专利名称：横向磊晶形成磊晶层的方法
技术领域：
本发明是有关于一种半导体发光元件(semiconductor light emittingdevice)，特别是有关于一种横向磊晶成长ELOG(epitaxial lateral overgrowth)形成半导体发光元件的磊晶层的方法。
背景技术：
发光元件是由各种不同材质层所构成，在磊晶(epitaxial)制作各层材质时，晶体结构中难免会有缺陷产生，进而对发光元件产生以下影响1、降低发光效率；2、降低电子活动率；3、增加掺杂离子扩散的途径；4、导致活性层的量子井中会有V型凹槽出现，而这些V型凹槽是差排的起源；5、增加起始反向偏压电流。
另外，若结晶不完整，而出现裂缝(crack)或空隙(gap)，则在裂缝或空隙上方不宜成长发光元件，因为在此区成长的发光元件的寿命将较短及发光效率低。因此，如何制作出结晶完美的磊晶层，是提升发光元件性能的一大课题。
另一方面，目前发光元件的发展中，GaN是非常重要的宽能隙(widebandgap)半导体材料，可以通过其发出绿光、蓝光到紫外线。但是因为块材(bulk)GaN的成长一直有困难，所以目前GaN大多成长在以蓝宝石(sapphire)GaP、InP、GaAs或SiC构成的基板上。由于这些基板皆与GaN的晶格常数(latticeconstant)不匹配，所以，直接成长在这些基板上的GaN品质不佳，因此，引用一缓冲层(buffer layer)于基板与GaN之间，该缓冲层又称晶核形成层(nucleation layer)，晶格常数与基板相近的缓冲层可以提供成核(nucleation)位置，以利于GaN成核及成长，以形成相同的晶体结构，以提升GaN的结晶度。因此，缓冲层品质的优劣对后续束缚层(cladding layer)与活性层(active layer)的磊晶有关键性的影响，也间接影响到发光元件的性质。其主要缺陷在于由于蓝宝石等基板价格昂贵，导致发光元件的成本一直高居不下。因此，找寻新的价格便宜的基底是目前急待解决的另一项重要课题。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种横向磊晶形成磊晶层的方法，达到降低磊晶层中差排缺陷的产生，形成完美晶体结构的目的。
本发明的第二目的是提供一种横向磊晶形成磊晶层的方法，将该磊晶层应用于发光元件，达到提高发光元件的发光效率和使用寿命的目的。
本发明的第三目的是提供一种横向磊晶形成磊晶层的方法，是以硅作为基板，达到降低发光元件的成本的目的。
本发明的第四目的是提供一种横向磊晶形成磊晶层的方法，引用磷化硼作为缓冲层，达到降低硅基底与磊晶层之间的晶格不匹配的目的。
本发明的目的是这样实现的一种横向磊晶形成磊晶层的方法，其特征之一是在硅基底与磊晶层之间采用磷化硼作为缓冲层，以降低硅基底与磊晶层之间的晶格不匹配的问题。
本发明的特征之二是采用材质例如为二氧化硅的图案化磊晶罩幕层，使磊晶层先于图案化磊晶罩幕层的两侧垂直成长，等到磊晶层厚度与图案化磊晶罩幕层厚度一致，便开始横向成长于图案化磊晶罩幕层上方。横向磊晶成长(ELOG)形成结晶完美，且具有低差排密度的磊晶层，以该区域的磊晶层制作发光元件，可大大提升元件特性。
本发明提出的一种横向磊晶形成磊晶层的方法，主要包括如下步骤
首先，提供一硅基底；接着，形成一磊晶罩幕层于硅基底表面。接着，图案化磊晶罩幕层，以形成多数视窗区于相邻图案化磊晶罩幕层之间，露出部分硅基底表面。然后，磊晶一磷化硼，先垂直磊晶磷化硼于视窗区内的硅基底表面，直到磷北硼的厚度大于图案化磊晶罩幕层的厚度，使横向磊晶磷化硼于图案化磊晶罩幕层上方。
磊晶罩幕层不仅可以形成于硅基底表面，用以使磷化硼缓冲层横向磊晶于其上方，磊晶罩幕层亦可以形成于磷化硼缓冲层表面，用以使一束缚层横向磊晶于其上方。另外，还可以形成于束缚层表面，用以使一活性层横向磊晶于其上方。
