TWI499078B - 元件基板、元件基板的製造方法、光電裝置及其製造方法 - Google Patents

Description

元件基板、元件基板的製造方法、光電裝置及其製造 方法

本申請案是有關於一種基板及其製造方法與一種半導體裝置及其製造方法，且特別是有關於一種元件基板及其製造方法與一種光電裝置及其製造方法。

近年來發光二極體(LED)廣泛的被應用在市場上，例如以氮化鎵(GaN)製成的藍光與黃色螢光粉組合可以獲得白光，不只是在亮度上或用電量方面皆比之前的傳統泡光源亮且省電，可以大幅降低用電量。此外，發光二極體具有反應速度快、體積小、低污染、高可靠度、適合量產等優點。

從紅光、綠光、藍光到紫外光的發光二極體，在目前市面上主要的產品大多數的是由氮化鎵系列的化合物為主，但由於氮化鎵基板過於昂貴且不普遍，因此於製造前述之氮化鎵發光二極體時多使用氧化鋁(sapphire)基板。然而氧化鋁基板本身與氮化鎵的晶格常數(lattice constant)、熱澎脹係數及化學性質的具有一定程度的差異，所以於異質基板(例如是矽基板、碳化矽基板或是氧化鋁基板)上成長之氮化鎵層會有許多的線缺陷、錯位，且這些錯位會隨著成長的氮化鎵層之厚度增加而延伸，也就是形成穿透錯位。這些穿透錯位的情形將會嚴重影響到氮化鎵層中的電性傳遞效果，進而導致光電裝置的表現效率不佳。因此， 如何使元件基板具有良好的元件成長基礎以減少穿透錯位的情形發生，實為此領域之技術人員亟欲解決之問題。

本申請案提供一種元件基板的製造方法，以使元件基板可以提供適當的元件成長基礎。

本申請案提供一種元件基板，其可以提供適當的元件成長基礎。

本申請案提供一種光電裝置的製造方法，以使光電裝置具有良好的電性表現。

本申請案提供一種光電裝置，其具有良好的電性表現。

本申請案提出一種元件基板的製造方法，其包括下列步驟。首先，對一基板之一成長表面進行一表面處理(surface treatment)，以於基板中形成一非晶型淺接面區(amorphous shallow junction region)，其中非晶型淺接面區由成長表面延伸至基板之內部。接著，在溫度低於攝氏800度的條件下，於非晶型淺接面區上形成一氮化物晶核層(nitride nucleation layer)。

本申請案提出一種元件基板，其包括一基板以及一氮化物晶核層。基板具有一非晶型淺接面區，其中非晶型淺接面區由基板之一成長表面延伸至基板之內部。氮化物晶核層位於非晶型淺接面區上。

本申請案提出一種光電裝置的製造方法，其包括下列 步驟。首先，對一基板之一成長表面進行一表面處理，以於基板中形成一非晶型淺接面區，其中非晶型淺接面區由成長表面延伸至基板之內部。接著，在溫度低於攝氏800度的條件下，於非晶型淺接面區上形成一氮化物晶核層。之後，於氮化物晶核層上形成一光電元件層。

本申請案另提出一種光電裝置，其包括一基板、一氮化物晶核層以及一光電元件層。基板具有一非晶型淺接面區，其中非晶型淺接面區由基板之一成長表面延伸至基板之內部。氮化物晶核層位於非晶型淺接面區上。光電元件層位於氮化物晶核層上。

基於上述，本申請案在基板內形成由成長表面延伸至內部的非晶型淺接面區，並在非晶型淺接面區上形成氮化物晶核層，此氮化物晶核層可以使元件基板具有良好的元件成長基礎，進而減少光電元件層中的錯位密度，以改善光電裝置的電性表現。

為讓本申請案之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1至圖5為本發明一實施例之光電裝置的製造流程示意圖。請參考圖1，首先，選擇性地於一基板110之一成長表面112上形成一阻障層(stop layer)120，其中阻障層120的材質可為氧化物，其例如是氧化矽(SiO₂ )。阻障層120的厚度例如為900Å。在本實施例中，基板110的材質 為氧化鋁(Al₂ O₃ )，即，基板110中的鋁元素之含量為氧元素之含量的約2/3倍。

接著請參考圖2，對基板110進行表面處理S，以使基板110具有一非晶型淺接面區114。具體而言，上述之表面處理S例如是對基板110進行離子佈植(ion implantation)以使多個改質元素130植入阻障層120內以及部分基板110內，其中基板110內具有改質元素130的區域可形成非晶型淺接面區114。改質元素130例如是氬元素(Ar)，且改質元素130的含量例如是大於10¹⁵ cm^-3 。

