TWI545236B - 磊晶基底、半導體發光裝置及其製作方法 - Google Patents

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Description

磊晶基底、半導體發光裝置及其製作方法
本發明是有關於一種磊晶基底、半導體發光裝置及其製作方法，且特別是有關於一種具有較佳磊晶品質的磊晶基底、半導體發光裝置及其製作方法。
半導體發光裝置，例如是發光二極體(Light-emitting diode,LED)，是由包含III-V族元素(諸如氮化鎵、磷化鎵及砷化鎵等)的化合物所製造而成。發光二極體的使用期限長達100,000小時，且具有應答速度快(約10-9秒)、體積小、省功率、低污染、高可靠度及容易大量生產的優點。因此，在許多領域中都已經密集使用發光二極體，例如照明裝置、交通號誌燈、行動電話、掃描機及傳真機等。
在半導體發光裝置的製造過程中，由於半導體層與異質基板之間的晶格常數(lattice constant)與熱膨脹係數(thermal expansion coefficient,CTE)之差異，而容易造成半導體層於磊晶 過程中產生穿透錯位(dislocation)以及因熱膨脹係數不匹配而導致的熱應力的問題，傳統的半導體發光裝置遭受此應力導致嚴重彎曲並增加裂紋(crack)產生的可能性。
本發明提供一種磊晶基底與半導體發光裝置，其具有較佳的磊晶品質。
本發明提供一種磊晶基底與半導體發光裝置的製作方法，其可製作出上述的磊晶基底與半導體發光裝置。
本發明的一種磊晶基底，包括一基板以及一成核層。成核層配置在基板上，其中成核層為單晶結構的氮化鋁層，成核層的繞射圖形包括多個點狀圖樣，各點狀圖樣實質上呈圓形，且在各點狀圖樣上的任兩條相互垂直的直徑的長度比例約在0.9至1.1之間。
在本發明的一實施例中，上述的基板在靠近成核層的表面為平面。
在本發明的一實施例中，上述的成核層以濺鍍(sputter)的方式形成於基板上。
本發明的一種半導體發光裝置，包括一磊晶基底、一第一型半導體層、一主動層及一第二型半導體層。磊晶基底包括一基板以及一成核層。成核層配置在基板上，其中成核層為單晶結構的氮化鋁層，成核層的繞射圖形包括多個點狀圖樣，各點狀圖 樣實質上呈圓形，且在各點狀圖樣上的任兩條相互垂直的直徑的長度比例約在0.9至1.1之間。第一型半導體層配置在成核層上。主動層配置在該第一型半導體上。第二型半導體層配置在該主動層上。
在本發明的一實施例中，上述的半導體發光裝置更包括一緩衝層，配置在成核層與第一型半導體之間。
在本發明的一實施例中，上述的基板在靠近成核層的表面為平面。
在本發明的一實施例中，上述的成核層以濺鍍的方式形成於基板上。
本發明的一種磊晶基底的製作方法，包括：提供一基板；以及以濺鍍的方式使一成核層以單晶結構的形式形成於基板上，其中成核層為氮化鋁層，成核層的繞射圖形包括多個點狀圖樣，各點狀圖樣實質上呈圓形，且在各點狀圖樣上的任兩條相互垂直的直徑的長度比例約在0.9至1.1之間。
在本發明的一實施例中，上述的基板在靠近成核層的表面為平面。
本發明的一種半導體發光裝置的製作方法，包括：提供一基板；以濺鍍的方式使一成核層以單晶結構的形式形成於基板上，其中成核層為氮化鋁層，成核層的繞射圖形包括多個點狀圖樣，各該點狀圖樣實質上呈圓形，且在各點狀圖樣上的任兩條相互垂直的直徑的長度比例約在0.9至1.1之間；以有機金屬化學氣 相沉積的方式形成一第一型半導體層，且第一型半導體配置於成核層上；以有機金屬化學氣相沉積的方式形成一主動層，且主動層配置於第一型半導體上；以及以有機金屬化學氣相沉積的方式形成一第二型半導體層，且第二型半導體層配置於主動層上。
在本發明的一實施例中，更包括以有機金屬化學氣相沉積的方式形成一緩衝層，且緩衝層配置於成核層與第一型半導體之間。
在本發明的一實施例中，上述的基板在靠近成核層的表面為平面。
基於上述，本發明的磊晶基底與半導體發光裝置的製造方法透過濺鍍的方式在基板上形成成核層，以製作出磊晶基底，由於成核層為單晶結構的氮化鋁層，其晶格排列整齊，可使得其後生長的半導體層具有較佳的磊晶品質，而能製作出工作效率較高的半導體發光裝置。
為讓本發明的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。
