TWI398019B - 在ｓｏｉ上氮化鎵半導體裝置及其製程 - Google Patents
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Description
本發明係關於在半導體於絕緣體上具有氮化鎵層半導體裝置之製造。
氮化鎵(GaN)是一種廣泛用在藍、紫和白光發射二極體、藍色雷射二極體、紫外線偵測器和高功率微波電晶體裝置的材料。
傳統氮化鎵裝置的技術是根據直接在藍寶石或碳化矽基板上，在大致約950℃以上溫度下單晶材料的生成。生成處理通常是金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)或分子束磊晶(MBE)技術。這些處理一般執行的條件是儘可能接近化學劑量法。雖說利用前述傳統處理製造的GaN有很多缺陷，有些人認為是單晶材料的關係。然而包含很多缺陷可能會明顯影響氮化鎵材料上，或和其連接的半導體裝置的效能，這就不能只認為是單晶材料一種低缺陷的特徵了。
先前的技術，譬如美國公告專利編號2006/0174815描述藍寶石或碳化矽(GaN直接沉積)製造的基板，是又昂貴又小，使用這種裝置是不實際或是價值有限的。先前的技術也已經發現這種基板上氮化鎵的生成所需的策略是減少基板和氮化鎵之間原子間隙不匹配所產生的缺
陷。可使用緩衝層來減少不匹配引起的缺陷。還可使用側向覆生結晶(ELOG)來大幅減少缺陷的形成，雖然先前技術曾批評此種技術較昂貴。
先前技術也批評高溫下基板上氮化鎵的生成，對耐高溫的生成設備和輔助工具會承擔相當大的風險。因此，美國公告專利編號2006/0174815中討論，前述處理在950℃以上溫度生產氮化鎵，會導致高能量耗損的缺點，所以需要使用特殊的材料。另一項缺點是說明在這種高溫下使用的基板不匹配GaN，因而必須施加昂貴的方法來克服原子間隙的不匹配。
譬如ZnO的其他基板材料只能在低溫下使用。美國公告專利編號2006/0174815中討論了使用低溫譬如650℃以下，在較便宜但對溫度敏感的基板材料譬如矽、玻璃或石英生成優點。在ZnO緩衝層生成氮化鎵被認為是有益處的，因為在650℃以下與GaN晶格更加匹配。
我們也認為在低溫下生成GaN材料品質較差，因為聚晶材料較普遍。已被證實可使用GaN緩衝層在石英上生成聚晶GaN來製造藍色LED；然而和單晶材料比較起來，人們對聚晶GaN較沒有興趣。
可以利用很多個LED，在小直徑的基板上生成，然後安置在大型面板上以達到大塊區域的光源作為背景幕的一般照明。有一種由BluGlass Limited of Silverwater Australia公司提倡的方法，在比1000℃明顯低的溫度下生產GaN被描述為直接在藍寶石上生成GaN為典型的現
行處理方式。BluGlass處理方式需要使用低溫(比1000℃明顯低的溫度)直接在玻璃上生成GaN。然而這種方法會產生非晶型或非常小粒狀的聚晶GaN會導致LED效能降低。除此之外，這種處理方式所使用的玻璃不能耐高溫，因而限制了GaN的沉積溫度，也造成不佳的材料品質和不佳的LED效能。
據此，本技術需要新的結構及/或處理方式來形成GaNLED，具有高效能而且可用在大型區域的LED以有效的成本來生產業界可用的產品。
依據本發明一個或以上實施範例中，設備包括：透明基板；黏接到透明基板的單晶矽層；以及在單晶矽層上生成單晶氮化鎵層。
依據本發明一個或以上進一步的實施範例中，LED結構包括：透明基板；黏接到透明基板的單晶矽層；以及在單晶矽層上生成單晶氮化鎵層，這裡的氮化鎵層包括形成LED的n型摻雜層和p型摻雜層。
透明基板和黏接到此的單晶矽層可耐得住750℃或更高的處理溫度，在單晶矽層上生成單晶氮化鎵層。處理溫度也可以約1000℃或更高。
