TWI436424B - 半導體元件及其製造方法 - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種半導體元件及其製造方法。
隨著光電技術的進步，半導體元件的製造與應用已漸趨成熟，諸如光電元件以及電子元件等皆可由半導體元件製造而成，使半導體元件日漸成為備受矚目的產業之一。
一般半導體元件的結構包括基板以及配置於基板上之至少一半導體層與導電層。其中位於基板與導電層之間，在形成半導體層的過程中，由於半導體層與基板晶格不匹配(Lattice mismatch)，導致所製造出之半導體元件的半導體層內產生線性差排(Threading dislocation)。如圖1所示，線性差排L是於半導體層內部因晶格不匹配所產生之細長狀缺陷。如圖2所示，線性差排L(細長狀缺陷)係由半導體層內部之結構缺陷向上延伸，並於半導體層的頂面形成孔洞V。由於在形成導電層時，導電層的材料會填入孔洞V，導致半導體元件有漏電流的產生，進而影響半導體元件的元件特性。
本發明提供一種半導體元件的製造方法，其可製造出元件功能良好的半導體元件。
本發明提供一種半導體元件，其具有良好的元件功能。
一種半導體元件及其製造方法，其中半導體元件的製造方法包括以下步驟。於一基板上形成一半導體層，其中半導體層具有一頂面以及一相對頂面之底面。底面與基板接觸，而頂面有多個孔洞，且孔洞由頂面往底面延伸。製備一溶液，其中溶液包括多個奈米顆粒。使奈米顆粒填充於孔洞中，以完成一半導體元件的製造。在填充奈米顆粒於孔洞中之後，於半導體層上形成一導電層。
本發明另提供一種半導體元件，其包括一基板、一半導體層、多個奈米顆粒以及一導電層，其中半導體層具有一頂面以及一相對頂面之底面，底面與基板接觸，而頂面有多個孔洞，且孔洞由頂面往底面延伸。多個奈米顆粒填充於孔洞中。導電層配置於半導體層上，且導電層與基板位於半導體層的相對兩側。
在本發明之一實施例中，前述之奈米顆粒的材質包括二氧化矽、氮化矽、二氧化鈦、聚苯乙烯(Polystyrene,PS)或高分子聚合物(Polymer)。
在本發明之一實施例中，前述之奈米顆粒的直徑介於2奈米至100奈米之間。
在本發明之一實施例中，前述之溶液更包括醇類或有機溶劑。
在本發明之一實施例中，前述之使奈米顆粒填充於孔洞中的方法包括將配置有半導體層的基板置入溶液中，以使奈米顆粒填充於孔洞中。
在本發明之一實施例中，前述之半導體元件的製造方法，其中半導體層包括一未摻雜(undoped)半導體層、一第一態摻雜半導體層、一發光層以及一第二態摻雜半導體層於基板上。
在本發明之一實施例中，前述之半導體層包括一未摻雜半導體層、一第一態摻雜半導體層、一第二態摻雜半導體層以及一發光層。未摻雜半導體層配置於基板上。第一態摻雜半導體層配置於基板上，且第一態摻雜半導體層位於導電層與未摻雜半導體層之間。第二態摻雜半導體層配置於基板上，且第二態摻雜半導體層位於導電層與第一態摻雜半導體層之間。發光層配置於第一態摻雜半導體層與第二態摻雜半導體層之間。
在本發明之一實施例中，前述之於基板上形成半導體層的方法包括有機金屬化學氣相沈積(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition,MOCVD)、分子束磊晶(Molecular Beam Epitaxy,MBE)、濺鍍(Sputtering)、蒸鍍(Evaporation)、脈衝雷射沈積法(Pulse Laser Deposition,PLD)、氣相磊晶(Vapor Phase Epitaxy,VPE)或液相磊晶(Liquid Phase Epitaxy,LPE)。
在本發明之一實施例中，前述之基板包括藍寶石(sapphire)基板、矽基板、銅基板或碳化矽(silicon carbide,SiC)基板。
