半導體元件本發(fā)明是中國發(fā)明專利申請（申請?zhí)枺?01010221717.0，申請日：2010年7月9日，發(fā)明名稱：半導體元件）的分案申請。技術(shù)領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種半導體元件，特別涉及一種半導體元件，其在圖案化基板的凸塊(具有多個晶格方向)上的外延層實質(zhì)上具有單一晶格方向，以便降低缺陷密度并提升靜電放電(ESD)防護能力。

背景技術(shù)：
半導體元件(例如發(fā)光二極管)，已經(jīng)被廣泛地應用在各種交通號志、車用電子、液晶顯示器背光模塊以及一般照明等。發(fā)光二極管基本上是在基板上依序形成n型半導體層、發(fā)光區(qū)域、p型半導體層，并采用在p型半導體層及n型半導體層上形成電極，通過自半導體層注入的電洞與電子再結(jié)合，在發(fā)光區(qū)域上產(chǎn)生光束，其經(jīng)由p型半導體層上的透光性電極或基板射出發(fā)光二極管。用于制造可見光發(fā)光二極管的常用材料包括各種III-V族化合物，包括用于制造綠、黃、橙或紅光發(fā)光二極管的磷化鋁鎵銦(AlGaInP)以及用于制造藍光或紫外光發(fā)光二極管的氮化鎵(GaN)，其中氮化鎵發(fā)光二極管是成長在藍寶石基板上。然而，在現(xiàn)有的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)中，藍寶石基板與氮化鎵外延層之間的晶格系數(shù)差異(latticemismatch)很大，因而難以降低發(fā)光層的差排密度。中國臺灣專利公告第561632號揭示一種高外部量子效率的發(fā)光元件，其在基板的表面部分形成使發(fā)光區(qū)域產(chǎn)生的光散射或衍射的至少一個凹部及/或凸塊。凹部及/或凸塊的形狀可避免結(jié)晶缺陷形成于半導體層內(nèi)部。中國臺灣專利公告第I236773號揭示一種發(fā)光元件，其包含一基板及一形成在該基板上的外延體。該基板具有一基面及多個相間隔地由該基板的基面凹陷的凹槽。該外延體具有一基面及多個由該外延體的基面凸伸而出的凸柱。該外延體的凸柱是分別設置于該基板的凹槽內(nèi)。該基板的每一凹槽與該外延體的每一凸柱相配合界定出多個封閉孔。中國臺灣專利公告第I253771號揭示一種發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，包括基板、第一型摻雜半導體層、第一電極、發(fā)光層、第二型摻雜半導體層與第二電極。其中，基板具有一表面以及多個位于表面上的圓柱狀光子晶體，而第一型摻雜半導體層是配置于基板上以覆蓋這些光子晶體。發(fā)光層、第二型摻雜半導體層與第二電極是依序配置于部分的第一型摻雜半導體層上，而第一電極則是配置于未覆蓋有發(fā)光層的部分第一型摻雜半導體層上。由于具有光子晶體的基板能夠改善第一型摻雜半導體層的外延質(zhì)量，并增加正向出射發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)的光能量，因此可有效提高發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)的發(fā)光效率。武東星等人揭示一種近紫外光氮化物發(fā)光二極管，其發(fā)光波長約為410奈米(參見：“成長在圖案化藍寶石基板上的近紫外光氮化銦鎵-氮化鎵發(fā)光二極管的加強輸出功率，”IEEE電子技術(shù)快報，第17卷，2005年2月2日，″EnhancedOutputPowerofNear-UltravioletInGaN–GaNLEDsGrownonPatternedSapphireSubstrates,″IEEEPHOTONICSTECHNOLOGYLETTERS,VOL.17,NO.2,FEBRUARY2005)。相較于現(xiàn)有的發(fā)光二極管，使用圖案化藍寶石基板的發(fā)光二極管的發(fā)光強度提升約63％。使用圖案化藍寶石基板的發(fā)光二極管操作在20mA的正向電流下的輸出功率及外部量子效率分別為10.4mW及14.1%。發(fā)光強度的提升主要歸因于使用圖案化基板而降低螺紋狀差排(threadingdislocations)及增加在橫向的取光效率。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種半導體元件，其在圖案化基板上的外延層實質(zhì)上具有單一晶格方向，以便降低缺陷密度并提升靜電放電(ESD)防護能力。