專利名稱：發(fā)光二極體結構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明的未經(jīng)移除(remove)的原始主體結構為一種由利用磷化硼層(Boron monophosphide layer)作為緩沖層(buffr layer)的在晶面指數(shù)(Millerindices)為(100)面硅基底(Si(100)substrate)上磊晶成長四方晶格c-GaN元件(devices)的結構，尤指一種由有機金屬氣相磊晶(MOVPE)導入二輸入氣體BCl3及PH3作為磊晶或摻雜材料，而在一晶面指數(shù)(Miller indices)為(100)面硅基底上磊晶成長一晶格整齊且與該硅基底相近的磷化硼層(Boronmonophosphide layer)以作為晶格轉換的緩沖層(buffr layer)，進而再由該有機金屬氣相磊晶在該(100)硅基底(Si(100)substrate)上經(jīng)由該磷化硼層(亦稱作晶格轉換層)以作晶格常數(shù)轉換(lattices constant transfter)后磊晶成長一四方晶格c-GaN(cubic-GaN)發(fā)光或受光的GaN系列元件(devices)的發(fā)光二極體結構改良。
本發(fā)明移除結構是一種由一般光阻蝕刻法將前述晶面指數(shù)(Miller indices)為(100)的硅基底給予大部分蝕刻移除(remove)，并同時由該光阻蝕刻法將與該硅基底晶格相近的磷化硼層(Boron monophosphide layer)給予部分移除及將該元件(本發(fā)明的該元件具有第一束縛層、主動層及第二束縛層的三明治結構)作些微蝕刻移除，亦可以微機電制程方法于該移除結構凹陷處制成一微鏡片(Micro-lens)以作為發(fā)射光聚焦之用，而以多層膜蒸鍍法或氣相磊晶法于該LED發(fā)光元件的上方蒸鍍或磊晶制程成長一多層膜反射鏡面(reflecting mirror)以作為發(fā)射光反射之用，兩者選擇性排列組合使用，完成一種既可防止該硅基底吸收該LED發(fā)光元件的發(fā)射光，又可以該多層膜反射鏡面及該微鏡片反射聚焦該LED發(fā)光元件的發(fā)射光以大幅增進LED發(fā)光元件螢光效率的背向發(fā)光(backside emitting)結構。
背景技術：
一般已知的技術結構為在一晶格方向為(0001)面Al2O3基底上磊晶成長(Epitaxial growth)一未摻雜(undope)的緩沖層(buffer layer)，之后在該緩沖層上磊晶成長一元件(devices)，該元件為一由一P-type GaN層及一N-type GaN層包覆一層主動層(active layer)的六方晶格(Hexagonal lattices)GaN系列結構的元件，以上已知技術雖于目前廣為使用，但仍無法大量生產(chǎn)、制造成本太高及制程困難的缺點，甚者，由于硅基底(100)對該元件(devices)的發(fā)射光有吸光的作用，故亦有造成該元件發(fā)光效率不佳的缺點。

發(fā)明內容
本發(fā)明未移除的原始主體結構的目的在于制程中采用一種利用磷化硼層(Boron monophosphide layer)作為緩沖層(buffer layer)以可將晶格轉換(lattices transfer)成四方晶格c-GaN(cubic GaN)系列元件(devices)結構的技術，此外亦采用較便宜的硅晶圓作為基底結構，使整體制程功效(performance)改善，以達到大量生產(chǎn)及降低成本的目的，再者，本發(fā)明背向發(fā)光(backsideemitting)結構由一般已知光阻蝕刻法將硅基底大部分移除，該磷化硼層部分移除及將該元件稍微移除，亦可以微機電制程方法制成一微鏡片(Micro-lens)，并于該元件上方蒸鍍或磊晶一多層膜反射鏡面，兩者可依需求作選擇性排列組合使用，進而防止硅基底吸光及反射聚焦該元件發(fā)射光以達到大幅增加該元件發(fā)光效率的目的。
