CN101667614A - 发光二极管装置及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种发光二极管装置及其制造方法。上述发光二极管装置形成于一基板上，其具有一含碳层。于上述基板中导入碳原子以避免或降低其上的金属/金属合金过渡层的原子与上述基板的原子混合。上述方法使形成于其上的上述发光二极管结构能维持一结晶结构。本发明提供一种避免和降低金属原子和硅原子的混合的发光二极管装置及其制造方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体装置及其制造方法，特别涉及于含碳基板上形成发光二极管装置。
背景技术
发光二极管(LEDs)利用于一基板上形成有源区且于基板上沉积不同导电和半导电层的方式所形成。利用p-n结中的电流，电子-空穴对的再结合(recombination)辐射可用于产生电磁辐射(例如光)。在例如GaAs或GaN的直接能隙材料(direct band gap material)形成的顺向偏压的p-n结中，注入空乏区中的电子-空穴对的再结合导致电磁辐射发光。上述电磁辐射可位于可见光区或非可见光区。可利用具有不同能隙的材料形成不同颜色的LED。另外，电磁辐射发光在非可见光区的LED可将上述非可见光导向磷透镜或类似类型的材料。当上述非可见光被磷吸收时，磷会发出可见光。
LED结构通常利用外延成长三-五族化合物层的方式形成，上述掺杂相反导电类型的三-五族材料层位于发光层的任一侧。在形成例如GaN层的三-五族外延层时，会形成一SiNx介电层，其会对上述LED结构的性能产生不利的影响。为了防止SiNx的形成，在形成LED结构之前，通常于基板上方沉积一金属过渡层(transition layer)。
然而，金属过渡层的使用会对GaN外延层的结晶结构产生不利的影响。外延工艺中的高温会导致过渡层的金属原子与基板的硅原子混合(inter-mix)，因而会产生复杂的结构。因为金属原子和硅原子混合而产生的上述复杂结构通常为多晶或非晶状态，因而在可用于形成上述LED结构的外延工艺中，不能于其上提供良好的结晶结构。
因此，在此技术领域中，需要一种发光二极管装置及其制造方法，以避免和降低金属原子和硅原子的混合。
发明内容
有鉴于此，本发明的一实施例提供一种位于一基板上的发光二极管，上述基板具有形成于其中的一含碳层。
本发明一实施例的发光二极管装置包括一半导体基板，其具有位于一第一侧的一含碳层。上述含碳层的厚度可约小于20μm。一发光二极管结构，形成于上述半导体基板的上述第一侧上。上述发光二极管可还包括一过渡层，介于上述含碳层和上述发光二极管装置结构之间。上述半导体基板可为一块状硅基板，其具有(111)方向的一表面配向。然而，也可使用其他类型的基板。
本发明的另一实施例提供一种发光二极管装置的制造方法，上述发光二极管装置的制造方法包括提供一基板；利用例如离子注入、扩散或外延方式，于上述基板的一第一侧形成一含碳层。之后，于上述半导体基板的上述第一侧上方形成一发光二极管结构。
本发明的又一实施例提供一种发光二极管装置的制造方法，上述发光二极管装置的制造方法包括提供一基板；将碳原子置于上述半导体基板的一第一侧内。之后，于上述半导体基板的上述第一侧上方形成一过渡层；以及于上述过渡层上方形成一发光二极管结构。
本发明提供一种避免和降低金属原子和硅原子的混合的发光二极管装置及其制造方法。
附图说明
图1～图4为本发明实施例的发光二极管的制造方法的工艺流程图。
并且，上述附图中的附图标记说明如下：
102～基板；
202～含碳层；
302～过渡层；
402～发光二极管结构；
410～阻障层；
412～第一接触层；
414～第一包覆层；
416～有源层；
418～第二包覆层；
420～第二接触层。
具体实施方式
以下以各实施例详细说明并伴随着附图说明的范例，作为本发明的参考依据。在附图或说明书描述中，相似或相同的部分皆使用相同的附图标记。且在附图中，实施例的形状或是厚度可扩大，并以简化或是方便标示。再者，附图中各元件的部分将以分别描述说明之，值得注意的是，图中未显示或描述的元件，为本领域普通技术人员所知的形式，另外，特定的实施例仅为公开本发明使用的特定方式，其并非用以限定本发明。
图1～图4为本发明实施例的发光二极管的制造方法的工艺流程图。请参考图1，首先，提供一基板102。基板102可为一硅基板，且可为一导电基板或一非导电基板。在一实施例中，可利用具有(111)方向的表面配向的导电或非导电的块状硅半导体基板。可依据用以接触后续形成的发光二极管(以下简称LED)结构的导电层的电性接触的导电类型使用导电基板或非导电基板。举例来说，在背侧接触用于LED结构的较低接触层的电性接触的实施例中，基板102可为导电基板或掺杂基板。在前侧接触用于提供LED结构的较低接触层的电性接触的其他实施例中，可使用未掺杂的基板102。
