TWI331813B - Group iii-nitride semiconductor thin film, method for fabricating the same, and group iii-nitride semiconductor light emitting device - Google Patents
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Description
1331813 九、發明說明: 優先權主張 . 本申請案係以細5年8月3G日提出_請較申請案 • =〇5·()()250185為基礎,且主張其優先權,其全部揭示内 谷以引用方式併入本文中。 -【發明所屬之技術領域】 • 本發明係有關第111族·氮化物半導體薄膜、製造該薄 ^方*、以及第mi氮化物半導體發光裝置,且更特 、《纟發明係有關可作為基底層的薄膜,而供以 為基底的化合物在其上面蟲晶成長所用。 【先前技術】 第III族-氮化物半導體,更特別者以GaN為基底的化 合物,具#可經由調整其組成比例而廣㈣地控制其能隙之 -月匕力。舉例而言’具有式A1JnyGa⑴”)N (其中, OSySl,x=尸0)的以GaN為基底的化合物具有作為直接 鲁躍遷半導體之作用’且具有在從〇7 —〇·8 eV至62…範 圍的能隙。據此’可以了解者’在利用以⑽為基底的化 合物來形成活性層時,可能促成能多句發出在從紅色光到紫 外光的可見光範圍内的所有顏色的光之發光裝置的實現。 要將以GaN為基底的化合物應用到^光裝置之時,就 產品形狀或壽命幅度的觀點來看,有需要具有高品質和高 發光效率的薄膜。如所知者,以GaN為基底的化合物具有 六方晶系纖鋅礦結構(hexag〇nal_wurtzite价此比⑼且以 GaN為基底的化合物所具低晶格常數顯示出與其他主要半 93624 5 =第族化合物半導體、第π_νι族半導物有極 數。;:Γ㈣晶格常數難以匹配到基板晶體的晶格常 面石=#右基板日日日體的晶格常數^同於要在基板晶體上 面猫曰曰成長的晶體之晶格常數之時,則所得成長層合 張力彎曲所影響且傾向於在其内“利地 雖然若成長層為薄層時,該彈性能量 值時,乾圍之内’不過若成長層的厚度超過某一數 内導致生一電位,因而造成晶格鬆他且在成長層 缺陷。因此之故,基板的選擇在… 為基底的化合物之成長+具有重要性。 =統上,係使用e·面(e_plane)藍寳石基板作為在 為基底的化合物所用的基板,因為其他 格书數取接近GaN所具晶格常數之故。不過,c_面 基板的晶格常數㈣與GaN的晶格常數相差高達約⑽。
Si長::=θ格誤配的影響,實際上係在藍寶石基板 緩衝層。今曰,緩衝層的品質已成為決 研究和發展的結果,已經有多種緩衝層被提出(參考1 利公開號平成(Heisei) 10_242586 和 9_22729 【發明内容】 雖二(00叫面(所謂的c_面)業經用為藍寶石基板的 =白Γ。Λ用/亥、c_面與各種緩衝層的組合來改良層·成長 基底的〇口貝上仍然有所限制。 再者’於使用面藍寶石作為結晶化基板的情況中, 93624 6 1331813 .係在基板上沿著c_軸方向長出以GaN為基底(仏 二匕合物層(後文中’稱為以㈣為基底的成長層)且Γ呈 ::=ί “向的顯著一已知者,= '’、、、土·' σ物具有在c-軸方向的強極化性質(壓電性)。 -不過,當制以⑽為基底的成長層作為活性層㈣ve • mu該以GaN為基底的化合物所具的極化性質造 在以GaN為基底的成長層的最上表面和最下 (面’而導致载子m效率劣化(detedQ_n)。因此, 有需要將活性層製成充分地薄以減低極化效應。不過,此 層足夠薄的要求,換言之,為一種以高準確度形 技術要求’會導致數項缺點,諸如產品產率的 安化和尚知格的製造設傷。 ^以纟發明係著眼於上述諸問題而提出者,且本發 二目的為在不依賴〇-面藍寶石基板的使用下於形成以 a Ί底的成長層中完成顯著的發展’藉此達到以 為基底的成長層所具品質之改善。 根,本發明之第一方面,上述目的與其他目的可以經 θ供第ιπ+知-氮化物半導體薄膜而達成,該第hi族-氮 办半¥體薄膜包括··(MG2)·面藍寳石基板,·缓衝層,其 2 s於該貝石基板之上且由A1InN所製成;以及磊晶成 、係位於5亥緩衝層之上且由第m族-氮化物所製成。 