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二極管.pdf

摘要
申請專利號:

CN201010226329.1

申請日:

2010.07.08

公開號:

CN102122693B

公開日:

2015.01.07

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):H01L 33/20申請日:20100708|||公開
IPC分類號: H01L31/18; H01L33/24(2010.01)I 主分類號: H01L31/18
申請人: 臺灣積體電路制造股份有限公司
發明人: 安東尼·J·羅特費爾德
地址: 中國臺灣新竹市
優先權: 2010.01.08 US 12/684,797
專利代理機構: 隆天國際知識產權代理有限公司 72003 代理人: 姜燕;陳晨
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201010226329.1

授權公告號:

102122693B||||||

法律狀態公告日:

2015.01.07|||2011.08.24|||2011.07.13

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明公開了一種二極管,包括:一基板;一第一介電材料,包括露出該基板的一部的至少一開口;一底二極管材料,包括至少部分地設置于該開口內的一下方區以及延伸至該開口之上的一上方區,該底二極管材料包括晶格不匹配于該基板的一化合物半導體材料;一有源二極管區,鄰近于該底二極管材料;以及一頂二極管材料,鄰近該有源二極管區。本發明可降低太陽能電池、發光二極管以及其他化合物半導體裝置的成本,以及改善發光二極管的汲出效率與內部量子效率。

權利要求書

1: 一種二極管, 包括 : 一基板 ; 一第一介電材料, 包括露出該基板的一部的至少一開口 ; 一底二極管材料, 包括至少部分地設置于該開口內的一下方區以及延伸至該開口之上 的一上方區, 該底二極管材料包括晶格不匹配于該基板的一化合物半導體材料 ; 一有源二極管區, 鄰近于該底二極管材料 ; 以及 一頂二極管材料, 鄰近該有源二極管區。
2: 如權利要求 1 所述的二極管, 還包括 : 一第二介電材料, 鄰近該頂二極管材料, 其中該第一介電材料鄰近該底二極管材料的 該下方區, 而該第二介電材料鄰近于該底二極管材料的該上方區的側壁。
3: 如權利要求 1 所述的二極管, 還包括 : 一耐火金屬, 鄰近該第一介電材料 ; 一間隔物, 位于該第一介電材料與該耐火金屬的側壁上 ; 一第二介電材料, 鄰近該耐火金屬與該頂二極管材料 ; 以及 一電性接觸物, 穿透該第二介電材料, 其中該電性接觸物電性耦接于該耐火金屬。
4: 一種二極管, 包括 : 一第一介電材料, 包括至少一開口 ; 一底二極管材料, 包括至少部分地設置于該開口內的一下方區以及延伸至該開口之上 的一上方區 ; 一有源二極管區, 鄰近于該底二極管材料 ; 一頂二極管材料, 鄰近該有源二極管區 ; 一第二介電材料, 鄰近該頂二極管材料, 其中該第一介電材料鄰近該底二極管材料的 該下方區, 而該第二介電材料鄰近該底二極管材料的該上方區 ; 以及 一握持基板, 鄰近該頂二極管材料。
5: 如權利要求 1 或 4 所述的二極管, 其中該有源發光二極管區包括由該頂二極管材料 與該底二極管材料的結所形成的一 p-n 結。
6: 如權利要求 1 或 4 所述的二極管, 其中該有源發光二極管區包括不同于該頂二極管 材料與該底二極管材料的一材料, 而該有源發光二極管區構成了位于該頂二極管材料與該 底二極管材料間的一 p-i-n 結的一本征區。
7: 如權利要求 1 或 4 所述的二極管, 其中該有源發光二極管區包括多重量子阱, 形成于 該頂二極管材料與該底二極管材料之間。
8: 如權利要求 1 或 4 所述的二極管, 其中該至少一開口具有約為 1 或更多的高度比上 寬度的一深寬比, 且該底二極管材料的下方區包括了貫穿差排。
9: 如權利要求 1 或 4 所述的二極管, 其中該至少一開口具有少于 1 的高度比上寬度的 一深寬比, 且該底二極管材料的下方區包括了延伸至該開口之上的貫穿差排。
10: 如權利要求 1 或 4 所述的二極管, 其中該底二極管具有一鰭狀結構、 一圓柱狀結構、 一六角柱狀結構或一金字塔狀結構。
11: 如權利要求 1 或 4 所述的二極管, 還包括 : 一耐火金屬, 鄰近該第一介電材料與該第二介電材料 ; 2 一間隔物, 位于該第一介電材料與該耐火金屬的側壁上 ; 一電性接觸物, 穿透該第二介電材料, 其中該電性接觸物電性耦接于該耐火金屬。
12: 如權利要求 1 或 2 所述的二極管, 還包括一握持基板, 鄰近該頂二極管材料。 3 102122693 A CN 102122701 說 明 二極管 書 1/29 頁 技術領域 本發明涉及由位于硅晶片之上由化合物半導體 (compoundsemiconductors) 或 其他的晶格不相稱半導體材料 (lattice-mismatchedsemiconductors) 所制成的半導體 二極管及其制造方法, 尤其涉及如發光二極管 (light emitting diode)、 激光、 光電壓 (photovoltaics) 及其他光電子 (optoelectronic) 用途的光電應用。 [0001] 背景技術 本節中提供了背景資料并介紹了于下文中所描述及 / 或所主張的權利范圍所相 關的不同觀點的相關信息。這些背景資料的陳述并非承認其為公知技術。 [0003] 大部分的芯片制作均應用了具有高品質、 大區域、 低成本等優點的硅晶片的硅工 藝。采用如砷化鎵 (gallium arsenide) 與磷化銦 (indium phosphide) 等化合物半導體的 裝置的商業制作則通常無法具有前述的硅工藝的優點。其通常于由如藍寶石 (sapphire)、 鍺 (germanium)、 砷化鎵 (gallium arsenide) 或碳化硅 (silicon carbide) 等材料所制 成的小且昂貴的晶片上進行如發光二極管 (lightemitting diode, LED)、 多結太陽能電池 (multi-junction solar cell) 及其他化合物半導體裝置的制作。 [0002] 于便宜的基板上制造半導體化合物裝置的挑戰牽涉到極大的經濟因素。 由于可發 射與檢測光線, 化合物半導體于通信基礎建設中為重要的元件。其為適用于如通過光纖傳 輸信號的激光中、 用于接受上述信號的傳感器、 移動電話內的放大器 (amplifier)、 移動電 話基地臺內的放大器、 以及與傳輸與接收微波信號的電路等應用中的材料。 [0005] 發光二極管通常由設置于藍寶石 (sapphire) 或碳化硅 (silicon carbide) 材質 的晶片上的多個氮化鎵 (gallium nitride) 膜層所組成。這些獨特基板造成了發光二極管 的高成本。直徑 4 英寸的藍寶石晶片的通常價值約 130 美元, 而兩英寸的碳化硅晶片則價 值約 2000 美元。作為比較之用, 具有四倍于四英寸晶片的使用面積或 16 倍于兩英寸晶片 的使用面積的八英寸硅晶片的成本則通常低于 100 美元。 [0006] 高效多結太陽能電池 (high-efficiency multi-junction solar cells) 通常包 括設置于鍺晶片上的如鍺、 砷化鎵及磷化銦的膜層。 于發光二極管所用的晶片中, 所使用的 鍺晶片通常較硅晶片為較小且明顯為較昂貴。 [0007] 于硅晶片上制作化合物半導體裝置的能力有助于加速其于多種主要工業中的市 場成長。 [0008] 目前限制了半導體晶片上的化合物半導體裝置的實際制作的兩種主要技術障礙 分別為晶格常數的不匹配 (mismatch of lattice constants) 與熱膨脹系數的不匹配 (mismatch of thermal expansion coefficients) 的情形。 [0009] 晶格不匹配 : 于結晶物中, 原子依照規則性周期陣列物而設置 ( 即公知的晶格 )。 介于原子之間的距離, 即公知的晶格常數, 通常約為數埃 (1 埃= 10-10 米 )。硅具有較化合 物半導體為小的晶格常數。當于硅上成長化合物半導體時, 于介面處出現了如公知的錯配 差排 (misfit dislocation) 的結晶瑕疵 (crystallineimperfections)。如此的錯配差排 [0004]

說明書


造成了如公知貫穿差排 (threading dislocation) 的其他結晶缺陷, 其自介面處向上傳播。 貫穿差排縮減了如激光、 太陽能電池、 發光二極管等化合物半導體裝置的表現與可靠度。

     熱收縮的不匹配 : 化合物半導體通常于如超過 1000℃的高溫下成長。當晶片冷卻 之后, 化合物半導體的薄膜較硅晶片的收縮程度為大。其結果為, 晶片將彎曲成為內凹狀, 且施加應力與最終地使得薄膜產生破裂。
     直到最近, 發展出了包括下述三種方法的于硅基板上成長高品質的化合物半導 體的最穩固的先前技術, 例如漸變緩沖層 (graded buffer layers) 法、 晶片連結 (wafer bonding) 法或于島狀物上的選擇性成長 (selective growth onmesas) 法等技術。 然而, 上 述技術則還未達成商業上的成功。
     于漸變緩沖層法中, 材料的組成由大體純硅 (pure silicon) 逐漸地變化成化合物 半導體。由于晶格常數也逐漸地隨著變化, 故晶格缺陷較少形成于介面處。不幸地, 這些漸 變緩沖層具有相對厚的厚度 ( 每 4%的晶格不相稱情形具有約 10 微米 )。如此厚的緩沖層 增加了工藝成本及破裂的可能性。
     晶片連結法則牽涉到于昂貴基板上成長一裝置、 接著剝離上述裝置并將其接合 (bonding) 于硅晶片上。 上述方法并不考慮采用當今硅工藝以作為降低成本的方法。 此外, 接合通常需要高于 300℃的溫度。當材料冷卻之后, 由于相較硅晶片具有更大的收縮情形, 故化合物半導體可能破裂。
     島狀物上的選擇性成長法則利用了特定差排的遷移率。此方法是于小區域 ( 長度 約為 10-100 微米 ) 內沉積化合物半導體材料, 進而形成了一短通道, 其可供位于此處的移 動差排 (mobile dislocation) 可滑動至此區域的邊緣并自此裝置處而移除。然而, 借由上 述技術所形成的結構通常具有高密度的貫穿差排 ( 高于 1 億 / 每平方公分 )。上述技術并 無法移除固定差排 (immobiledislocation), 于當晶格不匹配超過了 2%時其將成為占大 多數。
     近年來已發展出了深寬比捕捉 (aspect ratio trapping) 技術 ( 由 Park 等人于 APL 90, 0521113(2007) 所揭示, 于此以提及方式并入于本文中 ), 其可于硅晶片上沉積高 品質的化合物半導體材料、 鍺或其他的晶格不匹配材料。圖 1 顯示了此深寬比捕捉技術的 原理。于一硅晶片 10 之上沉積如二氧化硅 (SiO2) 或氮化硅 (SiNx) 的一介電材料 20 的薄 膜層。本領域普通技術人員也可選擇如 SiOxNy 及如鉿 (Hf) 與鋯 (Zr) 的硅化物或氧化物等 的多種介電材料。
     于上述介電材料內蝕刻形成一溝槽, 接著沉積如鍺或化合物半導體的晶格不匹配 半導體 30 于溝槽內。 如虛線所表示的貫穿差排 40 將向上傳播, 其通常依照相對于介面呈大 體 45 度的一角度向上傳播。貫穿差排 40 并不會朝溝槽長度方向而向下傳播, 其依照垂直 于結晶的成長晶面 (faceted growth face) 的一方向而傳播, 這些晶面引導了差排朝向側 壁, 并于這些側壁處終止。 位于溝槽內其側壁捕捉了貫穿差排的區域可稱其為 “捕捉區” 50。 晶格不相稱半導體 30 的上方區域, 且高于捕捉區 50 的一區域則為一相對無缺陷區 60。
     深寬比捕捉技術基于下述原因而解決了起因于熱膨脹系數的不匹配所造成的破 裂問題 : (1) 由于外延膜層為薄, 故應力為小 ; (2) 由于深寬比捕捉開口的尺寸為小, 故材料 可為彈性地調和起因于熱膨脹不匹配所造成的應力 ; 以及 (3) 較半導體材料為佳的二氧化 硅基座可產生形變以調和上述應力。