在本實施例中，非晶型淺接面區114例如是由基板110之成長表面112延伸至基板110的內部。換言之，非晶型淺接面區114由基板110的成長表面112沿著厚度方向延伸，並且具有一深度D。在本實施例中，非晶型淺接面區114的深度D例如是小於1微米。

值得一提的是，上述表面處理S例如是對基板110之成長表面112進行全面性地離子佈植，以使基板110之成長表面112被改質，此時，基板110之成長表面112會全面性地被改質為非晶型淺接面區114。

接著請參考圖3，移除阻障層120，以暴露出非晶型淺接面區114的一粗糙表面116。換言之，透過上述離子佈植，部分的改質元素130會植入於基板110中以形成非晶型淺接面區114，以使原本平整的成長表面112被粗糙化為粗糙表面116。另外，部分的改質元素130會停留基板110的成長表面112上以使非晶型淺接面區114具有粗 糙表面116，其中粗糙表面116的粗糙度(Ra)例如是平均大於0.3奈米。

承上述，基板110在進行離子佈植之後，改質元素130的植入將影響位於晶型淺接面區114的基板110的鋁元素之含量與氧元素之含量的平均比例。在本實施例中，基板110在進行離子佈植之後，位於非晶型淺接面區114的鋁元素之含量為氧元素之含量的x倍，且x例如是大於2/3。意即，鋁元素之含量比例會增加。換言之，本實施例可透過改變位於晶型淺接面區114的基板110的鋁元素之含量與氧元素之含量的平均比例，以調整位於晶型淺接面區114的基板110的表面特性，如化學性質、晶格係數或其他所欲調整之表面特性等。

須說明的是，本實施例是以基板110為氧化鋁為例，然而，本發明不限於此。在其他實施例中，基板110的材質也可以是矽、碳化矽、藍寶石、氮化鎵、氮化鋁、玻璃、石英、氧化鋅、氧化鎂或氧化鋰鎵。此外，本實施例是透過氬元素作為改質元素130來對基板110進行離子佈植，然而，本發明不限於此。在其他實施例中，改質元素130也可以是鋁、銦、鎵、鉿、鋯、鈦、鉻、鈧、砷、磷、矽、硼、氫、碳、氮、氧、氬或前述元素之任意組合。換言之，設計者可依基板110的材質不同而選擇不同的改質元素130來進行離子佈植，進而調整基板110的表面特性。

再者，本實施例是透過離子佈植來進行表面處理S以使基板110具有非晶型淺接面區114，然而，本發明不限 於此。在其他實施例中，表面處理S也可以是熱擴散、電漿處理、化學蝕刻或雷射照射。換言之，只要是能夠使基板110表面粗糙化的處理程序都可作為本發明之表面處理S。

再來，請參考圖4，在溫度低於攝氏800度的條件下，於非晶型淺接面區114上形成一氮化物晶核層140，其中氮化物晶核層140的厚度介於10奈米至100奈米。氮化物晶核層140的材質例如是氮化鋁(AlN)、氮化鎵(GaN)、氮化硼(BN)、氮化鉿(HfN)、氮化鉻(CrN)、氮化鈦(TiN)、氮化鋯(ZrN)及氮化鈧(ScN)。在本實施例中，氮化物晶核層140的材質較佳是氮化鋁(AlN)。

具體而言，在溫度約為攝氏500度的條件下，氮化鋁可於非晶型淺接面區114的粗糙表面116上結晶，以形成氮化物晶核層140。此外，由於非晶型淺接面區114具有全面性的粗糙表面116，因此氮化物晶核層140例如是全面性地位於非晶型淺接面區114的粗糙表面116上。另外，由於位於非晶型淺接面區114的基板110的鋁元素之含量增加，因此，相較於原本未經表面處理S的基板110的成長表面112，改質後的非晶型淺接面區114的粗糙表面116更適合氮化物晶核層140的成長。

至此，已初步完成光電裝置10中的元件基板100。接著，以下將說明於元件基板100上形成一光電元件層200的製造流程。

請參考圖5，於元件基板100的氮化物晶核層140上 形成光電元件層250。光電元件層250例如是發光二極體元件層，其包括一緩衝半導體層210、一第一型摻雜半導體層220、一主動層230、一第二型摻雜半導體層240、一第一電極層250以及一第二電極層260。