曰#,本明之第二方面,上述目的與其他目的可以經 供第ΠΙ/夭-氮化物半導體薄膜而達成,該第111族-氮 勿半‘體薄膜包括:(1_1〇2)_面藍寳石基板;緩衝層,其 93624 7 1331813 係位於該藍寳石基板之上且由第物所m 間層,其係位於該緩衝層之上且係經_ (u.,, 田一個或多個多階層 Π :: rers)彼此上下堆叠所形成,每-個多階層包 ^:金屬層和苐二氮層;以及“成長層,其係位於該 中間層之上且由第Π1[族-氮化物所製成。 =本發明之第三方面’上述目的與其他目的可以經 ===族-氮化物半導體薄膜而達成,該第111族-氮 . 體薄膜包括:(1_1G2)-面藍寳石基板;中間層,其 :位於該藍寶石基板之上且係經由二個或多個多階此 ^下堆疊所形成,每-個多階層包㈣—金屬層和第二氮 s,以及蟲晶成長層,盆择xf立於兮 人瓦! 一你伹於该中間層之上且由第ΙΠ 務-氮化物所製成。 -^本發明之第四方面,上述目的與其他目的可以經 仏弟ΠΙ族·氮化物半導體發光裝置而達成,該第ΠΙ 族-氮化物半導體發光裝置包括根據本發明第一至第三方 •面任一者所述之第111族_氮化物半導體薄膜。 根據本發明之第五方面,上述目的與其他目的可以經 製造第111族-氮化物半導體薄膜的方法而達成,該 在(1_102)_面藍寶石基板之上形成由A〗InN所製 至^緩衝層’其中該藍寶石基板的溫度係控制在從85(TC in > 的勒*圍内;以及於緩衝層之上以磊晶方式成長第 # ▲'氮化物,其中該藍寶石基板的溫度係控制在高於形 °亥緩衝層肖間所控制的該Μ寶石基板的溫度。 康本毛明之第六方面,上述目的與其他目的可以經 93624 8 ^31813 造第m族-氫化物半導體薄膜的方法而達成,該 〆。.在(1_IG2)_面藍寳石基板之 氦化物所製成的緩衝層,宜中 成由弟Πί無- 在第一溫度;在μ❹Γ Γ 板的溫度係控制 亥、%衝層之上形成中間層,該中門;® 二個或多個經由重禮开…W “ 亥中間層包括 階層所得之多階声和第二氮層的多 第III族衰仆舲曰,中層之上以蟲晶方式成長 弟iii無-氮化物,直中兮誃畲 該第-溫度的第二溫度Γ基板的溫度係控制在高於 由提明之第七方面’上述目的與其他目的可以經 方法句杯.产,… 千¥體涛膜的方法而達成,該 去L括.在(1-102)-面藍寳石基板之上形 :1層包括二個或多個經由重複形成包括第一金屬二= f層的多階層所得之多階層;以及在中間層之上以石曰方 式成長第ΙΠ族-氮化物。 3之上以猫日日方 【實施方式】 ,現在,參照所關式詳細說明根據本發明的第m族 鼠化物半導體薄膜、製造該薄膜之方法、以褒 化物半導體發光穿f。要裎I 弟 麵-氮 x先裝£要長及者,所附圖式係經示意地顯 一部份的厚度和寬度之關係、不同部份的尺 ^匕例專會不同於實際的值’ ^於需要時,在 從碩到尾的相同部份可能以彼此 °工 出。 w π尺寸或比例顯示 (第一具體實施例) 現在’要解說根據本發明第一具體實施例的第m族- 93624 9 !331813 f化物半導體薄膜和其製造方法。簡略言之,該第一具體 實施例的第III族-氮化物半導體薄膜包括H叫面(所袖 的面)藍寶石基板;形成於該基板之上的ΑιΐηΝ緩衝層1 以及形成在緩衝層之上的第氮化物成長層。此處, 術語(1-102)的“],,代表“!,,加上一橫條。於本文中,面鏡产 數(mirror index)係如上述相同的方式表示。於下面有關第曰 :具體實施例的說明部份中,係選擇GaN層作為第冚族_ 氮化物成長層的例子。 、 第1圖為概要的側截面圖,圖解說明根據本發明第一 具體實施例的第m族·氮化物半導體薄膜。於第1圖中, 以參考數字100表示第氮化物半導體薄膜,其包括 r_面藍寶石基板110,形成在該藍寶石基板110之上的 AlInN緩衝層120,與形成在該A1InN缓衝層12〇之上的 未摻雜 GaN 層(und0ped GaN layer) 130。 π第mm物半導體薄膜1〇〇係以下面的製造方法 什到’該方法係由本發明的發明人開發出 圖,圖解說明該製造核,更敎言之,㈣成 方法。於準備好且使用恰當溶液絲U藍寳石基板 (其為單晶基板)之後,將洗務過的r_面藍寶石基板110導 引到金屬有機化學氣相沉積__)設備的反應室内。該 f應室内的起始程序為在藍寶石基板110之上於恰當的氫 乳流速環境實施退火程序(嶋eal 二該基板no的溫度係控财·。時進行刀(二 93624 1331813 隨後,為了在r-面藍寶石基板11〇之上長出A1InN緩 衝層120,係於反應室中以分別為每分鐘18標準升(slm) 和15 SLM的流速導入作為载體氣體的氫氣和氮氣,且以 分別為每分鐘i SLM,43標準立方厘米(SCCM)和3〇〇 SCCM的流速導入作為原料的氨(NH3)、三甲基鋁(tma)和 。