D1、D2‧‧‧直徑
L1、L2‧‧‧線段
100‧‧‧磊晶基底
110‧‧‧基板
120‧‧‧成核層
122、122’‧‧‧點狀圖樣
200‧‧‧半導體發光裝置
230‧‧‧緩衝層
240‧‧‧第一型半導體層
250‧‧‧主動層
260‧‧‧第二型半導體層
300‧‧‧半導體發光裝置的製作方法
310~360‧‧‧步驟
圖1是依照本發明的一實施例的一種磊晶基底的示意圖。
圖2A是圖1的磊晶基底的成核層的電子繞射圖形。
圖2B是圖2A的局部放大圖。
圖2C是習知的成核層繞射圖形。
圖2D是圖2C的局部放大圖。
圖3是依照本發明的一實施例的一種半導體發光裝置的示意圖。
圖4是依照本發明的一實施例的一種半導體發光裝置的製作方法的流程示意圖。
圖1是依照本發明的一實施例的一種磊晶基底的示意圖。請參閱圖1，本實施例的磊晶基底100包括一基板110以及一成核層120。
在本實施例中，基板110為藍寶石基板，但在其他實施例中，任何可供成長三五族(如III族氮化物)半導體層之基板材料皆可使用，例如是矽(Si)、玻璃(SiO2)、氮化鎵(GaN)、氮化鋁(AlN)、尖晶石(spinnel)、碳化矽(SiC)、砷化鎵(GaAs)、二氧化鋰鎵(LiGaO2)、二氧化鋰鋁(LiAlO2)或四氧化鎂二鋁(MgAl2O4)等。
如圖1所示，在本實施例中，成核層120直接配置於基板110表面上，且基板110在與成核層120接觸的表面為平面。但在其他實施例中，基板110也可具有圖案化表面，基板110的形式並不以此為限制。
成核層120配置於基板110上，成核層120的目的是為 了讓後續成長半導體層(如圖3的第一型半導體層240、主動層250與第二型半導體層260等)時，提高半導體層的成膜均勻性，進而提高半導體層所形成的半導體結構的工作效率。
在本實施例中，成核層120的材質為氮化鋁，成核層120是以濺鍍(sputter)的方式形成在基板110上。一般而言，濺鍍是在充滿惰性氣體(通常是氬氣)的空間中，通過高壓電場的作用使得氬氣電離而產生高能量的氬電子流，氬電子流會轟擊靶陰極，而將固體靶材中的原子或分子撞離靶材，然後沉積在基板110上。由於製程特性的緣故，在濺鍍的過程中，氮化鋁分子在鍍膜方向上受到較強的驅動力(driving force)的影響，因此成核層120能夠以晶格排列良好的單晶結構形成在基板110上。當然，在其他實施例中，成核層120的形成方式並不僅限於濺鍍，只要能夠形成排列整齊的單晶結構的成核層120即可。
此處需說明的是，一般描述晶體的外貌稱之為直接晶格(direct lattice)，直接晶格所在的空間稱之為真實空間(real space)。若欲觀察成核層的晶格排列是否為單晶結構，相當難用真實空間來判斷與定義。目前，可透過波繞射方法來探測晶體結構，所得的結果透過倒置空間(reciprocal space)來表示便能夠了解晶格排列是否為單晶結構。
更仔細地說，在倒置空間中所表示的晶格(也就是倒置晶格(Reciprocal Lattice))是由直接晶格中各晶面的法向量所組成，倒置晶格上的任何點都代表一個平面，任何一點與原點的連 線代表原真實晶格中一晶面之法向量方向，其距點的連線代表原真實晶格中一晶面之法向量方向，其距離則代表此晶面面距的倒數。電磁波(例如是X光)經過晶體產生繞射，繞設點就是倒晶格點，也是電磁波產生完全建設性干涉的位置，利用螢光幕或偵測器可以偵測這些點或訊號所在的位置，而這些繞設點與晶體結構有一定的關係，這就是倒晶格與正晶格之間的關係，所以由這些繞設點或訊號可以得知材料的晶體結構。舉例而言，單晶結構若由連續波長的X光照射，凡是符合布拉格定律(Bragg's law)條件的平面都會產生強烈繞射，因此，結晶化合物便會展現出特定的繞射圖形，而從繞射點分佈的圖形，可以判斷晶格的對稱性。
下面將比較本實施例的磊晶基底100的成核層120的繞射圖形與習知的成核層繞射圖形，由二者的繞射圖形，清楚表示出本實施例與習知成核層間的差異。
圖2A是圖1的磊晶基底的成核層的繞射圖形。圖2B是圖2A的局部放大示意圖。請參閱圖2A與圖2B，在本實施例中，成核層120的繞射圖形包括多個點狀圖樣122，各點狀圖樣122實質上呈圓形，且在各點狀圖樣122上的任兩條相互垂直的直徑D1、D2的長度比例約在0.9至1.1之間。在一較佳的實施例中，在各點狀圖樣122上的任兩條相互垂直的直徑D1、D2的長度比例實質上為1。由圖2A與圖2B的圓形的點狀圖樣122的形狀可知，本實施例的磊晶基底100的成核層120為排列整齊的單晶結構。