一種利用磷化硼層為緩沖層的在晶面密勒指數(shù)(Miller indices)(100)的硅基底Si(100)上磊晶成長c-GaN元件的移除結構，包括硅基底，該硅基底是為N-type或P-type導電型或semi-insulator的基底結構；磷化硼層(Boronmonophosphide layer)，該磷化硼層為一與該硅基底具有相同N-type或P-type導電型或undope-type Semi-insulator并以一氣相磊晶法控制二輸入氣體源(sources gas)以決定是P-type(Group III-rich)或N-type(Group V-rich)導電型或undope-type的緩沖層(buffer layer)磊晶結構；以及包括第一束縛層、主動層及第二束縛層的元件(devices)，該元件為由該磷化硼層為緩沖層(Buffer layer)來磊晶成長一四方晶格GaN(cubic-GaN)的GaN系列的三明治結構。其特征在于由一蝕刻法(etching)將該(100)硅基底(Si(100)substrate)大部分蝕刻移除，并同時由該蝕刻法將該磷化硼層(Boron monophosphide layer)給予部分蝕刻移除及將該元件(devices)給予稍微蝕刻移除以防止吸收發(fā)射光，亦可以選擇性排列組合使用光聚焦裝置及光反射裝置來完成一種既可防止該硅基底吸收該元件的發(fā)射光，并同時又可以該光反射裝置及該光聚焦裝置來反射及聚焦該元件發(fā)射光的背向發(fā)光結構。
優(yōu)選其中，該硅基底的晶面的密勒指數(shù)(Miller indices)為(100)，即是硅基底Si(100)substrate。
優(yōu)選其中該硅基底為N-type或P-type導電型半導體或無摻雜(Semi-insulator)的基底。
優(yōu)選其中該磷化硼層為一層可用來轉換晶格常數(shù)(lattices constant)的晶格轉換層(lattices transfer layer)。
優(yōu)選其中該氣相磊晶法可為有機金屬氣相磊晶法(MOVPE)。
優(yōu)選其中該二輸入氣體源(gas sources)可為提供III族磊晶材料或摻雜物(dopant)硼原子的三氯化硼氣體(BCL3)及提供V族磊晶材料或摻雜物(dopant)磷原子的磷酸氣體(PH3)。
優(yōu)選其中，若是該磷化硼層于該硅基底上磊晶成長時該III族摻雜物(dopant)硼原子較多的狀態(tài)(Boronrich)則該磷化硼層為P-type導電型，而若是V族摻雜物磷原子較多的狀態(tài)(Phosphorous-rich)則該磷化硼層為N-type導電型。
優(yōu)選其中該磷化硼層的磊晶溫度為800℃～1000℃。
優(yōu)選其中該磷化硼層的材質結構可為BPxN1-x(0≤x≤1)。
優(yōu)選其中該緩沖層亦可為在該硅基底上磊晶成長的三元(ternary material)磊晶層，該層BPxN1-x(0≤x≤1)的晶格傾向與該磷化硼層一樣。
優(yōu)選其中該元件的結構為一層第二束縛層(P-type GaN layer)及一層第一束縛層(N-type GaN layer)包覆一層主動層(active layer)形成的發(fā)光或受光元件的三明治結構。
優(yōu)選其中該元件結構的主動層(active layer)可為同質結構(homostructure)，異質結構(heterostructure)，雙異質結構(double-heterostructure)，量子井結構(Quantum well structure)及多重量子井結構(Muti-Quantum well structure)。
優(yōu)選其中該元件為以BPxN1-x(0≤x≤1)為緩沖層而磊晶成長的InyGa1-yN系列結構(0≤y≤1)。
優(yōu)選其中該蝕刻法(etching)為將該硅基底沉積一層光阻(photo-resist)后浸入一蝕刻溶液中給予蝕刻的方法。