二甲基銦(ΤΜΙ)。於此情況中,將基板的溫度控制在85〇 C,且成長時間為4分鐘。藉此,得到厚度大約44奈米 (nm)的Α1ΐηΝ緩衝層(步驟sl〇2)。特別者,該ΑΐΐηΝ緩衝 >層120係在大氣壓力下成長出。 其後,為了在該AlInN緩衝層120之上成長出高溫表 層亦即,未摻雜之GaN層(undoped GaN layer),乃於反 應室中以分別為1L6SLM* 14SLM的流速導入作為載體 氣體的氫氣和氮氣,且以分別為1〇SLM- 45SCCM的流 速V入作為原料氣體的氨(NHs)和三曱基鎵(TMG^於此情 況中將基板的溫度控制在1100。(:,且成長時間為5〇分 鐘。藉此,得到厚度大約6.8微米(/zm)的GaN層(步驟 Sl〇3j。類似地,該〇&1^層13〇係在大氣壓力下成長出。 第3A圖為掃描電子顯微鏡(SEM)照片,顯示根據上面 所述層成長條件所得之GaN層13〇的表面。不同於有觀察 到二角形型態的電位缺陷之傳統㈣層,從第从圖的 SEM照片可以確定沒有可看出的該型態。 第圖為藉由上面所述層成長條件所得之QaN層 130的X-射線繞射評估數據圖。如第3b圖所顯示者,該 GaN層130具有低的半译全幅值(Fw_,為大約518弧 93624
II 1331813 私(arcsec)。彳丈此點可以知道GaN層130相對於藍寶石基 板具有溫和的晶軸斜率。再者,可以知道GaN層13〇 .係在r-面藍寳石基板11〇之上沿著其&_軸成長出。換言之, ·_ GaN層⑽的c•轴係平行於該基板且不受沿著其厚度方向 •的壓電性所影響。 第4圖為穿透式電子顯微鏡(TEM)照片,.顯示以上面 所述層成長條件所得之第氮化物半導體薄膜1〇〇的 橫截面。從該ΤΕΜ照片可以獲知,所成長出的GaN層13〇 ’具有大約6.8微米之厚度。 第5圖為SEM照片,顯示未摻雜之GaN層的表面, 當r-面藍寶石基板110之上成長⑽緩衝層而非緩 衝層120時,該未摻雜之GaN層係在GaN緩衝層之上長 出。於根據第2圖的步驟S101中所呈現的條件二完錢 火矛王序之後’將基板的溫度控制在從48〇。〇至7〇〇它的範圍 内,^將成長時間調節到7.3分鐘,而得到23奈米的層厚 .度。第5圖的SEM照片顯示當使用經上面所述層成長條件 得到的GaN緩衝層時所得的最佳結果。GaN緩衝層的成長 條件係參照在e·面藍寶石基板上成長低溫⑽緩衝㈣ 所用的成長條件而決定者。 第6圖為SEM照片,顯示未摻雜之GaN層的表面, 當r-面藍寶石基板110之上成長細緩衝層而非AUnN緩 衝層120時,該未摻雜之GaN層係在Am缓衝層之上長 出。於根據第2圖的步驟S101中所呈現的條件而完成退 火程序之後,將基板的溫度控制在從85〇。(:至l〇5〇t>c的範 93624 12 1331813 圍内’且將成長時間調節到在從 第6圖的SEM照片顯示當使用Am緩^7鐘的範園内。 調節到4分鐘之條件下時所得的最佳結果長時間 米至10奈米的範圍内)。氣緩衝==旱度在從4奈 c-面藍寳石基柘卜占互γ θ ◊成長條件係參照在 而決定二。基板上成長低溫細緩衝層時所用的成長條件 從第5圖和第6圖的随照片可以確定, 衝層和Α1Ν緩衝層中任一者成長在卜面藍寶石基田 緩 上且依次在該緩衝層之上成長該未摻雜之GaNi 130時之 =該未換雜之GaN層的表面具有呈現電位㈣的 角形H總之’於使用GaN緩衝層或A1N緩衝 在r-面藍寶石基板no上的緩衝層之情況中,在賴衝声 ,上成長出的GaN層之表面具有低品質。據此,從上心 、、、。果可以看出,宜於在r-面藍寶石基板11〇與在其上的成 長層之間插置AlInN緩衝層12〇,以實現高品質與高溫 層。 ° 雖然可以經由以AlInN緩衝層120的成長條件為基 礎,將基板的溫度在從70(TC至1UHTC的範圍内改變而^ 到數種的第III族·氮化物半導體薄膜100(其包括r•面藍^ 石基板110、AlInN緩衝層120和GaN層130),但是在將 基板的溫度控制在從850。(:至950°C的範圍内時才能得到 的最佳結果。此外’可以看出者,AlInN緩衝層12〇的厚 度較佳者係在從1奈米至100奈米的範圍内,且更佳者, 係在從1奈米至2 0奈米的範圍内。 