总而言之，本发明利用磊晶罩幕层，可使发光元件的各磊晶层经由横向磊晶形成于磊晶罩幕层上方，而横向磊晶所形成的磊晶层具有完美结晶，不易产生差排。
磊晶罩幕层的材质包括二氧化硅(SiO2)，其厚度约为1500-15000。磊晶罩幕层是利用一氢氟酸蚀刻以进行图案化。磊晶罩幕层两侧的磷化硼横向磊晶于磊晶罩幕层上方相接合，接合处形成一裂缝。
本发明更包括取下图案化磊晶罩幕层上方的磷化硼，沿裂缝可自然形成发光元件制作时的劈裂面。
下面结合较佳实施例和附图进一步说明。
图1-图5是本发明实施例1的横向磊晶制程的剖面示意图。
图6-图10是本发明实施例2的横向磊晶制程的剖面示意图。
图11-图15是本发明实施例3的横向磊晶制程的剖面示意图。
具体实施例方式
实施例1
参阅图1-图5所示，本发明的较佳实施例1的横向磊晶制程包括如下步骤参阅图1-图2所示，提供一硅基底100。接着，在硅基底100表面，例如{100}结晶面表面，形成一材质例如为二氧化硅的磊晶罩幕层102。磊晶罩幕层102的形成方法例如为热氧化法(thermal oxidize)S200，在含氧环境气氛、温度约1000℃之下，使硅基底100发生氧化反应，形成厚度约1500-15000的二氧化硅层102，如图2所示；参阅图3所示，例如以氢氟酸(HF)类的蚀刻剂移除部份二氧化硅磊晶罩幕层102，例如以等间隔去除特定面积的磊晶罩幕层102，以露出部分硅基底100表面，做为视窗区(window area)I。得到面积相等，且具相等间距的多数图案化磊晶罩幕层102a。相邻图案化磊晶罩幕层102a之间的视窗区面积约为50μm×4000μm。
参阅图4-图5，磊晶一磷化硼。先垂直磊晶磷化硼104a于视窗区I内的硅基底100表面，直到磷化硼104a的厚度大于图案化磊晶罩幕层102a的厚度，如图4所示。
接着，磷化硼104a开始横向磊晶成长于图案化磊晶罩幕层102a上方，位于同一图案化磊晶罩幕层102a两侧的磷化硼104a横向磊晶于磊晶罩幕层102a上方相接合后，继续成长至所需的厚度，以形成一横向磊晶磷化硼104b，且在接合处形成一裂缝106，如图5所示。
磷化硼104磊晶于硅基板100的较佳实施例是，先将反应室温度升高至温度约900-1180℃，保持约数分钟。接着，使反应室温度降至约300℃上下，再开始供应PCl3或PH3至反应室内部，经过约3分钟后，再进行第一次BCl3供应约40分钟。接着，先停止BCl3供应，于相同温度(约300℃)上下保持一段时间，例如5分钟，再将反应室温度升高至约1000℃上下。期间继续保持PCl3或PH3供应。然后，于温度约1000℃上下再进行第二次BCl3供应约60分钟。期间继续保持PCl3或PH3供应。接着，先停止供应PCl3或PH3与BCl3，再于温度约1000℃上下，经过一段时间，例如约10分钟，便完成BP缓冲层的形成，可将反应室温度降至室温后取出。BP缓冲层的形成过程中，始终持续供应H2气体至反应室内部。
在视窗区I所磊晶出的磷化硼104a具有相当高的差排密度，不适合用来制作发光元件。而在图案化磊晶罩幕层102a上方所磊晶出的磷化硼104b的晶体结构完整，几乎不会有差排产生，唯接合处具有裂缝106，因此，取下图案化磊晶罩幕层102a上方的磷化硼104b，沿裂缝106可自然形成发光元件制作时的劈裂面。如此一来，磊晶层的缺陷密度低，且以磷化硼材质作为硅基底100表面的缓冲层，又可降低后续磊晶层的晶格不匹配，将该磊晶层应用于发光元件，可提高发光元件的发光效率及使用寿命。
实施例2参阅图6-图10所示，本发明的较佳实施例2的横向磊晶制程包括如下步骤参阅图6所示，提供一硅基底200。接着，在硅基底200表面，例如{100}结晶面表面，形成一磷化硼(BP)缓冲层202于硅基底200表面。
