專利名稱：氮化鎵系化合物半導(dǎo)體的外延結(jié)構(gòu)及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體的外延結(jié)構(gòu)及制作方法，特別涉及一種氮化鎵系化合物半導(dǎo)體的外延結(jié)構(gòu)及一種緩沖層結(jié)構(gòu)(buffer layer structure)的外延層成長(zhǎng)的方法。
背景技術(shù)：
發(fā)光組件是由各種不同材質(zhì)層所構(gòu)成，在外延(epitaxial)制作各層材質(zhì)時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)中難免會(huì)有缺陷產(chǎn)生，進(jìn)而對(duì)發(fā)光組件產(chǎn)生以下影響1.降低發(fā)光效率。2.降低電子活性。3.增加摻雜離子擴(kuò)散的途徑。4.導(dǎo)致有源層的量子阱中會(huì)有V型凹槽出現(xiàn)，而這些V型凹槽是位錯(cuò)的起源。5.增加起始反向偏壓電流。另外，若結(jié)晶不完整而出現(xiàn)裂縫(crack)或空隙(gap)，則在裂縫或空隙上方不宜成長(zhǎng)發(fā)光組件，因?yàn)樵诖藚^(qū)域成長(zhǎng)的發(fā)光組件其壽命將較短，發(fā)光效率低。因此，如何制作出結(jié)晶完美的外延層為提升發(fā)光組件性能的一大課題。
另一方面，目前發(fā)光組件的發(fā)展中氮化鎵系列材料是非常重要的寬能隙(wide bandgap)半導(dǎo)體材料，可以借其發(fā)出綠光、藍(lán)光到紫外線。但是因?yàn)轶w材料(bulk)氮化鎵的成長(zhǎng)一直有困難，所以目前氮化鎵大多成長(zhǎng)在以藍(lán)寶石(sapphire)或碳化硅(SiC)構(gòu)成的基材上。由于這些基材皆與氮化鎵的晶格常數(shù)(lattice constant)不匹配，所以直接成長(zhǎng)在這些基材上的氮化鎵品質(zhì)不佳，因此引入一緩沖層(buffer layer)，于基材與氮化鎵之間，該緩沖層又稱晶核形成層(nucleation layer)，晶格常數(shù)與基材相近的緩沖層可以提供成核(nucleation)位置，以利氮化鎵成核、成長(zhǎng)，以形成相同的晶體結(jié)構(gòu)，以提升氮化鎵系列的結(jié)晶度。因此，緩沖層品質(zhì)的優(yōu)劣對(duì)后續(xù)限制層(cladding layer)與有源層(active layer)的外延有關(guān)鍵性的影響，也間接影響到發(fā)光組件的性質(zhì)。
根據(jù)美國(guó)專利第5290393號(hào)所揭示，使用藍(lán)寶石為基材所成長(zhǎng)的氮化鎵結(jié)構(gòu)如圖1所示。首先，于藍(lán)寶石基材上11形成一厚度介于0.001-0.5μm的低溫氮化鋁鎵緩沖層12，接著于此低溫氮化鋁鎵緩沖層12上形成一高溫氮化鋁鎵層13，一般而言，低溫氮化鋁鎵緩沖層12的成長(zhǎng)溫度介于200℃-900℃，而高溫氮化鋁鎵13的成長(zhǎng)溫度介于900℃-1150℃，此專利所揭示的方法雖然可以提高氮化鎵系的結(jié)晶度，但是4μm厚的氮化鋁鎵層13的缺陷密度仍高達(dá)109-1010cm-2。而為了降低缺陷密度，另有一美國(guó)專利第6252261號(hào)曾揭示，利用橫向外延法(ELOG)以降低缺陷密度，其成長(zhǎng)的氮化鎵結(jié)構(gòu)如圖2所示。