形式。具有此種基本形式之結構元件2就像第1A圖所示那樣以適當方式形成且互相配置著，使相鄰的結構元件之表面至少部份地互相隔開且形成該些結構元件之間的中介區25。

第1A圖至第1C圖所示的實施例中，各結構元件2互相配置在堆積區4中，使相鄰的結構元件在任何位置都未直接互相鄰接。然而，外部距離須小，使一堆積區4之相鄰的結構元件2之間的中介區27中不會發生顯著的磊晶生長且該些堆積區基本上是由橫向中磊晶生長的半導體材料覆蓋著。

第2A圖和第2B圖中顯示的實施例基本上對應於結合第1A圖至第1C圖所述的實施例。不同之處在於：一堆積區4內部中相鄰的結構元件2直接互相鄰接。依據該些結構元件2之基本形式，其在一堆積區4中可分別形成一種閉合的面，例如，第3圖所示的六角形的基本形式中即屬此情況，三角形的基本形式或四角形的基本形式中亦如此。為了簡易起見，第3圖中只顯示二個堆積區4。堆積區內部中因此未形成中介區，使由此種中介區開始的不期望之磊晶生長完全被排除。在此種 情況下，該些結構元件2以適當方式具有一種隨著至後側11之逐漸增大的距離而變細的基本形式，使該些結構元件2之表面20至少部份地互相隔開。

此外，第二實施例中該些結構元件2由配置在基板本體15上的層18形成。該層例如包含氧化物-材料(大致上是氧化矽)或氮化物-材料(大致上是氮化矽)。此種層上的晶核生成機率小於區域16中者，區域16中裸露出基板本體15。因此，此種層中結構元件(其基本形式的表面至少部份地平行於區域16而延伸)亦適用於結構元件2。基本上在一般的沉積溫度時，例如，1000℃，對溫度穩定之全部的材料都適用於該層18。

當然，該層18亦可用在第一實施例中。相對應地，第2A圖所示的結構亦可形成在基板本體15中。

第4圖中顯示具有上述基板1之半導體元件8。半導體元件8於此只例示性地具有基板1，其就像結合第1A圖至第1C圖所述那樣地形成。當然，亦可使用其它實施例之一所述的基板。

在基板1上磊晶沉積半導體層序列81，這例如藉由金屬-有機化學氣相沉積(MOCVD)來達成。半導體元件8例如形成為發出輻射的半導體元件，大致上是一種發光二極體。半導體層序列81具有一用於產生輻射的活性區85。為了達成外部電性接觸，半導體元件具有接觸區86。接觸區之位置和構成可在廣的範圍中變化，只要在半導體元件之該些接觸區86之間施加外部電壓，則電荷載體可由對立的各側注入至活性區85中且在該處發出輻射而重組。

半導體層序列81，特別是活性區85，優先以氮化物化合物半導體材料為主。

活性區85中產生的輻射之尖峰波長在半導體層序列之材料中例如可以介於堆積區內部中相鄰的結構元件之中心至中心之距離的0.2倍(含)和5倍(含)之間，使半導體元件8之發射率可由於結構元件造成的繞射效應而特別有效地提高。特別是，繞射效應可促成一種對準的發射。

本發明不限於依據各實施例所作的描述。反之，本發明包含每一新的特徵和各特徵的每一種組合，特別是包含各專利請求項中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專利請求項中或各實施例中時亦屬本發明。

1‧‧‧基板

16‧‧‧區域

2‧‧‧結構元件

25‧‧‧堆積點之間的中介區

27‧‧‧堆積點之結構元件之間的中介區

41‧‧‧面積重心

42‧‧‧堆積區之中心至中心之距離

43‧‧‧堆積區中結構元件之內部距離

44‧‧‧結構元件之外部距離

Claims (15)

1. 一種具有沉積側(10)和與該沉積側相對向的後側(11)之基板(1)，其特徵為：在該沉積側上配置多個結構元件(2)且該些結構元件之配置具有多個堆積區(4)，其分別具有至少二個結構元件。
2. 如請求項1之基板，其中該些堆積區配置成規則的晶格。
3. 如請求項1或2之基板，其中該些堆積區配置成規則的六角形晶格。
4. 如請求項1至3中任一項之基板，其中相鄰的堆積區之間的中心至中心之距離(42)是一堆積區之相鄰的結構元件之間的中心至中心之距離的至少二倍大。
5. 如請求項1至4中任一項之基板，其中相鄰的堆積區的中心至中心之距離介於100奈米(含)和5微米(含)之間。
6. 如請求項1至5中任一項之基板，其中一堆積區之最大橫向範圍是在相鄰的堆積區的中心至中心之距離的0.2倍(含)和0.99倍(含)之間。
7. 如請求項1至6中任一項之基板，其中一堆積區和一最靠近該堆積區之結構元件之間的外部距離(44)是至少50奈米。
8. 如請求項1至7中任一項之基板，其中一堆積區之二個相鄰的結構元件之間的內部距離(43)是在0奈米(含)和50奈米(含)之間。
9. 如請求項1至8中任一項之基板，其中一堆積區之每一結構元件對應於至少一相鄰的結構元件，其配置在至該結構元件最多50奈米的內部距離內。
10. 如請求項1至9中任一項之基板，其中該些結構元件之至少一部份的垂直範圍是在100奈米(含)和1微米(含)之間。
11. 如請求項1至10中任一項之基板，其中至少一些結構元件隨著至基板的後側之逐漸增大的距離而變細。
12. 如請求項1至11中任一項之基板，其中該些結構元件之至少一部份具有錐體、截錐體、棱錐體、平截頭棱錐體、圓柱體或棱鏡之基本形式。
13. 如請求項1至12中任一項之基板，其中該些結構元件包含藍寶石。
14. 如請求項1至13中任一項之基板，其中該些結構元件包含氧化物-材料或氮化物-材料。
15. 一種具有如請求項1至14中任一項之基板的半導體元件，其具有沉積在該基板上的半導體層序列。