TWI866149B - 磊晶結構 - Google Patents
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Abstract
一種磊晶結構，包括一第一型半導體層、一活性層、一第二型半導體層及一晶格失配層。第一型半導體層包含磷化鋁鎵銦材料，活性層設置於第一型半導體層的一側。第二型半導體層設置於活性層遠離第一型半導體層的一側，且包含磷化鋁鎵銦材料。晶格失配層包含磷化鋁鎵銦材料，且設置於第一型半導體層、活性層或第二型半導體層的任一側。在X光繞射儀分析圖譜中，第一型半導體層、活性層以及第二型半導體層的至少其中之一對應一主繞射波峰，晶格失配層具有一次繞射波峰，次繞射波峰與主繞射波峰的繞射角度的差值是落在400弧秒至900弧秒的範圍內。
Description
本發明是有關於一種半導體結構，且特別是有關於一種磊晶結構。
半導體磊晶結構可應用於許多領域，諸如積體電路晶片、發光二極體、雷射二極體、光電二極體、電晶體等。這諸多領域的半導體磊晶結構已深入人類的日常生活中，提供人類許多生活上及工作上的需求。
然而，半導體磊晶結構會因為各種原因而受到靜電放電（electrostatic discharge, ESD）現象的影響，靜電放電的路徑容易燒毀半導體磊晶結構，或使半導體磊晶結構損壞。
對於習知的採用四元半導體材料（例如磷化鋁鎵銦）的紅光微型發光二極體（micro light-emitting diode, micro-LED）而言，其P型半導體層與N型半導體層的靜電放電防護能力有待提高。
本發明提供一種磊晶結構，其具有良好的靜電放電防護能力。
本發明的一實施例提出一種磊晶結構，包括一第一型半導體層、一活性層、一第二型半導體層及一晶格失配層。第一型半導體層包含磷化鋁鎵銦材料，活性層設置於第一型半導體層的一側。第二型半導體層設置於活性層遠離第一型半導體層的一側，並且包含磷化鋁鎵銦材料。晶格失配層包含磷化鋁鎵銦材料，且設置於第一型半導體層、活性層或第二型半導體層的任一側。在X光繞射儀分析圖譜中，第一型半導體層、活性層以及第二型半導體層的至少其中之一對應一主繞射波峰，晶格失配層具有一次繞射波峰，且次繞射波峰與主繞射波峰的繞射角度的差值是落在400弧秒至900弧秒的範圍內。
在本發明的實施例的磊晶結構中，加入了晶格失配層，其晶格相較於鄰近的半導體層為無序排列，且晶格與鄰近的半導體層不匹配。藉由晶格排列的無序性或不匹配，可改變電流分布路徑，如此可增加抵抗靜電放電擊穿之能力。因此，本發明的實施例的磊晶結構具有良好的靜電放電防護能力。
圖1為本發明的一實施例的磊晶結構的剖面示意圖，而圖2A為圖1的磊晶結構的X光繞射儀分析圖譜。請參照圖1與圖2A，本實施例的磊晶結構100包括一第一型半導體層110、一活性層120、一第二型半導體層130及一晶格失配層140。第一型半導體層110包含磷化鋁鎵銦（aluminum gallium indium phosphide, AlGaInP）材料。在本實施例中，第一型半導體層110例如為N型半導體層。活性層120設置於第一型半導體層110的一側。在本實施例中，活性層120例如是量子井層或多重量子井層。
第二型半導體層130設置於活性層120遠離第一型半導體層110的一側，並且包含磷化鋁鎵銦材料。在本實施例中，第二型半導體層130例如為P型半導體層。然而，在其他實施例中，也可以是第一型半導體層110為P型半導體層，而第二型半導體層130為N型半導體層。
晶格失配層140包含磷化鋁鎵銦材料，且設置於第一型半導體層110、活性層120或第二型半導體層130的任一側，而在圖1的實施例中，是以設置於第二型半導體層130遠離活性層120的一側為例。
在磊晶結構100的X光繞射儀分析圖譜（如圖2A所示）中，第一型半導體層110、活性層120以及第二型半導體層130的至少其中之一對應一主繞射波峰P1，晶格失配層140具有一次繞射波峰P2。此處，橫軸表示磊晶結構100在X光繞射儀下的光線繞射角度Omega-2θ的位置，縱軸表示對應各個繞射角度Omega-2θ在單位時間內所測得的光子數量。在圖2A中，X光繞射儀分別在不同的繞射角度Omega-2θ偵測到較高強度（光子數量），並可判讀主繞射波峰P1與次繞射波峰P2係分別來自磊晶結構100的第一型半導體層110及/或第二型半導體層130與晶格失配層140，且次繞射波峰P2與主繞射波峰P1的繞射角度Omega-2θ的差值是落在400弧秒至900弧秒的範圍內。其中，此差值的存在表示晶格失配層140的晶格常數不匹配於第一型半導體層110與第二型半導體層130的晶格常數。