值得注意的是，本发明实施例使用块状硅基板，然而，也可使用其他基板。举例来说，绝缘层上覆硅(silicon on insulator，SOI)基板、蓝宝石基板、碳化硅(silicon carbide)基板、硅锗基板或其他类似的基板，也可使用导电基板或非导电基板。然而，在本发明实施例中，可特别使用硅基板，因为其成本较低且可降低形成于其上的LED结构中的残留应力。另外，基板可具有(111)方向的表面配向，也可使用具有例如(110)和(100)方向的表面配向的基板。
可对基板102进行一清洁工艺以移除污染物且使基板102的表面以便后续工艺步骤进行。其中一种类型的清洁工艺为两步骤清洁工艺。可利用将基板102浸泡于NH4OH/H2O2/H2O浴中约10分钟的方式进行第一清洁步骤以移除微粒和有机污染物。再利用将基板102浸泡于HCl/H2O2/H2O浴中约10分钟的方式进行第二清洁步骤以移除金属污染物。在其他实施例中，可选择性地移除原生氧化物，举例来说，可利用稀释的氢氟酸(DHF)。也可使用其他的清洁溶液、清洁时间或其他类似的工艺条件。另外，也可使用例如等离子体灰化或其他类似工艺的其他清洁工艺。
图2是显示于基板102中形成一含碳层202。可以利用具有一含碳层的硅基(silicon-based)基板作为LED装置的基板，以改善LED装置的品质、性能和可靠度。特别的是，可以发现例如含碳层202的含碳层可以避免或降低基板的硅原子和LED结构的金属原子混合(inter-mixing)，因而改善第三族氮化物晶体的品质。品质改善的上述第三族氮化物晶体可以改善LED装置的性能和可靠度。在一实施例中，含碳层202沿着基板102的表面设置且延伸进入基板的深度约小于20μm。除了碳原子，可选择性将例如硅、锗或类似原子的其他原子导入基板内。
在一实施例中，可利用离子注入方式形成含碳层202。举例来说，可利用剂量介于1E14至1E15atoms/cm2且能量介于1至10KeV的工艺条件注入碳原子以形成含碳层202。也可使用其他的工艺条件。
在另一实施例中，可利用扩散工艺形成含碳层202。在本实施例中，举例来说，可在CH4流量介于10至500sccm、工艺温度介于400至900℃、工艺持续时间介于1至30分钟的工艺条件下，扩散碳原子以形成含碳层202。也可使用例如外延工艺的其他工艺以形成含碳层202。
形成含碳层202之后，可进行一退火工艺以活化碳原子，使碳原子与基板102的硅原子键结。在一实施例中，可在工艺温度介于500至1000℃、工艺持续时间介于1至30分钟的工艺条件下进行退火工艺。可于Ar、He、N2的气体环境下，气体压力介于1至760torr之间的工艺条件下进行退火工艺。在其他实施例中，可使用例如闪光退火(flash anneal)、激光退火(laser anneal)、快速热退火(rapid thermal anneal)或其他类似的方式的其他退火工艺。
之后，如图3所示，于含碳层202上方形成一过渡层302。过渡层302可为例如铝、钛、银或类似元素的一金属，或例如钛-铝的一金属合金。过渡层302的厚度可介于1至100nm之间。
可以发现含碳层202的形成可以避免或降低其上的过渡层302的金属或金属合金和基板的硅原子混合(inter-mixing)。由于可以避免或降低过渡层302的金属或金属合金混合，可以维持外延成长的LED结构的三-五族层的较佳晶体结构。结果，可得到具有较佳晶体品质的LED结构，因而可改善LED结构的性能和可靠度。
图4是显示于过渡层302上方形成一LED结构402。在特殊应用的LED结构402可包括任何适当的结构。在一实施例中，LED结构402包括一缓冲/成核层410、一第一接触层412、一第一包覆层414、一有源层416、一第二包覆层418和一第二接触层420。
可于形成过渡层302的步骤之后和形成LED结构402的步骤之前，选择性进行另一退火工艺，以移除形成过渡层302时任何可能产生的污染物。举例来说，可在工艺温度介于1000至1200℃、工艺持续时间介于1至30分钟、N2、H2的气体环境下且气体压力介于1至760torr之间的工艺条件下，于一金属有机物化学气相沉积(MOCVD)反应室中进行退火工艺。在其他实施例中，可使用例如闪光退火(flash anneal)、激光退火(laser anneal)、快速热退火(rapid thermal anneal)或其他类似的方式的其他退火工艺。
形成于过渡层302上方的缓冲层410可包括一层或多层的导电材料，且可视为LED结构402的后续形成层的成核层。依据基板的类型且分别连接第一和第二接触层412和420，第一接触层412和基板102之间需要一缓冲层。举例来说，例如碳化硅和硅基板的一些类型的基板，可于碳化硅基板上形成例如AlN或AlGaN的一缓冲层。