    發明內容 本發明提供了一種二極管, 以解決上述公知問題。
     依據一實施例, 本發明提供了一種二極管, 包括 :
     一基板 ; 一第一介電材料, 包括露出該基板的一部的至少一開口 ; 一底二極管材 料, 包括至少部分地設置于該開口內的一下方區以及延伸至該開口之上的一上方區, 該底 二極管材料包括晶格不匹配于該基板的一化合物半導體材料 ; 一有源二極管區, 鄰近于該 底二極管材料 ; 以及一頂二極管材料, 鄰近該有源二極管區。
     依據另一實施例, 本發明提供了一種二極管, 包括 :
     一第一介電材料, 包括至少一開口 ; 一底二極管材料, 包括至少部分地設置于該開 口內的一下方區以及延伸至該開口之上的一上方區 ; 一有源二極管區, 鄰近于該底二極管 材料 ; 一頂二極管材料, 鄰近該有源二極管區 ; 一第二介電材料, 鄰近該頂二極管材料, 其 中該第一介電材料鄰近該底二極管材料的該下方區, 而該第二介電材料鄰近該底二極管材 料的該上方區 ; 以及一握持基板, 鄰近該頂二極管材料。
     本發明可降低太陽能電池、 發光二極管以及其他化合物半導體裝置的成本, 以及 改善發光二極管的汲出效率與內部量子效率。
     為讓本發明的上述目的、 特征及優點能更明顯易懂, 下文特舉一優選實施例, 并配 合所附的附圖, 作詳細說明如下 :附圖說明
     圖 1 顯示了深寬比捕捉技術的原理 ;
     圖 2 顯示了依據實施例的半導體二極管的一般結構 ;
     圖 3 顯示了依據第一實施例的二極管, 其具有一鰭狀物的形狀 ;
     圖 4 與圖 5 顯示了圖 3 所示實施例于制作中的不同階段 ;
     圖 6 顯示了圖 3 所示實施例的一另一實施例 ;
     圖 7 總結了依據本發明的一實施例的形成圖 3 所示實施例的一第一方法 ;
     圖 8 總結了形成如圖 3 所示實施例的一實施例的一第二方法 ;
     圖 9 與圖 10 顯示了制造圖 3 所示實施例的其他步驟 ;
     圖 11 總結了形成圖 3 所示實施例的一實施例的一第三方法 ;
     圖 12- 圖 15 顯示了形成如圖 16 所示的實施例的不同階段 ;
     圖 16 顯示了二極管的一實施例, 其具有一圓柱物的形狀 ;
     圖 17 總結了形成圖 16 所示實施例的一實施例的一第一方法 ;
     圖 18 與圖 19 顯示了形成圖 16 所示實施例的另一方法的步驟 ;
     圖 20 總結了形成圖 16 所示實施例的一實施例的另一方法 ;
     圖 21 顯示了圖 16 所示實施例的一變化情形, 其中具有圓形剖面的圓柱狀二極管 的陣列于另一實施例中按照六角形陣列設置 ;
     圖 22 顯示了圖 21 所示實施例的一俯視圖 ;
     圖 23 與圖 24 顯示了于制作圖 25 所示實施例中的不同階段 ;
     圖 25 為二極管的一實施例, 其中介電層為透光的而非反光的 ;圖 26 總結了形成圖 25 所示實施例的一實施例的一方法 ;
     圖 27 顯示了形成圖 28 所示另一實施例的步驟 ;
     圖 28 為二極管的一實施例, 其中硅基板經過移除 ;
     圖 29 總結了形成圖 28 所示實施例的一方法 ;
     圖 30 與圖 31 顯示了形成圖 32 所示實施例的步驟 ;
     圖 32 為二極管的一實施例, 其中頂電性接觸物也作為一反射物之用 ;
     圖 33 總結了形成圖 32 所示實施例的步驟 ;
     圖 34 顯示了形成圖 35 所示實施例的步驟 ;
     圖 35 為二極管的一實施例, 其利用了當自一介電層內的一孔洞或溝槽內自然地 成長形且具有六角金字塔狀的氮化鎵與其他 III- 氮化物半導體材料 ;
     圖 36 總結了形成圖 35 所示實施例的步驟 ;
     圖 37 顯示了形成圖 38 所示實施例的步驟 ;
     圖 38 顯示了圖 35 所示實施例的一變化實施例, 其中硅基板經過移除 ; 以及
     圖 39 總結了形成圖 38 所示實施例的一實施例的一方法。
     其中, 附圖標記說明如下 :
     10 ~硅晶片 ; 20 ~介電材料 ; 30 ~晶格不匹配半導體 ; 40 ~貫穿差排 ; 50 ~捕捉區 ; 60 ~無缺陷區 ; 101 ~基板 ; 102 ~底二極管區 ; 103 ~有源二極管區 ; 104 ~頂二極管區 ; 105、 106 ~導電接觸物 ; 155 ~基板 / 硅基板 ; 160 ~介電材料 ; 165 ~溝槽 ; 170 ~底二極管區 ; 175 ~捕捉區 ; 180 ~貫穿差排 ; 185 ~有源二極管區 ; 190、 195 ~頂二極管區 ; 197 ~成長前線的交界 ; 200 ~頂電性接觸物 ; 203 ~底電性接觸物 ; 210 ~介電材料 / 第一介電層 ; 215 ~第二介電層 ;220 ~溝槽 ; 250 ~孔洞 ; 260 ~底二極管區 ; 265 ~有源二極管區 ; 270 ~有源二極管區 ; 275 ~連續形態的頂二極管區 ; 280 ~頂電性接觸物 ; 285 ~底電性接觸物 ; 300 ~孔洞 ; 350 ~介電層 ; 355 ~溝槽 ; 365 ~底二極管區 ; 375 ~貫穿差排 ; 380 ~有源二極管區 ; 390 ~光吸收區 ; 395 ~光吸收區 ; 400 ~接合缺陷 ; 410 ~頂電性接觸物 ; 415 ~底電性接觸物 ; 430 ~握持基板 ; 435、 440 ~接觸物 ; 500 ~基板 ; 510 ~第一層介電材料 ; 520 ~耐火金屬 ; 530 ~第二層介電材料 ; 550 ~介電間隔物 ; 555 ~捕捉區 ; 560 ~貫穿差排 ; 570 ~底二極管區 ; 580 ~有源二極管區 ; 590 ~頂二極管區 ; 600 ~貫穿差排 ; 605 ~介層開口 ; 620 ~適當材料 ; 630 ~頂電性接觸物 ; 640 ~底電性接觸物 ; 700 ~硅基板 ; 710 ~介電材料 ; 720 ~孔洞 ;730 ~底二極管區 ;
     740 ~差排缺陷 ;
     750 ~捕捉區 ;
     760 ~有源二極管區 ;
     770 ~頂二極管區 ;
     780 ~頂電性接觸物 ;
     790 ~底電性接觸物 ;
     800 ~頂二極管區 ;
     810 ~握持晶片 ;
     820 ~頂電性接觸物 ;
     830 ~底電性接觸物 ;
     900 、 905 、 910 、 915 、 920 、 925 、 930 、 935 、 940 、 950 、 1000 、 1005 、 1010 、 1015 、 1020 、 1025、 1030、 1035、 1040、 1100、 1105、 1110、 1115、 1120、 1125、 1130、 1135、 1140、 1200、 1205、 1210、 1215、 1220、 1225、 1230、 1235、 1240、 1300、 1305、 1310、 1315、 1320、 1325、 1330、 1335、 1340、 1400、 1405、 1410、 1415、 1420、 1425、 1430、 1435、 1440、 1445、 1450、 1500、 1505、 1510、 1515、 1520、 1525、 1530、 1535、 1540、 1545、 1550、 1555、 1560、 1565、 1570、 1575、 1580、 1600、 1605、 1610、 1615、 1620、 1625、 1630、 1700、 1705、 1710、 1715、 1720、 1725、 1730、 1735、 1740、 1745、 1750 ~步驟。 具體實施方式
     于以下描述中, 通常采用單一的二極管方式以討論示范的二極管結構, 半導體工 程師及其他本領域普通技術人員當能理解于多數應用中需使用多個二極管, 且其通常整合 于單一芯片之上。
     一般來說, 于下文中討論的半導體二極管具有如圖 2 所示的一般結構, 其包括 : 一 基板 101、 一底二極管區 102、 一有源二極管區 103、 一頂二極管區 104、 位于裝置的頂部的導 電接觸物 105 以及位于裝置底部的一導電接觸物 106。上述二極管區 102、 103 與 104 內則 分別由多重膜層所制成。
     底二極管區 102 與頂二極管區 104 具有相反的摻雜類型 (doping types)。 舉例來 說, 當底二極管區 102 顯著地為 n 型摻雜時 ( 具有如磷、 砷或銻的電子施體 ), 而頂二極管區 104 將顯著地為 p 型摻雜 ( 具有如硼或鋁的電子受體 ), 反之亦然。于底二極管區 102 與頂 二極管 104 內的重度摻雜形成了適用于電流進入與離開裝置的低電阻值通道。此頂部區與 底部區的一般摻雜程度約介于 1017-1020cm-3。而有源區的一般摻雜程度則低于 1017cm-3。值 得注意的是, 為了描述方便而采用了 “頂 (top)” 與 “底 (bottom)” 以指定區域, 而于某些情 況中頂區可位于底區之上。 舉例來說, 考慮到形成于基板上的二極管, 其具有高于其底部區 的一頂部區。當此二極管經倒裝芯片接合 (flip-chip bonded) 于一握持晶片后并于移除 上述基板之后, 上述用于檢視二極管的情形通常也隨之相反。 于此例中, 頂區通常將視為位 于底區的下方。
     基底 101 通常為一硅晶片, 雖然于不同實施例中, 包括藍寶石與碳化硅的其他基 板也適用。至少于基板 101 的部分中通常具有相同的摻雜種類 ( 為 n 型或 p 型 ), 而底二極管區 102 有助于底二極管區 102 與基板 101 之間的良好電性接觸關系。
     有源二極管區 103 的詳細結構可依照包括期望應用的多種參數而決定, 于一情形 中, 有源二極管區 103 由頂二極管區 102 與底二極管區 104 的結 (junction) 所形成。于此 情形中, 較佳地改變接近結的頂部區與底部區的摻雜濃度。于發光二極管 (LED) 內, 有源 區 103 則可包括經摻雜的膜層與可使得電子與空穴再結合并產生光子的未經摻雜量子阱 (undoped quantum wells) 的多個膜層。 于太陽能電池的另一范例中, 有源二極管區 103 可 包括適度的 n 型摻雜或適度的 p 型摻雜的半導體材料, 以吸收入射光子并產生電子 - 空穴 對。
     對于本領域普通技術人員而言, 形成二極管區的材料為公知的。典型的有用半導 體材料為 : 如硅、 碳或鍺的 IV 族材料, 或其合金, 如碳化硅或硅鍺 ; II-VI 族化合物 ( 包括二 元、 三元與四元形態 ), 例如由鋅、 鎂、 鈹或鎘的 II 族材料與如碲、 硒或硫的 VI 族材料所形 成的化合物, 例如為 ZnSe、 ZnSTe 或 ZnMgSTe ; 以及 III-V 族化合物 ( 包括二元、 三元與四元 形態 ), 如由如銦、 鋁或鎵的 III 族材料與如砷、 磷、 銻或氮的 V 族材料所組成的化合物, 例 如 InP、 GaAs、 GaN、 InAlAs、 AlGaN、 InAlGaAs 等。本領域普通技術人員可以了解, 可參照如 能隙、 晶格常數、 摻質程度等期望條件而適度選擇與處理這些材料。 圖 3 顯示了依據第一實施例的一半導體二極管。圖 4 顯示了用于圖 3 的一基礎結 構, 此基礎結構包括了如硅晶片的一基板 155, 如發光二極管 (LED) 或太陽能電池等光電應 用中基板 155 的表面較佳地具有 (111) 的結晶方向 (crystal orientation), 雖然其也可選 擇 (100) 的其他結晶方向。基板 155 可視其應用的二極管基裝置 (diode-based device) 的形態而經過 n 型摻雜或 p 型摻雜。其他的適當基板可包括藍寶石與碳化硅。
     為了制備如圖 3 所示的二極管, 第一步驟為借由化學氣相沉積 (CVD) 或其他的適 當技術沉積如二氧化硅 (SiO2) 或氮化硅 (SiNx) 的一層介電材料 160 于硅基板 155 之上。 于裝置中當來自介電層的光線反射會形成問題時, 則較佳地使用氮化硅, 由于其折射率較 為接近于常用的半導體材料。上述介電材料的膜層通常為 200-400 納米, 但其厚度可為更 厚或更薄。
     接著借由圖案化程序以于介電材料 160 的膜層內形成具有大體垂直的側壁的一 或多個溝槽 165, 進而露出了硅基板 155 的表面的一部, 如圖 4 所示。依據期望應用的選 擇, 溝槽的數量可為 1 或 1 以上, 例如是 2、 3、 4、 5、 6 或更多。可借由公知光刻技術或反應 性離子蝕刻 (reactive ion etch) 技術的示范方法以圖案化形成一溝槽。為本領域普通 技術人員所了解, 基于此處的揭示情形, 溝槽可為另一形狀的開口, 例如為一孔洞 (hole)、 一凹口 (recess) 或一環狀物 (ring)。溝槽 165 的寬度較佳地相同于或少于介電材料的 厚度。如此條件是基于深寬比捕捉 (aspect ration trapping, ART) 技術的原理, 即溝 槽 165 的高度與溝槽 165 的寬度的比例可大體大于或等于 1 以大體捕捉所有的貫穿差 排 (threading dislocations)。關于上述技術的細節則揭示于屬于本發明相同受讓人 的早期專利申請 ( 例如申請中的第 11/436,198 號 US 專利申請 (2006 年 5 月 17 日申請, 標 題 為 “LATTICE-MISMATCHED SEMICONDUCTORSTRUCTURE WITH REDUCED DISLOCATION DEFECT DENSITIES ANDRELATED METHODS FOR DEVICE FABRICATION” ) ;第 12/180,254 號 US 專 利 申 請 (2008 年 6 月 25 日 申 請, 標題為 “LATTICE-MISMATCHEDSEMICONDUCTOR STRUCTURE WITH REDUCED DISLOCATIONDEFECT DENSITIES AND RELATED METHODS FOR
     DEVICEFABRICATION” ); 第 11/436,062 號 US 專 利 申 請 (2006 年 5 月 17 日 申 請, 標題為 “LATTICE-MISMATCHED SEMICONDUCTOR STRUCTURE WITHREDUCED DISLOCATION DEFECT DENSITIES AND RELATEDMETHODS FOR DEVICE FABRICATION” ); 第 60/842,771 號 US 專利 臨時申請 (2006 年 9 月 7 日申請, 標題為 “DEFECT REDUCTION OF SELECTIVEGe EPITAXY IN TRENCHES ON Si(001)SUB STRATES USING ASPECTRATIO TRAPPING” ); 第 11/852,078 號 US 專利申請案 (2007 年 9 月 7 日申請, 標題為 “DEFECT REDUCTION USING ASPECT RATIO TRAPPING” ), 在此以提及方式將其并入于本文中。以及揭示于 Park 等人于 Appl.Phys. Lett.90, 052113(2007) 的文獻中, 在此以提及方式將其并入于本文中。
     于某些情形中, 較佳地借由標準技術以潔凈位于溝槽 165 底部的硅基板 155 的 表 面, 以 準 備 用 于 底 二 極 管 區 的 外 延 成 長。 請 參 照 Park 等 人 于 Appl.Phys.Lett.90, 052113(2007) 的文獻內的揭示。
     接著施行另一步驟, 成長底二極管區 170, 進而形成如圖 5 所示結構。底二極管區 170 所應用的半導體材料則依照裝置形態而決定。當于太陽能電池 (solar cell) 的應用 時, 底二極管區 170 可為如 InGaP 的材料。 而當于發光二極管 (light emitting diode, LED) 的應用時, 底二極管區 170 可為如 GaN、 AlN、 InN 等材料, 或包括上述材料的二元 (binary)、 三元 (ternary) 或四元 (quaternary) 化合物。底二極管區 170 也可包括化合物半導體 (compound semiconductor) 材料的其他多種半導體材料, 例如由擇自由 Ga、 In 或 Al 的至少 一 III 族元素加上擇自由 As、 P 或 Sb 的一 V 族元素所形成的二元、 三元或四元組成物, 其具 有適用于如激光 (laser) 或共振穿隧二極管 (resonant tunneling diodes) 的有用特性。 于本發明中, 可以于外延成長時臨場地 (in-situ) 摻雜底二極管區 170, 或借由一 離子注入而離場地 (ex-situ) 摻雜底二極管區 170( 一般來說, 較佳地可摻雜底二極管區、 有源二極管區與頂二極管區, 且可于外延成長時臨場地摻雜或借由離子注入而離場地摻 雜 )。
     于 圖 5 中, 底 二 極 管 區 170 具 有 自 立 鰭 狀 物 (free-standing fin) 的 形 態。 Jinichiro Noborisaka 及其于北海道大學的同事已揭示了成長自立垂直結構的方法, 例如 借由金屬有機氣相外延 (metal-organic vapor phase epitaxy) 法所形成的納米線 ( 詳見 Noborisaka 等人的 Appl.Phys.Lett.86, 213102