其方法首先以藍(lán)寶石21為基材，并使用MOCVD方法外延成長(zhǎng)一氮化鎵的基層(base layer)22，其包含一低溫氮化鎵緩沖層及一高溫氮化鎵外延層，接著將外延芯片從MOCVD反應(yīng)腔中取出，以二氧化硅(SiO2)23為其掩膜(mask)，以垂直于(1-120)的長(zhǎng)條狀(stripe)部分覆蓋于此氮化鎵層基層(base layer)22之上，接著再次以HVPE或MOCVD方法，外延成長(zhǎng)一高溫氮化鎵外延層24，由于以二氧化硅(SiO2)23為掩膜(mask)，外延成長(zhǎng)機(jī)制將轉(zhuǎn)換成選擇性成長(zhǎng)(selective growth)，從無(wú)二氧化硅(SiO2)22掩膜處垂直于氮化鎵的基層表面方向成長(zhǎng)，待達(dá)到相同于光罩厚度之外延層厚度后即以較快的水平方向成長(zhǎng)速率繼續(xù)成長(zhǎng)，如此可抑制缺陷向垂直方向傳導(dǎo)，故可降低后續(xù)外延成長(zhǎng)的氮化鎵層的缺陷密度，但需成長(zhǎng)約10μm其缺陷密度才降至1×108cm-2以下。雖然，此橫向外延法可有效地降低缺陷密度，但其增加了制作掩膜的制程且選擇性成長(zhǎng)的機(jī)制也較為復(fù)雜，故生產(chǎn)成本較高。
此外，美國(guó)專利第6475882號(hào)曾揭示一種氮化硅(SiN)微掩膜(micro-mask)的橫向外延技術(shù)，其于外延成長(zhǎng)前，先利用反應(yīng)前驅(qū)物SiH4及NH3于藍(lán)寶石基材上形成島狀的氮化硅(SiN)，而此島狀的氮化硅可當(dāng)成掩膜致使后續(xù)橫向外延成長(zhǎng)進(jìn)而可解決有效地降低缺陷密度。根據(jù)此專利所揭示的技術(shù)，其控制反應(yīng)前驅(qū)物SiH4及NH3的流量及反應(yīng)時(shí)間而達(dá)到后續(xù)外延成膜的較佳結(jié)晶性，但其缺點(diǎn)為不易控制氮化硅微掩膜的均勻性及密度，故不易控制其生產(chǎn)合格率。
有鑒于此，提供一種形成外延層的較佳方法確有提出的必要，其可適用于發(fā)光組件的外延層的形成，以制作具有完美結(jié)晶且僅有少量的位錯(cuò)缺陷的外延層，而提高發(fā)光組件的發(fā)光效率與使用壽命，并且其制作成本低且易控制合格率。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于常用發(fā)光組件外延層的缺點(diǎn)，本發(fā)明特提出一種氮化鎵系化合物半導(dǎo)體的外延結(jié)構(gòu)及其制作方法。
本發(fā)明提供的氮化鎵系化合物半導(dǎo)體的外延結(jié)構(gòu)包括一基材；一第一氮化鎵緩沖層，形成于該基材上；一第二氮化銦鎵緩沖層，形成于該第一氮化鎵緩沖層之上；以及一氮化鎵外延層，形成于該第二氮化銦鎵緩沖層之上。
本發(fā)明提供的制作一氮化鎵系化合物半導(dǎo)體外延層的方法，包括下列步驟提供一基材；于第一溫度下形成一氮化鎵緩沖層于該基材上；于第二溫度下形成一氮化銦鎵緩沖層于該氮化鎵緩沖層之上；將溫度升至第三溫度，并于升溫過(guò)程中維持前驅(qū)物三甲基銦及氨氣于氮化銦鎵緩沖層之上做表面處理；及于該第三溫度下成長(zhǎng)一高溫氮化鎵外延層；其中，該第一溫度＜該第二溫度＜該第三溫度。
本發(fā)明在形成該發(fā)光組件外延層時(shí)，首先在一基材上于第一溫度下先外延形成一氮化鎵第一緩沖層。接著，于第二溫度下形成另一氮化銦鎵第二緩沖層于該第一氮化鎵緩沖層上。而后，將溫度升至第三溫度并于升溫過(guò)程中維持前驅(qū)物三甲基銦及氨氣于氮化銦鎵第二緩沖層之上做表面處理，最后于此第三溫度下成長(zhǎng)一高溫氮化鎵外延層。由于本發(fā)明所提供的緩沖層結(jié)構(gòu)及成長(zhǎng)方法可使得后續(xù)外延成長(zhǎng)的氮化鎵系外延層具有較完美的晶體結(jié)構(gòu)及較低的缺陷密度，故能有效地提升組件的效率及使用壽命。


圖1為一公知利用緩沖層成長(zhǎng)的氮化鎵結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖2為另一公知利用緩沖層成長(zhǎng)的氮化鎵結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖3為本發(fā)明的氮化鎵系化合物半導(dǎo)體的外延結(jié)構(gòu)的前視圖。