磷化硼202磊晶于硅基板200的较佳实施例是。先将反应室温度升高至900-1180℃，保持数分钟。接着，使反应室温度降至约300℃上下，再开始供应PCl3或PH3至反应室内部，经过约3分钟后，再进行第一次BCl3供应，约40分钟，接着，先停止BCl3供应，于相同温度(约300℃)上下保持一段时间，例如5分钟，再将反应室温度升高至约1000℃上下，期间继续保持PCl3或PH3供应。然后，于温度1000℃上下再进行第二次BCl3供应约60分钟，期间继续保持PCl3或PH3供应。接着，先停止供应PCl3或PH3与BCl3，再于温度约1000℃上下，经过一段时间，例如约10分钟，便完成BP缓冲层202的形成，可将反应室温度降至室温后取出。BP缓冲层202的形成过程中，始终持续供应H2气体至反应室内部。
接着，参阅图7所示，可利用适当的化学气相沉积法(CVD)形成一磊晶罩幕层204于磷化硼缓冲层202表面，其材质可为二氧化硅，厚度约1500-15000。
接着，参阅图8所示，例如以氢氟酸类的蚀刻剂移除部份二氧化硅磊晶罩幕层204，例如以等间隔去除特定面积的磊晶罩幕层204，以露出部分磷化硼缓冲层202表面，做为视窗区(window area)II。得到面积相等，且具相等间距的多数图案化磊晶罩幕层204a。相邻图案化磊晶罩幕层204a之间的视窗区面积约为50μm×4000μm。
参阅图9-图10所示，然后，磊晶一束缚层206a、206b。方法是先垂直磊晶束缚层206a于视窗区II内的磷化硼缓冲层202表面，直到束缚层206a的厚度大于图案化磊晶罩幕层204a的厚度，如图9所示。
接着，束缚层206a开始横向磊晶成长于图案化磊晶罩幕层204a上方，位于同一图案化磊晶罩幕层204a两侧的束缚层206a横向磊晶于磊晶罩幕层204a上方相接合后，继续成长至所需的厚度，以形成一横向磊晶束缚层206b，且在接合处形成一裂缝208，如图10所示。
束缚层206a、206b的材质可以为Alxln1-xGayN1-y(＜x＜1，0＜y＜1＝或是AlxGa1-xNyP1-y(0＜x＜1，0＜y＜1)，例如氮化镓(GaN)、氮化铟镓(InGaN)、氮化铝镓(AlGaN)或磷氮化镓(GaNP)，且前驱物为甲基联胺系或是氨；以氮化镓(GaN)为例，其前驱物可包括一甲基联胺(monomethyl hydrazine；MMH)与三甲基镓(trimethyl galliun；TMG)，通过MOVPE法在磷化硼缓冲层202表面形成，可以降低与硅基底200的晶格不匹配，减少缺陷产生。
其中，以氮化镓束缚层206a，206b为例的磊晶方法如下所述首先，供应氢与氮气体，温度例如约为350-500℃下，开始供应MMH。再经过一段时间，例如3分钟后，开始进行第一次TMG供应，时间约为20分钟。接着，停止TMG供应，经过一段时间，例如5分钟，将反应室温度升高至约为800℃上下，期间保持MMH供应。接着，于相同温度(约800℃)上下进行第二次TMG供应，时间约为60分钟，期间保持MMH供应。最后，先停止MMH与TMG的供应，于相同温度(约800℃)上下保持一段时间，例如30分钟。再将温度降至室温，完成GaN磊晶，GaN磊晶期间持续供应氢与氮气体。
继续参阅图10所示，在视窗区II所磊晶出的束缚层206a具有相当高的差排密度，不适合用来制作发光元件，而在图案化磊晶罩幕层204a上方所磊晶出的束缚层206b的晶体结构完整，几乎不会有差排产生，唯接合处具有裂缝208，因此，取下图案化磊晶罩幕层204a上方的束缚层206b，沿裂缝208可自然形成发光元件制作时的劈裂面。如此一来，磊晶层的缺陷密度低，且以磷化硼材质作为硅基底200表面的缓冲层，又可降低束缚层与硅基底的晶格不匹配，将该些磊晶层应用于发光元件，可提高发光元件的发光效率及用寿命。
