TWI514614B - 固態發光半導體結構及其磊晶層成長方法 - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種發光結構，且特別是有關於一種固態發光半導體結構及其磊晶層成長方法。
發光二極體(Light-Emitting Diode，LED)主要是透過電能轉化為光能的方式發光。發光二極體的主要的組成材料是半導體，其中含有帶正電的電洞比率較高的稱為P型半導體，含有帶負電的電子比率較高的稱為N型半導體。P型半導體與N型半導體相接處形成PN接面。在發光二極體晶片的正極及負極兩端施加電壓時，電子將與電洞結合。電子與電洞結合後便以光的形式發出。
以氮化鎵為材料的藍光發光二極體，因材料受限而發展較為緩慢。以藍寶石為磊晶承載基板為例，先形成緩衝層於基板上，再於緩衝層上生長出氮化鎵，可獲得品質較佳的氮化鎵晶體。但藍寶石基板會產生散熱不佳的問題，必須再經由轉移至高導熱性之基板，才能提高發光二極體的散熱效率。因此，習知的製程提高製作成本，且增加製程的困難度，並非十分理想。另一方面，若直接在低成本之矽基板上直接生長出氮化鎵，則會形成多結晶的氮化鎵，且在高溫的結晶過程中容易產生裂痕，無法得到無裂痕且高品質的氮化鎵晶體，有待進一步改善。
本發明係有關於一種固態發光半導體結構及其磊晶層成長方法，可製作出高品質及高發光效能之磊晶層。
根據本發明之一方面，提出一種固態發光半導體結構之磊晶層成長方法。此方法包括下列步驟。提供一基板。形成多個彼此互相間隔之凸出物於基板上。形成一緩衝層於此些凸出物上，並填滿或部分填滿此些凸出物彼此間的間隙。形成一半導體磊晶堆疊層於緩衝層上，半導體磊晶堆疊層包括依序形成之一第一型半導體層、一主動層以及一第二型半導體層。
根據本發明之另一方面，提出一種固態發光半導體結構，包括一基板、多個凸出物、一緩衝層以及一半導體磊晶堆疊層。凸出物彼此互相間隔地設於基板上。緩衝層位於些凸出物上並填滿或部分填滿此些凸出物彼此間的間隙。半導體磊晶堆疊層位於緩衝層上，其中半導體磊晶堆疊層依序包括一第一型半導體層、一主動層以及一第二型半導體層。
為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
本實施例之固態發光半導體結構及其磊晶層成長方法，係利用氣相沉積法將緩衝層形成於基板之凸出物上，並使緩衝層橫向成長而填滿基板凸出物彼此間的間隙，以減緩半導體基板與半導體磊晶堆疊層之間因晶格常數差異產生的應力，避免發生縱向的貫穿裂痕，以防止磊晶層的品質發生劣化。因此，經過長時間之結晶成長，半導體磊晶堆疊層成長的品質仍符合要求。
緩衝層之材質可選自氮化鋁、氮化鎵鋁或碳化矽所構成之族群。此外，半導體磊晶堆疊層之材質可由週期表ⅢA族元素之氮化物所構成。ⅢA族元素包括硼、鋁、鎵、銦、鉈或其組合。又，N型摻雜之半導體層可添加鎂或鈣等雜質，而P型摻雜之半導體層可添加矽、硫、硒、銻或鍺等雜質。
以下係提出實施例進行詳細說明，實施例僅用以作為範例說明，並非用以限縮本發明欲保護之範圍。
第1A～1D圖繪示依照本發明一實施例之固態發光半導體結構之磊晶層成長方法的流程示意圖。第2圖繪示依照本發明一實施例之固態發光半導體結構的示意圖。固態發光半導體結構100可包括一基板110、多個凸出物112、一緩衝層120以及一半導體磊晶堆疊層130。以下介紹固態發光半導體結構100之磊晶層成長方法。
請先參照第1A～1D圖。首先，提供一基板110。形成多個彼此互相間隔之凸出物112於基板110上。形成一緩衝層120於此些凸出物112上，並填滿此些凸出物112彼此間的間隙。形成一半導體磊晶堆疊層130於緩衝層120上，半導體磊晶堆疊層130包括依序形成之一第一型半導體層132、一主動層134以及一第二型半導體層136。