圖2B為圖1的磊晶結構的另一實施例的X光繞射儀分析圖譜，而圖3為圖1的磊晶結構在不加入晶格失配層140時的X光繞射儀分析圖譜。請參照圖1、圖2B及圖3，從圖2B可知，主繞射波峰P1與次繞射波峰P2分別位於基準繞射波峰P0的左側與右側。請再參照圖2A與圖2B，在圖2A中，主繞射波峰P1與基準繞射波峰P0之間還有一個波峰，而在圖2B中僅有單一的波峰P1，代表在圖2B狀態下，第一型半導體層110及/或第二型半導體層130膜層中的晶格組成具有更高的一致性。而在圖3中，由於不採用晶格失配層140，所以圖3的X光繞射儀分析圖譜中沒有次繞射波峰P2。
在本實施例中，次繞射波峰P2的半高全寬是落在150弧秒至400弧秒的範圍內，也就是次繞射波峰P2是一個比較寬的波峰，而這表示晶格失配層140中的晶格除了與第一型半導體層110與第二型半導體層130的晶格不匹配以外，其自身的晶格排列也較為無序。在一實施例中，次繞射波峰P2的半高全寬為300弧秒。
另外，在圖2A或是圖2B的X光繞射儀分析圖譜中，次繞射波峰P2與基準繞射波峰P0的繞射角度值的差值與次繞射波峰的半高全寬存在一比值，此一比值介於1與2之間。舉例而言，在圖2A或是圖2B中係取基準繞射波峰P0的繞射角度值為0，且次繞射波峰P2的繞射角度值約為450弧秒，則此時次繞射波峰P2的半高全寬可介於225弧秒以及450弧秒之間。上述比值代表的意義為：當次繞射波峰P2相對基準繞射波峰P0的繞射角度偏差越大，表示晶格失配層140與成長基板150的晶格常數差異越大；而在此狀態下，晶格失配層140自身的晶格組成也呈現更加無序的趨勢，且其半高全寬亦隨著此趨勢放大。整體而言，上述比值約是介於1與2之間的一變動值。
在本實施例的磊晶結構100中，加入了晶格失配層140，其晶格相較於鄰近的半導體層為無序排列，且晶格與鄰近的半導體層不匹配。藉由晶格排列的無序性或不匹配，可改變電流分布路徑，如此可增加抵抗靜電放電擊穿之能力。因此，本實施例的磊晶結構100具有良好的靜電放電防護能力。
在本實施例中，次繞射波峰P2的繞射強度值是落在主繞射波峰P1的繞射強度值的5％至20％的範圍內。此處，繞射強度值（光子數量）與對應繞射波峰的晶格數量約略呈線性正比。因此，例如在圖1中，當晶格失配層140的厚度T3增加時，則次繞射波峰P2的繞射強度值也會增加。在一實施例中，次繞射波峰P2的繞射強度值為主繞射波峰P1的繞射強度值的10％。舉例來說，當次繞射波峰P2的繞射強度小於主繞射波峰P1的繞射強度值的5%、或次繞射波峰P2過窄（例如其半高全寬小於150弧秒）時，表示晶格常數和主繞射波峰P1不匹配的晶格數量過少，則改變電流分布的效果不夠。次繞射波峰P2的繞射強度大於20%或次繞射波峰P2過寬（如其半高全寬大於400弧秒），則晶格不匹配的數量過多，表示磊晶結構100內的雜質成分或差排程度可能過高，易使磊晶結構100破裂（crack）。
在本實施例中，磊晶結構100更包括一成長基板150，其中第一型半導體層110配置於成長基板150上。在本實施例中，成長基板150的材料例如為砷化鎵（gallium arsenide, GaAs），但本發明不以此為限。成長基板150在X光繞射儀分析圖譜（如圖2A所示）中對應一基準繞射波峰P0，且基準繞射波峰P0的繞射角度值介於主繞射波峰P1與次繞射波峰P2的繞射角度值之間。在本實施例中，晶格失配層140的晶格常數小於成長基板150的晶格常數。在本實施例中，次繞射波峰P2的繞射角度值大於基準繞射波峰P0的繞射角度值。在本實施例中，次繞射波峰P2與基準繞射波峰P0的繞射角度值的差是落在200弧秒至700弧秒的範圍內。在一實施例中，次繞射波峰P2與基準繞射波峰P0的繞射角度的差值是落在450弧秒至500弧秒的範圍內，例如此差值為450弧秒。
