以下以各实施例详细说明并伴随着附图说明的范例,作为本发明的参考 依据。在附图或
说明书描述中,相似或相同的部分皆使用相同的附图标记。 且在附图中,实施例的形状或是厚度可扩大,并以简化或是方便标示。再者, 附图中各元件的部分将以分别描述说明之,值得注意的是,图中未显示或描 述的元件,为本领域普通技术人员所知的形式,另外,特定的实施例仅为公 开本发明使用的特定方式,其并非用以限定本发明。
图1~图4为本发明实施例的发光二极管的制造方法的工艺流程图。请参 考图1,首先,提供一基板102。基板102可为一硅基板,且可为一导电基 板或一非导电基板。在一实施例中,可利用具有(111)方向的表面配向的导电 或非导电的块状硅半导体基板。可依据用以接触后续形成的发光二极管(以下 简称LED)结构的导电层的电性接触的导电类型使用导电基板或非导电基板。 举例来说,在背侧接触用于LED结构的较低接触层的电性接触的实施例中, 基板102可为导电基板或掺杂基板。在前侧接触用于提供LED结构的较低 接触层的电性接触的其他实施例中,可使用未掺杂的基板102。
值得注意的是,本发明实施例使用块状硅基板,然而,也可使用其他基 板。举例来说,绝缘层上覆硅(silicon on insulator,SOI)基板、蓝
宝石基板、 碳化硅(silicon carbide)基板、硅锗基板或其他类似的基板,也可使用导电基 板或非导电基板。然而,在本发明实施例中,可特别使用硅基板,因为其成 本较低且可降低形成于其上的LED结构中的残留应
力。另外,基板可具有 (111)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。
可对基板102进行一清洁工艺以移除污染物且使基板102的表面以便后 续工艺步骤进行。其中一种类型的清洁工艺为两步骤清洁工艺。可利用将基 板102浸泡于NH4OH/H2O2/H2O浴中约10分钟的方式进行第一清洁步骤以 移除微粒和有机污染物。再利用将基板102浸泡于HCl/H2O2/H2O浴中约10 分钟的方式进行第二清洁步骤以移除金属污染物。在其他实施例中,可选择 性地移除原生
氧化物,举例来说,可利用稀释的
氢氟酸(DHF)。也可使用其 他的清洁溶液、清洁时间或其他类似的工艺条件。另外,也可使用例如等离 子体灰化或其他类似工艺的其他清洁工艺。
图2是显示于基板102中形成一含碳层202。可以利用具有一含碳层的 硅基(silicon-based)基板作为LED装置的基板,以改善LED装置的品质、性 能和可靠度。特别的是,可以发现例如含碳层202的含碳层可以避免或降低 基板的硅原子和LED结构的金属原子混合(inter-mixing),因而改善第三族氮 化物晶体的品质。品质改善的上述第三族氮化物晶体可以改善LED装置的 性能和可靠度。在一实施例中,含碳层202沿着基板102的表面设置且延伸 进入基板的深度约小于20μm。除了碳原子,可选择性将例如硅、锗或类似 原子的其他原子导入基板内。
在一实施例中,可利用离子注入方式形成含碳层202。举例来说,可利 用剂量介于1E14至1E15atoms/cm2且
能量介于1至10KeV的工艺条件注入 碳原子以形成含碳层202。也可使用其他的工艺条件。
在另一实施例中,可利用扩散工艺形成含碳层202。在本实施例中,举 例来说,可在CH4流量介于10至500sccm、工艺
温度介于400至900℃、 工艺持续时间介于1至30分钟的工艺条件下,扩散碳原子以形成含碳层202。 也可使用例如外延工艺的其他工艺以形成含碳层202。
形成含碳层202之后,可进行一
退火工艺以活化碳原子,使碳原子与基 板102的硅原子键结。在一实施例中,可在工艺温度介于500至1000℃、工 艺持续时间介于1至30分钟的工艺条件下进行退火工艺。可于Ar、He、N2 的气体环境下,气体压力介于1至760torr之间的工艺条件下进行退火工艺。 在其他实施例中,可使用例如闪光退火(flash anneal)、激光退火(laser anneal)、 快速热退火(rapid thermal anneal)或其他类似的方式的其他退火工艺。
之后,如图3所示,于含碳层202上方形成一过渡层302。过渡层302 可为例如
铝、
钛、
银或类似元素的一金属,或例如钛-铝的一金属
合金。过渡 层302的厚度可介于1至100nm之间。
可以发现含碳层202的形成可以避免或降低其上的过渡层302的金属或 金属合金和基板的硅原子混合(inter-mixing)。由于可以避免或降低过渡层302 的金属或金属合金混合,可以维持外延成长的LED结构的三-五族层的较佳
