TWI297959B - - Google Patents

Description

1297959 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 初步嘉晶結構 本發明係關於，磊晶結構及其製造方法，尤指，適用於發光二極體的 及其製造方法。 【先前技術i &咼發光—極體的內部發光效率爲發展發光一極體的重要目標’而內部發光效率往往受 〇冑成胃，其中之一則與嘉晶層及_材料 的異質介画生質有關。由於晶格常數不同，在磊晶時會產生差排缺陷，此一缺陷若隨晶膜厚 度向上延伸，貝[J對元件品質的影響很大。 以成長於藍寶石基板的GaN嘉晶層爲例，傳統方法可分爲有遮罩及無遮胃。胃g胃 方法係於基板上形成GaN薄膜後，藉由Si02或SiN4遮罩保護定義岀所要的圖形，再將無遮 罩保護的GaN蝕刻至一適當深度。接著進行二次磊晶，GaN會沉積在蝕刻過的無遮覃區域； 經橫向縫合後可得到GaN磊晶層。然而，有遮罩方法製作的磊晶層在無遮罩區域的缺陷會繼 續延伸，並產生橫向晶格傾斜的問題，造成高密度的缺陷。至於無遮罩方法則是將無遮罩保 護的GaN，以乾式飩刻方法完全去除。將遮罩移除後，再以留下的GaN爲種子進行二次磊晶。 藉由控制橫向及縱向生長速率’可使GaN橫向沉積形成低缺陷的磊晶膜。 本發明進一步針對無遮罩磊晶方法中，二次磊晶時種子層的形成提出一簡單而精確的方 法，以大幅降低磊晶結構可能產生的缺陷。 1297959 【發明内容】 本發明的目的在於提供一種磊晶結構及其製造方法，可藉由簡單而精確的製程，有效控 制及減少磊晶層的缺陷。 本發明的磊晶結構主要包括一基板、形成於該基板上的第一磊晶層、複數個隨機分佈於 該第一嘉晶層表面的奈米柱、及形成於該第一嘉晶層及奈米柱上的第二嘉晶層。每一奈米柱 爲具有奈米等級尺寸的柱狀體，且相鄰奈米柱之間距約爲100〜500nm，較佳爲200〜300mn。 φ 本發明磊晶結構具有低缺陷的第二磊晶層，因此可有效提高半導體元件的良率。 本發明製造磊晶結構的方法主要包括下列步驟：（a)提供一基板；（b)於該基板上進行第一 次嘉晶，开多成一第一嘉晶層；⑹以反應離子倉虫刻(reactive ion etching，RIE)程序將第一嘉晶層 垂直蝕刻至一預定深度’形成複數個隨機分佈的奈米柱，每一奈米柱爲具有奈米等級尺寸的 柱狀體，相鄰奈米柱之間距約爲100〜50〇mn; (d)於該第一磊晶層及奈米柱上進行第二次嘉晶， 形成一低缺陷的第二嘉晶層。 φ 爲使磊晶層與基板介面更相容，基板上尙可先低溫形成一緩衝層。本發明方法的反應 子餓亥暇序可爲感應式親合電漿(inductively- e〇uPledpiasma，ICP)鈾刻，或其他適當方法。步 驟(d)的第二次磊晶過程較佳爲控制橫向磊晶速率大於縱向磊晶速率。 【實施方式】 本發明之磊晶結構可用於一般半導體裝置之製程，例如發光二極體製程。第1圖爲本發 明磊晶結構之一較佳實施例’顯示一用於製造藍色發光二極體的初步結構，圖中各層的比例 1297959 僅爲示意，並非依照實際尺寸放大。該結構主要包括藍寶石基板10，形成於藍寶石基板10 上的第一 GaN磊晶層30，複數個均勻分佈於第一 GaN磊晶層的表面的GaN奈米柱31，形 成於第一 GaN磊晶層30上' GaN奈米柱31之間的孔隙40，形成於孔隙40及GaN奈米柱 31上、無缺陷的第二GaN磊晶層50。GaN奈米柱31的尺寸約爲1〇〇〜500 nm高，相鄰奈米 柱之間距，亦即孔隙40的大小約爲100〜500nm，較佳爲200〜300nm。 本發明使用的基板材質除了藍寶石之外，亦可選用GaN、AIN、AlGaN、碳化矽等。至 於奈米柱、第一磊晶層及第二磊晶層除了 GaN材質外，亦可選用其他瓜族及V族元素組成的 可發光材料，如ZnSe〇 第2〜4圖顯示以本發明的方法，於基板上製造無缺陷磊晶層過程中的結構剖面圖。首先， 提供一藍寶石基板1〇，如第2圖所示。接著，在藍寶石基板10上進行第一次磊晶，形成n-GaN 第一磊晶層30，如第3圖所示，η-GaN第一磊晶層30的厚度約爲100〜l，〇〇〇nm。 接著，以反應離子鈾刻(reactive ion etching，RIE)中的感應式親合電漿(inductively-coupled plasma，ICP)蝕刻法，在無光罩的情形下，將第一磊晶層30垂直蝕刻至深度約1〇〇〜500 nm， 隨機形成複數個分佈相當均勻的奈米柱31，如第4圖所示，圖中箭頭表示蝕刻係以垂直方向 進行。