TW530327B - Gallium nitride material devices and methods including backside vias - Google Patents

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gallium nitride
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T Warren Weeks
Edwin L Piner
Ricardo M Borges
Kevin J Linthicum
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Description

530327 B7 五、發明說明（/ ) 發明之領域 本發明一般而言係關於半導體材料，並且更特別地是關於氮 化鎵材料及氮化鎵材料的製法。 發明之背景 氮化鎵材料包括氮化鎵（ GaN)及其合金，諸如銘錄 氮化物（AlGaN)、銦鎵氮化物（InGaN)及鋁銦鎵氮化物 (AlInGaN)。這些材料爲具有相當寬之直接能帶的半導 體化合物，該能帶得以發生高能電子躍遷。該電子躍遷可 使氮化鎵材料具有多種具吸引力的性質，包括有效率地發 射藍光的能力、發射高頻訊號的能力及其他能力。因此， 在諸如電晶體、場發射器及光電子裝置等諸多半導體裝置 應用中，氮化鎵材料正被廣泛地硏究。 氮化鎵材料已被形成於多數種不同的基板上，諸如碳 化石夕（SiC)、藍寶石及矽。矽基板易於購得且相當廉價， 以及矽加工技術已被充分地開發。然而，形成氮化鎵材料 於石夕基板上以製做半導體裝置卻存在有由矽與氮化鎵間之 晶格常數、熱膨脹及能隙差異所造成的問題。 許多半導體裝置包含有至少二個電接點，該電接點提 供諸如Μ電源供應端子的導電接觸。在典型的裝置中，電 流由裝置上的第一接點（諸如陽極）流到裝置上的第二接 點（諸如陰極）。在某些裝置中，該第一與第二接點皆位 於裝置頂端（亦即上表面）上。，該裝置被稱爲水平導電裝 置’因爲電流係由第一接點至第二接點水平地流經裝置。 在其他裝置中，第一接點位於裝置頂端上，而第二接點則 __ __ 4 本紙張尺度適用中關家標準（C^4規格（21〇 χ 297公爱） ----- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) m ---訂---------線 530327 A7 B7 五、發明說明（ 位於裝置背面（亦即底部表面）上。該裝置被稱爲直立導 電裝置。在某些狀況中，直立導電裝置可製做得較類似功 能的水平裝置更小，因爲水平裝置包括多個頂端接點，而 直立裝置可能僅需要一個頂端接點。縮小裝置尺寸可能爲 有利的’因爲單位面積（晶圓）所製做的裝置數目會增加 。因此，在某些應用中，直立導電裝置可能較水平導電裝 置爲佳。 發明之槪要 本發明包括提供具有背面通道的氮化鎵材料裝置及形 成該裝置的方法。該裝置包括形成於基板（諸如矽）上的 氮化鎵材料。該裝置亦可包括一個或多個非導電層，該非 導電層位於基板與氮化鎵材料之間，並可助於氮化鎵材料 的沈積。提供由裝置背面延伸穿經非導電層的通道，以使 沈積於通道中的電接點與諸如裝置頂端上的電接點間得以 進行電傳導。因此，本發明的裝置可直立導電。在其他狀 況中，該通道可完全沒有電接點，以諸如加強光線抽出（ light extraction)。典型的裝置包括有雷射二極體（LD) 、發光二極體（LED)、整流二極體、場效應電晶體（ FET，諸如異質接面場效應電晶體（HFET) )、Gunn效 應二極體及可變電阻二極體等。 在一觀點中，本發明提供一種半導體結構。該半導體 結構包括具有至少一個通道的基板以及形成於該通道中的 電接點，其中該通道係延伸自基板背面。該半導體結構亦 包括形成於該基板上的氮化鎵材料區域。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) m tr----------線丨· 本紙張尺度適用中國國家標竿（CNS)A4規袼（210 X 297公釐） 530327 A7 _ B7_ 五、發明說明（）） 在另一個觀點中，本發明提供一種半導體結構。該半 導體結構包括具有至少一個通道的矽基板，其中該通道係 延伸自矽基板背面。該半導體結構亦包括形成於該矽基板 上的氮化鎵材料區域。 在另一個觀點中，本發明提供一種直立導電半導體裝 置。該半導體裝置包括砍基板及形成於該砂基板上的氮化 鎵材料區域。該半導體裝置可進行直立傳導。 在另一個觀點中，本發明提供一種半導體結構。該半 導體結構包括矽基板及形成於該矽基板上的氮化鎵材料區 域。該半導體結構亦包括形成於氮化鎵材料區域與政基板 間的非導電層以及形成於通道中的電接點，其中該通道係 由該半導體結構背面延伸穿經該非導電層。 在另一個觀點中，本發明提供一種形成半導體結構的 方法。該方法包括形成氮化鎵材料區域於基板上，形成延 伸自該半導體結構背面的通道，以及形成電接點於該通道 中。 在另一個觀點中，本發明提供一種形成半導體結構的 方法。該方法包括形成氮化鎵材料區域於矽基板上，以及 形成延伸自該矽基板背面的通道。 在另一個觀點中，本發明提供一種形成半導體結構的 方法。該方法包括形成第一薄層於砂基板上，以及形成氮 化鎵材料區域於該第一薄層上。該方法更包括將基板移除 ’以暴露出該第一薄層背面。 在其他的優點當中，即使當該裝置包括非導電層時， _ _ 6 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)a4規格（21〇 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 眷
