TWI392109B - 形成於基底上之光子裝置及其製造方法 - Google Patents
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Description
本發明有關於一種形成於基底上之包含氧化鉬的半導體光子裝置，該基底由用於已知的半導體光子裝置中之材料所構成。根據本發明之半導體光子裝置發射或吸收具有短的波長之光線。
更詳言之，本發明有關於形成於基底上之發射藍或紫外線光之新的發光二極體，該基底由用於已知的半導體光子裝置中之材料所構成。根據本發明之光子裝置能夠克服伴隨諸如氮化鎵(GaN)或碳化矽(SiC)之半導體所製成的裝置之問題。再者，本發明有關於形成於由用於已知的半導體光子裝置中之材料所構成之基底上之光子裝置，其發射波長小於在其中GaN發光二極體可發射之361nm之光線。另外，本發明有關於形成於由用於已知的半導體光吸收裝置中之材料所構成之基底上之光吸收裝置，其吸收具有波長小於361nm之光線並轉換成電力。
本發明亦有關於一種於由已經用於常見的電子與光子裝置中的材料所構成之基底上的該光子裝置之新的製造方法。
近來已開發出發射藍光之發光裝置以實現光之三原色並獲得用於數位視訊光碟(DVD)之具有較短波長之光。已開發之藍光發射裝置使用氮化鎵(GaN)為主動區域，這對發射光線而言非常重要。GaN之能帶隙約為3.43 eV，其對應至361nm之波長。雖然可從GaN裝置獲得藍光，卻存在一些棘手的問題。首先，仍無法獲得GaN之塊狀晶體，因為氮相對於鎵的平衡蒸汽壓相對的非常高。故，使用由藍寶石或碳化矽製成之基底。GaN無法直接形成於藍寶石基底上因為藍寶石與GaN之間有16%的晶格不匹配。因此，在GaN之生成前先形成一層氮化鋁(AlN)緩衝層於藍寶石基底上。由於很難將雜質摻入AlN中，AlN具電阻性(resistive)。故結構與其製造程序嚴重地受限。另一方面，SiC基底非常昂貴，因為SiC之塊狀晶體在極高溫度2200－2400℃下生成。
氧化鋅(ZnO)具有用於形成藍光發射裝置之可能性。惟，它的能帶隙惟3.2 eV，其對應387之光波長，比GaN裝置發射的更長。另外，ZnO具有在實現可行的裝置之前須先解決之許多問題。
目前半導體光子裝置可發射的光之最短的波長為GaN裝置可發射者。DVD記憶體之最大密度係由波長所決定。因此，可發射具有較短波長之新的光子裝置預計能增加DVD記憶體之最大密度或取代諸如He－Cd雷射之氣體雷射。此外，希望能有由新材料製成之新的藍光發射裝置，因為目前的藍光發射裝置具有上述的許多問題。再者，希望能有可發射波長短於GaN裝置可發射之361nm的光線或諸如250－350 nm之較短波長的深紫外線之新的裝置。
實現新裝置必須解決的問題係獲得能取代諸如藍寶石或SiC之昂貴的新基底。
第二個問題為實現可於比形成GaN或SiC層之溫度更低的溫度下生成新的半導體。需要較大的能量在高溫下形成半導體層。此外，原子有可能在層間移動並擾亂構成或者摻雜物移動接近層間之介面。需要在高於1000℃之溫度形成GaN或SiC層。
可使用針對此種光子裝置之氧化鉬部分地解決上述之問題。本發明之發明人發現高品質的氧化鉬晶體具有大於3.2 eV之能帶隙並可非常有用地用於光子與電子裝置中(美國專利申請案第10/848,145以及10/863,288號)。
於上述專利申請案中描述了本發明之發明人所發現的事實與方法。將之總結於下：(i)高品質的氧化鉬晶體具有3.2~3.85 eV之能帶隙。係針對由具有99.99%純度之鉬片在具有99.9995%純度的氧中氧化生成之厚度大於10μm的氧化鉬層之實驗獲得結論。例如，藉由氧化作用在550℃維持120分鐘所形成的氧化鉬具有3.66 eV之能帶隙。由本發明之發明人所發明之方法形成的氧化鉬具有大於前人記載之能帶隙的原因在於係具有比前人記載之厚度更大的高品質的氧化鉬晶體。能帶隙受到層之結構，亦即，晶體或非晶體、層中的應力以及純度所影響。
(ii)由本發明之發明人的方法形成之氧化鉬已證實為亦根據電子性能之測量的半導體。
