TWI837876B - 磊晶結構及其形成方法 - Google Patents
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Abstract
一種磊晶結構，包括一第一磊晶層、一第二磊晶層及一介面處理層。第一磊晶層為一歐姆接觸層。第二磊晶層配置於第一磊晶層上，且為一含磷化合物層，其中第二磊晶層的材質相異於第一磊晶層的材質。介面處理層接觸第一磊晶層與第二磊晶層，且位於第一磊晶層與第二磊晶層之間。介面處理層與第一磊晶層的穿透式電子顯微鏡的影像亮度對比值及介面處理層與第二磊晶層的穿透式電子顯微鏡的影像亮度對比值均大於1.005。一種磊晶結構形成方法亦被提出。
Description
本發明是有關於一種磊晶結構及其形成方法。
半導體磊晶技術可用以製作各種光電元件，諸如發光二極體（light-emitting diode, LED）、雷射二極體（laser diode）、光電二極體（photodiode）等。半導體磊晶技術包括化學氣相沉積法（chemical vapor deposition, CVD）、物理氣相沉積法（physical vapor deposition, PVD）等，其中化學氣相沉積法又包括金屬有機化學氣相沉積法（metalorganic chemical vapor deposition, MOCVD）是一種常見的磊晶製程。
半導體元件或光電元件通常具有多個不同材質的膜層，磊晶製程在形成另一材質的膜層時，通常需要關閉不需要的氣體，若這些氣體同時關閉時會使晶圓在反應腔體內的高溫環境下被烘烤，造成磊晶品質的劣化。
因此，如何避免磊晶製程在變化膜層材料時造成的磊晶品質劣化，是本領域的技術人員所亟欲研發的課題。
本發明提供一種磊晶結構，其具有良好的磊晶品質。
本發明提供一種磊晶結構形成方法，其能形成磊晶品質良好的磊晶結構。
本發明的一實施例提出一種磊晶結構，包括一第一磊晶層、一第二磊晶層及一介面處理層。第一磊晶層為一歐姆接觸層。第二磊晶層配置於第一磊晶層上，且為一含磷化合物層，其中第二磊晶層的材質相異於第一磊晶層的材質。介面處理層接觸第一磊晶層與第二磊晶層，且位於第一磊晶層與第二磊晶層之間。介面處理層與第一磊晶層的穿透式電子顯微鏡的影像亮度對比值及介面處理層與第二磊晶層的穿透式電子顯微鏡的影像亮度對比值均大於1.005。
本發明的一實施例提出一種磊晶結構形成方法，包括：形成一第一磊晶層，其為一歐姆接觸層；逐漸變化反應載氣的比例，並形成一介面處理層；以及在介面處理層上形成一第二磊晶層。第二磊晶層為一含磷化合物層，且第二磊晶層的材質相異於第一磊晶層的材質。
在本發明的實施例的磊晶結構中，由於在第一磊晶層與第二磊晶層之間採用了介面處理層，且介面處理層與第一磊晶層的穿透式電子顯微鏡的影像亮度對比值及介面處理層與第二磊晶層的穿透式電子顯微鏡的影像亮度對比值均大於1.005，因此磊晶結構的磊晶品質可以被確保。在本發明的實施例的磊晶結構形成方法中，以逐漸變化反應載氣的比例的方式形成介面處理層。相較於習知磊晶製程中同時關閉不需要的氣體而使晶圓在反應腔體內的高溫環境下被烘烤，進而導致磊晶品質惡化的情形，本發明的實施例逐漸變化反應載氣的比例的方式能夠形成磊晶品質較佳的磊晶結構。
圖1為本發明的一實施例的磊晶結構的剖面示意圖。請參照圖1，本實施例的磊晶結構100包括一第一磊晶層110、一第二磊晶層120及一介面處理層130。第一磊晶層110為一歐姆接觸層。第二磊晶層120配置於第一磊晶層110上，且為一含磷化合物層，其中第二磊晶層120的材質相異於第一磊晶層110的材質。在本實施例中，第一磊晶層110的材質例如為砷化鎵，而第二磊晶層120的化學式例如為(Al