93624 13 1331813 如^面所敘述者,根據本發明第一具體實施例,經 在r-面藍寶石基板之上形成AUnN緩衝層,可以在其:面 成長出高品質的GaN層。特別者,該⑽層係在該卜面 定向(r-P!ane oriented)的藍寶石基板之上沿著卜轴成長,因 此,f其厚度方向中沒有極化現象,此種極化現象在使用 c-面藍寶石基板時會不利地造成。當以㈣為基底的活性 層成長在GaN層的頂部表面上時,具有避免在該以⑽ 為基底的活性層中產生極化現象之效應,因此,具有促成 該活性層厚度增加之效用。此種活性層的厚度之增加可能 促使活性層形成的準確度增加。亦即,可以改善產品的產 率且可以使用不需要高準確度控制的低價位設備製造出 高品質的以GaN為基底的半導體裝置。 (弟一具體貫施例) 現在’要解說根據本發明第二具體實施例的第m族_ 氮化物半導體薄膜和其製造方法。雖然該第二具體實施例 的第III族-氮化物半導體薄膜從在r_面藍寶石基板之上形 成第III族_氮化物成長層(高溫表層)的觀點來看,係等同 於剛面所述第一具體實施例的第III族-氮化物半導體薄 膜’不過兩者在藍寶石基板與高溫表層之間所插置的層之 結構上有所差異。於下面有關第二具體實施例的說明中, 類似地,也選擇GaN層作為第m族_氮化物成長層的實例。 第7圖為示意側截面圖,圖解說明根據本發明第二具 體實施例的第III族-氮化物半導體薄膜。於第7圖中’以 爹考數字200表示第二具體實施例之第III族-氮化物半導 14 93624 1331813 體薄膜包括r-面藍寶石基板21〇、形成在該藍寶石基板2l〇 之上的低溫緩衡層220、形成在該低溫緩衝層22〇之上的 •中間層230、與形成在該中間層230之上的未摻雜GaN層 .240。 ' 特別者,第二具體實施例的第ΠΙ族-氮化物半導體薄 膜2〇〇的特徵在於中間層23〇的結構及其製造方法。第8 圖為該中間層230的示意側截面圖。如第$圖中所顯示者, 中間層23〇為經由將複數層彼此具有相同組成的層Μ11 至231n堆疊而得的多層(multilayer)。此外,該等層 至231n的每一者係經由依序堆疊數種不同的材料而形成 者例如,该等層23 1】至23 ln的每一者可經由依序堆疊
Ga、N和GaN,以形成所謂的Ga/N/GaN層而形成,或者 可、’查由依序堆f Al、ln、Ga和N,以形成所謂的A1/In/Ga/N 層而形成。 、^該第III族_氮化物半導體薄膜2〇〇係以下面的製造方 法侍到者,該方法係由本發明的發明人開發出。特別者, 本發明的發明人證明,當中間層230係經由堆疊多個 Ga/N/GaN層以形成所謂的⑽/㈣多層而形成者、或破 由堆疊多個A1/In/Ga/N層以形成所謂的A1/In/Ga/N多層而 形成者時,可以獲得最佳結果。帛9圖 ; 明該製造方法、,更料言之,為形成⑽薄膜之方法 后成首先洗滌Γ_面藍寶石基板210且在MOCVD設備的 進行退火料,例如以㈣—鍾實施例相同的 万式進行(步驟S201)。 93624 15 1331813 隨後,在該r-面藍寶石基板210之上成長低溫缓衝層 220 (步驟S202)。具體而言,該低溫緩衝層220係在大氣 .壓力下經由使用習知適合用來得到插置在以GaN為基底 • 的化合物與c-面藍寶石基板之間的低溫緩衝層的方法予以 -成長出。例如,該低溫緩衝層220係由GaN或A1N製成。 然後,在該低溫緩衝層220之上成長中間層230,亦 即,Ga/N/GaN多層或Al/In/Ga/N多層(步驟S203)。後面 會說明形成該多層的方法。 • 其後,在中間層230之上成長未摻雜之GaN層240, 其為高溫表層(步驟S204)。例如,該GaN層240可在與第 一具體實施例的GaN層130所用相同成長條件下成長。 現在,要解說形成Ga/N/GaN多層之方法。該Ga/N/GaN 多層係經由使用脈衝原子層蠢晶(PALE)方法予以形成。於 此種PALE方法中,係對應於預定的脈衝信號將複數種不 同的材料依序導入到MOCVD設備的反應室内。該 • Ga/N/GaN多層係由氨(NH3)和三曱基鎵(TMG)所製成。 _ 第10圖為成長Ga/N/GaN多層所用脈衝原子層磊晶方 法的時程圖表。於第10圖中,四個時間期(clock)構成一個 週期,且一個時間期為It。特定言之,在第一個時間期内 (0至It)沒有導入TMG和NH3 ;於第二個時間期(It至2t) 内只有導入TMG,且於第三時間期(2t至3t)内只有導入 NH3。此處,必須注意者,特別地,NH3係在有機金屬TMG 之後才被導入。