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TW472400B - Method for roughing semiconductor device surface to increase the external quantum efficiency - Google Patents

Method for roughing semiconductor device surface to increase the external quantum efficiency Download PDF

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TW472400B
TW472400B TW089112428A TW89112428A TW472400B TW 472400 B TW472400 B TW 472400B TW 089112428 A TW089112428 A TW 089112428A TW 89112428 A TW89112428 A TW 89112428A TW 472400 B TW472400 B TW 472400B
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gallium nitride
grown
grows
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Jr-Sung Jang
Tzung-Liang Tsai
Jung-Ying Jang
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United Epitaxy Co Ltd
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Description

472400 A7 __________-__B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（丨） 發明領域 本發明係提供〜種半導體材料的製作方法’尤指一 種粗化化合物半導體材料表面的方法。 背景說明 使用固態材料的發光元件，其發光效率主要是內 部量子效率以及外部量子效率兩者加成後的結果。一般而 言，內部量子效率與材料本身的特性以及磊晶品質較有關 係，外部量子效率則與材料的折射率以及表面平整度有 關。氮化鋁銦鎵系列材料的折射率約在2 · 2〜2 · 9之間， 一個未經表面處理的氮化鋁銦鎵系列材料發光晶粒，其外 部量子效率約10〜20%左右。若我們能將外部量子效率提 昇，對整體的發光輸出將有很大的影響。 至目前爲止，習知技術中製作表面粗化的方式皆是在 磊晶成長結束之後，利用製程加工的方式達成表面粗化的 效果。舉例而言，在美國專利5,040,044中，發明人在 其LED元件中利用化學試劑蝕刻元件的表面使其粗化，即 可達到減少全反射並增加亮度的輸出。其他相關的前案技 術尙有美國專利5,898,192，5,429,954等等。不過上 述利用製程加工的方式，對於氮化鎵（GaM)系列的材料 並不適用，因爲氮化鎵系列的材料具有很強的強固性及耐 4EPITAXY/200003TW,890501 度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ------------裝---- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂---------線 ο 4 2 7 4 A7 _B7_ 五、發明說明（Z) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 酸鹼腐蝕，一般的化學試劑及有機溶劑皆難以蝕刻氮化鎵 系列的材料。而最常應用來蝕刻氮化鎵的方式是活性離子 蝕刻(RIE)，但是這項方法又會影響磊晶層的品質，尤其 是P型氮化鎵磊晶層極易因此而轉變成絕緣或阻値升高。 發明槪述 有鑑於此，本發明提出利用磊晶技術直接成長粗糙表 面的方法，藉以改善氮化鋁鎵銦系歹IJ發光元件的輸出亮 度。 本發明揭示了一種將氮化鋁銦鎵系列材料化合物半導 體表面粗化的方法，相較於未使用本發明的發光元件，晶 粒的發光亮度有明顯的提昇。 爲了更進一步揭露本發明之方法、架構與特徵，茲配 合附圖說明本發明之實施例。 圖示之簡單說明 圖一 (A)爲未利用表面粗化技術成長之氮化鎵磊晶側面示 意圖 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 圖一 (B)爲利用表面粗化技術成長之氮化鎵磊晶側面示意 圖 圖二爲變化成長溫度對應的表面均方根粗糖度圖。 4EPITAXY/200003TW,890501 2 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） C ο 4 2 7 4 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 _B7____五、發明說明（3) 圖三(A) , (B)揭露本發明發光二極體之示意圖。 圖四(A) , (B)爲本發明另一發光二極體之示意圖。 