-n an n n n n 一fl n flu HI 線」 530327 A7 ______B7___ 五、發明說明（4 ) 本發明仍能製做直立導電的氮化鎵材料裝置。特別地是， 能以砂基板製做包括該非導電層的直立導電裝置。砂基板 係特別爲所希冀，因爲其易於購得、相當廉價，並可使用 熟知技術加工。 此外，本發明的直立導電裝置可以較類似功能的水平 置更小的尺寸形成，因爲直立導電裝置上方存在有較少的 頂端接點。使用較小的裝置尺寸可使更多裝置得以形成於 一特定晶圓上。 再者’使用本發明之方法所形成的背面接點可具有其 他有利的功能。在某些狀況中，該背面接點可作用爲散熱 片’其可將裝置操作期間所產生的熱能移除。再者，該背 面接點可作用爲反射層，其可加強光電子裝置的輸出效率 Ο 應瞭解地是，並非本發明的每個具體態樣皆具有在此 所述的優點。本發明的其他優點、觀點及特徵將由下列配 合附圖之本發明的詳細說明而變得淸楚。 圖式簡單說明 圖1舉例說明根據本發明具體態樣之包括背面通道的 半導體裝置。 圖2舉例說明根據本發明另一個具體態樣之包括多個 背面通道的半導體裝置。 圖3舉例說明根據本發明另一個具體態樣之包括多個 背面通道且無頂端通道的半導體裝置。 圖4舉例說明根據本發明另一個具體態樣之發光二極 ___ 7 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
*·> -1_1 I m n I n n 一51、· n HI n m n n n· I 線丨· 530327 A7 五、發明說明（ 體（LED)。 圖5舉例說明根據本發明另一個具體態樣之雷射二極 圖6舉例說明根據本發明另一個具體態樣之整流二極 體。 圖7舉例說明根據本發明另一個具體態樣之異質接面 場效應電晶體（HFET)。 圖8舉例說明根據本發明另一個具體態樣之包括多個 背面通道且無頂端通道的LED。 圖9舉例說明根據本發明另一個具體態樣之包括背面 通道的LED，其中該背面通道完全無電接點。 圖10舉例說明根據本發明另一個具體態樣之包括背面 通道的LED，其中該背面通道的形狀可加強內部光線反射 〇 圖11舉例說明根據本發明另一個具體態樣之led， 其中該LED包括形成於裝置背面上的正與負接點。 圖12舉例說明根據本發明另一個具體態樣之已在加工 期間移除基板後的LED。 發明之詳細說明 本發明提供包括背面通道的氮化鎵材料裝置及形成該 裝置的方法。 參考圖1，所示爲根據本發明具體態樣之半導體裝置 10。半導體裝置10包括基板I2及形成於該基板上的氮化 鎵材料裝置區域I4。如以下所進一步說明，裝置結構通常 才氏張又適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公楚） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 1——1訂---------^丨‘ 530327 A7 五、發明說明（6 ) 至少部分形成於氮化鎵材料區域14中。裝置1〇更包括形 成於基板12上的非導電層15，以便於諸如後續的氮化鎵 材料裝置區域14沈積。一頂端電接點16 (位於裝置頂端 18上）與一背面電接點20 (位於裝置背面22上）被設置 以用於連接至供應裝置電源的外部電源供應。背面電接點 2〇沈積於延伸自裝置背面22的通道24中。通道24延伸 穿經非導電層15，並進入裝置1〇中的導電區域（諸如裝 置區域14)。由於背面電接點20沈積於通道24中的結果 ’電流便可穿經裝置區域14，在背面電接點與頂端電接點 16之間流動，而不會爲非導電層15所阻礙。因此，雖然 存在有非導電層15,但仍可完成穿經裝置10之背面電接 點20與頂端電接點16間的直立傳導。 在此所使用的非導電層係指可在一個或多個方向 上阻擋電流或將電流限制在得以忽略之數量的薄層。“非 導電層可由諸如非導體材料形成；或可由半導體材料开多 成，該半導體材料的能帶充分偏離與該“非導電，，層相鄰 之薄層。雖然“非導電”層本身可能具有導電性，但是能 帶與相鄰薄層偏離或不連續的結果仍可使其爲非導電性（ 諸如在直立方向上）。在此所使用的“直立傳導”係指裝 置中直立方向上的電流。“直立傳導，，可在背面電接 頂端電接點之間，或者可在裝置中直立分離的不同薄層之 間進行。 應瞭解地是，當指稱一薄層位於另一薄層或基板的“ 上面”或“上方”時，其可“直接，，位於該薄層或基 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
訂---------線L 9 530327 A7 ____B7___ 五、發明說明（7 ) 上面”，或者亦可存在有一中間層。薄層直接位於另一薄 層或基板上面意指不存在有中間層。亦應瞭解地是，當指 稱一薄層位於另一薄層或基板的“上面”或“上方”時， 其可覆蓋整個薄層或基板，或者覆蓋部分的薄層或基板。 如圖式中所示，術語“頂端”意指裝置上表面，而術語“ 背面”意指裝置底部表面。因此，頂端係位於裝置背面的 反面。 在某些較佳具體態樣中，基板12爲矽基板。在此所使 用的矽基板12係指包括有矽層的任何基板。適當的矽基板 實施例當中包括有完全由矽組成的基板（諸如，體材矽（ bulk silicon)晶圓）、砂在絕緣體上（SOI)基板、砂在藍 寶石上（SOS)基板，以及植入氧而隔離（SIM0X)的基 板。適當的矽基板亦包括將矽晶圓接合於諸如鑽石、氮化 鋁或其他複晶材料等另一材料的基板。可使用具有不同結 晶方位的矽基板12。在某些狀況中，矽（111)基板爲較 佳。在其他狀況中，矽（100)基板爲較佳。 應瞭解地是，在其他具體態樣中，可使用諸如藍寶石 與碳化矽基板等除了矽基板以外的基板。 基板12可具有任何尺寸，且其特定尺寸係依據應用而 定。適當的直徑包括（但非僅限於此）2吋（50 mm)、4 吋（100 mm)、6 吋（150 mm)及 8 吋（200 mm)。在某 些具體態樣中，矽基板12相當厚，諸如大於250微米。較 厚的基板通常可抗彎曲；在某些狀況中，較薄的基板會發 生彎曲。在某些具體態樣中，較佳方式爲使用薄的矽基板 10 __ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ·!訂---------線‘----------------------- 530327 A7 五、發明說明（2 ) 12 (諸如f於1〇〇微米），以便於穿經其而形成通道μ。 