实施例3参阅图11-图15所示，本发明的较佳实施例3的横向磊晶制程包括如下步骤参阅图11所示，提供一硅基底300。接着，在硅基底300表面，例如{100}结晶面表面，形成一磷化硼(BP)缓冲层302于硅基底300表面。然后，形成一氮化镓束缚层304于磷化硼缓冲层302表面。
磷化硼缓冲层302磊晶于硅基板300的一较佳实施例是先将反应室温度升高至温度900-1180℃，保持数分钟。接着，使反应室温度降至约300℃上下，再开始供应PCl3或PH3至反应室内部，经过约3分钟后，再进行第一次BCl3供应约40分钟。接着，先停止BCl3供应，于相同温度(约300℃)上下保持一段时间，例如5分钟，再将反应室温度升高至约1000℃上下，期间继续保持PCl3或PH3供应。然后于温度约1000℃上下再进行第BCl3供应约60分钟，期间继续保持PCl3或PH3供应。接着，先停止供应PCl3或PH3及BCl3，再于温度约1000℃上下，经过一段时间，例如约10分钟，便完成BP缓冲层302的形成，可将反应室温度降至室温后取出。BP缓冲层302的形成过程中，始终持续供应氢气体至反应室内部。
束缚层304可以通过MOVPE法在磷化硼缓冲层302表面形成，以降低与硅基底300的晶格不匹配，减少缺陷产生。其中，氮化镓束缚层304磊晶于硅基板300的一较佳实施例如下首先，供应氢与氮气体，温度例如约为350-500℃下，开始供应MMH。再经过一段时间，例如3分钟后，开始进行第一次TMG供应，时间约为20分钟。接着，停止TMG供应，经过一段时间，例如5分钟，将反应室温度升高至温度约为800℃上下。期间保持MMH供应。接着，于相同温度(约800℃)上下进行第二次TMG供应，时间约为60分钟。期间保持MMH供应。最后，先停止MMH与TMG的供应，于相同温度(约800℃)上下保持一段时间例如30分钟。再将温度降至室温，完成GaN304磊晶，GaN304磊晶期间，持续供应氢与氮气体。
接着，参阅图12所示，利用适当的化学气相沉积法(CVD)形成一磊晶罩幕层306于氮化镓束缚层304表面，其材质可为二氧化硅，厚度约1500-15000。
参阅图13所示，例如以氢氟酸(HF)类的蚀刻剂移除部份二氧化硅磊晶罩幕层306，例如以等间隔去除特定面积的磊晶罩幕层306，以露出部分氮化镓束缚层304表面，做为视窗区(window area)III。得到面积相等，且具相等间距的多数图案化磊晶罩幕层306a。相邻图案化磊晶罩幕层306a之间的视窗区面积约为50μm×4000μm。
参阅图14-图15，磊晶一活性层308a、308b。先垂直磊晶活性层308a于视窗区III内的氮化镓束缚层304表面，直到活性层308a的厚度大于图案化磊晶罩幕层306a的厚度，如图14所示。
接着，活性层308a开始横向磊晶成长于图案化磊晶罩幕层306a上方，位于同一图案化磊晶罩幕层306a两侧的活性层308a横向磊晶于磊晶罩幕层306a上方相接合后，继续成长至所需的厚度，以形成一横向磊晶活性层308b，且在接合处形成一裂缝310，如图15所示。
继续参阅图15所示，在视窗区III所磊晶出的活性层308a具有相当高的差排密度，不适合用来制作发光元件。而在图案化磊晶罩幕层306a上方所磊晶出的活性层308b的晶体结构完整，几乎不会有差排产生，唯接合处具有裂缝310，因此，取下图案化磊晶罩幕层306a上方的活性层308b，沿裂缝310可自然形成发光元件制作时的劈裂面。此外，磊晶层的缺陷密度低，且以磷化硼材质作为硅基底300表面的缓冲层，又可降低束缚层与基板的晶格不匹配，将该磊晶层应用于发光元件，可提高发光元件的发光效率及使用寿命。