單晶矽層是(111)指向的。單晶矽層可以是約1-130nm厚。單晶矽層可以從各個具有單晶氮化鎵在其間生成接
縫的面磚形成。
透明基板形成的材料選自下列族群：玻璃、玻璃陶瓷和透明陶瓷，包括氮氧化鋁、鋁酸鎂尖晶石、鋁酸釔石榴石、聚晶鋁土和藍寶石。
業界熟知此技術者隨同參考下列附圖閱讀本發明說明書將清楚地了解本發明其他項目、特性、優點等。
請參考附圖，同樣的編號表示同樣的元件，圖1顯示的是LED結構100，適合用在小型或大型區域的製造上。LED結構100包括透明基板102，黏接到透明基板102的單晶矽層104，和在單晶矽層104上生成單晶氮化鎵(GaN)層106。雖然GaN層106可採取任何已知形成LED的設計，但顯示的結構包括形成LED結構100活性部分的n型摻雜層106A和p型摻雜層106B。可使用電極107A和107B施加電壓和所需的電流以產生LED照明。熟悉此項技術的人瞭解以上結構的描述已被簡化。GaN LED結構包括不只摻雜n和p塗料的GaN區域；例如，活性區可包括MQW或DH倍異晶結構，由n型摻雜層106A和p型摻雜層106B之間的GaInN/GaN所構成。
本實施範例的半導體結構是LED結構100，基本上是一種半導體在絕緣體上(SOI)結構。到目前為止，半導體在絕緣體上結構中最常使用的半導體材料是矽。這種結
構在文獻上被稱為矽在絕緣體上結構更普遍的說法是半導體在絕緣體上結構，以縮寫SOI來表示這種結構。更明確的一種SOI型態是半導體在玻璃上(SOG)結構，譬如玻璃設計上的矽。
如同以下較詳細的討論，在單晶矽層104上單晶氮化鎵(GaN)層106是在相當高的溫度下生成以大幅減少GaN層106內的缺陷，並保證真正單晶材料的形成。因而，在單晶矽層104上的GaN生成處理應該在約750℃或更高的溫度，尤其是在約1000℃或更高的溫度下實施。
描述GaN層106(及/或矽層104)的"實質上"單晶一詞是用來解釋半導體材料通常包含至少一些原來或故意加上的內部或表面缺陷，譬如晶格缺陷或一些粒界。這個詞也真正反映某些摻雜物可能扭曲或影響半導體材料晶體結構的事實。
從材料形成的透明基板102可耐得住GaN層106生成高溫，譬如約750℃或更高，尤其是約1000℃或更高，透明基板102的CTE應該接近GaN的CTE，避免在熱循環期間，GaN層的破裂。舉例說明，透明基板102可以從選自下列族群的材料形成，包括：玻璃、玻璃陶瓷和透明陶瓷，包括氮氧化鋁、鋁酸鎂尖晶石、鋁酸釔石榴石、聚晶鋁土和藍寶石。
透明基板102最好是從氧化玻璃或氧化玻璃陶瓷形成。玻璃陶瓷是某些受制於控制結晶處理的玻璃，產生同質的晶體/玻璃材料，也因而產生玻璃內無法取得的特
性。在氧化玻璃或氧化玻璃陶瓷中，玻璃陶瓷具有耐火的優點也就是說和高溫處理是相容的。透明玻璃和玻璃陶瓷基板在以下都稱為"玻璃"。舉例說明，透明基板102可以從包含鹼土金屬離子的玻璃基板形成，譬如本公司玻璃組成份編號9664。玻璃陶瓷的熱膨脹係數和矽類似，因此是製作透明基板102很好的選擇。
透明基板102的厚度最好是在約0.1mm和約10mm之間的範圍，更好是在約0.5mm和約3mm之間的範圍。在有些應用上，透明基板102的厚度最好是大於等於約1微米以避免某些半導體設置在高頻運作下所產生的寄生電容效應。
一般而言，透明基板102藉著使用任何黏接處理，應該厚的足以支撐矽層104以及在SOI結構上實施的後續處理以產生LED 100。雖然理論上透明基板102的厚度沒有上限，但是超過支援功能，或者最後LED結構100(或其他半導體結構)所需要的厚度，也是不好的，因為透明基板102的厚度太大越難完成至少一些處理步驟以形成LED結構100，也使製造過程更昂貴，最後的成品裝置更重，體積更大。