本實施例係採用直接以乾鈾刻製作奈米柱；乾餓刻之電獎源爲Cl2/Ar = 21/9 seem，ICP 上電極功率/下電極偏壓功率=700/100W，鈾刻時間爲2分鐘。 於其他實施例中，亦可以濕蝕刻製作具粗糙之表面後’再乾蝕刻（Cl2/A〇製作奈米柱。 乾蝕刻之條件同上，濕蝕刻之蝕刻液爲K0H，蝕刻時間爲50分鐘。 最後，在η-GaN第一磊晶層30及奈米柱31上進行第二次磊晶，並控制橫向磊晶速率大 於縱向磊晶速率，以形成低缺陷的η-GaN第二磊晶層50，如第1圖所示。圖中，奈米柱31 1297959 之間的孔隙40因面積甚小，在第二次磊晶的過程中，往往無法使GaN磊晶達到奈米柱31之 間的孔隙的表面，因此刻意形成差排（dislocation)缺陷之不蓮續。且以奈米柱31作爲同質 磊晶的種子（seed)，可使GaN接續生長。又由於過程中橫向磊晶速率大於縱向磊晶速率， 奈米柱31上的GaN沉積物橫向接合良好，而形成低缺陷的磊晶層50，即第1圖所示的結構。 第一磊晶層30、奈米柱31及第二磊晶層50的厚度共約2,000nm，並共同形成一 η-GaN批覆 層。 鲁 第5圖顯示第二次磊晶時，η-GaN沉積的實際情形，低缺陷磊晶層50除了延續奈米柱 31向上生長外，易有少許橫向沉積在孔隙40邊緣。 " 第6圖爲本發明磊晶結構的另一實施例，與前一實施例不同之處在於：基板1〇上先以低 溫磊晶生長GaN緩衝層20，再於高溫下生長η-GaN第一磊晶層30 〇 GaN緩衝層20的厚度 約爲 200nm (100〜1000)。 第7圖係以第1圖的結構爲基，繼續磊晶成長InGaN/GaN的多重量子井（MQW)發光 層60及p-GaN批覆層70後，將發光層60及p-GaN批覆層70的一側蝕刻，使η-GaN磊晶 •....................................... 層裸露出，接著在p-GaN批覆層70的表面濺鍍上IT0透明接觸層80 ;最後，經退火程序製 • 成電極91、92，得到完整的LED結構。 . 第8圖爲奈米柱表面的觀察分析結果。其中，（a)及(b)分別爲掃描式電子顯微鏡（SEM ) 及原子力顯微鏡（AFM)下，單純乾蝕刻後的奈米柱表面。⑹及⑹分別爲SEM及AFM下， 濕蝕刻加上乾蝕刻後的奈米柱表面。由⑻及⑹可看出，經過濕鈾刻後奈米柱的分佈較密集。 (b)及(d)的解析度不同，但可看出單純乾蝕刻後奈米柱的深度較大，或表面粗糙度較高。綜合 而言，每一奈米柱的高度約爲50〜500 nm，直徑約爲30〜500 nm ;相鄰奈米柱之間距約爲 1297959 0〜1，000 nm，而大部分不超過300 nm，亦即第一磊晶層表面的孔隙寬度非常有限。（請依圖示 確認）’ 第9圖爲比較本發明與傳統LED的典型之發光光譜（photohminescence spectrum) ’本發 明之LED發光波長產生紅移現象，此表示此奈米柱可有效降低差排材料缺陷；又以感測器量 測本發明磊晶結構製成的LED其光度約爲傳統LED光度的1.5倍。第10圖則比較本發明與 傳統LED的功率輸出；顯示注入電流爲20mA時，本發明的功率輸出爲8mW，比傳統LED _的711^增加約14%6 本發明使用的磊晶的方法並無特別限制，可爲有機金屬化學氣相沉積(Metal_OrgaiiiC Chemical Vapor Deposition，MOCVD)、原子遷移強化有機金屬化學氣相沉積 (migration-enhanced Metal Organic Chemical Vapor Deposition，ME-MOCVD)、分子束嘉晶法 (Molecular Beam Epitaxy，MBE)、或任何其他適當的方法。 藉由本發明方法所得到的結構具有一低缺陷的磊晶層，有效提高後續製程的良率。而低 缺陷磊晶層與基板之間的缺陷形式則可被有效控制，對後續製程的影響將降到最低。 1297959 【圖式簡單說明】 第1圖爲本發明磊晶結構之一較佳實施例；. 第2〜4圖顯示以本發明的方法，於基板上製造低缺陷磊晶層過程中的結構剖面圖； 第5圖顯示第二次磊晶時的實際沉積情形； 第6圖爲本發明磊晶結構的另一實施例。 第7圖係以第1圖的結構爲基完成的LED結構； 第8圖爲奈米柱表面以SEM及AFM觀察分析的結果； 第9圖爲比較本發明與傳統LED的發光光譜； 第10圖爲比較本發明與傳統LED的功率輸出。 【符號說明】 藍寶石基板 10 GaN緩衝層 20 n-GaN第一磊晶層 30 GaN奈米柱 31 孔隙 40 η-GaN第二磊晶層 50 發光層 60 p-GaN批覆層 70 ITO透明接觸層 80 電極 91、92 10

