專利名稱：發(fā)光二極管裝置及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體裝置及其制造方法，特別涉及于含碳基板上形成 發(fā)光二極管裝置。
背景技術(shù)：
發(fā)光二極管(LEDs)利用于一基板上形成有源區(qū)且于基板上沉積不同導(dǎo) 電和半導(dǎo)電層的方式所形成。利用p_n結(jié)中的電流，電子-空穴對的再結(jié)合
(recombination)輻射可用于產(chǎn)生電磁輻射(例如光)。在例如GaAs或GaN的直 接能隙材料(direct band gap material)形成的順向偏壓的p-n結(jié)中，注入空乏區(qū) 中的電子-空穴對的再結(jié)合導(dǎo)致電磁輻射發(fā)光。上述電磁輻射可位于可見光區(qū) 或非可見光區(qū)?？衫镁哂胁煌芟兜牟牧闲纬刹煌伾腖ED。另外，電 磁輻射發(fā)光在非可見光區(qū)的LED可將上述非可見光導(dǎo)向磷透鏡或類似類型 的材料。當(dāng)上述非可見光被磷吸收時，磷會發(fā)出可見光。
LED結(jié)構(gòu)通常利用外延成長三-五族化合物層的方式形成，上述摻雜相 反導(dǎo)電類型的三-五族材料層位于發(fā)光層的任一側(cè)。在形成例如GaN層的三-五族外延層時，會形成一SiNx介電層，其會對上述LED結(jié)構(gòu)的性能產(chǎn)生不 利的影響。為了防止SiNx的形成，在形成LED結(jié)構(gòu)之前，通常于基板上方 沉積一金屬過渡層(transition layer)。
然而，金屬過渡層的使用會對GaN外延層的結(jié)晶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利的影響。 外延工藝中的高溫會導(dǎo)致過渡層的金屬原子與基板的硅原子混合(inter-mix)， 因而會產(chǎn)生復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。因為金屬原子和硅原子混合而產(chǎn)生的上述復(fù)雜結(jié)構(gòu) 通常為多晶或非晶狀態(tài)，因而在可用于形成上述LED結(jié)構(gòu)的外延工藝中， 不能于其上提供良好的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。
因此，在此技術(shù)領(lǐng)域中，需要一種發(fā)光二極管裝置及其制造方法，以避 免和降低金屬原子和硅原子的混合。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的一實施例提供一種位于一基板上的發(fā)光二極管，上 述基板具有形成于其中的一含碳層。
本發(fā)明一實施例的發(fā)光二極管裝置包括一半導(dǎo)體基板，其具有位于一第
一側(cè)的一含碳層。上述含碳層的厚度可約小于20 ^m。 一發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)， 形成于上述半導(dǎo)體基板的上述第一側(cè)上。上述發(fā)光二極管可還包括一過渡 層，介于上述含碳層和上述發(fā)光二極管裝置結(jié)構(gòu)之間。上述半導(dǎo)體基板可為 一塊狀硅基板，其具有(lll)方向的一表面配向。然而，也可使用其他類型的 基板。
本發(fā)明的另一實施例提供一種發(fā)光二極管裝置的制造方法，上述發(fā)光二 極管裝置的制造方法包括提供一基板；利用例如離子注入、擴(kuò)散或外延方式， 于上述基板的一第一側(cè)形成一含碳層。之后，于上述半導(dǎo)體基板的上述第一 側(cè)上方形成一發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的又一實施例提供一種發(fā)光二極管裝置的制造方法，上述發(fā)光二 極管裝置的制造方法包括提供一基板；將碳原子置于上述半導(dǎo)體基板的一第 一側(cè)內(nèi)。之后，于上述半導(dǎo)體基板的上述第一側(cè)上方形成一過渡層；以及于 上述過渡層上方形成一發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明提供一種避免和降低金屬原子和硅原子的混合的發(fā)光二極管裝 置及其制造方法。