    [2005] 的文獻 ; Noborisaka 等人的 Appl. Phys.Lett.87, 093109[2005]) 的文獻 ), 在此以提及方式將其并入于本文中。上述的北海 道團隊已發現于結構的頂面的結晶相的累積可快于位于結構的側壁處的結晶相的累積的 成長條件。 換句話說, 如此的成長條件有利于垂直于基板平面的成長, 且同時抑制了平行于 基板平面的成長。為了建立這些成長條件, 上述的北海道團隊調整了如氣體前驅物的分壓 (partial pressure)、 氣體前驅物內的元素比例以及基板溫度等變數。這些方法適用于將 底二極管區 170 形成如圖 5 所示的自立鰭狀物。較佳地, 溝槽的介電側壁可具有 {110} 的 結晶方向以使得后續的外延鰭狀物具有 {110} 側壁, 且于前述的 Noborisaka 等人描述的成 長條件下, 其較為穩定與較為緩慢地成長或不再成長。
     鰭狀物的下方部, 即為介電材料 160 的垂直側壁所環繞的部分, 由于其捕捉了如 貫穿差排 180 的差排 (dislocations), 故可稱其為捕捉區 (trappingregion)175。貫穿差 排 180 產生于鰭狀底二極管區 170 與基板 150 間的介面, 且依照約 45 度的角度向上傳播。 圖 5 內采用虛線顯示了貫穿差排 180。位于捕捉區 175 上方的底二極管區 170 的部分則相
     對沒有缺陷 (defects)。 基于如此的低缺陷區, 因而可于高品質、 大區域、 低成本的硅晶片上 制造出高品質的化合物半導體裝置。對于某些材料而言, 例如 GaN、 InN、 AlN 或上述材料的 8 2 三元或四元組成物, 差排密度需少于或等于 10 /cm 以利于裝置的應用。而對于如 GaAs 與 InP 的其他材料, 通常需要如少于或等于 106/cm2 的更低的差排密度以利裝置的應用。
     的文獻 ; Noborisaka 等人的 Appl. Phys.Lett.87, 093109[2005]) 的文獻 ), 在此以提及方式將其并入于本文中。上述的北海 道團隊已發現于結構的頂面的結晶相的累積可快于位于結構的側壁處的結晶相的累積的 成長條件。 換句話說, 如此的成長條件有利于垂直于基板平面的成長, 且同時抑制了平行于 基板平面的成長。為了建立這些成長條件, 上述的北海道團隊調整了如氣體前驅物的分壓 (partial pressure)、 氣體前驅物內的元素比例以及基板溫度等變數。這些方法適用于將 底二極管區 170 形成如圖 5 所示的自立鰭狀物。較佳地, 溝槽的介電側壁可具有 {110} 的 結晶方向以使得后續的外延鰭狀物具有 {110} 側壁, 且于前述的 Noborisaka 等人描述的成 長條件下, 其較為穩定與較為緩慢地成長或不再成長。
     鰭狀物的下方部, 即為介電材料 160 的垂直側壁所環繞的部分, 由于其捕捉了如 貫穿差排 180 的差排 (dislocations), 故可稱其為捕捉區 (trappingregion)175。貫穿差 排 180 產生于鰭狀底二極管區 170 與基板 150 間的介面, 且依照約 45 度的角度向上傳播。 圖 5 內采用虛線顯示了貫穿差排 180。位于捕捉區 175 上方的底二極管區 170 的部分則相
     對沒有缺陷 (defects)。 基于如此的低缺陷區, 因而可于高品質、 大區域、 低成本的硅晶片上 制造出高品質的化合物半導體裝置。對于某些材料而言, 例如 GaN、 InN、 AlN 或上述材料的 8 2 三元或四元組成物, 差排密度需少于或等于 10 /cm 以利于裝置的應用。而對于如 GaAs 與 InP 的其他材料, 通常需要如少于或等于 106/cm2 的更低的差排密度以利裝置的應用。
     圖 6 顯示了成長有源二極管區 185 的步驟。有源二極管區 185 的期望結構則依據 所應用的裝置而定。舉例來說, 有源二極管區 185 可包括多重量子阱 (multiple quantum wells) 或經適度摻雜半導體的單一膜層。 于成長有源二極管區 185 前, 可調整成長條件, 使 得于底二極管區 170 的側面累積的結晶相的成長速率于近似相同于底二極管區 170 的頂部 累積的結晶相的成長速率。其結果為, 可順應地成長有源二極管區 185 并環繞于底二極管 區 170 的外側。 Noborisaka 及其同事已描述了此成長條件 ( 詳見 Noborisaka 等人的 Appl. Phys.Lett.87, 093109[2005]) 的文獻 )。
     于本實施例與其他實施例中, 有源二極管區 185 與頂二極管區 190 較佳地具有近 似相同于底二極管區的晶格常數 (lattice constants)。雖然這些晶格常數間并非需要近 似相同的。當這些晶格常數具有近似相同的結果為, 于這些二極管區間的介面處可形成較 少的缺陷。 于圖 6 內還顯示了頂二極管區 190 的成長。頂二極管區 190 所使用的半導體材料 則視裝置的形態而定。 頂二極管區 190 的摻雜形態則可相反于底二極管區 170 的摻雜形態, 即當其中的一為 p 型摻雜時, 另一將為 n 型摻雜, 反之亦然。
     于圖 6 中, 頂二極管區 190 的寬度經過限制, 使得于相鄰的鰭狀物之間仍保有一 開口。如此的結構適用于太陽能電池的應用, 于此情形中較重要地降低或減少頂二極管區 190 吸收入射光 (incoming light) 的可能性。于頂二極管區 190 內所產生的電子 - 空穴對 (electron-hole pairs) 于其抵達有源二極管區 185 之前便再次結合而并不會產生任何的 有效電力。可降低或減少頂二極管區 190 內的材料, 以于鰭狀物之間留下自由空間, 并盡量 使得頂二極管區 190 可越薄越好。于此情形中, 頂二極管區可具有介于如 10-500 納米的一 厚度。
     當于設計太陽能電池時采用如圖 6 所示結構時, 可借由保持相鄰的有源二極管區 185 的一距離使其少于入射光波長而增加其效率。此策略可避免了入射光進入于有源二極 管區 185 之間的自由空間并抵達硅基板 155 處, 上述情形將會降低太陽能電池的效率。
     圖 3 中顯示了另一方法, 即更進一步成長頂二極管區 195 以填滿相鄰鰭狀物之間 的整個空間。于此結構中, 如接合缺陷 (coalescence defects) 的結晶缺陷可于成長前線 (growth fronts) 的交界處 197 形成, 其于圖 3 中采用虛線示出。 由于這些缺陷遠離于二極 管的有源區, 因而可降低或減少對于元件表現的損傷。當繼續成長頂二極管區 195 時, 較佳 地選擇有利于平行于基板 155 平面的成長條件并抑制了垂直于硅基板 155 平面的成長。
     圖 3 中也顯示了借由標準技術制造頂電性接觸物 200 與底電性接觸物 203 后的結 構。本領域普通技術人員可理解任何適當材料可用于這些電性接觸物的制備, 例如銅、 銀、 或鋁的導電金屬的條狀物, 或如銦錫氧化物 (indiumtin oxide) 的相對透明導電氧化物的 一膜層。于發光二極管應用中, 底電性接觸物 203 較佳地為如銀的一高反射性導電材料, 借 以反射內部產生的光線并使其自發光二極管內的另一表面出離開。 本領域普通技術人員可 以理解仍具有許多其他方法以穿透基板 155 而耦接底電性接觸物 203 與底二極管區 170, 例
     如形成接觸介層物 (contact vias) 以形成電性連接。單一底電性接觸物 203 可作為多重 二極管的元件。
     如圖 3 內所示結構的一特征為單一頂二極管區 195 實體接觸 ( 并因而電性接觸 ) 了位于多個二極管內的有源二極管區 185。如此的結構特別有利于發光二極管之用, 由于 其可減少或最小化頂電性接觸物 200 的區域, 頂電性接觸物 200 的區域會阻擋有源二極管 區 185 內產生的光線的射出。借由共用的頂二極管區 195 的使用, 各二極管元件并不需要 其專屬的一頂電性接觸物 200, 單一頂電性接觸物 200 則可作為多重二極管的元件。
     相較于圖 6, 圖 3 內共用的頂二極管區 195 內的額外半導體材料并不會劣化發光二 極管的表現。頂二極管區 195 通常并不會吸收顯著數量的發射光子, 于頂二極管區內的半 導體材料的能隙 (band gaps) 較寬于有源二極管區內的半導體材料的能隙。
     如圖 3 與圖 6 所示結構相較于公知發光二極管提供了多個表現上的優點。舉 例來說, 于如單晶硅基板的基板上制造藍光發光二極管的較佳材料為氮化鎵 (gallium nitride)。氮化鎵具有一纖維鋅礦 (wurtzite) 結晶結構, 其自然地成長有平行于硅基 板 155 的 c- 平 面 (c-plane) 以 及 垂 直 于 硅 基 板 155 的 m- 平 面 (m-plane) 與 a- 平 面 (a-plane)。于公知發光二極管中, 限制內部量子效率的因素之一為氮化鎵的極化 c- 平面 面向半導體二極管。 如圖 3 與圖 6 所示結構則可傳送更高的內部量子效率, 基于氮化鎵的非 極化的 m- 平面或 a- 平面面向二極管。 于較佳的發光二極管結構內, 底二極管區 170、 有源二 極管區 185 及頂二極管區 195 由氮化鎵 (gallium nitride) 與氮銦化鎵 (indium gallium nitride) 所形成, 氮化鎵的 m- 平面或 -a 平面的結晶表面形成了底二極管區 170 與有源二 極管區 185 間的一介面, 而氮化鎵的 m- 平面或 a- 平面的結晶表面形成了有源二極管區 185 與頂二極管區 195 間的一介面。
     另外, 如圖 3 與圖 6 所示結構也適用于采用如 GaAs 與 AlGaAs 的立方材料所制成 的發光二極管的應用。
     以下為依據本發明的實施例的形成底二極管區、 有源二極管區與頂二極管區的工 藝參數的范例。首先, 提供如公知的基板與經圖案化的介電層。采用下述的依據本發明的 第一實施例的工藝參數以形成 GaAs 或 AlGaAs 基的二極管的底二極管區、 有源二極管區與 頂二極管區。
     于本范例中, 底二極管區可為 GaAs 材質的一柱狀物 (pillar) 或一鰭狀物 (fin), 其具有大于寬或直徑尺寸的一高度 ( 例如高度為 1 微米, 而寬度為 100 納米 )。前驅 物 (precursors) 的成長條件 ( 例如采用化學氣相沉積法, CVD) 如下, 包括了 (i) 壓力 : 0.1atm ; (ii) 前驅物 : 稀釋于氫氣中的三甲基鎵 (trimethylgallium, TMG) 與 20%的砷化 氫 (arsine AsH3) ; (iii) 溫度 : 750℃ ; 以及 (iv) 摻質類型 : N 型摻雜。為了制備 N 型摻雜 的底二極管區, 摻質之一為硅。 為了增快垂直的成長情形, 相較于本領域普通技術人員所知 悉的 GaAs 成長情形, 于此步驟中的砷化氫的分壓 (partial pressure) 可相對較低。舉例 來說, 砷化氫的分壓可低于一般成長情形中的 5-10 倍。由于上述數值為與反應器相關的數 值, 故在此并不描述其絕對數值。
     另外, 于本范例中, 有源二極管區可包括位于底二極管區上的數個膜層, 其分別為 第一限制膜層 (first confinement layer)、 量子阱膜層 (quantum welllayer) 與第二限制 膜層 (second confinement layer)。用于載流子限制的一 AlGaAs 膜層 ( 如 15 納米厚 ) 的成長條件如下, 包括 : (i) 壓 力: 0.1atm ; (ii) 前驅物 : 稀釋于氫氣中的三甲基鎵 (trimethylgallium, TMG)、 三甲基鋁 (trimethylaluminium, TMA) 與 20%的砷化氫 (arsine AsH3) ; (iii) 溫度 : 850℃ ; (iv) 摻 質類型 : 如硅的 N 型摻質。
     用于發射光線的 GaAs 量子阱膜層 ( 如 10 納米厚 ) 的成長條件如下, 包括 : (i) 壓 力: 0.1atm ; (ii) 前驅物 : 稀釋于氫氣中的三甲基鎵 (trimethylgallium, TMG) 與 20%的砷 化氫 (arsine AsH3) ; (iii) 溫度 : 720℃ ; 以及 (iv) 摻質類型 : 未摻雜。
     用于載流子限制的一 AlGaAs 膜層 ( 如 15 納米厚 ) 的成長條件如下, 包括 : (i) 壓 力: 0.1atm ; (ii) 前驅物 : 稀釋于氫氣中的三甲基鎵 (trimethylgallium, TMG)、 三甲基鋁 (trimethylaluminium, TMA) 與 20%的砷化氫 (arsine AsH3) ; (iii) 溫度 : 850℃ ; (iv) 摻 質類型 : 如鋅 (zinc) 的 P 型摻質。
     于本范例中, 頂二極管區 ( 例如 0.5 微米厚 ) 位于有源二極管區上或之上。GaAs 膜層的成長條件如下, 包括 (i) 壓力 : 0.1atm ; (ii) 前驅物 : 稀釋于氫氣中的三甲基鎵 (trimethylgallium, TMG) 與 20%的砷化氫 (arsine AsH3) ; (iii) 溫度 : 720℃ ; 以及 (iv) 摻質類型 : 如鋅的 P 型摻質。