優(yōu)選其中，該光聚焦裝置可為一微鏡片(Micro-lens)，該微鏡片是用來將該光反射裝置反射光及該元件發(fā)射光聚焦的凸透鏡。
優(yōu)選其中該光反射裝置可為一多層膜反射鏡面，該多層膜反射鏡面用來將該元件的發(fā)射光反射的蒸鍍層或磊晶層。
優(yōu)選該微鏡片及該多層膜反射鏡面可依需求作選擇性排列組合使用。
優(yōu)選該多層膜反射鏡面由一多層膜蒸鍍法或一氣相磊晶法所蒸鍍或磊晶成長的元件(devices)發(fā)射光的反射鏡面，而該多層膜反射鏡面(reflectingmirror)為DBR層(Distributed Bragg Reflection layer)。
優(yōu)選其中該多層膜蒸鍍法可為E-gun多層膜蒸鍍法。
優(yōu)選其中該氣相磊晶法可為電漿增強化學氣相磊晶法(PECVD)或有機金屬化學氣相磊晶法(MOCVD)。
具體實施例方式
圖1為已知結構1，由圖中可了解本發(fā)明的已知制程技術結構，其以在一晶格方向為(0001)面的Al2O3基底115上磊晶成長(Epitaxial growth)一未經(jīng)雜質摻雜(undope impurity)低溫成長GaN的緩沖層(buffer layer)114，之后，在該緩沖層114上磊晶成長一元件(devices)11，該元件11為由P-type GaN層111及N-type GaN層113包覆一層主動層(active layer)112的六方晶格GaN系列元件結構。
圖2為本發(fā)明結構(實施例1)2，由圖中可了解本發(fā)明優(yōu)選實施例1的制程技術結構，本實施例首先在晶面指數(shù)為(100)面的硅基底(Si(100)substrate)215上以磊晶成長溫度范圍為800℃～1000℃輸入BCl3及PH3的氣體源(gas sources)，由有機金屬氣相磊晶(MOVPE)以磊晶成長(Epitaxial growth)一磷化硼層(Boron monophosphide layer，該磷化硼層214亦稱晶格轉換層，該磷化硼層的材料結構式亦可為BPxN1-x，0≤x≤1)214，作為本發(fā)明結構2的緩沖層(buffer layer)；該磷化硼層214由Boron(硼原子)或Phosphorous(磷原子)的多少來決定該磷化硼層214的導電類型(conductivifytype)為P-type或N-ytpe抑或為undope-type，由于為避免該磷化硼層214與該硅基底215的界面間產(chǎn)生空乏區(qū)而導致電不良，因此該磷化硼層214的導電類型(conductivity type)與該硅基底215的導電類型必須一致；之后，再由有機金屬氣相磊晶(MOVPE)在Si(100)硅基底上并經(jīng)該磷化硼層214的晶格常數(shù)轉換后以磊晶成長一四方晶格GaN系列(cubic-GaN)的元件(devices)21結構，該元件21主要由一層第二束縛層(P-type GaN layer)211及一層第一束縛層(N-type GaN layer)213包覆一層主動層(active layer，該主動層的材料結構式可為InyGa1-yN系列結構，0≤y≤1)212的四方晶格GaN系列的發(fā)光或受光元件的三明治結構，之后，再由一般已知的光阻蝕刻法將晶面指數(shù)為(100)的硅基底(Si(100)substrate)215給予大部分蝕刻移除，并同時由該光阻蝕刻法將與該硅基底215晶格相近的該磷化硼層(Boron monophosphide layer)214給予部分移除及將該元件21作些微蝕刻移除所完成的一種可防止該硅基底215吸收該元件21發(fā)射光以增加該元件21發(fā)光效率的背向發(fā)光結構。