圖1~圖4為本發(fā)明實施例的發(fā)光二極管的制造方法的工藝流程圖。
并且，上述附圖中的附圖標(biāo)記說明如下
102~基板；
202 含碳層；
302 過渡層；
402 發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)；
410 阻障層；
412 第一接觸層；
414 第一包覆層；416~有源層； 418 第二包覆層；
420 第二接觸層。
具體實施例方式
以下以各實施例詳細(xì)說明并伴隨著

的范例，作為本發(fā)明的參考 依據(jù)。在附圖或說明書描述中，相似或相同的部分皆使用相同的附圖標(biāo)記。 且在附圖中，實施例的形狀或是厚度可擴(kuò)大，并以簡化或是方便標(biāo)示。再者， 附圖中各元件的部分將以分別描述說明之，值得注意的是，圖中未顯示或描 述的元件，為本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所知的形式，另外，特定的實施例僅為公 開本發(fā)明使用的特定方式，其并非用以限定本發(fā)明。
圖1 圖4為本發(fā)明實施例的發(fā)光二極管的制造方法的工藝流程圖。請參 考圖1，首先，提供一基板102。基板102可為一硅基板，且可為一導(dǎo)電基 板或一非導(dǎo)電基板。在一實施例中，可利用具有(lll)方向的表面配向的導(dǎo)電 或非導(dǎo)電的塊狀硅半導(dǎo)體基板?？梢罁?jù)用以接觸后續(xù)形成的發(fā)光二極管(以下 簡稱LED)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電層的電性接觸的導(dǎo)電類型使用導(dǎo)電基板或非導(dǎo)電基板。 舉例來說，在背側(cè)接觸用于LED結(jié)構(gòu)的較低接觸層的電性接觸的實施例中， 基板102可為導(dǎo)電基板或摻雜基板。在前側(cè)接觸用于提供LED結(jié)構(gòu)的較低 接觸層的電性接觸的其他實施例中，可使用未摻雜的基板102。
值得注意的是，本發(fā)明實施例使用塊狀硅基板，然而，也可使用其他基 板。舉例來說，絶緣層上覆硅(silicon on insulator, SOI)基板、藍(lán)寶石基板、 碳化硅(silicon carbide)基板、硅鍺基板或其他類似的基板，也可使用導(dǎo)電基 板或非導(dǎo)電基板。然而，在本發(fā)明實施例中，可特別使用硅基板，因為其成 本較低且可降低形成于其上的LED結(jié)構(gòu)中的殘留應(yīng)力。另外，基板可具有 (Ul)方向的表面配向，也可使用具有例如(110)和(100)方向的表面配向的基 板。
可對基板102進(jìn)行一清潔工藝以移除污染物且使基板102的表面以便后 續(xù)工藝步驟進(jìn)行。其中一種類型的清潔工藝為兩步驟清潔工藝?？衫脤⒒?板102浸泡于NH40H/H202/H20浴中約10分鐘的方式進(jìn)行第一清潔步驟以 移除微粒和有機(jī)污染物。再利用將基板102浸泡于HC1/H202/H20浴中約10分鐘的方式進(jìn)行第二清潔步驟以移除金屬污染物。在其他實施例中，可選擇
性地移除原生氧化物，舉例來說，可利用稀釋的氫氟酸(DHF)。也可使用其 他的清潔溶液、清潔時間或其他類似的工藝條件。另外，也可使用例如等離 子體灰化或其他類似工藝的其他清潔工藝。
圖2是顯示于基板102中形成一含碳層202?？梢岳镁哂幸缓紝拥?硅基(silicon-based)基板作為LED裝置的基板，以改善LED裝置的品質(zhì)、性 能和可靠度。特別的是，可以發(fā)現(xiàn)例如含碳層202的含碳層可以避免或降低 基板的硅原子和LED結(jié)構(gòu)的金屬原子混合(inter-mixing)，因而改善第三族氮 化物晶體的品質(zhì)。品質(zhì)改善的上述第三族氮化物晶體可以改善LED裝置的 性能和可靠度。在一實施例中，含碳層202沿著基板102的表面設(shè)置且延伸 進(jìn)入基板的深度約小于20pm。除了碳原子，可選擇性將例如硅、鍺或類似 原子的其他原子導(dǎo)入基板內(nèi)。