     如圖 3 所示的實施例中包括了位于硅基板上由化合物半導體或其他晶格不匹配 材料所形成的一半導體二極管, 包括 :
     一硅基板 155 ; 一層介電材料 160, 覆蓋了硅基板 155, 此層介電材料內包含了一溝 槽 165, 其露出了硅基板 155 的表面, 此溝槽具有大體垂直的側壁, 且溝槽的高度與寬度間 的比例可大于或等于 1 ; 半導體材料的一底二極管區 170, 填入于溝槽內且依照一鰭狀物的 形狀而向上延伸 ; 一捕捉區 175, 位于底二極管區 170 的最下方部, 于該處貫穿差排 180 可 為介電材料 160 的側壁所攔截并終止 ( 例如于經降低的缺陷區處 ) ; 半導體材料的一有源 二極管區 185, 順應地成長并環繞有源二極管區 ; 以及一頂電性接觸物 200 ; 以及一底電性 接觸物 203。
     圖 7 摘要了形成如圖 3 所示實施例的一方法。特別地, 其為于硅基板借由化合物 半導體或其他晶格不匹配材料形成二極管的制造方法, 包括下述步驟。步驟 900 包括了沉 積如介電材料 160 的一層介電材料于如硅基板 155 的一硅基板的表面上。步驟 905 包括了 形成一溝槽于此層介電材料內以露出硅基板的表面, 例如位于介電材料 165 內的溝槽 165, 此溝槽具有大體垂直側壁, 且溝槽的高度與寬度的比例可大于或等于 1。 步驟 910 包括了選 擇成長條件, 其利于垂直于硅基板平面的成長與抑制平行于硅基板平面的成長。步驟 915 包括了成長一半導體材料以形成底二極管區, 例如底二極管區 170, 其填滿了溝槽并依照鰭 狀物的形狀向上延伸。步驟 920 包括了選擇成長條件, 使得用于有源二極管區的半導體材 料, 例如有源二極管區 185, 可于接近相等的速率下形成于底二極管區的頂部與側面上。步 驟 925 包括了成長一半導體材料, 順應地環繞底二極管區的頂部與側面以形成一有源二極 管區, 例如有源二極管區 185。步驟 930 包括了成長一半導體材料, 順應地環繞有源二極管 區的頂部與側面以形成一頂二極管區, 例如頂二極管區 195。 步驟 935 包括了形成一頂電性 接觸物, 例如頂電性接觸物 200, 于頂二極管區的表面。步驟 940 包括了形成一底電性接觸 物, 例如底電性接觸物 203, 于硅基板的底部上。
     如圖 8 所示的另一實施例中, 步驟 950 包括了繼續成長頂二極管區, 使得形成于相鄰的二極管上的頂二極管區相接合, 進而形成了單一頂二極管區, 其連結了多重二極管。
     于又一實施例中, 考慮到如 Noborisaks 及其同事所描述的用于成長自立垂直結 構的技術的依方法恐無法適用于所有條件。舉例來說, 當硅基板具有 (100) 結晶表面時, 上 述方法通常無法成長形成一自立垂直結構。
     如圖 9 所示, 上述方法適用于采用經摻雜硅基板 155。 形成介電材料 210 的第一膜 層于硅基板 155 的表面上。于部分實施例中, 第一介電層 210 的較佳材料為氮化硅。此第 一介電層 210 需足夠厚, 以于其內形成溝槽后可捕捉缺陷, 如第一介電層 210 的厚度可等于 或大于溝槽的寬度。
     于第一介電層 210 上可成長一第二介電層 215。 于部分實施例中, 此第二介電層適 用的較佳材料為二氧化硅。
     經過圖案化所形成的溝槽 220 具有穿透第一介電層 210 與第二介電層 215 的大體 垂直的側壁, 進而露出了硅基板 155 表面的一部。可施行一選擇性的步驟, 以潔凈化位于溝 槽 220 底部的硅基板 155 的表面, 例如為借由前述的潔凈方法。
     如圖 10 所示, 可成長一半導體材料以填入溝槽內而形成一底部二極管區 170。由 于硅與底二極管區的半導體材料間的晶格不匹配情形, 于介于硅基板 155 與底二極管區 170 的介面處可能形成錯配差排 (misfit dislocation)。貫穿差排可依照一角度而向上傳 播并為第一介電層 210 的側壁所攔截以及于捕捉區 175 內終止。高于捕捉區 175 的底二極 管區 170 的片段可相對地不具有缺陷, 因而適用于高效裝置。于此方法中, 可于硅基板上的 制作出化合物半導體裝置。 采用使用氫氟酸與水的濕蝕刻的一工藝以移除第二介電層 215。上述工藝可選擇 性地移除第二介電層 215 的二氧化硅材料而不會攻擊第一介電層 210 的氮化硅材質或底二 極管區所可能包括的任何半導體材料。所得到的結構如圖 5 所示。因此, 上述方法描述了 制造了具有鰭狀物的形狀的底二極管區的一不同方式。
     上述方法繼續如圖 3 與圖 6 所示與所述工藝 : 形成有源二極管區 185、 頂二極管區 190、 頂電性接觸物 200 與底電性接觸物 203。
     圖 11 摘要了上述方法, 其至少部分顯示于圖 9 與圖 10 的所示情形內, 包括下列步 驟。步驟 1000 包括了沉積如第一介電層 210 的第一層介電材料于如硅基板 155 的一硅基 板的表面上。步驟 1005 包括了沉積如第二介電層 215 的一第二層介電材料于第一層介電 材料的表面上, 第二層介電材料與第一層介電材料之間具有不同特性。步驟 1010 包括了形 成如溝槽 220 的一溝槽于第一層介電材料與第二層介電材料之內, 以露出硅基板表面, 此 溝槽具有大體垂直側壁, 且溝槽的高度與寬度的比例可大于或等于 1( 如位于第一層介電 材料內 )。步驟 1015 包括成長一半導體材料于溝槽內以形成底二極管區, 例如底二極管區 170。步驟 1020 包括了選擇性地移除第二層介電材料的剩余部分。步驟 1025 包括成長一 半導體材料, 順應地環繞底二極管區的頂部與側面以形成有源二極管區, 例如有源二極管 區 185。步驟 1030 包括了成長一半導體材料, 順應地環繞有源二極管區的頂部與側面以形 成一頂二極管區, 例如頂二極管區 195。步驟 1035 包括形成一頂電性接觸物于頂二極管區 的表面, 例如頂電性接觸物 200。 步驟 1040 包括形成一底電性接觸物于硅基板的底部上, 例 如底電性接觸物 203。
     圖 12 顯示了另一實施例, 其中半導體二極管設置為一圓柱物 (column) 的形狀而
     非一鰭狀物的形狀。如二氧化硅或氮化硅的一層介電材料 160 則形成于經適當摻雜硅基板 155 的表面上。
     借由標準光刻或蝕刻技術于介電材料 160 內形成具有大體垂直的側壁的多個孔 洞 250。 為了確保孔洞 250 可大體捕捉所有的貫穿差排, 孔洞 250 的深度與直徑的比例較佳 地大于或等于 1。這些孔洞露出了硅基板 155 表面。
     成 長 條 件 ( 例 如 壓 力、 前 驅 物 氣 體 組 成 與 基 板 溫 度 等 ) 經 過 選 擇, 如于先前 Noborisaka 文獻所記載般, 其利于垂直于硅基板 155 平面的成長并抑制平行于硅基板 155 平面的成長。可成長經適當摻雜半導體材料并使的填滿孔洞而形成高于孔洞的自立圓柱 物, 進而制造出底二極管區 260, 如圖 13 所示。
     再次地, 由于硅與半導體二極管材料間的晶格不匹配情形, 可能于底二極管區 260 與硅基板 155 的介面處產生錯配差排 (misfit dislocation)。 貫穿差排可依照一角度向上 傳播, 因而為介電層 160 內的孔洞的圓滑側壁所攔截并終止。捕捉區可仍大體位于介電層 的孔洞 250 內, 而貫穿差排可于其內起使與終止, 故于圖 13 內并看不到捕捉區。于圖 13 內 看的到的底二極管區 260 的整個區域位于高于捕捉區之上。此底二極管區 260 的上方區域 可相對地不具有結晶缺陷, 因而適用于高效裝置的制作。 對于特殊因素, 底二極管區 260 的圓柱物具有非常小的直徑, 其較佳地低于 100 納 米, 底二極管區 260 內的半導體材料可經歷了完整的彈性放松 (elastic relaxation) 而不 會形成有任何的晶格不匹配缺陷。于此情形中, 便不會有為介電層側壁所捕捉的任何貫穿 差排, 且二極管內并不會包含一 “捕捉區” 。
     上述成長條件可經過調整, 使得用于有源二極管區 265 的材料可依照大體相同的 速率而成長于底二極管區 260 的頂部與側面之上。半導體材料順應地成長于底二極管區 260 的頂部與側面之上, 以形成如圖 14 所示的有源二極管區 265。
     如圖 15 所示, 半導體材料順應地成長于有源二極管區 265 的頂部與側面之上, 以 形成頂二極管區 270。可成長不連續的頂二極管區 270, 使得半導體二極管具有如圖 15 所 示的自立圓柱物的形態, 形成如圖 16 所示的具有連續形態的頂二極管區 275。
     于頂二極管區 275 的露出表面上成長一頂電性接觸物 280, 以及于硅基板 155 的下 方成長一底電性接觸物 285, 如圖 16 所示。
     如圖 16 所示的二極管可包括 :
     一硅基板 155 ; 一介電層 160, 其包括露出了硅基板表面的一孔洞 250, 孔洞 250 具 有大體垂直的側壁, 且孔洞 250 的深度與直徑的比例可大于 1 ; 半導體材料的底二極管區 260, 填入于孔洞內并依照一圓柱物的形狀向上延伸 ; 一捕捉區, 位于底二極管區 260 的最 下方片段內的, 于該處貫穿差排可為位于介電材料 160 內孔洞的圓滑側壁所攔截并終止 ; 半導體材料的有源二極管區 265, 順應地成長并環繞底二極管區 260 ; 頂二極管區 275, 順應 地成長并環繞有源二極管區 265 ; 頂電性接觸物 280 ; 及底電性接觸物 285。
     以下方法為解說方法用于制造如圖 16 所示的實施例的兩種方法。
     圖 17 摘要了一方法, 其包括了下述步驟。 于步驟 1100 包括沉積如介電材料 160 的 一層介電材料于如硅基板 155 的一硅基板表面之上。步驟 1105 包括了形成如孔洞 250 的 一孔洞于介電材料的膜層內, 以露出硅基板的表面, 孔洞具有大體垂直的側壁且孔洞的深 度與直徑的比例可大于或等于 1。步驟 1110 包括了選擇成長條件, 其利于垂直于硅基板平
     面的成長并抑制水平于硅基板平面的成長。步驟 1115 包括了成長一半導體材料以形成底 二極管區, 例如底二極管區 260, 其填滿了孔洞并依照圓柱物的形狀向上延伸。 步驟 1120 包 括選擇成長條件, 使得半導體材料用于有源二極管區, 例如有源二極管區 265, 可于接近相 同的速率下成長于底二極管區的頂部與側面之上。步驟 1125 包括成長一半導體材料, 順應 地環繞底二極管區的頂部與側面, 以形成一有源二極管區, 如有源二極管區 265。步驟 1130 包括成長一半導體材料, 順應地環繞有源二極管區的頂部與側面, 以形成一頂二極管區, 如 頂二極管區 275。步驟 1135 包括了形成一頂電性接觸物, 例如頂電性接觸物 280, 于頂二極 管區的表面。 步驟 1140 包括形成一底電性接觸物, 例如底電性接觸物 285, 于硅基板的底部 上。
     另一方法則并不依靠成長具有圓柱物的形狀的自立底二極管區的能力。 其起使于 使用經適當摻雜的硅基板 155, 例如圖 18 所示。于硅基板 155 表面之上成長如氮化硅的一 第一介電層 210。
     成長一第二介電層 215 于第一介電層 210 上。于部分實施例中, 用于第二介電層 215 的較佳材料為二氧化硅。
     形成具有大體垂直的側壁的孔洞 300, 其穿透第一介電層 210 與第二介電層 215, 進而露出硅基板 155 的表面。可以如標準光刻或反應性離子蝕刻工藝的不同技術以形成孔 洞 300。
     第一介電層 210 的厚度可大于或等于孔洞 300 的直徑。于如此的情形下, 第一介 電層 210 的圓滑側壁 (curved sidewalls) 可大體捕捉所有的差排缺陷。
     位于孔洞 300 底部的硅基板 155 的表面可經過前述潔凈方法的清潔。
     如圖 19 所示, 利用一半導體材料以填入于孔洞 300 以得到底二極管區 260。
     錯配差排 (misfit dislocation) 可能發生于底二極管區 260 與硅基板 155 的介 面處。貫穿差排可依照一角度而向上傳播, 進而為第一介電層 210 的圓滑側壁所攔截并終 止于捕捉區內, 其仍大體位于經填滿孔洞 300 的底部, 故因此于圖 19 內為看不到的。高于 捕捉區之上的底二極管區 310 的整個區域相對地不具有結晶缺陷, 因而適用于高效裝置的 制作。
     借由如采用氫氟酸與水的濕蝕刻的一程序以移除第二介電材料 215 的剩余部分 ( 如二氧化硅層 )。上述程序可選擇性地移除第二介電層 215( 如二氧化硅材料 ) 而不會攻 擊其他的第一介電層 210( 例如氮化硅材料 ) 或包括底二極管區 260 的其他半導體材料。
     最終結構如圖 13 所示。上述程序可繼續相對于圖 14- 圖 16 所示情形的前述方 法:
     如圖 14 所示, 形成一有源二極管區 265 ; 如圖 15 或圖 16 所示, 形成頂二極管區 270 或 275 ; 以及如圖 16 所示, 形成頂電性接觸物 280 與底電性接觸物 285。