圖3為本發(fā)明結構(實施例2)3，由圖中可了解本發(fā)明優(yōu)選實施例2的制程技術結構，本具體實施例2的主體結構如圖1所示的實施例1，以該實施例1為基礎，由一般已知的光阻蝕刻法將晶面指數(shù)(100)的硅基底(Si(100)substrate)315給予大部分蝕刻移除，并同時由該光阻蝕刻法將與該硅基底315晶格相近的該磷化硼層(Boron monophosphide layer)314給予部分移除及將該元件31作些微蝕刻移除后以多層膜蒸鍍法或氣相磊晶法在該元件31上方蒸鍍或磊晶一多層膜反射鏡面(reflecting mirror)316所完成的一種可防止該硅基底315吸收該元件31發(fā)射光，同時又可以該多層膜反射鏡面316反射該元件31發(fā)射光以增加該元件31發(fā)光效率的背向發(fā)光結構。(該元件31主要由一層第二束縛層(P-type GaN layer)311及一層第一束縛層(N-type GaNlayer)313包覆一層主動層(active layer，該主動層的材料結構式可為InyGa1-yN系列結構，0≤y≤1)312的四方晶格GaN系列的發(fā)光或受光元件的三明治結構)。
圖4為本發(fā)明結構(實施例3)4，由圖中可了解本發(fā)明優(yōu)選實施例3的制程技術結構，本具體實施例3的主體結構如圖1所述的實施例1，以該實施例1為基礎，由一般已知的光阻蝕刻法將晶面指數(shù)(100)的硅基底(Si(100)substrate)415給予大部分蝕刻移除，并同時由該光阻蝕刻法將與該硅基底415晶格相近的該磷化硼層(Boron monophosphide layer)414給予部分移除及將該元件41作些微蝕刻移除，之后再以微機電制程方法于該移除結構凹陷處制成一微鏡片(Micro-lens)417，完成一種可防止該硅基底415吸收該元件41發(fā)射光，同時又可以該微鏡片417聚焦該元件41發(fā)射光以增加該元件41發(fā)光效率的背向發(fā)光結構。(該元件41)由一層第二束縛層(P-type GaNlayer)411及一層第一束縛層(N-type GaN layer)413包覆一層主動層(activelayer，該主動層的材料結構式可為InyGa1-yN系列結構，0≤y≤1)412的四方晶格GaN系列的發(fā)光或受光元件的三明治結構)。
圖5為本發(fā)明結構(實施例4)5，由圖中可了解本發(fā)明優(yōu)選實施例4的制程技術結構，由一般已知的光阻蝕刻法將晶面指數(shù)為(100)的硅基底(Si(100)substrate)515給予大部分蝕刻移除，并同時由該光阻蝕刻法將與該硅基底515晶格相近的該磷化硼層(Boron monophosphide layer)514給予部分移除及將該元件51作些微蝕刻移除后以微機電制程方法于該移除結構凹陷處制成一微鏡片(Micro-lens)517，并以多層膜蒸鍍法或氣相磊晶法在該元件51上方蒸鍍或磊晶成長一多層膜反射鏡面(reflecting mirror)516，完成一種既可防止該硅基底515吸收該元件51發(fā)射光，同時又可由該多層膜反射鏡面516及該微鏡片517反射聚焦該元件51發(fā)射光以增加該元件51發(fā)光效率的背向發(fā)光結構。(該元件51由一層第二束縛層(P-type GaN layer)511及一層第一束縛層(N-type GaN layer)513包覆一層主動層(acttve layer，該主動層的材料結構式可為InyGa1-yN系列結構，0≤y≤1)512的四方晶格GaN系列的發(fā)光或受光元件的三明治結構)。
綜合以上說明，可知本說明的利用磷化硼層為緩沖層的在晶面指數(shù)(Miller indices)(100)硅基底(Si(100)substrate)上磊晶成長c-GaN元件的背向發(fā)光結構的發(fā)光二極體結構改良，不但具有其優(yōu)越增進功效，且亦已達可具體實施的程度，從未先見于國內外出版物或已公開使用，由于本發(fā)明具有制程簡化、大量生產(chǎn)以降低制造成本及大幅增加發(fā)光元件發(fā)光效率的優(yōu)點。