晶体结构。结果,可得到具有较佳晶体品质的LED结构,因而可改善LED 结构的性能和可靠度。
图4是显示于过渡层302上方形成一LED结构402。在特殊应用的LED 结构402可包括任何适当的结构。在一实施例中,LED结构402包括一缓冲 /成核层410、一第一接触层412、一第一包覆层414、一有源层416、一第二 包覆层418和一第二接触层420。
可于形成过渡层302的步骤之后和形成LED结构402的步骤之前,选 择性进行另一退火工艺,以移除形成过渡层302时任何可能产生的污染物。 举例来说,可在工艺温度介于1000至1200℃、工艺持续时间介于1至30分 钟、N2、H2的气体环境下且气体压力介于1至760torr之间的工艺条件下, 于一金属有机物
化学气相沉积(MOCVD)反应室中进行退火工艺。在其他实施 例中,可使用例如闪光退火(flash anneal)、激光退火(laser anneal)、快速热退 火(rapid thermal anneal)或其他类似的方式的其他退火工艺。
形成于过渡层302上方的
缓冲层410可包括一层或多层的导电材料,且 可视为LED结构402的后续形成层的成核层。依据基板的类型且分别连接 第一和第二接触层412和420,第一接触层412和基板102之间需要一缓冲 层。举例来说,例如碳化硅和硅基板的一些类型的基板,可于碳化硅基板上 形成例如AlN或AlGaN的一缓冲层。
缓冲层410可包括第三族氮化物材料、金属氮化物、金属碳化物、金属 氮碳化物、纯金属、金属合金、含硅材料或类似的材料。可利用例如金属有 机物化学气相沉积法(MOCVD)、金属有机物化学
气相外延法(MOVPE)、等 离子体增强型化学气相沉积法(plasma-enhanced CVD)、遥控
等离子体化学气 相沉积法(RP-CVD)、分子束外延法(MBE)、氢化物气相外延法(HVPE)、液 相外延法(LPE)、氯化物气相外延法(Cl-VPE)或类似的方式形成缓冲层410。 举例来说,用以形成缓冲层410的材料可包括GaN、InN、AlN、InGaN、AlGaN、 AlInN、AlInGaN或其他类似的材料。如上所述,缓冲层410可包括例如以 交错方式堆叠多个AlN层和多个掺杂硅的GaN层的多层结构。可以p型或n 型掺质掺杂缓冲层410,或实质上不掺杂缓冲层410。使缓冲层410为p型、 n型或实质上为中性。
第一接触层412形成于缓冲层410上方。第一接触层412可为掺杂或未 掺杂的第三族氮化物(或其他第五族元素)。在一实施例中,第一接触层412 可为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)、金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)、氢化物气相外延法(HVPE)、
液相外延法(LPE)或其他类似工艺的外延成长工艺形成第一接触层412。上述 第三族氮化物材料可包括例如GaN、InN、AlN、InxGa(1-x)N、AlxIn(1-x)N、 AlxInyGa(1-x-y)N或其他类似的材料。也可使用包括取代氮化物的其他第五族元 素的其他材料。
第一包覆层414形成于第一接触层412上方。类似于第一接触层412, 第一包覆层414可为第三族氮化物(或其他第五族元素)。在一实施例中,第 一包覆层414可包括n型的第三族氮化物化合物(例如n-AlGaN)。第一包覆 层414的形成方式实质上可与第一接触层412的形成方式相同。
发光层416(有时可视为有源层)形成于第一包覆层414上方。发光层416 可包括
同质结(homojunction)、
异质结(heterojunction)、单一
量子阱 (single-quantum well(SQW))、多重量子阱(multiple-quantum well(MQW))或其 他类似的结构。在一实施例中,发光层416可包括未掺杂的n型InxGa(1-x)N。 在其他实施例中,发光层416可包括例如AlxInyGa(1-x-y)N的其他常用的材料。 在其他实施例中,发光层416可为包括多重阱层(例如InGaN)和阻障层(例如 GaN)交错排列的多重量子阱结构。再者,发光层416的形成方式可包括金属 有机物化学气相沉积法(MOCVD)、分子束外延法(MBE)、氢化物气相外延法 (HVPE)、液相外延法(LPE)或其他适当的CVD方式。发光层416的总厚度约 介于5nm至200nm之间。