在本發明之一實施例中，前述之半導體層之材質包括氧化鋅(Zinc oxide,ZnO)、氧化鎘鋅(Cadmium zinc oxide,CdZnO)、氧化鎂鋅(Magnesium zinc oxide,MgZnO)、氧化鎘鎂鋅(Cadmium magnesium zinc oxide,CdMgZnO)、氮化鎵(Gallium nitride,GaN)、氮化鋁(Aluminum nitride,AlN)、氮化鋁鎵(Aluminum gallium nitride,AlGaN)、氮化銦(Indium nitride,InN)、氮化銦鎵(Indium gallium nitride,InGaN)、氮化銦鋁(Indium aluminum nitride,InAlN)或氮化鋁銦鎵(Aluminum indium gallium nitride,AlInGaN)。
在本發明之一實施例中，前述之導電層的材質為導電材質，其中導電材質包括金、銀、鎳、鈦、鋁、鉻、鉑、氧化銦錫、摻鋁氧化鋅或這些材質的組合。
基於上述，本發明可藉由將奈米顆粒填充於半導體層中之孔洞，避免導電層之導電材質填入孔洞中，以降低漏電流的發生，進而提升半導體元件之光電特性。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖3A至圖3D為本發明一實施例之半導體元件的製作流程剖面示意圖。請參照圖3A，首先，於基板310上形成半導體層320，其中半導體層320具有頂面T以及相對頂面T之底面B，且底面B與基板310接觸。
半導體層320可以是藉由物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition,PVD)、化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposition,CVD)或是磊晶的方式形成於基板310上。具體而言，半導體層320可以是藉由蒸鍍、濺鍍、有機金屬化學氣相沈積、分子束磊晶、脈衝雷射沈積法、氣相磊晶或是液相磊晶等方法形成於基板310上。
基板310可以是藍寶石基板、矽基板、銅基板、碳化矽基板或任何適於形成半導體層於其上之基板，而半導體層320之材質可以是氧化鋅、氧化鎘鋅、氧化鎂鋅、氧化鎘鎂鋅、氮化鎵、氮化鋁、氮化鋁鎵、氮化銦、氮化銦鎵、氮化銦鋁、氮化鋁銦鎵或其他具有半導體特性之材質或上述材質之疊層。在本實施例中，半導體層320僅以單層結構作為示意，但在實際應用中，半導體層320可視不同需求而增加其他半導體膜層。換句話說，半導體層在其他實施例中亦可以是疊層結構。
由於基板310以及半導體層320之晶格排列不同，因此於基板310上形成半導體層320時，基板310與半導體層320晶格不匹配會造成所形成之半導體層320的結構內部產生線性差排。此處，線性差排是指半導體層320的結構內部因晶格不匹配所產生之結構缺陷，其於穿透式電子顯微術(Transmission Electron Microscopy,TEM)所觀測到的影像即如圖1所示，線性差排L(細長狀缺陷)係由半導體層320內部之結構缺陷向上延伸，並於半導體層320的頂面T形成孔洞V。就結構而論，線性差排L亦可視為半導體層320之頂面T具有多個孔洞V，其中各孔洞V向底面B延伸，且孔洞V具有一深度H。
此外，晶格匹配的程度會隨不同基板310搭配不同半導體層320而變，進而改變孔洞V於頂面T之直徑D及孔洞V向底面B延伸之深度H，另外，線性差排L於半導體層320的結構內部的分布密度或孔洞V於半導體層320之頂面T的平面密度也會改變。另外，如圖3A所示，即便是在同一個半導體層320的結構內部，孔洞V之直徑D以及孔洞V向底面B延伸之深度H亦有可能因製程參數以及製程變異而有所不同，因此本實施例不限制孔洞V之直徑D、孔洞V向底面B延伸之深度H以及孔洞V在頂面T之平面密度。
