TWI511183B - 用於製造薄膜半導體本體之方法及薄膜半導體本體 - Google Patents
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Description
本發明涉及一種用於製造薄膜半導體本體之方法及薄膜半導體本體。
發出輻射之半導體本體例如已描述在文件DE 10 2005 056 604 A1及DE 10 2005 013 580 A1中。然而，這些半導體本體不是薄膜半導體本體。
本發明的目的是提供一種用於製造薄膜半導體本體之方法，該薄膜半導體本體在其輻射發出面上具有良好定義的耦合輸出(coupling-out)結構。此外，本發明提供一種對應的薄膜半導體本體。
上述目的藉由具有申請專利範圍第1項之步驟的方法及具有申請專利範圍第14項之特徵的薄膜半導體本體來達成。此方法及薄膜半導體本體之有利的實施形式及其它形式分別描述在申請專利範圍各附屬項中。
用來製造薄膜半導體本體之方法特別是包括以下各步驟：- 製備一種生長基板，- 磊晶生長一種半導體層，其在該生長基板上具有漏斗形式及/或反稜錐體形式的凹口，- 以半導體材料來填充各凹口，以形成稜錐體形式的耦合輸出結構，- 在所述耦合輸出結構上施加一種具有活性層之半
導體層序列，該活性層適合用來產生電磁輻射，- 在該半導體層序列上施加一種載體，及- 至少將具有漏斗形式及/或反稜錐體形式之凹口的該半導體層剝除，使上述稜錐體形式的耦合輸出結構成為凸起而形成在該薄膜半導體本體之輻射發出面上。
在上述方法中，藉由磊晶之生長過程而產生的反稜錐體形式或漏斗形式之凹口係作成矩陣以用來形成上述耦合輸出結構。由磊晶之生長過程而產生的反稜錐體形式或漏斗形式之凹口特別是與V-缺陷或V-坑(pits)有關。
特別佳時，各凹口及稍後所對應的凸起具有正立的稜錐體或正立的平截頭稜錐體的形式，其具有較佳是規則地形成的六角形以作為基面。
各耦合輸出結構的製造可有利地藉由磊晶方法來進行，藉以在製程期間可控制地設置各耦合輸出結構的形式。以此方式，則特別是可產生具有良好的可再生性之已定義的耦合輸出結構。
此概念”在上”此處未必是指：二個元件配置成直接互相接觸。反之，可能的情況為：於二個元件(例如，層)之間配置另一元件。
此處，具有一種通常以磊晶方式生長而成的半導體層序列(其具有用來產生輻射之活性層)之半導體本體稱為薄膜半導體本體，其中生長基板已去除或已薄化，使得該生長基板已不再能單獨地使該薄膜半導體本體有足夠的機械穩定性。薄膜半導體本體之半導體層序列因此較佳是配置在一載體上，該載體在機械上使半導體本體
穩定且特別佳為該載體不同於該半導體本體之半導體層序列用的生長基板。
此外，在該載體和可產生輻射之半導體層序列之間較佳是配置一反射層，其目的是使活性層之輻射轉向至該薄膜半導體本體之輻射發出面。又，該半導體層序列較佳是具有一種20微米或更小的厚度，此厚度特別是在5微米之範圍中。
薄膜-發光二極體晶片之基本原理例如已描述在文件I.Schnitzer et al.,Appl.Phys.Lett.63,16,18.October 1993,page 2174-2176中，其已揭示的內容藉由參考而併入此處。
該生長基板例如可包含以下各材料之一或由以下各材料之一來形成：藍寶石、矽、碳化矽、氮化鎵。
依據本方法之一實施形式，該生長基板在將具有漏斗形式及/或反稜錐體形式之凹口的該半導體層剝除之前在一各別的步驟中被去除。
依據本方法之另一實施形式，在具有漏斗形式及/或反稜錐體形式之凹口的該半導體層之磊晶生長期間，溫度具有小於或等於850℃之值。
較佳為，各凹口之填充及/或半導體層序列的施加同樣是藉由磊晶生長過程來達成。特別佳為，二個步驟，即，各凹口之填充及/或半導體層序列的施加，都是藉由磊晶生長過程來達成。本方法之實施形式所提供的優點在於，薄膜半導體本體之製造主要是或完全是藉由磊晶過程來達成。於是，薄膜半導體本體之製造能以有利的