圖式符號說明1已知結構11元件(devices)111P-type GaN層(P-type GaN layer)112主動層(Active layer)113N-type GaN層(N-type GaN layer)114緩沖層(Buffer layer)115Al2O3基底2本發(fā)明結構(實施例1)
21元件(devices)211第二束縛層(P-type GaN layer)212主動層(Active layer)213第一束縛層(N-type GaN layer)214磷化硼層(Boron monophosphide layer)215硅基底(Si(100)substrate)3本發(fā)明結構(實施例2)31元件(devices)311第二束縛層(P-type GaN layer)312主動層(Active layer)313第一束縛層(N-type GaN layer)314磷化硼層(Boron monophosphide layer)315硅基底(Si(100)substrate)316多層膜反射鏡面(reflecting mirror)4本發(fā)明結構(實施例3)41元件(devices)411第二束縛層(P-type GaN layer)412主動層(Active layer)413第一束縛層(N-type GaN layer)414磷化硼層(Boron monophosphide layer)415硅基底(Si(100)substrate)417微鏡片(Micro-lens)5本發(fā)明結構(實施例4)51元件(devices)511第二束縛層(P-type GaN layer)512主動層(Active layer)513第一束縛層(N-type GaN layer)514磷化硼層(Boron monophosphide layer)515硅基底(Si(100)substrate)516多層膜反射鏡面(reflecting mirror)517微鏡片(Micro-lens)


圖1為已知結構示意圖。
圖2為本發(fā)明結構示意圖(實施例1)。
圖3為本發(fā)明結構示意圖(實施例2)。
圖4為本發(fā)明結構示意圖(實施例3)。
圖5為本發(fā)明結構示意圖(實施例4)。
權利要求
1.一種發(fā)光二極體結構，包括硅基底，該基底晶面指數(shù)為100；磷化硼層，位于該硅基底上；第一束縛層，位于該磷化硼層上，且該第一束縛層的摻雜物(導電型)與該磷化硼層的摻雜物(導電型)為同型。主動層，位于該第一束縛層上，該主動層由具有摻雜的三-五族元素為主所構成的半導體材料；以及第二束縛層，位于該主動層上，其中該第二束縛層的摻雜物(導電型)與該第一束縛層的摻雜物(導電型)為不同型。其中，該硅基底部分蝕刻移除，并同時由一蝕刻將該磷化硼層給予部分蝕刻移除。
2.如權利要求1所述的發(fā)光二極體結構，其中該第一束縛層上同時由該蝕刻將給予稍微蝕刻移除。
3.如權利要求2所述的發(fā)光二極體結構，其中該第一束縛層的蝕刻部分可設置一光聚焦裝置。
4.如權利要求1所述的發(fā)光二極體結構，其中該第二束縛層上，設置一光反射裝置。
5.如權利要求1所述的發(fā)光二極體結構，其中該磷化硼層為緩沖層。
6.如權利要求1所述的發(fā)光二極體結構，其中該磷化硼層以一氣相磊晶法控制二輸入氣體源決定是P型、N型導電型的緩沖層磊晶結構。
7.如權利要求1所述的發(fā)光二極體結構，其中該磷化硼層與該硅基底具有相同N型、P型導電型或無摻雜的磊晶結構。
8.如權利要求1所述的發(fā)光二極體結構，其中該第一束縛層、主動層及該第二束縛層經(jīng)由該磷化硼層來磊晶成長一四方晶格GaN(cubic-GaN)的GaN系列的三明治結構。
9.如權利要求1所述的發(fā)光二極體結構，其中該硅基底為N型或P型的導電型半導體或無摻雜的基底。
10.如權利要求1所述的發(fā)光二極體結構，其中該磷化硼層為可轉換晶格常數(shù)的晶格轉換層。
11.如權利要求6所述的發(fā)光二極體結構，其中該氣相磊晶法可為有機金屬氣相磊晶法(MOVPE)。