在本實施例中，第一型半導體層110的厚度T1大於第二型半導體層130的厚度T2。晶格失配層140的厚度T3可落在400奈米至600奈米的範圍內，在一實施例中例如為515奈米。此外，在本實施例中，磊晶結構100更包含一窗層160，設置於第二型半導體層130遠離第一型半導體層110的一側，其中晶格失配層140設置於窗層160與第二型半導體層130之間或二者其中之一的內部、或設置於第二型半導體層130與活性層120之間，而在圖1的實施例中，是以設置於窗層160與第二型半導體層130之間為例。在本實施例中，窗層160的材料例如是磷化鎵（gallium phosphide, GaP），但本發明不以此為限。
圖4為圖1的磊晶結構在移除長成基板及製作電極後的剖面示意圖。請參照圖4，在本實施例的磊晶結構100a中，晶格失配層140配置於活性層120與第二型半導體層130之間。此外，在本實施例中，磊晶結構100a更包括一第一電極170、一第二電極180及一絕緣層190。第一電極170配置於第一半導體層110上，且與第一半導體層110電性連接。第二電極180藉由絕緣層190配置於第一半導體層110上，且貫穿導電通孔而與窗層160電性連接，窗層160又與第二半導體層130電性導通，其中絕緣層190亦使第一半導體層110與第二電極180之間及活性層120與第二電極180之間電性絕緣。
晶格失配層140可設置於第一型半導體層110側或設置於第二型半導體層130側，而設置於第二型半導體層130側有以下優點與特性：
1. 窗層160通常在第二型半導體層130之後形成，若晶格失配層140形成於第二型半導體層130側，可便於藉由一併設計晶格失配層140與窗層160來優化整體出光或者用作調整電流分布。
2. 如圖4所繪示，在較佳的實施例中，晶格失配層140在活性層120後形成、更佳為在第二型半導體層130後形成，可避免晶格失配層140影響半導體層的磊晶品質。
3. 因電流散佈需要空間，故當晶格失配層140位於第二型半導體層130與窗層160的一側時，可利用窗層160的空間散佈電流。
4. 此外，從磊晶結構100的電流路徑的方面而言，當晶格失配層140距離電極越近，則具有越佳的電流散佈效果（例如鄰近第二型半導體層130時靠近第二電極180）。此處，由於第一型半導體層110的厚度T1大於第二型半導體層130的厚度T2，故較薄的第二型半導體層130對於晶格失配層140與第二電極180的距離增加之影響較小，有利於晶格失配層140層靠近第二電極180。即是說，在如圖1所示的磊晶結構100的成長階段中，厚度較大的第一型半導體層110首先成長，而晶格失配層140則在之後形成。如此，無論晶格失配層140是位於厚度較小的第二型半導體層130的任意一側或是其內部，皆可以確保晶格失配層140與第二電極180之間有較短的距離。
在本實施例中，晶格失配層140中銦所佔的原子數比例小於鋁與鎵所佔的原子數比例的總和，且晶格失配層140中銦所佔的原子數比例也小於銦在第一型半導體110、活性層120以及第二型半導體130的至少其中之一所佔的原子數比例。
晶格失配層140的材料的化學式例如為Al
iGa
jIn
kP，其中i+j+k=1。舉例而言，晶格失配層140的材料的化學式在三個實施例中分別為Al
0.3Ga
0.4In
0.3P、Al
0.55Ga
0.2In
0.25P及Al
0.6In
0.4P （其為j=0時的狀況）。第二型半導體層130的材料的化學式例如為Al
xGa
yIn
zP，其中x+y+z=1。舉例而言，第二型半導體層130的材料的化學式在三個實施例中分別為Al
0.3Ga
0.2In
0.5P、Al
0.3Ga
0.1In
0.6P及Al
0.5In
0.5P （其為y=0時的狀況）。
再次參考圖2A、圖2B與圖3，額外說明的是，在X光繞射儀分析圖譜中，當膜層的分子晶格常數越小，則對應的繞射角度Omega-2θ越大。由於鋁、鎵、銦為同週期元素，其分子晶格常數也隨著原子序增加而遞增，故在晶格失配層140包含不同化合物組成下，隨著原子序較小的鋁、鎵的含量增加，例如是其加總大於銦的含量（即i+j＞k）時，代表晶格失配層140在X光繞射儀分析圖譜中的繞射角度Omega-2θ所對應的位置往右移。因此，晶格失配層140中銦的含量小於第二型半導體層130（即P型半導體層）中銦的含量（即k＜z），代表晶格失配層140的晶格常數較小，其繞射角度Omega-2θ位置將位在第二型半導體層130的繞射角度Omega-2θ位置的右方。在未繪出的另一實施例中，次繞射波峰P2也可以在主繞射波峰P1的左側，例如主繞射波峰P1的繞射角度介於次繞射波峰P2與基準繞射波峰P0的繞射角度之間，且在此實施例中，晶格失配層140中銦所佔的原子數比例大於銦在第一型半導體110以及第二型半導體130的至少其中之一所佔的原子數比例，且晶格失配層140中銦所佔的原子數比例也大於銦在第一型半導體110、活性層120以及第二型半導體130的至少其中之一所佔的原子數比例。