請參照圖3B，製備溶液330，其中溶液330包括多個奈米顆粒P。溶液330的製備方法例如是將多個奈米顆粒P分散於醇類、有機溶劑或是其他合適之溶劑中。奈米顆粒P的材質包括二氧化矽、氮化矽、二氧化鈦、聚苯乙烯或高分子聚合物，且奈米顆粒P的直徑介於2奈米至100奈米之間，而奈米顆粒P的形狀可以是球狀、柱狀或不規則形狀。在本實施例中，溶液330例如是由異丙醇SV(Isopropanol,IPA)以及分散於異丙醇SV中之奈米顆粒P所構成，其中奈米顆粒P的材質為二氧化矽。
接著，將配置有半導體層320的基板310置入溶液330中，以使奈米顆粒P填充於孔洞V中。在本實施例中，奈米顆粒P於溶液330中之重量百分比例如是5wt%，而配置有半導體層320的基板310置於溶液330中的時間例如是八小時。要註明的是，填充奈米顆粒P於孔洞V中所需的時間會隨奈米顆粒P於溶液330中之重量百分比而變，此為本領域具有通常知識者所知悉，因此本實施例不以上述條件為限(指奈米顆粒P於溶液330中之重量百分比或是配置有半導體層320的基板310置於溶液330中的時間)。
請參照圖3C，移除附著於半導體層320之頂面T的奈米顆粒P。在本實施例中，移除附著於頂面T之奈米顆粒P的方法例如是以棉花棒CS擦拭半導體層320之頂面T。要註明的是，奈米顆粒P於孔洞V中之填充的態樣(指奈米顆粒P於孔洞V中之分布以及填滿的程度)會受到配置有半導體層320的基板310置於溶液330中的時間而改變，因此本實施例不用以限制奈米顆粒P於孔洞V中之分布以及填滿的程度。
請參照圖3D，填充奈米顆粒P於孔洞V中之後，於半導體層320之頂面形成導電層340。在本實施例中，於半導體層320之頂面T形成導電層340的方法可以是藉由蒸鍍及濺鍍等方法將導電層340形成於半導體層320之頂面T，其中導電層340之材質為導電材質，且導電材質可以是金、銀、鎳、鈦、鋁、鉻、鉑、氧化銦錫、摻鋁氧化鋅、其他導電材質或這些材質的組合。此外，導電層340可以是上述導電材質之單層或是多層堆疊之結構。在形成導電層340之後，即初步完成本實施例之半導體元件300。必須一提的是，在實際應用上，導電層340可以作為電流擴散層，也可以作為電極層，其用途可視元件之設計而定。
要註明的是，本實施例不限定半導體層為單層或多層結構，而是要說明在形成導電層之前，藉由奈米顆粒P填充於孔洞V中，可避免在形成導電層340時導電材質落入孔洞V中而產生漏電流，進而提升應用此半導體元件300之元件特性。
值得一提的是，由本實施例之製作方法所形成之半導體元件300可進一步製作成光電元件或是高功率的電子元件，其中光電元件例如是發光二極體(Light Emitting Diode,LED)、太陽能電池(Solar cell)、光偵測器(Photo-detector)或是雷射二極體(Laser Diode,LD)，而高功率的電子元件例如是場效電晶體(Field Effect Transistor,FET)或高速電子遷移電晶體(High Electron Mobility Transistor,HEMT)等元件。
為清楚說明上述藉由填充奈米顆粒P於孔洞V中所能提升元件特性之功效，以下以一實例搭配圖4至圖6進行說明。
圖4為本發明一實例之半導體元件的剖面示意圖。請參照圖4，本實例之半導體元件400例如是一發光二極體，其包括基板410、半導體層420以及導電層430，其中半導體層420位於基板410以及導電層430之間，且半導體層420具有一底面B以及與底面相對之頂面T。底面B與基板410接觸，而頂面T具有多個孔洞V，且各孔洞V向底面B延伸。在本實例中，基板410例如是藍寶石基板，而半導體層420例如是氮化鎵或氧化鋅相關化合物。