方式而簡化。
特別佳為，在各凹口之填充時設立一種儘可能平坦的表面。
特別佳為，至少須形成各耦合輸出結構之大部份，使相鄰之凸起之基面相接觸。依據一實施形式，至少10%之相鄰的凸起(較佳是80%之相鄰的凸起，特別佳時90%之相鄰的凸起)的基面相接觸。
依據本方法之一實施形式，上述耦合輸出結構具有一基面，其直徑介於100奈米(含)和10微米(含)之間，較佳是介於0.5微米和1.5微米之間。
上述耦合輸出結構之高度較佳是具有一種介於100奈米(含)和10微米(含)之間的值，特別佳時是介於0.5微米和1.5微米之間。
依據本方法之另一實施形式，在上述耦合輸出結構上施加另一材料以調整該薄膜半導體本體之半導體材料和周圍的媒體(通常是空氣)之間的折射率。用來調整折射率之該材料較佳是具有一種介於1(含)和2.3(含)之間的折射率。用來調整折射率之該材料例如可以是高折射之玻璃或矽酮。
例如，可形成由氮化物-化合物半導體材料構成的上述耦合輸出結構。氮化物-化合物半導體材料是含有氮之化合物半導體材料其大致上是由系統Inx
Aly
Ga1-x-y
N，(其中0≦x≦1,0≦y≦1且x+y≦1)所構成的材料。
依據本方法之另一實施形式，在上述凹口施加一種停止層，其在藉由蝕刻過程將具有上述凹口之半導體層
剝除時用來使該蝕刻過程至少變慢。較佳是，該停止層適合用來使蝕刻速率延遲至原來之值的1/5，特別佳時延遲至原來之值的1/20。特別佳時，施加該停止層使與上述凹口直接相接觸。該停止層例如可藉由磊晶過程沈積而成。例如，可使用乾蝕刻過程作為蝕刻過程。於此，具有上述凹口之半導體層較佳是具有氮化鎵或由氮化鎵構成，而該停止層例如包含氮化鎵鋁或由氮化鎵鋁構成。
在藉由蝕刻過程將具有上述凹口之半導體層去除之後，藉由另一各別之步驟將該停止層去除。一種以氮化鎵鋁為主之停止層例如可藉由一種通常不是選擇性的濺鍍方法來去除。
較佳為，本實施形式中該生長基板在乾蝕刻過程之前以一各別的步驟來去除。例如，該生長基板若具有藍寶石，則其較佳是在該乾蝕刻過程之前藉由雷射-剝離(Lift-Off)過程來去除。例如，該生長基板若具有矽，則其可在該乾蝕刻過程之前藉由蝕刻來去除。
依據本方法之另一實施形式，在該生長基板和上述凹口之間施加一種犧牲層，其適合藉由雷射-剝離過程而被去除。較佳為，施加該犧牲層使與上述凹口直接相接觸。該犧牲層例如亦可藉由磊晶過程沈積而成。藉助於該犧牲層，則可藉由雷射-剝離過程來去除具有上述凹口之半導體層。一種能以雷射-剝離過程來去除之犧牲層例如具有氮化鎵銦或由氮化鎵銦構成。
薄膜半導體本體適合由輻射發出面發出電磁輻射，此種薄膜半導體本體特別是包含：
- 具有活性層之半導體層序列，其適合產生輻射，及- 磊晶形成之稜錐體形式的耦合輸出結構，其配置在該輻射發出面上。
上述耦合輸出結構用來使由薄膜半導體本體而來之產生於該活性層中的電磁輻射的耦合輸出率提高。
就此點而言已顯示的是，上述之與方法相關而描述的特徵同樣可形成在薄膜半導體本體的本身中。此外，與該薄膜半導體本體相關而揭示的特徵亦可用來與上述方法相組合。
本發明之其它有利的實施形式和其它形式可由以下之與各圖相關的實施例得知。
各圖式中相同、相同形式或作用相同的各組件分別設有相同的參考符號。各圖式和各圖式中所示的各元件之間的大小比例未必依比例繪出。反之，為了清楚及/或易於理解，各別的元件，特別是層厚度，已予以放大地顯示出。
依據圖1A至圖1I之實施例所示的方法中，在第一步驟中製備一種生長基板1(圖1A)。該生長基板1例如可包含藍寶石、矽、氮化鎵或碳化矽或由這些材料之一種所形成。
在下一步驟中，在該生長基板1上以磊晶方式施加一個生長層2(圖1B)。該生長層2目前是由氮化鎵形成。
在下一步驟中，在該生長層2上以磊晶方式施加一
緩衝層3，其在目前同樣由氮化鎵所形成。在以磊晶方式施加該緩衝層3時，須調整各種生長條件，以形成上述凹口4，其具有正立的反稜錐體形式，此形式具有規則的六角形以作為基面(圖1C)。於此，在磊晶之沈積期間的溫度目前是850℃。