圖5A為本發明的又一實施例的磊晶結構的剖面示意圖。請參照圖5A，本實施例的磊晶結構100b類似於圖1的磊晶結構100，而兩者的差異如下所述。在本實施例的磊晶結構100b中，晶格失配層140是位於第二型半導體層130中。此外，在本實施例中，第一電極170與第二電極180分別位於第一型半導體層110與窗層160上，且第一電極170或第二電極180可為透明電極，其材料例如為氧化銦錫。
圖5B為本發明的再一實施例的磊晶結構的剖面示意圖。請參照圖5B，本實施例的磊晶結構100c類似於圖1的磊晶結構100，而兩者的差異如下所述。在本實施例的磊晶結構100c中，晶格失配層140是位於第二型半導體層130中，而第二電極180藉由絕緣層190配置於第一型半導體層110上，且貫穿導電通孔而與窗層160電性連接，窗層160又與第二半導體層130電性導通。
圖6A至圖6D、圖7A至圖7C及圖8A至圖8C為本發明的其他實施例的磊晶結構的剖面示意圖，其繪示了晶格失配層140可能的各種位置與變化。圖6A至圖6D繪示了晶格失配層140在第二型半導體層130側的實施例。在圖6A的磊晶結構100d中，晶格失配層140配置於窗層160遠離第二型半導體層130的一側。在圖6B的磊晶結構100e中，晶格失配層140配置於窗層160中。在圖6C的磊晶結構100f中，晶格失配層140配置於第二型半導體層130與窗層160之間。在圖6D的磊晶結構100h中，晶格失配層140配置於活性層120與第二型半導體層130之間。
圖7A至圖7C繪示了晶格失配層140在第一型半導體層110側的實施例。在圖7A的磊晶結構100i中，晶格失配層140配置於活性層120與第一型半導體層110之間。在圖7B的磊晶結構100j中，晶格失配層140配置於第一型半導體層110中。在圖7C的磊晶結構100k中，晶格失配層140配置於第一型半導體層110遠離活性層120的一側。
圖8A至圖8C繪示了磊晶結構具有多層晶格失配層140的實施例。在圖8A的磊晶結構100l中，一個晶格失配層140位於第一型半導體層110中，而另一個晶格失配層140位於第二型半導體層130中。在圖8B的磊晶結構100m中，一個晶格失配層140位於第一型半導體層110中，而另一個晶格失配層140位於窗層160中。然而，在其他實施例中，一個晶格失配層140可以位於圖7A至圖7C中的任一位置，而另一個晶格失配層140可以位於圖6A至圖6D中的任一位置。在圖8C的磊晶結構100n中，兩個晶格失配層140都位於第一型半導體層110中。然而，在其他實施例中，兩個晶格失配層140也可以位於圖7A至圖7C中的任意兩個位置，或位於圖6A至圖6D中的任意兩個位置（即兩個晶格失配層140都在第二型半導體層130側）。在其他實施例中，晶格失配層140也可以有三個以上，而晶格失配層140可位於圖6A至圖6D及圖7A至圖7C中的任意三個位置。
綜上所述，在本發明的實施例的磊晶結構中，加入了晶格失配層，其晶格相較於鄰近的半導體層為無序排列，且晶格與鄰近的半導體層不匹配。藉由晶格排列的無序性或不匹配，可改變電流分布路徑，如此可增加抵抗靜電放電擊穿之能力。因此，本發明的磊晶結構具有良好的靜電放電防護能力。
100、100a、100b、100c、100d、100e、100f、100h、100i、100j、100k、100l、100m、100n:磊晶結構
110:第一型半導體層
120:活性層
130:第二型半導體層
140:晶格失配層
150:成長基板
160:窗層
170:第一電極
180:第二電極
190:絕緣層
P0:基準繞射波峰
P1:主繞射波峰
P2:次繞射波峰