其後,在第四時間期(3t至4t)内同時導入 TMG和NH3。換言之,Ga係先在低溫GaN緩衝層220之 16 93624 1331813 上成長,然後,在其上成長N,且於最後再於其上成長 GaN。於此方式中,在一個週期完成之後,於低溫GaN緩 .衝層220之上成長出該Ga/N/GaN層。 該Ga/N/GaN多層的中間層230係經由重複地進行上 -面所述Ga/N/GaN層形成週期而得到者。已知,較佳者係 進行2至100個週期,且更佳者,進行10至20個週期以 得到最佳結果。更進一步者,當一個時間期⑴較佳地在從 1至60秒的範圍内,且更佳者,在從2至10秒的範圍内 鲁時,可得到最佳結果。較佳者,基板的溫度係經控制在從 850°C至1100°C的範圍内。 第11A圖為SEM照片,顯示GaN層240的表面,該 GaN層係成長在Ga/N/GaN多層所構成的中間層230之 上。於此實施例中,該Ga/N/GaN多層係經由重複地進行 . 上面所述Ga/N/GaN層形成週期10次(每一週期的一個時 間期⑴為4秒鐘)而形成者。從第11A圖中所顯示的SEM |照片可以確定在GaN層240中實質上沒有產生型態。 - 第11B圖為顯示於第11A圖中之樣品GaN層240的
X-射線繞射評估數據圖。如第11B圖中所顯示者,GaN層 240具有658.6弧秒的半峰全幅值。為了評估X-射線繞射 結杲和SEM照片,本發明的發明人進行了比較實驗。第 12A圖為SEM照片,顯示出當高溫GaN層係成長在低溫 缓衝層之上而兩者之間沒有插置中間層230時之GaN層的 表面,以及第12B圖為該樣品GaN層的X-射線繞射評估 數據圖。從第12A圖中所顯示的SEM照片可以看出在GaN 17 93624 1331813 層的表面產生呈現出電位缺陷的大規模型態,且如第12B 圖中所顯示者,該GaN層的半峰全幅值為990.0弧秒。 . 經由比較第11A圖與第12A圖以及比較第11B圖與第 12B圖可以確定,當在低溫GaN緩衝層220與GaN層240 -之間插置Ga/N/GaN多層的中間層230時,該GaN層240 可以達到改善的品質。 接著,要解說形成Al/In/Ga/N多層之方法。Al/In/Ga/N 多層也是以脈衝原子層磊晶方法形成。該Al/In/Ga/N多層 •係由三曱基鋁(TMA)、三曱基銦(TMI)、三曱基鎵(TMG)和 氨(NH3)所製成。 第13圖為成長Al/In/Ga/N多層所用脈衝原子層磊晶 方法的時程圖表。如第13圖中所顯示者,十一個時間期構 成一個循環,且一個時間期為1T。特定言之,在第一個時 間期内(0至1T)沒有導入材料;於第二個時間期(1T至2T) 内只有導入TMA ;且於第三時間期(2T至3T)内只有導入 春NH3。類似地,將TMA、NH3、TMA和NH3依順序分別在 -第四時間期(3T至4T)内、在第五時間期(4T至5T)内、在 第六時間期(5T至6T)内、和在第七時間期(6T至7T)内導 入。其後,在第八時間期(7T至8T)内只導入TMI;在第九 時間期(8T至9T)内只導入NH3 ;在第十時間期(9T至10T) 内只導入TMG ;且在第十一時間期(10T至11T)内只導入 NH3。此處’必須注意者’特別地,NH3係在個別的有機 金屬TMA、TMI和TMG導入之後被導入。經由上述控制 材料導入之結果,在低溫GaN層220之上依序成長出A卜 18 93624 1331813 N、A1、N、A1、N、In、N、Ga 和 N。於此方式中,在一 個週期完成之後,於低溫GaN層220之上成長出該 • AlN/InN/GaN層。雖然若基板的溫度上升超過950°C時InN 會蒸發,不過本發明的發明人確認InN成長多層可比不具 InN的多層得到更好的結果。
Al/In/Ga/N多層的中間層230係經由重複地進行上面 所述Al/In/Ga/N層形成週期而得到。類似地,較佳者係進 行2至100個週期,且更佳者,進行10至20個週期以得 鲁到最佳結果。而且,當一個時間期⑴較佳地在從1至60 秒的範圍内,且更佳者,在從2至10秒的範圍内時,可得 到最佳結果。較佳者,基板的溫度係經控制在從8 5 0 °C至 1100°C的範圍内。 . 第HA圖SEM照片,顯示出GaN層240的表面,該