圖4為制作本發(fā)明的氮化鎵系化合物半導(dǎo)體的外延結(jié)構(gòu)的方法的流程圖。
圖5為制作本發(fā)明的氮化鎵系化合物半導(dǎo)體的外延結(jié)構(gòu)的另一方法的流程圖。
圖6為本發(fā)明外延結(jié)構(gòu)的氮化銦鎵層的頻譜半高(FWHM)圖。
圖7為本發(fā)明外延結(jié)構(gòu)的氮化銦鎵層的位差圖。
其中，附圖標(biāo)記說(shuō)明如下11藍(lán)寶石基材12低溫氮化鋁鎵緩沖層13高溫氮化鋁鎵層21藍(lán)寶石基材22氮化鎵基層23二氧化硅光罩24高溫氮化鎵外延層 30外延結(jié)構(gòu)31基材 32第一氮化鎵緩沖層32’ 低溫氮化鎵緩沖層32” 高溫氮化鎵緩沖層33第二氮化銦鎵緩沖層34氮化鎵外延層35氮化鎵系外延層具體實(shí)施方式
鑒于常用技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明提出一種氮化鎵系化合物半導(dǎo)體的外延結(jié)構(gòu)。請(qǐng)參閱圖3，本發(fā)明的外延結(jié)構(gòu)30包括一基材31、一第一氮化鎵緩沖層32、一第二氮化銦鎵緩沖層33及一氮化鎵外延層34。在該外延結(jié)構(gòu)30中，該基材31是由藍(lán)寶石、SiC、ZnO及Si中之一所構(gòu)成，該第一氮化鎵緩沖層32由下而上還包括一低溫氮化鎵緩沖層32’及一高溫氮化鎵緩沖層32”。此外，該外延結(jié)構(gòu)30可另包括一氮化鎵系外延層35于該氮化鎵外延層34之上。
請(qǐng)參閱圖4，其中說(shuō)明制作本發(fā)明的外延結(jié)構(gòu)的方法流程圖。首先提供一基材31，并進(jìn)行基材31表面熱清潔(步驟41)；再使低溫氮化鎵緩沖層32’于第一溫度下形成于該基材31上(步驟42)；將溫度升高并使第一氮化鎵緩沖層表面形成晶核，以形成高溫氮化鎵緩沖層32”(步驟43)；降低溫度并使一第二氮化銦鎵緩沖層33于第二溫度下形成于該高溫氮化鎵緩沖層32”之上(步驟44)；升高溫度并使一氮化鎵外延層34再于第三溫度下形成于該第二氮化銦鎵緩沖層33之上(步驟45)；其中該三溫度的關(guān)系為第一溫度＜第二溫度＜第三溫度。
請(qǐng)參閱圖5，其中說(shuō)明制作本發(fā)明的外延結(jié)構(gòu)的另一方法實(shí)施例流程圖，其包括下列步驟提供一基材31，并進(jìn)行高溫基材31表面清潔(步驟51)；降溫于第一溫度下形成一低溫氮化鎵緩沖層32’于該基材31上(步驟52)；將溫度升高，使第一氮化鎵緩沖層表面形成晶核，以形成一高溫氮化鎵緩沖層32”(步驟53)；降溫于第二溫度下形成一氮化銦鎵緩沖層33于該高溫氮化鎵緩沖層32”之上(步驟54)；將溫度升至第三溫度，并于升溫過(guò)程中維持前驅(qū)物三甲基銦及氨氣于該氮化銦鎵緩沖層33之上做表面處理(步驟55)；并于該第三溫度下成長(zhǎng)一高溫氮化鎵外延層34(步驟56)；其中該三溫度的關(guān)系為第一溫度＜第二溫度＜第三溫度。
在制作該外延結(jié)構(gòu)30時(shí)，該第一氮化鎵緩沖層32的形成溫度介于400℃至800℃之間(即上述的第一溫度)，而厚度則介于20nm至40nm之間，其為一非單晶結(jié)構(gòu)，且是以金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法(MOCVD)外延長(zhǎng)成。該第二氮化銦鎵緩沖層33的形成溫度介于830℃至880℃之間(即上述的第二溫度)，而厚度則介于40nm至60nm，為一單晶結(jié)構(gòu)，且是以金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法(MOCVD)外延長(zhǎng)成，圖6為氮化銦鎵層的頻譜半高寬(FWHM)圖，圖7為氮化銦鎵層的位差圖。