可在氮化鎵材料裝置區域U沈積之前，先將非導電層 15形成於基板12上，以諸如達成一項或多項下列要求： 藉由降低氮化鎵材料裝置區域14與基板12間的熱膨脹係 數差異所造成的熱應力，而減少氮化鎵材料裝置區域Μ中 的表縫形成，藉由降低氮化鎵材料裝置區域14與基板 間的晶格常數差異所造成的晶格應力，而減少氮化鎵材料 裝置區域14中的缺陷形成；以及藉由降低基板12與氮化 鎵材料裝置區域14間的能隙差異，而增加基板12與氮化 鎵材料裝置區域14間的傳導。應瞭解地是，非導電層15 亦可因其他各種理由而形成於基板12與氮化鎵材料裝置區 域14之間。當使用矽基板時，非導電層15的存在可能特 別地較佳。 非導電層15的組成係至少部分依據基板的種類以及氮 化鎵材料裝置區域14的組成而定。在某些使用矽基板的具 體態樣中，較佳方式係非導電層15可包含有組成漸次變化 過渡層，該組成漸次變化過渡層在其至少部分薄層上有組 成變化。適當的組成漸次變化過渡層已說明於諸如共審中 且共有的美國專利申請案第09/736,972號，該專利申請案 的標題爲 Gallium Nitride Materials and Methods” ，並方4 2000年12月14日提出申請，其在此併入本案以爲參考資 料。藉由降低氮化鎵材料與基板12 (諸如矽）間的熱膨腾 係數差異所造成的熱應力，則組成漸次變化過渡層能特別 有效地減少氮化鎵材料裝置區域Μ中的裂縫形成。在某些 _ 11 本紙張尺度適ϋ國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐1 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) n flu n n n n I 一一OJI —9 I— I n n 線—修 530327 A7 五、發明說明（？） 具體態樣中，當非導電層15爲組成漸次變化時，非導胃胃 15 係由諸如 AlxInyGa(1_x_y)N、AlxGa(i_x)N 或 InyGa(1 y)N 等 氮化鎵合金所組成。在這些具體態樣中，該合金之至少^_ 種元素（諸如鎵、鋁、銦）的濃度通常會在該薄層的$少^ 部分橫剖面厚度上有所變化。 在其他具體態樣中，非導電層15在其整個厚度上具有 固定的（亦即，沒有變化的）組成。該非導電層包括有緩 衝層及中間層。適當的中間層已說明於諸如先前所參考的 美國專利申請案第09/736,972號。在某些具體態樣中，非 導電層15具有固定組成的氮化鎵合金，諸如ΑΐχΙη Ga y (1 - x - y)N、AlxGa(1_x)N 或 IiiyGaowN 〇 在作爲舉例的具體態樣中，所示的單一非導電層15係 位於基板12與氮化鎵材料裝置區域14之間。其他的具體 態樣可包括有多個非導電層。例如，裝置1〇可包括有一個 非導電組成漸次變化過渡層及一個非導電中間層。亦應瞭 解地是，在某些具體態樣中，一個或多個導電層亦可存在 於基板12與氮化鎵材料裝置區域14之間，其可達成一項 或多項上述非導電層的特徵。例如，該組成漸次變化過渡 層在某些狀況中可爲導電性。在某些狀況中，該導電層爲 位於基板與氮化鎵材料裝置區域之間的單層。在包括有一 個或多個導電層的具體態樣中，該結構可不包括任何非導 電層。 在圖1的具體態樣中，通道24延伸穿經基板12的非 導電層15，以使得裝置10中可發生直立傳導。因此，通 __ 12 本紙張尺度dip國國家標準（CNS)A4 ^7(21〇 χ 297公釐） ---- (請先閱讀背面之;i意事項再填寫本頁) m 訂----- 線丨_----- 530327 A7 __________B7_____ 五、發明說明（,。） 道24至少具有足以在頂端電接點16與背面電接點2〇間形 成導電直立路徑的長度（L)。例如，通道24可延伸至氮 化鎵材料裝置區域14中的位置，而形成該導電路徑。在某 些狀況中，較佳方式可將通道Μ延伸至氮化鎵材料裝置區 域14中的蝕刻阻絕層（諸如，圖5中的46)，以便於進 行如以下所進一步說明的加工。在某些具體態樣中，通道 24可延伸至低於氮化鎵材料裝置層的位置一諸如摻雜導電 過渡層的上部位中，而形成直立導電路徑。在某些狀況中 ’通道24可延伸至形成於裝置10中的源極區或汲極區。 通道24的確切尺寸與形狀係依據應用而定。位於背面 22上的典型通道橫剖面積爲約100微米乘約1〇〇微米。對 通道24而言，較佳方式爲所示之向內變尖，因而產生錐形 通道（亦即，截頭的金字塔形）。向內變尖可便於背面電 接點20沈積在通道24側壁28上。在其他狀況中，如以下 所進一步說明並如圖10所示，對通道而言，較佳方式爲向 外變尖（亦即，橫剖面積在遠離背面的方向上增加）。在 某些具體態樣中，向外變尖的通道可加強內部光線反射， 並可改良光線抽出。 在圖1中，裝置10包括一單一通道24。然而，如以 下所進一步說明並如圖2-3所示的其他具體態樣可包括多 個通道。 在此所使用的用語“電接點”或“接點”係指半導體 裝置上的任何導電結構，其可與電源有效地接觸，並包括 電極、端子、接觸墊、接觸面、接觸區域及類似物等。背 13 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) m n ϋ n n m n 一· ον « i ί I t A7 530327 五、發明說明（"） 面電接點2〇與頂端電接點16係由包括有特定金屬的導鼇 材料所形成。本技藝所熟知的任何適當導電材料皆可使用 。接點16, 20的組成可依據接點的種類而定。例如，接點 16, 20可爲接點η型材料或P型材料。適當的η型接點金 屬包括有鈦、鎳、錦、金、銅及其合金。適當的ρ型接|占 金屬包括有鎳、金、鈦及其合金。 接點16, 20具有足夠的厚度，以確保該接點的整個區 域皆具有導電性。例如，適當的接點丨6，20厚度爲約〇.〇5 微米至約1〇微米之間。在某些狀況中，由於通道24側變 28上的不均勻沈積，整個區域上的背面電接點20厚度會 有變化。背面電接點20與頂端電接點16的表面區域可籍 由打線接合、空氣橋接（air bridging)及類似方法，而輿 適當的電源端子接觸。