     圖 20 摘要了前述方法, 其包括下述步驟。步驟 1200 中包括了沉積如第一介電層 210 的一第一層介電材料, 于如硅基板 155 的硅基板的表面上。步驟 1205 包括沉積如第二 介電層 215 的一第二層介電材料于第一介電層的表面上。步驟 1210 包括形成如孔洞 300 的一孔洞于第一層介電材料與第二層介電材料內以露出硅基板的表面, 此孔洞具有大體垂 直側壁, 孔洞 (300) 的深度與直徑的比例可大于或等于 1。步驟 1215 包括成長一半導體材 料于孔洞內以形成底二極管區, 如底二極管區 260。步驟 1220 包括選擇性移除了第二層介電材料的剩余部分。步驟 1225 包括成長一半導體材料, 順應地環繞底二極管區的頂部與側 面以形成一有源二極管區, 例如有源二極管區 265。 步驟 1230 包括成長一半導體材料, 順應 地環繞有源二極管區的頂部與側面以形成一頂二極管區, 例如頂二極管區 270 或 275。 步驟 1235 包括形成如頂電性接觸物 280 的一頂電性接觸物頂二極管區的表面上。步驟 1240 包 括形成如底電性接觸物 285 的一底電性接觸物于硅基板的底部上。
     于圓形孔洞 250 內沉積部分半導體材料并接著形成自立的底二極管區 260 時, 其 表現出獨特行為。特別地, 自立圓柱物可成長至圓形孔洞之外, 以形成六角柱狀物, 例如具 有六邊形的剖面情形而非圓形的剖面情形 ( 如圖 13 所示的元件 260、 如圖 14 所示的元件 265 與如圖 15 所示的元件 270)。在此, 半導體二極管內元件的標記與圖 12 至圖 16 所示情 形為相同的, 除了這些柱狀物將如前所述般具有六邊形的剖面。
     可較佳地使用六角柱狀物以增加半導體二極管的集結密度 (packingdensity), 其 借由將六角柱狀物依照六邊形陣列設置而非依照方形陣列設置。圖 21 顯示了數個二極管, 在此僅顯示了其內的頂二極管區 270, 且這些頂二極管區 270 依照一六邊形陣列設置而非 依照一方形陣列設置 ( 請注意圖 21, 其內柱狀物仍具有一圓形剖面而非一六邊形剖面 )。 由 孔洞 250 所形成的六邊形陣列形成于介電材料 160 內, 其并非依照一方形陣列形成。
     請參照圖 22, 顯示了一六邊形陣列的俯視情形, 顯示了半導體二極管按照六邊形 陣列設置的緊密集結情形。于圖 22 內的六邊形構件為具有六邊形剖面的頂二極管區 270。 介于六邊形構件間的這些區域為介電材料 160 的露出部分。另一實施例包括了如前述的數 個二極管, 與其他二極管依照六邊形陣列設置且具有六邊形剖面, 以達成緊密的集結情形。
     如圖 3 所示的二極管結構適用于發光二極管以及其他光電裝置。然而, 于多重結 太陽能電池 (multi-junction solar cells) 中, 來自于介電層 160 的光線反射將降低轉換 效率 (conversion efficiency)。 舉例來說, 假設基板 155 包括了為了捕捉相對低能量的光 子 (photons) 的一 p-n 結。這些相對低能量的光子將會入射于結構的頂面, 穿透頂二極管 區并 ( 依照其路徑 ) 可能也穿透了有源二極管區 185 與底二極管區 170, 接著抵達了介電層 160 處。這些光子的部分將為介電層 160 所反射, 并穿透了這些構件 170、 185 與 195 并自裝 置的頂面離開。由于太陽能電池并不會吸收上述部分的光子, 故其于程序中將造成損失。
     圖 25 顯示了裝置結構的一實施例。此結構可提供具有一縮減厚度 ( 如少于 20 納 米的厚度 ) 的一介電層, 其夠薄而使得光子可穿透其而非為其反射。為了建造此結構, 首先 提供如圖 23 內所示的硅基板。當制作包括硅層內這些結的一多重結太陽能電池時, 硅基板 155 可經過適當摻雜。 介電層 350 可成長于硅基板 155 之上并夠薄, 以大體使得所有入射光 可穿透。溝槽 335 形成于介電層之內。
     于反應器中的沉積條件經過調整, 以如前所述般利于垂直的成長并抑制水平的成 長。如圖 24 所示, 底二極管區 365 依照自立的鰭狀物的形狀而形成。
     于反應器中的沉積條件經過調整, 以使得垂直成長與水平成長的速率為近似相同 的。如圖 25 所示, 半導體材料可順應地形成并環繞底二極管區 365 的頂部與側面, 以形成 有源二極管區。
     由于介電層為極薄, 溝槽 335 的深寬比 ( 高度與寬度間的比例 ) 將少于 1。其結果 為, 介電層 350 的側壁并無法大體捕捉所有的貫穿差排 375。 這些貫穿差排 375 可繼續延伸 進入有源二極管區 380 內。值得注意的是, 當電子 - 空穴對接觸了貫穿差排 375 時, 其將再結合并因而降低了太陽能電池的效率。 然而, 上述結構并不考慮上述不良效應, 此于光子可 于其抵達貫穿差排 375 處之前穿透了位于二極管的上方部內的主要的光吸收區 390。相較 于貫穿差排 375 所占區域, 由于主要的光吸收區 390 相對為大, 故可吸收大多數光子。于貫 穿差排 375 處的電子空穴對的再結合可因而視為次要效應 (secondaryeffect) 而不會顯著 降低太陽能電池的效率。
     半導體材料順應地成長于有源二極管區 380 的頂部與側面以形成頂二極管區 395。同樣地, 接合缺陷 400 可出現于頂二極管區 395 內且位于相鄰鰭狀物接合處的成長前 線處。
     形成頂電性接觸物 410 于頂二極管區 395 的頂面, 以及形成底電性接觸物 415 于 硅基底 155 的底部。于一太陽能電池中, 接合缺陷 400 的影響可借由于其上覆蓋頂電性接 觸物 400 而得到緩合。
     如圖 25 所示實施例為由形成于硅基板上的化合物半導體或其他的晶格不匹配半 導體材料所形成的二極管, 其包括 :
     一硅基板 155 ; 一層介電材料 350 覆蓋了硅基板, 此層介電層包含露出硅基板 155 表面的一溝槽 355 且具有少于 20 納米的一厚度 ; 半導體材料的一底二極管區 365, 填入于 溝槽 355 內并依照一鰭狀物的形狀向上延伸 ; 半導體材料的一有源二極管區 380, 順應地成 長并環繞底二極管區 365 ; 半導體材料的一頂二極管區 395, 順應地成長并環繞有源二極管 區 380 ; 一頂電性接觸物 410 ; 與一底電性接觸物 415。
     圖 26 示出了制造如圖 25 所示的實施例的一方法。此方法包括了下述步驟。步驟 1300 包括了沉積如介電材料 350 的一層介電材料于如硅基板 155 的一硅基板的表面上, 其 具有少于或等于 20 納米的厚度。步驟 1305 包括形成如溝槽 355 的一溝槽于此層介電材料 內, 以露出硅基板 155 的表面, 此溝槽具有大體垂直側壁。步驟 1310 包括選擇成長條件, 其 利于垂直于基板平面的成長與抑制平行于基板平面的成長。步驟 1315 包括成長半導體材 料以形成一底二極管區, 例如底二極管區 365, 其填滿了上述溝槽并依照鰭狀物的形狀向上 延伸。步驟 1320 包括選擇成長條件, 使得如有源二極管區 380 的有源二極管區的半導體材 料可于接近相同速率下成長于底二極管區的頂部與側面上。步驟 1325 包括成長一半導體 材料, 順應地環繞底二極管區的頂部與側面以形成一有源二極管區。步驟 1330 包括形成一 半導體材料, 順應地環繞有源區的頂部與側面以形成一頂二極管區, 例如頂二極管區 395。 步驟 1335 包括形成如頂電性接觸物 410 的一頂電性接觸物于頂二極管區的表面上。步驟 1340 包括形成如底電性接觸物 415 的一底電性接觸物于硅基底的底部上。
     于部分應用中, 硅基板的存在將劣化了裝置表現。 舉例來說, 對于發光二極管所發 出的特定波長范圍內的光線而言, 硅可能會吸收此光線。 于一解說用的裝置結構中, 可如圖 28 所示般移除硅基底。 如圖 27 內所示, 于此工藝中用于制造如此裝置的步驟相同如圖 3 所 示結構, 僅簡單地于形成電性接觸物 200 與 203 的前將圖 3 所示結構反置。
     如圖 28 所示, 結合一握持基板或表面 430 與頂二極管區 195。握持基板 430 可為 發光二極管的封裝夾具 (packaging fixture) 的一部。在此, 可能需要借由如化學機械研 磨的適當技術以平坦化頂二極管區 190、 195 的表面, 借以牢靠地接合于握持晶片 430。
     握持基板 430 可為導電的, 或者其內包含了用于頂二極管區 195 的導電元件以作 為接觸物之用。 接合方法為公知的, 其包括了倒裝芯片接合方法的使用, 即將發光二極管的頂部接合于發光二極管封裝物的一部的表面上。
     接著借由如研磨、 采用如氫氧化四甲銨 (Tetramethyl ammoniumHydroxide, TMAH) 的化學品的蝕刻或激光剝落的一或多個方法, 以移除此起使的硅基板 155, 上述所有的移除 方法對于本領域普通技術人員為公知的。
     接觸物 435 與 440 使用反射性材料也有助于光線于依照最期望的方向而遠離發光 二極管。
     如圖 28 所示的實施例為由化合物半導體或其他的晶格不匹配半導體材料所制成 的二極管, 其包括 :
     包括一溝槽 165 的一層介電材料 160, 此溝槽具有大體垂直側壁, 且溝槽的高度與 寬度的比例可大于或等于 1 ; 半導體材料的鰭狀底二極管區 170, 填入于溝槽內 ; 一捕捉區 175, 位于底二極管區 170 內, 其中貫穿差排 180 可為溝槽 165 的側壁所攔截并終止 ; 半導 體材料的有源二極管區 185, 順應地成長并環繞底二極管區 170 ; 半導體材料的頂二極管區 195, 順應地成長并覆蓋有源二極管區 ; 一握持基板 430 ; 一頂電性接觸物 435 ; 以及一底電 性接觸物 440。
     圖 29 顯示了制造如圖 28 的實施例的一方法。此方法包括了下述步驟。步驟 1400 包括沉積如介電材料 160 的一層介電材料于如硅基底 155 的一硅基底的表面上。 步驟 1405 包括了形成了如溝槽 165 的一溝槽于介電材料的膜層內以露出硅基底的表面, 此溝槽具有 大體垂直側壁, 且溝槽的高度與寬度的比例可大于或等于 1。步驟 1410 包括了選擇成長條 件, 其利于垂直于硅基板平面的成長與抑制水平于硅基板平面的成長。步驟 1415 包括了成 長一半導體材料以形成一底二極管區, 例如底二極管區 170, 其填入于溝槽內并按照一鰭狀 物形狀向上延伸。步驟 1420 包括了選擇成長條件, 以使得用于如有源二極管 185 的有源區 的半導體材料可于接近相等速率下成長于底二極管區的頂部與側面之上。步驟 1425 包括 了成長一半導體材料, 順應地環繞底二極管區的頂部與側面以形成一有源二極管區。步驟 1430 包括了成長一半導體材料, 順應地環繞有源二極管區的頂部與側面以形成一頂二極管 區, 例如頂二極管區 190。步驟 1435 包括接合如握持基板 430 的一握持基板與頂二極管區 的表面。步驟 1440 包括了借由一化學或機械程序以移除硅基板。步驟 1445 包括了形成一 頂電性接觸物于介電層的露出表面上, 例如頂電性接觸物 435。步驟 1450 包括了形成一底 電性接觸物于握持基板的露出表面上, 例如底電性接觸物 440。
     形成如圖 28 所示的實施例的另一方法為借由如圖 11 所述方法而非如圖 7 所示方 法以形成如圖 9 所示的鰭狀物結構。
     降低或減少硅基板的光線吸收的另一方法為借由為于硅基板之上形成一反射物 (reflector)。如圖 32 所示實施例中顯示了一種方法, 其顯示了具有也可作為頂電性接觸 物的一反射物的一發光二極管。
     為了建造此結構, 提供如具 (111) 結晶表面的硅所形成的一基板 500, 其依照二極 管的形態而經 p 型或 n 型摻雜, 如圖 30 所示。接著可沉積或成長如氮化硅的第一層介電材 料 510, 如鎢的一層耐火金屬 520, 以及一第二層介電材料 530。 可選擇如鎢的一耐火層 / 材 料或耐火金屬 520, 由于此膜層 520 可承受后續膜層的成長溫度而不會融化。
     借由光刻及或反應性離子蝕刻以于此結構內形成一溝槽。
     可借由公知方法于溝槽側壁之上形成介電間隔物 550。 于間隔物工藝中, 所有露出表面 ( 第二層介電材料 530 的側壁、 耐火金屬 520、 第一層介電材料 510 及位于溝槽底部的 硅基板 500 露出表面 ) 順應地涂布有一層介電材料, 例如二氧化硅。接著將上述介電材料 置于一快速的各向異性離子蝕刻中, 其選擇性地移除了涂布水平表面上二氧化硅但留下了 涂布于垂直表面上的未反應的二氧化硅。如此可形成了介電間隔物 550。其并不會露出金 屬。
     選擇性地, 位于溝槽底部的硅基板 500 的露出表面可借由前述方法而經過潔凈。
     接著選擇成長條件, 其有利于垂直于硅基板 500 平面的成長與抑制平行于硅基板 500 平面的成長, 如前述的 Noborisaka 及其同事的文獻中所記載。半導體材料成長并填入 于溝槽內, 以形成按照鰭狀物的形狀向上延伸的一自立底二極管區 570。 半導體材料的成長 可采用金屬有機化學氣相沉積 (MOCVD) 所施行。由于半導體材料用于底二極管區并不允許 于介電間隔物 550 或第二介電材料層 530 之處聚集 (nucleate), 故此成長步驟的工藝裕度 ( 例如溫度與壓力的條件 ) 為狹窄的。
