TWI577041B - 磊晶結構 - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種磊晶結構，且特別是有關於一種具有較少缺陷的磊晶結構。
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)的化合物半導體材料所製造的半導體元件。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。
以氮化鎵半導體為例，在氮化鎵半導體的製造過程中，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，而容易造成半導體於磊晶過程中產生錯位差排(misfit dislocation)以及因熱膨脹係數不匹配而導致的熱應力的問題，傳統的氮化物半導體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結構，其具有較少缺陷。
本發明的一種磊晶結構，包括一磊晶基板、一第一緩衝層、一第一圖案化罩幕層、一第二緩衝層及一第二圖案化罩幕層。第一緩衝層配置於磊晶基板上。第一圖案化罩幕層配置於第一緩衝層上。第二緩衝層配置於第一圖案化罩幕層及局部的第一緩衝層上。第二圖案化罩幕層配置於第二緩衝層上。第一圖案化罩幕層與第二圖案化罩幕層對第一緩衝層的投影至少覆蓋第一緩衝層70%以上的面積。
在本發明的一實施例中，上述的第一圖案化罩幕層與第二圖案化罩幕層對第一緩衝層的投影完全覆蓋第一緩衝層。
在本發明的一實施例中，上述的第一圖案化罩幕層與第二圖案化罩幕層的圖案互補。
在本發明的一實施例中，上述的第一圖案化罩幕層對第一緩衝層的投影以及第二圖案化罩幕層對第一緩衝層的投影各約覆蓋第一緩衝層一半的面積。
在本發明的一實施例中，上述的第二圖案化罩幕層對第一圖案化罩幕層的投影覆蓋局部的第一圖案化罩幕層。
在本發明的一實施例中，更包括一成核層，配置於磊晶基板與第一緩衝層之間。
在本發明的一實施例中，上述的成核層為單晶結構。
在本發明的一實施例中，更包括一第一型半導體層、一
主動層及一第二型半導體層。第一型半導體層配置於第二圖案化罩幕層上。主動層配置於第一型半導體層上。第二型半導體層配置於主動層上。
在本發明的一實施例中，更包括一第三緩衝層，配置於第二圖案化罩幕層與第一型半導體層之間。
在本發明的一實施例中，上述的第一圖案化罩幕層與第二圖案化罩幕層之材質包括氧化矽或氮化矽。
在本發明的一實施例中，上述的磊晶基板之材質包括藍寶石、矽、玻璃、氮化鎵、氮化鋁、尖晶石、碳化矽、砷化鎵、二氧化鋰鎵、二氧化鋰鋁或四氧化鎂二鋁的其中之一。
基於上述，本發明的磊晶結構透過在磊晶基板上形成交疊的兩層緩衝層及兩層圖案化罩幕層，以使圖案化罩幕層能夠阻擋住位在緩衝層內的錯位差排，而降低緩衝層內的錯位差排往上延伸的機率。後續若要在第二圖案化罩幕層上繼續堆疊半導體層，則可使半導體層具有較佳的磊晶品質。
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。
D‧‧‧缺陷
100、200、300‧‧‧磊晶結構
110‧‧‧磊晶基板
120‧‧‧成核層
130、230‧‧‧第一緩衝層
140、240‧‧‧第一圖案化罩幕層
150、250‧‧‧第二緩衝層
160、260‧‧‧第二圖案化罩幕層
370‧‧‧第三緩衝層
380‧‧‧第一型半導體層
382‧‧‧主動層
384‧‧‧第二型半導體層
圖1是依照本發明的一實施例的一種磊晶結構的示意圖。
圖2是依照本發明的另一實施例的一種磊晶結構的示意圖。
圖3是依照本發明的另一實施例的一種磊晶結構的示意圖。
圖1是依照本發明的一實施例的一種磊晶結構的示意圖。請參閱圖1，本實施例的磊晶結構100包括一磊晶基板110、一成核層120、一第一緩衝層130、一第一圖案化罩幕層140、一第二緩衝層150及一第二圖案化罩幕層160。
