TWI416723B - 氮化物半導體結構及其製造方法 - Google Patents

Description

氮化物半導體結構及其製造方法

本發明是有關於一種氮化物半導體結構及其製造方法。

近年來，發光二極體(LED)已經廣泛地被應用於各領域。特別是，以氮化鎵製成的藍光LED搭配黃色螢光粉可以獲得白光，其不僅在亮度的表現比傳統燈管或是燈泡要來得好，其耗電量也比傳統燈管或是燈泡要來得低。此外，發光二極體的壽命更比傳統燈管或是燈泡要來得長。

目前，在氮化鎵半導體發光元件所使用的基板大多是藍寶石基板。藍寶石基板與氮化鎵的晶格常數差異為16%，且藍寶石基板與氮化鎵的熱膨脹係數差異為54%。上述差異除了會使所成長的氮化鎵具有很高的缺陷密度之外，也會使半導體發光元件的應力無法釋放而導致量子侷限效應(quantum confined stark effect)，而影響了半導體發光元件的發光效率。

為了解決上述問題，有人提出透過光罩圖案化製程於藍寶石基板與氮化鎵之間形成規則化的間隙圖案以釋放應力。但是，以上述方法所形成的間隙圖案的尺寸幾乎都大於1um，如此將使得氮化鎵的成長接平增加了困難度。另外，上述之間隙圖案是形成在藍寶石基板與氮化鎵之間，其實際上與半導體發光元件之發光層之間仍有一段距離。因此，藉由上述間隙圖案來釋放半導體發光元件之發光層的應力以改善發光效率仍有很大的存疑。

依據本發明實施例，提出一種氮化物半導體結構，此結構包括基材、未經摻雜的氮化物緩衝層以及氮化物半導體堆疊結構。未經摻雜的氮化物緩衝層位於基材上。氮化物半導體堆疊結構位於未經摻雜的氮化物緩衝層上，其中氮化物半導體堆疊結構包括第一型摻雜層、位於第一型摻雜層上的主動層以及位於主動層上的第二型摻雜層。特別是，第一型摻雜層中具有多個奈米孔洞。

依據本發明另一實施例，提出一種氮化物半導體結構的製造方法。此方法首先在基材上形成未經摻雜的氮化物緩衝層。在未經摻雜的氮化物緩衝層上形成多個金屬顆粒。於未經摻雜的氮化物緩衝層上依序形成第一型摻雜層、主動層以及第二型摻雜層。特別是，在形成第一型摻雜層的過程中，所述金屬顆粒揮發以使第一型摻雜層中形成有多個奈米孔洞。

基於上述，本發明之氮化物半導體結構的第一型摻雜層中具有多個奈米孔洞。由於奈米孔洞是奈米等級，因而形成在奈米孔洞上的第一型摻雜層不會有接平不易的問題。另外，本發明之奈米孔洞是位於第一型摻雜層中。換言之，本發明之奈米孔洞並非形成在基材的表面處，而是在較靠近主動層之第一型摻雜層中，因而相較於傳統方法，本發明之奈米孔洞對於氮化物半導體結構中的主動層具有較佳的應力釋放效果。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1A至圖1D是根據本發明一實施例之氮化物半導體結構的製造流程剖面示意圖。請參照圖1A，首先提供基材100。根據本實施例，基材100為磊晶基材，其材質可包括矽、碳化矽、氧化鋁、藍寶石、氮化鎵、氮化鋁或是其他的磊晶材料。

接著，在基材100上形成未經摻雜的氮化物緩衝層102。根據本實施例，所述未經摻雜的氮化物緩衝層102例如是採用金屬有機化學氣相沈積(MOCVD)程序所形成，且此未經摻雜的氮化物緩衝層102的厚度約為0.5～5μm，較佳的是1～5μm，更佳的是2～3μm。上述之未經摻雜的氮化物緩衝層102之材質包括氮化鎵(GaN)、氮化鋁鎵(GaAlN)、氮化鋁(AlN)、氮化銦鎵(CaInN)或是上述材料之組合。根據一實施例，上述之未經摻雜的氮化物半導體材料102可為厚度為2～3μm的氮化鎵(GaN)。