     貫穿差排 560 可依照相對于介于底二極管區 570 與硅基板 500 的介面如 45 度的 一角度向上傳播, 因而為介電間隔物 550 所攔截并于一捕捉區 555 內終止。為了大體捕捉 所有的貫穿差排, 捕捉區的深寬比 ( 介電間隔物 550 的高度與溝槽的寬度介于間隔物之間 的比例 ) 較佳地需大于或等于 1。
     接著選擇成長條件, 使得用于有源二極管區 580 的半導體材料可按照大體相同的 速率成長于鰭狀物的頂部與側面。 可順應地成長此半導體材料并環繞底二極管區的頂部與 側面, 以形成一有源二極管區 580。
     當使用金屬有機化學氣相沉積法時, 接著自如金屬有機化學氣相沉積反應器的反 應器內移出上述試樣, 并接著借由一濕蝕刻法以移除結構中的第二層介電材料 530。 舉例來 說, 當介電材料為氮化硅時, 接著可采用熱磷酸作為一良好的蝕刻劑。
     接著將此結構置回反應器中, 并選擇成長條件, 使得用于頂二極管區 590 的半導 體材料可如圖 31 所示般不僅依照大體相同速率成長于底二極管區的頂部與側面之上, 也 可同時將其涂布于耐火金屬 520 的表面上。接著借由成長一半導體材料, 以形成順應地涂 布并環繞有源二極管區 580 的頂部與側面 ( 并不需要繼續成長頂二極管區 590 使得頂二極 管區鄰近二極管的接合如圖 3 所示, 由于耐火金屬 520 的膜層可作為一電性接觸至頂二極 管區 590) 上的頂二極管區 590。同時地, 上述半導體材料的水平膜層也形成并涂布于耐火 金屬 520 表面之上。
     選擇性地, 可利用如二氧化硅的一第三層介電材料 600 以覆蓋頂二極管區 590 與 半導體材料 595 的水平膜層。
     可采用標準技術, 以形成穿透第三層介電材料 600 及穿透半導體材料 595 的水平 膜層, 如圖 31 所示。為了得到最佳結果, 介層開口 605 可選擇性地遠離這些二極管的元件 膜層 570、 580 與 590。
     最后, 借由沉積如鎢插拴或其他適當的公知材料的一適當材料 620 以填滿介層開 口 605 填滿, 并作為一頂電性接觸物 630, 如圖 32 所示。此外, 也形成一底電性接觸物 640。
     于附圖的實施例中, 圖 32 所示結構作為發光二極管, 耐火金屬層 520 不僅作為一 頂電性接觸物, 且也作為反射物。二極管內所產生的部分光線會向下傳播而朝向硅基板 500。這些光線的大部分將入射至耐火金屬層 520 處。舉例來說, 當耐火金屬層 520 使用如鎢的材料時, 其可反射所有的光線并使其向上。反射光線可離開結構并貢獻于發光二極管 的亮度。 于二極管內僅小部分的產生光線可能通過位于硅基板 500 內的捕捉區 555, 其可被 吸收并于工藝中形成損失。
     如圖 32 所示的實施例的另一范例為形成一孔洞以取代前述的第一溝槽內, 并于 其內依照圓柱物而非鰭狀物的形狀成長二極管。
     圖 32 所示實施例為由化合物半導體或其他的晶格不匹配半導體材料所形成的二 極管, 可包括 :
     一硅基板 500 ; 一層介電材料 510, 覆蓋了硅基板 500 ; 一層耐火金屬 520, 覆蓋了 介電材料 ; 半導體材料的一水平膜層 595, 覆蓋了耐火金屬 520 ; 一第一溝槽, 穿透了半導 體材料 595、 耐火金屬 520 與介電材料 510 并露出了硅基板 500 的表面, 第一溝槽具有大體 垂直側壁, 且第一溝槽的高度與寬度的比例大于或等于 1 ; 介電間隔物 550, 覆蓋了第一溝 槽的側壁 ; 半導體材料的底二極管區 570 填入于第一溝槽內, 并依照鰭狀物的形狀向上延 伸; 一捕捉區 555, 位于底二極管區 570 的最底片段, 于該處貫穿差排可為介電間隔物 550 所攔截并終止 ; 半導體落的一有源二極管區 580, 順應地成長并環繞底二極管區 570 ; 半導 體材料的一頂二極管區 590, 順應地成長并環繞有源二極管區 580 并接觸了半導體材料 595 的水平膜層 ; 一厚層介電材料 600, 覆蓋了頂二極管區 590 與半導體材料 595 的水平膜層 ; 一第二溝槽, 穿透了此厚層介電材料 600 與半導體材料 595 的水平膜層, 進而露出了耐火金 屬 520 的表面 ; 一金屬插拴或導電物 620, 填入了第二溝槽內并實體接觸了耐火金屬 520 的 膜層 ; 頂電性接觸物 630, 實體接觸了金屬插拴 620 ; 以及底電性接觸物 640, 實體接觸了硅 基板 500。 圖 33 顯示了圖 32 所示實施例的一制造方法。此方法包括了下列步驟。步驟 1500 包括了沉積如介電材料 510 的一層介電材料于硅基板 500 的硅基板的表面上。步驟 1505 包括了沉積如耐火金屬 520 的一層耐火金屬于第一層介電材料上。步驟 1510 包括了沉積 如介電材料 530 的一第二層介電材料于耐火金屬之上。步驟 1515 包括了形成一第一溝槽, 其穿透第二層介電材料、 耐火金屬與第一介電材料, 以露出硅基板的表面, 第一溝槽具有大 體垂直側壁, 且第一溝槽的高度與寬度的比例大于或等于 1。步驟 1520 包括形成一第三層 介電材料以涂布所有露出表面 ( 第二層介電材料、 第一溝槽的側壁、 與位于第一溝槽底部 的硅基板的表面 )。步驟 1525 包括了蝕刻去除第三層介電材料的水平表面, 進而留下了如 間隔物 550 的介電間隔物于第一溝槽的側壁上。步驟 1530 包括了選擇成長條件, 其 (i) 有 利于垂直于硅基板的表面上的成長 ; (ii) 抑制平行于第二基板的平面的成長 ; (iii) 不允 許半導體材料集結于第一介電材料或介電間隔物之上。步驟 1535 包括成長一半導體材料 以形成一底二極管區, 如底二極管區 570, 其填入第一溝槽內并依照一鰭狀物的形狀向上延 伸。步驟 1540 包括借由一選擇性濕蝕刻以移除第二層介電材料。步驟 1545 包括選擇成長 條件, 使得用于有源二極管區的半導體材料可依照大體相同的速率而成長于底二極管區的 頂部與側面之上。步驟 1550 包括成長一半導體材料, 順應地環繞底二極管區的頂部與側 面, 以形成一有源二極管區, 例如有源二極管區 580。步驟 1555 包括了選擇成長條件, 用于 頂二極管區的使得半導體材料, 例如頂二極管區 590 的, 可 (i) 依照近似相同的速率成長于 有源二極管區的頂部與側面之上, 以及 (ii) 涂布于耐火金屬的表面上。 步驟 1560 包括了成 長一半導體材料, 順應地環繞有源二極管區的頂部與側面以形成一頂二極管區, 且同時成
     長一半導體材料的水平膜層, 如半導體材料 595 的水平膜層, 其涂布于耐火金屬的表面上。 步驟 1565 包括使用了如介電材料 600 的一第三層介電材料以涂布于頂二極管區與半導體 材料的水平膜層之上。步驟 1570 包括形成如介層開口 605 的一介層開口, 其穿透了第三層 介電材料與半導體材料的水平膜層。步驟 1575 包括了借由沉積如金屬插拴或導體 620 的 一金屬插拴以填滿介層開口, 其接觸了耐火金屬膜層并形成一頂電性接觸物, 如頂電性接 觸物 630。步驟 1580 中包括了成長一底電性接觸物于硅基板的底部上, 例如底電性接觸物 640。
     圖 35 顯示了用于發光二極管的未來可能的主流但不一定的另一實施例, 其利 用了當于介電層內的孔洞或溝槽內成長氮化鎵的優點, 其可自然地具有如六邊形金字塔 (six-sided pyramid) 形狀的結晶表面的結果。 為了制作此實施例, 如圖 34 所示, 首先提供 一硅基板 700。沉積一層介電材料 710。于介電材料內借由一光刻工藝及或一蝕刻工藝以 形成一孔洞 720, 進而露出硅基板表面的一部。在此建議, 位于孔洞底部的硅基板 700 的表 面可借由前述方法的經過潔凈。
     如圖 35 所示, 接著成長一半導體材料以形成底二極管區 730。( 于此實施例中, 所 有半導體材料可為 III- 氮化物材料, 例如氮化鎵 )。底二極管區 730 的半導體材料填滿了 孔洞 720 并依照六邊形金字塔形狀自然地向上成長至孔洞之上。
     于其他實施例中, 孔洞 720 的深度與直徑的比例較佳地大于或等于 1 以使得此結 構可捕捉差排缺陷。差排缺陷 740 可形成于底二極管區 730 與硅基板 700 的介面處。這些 差排缺陷可依照一角度向上傳播, 而為介電層 710 的側壁所攔截并于捕捉區 750 內終止, 使 得于底二極管區 730 的上方部內形成了相對無缺陷的氮化鎵材料。
     接著順應地形成一半導體材料于金字塔形狀的底二極管區 730 之上以形成一有 源二極管區 760。
     接著順應地形成一半導體材料于金字塔形狀的有源二極管區 760 之上以形成一 頂二極管區 770。 在此建議, 可依照位于相鄰二極管上的頂二極管區 770 相結合的一方式成 長頂二極管區 770 的半導體材料。此方法的優點在于可使用單一條狀的金屬以作為提供電 流用于多重二極管的頂電性接觸物 780, 而電流可通過頂二極管區 770 而自一二極管流通 至另一二極管。
     最后, 形成頂電性接觸物 780 與底電性接觸物 790。 頂電性接觸物可為如金屬的條 狀物或如銦錫氧化物的透明導電物的單一膜層。 由于頂電性接觸物阻擋了由裝置所發出的 光線, 故較佳地可降低或減少頂電性接觸物 780 所使用的區域面積。即使為 “透明接觸物” , 其通常并非為 100%透光的。
     如圖 35 所示的結構提供了不同優點。相較于本發明中所討論的其他實施例, 由于 氮化鎵可按照六邊型金字塔形狀自然地成長, 故其成長情形為較為簡單。 p-n 二極管的表面 區域可大于硅基板 700 的表面區域。上述優點極為重要, 由于其增加了裝置所占據區域內 的每單位面積的光子輸出量 (photonoutput)。 底二極管區并不限定為如前述實施例所示的 窄的柱狀物或鰭狀物。 于當窄的底二極管區于高電流操作下可能導致了不良的串聯電組的 情形時, 上述實施情形將成為不同于其他實施例的一優點。位于介于底二極管區 730 與有 源二極管區 760 間介面處以及位于有源二極管區 760 與頂二極管區 770 間介面處的氮化鎵 的結晶表面為半極化平面 (semi-polar planes), 其意味著發光二極管的內部量子效率可大于當其結晶表面位于極化 c- 平面的介面處的表現。
     于另一結構中, 如圖 35 所示的實施例可借由于介電層內的深寬比捕捉開口而非 如圖所示的孔洞或溝槽而形成。
     接下了為依據本發明的實施例的用于形成底二極管區、 有源二極管區與頂二極管 區的工藝參數的范例。首先基板與圖案化的介電層提供。依據如圖 35 所示實施例的用于 形成 GaN 與 InGaN- 基發光二極管的底二極管區、 有源二極管區與頂二極管區的成長條件的 工藝參數 ( 如采用化學氣相沉積法 ) 如下文所述。于本范例中, 底二極管區可包括兩個膜 層。第一 GaN 膜層的成長條件作為一低溫緩沖物 ( 如 30nm 厚 ) 包括 (i) 壓力 : 100Torr ; (ii) 前驅物 : 稀釋于氫氣中的三甲基鎵 (trimethylgallium, TMG) 與氨氣 (NH3) ; (iii) 溫 度: 530 ℃ (iv) 摻雜種類 : 如硅的 N 型摻雜。而一第二 GaN 膜層的成長條件作為一高溫 緩沖物 ( 如 500nm 厚 ) 包括 : (i) 壓力 : 100Torr ; (ii) 前驅物 : 稀釋于氫氣中的三甲基鎵 (trimethylgallium, TMG) 與氨氣 (NH3) ; (iii) 溫度 : 1030 ℃ ; 及 (iv) 摻雜種類 : 如硅的 N 型摻雜。于本范例中, 有源二極管區可具有兩個膜層。成長條件用于第一 InGaN 膜層作 為一量子阱用于發射 ( 如 2nm 厚 ), 包括 : (i) 壓力 : 100Torr ; (ii) 前驅物 : 稀釋于氮氣中 的三甲基鎵 (trimethylgallium, TMG)、 三甲基鋁 (trimethyindium, TMI)、 氨氣 ; (iii) 溫 度: 740℃ ; 以及 (iv) 摻雜種類 : 未經摻雜。一第二層的 GaN 作為阻障層用于載流子限制的 ( 如 15nm 厚 ) 的成長條件包括 : (i) 壓力 : 100Torr ; (ii) 前驅物 : 稀釋于氫氣中的三甲基 鎵 (trimethylgallium, TMG)、 NH3 ; (iii) 溫度 : 860℃; 及 (iv) 摻雜種類 : 如硅的 N 型摻雜。 于本范例中, 頂二極管位于有源二極管之上。成長條件用于一層 GaN( 如 100nm 厚 ), 包括 : (i) 壓力 : 100Torr ; (ii) 前驅物 : 稀釋于氮氣中的三甲基鎵 (trimethylgallium, TMG) 與氨 氣; (iii) 溫度 : 950℃; 以及 (iv) 摻雜類型 : 如鎂的 P 型摻雜。頂二極管區可作為一 p 接觸 層。
     圖 35 所示的實施例為使用 III- 氮化物 (III-nitride) 半導體材料的一半導體二 極管, 例如為位于硅基板上的氮化鎵, 其包括 :