對於特定應用，例如顯示器應用，透明基板102對可見光、近紫外線及/或近紅外線波長範圍內，例如在350nm至2微米波長範圍內為透明的。
參考圖2-3所顯示的是形成的中間結構，以產生基底結構101(圖3)，以此可形成LED 100。參考圖2，藉由
黏接單晶矽層104到透明基板102來形成半導體結構可利用任何會產生強烈黏接的技術，亦即可耐得住這裡所討論的後處理溫度和空氣。然後，GaN層106在單晶矽層104上生成或沉積(如虛線箭頭所示)。生成處理可使用一種或以上下列的處理方式達成：有機金屬氣相磊晶、金屬有機化學氣相沉積、分子束磊晶和混合氣相磊晶。這些生成處理最好在提升的溫度下實施，譬如約750℃或更高，尤其是約1000℃或更高。
也可以使用脈衝雷射沉積方式在在單晶矽層104上沉積GaN層106。脈衝雷射沉積可以在較低的溫度下實施，譬如從約室溫(譬如約25℃)到約600-700℃，甚至可以在較低的溫度下得到好品質的GaN。
產生的半導體結構101(圖3)包括：透明基板102；黏接到透明基板102的單晶矽層104；和在單晶矽層104上生成單晶氮化鎵層106。如上所述，透明基板102和黏接到此的單晶矽層104可耐得住約750℃或更高，尤其是約1000℃或更高的處理溫度，而且使用這裡所描述的技術可承受GaN材料生成中所用的空氣。利用標準處理技術，在GaN層106上或之內製造LED。
單晶矽層104應該是(111)指向，或任何其他有利於單晶GaN生成指向。的確，單晶矽層104是扮演單晶氮化鎵層106在其上生成種子層。單晶矽層104的(111)指向確保產生的GaN層106是充足的單晶設計(大幅減少任何非晶形或細粒狀聚晶GaN)，至少在LED裝置中使用結
構101時可產生改善的效能。就這方面，請參考圖4-5，顯示0.1平方mm區域的藍色LED外部量子效能的已知曲線。大致而言，LED外部量子效能會隨著增加的電流密度而減少，如圖4-5所示(Y.Narukawa,et al,JJAP,Vol.45,No.41,pp.L1084-L1086(2006)出版)。為了保持高外部量子效能，LED的運作電流密度應儘可能低。藉由確保產生的GaN層106是充足的單晶設計(大幅減少任何非晶形或細粒狀聚晶GaN)來達成。
藉著將單晶矽層104做得相當薄(譬如小於約50nm)以避免單晶矽層104中的吸收損耗和光線陷擾。除此之外，單晶矽層104有：(1)約460nm的波導截斷厚度；和(2)在100、50、25和10nm的厚度下，460nm每回的光學損耗分別為18.1%、9.5%、4.9%和2%。
單晶矽層104可以是約1-130nm的厚度，更者，最好是小於約50nm，以大幅減少吸收損耗和光線陷擾。
只要產生的黏接強到足以耐得住以上所討論的後處理溫度和空氣，生成或沉積GaN層106就可使用任何黏接單晶矽層104到透明基板102的處理。
現在要說明適合的黏接處理，請參考圖6-8，可形成所顯示的中間結構以產生黏接到透明基板102的單晶矽層104。就這方面，假定透明基板102是玻璃或玻璃陶瓷基板102，於是以此稱呼。黏接處理在美國第7176528號專利有詳細說明，其內容在此也併入參考。黏接處理的基本步驟包括：(i)將氫離子植入矽施體晶圓表面，以產
生黏接表面；(ii)讓黏接表面接觸玻璃基板；(iii)施以壓力，溫度和電壓到晶圓和玻璃基板，促進其間的黏接；和(vi)讓結構冷卻到平常的溫度促使玻璃基板和薄矽層從矽晶圓分割出來。