在本實例中，半導體層420為疊層結構，其包括一未摻雜半導體層422、第一態摻雜半導體層424、發光層426以及第二態摻雜半導體層428。其中未摻雜半導體層422配置於基板410上，且未摻雜半導體層422位於基板410與導電層430之間。第一態摻雜半導體層424配置於未摻雜半導體層422之上，且第一態摻雜半導體層424位於電極層430與未摻雜半導體層422之間。第二態摻雜半導體層428位於電極層430與第一態摻雜半導體層424之間。發光層426位於第一態摻雜半導體層424與第二態摻雜半導體層428之間。第一態摻雜半導體層424的材質例如是P態的氮化鎵，第二態摻雜半導體層428的材質例如是N態的氧化鋅，而發光層426例如是氧化鎘鋅(CdZnO)與氧化鋅交替堆疊之多重量子井結構。
在本實例中，未摻雜半導體層422以及第一態摻雜半導體層424例如是藉由有機金屬化學氣相沈積的方法形成於基板410上，其中未摻雜半導體層422以及第一態摻雜半導體層424的膜厚分別是2微米以及1微米。發光層426以及第二態摻雜半導體層428例如是藉由分子束磊晶的方法形成於基板410上，其中發光層426以及第二態摻雜半導體層428的膜厚分別是0.07微米以及0.12微米。
要註明的是，由於第一態摻雜半導體層424、發光層426以及第二態摻雜半導體層428是於具有多個線性差排L之未摻雜半導體層422上接續成長，因此在成長第一態摻雜半導體層424、發光層426以及第二態摻雜半導體層428的過程中，此些線性差排L會同時向上延伸至第二態摻雜半導體層428之外表面(即半導體層420之頂面T)。是以，在上述疊層結構之半導體層420製作完成後，以結構面而言，第二態摻雜半導體層428之外表面T會產生多個孔洞V。
當然，在不同的製程條件以及製程變異下，由線性差排L所產生之結構缺陷亦有可能由未摻雜半導體層422以外之膜層產生，致使孔洞V具有不同的直徑D、向底面B延伸之深度H以及在頂面T之平面密度。是以，本實例不限制孔洞V之直徑D、孔洞V向底面B延伸之深度H以及孔洞V在頂面T之平面密度。
接著，在形成電流擴散層434及導電層436之前，可先藉由前述實施例填充奈米顆粒P的方法填充奈米顆粒P於本實例之孔洞V。圖5是在掃瞄式電子顯微術(Scanning electron microscopy)下所觀看到之影像，由圖5可明顯地看見孔洞V中填充有奈米顆粒P。請參照圖5，本實例之孔洞V的直徑約為500奈米，而奈米顆粒P的直徑介於20奈米至50奈米之間，藉由將奈米顆粒P填充於孔洞V中，可避免在形成電流擴散層434及第二電極436時導電材質落入孔洞V中，進而可抑制漏電流的產生，並提升半導體元件400之元件特性。
在本實例中，導電層進一步包括第一電極432、第二電極436以及與第二電極436電性連接之電流擴散層434。第二電極436配置於部分第二態摻雜半導體層428上，且第二電極436與發光層426位於第二態摻雜半導體層428的相對兩側。電流擴散層434與第二電極436位於第二態摻雜半導體層428的同一側，且電流擴散層434配置於第二電極436以外之第二態摻雜半導體層428上。第一電極432配置於部分之第一態摻雜半導體層424上，且第一電極432與基板410位於未摻雜半導體層422的相對兩側。