xGa
1-x)
yIn
1-yAs
zP
1-z，其中0≤x≤1，0≤y≤1，且0 ≤ z ＜ 1。在一實施例中，第二磊晶層的材質例如為磷化鋁鎵銦（aluminum gallium indium phosphide, AlGaInP），但本發明不以此為限。
介面處理層130接觸第一磊晶層110與第二磊晶層120，且位於第一磊晶層110與第二磊晶層120之間。圖2為圖1的磊晶結構的局部穿透式電子顯微鏡影像圖。請參照圖1與圖2，在一實施例中，介面處理層130對穿透式電子顯微鏡的電子穿透率大於第一磊晶層110及第二磊晶層120對穿透式電子顯微鏡的電子穿透率。在穿透式電子顯微鏡的影像中，電子穿透率越大的部分，影像亮度越高（即越白）。在本實施例中，介面處理層130與第一磊晶層110以及介面處理層130與第二磊晶層120對穿透式電子顯微鏡的影像亮度對比值均大於1.005。
在本實施例中，第一磊晶層110與第二磊晶層120具有相同的摻雜類型，例如都是N型摻雜。在本實施例中，介面處理層130的材質包括AlGaInP，且介面處理層130中的AlGaInP的濃度從靠近第一磊晶110層的一側往靠近第二磊晶層120的一側遞增。在本實施例中，第一磊晶層110、介面處理層130及第二磊晶層120所包含的元素包括鎵，且介面處理層130中的鎵濃度從靠近第一磊晶層110的一側往靠近第二磊晶層120的一側遞減。
在本實施例中，磊晶結構100更包括一第三磊晶層140及另一介面處理層150。第三磊晶層140配置於第一磊晶層110的遠離第二磊晶層120的一側上。介面處理層150配置於第一磊晶層110與第三磊晶層140之間，第一磊晶層110、介面處理層150及第三磊晶層140所包含的元素均包括鎵，且介面處理層150中的鎵濃度大於第三磊晶層140中的鎵濃度。在一實施例中，介面處理層150中的鎵濃度從靠近該第一磊晶層110的一側往靠近第三磊晶層140的一側遞減。
在本實施例中，磊晶結構100更包括一基板160、一緩衝層170、一隔離層180、一主動層190、一隔離層210、一披覆層220及一窗層230。緩衝層170位於基板160上，第三磊晶層140位於緩衝層170上，隔離層180配置於第二磊晶層120上，主動層190位於隔離層180上，隔離層210位於主動層190上，披覆層220位於隔離層210上，且窗層230位於披覆層220上。
在本實施例中，基板160為成長基板，例如為砷化鎵基板。緩衝層170例如為砷化鎵緩衝層。第三磊晶層140例如是蝕刻停止層。第一磊晶層110例如為N型半導體接觸層。第二磊晶層120例如為N型披覆層。隔離層180例如為N型隔離層。主動層190為發光層，其例如為量子井層或多重量子井層。隔離層210例如為P型隔離層。披覆層220例如為P型披覆層。窗層230例如是P型磷化鎵窗層。在一實施例中，隔離層180、主動層190、隔離層210與披覆層220的化學式可以是(Al
xGa
1-x)
1-yIn
yP，其中0≦x≦1, 0＜y＜1，也就是其材料可以是磷化銦加上鋁或鎵，或加上鋁與鎵兩者。在主動層190作為發光層的一些常規實施例中，主動層190可以為磷化銦鎵材料。
圖3為圖1的磊晶層結中局部各組成元素的原子數百分比隨著深度的分布圖。請參照圖1與圖3，介面處理層130中的一第一III族元素的濃度從靠近第一磊晶層110的一側往靠近第二磊晶層120的一側遞減，且介面處理層130中的一第二III族元素與一第三III族元素的濃度從靠近第一磊晶層110的一側往靠近第二磊晶層120的一側遞增，其中第一III族元素的原子序小於第二III族元素的原子序，且大於第三III族元素的原子序。在一實施例中，第一III族元素為鎵，第二III族元素為銦，且第三III族元素為鋁。