參考圖6，藉由拋光、清洗等方式，準備施體半導體晶圓120的植入表面121以產生相當平且均勻適合黏接到玻璃或玻璃陶瓷基板102。為了討論說明的目的，半導體晶圓120是單晶矽晶圓。藉著讓植入表面121實施一或多次離子植入處理而產生剝離層122，在施體半導體晶圓120的植入表面121以下建立一個減弱區。雖然沒有限制任何形成剝離層122方法，但至少一種合適的方法說明可在施體半導體晶圓120的植入表面121實施氫離子植入處理，至少開始產生施體半導體晶圓120內的剝離層122。可利用傳統技術調整植入能量以達到一般剝離層122的厚度，譬如約300-500nm。
可處理施體半導體晶圓120以減少植入表面121上的氫離子濃度。例如，可以沖洗和清潔施體半導體晶圓120，而剝離層122的植入表面121也可實施溫和的氧化作用。請參考圖7-8，可以利用電解處理將玻璃基板102黏接到剝離層122。在黏接處理中，可實施玻璃基板102(和剝離層122)適當的表面清洗。因此，中間結構可直接或間接接觸以達成圖7所示的安排。在接觸之前或之後，在微差溫度梯度下加熱包含施體半導體晶圓120、剝離層122和玻璃基板102的結構。玻璃基板102也可
加熱到比施體半導體晶圓120和剝離層122更高的溫度。舉例而言，玻璃基板102和施體半導體晶圓120(和剝離層122)之間的溫度差異是至少1℃，雖然這種差異可高到約100到約150℃。這種微差溫度是具有匹配施體半導體晶圓120(譬如匹配矽的CTE)熱膨脹係數(CTE)的玻璃所需的，由於熱應力的關係，這會促使之後的剝離層122和半導體晶圓120分離更為容易。
一旦玻璃基板102和施體半導體晶圓120之間的溫度微差穩定下來，就可施加機械式壓力到中間元件。壓力範圍最好是在約1到約50psi的範圍。施加較高的壓力，例如100psi以上的壓力，可能會導致玻璃基板102破裂。
玻璃基板102和施體半導體晶圓120的溫度可以是在玻璃基板102應變點的+/-150℃之內。
接著，以施體半導體晶圓120正電極和玻璃基板102負電極施加電壓到整個中間元件。中間元件在上述的條件下固定一段時間(譬如1小時左右)，移除電壓，讓中間元件在室溫中冷卻。
請參考圖8，接著將施體半導體晶圓120和玻璃基板102分開，假使還沒有完全好，可能會包含一些碎屑，以得到具有相當薄剝離層122的玻璃基板102，由黏接到此施體半導體晶圓120的半導體材料形成。由於熱應力的關係，分割可能經由撕開剝離層122來完成。或者或此外，也可使用水噴射切割或化學蝕刻這種機械應力來分割。
施加電動勢導致玻璃基板102內的鹼金屬和鹼土金屬離子從半導體/玻璃介面移向玻璃基板102。更特別的是，玻璃基板102的正離子，包括實質上所有改良劑正離子，從半導體/玻璃介面的較高電動勢遷移，形成：鄰近半導體/玻璃介面的玻璃基板102內減少正離子濃度層112；和(2)鄰近減少正離子濃度層112的玻璃基板102的加強正離子濃度層114。這可達成數項功能：(i)在玻璃基板102內產生沒有鹼金屬或鹼土金屬離子的介面(或層)112；(ii)在玻璃基板102內產生鹼金屬或鹼土金屬離子的加強介面(或層)114；(iii)在剝離層122和玻璃基板102之間產生氧化層116；和(iv)玻璃基板102變得反應性高，在相當低的溫度下加熱就可以強力黏接到剝離層122。
在圖8顯示的範例中，電解處理所產生的中間結構，依序包括：主體玻璃基板118(在玻璃基板102內)；加強鹼金屬或鹼土金屬離子層114(在玻璃基板102內)；減少鹼金屬或鹼土金屬離子層(在玻璃基板102內)；氧化層116；和剝離層122。我們知道正離子消耗層112一旦形成後，會隨著時間保持穩定，即使結構加熱到比電解處理使用溫度還高的提升溫度，譬如前述施加到單晶矽層104的GaN層106的溫度。由於是在提升溫度下形成，正離子消耗層112即使在提升溫度下也特別穩定。這些考量可確保鹼金屬和鹼土金屬離子不會從氧化玻璃或氧化玻璃陶瓷102擴散回單晶矽層104。這可以大幅減少