在一實施例中，可利用離子注入方式形成含碳層202。舉例來說，可利 用劑量介于1E14至1E15 atoms/cn^且能量介于1至10KeV的工藝條件注入 碳原子以形成含碳層202。也可使用其他的工藝條件。
在另一實施例中，可利用擴(kuò)散工藝形成含碳層202。在本實施例中，舉 例來說，可在CH4流量介于10至500 sccm、工藝溫度介于400至卯(TC、 工藝持續(xù)時間介于1至30分鐘的工藝條件下，擴(kuò)散碳原子以形成含碳層202。 也可使用例如外延工藝的其他工藝以形成含碳層202。
形成含碳層202之后，可進(jìn)行一退火工藝以活化碳原子，使碳原子與基 板102的硅原子鍵結(jié)。在一實施例中，可在工藝溫度介于500至IOO(TC、工 藝持續(xù)時間介于1至30分鐘的工藝條件下進(jìn)行退火工藝?？捎贏r、 He、 N2 的氣體環(huán)境下，氣體壓力介于1至760torr之間的工藝條件下進(jìn)行退火工藝。 在其他實施例中，可使用例如閃光退火(flashanneal)、激光退火(laser anneal)、 快速熱退火(mpid thermal anneal)或其他類似的方式的其他退火工藝。
之后，如圖3所示，于含碳層202上方形成一過渡層302。過渡層302 可為例如鋁、鈦、銀或類似元素的一金屬，或例如鈦-鋁的一金屬合金。過渡 層302的厚度可介于1至100 nm之間。
可以發(fā)現(xiàn)含碳層202的形成可以避免或降低其上的過渡層302的金屬或 金屬合金和基板的硅原子混合(inter-mixing)。由于可以避免或降低過渡層302的金屬或金屬合金混合，可以維持外延成長的LED結(jié)構(gòu)的三-五族層的較佳 晶體結(jié)構(gòu)。結(jié)果，可得到具有較佳晶體品質(zhì)的LED結(jié)構(gòu)，因而可改善LED 結(jié)構(gòu)的性能和可靠度。
圖4是顯示于過渡層302上方形成一 LED結(jié)構(gòu)402。在特殊應(yīng)用的LED 結(jié)構(gòu)402可包括任何適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)。在一實施例中，LED結(jié)構(gòu)402包括一緩沖 /成核層410、 一第一接觸層412、 一第一包覆層414、 一有源層416、 一第二 包覆層418和一第二接觸層420。
可于形成過渡層302的步驟之后和形成LED結(jié)構(gòu)402的步驟之前，選 擇性進(jìn)行另一退火工藝，以移除形成過渡層302時任何可能產(chǎn)生的污染物。 舉例來說，可在工藝溫度介于1000至1200°C、工藝持續(xù)時間介于1至30分 鐘、N2、 H2的氣體環(huán)境下且氣體壓力介于l至760torr之間的工藝條件下， 于一金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)反應(yīng)室中進(jìn)行退火工藝。在其他實施 例中，可使用例如閃光退火(flashanneal)、激光退火(laseranneal)、快速熱退 火(rapid thermal anneal)或其他類似的方式的其他退火工藝。
形成于過渡層302上方的緩沖層410可包括一層或多層的導(dǎo)電材料，且 可視為LED結(jié)構(gòu)402的后續(xù)形成層的成核層。依據(jù)基板的類型且分別連接 第一和第二接觸層412和420，第一接觸層412和基板102之間需要一緩沖 層。舉例來說，例如碳化硅和硅基板的一些類型的基板，可于碳化硅基板上 形成例如A1N或AlGaN的一緩沖層。