在本實施例中，介面處理層130中的一第一V族元素的濃度從靠近第一磊晶層110的一側往靠近第二磊晶層120的一側遞減，且介面處理層130中的一第二V族元素的濃度從靠近第一磊晶層110的一側往靠近第二磊晶層120的一側遞增，其中第一V族元素的原子序大於第二V族元素的原子序。在一實施例中，第一V族元素為砷，且第二V族元素為磷。在本實施例中，第一磊晶層110的材質例如為砷化鎵，第二磊晶層120的材質例如為磷化鋁鎵銦，而介面處理層130的材質例如為磷化鋁鎵銦。
在介面處理層130的相對側，介面處理層150中的第一III族元素的濃度從靠近第三磊晶層140的一側往靠近第一磊晶層110的一側遞增，且介面處理層150中的第二III族元素的濃度從靠近第三磊晶層140的一側往靠近第一磊晶層110的一側遞減，其中第一III族元素的原子序小於第二III族元素的原子序。在一實施例中，第一III族元素為鎵，且第二III族元素為銦。
在本實施例中，介面處理層150中的第一V族元素的濃度從靠近第三磊晶層140的一側往靠近第一磊晶層110的一側遞增，且介面處理層150中的第二V族元素的濃度從靠近第三磊晶層140的一側往靠近第一磊晶層110的一側遞減，其中第一V族元素的原子序大於第二V族元素的原子序。在一實施例中，第一V族元素為砷，且第二V族元素為磷。在本實施例中，第三磊晶層140的材質例如為磷化鎵銦，第一磊晶層110的材質例如為砷化鎵，而介面處理層150的材質例如為磷化鎵銦。
圖4為本發明的一實施例的磊晶結構形成方法的流程圖。請參照圖1、圖3及圖4，本實施例的磊晶結構形成方法可用以形成圖1的磊晶結構100，而磊晶結構形成方法可包括下列步驟。首先，執行步驟S110，提供基板160。接著，執行步驟S120，在基板160上形成緩衝層170。然後，執行步驟S130，在緩衝層170上形成第三磊晶層140。之後，執行步驟S140，逐漸變化反應載氣的比例，並形成介面處理層150。具體而言，在本實施例中，在形成介面處理層150時，逐漸增加含有第一III族元素的載氣的比例，且逐漸降低含有第二III族元素的載氣的比例，其中第一III族元素的原子序小於第二III族元素的原子序。在一實施例中，第一III族元素為鎵，且第二III族元素為銦。
其後，逐漸增加含有第一V族元素的載氣的比例，且逐漸降低含有第二V族元素的載氣的比例，其中第一V族元素的原子序大於第二V族元素的原子序。在一實施例中，第一V族元素為砷，且第二V族元素為磷。
在本實施例中，開始逐漸增加含有第一III族元素的載氣的比例且逐漸降低含有第二III族元素的載氣的比例的步驟可早於開始逐漸增加含有第一V族元素的載氣的比例且逐漸降低含有第二V族元素的載氣的比例的步驟。
在介面處理層150中，由於上述兩種載氣濃度發生變化的時間不同，故介面處理層150整體的原子序的平均值在上述過程中會發生兩次變化，致使各種元素在介面處理層150中的比例相較於相鄰的第三磊晶層140以及第一磊晶層110有所不同。因此，在利用穿透式電子顯微鏡觀測時，特別是III族元素的鎵及銦的含量比例差距相較V族元素的磷及砷的含量比例差距更大，因而在該處呈現電子穿透率明顯增加的顯像結果。申言之，本實施例藉由逐漸改變磊晶過程中的載氣比例，防止晶圓在步驟切換期間因所有載氣同時關閉而造成的磊晶品質惡化問題。並且，在經過上述的逐漸調節後，在磊晶結構100內部留下介面處理層150。
在此之後，執行步驟S150，在介面處理層150上形成第一磊晶層110。之後，執行步驟S160，逐漸變化反應載氣的比例，並形成介面處理層130。具體而言，在本實施例中，在形成介面處理層130時，逐漸降低含有第一III族元素的載氣的比例，且逐漸增加含有第二III族元素的載氣的比例及含有第三III族元素的載氣的比例，第一III族元素的原子序小於第二III族元素的原子序，且大於第三III族元素的原子序。在一實施例中，第一III族元素為鎵，第二III族元素為銦，且第三III族元素為鋁。
