專利名稱：橫向磊晶形成磊晶層的方法
技術領域：
本發(fā)明是有關于一種半導體發(fā)光元件(semiconductor light emittingdevice)，特別是有關于一種橫向磊晶成長ELOG(epitaxial lateral overgrowth)形成半導體發(fā)光元件的磊晶層的方法。
背景技術：
發(fā)光元件是由各種不同材質層所構成，在磊晶(epitaxial)制作各層材質時，晶體結構中難免會有缺陷產生，進而對發(fā)光元件產生以下影響1、降低發(fā)光效率；2、降低電子活動率；3、增加摻雜離子擴散的途徑；4、導致活性層的量子井中會有V型凹槽出現(xiàn)，而這些V型凹槽是差排的起源；5、增加起始反向偏壓電流。
另外，若結晶不完整，而出現(xiàn)裂縫(crack)或空隙(gap)，則在裂縫或空隙上方不宜成長發(fā)光元件，因為在此區(qū)成長的發(fā)光元件的壽命將較短及發(fā)光效率低。因此，如何制作出結晶完美的磊晶層，是提升發(fā)光元件性能的一大課題。
另一方面，目前發(fā)光元件的發(fā)展中，GaN是非常重要的寬能隙(widebandgap)半導體材料，可以通過其發(fā)出綠光、藍光到紫外線。但是因為塊材(bulk)GaN的成長一直有困難，所以目前GaN大多成長在以藍寶石(sapphire)GaP、InP、GaAs或SiC構成的基板上。由于這些基板皆與GaN的晶格常數(shù)(latticeconstant)不匹配，所以，直接成長在這些基板上的GaN品質不佳，因此，引用一緩沖層(buffer layer)于基板與GaN之間，該緩沖層又稱晶核形成層(nucleation layer)，晶格常數(shù)與基板相近的緩沖層可以提供成核(nucleation)位置，以利于GaN成核及成長，以形成相同的晶體結構，以提升GaN的結晶度。因此，緩沖層品質的優(yōu)劣對后續(xù)束縛層(cladding layer)與活性層(active layer)的磊晶有關鍵性的影響，也間接影響到發(fā)光元件的性質。其主要缺陷在于由于藍寶石等基板價格昂貴，導致發(fā)光元件的成本一直高居不下。因此，找尋新的價格便宜的基底是目前急待解決的另一項重要課題。

發(fā)明內容
本發(fā)明的主要目的是提供一種橫向磊晶形成磊晶層的方法，達到降低磊晶層中差排缺陷的產生，形成完美晶體結構的目的。
本發(fā)明的第二目的是提供一種橫向磊晶形成磊晶層的方法，將該磊晶層應用于發(fā)光元件，達到提高發(fā)光元件的發(fā)光效率和使用壽命的目的。
本發(fā)明的第三目的是提供一種橫向磊晶形成磊晶層的方法，是以硅作為基板，達到降低發(fā)光元件的成本的目的。
本發(fā)明的第四目的是提供一種橫向磊晶形成磊晶層的方法，引用磷化硼作為緩沖層，達到降低硅基底與磊晶層之間的晶格不匹配的目的。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的一種橫向磊晶形成磊晶層的方法，其特征之一是在硅基底與磊晶層之間采用磷化硼作為緩沖層，以降低硅基底與磊晶層之間的晶格不匹配的問題。
本發(fā)明的特征之二是采用材質例如為二氧化硅的圖案化磊晶罩幕層，使磊晶層先于圖案化磊晶罩幕層的兩側垂直成長，等到磊晶層厚度與圖案化磊晶罩幕層厚度一致，便開始橫向成長于圖案化磊晶罩幕層上方。橫向磊晶成長(ELOG)形成結晶完美，且具有低差排密度的磊晶層，以該區(qū)域的磊晶層制作發(fā)光元件，可大大提升元件特性。