該氮化鎵外延層34為單晶結(jié)構(gòu)，其缺陷密度低于1×108cm-2。上述的低溫與高溫氮化鎵緩沖層32’，32”的成長(zhǎng)溫度差異在300℃之上。此外，上述的氮化鎵系外延層35的材料為下列物質(zhì)構(gòu)成的群組中之一BxAlyInzGa1-x-y-zNpAsq(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤Z≤1，0≤p≤1，0≤q≤1且x+y+z＝1，p+q＝1)及p型BxAlyInzGa1-x-y-zNpPq層(0≤X≤1，0≤y≤1，0≤Z≤1，0≤p≤1，0≤q≤1且x+y+z＝1及p+q＝1)。
本發(fā)明的代表性實(shí)施例已說(shuō)明如上，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員皆知根據(jù)上述的說(shuō)明可推衍出各種不同的等效實(shí)施例，這些等效實(shí)施例若不脫離本發(fā)明的精神范圍皆應(yīng)屬于本發(fā)明的范圍，即本發(fā)明的權(quán)利要求范圍中。
權(quán)利要求
1.一種氮化鎵系化合物半導(dǎo)體的外延結(jié)構(gòu)，包括一基材；一第一氮化鎵緩沖層，形成于該基材上；一第二氮化銦鎵緩沖層，形成于該第一氮化鎵緩沖層之上；以及一氮化鎵外延層，形成于該第二氮化銦鎵緩沖層之上。
2.如權(quán)利要求1所述的氮化鎵系化合物半導(dǎo)體的外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，該基材是由藍(lán)寶石、SiC、ZnO及Si其中之一所構(gòu)成。
3.如權(quán)利要求1所述的氮化鎵系化合物半導(dǎo)體的外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，該第一氮化鎵緩沖層由下而上還包括一低溫氮化鎵緩沖層及一高溫氮化鎵緩沖層。
4.如權(quán)利要求1所述的氮化鎵系化合物半導(dǎo)體的外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，還包括一氮化鎵系外延層于該氮化鎵外延層之上。
5.如權(quán)利要求1所述的氮化鎵系化合物半導(dǎo)體的外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，該第一氮化鎵緩沖層的厚度為20nm至40nm。
6.如權(quán)利要求1所述的氮化鎵系化合物半導(dǎo)體的外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，該第二氮化銦鎵緩沖層的厚度為40nm至60nm。
7.如權(quán)利要求1所述的氮化鎵系化合物半導(dǎo)體的外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，該第一氮化鎵緩沖層及第二氮化銦鎵緩沖層及該氮化鎵外延層是以金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法外延長(zhǎng)成。
8.如權(quán)利要求1所述的氮化鎵系化合物半導(dǎo)體的外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，該第一氮化鎵緩沖層為非單晶結(jié)構(gòu)。
9.如權(quán)利要求1所述氮化鎵系化合物半導(dǎo)體的外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，該第二氮化銦鎵緩沖層為單晶結(jié)構(gòu)。
10.如權(quán)利要求1所述的氮化鎵系化合物半導(dǎo)體的外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，該氮化鎵外延層為單晶結(jié)構(gòu)且其缺陷密度低于1×108cm-2。