在本實施例中，在形成介面處理層130時，逐漸降低含有第一V族元素的載氣的比例，且逐漸增加含有第二V族元素的載氣的比例，其中第一V族元素的原子序大於第二V族元素的原子序。在一實施例中，第一V族元素為砷，且第二V族元素為磷。
在本實施例中，在形成介面處理層130時，開始逐漸降低含有第一V族元素的載氣的比例且逐漸增加含有第二V族元素的載氣的比例的步驟早於開始逐漸降低含有第一III族元素的載氣的比例且逐漸增加含有第二III族元素的載氣的比例及含有第三III族元素的載氣的比例的步驟。與前述的介面處理層150同理，由於載氣濃度的變化，介面處理層130中的原子序的平均值亦產生變化，因而在穿透式電子顯微鏡中顯現出較高的電子穿透率，此處不再重複說明。
在此之後，執行步驟S170，在介面處理層130上形成第二磊晶層120。之後，執行步驟S180，在第二磊晶層120上形成隔離層180。然後，執行步驟S190，在隔離層180上形成主動層190。此後，執行步驟S210，在主動層190上形成隔離層210。然後，執行步驟S220，在隔離層210上形成披覆層220。接著，執行步驟S230，在披覆層220上形成窗層230。
在本實施例的磊晶結構形成方法與磊晶結構100中，是以逐漸變化反應載氣的比例的方式形成介面處理層130或150。相較於習知磊晶製程中同時關閉不需要的氣體而使晶圓在反應腔體內的高溫環境下被烘烤，進而導致磊晶品質惡化的情形，本實施例逐漸變化反應載氣的比例的方式能夠形成磊晶品質較佳的磊晶結構。在此情況下，以穿透式電子顯微鏡來觀察磊晶結構100可發現，介面處理層130對穿透式電子顯微鏡的電子穿透率大於第一磊晶層110及第二磊晶層130對穿透式電子顯微鏡的電子穿透率，且介面處理層150對穿透式電子顯微鏡的電子穿透率大於第一磊晶層110及第三磊晶層140對穿透式電子顯微鏡的電子穿透率，且在此情況下，磊晶結構100的磊晶品質可以被確保。
圖5為本發明的另一實施例的磊晶結構的剖面示意圖。請參照圖5，圖5的磊晶結構100a例如是以圖1的磊晶結構100再經過一些步驟而形成。舉例而言，在圖4的步驟S230之後，可利用雷射移除基板160與緩衝層170，且可進一步再移除第三磊晶層140與介面處理層150。接著，如圖5所繪示，在第一磊晶層110遠離第二磊晶層120的一側的表面上形成電極240，而第一磊晶層110與電極240便形成歐姆接觸。另一方面，可在窗層230上形成電極250，但本發明不限制電極240與電極250的形式；依據不同需求，電極240與電極250也可以是覆晶式(flip chip)結構。換句話說，初期形成的介面處理層150可以基於後續需要而被移除；舉例來說，當磊晶結構100a作為一發光二極體結構時，只有第二磊晶層120（例如為N型摻雜的披覆層）、主動層190以及披覆層220（例如為P型摻雜層）為發光二極體的必要結構。此時，第三磊晶層140可以作為蝕刻停止層，且介面處理層150可以隨著第三磊晶層140在蝕刻過程中被部分或完全地蝕刻移除。
綜上所述，在本發明的實施例的磊晶結構中，由於在第一磊晶層與第二磊晶層之間採用了介面處理層，且介面處理層與第一磊晶層的穿透式電子顯微鏡的影像亮度對比值及介面處理層與第二磊晶層的穿透式電子顯微鏡的影像亮度對比值均大於1.005，因此磊晶結構的磊晶品質可以被確保。在本發明的實施例的磊晶結構形成方法中，以逐漸變化反應載氣的比例的方式形成介面處理層。相較於習知磊晶製程中同時關閉不需要的氣體而使晶圓在反應腔體內的高溫環境下被烘烤，進而導致磊晶品質惡化的情形，本發明的實施例逐漸變化反應載氣的比例的方式能夠形成磊晶品質較佳的磊晶結構。
