TWI450417B - 半導體元件 - Google Patents
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Description
本揭露係關於一種半導體元件，特別係關於一種半導體元件，其在圖案化基板之凸塊(具有複數晶格方向)上的磊晶層實質上具有單一晶格方向，俾便降低缺陷密度並提昇靜電放電(ESD)防護能力。
半導體元件(例如發光二極體)，已經被廣泛地應用在各種交通號誌、車用電子、液晶顯示器背光模組以及一般照明等。發光二極體基本上係在基板上依序形成n型半導體層、發光區域、p型半導體層，並採用在p型半導體層及n型半導體層上形成電極，藉由自半導體層注入之電洞與電子再結合，在發光區域上產生光束，其經由p型半導體層上之透光性電極或基板射出發光二極體。用於製造可見光發光二極體的常用材料包括各種III-V族化合物，包括用於製造綠、黃、橙或紅光發光二極體的磷化鋁鎵銦(AlGaInP)以及用於製造藍光或紫外光發光二極體的氮化鎵(GaN)，其中氮化鎵發光二極體是成長在藍寶石基板上。然而，在習知之發光二極體結構中，藍寶石基板與氮化鎵磊晶層之間的晶格係數差異(lattice mismatch)很大，因而難以降低發光層之差排密度。
台灣專利公告第561632號揭示一種高外部量子效率之發光元件，其在基板之表面部分形成使發光區域產生之光散射或繞射之至少一個凹部及/或凸塊。凹部及/或凸塊之形狀可避免結晶缺陷形成於半導體層內部。
台灣專利公告第I236773號揭示一種發光元件，其包含一基板及一形成在該基板上的磊晶體。該基板具有一基面及複數相間隔地由該基板之基面凹陷的凹槽。該磊晶體具有一基面及複數由該磊晶體之基面凸伸而出的凸柱。該磊晶體的凸柱是分別設置於該基板的凹槽內。該基板的每一凹槽與該磊晶體的每一凸柱相配合界定出複數封閉孔。
台灣專利公告第I253771號揠示一種發光二極體結構，包括基板、第一型摻雜半導體層、第一電極、發光層、第二型摻雜半導體層與第二電極。其中，基板具有一表面以及多個位於表面上之圓柱狀光子晶體，而第一型摻雜半導體層是配置於基板上以覆蓋這些光子晶體。發光層、第二型摻雜半導體層與第二電極是依序配置於部分之第一型摻雜半導體層上，而第一電極則是配置於未覆蓋有發光層的部分第一型摻雜半導體層上。由於具有光子晶體的基板能夠改善第一型摻雜半導體層的磊晶品質，並增加正向出射發光二極體結構的光能量，因此可有效提高發光二極體結構的發光效率。
武東星等人揭示一種近紫外光氮化物發光二極體，其發光波長約為410奈米(參見："Enhanced Output Power of Near-Ultraviolet InGaN-GaN LEDs Grown on Patterned Sapphire Substrates," IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS,VOL. 17,NO. 2,FEBRUARY 2005)。相較於習知之發光二極體，使用圖案化藍寶石基板之發光二極體的發光強度提升約63%。使用圖案化藍寶石基板之發光二極體操作在20mA之正向電流下的輸出功率及外部量子效率分別為10.4mW及14.1%。發光強度之提昇主要係歸因於使用圖案化基板而降低螺紋狀差排(threading dislocations)及增加在橫向之取光效率。
本揭露提供一種半導體元件，其在圖案化基板上之磊晶層實質上具有單一晶格方向，俾便降低缺陷密度並提昇靜電放電(ESD)防護能力。
本揭露之半導體元件之一實施例包含一基板及設置於該基板上方之一磊晶層。該基板包含一上表面以及複數個設置於該上表面之凸塊，該凸塊包含一頂面及複數個壁面，該頂面實質上平行於該該上表面，該壁面夾置於該頂面與該上表面之間。該磊晶層在該上表面上方之晶格方向與在該壁面上方之晶格方向實質相同。
本揭露之半導體元件之另一實施例包含一基板及設置於該基板上方之一磊晶層。該基板包含一上表面以及複數個設置於該上表面之凸塊，該凸塊包含一頂面及複數個壁面，該頂面實質上平行於該上表面，該壁面夾置於該頂面與該上表面之間。該磊晶層具有單一晶格方向且實質上覆蓋該基板及該凸塊之壁面，該磊晶層實質上沒有空洞。