GaN層係長在Al/In/Ga/N多層的中間層230之上。於此實 施例中,該Al/In/Ga/N多層係經由重複上面所述 鲁Al/In(Ga/N層形成週期15次(一個時間期(T)為4秒鐘)而成 • 長出者。從第14A圖中所顯示的SEM照片可以看出在GaN 層的表面實質上沒有產生型態。 第14B圖為顯不於弟14A圖中之樣品GaN層240的 X-射線繞射評估數據圖。如第14B圖中所顯示者,該GaN 層240具有543.6弧秒的半峰全幅值。經由將第14A圖和 第14B圖與第12A圖和第12B圖相比較可確定當在低溫 GaN缓衝層220與GaN層240之間插置Al/In/Ga/N多層 的中間層230時,該GaN層240可以達到改善的品質。 19 93624 1331813 於上面所述第m族·氮化物半導體薄膜細中盆 么有經慣用成長方法成長出t間層23〇的低 衝; 220可以使用第—具體實施例的A脇緩衝層12〇予以^ 換。或者,該中間層230可以直接在卜面藍寶石基板加 之上形成而不在兩者之間形成該低溫緩衝層220。於此種 =多層或一^多層所製成㈣ 間層230可具有作為缓衝層的功能。 第15圖為側概要的截面圖,圖解說明一種第 氮化物半導體薄膜’其中中間層230係作為緩衝層。於第 15圖中’與第7圖巾所示相同的部件係以相㈣參考數字 標出,且其中彼等的說明於此省略。如第15目中所顯示 者,在第III族·氮化物半導體薄膜300中,中間層2如在 卜面藍寶石基板2Π)與未摻雜之⑽層⑽之^成緩衝 第16A圖為SEM照片,顯示在中間層23〇之上的 鲁層240之表面,該中間層係由A1/In/Ga/N#層所製成且作 '為一緩衝層。於此實施例中,該基板的溫係控制在95〇ΐ, 且該Al/In/Ga/N多層係經由重複地進行上面所述 Al/In/Ga/N層形成週期20次(每一週期的一個時間期(τ) = 4秒)而得到者,其中係根據第13圖的時程圖表及第ΐ2Α 圖中所示樣品的相同成長條件。雖然從16Α中所顧示的 SEM照片中可以破定有呈現出電位缺陷的型態,不過該等 型態的數目和尺寸相較於第12Α圖中所顯示的SEMX照 片,係可忽略者。 93624 20 1331813 第湖圖為顯示於第16a圖中之樣品⑽
射線繞射評估數據圖。如第16B圖中所顯示者:該J f 具有763.2弧秒的半峰全幅值。此值小於第12B圖 甲所顯示的_·〇弧秒之半峰全幅值。從此結果可以看 出,當在面藍寶石基板210與GaN層24〇之間插置 A1/In/Ga/N多層的中間層23〇時,該⑽層24〇可 改善的品質。 Μ面所敛述者,根據本發明第二具體實施例,經由 在r面藍貝石基板之上所形成的低溫緩衝層上,以脈衝原 子層蟲晶方法形成中間層,或經由以脈衝原子層蟲晶方法 在r面氩貝石基板之上成長出中間層且用為緩衝層,可以 在其上面成長出高品質的GaN層。類似於根據第一具體實 •施例的第111族-氮化物半導體薄膜者,該GaN層也是在該 .面定向的藍寶石基板之上沿著a_軸成長,因此,在其^ 度方向申沒有極化現象,此種極化現象係在使用c_面藍寶 _石基板時不利地造成。亦即,第二具體實施例的第111族_ -氮化物半導體薄膜可以達到與第一具體實施例的第ΙΠ族_ 氮化物半導體薄膜相同的功效。 雖然上述說明係列舉Ga/N/GaN多層或Al/ln/Ga/N多 層作為中間層,不過,該中間層可具有氮與有機金屬的其 他組合。例如,可以確定的是,即使是採用A1/N/A1N多層、
Al/N/GaN多層、Ga/Ν/ΑΙΝ多層、In/N/InN多層、或類似 者作為中間層,在彼等上所成長出的GaN層之品質相較於 不具中間層的情況可獲得改良。 93624 21 1331813 此外,雖然在上述第—具體實施例與第二具體實施例 木用GaN來形成高溫表層’不過可以了解者,即使是用 其他的以GaN為基底的化合物,諸如八咖等取代㈣, 也可以得到高品質薄膜。 (弟二具體實施例) 根據上述第—和第二具體實施例的第III族·氮化物半 導體薄膜可以用為基底層以構成第氮化物半導體發 光裝置(LED)等。於本發明第三具體實施例中,要解說將 第:具體實施例的第m族.氮化物半導體薄膜應用到°LED 之貫施例。 第17圖為概要的侧截面圖,圖解說明根據本發明第三 具體貫施例的帛III族·氮化物半導體發光裝置(LED)。如 第17圖所顯示者,以參考數字4〇〇標示的第πι方矣·氮化物 半導體發光裝置包括卜面藍寳石基板彻、AUnN緩衝層 402、未摻雜之GaN層4〇3、卜型接觸層4〇4、&型披覆層 、卜型中間層概^性層術”-型阻斷層彻^· 型披覆層409和Ρ·型接觸層41〇,彼等層係以此順序堆疊。 此處,卜面藍寶石基板4(π、Α1ΙηΝ緩衝層術和未換 雜之GaN| 403構成相對應於前述第一具體實施例的第 III族-氮化物半導體薄膜之薄膜。 該η-型接觸層404,例如,係經由將Si注入到⑽ 而成長出’以及η-型披覆層4〇5,例如,具有經由將Μ注 入到(AlGaN/GaN)"(此處,常數“n”為5〇)而得之超晶格結 構。η-型中間層406’例如,係經由將以播雜到爲抓令 93624 22 1331813 而成長出,以及活性層407,例如,具有(A1InGaN/InGaN)n (此處,常數“η,,為5)之多量子井(multiple quantum well^#