100、100a:磊晶結構
110:第一磊晶層
120:第二磊晶層
130、150:介面處理層
140:第三磊晶層
160:基板
170:緩衝層
180、210:隔離層
190:主動層
220:披覆層
230:窗層
240、250:電極
S110～S190、S210～S230:步驟
圖1為本發明的一實施例的磊晶結構的剖面示意圖。
圖2為圖1的磊晶結構的局部穿透式電子顯微鏡影像圖。
圖3為圖1的磊晶層結中局部各組成元素的原子數百分比隨著深度的分布圖。
圖4為本發明的一實施例的磊晶結構形成方法的流程圖。
圖5為本發明的另一實施例的磊晶結構的剖面示意圖。
100:磊晶結構
110:第一磊晶層
120:第二磊晶層
130、150:介面處理層
140:第三磊晶層
160:基板
170:緩衝層
180、210:隔離層
190:主動層
220:披覆層
230:窗層
Claims (20)
- 一種磊晶結構，包括：一第一磊晶層，其為一歐姆接觸層；一第二磊晶層，配置於該第一磊晶層上，且為一含磷化合物層，其中該第二磊晶層的材質相異於該第一磊晶層的材質；以及一介面處理層，接觸該第一磊晶層與該第二磊晶層，且位於該第一磊晶層與該第二磊晶層之間，其中該介面處理層與該第一磊晶層的穿透式電子顯微鏡的影像亮度對比值及該介面處理層與該第二磊晶層的穿透式電子顯微鏡的影像亮度對比值均大於1.005，該介面處理層對穿透式電子顯微鏡的電子穿透率大於該第一磊晶層及該第二磊晶層對穿透式電子顯微鏡的電子穿透率。
- 如請求項1所述的磊晶結構，其中該第二磊晶層的材質包括(AlxGa1-x)yIn1-yAszP1-z，其中0x
1，0
y
1，且0
z<1。
- 如請求項1所述的磊晶結構，其中該第一磊晶層與該第二磊晶層具有相同的摻雜類型。
- 如請求項1所述的磊晶結構，其中該介面處理層中的一第一III族元素的濃度從靠近該第一磊晶層的一側往靠近該第二磊晶層的一側遞減，且該介面處理層中的一第二III族元素與一第三III族元素的濃度從靠近該第一磊晶層的一側往靠近該第二磊晶層的一側遞增，其中該第一III族元素的原子序小於該第二III族元素的原子序，且大於該第三III族元素的原子序。
- 如請求項4所述的磊晶結構，其中該第一III族元素為鎵，該第二III族元素為銦，且該第三III族元素為鋁。
- 如請求項1所述的磊晶結構，其中該介面處理層中的一第一V族元素的濃度從靠近該第一磊晶層的一側往靠近該第二磊晶層的一側遞減，且該介面處理層中的一第二V族元素的濃度從靠近該第一磊晶層的一側往靠近該第二磊晶層的一側遞增，其中該第一V族元素的原子序大於該第二V族元素的原子序。
- 如請求項6所述的磊晶結構，其中該第一V族元素為砷，且該第二V族元素為磷。
- 如請求項1所述的磊晶結構，其中該介面處理層的材質包括AlGaInP，且該介面處理層中的AlGaInP的濃度從靠近該第一磊晶層的一側往靠近該第二磊晶層的一側遞增。
- 如請求項1所述的磊晶結構，更包括一電極，配置於該第一磊晶層的遠離該第二磊晶層的表面上。
- 如請求項1所述的磊晶結構，其中該第一磊晶層、該介面處理層及該第二磊晶層所包含的元素包括鎵，且該介面處理層中的鎵濃度從靠近該第一磊晶層的一側往靠近該第二磊晶層的一側遞減。
- 如請求項1所述的磊晶結構，更包括：一第三磊晶層，配置於該第一磊晶層的遠離該第二磊晶層的一側上；以及另一介面處理層，配置於該第一磊晶層與該第三磊晶層之 間，該第一磊晶層、該另一介面處理層及該第三磊晶層所包含的元素均包括鎵，且該另一介面處理層中的鎵濃度大於該第三磊晶層中的鎵濃度。