Claims (1)

1297959 十、申請專利範圍： 1· 一種嘉晶結構，包括： 一基板； 一第一嘉晶層，形成於該基板上； 複數個奈米柱，分佈於該第一磊晶層的表面，每一奈米柱爲具有奈米等級尺寸的柱狀體， 相鄰奈米柱之間距約爲0〜l，〇〇〇nm ;及 • 一第二磊晶層，形成於該奈米柱上，且爲低缺陷。 2·如申請專利範圍第1項所述之磊晶結構，其中該基板爲選自藍寶石、GaN、AIN、AlGaN • 及碳化矽所組之群。 3·如申請專利範圍第1項所述之磊晶結構，其中該基板與第一磊晶層之間更包括一緩衝層。 4.如申請專利範圍第1項所述之磊晶結構，其中該複數個奈米柱、第一磊晶層及第二磊晶 層係由含ΠΙ族及V族元素的材料組成。 • 5.如申請專利範圍第1項所述之磊晶結構，其中該複數個奈米柱、第一磊晶層及第二磊晶 層係由含Ga及N元素的材料組成。 6. 如申請專利範圔第1項所述之磊晶結構，其中該奈米柱的高度約爲50〜500 nm 〇 7. 如申請專利範圍第1項所述之磊晶結構，其中該相鄰奈米柱之間距約爲〇〜1，〇〇〇 nm。 8. 如申請專利範圍第1項所述之磊晶結構，係應用於一半導體發光元件，其中該第一磊晶 層、複數個奈米柱及第二磊晶層並作爲第一型批覆層；該半導體發光元件尙包括： 一發光磊晶層，形成於該磊晶結構上; 1297959 一第二型批覆層，形成於該發光磊晶上； 一第一型電極，形成於該第二型批覆層上；及 一第二型電極，形成於適當位置。 9· 一種製造磊晶結構之方法，包括下列步驟： a·提供一基板丨 b. 於該基板上進行第一次磊晶，形成一第一磊晶層； c. 以反應離子蝕刻(reactive ion etching)程序將第一磊晶層垂直蝕刻至一預定深度，形 成複數個均勻分佈的奈米柱，每一奈米柱爲具有奈米等級尺寸的柱狀體，相鄰奈米 柱之間距約爲100〜500nm ; d. 於該第一磊晶層及奈米柱上進行第二次磊晶，形成一無缺陷的第二磊晶層。 10.如申請專利範圍第9項所述之方法，其中該步驟⑻的基板爲選自藍寶石、GaN、A1N、 AlGaN及碳化矽所組之群。 11·如申請專利範圍第9項所述之方法，其中該步驟⑻的基板上更具有一緩衝層。 12. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中該步驟(b)的第一磊晶層及步驟(d)的第二磊晶層 爲含有m族及V族元素組成的材料層。 13. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中該步驟(b)的第一磊晶層及步驟(d)第二磊晶層爲 含有Ga及N元素組成的材料層。 14. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中該步驟(b)與(c)之間更包括一步驟：以濕蝕刻程 序鈾刻該第一嘉晶層。 15. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中該步驟⑷的反應離子蝕刻程序爲感應式耦合電 12 * 1297959 漿(inductively-coupled plasma，ICP)餓刻程序。 16· 項所’ ^_驟(〇冲垂直餓刻嘉晶層之預定深度約爲 50〜500 nm 〇 17·如申請專利範麟9項所述之方法，其中該歩_的相鄰奈米柱之間距約貞 0〜l5000nm。 18.如申請專利範圍第9項所述之方法，其中該步驟(d)的第二次磊晶的橫向磊晶速率大於縱 向磊晶速率。 19·如申請專利範圍第9項所述之方法，其中該第一磊晶層、複數個奈米柱及第二磊晶層係 一半導體發光元件之批覆層。

13