構。P-型阻斷層408,例如,係經由將Mg注入到A1GaN 中而成長出,以及該ρ·型坡覆層4〇9,例如,具有經由將
Mg注入到(A1GaN/GaN)n(此處,常數“η,,為5〇)中而得之超 晶格結構。ρ-型接觸層410,例如,係經由將Mg注入到 GaN中而成長出。 η-型接觸層404、η-型披覆層405、η·型中間層406、 活性層407、ρ-型阻斷層408、ρ·型披覆層4〇9和型接觸 層410中之每一者都在彼等的相對應區,、經由姓刻而部份 地移除,以暴露出部份的η·型接觸層4〇4。在η_型接觸層 404的暴露部份裝設η_型電極42〇,且在&型接觸層 之上裝設Ρ-型電極430。在此結構配置之下,例如,可以 實現一具有380奈米的發光峰值波長之。 特別者,由於第111族-氮化物半導體發光裝置400係 丨採用前面所述之第一具體實施例的第ΠΙ族-氮化物半導體 薄膜1〇〇作為基底層,因此可以形成具有多量子井結構和 超晶格結構且需要具有高準確性的厚度控制之活性層 4〇7、η·型被覆層他和ρ_型披覆層彻,而實現在構成酉曰己 對的每-層之可料厚度㈣之增加。該增加的可料厚 度範圍可促成能滿足基本要求的第冚族遺: 光裝置400的產率之改進。 & 緦而之 93624 23 1331813 :別:,係適合用為第m族-氮化物半導體發光裝置的構 成兀仵。 …從上面的說明:份明顯可知者,本發明提供一種第m 力矢氮化物半導體薄膜和第hi兹 置,且物半導體發光裳 置彼專具有下列功效:達成產品產率之改進,消除 確度控制之需要,以及促成❹低價位設備進行 雖然為了闊述目的已經揭示出本發明較 t 卜不過熟諳本技藝者應理解在不違離後附申請專利;圍 取=揭不的本發明範舞和精神下可能有各種修飾、添加和 【圖式簡單說明】 本么明上述目的與其他目的、特徵和其他優點可從下 面配何所附圖詳細說明部份獲得更清楚的了解,其中 第1圖為概要的側截面圖,圖解观明搞嫂+ π n & 具體實施例的㈣族-氮化物半=根據本發明第- 例形:Γ/ΓΙΓ說明根據本發明第-具體實施 /攻弟m私-虱化物半導體薄膜之方法·, 2圖中第所 顯微鏡_)照片’顯示出根據第 *斤層成長條件所得之GaN層的表面; 第3B圖為根據第2 、^ 層的X-射線繞射评估數據圖f所不層成長條件所得之⑽ 联的橫截面 件所得之第ΙΠ族-氮化物半導體薄 93624 24 1331813 第5圖為隱照片,顯示出未捧雜之G 該層係成長於GaN緩衝層之上, 〕表面, 長於⑼藍寶石基板之上;肖^緩衝層係依次成 第6圖為隱照片,顯示出未掺雜之⑽層的表面, 該層係成長於A1N緩衝| t卜,% A % ^ W層之上,该A1N緩衝層係依次 於r-面藍寳石基板之上; 第7圖為概要的側截面圖,圖解說明根據本發二 具體實施例的第III族-氮化物半導體薄膜; — 第8圖為概要的側截面圖,圖解說明根據本發二 具體實施例的第ΙΠ族-氮化物半導體薄膜之中間層;- 第9圖為流程圖,圖解說明根據本發明第二具體實施 例开> 成第III族·氮化物半導體薄膜之方法;
第丨〇圖為成長Ga/N/GaN多層所用脈衝原子層磊晶 法的時程圖表; θ M /第11A圖為SEM照片,顯示出GaN層的表面,該 _層係成長在Ga/N/GaN多層所構成的中間層之上; 第11B圖為第11A圖中所示樣品GaN層的射線繞 射評估數據圖; 、% —第12A圖為SEM照片,顯示出高溫GaN層的表面, 該GaN層係成長在低溫缓衝層之上; 第12B圖為第12A圖中所示樣品GaN層的χ_射線繞 射評估數據圖; 第13圖為成長Al/In/Ga/N多層所用脈衝原子層蟲晶 方法的時程圖表; 25 93624 1331813 第14A圖為SEM照片’顯示出GaN層的表面,該GaN 層係成長在Al/In/Ga/N多層所構成的中間層之上; 第14B圖為圖瑨第圖中所示樣品。抓層的又_射 線繞射評估數據圖; 第15圖為概要的側截面圖,圖解說明帛πι族-氮化物 半導體薄膜,其包括用作為緩衝層的中間層; 第Μ圖為SEM照片,顯示出_層的表面,該_
