[發明專利]光電裝置及其制造方法

有效

• 申請號: 201010229509.5
• 申請日: 2010-07-09
• 公開（公告）號: CN102122675A
• 公開（公告）日: 2011-07-13
• 發明（設計）人: 安東尼·J·羅特費爾德
• 申請（專利權）人: 臺灣積體電路制造股份有限公司
• 主分類號: H01L31/04
• 分類號: H01L31/04;H01L31/08;H01L33/00;H01L31/18
• 代理公司: 隆天國際知識產權代理有限公司 72003
• 代理人: 姜燕;陳晨

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，且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。

背景技術

于下文中將主張2007年4月9日申請的第60/922,533號美國臨時專利申請案的優先權的第60/922,533號美國專利申請案(申請日為2008年4月9號)以提及方式并入于本文中。

本節中提供了背景資料并介紹了于下文中所描述和/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。

大部分的芯片制作皆應用了具有高品質、大區域、低成本等優點的硅晶片的硅制造工藝。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制造工藝的優點。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(light?emitting?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。

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。其為適用于如透過光纖傳輸信號的激光中、用于接受上述信號的感測器、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。

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。

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。

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。

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?ofthermal?expansion?coefficients)的情形。

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，于界面處出現了如公知的錯配差排(misfit?dislocation)的結晶瑕疵(crystallineimperfections)。如此的錯配差排造成了如公知貫穿差排(threading?dislocation)的其他結晶缺陷，其自界面處向上傳播。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現有技術，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，上述技術則尚未達成商業上的成功。