在本實施例中，磊晶基板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。
成核層120配置於磊晶基板110上，在本實施例中，成核層120可以長晶的方式在磊晶基板110上形成單晶結構，成核層120之材質可為氮化鋁(AlN)，但在其他實施例中，成核層120也可以濺鍍(sputter)或是金屬有機化學氣相沈積(metal organic chemical vapor deposition,MOCVD)的方式形成，當然，成核層120的形成方式與材質並不以此為限制。成核層120的目的是為了降低磊晶基板110和半導體層(如圖3的第一緩衝層130、第二緩衝層150、第一型半導體層380、主動層382與第二型半導體層384等)之間的缺陷密度，並形成良好的附著特性，藉此黏結磊晶基
板110和半導體層。當然，在其他實施例中，磊晶結構100也可省去成核層120，而使第一緩衝層130直接配置於磊晶基板110上。
如圖1所示，第一緩衝層130配置於成核層120上，第一圖案化罩幕層140配置於第一緩衝層130上，第二緩衝層150配置於第一圖案化罩幕層140及局部的第一緩衝層130上，且第二圖案化罩幕層160配置於第二緩衝層150上。
由於三五族半導體層與磊晶基板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(lattice mismatch)及熱膨脹係數不匹配的現象。在本實施例中，特別在磊晶基板110上先成長第一緩衝層130與第二緩衝層150，藉由第一緩衝層130與第二緩衝層150漸進改善後續堆疊在磊晶基板110上的半導體層的磊晶品質，進而避免所形成的發光元件的發光效率受到影響。
需說明的是，由於第一緩衝層130與第二緩衝層150在局部位置會存在錯位差排(misfit dislocation)所產生的缺陷D，由圖1可見，第一緩衝層130與第二緩衝層150內的這些缺陷D會隨著成長的方向(也就是圖1的上方)延伸。為了避免這些缺陷D持續向上延伸，在本實施例中，特別將第一圖案化罩幕層140配置於第一緩衝層130上，且第二圖案化罩幕層160配置於第二緩衝層150上。第一圖案化罩幕層140覆蓋於第一緩衝層130的局部區域，以阻擋從第一緩衝層130延伸向上的部分缺陷D。第一緩衝層130的另一部分的缺陷D，則會持續向上延伸至第二緩衝層150，第二圖案化罩幕層160覆蓋於第二緩衝層150上另一部
分的局部區域，以阻擋此部分的缺陷D。
換句話說，本實施例的磊晶結構100透過兩層圖案化罩幕層140、160與兩層緩衝層130、150相互交疊，且兩圖案化罩幕層140、160分別覆蓋住兩緩衝層130、150的不同位置，以阻擋位於兩緩衝層130、150內的缺陷D繼續向上延伸，而使後續要堆疊於第二緩衝層150上的半導體層能具有較佳的磊晶品質。值得一提的是，在其他實施例中，相互交疊的緩衝層與圖案化罩幕層的層數可分別為三層或以上，緩衝層與圖案化罩幕層的層數並不以上述為限制。
此外，如圖1所示，在本實施例中，第一圖案化罩幕層140與第二圖案化罩幕層150的圖案互補。實際製作上，可以採用正型光阻與負型光阻的方式製作出互補的圖案。當然，在其他實施例中，第一圖案化罩幕層140與第二圖案化罩幕層150的圖案也可以不是互補，只要第一圖案化罩幕層140與第二圖案化罩幕層150對第一緩衝層130的投影能夠至少覆蓋第一緩衝層130 70%以上的面積即可。在一較佳的實施例中，第一圖案化罩幕層140與第二圖案化罩幕層150對第一緩衝層130的投影完全覆蓋第一緩衝層130。
另外，第一圖案化罩幕層140對第一緩衝層130的投影以及第二圖案化罩幕層150對第一緩衝層130的投影各約覆蓋第一緩衝層130一半的面積。但在其他實施例中，也可以是第一圖案化罩幕層140對第一緩衝層130的投影面積大於或小於第二圖