本發(fā)明提出的一種橫向磊晶形成磊晶層的方法，主要包括如下步驟
首先，提供一硅基底；接著，形成一磊晶罩幕層于硅基底表面。接著，圖案化磊晶罩幕層，以形成多數(shù)視窗區(qū)于相鄰圖案化磊晶罩幕層之間，露出部分硅基底表面。然后，磊晶一磷化硼，先垂直磊晶磷化硼于視窗區(qū)內的硅基底表面，直到磷北硼的厚度大于圖案化磊晶罩幕層的厚度，使橫向磊晶磷化硼于圖案化磊晶罩幕層上方。
磊晶罩幕層不僅可以形成于硅基底表面，用以使磷化硼緩沖層橫向磊晶于其上方，磊晶罩幕層亦可以形成于磷化硼緩沖層表面，用以使一束縛層橫向磊晶于其上方。另外，還可以形成于束縛層表面，用以使一活性層橫向磊晶于其上方。
總而言之，本發(fā)明利用磊晶罩幕層，可使發(fā)光元件的各磊晶層經由橫向磊晶形成于磊晶罩幕層上方，而橫向磊晶所形成的磊晶層具有完美結晶，不易產生差排。
磊晶罩幕層的材質包括二氧化硅(SiO2)，其厚度約為1500-15000。磊晶罩幕層是利用一氫氟酸蝕刻以進行圖案化。磊晶罩幕層兩側的磷化硼橫向磊晶于磊晶罩幕層上方相接合，接合處形成一裂縫。
本發(fā)明更包括取下圖案化磊晶罩幕層上方的磷化硼，沿裂縫可自然形成發(fā)光元件制作時的劈裂面。
下面結合較佳實施例和附圖進一步說明。


圖1-圖5是本發(fā)明實施例1的橫向磊晶制程的剖面示意圖。
圖6-圖10是本發(fā)明實施例2的橫向磊晶制程的剖面示意圖。
圖11-圖15是本發(fā)明實施例3的橫向磊晶制程的剖面示意圖。
具體實施例方式
實施例1
參閱圖1-圖5所示，本發(fā)明的較佳實施例1的橫向磊晶制程包括如下步驟參閱圖1-圖2所示，提供一硅基底100。接著，在硅基底100表面，例如{100}結晶面表面，形成一材質例如為二氧化硅的磊晶罩幕層102。磊晶罩幕層102的形成方法例如為熱氧化法(thermal oxidize)S200，在含氧環(huán)境氣氛、溫度約1000℃之下，使硅基底100發(fā)生氧化反應，形成厚度約1500-15000的二氧化硅層102，如圖2所示；參閱圖3所示，例如以氫氟酸(HF)類的蝕刻劑移除部份二氧化硅磊晶罩幕層102，例如以等間隔去除特定面積的磊晶罩幕層102，以露出部分硅基底100表面，做為視窗區(qū)(window area)I。得到面積相等，且具相等間距的多數(shù)圖案化磊晶罩幕層102a。相鄰圖案化磊晶罩幕層102a之間的視窗區(qū)面積約為50μm×4000μm。
參閱圖4-圖5，磊晶一磷化硼。先垂直磊晶磷化硼104a于視窗區(qū)I內的硅基底100表面，直到磷化硼104a的厚度大于圖案化磊晶罩幕層102a的厚度，如圖4所示。
接著，磷化硼104a開始橫向磊晶成長于圖案化磊晶罩幕層102a上方，位于同一圖案化磊晶罩幕層102a兩側的磷化硼104a橫向磊晶于磊晶罩幕層102a上方相接合后，繼續(xù)成長至所需的厚度，以形成一橫向磊晶磷化硼104b，且在接合處形成一裂縫106，如圖5所示。