緩沖層410可包括第三族氮化物材料、金屬氮化物、金屬碳化物、金屬 氮碳化物、純金屬、金屬合金、含硅材料或類似的材料?？衫美缃饘儆?機(jī)物化學(xué)氣相沉積法(MOCVD)、金屬有機(jī)物化學(xué)氣相外延法(MOVPE)、等 離子體增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積法(plasma-enhanced CVD)、遙控等離子體化學(xué)氣 相沉積法(RP-CVD)、分子束外延法(MBE)、氫化物氣相外延法(HVPE)、液 相外延法(LPE)、氯化物氣相外延法(C1-VPE)或類似的方式形成緩沖層410。 舉例來說，用以形成緩沖層410的材料可包括GaN、InN、AlN、InGaN、AlGaN、 AlInN、 AlInGaN或其他類似的材料。如上所述，緩沖層410可包括例如以 交錯方式堆疊多個A1N層和多個摻雜硅的GaN層的多層結(jié)構(gòu)?？梢詐型或n 型摻質(zhì)摻雜緩沖層410，或?qū)嵸|(zhì)上不摻雜緩沖層410。使緩沖層410為p型、 n型或?qū)嵸|(zhì)上為中性。
8第一接觸層412形成于緩沖層410上方。第一接觸層412可為摻雜或未 摻雜的第三族氮化物(或其他第五族元素)。在一實施例中，第一接觸層412 可為n型的第三族氮化物化合物(例如n-GaN)，且可利用例如分子束外延 (MBE)、金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積法(MOCVD)、氫化物氣相外延法(HVPE)、 液相外延法(LPE)或其他類似工藝的外延成長工藝形成第一接觸層412。上述 第三族氮化物材料可包括例如GaN、 InN、 A1N、 InxGa(1.x)N、 AlxIn(1.x)N、 AlJnyGa(^y)N或其他類似的材料。也可使用包括取代氮化物的其他第五族元 素的其他材料。
第一包覆層414形成于第一接觸層412上方。類似于第一接觸層412， 第一包覆層414可為第三族氮化物(或其他第五族元素)。在一實施例中，第 一包覆層414可包括n型的第三族氮化物化合物(例如n-AlGaN)。第一包覆 層414的形成方式實質(zhì)上可與第一接觸層412的形成方式相同。
發(fā)光層416(有時可視為有源層)形成于第一包覆層414上方。發(fā)光層416 可包括同質(zhì)結(jié)(homojunction)、異質(zhì)結(jié)(heterojunction)、單 一 量子阱 (single-quantum well (SQW))、多重量子阱(multiple陽quantum well (MQW))或其 他類似的結(jié)構(gòu)。在一實施例中，發(fā)光層416可包括未摻雜的n型InxGa(1.x)N。 在其他實施例中，發(fā)光層416可包括例如AlxInyGa(1.x.y)N的其他常用的材料。 在其他實施例中，發(fā)光層416可為包括多重阱層(例如InGaN)和阻障層(例如 GaN)交錯排列的多重量子阱結(jié)構(gòu)。再者，發(fā)光層416的形成方式可包括金屬 有機(jī)物化學(xué)氣相沉積法(MOCVD)、分子束外延法(MBE)、氫化物氣相外延法 (HVPE)、液相外延法(LPE)或其他適當(dāng)?shù)腃VD方式。發(fā)光層416的總厚度約 介于5 nm至200 nm之間。
第二包覆層418形成于發(fā)光層416上方。在一實施例中，除了第二包覆 層418摻雜的導(dǎo)電類型與第一包覆層414相反之外，例如為p型，第二包覆 層418所包括的材質(zhì)類似于第一包覆層414的材質(zhì)，例如AIGaN。第二包覆 層418的形成方式實質(zhì)上可與第一包覆層414的形成方式相同。
第二接觸層420形成于第二包覆層418上方。第二接觸層420和第一接 觸層412的材質(zhì)可以相同或不同，且可使用與第一接觸層412類似的形成方 式形成第二接觸層420。第二接觸層420的導(dǎo)電類型與第一接觸層412相反。
值得注意的是，上述附圖中的實施例是以p型朝上(p-side up)的LED結(jié)構(gòu)為實施例，其中例如第二包覆層418和第二接觸層420的p型摻雜的第三 族氮化物材料位于LED結(jié)構(gòu)的上表面。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員當(dāng)可了解，本 發(fā)明實施例也可有助于應(yīng)用在n型朝上(n-side up)的LED結(jié)構(gòu)。