上文已相當廣泛地概述本揭露之技術特徵及優點，俾使下文之本揭露詳細描述得以獲得較佳瞭解。構成本揭露之申請專利範圍標的之其它技術特徵及優點將描述於下文。本揭露所屬技術領域中具有通常知識者應瞭解，可相當容易地利用下文揭示之概念與特定實施例可作為修改或設計其它結構或製程而實現與本揭露相同之目的。本揭露所屬技術領域中具有通常知識者亦應瞭解，這類等效建構無法脫離後附之申請專利範圍所界定之本揭露的精神和範圍。
為了解決習知技術之問題並提昇發光效率，本案發明人提出使用圖案化藍寶石基板作為發光二極體之磊晶基板，藉由圖案化藍寶石基板之凸塊的頂面、斜面及壁面以不同角度反射/繞射發光結構產生之光束，俾便大幅地降低發光結構產生之光束在該半導體發光元件之內部重複進行反射，因而得以避免該光束被該發光結構本身吸收而衰減消滅，俾便提昇取光效率(詳參美國專利申請案號12/327,367；發明名稱「SEMICONDUCTOR LIGHT-EMITTING DEVICE」)，其全文以引用方式併入本文中。
然而，圖案化藍寶石基板之凸塊的頂面、斜面及壁面的晶向(orientation)不同且均可供磊晶成長，導致從不同晶向成長之晶粒在接觸形成膜層時，因晶向不同而無可避免地會形成孔洞狀缺陷(如圖16所示)。因此，後續磊晶成長之發光結構內部也形成孔洞狀缺陷(如圖17所示)，亦即發光結構內部之缺陷密度增加而導致半導體元件對靜電放電(ESD)之防護能力降低。為了解決此一使用圖案化基板(具有複數晶格方向)所衍生之缺陷密度增加問題，本案發明人藉由在磊晶製程之前，先行在圖案化基板上實施一熱處理製程，使得後續之磊晶製程僅在一特定面向成長磊晶層，其他的面向並不會成長磊晶層，如此磊晶層實質上具有單一晶格方向，解決了不同晶向成長之晶粒形成缺陷之問題，詳如下文所述。
圖1例示本揭露第一實施例之半導體元件10之俯視圖，圖2係沿圖1之剖面線1-1之剖示圖。在本揭露之一實施例中，該半導體元件10包含一基板12、設置於該基板12上方之一緩衝層13、設置於該緩衝層13上方之一N型半導體層14、設置於該N型半導體層14上方之一發光結構16、設置於該發光結構16上方之一P型半導體層18、設置於該P型半導體層18上方之一接觸層20、設置於該接觸層20上方之一導電透明層22、設置於該N型半導體層14上之一第一電極24、以及設置於該導電透明層22上方之一第二電極26。
圖3例示本揭露第一實施例之基板12之俯視圖，圖4例示本揭露第一實施例之基板12的掃瞄式電子影像。在本揭露之一實施例中，該基板12包含一上表面12A以及複數個以週期方式設置於該上表面12A之凸塊30，該凸塊30係排列成複數個奇數列及複數個偶數列，且在偶數列之各凸塊30係位於鄰近奇數列之二個凸塊30之間。在本揭露之一實施例中，該凸塊30之高度係介於0.5至5微米之間，間隔係介於0.5至10微米之間，寬度係介於0.5至5微米之間。
在本揭露之一實施例中，該凸塊30包含一頂面32、三個壁面34以及三個斜面36，其中該斜面36係夾置於該頂面32與該壁面34之間。在本揭露之一實施例中，該壁面34與該斜面36之傾斜度不同(即與該基板12之上表面12A的夾角不同)，兩者相連且夾角係介於90至180度之間。該凸塊30包含一底面38，具有三個轉角，且該轉角之連線係呈弧狀，亦即該壁面34係呈弧狀。
圖5例示本揭露第一實施例之半導體元件10之局部掃瞄式電子影像，圖6例示圖5之掃瞄區域，圖7至圖10係本揭露第一實施列之半導體元件10的不同區域之微區域繞射圖(Nano Beam Diffraction，NBD)。在本揭露之一實施例中，該基板12係一藍寶石基板，該N型半導體磊晶層14係一氮化鎵層，且在進行磊晶製程以成長該緩衝層13之前，先在一預定溫度下進行一熱處理製程，使得該壁面34實質上不適合磊晶成長。在本揭露之一實施例中，該處理製程較佳地係在1030℃至1050℃之間，200torrs之壓力，進行約3分鐘，俾便選擇性地移除在該上表面12A及該頂面32之懸鍵(dnagling bonds)，使得該上表面12A及該頂面32適合磊晶成長；相對地，該凸塊30之壁面34則仍由懸鍵佔據而不適合磊晶成長。本揭露所屬技術領域中具有通常知識者應瞭解，在不背離後附申請專利範圍所界定之本揭露精神和範圍內，該處理製程可藉由改變溫度、壓力或處理時間，抑或添加可改變表面環境之物種，而達成選擇性地移除懸鍵之目的。