磷化硼104磊晶于硅基板100的較佳實施例是，先將反應室溫度升高至溫度約900-1180℃，保持約數(shù)分鐘。接著，使反應室溫度降至約300℃上下，再開始供應PCl3或PH3至反應室內部，經過約3分鐘后，再進行第一次BCl3供應約40分鐘。接著，先停止BCl3供應，于相同溫度(約300℃)上下保持一段時間，例如5分鐘，再將反應室溫度升高至約1000℃上下。期間繼續(xù)保持PCl3或PH3供應。然后，于溫度約1000℃上下再進行第二次BCl3供應約60分鐘。期間繼續(xù)保持PCl3或PH3供應。接著，先停止供應PCl3或PH3與BCl3，再于溫度約1000℃上下，經過一段時間，例如約10分鐘，便完成BP緩沖層的形成，可將反應室溫度降至室溫后取出。BP緩沖層的形成過程中，始終持續(xù)供應H2氣體至反應室內部。
在視窗區(qū)I所磊晶出的磷化硼104a具有相當高的差排密度，不適合用來制作發(fā)光元件。而在圖案化磊晶罩幕層102a上方所磊晶出的磷化硼104b的晶體結構完整，幾乎不會有差排產生，唯接合處具有裂縫106，因此，取下圖案化磊晶罩幕層102a上方的磷化硼104b，沿裂縫106可自然形成發(fā)光元件制作時的劈裂面。如此一來，磊晶層的缺陷密度低，且以磷化硼材質作為硅基底100表面的緩沖層，又可降低后續(xù)磊晶層的晶格不匹配，將該磊晶層應用于發(fā)光元件，可提高發(fā)光元件的發(fā)光效率及使用壽命。
實施例2參閱圖6-圖10所示，本發(fā)明的較佳實施例2的橫向磊晶制程包括如下步驟參閱圖6所示，提供一硅基底200。接著，在硅基底200表面，例如{100}結晶面表面，形成一磷化硼(BP)緩沖層202于硅基底200表面。
磷化硼202磊晶于硅基板200的較佳實施例是。先將反應室溫度升高至900-1180℃，保持數(shù)分鐘。接著，使反應室溫度降至約300℃上下，再開始供應PCl3或PH3至反應室內部，經過約3分鐘后，再進行第一次BCl3供應，約40分鐘，接著，先停止BCl3供應，于相同溫度(約300℃)上下保持一段時間，例如5分鐘，再將反應室溫度升高至約1000℃上下，期間繼續(xù)保持PCl3或PH3供應。然后，于溫度1000℃上下再進行第二次BCl3供應約60分鐘，期間繼續(xù)保持PCl3或PH3供應。接著，先停止供應PCl3或PH3與BCl3，再于溫度約1000℃上下，經過一段時間，例如約10分鐘，便完成BP緩沖層202的形成，可將反應室溫度降至室溫后取出。BP緩沖層202的形成過程中，始終持續(xù)供應H2氣體至反應室內部。
接著，參閱圖7所示，可利用適當?shù)幕瘜W氣相沉積法(CVD)形成一磊晶罩幕層204于磷化硼緩沖層202表面，其材質可為二氧化硅，厚度約1500-15000。
接著，參閱圖8所示，例如以氫氟酸類的蝕刻劑移除部份二氧化硅磊晶罩幕層204，例如以等間隔去除特定面積的磊晶罩幕層204，以露出部分磷化硼緩沖層202表面，做為視窗區(qū)(window area)II。得到面積相等，且具相等間距的多數(shù)圖案化磊晶罩幕層204a。相鄰圖案化磊晶罩幕層204a之間的視窗區(qū)面積約為50μm×4000μm。
參閱圖9-圖10所示，然后，磊晶一束縛層206a、206b。方法是先垂直磊晶束縛層206a于視窗區(qū)II內的磷化硼緩沖層202表面，直到束縛層206a的厚度大于圖案化磊晶罩幕層204a的厚度，如圖9所示。
接著，束縛層206a開始橫向磊晶成長于圖案化磊晶罩幕層204a上方，位于同一圖案化磊晶罩幕層204a兩側的束縛層206a橫向磊晶于磊晶罩幕層204a上方相接合后，繼續(xù)成長至所需的厚度，以形成一橫向磊晶束縛層206b，且在接合處形成一裂縫208，如圖10所示。