緩衝半導體層210位於氮化物晶核層140上。第一型摻雜半導體層220位於緩衝半導體層210上。主動層230位於第一型摻雜半導體層220上。第二型摻雜半導體層240位於主動層230上。第一電極層250位於第二型摻雜半導體層240上，且第一電極層250可包括一金屬電極層250a以及一透明電極層250b。第二電極層260位於第一型摻雜半導體層220上，且主動層230、第二型摻雜半導體層240以及第一電極層250暴露出第二電極層260。有關發光二極體元件層的結構以及各構件之材料，應為此領域技術人員所熟知之技術內容，於此不再贅述。

在本實施例中，第一型摻雜半導體層220的材質例如為含五族元素的氮化鎵，第二型摻雜半導體層240的材質例如為含三族元素的氮化鎵。換言之，第一型摻雜半導體層220例如是n型摻雜半導體層，第二型摻雜半導體層220例如是p型摻雜半導體層。當然，本發明不限於此。在其他實施例中，第一型摻雜半導體層220可以是p型摻雜半導體層，第二型摻雜半導體層220可以是n型摻雜半導體層。

在本實施例中，緩衝半導體層210的材質例如為未摻雜的氮化鎵，氮化物晶核層140的材質例如為氮化鋁。當 緩衝半導體層210形成於氮化物晶核層140上時，由於氮化物晶核層140與緩衝半導體層210的性質相近，因此氮化物晶核層140有助於緩衝半導體層210的成長，進而減少穿透錯位的情形發生。換言之，元件基板100可透過氮化物晶核層140提供良好的光電元件層200的成長基礎，因此可以進一步使光電裝置10具有良好的電性表現。

在本實施例中，是以光電元件層250是發光二極體元件層為例說明，但本發明不限於此。在其他實施例中，光電元件層250也可以是太陽能電池元件層或是其他具有氮化物半導體材料層的光電元件層。

實驗例

以下將以實例1以及對照例1來說明元件基板對成長氮化鎵層的影響。詳細而言，實例1是對氧化鋁基板進行離子佈植形成非晶型淺接面區後，再於非晶型淺接面區上以成長溫約攝氏500度形成氮化鎵晶核層，接著，再以成長溫約攝氏1000度於元件基板上成長氮化鎵層。對照例1則是直接於未經表面處理的元件基板上成長氮化鎵層。表一為實例1之元件基板的離子佈植的參數。圖6為實例1與對照例1之元件基板的X-ray吸收繞射光譜圖。

如圖6所示，實例1的半高寬值(full width at half maximum)約為480弧度秒(arcsec)，對照例1的半高寬值約為565弧度秒(arcsec)。由此可知，實例1的氮化鎵層的結晶品質優於對照例1的氮化鎵層的結晶品質。換言之，透過本申請案之元件基板的製造方法所製得的元件基板，確實可以提供氮化鎵層良好的成長基礎。

發光二極體的評價

實例2、實例3以及實例4之發光二極體的結構如圖5所示。對照例2、對照例3以及對照例4的結構與實例2相似，其不同之處在於對照例2、對照例3以及對照例4是直接於未經表面處理的氧化鋁基板上製作發光二極體元件層。圖7為實例2、實例3以及實例4之發光二極體的漏電流測試結果。圖8為對照例2、對照例3以及對照例4之發光二極體元件的漏電流測試結果。由圖7以及圖8可知，於電壓為-20伏特(V)時，實例2、實例3以及實例4之發光二極體的漏電流明顯比對照例2、對照例3以及對照例4之發光二極體的漏電流小。換言之，對照例2、對照例3以及對照例4之發光二極體元件確實具有較佳的電性表現。

綜上所述，本申請案之元件基板是在基板內形成全面性非晶型淺接面區，並於非晶型淺接面區上形成氮化物晶核層。此氮化物晶核層可具有理想的表面特性，例如是與光電元件層中的緩衝半導體層的性質相近，因此可提供光 電元件層良好的元件成長基礎，進而減少光電元件層中的錯位密度，並藉以優化光電裝置的電性表現。

雖然本申請案已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本申請案，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本申請案之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本申請案之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧光電裝置