圖五(A) , (B)爲本發明另一發光二極體之示意圖。 圖六(A) , (B)爲本發明另一發光二極體之示意圖。 圖示之符號說明 32鎳金(Ni/Au)歐姆接觸金屬，10發光二極體，氮 化鎵緩衝層 18 多重量子井結構，100粗糙的鎂摻雜氮化鎵層，2 0 發光二極體 28多重量子井結構，30發光二極體，38多重量子井 結構，卯〇粗糙的矽摻雜氮化鎵層，扣發光二極體，4 8 多重量子井結構，34鈦鋁(Ti/Al)歐姆接觸金屬，12 藍寶石基底，矽摻雜氮化鎵層，19鎂摻雜氮化鎵層，26 矽摻雜氮化鎵層，200粗糙的鎂摻雜氮化鎵層，39鎂 摻雜氮化鎵層，36矽摻雜氮化鎵層，49鎂摻雜氮化 鎵層 4 00粗糙的矽摻雜氮化鎵層 發明之詳細說明 本發明係提供一種有效的方法’來粗化化合物半導體 材料的表面。相較於其他文獻的記載，本發明不僅提昇了 ------------ --------訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 4EPITAXY/200003TW,890501 3 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 472400 經濟部智慧財產局員Η消費合作社印製 A7 B7_五、發明說明（4 ) 元件的效能，而且不需要額外的後段製程加工步驟，大大 節省了成本時效，也有助於產能提昇。 首先，進行一氫化物氣相磊晶成長(hydride vapor phase epitaxy, HVPE)製程、或一有機金屬氣相晶晶成長 (organometallic vapor phase epitaxy, 0MVPE)製程、或是一 分子束幕晶成長(molecular beam epitaxy, MBE)製程，以直 接或間接的方式，於一基底上形成化合物半導體層。對於 ' III-V (三五)族化合物半導體材料而言，化合物半導體層 是一氮化銘鎵銦(AlxGayliVpyN)層’其中（0SXS1 ’ 0 $1，Ogx+yS 1)，鎵的來源是TMGa或TEGa，鋁的 來源是TMA1或TEA1，銦的來源是TMIn或TEIn，氮的 來源是 NH3或(CH3) 2N-NH2 Dimethylhydrazine (二 甲基），而P型摻質係爲 之其中至少一種元素。載氣(carrier)則使用氫氣、氮氣 或氫氛混合氣。 本發明主要應用磊晶成長技術直接成長粗糙表面。在 我們的硏究發現，改變V/III比率（ratio)、載氣、溫 度、壓力、成長速率（growth rate)皆可以長出粗糖的 磊晶層，圖一⑻爲未利用表面粗化技術成長之氮化鎵磊晶 側面示意圖，圖一(b)爲利用表面粗化技術成長之氮化鎵磊 晶側面示意圖，其粗糙表面係呈現均勻分布之不規則凹 洞，其中凹洞的平均孔徑約爲〇 . 1〜2μπι，凹洞的平均深度 約爲 〇 · 1~2μιη。 ----------- -裝--------訂---------線 . (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 4EPITAXY/200003TW,890501 4 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 472400 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（爻） 使用有機金屬氣相磊晶成長(OMVPE)製程時，一般而 言，在氫氣環境中成長氮化鎵系列材料與在氮氣環境下成 長氮化鎵系列材料比較，其成長過程有極大的差異。藉由 改變V/ΙΙΙ比率以及載氣中氮氣氫氣的含量變化，我們 也可以控制磊晶表面的粗糙度(AFM (atomic force microscopy):Rms roughness)。 不同溫度時，晶片表面的原子移動力也會不同。一般 而言，在較低溫成長磊晶時，因爲晶片表面的原子移動力 不足，吾人常會刻意降低成長速率，以求得較好的磊晶品 質及較好的表面平整度。在我們的硏究發現，藉著控制成 長時的溫度、成長速率，也可達到粗化表面的目的。 一般而言’若以有機金屬氣相磊晶成長方式成長氮化 鎵系列材料，且是使用氨氣(NH3)當作氮原子的來源時’ 由於材料本身的強固性（rigidity)，以及考慮氨氣的裂 解速率（dissociation rate)，除了活性發光層含有銦 元素需在較低溫成長外，其他磊晶層成長溫度約在 1000〜1200T：之間。本發明則揭露在低於lOOOt：成長P 型或η型氮化鎵當作電極接觸層，亦即利用晶片表面原子 較低的移動力而造成粗糙的表層。 第一實施例 請參考圖三(A)爲本發明之一發光二極體磊晶片(epi_ wafer) 10的示意圖。將一可直接幕晶成長之藍寶石 4EPITAXY/200003TW,890501 張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ----------- -裝--------訂---------. (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 472400 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 _B7_五、發明說明（G) (epitaxy-ready sapphire)基底 I2 裝載於一有機金 屬氣相磊晶成長反應爐(未顯示)中。