     一硅基板 700 ; 一介電層 710, 包括露出了硅基板表面的一孔洞 720, 孔洞 720 具有 大體垂直側壁, 且孔洞 720 的深度與直徑的比例可大于 1 ; 半導體材料的底二極管區 730, 填 入于孔洞內并依照六邊型金字塔形狀向上延伸 ; 捕捉區 750, 位于底二極管區 730 的最底片 段內, 而貫穿差排 740 可為介電材料 710 的彎曲側壁所攔截并終止 ; 半導體材料的有源二極 管區 760, 順應地成長環繞底二極管區 730 ; 半導體材料的頂二極管區 770, 順應地成長于有 源二極管區 760 ; 底電性接觸物 780 ; 以及底電性接觸物 790。
     圖 36 顯示了如圖 35 所示實施例的一制造方法。其關于于一硅基板上形成由 III- 氮化物半導體所制成的一發光二極管, 包括下列步驟。 步驟 1600 包括沉積如半導體材 料 710 的一層半導體材料于如硅基板 700 的一硅基板的表面上。 步驟 1605 包括形成如孔洞 720 的一孔洞于此層介電材料內以露出硅基板的表面, 此孔洞具有大體垂直側壁, 而孔洞的 深度與直徑的比例可大于或等于 1。步驟 1610 包括成長 III- 氮化物半導體材料, 以形成 一底二極管區, 例如底二極管區 730, 其填滿了孔洞并依照六邊型金字塔形狀向上延伸。步 驟 1615 包括形成一 III- 族半導體材料, 順應地環繞底二極管區的頂部與側面以形成有源 二極管區, 如有源二極管區 760。步驟 1620 包括成長一 III- 氮化物半導體材料, 順應地環 繞有源二極管區的頂部與側面以形成一頂二極管區, 例如頂二極管區 770。步驟 1625 包括形成一頂電性接觸物于頂二極管區 770 之上, 例如頂電性接觸物 780。步驟 1630 包括了形 成一底電性接觸物位于硅基板的底部上, 例如底電性接觸物 790, 。
     如圖 38 所示實施例為圖 35 所示實施例的一變化情形, 其移除了硅基板以消除吸 收由發光二極管所產生的光線的可能性。首先提供如圖 34 所示結構。接著成長半導體材 料以形成底二極管區, 如圖 37 所示。底二極管區 730 的半導體材料填滿了孔洞 710 并依照 六邊形金字塔形狀成長。
     III- 氮化物半導體材料可順應地形成于底二極管區 730 的頂部與側面, 以形成有 源二極管區 760。
     III- 氮化物半導體材料可順應地形成于有源二極管 760 的頂部與側面以形成頂 二極管區 780。 于此情形中, 頂二極管區將持續成長直至來自于相鄰二極管的成長前線相接 合。選擇性步驟為平坦化頂二極管區 800 的表面, 其較佳地依照結晶表面品質而決定。
     將上述結構反置, 并結合一握持晶片 810 于頂二極管區 800 的表面 ( 其中現在位 于結構的底部 ), 如圖 38 所示。握持基板 810 可為發光二極管封裝夾具的一部。于部分實 施例中, 握持基板 810 為導電的, 而于其他實施情形中, 其內包含了用于頂二極管區 800 的 導電元件以作為接觸物之用。
     接著借由如研磨、 采用如氫氧化四甲銨 (Tetramethyl ammoniumHydroxide, TMAH) 的化學品的蝕刻或激光剝落的一或多個方法, 以移除此起使的硅基板 700。
     接著形成頂電性接觸物 820 與底電性接觸物 830, 以形成如圖 38 所示的完整結構。
     圖 38 的實施可具有相同于圖 35 所示實施例的優點, 且由于其并不包括可吸收內 部產生光線的硅基板 700, 故其額外地具有較佳汲光效率 (extractionefficiency)。
     圖 38 所示實施例可包括由 III- 氮化物半導體材料所制成的一半導體二極管, 例 如位于一硅基板上的氮化鎵材料, 其包括 :
     一層介電材料 710, 包括一孔洞 720, 此孔洞 720 具有大體垂直側壁, 而孔洞 720 的 深度與直徑的比例可大于或等于 1 ; 半導體材料的底二極管區 730, 填入于孔洞 720 內并依 照六邊形金字塔形狀形成 ; 捕捉區 750, 位于底二極管區 730 之內, 其中貫穿差排 740 可為 孔洞的側壁所攔截并終止 ; 半導體材料的有源二極管區 760, 順應地成長環繞底二極管區 730 ; 半導體材料的頂二極管區 800, 順應地成長環繞有源二極管區 ; 握持基板 810 ; 頂電性 接觸物 820 以及底電性接觸物 830。
     圖 39 顯示了如圖 38 所示實施例的一制造方法。其為于硅基板上由 III- 氮化物 半導體所制成的發光二極管的方法, 包括下述步驟 :
     步驟 1700 包括沉積如半導體材料 710 的一層半導體材料于如硅基板 700 的一硅 基板的表面上。步驟 1705 包括了形成如孔洞 720 的一孔洞于此層介電材料內, 以露出硅 基板的表面, 此孔洞具有大體垂直側壁, 而孔洞的深度與直徑的比例可大于或等于 1。步驟 1710 包括成長 III- 氮化物半導體材料以形成一底二極管區, 例如底二極管區 730, 其填滿 了孔洞并依照六邊型金字塔形狀向上延伸。 步驟 1715 包括形成一 III- 族半導體材料, 順應 地環繞底二極管區的頂部與側面以形成有源二極管區, 如有源二極管區 760。步驟 1720 包 括了成長一 III- 氮化物半導體材料, 順應地環繞有源二極管區的頂部與側面以形成一頂 二極管區, 例如頂二極管區 800。步驟 1725 包括持續成長頂二極管區直至相鄰二極管上的 成長前線相接合。步驟 1730 包括平坦化頂二極管區的表面。步驟 1735 包括連結如握持基板 810 的一握持基板與頂二極管區的表面。步驟 1740 包括借由一化學或機械工藝以移除 硅基板。步驟 1745 包括了形成一頂電性接觸物于介電材料的露出表面之上, 例如頂電性接 觸物 820。步驟 1750 包括形成一底電性接觸物于硅基板的底部上, 例如底電性接觸物 830。
     本發明的實施例提供了借由深寬比捕捉技術而沉積于硅基板上的化合物半導體 或其他晶格不匹配半導體所制成的新穎且有用的二極管結構。 上述半導體二極管適用于于 太陽能電池、 發光二極管、 共振穿隧二極管、 半導體激光與其他裝置的為基礎結構。
     本發明的一目的在于降低太陽能電池、 發光二極管以及其他化合物半導體裝置的 成本, 其借由將其形成于高品質、 大面積、 低成本的硅晶片上而非較小較貴的基板上所達 成。
     本發明的另一目的在于改善發光二極管的汲出效率與內部量子效率, 其借由采用 III- 氮化物半導體的非極化平面所達成。
     因此, 本發明的一實施例關于一種二極管, 包括 :
     一基板 ; 一介電材料, 包括露出該基板的一部的一開口, 該開口具有至少為 1 的深 寬比 ; 一底二極管材料, 包括至少部分地設置于該開口內的一下方區以及延伸至高于該開 口上的一上方區, 該底二極管材料包括晶格不匹配于該基板的一化合物半導體材料 ; 一頂 二極管材料, 鄰近于該底二極管材料的該上方區 ; 以及一有源二極管區, 位于該頂二極管材 料與該底二極管材料之間, 該有源二極管區包括了延伸遠離該基板的該頂面的一表面。
     上述基板擇自由硅、 藍寶石與碳化硅所組成的族群。上述基板為具有一結晶方向 為 (111) 或 (100) 的一單晶硅晶片。上述介電材料包括二氧化硅或氮化硅。上述半導體材 料包括了擇自實質上由一 III-V 族化合物、 一 II-VI 族化合物、 一 IV 族合金所組成族群的 一材料。
     上述二極管包括由上述頂二極管材料與上述底二極管材料的結所形成的一 p-n 結。上述有源二極管區包括不同于上述頂二極管材料與上述底二極管材料的一材料, 而上 述有源二極管材料構成了位于上述頂二極管材料與上述底二極管材料間的一 p-i-n 結的 一本征區。上述有源二極管區包括多重量子阱, 形成于上述頂二極管材料與上述底二極管 材料之間。
     上述開口具有位于兩軸向上至少為 1 的深寬比的一溝槽或一孔洞。
     上述底二極管材料包括一 n 型摻質, 而上述頂二極管材料包括一 p 型摻質。
     上述底二極管材料的上方區可為高于開口的一鰭狀物。 上述底二極管材料的上方 區可為高于開口的一柱狀物。
     上述二極管還包括形成于頂二極管區上的一接觸物。 上述接觸物可包括一透明導 體。此二極管可還包括鄰近于基板的一第二接觸物。
     本發明的另一實施例關于一種二極管, 包括 :
     一基板 ; 一介電材料, 包括露出該基板的一部的一開口, 該開口具有至少為 1 的深 寬比 ; 一底二極管材料, 包括至少部分地設置于該開口內的一下方區以及延伸至高于該開 口上的一上方區, 該下方區包括了多個錯配差排其終止于該上方區內, 該底二極管材料包 括晶格不匹配于該基板的一化合物半導體材料 ; 一頂二極管材料, 鄰近于該底二極管材料 的該上方區 ; 以及一有源二極管區, 位于該頂二極管材料與該底二極管材料之間, 該有源二 極管區包括了延伸遠離該基板的該頂面的一表面。上述有源二極管區包括由該頂二極管材料與該底二極管材料的結所形成的一 p-n 結。上述有源二極管區包括不同于該頂二極管材料與該底二極管材料的一材料, 而上述有 源二極管區構成了位于上述頂二極管材料與上述底二極管材料間的一 p-i-n 結的一本征 區。上述有源二極管區包括多重量子阱, 形成于上述頂二極管材料與上述底二極管材料之 間。
     此基板擇自由硅、 藍寶石與碳化硅所組成的族群。此基板為具有一結晶方向為 (111) 或 (100) 的一單晶硅晶片。此介電材料包括二氧化硅或氮化硅。上述半導體材料包 括了擇自實質上由一 III-V 族化合物、 一 II-VI 族化合物、 一 IV 族合金所組成族群的一材 料。
     上述開口為位于兩軸向上的具有至少為 1 的深寬比一溝槽或一孔洞。
     上述底二極管材料包括一 n 型摻質, 而上述頂二極管材料包括一 p 型摻質。上述 底二極管材料的上方區可為高于開口的一鰭狀物。 上述底二極管材料的上方區可為高于開 口的一柱狀物。
     上述二極管還包括形成于頂二極管區上的一接觸物。此接觸物可包括一透明導 體。此二極管可還包括鄰近于基板的一第二接觸物。 本發明的另一實施例關于一種二極管, 包括 :
     一基板 ; 具有不超過 20 納米厚度的一介電材料, 位于該基板上, 包括露出該基板 的一部的一開口, 該開口具有至少為 1 的深寬比 ; 一底二極管材料, 包括至少部分地設置于 該開口內的一下方區以及延伸至高于該開口的一上方區, 該底二極管材料包括晶格不匹配 于該基板的一化合物半導體材料 ; 一頂二極管材料, 鄰近于該底二極管材料的該上方區 ; 以及一有源二極管區, 位于該頂二極管材料與該底二極管材料之間, 該有源二極管區包括 了延伸遠離該基板的該頂面的一表面。
     上述有源二極管區包括由上述頂二極管材料與上述底二極管材料的結所形成的 一 p-n 結。上述有源二極管區包括不同于上述頂二極管材料與上述底二極管材料的一材 料, 而上述有源二極管區構成了位于上述頂二極管材料與上述底二極管材料間的一 p-i-n 結的一本征區。上述有源二極管區包括多重量子阱, 形成于上述頂二極管材料與上述底二 極管材料之間。
     上述基板擇自由硅、 藍寶石與碳化硅所組成的族群。上述基板為具有一結晶方向 為 (111) 或 (100) 的一單晶硅晶片。上述介電材料包括二氧化硅或氮化硅。上述半導體材 料包括了擇自實質上由一 III-V 族化合物、 一 II-VI 族化合物、 一 IV 族合金所組成族群的 一材料。
     上述開口為位于兩軸向上具有至少為 1 的深寬比的一溝槽或一孔洞。
     上述底二極管材料包括一 n 型摻質, 而上述頂二極管材料包括一 p 型摻質。底二 極管材料的上方區可為高于開口的一鰭狀物。 底二極管材料的上方區可為高于開口的一柱 狀物。
     上述二極管還包括形成于頂二極管區上的一接觸物。此接觸物可包括一透明導 體。此二極管可還包括鄰近于基板的一第二接觸物。
     本發明的另一實施例關于一種二極管, 包括 :
     一基板 ; 一介電材料, 包括分別露出該基板的一部的多個開口 ; 多個底二極管片
     段, 分別包括至少部分地設置于所述多個開口的一內的一下方區以及延伸至高于所述多個 開口的一上的一上方區, 所述多個底二極管片段包括晶格不匹配于該基板的一化合物半導 體材料 ; 連續的一頂二極管片段, 鄰近于所述多個底二極管片段的所述上方區 ; 以及多個 有源二極管區, 分別位于所述多個頂二極管片段與該底二極管片段之間, 所述多個有源二 極管區分別包括了延伸遠離該基板的該頂面的一表面。
     上述有源二極管區包括由上述頂二極管片段與上述底二極管電段的結所形成的 一 p-n 結。上述有源二極管區包括不同于上述頂二極管片段與上述底二極管電段的一材 料, 而該有源二極管區構成了位于上述頂二極管片段與上述底二極管電段間的一 p-i-n 結 的一本征區。上述有源二極管區包括多重量子阱, 形成于上述頂二極管片段與上述底二極 管片段之間。
     上述基板擇自由硅、 藍寶石與碳化硅所組成的族群。上述基板為具有一結晶方向 為 (111) 或 (100) 的一單晶硅晶片。上述介電材料包括二氧化硅或氮化硅。上述半導體材 料包括了擇自實質上由一 III-V 族化合物、 一 II-VI 族化合物、 一 IV 族合金所組成族群的 一材料。
     上述開口為位于兩軸向上具有至少為 1 的深寬比的一溝槽或一孔洞。