在下一步驟中，施加一般的停止層5使直接與上述凹口4相接觸(圖1D)。上述凹口4之形式因此轉移至停止層5中，即，停止層5亦具有反稜錐體形式的凹口4。
上述凹口4然後藉由磊晶方法而以半導體材料6(目前是n-摻雜之氮化鎵材料)來填充且予以平坦化，以形成平坦的表面(圖1E)。
在該平坦的表面上以磊晶方式生長一種具有活性層8之半導體層序列7，其中該活性層8適合用來產生電磁輻射(圖1F)。
該半導體層序列7目前形成為LED-結構。該半導體層序列7包含一種n-摻雜之半導體層9。此n-摻雜之半導體層9施加成直接與已填充的上述凹口4之平坦的表面相接觸且包括氮化鎵-單一層。在n-摻雜之半導體層9上配置該活性層8，其適合用來產生電磁輻射。該活性層8具有交替配置之氮化鎵-單一層和氮化鎵銦-單一層。在活性層8上另外配置一種p-摻雜之半導體層10。此p-摻雜之半導體層10具有氮化鎵-單一層和氮化鎵鋁-單一層。
在半導體層序列7上另外配置一載體11，其例如藉由黏合、焊接或直接結合而施加至該半導體層序列7。
如圖1G所示，現在藉由雷射-剝離過程而將該生長基板1去除。
在下一步驟中，將仍保留的氮化鎵材料3剝除至停止層5為止，這例如藉由化學促成的乾蝕刻過程(圖1H)來達成。該停止層5適合用來至少使該蝕刻過程變慢。該停止層5因此較佳是具有氮化鎵鋁或由此材料構成。該停止層5可在下一步驟中例如藉由選擇性的濺鍍步驟而被去除(圖1I)。
若該生長基板1是由另一材料(例如，矽)形成為藍寶石，則將該生長基板1去除時不需雷射-剝離過程。矽基板例如可藉由蝕刻而去除。
如圖1I所示，已製成的薄膜半導體本體具有一種包含活性層8的半導體層序列7，該活性層8適合用來產生電磁輻射。磊晶生長之半導體層序列7藉由載體11而達成機械上的穩定，該載體11與該生長基板1不同。薄膜半導體本體之輻射發出面12具有磊晶生長之耦合輸出結構13，其由凸起14所形成，其中各凸起14具有正立的稜錐體之形式，此形式具有六角形的基面。各稜錐體形式的凸起14在本實施例中是由氮化鎵材料所形成。
在依據圖2A和圖2B之實施例所進行的方法中，不同於依據圖1A至圖1E之實施例之處在於，前者使用一種選擇性的雷射-剝離過程，以使該薄膜半導體本體之輻射發出面12裸露出來。
依據圖2A之實施的製程階段基本上對應於依據圖1F之製程階段。
與圖1F之製程階段不同，施加一般的犧牲層15使直接與上述凹口4相接觸，該犧牲層15適合用來選擇性地吸收雷射之光。上述凹口4同樣可在該犧牲層15中形成。該犧牲層15例如具有氮化鎵銦或由氮化鎵銦所構成。藉由雷射-剝離過程以選擇性地去除該犧牲層15，使上述的耦合輸出結構13裸露出來且使具有可產生輻射之活性層8的半導體層序列7分離(圖2A)。以此方式產生一已製成的薄膜半導體本體，如圖2B所示且已依據圖1I而作了詳細描述。
此外，在該薄膜半導體本體之輻射發出面12上亦可施加另一種材料以調整折射率。此材料例如可以是一種高折射之玻璃或矽酮。
就像圖3之例示性地顯示一種具有磊晶生長而成之漏斗形式及/或反稜錐體形式之凹口4的半導體層之網目式電子顯微攝影圖一樣，須形成上述凹口4，使直接相鄰之上述凹口4之邊緣相接觸。各凹口4具有開口，其直徑介於100奈米(含)和10微米(含)之間。各凹口4之深度同樣在100奈米(含)和10微米之間。
本專利申請案主張德國專利申請案DE 10 2011 012 928.6之優先權，其已揭示的整個內容在此一併作為參考。
本發明當然不限於依據各實施例中所作的描述。反之，本發明包含每一新的特徵和各特徵的每一種組合，特別是包含各申請專利範圍或不同實施例之各別
特徵之每一種組合，當相關的特徵或相關的組合本身未明顯地顯示在各申請專利範圍中或各實施例中時亦屬本發明。
1‧‧‧生長基板
2‧‧‧生長層
3‧‧‧緩衝層
4‧‧‧凹口
5‧‧‧停止層
6‧‧‧半導體材料
7‧‧‧半導體層序列