第二包覆层418形成于发光层416上方。在一实施例中,除了第二包覆 层418掺杂的导电类型与第一包覆层414相反之外,例如为p型,第二包覆 层418所包括的材质类似于第一包覆层414的材质,例如AlGaN。第二包覆 层418的形成方式实质上可与第一包覆层414的形成方式相同。
第二接触层420形成于第二包覆层418上方。第二接触层420和第一接 触层412的材质可以相同或不同,且可使用与第一接触层412类似的形成方 式形成第二接触层420。第二接触层420的导电类型与第一接触层412相反。
值得注意的是,上述附图中的实施例是以p型朝上(p-side up)的LED结 构为实施例,其中例如第二包覆层418和第二接触层420的p型掺杂的第三 族氮化物材料位于LED结构的上表面。本领域普通技术人员当可了解,本 发明实施例也可有助于应用在n型朝上(n-side up)的LED结构。
此外,第一接触层412、第一包覆层414、第二包覆层418和第二接触 层420可为不同材料及/或掺杂p型或n型的材料的组合。值得注意的是,对 于较高和较低的接触层/包覆层的两者之一或两者而言,本发明实施例可仅使 用一层接触层或接触层。
之后,进行下述的工艺以形成本发明实施例的LED结构。举例来说, 可分别对第一接触层412和第二接触层420形成电性接触(前侧及/或后侧接 触)。然后,可形成保护层。之后,可切割和
包装LED结构。
值得注意的是,本发明实施例的LED结构可需要例如分布式布拉格反 射镜(distributed Bragg reflector)的其他层。上述分布式布拉格反射镜通常可包 括具有不同反射系数的多层结构,以反射LED结构发出的光,因而增加从 LED结构的顶部发出的光。上述分布式布拉格反射镜也可与一反射阻障层一 起使用,或以反射阻障层代替上述分布式布拉格反射镜。
也可依据使用材料的类型和应用改变本发明实施例的LED结构的构造。 可以预期的是,本发明实施例可使用多种类型的LED结构,本发明实施例 是于基板中提供凹陷,以使LED结构形成于其中。
在本发明一实施例中,可清洁具有(111)方向的表面配向的硅基板,且利 用离子注入方式将碳原子掺杂于硅基板中。可对上述基板进行退火工艺,以 活化碳原子,且使碳原子与硅原子键结。于上述碳原子层上方沉积包括铝的 过渡层,其厚度约为30nm。于形成LED结构之前,可将上述结构置于 MOCVD的反应室内,且于1000℃的温度下退火,以移除污染物。上述LED 结构可包括一阻障层,上述阻障层包括于约1300℃的温度下沉积厚度约3nm 的AlN层和厚度约6nm的掺杂硅的GaN层形成的交错层;一较低接触层, 上述较低接触层包括厚度约2μm的掺杂硅的GaN层;一较低包覆层,上述 较低包覆层包括厚度约20nm的掺杂硅的Al015Ga0.85N层;一有源层,上述 有源层包括厚度约60nm的In0.15Ga0.85N/GaN MQW层;一较高包覆层,上 述较高包覆层包括厚度约30nm的掺杂镁的Al015Ga0.85N层;厚度约0.1μm 的一掺杂镁的GaN层;以及一较高接触层,上述较高接触层包括厚度约2nm 的掺杂镁的In0.15Ga0.85N/GaN超晶格(superlattice)接触层。
在前述的本发明另一实施例中,可清洁具有(111)方向的表面配向的硅基 板,且利用扩散方式将碳原子掺杂于硅基板中。可对上述基板进行退火工艺, 以活化碳原子,且使碳原子与硅原子键结。于上述碳原子层上方沉积包括铝 的过渡层,其厚度约为10nm。于形成LED结构之前,可将上述结构置于 MOCVD的反应室内,且于1000℃的温度下退火,以移除污染物。上述LED 结构可包括一阻障层,上述阻障层包括于低温(例如约550℃)成长的厚度约 30nm的AlN层;一较低接触层,上述较低接触层包括厚度约3μm的掺杂 硅的GaN层;一较低包覆层,上述较低包覆层包括厚度约20nm的掺杂硅的 Al015Ga0.85N层;一有源层,上述有源层包括厚度约80nm的In0.1Ga0.9N/GaN MQW层;一较高包覆层,上述较高包覆层包括厚度约30nm的掺杂镁的 Al015Ga0.85N层;以及一较高接触层,上述较高接触层包括厚度约0.3μm的 掺杂镁的GaN层。
值得注意的是,上述提供的实施例仅作为列示之用,在本发明其他实施 例中可形成多种其他的组合和结构。
虽然本发明已以实施例公开如上,然而其并非用以限定本发明,任何本 领域普通技术人员,在不脱离本发明的精神和范围内,当可作些许的更动与 润饰,因此本发明的保护范围当视随附的
权利要求所界定的范围为准。