12.如權利要求6所述的發(fā)光二極體結構，其中該二輸入氣體源為提供III族磊晶材料或摻雜物硼原子的三氯化硼氣體及提供V族磊晶材料或摻雜物磷原子的磷酸氣體(PH3)。
13.如權利要求12所述的發(fā)光二極體結構，其中該磷化硼層于該硅基底上磊晶成長時，若該III族摻雜物硼原子較多的狀態(tài)則該磷化硼層為P型導電型，而若是V族摻雜物磷原子較多的狀態(tài)，則該磷化硼層為N型導電型。
14.如權利要求5所述的發(fā)光二極體結構，其中該磷化硼層的磊晶溫度為800℃～1000℃。
15.如權利要求1所述的發(fā)光二極體結構，其中該磷化硼層的材質結構可為BPxN1-x(0≤x≤1)。
16.如權利要求1所述的發(fā)光二極體結構，其中該緩沖層亦可為在該硅基底上磊晶成長的三元(ternary material)磊晶層，該層BPxN1-x(0≤x≤1)的晶格傾向與該磷化硼層一樣。
17.如權利要求1所述的發(fā)光二極體結構，其中該元件結構的主動層可為同質結構(homostructure)、異質結構(heterostructure)、雙異質結構(double-heterostructure)、量子井結構(Quantum well structure)及多重量子井結構(Muti-Quantum well structure)。
18.如權利要求1所述的發(fā)光二極體結構，其中該第一束縛層、主動層及該第二束縛層為以BPxN1-x(0≤x≤1)為緩沖層而磊晶成長的InyGa1-yN系列結構(0≤y≤1)。
19.如權利要求1所述的發(fā)光二極體結構，其中該蝕刻為將該硅基底沉積一層光阻后浸入一蝕刻溶液中給予蝕刻的方法。
20.如權利要求3所述的發(fā)光二極體結構，其中該光聚焦裝置可為一微鏡片(Micro-lens)，該微鏡片為一凸透鏡是用來將該光反射裝置的反射光及該主動層所發(fā)射的光給予聚焦。
21.如權利要求4所述的發(fā)光二極體結構，其中該光反射裝置為一多層膜反射鏡面，該多層膜反射鏡面為一蒸鍍層或磊晶層，用來將該主動層的發(fā)射光向給予反射。
22.如權利要求21所述的發(fā)光二極體結構，其中該多層膜反射鏡面由一多層膜蒸鍍法或一氣相磊晶法完成。
23.如權利要求22所述的發(fā)光二極體結構，其中該多層膜蒸鍍法可為E-gun多層膜蒸鍍法。
24.如權利要求22所述的發(fā)光二極體結構，其中該氣相磊晶法可為電漿增強化學氣相磊晶法(PECVD)或有機金屬化學氣相磊晶法(MOCVD)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種發(fā)光二極體結構，其由一般已知光阻蝕刻法(photo－resistetching)將晶面指數(shù)(Miller indices)為(100)的硅基底(Si(100)substrate)給予大部份蝕刻移除(remove)，并同時由該光阻蝕刻法將與該硅基底晶格相近的磷化硼層(Boron monophosphide layer)給予部分移除及將LED發(fā)光元件(devices)作些微蝕刻移除，亦可以一微機電制程方法于該移除結構凹陷處制成一微鏡片(Micro－lens)以作為發(fā)射光聚焦之用，而以多層膜蒸鍍法或氣相磊晶法于該LED發(fā)光元件的上方蒸鍍或磊晶制程形成一多層膜反射鏡面(reflecting mirror)以作為發(fā)射光反射之用，所完成一種既可防止該硅基底吸收該LED發(fā)光元件的發(fā)射光，又可以該多層膜反射膜鏡面及該微鏡片反射及聚焦該LED發(fā)光元件的發(fā)射光以大幅增加LED發(fā)光元件發(fā)光效率的背向發(fā)光(backsideemitting)LED結構。
文檔編號H01L33/00GK1489223SQ0214435
公開日2004年4月14日 申請日期2002年10月10日 優(yōu)先權日2002年10月10日
發(fā)明者寺嶋一高, 章烱煜, 徐順弘, 寺 一高 申請人:威凱科技股份有限公司