在某些較佳具體態樣中，背面電接 點20實質上僅延伸超過背面，而不會延伸超過諸如裝竃 10端面30。因此，在這些較佳具體態樣中，端面30實質 上並無背面電接點20。 在某些具體態樣中，背面電接點20亦可作用爲有效的 散熱片。在這些具體態樣中，背面電接點20可將裝置操作 期間產生的熱能移除。此舉可使裝置10得以在產生大量熱 的情況下操作，否則該熱將損傷裝置。特別地是，在高電 流密度操作的雷射二極體可使用背面電接點20作爲散熱片 。可特別地設計背面電接點20，以加強熱能的移除。例如 ，背面電接點20可由諸如銅與金等材料組成，該材料在熱 移除方面特別地有效。再者，可將背面電接點20與通道 14 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐) '' Γ%先閱讀背¾之>i意事項再填寫本頁} m 訂---------線丨一 A7 530327 五、發明說明（θ ) 24進行設§十’以使得有較大的表面區域與裝置區域ι4接 觸，例如藉由包括有多個通道及/或深入裝置區域14中的 通道。 在某些具體態樣中，諸如當裝置10爲光電子裝置時， 背面電接點20可作用爲反射層。藉由將內部發出的光線有 效率地反射離開基板12，則背面電接點2〇可將所發出的 光線引導至裝置10之頂端18與端面30的外面。因此，可 加強裝置的輸出效率。特別地是，雷射二極體與發光二極 體可因利用背面電接點20的反射性質而受益。爲加強背面 電接點20反射光線的力，形、成通道24，以使背面電接 點延伸至發光主動層（諸如圖4的38 ;圖5的50)附近。 在某些具體態樣中，如以下圖9_u所進一步說明，較 佳方式可使通道24中完全沒有接點。亦即，接點並未形成 於通道中。在xa些具體態樣中，通道可作用爲將裝置的內 部薄層（例如，非導電層15或氮化鎵材料裝置區域14) 暴露於外部的窗口。此暴露可加強裝置的光線抽出，其特 別有用於諸如發光二極體等光電子裝置。在某些狀況中， 爲使內部裝置層的暴露達到最大，可藉由諸如蝕刻將基板 12元全移除。該裝置係表不於圖12中，並進一步說明如 下。在通道24完全沒有電接點的具體態樣中，應瞭解地是 ，接點係形成於裝置的其他部分上，包括背面22的其他（ 非通道）區域。 ^ 氮化鎵材料裝置區域14包含有至少一個氮化鎵材料層 。在某些狀況中，氮化鎵材料裝置區域14僅包括一個氮化 _____ 15 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210厂------ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) —訂---------線丨一 530327 A7 五、發明說明（I》） 鎵材料層。在其他狀況中，如以下所進一步說明並如圖.4_ 8所示’氮化鎵材料裝置區域14包括多個氮化鎵材料層。 該不同薄層可形成半導體結構的不同區域。氮化鎵材料區 域亦可包括一個或多個不具有氮化鎵材料組成的薄層，諸 如氧化層或金屬層。 在此所使用的用語“氮化鎵材料，，係指氮化鎵（GaN )及任何其合金，諸如銘鎵氮化物（AlxGa(1_x)N)、銦鎵 氮化物（InyGa(1_y)N)、鋁銦鎵氮化物（AlxInyGa0_x_y)N) 、鎵砷磷氮化物（GaAsaPbN^+w)及鋁銦鎵砷磷氮化物（ AlxInyGa(1.x-y)AsaPbN(1-a_b))。通常，當砷及/或磷存在時， 其濃度很低（亦即，小於5 wt%)。在某些較佳具體態樣 中，氮化鎵材料具有高濃度的鎵，並包括微量或不包括鋸 及/或銦。在高鎵濃度的具體態樣中，（χ + y)的總和可小 於0.4、小於0.2、小於〇·1或甚至更小。在某些狀況中， 較佳方式係氮化鎵材料層具有GaN組成（亦即，x+y = 〇) 。氮化鎵材料可摻雜成η型或p型，或者可爲本質性。適 當的氮化鎵材料已說明於美國專利申請案第〇9/736,972號 ，該申請案在此倂入本案。 氮化鎵材料區域14通常具有足夠高的品質，以便允許 裝置形成於其中。較佳方式爲氮化鎵材料區域14具有低裂 縫水平及低缺陷水平。如上所述，非導電層15可減少裂縫 及/或缺陷的形成。在某些具體態樣中，氮化鎵材料區域14 的缺陷約爲每平方公分109個。具有低裂縫水平的氮化鎵 材料已說明於先前所參考的美國專利申請案第〇9/736,972 16 本紙張足度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ~ ~ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂---------線丨！ 530327 A7 ______ _B7____ 五、發明說明（/〇 號中。在某些狀況中，氮化鎵材料區域14具有低於〇.〇〇5 //m/zzm2的裂縫水平。在某些狀況中，氮化鎵材料具有低 於0.001 Vm//zm2的極低裂縫水平。在某些狀況中，較佳 方式係氮化鎵材料區域14爲低於0.0001 β m//z m2的裂縫 水平所定義的實質上無裂縫。 在某些狀況中，氮化鎵材料區域14包括具有單晶結構 的一層或多層。在某些較佳的狀況中，氮化鎵材料區域14 包括具有纖鋅礦（六邊形）結構的一層或多層。 氮化鎵材料裝置區域14的厚度及不同薄層的數目係至 少部分依據特定應用而定。氮化鎵材料裝置區域14的厚度 至少足以允許形成希冀的裝置。氮化鎵材料裝置區域14通 常具有大於0.1微米的厚度，然而並非總是如此。在其他 狀況中，氮化鎵材料區域14具有大於〇·5微米、大於〇·75 微米、大於1.0微米、大於2·〇微米或大於5·〇微米的厚度 〇 裝置10可使用熟知的加工技術形成。非導電層15與 氮化鎵材料裝置區域14可使用諸如有機金屬化學氣相沈積 (MOCVD)、分子束磊晶（ΜΒΕ)、氫化物氣相磊晶（ HVPE)等技術沈積於基板12上。在某些狀況中，m〇CVD 衣早壬可gb較佳。例如，用於將組成漸次變化非導電層1 $與 氮化鎵材料裝置區域14形成於矽基板12上的適當 MOCVD製程已被說明於先前所參考的美國專利申請案第 〇9/736,972號中。