單晶矽層104晶體結構的任何扭曲，以及形成在其上面GaN層106的不完美。
請參考圖9-11，為了減少GaN層106的移位密度，最好沉積GaN層106在從各個有接縫124在其間(圖9-10)的面磚104A、104B等形成的單晶矽層104上。請參考圖10-11，單晶氮化鎵層106可在接縫124內經由側向磊晶生成以產生單整合層106。當單晶矽面磚104A、104B的大小比GaN層106還小時，側向生成優點最明顯。在一個或以上實施範例中，可使用多個單晶矽面磚104A、104B的小塊，GaN可經由側向磊晶生成在上面，造成GaN內任何移位的減少。
可利用以上形成結構100、101的方式，生產相當大區域的LED裝置。在大區域裝置的好處中，使加熱槽應用很是容易。因為透明基板102(尤其是玻璃基板)上的單晶矽層104有可能比較便宜，而且比藍寶石或SiC較大，可使用較大面積的結構來改善外部效能。為了產生1000 1m(可比擬60W燈泡)，我們必須提供5.88W的電力(假設外部量子效能1701m/W於25mA/mm2
情況下)。約30%的電力輸出產生熱，在這個例子約1.75W。LED面積約75mm2
(5.88W/3.13V/25mA/mm2
)，大約一般高功率LED的75倍；然而使空氣冷卻LED結構更容易也更簡單。
雖然本發明已對特定實施例加以說明，人們了解這些實施例只作為說明本發明原理及應用。因而人們了解能夠對列舉性實施例作許多變化以及設計出其他排列而並
不會脫離下列申請專利範圍界定出之本發明精神及範圍。
100‧‧‧LED結構
101‧‧‧基底結構
102‧‧‧透明基板
104‧‧‧單晶矽層
104A、104B‧‧‧面磚
106‧‧‧氮化鎵(GaN)層
106A‧‧‧n型摻雜層
106B‧‧‧p型摻雜層
107A、107B‧‧‧電極
112‧‧‧減少正離子濃度層
114‧‧‧加強正離子濃度層
116‧‧‧氧化層
118‧‧‧主體玻璃基板
120‧‧‧半導體晶圓
121‧‧‧植入表面
122‧‧‧剝離層
124‧‧‧接縫
為了顯示出本發明各項之目的，附圖所顯示為本發明優先情況，不過人們了解本發明並不會受限於所顯示之精確排列及構造。
圖1為方塊圖，其顯示出依據本發明一項或多項實施例氮化鎵為主LED裝置之結構。
圖2-3為方塊圖，其顯示出使用本發明處理形成之中間結構以製造圖1的LED裝置。
圖4-5為曲線圖，其顯示出已知面積LED外部量子效率為電流函數間之關係。
圖6-8為方塊圖，其顯示出使用本發明處理形成之中間結構以製造半導體在絕緣體上結構以使用於製造圖3之中間結構。
圖9-11為方塊圖，其顯示出使用本發明處理形成中間結構以製造圖3大面積中間半導體在絕緣體上結構。
100‧‧‧LED結構
101‧‧‧基底結構
102‧‧‧透明基板
104‧‧‧單晶矽層
104A、104B‧‧‧面磚
106‧‧‧氮化鎵(GaN)層
106A‧‧‧n型摻雜層
106B‧‧‧p型摻雜層
107A、107B‧‧‧電極
Claims (17)
- 一種半導體結構，包含：一透明基板，該透明基板依序包括一第一表面、一主體層、一非陶瓷玻璃形成的層與一第二表面，該主體層由一選自玻璃、玻璃陶瓷與透明陶瓷所構成之群組的材料所形成；一單晶矽層，該單晶矽層黏接到該透明基板的該第二表面；以及一單晶氮化鎵層，該單晶氮化鎵層佈置在該單晶矽層上，其中該透明基板以及黏接至該透明基板之該單晶矽層能夠承受1000℃或更高之處理溫度，以在該單晶矽層上生成該單晶氮化鎵層。
- 依據申請專利範圍第1項之半導體結構，其中該單晶矽層直接黏接至該透明基板的該第二表面。