本發(fā)明的半導體元件的一實施例包含一基板及設置于該基板上方的一外延層。該基板包含一上表面以及多個設置于該上表面的凸塊，該凸塊包含一頂面及多個壁面，該頂面實質(zhì)上平行于該上表面，該壁面夾置于該頂面與該上表面之間。該外延層在該上表面上方的晶格方向與在該壁面上方的晶格方向?qū)嵸|(zhì)相同。本發(fā)明的半導體元件的另一實施例包含一基板及設置于該基板上方的一外延層。該基板包含一上表面以及多個設置于該上表面的凸塊，該凸塊包含一頂面及多個壁面，該頂面實質(zhì)上平行于該上表面，該壁面夾置于該頂面與該上表面之間。該外延層具有單一晶格方向且實質(zhì)上覆蓋該基板及該凸塊的壁面，該外延層實質(zhì)上沒有空洞。上文已相當廣泛地概述本發(fā)明的技術(shù)特征及優(yōu)點，以使下文的本發(fā)明詳細描述得以獲得較佳了解。構(gòu)成本發(fā)明的保護范圍標的的其它技術(shù)特征及優(yōu)點將描述于下文。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識的人員應了解，可相當容易地利用下文揭示的概念與特定實施例可作為修改或設計其它結(jié)構(gòu)或工藝而實現(xiàn)與本發(fā)明相同的目的。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識的人員亦應了解，這類等效建構(gòu)無法脫離所附的權(quán)利要求書所界定的本發(fā)明的精神和范圍。通過參照前述說明及下列附圖，本發(fā)明的技術(shù)特征及優(yōu)點得以獲得完全了解。附圖說明圖1為本發(fā)明第一實施例的半導體元件的俯視圖；圖2為沿圖1的剖面線1-1線的剖示圖；圖3為本發(fā)明第一實施例的基板的俯視圖；圖4為本發(fā)明第一實施例的基板的掃描式電子影像；圖5為本發(fā)明第一實施例的半導體元件的局部掃描式電子影像；圖6示出了圖5的掃描區(qū)域；圖7至圖10為本發(fā)明第一實施列的半導體元件的不同區(qū)域的納米電子束衍射圖；圖11為本發(fā)明比較例的半導體元件的局部掃描式電子影像；圖12至圖15為本發(fā)明比較例的半導體元件的不同區(qū)域的納米電子束衍射圖；圖16及圖17為現(xiàn)有技藝制備的外延層的表面形貌影像；以及圖18及圖19為本發(fā)明制備的外延層的表面形貌影像。其中，附圖標記說明如下：10半導體元件12基板12A上表面13緩沖層14N型半導體層16發(fā)光結(jié)構(gòu)18P型半導體層20接觸層22導電透明層24第一電極26第二電極30凸塊32頂面34壁面36斜面38底面具體實施方式為了解決現(xiàn)有技術(shù)的問題并提升發(fā)光效率，本案發(fā)明人提出使用圖案化藍寶石基板作為發(fā)光二極管的外延基板，通過圖案化藍寶石基板的凸塊的頂面、斜面及壁面以不同角度反射/衍射發(fā)光結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的光束，以便大幅地降低發(fā)光結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的光束在該半導體發(fā)光元件的內(nèi)部重復進行反射，因而得以避免該光束被該發(fā)光結(jié)構(gòu)本身吸收而衰減消滅，以便提升取光效率(詳參美國專利申請案號12/327,367；發(fā)明名稱為半導體發(fā)光元件「SEMICONDUCTORLIGHT-EMITTINGDEVICE」)，其全文以引用方式并入本文中。然而，圖案化藍寶石基板的凸塊的頂面、斜面及壁面的晶向(orientation)不同且均可供外延成長，導致從不同晶向成長的晶粒在接觸形成膜層時，因晶向不同而無可避免地會形成孔洞狀缺陷(如圖16所示)。因此，后續(xù)外延成長的發(fā)光結(jié)構(gòu)內(nèi)部也形成孔洞狀缺陷(如圖17所示)，亦即發(fā)光結(jié)構(gòu)內(nèi)部的缺陷密度增加而導致半導體元件對靜電放電(ESD)的防護能力降低。為了解決此一使用圖案化基板(具有多個晶格方向)所衍生的缺陷密度增加問題，本案發(fā)明人通過在外延工藝之前，先行在圖案化基板上實施一熱處理工藝，使得后續(xù)的外延工藝僅在一特定面向成長外延層，其它的面向并不會成長外延層，如此外延層實質(zhì)上具有單一晶格方向，解決了不同晶向成長的晶粒形成缺陷的問題，詳如下文所述。