惟，於上述的專利申請案中，由金屬鉬片的一部分氧化形成氧化鉬晶體。由於鉬片並非晶體，無法使用諸如分裂(cleavage)的某些製造技術。另外，當藉由鉬片之氧化形成時氧化鉬，難以準確地控制氧化鉬層之厚度。
因此，需要形成具有能帶隙大於3.2 eV之一層半導體晶體於新的基底上，其較佳係由已知裝置中所用的材料構成且較佳為晶體。
由於氧化鉬可在低於850℃的溫度製造，可藉由使用高品質氧化鉬於裝置的主要部分中解決上述第二個問題。
本發明有關於包含生長於基底上之金屬氧化物的半導體光子裝置以及其製造方法。
該金屬氧化物包含氧化鉬，其具有大於3.2 eV的能帶隙並且在製造光子裝置時非常有用。氧化鉬在製造可發射具有短於387 nm之波長的光線之發光二極體或雷射二極體時特別有用。
本發明之一重要態樣為氧化鉬薄膜係形成於傳統上用於一般光子與電子裝置中的任何材料所構成之基底上。可用為此種基底之最常見之材料為矽。
本發明之另一重要態樣在於一種於基底上製造光子裝置之新方法。根據此新的方法，至少第一金屬氧化物層形成於基底上，較佳為氧化鉬直接形成於基底上。本發明之新的方法包含下列一系列的步驟。於第一步驟，將基底以及來源材料放置於生長室中。典型的來源材料為鉬片以及典型的基底包含矽。於第二步驟，在生長室中形成一溫度分布(temperature profile)，使得在來源材料之溫度高於基底之溫度。於第三步驟，形成溫度分布後，流入氧氣一段預定的時期，其取決於形成特定裝置需要之氧化鉬的厚度。
於光子裝置中的氧化鉬層(或諸層)可使用包含與上述之步驟類似的步驟之方法形成。於那些情況中，基底可包含裝置的一部分。
由選自諸如矽與鍺之IV元件半導體、諸如砷化鎵以及磷化鎵之III－V、諸如氧化鋅之II－IV化合物半導體、IV化合物半導體、有機半導體、金屬晶體或它們的衍生物或玻璃之材料構成任何適當的基底。
將更詳細參照本發明之較佳實施例。
第1圖示意性顯示根據本發明之第一實施例的發光二極體(1)的結構。於此實施例中，基底(2)由矽構成。惟可使用其他材料作為基底。基底較佳具導電性。形成於矽基底(2)上之層(3)由氧化鉬構成。藉由以下步驟形成層(3)。於此範例中使用鉬(Mo)片作為來源以及使用矽(Si)基底。首先，清洗並來源以及矽基底並使之乾燥。於下一步驟，加熱於氮環境下之生長室使得在來源區的溫度為650℃以及在基底區的溫度為550℃。在來源以及基底(2)分別加熱至該些溫度後，高純度氧流入生長室中並維持六小時。層(3)之厚度為6μm。雖然並非意圖摻雜層(3)，它為n型。視氧空缺為施體。緩衝層(4)形成於層(3)之上以侷限因為層(3)具有與基底(2)不同之成分而導致層(3)中的混亂。例如，層(4)係由氧化鉬構成，該氧化鉬係由與用於形成層(3)之類似的方法形成，且具有來源溫度為700℃以及基底溫度為630℃之生長條件。它為n型，具有3×101 7
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之載子濃度。
層(4)之厚度為4.0μm。一層(5)氧化鉬形成於層(4)上。藉由與用於形成層(3)之類似的方法形成層(5)，其中來源溫度為670℃以及基底溫度為600℃。它為n型，具有6×101 6
cm－ 3
之電子濃度。層(5)之結晶品質(crystallographic qualtiy)比層(4)更佳。層(5)之厚度為3.0μm。當無須令發光二極體(1)的效能盡可能地高時則無須形成層(5)。一層(6)P型氧化鉬形成於層(5)上。以例如鋅摻雜層(6)直至之1×101 7
cm－ 3
的電洞濃度。藉由與用於形成層(3)之類似的方法形成層(6)，其中來源溫度為650℃以及基底溫度為550℃以及摻雜物來源ZnO係設置在來源與基底之間的區域中。摻雜物來源之溫度為630℃。層(6)之厚度為2.0μm。電極(7)形成於層(6)上。電極(7)具有甜甜圈的形狀(環形)以不阻擋光之發射。雖然於此實施例中電極係由金所製成，可使用其他金屬作為電極。電極(7)為發光二極體之上電極並且底電極(8)藉由金之真空蒸發形成於矽基底底表面上。由模擬所獲得之發光二極體(1)的特性係如下述。當電流為20 mA時於順向通孔之電壓為10 V，當電流為20 mA時光功率為60μw以及尖峰波長為330 nm。