當氮化鎵材料裝置區域14具有不同薄層 時，在某些狀況中，較佳方式係使用單沈積步驟（諸如 _____ 17 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)a4規格（21〇 x 297公复1 ^-- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂--------線丨· 530327 A7 ________B7____ 五、發明說明（（r ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) MOCVD步驟）形成整個裝置區域14。當使用單沈積步驟 時，加工參數係於適當時間進行適當的改變，而形成該不 同薄層。在某些較佳狀況中，可使用單成長步驟形成非導 電層15與氮化鎵材料裝置區域14。 在某些狀況中，較佳方式係使用橫向磊晶過成長（ LEO，Lateral Epitaxial Overgrowth)技術成長裝置區域 14 ，該技術包含穿經遮罩開口成長一底層氮化鎵層，並接著 在該遮罩上橫向成長，而形成氮化鎵材料裝置區域，諸如 美國專利第6,051，849號中所述，該專利在此倂入本案以 爲參考資料。在某些狀況中，較佳方式係使用懸垂嘉晶（ Pendeoepitaxial)技術成長裝置區域14，該技術包含將氮 化鎵材料柱壁面成長於溝渠中，直到相鄰壁面成長聚結形 成氮化鎵材料裝置區域爲止，諸如美國專利第6，177,688 號中所述，該專利在此倂入本案以爲參考資料。 可使用習知蝕刻技術形成通道24。適當的技術包括濕 式化學蝕刻與電漿蝕刻（亦即，活性離子蝕刻（RIE)及 感應耦合電漿（ICP)蝕刻等）。當蝕刻穿經裝置1〇的不 同薄層時，可利用不同的蝕刻技術。例如，可使用氟基 RIE製程蝕刻穿經基板12，且可使用氯基RIE製程蝕刻穿 經氮化鎵裝置區域14及/或非導電層15。可使用預定的蝕 刻時間形成具有希冀尺寸的通道24。在其他狀況中，可將 蝕刻阻絕層（諸如圖5中的46)設於裝置1〇中以阻絕蝕 刻，而使得無須精確控制蝕刻時間便可形成具有希冀尺寸 的通道24;其中該蝕刻阻絕層具有不易爲所使用的技術蝕 18 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規^各（210 X 297公釐） " 一 530327 A7 Γ----------- 五、發明說明（4 ) 刻之組成。 背面電接點20與頂端電接點16可使用適於沈積諸如 金屬之導電材料的熟知技術進行沈積。該技術包括濺鍍、 電子束沈積及蒸鍍等。在某些狀況中，具有不同金屬組成 的一連串薄層被連續沈積而形成接點16, 20。在部分的這 些狀況中，係使用退火技術使接點組成產生平衡。因爲背 面電接點20係沈積於通道24中，所以該沈積技術應以可 在通道24中提供充分覆蓋的方式進行。因此，背面電接點 20的沈積時間可能較頂端電接點16爲長。 圖2舉例說明根據本發明另一個具體態樣之包括有多 個通道24a，24b的裝置l〇a。一單一背面電接點20係形成 於二個通道24a，24b中，並橫過其。使用圖2所示的多個 通道24a，24b可加強熱移除、改良光線反射，並增加直立 傳導。 圖3舉例說明根據本發明另一個具體態樣之包括有多 個通道24a，24b的裝置l〇b。第一背面電接點20a係形成 於通道24a中，而第二背面電接點20b係形成於通道24b 中。可使用介電層31以電隔離部分的背面電接點2〇b，而 避免裝置1〇短路。適當的介電層31組成包括有氧化砂與 氮化矽。圖3的具體態樣不具有頂端電接點（圖1中的16 )。圖3的具體態樣可使用於不希冀具有頂端電接點（諸 如用於表面安裝的裝置）的狀況。 應瞭解地是，本發明亦包括具有其他結構（除了在此 舉例說明的以外）之背面通道與背面接點的裝置。例如， 19 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ··!1訂---------線丨释 530327 A7 ______B7__ 五、發明說明（Π ) 背面電接點20可延伸至氮化鎵材料裝置區域M中的主動 區域，諸如源極區或汲極區。再者，背面電接點2〇可實質 地延伸穿經裝置厚度，以使得該背面電接點亦可形成接點 於裝置頂端18。 包括電子及光學裝置等本技藝所熟知的任何適當半導 體裝置皆可利用本發明的特徵。在諸多狀況中，裝置可完 全形成於氮化鎵材料區域14中（亦即，整個主動裝置區域 位於氮化鎵材料區域14中）。在其他狀況中，裝置僅部分 形成於氮化鎵材料區域14中，且亦形成於諸如基板12之 其他區域中。 典型的裝置包括有雷射二極體（LD)、發光二極體（ LED)、整流二極體、場效應電晶體（諸如異質接面場效 應電晶體）、Gunn效應二極體及可變電阻二極體等。圖4_ 8舉例說明根據本發明之氮化鎵材料裝置的實施例。然而 ，應瞭解地是，具有其他結構的裝置亦落於本發明之範疇 中。 圖4舉例說明根據本發明具體態樣之典型的lEI) 32。 LED 32包括有形成於非導電層15上的氮化鎵材料裝置區 %域;非導電層15可爲組成漸次變化，並形成於砍基板 I2上。在作爲舉例的具體態樣中，下列諸層係以連續形成 的方式構成氮化鎵材料裝置區域摻矽GaN層34、慘