此單晶基底12可爲 氧化鋁、碳化矽或砷化鎵材料。首先，於1150°C的溫度 下，將藍寶石基底12預熱十分鐘。然後，將藍寶石基底 12的溫度降至約500〜600°C左右。當藍寶石基底12的 溫度處於520°C時，在其表面上成長一厚度爲2 5nm的氮 化鎵緩衝層14。接著，將藍寶石基底12的溫度提昇至 ll〇〇°C時，在緩衝層14的表面上以約2 gm/hr的成長 速率長成出一 Si摻雜（N型矽摻雜）氮化鎵層16，其厚 度約爲4 //m。跟著，將藍寶石基底12冷卻至約820°C， 緊接著於N型矽摻雜氮化鎵層16表面上成長一氮化銦鎵/ 氮化鎵（InGaN/GaN)多層量子井結構(multiple quantum well structure)或雙異質結構 (douMe-hetero structure)18。此多層量子井結構 或雙異質結構是作爲發光活性層之用。之後，升高溫度 至1100°C，於氮化銦鎵/氮化鎵多層量子井結構18表面 上成長一平滑（smooth) P型鎂摻雜氮化鎵層19。最後再 改變成長參數，在低溫下故意成長一粗糙(rough)的P型 鎂摻雜氮化鎵層1〇〇，如此便製作完成發光二極體磊晶片 (epi-wafer) 10。於·一較佳實施例，P型粗化層於成 長時，控制其成長速率在ΙθΑ/min至100〇A/min之間，控 制其V/III比在10⑻至50⑻00之間。N型摻質係爲Si、 Ge或Τη其中至少一種元素。P型摻質係爲Zn、 ------------ ------------訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 4EPITAXY/200003TW,890501 6 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 472400 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 _B7_ 五、發明說明（7 )
Cd、Be、Mg、Ca、或Ba其中至少一種元素。 將以上述方法成長之發光二極體磊晶片1〇經過活化 處理之後，依據下列步驟，製作成晶粒(chip)，如第三 圖（B)所示。 步驟一:將部分P型氮化鎵層19、1Q0蝕刻及量子井 結構18去除，直至N型氮化鎵層16之部分表面暴露出 來。 步驟二:將一鎳/金(Ni/Au)歐姆接觸金屬（ohmic contact metal) 32蒸鍍於P型氮化鎵層10Q表面上， 並將一鈦/鋁（Ti/Al)歐姆接觸金屬34沉積於暴露之N 型氮化鎵層16表面上。 步驟三·.將已蒸鑛完金屬之發光二極體磊晶片10硏 磨並切割成350μπ\χ350μΓα正方形大小之晶粒。 第二實施例 請參考圖四(Α)爲本發明另一發光二極體（light emitting diode)幕晶片20之示意圖。首先，於藍寶 石基底12上成長一氮化鎵緩衝層14，然後將藍寶石基底 12加熱至約113(TC。此單晶基底12可爲氧化鋁、碳化 矽或砷化鎵材料。接著於緩衝層14表面上成長一厚度爲4 之N型砂摻雜氮化鎵層26。跟著，將藍寶石基底12 冷卻至約82Q°C。緊接著，於N型矽摻雜氮化鎵層26表 4EPITAXY/200003TW,890501 7 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） I----------*装--------訂---------線' (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 472400 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 ___B7_ 五、發明說明（X ) 面上成長一氮化銦鎵/氮化鎵（InGaN/GaN)多層量子井 結構或雙異質結構（double-he tero structure)28。此多層量子井結構或雙異質結構是作 爲發光活性層之用。之後，再改變成長參數，在低溫下， 於氮化銦鎵/氮化鎵多層量子井結構28表面上成長一粗 糙的P型鎂摻雜氮化鎵層200，如此便製作完成發光二極 體磊晶片（epi-wafer) 2〇。於一較佳實施例，P型粗化 層於成長時，控制其成長速率在1〇Α/πύη至lOOOA/rain 之間，控制其V/1II比在1000至500000之間。N型摻質 係爲Si、Ge或Τη其中至少一種元素。P型摻質 係爲Zn、Cd、Be、Mg、Ca、或Ba其中至少一種 元素。 將以上述方法成長之發光二極體磊晶片20經過活 化處理之後，依據下列步驟，製作成晶粒(chip)，如第 四圖（B)所示。 步驟一:將部分P型氮化鎵層2 Q 0蝕刻去除，直至N 型氮化鎵層2 6之部分表面暴露出來。 步驟二：將一鎳/金（Ni/Au)歐姆接觸金屬（ohmic contact metal) 32蒸鍍於P型氮化鎵層200表面上， 並將一鈦/鋁(Ti/A1)歐姆接觸金屬34沉積於暴露之N 型氮化鎵層2 6表面上。 步驟三.·將已蒸鍍完金屬之發光二極體磊晶片2 0硏 磨，並切割成350 ^><350 正方形大小之晶粒。 