T1、T2、T3:厚度
圖1為本發明的一實施例的磊晶結構的剖面示意圖。
圖2A為圖1的磊晶結構的X光繞射儀分析圖譜。
圖2B為圖1的磊晶結構的另一實施例的X光繞射儀分析圖譜。
圖3為圖1的磊晶結構在不加入晶格失配層時的X光繞射儀分析圖譜。
圖4為圖1的磊晶結構在移除長成基板及製作電極後的剖面示意圖。
圖5A為本發明的又一實施例的磊晶結構的剖面示意圖。
圖5B為本發明的再一實施例的磊晶結構的剖面示意圖。
圖6A至圖6D、圖7A至圖7C及圖8A至圖8C為本發明的其他實施例的磊晶結構的剖面示意圖，其繪示了晶格失配層可能的各種位置與變化。
100:磊晶結構
110:第一型半導體層
120:活性層
130:第二型半導體層
140:晶格失配層
150:成長基板
160:窗層
T1、T2、T3:厚度
Claims (13)
- 一種磊晶結構，包括：一第一型半導體層，包含磷化鋁鎵銦材料；一活性層，設置於該第一型半導體層的一側；一第二型半導體層，設置於該活性層遠離該第一型半導體層的一側，並且包含磷化鋁鎵銦材料；以及一晶格失配層，包含磷化鋁鎵銦材料，且設置於該第一型半導體層、該活性層或該第二型半導體層的任一側，其中，在X光繞射儀分析圖譜中，該第一型半導體層、該活性層以及該第二型半導體層的至少其中之一對應一主繞射波峰，該晶格失配層具有一次繞射波峰，且該次繞射波峰與該主繞射波峰的繞射角度的差值是落在400弧秒至900弧秒的範圍內。
- 如請求項1所述的磊晶結構，更包括一成長基板，其中該第一型半導體層配置於該成長基板上，該成長基板在該X光繞射儀分析圖譜中對應一基準繞射波峰，且該基準繞射波峰的繞射角度值介於該主繞射波峰與該次繞射波峰的繞射角度值之間。
- 如請求項2所述的磊晶結構，其中該晶格失配層的晶格常數小於該成長基板的晶格常數。
- 如請求項2所述的磊晶結構，其中該次繞射波峰與該基準繞射波峰的繞射角度值的差是落在200弧秒至700弧秒的範圍內。
- 如請求項4所述的磊晶結構，其中該次繞射波峰的繞射角度值大於該基準繞射波峰的繞射角度值。
- 如請求項5所述的磊晶結構，其中該次繞射波峰與該基準繞射波峰的繞射角度的差值是落在450弧秒至500弧秒的範圍內。
- 如請求項2所述的磊晶結構，其中該晶格失配層中銦所佔的原子數比例小於鋁與鎵所佔的原子數比例的總和，且該晶格失配層中銦所佔的原子數比例也小於銦在該第一型半導體層、該活性層以及該第二型半導體層的至少其中之一所佔的原子數比例。
- 如請求項1所述的磊晶結構，其中該磊晶結構更包括一成長基板，其中該第一型半導體層配置於該成長基板上，該成長基板在該X光繞射儀分析圖譜中對應一基準繞射波峰，且該主繞射波峰的繞射角度介於該次繞射波峰與該基準繞射波峰的繞射角度之間。
- 如請求項8所述的磊晶結構，其中該晶格失配層中銦所佔的原子數比例大於鋁與鎵所佔的原子數比例的總和，且該晶格失配層中銦所佔的原子數比例也大於銦在該第一型半導體層、該活性層以及該第二型半導體層的至少其中之一所佔的原子數比例。
- 如請求項1所述的磊晶結構，其中該次繞射波峰的半高全寬是落在150弧秒至400弧秒的範圍內。
- 如請求項1所述的磊晶結構，其中該次繞射波峰的繞射強度值是落在該主繞射波峰的繞射強度值的5%至20%的範圍內。
- 如請求項1所述的磊晶結構，其中該第一型半導體層的厚度大於該第二型半導體層的厚度，該磊晶結構更包含一窗層，設置於該第二型半導體層遠離該第一型半導體層的一側，其中該晶格失配層設置於該窗層與該第二型半導體層之間或二者其中之一的內部、或設置於該第二型半導體層與該活性層之間。
- 如請求項1所述的磊晶結構，其中該次繞射波峰與該X光繞射儀分析圖譜中的一基準繞射波峰的繞射角度值的差值與該次繞射波峰的半高全寬存在一比值，且該比值介於1與2之間。
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- 2023-05-16 US US18/317,944 patent/US20240339505A1/en active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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