矽 AlxGa(1_x)N 層 36 (包含 〇-20 wt%的鋁）、GaN/InGaN 單一或多重量子井38、摻鎂AlxGa(ux)N層40 (包含1〇-2〇 wt%的鋁），以及摻鎂GaN層41。通道24由背面22延伸 20 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 X 297公爱1 ---- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ·.!丨丨！訂---------線棒 530327 A7 五、發明說明（β ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 至GaN層34中的位置。頂端電接點16係由p型金屬形成 ，而背面電接點2〇係由η型金屬形成。可提供具有各種不 同結構的LED 32，包括有：雙異質結構（諸如薄層36中 的Al>〇%)、單異質結構（諸如薄層36中的A1==〇%) 、對稱結構或非對稱結構。應瞭解地是，亦可提供具有各 種不同結構的LED，其中之一係表示於圖8中。 線丨· 圖5舉例說明根據本發明具體態樣之典型的雷射二極 體42。雷射二極體42包括有形成於非導電層b上的氮化 鎵材料裝置區域Μ。非導電層I5可爲組成漸次變化，逝 形成於矽基板12上。在作爲舉例的具體態樣中，下列諸層 係以連|賈形成的方式構成氣化錄材料裝置區域14 :摻石夕 GaN 層 44、摻矽 AlxGa(1_x)N 層 46 (包含 5_30 wt%的銘） 、摻矽 AlxGa(1.x)N 層 48 (包含 〇-20 wt% 的鋁）、 GaN/InGaN單〜或多重量子井5〇、摻鎂AlxGa(1-X)N層52 (包 3 5-20 wt%的銘）、慘錶 AlxGa(u)N 層 54 (包含 5、 30 wt%的鋁），以及摻鎂GaN層55。通道24由背面22 延伸至作爲蝕刻阻絕層的AlxGa(loc)N層46。頂端電接讓占 16係由p型金屬形成，而背面電接點2〇係由^型金屬形 成。應瞭解地是，亦可提供具有各種不同結構的雷射二極 體。 〜 圖6舉例說明根據本發明具體態樣之整流二極體56。 整流二極體56包括有形成於非導電層15上的氮化鎵材料 裝置區域14。非導電層15可爲組成漸次變化，並形成於 砂基板12上。在作爲舉例的具體態樣中，下列諸層係以連 ___ 21 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐) ^ ' 530327
五、發明說明（θ ) 續形成的方式構成氮化鎵材料裝置區域14 ••摻矽GaN層 58及本質GaN層60。通道μ由背面22延伸至GaN層58 中的位置。頂端電接點I6係由整流金屬形成，而背面電接 點20係由η型金屬形成。應瞭解地是，亦可提供具有各種 不同結構的二極體。 圖7舉例說明根據本發明具體態樣之雙閘極異質接面 場效應電晶體（HFET) 64。HFET 64包括有形成於非導 電層15上的氮化鎵材料裝置區域14。非導電層15可爲組 成漸次變化，並形成於矽基板12上。在作爲舉例的具體態 樣中’下列諸層係以連續形成的方式構成氮化鎵材料裝置 區域14 :本質GaN層66及本質A1GaN區域68。通道24 由背面22延伸至GaN層66中的位置。HFET 64包括有一 源極頂端接點16a，一閘極頂端接點16b，以及一汲極頂端 接點16c。背面閘極接點20係形成於通道24中。應瞭解 地是，亦可提供具有各種不同結構的HTET，包括具有多 數個閘極的HFET。
圖8舉例說明根據本發明另一個具體態樣之包括有多 個背面通道24a，24b的LED 70。LED 70包括有形成於非 導電層15上的氮化鎵材料裝置區域14。非導電層15可爲 組成漸次變化，並形成於矽基板12上。在作爲舉例的具體 態樣中，下列諸層係以連續形成的方式構成氮化鎵材料裝 置區域14 :摻矽GaN層72、摻矽AlxGa(1_x)N層74 (包含 0-20 wt%的鋁）、GaN/InGaN單一或多重量子井76、摻鎂 AlxGa(i_x)N層78 (包含10-20 wt%的錦），以及摻鎂GaN 22 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 x 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
530327 A7 __ B7_ ____ 五、發明說明（…） 層80。通道24a由背面22延伸至GaN層72中的位置，而 通道24b由背面22延伸至GaN層80中的位置。η型背面 電接點20a形成於通道24a中，而ρ型背面電接點20b形 成於通道24b中。介電層31隔離部分的P型背面電接點 20b，以避免發生短路。應瞭解地是，亦可提供具有各種不 同結構的LED。 圖9舉例說明根據本發明另一個具體態樣之包括完全 沒有電接點之背面通道24的LED 82。LED 82包括有形成 於導電層84上的氮化鎵材料裝置區域14。導電層84亦可 作用爲過渡層，並可爲組成漸次變化。在作爲舉例的具體 態樣中，下列諸層係以連續形成的方式構成氮化鎵材料裝 置區域14 :摻矽GaN層86、摻矽AlxGa(loc)N層88 (包含 0-20 wt%的鋁）、GaN/InGaN單一或多重量子井90、摻鎂 AlxGa(1_x)N層92 (包含10-20 wt%的鋁），以及摻鎂GaN 層94。通道24由背面22延伸至導電層84，因而將該導電 層暴露於周圍環境。η型接點20形成於背面22上。 圖10舉例說明LED 96，該LED 96類似於圖9所示 的LED，除了背面通道24的形狀不同以外。在圖1〇所示 的具體態樣中，該通道的橫剖面積在遠離背面22的方向上 增加。此通道形狀可加強內部光線反射（如箭號所示）及 外部光線抽出。在某些狀況中，LED 96可安裝於反射性封 裝表面98上，以進一步加強光線反射。 圖11舉例說明根據本發明另一個具體態樣之LED 100 。LED 100包含有與圖9及圖10所示之LED相同的薄層 23 本纸張尺^適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂---------線 530327 A7 ____—_B7________ 五、發明說明（“） 結構。LED 100包含有形成於基板12正面與背面上的多數 個接點102。LED 100亦包含有一 η型接點104與一 p型 接點106。介電層31隔離部分的η型與ρ型接點，以避免 發生短路。 圖12舉例說明根據本發明另一個具體態樣之LED 108 。在LED 108加工期間，整個基板已使用蝕刻步驟移除。 因此，整個導電層84背面會暴露於周圍環境。本具體態樣 特別有用於將LED的光線抽出最大化。 爲熟習本技藝之人士所易於瞭解地是，在此所列的所 有參數係作爲舉例，而實際的參數係依據本發明之半導體 材料與方法的具體應用而定。因此，應瞭解地是’所示的 前揭具體態樣係僅作爲實施例，且本發明可在落於所附 請專利範圍及其相當物的範疇中，以除了如具體說明以外 的方式執行。 24 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ~ I n n ϋ n n I I · I n n n n flu n 1 *1 n n n ϋ n el n