在該處理製程之後，該磊晶層13之成長製程係起始於該上表面12A及該頂面32，再延伸至該凸塊30之壁面34，因此該磊晶層13在該上表面12上方之晶格方向與在該壁面34上方之晶格方向實質相同，如圖8及圖9所示。在本揭露之一實施例中，該磊晶層13具有單一晶格方向且實質上覆蓋該基板之上表面12A及該凸塊30之壁面34，且該磊晶層13內部實質上沒有空洞。特而言之，該磊晶層13在該壁面34上方之繞射圖與在該基板12之繞射圖相符，如圖10所示。如此，該磊晶層13及其上方之膜層內部的缺陷密度大幅地降低，亦即該半導體元件10之內部缺陷密度降底，因而對靜電放電(ESD)具有較佳之防護能力。
圖11例示本揭露比較例之半導體元件之局部掃瞄式電子影像，圖12至圖15係本揭露比較例之半導體元件的不同區域之微區域繞射圖，其中在該緩衝層13之磊晶成長製程前，在高於1050℃之溫度下進行熱處理製程。該熱處理製程不僅移除了在該上表面12A及該頂面32之懸鍵，亦一併移除該凸塊30之壁面34的懸鍵，使得該上表面12A、該頂面32及該壁面32均適合磊晶成長，而該磊晶層13之成長製程可起始於該基板12之上表面12A或起始於該凸塊30之壁面34。因此，該磊晶層13在該基板12之上表面12A的晶格方向不同於該凸塊30之壁面34的晶格方向，如圖13及圖14所示。
特而言之，該磊晶層13在該壁面34上方之繞射圖與在該基板12之繞射圖不相符，如圖15所示。如此，該磊晶層13及其上方之膜層內部的缺陷密度增加，亦即該半導體元件10之內部缺陷密度增加，因而對靜電放電(ESD)的防護能力降低。
在本揭露之一實施例中，該基板12包含絕緣透光材料，例如藍寶石(Sapphire)、矽或碳化矽；該N型半導體層14、該發光結構16及該P型半導體層18包含III-V族材料，例如氮化鋁鎵、氮化鎵、氮化銦鎵、氮化鋁鎵銦、磷化鎵或磷砷化鎵；該接觸層20包含III-V族材料，例如氮化鋁鎵、氮化鎵、氮化銦鎵、氮化鋁鎵銦、磷化鎵或磷砷化鎵；該導電透明層22包含氧化銦、氧化錫或氧化銦錫；該發光結構16可以是量子井(quantum well)或是多重量子井(multi-quantum well)，夾置於P型披覆層與N型披覆層之間。此外，該N型半導體層14、該發光結構16及該P型半導體層18之材料亦可II-VI，其可選自硒化鋅鎘(ZnCdSe)、硒化鋅鎂(ZnMgSe)、硒化鋅鋇(ZnBaSe)、硒化鋅鈹(ZnBeSe)、硒化鋅鈣(ZnCaSe)、硒化鋅鍶(ZnSrSe)、硒硫化鋅鎘(ZnCdSSe)、硒硫化鋅鎂(ZnMgSSe)、碲化鋅鎘(ZnCdTe)、碲化鋅鎂(ZnMgTe)、碲化鋅鋇(ZnBaTe)、碲化鋅鈹ZnBeTe、碲化鋅鈣(ZnCaTe)、碲化鋅鍶(ZnSrTe)、鍗硫化鋅鎘(ZnCdSTe)及鍗硫化鋅鎂(ZnMgSTe)組成之群。特而言之，該基板12上之膜層可採用磊晶機台予以製備。
在本揭露之一實施例中，該頂面82係C面(0,0,1)，實質上平行於該基板62之上表面62A。該凸塊80之製程主要包含：形成一遮罩，其具有局部覆蓋該基板之圖案；進行蝕刻製程以局部去除未被該圖案覆蓋之基板，而形成該凸塊80於該圖案下方。在本揭露之一實施例中，該蝕刻製程為一濕蝕刻製程，其蝕刻液包含磷酸。
圖16及圖17係習知技藝製備之磊晶層的表面形貌影像。習知技藝使用圖4之基板，在進行磊晶製程以成長該緩衝層13之前，並未先行在一預定溫度下進行一熱處理製程使得該壁面34實質上不適合磊晶成長，因此除了在C面(0,0,1)會成長磊晶層外，在其他的面向也會成長磊晶層，如圖16所示之緩衝層13的表面形貌影像。習知技藝容許磊晶製程在複數個長晶方向成長磊晶層，使得完成磊晶製程之半導體元件的表面形貌在放大倍率為5,000倍即呈現明顯之孔洞缺陷，如圖17所示之P型半導體層18的表面形貌影像。