此外，第一接觸層412、第一包覆層414、第二包覆層418和第二接觸 層420可為不同材料及/或摻雜p型或n型的材料的組合。值得注意的是，對 于較高和較低的接觸層/包覆層的兩者之一或兩者而言，本發(fā)明實施例可僅使 用一層接觸層或接觸層。
之后，進(jìn)行下述的工藝以形成本發(fā)明實施例的LED結(jié)構(gòu)。舉例來說， 可分別對第一接觸層412和第二接觸層420形成電性接觸(前側(cè)及/或后側(cè)接 觸)。然后，可形成保護(hù)層。之后，可切割和包裝LED結(jié)構(gòu)。
值得注意的是，本發(fā)明實施例的LED結(jié)構(gòu)可需要例如分布式布拉格反 射鏡(distributed Bragg reflector)的其他層。上述分布式布拉格反射鏡通?？砂?括具有不同反射系數(shù)的多層結(jié)構(gòu)，以反射LED結(jié)構(gòu)發(fā)出的光，因而增加從 LED結(jié)構(gòu)的頂部發(fā)出的光。上述分布式布拉格反射鏡也可與一反射阻障層一 起使用，或以反射阻障層代替上述分布式布拉格反射鏡。
也可依據(jù)使用材料的類型和應(yīng)用改變本發(fā)明實施例的LED結(jié)構(gòu)的構(gòu)造。 可以預(yù)期的是，本發(fā)明實施例可使用多種類型的LED結(jié)構(gòu)，本發(fā)明實施例 是于基板中提供凹陷，以使LED結(jié)構(gòu)形成于其中。
在本發(fā)明一實施例中，可清潔具有(lll)方向的表面配向的硅基板，且利 用離子注入方式將碳原子摻雜于硅基板中。可對上述基板進(jìn)行退火工藝，以 活化碳原子，且使碳原子與硅原子鍵結(jié)。于上述碳原子層上方沉積包括鋁的 過渡層，其厚度約為30 nm。于形成LED結(jié)構(gòu)之前，可將上述結(jié)構(gòu)置于 MOCVD的反應(yīng)室內(nèi)，且于IOO(TC的溫度下退火，以移除污染物。上述LED 結(jié)構(gòu)可包括一阻障層，上述阻障層包括于約130(TC的溫度下沉積厚度約3nm 的A1N層和厚度約6nm的摻雜硅的GaN層形成的交錯層； 一較低接觸層， 上述較低接觸層包括厚度約2pm的摻雜硅的GaN層； 一較低包覆層，上述 較低包覆層包括厚度約20 nm的摻雜硅的Al(H5Gao.85N層； 一有源層，上述 有源層包括厚度約60 nm的Incu5Gao.85N/GaN MQW層； 一較高包覆層，上 述較高包覆層包括厚度約30 nm的摻雜鎂的Al。15Ga。.85N層；厚度約O.lpm 的一摻雜鎂的GaN層；以及一較高接觸層，上述較高接觸層包括厚度約2 nm的摻雜鎂的Ino.15Ga,N/GaN超晶格(superlattice)接觸層。
在前述的本發(fā)明另一實施例中，可清潔具有(lll)方向的表面配向的硅基 板，且利用擴(kuò)散方式將碳原子摻雜于硅基板中?？蓪ι鲜龌暹M(jìn)行退火工藝， 以活化碳原子，且使碳原子與硅原子鍵結(jié)。于上述碳原子層上方沉積包括鋁 的過渡層，其厚度約為10 nm。于形成LED結(jié)構(gòu)之前，可將上述結(jié)構(gòu)置于 MOCVD的反應(yīng)室內(nèi)，且于100(TC的溫度下退火，以移除污染物。上述LED 結(jié)構(gòu)可包括一阻障層，上述阻障層包括于低溫(例如約55(TC)成長的厚度約 30nm的AlN層； 一較低接觸層，上述較低接觸層包括厚度約3 pm的摻雜 硅的GaN層； 一較低包覆層，上述較低包覆層包括厚度約20nm的摻雜硅的 Al(nsGao.85N層； 一有源層，上述有源層包括厚度約80 nm的In^Ga^N/GaN MQW層； 一較高包覆層，上述較高包覆層包括厚度約30 nm的摻雜鎂的 Al(MsGa。.85N層；以及一較高接觸層，上述較高接觸層包括厚度約0.3 pm的 摻雜鎂的GaN層。