圖1為本發(fā)明第一實施例的半導體元件10的俯視圖，圖2為沿圖1的剖面線1-1線的剖示圖。在本發(fā)明的一實施例中，該半導體元件10包含一基板12、設置于該基板12上方的一緩沖層13、設置于該緩沖層13上方的一N型半導體層14、設置于該N型半導體層14上方的一發(fā)光結(jié)構(gòu)16、設置于該發(fā)光結(jié)構(gòu)16上方的一P型半導體層18、設置于該P型半導體層18上方的一接觸層20、設置于該接觸層20上方的一導電透明層22、設置于該N型半導體層14上的一第一電極24、以及設置于該導電透明層22上方的一第二電極26。圖3為本發(fā)明第一實施例的基板12的俯視圖，圖4為本發(fā)明第一實施例的基板12的掃描式電子影像。在本發(fā)明的一實施例中，該基板12包含一上表面12A以及多個以周期方式設置于該上表面12A的凸塊30，該凸塊30排列成多個奇數(shù)列及多個偶數(shù)列，且在偶數(shù)列的各凸塊30位于鄰近奇數(shù)列的兩個凸塊30之間。在本發(fā)明的一實施例中，該凸塊30的高度介于0.5至5微米之間，間隔介于0.5至10微米之間，寬度介于0.5至5微米之間。在本發(fā)明的一實施例中，該凸塊30包含一頂面32、三個壁面34以及三個斜面36，其中該斜面36夾置于該頂面32與該壁面34之間。在本發(fā)明的一實施例中，該壁面34與該斜面36的傾斜度不同(即與該基板12的上表面12A的夾角不同)，兩者相連且夾角介于90至180度之間。該凸塊30包含一底面38，該底面38具有三個轉(zhuǎn)角，且該轉(zhuǎn)角的連線呈弧狀，亦即該壁面34呈弧狀。圖5為本發(fā)明第一實施例的半導體元件10的局部掃描式電子影像，圖6為圖5的掃描區(qū)域，圖7至圖10為本發(fā)明第一實施列的半導體元件10的不同區(qū)域的納米電子束衍射圖(NanoBeamDiffraction，NBD)。在本發(fā)明的一實施例中，該基板12為一藍寶石基板，該N型半導體外延層14為一氮化鎵層，且在進行外延工藝以成長該緩沖層13之前，先在一預定溫度下進行一熱處理工藝，使得該壁面34實質(zhì)上不適合外延成長。在本發(fā)明的一實施例中，該處理工藝較佳地在1030℃至1050℃之間，200torrs的壓力，進行約3分鐘，以便選擇性地移除在該上表面12A及該頂面32的懸鍵(danglingbonds)，使得該上表面12A及該頂面32適合外延成長；相對地，該凸塊30的壁面34則仍由懸鍵占據(jù)而不適合外延成長。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識的人員應了解，在不背離所附權(quán)利要求書所界定的本發(fā)明精神和范圍內(nèi)，該處理工藝可通過改變溫度、壓力或處理時間，抑或添加可改變表面環(huán)境的物種，而達成選擇性地移除懸鍵的目的。在該處理工藝之后，該外延層13的成長工藝起始于該上表面12A及該頂面32，再延伸至該凸塊30的壁面34，因此該外延層13在該上表面12上方的晶格方向與在該壁面34上方的晶格方向?qū)嵸|(zhì)相同，如圖8及圖9所示。在本發(fā)明的一實施例中，該外延層13具有單一晶格方向且實質(zhì)上覆蓋該基板的上表面12A及該凸塊30的壁面34，且該外延層13內(nèi)部實質(zhì)上沒有空洞。特而言之，該外延層13在該壁面34上方的衍射圖與在該基板12的衍射圖相符，如圖10所示。如此，該外延層13及其上方的膜層內(nèi)部的缺陷密度大幅地降低，亦即該半導體元件10的內(nèi)部缺陷密度降低，因而對靜電放電(ESD)具有較佳的防護能力。圖11為本發(fā)明比較例的半導體元件的局部掃描式電子影像，圖12至圖15為本發(fā)明比較例的半導體元件的不同區(qū)域的納米電子束衍射圖，其中在該緩沖層13的外延成長工藝前，在高于1050℃的溫度下進行熱處理工藝。該熱處理工藝不僅移除了在該上表面12A及該頂面32的懸鍵，亦一并移除該凸塊30的壁面34的懸鍵，使得該上表面12A、該頂面32及該壁面32均適合外延成長，而該外延層13的成長工藝可起始于該基板12的上表面12A或起始于該凸塊30的壁面34。因此，該外延層13在該基板12的上表面12A的晶格方向不同于該凸塊30的壁面34的晶格方向，如圖13及圖14所示。特而言之，該外延層13在該壁面34上方的衍射圖與在該基板12的衍射圖不相符，如圖15所示。