Claims (1)

  1. 530327 A8 骂 D8 六、申請專利範圍 1·一種半導體結構，包含有： 具有至少一個通道的基板，該通道係延伸自該基板背 面； 形成於該通道中的電接點；以及 形成於該基板上的氮化嫁材料區域。 2·如申請專利範圍第1項之半導體結構，其中該電接 點係由該基板背面延伸至該半導體結構的導電區域。 3·如申請專利範圍第2項之半導體結構，其中該電接 點係由該基板背面延伸至該氮化鎵材料區域。 4.如申請專利範圍第1項之半導體結構，更包含有形 成於該基板與該氮化鎵材料區域之間的非導電層。 5·如申請專利範圍第4項之半導體結構，其中所形成 的該通道係穿經該非導電層，以及該電接點係延伸穿經該 非導電層。 6·如申g靑專利範圍第4項之半導體結構，其中該非導 電層包含有一組成漸次變化過渡層。 7·如申請專利範圍第1項之半導體結構，其中所形成 的該通道係穿經該基板，以及該電接點係延伸穿經該基板 〇 8·如申請專利範圍第1項之半導體結構，其中該電接 點係由該基板背面延伸至該氮化鎵材料區域中的區域。 9·如申請專利範圍第1項之半導體結構，其中該電接 點係由該基板背面延伸至形成於該氮化鎵材料區域中的源 極區域。 -----------------------!!^w...........—IT-----------------線-* (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) 530327 頜 C8 D8 六、申請專利範圍 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 10. 如申請專利範圍第1項之半導體結構，更包含有形 成於該半導體結構頂端的頂端電接點。 11. 如申請專利範圍第10項之半導體結構，其中該半 導體結構可在該頂端電接點與該通道中的接點之間進行直 立傳導。 12. 如申請專利範圍第1項之半導體結構，其中該半導 體結構可進行直立傳導。 13. 如申請專利範圍第1項之半導體結構，其中該基板 具有多個延伸自該基板背面的通道。 14. 如申請專利範圍第12項之半導體結構，其中該半 導體結構可在第一背面電接點與第二背面電接點間進行傳 導。 15. 如申請專利範圍第1項之半導體結構，其中該通道 係延伸至該半導體結構中的蝕刻阻絕層。 16. 如申請專利範圍第1項之半導體結構，其中該氮化 鎵材料區域包括至少一個氮化鎵材料層。 17. 如申請專利範圍第16項之半導體結構，其中該氮 化鎵材料層具有低於約0.001 的裂縫水平。 18. 如申請專利範圍第1項之半導體結構，其中一半導 體裝置被形成於該氮化鎵材料區域中。 19. 如申請專利範圍第1項之半導體結構，其中該半導 體結構包含有雷射二極體。 20. 如申請專利範圍第1項之半導體結構，其中該半導 體結構包含有發光二極體。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格(210 X 297公釐) 530327 C8 D8 六、申請專利範圍 21. 如申請專利範圍第1項之半導體結構，其中該半導 體結構包含有場效應電晶體。 22. 如申請專利範圍第1項之半導體結構，其中該半導 體結構包含有整流二極體。 23. 如申請專利範圍第1項之半導體結構，其中該基板 包含有矽基板。 24. 如申請專利範圍第23項之半導體結構，其中該基 板包含有體材矽。 25. 如申請專利範圍第24項之半導體結構，其中該基 板包含有矽在絕緣體上基板。 26. 如申請專利範圍第1項之半導體結構，更包含有形 成於該基板與該氮化鎵材料區域之間的導電層。 27. 如申請專利範圍第26項之半導體結構，其中該通 道係由該基板背面延伸至該導電層。 28. —種半導體結構，包含有： 具有至少一個通道的矽基板，該通道係延伸自該矽基 板背面；以及 形成於該矽基板上的氮化鎵材料區域。 29. 如申請專利範圍第28項之半導體結構，其中該通 道係由該矽基板背面延伸至該半導體結構的導電區域。 30. 如申請專利範圍第28項之半導體結構，其中該通 道係由該矽基板背面延伸至該氮化鎵材料區域。 31. 如申請專利範圍第28項之半導體結構，更包含有 形成於該基板與該氮化鎵材料區域之間的非導電層。 -------------1Τ-----------------線 (請先閲讀背面之注意事項再塡寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格(210 X 297公釐) 530327 C8 D8 六、申請專利範圍 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 32. 如申請專利範圍第31項之半導體結構，其中該通 道係延伸穿經該非導電層。 33. 如申請專利範圍第28項之半導體結構，更包含有 形成於該基板與該氮化鎵材料區域之間的導電層。 34. 如申請專利範圍第33項之半導體結構，其中該通 道係由該基板背面延伸至該導電層。 35. 如申請專利範圍第28項之半導體結構，其中所形 成的該通道係穿經該矽基板。 36. 如申請專利範圍第28項之半導體結構，其中一電 接點被形成於該通道中。 37. 如申請專利範圍第28項之半導體結構，其中一頂 端電接點係形成於該裝置頂端上，且該半導體結構可在該 頂端電接點與形成於該通道中的該電接點之間進行直立傳 導。 38. 如申請專利範圍第28項之半導體結構，其中該矽 基板具有多個延伸自該矽基板背面的通道。 39. 如申請專利範圍第28項之半導體結構，其中該通 道完全沒有電接點形成於其中。 