- 依據申請專利範圍第1項之半導體結構，其中該單晶矽層為(111)指向。
- 依據申請專利範圍第1項之半導體結構，其中該單晶矽層厚度約為1-130nm。
- 依據申請專利範圍第1項之半導體結構，其中該單晶矽層由複數個分隔面磚所形成，複數個分隔面磚之間具有裂縫，該單晶氮化鎵層已生成於該些裂縫中。
- 依據申請專利範圍第1項之半導體結構，其中：該透明基板為玻璃或玻璃陶瓷，且該透明基板依序包括一主體層、一加強正離子濃度層與一減少正離子濃度層，其中該加強正離子濃度層由於離子遷移所致而包含實質上所有來自該減少正離子濃度層之改良劑正離子；以及一導電或半導體氧化層位於該基板之該減少正離子濃度層與該單晶矽層之間。
- 一種LED結構，包含：一透明基板，該透明基板依序包括一第一表面、一主體層、一非陶瓷玻璃形成的層與一第二表面，該主體層由一選自玻璃、玻璃陶瓷與透明陶瓷所構成之群組的材料所形成；一單晶矽層，該單晶矽層直接黏接到該透明基板的該第二表面；以及一單晶氮化鎵層，該單晶氮化鎵層在該單晶矽層上生成，其中該氮化鎵層包含一n型摻雜層以及一p型摻雜層，該n型摻雜層以及該p型摻雜層形成一LED，其中該透明基板以及黏接至該透明基板之該單晶矽 層能夠承受1000℃或更高之處理溫度，以在該單晶矽層上生成該單晶氮化鎵層。
- 一種形成一半導體結構之方法，包含：對一施體單晶矽晶圓之一植入表面施以一離子植入處理，以產生該施體半導體晶圓之一剝離層；使用電解處理將該剝離層之植入表面黏接至一透明基板，以致該透明基板依序包括一第一表面、一主體層、一非陶瓷玻璃形成的層與一第二表面，該主體層由一選自玻璃、玻璃陶瓷與透明陶瓷所構成之群組的材料所形成；由該施體矽晶圓分離該剝離層以產生黏接至該透明基板之該第二表面之單晶矽層；及在該單晶矽層上生成一單晶氮化鎵層，其中該透明基板以及黏接至該透明基板之該單晶矽層能夠承受1000℃或更高之處理溫度，以在該單晶矽層上生成該單晶氮化鎵層。
- 依據申請專利範圍第8項之方法，其中該單晶氮化鎵層使用一種或多種下列處理所生成：有機金屬氣相磊晶、金屬有機化學氣相沉積、分子束磊晶、混合氣相磊晶與脈衝雷射沉積。
- 依據申請專利範圍第8項之方法，其中該單晶矽層直 接黏接至該透明基板的該第二表面。
- 依據申請專利範圍第9項之方法，其中該單晶氮化鎵層使用脈衝雷射沉積所生成。
- 依據申請專利範圍第11項之方法，其中該脈衝雷射沉積在25至700℃之間的溫度下進行。
- 依據申請專利範圍第8項之方法，進一步包含使用複數個單晶矽面磚形成該單晶矽層，以致在一個或多個相鄰面磚之間存在有一個或多個接縫。
- 依據申請專利範圍第13項之方法，進一步包含藉由允許至少一些單晶氮化鎵層經由側向磊晶至少部份地填充該些接縫，以至少填充一些相鄰面磚間之接縫。
- 依據申請專利範圍第8項之方法，進一步包含使用複數個微米尺寸單晶矽面磚來形成該單晶矽層。
- 依據申請專利範圍第8項之方法，其中該黏接步驟包含：加熱該透明基板及該施體矽晶圓之至少一者；經由該剝離層使該透明基板直接或間接接觸該施體矽晶圓；以及 施加電壓電位橫跨該透明基板及該施體矽晶圓以引發該黏接作用。
- 依據申請專利範圍第16項之方法，進一步包含：維持接觸、加熱以及電壓，使得(i)一氧化層形成於該透明基板上且在該施體矽晶圓以及該透明基板之間；以及(ii)該透明基板之正離子遷移離開該施體矽晶圓之較高電動勢，該透明基板之正離子包含實質上所有改良劑正離子，而形成(1)一減少正離子濃度層，該減少正離子濃度層位於該透明基板中且鄰近該施體矽晶圓；以及(2)該透明基板的一增加正離子濃度層，該增加正離子濃度層鄰近該減少正離子濃度層。
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