值得注意的是，上述提供的實施例僅作為列示之用，在本發(fā)明其他實施 例中可形成多種其他的組合和結(jié)構(gòu)。
雖然本發(fā)明己以實施例公開如上，然而其并非用以限定本發(fā)明，任何本 領(lǐng)域普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作些許的更動與 潤飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視隨附的權(quán)利要求所界定的范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)光二極管裝置，包括一半導(dǎo)體基板，其具有位于一第一側(cè)的一含碳層；以及一發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，形成于該半導(dǎo)體基板的該第一側(cè)上。
2. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管裝置，還包括一過渡層，介于該含碳 層和該發(fā)光二極管裝置結(jié)構(gòu)之間。
3. 如權(quán)利要求2所述的發(fā)光二極管裝置，其中該過渡層包括一金屬或一金屬合金。
4. 如權(quán)利要求3所述的發(fā)光二極管裝置，其中該過渡層包括鋁、鈦、銀、 鈦-鋁或其組合。
5. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管裝置，其中該含碳層的厚度小于20jxm。
6. 如權(quán)利要求5所述的發(fā)光二極管裝置，其中該半導(dǎo)體基板為一塊狀硅 基板，其具有(lll)方向的一表面配向。
7. —種發(fā)光二極管裝置的制造方法，包括下列步驟 提供一基板；于該基板的一第一側(cè)形成一含碳層；以及 于該半導(dǎo)體基板的該第一側(cè)上方形成一發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)。
8. 如權(quán)利要求7所述的發(fā)光二極管裝置的制造方法，其中形成該含碳層 的步驟包括將碳原子注入該基板內(nèi)。
9. 如權(quán)利要求7所述的發(fā)光二極管裝置的制造方法，其中形成該含碳層 的步驟包括將碳原子擴(kuò)散進(jìn)入該基板內(nèi)。
10. 如權(quán)利要求7所述的發(fā)光二極管裝置的制造方法，其中形成該含碳 層的步驟至少一部分以外延工藝進(jìn)行。
11. 如權(quán)利要求7所述的發(fā)光二極管裝置的制造方法，其中形成該含碳 層的步驟包括形成厚度小于20 pm的一含碳層。
12. 如權(quán)利要求7所述的發(fā)光二極管裝置的制造方法，于形成該發(fā)光二 極管結(jié)構(gòu)之前還包括于該含碳層上形成一過渡層。
13. 如權(quán)利要求12所述的發(fā)光二極管裝置的制造方法，其中該過渡層包 括一金屬或一金屬合金。
14.如權(quán)利要求7所述的發(fā)光二極管裝置的制造方法，其中該基板具有 (lll)方向的一表面配向。
全文摘要
本發(fā)明提供一種發(fā)光二極管裝置及其制造方法。上述發(fā)光二極管裝置形成于一基板上，其具有一含碳層。于上述基板中導(dǎo)入碳原子以避免或降低其上的金屬/金屬合金過渡層的原子與上述基板的原子混合。上述方法使形成于其上的上述發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)能維持一結(jié)晶結(jié)構(gòu)。本發(fā)明提供一種避免和降低金屬原子和硅原子的混合的發(fā)光二極管裝置及其制造方法。
文檔編號H01L33/00GK101667614SQ20091016358
公開日2010年3月10日 申請日期2009年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月29日
發(fā)明者余佳霖, 余振華, 林宏遠(yuǎn), 邱文智, 陳鼎元 申請人:臺灣積體電路制造股份有限公司