案化罩幕層160對第一緩衝層130的投影面積，第一圖案化罩幕層140所覆蓋區域與第二圖案化罩幕層160所覆蓋區域的比例關係不以此為限制。
值得一提的是，雖然在圖1中所繪示的第一圖案化罩幕層140所遮蔽的區塊與第二圖案化罩幕層160所遮蔽的區塊呈交錯分佈，但在其他實施例中，第一圖案化罩幕層140也可以僅遮蔽第一緩衝層130的左半部，第二圖案化罩幕層160僅遮蔽第二緩衝層150的右半部，第一圖案化罩幕層140與第二圖案化罩幕層160的圖案形狀與所遮蔽的位置關係並不以上述為限制。
在本實施例中，第一緩衝層130與第二緩衝層150包括III-V族化合物半導體，例如是氮化鎵。第一圖案化罩幕層140與第二圖案化罩幕層160之材質則以氧化矽為例，但在其他實施例中，第一圖案化罩幕層140與第二圖案化罩幕層160之材質也可以是氮化矽，第一緩衝層130、第二緩衝層150、第一圖案化罩幕層140及第二圖案化罩幕層160的種類不以此為限制並不以上述為限制。此外，在本實施例中，第一緩衝層130、及第二緩衝層150可以有機金屬氣相沉積法(MOCVD)形成於磊晶基板110上，而第一圖案化罩幕層140及第二圖案化罩幕層160可以電漿輔助化學氣相沈積法(PECVD)並搭配黃光蝕刻製程各自形成於第一圖案化罩幕層140第二圖案化罩幕層160上，但上述各層形成的方式並不以此為限制。
圖2是依照本發明的另一實施例的一種磊晶結構的示意
圖。請參閱圖2，圖2的磊晶結構200與圖1的磊晶結構100的主要差異在於，圖2的磊晶結構200的第二圖案化罩幕層260對第一圖案化罩幕層240的投影覆蓋局部的第一圖案化罩幕層240。也就是說，在本實施例中，第一圖案化罩幕層240與第二圖案化罩幕層260的圖案並不是互補，第二圖案化罩幕層260在第一緩衝層230上的投影除了涵蓋第一圖案化罩幕層240在第一緩衝層230上的投影上未覆蓋到的區域之外，還局部與第一圖案化罩幕層240在第一緩衝層230上的投影重疊。
由於原先在第一緩衝層230上靠近第一圖案化罩幕層240卻又未被第一圖案化罩幕層240阻擋的缺陷D，在向上延伸至第二緩衝層250時，可能已經偏離於第一圖案化罩幕層240未被覆蓋的區域。在本實施例中，特意略為加大第二圖案化罩幕層260的覆蓋區域，以使第二圖案化罩幕層260局部重疊於第一圖案化罩幕層240，而使得上述的缺陷D仍然能夠被第二圖案化罩幕層260阻擋。
同樣地，本實施例的磊晶結構200透過兩層圖案化罩幕層240、260與兩層緩衝層230、250相互交疊，且兩圖案化罩幕層240、260分別至少覆蓋住兩緩衝層230、250的不同位置，以阻擋位於兩緩衝層230、250內的缺陷D繼續向上延伸，而使後續要堆疊於第二緩衝層230、250上的半導體層能具有較佳的磊晶品質。
圖3是依照本發明的另一實施例的一種磊晶結構的示意
圖。請參閱圖3，在本實施例中，與圖1的磊晶結構100相同或相近的元件直接引用圖1中的代號，此處不對此多加贅述。圖3的磊晶結構300與圖1的磊晶結構100的主要差異在於，圖3的磊晶結構更包括一第三緩衝層370、一第一型半導體層380、一主動層382及一第二型半導體層384。第三緩衝層370配置於第二圖案化罩幕層160與局部的第二緩衝層150上，第一型半導體層380配置於第三緩衝層370上，主動層382配置於第一型半導體層380上，且第二型半導體層384配置於主動層382上。
在本實施例中，第三緩衝層370包括III-V族化合物半導體，例如是氮化鎵。第一型半導體層380例如是n型的氮化物半導體堆疊層，第二型半導體層384例如是p型的氮化物半導體層，主動層382例如是多重量子井(multiple quantum wells)。第一型半導體層380與第二型半導體層384例如為氮化鎵(GaN)、氮化鋁鎵(AlGaN)、氮化鋁銦鎵(AlInGaN)或氮化銦鎵(InGaN)等。第一型半導體層380內所摻雜的n型摻質可包括至少一種IV A族元素，第二型半導體層384內所摻雜的p型摻質可包括至少一種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。