本发明虽以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明的范围，任何熟习此项技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，所做各种的更动与润饰，都属于本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种横向磊晶形成磊晶层的方法，其特征是它包括如下步骤(1)提供一硅基底；(2)形成一磊晶罩幕层于该硅基底表面；(3)图案化该磊晶罩幕层，以形成多数视窗区于相邻图案化磊晶罩幕层之间，露出部分硅基底表面；(4)磊晶一磷化硼，先垂直磊晶该磷化硼于该视窗区内的硅基底表面，直到该磷化硼的厚度大于该图案化磊晶罩幕层的厚度，使横向磊晶该磷化硼于图案化磊晶罩幕层上方。
2.根据权利要求1所述的横向磊晶形成磊晶层的方法，其特征是该磊晶罩幕层的材质包括二氧化硅。
3.根据权利要求1所述的横向磊晶形成磊晶层的方法，其特征是该磊晶罩幕层两侧的磷化硼横向磊晶于该磊晶罩幕层上方相接合，接合处形成一裂缝。
4.根据权利要求1所述的横向磊晶形成磊晶层的方法，其特征是它还包括取下该图案化磊晶罩幕层上方的磷化硼，沿该裂缝自然形成发光元件制作时的劈裂面。
5.一种横向磊晶形成磊晶层的方法，其特征是它包括如下步骤(1)提供一硅基底；(2)形成磷化硼缓冲层于该硅基底表面；(3)形成一磊晶罩幕层于该磷化硼缓冲层表面；(4)图案化该磊晶罩幕层，以形成多数视窗区于相邻图案化磊晶罩幕层之间，露出部分该磷化硼缓冲层表面；(5)磊晶一束缚层，先垂直磊晶该束缚层于该视窗区内的磷化硼表面，直到该束缚层的厚度大于该图案化磊晶罩幕层的厚度，使横向磊晶该束缚层于该图案化磊晶罩幕层上方。
6.根据权利要求5所述的横向磊晶形成磊晶层的方法，其特征是该磊晶罩幕层的材质包括二氧化硅。
7.根据权利要求5所述的横向磊晶形成磊晶层的方法，其特征是该磊晶罩幕层两侧的束缚层横向磊晶于该磊晶罩幕层上方相接合，接合处形成一裂缝。
8.根据权利要求7所述的横向磊晶形成磊晶层的方法，其特征是它还包括取下该图案化磊晶罩幕层上方的束缚层，沿该裂缝自然形成发光元件制作时的劈裂面。
9.一种横向磊晶形成磊晶层的方法，其特征是它包括如下步骤(1)提供一硅基底；(2)形成一磷化硼缓冲层于该硅基底表面；(3)形成一氮化镓束缚层于该磷化硼缓冲层表面；(4)形成一磊晶罩幕层于该氮化镓束缚层表面；(5)图案化该磊晶罩幕层，以形成多数视窗区于相邻图案化磊晶罩幕层之间，露出部分该氮化镓束缚层表面；(6)磊晶一活性层。先垂直磊晶该活性层于该视窗区内的氮化镓束缚层表面，直到该活性层的厚度大于该图案化磊晶罩幕层的厚度，使横向磊晶该活性层于该图案化磊晶罩幕层上方。
10.根据权利要求9所述的横向磊晶形成磊晶层的方法，其特征是该磊晶罩幕层的材质包括二氧化硅。
11.根据权利要求9所述的横向磊晶形成磊晶层的方法，其特征是该磊晶罩幕层两侧的活性层横向磊晶于该磊晶罩幕层上方相接合，接合处形成一裂缝。
12.根据权利要求9所述的横向磊晶形成磊晶层的方法，其特征是它还包括取下该图案化磊晶罩幕层上方的活性层，沿该裂缝自然形成发光元件制作时的劈裂面。
全文摘要
一种横向磊晶形成磊晶层的方法，包括提供一硅基底；形成一磊晶罩幕层于硅基底表面；图案化磊晶罩幕层，以形成多数视窗区于相邻图案化磊晶罩幕层之间，露出部分硅基底表面；磊晶一磷化硼，先垂直磊晶磷化硼于视窗区内，直到磷化硼的厚度大于图案化磊晶罩慕层的厚度，使横向磊晶磷化硼于图案化磊晶罩幕层上方。磊晶罩幕层不仅可以形成于硅基底表面，用以使磷化硼缓冲层横向磊晶于其上方，磊晶罩幕层亦可以形成于磷化硼缓冲层表面，使一束缚层横向磊晶于其上方，还可以形成于束缚层表面，用以使一活性层横向磊晶于其上方。具有提高发光元件的发光效率和使用寿命，降低发光元件的成本及使磊晶层的结晶完美，以降低差排缺陷密度的功效。
文档编号H01S5/00GK1501517SQ0214896
公开日2004年6月2日 申请日期2002年11月14日 优先权日2002年11月14日
发明者寺嶋一高, 章烱煜, 赖穆人, 寺 一高 申请人:威凯科技股份有限公司