束縛層206a、206b的材質可以為Alxln1-xGayN1-y(＜x＜1，0＜y＜1＝或是AlxGa1-xNyP1-y(0＜x＜1，0＜y＜1)，例如氮化鎵(GaN)、氮化銦鎵(InGaN)、氮化鋁鎵(AlGaN)或磷氮化鎵(GaNP)，且前驅物為甲基聯(lián)胺系或是氨；以氮化鎵(GaN)為例，其前驅物可包括一甲基聯(lián)胺(monomethyl hydrazine；MMH)與三甲基鎵(trimethyl galliun；TMG)，通過MOVPE法在磷化硼緩沖層202表面形成，可以降低與硅基底200的晶格不匹配，減少缺陷產生。
其中，以氮化鎵束縛層206a，206b為例的磊晶方法如下所述首先，供應氫與氮氣體，溫度例如約為350-500℃下，開始供應MMH。再經過一段時間，例如3分鐘后，開始進行第一次TMG供應，時間約為20分鐘。接著，停止TMG供應，經過一段時間，例如5分鐘，將反應室溫度升高至約為800℃上下，期間保持MMH供應。接著，于相同溫度(約800℃)上下進行第二次TMG供應，時間約為60分鐘，期間保持MMH供應。最后，先停止MMH與TMG的供應，于相同溫度(約800℃)上下保持一段時間，例如30分鐘。再將溫度降至室溫，完成GaN磊晶，GaN磊晶期間持續(xù)供應氫與氮氣體。
繼續(xù)參閱圖10所示，在視窗區(qū)II所磊晶出的束縛層206a具有相當高的差排密度，不適合用來制作發(fā)光元件，而在圖案化磊晶罩幕層204a上方所磊晶出的束縛層206b的晶體結構完整，幾乎不會有差排產生，唯接合處具有裂縫208，因此，取下圖案化磊晶罩幕層204a上方的束縛層206b，沿裂縫208可自然形成發(fā)光元件制作時的劈裂面。如此一來，磊晶層的缺陷密度低，且以磷化硼材質作為硅基底200表面的緩沖層，又可降低束縛層與硅基底的晶格不匹配，將該些磊晶層應用于發(fā)光元件，可提高發(fā)光元件的發(fā)光效率及用壽命。
實施例3參閱圖11-圖15所示，本發(fā)明的較佳實施例3的橫向磊晶制程包括如下步驟參閱圖11所示，提供一硅基底300。接著，在硅基底300表面，例如{100}結晶面表面，形成一磷化硼(BP)緩沖層302于硅基底300表面。然后，形成一氮化鎵束縛層304于磷化硼緩沖層302表面。
磷化硼緩沖層302磊晶于硅基板300的一較佳實施例是先將反應室溫度升高至溫度900-1180℃，保持數(shù)分鐘。接著，使反應室溫度降至約300℃上下，再開始供應PCl3或PH3至反應室內部，經過約3分鐘后，再進行第一次BCl3供應約40分鐘。接著，先停止BCl3供應，于相同溫度(約300℃)上下保持一段時間，例如5分鐘，再將反應室溫度升高至約1000℃上下，期間繼續(xù)保持PCl3或PH3供應。然后于溫度約1000℃上下再進行第BCl3供應約60分鐘，期間繼續(xù)保持PCl3或PH3供應。接著，先停止供應PCl3或PH3及BCl3，再于溫度約1000℃上下，經過一段時間，例如約10分鐘，便完成BP緩沖層302的形成，可將反應室溫度降至室溫后取出。BP緩沖層302的形成過程中，始終持續(xù)供應氫氣體至反應室內部。