接著，在未經摻雜的氮化物緩衝層102上形成金屬顆粒104a，如圖1B所示。根據本實施例，形成金屬顆粒104a之方法例如是採用如圖1A至圖1B所述之步驟。也就是，首先，在未經摻雜的氮化物緩衝層102上形成金屬層104。在本實施例中，形成金屬層104的方法包括利用電漿增益型化學氣相沈積法(PECVD)或是電子槍沈積程序所形成，且所形成的金屬層104的厚度為10～40nm。另外，所述金屬層104的熔點低於攝氏1500度。因此，金屬層104可包括鎳(Ni)、銀(Ag)、金(Au)、銅(Cu)或是其他熔點小於攝氏1500度的金屬。

接著，進行回火程序，以使金屬層104轉變成多個奈米金屬顆粒104a，如圖1B所示。根據本實施例，上述之回火程序可採用快速退火程序(RTA)，其溫度為攝氏250～950度，較佳的是攝氏550～950度，且時間為1～2分鐘。另外，在進行上述之快速退火程序(RTA)時，更進一步通入惰性氣體，例如是氬氣、氮氣等等。在進行上述之回火程序之後，可使得金屬層104轉變成直徑d1為30～300nm的奈米金屬顆粒104a，且所述奈米金屬顆粒104a是任意地(random)或是規則地排列在未經摻雜的氮化物緩衝層102上。另外，根據本實施例，上述金屬顆粒104a的密度為至少10⁸ (1/cm² )。

在形成金屬顆粒104a之後，接著請參照圖1C，於未經摻雜的氮化物緩衝層102上形成第一型摻雜層108。根據本實施例，形成第一型摻雜層108的方法包括採用金屬有機化學氣相沈積(MOCVD)程序，且此金屬有機化學氣相沈積程序的溫度為攝氏900～1100度，壓力為650～950 mbar。詳細來說，在形成第一型摻雜層108的過程中，原先的金屬顆粒104a將因所述沈積程序的高溫以及低壓條件而揮發，而使得原先金屬顆粒104a所在的位置形成奈米孔洞106，因而第一型摻雜層108中形成有多個奈米孔洞106。更詳細來說，由於金屬顆粒104a是選用熔點低於攝氏1500度的金屬材料，當於進行第一型摻雜層108之金屬有機化學氣相沈積程序時，因為金屬有機化學氣相沈積程序的高溫(攝氏900～1100度)以及低壓(650～750 mbar)條件，將使得金屬顆粒104a的熔點以及蒸氣壓降低。因此，金屬顆粒104a可在上述第一型摻雜層108之金屬有機化學氣相沈積程序的過程之中揮發掉，而形成奈米孔洞106。

在本實施例中，在上述形成第一型摻雜層108的過程中，第一型摻雜層108在奈米孔洞106上方接平的厚度T1為2～5μm。另外，因為奈米孔洞106為金屬顆粒104a揮發之後所形成，因而所形成的奈米孔洞106的直徑d2與金屬顆粒104a的直徑d1相當，即為30～300nm左右。此外，由於在圖1B所形成的金屬顆粒104a的密度為至少10⁸ (1/cm² )，因此金屬顆粒104a揮發之後所形成奈米孔洞106的密度為至少10⁷ (1/cm² )。再者，由於在圖1B所形成的金屬顆粒104a的為任意地或是規則地排列在未經摻雜的氮化物緩衝層102上，因此金屬顆粒104a揮發之後所形成奈米孔洞106是任意地或是規則地分佈於第一型摻雜層108中，且奈米孔洞106是位於第一型摻雜層108的底部並與未經摻雜的氮化物緩衝層102相接。在此，位於第一型摻雜層108中的奈米孔洞106可對後續於基材100上所形成膜層產生應力釋放的作用。

之後，請參照圖1D，於第一型摻雜層108上形成主動層110，且於主動層110上形成第二型摻雜層112。第一型摻雜層108、主動層110以及第二型摻雜層112構成氮化物半導體堆疊結構120。

根據本實施例，上述之第一型摻雜層108為n型氮化物半導體材料，其例如是摻雜n型摻質之氮化鎵(GaN)、摻雜n型摻質之氮化鋁鎵(GaAlN)、摻雜n型摻質之氮化鋁(AlN)、摻雜n型摻質之氮化銦鎵(CaInN)或是上述材料之組合，較佳的是摻雜矽之氮化鎵(GaN)。在此，第一型摻雜層108的摻雜濃度例如是在10¹⁷ ~10²⁰ /cm³ 之間。