4EPITAXY/200003TW,890501 8 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） I---------- -裝 - - ------訂---------線 I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 472400 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7_五、發明說明（q ) 上述第二實施例製成之發光二極體2 0晶粒的順向電 壓（forward voltage)約爲 3.5 伏特（voltage)，與 未具有粗糙的P型鎂摻雜氮化鎵層2 0 0之發光二極體晶粒 之順向電壓接近。 第三實施例 請參考圖五(A)爲本發明另一發光二極體磊晶片30 之示意圖。首先，於藍寶石基底12上成長一氮化鎵緩衝 層14，然後，將藍寶石基底12加熱至約1120°C。此單 晶基底12可爲氧化鋁、碳化矽或砷化鎵材料。接著，於緩 衝層14表面上成長一厚度爲4 # ra之P型鎂摻雜氮化鎵層 39。之後，於P型鎂摻雜氮化鎵層39表面上成長一氮化 銦鎵/氮化鎵多層量子井結構或雙異質結構（此沘16-hetero s t ructure)38。此多層量子井結構或雙異質 結構是作爲發光活性層之用。最後，將發光二極體磊晶片 30加熱至1130°C，接著，於氮化銦鎵/氮化鎵多層量子 井結構38表面上成長一 N型矽摻雜氮化鎵層36後，再將 溫度降至1000T：以下時，成長粗糙的氮化鎵層300，如 此便製作完成發光二極體30。於一較佳實施例’ N型粗 化層於成長時，控制其成長速率在ΙθΑ/min至100〇A/min 之間，控制其V/1II比在1000至50⑻00之間。N型摻質 係爲Si、Ge或Τη其中至少一種元素。P型摻質 係爲Zn、Cd、Be、Mg、Ca、或Ba其中至少一種 1----— II 丨丨- ----II —--訂 ---------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 4EPITAXY/200003TW.890501 9 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 472400 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7___ 五、發明說明（丨〇 ) 元素。 將以上述方法成長之發光二極體磊晶片30經過活化 處理之後，依據下列步驟，製作成晶粒（chip)，如第五 圖（B)所示。 步驟一:將部分N型氮化鎵層3 6、3 Q 0及量子井結構 4 8蝕刻去除，直至P型氮化鎵層39之部分表面暴露出 來。 步驟二:將一鎳/金歐姆接觸金屬32蒸鍍於P型氮化 鎵層39表面上，並將一鈦/鋁歐姆接觸金屬34沉積於N 型氮化鎵層3⑼表面上。 步驟三:將蒸鍍完金屬之發光二極體磊晶片30硏 磨，並切割成350/zmx350/zm正方形大小之晶粒。 第四實施例 請參考圖六(A)爲本發明另一發光二極體磊晶片40之 示意圖。首先，於藍寶石基底12上成長氮化鎵緩衝層14， 此單晶基底12可爲氧化鋁、碳化砂或砷化鎵材料。然後將 藍寶石基底12加熱至約112Q°C，接著，於緩衝層14表 面上成長厚度爲4 // m之P型鎂摻雜氮化鎵層4 9。跟著， 將藍寶石基底12冷卻至約82 0°C，然後，於P型鎂摻雜 氮化鎵層4 9表面上成長氮化銦鎵/氮化鎵多層量子井結 構或雙異質結構（double-hetero structure)48。 此多層量子井結構或雙異質結構是作爲發光活性層之 4EPITAXY/200003TW,890501 10 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ----------- I ' ----I--訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 472400 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 _B7_五、發明說明（丨ί ) 用。接著於氮化銦鎵/氮化鎵多層量子并結構4 8表面上成 長一粗糙的N型矽摻雜氮化鎵層4QQ。於一較佳實施例， N型粗化層於成長時，控制其成長速率在丨〇A/nun至 1000A/miη之間，控制其V/III比在1000至500000之間。 Ν型摻質係爲Si、Ge或Τη其中至少一種元素。Ρ 型摻質係爲Zn、Cd、Be、Mg、Ca、或Ba其中至 少一種元素。 將以上述方法成長之發光二極體磊晶片4 0經過活化 處理之後，依據下列步驟，製作成晶粒(chip)，如第六 圖（B)所示。 步驟一:將部分N型氮化鎵層4 Q 0及量子井結構4 8 蝕刻去除，直至P型氮化鎵層4 9之部分表面暴露出來。 步驟二:將一鎳/金歐姆接觸金屬32蒸鍍於P型氮化 鎵層4 9表面上，並將一鈦/鋁歐姆接觸金屬34沉積於N 型氮化鎵層4 0 Q表面上。 步驟三:將金屬化之發光二極體40硏磨，並切割成 350/zmx350/zm正方形大小之晶粒。 運用磊晶成長時參數的改變來達到粗化化合物半導體 表面的方法，各項參數的組合改變方式很多，無法一一盡 述。