束縛層304可以通過MOVPE法在磷化硼緩沖層302表面形成，以降低與硅基底300的晶格不匹配，減少缺陷產生。其中，氮化鎵束縛層304磊晶于硅基板300的一較佳實施例如下首先，供應氫與氮氣體，溫度例如約為350-500℃下，開始供應MMH。再經過一段時間，例如3分鐘后，開始進行第一次TMG供應，時間約為20分鐘。接著，停止TMG供應，經過一段時間，例如5分鐘，將反應室溫度升高至溫度約為800℃上下。期間保持MMH供應。接著，于相同溫度(約800℃)上下進行第二次TMG供應，時間約為60分鐘。期間保持MMH供應。最后，先停止MMH與TMG的供應，于相同溫度(約800℃)上下保持一段時間例如30分鐘。再將溫度降至室溫，完成GaN304磊晶，GaN304磊晶期間，持續(xù)供應氫與氮氣體。
接著，參閱圖12所示，利用適當?shù)幕瘜W氣相沉積法(CVD)形成一磊晶罩幕層306于氮化鎵束縛層304表面，其材質可為二氧化硅，厚度約1500-15000。
參閱圖13所示，例如以氫氟酸(HF)類的蝕刻劑移除部份二氧化硅磊晶罩幕層306，例如以等間隔去除特定面積的磊晶罩幕層306，以露出部分氮化鎵束縛層304表面，做為視窗區(qū)(window area)III。得到面積相等，且具相等間距的多數(shù)圖案化磊晶罩幕層306a。相鄰圖案化磊晶罩幕層306a之間的視窗區(qū)面積約為50μm×4000μm。
參閱圖14-圖15，磊晶一活性層308a、308b。先垂直磊晶活性層308a于視窗區(qū)III內的氮化鎵束縛層304表面，直到活性層308a的厚度大于圖案化磊晶罩幕層306a的厚度，如圖14所示。
接著，活性層308a開始橫向磊晶成長于圖案化磊晶罩幕層306a上方，位于同一圖案化磊晶罩幕層306a兩側的活性層308a橫向磊晶于磊晶罩幕層306a上方相接合后，繼續(xù)成長至所需的厚度，以形成一橫向磊晶活性層308b，且在接合處形成一裂縫310，如圖15所示。
繼續(xù)參閱圖15所示，在視窗區(qū)III所磊晶出的活性層308a具有相當高的差排密度，不適合用來制作發(fā)光元件。而在圖案化磊晶罩幕層306a上方所磊晶出的活性層308b的晶體結構完整，幾乎不會有差排產生，唯接合處具有裂縫310，因此，取下圖案化磊晶罩幕層306a上方的活性層308b，沿裂縫310可自然形成發(fā)光元件制作時的劈裂面。此外，磊晶層的缺陷密度低，且以磷化硼材質作為硅基底300表面的緩沖層，又可降低束縛層與基板的晶格不匹配，將該磊晶層應用于發(fā)光元件，可提高發(fā)光元件的發(fā)光效率及使用壽命。
本發(fā)明雖以較佳實施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明的范圍，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內，所做各種的更動與潤飾，都屬于本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種橫向磊晶形成磊晶層的方法，其特征是它包括如下步驟(1)提供一硅基底；(2)形成一磊晶罩幕層于該硅基底表面；(3)圖案化該磊晶罩幕層，以形成多數(shù)視窗區(qū)于相鄰圖案化磊晶罩幕層之間，露出部分硅基底表面；(4)磊晶一磷化硼，先垂直磊晶該磷化硼于該視窗區(qū)內的硅基底表面，直到該磷化硼的厚度大于該圖案化磊晶罩幕層的厚度，使橫向磊晶該磷化硼于圖案化磊晶罩幕層上方。
2.根據(jù)權利要求1所述的橫向磊晶形成磊晶層的方法，其特征是該磊晶罩幕層的材質包括二氧化硅。