主動層110可為發光層，其包括藍色發光材料、紅色發光材料、綠色發光材料等。另外，主動層110的材料是如是氮化鎵(GaN)、氮化鋁鎵(GaAlN)、氮化鋁(AlN)、氮化銦鎵(GaInN)或是上述材料之組合。

第二型摻雜層112為p型氮化物半導體材料，其例如是摻雜p型摻質之氮化鎵(GaN)、摻雜p型摻質之氮化鋁鎵(GaAlN)、摻雜p型摻質之氮化鋁(AlN)、摻雜p型摻質之氮化銦鎵(CaInN)或是上述材料之組合，較佳的是摻雜p型摻質之氮化鎵(GaN)。在此，第二型摻雜層112的摻雜濃度例如是大於10¹⁷ ~10¹⁹ /cm³ 之間。

在本實施例中，上述之主動層110以及第二型摻雜層112也可採用金屬有機化學氣相沈積程序來形成。換言之，本實施例可採用金屬有機化學氣相沈積系統來連續沈積第一型摻雜層108、主動層110以及第二型摻雜層112。

根據其他實施例，在氮化物半導體堆疊結構120中還可包括其他膜層或是元件，例如高電子移動電晶體(high electron mobility transistor,HEMT)、金屬氧化半導體電晶體(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor,MOSFET)、電源裝置或是其他電子元件。

承上所述，由於本實施例在形成第一型摻雜層108之過程之中可同時於第一型摻雜層108中形成奈米孔洞106。所述奈米孔洞106可對於第一型摻雜層108、主動層110以及第二型摻雜層112產生應力釋放的作用。特別是，所述奈米孔洞106可對主動層110產生應力釋放的作用，因而可提高主動層110的發光效率。

另外，本實施例是在第一型摻雜層108中形成奈米等級的孔洞106。由於孔洞106的尺寸相當小，因而不會影響第一型摻雜層108在孔洞106上方之接平成長。

以上述實施例之方法所形成的氮化物半導體結構如圖1D所示，其包括基材100、未經摻雜的氮化物緩衝層102以及氮化物半導體堆疊結構120。未經摻雜的氮化物緩衝層102位於基材100上。氮化物半導體堆疊結構120位於未經摻雜的氮化物緩衝層102上，其中氮化物半導體堆疊結構120包括第一型摻雜層108、位於第一型摻雜層108上的主動層110以及位於主動層110上的第二型摻雜層112。特別是，氮化物半導體堆疊結構120之第一型摻雜層108中具有多個奈米孔洞106。

在上述實施例之氮化物半導體結構中，由於奈米孔洞106是位於第一型摻雜層108的底部並與未經摻雜的氮化物緩衝層102相接。相較於傳統之半導體發光元件中之間隙圖案是形成在基材之表面處來說，本實施例之奈米孔洞106所在的位置較為靠近主動層110。因此，本實施例之奈米孔洞106對於主動層110的應力釋放效應較佳。

綜合以上所述，本發明之氮化物半導體結構的第一型摻雜層中具有多個奈米孔洞。由於奈米孔洞是奈米等級，因而形成在奈米孔洞上的第一型摻雜層不會有接平不易的問題。另外，本發明之奈米孔洞是位於第一型摻雜層的底部並與未經摻雜的氮化物緩衝層相接。換言之，本發明之奈米孔洞並非形成在基材的表面處，而是在較靠近主動層之第一型摻雜層中，因而相較於傳統方法，本發明對於氮化物半導體結構中的主動層具有較佳的應力釋放效應。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100．．．基材

102．．．未經摻雜的氮化物緩衝層

104．．．金屬層

104a．．．金屬顆粒

106．．．奈米孔洞

108．．．第一型摻雜層

110．．．主動層

112．．．第二型摻雜層

120．．．氮化物半導體堆疊結構

d1,d2．．．直徑

T1．．．厚度

圖1A至圖1D是根據本發明一實施例之氮化物半導體結構的製造流程剖面示意圖。

100．．．基材

102．．．未經摻雜的氮化物緩衝層

106．．．奈米孔洞

108．．．第一型摻雜層

110．．．主動層

112．．．第二型摻雜層

120．．．氮化物半導體堆疊結構

Claims (20)