第2圖顯示根據本發明之第二實施例的雷射二極體(100)。雖然於此實施例中基底(101)為矽，可使用其他材料。
基底(101)較佳具導電性。藉由以下步驟形成於矽基底(101)上之層(102)係由氧化鉬構成。備置鉬(Mo)片作為來源。首先，清洗並來源以及矽基底、使之乾燥並設置於一生長室中。接著在氮環境下加熱生長室使得在來源溫度為650℃以及在基底溫度為550℃。在來源以及基底分別加熱至該些溫度後，將高純度之氧引入生長室中並且氧之流動維持4小時。層(102)之厚度為4.0μm。雖然並非意圖摻雜層(102)，它為n型。如第一實施例中所述，視氧空缺為施體。
緩衝層(103)形成於層(102)之上以侷限層(102)中的混亂。該混亂係由於層(102)具有與基底(101)不同之成分而導致。層(103)係由與用於形成第一實施例中之層(3)之類似的方法形成之氧化鉬構成，其中來源溫度為700℃以及基底溫度為630℃。層(103)為n型，具有3×101 7
cm－ 3
之載子濃度。層(103)之厚度為3.0μm。一層(104)氧化鉻鉬(Cr0 . 1
Mo0 . 9
O3
)形成於層(103)上。氧化鉻鉬(Cr0 . 1
Mo0 . 9
O3
)層(104)具有比氧化鉬更大之能帶隙並作為侷限載予以及光線於雷射二極體之主動層中之敷層(cladding layer)。雖非意圖摻雜層(104)，它為n型，具有6×101 6
cm－ 3
之載子濃度。它藉由與用於形成第一實施例中之層(3)之類似的方法形成，其中基底溫度為600℃而來源，亦即，鉬片之溫度為670℃。氧化鉻亦作為另一來源並且它的溫度亦為670℃。生長時間為3小時，且層(104)之厚度為3.0μm。一層(105)P型氧化鉬形成於層(104)上作為雷射二極體(100)的主動層。以鋅摻雜層(105)直至電洞濃度為1×101 7
cm－ 3
。藉由與用於形成第一實施例中之層(3)之類似的方法形成層(105)，其中其上形成層(102)、(103)以及(104)之基底溫度為550℃而鉬來源溫度為650℃。氧化鋅作為摻雜物來源並且設置在來源與基底之間的區域中。摻雜物來源之溫度為630℃。層(105)之厚度為0.5μm。一層(106)氧化鉻鉬(Cr0 . 1
Mo0 . 9
O3
)形成於層(105)上。層(106)具有比氧化鉬之主動層(105)更大之能帶隙並作為雷射二極體(100)之敷層(cladding layer)。層(106)藉由與用於形成第一實施例中之層(3)之類似的方法形成，其中而鉻與鉬來源之溫度為670℃以及其上形成層(102)、(103)、(104)以及(105)之基底溫度為570℃。氧化鋅作為摻雜物來源並且設置在基底與諸來源之間，其中摻雜物來源之溫度為650℃。層(106)為具有電洞濃度為4.0×101 7
之p型並且具有3.0μm之厚度。一層(107)二氧化矽形成於層(106)上，除了中央條狀區(108)。因為二氧化矽具電阻性，電流僅限於在條狀區(108)中流動。藉由例如噴濺形成二氧化矽層(107)並具有100 nm之厚度。電極層(109)形成於層(107)上並且於條狀區(108)中。雖然於一實施例中介由金之真空沉積形成電極層(109)，可使用其他的材料以及其他的沉積方法。層(109)為雷射二極體(100)之上電極同時基底(101)作為底電極，因為電極具導電性。條狀區(108)之寬度與長度分別為20以及500 μm。第2圖顯示雷射二極體(100)的一邊緣表面以及另一邊緣表面與該邊緣表面平行並與之分隔條狀區(108)的長度之距離。一對平行表面形成雷射二極體之法布里－伯羅(Fabry－Perot)共振器。於雷射二極體中之法布里－伯羅共振器的功能為此技藝中熟知者。兩邊緣表面為半鏡以形成法布里－伯羅共振器。於此實施例中，藉由分裂形成邊緣表面，因為基底(101)為晶狀矽。分裂為此技藝中熟知者。可使用諸如活性離子蝕刻之其他方式形成邊緣表面。
雷射二極體(100)的特性藉由模擬顯示如下。於5μs/1kHz之脈衝振盪，臨限電流密度以及臨限電壓分別為5.05 kA/cm2
以及16.2 V。尖峰波長為330 nm。