在一實施例中，凸出物112與基板110之材質包括矽。在第1B圖中，凸出物112是以微影及蝕刻基板110的方式形成之矽晶凸出物112，蝕刻基板110的方式可為濕式蝕刻或乾式蝕刻。凸出物112之間以適當的間隙週期性地在基板110表面上排列出凹凸之結構。在第1C圖中，藉由凸出物112，可使緩衝層120均一地填滿於凸出物112彼此間的間隙中。凸出物112可為奈米柱結構或微米柱結構，其高度介於10奈米至10,000奈米(10微米)之間，較佳為100至200奈米之間。兩相鄰凸出物112之頂端間相距可為10奈米至1000奈米之間，較佳為50至100奈米之間。凸出物112的幾何形狀亦可為三角形、長方形、菱形或其他多邊形等，本發明對其形狀不加以限制。藉由調整凸出物112的大小、間隙及結晶成長條件，使緩衝層120的膜厚減少。
此外，第2圖所示之另一實施例的固態發光半導體結構100’，緩衝層120可只是部分填滿凸出物112之間的間隙，例如第2圖中的空隙114，即是未受緩衝層120沉積之間隙下半部，而間隙上半部是有受到緩衝層120沉積的。
由於緩衝層120可由凸出物112的頂部及側面橫向成長，直到相互連結成為連貫的平面為止，因此半導體磊晶堆疊層130與底部之基板110因晶格常數差而產生的應力得以緩和，以避免發生縱向的貫穿裂痕，故能提高後續半導體磊晶堆疊層130的結晶品質。
緩衝層120之形成方法可為化學氣相沉積法(chemical vapor deposition,CVD)，例如熱絲化學氣相沉積法或微波電漿輔助化學氣相沉積法等；或物理氣相沉積法(physical vapor deposition,PVD)，例如離子束濺鍍或蒸鍍法等。此外，半導體磊晶堆疊層130之形成方法包括有機化學氣相沉積法(MOCVD)、分子束磊晶法(MBE)、液相磊晶法(LPE)或氣相磊晶法(VPE)等。
在第1D圖中，半導體磊晶堆疊層130之主動層134可包括多量子井層，第一型半導體層132可為添加N型雜質之氮化物半導體層，第二型半導體層136可為添加P型雜質之氮化物半導體層。第一型半導體層132與第二型半導體層136可為電性相異之N型半導體層與P型半導體層，可由週期表ⅢA族元素之氮化物所構成，例如為氮化鎵、氮化鎵鋁、氮化銦鎵或氮化鋁銦鎵等。
在第1D圖中，可選擇性地形成一未摻雜雜質氮化物磊晶層131於緩衝層120與第一型半導體層132之間，且未摻雜雜質氮化物磊晶層131係由週期表ⅢA族元素之氮化物所構成，例如是氮化鋁、氮化鎵或氮化銦鎵等。
在本實施例中，雖未繪示後續之製程，但依照實際的需求，半導體磊晶堆疊層130可經由圖案化而裸露出部分第一型半導體層132，以成為具有平台狀(mesa)結構之發光二極體。
本發明上述實施例所揭露之固態發光半導體結構及其磊晶層成長方法，係利用氣相沉積法將緩衝層形成於基板之凸出物上，並使緩衝層橫向成長而填滿基板凸出物彼此間的間隙，以減緩半導體基板與半導體磊晶堆疊層之間因晶格常數差產生的應力。此外，將緩衝層形成於基板之凸出物上，更可克服不易在矽基板上磊晶生長出高品質之半導體磊晶堆疊層的問題，以提高產品的品質。再者，以單晶矽基板做為磊晶承載基板，具有較佳之導熱性，不需再進行基板移除製程，故可簡化製程之步驟及成本，並可提高發光二極體之發光效率。
綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明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，當可作各種之更動與潤飾。因此，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。
100、100’．．．固態發光半導體結構
110．．．基板
112．．．凸出物
114．．．空隙
120．．．緩衝層
130．．．半導體磊晶堆疊層
131．．．未摻雜雜質氮化物磊晶層
132．．．第一型半導體層
134．．．主動層
136．．．第二型半導體層
第1A～1D圖繪示依照本發明一實施例之固態發光半導體結構之磊晶層成長方法的流程示意圖。
第2圖繪示依照本發明一實施例之固態發光半導體結構的示意圖。
100．．．固態發光半導體結構