- 如請求項11所述的磊晶結構，其中該另一介面處理層中的鎵濃度從靠近該第一磊晶層的一側往靠近該第三磊晶層的一側遞減。
- 一種磊晶結構形成方法，包括：形成一第一磊晶層，其為一歐姆接觸層；逐漸變化反應載氣的比例，並形成一介面處理層；以及在該介面處理層上形成一第二磊晶層，其中該第二磊晶層為一含磷化合物層，且該第二磊晶層的材質相異於該第一磊晶層的材質，其中該介面處理層對穿透式電子顯微鏡的電子穿透率大於該第一磊晶層及該第二磊晶層對穿透式電子顯微鏡的電子穿透率。
- 如請求項13所述的磊晶結構形成方法，其中在形成該介面處理層時，逐漸降低含有一第一III族元素的載氣的比例，且逐漸增加含有一第二III族元素的載氣的比例及含有一第三III族元素的載氣的比例，該第一III族元素的原子序小於該第二III族元素的原子序，且大於該第三III族元素的原子序。
- 如請求項14所述的磊晶結構形成方法，其中在形成該介面處理層時，逐漸降低含有一第一V族元素的載氣的比例， 且逐漸增加含有一第二V族元素的載氣的比例，其中該第一V族元素的原子序大於該第二V族元素的原子序。
- 如請求項15所述的磊晶結構形成方法，其中在形成該介面處理層時，開始逐漸降低含有該第一V族元素的載氣的比例且逐漸增加含有該第二V族元素的載氣的比例的步驟早於開始逐漸降低含有該第一III族元素的載氣的比例且逐漸增加含有該第二III族元素的載氣的比例及含有該第三III族元素的載氣的比例的步驟。
- 如請求項13所述的磊晶結構形成方法，更包括：在形成該第一磊晶層之前，依序形成一蝕刻停止層與另一介面處理層，其中該第一磊晶層形成於該另一介面處理層上。
- 如請求項17所述的磊晶結構形成方法，其中在形成該另一介面處理層時，逐漸增加含有一第一III族元素的載氣的比例，且逐漸降低含有一第二III族元素的載氣的比例，其中該第一III族元素的原子序小於該第二III族元素的原子序。
- 如請求項18所述的磊晶結構形成方法，其中在形成該另一介面處理層時，逐漸增加含有一第一V族元素的載氣的比例，且逐漸降低含有一第二V族元素的載氣的比例，其中該第一V族元素的原子序大於該第二V族元素的原子序。
- 如請求項19所述的磊晶結構形成方法，其中開始逐漸增加含有該第一III族元素的載氣的比例且逐漸降低含有該第二III族元素的載氣的比例的步驟早於開始逐漸增加含有該第一V 族元素的載氣的比例且逐漸降低含有該第二V族元素的載氣的比例的步驟。
Priority Applications (2)
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|---|---|---|---|
| US17/989,700 US20240128397A1 (en) | 2022-10-12 | 2022-11-18 | Epitaxial structure and method for forming the same |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114447165A (zh) | 2022-01-27 | 2022-05-06 | 厦门士兰明镓化合物半导体有限公司 | Led外延结构及其制备方法 |
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114447165A (zh) | 2022-01-27 | 2022-05-06 | 厦门士兰明镓化合物半导体有限公司 | Led外延结构及其制备方法 |
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