100‧‧‧元件基板

110‧‧‧基板

112‧‧‧成長表面

114‧‧‧非晶型淺接面區

116‧‧‧粗糙表面

120‧‧‧阻障層

130‧‧‧改質元素

140‧‧‧氮化物晶核層

200‧‧‧光電元件層

210‧‧‧緩衝半導體層

220‧‧‧第一型摻雜半導體層

230‧‧‧主動層

240‧‧‧第二型摻雜半導體層

250‧‧‧第一電極層

250a‧‧‧金屬電極層

250b‧‧‧透明電極層

260‧‧‧第二電極層

S‧‧‧表面處理

圖1至圖5為本發明一實施例之光電裝置的製造流程示意圖。

圖6為實例1與對照例1之元件基板的X-ray吸收繞射光譜圖。

圖7為實例2、實例3以及實例4之發光二極體的漏電流測試結果。

圖8為對照例2、對照例3以及對照例4之發光二極體元件的漏電流測試結果。

10‧‧‧光電裝置

100‧‧‧元件基板

110‧‧‧基板

114‧‧‧非晶型淺接面區

116‧‧‧粗糙表面

130‧‧‧改質元素

140‧‧‧氮化物晶核層

200‧‧‧光電元件層

210‧‧‧緩衝半導體層

220‧‧‧第一型摻雜半導體層

230‧‧‧主動層

240‧‧‧第二型摻雜半導體層

250‧‧‧第一電極層

250a‧‧‧金屬電極層

250b‧‧‧透明電極層

260‧‧‧第二電極層

Claims (35)