第三緩衝層370、第一型半導體層380、主動層382及第二型半導體層384可以有機金屬氣相沉積法(MOCVD)依序形成於第二緩衝層150與第二圖案化罩幕層160上，但第三緩衝層370、第一型半導體層380、主動層382及第二型半導體層384的
製作方式並不以此為限制。在其他實施例中，磊晶結構300也可省略第三緩衝層370的設計，而使第一型半導體層380直接配置於第二圖案化罩幕層160與局部的第二緩衝層150上。此外，在其他實施例中，第三緩衝層370、第一型半導體層380、主動層382及第二型半導體層384也可以形成在例如是圖2的磊晶結構100上，並不以上述為限制。
如圖3所示，本實施例的磊晶結構300透過在磊晶基板110上形成交疊的兩層緩衝層130、150及兩層圖案化罩幕層140、160，且兩圖案化罩幕層140、160對任一緩衝層130、150的投影完全覆蓋此緩衝層130、150的配置，以使圖案化罩幕層140、160能夠阻擋住位在緩衝層130、150內的缺陷D，而降低緩衝層130、150內的缺陷D往上延伸的機率。因此，形成於第三緩衝層370上的第一型半導體層380、主動層382及第二型半導體層384便可具有較佳的磊晶品質。
綜上所述，本發明的磊晶結構透過在磊晶基板上形成交疊的多層緩衝層及多層圖案化罩幕層，且這些圖案化罩幕層的總投影區能夠至少覆蓋緩衝層70%以上的面積，以提高緩衝層內向上延伸的錯位差排能夠被圖案化罩幕層阻斷的機率，以降低整體磊晶結構的錯位差排密度。後續若要繼續堆疊半導體層，半導體層也能夠具有較佳的磊晶品質。
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。
D‧‧‧缺陷
100‧‧‧磊晶結構
110‧‧‧磊晶基板
120‧‧‧成核層
130‧‧‧第一緩衝層
140‧‧‧第一圖案化罩幕層
150‧‧‧第二緩衝層
160‧‧‧第二圖案化罩幕層
Claims (8)
- 一種磊晶結構，包括：一磊晶基板；一第一緩衝層，配置於該磊晶基板上；一第一圖案化罩幕層，配置於該第一緩衝層上；一第二緩衝層，配置於該第一圖案化罩幕層及局部的該第一緩衝層上；以及一第二圖案化罩幕層，配置於該第二緩衝層上，其中該第一圖案化罩幕層與該第二圖案化罩幕層的圖案互補，該第一圖案化罩幕層與該第二圖案化罩幕層對該第一緩衝層的投影完全覆蓋該第一緩衝層且未互相重疊。
- 如申請專利範圍第1項所述的磊晶結構，其中該第一圖案化罩幕層對該第一緩衝層的投影以及該第二圖案化罩幕層對該第一緩衝層的投影各約覆蓋該第一緩衝層一半的面積。
- 如申請專利範圍第1項所述的磊晶結構，更包括：一成核層，配置於該磊晶基板與該第一緩衝層之間。
- 如申請專利範圍第3項所述的磊晶結構，其中該成核層為單晶結構。
- 如申請專利範圍第1項所述的磊晶結構，更包括：一第一型半導體層，配置於該第二圖案化罩幕層上；一主動層，配置於該第一型半導體層上；以及一第二型半導體層，配置於該主動層上。
- 如申請專利範圍第5項所述的磊晶結構，更包括：一第三緩衝層，配置於該第二圖案化罩幕層與該第一型半導體層之間。
- 如申請專利範圍第1項所述的磊晶結構，其中該第一圖案化罩幕層與該第二圖案化罩幕層之材質包括氧化矽或氮化矽。
- 如申請專利範圍第1項所述的磊晶結構，其中該磊晶基板之材質包括藍寶石、矽、玻璃、氮化鎵、氮化鋁、尖晶石、碳化矽、砷化鎵、二氧化鋰鎵、二氧化鋰鋁或四氧化鎂二鋁的其中之一。
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