第2圖僅顯示雷射二極體基本的元件，並且可添加其他的元件以增進雷射二極體之特性。例如，低電阻p型層係形成於敷層(106)上以增進電極之特性。
雖於第2圖中所示之實施例中，敷層(104)與(106)由氧化鉻鉬(Cr0 . 1
Mo0 . 9
O3
)形成，可使用具有其他成分(Crx
Mo1 － x
O3
，x>0.1)之氧化鉻鉬形成或其他材料只要它們具有比氧化鉬更大之能帶隙。
已參照發光二極體以及雷射二極體之實施例描述本發明之細節。根據本發明之原理從高純度之氧化鉬具有大的能帶隙之事實所獲得之優點於其他光子裝置中為有用者。此外，氧化鉬可形成於由習知半導體光子裝置中使用之材料所構成的基底上之事實使它們在其他光子裝置中更為有用。本發明之此種應用為此技藝中可輕易導出者並且包含於本發明之範疇內。
例如，氧化鉬係用於諸如光導電裝置、光二極體、光電晶體、CCD與太陽能電池之裝置中。氧化鉬係用於此種裝置之光吸收區域中。特別係，因為形成於由習知半導體光子裝置中使用之材料所構成的基底上之氧化鉬係用於光子裝置中，可使用光子裝置的各種製造技術。因此，根據本發明將氧化鉬應用至光子裝置的可能性顯著地變大。
1．．．發光二極體
2．．．矽基底
3．．．層
4．．．緩衝層
5．．．層
6．．．層
7．．．電極
8．．．底電極
100．．．雷射二極體
101．．．基底
102．．．層
103．．．緩衝層
104．．．層
105．．．層
106．．．層
107．．．二氧化矽層
108．．．中央條狀區
109．．．電極層
第1圖為根據本發明之第一實施例的發光二極體之示意圖。
第2圖為根據本發明之第二實施例的雷射二極體之示意圖。
1．．．發光二極體
2．．．矽基底
3．．．層
4．．．緩衝層
5．．．層
6．．．層
7．．．電極
8．．．底電極
Claims (10)
- 一種半導體光子裝置，其具有藉由沉積直接形成於基底上之一結晶狀氧化鉬層，該基底係由選自結晶狀IV元件半導體、結晶狀III-V化合物半導體或結晶狀IV化合物半導體之材料構成。
- 如申請專利範圍第1項之半導體光子裝置，其中該光子裝置為光導電裝置、光二極體、光電晶體、發光二極體、半導體雷射、太陽能電池或電荷耦合器件(CCD)。
- 如申請專利範圍第1項之半導體光子裝置，其中該光子裝置為發光二極體，包含藉由沉積直接形成於該基底上之一氧化鉬層、一n型氧化鉬層以及一p型氧化鉬層。
- 如申請專利範圍第3項之半導體光子裝置，其中藉由沉積直接形成於該基底上之一氧化鉬緩衝層介於在該基底上之該氧化鉬層以及該n型氧化鉬層之間。
- 如申請專利範圍第1項之半導體光子裝置，其中該光子裝置為雷射二極體，其包含於藉由沉積直接形成於該基底上之該氧化鉬層上之n型半導體之第一敷層，其具有比該氧化鉬更大之能帶隙、於該第一敷層上之p型氧化鉬之主動層以及於該主動層上之p型半導體之第二敷層，其具有比該氧化鉬更大之能帶隙。
- 如申請專利範圍第5項之半導體光子裝置，其中藉由沉積直接形成於該基底上之一氧化鉬之緩衝層係介於在該基底上之該氧化鉬層以及該第一敷層之間。
- 如申請專利範圍第3-6項之半導體光子裝置，其中該基底包含矽。
- 如申請專利範圍第5-6項之任一項的半導體光子裝置，其中該第一以及第二敷層的每一個包含一氧化鉻鉬層。
- 如申請專利範圍第7項之半導體光子裝置，其中該第一以及第二敷層的每一個包含一氧化鉻鉬層。
- 一種半導體光子裝置之製造方法，該半導體光子裝置具有直接形成於基底上之一結晶狀氧化鉬層，該方法包含下列步驟：備置源極金屬片以及基底，該基底係由選自結晶狀IV元件半導體、結晶狀III-V化合物半導體或結晶狀IV化合物半導體之材料構成；清洗該源極以及該基底；設置該源極以及該基底於生長室中；於惰性氣體環境中加熱該源極至介於500℃與850℃之間的溫度以及該基底至介於350℃與650℃之間的溫度；以及於加熱該源極以及該基底至該個別的溫度後令氧流入 該生長室中並且將該生長室中的條件維持一段生長具有所欲之厚度的金屬氧化物層所需之預定的時期。
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