1. 一種元件基板的製造方法，包括：對一基板之一成長表面進行一表面處理，以於該基板中形成一非晶型淺接面區，該非晶型淺接面區由該成長表面延伸至該基板之內部；以及在溫度低於攝氏800度的條件下，於該非晶型淺接面區上形成一氮化物晶核層。
2. 如申請專利範圍第1項所述之元件基板的製造方法，其中該基板之材質為氧化鋁(Al₂ O₃ )，且位於該非晶型淺接面區的鋁元素之含量為氧元素之含量的x倍，且x大於2/3。
3. 如申請專利範圍第1項所述之元件基板的製造方法，其中該非晶型淺接面區的深度小於1微米。
4. 如申請專利範圍第1項所述之元件基板的製造方法，其中該非晶型淺接面區具有一粗糙表面，其中該粗糙表面的粗糙度大於0.3奈米。
5. 如申請專利範圍第1項所述之元件基板的製造方法，其中該氮化物晶核層的厚度介於10奈米至100奈米。
6. 如申請專利範圍第1項所述之元件基板的製造方法，其中該氮化物晶核層的材質包括氮化鋁(AlN)、氮化鎵(GaN)、氮化硼(BN)、氮化鉿(HfN)、氮化鈦(TiN)、氮化鉻(CrN)、氮化鋯(ZrN)及氮化鈧(ScN)。
7. 如申請專利範圍第1項所述之元件基板的製造方法，其中該表面處理包括離子佈植、熱擴散、電漿處理、 化學蝕刻或雷射照射。
8. 如申請專利範圍第1項所述之元件基板的製造方法，其中該表面處理包括：於該基板之該成長表面上形成一阻障層；進行一離子佈植，以將多個改質元素植入該基板內而形成該非晶型淺接面區；以及移除該阻障層。
9. 如申請專利範圍第8項所述之元件基板的製造方法，其中該些改質元素包括鋁、銦、鎵、鉿、鋯、鈦、鉻、鈧、砷、磷、矽、硼、氫、碳、氮、氧、氬或前述元素之任意組合。
10. 一種元件基板，包括：一基板，該基板具有一非晶型淺接面區，其中該非晶型淺接面區由該基板之一成長表面延伸至該基板之內部；以及一氮化物晶核層，位於該非晶型淺接面區上。
11. 如申請專利範圍第10項所述之元件基板，其中該基板之材質為氧化鋁(Al₂ O₃ )，且位於該非晶型淺接面區的鋁元素之含量為氧元素之含量的x倍，且x>2/3。
12. 如申請專利範圍第10項所述之元件基板，其中該非晶型淺接面區的深度小於1微米。
13. 如申請專利範圍第10項所述之元件基板，其中該非晶型淺接面區具有一粗糙表面，其中該粗糙表面的粗糙度大於0.3奈米。
14. 如申請專利範圍第10項所述之元件基板，其中該氮化物晶核層的厚度介於10奈米至100奈米。
15. 如申請專利範圍第10項所述之元件基板，其中該氮化物晶核層的材質包括氮化鋁(AlN)、氮化鎵(GaN)、氮化硼(BN)、氮化鉿(HfN)、氮化鉻(CrN)、氮化鈦(TiN)、氮化鋯(ZrN)及氮化鈧(ScN)。
16. 如申請專利範圍第10項所述之元件基板，其中該基板具有位於該非晶型淺接面區內之多個改質元素，該些改質元素的含量大於10¹⁵ cm^-3 。
17. 如申請專利範圍第16項所述之元件基板，其中該些改質元素包括鋁、銦、鎵、鉿、鋯、鈦、鉻、鈧、砷、磷、矽、硼、氫、碳、氮、氧、氬或前述元素之任意組合。
18. 一種光電裝置的製造方法，包括：對一基板之一成長表面進行一表面處理，以於該基板中形成一非晶型淺接面區，該非晶型淺接面區由該成長表面延伸至該基板之內部；在溫度低於攝氏800度的條件下，於該非晶型淺接面區上形成一氮化物晶核層；以及於該氮化物晶核層上形成一光電元件層。
19. 如申請專利範圍第18項所述之光電裝置的製造方法，其中該基板之材質為氧化鋁(Al₂ O₃ )，且位於該非晶型淺接面區的鋁元素之含量為氧元素之含量的x倍，且x大於2/3。
20. 如申請專利範圍第18項所述之光電裝置的製造 方法，其中該非晶型淺接面區的深度小於1微米。
21. 如申請專利範圍第18項所述之光電裝置的製造方法，其中該非晶型淺接面區具有一粗糙表面，其中該粗糙表面的粗糙度大於0.3奈米。
22. 如申請專利範圍第18項所述之光電裝置的製造方法，其中該氮化物晶核層的厚度介於10奈米至100奈米。
23. 如申請專利範圍第18項所述之光電裝置的製造方法，其中該氮化物晶核層的材質包括氮化鋁(AlN)、氮化鎵(GaN)、氮化硼(BN)、氮化鉻(CrN)、氮化鉿(HfN)、氮化鈦(TiN)、氮化鋯(ZrN)及氮化鈧(ScN)。
24. 如申請專利範圍第18項所述之光電裝置的製造方法，其中該表面處理包括離子佈植、熱擴散、電漿處理、化學蝕刻或雷射照射。
25. 如申請專利範圍第18項所述之光電裝置的製造方法，其中該表面處理包括：於該基板之該成長表面上形成一阻障層；進行一離子佈植，以使多個改質元素植入該基板內而形成該非晶型淺接面區；以及移除該阻障層。
26. 如申請專利範圍第25項所述之光電裝置的製造方法，其中該些改質元素包括鋁、銦、鎵、鉿、鋯、鈦、鉻、鈧、砷、磷、矽、硼、氫、碳、氮、氧、氬或前述元素之任意組合。
27. 一種光電裝置，包括： 一基板，該基板具有一非晶型淺接面區，其中該非晶型淺接面區由該基板之一成長表面延伸至該基板之內部；一氮化物晶核層，位於該非晶型淺接面區上；以及一光電元件層，位於該氮化物晶核層上。
28. 如申請專利範圍第27項所述之光電裝置，其中該基板之材質為氧化鋁(Al₂ O₃ )，且位於該非晶型淺接面區的鋁元素之含量為氧元素之含量的x倍，且x>2/3。
29. 如申請專利範圍第27項所述之光電裝置，其中該非晶型淺接面區的深度小於1微米。
30. 如申請專利範圍第27項所述之光電裝置，其中該非晶型淺接面區具有一粗糙表面，其中該粗糙表面的粗糙度大於0.3奈米。
31. 如申請專利範圍第27項所述之光電裝置，其中該氮化物晶核層的厚度介於10奈米至100奈米。
32. 如申請專利範圍第27項所述之光電裝置，其中該氮化物晶核層的材質包括氮化鋁、氮化鎵(GaN)、氮化硼(BN)、氮化鉿(HfN)、氮化鉻(CrN)、氮化鈦(TiN)、氮化鋯(ZrN)及氮化鈧(ScN)。
33. 如申請專利範圍第27項所述之光電裝置，其中該基板具有位於非晶型淺接面區內之多個改質元素，該些改質元素的含量大於10¹⁵ cm^-3 。
34. 如申請專利範圍第33項所述之光電裝置，其中該些改質元素包括鋁、銦、鎵、鉿、鋯、鈦、鉻、鈧、砷、磷、矽、硼、氫、碳、氮、氧、氬或前述元素之任意組合。
35. 如申請專利範圍第27項所述之光電裝置，其中該光電元件層包括發光二極體元件層。