圖18及圖19係本揭露製備之磊晶層的表面形貌影像。本揭露同樣使用圖4之基板，但在進行磊晶製程以成長該緩衝層13之前，先行在一預定溫度下進行一熱處理製程使得該壁面34實質上不適合磊晶成長，因此磊晶製程僅在C面(0,0,1)成長磊晶層，其他的面向並不會成長磊晶層，如圖18所示之緩衝層13的表面形貌影像。本揭露控制磊晶製程僅得在單一長晶方向成長磊晶層，有效地降低缺陷之產生，即使將表面形貌影像之放大倍率為50,000倍時，仍無法觀察到明顯孔洞缺陷，如圖19所示之P型半導體層18的表面形貌影像。
本揭露之技術內容及技術特點已揭示如上，然而本揭露所屬技術領域中具有通常知識者應瞭解，在不背離後附申請專利範圍所界定之本揭露精神和範圍內，本揭露之教示及揭示可作種種之替換及修飾。例如，上文揭示之許多製程可以不同之方法實施或以其它製程予以取代，或者採用上述二種方式之組合。
此外，本案之權利範圍並不侷限於上文揭示之特定實施例的製程、機台、製造、物質之成份、裝置、方法或步驟。本揭露所屬技術領域中具有通常知識者應瞭解，基於本揭露教示及揭示製程、機台、製造、物質之成份、裝置、方法或步驟，無論現在已存在或日後開發者，其與本案實施例揭示者係以實質相同的方式執行實質相同的功能，而達到實質相同的結果，亦可使用於本揭露。因此，以下之申請專利範圍係用以涵蓋用以此類製程、機台、製造、物質之成份、裝置、方法或步驟。
10．．．半導體元件
12．．．基板
12A．．．上表面
13．．．緩衝層
14．．．N型半導體層
16．．．發光結構
18．．．P型半導體層
20．．．接觸層
22．．．導電透明層
24．．．第一電極
26．．．第二電極
30．．．凸部
32．．．頂面
34．．．壁面
36．．．斜面
38．．．底面
藉由參照前述說明及下列圖式，本揭露之技術特徵及優點得以獲得完全瞭解。
圖1例示本揭露第一實施例之半導體元件之俯視圖；
圖2係沿圖1之剖面線1-1之剖示圖；
圖3例示本揭露第一實施例之基板之俯視圖；
圖4例示本揭露第一實施例之基板之掃瞄式電子影像；
圖5例示本揭露第一實施例之半導體元件之局部掃瞄式電子影像；
圖6例示圖5之掃瞄區域；
圖7至圖10係本揭露第一實施列之半導體元件的不同區域之微區域繞射圖；
圖11例示本揭露比較例之半導體元件之局部掃瞄式電子影像；
圖12至圖15係本揭露比較例之半導體元件的不同區域之微區域繞射圖；
圖16及圖17係習知技藝製備之磊晶層的表面形貌影像；以及
圖18及圖19係本揭露製備之磊晶層的表面形貌影像。
Claims (10)
- 一種半導體元件，包含：一基板，包含一上表面以及複數個設置於該上表面之凸塊，該凸塊包含一頂面、複數個壁面以及一斜面，該頂面實質上平行於該上表面，該複數個壁面夾置於該頂面與該上表面之間，該斜面係夾置於該頂面與該複數個壁面之間，且該複數個壁面及該斜面皆與該頂面相接觸；以及一磊晶層，設置於該基板上方，該磊晶層在該上表面上方之晶格方向與在該壁面上方之晶格方向實質相同。
- 根據請求項1所述之半導體元件，其中該磊晶層在該斜面上方之晶格方向與在該壁面上方之晶格方向實質相同。
- 根據請求項1所述之半導體元件，其中該複數個壁面與該斜面之傾斜度不同。
- 根據請求項1所述之半導體元件，其中該複數個壁面中至少其一與該斜面之夾角係介於90至180度之間。
- 根據請求項1所述之半導體元件，其中該磊晶層在該複數個壁面上方之繞射圖與在該基板之繞射圖相符。
- 根據請求項1所述之半導體元件，其中該頂面係一C面。
- 根據請求項1所述之半導體元件，其中該凸塊係以週期性方式設置於該上表面。
- 根據請求項1所述之半導體元件，其中該凸塊係排列成複數個奇數列及複數個偶數列，且在偶數列之凸塊係位於鄰近奇數列之二個凸塊之間。
- 根據請求項1所述之半導體元件，其中該凸塊係經配置以散射/繞射該發光結構產生之光線。
- 根據請求項1所述之半導體元件，其中該磊晶層具有單一晶格方向，且實質上覆蓋該基板及該複數個壁面，該磊晶層實質上沒有空洞。
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