缓冲层410可包括第三族氮化物材料、金属氮化物、金属碳化物、金属氮碳化物、纯金属、金属合金、含硅材料或类似的材料。可利用例如金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)、金属有机物化学气相外延法(MOVPE)、等离子体增强型化学气相沉积法(plasma-enhanced CVD)、遥控等离子体化学气相沉积法(RP-CVD)、分子束外延法(MBE)、氢化物气相外延法(HVPE)、液相外延法(LPE)、氯化物气相外延法(Cl-VPE)或类似的方式形成缓冲层410。举例来说，用以形成缓冲层410的材料可包括GaN、InN、AlN、InGaN、AlGaN、AlInN、AlInGaN或其他类似的材料。如上所述，缓冲层410可包括例如以交错方式堆叠多个AlN层和多个掺杂硅的GaN层的多层结构。可以p型或n型掺质掺杂缓冲层410，或实质上不掺杂缓冲层410。使缓冲层410为p型、n型或实质上为中性。
第一接触层412形成于缓冲层410上方。第一接触层412可为掺杂或未掺杂的第三族氮化物(或其他第五族元素)。在一实施例中，第一接触层412可为n型的第三族氮化物化合物(例如n-GaN)，且可利用例如分子束外延(MBE)、金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)、氢化物气相外延法(HVPE)、液相外延法(LPE)或其他类似工艺的外延成长工艺形成第一接触层412。上述第三族氮化物材料可包括例如GaN、InN、AlN、InxGa(1-x)N、AlxIn(1-x)N、AlxInyGa(1-x-y)N或其他类似的材料。也可使用包括取代氮化物的其他第五族元素的其他材料。
第一包覆层414形成于第一接触层412上方。类似于第一接触层412，第一包覆层414可为第三族氮化物(或其他第五族元素)。在一实施例中，第一包覆层414可包括n型的第三族氮化物化合物(例如n-AlGaN)。第一包覆层414的形成方式实质上可与第一接触层412的形成方式相同。
发光层416(有时可视为有源层)形成于第一包覆层414上方。发光层416可包括同质结(homojunction)、异质结(heterojunction)、单一量子阱(single-quantum well(SQW))、多重量子阱(multiple-quantum well(MQW))或其他类似的结构。在一实施例中，发光层416可包括未掺杂的n型InxGa(1-x)N。在其他实施例中，发光层416可包括例如AlxInyGa(1-x-y)N的其他常用的材料。在其他实施例中，发光层416可为包括多重阱层(例如InGaN)和阻障层(例如GaN)交错排列的多重量子阱结构。再者，发光层416的形成方式可包括金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)、分子束外延法(MBE)、氢化物气相外延法(HVPE)、液相外延法(LPE)或其他适当的CVD方式。发光层416的总厚度约介于5nm至200nm之间。
第二包覆层418形成于发光层416上方。在一实施例中，除了第二包覆层418掺杂的导电类型与第一包覆层414相反之外，例如为p型，第二包覆层418所包括的材质类似于第一包覆层414的材质，例如AlGaN。第二包覆层418的形成方式实质上可与第一包覆层414的形成方式相同。
第二接触层420形成于第二包覆层418上方。第二接触层420和第一接触层412的材质可以相同或不同，且可使用与第一接触层412类似的形成方式形成第二接触层420。第二接触层420的导电类型与第一接触层412相反。
值得注意的是，上述附图中的实施例是以p型朝上(p-side up)的LED结构为实施例，其中例如第二包覆层418和第二接触层420的p型掺杂的第三族氮化物材料位于LED结构的上表面。本领域普通技术人员当可了解，本发明实施例也可有助于应用在n型朝上(n-side up)的LED结构。
此外，第一接触层412、第一包覆层414、第二包覆层418和第二接触层420可为不同材料及/或掺杂p型或n型的材料的组合。值得注意的是，对于较高和较低的接触层/包覆层的两者之一或两者而言，本发明实施例可仅使用一层接触层或接触层。
之后，进行下述的工艺以形成本发明实施例的LED结构。举例来说，可分别对第一接触层412和第二接触层420形成电性接触(前侧及/或后侧接触)。然后，可形成保护层。之后，可切割和包装LED结构。