8‧‧‧活性層
9‧‧‧n-摻雜之半導體層
10‧‧‧p-摻雜之半導體層
11‧‧‧載體
12‧‧‧輻射發出面
13‧‧‧耦合輸出結構
14‧‧‧凸起
15‧‧‧犧牲層
圖1A至圖1I係依據一實施例顯示薄膜半導體本體在不同的製造階段期間的切面圖。
圖1I係依據一實施例顯示薄膜半導體本體之切面圖。
圖2A和圖2B係依據另一實施例顯示薄膜半導體本體在不同的製造階段中的切面圖。
圖3例示性地顯示一種具有漏斗形式及/或反稜錐體形式之凹口的半導體層之網目式電子顯微攝影圖。
4‧‧‧凹口
6‧‧‧半導體材料
7‧‧‧半導體層序列
8‧‧‧活性層
9‧‧‧n-摻雜之半導體層
10‧‧‧p-摻雜之半導體層
11‧‧‧載體
12‧‧‧輻射發出面
13‧‧‧耦合輸出結構
14‧‧‧凸起
Claims (13)
- 一種用於製造薄膜半導體本體之方法，包括以下各步驟：- 製備生長基板(1)，- 磊晶生長半導體層(3)，其在該生長基板(1)上具有漏斗形式或反稜錐體形式的凹口(4)，- 以半導體材料(6)來填充各所述凹口(4)，以形成稜錐體形式的耦合輸出結構(13)，- 在所述耦合輸出結構(13)上施加具有活性層(8)之半導體層序列(7)，該活性層(8)適合用來產生電磁輻射，- 在該半導體層序列(7)上施加載體(11)，及- 至少將具有漏斗形式或反稜錐體形式之所述凹口(4)的該半導體層(3)剝除，使上述稜錐體形式的耦合輸出結構(13)成為凸起(14)而形成在該薄膜半導體本體之輻射發出面(12)上。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其中在具有漏斗形式或反稜錐體形式之所述凹口(4)的該半導體層(3)之磊晶生長期間，溫度小於或等於850℃。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其中所述凹口(4)之填充或該半導體層序列(7)之施加係藉由磊晶之生長過程來達成。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其中相鄰之所述凸起(14)之多個基面相接觸。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其中所述凸起(14)具有 基面，其直徑介於100奈米(含)和10微米(含)之間。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其中在所述耦合輸出結構(13)上施加另一材料，以調整該薄膜半導體本體之該半導體材料和周圍的媒體之間的折射率。
- 如申請專利範圍第6項之方法，其中用來調整折射率之該材料之折射率係介於1(含)和2.3(含)之間。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其中所述耦合輸出結構(13)是由氮化物-化合物半導體材料所形成。
- 如申請專利範圍第1至8項中任一項之方法，其中在所述凹口(4)上施加一停止層(5)，其用來在藉由蝕刻過程而將具有所述凹口(4)之該半導體層(3)剝除時使該蝕刻過程變慢。
- 如申請專利範圍第9項之方法，其中- 所述凹口(4)形成在包含氮化鎵之半導體層(3)中，- 該停止層(5)包含氮化鎵鋁，及- 具有所述凹口(4)之該半導體層(3)藉由乾蝕刻過程而被去除。
- 如申請專利範圍第10項之方法，其中該生長基板(1)具有藍寶石且藉由雷射-剝離過程而被去除。
- 如申請專利範圍第10項之方法，其中該生長基板(1)具有矽且該生長基板(1)藉由蝕刻而被去除。
- 如申請專利範圍第1至8項中任一項之方法，其中在該生長基板(1)和所述耦合輸出結構(13)之間施加一犧牲層(15)，其適合藉由雷射-剝離過程而被去除。
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