在本實例中，形成電流擴散層434、第一電極432以及第二電極436的方法可以包括以下步驟。首先，於基板410上依序地形成未摻雜半導體層422、第一態摻雜半導體層424、發光層426以及第二態摻雜半導體層428。接著，藉由一圖案化製程，圖案化第二態摻雜半導體層428、發光層426以及第一態摻雜半導體層424部份區域之厚度，以於第二態摻雜半導體層428以及發光層426上形成電流擴散層434及第二電極436之平台(mesa)，並曝露出部分第一態摻雜半導體層424。再分別於第二態摻雜半導體層428與第一態摻雜半導體層424上形成第二電極436與第一電極432。最後，在第二態摻雜半導體層428上之第二電極436以外的區域形成電流擴散層434。電流擴散層434、第一電極432以及第二電極436的材質例如是金屬或其他導電材質或相關之疊層。在本實例中，電流擴散層434以及第二電極436的材質例如是鈦(Titanium)與金(Au)之金屬疊層，而第一電極432的材質例如是鎳(Nickel)與金(Au)之金屬疊層。
圖6為比較例與實例之半導體元件的電壓與電流關係特性曲線圖，其中比較例與實例具有相似的結構，惟兩者差異處在於實例之半導體元件之半導體疊層的孔洞中填充有奈米顆粒，而比較例之半導體元件之半導體疊層的孔洞中沒有填充奈米顆粒。
請參照圖6，當施加電壓於比較例與實例之半導體元件時，由於實例之半導體元件在形成電流擴散層之前會先以奈米顆粒填充半導體疊層的孔洞。因此，藉由奈米顆粒填充半導體疊層的孔洞，可避免在形成電流擴散層的過程中，導電材質填充於孔洞中。是以，在施加電壓時，填充有奈米顆粒之半導體元件(實例)可有效地壓制經線性差排所造成的電流洩漏，使電流行經第一電極與第二電極間的路徑時可有效用於發光，從而提昇發光效率。此漏電流大小之比較可由施加反向電壓(圖6中電壓為負值)來觀察，當施加反向電壓於比較例與實例之半導體元件時，實例之半導體元件有較小之漏電流(圖6中負值之電流)。是以，藉由填充奈米顆粒於半導體疊層的孔洞中，可有效地提升半導體元件之元件功能。
值得一提的是，上述實例之半導體層為疊層結構，但本發明不以此為限。在其他實例中，半導體層亦可為單層結構。此外，在半導體層為疊層結構下，上述實例是在形成半導體疊層後且在形成電流擴散層前，填充奈米顆粒於孔洞中，但本發明不以此為限。在其他實施例中，填充奈米顆粒之步驟可以是在形成導電層之前所形成半導體疊層之任一膜層後(包括未摻雜半導體層、第一態摻雜半導體層、發光層以及第二態摻雜半導體層)。舉例而言，奈米顆粒可以是在形成第一態摻雜半導體層後填充於孔洞中，繼而再接續成長發光層以及其後之膜層。在此種架構下所形成之半導體元件亦可具有前述實施例以及實例之特性，同時隨後成長之半導體膜層內之線性差排密度可以下降，而達到較優良之晶體品質。簡言之，在此些架構下所形成之半導體元件亦可具有較良好的元件功能。
綜上所述，本發明可藉由將奈米顆粒填充於半導體層中之孔洞，避免在形成導電層時，導電材質填入孔洞中。藉此降低半導體元件之漏電流的情況，並使半導體元件之光電特性得以提升。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
300、400．．．半導體元件
310、410．．．基板
320、420．．．半導體層
330．．．溶液
340、430．．．導電層
422．．．未摻雜半導體層
424．．．第一態摻雜半導體層
426．．．發光層
428．．．第二態摻雜半導體層
432．．．第一電極
434．．．電流擴散層
436．．．第二電極
P．．．奈米顆粒
SV．．．異丙醇
T．．．頂面
B．．．底面
D．．．直徑
H．．．深度
L．．．線性差排
V．．．孔洞
CS．．．棉花棒
圖1為線性差排的剖面穿透式電子顯微影像。
圖2為線性差排在半導體層表面所形成之孔洞的掃瞄式電子顯微影像。
圖3A至圖3D為本發明一實施例之半導體元件的製作流程剖面示意圖。
圖4為本發明一實例之半導體元件的剖面示意圖。
圖5為孔洞中填充有奈米顆粒的掃瞄式電子顯微影像。
圖6為比較例與本發明一實例之半導體元件的元件特性曲線圖。
300．．．半導體元件
310．．．基板