層係f長在A1/In/Ga/N多層所構成的中間緩衝層之上; 弟16B圖為第16A圖中所示媒σ厂〇\τ旺 U Τ所不樣GaN層的X-射線繞 射評估數據圖;以及 第17圖為概要的側截面圖,圖解說明根據本發二 具體實施例的第πι族-氮化物半導體發光裝置。x 一 【主要元件符號說明】 100, 200, 300第III族-氮化物半導體薄膜 110, 210, 401 r-面藍寶石基板 120,4〇2 AlInN緩衝層〗30, 240, 403未摻雜之Γ M麻 220 低溫緩衝層 230中間層 ” a曰 231!至 231n 層 400 第III族-氮化物半導體發光裝置 404 η-型接觸層 405 型披覆層 406 η-型中間層 407 活性層 408 ρ-型阻斷層 409 Ρ-型披覆層 410 ρ-型接觸層 420 η-型電極 430 ρ -型電極 93624 26
Claims (1)
1331813 第95131926號專利申請案 (99年5月12曰) " 十、申請專利範圍: 1 . 一種第III族-氮化物半導體薄膜,其包括: (1-102)-面藍寶石基板; 緩衝層,其係位於該藍寶石基板之上且由第m族 氮化物所製成; ' 中間層,其係位於該緩衝層之上且係經由二個或多 個多階層(multi-level layers)彼此上下堆疊所形成,每一 個多階層包括第一金屬層和第二氮層;以及
磊晶成長層,其係位於該中間層之上且由第ΠΙ 氮化物所製成。 、 2. —種第III族-氮化物半導體薄膜,其包括: 〇-〗〇2)-面藍寶石基板; 中間層,其係位於該藍寳石基板之上且係經由二個 或多個多階層彼此上下堆疊所形成,每一個多階層包括 第一金屬層和第二氮層;以及 磊晶成長層,其係位於該中間層之上且由第ΠΙ族_ ’氮化物所製成。 、 3·如申請專利範圍帛i或2項之第瓜族氮化物半導體薄 膘,其申該第一層包括(^、^和^中之至少一者。 ’如申請專利範圍第1或2項之第爪族·氮化物半導體薄 膜’其中該中間層係由Ga、N和GaN所製成。 5·如申請專利範圍第1或2項之第III族-氮化物半導體薄 6膜’其中該t間層係由a卜ln、Ga和N所製成。 如申凊專利範圍第1或2項之第m族_氮化物半導體薄 93624(修正版) 27 1331813 ; 、 第 951319(2964m請曰索) 膜’其中該磊晶成長層係由GaN所製成。 7·如申請專利範圍第1或2項之第m族氮化物半導體薄 •、 膜’其中該磊晶成長層係由AlGaN所製成。 .8· —種第in族··氮化物半導體發光裝置,其包括如申請專 利範圍第1或2項之第ΙΠ族—氮化物半導體薄膜。月 9. 一種製造第III族-氮化物半導體薄膜之方法,該方 括: 匕 在(1-102)-面藍寶石基板之上形成由Α1ΙηΝ所製的 鲁緩衝層,其中該藍寶石基板的溫度係控制在從850。。至 950°C的範圍内;以及 於該緩衝層之上以磊晶方式成長第111族_氮化物, 其中該藍寶石基板的溫度係控制在高於形成該緩衝層 期間所控制的該藍寳石基板的溫度。 10.一種製造第ΙΠ族-氮化物半導體薄膜之方法,該方法包 括: Φ 在(1-102)-面藍寶石基板之上形成由第III族-氮化 物所製的緩衝層其中該藍寶石基板的溫度係控制 一溫度; 在該緩衝層之上形成中間層,該中間層包括二個或 多個經由重複形成包括第一金屬層和第二氮層的多階 層所得之多階層;以及 盆/該中間層之上以蟲晶方式成.長第III族-氮化物, 其中該藍寶石基板的溫度係控制在高於該第一溫度的 第二溫度。 93624(修正版) 28 1331813 κ 苐95D1926號專利申請索 * n (99年5月12日^ 種製造第III族-氮化物半導體薄膜之方法,該方法包 括: 在(1-102)-面藍寶石基板之上形成中間層,該中間 . 層包括二個或多個經由重複形成包括第一金屬層和第 二氮層的多階層所得之多階層;以及 12 在該中間層之上以蟲晶方式成長第m族_氮化物。 4申請專利範圍第10或11項之方法,其中該中間層係 由Ga、N和GaN所製成。 申請專利範圍第10或丨丨項之方法,其中該中間層係 A1、h、Ga和N所製成。 93624(修正版) 29
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