圖2C是習知的成核層繞射圖形。圖2D是圖2C的局部放大示意圖。請參閱圖2C與圖2D，習知的成核層的繞射圖形也包括多個點狀圖樣122’，但是各點狀圖樣122’的輪廓扭曲而呈現出非圓形的形狀。在圖2D中，各點狀圖樣122’上通過中心的其中兩條相互垂直的線段L1、L2的長度比例會大於1.1。由圖2C可知，習知的成核層的晶格排列在C方向(接近於圖面上的水平方向)上有連續性的變化，而能判斷出此成核層並非排列整齊的單晶結構。
本實施例的磊晶基底100由於具有整體晶格為排列良好的單晶結構的成核層120，後續在成核層120上再形成半導體層時，便可具有較佳的磊晶品質。下面將進一步地介紹一種具有上述磊晶基底100的半導體發光裝置200。
圖3是依照本發明的一實施例的一種半導體發光裝置的示意圖。請參閱圖3，本實施例的半導體發光裝置200包括圖1的磊晶基底100、一緩衝層230、一第一型半導體層240、一主動層250及一第二型半導體層260。緩衝層230配置在成核層120上。第一型半導體層240配置在緩衝層230上。主動層250配置在第一型半導體層240上。第二型半導體層260配置在主動層250上。需說明的是，圖3中各層厚度僅為示意，實際上各層的厚度關係並不以此為限制。
在本實施例中，緩衝層230包括III-V族化合物半導體，例如是未摻雜的氮化鎵。由於後續在磊晶基底100上成長的半導 體層，半導體層與基板110之間的晶格常數與熱膨脹係數差異很大，而存在晶格不匹配及熱膨脹係數不匹配的現象。在本實施例中，特別在成核層120上配置緩衝層230，以減低半導體層與基板110之間的晶格不匹配的現象，以提供後續半導體層較佳的磊晶品質，進而使半導體發光裝置200具有較佳的工作效率。當然，在其他實施例中，半導體發光裝置200也可省去緩衝層230，而使第一型半導體層240直接配置於成核層120上。
第一型半導體層240例如是n型的氮化物半導體層，第二型半導體260層例如是p型的氮化物半導體層，主動層250例如是多重量子井結構(multi quantum well structure)。第一型半導體層240與第二型半導體層260例如為氮化鎵(GaN)、氮化鋁鎵(AlGaN)或氮化銦鎵(InGaN)等。第一型半導體層240內所摻雜的n型摻質可包括至少一個IV A族元素，第二型半導體層260內所摻雜的p型摻質可包括至少一個IIA族元素。在本實施例中，n型摻質可為矽，p型摻質可為鎂，但n型摻質與p型摻質的種類不以此為限制。
本實施例的半導體發光裝置200由於其磊晶基底100的成核層120為晶格排列整齊的單晶結構，而提升後續配置在成核層120上的緩衝層230、第一型半導體層240、主動層250及第二型半導體層260的磊晶品質，而使得半導體發光裝置200具有較佳的工作效率。
圖4是依照本發明的一實施例的一種半導體發光裝置的 製作方法的流程示意圖。請參閱圖4，在本實施例中，半導體發光裝置的製作方法300包括一磊晶基底的製作方法。磊晶基底的製作方法包括下列步驟：首先，提供一基板(步驟310)。在本實施例中，磊晶基板為藍寶石基板，但在其他實施例中，任何可供成長三五族(如III族氮化物)半導體層之基板材料皆可使用。
其次，以濺鍍的方式使一成核層以單晶結構的形式形成於基板上，其中成核層為氮化鋁層，成核層的繞射圖形包括多個點狀圖樣，各點狀圖樣實質上呈圓形，且在各點狀圖樣上的任兩條相互垂直的直徑的長度比例約在0.9至1.1之間(步驟320)。透過上述步驟，便可製作出磊晶品質良好的磊晶基底。
在製作完磊晶基底之後，接著進行下列步驟，以有機金屬化學氣相沉積的方式形成一緩衝層，且緩衝層配置於成核層與第一型半導體之間(步驟330)。在本實施例中，緩衝層包括III-V族化合物半導體，例如是未摻雜的氮化鎵。此外，在其他實施例中，也可省略步驟330而直接進行步驟340。
接著，以有機金屬化學氣相沉積的方式形成一第一型半導體層，且第一型半導體配置於成核層上(步驟340)。在本實施例中，第一型半導體層例如為氮化鎵(GaN)、氮化鋁鎵(AlGaN)或氮化銦鎵(InGaN)等。