圖二揭露在相同的V/III比率、相同的成長參數、 變化溫度所對應的晶片表面粗糙度(AFM: Rms roughness) ° 相較於習知方法，本發明係利用氫化物氣相磊晶成 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 4EPITAXY/200003TW,890501 11 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 472400 A7 B7_五、發明說明（μ) 長、有機金屬氣相嘉晶成長或是分子束磊晶成長的方式， 故意於化合物半導體材料晶片表面成長一粗糙表面來減少 全反射，以便能夠提高外部量子效率。 本發明揭示適度控制磊晶成長時的參數成長一粗糖表 面。表一是一個亮度比較表，其中Run Α爲具平滑表面的 LED晶片製成LED晶粒後，量測亮度爲28 · 55 mcd ; Run B爲經過成長粗糖表面的LED晶片製成LED晶粒後，量測 . 亮度爲35 61 mcd。明顯的，經過成長粗糖表面的LED 晶片，其LED晶粒的輸出亮度大幅提昇。 除此之外，對氮化鋁銦鎵系列發光元件而言，其活性 發光層使用含銦的成分時，若在低溫直接成長粗糙的活性 發光層的覆蓋層，將可避免因高溫造成In原子的擴散或 對活性發光層造成的損害。此時，本發明所得到的效果將 更加顯著。表二是低溫成長粗糙表面的LED晶片與高溫成 長粗糙表面的LED晶片製成LED晶粒後亮度輸出的比 較。其中’ Run B之成長溫度爲1100°C，Run C之成長 溫度爲82〇Τ：，所量測晶粒亮度分別爲35·61 mcd及 50.22 mcd，當中亮度提昇40%以上。 ----------- -襄--------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 表一：經過成長粗糙表面的LED晶片與平滑表面的 LED晶片製成LED晶粒後亮度輸出的比較
Surface Luminance Enhance Run number Roughness (mcd) proportion (%) 4EPITAXY/200003TW,890501 12 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） I C ο 4 2 7 4 A7 B7 五、發明說明（/3) A NO 28.55 B Yes 35.61 24 表二：低溫成長粗糙表面的LED晶片與高溫成長粗糙 表面的LED晶片製成LED晶粒後亮度輸出的比較
Run number Temperature (°C) Surface Roughness Luminance (mcd) Enhance proportion (%) B 1100 Yes 35.61 41· 7 . C 820 Yes 50.22 以上所述僅爲本發明之較佳實施例，凡依本發明申請 專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明專利之涵 蓋範圍。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝--------訂---------線 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4EPITAXY/200003TW,890501 13 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

Claims (1)

  1. 472400 Α8 Β8 C8 D8 六、申請專利範圍 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1. 一種化合物半導體發光元件，其結構包含： 一單晶基底（substrate); 一 AlxInyGai 小 yN(0S xS 1,0S 1，〇$ χ + yS 1) 緩衝層，其成長於單晶基底之上： 一 η 型 AlsIntGai-s-.N(0S sS 1，0S tS 1，0S s + t SI)磊晶層，其成長於緩衝層之上； 一具有InGaN材料之發光活性層，其成長於η型 幕晶層上， —ρ 型 AluInvGai-tt-vN(OS uS 1，0S vS 1,0S u + v S 1 )磊晶層，其成長在活性層上； 一 p M AlpInqGai-p-qN(0^ 1,0^ 1,0^ P + Q SI)粗化層，其成長在P型磊晶層上； 其中P型粗化層於成長時，控制其成長溫度約在400 至1000°C之間。 2. 如申請專利範圍第1項所述之化合物半導體發光元 件，P型粗化層於成長時，控制其成長速率在lOA/min至 100〇A/min 之間。 3 .如申請專利範圍第1項所述之化合物半導體發光元 件，P型粗化層於成長時，控制其V/III比在1000至 500000 之間。 4.如申請專利範圍第1項所述之化合物半導體發光元 件，單晶基底可爲氧化鋁、碳化矽或砷化鎵材料。 4EPITAXY/200003TW, 890501 14 (請先閱讀背面之注意事項存填寫本貰) .、澤· J5· Γ 本紙張尺度逋用中國國家標準（CNS ) A4規格（2!〇χ297公釐）
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