11.如權(quán)利要求4所述氮化鎵系化合物半導(dǎo)體的外延結(jié)構(gòu)，其特征在于該氮化鎵系外延層的材料為BxAlyInzGa1-x-y-zNpAsq層，式中0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1，0≤p≤1，0≤q≤1且x+y+z＝1，p+q＝1；或?yàn)閜型BxAlyInzGa1-x-y-zNpPq層，式中0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1，0≤p≤1，0≤q≤1且x+y+Z＝1及p+q＝1。
12.一種權(quán)利要求1所述的氮化鎵系化合物半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)的制作方法，包括下列步驟提供一基材；于第一溫度下形成一氮化鎵緩沖層于該基材上；于第二溫度下形成一氮化銦鎵緩沖層于該氮化鎵緩沖層之上；將溫度升至第三溫度，并于升溫過(guò)程中維持前驅(qū)物三甲基銦及氨氣于氮化銦鎵緩沖層之上做表面處理；及于該第三溫度下成長(zhǎng)一高溫氮化鎵外延層；其中，該第一溫度＜該第二溫度＜該第三溫度。
13.如權(quán)利要求12所述的氮化鎵系化合物半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于該氮化鎵緩沖層的形成溫度為400℃至800℃。
14.如權(quán)利要求12所述的氮化鎵系化合物半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于該氮化銦鎵緩沖層的形成溫度為800℃至830℃。
15.如權(quán)利要求12所述的氮化鎵系化合物半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于還包括成長(zhǎng)氮化鎵系外延層于該氮化鎵外延層之上。
16.如權(quán)利要求12所述的氮化鎵系化合物半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于該第一溫度下形成一氮化鎵緩沖層的步驟包括于第一溫度下形成一低溫氮化鎵緩沖層于該基材上，及再將溫度升高，使該低溫氮化鎵緩沖層表面形成晶核，以形成一高溫氮化鎵緩沖層。
17.如權(quán)利要求16所述的氮化鎵系化合物半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于該低溫氮化鎵緩沖層與該高溫氮化鎵緩沖層的成長(zhǎng)溫度差異在300℃之上。
全文摘要
一種氮化鎵系化合物半導(dǎo)體的外延結(jié)構(gòu)及其制作方法，該外延結(jié)構(gòu)包括一基材；一第一氮化鎵緩沖層，形成于該基材上；一第二氮化銦鎵緩沖層，形成于第一氮化鎵緩沖層上；及一氮化鎵外延層，形成于第二氮化銦鎵緩沖層上。該制作方法是在一基材上于第一溫度下外延形成一氮化鎵第一緩沖層，接著于第二溫度下形成另一氮化銦鎵第二緩沖層于該第一氮化鎵緩沖層上，再將溫度升至第三溫度并于升溫過(guò)程中維持前驅(qū)物三甲基銦及氨氣于氮化銦鎵第二緩沖層上做表面處理，最后于第三溫度下成長(zhǎng)一高溫氮化鎵外延層。本發(fā)明提供的緩沖層結(jié)構(gòu)及成長(zhǎng)方法使得后續(xù)外延成長(zhǎng)的氮化鎵系外延層具有較完美的晶體結(jié)構(gòu)及較低的缺陷密度，故能有效地提升組件的效率及使用壽命。
文檔編號(hào)H01L21/20GK1677697SQ200410031469
公開日2005年10月5日 申請(qǐng)日期2004年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月29日
發(fā)明者洪詳竣, 賴穆人 申請(qǐng)人:炬鑫科技股份有限公司