320．．．半導體層
340．．．導電層
P．．．奈米顆粒
T．．．頂面
B．．．底面
V．．．孔洞
Claims (17)
- 一種半導體元件的製造方法，包括：於一基板上形成一半導體層，其中該半導體層具有一頂面以及一相對該頂面之底面，該底面與該基板接觸，而該頂面有多個孔洞，且該些孔洞由該頂面往該底面延伸；製備一溶液，該溶液包括多個奈米顆粒；使該些奈米顆粒填充於該些孔洞中；以及在填充該些奈米顆粒於該些孔洞中之後，於該半導體層上形成一導電層。
- 如申請專利範圍第1項所述之半導體元件的製造方法，其中該些奈米顆粒的材質包括二氧化矽、氮化矽、二氧化鈦、聚苯乙烯或高分子聚合物。
- 如申請專利範圍第1項所述之半導體元件的製造方法，其中該些奈米顆粒的直徑介於2奈米至100奈米之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之半導體元件的製造方法，其中該溶液更包括醇類或有機溶劑。
- 如申請專利範圍第1項所述之半導體元件的製造方法，其中使該些奈米顆粒填充於該些孔洞中的方法包括：將配置有該半導體層的該基板置入該溶液中，以使該些奈米顆粒填充於該些孔洞中。
- 如申請專利範圍第1項所述之半導體元件的製造方法，其中半導體層包括一未摻雜半導體層、一第一態摻雜半導體層、一發光層以及一第二態摻雜半導體層。
- 如申請專利範圍第1項所述之半導體元件的製造方法，其中於該基板上形成該半導體層的方法包括有機金屬化學氣相沈積、濺鍍、分子束磊晶、脈衝雷射沈積法、氣相磊晶、液相磊晶或蒸鍍。
- 如申請專利範圍第1項所述之半導體元件的製造方法，其中該基板包括藍寶石基板、矽基板、銅基板或碳化矽基板。
- 如申請專利範圍第1項所述之半導體元件的製造方法，其中該半導體層之材質包括氧化鋅、氧化鎘鋅、氧化鎂鋅、氧化鎘鎂鋅、氮化鎵、氮化鋁、氮化鋁鎵、氮化銦、氮化銦鎵、氮化銦鋁或氮化鋁銦鎵。
- 如申請專利範圍第1項所述之半導體元件的製造方法，其中該導電層之材質為導電材質，其中導電材質包括金、銀、鎳、鈦、鋁、鉻、鉑、氧化銦錫、摻鋁氧化鋅或這些材質的組合或疊層。
- 一種半導體元件，包括：一基板；一半導體層，配置於該基板上，且該半導體層具有一頂面以及一相對該頂面之底面，其中該底面與該基板接觸，而該頂面有多個孔洞，且該些孔洞由該頂面往該底面延伸；多個奈米顆粒，填充於該些孔洞中；以及一導電層，配置於該半導體層上，且該導電層與該基板位於該半導體層的相對兩側。
- 如申請專利範圍第11項所述之半導體元件，其中該些奈米顆粒的材質包括二氧化矽、氮化矽、二氧化鈦、聚苯乙烯或高分子聚合物。
- 如申請專利範圍第11項所述之半導體元件，其中該些奈米顆粒的直徑介於2奈米至100奈米之間。
- 如申請專利範圍第11項所述之半導體元件，其中該半導體層包括：一未摻雜半導體層，配置於該基板上；一第一態摻雜半導體層，配置於該基板上，且該第一態摻雜半導體層位於該導電層與該未摻雜半導體層之間；一第二態摻雜半導體層，配置於該基板上，且該第二態摻雜半導體層位於該導電層與該第一態摻雜半導體層之間；以及一發光層，配置於該第一態摻雜半導體層與該第二態摻雜半導體層之間。
- 如申請專利範圍第11項所述之半導體元件，其中該基板包括藍寶石基板、矽基板、銅基板或碳化矽基板。
- 如申請專利範圍第11項所述之半導體元件，其中該半導體層之材質包括氧化鋅、氧化鎘鋅、氧化鎂鋅、氧化鎘鎂鋅、氮化鎵、氮化鋁、氮化鋁鎵、氮化銦、氮化銦鎵、氮化銦鋁或氮化鋁銦鎵。
- 如申請專利範圍第11項所述之半導體元件的導電層之材質為導電材質，其中導電材質包括金、銀、鎳、鈦、鋁、鉻、鉑、氧化銦錫、摻鋁氧化鋅或這些材質的組合。
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