3.根據(jù)權利要求1所述的橫向磊晶形成磊晶層的方法，其特征是該磊晶罩幕層兩側的磷化硼橫向磊晶于該磊晶罩幕層上方相接合，接合處形成一裂縫。
4.根據(jù)權利要求1所述的橫向磊晶形成磊晶層的方法，其特征是它還包括取下該圖案化磊晶罩幕層上方的磷化硼，沿該裂縫自然形成發(fā)光元件制作時的劈裂面。
5.一種橫向磊晶形成磊晶層的方法，其特征是它包括如下步驟(1)提供一硅基底；(2)形成磷化硼緩沖層于該硅基底表面；(3)形成一磊晶罩幕層于該磷化硼緩沖層表面；(4)圖案化該磊晶罩幕層，以形成多數(shù)視窗區(qū)于相鄰圖案化磊晶罩幕層之間，露出部分該磷化硼緩沖層表面；(5)磊晶一束縛層，先垂直磊晶該束縛層于該視窗區(qū)內的磷化硼表面，直到該束縛層的厚度大于該圖案化磊晶罩幕層的厚度，使橫向磊晶該束縛層于該圖案化磊晶罩幕層上方。
6.根據(jù)權利要求5所述的橫向磊晶形成磊晶層的方法，其特征是該磊晶罩幕層的材質包括二氧化硅。
7.根據(jù)權利要求5所述的橫向磊晶形成磊晶層的方法，其特征是該磊晶罩幕層兩側的束縛層橫向磊晶于該磊晶罩幕層上方相接合，接合處形成一裂縫。
8.根據(jù)權利要求7所述的橫向磊晶形成磊晶層的方法，其特征是它還包括取下該圖案化磊晶罩幕層上方的束縛層，沿該裂縫自然形成發(fā)光元件制作時的劈裂面。
9.一種橫向磊晶形成磊晶層的方法，其特征是它包括如下步驟(1)提供一硅基底；(2)形成一磷化硼緩沖層于該硅基底表面；(3)形成一氮化鎵束縛層于該磷化硼緩沖層表面；(4)形成一磊晶罩幕層于該氮化鎵束縛層表面；(5)圖案化該磊晶罩幕層，以形成多數(shù)視窗區(qū)于相鄰圖案化磊晶罩幕層之間，露出部分該氮化鎵束縛層表面；(6)磊晶一活性層。先垂直磊晶該活性層于該視窗區(qū)內的氮化鎵束縛層表面，直到該活性層的厚度大于該圖案化磊晶罩幕層的厚度，使橫向磊晶該活性層于該圖案化磊晶罩幕層上方。
10.根據(jù)權利要求9所述的橫向磊晶形成磊晶層的方法，其特征是該磊晶罩幕層的材質包括二氧化硅。
11.根據(jù)權利要求9所述的橫向磊晶形成磊晶層的方法，其特征是該磊晶罩幕層兩側的活性層橫向磊晶于該磊晶罩幕層上方相接合，接合處形成一裂縫。
12.根據(jù)權利要求9所述的橫向磊晶形成磊晶層的方法，其特征是它還包括取下該圖案化磊晶罩幕層上方的活性層，沿該裂縫自然形成發(fā)光元件制作時的劈裂面。
全文摘要
一種橫向磊晶形成磊晶層的方法，包括提供一硅基底；形成一磊晶罩幕層于硅基底表面；圖案化磊晶罩幕層，以形成多數(shù)視窗區(qū)于相鄰圖案化磊晶罩幕層之間，露出部分硅基底表面；磊晶一磷化硼，先垂直磊晶磷化硼于視窗區(qū)內，直到磷化硼的厚度大于圖案化磊晶罩慕層的厚度，使橫向磊晶磷化硼于圖案化磊晶罩幕層上方。磊晶罩幕層不僅可以形成于硅基底表面，用以使磷化硼緩沖層橫向磊晶于其上方，磊晶罩幕層亦可以形成于磷化硼緩沖層表面，使一束縛層橫向磊晶于其上方，還可以形成于束縛層表面，用以使一活性層橫向磊晶于其上方。具有提高發(fā)光元件的發(fā)光效率和使用壽命，降低發(fā)光元件的成本及使磊晶層的結晶完美，以降低差排缺陷密度的功效。
文檔編號H01S5/00GK1501517SQ0214896
公開日2004年6月2日 申請日期2002年11月14日 優(yōu)先權日2002年11月14日
發(fā)明者寺嶋一高, 章烱煜, 賴穆人, 寺 一高 申請人:威凱科技股份有限公司