1. 一種氮化物半導體結構，包括：一基材；一未經摻雜的氮化物緩衝層，位於該基材上；一氮化物半導體堆疊結構，位於該未經摻雜的氮化物緩衝層上，其中該氮化物半導體堆疊結構包括：一第一型摻雜層；一主動層，位於該第一型摻雜層上；一第二型摻雜層，位於該主動層上，其中，該第一型摻雜層中具有多個奈米孔洞。
2. 如申請專利範圍第1項所述之氮化物半導體結構，其中該些奈米孔洞位於該第一型摻雜層的底部並與該未經摻雜的氮化物緩衝層相接。
3. 如申請專利範圍第1項所述之氮化物半導體結構，其中該些奈米孔洞的直徑為30～300nm。
4. 如申請專利範圍第1項所述之氮化物半導體結構，其中位於該些奈米孔洞上方的該第一型摻雜層的厚度為2～5um。
5. 如申請專利範圍第1項所述之氮化物半導體結構，其中該些奈米孔洞的密度為至少10⁷ (1/cm² )。
6. 如申請專利範圍第1項所述之氮化物半導體結構，其中該些奈米孔洞任意地或是規則地分佈於該第一型摻雜層中。
7. 如申請專利範圍第1項所述之氮化物半導體結構，其中該基材為一磊晶基材，其材質包括矽、碳化矽、氧化鋁、藍寶石、氮化鎵或是氮化鋁。
8. 如申請專利範圍第1項所述之氮化物半導體結構，其中該未經摻雜的氮化物緩衝層的材質包括氮化鎵(GaN)、氮化鋁鎵(GaAlN)、氮化鋁(AlN)、氮化銦鎵(CaInN)或是其組合。
9. 如申請專利範圍第1項所述之氮化物半導體結構，其中該第一型摻雜層為n型氮化物半導體材料，且該第二型摻雜層為p型氮化物半導體材料。
10. 一種氮化物半導體結構的製造方法，包括：在一基材上形成一未經摻雜的氮化物緩衝層；在該未經摻雜的氮化物緩衝層上形成多個金屬顆粒；於該未經摻雜的氮化物緩衝層上依序形成一第一型摻雜層、一主動層以及一第二型摻雜層，其中，在形成該第一型摻雜層的過程中，該些金屬顆粒揮發以使該第一型摻雜層中形成有多個奈米孔洞。
11. 如申請專利範圍第10項所述之氮化物半導體結構的製造方法，其中形成該些金屬顆粒的方法包括：在該未經摻雜的氮化物緩衝層上形成一金屬層；以及進行一回火程序，以使該金屬層轉變成多個奈米金屬顆粒。
12. 如申請專利範圍第11項所述之氮化物半導體結構的製造方法，其中該金屬層的厚度為10～40nm。
13. 如申請專利範圍第11項所述之氮化物半導體結構的製造方法，其中該金屬層的熔點低於攝氏1500度。
14. 如申請專利範圍第13項所述之氮化物半導體結構的製造方法，其中該金屬層包括鎳、銀、金或銅。
15. 如申請專利範圍第11項所述之氮化物半導體結構的製造方法，其中該回火程序為一快速退火程序(RTA)，且溫度為攝氏250～950度，時間為1～2分鐘。
16. 如申請專利範圍第10項所述之氮化物半導體結構的製造方法，其中該些金屬顆粒任意地排列於該未經摻雜的氮化物緩衝層上。
17. 如申請專利範圍第10項所述之氮化物半導體結構的製造方法，其中該些金屬顆粒的直徑為30～300nm。
18. 如申請專利範圍第10項所述之氮化物半導體結構的製造方法，其中該些金屬顆粒的密度為至少10⁸ (1/cm² )。
19. 如申請專利範圍第10項所述之氮化物半導體結構的製造方法，其中於該未經摻雜的氮化物緩衝層上形成該第一型摻雜層的方法包括採用一金屬有機化學氣相沈積(MOCVD)程序，且該金屬有機化學氣相沈積程序的溫度為攝氏900～1100度，且壓力為650～950 mbar。
20. 如申請專利範圍第10項所述之氮化物半導體結構的製造方法，其中在形成該第一型摻雜層的過程中，該第一型摻雜層在該些奈米孔洞上方接平的厚度為2～5um。