[发明专利]二极管

说明书

技术领域

本发明涉及由位于硅晶片之上由化合物半导体(compoundsemiconductors)或其他的晶格不相称半导体材料(lattice-mismatchedsemiconductors)所制成的半导体二极管及其制造方法，尤其涉及如发光二极管(light emitting diode)、激光、光电压(photovoltaics)及其他光电子(optoelectronic)用途的光电应用。

背景技术

本节中提供了背景资料并介绍了于下文中所描述及/或所主张的权利范围所相关的不同观点的相关信息。这些背景资料的陈述并非承认其为公知技术。

大部分的芯片制作均应用了具有高品质、大区域、低成本等优点的硅晶片的硅工艺。采用如砷化镓(gallium arsenide)与磷化铟(indium phosphide)等化合物半导体的装置的商业制作则通常无法具有前述的硅工艺的优点。其通常于由如蓝宝石(sapphire)、锗(germanium)、砷化镓(gallium arsenide)或碳化硅(silicon carbide)等材料所制成的小且昂贵的晶片上进行如发光二极管(lightemitting diode，LED)、多结太阳能电池(multi-junction solar cell)及其他化合物半导体装置的制作。

于便宜的基板上制造半导体化合物装置的挑战牵涉到极大的经济因素。由于可发射与检测光线，化合物半导体于通信基础建设中为重要的元件。其为适用于如通过光纤传输信号的激光中、用于接受上述信号的传感器、移动电话内的放大器(amplifier)、移动电话基地台内的放大器、以及与传输与接收微波信号的电路等应用中的材料。

发光二极管通常由设置于蓝宝石(sapphire)或碳化硅(silicon carbide)材质的晶片上的多个氮化镓(gallium nitride)膜层所组成。这些独特基板造成了发光二极管的高成本。直径4英寸的蓝宝石晶片的通常价值约130美元，而两英寸的碳化硅晶片则价值约2000美元。作为比较之用，具有四倍于四英寸晶片的使用面积或16倍于两英寸晶片的使用面积的八英寸硅晶片的成本则通常低于100美元。

高效多结太阳能电池(high-efficiency multi-junction solar cells)通常包括设置于锗晶片上的如锗、砷化镓及磷化铟的膜层。于发光二极管所用的晶片中，所使用的锗晶片通常较硅晶片为较小且明显为较昂贵。

于硅晶片上制作化合物半导体装置的能力有助于加速其于多种主要工业中的市场成长。

目前限制了半导体晶片上的化合物半导体装置的实际制作的两种主要技术障碍分别为晶格常数的不匹配(mismatch of lattice constants)与热膨胀系数的不匹配(mismatch of thermal expansion coefficients)的情形。

晶格不匹配：于结晶物中，原子依照规则性周期阵列物而设置(即公知的晶格)。介于原子之间的距离，即公知的晶格常数，通常约为数埃(1埃＝10^-10米)。硅具有较化合物半导体为小的晶格常数。当于硅上成长化合物半导体时，于介面处出现了如公知的错配差排(misfit dislocation)的结晶瑕疵(crystallineimperfections)。如此的错配差排造成了如公知贯穿差排(threading dislocation)的其他结晶缺陷，其自介面处向上传播。贯穿差排缩减了如激光、太阳能电池、发光二极管等化合物半导体装置的表现与可靠度。

热收缩的不匹配：化合物半导体通常于如超过1000℃的高温下成长。当晶片冷却之后，化合物半导体的薄膜较硅晶片的收缩程度为大。其结果为，晶片将弯曲成为内凹状，且施加应力与最终地使得薄膜产生破裂。

直到最近，发展出了包括下述三种方法的于硅基板上成长高品质的化合物半导体的最稳固的先前技术，例如渐变缓冲层(graded buffer layers)法、晶片连结(wafer bonding)法或于岛状物上的选择性成长(selective growth onmesas)法等技术。然而，上述技术则还未达成商业上的成功。

于渐变缓冲层法中，材料的组成由大体纯硅(pure silicon)逐渐地变化成化合物半导体。由于晶格常数也逐渐地随着变化，故晶格缺陷较少形成于介面处。不幸地，这些渐变缓冲层具有相对厚的厚度(每4％的晶格不相称情形具有约10微米)。如此厚的缓冲层增加了工艺成本及破裂的可能性。