如此，該外延層13及其上方的膜層內(nèi)部的缺陷密度增加，亦即該半導體元件10的內(nèi)部缺陷密度增加，因而對靜電放電(ESD)的防護能力降低。在本發(fā)明的一實施例中，該基板12包含絕緣透光材料，例如藍寶石(Sapphire)、硅或碳化硅；該N型半導體層14、該發(fā)光結(jié)構(gòu)16及該P型半導體層18包含III-V族材料，例如氮化鋁鎵、氮化鎵、氮化銦鎵、氮化鋁鎵銦、磷化鎵或磷砷化鎵；該接觸層20包含III-V族材料，例如氮化鋁鎵、氮化鎵、氮化銦鎵、氮化鋁鎵銦、磷化鎵或磷砷化鎵；該導電透明層22包含氧化銦、氧化錫或氧化銦錫；該發(fā)光結(jié)構(gòu)16可以是量子阱(quantumwell)或是多重量子阱(multi-quantumwell)，夾置于P型披覆層與N型披覆層之間。此外，該N型半導體層14、該發(fā)光結(jié)構(gòu)16及該P型半導體層18的材料亦可II-VI，其可選自硒化鋅鎘(ZnCdSe)、硒化鋅鎂(ZnMgSe)、硒化鋅鋇(ZnBaSe)、硒化鋅鈹(ZnBeSe)、硒化鋅鈣(ZnCaSe)、硒化鋅鍶(ZnSrSe)、硒硫化鋅鎘(ZnCdSSe)、硒硫化鋅鎂(ZnMgSSe)、碲化鋅鎘(ZnCdTe)、碲化鋅鎂(ZnMgTe)、碲化鋅鋇(ZnBaTe)、碲化鋅鈹ZnBeTe、碲化鋅鈣(ZnCaTe)、碲化鋅鍶(ZnSrTe)、碲硫化鋅鎘(ZnCdSTe)及碲硫化鋅鎂(ZnMgSTe)組成的群。特而言之，該基板12上的膜層可采用外延機臺予以制備。在本發(fā)明的一實施例中，該頂面32為C面(0,0,1)，實質(zhì)上平行于該基板12的上表面12A。該凸塊30的工藝主要包含：形成一屏蔽，其具有局部覆蓋該基板的圖案；進行蝕刻工藝以局部去除未被該圖案覆蓋的基板，而于該圖案下方形成該凸塊30。在本發(fā)明的一實施例中，該蝕刻工藝為一濕蝕刻工藝，其蝕刻液包含磷酸。圖16及圖17為現(xiàn)有技藝制備的外延層的表面形貌影像?，F(xiàn)有技藝使用圖4的基板，在進行外延工藝以成長該緩沖層13的前，并未先行在一預定溫度下進行一熱處理工藝使得該壁面34實質(zhì)上不適合外延成長，因此除了在C面(0,0,1)會成長外延層外，在其它的面向也會成長外延層，如圖16所示的緩沖層13的表面形貌影像?，F(xiàn)有技藝容許外延工藝在多個個長晶方向成長外延層，使得完成外延工藝的半導體元件的表面形貌在放大倍率為5,000倍即呈現(xiàn)明顯的孔洞缺陷，如圖17所示的P型半導體層18的表面形貌影像。圖18及圖19為本發(fā)明制備的外延層的表面形貌影像。本發(fā)明同樣使用圖4的基板，但在進行外延工藝以成長該緩沖層13的前，先行在一預定溫度下進行一熱處理工藝使得該壁面34實質(zhì)上不適合外延成長，因此外延工藝僅在C面(0,0,1)成長外延層，其它的面向并不會成長外延層，如圖18所示的緩沖層13的表面形貌影像。本發(fā)明控制外延工藝僅得在單一長晶方向成長外延層，有效地降低缺陷的產(chǎn)生，即使將表面形貌影像的放大倍率為50,000倍時，仍無法觀察到明顯孔洞缺陷，如圖19所示的P型半導體層18的表面形貌影像。本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容及技術(shù)特點已揭示如上，然而本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識的人員應了解，在不背離后附申請專利范圍所界定的本發(fā)明精神和范圍內(nèi)，本發(fā)明的教示及揭示可作種種的替換及修飾。例如，上文揭示的許多工藝可以不同的方法實施或以其它工藝予以取代，或者采用上述二種方式的組合。此外，本案的權(quán)利范圍并不局限于上文揭示的特定實施例的工藝、機臺、制造、物質(zhì)的成份、裝置、方法或步驟。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者應了解，基于本發(fā)明教示及揭示工藝、機臺、制造、物質(zhì)的成份、裝置、方法或步驟，無論現(xiàn)在已存在或日后開發(fā)者，其與本案實施例揭示者以實質(zhì)相同的方式執(zhí)行實質(zhì)相同的功能，而達到實質(zhì)相同的結(jié)果，亦可使用于本發(fā)明。因此，所附的權(quán)利要求書的范圍用以涵蓋用以此類工藝、機臺、制造、物質(zhì)的成份、裝置、方法或步驟。