110．．．基板
112．．．凸出物
120．．．緩衝層
130．．．半導體磊晶堆疊層
131．．．未摻雜雜質氮化物磊晶層
132．．．第一型半導體層
134．．．主動層
136．．．第二型半導體層
Claims (18)
- 一種固態發光半導體結構之磊晶層成長方法，包括：提供一基板，其材質包括矽；形成複數個彼此互相間隔之凸出物於該基板上，該些凸出物之材質包括矽；形成一緩衝層於該些凸出物上，該緩衝層由該些凸出物的頂部及側面進行橫向成長並部分填滿該些凸出物彼此間的間隙；以及形成一半導體磊晶堆疊層於該緩衝層上，該半導體磊晶堆疊層包括依序形成之一第一型半導體層、一主動層以及一第二型半導體層。
- 如申請專利範圍第1項所述方法，其中該些凸出物之形成方法係利用微影及蝕刻方式形成。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該緩衝層係以化學氣相沉積法形成。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該些凸出物係奈米柱結構，每一該奈米柱結構之高度介於10奈米至10,000奈米之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中兩相鄰之該等凸出物之頂端間相距為10奈米至1000奈米之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該緩衝層之材質係選自氮化鋁或氮化鎵鋁所構成之族群。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該半導體磊晶層之材質係由週期表Ⅲ A族元素之氮化物所構成。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該第一型半導體層為N型半導體層，該第二型半導體層為P型半導體層。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該主動層包括有複數量子井層。
- 如申請專利範圍第1~9項其中任一項所述之方法，其中更包括形成一未摻雜雜質氮化物磊晶層於該緩衝層與該第一型半導體層之間，且該未摻雜雜質氮化物磊晶層係由週期表Ⅲ A族元素之氮化物所構成。
- 一種固態發光半導體結構，包括：一基板，其材質包括矽；複數個凸出物，彼此互相間隔地設於該基板上，該些凸出物之材質包括矽；一緩衝層，位於該些凸出物上，其中該緩衝層由該些凸出物的頂部及側面進行橫向成長而部分填滿該些凸出物彼此間的間隙，且該緩衝層之一底部與該基板之間具有未沉積該緩衝層的空隙；以及一半導體磊晶堆疊層，位於該緩衝層上，其中該半導體磊晶堆疊層依序包括一第一型半導體層、一主動層以及一第二型半導體層。
- 如申請專利範圍第11項所述之固態發光半導體結構，其中該些凸出物係奈米柱結構，每一該奈米柱結構之高度介於10奈米至10,000奈米之間。
- 如申請專利範圍第11項所述之固態發光半導體 結構，其中兩相鄰之該等凸出物之頂端間相距為10奈米至1000奈米之間。
- 如申請專利範圍第11項所述之固態發光半導體結構，其中該緩衝層之材質係選自氮化鋁或氮化鎵鋁所構成之族群。
- 如申請專利範圍第11項所述之固態發光半導體結構，其中該半導體磊晶堆疊層之材質係由週期表Ⅲ A族元素之氮化物所構成。
- 如申請專利範圍第11項所述之固態發光半導體結構，其中該第一型半導體層為N型半導體層，該第二型半導體層為P型半導體層。
- 如申請專利範圍第11項所述之固態發光半導體結構，其中該主動層包括有複數量子井層。
- 如申請專利範圍第11~17項其中任一項所述之固態發光半導體結構，更包括一未摻雜雜質氮化物磊晶層於該緩衝層與該第一型半導體層之間，且該未摻雜雜質氮化物磊晶層係由週期表Ⅲ A族元素之氮化物所構成。
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