     上述底二極管材料包括一 n 型摻質, 而上述頂二極管材料包括一 p 型摻質。上述 底二極管材料的上方區可為高于開口的一鰭狀物。 上述底二極管材料的上方區可為高于開 口的一柱狀物。
     上述二極管還包括形成于頂二極管區上的一接觸物。此接觸物可包括一透明導 體。此二極管可還包括鄰近于基板的一第二接觸物。
     本發明的另一實施例關于一種二極管, 包括 :
     一基板 ; 一底二極管材料, 晶格不匹配于該基板, 延伸于該頂面之上且包括具有橫 跨該頂面的一寬度與高于該頂面的一高度的一底二極管片段 ; 一頂二極管材料, 鄰近于該 底二極管材料 ; 以及一有源二極管區, 位于該頂二極管材料與該底二極管材料之間, 該有源 二極管區包括了延伸遠離該基板的該頂面的一表面。
     上述有源二極管區包括由上述頂二極管材料與上述底二極管材料的結所形成的 一 p-n 結。上述有源二極管區包括不同于上述頂二極管材料與上述底二極管材料的一材 料, 而上述有源二極管區構成了位于上述頂二極管材料與上述底二極管材料間的一 p-i-n 結的一本征區。上述有源二極管區包括多重量子阱, 形成于上述頂二極管材料與上述底二 極管材料之間。
     上述基板擇自由硅、 藍寶石與碳化硅所組成的族群。上述基板為具有一結晶方向 為 (111) 或 (100) 的一單晶硅晶片。上述介電材料包括二氧化硅或氮化硅。上述半導體材 料包括了擇自實質上由一 III-V 族化合物、 一 II-VI 族化合物、 一 IV 族合金所組成族群的 一材料。
     上述開口為位于兩軸向上的具有至少為 1 的深寬比的一溝槽或一孔洞。
     上述底二極管材料包括一 n 型摻質, 而上述頂二極管材料包括一 p 型摻質。底二 極管材料的上方區可為高于開口的一鰭狀物。 底二極管材料的上方區可為高于開口的一柱 狀物。
     上述二極管還包括形成于頂二極管區上的一接觸物。此接觸物可包括一透明導體。此二極管可還包括鄰近于基板的一第二接觸物。
     本發明的另一實施例關于一種二極管的制造方法, 包括 :
     沉積一層介電材料于一基板之上 ; 形成第一與第二開口于該介電材料內以露出該 基板的一部, 所述開口分別具有至少為 1 的一深寬比 ; 成長晶格不匹配于該基板的化合物 半導體材料于該第一開口內并高于該第一開口, 以形成一第一底二極管區 ; 成長晶格不匹 配于該基板的化合物半導體材料于該第二開口內并高于該第二開口, 以形成一第二底二極 管區 ; 形成一第一有源二極管區, 鄰近該第一底二極管區 ; 形成一第二有源二極管區, 鄰近 該第二底二極管區 ; 形成一第一頂二極管區, 鄰近該第一有源二極管區 ; 以及形成一第二 頂二極管區, 鄰近該第二有源二極管區。
     上述第一與第二有源二極管區包括多重量子阱。
     上述基板擇自由硅、 藍寶石與碳化硅所組成的族群。上述基板為具有一結晶方向 為 (111) 或 (100) 的一單晶硅晶片。上述介電材料包括二氧化硅或氮化硅。
     上述半導體材料包括了擇自實質上由一 III-V 族化合物、 一 II-VI 族化合物、 一 IV 族合金所組成族群的一材料。
     本發明的另一實施例關于一種二極管, 包括 :
     一基板、 一介電材料位于該基板上, 介電材料包括數個開口的陣列 ; 多個底二極管 片段形成于所述開口的陣列之上與其內, 各底二極管片段包括至少自該介電材料延伸遠離 的一側壁, 所述多個底二極管片段包括晶格不匹配于基板的一半導體材料 ; 多個頂二極管 片段鄰近于所述多個底二極管片段 ; 以及多個有源二極管區, 位于所述多個頂二極管片段 與所述多個底二極管片段之間, 所述多個有源二極管區分別包括自該基板的該頂面延伸遠 離一表面。
     上述開口具有至少為 0.5、 1、 2、 或比 3 大的一深寬比。 上述底二極管片段可包括延 伸大體垂直向上且高于介電材料的至少一側壁。上述底二極管區可具有一六邊形剖面。上 述開口可依照六邊形陣列排列。頂二極管片段可形成為一單一連續材料膜層。二極管可為 一發光二極管。
     本發明的另一實施例關于一種二極管, 包括 :
     一基板 ; 一第一介電層, 位于該基板之上 ; 一層耐火金屬, 位于該第一介電層之 上; 一開口, 穿透該第一介電層與該層耐火金屬, 該開口具有介電側壁 ; 一底二極管區, 包 括晶格不匹配于基板的化合物半導體, 該底二極管區設置于開口內并高出該開口 ; 一頂二 極管區, 鄰近該底二極管區 ; 以及一有源二極管區。 設置于該頂二極管區與該底二極管區的 一部之間。
     該開口具有至少為 1 的一深寬比, 且可為一溝槽。上述二極管可還包括一第二介 電層, 覆蓋至少該頂二極管區的一部。 上述二極管可還包括一第二開口, 延伸穿透該第二介 電層與一第一接觸物, 與包括一金屬插拴的第一接觸物, 該金屬插拴填滿了該第二開口并 接觸了耐火金屬膜層。二極管可還包括一第二接觸物, 位于該基板的底部。
     本發明的另一實施例關于一種二極管的制造方法, 包括 :
     沉積第一層介電材料于一基板上 ; 沉積一層耐火金屬于第一層介電材料之上 ; 沉 積一第二層介電材料于該層耐火金屬之上 ; 形成由延伸穿透第一層介電材料、 該層耐火金 屬與該第二層介電材料的側壁所定義而成的一開口, 以露出該基板的一表面 ; 形成一層介電材料于開口的側壁上 ; 借由成長晶格不匹配于基板的一化合物半導體于開口內并高出開 口以形成一底二極管區 ; 形成一有源二極管區鄰近該底二極管區的一部 ; 以及形成一頂二 極管區鄰近該有源二極管區。
     此方法還包括 : 沉積一第三層介電材料于頂二極管區上, 其順應地覆蓋有源二極 管區與該耐火金屬 ; 形成一介層開口, 其穿透第三層介電材料與覆蓋耐火金屬的該頂二極 管區的一部 ; 于介層開口內填入一金屬插拴, 使得金屬插拴接觸耐火金屬的膜層 ; 以及形 成一頂電性接觸物。
     本發明的另一實施例關于一種二極管, 包括 :
     一基板 ; 一介電層, 位于該基板之上 ; 該介電層包括具有至少為 1 的深寬比的一 開口 ; 一底二極管區, 設置于該開口內及其上, 該底二極管區包括具有六邊行結晶晶格的一 化合物材料 ; 該底二極管區包括由化合半導體材料的非極化平面所定義形成的側壁 ; 一頂 二極管區, 鄰近于底二極管區 ; 以及一有源二極管區, 位于該頂二極管區與該底二極管區之 間。
     上述基板可為具有一立方晶格 (cubic lattice) 的結晶基板。上述非極化平面可 為一 a- 平面或為一 m- 平面。上述開口可為一溝槽或一孔洞。
     本發明的另一實施例關于一種二極管, 包括 :
     一基板 ; 一介電層, 位于該基板之上, 包括一開口、 不匹配于基板的一半導體材料 晶格, 設置于該開口內 ; 以及包括金字塔形 p-n 結的一金字塔二極管, 設置于該開口之上。
     上述金字塔二極管可還包括一頂二極管材料、 一有源二極管材料與一底二極管材 料。 上述金字塔二極管可具有大于約 3 微米的一高度, 或可具有大于約 5 微米的一高度。 上 述金字塔二極管可包括具有一厚度少于約 2 微米的一頂電性接觸物, 或具有一厚度少于約 0.5 微米的一頂接觸膜層。上述金字塔二極管可包括一底接觸膜層。
     上述二極管可還包括多重金字塔二極管, 具有相接合的各別頂二極管材料。此二 極管可還包括一透明頂接觸層。此二極管可還包括一握持基板。
     此基板擇自由硅、 藍寶石與碳化硅所組成的族群。該半導體材料包括了擇自實質 上由一 III-V 族化合物、 一 II-VI 族化合物、 一 IV 族合金所組成族群的一材料。
     本發明的另一實施例關于一種二極管的制造方法, 包括 :
     提供一基板 ; 提供一介電材料具有一開口具有一深寬比大于 1 的位于該基板上 ; 形成晶格不匹配于該基板的一化合物半導體材料于該開口內 ; 形成包括一 p-n 結的二極管 于該開口之上 ; 形成于該二極管之上具有大體平坦表面的一介電材料 ; 接合一握持基板與 該大體平坦表面 ; 以及移除該基板。
     上述開口可為一溝槽或一孔洞。上述二極管可包括一頂二極管區、 一底二極管區 與一有源二極管區。上述二極管可包括數個頂二極管區、 數個底二極管區與數個有源二極 管區。這些頂二極管區可接合在一起。
     本發明的另一實施例關于一種二極管, 包括 :
     一基板 ; 一介電層, 位于該基板之上, 包括數個開口的陣列物, 這些開口具有少于 100 納米的一寬度 ; 包括晶格不匹配于該基板的一半導體材料的數個納米結構, 設置于這 些開口的陣列內與其上 ; 這些納米結構具有至少延伸高于介電層上的 100 納米的一大體均 勻高度 ; 以及數個二極管接合物, 形成于這些納米結構之上, 這些二極管接合包括使用納米結構的側壁的有源區。
     上述納米結構可為鰭狀物或柱狀物的形態。納米結構的寬度可擇自由 5 納米、 10 納米、 20 納米或 50 納米所組成的族群。納米結構的高度可擇自由 100 納米、 200 納米、 500 納米與 1000 納米所組成的族群。
     本發明的另一實施例關于一種二極管, 包括 :
     一第一二極管材料, 包括一大體平坦底面與具有數個凹穴的一頂面 ; 一第二二極 管材料, 包括多個平坦頂面與延伸進入于位于第一二極管材料內的所述凹穴內的一底面 ; 以及一有源二極管區, 位于該第一二極管材料與該第二二極管材料之間。
     此二極管還包括一基板, 其具有鄰近該第一二極管材料的底面或該第二二極管材 料的頂面的一大體平坦表面。
     上述有源二極管區可包括借由第一二極管材料與第二二極管材料的介面所形成 的一 p-n 介面。有源二極管區可包括不同于該第一二極管材料與第二二極管材料的材料, 而該有源二極管區構成了位于該頂二極管材料與該底二極管材料間的一 p-i-n 結的一本 征區。 該有源二極管區包括多重量子阱, 形成于該頂二極管材料與該底二極管材料之間。 該 有源發光二極管區包括多重量子阱。
     第一二極管材料可包括一 III-V 族材料。第一二極管材料可包括氮化鎵。這些凹 穴可包括一極化氮化鎵 (polar GaN) 表面。
     這些凹穴可定義為具有至少為 1 的深寬比的溝槽或定義孔洞。這些凹穴的表面區 域可超過第一二極管材料的底面的表面區域。 這些凹穴的表面區域可至少為第一二極管材 料的底面的表面區域的 150%, 或可為至少為第一二極管材料的底面的表面區域的 200%。
     本發明的實施例提供了基于控制來自于溝槽方向的成長所形成的 “鰭狀物” 設置 形態的方法、 結構或裝置。 可以理解的是本領域普通技術人員基于此處的解說, 溝槽可為另 一形狀的開口, 例如為孔洞 (hole)、 凹口 (recess)、 正方物 (square) 或環狀物 (ring), 舉例 來說, 其可形成其他的三維 (3-D) 半導體結構或裝置。
     本發明的應用提供了可用于或借由外延成長或相似情形所形成的多個方法、 結構 或裝置。舉例來說示范的適當外延成長系統可為單一晶片或多晶片的批次反應器。也可使 用不同化學氣相沉積技術。于制造應用中的常用于體積外延 (volume epitaxy) 的適當的 化學氣相沉積系統包括如由德國 Aixtron 提供的 Aixtron 2600 多晶片系統 ; 由應用材料所 產制的 EPI CENTURA 單芯片外延反應器 ; 或由荷蘭 ASM 國際所產制的 EPSILON 單晶片多重 腔體系統。
     于說明書中關于 “一實施例” 、 “一實施例” 、 “示范性的實施例” 、 “另一實施例” 等描 述意謂著于本發明的至少一實施例中所包括的一特定構件、 結構或特性。于說明書內不同 處的上述描述的出現并非指同一實施例。 另外, 當于任一實施例描述了相關的一特殊構件、 結構、 特性時, 可以理解的是本領域普通技術人員可了解如此的特征、 結構或特性也可用于 其他的實施例。另外, 為了方便了解, 特定方法步驟可采用分隔步驟表現, 然而這些分隔步 驟依照其表現并不會限制其順序。此即為部分步驟可依照其他順序、 或同時的施行。此外, 示范性圖表顯示了依據本發明的實施例不同方法。 可于此描述如此的示范性方法的實施例 并提供了對應的裝置實施例, 然而這些方法實施例并未用于限制本發明。
     雖然本發明示出了并描述了的部分實施例, 可以理解的是本領域普通技術人員可依照本發明的精神與原則而針對這些實施例進行變更。 前述的實施例便視為所有方面的圖 示情形而非于此用于限制本發明。本發明的范疇因此依照申請中的權利要求所限定, 而非 前述的描述。于本說明書中, “較佳地” 的描述意謂著 “較佳地, 但非用以加以限制” 。權利要 求內的描述依照本發明的概念而采用其最大解釋范圍。舉例來說, “耦接于” 及 “連接” 等描 述采用以解說直接與非直接連接與耦合情形。于另一范例中, “具有” 與 “包括” , 其相似描述 可與 “包括” 相同 ( 即上述描述均視為開放性描述 ), 僅 “由 ... 組成” 與 “實質上由 ... 組 成” 可視為 “封閉型” 描述。

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二極管
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