值得注意的是，本发明实施例的LED结构可需要例如分布式布拉格反射镜(distributed Bragg reflector)的其他层。上述分布式布拉格反射镜通常可包括具有不同反射系数的多层结构，以反射LED结构发出的光，因而增加从LED结构的顶部发出的光。上述分布式布拉格反射镜也可与一反射阻障层一起使用，或以反射阻障层代替上述分布式布拉格反射镜。
也可依据使用材料的类型和应用改变本发明实施例的LED结构的构造。可以预期的是，本发明实施例可使用多种类型的LED结构，本发明实施例是于基板中提供凹陷，以使LED结构形成于其中。
在本发明一实施例中，可清洁具有(111)方向的表面配向的硅基板，且利用离子注入方式将碳原子掺杂于硅基板中。可对上述基板进行退火工艺，以活化碳原子，且使碳原子与硅原子键结。于上述碳原子层上方沉积包括铝的过渡层，其厚度约为30nm。于形成LED结构之前，可将上述结构置于MOCVD的反应室内，且于1000℃的温度下退火，以移除污染物。上述LED结构可包括一阻障层，上述阻障层包括于约1300℃的温度下沉积厚度约3nm的AlN层和厚度约6nm的掺杂硅的GaN层形成的交错层；一较低接触层，上述较低接触层包括厚度约2μm的掺杂硅的GaN层；一较低包覆层，上述较低包覆层包括厚度约20nm的掺杂硅的Al015Ga0.85N层；一有源层，上述有源层包括厚度约60nm的In0.15Ga0.85N/GaN MQW层；一较高包覆层，上述较高包覆层包括厚度约30nm的掺杂镁的Al015Ga0.85N层；厚度约0.1μm的一掺杂镁的GaN层；以及一较高接触层，上述较高接触层包括厚度约2nm的掺杂镁的In0.15Ga0.85N/GaN超晶格(superlattice)接触层。
在前述的本发明另一实施例中，可清洁具有(111)方向的表面配向的硅基板，且利用扩散方式将碳原子掺杂于硅基板中。可对上述基板进行退火工艺，以活化碳原子，且使碳原子与硅原子键结。于上述碳原子层上方沉积包括铝的过渡层，其厚度约为10nm。于形成LED结构之前，可将上述结构置于MOCVD的反应室内，且于1000℃的温度下退火，以移除污染物。上述LED结构可包括一阻障层，上述阻障层包括于低温(例如约550℃)成长的厚度约30nm的AlN层；一较低接触层，上述较低接触层包括厚度约3μm的掺杂硅的GaN层；一较低包覆层，上述较低包覆层包括厚度约20nm的掺杂硅的Al015Ga0.85N层；一有源层，上述有源层包括厚度约80nm的In0.1Ga0.9N/GaNMQW层；一较高包覆层，上述较高包覆层包括厚度约30nm的掺杂镁的Al015Ga0.85N层；以及一较高接触层，上述较高接触层包括厚度约0.3μm的掺杂镁的GaN层。
值得注意的是，上述提供的实施例仅作为列示之用，在本发明其他实施例中可形成多种其他的组合和结构。
虽然本发明已以实施例公开如上，然而其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视随附的权利要求所界定的范围为准。
Claims (14)
1.一种发光二极管装置，包括：
一半导体基板，其具有位于一第一侧的一含碳层；以及
一发光二极管结构，形成于该半导体基板的该第一侧上。
2.如权利要求1所述的发光二极管装置，还包括一过渡层，介于该含碳层和该发光二极管装置结构之间。
3.如权利要求2所述的发光二极管装置，其中该过渡层包括一金属或一金属合金。
4.如权利要求3所述的发光二极管装置，其中该过渡层包括铝、钛、银、钛-铝或其组合。
5.如权利要求1所述的发光二极管装置，其中该含碳层的厚度小于20μm。
6.如权利要求5所述的发光二极管装置，其中该半导体基板为一块状硅基板，其具有(111)方向的一表面配向。
7.一种发光二极管装置的制造方法，包括下列步骤：
提供一基板；
于该基板的一第一侧形成一含碳层；以及
于该半导体基板的该第一侧上方形成一发光二极管结构。
8.如权利要求7所述的发光二极管装置的制造方法，其中形成该含碳层的步骤包括将碳原子注入该基板内。
9.如权利要求7所述的发光二极管装置的制造方法，其中形成该含碳层的步骤包括将碳原子扩散进入该基板内。
10.如权利要求7所述的发光二极管装置的制造方法，其中形成该含碳层的步骤至少一部分以外延工艺进行。
11.如权利要求7所述的发光二极管装置的制造方法，其中形成该含碳层的步骤包括形成厚度小于20μm的一含碳层。
12.如权利要求7所述的发光二极管装置的制造方法，于形成该发光二极管结构之前还包括于该含碳层上形成一过渡层。
13.如权利要求12所述的发光二极管装置的制造方法，其中该过渡层包括一金属或一金属合金。
14.如权利要求7所述的发光二极管装置的制造方法，其中该基板具有(111)方向的一表面配向。
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