40. 如申請專利範圍第39項之半導體結構，更包含有 形成於該矽基板背面上的第一電接點。 41. 如申請專利範圍第40項之半導體結構，更包含有 形成於該矽基板背面上的第二電接點。 42. 如申請專利範圍第28項之半導體結構，其中該半 導體結構的頂端完全沒有電接點。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格(210 X 297公釐） 530327 B8 C8 -- - D8 六、申請專利範圍 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 43·如申請專利範圍第28項之半導體結構，其中該通 道完全沒有任何材料形成於其中。 44·如申請專利範圍第28項之半導體結構，其中該通 道係提供窗口於形成在該基板上的薄層。 45·如申請專利範圍第28項之半導體結構，其中該通 道具有截頭的金字塔形。 46·如申請專利範圍第28項之半導體結構，其中該通 道的橫剖面積在遠離該矽基板背面的方向上增加。 47·—種直立導電半導體裝置，包含有： 矽基板；以及 形成於該矽基板上的氮化鎵材料區域， 其中該半導體裝置可進行直立傳導。 線」 48.如申請專利範圍第47項之半導體裝置，更包含有 形成於該裝置背面上的背面電接點，且該背面電接點不會 延伸至該半導體裝置端面。 49·如申請專利範圍第48項之半導體裝置，更包含有 形成於該裝置頂端上的頂端電接點，且該半導體裝置可在 該頂端電接點與該背面電接點之間進行直立傳導。 50·如申請專利範圍第47項之半導體裝置，更包含有 形成於該矽基板與該氮化鎵材料區域之間的非導電層。 51. 如申請專利範圍第47項之半導體裝置，更包含有 形成於該矽基板與該氮化鎵材料區域之間的非導電層。 52. —種半導體結構，包含有： 矽基板； __ 」----— 用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐） 530327 会88 C8 D8 六、申請專利範圍 形成於該矽基板上的氮化鎵材料區域； 形成於該氮化鎵材料區域與該矽基板間的非導電層； 以及 形成於通道中的電接點，該通道係由該半導體結構背 面延伸穿經該非導電層。 53·如申請專利範圍第52項之半導體結構，更包含有 形成於該半導體結構頂端表面上的頂端電接點。 54·如申請專利範圍第52項之半導體結構，其中該半 導體裝置可在該頂端電接點與該背面電接點之間進行直立 傳導。 55·—種形成半導體結構的方法，包含有： 形成氮化鎵材料區域於基板上； 形成由該半導體結構背面延伸的通道；以及 形成電接點於該通道中。 56·如申請專利範圍第55項之方法，其中該基板包含 有矽基板。 57·如申請專利範圍第55項之方法，更包含有使用蝕 刻製程形成該通道。 58·如申請專利範圍第57項之方法，更包含有將該半 導體結構進行蝕刻，而形成延伸至蝕刻阻絕層的通道。 59·如申請專利範圍第55項之方法，更包含有形成一 電接點於該裝置頂端上，且該半導體結構可在該頂端電接 點與該背面電接點之間進行直立傳導。 60·如申請專利範圍第55項之方法，更包含有形成一 _____6_______ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格⑵0 x 297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) ·· 530327 C8 —-- —____ _D8 _— ______ 六、申請專利範圍 (請先閲讀背面之注意事項再塡寫本頁) 非導電層於該基板上，以及形成該氮化鎵材料區域於該非 導電層上。 61·如申請專利範圍第60項之方法，其中該通道係延 伸穿經該非導電層。 62·如申請專利範圍第55項之方法，更包含有形成一 導電層於該基板上，以及形成該氮化鎵材料區域於該導電 層上。 63·如申請專利範圍第55項之方法，更包含有形成一 半導體裝置於該氮化鎵材料區域中。 64·—種形成半導體結構的方法，包含有： 形成氮化鎵材料區域於矽基板上；以及 形成由該矽基板背面延伸的通道。 65·如申請專利範圍第64項之方法，更包含有將該半 導體結構進行蝕刻，而形成延伸至餽刻阻絕層的通道。 線 66.如申請專利範圍第64項之方法’更包含有形成電 接點於該通道中。 67·如申請專利範圍第66項之方法，·更包含有形成一 電接點於該裝置頂端上，且該半導體結構可在該頂端電接 點與形成於該通道中的該電接點之間進行直立傳導。 68.如申請專利範圍第64項之方法，更包含有形成一 非導電層於該矽基板上，以及形成該氮化鎵材料區域於該 #導電層上。 69·如申請專利範圍第68項之方法，其中該通道係延 伸穿經該非導電區域。 度通用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐） 530327 1800 〇〇 9S ABCD 六、申請專利範圍 70. 如申請專利範圍第64項之方法，更包含有形成一 半導體裝置於該氮化鎵材料區域中。 71. 如申請專利範圍第64項之方法，更包含有形成一 導電層於該基板上，以及形成該氮化鎵材料區域於該導電 層上。 72. 如申請專利範圍第64項之方法，其中該通道完全 沒有電接點形成於其中。 73. 如申請專利範圍第64項之方法，其中該通道係提 供窗口於形成在該基板上的薄層。 74. 如申請專利範圍第64項之方法，其中該通道具有 截頭的金字塔形。 75. 如申請專利範圍第64項之方法，其中該通道的橫 剖面積在遠離該矽基板背面的方向上增加。 76. —種形成半導體結構的方法，包含有： 形成第一薄層於矽基板上； 形成氮化鎵材料區域於該第一薄層上；以及 將該基板移除，以暴露出該第一薄層背面。 (請先閲讀背面之注意事項再塡寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格(210 X 297公釐）
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