再來，以有機金屬化學氣相沉積的方式形成一主動層，且主動層配置於第一型半導體上(步驟350)。主動層例如是多重量子井結構(multi quantum well structure)。
最後，以有機金屬化學氣相沉積的方式形成一第二型半導體層，且第二型半導體層配置於主動層上(步驟360)。在本實施例中，第二型半導體層例如為氮化鎵(GaN)、氮化鋁鎵(AlGaN)或氮化銦鎵(InGaN)等。
本實施例的半導體發光裝置的製作方法300透過濺鍍的方式將成核層形成於基板上，而使得成核層為晶格排列整齊的單晶結構，後續在成核層上配置緩衝層、第一型半導體層、主動層及第二型半導體層便可具有較佳的磊晶品質，進而使得半導體發光裝置具有較佳的工作效率。
綜上所述，本發明的磊晶基底與半導體發光裝置的製造方法透過濺鍍的方式在基板上形成成核層，以製作出磊晶基底，由於成核層為單晶結構的氮化鋁層，其晶格排列整齊，可使得其後生長的半導體層具有較佳的磊晶品質，而能製作出工作效率較高的半導體發光裝置。
雖然本發明已以實施例揭露如上，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。
D1、D2‧‧‧直徑
122‧‧‧點狀圖樣

Claims (10)

  1. 一種磊晶基底，包括：一基板；以及一成核層，配置在該基板上，其中該成核層為晶格排列整齊的單晶結構的氮化鋁層，該成核層在電子顯微鏡下的繞射圖形(diffraction pattern)包括多個點狀圖樣，各該點狀圖樣實質上呈圓形，且在各該點狀圖樣上的任兩條相互垂直的直徑的長度比例約在0.9至1.1之間。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的磊晶基底，其中該基板在靠近該成核層的表面為平面。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的磊晶基底，其中該成核層以濺鍍(sputter)的方式形成於該基板上。
  4. 一種半導體發光裝置，包括：一磊晶基底，包括：一基板；以及一成核層，配置在該基板上，其中該成核層為晶格排列整齊的單晶結構的氮化鋁層，該成核層在電子顯微鏡下的繞射圖形包括多個點狀圖樣，各該點狀圖樣實質上呈圓形，且在各該點狀圖樣上的任兩條相互垂直的直徑的長度比例約在0.9至1.1之間；一第一型半導體層，配置在該成核層上；一主動層，配置在該第一型半導體上；以及一第二型半導體層，配置在該主動層上。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的半導體發光裝置，其中更包括一緩衝層，配置在該成核層與該第一型半導體之間。
  6. 如申請專利範圍第4項所述的半導體發光裝置，其中該基板在靠近該成核層的表面為平面。
  7. 如申請專利範圍第4項所述的半導體發光裝置，其中該成核層以濺鍍的方式形成於該基板上。
  8. 一種磊晶基底的製作方法，包括：提供一基板；以及以濺鍍的方式使一成核層以晶格排列整齊的單晶結構的形式形成於該基板上，其中該成核層為氮化鋁層，該成核層在電子顯微鏡下的繞射圖形包括多個點狀圖樣，各該點狀圖樣實質上呈圓形，且在各該點狀圖樣上的任兩條相互垂直的直徑的長度比例約在0.9至1.1之間。
  9. 一種半導體發光裝置的製作方法，包括：提供一基板；以濺鍍的方式使一成核層以晶格排列整齊的單晶結構的形式形成於該基板上，其中該成核層為氮化鋁層，該成核層在電子顯微鏡下的繞射圖形包括多個點狀圖樣，各該點狀圖樣實質上呈圓形，且在各該點狀圖樣上的任兩條相互垂直的直徑的長度比例約在0.9至1.1之間；以有機金屬化學氣相沉積的方式形成一第一型半導體層，且該第一型半導體配置於該成核層上； 以有機金屬化學氣相沉積的方式形成一主動層，且該主動層配置於該第一型半導體上；以及以有機金屬化學氣相沉積的方式形成一第二型半導體層，且該第二型半導體層配置於該主動層上。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的半導體發光裝置的製作方法，更包括：以有機金屬化學氣相沉積的方式形成一緩衝層，且該緩衝層配置於該成核層與該第一型半導體之間。
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